TWI543265B - 熱處理方法及熱處理裝置 - Google Patents

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Description

熱處理方法及熱處理裝置
本發明係關於一種藉由向形成有高介電常數膜之半導體晶圓等基板照射光而進行加熱，而促進該高介電常數膜之結晶化之熱處理方法及熱處理裝置。
先前以來，作為場效電晶體(FET)之閘極絕緣膜，通常使用二氧化矽(SiO2)，但隨著元件之微細化閘極絕緣膜之薄膜化進展，隨之漏電流之增大成為問題。因此，例如，如專利文獻1所揭示般，使用比介電常數高於二氧化矽之材料(高介電常數材料(High-k材料))作為閘極絕緣膜，並且於閘極電極中使用有金屬之金屬閘極電極之開發不斷進展。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2011-77421號公報
然而，於進行形成有高介電常數膜(High-k膜)作為閘極絕緣膜之半導體晶圓之熱處理時，會產生如下問題。高介電常數膜係藉由MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化學氣 相沈積)等方法使高介電常數材料堆積而形成。又，近年來，使原子層逐層堆積之ALD(Atomic Layer Deposition，原子層沈積)亦受到關注。無論藉由何種方法，堆積狀態之高介電常數膜之結晶性均較低，故而必需藉由以1000℃以上對其進行退火而促進結晶化。
然而，若將高介電常數膜經過數秒以上之長時間加熱至1000℃以上，則會產生如下問題：氧移動而使存在於高介電常數膜與基材之矽之間的二氧化矽膜成長，其膜厚變厚而使裝置特性降低。
又，所堆積之高介電常數膜與基底之二氧化矽膜及上側之金屬閘極電極之界面與矽/二氧化矽之界面相比，必然成為質量較低者。由此，於使用高介電常數膜作為閘極絕緣膜之情形時，亦要求高介電常數膜之界面特性之提高。
本發明係鑒於上述課題而完成者，其目的在於提供一種可促進高介電常數膜之結晶化，並且亦可改善高介電常數膜之界面特性之熱處理方法及熱處理裝置。
為了解決上述課題，技術方案1之發明係一種熱處理方法，其係藉由向形成有高介電常數膜之基板照射光而進行加熱，而促進上述高介電常數膜之結晶化者，其特徵在於包括：閃光加熱步驟，其係藉由自閃光燈向上述形成有高介電常數膜之基板之表面照射閃光，而將包含上述高介電常數膜之上述基板之表面加熱至第1溫度；及退火步驟，其係藉由自鹵素燈對上述基板照射光，而將上述基板之溫度維持於低於上述第1溫度之第2溫度；且上述退火步驟係於包含選自由氫氣、氨、氯化氫、二氧化硫、一氧化二氮、硫化氫所組成之群中之任一種氣體的環境中執行。
又，技術方案2之發明係於技術方案1之發明之熱處理方法中，特徵在於：上述退火步驟中，將上述基板之溫度維持於300℃以上且 700℃以下達2秒鐘以上且30分鐘以下。
又，技術方案3之發明係於技術方案1或技術方案2之發明之熱處理方法中，特徵在於：上述退火步驟係於上述閃光加熱步驟後執行。
又，技術方案4之發明係於技術方案3之發明之熱處理方法中，特徵在於進而於上述閃光加熱步驟前包括預加熱步驟，該預加熱步驟係藉由自上述鹵素燈向上述基板照射光，而將上述基板之溫度加熱至上述第2溫度。
又，技術方案5之發明係於技術方案1至技術方案4中任一項之發明之熱處理方法中，特徵在於：於上述高介電常數膜上形成包含選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬、鎢所組成之群中之1種以上之金屬的閘極電極。
又，技術方案6之發明係於技術方案1至技術方案5中任一項之發明之熱處理方法中，特徵在於：上述高介電常數膜包含選自由TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、WN、TiSiN、HfSiN、VSiN、NbSiN、TaSiN、MoSiN、WSiN、HfAlN、VAlN、NbAlN、TaAlN、MoAlN、WAlN所組成之群中之1種以上。
又，技術方案7之發明係一種熱處理裝置，其係藉由向形成有高介電常數膜之基板照射光而進行加熱，而促進上述高介電常數膜之結晶化者，其特徵在於包括：腔室，其收容上述形成有高介電常數膜之基板；保持器件，其於上述腔室內保持上述基板；閃光燈，其對保持於上述保持器件之上述基板之表面照射閃光，而將包含上述高介電常數膜之上述基板之表面加熱至第1溫度；鹵素燈，其對保持於上述保持器件之基板照射光；環境形成器件，其向上述腔室內供給選自由氫氣、氨、氯化氫、二氧化硫、一氧化二氮、硫化氫所組成之群中之任一種氣體而形成包含該氣體之環境；及控制器件，其以於上述腔室內形成包含上述氣體之環境，並且藉由自上述鹵素燈向上述基板照射光 而將上述基板之溫度維持於低於上述第1溫度之第2溫度的方式控制上述鹵素燈之發光及上述環境形成器件。
又，技術方案8之發明係於技術方案7之發明之熱處理裝置中，特徵在於：上述第2溫度為300℃以上且700℃以下，上述控制器件係以將上述基板維持於上述第2溫度達2秒鐘以上且30分鐘以下之方式控制上述鹵素燈之發光。
又，技術方案9之發明係於技術方案7或技術方案8之發明之熱處理裝置中，特徵在於：上述控制器件係以於藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述基板之表面加熱至上述第1溫度後，將上述基板維持於上述第2溫度之方式控制上述鹵素燈之發光。
又，技術方案10之發明係於技術方案9之發明之熱處理裝置中，特徵在於：上述控制器件係以於藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述基板之表面加熱至上述第1溫度前，將上述基板加熱至上述第2溫度之方式控制上述鹵素燈之發光。
又，技術方案11之發明係於技術方案7至技術方案10中任一項之發明之熱處理裝置中，特徵在於：於上述高介電常數膜上，形成有包含選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬、鎢所組成之群中之1種以上之金屬的閘極電極。
又，技術方案12之發明係於技術方案7至技術方案11中任一項之發明之熱處理裝置中，特徵在於：上述高介電常數膜包含選自由TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、WN、TiSiN、HfSiN、VSiN、NbSiN、TaSiN、MoSiN、WSiN、HfAlN、VAlN、NbAlN、TaAlN、MoAlN、WAlN所組成之群中之1種以上。
根據技術方案1至技術方案6之發明，由於包括：閃光加熱步驟，其係藉由自閃光燈向形成有高介電常數膜之基板之表面照射閃 光，而將包含高介電常數膜之基板之表面加熱至第1溫度；及退火步驟，其係藉由自鹵素燈向基板照射光，而將基板之溫度維持於低於第1溫度之第2溫度；且於包含選自由氫氣、氨、氯化氫、二氧化硫、一氧化二氮、硫化氫所組成之群中之任一種氣體的環境中執行退火步驟，故而可藉由閃光加熱促進高介電常數膜之結晶化，並且亦可藉由於環境氣體中進行利用鹵素燈進行之退火處理而改善高介電常數膜之界面特性。
又，根據技術方案7至技術方案12之發明，由於包括：閃光燈，其向形成有高介電常數膜之基板之表面照射閃光，而將包含高介電常數膜之基板之表面加熱至第1溫度；鹵素燈，其向基板照射光；及環境形成器件，其向腔室內供給選自由氫氣、氨、氯化氫、二氧化硫、一氧化二氮、硫化氫所組成之群中之任一種氣體而形成包含該氣體之環境；且藉由於腔室內形成包含氣體之環境，並且自鹵素燈向基板照射光而將基板之溫度維持於低於第1溫度之第2溫度，故而可藉由閃光加熱促進高介電常數膜之結晶化，並且亦可藉由於環境氣體中進行利用鹵素燈進行之退火處理而改善高介電常數膜之界面特性。
1‧‧‧熱處理裝置
2‧‧‧擋閘機構
3‧‧‧控制部
4‧‧‧鹵素加熱部
5‧‧‧閃光加熱部
6‧‧‧腔室
7‧‧‧保持部
10‧‧‧移載機構
11‧‧‧移載臂
12‧‧‧頂起銷
13‧‧‧水平移動機構
14‧‧‧升降機構
21‧‧‧擋閘板
22‧‧‧滑動驅動機構
31‧‧‧脈衝產生器
32‧‧‧波形設定部
61‧‧‧腔室側部
62‧‧‧凹部
63‧‧‧上側腔室窗
64‧‧‧下側腔室窗
65‧‧‧熱處理空間
71‧‧‧基座環
72‧‧‧連結部
74‧‧‧晶座
76‧‧‧導銷
77‧‧‧切口部
78‧‧‧開口部
79‧‧‧貫通孔
91‧‧‧觸發電極
92‧‧‧玻璃管
93‧‧‧電容器
94‧‧‧線圈
96‧‧‧IGBT
97‧‧‧觸發電路
111‧‧‧基材
112‧‧‧源極
113‧‧‧汲極
116‧‧‧二氧化矽膜
117‧‧‧高介電常數膜
118‧‧‧閘極電極
119‧‧‧SiN側壁
120‧‧‧放射溫度計
130‧‧‧接觸式溫度計
180‧‧‧環境形成機構
FL‧‧‧閃光燈
HL‧‧‧鹵素燈
W‧‧‧半導體晶圓
圖1係表示本發明之熱處理裝置之構成之縱剖面圖。
圖2係表示保持部之整體外觀之立體圖。
圖3係自上表面觀察保持部而得之俯視圖。
圖4係自側方觀察保持部而得之側視圖。
圖5係移載機構之俯視圖。
圖6係移載機構之側視圖。
圖7係表示複數個鹵素燈之配置之俯視圖。
圖8係表示閃光燈之驅動電路之圖。
圖9係表示圖1之熱處理裝置中之半導體晶圓之處理程序的流程 圖。
圖10係表示使用有高介電常數膜作為閘極絕緣膜之閘極構造之概略之圖。
圖11係表示半導體晶圓之表面溫度之變化之圖。
圖12係表示閃光加熱處理前後之半導體晶圓之表面溫度變化之圖。
圖13係表示閃光加熱處理前後之半導體晶圓之表面溫度變化之另一例的圖。
以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行詳細說明。
圖1係表示本發明之熱處理裝置1之構成之縱剖面圖。本實施形態之熱處理裝置1係藉由對作為基板之Φ300 mm之圓板形狀之半導體晶圓W進行閃光照射而加熱該半導體晶圓W之閃光燈退火裝置。詳情於下文敍述，於搬入至熱處理裝置1前之半導體晶圓W上形成有高介電常數膜之閘極，且藉由利用熱處理裝置1進行之加熱處理而促進該高介電常數膜之結晶化。
熱處理裝置1包括收容半導體晶圓W之腔室6、內置複數個閃光燈FL之閃光加熱部5、內置複數個鹵素燈HL之鹵素加熱部4、及擋閘機構2。於腔室6之上側設置有閃光加熱部5，並且於下側設置有鹵素加熱部4。熱處理裝置1於腔室6之內部包括：保持部7，其將半導體晶圓W保持為水平姿勢；及移載機構10，其於保持部7與裝置外部之間進行半導體晶圓W之交接。又，熱處理裝置1包括於腔室6之內部形成組成氣體(氫-氮混合氣體)之環境的環境形成機構180。進而，熱處理裝置1包括控制部3，該控制部3對設置於擋閘機構2、環境形成機構180、鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6之各動作機構進行控制而使半導體晶圓W之熱處理執行。
腔室6係於筒狀之腔室側部61之上下安裝石英製之腔室窗而構成。腔室側部61具有上下開口之大致筒形狀，且於上側開口安裝上側腔室窗63而加以阻塞，於下側開口安裝下側腔室窗64而加以阻塞。構成腔室6之頂棚部之上側腔室窗63為由石英所形成之圓板形狀構件，並發揮作為使自閃光加熱部5出射之閃光透射至腔室6內之石英窗之功能。又，構成腔室6之地板部之下側腔室窗64亦為由石英所形成之圓板形狀構件，並發揮作為使來自鹵素加熱部4之光透射至腔室6內之石英窗之功能。
又，於腔室側部61內側之壁面之上部安裝有反射環68，於下部安裝有反射環69。反射環68、69均係形成為圓環狀。上側之反射環68係藉由自腔室側部61之上側嵌入而進行安裝。另一方面，下側之反射環69係藉由自腔室側部61之下側嵌入並以圖示省略之螺釘固定而進行安裝。即，反射環68、69均為裝卸自如地安裝於腔室側部61者。將腔室6之內側空間、即由上側腔室窗63、下側腔室窗64、腔室側部61及反射環68、69所圍成之空間規定為熱處理空間65。
藉由於腔室側部61安裝反射環68、69而於腔室6之內壁面形成有凹部62。即，形成有由腔室側部61之內壁面中未安裝反射環68、69之中央部分、反射環68之下端面、與反射環69之上端面所圍成之凹部62。凹部62係於腔室6之內壁面沿水平方向形成為圓環狀，並圍繞保持半導體晶圓W之保持部7。
腔室側部61及反射環68、69係藉由強度及耐熱性優異之金屬材料(例如不鏽鋼)而形成。又，反射環68、69之內周面係藉由電解鍍鎳而形成為鏡面。
又，於腔室側部61，形設有用以相對於腔室6進行半導體晶圓W之搬入及搬出之搬送開口部(爐口)66。搬送開口部66可藉由閘極閥185而開啟及關閉。搬送開口部66係連通連接於凹部62之外周面。因 此，於閘極閥185打開搬送開口部66時，可進行半導體晶圓W自搬送開口部66通過凹部62向熱處理空間65之搬入及半導體晶圓W自熱處理空間65之搬出。又，若閘極閥185封閉搬送開口部66，則腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。
又，於腔室6之內壁上部形設有向熱處理空間65供給特定氣體之氣體供給孔81。氣體供給孔81係形設於較凹部62更上側位置，亦可設置於反射環68。氣體供給孔81係經由於腔室6之側壁內部形成為圓環狀之緩衝空間82而連通連接於氣體供給管83。氣體供給管83係分支成兩股，一股係連接於氮氣供給源185，另一股係連接於氫氣供給源189。氣體供給管83之分支成兩股之路徑中連接於氮氣供給源185之配管中介插有閥183及流量調整閥181，且連接於氫氣供給源189之配管中介插有閥187及流量調整閥186。
若打開閥183，則氮氣(N2)自氮氣供給源185通過氣體供給管83而進給至緩衝空間82。於氣體供給管83流通之氮氣之流量係藉由流量調整閥181進行調整。又，若打開閥187，則氫氣(H2)自氫氣供給源189通過氣體供給管83而進給至緩衝空間82。於氣體供給管83流通之氫氣之流量係藉由流量調整閥186進行調整。流入至緩衝空間82之氣體係以於流體阻力小於氣體供給孔81之緩衝空間82內擴散之方式流通而自氣體供給孔81供給至熱處理空間65內。
藉由該等氮氣供給源185、閥183、流量調整閥181、氫氣供給源189、閥187、流量調整閥186、氣體供給管83、緩衝空間82及氣體供給孔81而構成環境形成機構180。藉由打開閥183及閥187之兩者，可向熱處理空間65供給氫氣與氮氣之混合氣體(組成氣體)，形成組成氣體之環境。
另一方面，於腔室6之內壁下部形設有排出熱處理空間65內之氣體之氣體排氣孔86。氣體排氣孔86係形設於較凹部62更下側位置，亦 可設置於反射環69。氣體排氣孔86係經由於腔室6之側壁內部形成為圓環狀之緩衝空間87而連通連接於氣體排氣管88。氣體排氣管88係連接於排氣部190。又，於氣體排氣管88之路徑中途介插有閥89。若打開閥89，則熱處理空間65之氣體自氣體排氣孔86經由緩衝空間87向氣體排氣管88排出。再者，氣體供給孔81及氣體排氣孔86可沿腔室6之周向而設置複數個，亦可為長條狀。
又，於搬送開口部66之前端亦連接有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排氣管191。氣體排氣管191係經由閥192而連接於排氣部190。藉由打開閥192，腔室6內之氣體經由搬送開口部66而被排出。
圖2係表示保持部7之整體外觀之立體圖。又，圖3係自上表面觀察保持部7而得之俯視圖，圖4係自側方觀察保持部7而得之側視圖。保持部7係包括基座環71、連結部72及晶座(susceptor)74而構成。基座環71、連結部72及晶座74均係由石英所形成。即，保持部7之整體係由石英所形成。
基座環71為圓環形狀之石英構件。基座環71藉由載置於凹部62之底面而由腔室6之壁面支撐(參照圖1)。於具有圓環形狀之基座環71之上表面，沿其周向而立設有複數個連結部72(於本實施形態中為4個)。連結部72亦為石英構件，並藉由焊接而固定於基座環71。再者，基座環71之形狀可為其一部分自圓環形狀脫落而成之圓弧狀。
平板狀之晶座74係由設置於基座環71之4個連結部72所支撐。晶座74係由石英形成之大致圓形之平板狀構件。晶座74之直徑大於半導體晶圓W之直徑。即，晶座74具有大於半導體晶圓W之平面尺寸。於晶座74之上表面立設有複數個(於本實施形態中為5個)導銷76。5個導銷76係沿與晶座74之外周圓為同心圓之圓周上進行設置。配置有5個導銷76之圓之直徑略大於半導體晶圓W之直徑。各導銷76亦由石英所形成。再者，導銷76可與晶座74一體地利用石英塊加工，亦可將另行 加工而成者藉由焊接等而安裝於晶座74。
立設於基座環71之4個連結部72與晶座74之周緣部之下表面係藉由焊接而固定。即，晶座74與基座環71係藉由連結部72而固定連結，且保持部7成為石英之一體成形構件。藉由如此以腔室6之壁面支撐保持部7之基座環71而將保持部7安裝於腔室6。於保持部7安裝於腔室6之狀態下，大致圓板形狀之晶座74成為水平姿勢(法線與鉛垂方向一致之姿勢)。搬入至腔室6之半導體晶圓W係以水平姿勢載置並保持於安裝在腔室6之保持部7之晶座74上。半導體晶圓W係載置於由5個導銷76所形成之圓之內側，藉此防止水平方向之位置偏移。再者，導銷76之個數並不限定於5個，只要為可防止半導體晶圓W之位置偏移之數量即可。
又，如圖2及圖3所示，於晶座74中，上下貫通地形成有開口部78及切口部77。切口部77係為了讓使用熱電偶之接觸式溫度計130之探針前端部通過而設置。另一方面，開口部78係為了使放射溫度計120接收自保持於晶座74之半導體晶圓W之下表面放射之放射光(紅外光)而設置。進而，於晶座74中，貫穿設置有供下述移載機構10之頂起銷12貫通以進行半導體晶圓W之交接之4個貫通孔79。
圖5係移載機構10之俯視圖。又，圖6係移載機構10之側視圖。移載機構10包括2根移載臂11。移載臂11係設為大致沿著圓環狀之凹部62之圓弧形狀。於各個移載臂11中立設有2根頂起銷12。各移載臂11可藉由水平移動機構13而旋動。水平移動機構13使一對移載臂11於相對於保持部7進行半導體晶圓W之移載之移載動作位置(圖5之實線位置)與俯視時不與保持於保持部7之半導體晶圓W重疊之退避位置(圖5之二點鏈線位置)之間水平移動。作為水平移動機構13，可為藉由單獨之馬達使各移載臂11分別旋動者，亦可為使用連桿機構而藉由1個馬達使一對移載臂11連動地旋動者。
又，一對移載臂11係藉由升降機構14而與水平移動機構13一併升降移動。若升降機構14使一對移載臂11上升至移載動作位置，則共計4根之頂起銷12通過貫穿設置於晶座74之貫通孔79(參照圖2、3)，且頂起銷12之上端自晶座74之上表面突出。另一方面，若升降機構14使一對移載臂11下降至移載動作位置而將頂起銷12自貫通孔79拔出，且水平移動機構13以打開一對移載臂11之方式移動，則各移載臂11移動至退避位置。一對移載臂11之退避位置為保持部7之基座環71之正上方。由於基座環71係載置於凹部62之底面，故而移載臂11之退避位置成為凹部62之內側。再者，構成為於設置有移載機構10之驅動部(水平移動機構13及升降機構14)之部位附近亦設置有圖示省略之排氣機構，而將移載機構10之驅動部周邊之環境氣體排出至腔室6之外部。
回到圖1，設置於腔室6之上方之閃光加熱部5係於殼體51之內側包括以下部分而構成：光源，其包含複數根(於本實施形態中為30根)氙氣閃光燈FL；及反射器52，其以覆蓋該光源之上方之方式進行設置。又，於閃光加熱部5之殼體51之底部安裝有燈光放射窗53。構成閃光加熱部5之地板部之燈光放射窗53係由石英所形成之板狀之石英窗。藉由將閃光加熱部5設置於腔室6之上方，使燈光放射窗53與上側腔室窗63相對向。閃光燈FL係自腔室6之上方經由燈光放射窗53及上側腔室窗63而對熱處理空間65照射閃光。
複數個閃光燈FL之各者為具有長條之圓筒形狀之棒狀燈，並以各自之長度方向沿保持部7所保持之半導體晶圓W之主面(即沿水平方向)相互地平行之方式排列成平面狀。由此，藉由閃光燈FL之排列而形成之平面亦為水平面。
圖8係表示閃光燈FL之驅動電路之圖。如該圖所示，電容器93、線圈94、閃光燈FL及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極性電晶體)96係串聯連接。又，如圖8所示，控制部3包括脈衝產 生器31及波形設定部32，並且連接於輸入部33。作為輸入部33，可採用鍵盤、滑鼠、觸控面板等各種公知之輸入設備。波形設定部32基於來自輸入部33之輸入內容設定脈衝信號之波形，脈衝產生器31根據該波形產生脈衝信號。
閃光燈FL包括：棒狀之玻璃管(放電管)92，其內部封入有氙氣且其兩端部配設有陽極及陰極；及觸發電極91，其附設於該玻璃管92之外周面上。藉由電源單元95對電容器93施加特定之電壓，而充入對應於該施加電壓(充電電壓)之電荷。又，可自觸發電路97對觸發電極91施加高電壓。觸發電路97對觸發電極91施加電壓之時序係由控制部3控制。
IGBT96係於閘極部組入有MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor，金屬氧化物半導體場效電晶體)之雙極性電晶體，且係適於操作大電力之開關元件。自控制部3之脈衝產生器31對IGBT96之閘極施加脈衝信號。若對IGBT96之閘極施加特定值以上之電壓(高電壓)，則IGBT96成為接通狀態，若施加未達特定值之電壓(低電壓)，則IGBT96成為斷開狀態。以此方式，包含閃光燈FL之驅動電路藉由IGBT96而接通、斷開。藉由IGBT96之接通、斷開，閃光燈FL與對應之電容器93斷續地連接。
即便於電容器93已充電之狀態下IGBT96成為接通狀態而對玻璃管92之兩端電極施加高電壓，由於氙氣為電絕緣體，故於通常之狀態下玻璃管92內亦不會通電。然而，於觸發電路97對觸發電極91施加高電壓而破壞絕緣之情形時，藉由兩端電極間之放電而於玻璃管92內電流瞬間流通，並藉由此時氙之原子或分子之激發而放出光。
又，圖1之反射器52係於複數個閃光燈FL之上方以覆蓋該等整體之方式進行設置。反射器52之基本功能係將自複數個閃光燈FL出射之光反射至保持部7側。反射器52係由鋁合金板所形成，且其表面(面 臨閃光燈FL之側之面)藉由噴射處理而實施有粗面化加工。
於設置於腔室6之下方之鹵素加熱部4之內部內置有複數根(於本實施形態中為40根)鹵素燈HL。複數根鹵素燈HL係接受來自電力供給電路45之電力供給而發光，進行自腔室6之下方經由下側腔室窗64向熱處理空間65之鹵素光之照射。來自電力供給電路45之電力供給係由控制部所控制。圖7係表示複數根鹵素燈HL之配置之俯視圖。於本實施形態中，於上下2段分別配設有各20根鹵素燈HL。各鹵素燈HL為具有長條之圓筒形狀之棒狀燈。上段、下段皆為20根之鹵素燈HL以各自之長度方向沿保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿水平方向)相互地平行之方式進行排列。由此，上段、下段中，由鹵素燈HL之排列而形成之平面皆為水平面。
又，如圖7所示，上段、下段皆為相較於與保持於保持部7之半導體晶圓W之中央部對向之區域，與周緣部對向之區域中之鹵素燈HL之配設密度更高。即，上下段皆為燈排列之周緣部之鹵素燈HL的配設間距較燈排列之中央部短。因此，於藉由來自鹵素加熱部4之光照射進行加熱時，可對容易產生溫度降低之半導體晶圓W之周緣部照射更多之光量。
又，包含上段之鹵素燈HL之燈群與包含下段之鹵素燈HL之燈群係以格子狀地交叉之方式進行排列。即，以上段之各鹵素燈HL之長度方向與下段之各鹵素燈HL之長度方向正交之方式配設有共計40根鹵素燈HL。
鹵素燈HL係藉由對配設於玻璃管內部之燈絲通電而使燈絲白熾化並發光之燈絲方式的光源。於玻璃管之內部，封入有於氮氣或氬氣等惰性氣體中導入微量之鹵族元素(碘、溴等)而成之氣體。藉由導入鹵族元素，可抑制燈絲之損耗並且將燈絲之溫度設定為高溫。因此，鹵素燈HL與通常之白熾燈泡相比，具有壽命長且可連續照射強光之 特性。又，鹵素燈HL由於為棒狀燈因而具有長壽命，且藉由使鹵素燈HL沿水平方向配置，而使對上方之半導體晶圓W之放射效率優異。
又，如圖1所示，熱處理裝置1於鹵素加熱部4及腔室6之側方包括擋閘機構2。擋閘機構2包括擋閘板21及滑動驅動機構22。擋閘板21為相對於鹵素光不透明之板，例如由鈦(Ti)形成。滑動驅動機構22使擋閘板21沿水平方向滑動移動，並於鹵素加熱部4與保持部7之間之遮光位置拔插擋閘板21。若滑動驅動機構22使擋閘板21前進，則於腔室6與鹵素加熱部4之間之遮光位置(圖1之二點鏈線位置)插入擋閘板21，下側腔室窗64與複數根鹵素燈HL被遮斷。藉此，自複數根鹵素燈HL朝向熱處理空間65之保持部7之光被遮擋。反之，若滑動驅動機構22使擋閘板21後退，則擋閘板21自腔室6與鹵素加熱部4之間之遮光位置退出而使下側腔室窗64之下方打開。
又，控制部3係對設置於熱處理裝置1之上述各種動作機構進行控制。作為控制部3之硬體之構成與通常之電腦相同。即，控制部3構成為包括：CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)，其進行各種運算處理；ROM(Read-only Memory，唯讀記憶體)，其作為記憶基本程式之唯讀之記憶體；RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)，其作為記憶各種資訊之隨機存取之記憶體；及磁碟，其預先記憶控制用軟體或資料等。藉由控制部3之CPU執行特定之處理程式，而進行熱處理裝置1中之處理。又，如圖8所示，控制部3包括脈衝產生器31及波形設定部32。如上所述，波形設定部32基於來自輸入部33之輸入內容而設定脈衝信號之波形，脈衝產生器31根據該波形對IGBT96之閘極輸出脈衝信號。進而，控制部3藉由控制環境形成機構180之各閥之開啟及關閉而進行腔室6內之環境調整，並且藉由控制電力供給電路45而控制鹵素燈HL之發光。
除上述構成以外，熱處理裝置1亦包括各種冷卻用之構造，以防止由半導體晶圓W之熱處理時自鹵素燈HL及閃光燈FL產生之熱能引起的鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6之過度之溫度上升。例如，於腔室6之壁體設置有水冷管(圖示省略)。又，鹵素加熱部4及閃光加熱部5係設為於內部形成氣流而進行排熱之空氣冷卻構造。又，對上側腔室窗63與燈光放射窗53之間隙亦供給空氣而冷卻閃光加熱部5及上側腔室窗63。
繼而，對在半導體晶圓W形成高介電常數膜之閘極並進行熱處理之處理程序進行說明。圖9係表示半導體晶圓W之處理程序之流程圖。該圖之步驟S2以後係藉由熱處理裝置1而執行之處理。
首先，先於熱處理而於半導體晶圓W形成使用有高介電常數閘極絕緣膜之閘極構造(步驟S1)。圖10係表示使用高介電常數膜作為閘極絕緣膜之閘極構造之概略之圖。
於單晶矽(Si)基材111上形成有源極112與汲極113。於源極-汲極間之基材111上形成二氧化矽(SiO2)膜116，進而於該二氧化矽膜116上形成高介電常數膜117。本實施形態之高介電常數膜117包含選自由TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、WN、TiSiN、HfSiN、VSiN、NbSiN、TaSiN、MoSiN、WSiN、HfAlN、VAlN、NbAlN、TaAlN、MoAlN、WAlN所組成之群中之1種以上。二氧化矽膜116只要藉由例如熱氧化法而成膜即可，又，高介電常數膜117只要藉由例如MOCVD堆積即可。或者，高介電常數膜117亦可藉由ALD而逐層堆積原子層。該等二氧化矽膜116及高介電常數膜117發揮作為閘極絕緣膜之功能。
進而，於高介電常數膜117上形成閘極電極118。本實施形態之閘極電極118係包含選自由鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)所組成之群中之1種以上之金屬的金屬閘極電 極。再者，作為閘極電極118，亦可使用多晶矽代替金屬閘極電極。
又，於閘極電極118之兩側方形成有SiN側壁119。該側壁119可先於閘極電極118形成，亦可於閘極電極118之後形成。
形成有此種閘極構造之半導體晶圓W被搬入至上述熱處理裝置1(步驟S2)。堆積狀態之高介電常數膜117之結晶性較低，故而必需將其加熱至1000℃以上而促進結晶化。又，高介電常數膜117與閘極電極118及二氧化矽膜116之間的界面之質量並不良好，存在大量未鍵結鍵(懸鍵)。於本實施形態中，藉由熱處理裝置1中之熱處理而促進堆積後之高介電常數膜117之結晶化，並且對界面進行改質。以下所說明之熱處理裝置1中之動作程序係藉由控制部3控制熱處理裝置1之各動作機構而進行。
於熱處理裝置1中，先於半導體晶圓W之搬入而打開氮氣供給用之閥183，並且打開排氣用之閥89、192而進行對腔室6內之送氣及排氣。若打開閥183，則自氣體供給孔81向熱處理空間65供給氮氣。又，若打開閥89，則自氣體排氣孔86排出腔室6內之氣體。藉此，自腔室6內之熱處理空間65之上部供給之氮氣向下方流動，並自熱處理空間65之下部排出。又，藉由打開閥192，腔室6內之氣體亦自搬送開口部66排出。進而，藉由圖示省略之排氣機構，移載機構10之驅動部周邊之環境亦進行排氣。
繼而，打開閘極閥185而打開搬送開口部66，藉由裝置外部之搬送機器人經由搬送開口部66而將形成有高介電常數膜117及閘極電極118之半導體晶圓W搬入至腔室6內之熱處理空間65。此時，由於繼續向腔室6內供給氮氣，故而可將裝置外部之環境向腔室6內之流入抑制為最小限度。藉由搬送機器人而搬入之半導體晶圓W係進出至保持部7之正上方位置而停止。繼而，移載機構10之一對移載臂11自退避位置水平移動而上升至移載動作位置，藉此頂起銷12通過貫通孔79而自 晶座74之上表面突出，從而接收半導體晶圓W。
半導體晶圓W被載置於頂起銷12後，搬送機器人自熱處理空間65退出，藉由閘極閥185將搬送開口部66封閉。繼而，一對移載臂11下降，藉此半導體晶圓W自移載機構10被交接至保持部7之晶座74而保持為水平姿勢。半導體晶圓W係將形成有閘極電極118及高介電常數膜117之表面作為上表面而保持於晶座74。又，半導體晶圓W於晶座74之上表面保持於5個導銷76之內側。下降至晶座74之下方之一對移載臂11藉由水平移動機構13而退避至退避位置、即凹部62之內側。
半導體晶圓W被載置並保持於保持部7之晶座74後，一齊點亮鹵素加熱部4之40根鹵素燈HL而開始預加熱(輔助加熱)(步驟S3)。自鹵素燈HL出射之鹵素光係透射由石英形成之下側腔室窗64及晶座74而自半導體晶圓W之背面照射。所謂半導體晶圓W之背面係指與形成有高介電常數膜117之表面為相反側之主面，通常未形成任何裝置圖案。藉由接受來自鹵素燈HL之光照射使半導體晶圓W之溫度上升。再者，由於移載機構10之移載臂11退避至凹部62之內側，故而不會成為利用鹵素燈HL進行之加熱之障礙。
圖11係表示半導體晶圓W之表面溫度之變化之圖。搬入半導體晶圓W並載置於晶座74後，控制部3於時刻t0使40根鹵素燈HL點亮而藉由鹵素光照射使半導體晶圓W升溫至預加熱溫度T1。預加熱溫度T1為600℃以上且900℃以下，於本實施形態中係設為700℃。
於利用鹵素燈HL進行預加熱時，半導體晶圓W之溫度係藉由接觸式溫度計130進行測定。即，內置熱電偶之接觸式溫度計130經由切口部77與保持於晶座74之半導體晶圓W之下表面接觸，從而測定升溫中之晶圓溫度。測定到之半導體晶圓W之溫度被傳達至控制部3。控制部3監控藉由來自鹵素燈HL之光照射而升溫之半導體晶圓W之溫度是否到達特定之預加熱溫度T1，並且控制鹵素燈HL之輸出。即，控 制部3係基於由接觸式溫度計130獲得之測定值，以半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之方式對電力供給電路45進行反饋控制，從而調整鹵素燈HL之強度。再者，於藉由來自鹵素燈HL之光照射使半導體晶圓W升溫時，不利用放射溫度計120進行溫度測定。其原因在於：自鹵素燈HL照射之鹵素光係作為環境光而入射至放射溫度計120，無法進行正確之溫度測定。
半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1後，控制部3將半導體晶圓W暫時維持於該預加熱溫度T1。具體而言，於由接觸式溫度計130所測定之半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之時刻t1，控制部3控制電力供給電路45而調整鹵素燈HL之強度，從而將半導體晶圓W之溫度大致維持於預加熱溫度T1。
藉由進行此種利用鹵素燈HL之預加熱而使半導體晶圓W之整體均勻地升溫至預加熱溫度T1。於利用鹵素燈HL進行之預加熱之階段，存在更容易產生放熱之半導體晶圓W之周緣部之溫度較中央部降低之傾向，但關於鹵素加熱部4中之鹵素燈HL之配設密度，與半導體晶圓W之周緣部對向之區域較與半導體晶圓W之中央部對向之區域更高。因此，照射至容易產生放熱之半導體晶圓W之周緣部之光量增多，可使預加熱階段之半導體晶圓W之面內溫度分佈變均勻。進而，由於安裝於腔室側部61之反射環69之內周面係製成鏡面，故而藉由該反射環69之內周面而朝向半導體晶圓W之周緣部反射之光量增多，可使預加熱階段之半導體晶圓W之面內溫度分佈更均勻。
繼而，於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1並經過特定時間後之時刻t2執行自閃光燈FL照射閃光之閃光加熱處理(步驟S4)。圖12係表示閃光加熱處理前後之半導體晶圓W之表面溫度變化之圖，且係將圖11之時刻t2附近放大之圖。再者，半導體晶圓W之溫度自室溫達到預加熱溫度T1之時間(時刻t0至時刻t1之時間)及達到預加熱溫度T1 後至閃光燈FL發光之時間(時刻t1至時刻t2之時間)均為數秒左右。閃光燈FL進行閃光照射時，預先藉由電源單元95將電荷累積於電容器93中。繼而，於電容器93中累積有電荷之狀態下，自控制部3之脈衝產生器31向IGBT96輸出脈衝信號而對IGBT96進行接通斷開驅動。
脈衝信號之波形可藉由自輸入部33輸入將脈衝寬度之時間(接通時間)與脈衝間隔之時間(斷開時間)依序設定為參數之程序(recipe)而進行規定。若操作員自輸入部33向控制部3輸入此種程序，則控制部3之波形設定部32根據該程序設定重複接通斷開之脈衝波形。繼而，脈衝產生器31依據由波形設定部32所設定之脈衝波形而輸出脈衝信號。其結果，對IGBT96之閘極施加所設定之波形之脈衝信號而控制IGBT96之接通斷開驅動。具體而言，於輸入至IGBT96之閘極之脈衝信號接通時，IGBT96成為接通狀態，於脈衝信號斷開時，IGBT96成為斷開狀態。
又，同步於自脈衝產生器31輸出之脈衝信號成為接通之時序，控制部3控制觸發電路97而對觸發電極91施加高電壓(觸發電壓)。於電容器93中累積有電荷之狀態下對IGBT96之閘極輸入脈衝信號，且同步於該脈衝信號成為接通之時序而對觸發電極91施加高電壓，藉此於脈衝信號接通時玻璃管92內之兩端電極間必定流通電流，並藉由此時之氙之原子或分子之激發而放出光。
以此方式，閃光燈FL於時刻t21開始發光，並對保持於保持部7之半導體晶圓W之表面照射閃光。於不使用IGBT96而使閃光燈FL發光之情形時，累積於電容器93之電荷於1次發光中消耗，來自閃光燈FL之輸出波形成為寬度為0.1毫秒至10毫秒左右之單脈衝。與此相對，於本實施形態中，藉由於電路中連接作為開關元件之IGBT96而對其閘極輸出脈衝信號，而利用IGBT96將電荷斷續地自電容器93供給至閃光燈FL，控制流通至閃光燈FL之電流。其結果，換言之閃光燈FL 之發光被斬波控制，累積於電容器93之電荷分批地消耗，閃光燈FL於極短之時間內重複閃爍。再者，於電路中流通之電流值完全變為“0”之前，後續之脈衝施加至IGBT96之閘極而使電流值再次增加，故而於閃光燈FL重複閃爍之期間，發光輸出亦不會完全成為「0」。因此，藉由利用IGBT96斷續地對閃光燈FL供給電荷，可自如地規定閃光燈FL之發光圖案，可自由地調整發光時間及發光強度。然而，閃光燈FL之發光時間即便長亦為1秒鐘以下。
藉由自閃光燈FL向形成有高介電常數膜117之半導體晶圓W之表面照射閃光，包含閘極電極118及高介電常數膜117之半導體晶圓W之表面於時刻t22升溫至目標溫度T2(第1溫度)。由於閃光燈FL之發光時間為1秒鐘以下之短時間，故而半導體晶圓W之表面溫度自預加熱溫度T1升溫至目標溫度T2所需之時間(時刻t21至時刻t22之時間)亦為未達1秒鐘之極短時間。目標溫度T2為可促進閘極之高介電常數膜117之結晶化之1000℃以上且1200℃以下，於本實施形態中係設為1100℃。
由於閃光燈FL之發光時間為1秒鐘以下之短時間，故而將高介電常數膜117加熱至目標溫度T2附近之時間極短。由此，可抑制於高溫下進行長時間加熱而引起之二氧化矽膜116之成長。再者，高介電常數膜117之結晶化所需之時間與氧之擴散時間相比明顯較短。因此，即便為二氧化矽膜116不會成長之程度之短時間，亦達成高介電常數膜117之結晶化。
若結束利用閃光燈FL進行之閃光照射，則IGBT96成為斷開狀態而使閃光燈FL之發光停止，半導體晶圓W之表面溫度自目標溫度T2急速地降溫。繼而，於時刻t23，半導體晶圓W之表面溫度降低至預加熱溫度T1。利用鹵素燈HL進行之光照射係經過閃光照射之前後而連續地進行。由此，時刻t23以後，亦藉由來自鹵素燈HL之光照射而將半導體晶圓W之溫度維持於預加熱溫度T1。
於本實施形態中，於閃光照射後且為半導體晶圓W之表面溫度降低至預加熱溫度T1之期間，於腔室6內形成組成氣體之環境(步驟S5)。具體而言，於時刻t22至時刻t23之期間打開閥187。由於自預加熱開始前打開閥183，故而藉由打開閥187而自氣體供給孔81向熱處理空間65供給氫氣與氮氣之混合氣體(組成氣體)。其結果，於腔室6內，於保持部7所保持之半導體晶圓W之周邊形成組成氣體之環境。組成氣體環境中之氫氣之濃度(即氫氣與氮氣之混合比)係由流量調整閥181及流量調整閥186所規定。於本實施形態中，以組成氣體之環境中之氫氣之濃度成為約4 vol.%之方式，藉由流量調整閥186及流量調整閥181而調整氫氣及氮氣之流量。
於時刻t23以後，藉由來自鹵素燈HL之光照射將半導體晶圓W維持於退火溫度T3(第2溫度)(步驟S6)。即，基於利用接觸式溫度計130獲得之測定值，以半導體晶圓W之溫度成為退火溫度T3之方式，控制部3對電力供給電路45進行反饋控制而調整鹵素燈HL之強度。於本實施形態中，使閃光加熱前之預加熱溫度T1與閃光加熱後之退火溫度T3相等。因此，只要鹵素燈HL經過閃光照射前後而維持相同之照射強度，即可直接移行至閃光加熱後之退火處理，故而電力供給電路45之控制較容易。
利用鹵素燈HL進行之退火處理自時刻t23連續進行至時刻t3(圖11)。即，自時刻t23至時刻t3，藉由來自鹵素燈HL之光照射而將半導體晶圓W維持於退火溫度T3。又，於執行利用鹵素燈HL進行之退火處理之期間，亦連續地形成組成氣體之環境。因此，閃光加熱後之半導體晶圓W係於組成氣體環境中進行退火。
藉由於包含氫氣之組成氣體之環境中將半導體晶圓W維持於退火溫度T3，存在於高介電常數膜117與閘極電極118及二氧化矽膜116各者之界面附近之高介電常數材料之未鍵結鍵(懸鍵)被氫封端。藉此， 可使存在於堆積後之高介電常數膜117與閘極電極118及二氧化矽膜116之界面附近之缺陷消失，可改善高介電常數膜117之界面特性。
進行此種退火處理時之較佳之退火溫度T3為300℃以上且700℃以下。於本實施形態中，將退火溫度T3設為與預加熱溫度T1相同之700℃。再者，退火溫度T3必定低於目標溫度T2。若該退火溫度T3未達300℃，則氫封端難以進展。又，若退火溫度T3超過700℃，則二氧化矽膜116會成長，或者於源極112及汲極113中注入有雜質之情形時亦有該雜質擴散之擔憂。因此，退火溫度T3係設為300℃以上且700℃以下。
又，將半導體晶圓W維持於退火溫度T3之退火時間、亦即時刻t23至時刻t3之時間為2秒鐘以上且30分鐘以下。該時間依存於退火溫度T3，且退火溫度T3越高退火時間可越短。根據上述原因，退火溫度T3之上限係設為700℃。若退火溫度T3為上限之700℃，則退火時間需要2秒鐘。另一方面，若退火時間超過30分鐘，則處理1片半導體晶圓W需要長時間，熱處理裝置1之產能降低。因此，退火時間係設為2秒鐘以上且30分鐘以下。
不久，於經過特定之退火時間後之時刻t3熄滅鹵素燈HL(步驟S7)。藉此，半導體晶圓W開始自退火溫度T3之降溫。又，於退火處理結束之時刻t3，僅關閉閥187而將腔室6內置換為氮氣環境。又，熄滅鹵素燈HL之同時，擋閘機構2將擋閘板21插入至鹵素加熱部4與腔室6之間之遮光位置(步驟S8)。即便熄滅鹵素燈HL，燈絲或管壁之溫度亦不會立即降低，輻射熱繼續自暫時高溫之燈絲及管壁放射，該情況會妨礙半導體晶圓W之降溫。藉由插入擋閘板21，自剛熄滅後之鹵素燈HL放射至熱處理空間65之輻射熱被遮斷，可提高半導體晶圓W之降溫速度。
又，於擋閘板21插入至遮光位置之時間點開始利用放射溫度計 120進行之溫度測定。即，放射溫度計120對自保持部7所保持之半導體晶圓W之下表面經由晶座74之開口部78而放射之紅外光之強度進行測定，從而測定降溫過程中之半導體晶圓W之溫度。測定到之半導體晶圓W之溫度被傳達至控制部3。
自剛熄滅後之高溫之鹵素燈HL會繼續放射一些放射光，但由於放射溫度計120係於擋閘板21被插入至遮光位置時進行半導體晶圓W之溫度測定，故而自鹵素燈HL朝向腔室6內之熱處理空間65之放射光被遮蔽。因此，放射溫度計120可不受環境光之影響而正確地測定晶座74所保持之半導體晶圓W之溫度。
控制部3監控由放射溫度計120所測定之半導體晶圓W之溫度是否降低至特定溫度。繼而，於半導體晶圓W之溫度降低至特定以下後，移載機構10之一對移載臂11再次自退避位置水平移動地上升至移載動作位置，藉此頂起銷12自晶座74之上表面突出而自晶座74接收熱處理後之半導體晶圓W。繼而，由閘極閥185所封閉之搬送開口部66被打開，載置於頂起銷12上之半導體晶圓W由裝置外部之搬送機器人搬出(步驟S9)，完成熱處理裝置1中之半導體晶圓W之加熱處理。
於本實施形態中，自閃光燈FL向形成有高介電常數膜117及閘極電極118之半導體晶圓W之表面照射閃光，將該表面於1秒鐘以下之短時間內閃光加熱至1000℃以上之目標溫度T2。將藉由MOCVD或ALD之方法而堆積之高介電常數膜117於短時間內閃光加熱至1000℃以上，藉此可抑制二氧化矽膜116之成長，並且促進高介電常數膜117之結晶化。
又，於本實施形態中，藉由自鹵素燈HL向閃光加熱後之半導體晶圓W照射光而將半導體晶圓W之溫度維持於退火溫度T3。而且，該閃光加熱後之退火處理係於氫氣與氮氣之混合氣體之環境中執行。藉由於包含氫氣之組成氣體之環境中執行將半導體晶圓W維持於退火溫 度T3之退火處理，可藉由氫封端使存在於高介電常數膜117與閘極電極118及二氧化矽膜116之界面附近之缺陷消失，可改善高介電常數膜之界面特性。即，於藉由本實施形態之熱處理裝置1對形成有高介電常數膜117之半導體晶圓W進行使用閃光燈FL之閃光加熱後，於包含氫氣之組成氣體之環境中藉由鹵素燈HL執行退火處理，藉此可促進高介電常數膜117之結晶化，並且亦可改善高介電常數膜117之界面特性。其結果，可使利用高介電常數膜117之閘極之容量增大，並且減少漏電流，可延長作為裝置之製品壽命。
又，由於使閃光加熱後之退火溫度T3與閃光加熱前之預加熱溫度T1相等，故而只要經過閃光照射之前後將鹵素燈HL之強度維持為大致固定即可，可容易地控制電力供給電路45。
以上，對本發明之實施形態進行了說明，但本發明可於不脫離其主旨之範圍內於上述情況以外進行各種變更。例如，上述實施形態中係於氫氣與氮氣之混合氣體之環境中執行退火處理，但退火處理時之環境並不限定於此。例如，亦可使用氨(NH3)、氯化氫(HCl)、二氧化硫(SO2)、一氧化二氮(N2O)、或硫化氫(H2S)中之任一種氣體代替氫氣。該等氣體種類亦與氫氣同樣地可藉由封端而使存在於高介電常數膜117之界面附近之缺陷消失。即，將半導體晶圓W維持於退火溫度T3之退火處理只要於包含選自由氫氣、氨、氯化氫、二氧化硫、一氧化二氮、硫化氫所組成之群中之任一種氣體的環境中執行即可。
又，本發明中之氫不僅包含所謂之氕(H)，亦包含氘(D)及氚(T)。若於包含氘或氚之氣體之環境中執行半導體晶圓W之退火處理，則可使存在於高介電常數膜117之界面附近之缺陷良好地消失。
又，氫-氮混合氣體中之氫氣之濃度並不限定於4 vol.%而可設為適當之值。又，亦可使用預先將氫氣與氮氣以特定濃度混合而成之組成氣體。
又，上述實施形態中係於閃光照射後在腔室6內形成氫-氮混合氣體之環境，但亦可自閃光照射前開始向腔室6內供給氫氣而形成混合氣體之環境。即，只要於開始將半導體晶圓W維持於退火溫度T3之退火處理之時間點形成氫-氮混合氣體之環境即可。
於上述實施形態中，於閃光照射前形成氫-氮混合氣體之環境之情形時，將半導體晶圓W加熱至預加熱溫度T1之預加熱成為具有與退火處理相同意義之處理，於預加熱中亦藉由封端而使存在於高介電常數膜117之界面附近之缺陷消失。即，用以使缺陷消失之退火處理並不限定於閃光加熱後，亦可於閃光加熱前進行。然而，若於閃光加熱前進行缺陷之封端，則會有閃光照射時半導體晶圓W之表面升溫至1000℃以上時，封端之效果喪失之虞，故而較佳為如上述實施形態般於閃光加熱後進行退火處理。
又，於上述實施形態中，使退火溫度T3與預加熱溫度T1相等，但並不限定於此，亦可將退火溫度T3設為與預加熱溫度T1不同之溫度。圖13係表示閃光加熱處理前後之半導體晶圓W之表面溫度變化之另一例的圖。與上述實施形態同樣地，半導體晶圓W被預加熱至預加熱溫度T1，且閃光燈FL於時刻t21開始閃光照射。藉此，半導體晶圓W之表面於時刻t22升溫至目標溫度T2。繼而，若閃光燈FL之發光停止，則半導體晶圓W之表面溫度自目標溫度T2降溫，於時刻t24達到退火溫度T3。
圖13之例中之退火溫度T3與預加熱溫度T1相比為低溫。由此，半導體晶圓W之降溫所需之時間(時刻t22至時刻t24之時間)長於上述實施形態之時刻t22至時刻t23之時間。但圖13之退火溫度T3亦為300℃以上且700℃以下。繼而，自時刻t24開始藉由鹵素燈HL之光照射而將半導體晶圓W維持於退火溫度T3之退火處理。於開始退火處理前在腔室6內形成氫-氮混合氣體之環境，此點與上述實施形態相同。 又，半導體晶圓W之退火時間為2秒鐘以上且30分鐘以下。以此方式，與上述實施形態同樣地，亦可使存在於高介電常數膜117之界面附近之缺陷消失而改善界面特性。又，亦可與圖13之例相反地，退火溫度T3較預加熱溫度T1為高溫。
又，於上述實施形態中，同步於脈衝信號成為接通之時序而對觸發電極91施加電壓，但施加觸發電壓之時序並不限定於此，亦可與脈衝信號之波形無關地以固定間隔施加。又，若為如脈衝信號之間隔較短且於藉由某脈衝於閃光燈FL流通之電流之電流值殘留特定值以上之狀態下藉由後續脈衝開始通電的情形，則直接於閃光燈FL中持續流通電流，故而無需對每一脈衝施加觸發電壓。即，若為於脈衝信號成為接通時，電流於閃光燈FL中流通之時序，則觸發電壓之施加時序為任意。
又，於上述實施形態中，使用IGBT96作為開關元件，但亦可使用可根據輸入至閘極之信號位準而接通、斷開電路之其他電晶體代替。然而，由於閃光燈FL之發光消耗相當大之電力，故較佳為採用適於大電力之操作之IGBT或GTO(Gate Turn Off，閘極截止)閘流體作為開關元件。
又，於上述實施形態中，閃光加熱部5包括30根閃光燈FL，但並不限定於此，閃光燈FL之根數可設為任意數目。又，閃光燈FL並不限定於氙氣閃光燈，亦可為氪氣閃光燈。又，鹵素加熱部4所包括之鹵素燈HL之根數亦不限定於40根，而可設為任意數目。
又，藉由本發明之熱處理裝置而成為處理對象之基板並不限定於半導體晶圓，亦可為液晶顯示裝置等平板顯示器所使用之玻璃基板或太陽電池用之基板。

Claims (12)

  1. 一種熱處理方法，其特徵在於：其係藉由對形成有高介電常數膜之基板照射光而進行加熱，而促進上述高介電常數膜之結晶化者，且包括：閃光加熱步驟，其係藉由自閃光燈向上述形成有高介電常數膜之基板之表面照射閃光，而將包含上述高介電常數膜之上述基板之表面加熱至第1溫度；及退火步驟，其係藉由自鹵素燈向上述基板照射光，而將上述基板之溫度維持於低於上述第1溫度之第2溫度；上述退火步驟係於包含選自由氫氣、氨、氯化氫、二氧化硫、一氧化二氮、硫化氫所組成之群中之任一種氣體的環境中執行。
  2. 如請求項1之熱處理方法，其中於上述退火步驟中，將上述基板之溫度維持於300℃以上且700℃以下達2秒鐘以上且30分鐘以下。
  3. 如請求項1之熱處理方法，其中上述退火步驟係於上述閃光加熱步驟後執行。
  4. 如請求項3之熱處理方法，其中於上述閃光加熱步驟前進而包括預加熱步驟，該預加熱步驟係藉由自上述鹵素燈向上述基板照射光，而將上述基板之溫度加熱至上述第2溫度。
  5. 如請求項1至4中任一項之熱處理方法，其中於上述高介電常數膜上，形成包含選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬、鎢所組成之群中之1種以上之金屬的閘極電極。
  6. 如請求項1至4中任一項之熱處理方法，其中 上述高介電常數膜包含選自由TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、WN、TiSiN、HfSiN、VSiN、NbSiN、TaSiN、MoSiN、WSiN、HfAlN、VAlN、NbAlN、TaAlN、MoAlN、WAlN所組成之群中之1種以上。
  7. 一種熱處理裝置，其特徵在於：其係藉由向形成有高介電常數膜之基板照射光而進行加熱，而促進上述高介電常數膜之結晶化者，且包括：腔室，其收容上述形成有高介電常數膜之基板；保持器件，其於上述腔室內保持上述基板；閃光燈，其對上述保持器件所保持之上述基板之表面照射閃光而將包含上述高介電常數膜之上述基板之表面加熱至第1溫度；鹵素燈，其對上述保持器件所保持之基板照射光；環境形成器件，其向上述腔室內供給選自由氫氣、氨、氯化氫、二氧化硫、一氧化二氮、硫化氫所組成之群中之任一種氣體而形成包含該氣體之環境；及控制器件，其以於上述腔室內形成包含上述氣體之環境，並且藉由自上述鹵素燈向上述基板照射光而將上述基板之溫度維持於低於上述第1溫度之第2溫度的方式控制上述鹵素燈之發光及上述環境形成器件。
  8. 如請求項7之熱處理裝置，其中上述第2溫度為300℃以上且700℃以下，上述控制器件係以將上述基板維持於上述第2溫度達2秒鐘以上且30分鐘以下之方式控制上述鹵素燈之發光。
  9. 如請求項7之熱處理裝置，其中上述控制器件係以於藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述 基板之表面加熱至上述第1溫度後，將上述基板維持於上述第2溫度之方式控制上述鹵素燈之發光。
  10. 如請求項9之熱處理裝置，其中上述控制器件係以於藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述基板之表面加熱至上述第1溫度前，將上述基板加熱至上述第2溫度之方式控制上述鹵素燈之發光。
  11. 如請求項7至10中任一項之熱處理裝置，其中於上述高介電常數膜上，形成有包含選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬、鎢所組成之群中之1種以上之金屬的閘極電極。
  12. 如請求項7至10中任一項之熱處理裝置，其中上述高介電常數膜包含選自由TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、MoN、WN、TiSiN、HfSiN、VSiN、NbSiN、TaSiN、MoSiN、WSiN、HfAlN、VAlN、NbAlN、TaAlN、MoAlN、WAlN所組成之群中之1種以上。
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