TWI801693B - 熱處理方法及熱處理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種能夠消除高介電常數膜中之氧空位之熱處理方法及熱處理裝置。 將形成有高介電常數膜之半導體晶圓搬入至處理腔室內。將處理腔室內設為氨氣氛圍進行半導體晶圓之預加熱及閃光加熱而執行高介電常數膜之成膜後熱處理。其後，將處理腔室內自氨氣氛圍置換成氧氣氛圍而執行將半導體晶圓加熱至300℃以上500℃以下之追加加熱處理。即便於氨氣氛圍中之成膜後熱處理時因氧脫離而導致高介電常數膜產生空位，亦可藉由於氧氣氛圍中執行半導體晶圓之追加加熱處理，將高介電常數膜氧化而消除高介電常數膜中之氧空位。

Description

熱處理方法及熱處理裝置

本發明係關於一種藉由對形成有高介電常數膜之半導體晶圓等薄板狀精密電子基板(以下簡稱為「基板」)照射閃光而將該基板加熱之熱處理方法及熱處理裝置。

於半導體器件之製造工藝中，於極短時間內將半導體晶圓加熱之閃光燈退火(FLA)備受關注。閃光燈退火係藉由使用氙氣閃光燈(以下，簡稱為「閃光燈」時係指氙氣閃光燈)對半導體晶圓之表面照射閃光而以極短時間(數毫秒以下)僅使半導體晶圓之表面升溫之熱處理技術。

氙氣閃光燈之輻射分光分佈係自紫外線區域至近紅外線區域，波長較先前之鹵素燈短，與矽之半導體晶圓之基本吸收帶大體一致。由此，於自氙氣閃光燈對半導體晶圓照射閃光時，透過光較少，從而能使半導體晶圓急速升溫。又，亦已判明若為數毫秒以下之極短時間之閃光照射，則能選擇性地僅使半導體晶圓之表面附近升溫。

此種閃光燈退火被利用於需要極短時間之加熱之處理，例如典型而言為注入至半導體晶圓之雜質之活化。若對藉由離子注入法注入有雜質之半導體晶圓之表面自閃光燈照射閃光，則能於極短時間使該半導體晶圓之表面升溫至活化溫度，且不會使雜質擴散得較深而僅執行雜質活化。

又，作為近年來開發之場效電晶體(FET)之閘極絕緣膜，研究了應用高介電常數膜(High-k膜)，該高介電常數膜使用介電常數較二氧化矽(SiO₂ )高之材料(高介電常數材料)。關於高介電常數膜，為了解決隨著閘極絕緣膜之薄膜化之進展而漏電流增大之問題，與在閘極電極使用金屬之金屬閘極電極一起正開發新堆疊構造。亦研究了對形成有包含此種高介電常數膜之新堆疊構造之半導體晶圓之熱處理應用閃光燈退火。

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沈積於矽之基材上而形成。高介電常數膜與先前之矽氧化膜相比具有較高之介電常數，但剛沈積後之高介電常數膜之結晶性較低，亦包含較多之點缺陷等缺陷。又，剛沈積後之高介電常數膜中殘留有成膜時混入之碳或氯等雜質。因此，必須將所沈積之高介電常數膜高溫退火使缺陷恢復而使膜緻密化並且使雜質脫離，但若以高溫進行長時間之退火處理，則產生自高介電常數膜脫氧而形成新的點缺陷等各種問題。因此，例如專利文獻1中提出有對形成有高介電常數膜之半導體晶圓之表面照射閃光而進行短時間且高溫之加熱處理。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2017-045982號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，已判明即便於藉由閃光加熱處理進行了極短時間之高溫加熱處理之情形時，仍存在自高介電常數膜脫氧而形成點缺陷之問題。尤其如專利文獻1所揭示般，若於氨氣氛圍中進行閃光加熱處理，則高介電常數膜於還原氛圍中被加熱至高溫，故更易產生脫氧。若高介電常數膜因氧脫離而形成點缺陷，則不僅該點缺陷成為捕獲載子(電子或電洞)之缺陷，亦會產生因氧以離子(O^2- )形式脫離而成為於高介電常數膜中殘存有正電荷之狀態之問題。

本發明係鑒於上述課題而完成者，其目的在於提供一種能夠消除高介電常數膜中之氧空位之熱處理方法及熱處理裝置。 [解決問題之技術手段]

為解決上述課題，技術方案1之發明係一種熱處理方法，其係藉由對形成有高介電常數膜之基板照射閃光而將該基板加熱者，且其特徵在於具備：預加熱製程，其係藉由來自連續點亮燈之光照射而將上述基板預加熱；成膜後加熱製程，其係自閃光燈對上述基板之表面照射閃光而將上述高介電常數膜加熱；及追加加熱製程，其係於上述成膜後加熱製程之後，在氧化氛圍中對上述基板進行加熱。

又，技術方案2之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於：上述氧化氛圍係包含氧氣、臭氧或氮氧化物之氛圍。

又，技術方案3之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述追加加熱製程中，將上述基板以300℃以上500℃以下加熱1秒以上100秒以下。

又，技術方案4之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於：於上述追加加熱製程中，藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述基板之表面於500℃以上加熱1秒以下。

又，技術方案5之發明係如技術方案1至技術方案4中任一發明之熱處理方法，其特徵在於：上述成膜後加熱製程與上述追加加熱製程係於同一腔室內進行。

又，技術方案6之發明係如技術方案1至技術方案4中任一發明之熱處理方法，其特徵在於：上述成膜後加熱製程與上述追加加熱製程係於不同之腔室內進行。

又，技術方案7之發明係一種熱處理方法，其係藉由對形成有高介電常數膜之基板照射閃光而將該基板加熱者，且其特徵在於具備：預加熱製程，其係藉由來自連續點亮燈之光照射而將上述基板預加熱；及閃光加熱製程，其係於包含氮氧化物之氛圍中自閃光燈對上述基板之表面照射閃光而將上述高介電常數膜加熱。

又，技術方案8之發明係一種熱處理裝置，其係藉由對形成有高介電常數膜之基板照射閃光而將該基板加熱者，且其特徵在於具備：腔室，其收容上述基板；連續點亮燈，其對收容於上述腔室之上述基板照射光而進行加熱；閃光燈，其對收容於上述腔室之上述基板之表面照射閃光；及氣體供給部，其對上述腔室內供給處理氣體而形成氧化氛圍；於藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述高介電常數膜加熱之後，在上述氧化氛圍中進行上述基板之追加加熱。

又，技術方案9之發明係如技術方案8之發明之熱處理裝置，其特徵在於：上述氣體供給部係對上述腔室內供給包含氧氣、臭氧或氮氧化物之處理氣體而形成氧化氛圍。

又，技術方案10之發明係如技術方案8之發明之熱處理裝置，其特徵在於：於上述追加加熱中，將上述基板以300℃以上500℃以下加熱1秒以上100秒以下。

又，技術方案11之發明係如技術方案8之發明之熱處理裝置，其特徵在於：於上述追加加熱中，藉由來自上述閃光燈之閃光照射而將上述基板之表面於500℃以上加熱1秒以下。

又，技術方案12之發明係一種熱處理裝置，其係藉由對形成有高介電常數膜之基板照射閃光而將該基板加熱者，且其特徵在於具備：第1腔室，其收容上述基板；連續點亮燈，其對收容於上述第1腔室之上述基板照射光而進行加熱；閃光燈，其對收容於上述第1腔室之上述基板之表面照射閃光；第2腔室，其收容上述基板；氣體供給部，其對上述第2腔室供給處理氣體而形成氧化氛圍；及加熱部，其對收容於上述第2腔室之上述基板進行加熱；於上述第1腔室內藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述高介電常數膜加熱之後，於上述第2腔室內在上述氧化氛圍中進行上述基板之追加加熱。

又，技術方案13之發明係一種熱處理裝置，其係藉由對形成有高介電常數膜之基板照射閃光而將該基板加熱者，且其特徵在於具備：腔室，其收容上述基板；連續點亮燈，其對收容於上述腔室之上述基板照射光而進行加熱；閃光燈，其對收容於上述腔室之上述基板之表面照射閃光；及氣體供給部，其對上述腔室內供給包含氮氧化物之處理氣體；於包含氮氧化物之氛圍中自閃光燈對上述基板之表面照射閃光而將上述高介電常數膜加熱。 [發明之效果]

根據技術方案1至技術方案6之發明，因於成膜後加熱製程後在氧化氛圍中對基板進行加熱，故即便於成膜後熱製程中因氧脫離導致高介電常數膜產生空位，亦可將高介電常數膜氧化而消除高介電常數膜中之氧空位。

尤其是根據技術方案4之發明，於追加加熱製程中，藉由自閃光燈之閃光照射將基板之表面於500℃以上加熱1秒以下，故亦可消除高介電常數膜中之複合缺陷。

尤其是根據技術方案6之發明，成膜後加熱製程與追加加熱製程係於不同之腔室內進行，故可確實地進行氛圍之切換。

根據技術方案7之發明，於包含氮氧化物之氛圍中自閃光燈對基板之表面照射閃光而將上述高介電常數膜加熱，故高介電常數膜之氮化與氧化同時進行，可消除高介電常數膜中之氧空位。又，因高介電常數膜之氮化與氧化同時進行，故可提高產能。

根據技術方案8至技術方案11之發明，由於在藉由自閃光燈之閃光照射將高介電常數膜加熱之後，在氧化氛圍中進行基板之追加加熱，故即便因閃光照射產生之氧脫離導致高介電常數膜產生空位，亦可將高介電常數膜氧化而消除高介電常數膜中之氧空位。

尤其是根據技術方案11之發明，於追加加熱中，藉由自閃光燈之閃光照射將基板之表面於500℃以上加熱1秒以下，故亦可消除高介電常數膜中之複合缺陷。

根據技術方案12之發明，由於在第1腔室內藉由自閃光燈之閃光照射將高介電常數膜加熱之後，於第2腔室內在氧化氛圍中進行基板之追加加熱，故可於第1腔室與第2腔室中確實地進行氛圍之切換。

根據技術方案13之發明，由於在包含氮氧化物之氛圍中自閃光燈對基板之表面照射閃光而將高介電常數膜加熱，故高介電常數膜之氮化與氧化同時進行，可消除高介電常數膜中之氧空位。又，因高介電常數膜之氮化與氧化同時進行，故可提高產能。

以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態詳細地進行說明。

＜第1實施形態＞ 首先，對本發明之熱處理裝置之整體構成進行說明。圖1係表示本發明之熱處理裝置100之俯視圖，圖2該熱處理裝置100之前視圖。熱處理裝置100係對作為基板之圓板形狀之半導體晶圓W照射閃光而將該半導體晶圓W加熱之閃光燈退火裝置。作為處理對象之半導體晶圓W之尺寸並無特別限定，例如為ϕ300 mm或ϕ450 mm。再者，於圖1及以後之各圖中，為了容易理解，視需要將各部之尺寸或數量誇大或簡化描繪。又，於圖1～圖3之各圖中，為明確其等之方向關係而標註將Z軸方向設為鉛直方向且將XY平面設為水平面之XYZ正交座標系統。

如圖1及圖2所示，熱處理裝置100具備用以將未處理之半導體晶圓W自外部搬入至裝置內並且將處理完畢之半導體晶圓W搬出至裝置外之裝載部101、對未處理之半導體晶圓W進行定位之對準部230、對加熱處理後之半導體晶圓W進行冷卻之2個冷卻部130、140、對半導體晶圓W實施閃光加熱處理之熱處理部160以及相對於冷卻部130、140及熱處理部160進行半導體晶圓W之交接之搬送機器人150。又，熱處理裝置100具備控制部3，該控制部3控制設置於上述各處理部之動作機構及搬送機器人150而進行半導體晶圓W之閃光加熱處理。

裝載部101具備：負載埠110，其將複數個載體C(本實施形態中為2個)並排載置；及交接機器人120，其自各載體C取出未處理之半導體晶圓W，並且將處理完畢之半導體晶圓W收納於各載體C。收容有未處理之半導體晶圓W之載體C藉由無人搬送車(AGV(Auto Guide Vehicle)、OHT(Overhead Hoist Transport))等搬送並載置於負載埠110，並且收容有處理完畢之半導體晶圓W之載體C藉由無人搬送車自負載埠110取走。

又，於負載埠110，載體C構成為能夠如圖2之箭頭CU所示般升降移動，以使交接機器人120能夠相對於載體C進行任意半導體晶圓W之進出。再者，作為載體C之形態，除了將半導體晶圓W收納於密閉空間之FOUP(front opening unified pod，前開式單元匣)以外，亦可為SMIF(Standard Mechanical Inter Face，標準機械介面)箱或將所收納之半導體晶圓W暴露於外部大氣之OC(open cassette，開放式卡匣)。

又，交接機器人120能夠進行如圖1之箭頭120S所示之滑動移動、如箭頭120R所示之迴轉動作及升降動作。藉此，交接機器人120相對於2個載體C進行半導體晶圓W之進出，並且相對於對準部230及2個冷卻部130、140進行半導體晶圓W之交接。交接機器人120相對於載體C進行之半導體晶圓W之進出係藉由機器手121之滑動移動及載體C之升降移動而進行。又，交接機器人120與對準部230或冷卻部130、140之半導體晶圓W之交接係藉由機器手121之滑動移動及交接機器人120之升降動作而進行。

對準部230連接設置於沿著Y軸方向之裝載部101之側方。對準部230係使半導體晶圓W於水平面內旋轉而朝向適於閃光加熱之方向之處理部。對準部230係於作為鋁合金製之殼體之對準腔室231之內部設置將半導體晶圓W以水平姿勢支持並使之旋轉之機構、及光學檢測形成於半導體晶圓W之周緣部之凹口或定向平面等之機構等而構成。

向對準部230交接半導體晶圓W係藉由交接機器人120進行。自交接機器人120朝對準腔室231以晶圓中心位於特定位置之方式交遞半導體晶圓W。於對準部230，藉由以自裝載部101接收之半導體晶圓W之中心部為旋轉中心使半導體晶圓W繞鉛直方向軸旋轉並光學檢測凹口等而調整半導體晶圓W之方向。完成方向調整之半導體晶圓W藉由交接機器人120自對準腔室231取出。

作為藉由搬送機器人150進行搬送之半導體晶圓W之搬送空間，設置有收容搬送機器人150之搬送腔室170。於該搬送腔室170之三個方向連通連接有熱處理部160之處理腔室6、冷卻部130之第1冷藏腔室131及冷卻部140之第2冷藏腔室141。

作為熱處理裝置100之主要部之熱處理部160係對進行了預加熱之半導體晶圓W照射來自氙氣閃光燈FL之閃光(Flash Light)而進行閃光加熱處理之基板處理部。關於該熱處理部160之構成，進而於下文進行敍述。

2個冷卻部130、140具備大致相同之構成。冷卻部130、140分別於作為鋁合金製之殼體之第1冷藏腔室131、第2冷藏腔室141之內部具備金屬製之冷卻板、及載置於該冷卻板之上表面之石英板(均省略圖示)。該冷卻板藉由珀爾帖元件或恆溫水循環被調溫成常溫(約23℃)。由熱處理部160實施過閃光加熱處理之半導體晶圓W被搬入至第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141並被載置於該石英板而進行冷卻。

第1冷藏腔室131及第2冷藏腔室141於裝載部101與搬送腔室170之間均連接於該等兩者。於第1冷藏腔室131及第2冷藏腔室141形成設置有用以將半導體晶圓W搬入搬出之2個開口。第1冷藏腔室131之2個開口中連接於裝載部101之開口能夠藉由閘閥181而開閉。另一方面，第1冷藏腔室131之連接於搬送腔室170之開口能夠藉由閘閥183而開閉。即，第1冷藏腔室131與裝載部101經由閘閥181連接，第1冷藏腔室131與搬送腔室170經由閘閥183連接。

於在裝載部101與第1冷藏腔室131之間進行半導體晶圓W之交接時，將閘閥181打開。又，於在第1冷藏腔室131與搬送腔室170之間進行半導體晶圓W之交接時，將閘閥183打開。於閘閥181及閘閥183閉鎖時，第1冷藏腔室131之內部成為密閉空間。

又，第2冷藏腔室141之2個開口中連接於裝載部101之開口能夠藉由閘閥182而開閉。另一方面，第2冷藏腔室141之連接於搬送腔室170之開口能夠藉由閘閥184而開閉。即，第2冷藏腔室141與裝載部101經由閘閥182連接，第2冷藏腔室141與搬送腔室170經由閘閥184連接。

於在裝載部101與第2冷藏腔室141之間進行半導體晶圓W之交接時，將閘閥182打開。又，於在第2冷藏腔室141與搬送腔室170之間進行半導體晶圓W之交接時，將閘閥184打開。於閘閥182及閘閥184閉鎖時，第2冷藏腔室141之內部成為密閉空間。

進而，冷卻部130、140分別具備對第1冷藏腔室131、第2冷藏腔室141供給潔淨之氮氣之氣體供給機構及將腔室內之氛圍排氣之排氣機構。該等氣體供給機構及排氣機構亦可分2個階段切換流量。

設置於搬送腔室170之搬送機器人150能夠以沿著鉛直方向之軸為中心如箭頭150R所示般迴轉。搬送機器人150具有包含複數個臂段之2個連桿機構，於該等2個連桿機構之前端分別設置有保持半導體晶圓W之搬送手151a、151b。該等搬送手151a、151b上下隔開特定間距而配置，藉由連桿機構能夠分別獨立地於同一水平方向上呈直線滑動移動。又，搬送機器人150係藉由將供設置2個連桿機構之基座升降移動，而保持分開特定間距之狀態地使2個搬送手151a、151b升降移動。

於搬送機器人150將第1冷藏腔室131、第2冷藏腔室141或熱處理部160之處理腔室6作為交接對象進行半導體晶圓W之交接(進出)時，首先，兩個搬送手151a、151b以與交接對象對向之方式迴轉，其後(或於迴轉之期間)進行升降移動而任一搬送手位於與交接對象進行半導體晶圓W交接之高度。然後，使搬送手151a(151b)於水平方向上呈直線滑動移動而與交接對象進行半導體晶圓W之交接。

搬送機器人150與交接機器人120之半導體晶圓W之交接可經由冷卻部130、140進行。即，冷卻部130之第1冷藏腔室131及冷卻部140之第2冷藏腔室141亦作為用以於搬送機器人150與交接機器人120之間交接半導體晶圓W之通路發揮功能。具體而言，搬送機器人150或交接機器人120中之一者交遞至第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141之半導體晶圓W由另一者接收，藉此進行半導體晶圓W之交接。藉由搬送機器人150及交接機器人120構成將半導體晶圓W自載體C搬送至熱處理部160之搬送機構。

如上所述，於第1冷藏腔室131及第2冷藏腔室141與裝載部101之間分別設置有閘閥181、182。又，於搬送腔室170與第1冷藏腔室131及第2冷藏腔室141之間分別設置有閘閥183、184。進而，於搬送腔室170與熱處理部160之處理腔室6之間設置有閘閥185。於熱處理裝置100內搬送半導體晶圓W時，適當地將該等閘閥開閉。又，自氣體供給部亦對搬送腔室170及對準腔室231供給氮氣，並且藉由排氣部將該等腔室之內部之氛圍排氣(均省略圖示)。

其次，對熱處理部160之構成進行說明。圖3係表示熱處理部160之構成之縱剖視圖。熱處理部160具備收容半導體晶圓W並進行加熱處理之處理腔室6、內置複數個閃光燈FL之閃光燈罩5、及內置複數個鹵素燈HL之鹵素燈罩4。於處理腔室6之上側設置閃光燈罩5，並且於下側設置有鹵素燈罩4。又，熱處理部160於處理腔室6之內部具備將半導體晶圓W以水平姿勢保持之保持部7、及在保持部7與搬送機器人150之間進行半導體晶圓W之交接之移載機構10。

處理腔室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，於上側開口安裝上側腔室窗63而進行封閉，於下側開口安裝下側腔室窗64而進行封閉。構成處理腔室6之頂壁之上側腔室窗63係由石英形成之圓板形狀構件，作為能使自閃光燈FL出射之閃光透過至處理腔室6內之石英窗發揮功能。又，構成處理腔室6之地板部之下側腔室窗64亦為由石英形成之圓板形狀構件，作為能使來自鹵素燈HL之光透過至處理腔室6內之石英窗發揮功能。

又，於腔室側部61之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之上側嵌入而安裝。另一方面，下側之反射環69係自腔室側部61之下側嵌入並利用省略圖示之螺釘固定而安裝。即，反射環68、69均裝卸自如地安裝於腔室側部61。處理腔室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包圍之空間被規定為熱處理空間65。

藉由於腔室側部61安裝反射環68、69，而於處理腔室6之內壁面形成凹部62。即，形成由腔室側部61之內壁面中未安裝反射環68、69之中央部分、反射環68之下端面及反射環69之上端麵包圍之凹部62。凹部62於處理腔室6之內壁面沿著水平方向形成為圓環狀，且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由強度及耐熱性優異之金屬材料(例如不鏽鋼)形成。

又，於腔室側部61形成設置有用以相對於處理腔室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能夠藉由閘閥185而開閉。搬送開口部66連通連接於凹部62之外周面。因此，於閘閥185將搬送開口部66打開時，可進行將半導體晶圓W自搬送開口部66通過凹部62搬入至熱處理空間65及自熱處理空間65搬出半導體晶圓W。又，若閘閥185將搬送開口部66閉鎖，則處理腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。

又，於處理腔室6之內壁上部形成設置有對熱處理空間65供給處理氣體之氣體供給孔81。氣體供給孔81形成設置於較凹部62更靠上側位置，亦可設置於反射環68。氣體供給孔81經由呈圓環狀形成於處理腔室6之側壁內部之緩衝空間82而連通連接於氣體供給管83。氣體供給管83連接於處理氣體供給源85。又，於氣體供給管83之路徑途中介插有閥84。若將閥84打開，則自處理氣體供給源85對緩衝空間82送給處理氣體。流入至緩衝空間82之處理氣體以於流體阻力較氣體供給孔81小之緩衝空間82內擴散之方式流動而自氣體供給孔81向熱處理空間65內供給。作為處理氣體，可使用氮氣(N₂ )、氬氣(Ar)、氦氣(He)等惰性氣體、或氨氣(NH₃ )、氧氣(O₂ )、氫氣(H₂ )、氯氣(Cl₂ )、氯化氫(HCl)、臭氧(O₃ )、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N₂ O)、二氧化氮(NO₂ )等反應性氣體、或者該等氣體之混合氣體。

另一方面，於處理腔室6之內壁下部形成設置將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排氣孔86。氣體排氣孔86形成設置於較凹部62更靠下側位置，亦可設置於反射環69。氣體排氣孔86經由呈圓環狀形成於處理腔室6之側壁內部之緩衝空間87而連通連接於氣體排氣管88。氣體排氣管88連接於排氣部190。又，於氣體排氣管88之路徑途中介插有閥89。若將閥89打開，則熱處理空間65之氣體自氣體排氣孔86經由緩衝空間87排出至氣體排氣管88。再者，氣體供給孔81及氣體排氣孔86可沿著處理腔室6之周向設置複數個，亦可為狹縫狀者。

排氣部190具備排氣泵。藉由一面使排氣部190作動，一面將閥89打開，而將處理腔室6內之氛圍自氣體排氣管88排出至排氣部190。若不自氣體供給孔81進行任何氣體供給而藉由排氣部190將作為密閉空間之熱處理空間65之氛圍排氣，則可將處理腔室6內減壓至未達大氣壓之氣壓。

圖4係表示保持部7之整體外觀之立體圖。保持部7係具備基台環71、連結部72及晶座74而構成。基台環71、連結部72及晶座74均由石英形成。即，保持部7之整體由石英形成。

基台環71係自圓環形狀切除一部分之圓弧形狀之石英構件。該切除部分係為了防止下述移載機構10之移載臂11與基台環71之干涉而設置。基台環71藉由載置於凹部62之底面而支持於處理腔室6之壁面(參照圖3)。於基台環71之上表面，沿著其圓環形狀之周向周向豎立設置有複數個連結部72(本實施形態中為4個)。連結部72亦為石英構件，且藉由焊接而固定於基台環71。

晶座74藉由設置於基台環71之4個連結部72而支持。圖5係晶座74之俯視圖。又，圖6係晶座74之剖視圖。晶座74具備保持板75、引導環76及複數個基板支持銷77。保持板75係由石英形成之大致圓形之平板狀構件。保持板75之直徑大於半導體晶圓W之直徑。即，保持板75具有較半導體晶圓W大之平面尺寸。

於保持板75之上表面周緣部設置有引導環76。引導環76係具有較半導體晶圓W之直徑大之內徑之圓環形狀之構件。例如，於半導體晶圓W之直徑為ϕ300 mm之情形時，引導環76之內徑為ϕ320 mm。引導環76之內周設為自保持板75朝向上方擴大般之傾斜面。引導環76由與保持板75相同之石英形成。引導環76可熔接於保持板75之上表面，亦可藉由另外加工之銷等固定於保持板75。或者，亦可將保持板75與引導環76加工成一體之構件。

保持板75之上表面中較引導環76更靠內側之區域設為保持半導體晶圓W之平面狀之保持面75a。於保持板75之保持面75a豎立設置有複數個基板支持銷77。於本實施形態中，沿保持面75a之與外周圓(引導環76之內周圓)為同心圓之圓周上，分別間隔30°豎立設置有共計12個基板支持銷77。配置有12個基板支持銷77之圓之直徑(相對向之基板支持銷77間之距離)小於半導體晶圓W之直徑，若半導體晶圓W之直徑為ϕ300 mm，則該圓之直徑為ϕ270 mm～ϕ280 mm(本實施形態中為ϕ270 mm)。各基板支持銷77由石英形成。複數個基板支持銷77可藉由焊接設置於保持板75之上表面，亦可與保持板75一體地加工。

返回至圖4，豎立設置於基台環71之4個連結部72與晶座74之保持板75之周緣部藉由焊接而固定。即，晶座74與基台環71係藉由連結部72而固定連結。藉由將此種保持部7之基台環71支持於處理腔室6之壁面，而將保持部7安裝於處理腔室6。於保持部7安裝於處理腔室6之狀態下，晶座74之保持板75成為水平姿勢(法線與鉛直方向一致之姿勢)。即，保持板75之保持面75a成為水平面。

搬入至處理腔室6之半導體晶圓W以水平姿勢載置並保持於安裝在處理腔室6之保持部7之晶座74之上。此時，半導體晶圓W藉由豎立設置於保持板75上之12個基板支持銷77而支持並被保持於晶座74。更嚴格而言，12個基板支持銷77之上端部與半導體晶圓W之下表面接觸而支持該半導體晶圓W。12個基板支持銷77之高度(基板支持銷77之上端至保持板75之保持面75a為止之距離)均等，故可藉由12個基板支持銷77將半導體晶圓W以水平姿勢支持。

又，半導體晶圓W藉由複數個基板支持銷77與保持板75之保持面75a隔開特定間隔而支持。引導環76之厚度大於基板支持銷77之高度。因此，藉由引導環76防止由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之水平方向之位置偏移。

又，如圖4及圖5所示，於晶座74之保持板75，上下貫通地形成有開口部78。開口部78係用於供輻射溫度計20(參照圖3)接收自保持於晶座74之半導體晶圓W之下表面輻射之輻射光(紅外光)而設置。即，輻射溫度計20經由開口部78接收自保持於晶座74之半導體晶圓W之下表面輻射之光，而測定該半導體晶圓W之溫度。進而，於晶座74之保持板75，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7係移載機構10之俯視圖。又，圖8係移載機構10之側視圖。移載機構10具備2條移載臂11。移載臂11設為例如沿著大致圓環狀之凹部62般之圓弧形狀。於各移載臂11豎立設置有2個頂起銷12。各移載臂11能夠藉由水平移動機構13而旋動。水平移動機構13使一對移載臂11相對於保持部7在移載動作位置(圖7之實線位置)與退避位置(圖7之二點鏈線位置)之間水平移動，該移載動作位置係進行半導體晶圓W之移載之位置，該退避位置係俯視下不與保持於保持部7之半導體晶圓W重疊之位置。移載動作位置係晶座74之下方，退避位置較晶座74更靠外側。作為水平移動機構13，可藉由個別之馬達使各移載臂11分別旋動，亦可使用連桿機構藉由1個馬達使一對移載臂11連動而旋動。

又，一對移載臂11藉由升降機構14與水平移動機構13一起升降移動。當升降機構14使一對移載臂11上升至移載動作位置時，共計4個頂起銷12通過貫穿設置於晶座74之貫通孔79(參照圖4、5)，頂起銷12之上端自晶座74之上表面突出。另一方面，升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置下降而自貫通孔79拔出頂起銷12，若水平移動機構13使一對移載臂11以被打開之方式移動，則各移載臂11移動至退避位置。一對移載臂11之退避位置位於保持部7之基台環71之正上方。基台環71載置於凹部62之底面，故移載臂11之退避位置成為凹部62之內側。

如圖8所示，升降機構14之一部分(使水平移動機構13升降之驅動部分)藉由伸縮自如之波紋管15覆蓋。升降機構14使一對移載臂11上升時，波紋管15伸展，升降機構14使移載臂11下降時，波紋管15收縮。藉由被波紋管15覆蓋，而可防止因升降機構14之驅動產生之顆粒飛散至處理腔室6內之熱處理空間65。於波紋管15之外側之附近設置有氣體噴嘴19。氣體噴嘴19將自省略圖示之氣體供給機構供給之氮氣吹送至波紋管15。波紋管15之外側附近容易成為氣體滯留部位，但藉由自氣體噴嘴19吹送氮氣而可使氣體自波紋管15附近之氣體滯留部位散發。

返回至圖3，設置於處理腔室6之上方之閃光燈罩5係於殼體51之內側具備由複數根(本實施形態中為30根)氙氣閃光燈FL組成之光源、及以覆蓋該光源之上方之方式設置之反射器52而構成。又，於閃光燈罩5之殼體51之底部安裝有燈光輻射窗53。構成閃光燈罩5之地板部之燈光輻射窗53係由石英形成之板狀之石英窗。藉由將閃光燈罩5設置於處理腔室6之上方，燈光輻射窗53與上側腔室窗63相對向。閃光燈FL自處理腔室6之上方經由燈光輻射窗53及上側腔室窗63對熱處理空間65照射閃光。

複數個閃光燈FL分別係具有長條之圓筒形狀之棒狀燈，以各自之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿著水平方向)相互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。

氙氣閃光燈FL具備：棒狀之玻璃管(放電管)，其於內部封入有氙氣，且於其兩端部配設有連接於電容器之陽極及陰極；及觸發電極，其附設於該玻璃管之外周面上。氙氣係電性絕緣體，故即便於電容器中儲存有電荷，正常狀態下玻璃管內亦不會流通電。然而，於對觸發電極施加高電壓而破壞絕緣之情形時，儲存於電容器之電瞬間流通於玻璃管內，藉由此時之氙氣原子或分子之激發而放出光。此種氙氣閃光燈FL中，預先儲存於電容器之靜電能被轉換為0.1毫秒至100毫秒之極短光脈衝，故與如鹵素燈HL般連續點亮之光源相比，具有能照射極強光之特徵。即，閃光燈FL係於未達1秒之極短時間內瞬間發光之脈衝發光燈。再者，閃光燈FL之發光時間可藉由對閃光燈FL進行電力供給之燈電源之線圈常數而調整。

又，反射器52係以覆蓋複數個閃光燈FL整體之方式設置於該等複數個閃光燈FL之上方。反射器52之基本功能係將自複數個閃光燈FL出射之閃光向熱處理空間65之側反射。反射器52由鋁合金板形成，其表面(面向閃光燈FL之側之面)藉由噴擊處理而實施粗面化加工。

設置於處理腔室6之下方之鹵素燈罩4於殼體41之內側內置有複數根(本實施形態中為40根)鹵素燈HL。複數個鹵素燈HL自處理腔室6之下方經由下側腔室窗64朝向熱處理空間65進行光照射。

圖9係表示複數個鹵素燈HL之配置之俯視圖。於本實施形態中，上下2段分別各配設有20根鹵素燈HL。各鹵素燈HL係具有長條之圓筒形狀之棒狀燈。上段、下段中，20根鹵素燈HL均以各自之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿著水平方向)相互平行之方式排列。藉此，上段、下段中，藉由鹵素燈HL之排列形成之平面均為水平面。

又，如圖9所示，上段、下段均為較與保持於保持部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，上下段均為相較於燈排列之中央部，周緣部之鹵素燈HL之配設間距更短。因此，能對藉由自鹵素燈HL之光照射進行加熱時溫度容易下降之半導體晶圓W之周緣部，進行更多光量之照射。

又，由上段鹵素燈HL構成之燈群與由下段鹵素燈HL構成之燈群以呈格子狀交叉之方式排列。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，使燈絲白熾化而發光之燈絲方式之光源。於玻璃管之內部封入有向氮氣或氬氣等惰性氣體導入微量鹵族元素(碘、溴等)所得之氣體。藉由導入鹵族元素，能抑制燈絲之折損，並且能將燈絲之溫度設定成高溫。因此，鹵素燈HL具有如下特性，即，與普通白熾燈泡相比，壽命較長，且能連續照射強光。即，鹵素燈HL係至少1秒以上連續發光之連續點亮燈。又，由於鹵素燈HL為棒狀燈，故而壽命較長，藉由使鹵素燈HL沿著水平方向配置，從而對上方之半導體晶圓W之輻射效率較為優異。

又，於鹵素燈罩4之殼體41內，亦在2段鹵素燈HL之下側設置有反射器43(圖3)。反射器43將自複數個鹵素燈HL出射之光向熱處理空間65之側反射。

除上述構成以外，熱處理部160亦具備各種冷卻用構造，以防於半導體晶圓W之熱處理時自鹵素燈HL及閃光燈FL產生之熱能導致鹵素燈罩4、閃光燈罩5及處理腔室6之溫度過度上升。例如，於處理腔室6之壁體設置有水冷管(省略圖示)。又，鹵素燈罩4及閃光燈罩5形成為於內部形成氣流而進行排熱之空冷構造。又，向上側腔室窗63與燈光輻射窗53之間隙亦供給空氣，而將閃光燈罩5及上側腔室窗63冷卻。

控制部3控制設置於熱處理裝置100之上述各種動作機構。作為控制部3之硬體之構成與普通電腦相同。即，控制部3具備：CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)，其係進行各種運算處理之電路；ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)，其係記憶基本程式之讀出專用記憶體；RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)，其係記憶各種資訊之自由讀寫記憶體；及磁碟，其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，熱處理裝置100中之處理得以進行。再者，圖1中，於裝載部101內示出了控制部3，但並不限定於此，控制部3亦可配置於熱處理裝置100內之任意位置。

其次，對熱處理裝置100中之處理動作進行說明。此處，作為處理對象之半導體晶圓W係形成有高介電常數膜作為閘極絕緣膜之矽之半導體基板。圖10係表示於半導體晶圓W成膜有高介電常數膜之堆疊構造之圖。於半導體晶圓W之矽之基材501上形成有矽氧化膜(SiO₂ )502。矽氧化膜502係作為矽之基材501與高介電常數膜503之間之界面層膜所必需之層。矽氧化膜502之膜厚極薄，例如約1 nm。作為矽氧化膜502之形成方法，可採用例如熱氧化法等公知之各種方法。

繼而，於矽氧化膜502之上形成有作為閘極絕緣膜之高介電常數膜503。作為高介電常數膜503，例如可使用HfO₂ 、ZrO₂ 、Al₂ O₃ 、La₂ O₃ 等高介電常數材料(本實施形態中為HfO₂ )。高介電常數膜503例如係藉由利用ALD(Atomic Layer Deposition，原子層沈積)使高介電常數材料沈積於矽氧化膜502之上而成膜。沈積於矽氧化膜502上之高介電常數膜503之膜厚為數nm，但其矽氧化膜換算膜厚(EOT：Equivalent oxide thickness)為1 nm左右。高介電常數膜103之形成方法並不限定於ALD，例如可採用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等公知之方法。採用任一方法，均會於保持以相對低溫沈積之狀態而不接受特殊處理之高介電常數膜503中存在多個點缺陷等缺陷及雜質。再者，於圖10所示之構造中，在高介電常數膜503之兩側方形成有SiN之側壁504，該側壁504係藉由例如閘極後製工藝先於高介電常數膜503而形成。又，於利用熱處理裝置100進行之加熱處理結束之後，於高介電常數膜503之上沈積鈦(Ti)或者鈦之氮化物(TiN)作為金屬閘極。

對在如圖10所示之矽之基材501上隔著矽氧化膜502成膜有高介電常數膜503之半導體晶圓W之熱處理係藉由熱處理裝置100進行。以下所說明之程序係藉由控制部3根據儲存於磁碟等記憶部之製程配方控制熱處理裝置100之各動作機構而進行。所謂製程配方係規定對半導體晶圓W進行之熱處理之處理程序及處理條件者。

首先，將形成有高介電常數膜之未處理之半導體晶圓W以複數片收容於載體C之狀態載置於裝載部101之負載埠110。繼而，交接機器人120自載體C將未處理之半導體晶圓W逐片取出，並搬入至對準部230之對準腔室231。於對準腔室231，使半導體晶圓W以其中心部為旋轉中心於水平面內繞鉛直方向軸旋轉，並光學檢測凹口等，藉此調整半導體晶圓W之方向。

繼而，裝載部101之交接機器人120自對準腔室231取出調整方向後之半導體晶圓W，並搬入至冷卻部130之第1冷藏腔室131或冷卻部140之第2冷藏腔室141。搬入至第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141之未處理之半導體晶圓W藉由搬送機器人150被搬出至搬送腔室170。於未處理之半導體晶圓W自裝載部101經由第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141被移送至搬送腔室170時，第1冷藏腔室131及第2冷藏腔室141作為用於半導體晶圓W之交接之通路發揮功能。

取出半導體晶圓W之搬送機器人150以朝向熱處理部160之方式迴轉。繼而，閘閥185將處理腔室6與搬送腔室170之間打開，搬送機器人150將未處理之半導體晶圓W搬入至處理腔室6。此時，於處理腔室6中存在先行之加熱處理完畢之半導體晶圓W之情形時，藉由搬送手151a、151b之一者將加熱處理後之半導體晶圓W取出之後將未處理之半導體晶圓W搬入至處理腔室6而進行晶圓替換。其後，閘閥185將處理腔室6與搬送腔室170之間閉鎖。

對搬入至處理腔室6之半導體晶圓W，於特定之氛圍中藉由鹵素燈HL及閃光燈FL進行加熱處理。熱處理部160之處理腔室6中之半導體晶圓W之加熱處理之內容於下文敍述。

處理腔室6中之加熱處理結束之後，閘閥185將處理腔室6與搬送腔室170之間再次打開，搬送機器人150將加熱處理後之半導體晶圓W自處理腔室6搬出至搬送腔室170。取出半導體晶圓W之搬送機器人150以自處理腔室6朝向第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141之方式迴轉。又，閘閥185將處理腔室6與搬送腔室170之間閉鎖。

其後，搬送機器人150將加熱處理後之半導體晶圓W搬入至冷卻部130之第1冷藏腔室131或冷卻部140之第2冷藏腔室141。此時，該半導體晶圓W於加熱處理前係通過第1冷藏腔室131而來之情形時，於加熱處理後亦被搬入至第1冷藏腔室131，於加熱處理前係通過第2冷藏腔室141而來之情形時，於加熱處理後亦被搬入至第2冷藏腔室141。於第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141，進行加熱處理後之半導體晶圓W之冷卻處理。自熱處理部160之處理腔室6搬出之時間點之半導體晶圓W整體之溫度相對較高，故將其於第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141冷卻至常溫附近。

經過特定之冷卻處理時間之後，交接機器人120將冷卻後之半導體晶圓W自第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141搬出，並返回至載體C。若於載體C收容特定片數之處理完畢半導體晶圓W，則該載體C自裝載部101之負載埠110被搬出。

對熱處理部160中之加熱處理繼續進行說明。圖11係表示對第1實施形態之半導體晶圓W之加熱處理之程序之流程圖。首先，打開閘閥185而將搬送開口部66打開，藉由搬送機器人150經由搬送開口部66將作為處理對象之半導體晶圓W搬入至處理腔室6內之熱處理空間65(步驟S11)。搬送機器人150使保持未處理之半導體晶圓W之搬送手151a(或搬送手151b)進入至保持部7之正上方位置並停止於此。然後，移載機構10之一對移載臂11自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，藉此頂起銷12通過貫通孔79自晶座74之保持板75之上表面突出而接收半導體晶圓W。此時，頂起銷12上升至較基板支持銷77之上端更靠上方。

將未處理之半導體晶圓W載置於頂起銷12之後，搬送機器人150使搬送手151a自熱處理空間65退出，搬送開口部66藉由閘閥185而閉鎖。然後，一對移載臂11下降，藉此半導體晶圓W被自移載機構10交接至保持部7之晶座74，以水平姿勢被自下方保持。半導體晶圓W藉由豎立設置於保持板75上之複數個基板支持銷77得以支持，並保持於晶座74。又，半導體晶圓W被以形成有高介電常數膜503之正面作為上表面而保持於保持部7。於藉由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之背面(與正面為相反側之主面)與保持板75之保持面75a之間，形成有特定間隔。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退避至退避位置即凹部62之內側。

將半導體晶圓W收容於處理腔室6，藉由閘閥185將搬送開口部66閉鎖之後，將處理腔室6內減壓至低於大氣壓之氣壓。具體而言，藉由將搬送開口部66閉鎖，處理腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。於該狀態下，一面關閉用於供氣之閥84，一面打開用於排氣之閥89。藉此，對處理腔室6內進行排氣而不進行氣體供給，處理腔室6內之熱處理空間65被減壓至未達大氣壓。自處理腔室6之排氣亦可於初始階段以相對較小之排氣流量平靜地進行排氣之後，切換成較大之排氣流量。如此，可防止處理腔室6內之顆粒之捲起。

於處理腔室6之壓力(真空度)達到特定壓力(例如約100 Pa)之後，打開用於供氣之閥84，自處理氣體供給源85對處理腔室6內之熱處理空間65供給包含氨氣之處理氣體。其結果，於處理腔室6內保持於保持部7之半導體晶圓W之周邊形成氨氣氛圍(步驟S12)。氨氣氛圍中之氨氣之濃度並無特別限定，而可設為適當之值，例如可為100%。

藉由對處理腔室6內供給氨氣，處理腔室6內之壓力上升而複壓至例如約5000 Pa。於處理腔室6內形成氨氣氛圍之後，將40根鹵素燈HL一齊點亮，而開始半導體晶圓W之預加熱(輔助加熱)(步驟S13)。自鹵素燈HL出射之鹵素光透過由石英形成之下側腔室窗64及晶座74照射至半導體晶圓W之背面。藉由接收自鹵素燈HL之光照射，半導體晶圓W被預加熱而溫度上升。再者，由於移載機構10之移載臂11已退避至凹部62之內側，故而不會妨礙鹵素燈HL進行加熱。

圖12係表示第1實施形態之半導體晶圓W之表面溫度之變化之圖。於時刻t1，鹵素燈HL點亮而開始預加熱，半導體晶圓W開始升溫。於藉由鹵素燈HL進行預加熱時，半導體晶圓W之溫度藉由輻射溫度計20測定。即，輻射溫度計20接收自保持於晶座74之半導體晶圓W之下表面經由開口部78輻射之紅外光，而測定升溫中之晶圓溫度。所測得之半導體晶圓W之溫度被交遞至控制部3。控制部3一面監視藉由自鹵素燈HL之光照射而升溫之半導體晶圓W之溫度是否達到特定之預加熱溫度T1，一面控制鹵素燈HL之輸出。即，控制部3基於輻射溫度計20測得之測定值，以使半導體晶圓W之溫度成為預加熱溫度T1之方式反饋控制鹵素燈HL之輸出。預加熱溫度T1為300℃以上600℃以下，於本實施形態中為450℃。

於時刻t2半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之後，控制部3將半導體晶圓W暫時維持為該預加熱溫度T1。具體而言，於藉由輻射溫度計20測得之半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1之時刻t2，控制部3調整鹵素燈HL之輸出，將半導體晶圓W之溫度維持為大致預加熱溫度T1。

藉由進行此種利用鹵素燈HL進行之預加熱，而將半導體晶圓W之整體均勻地升溫至預加熱溫度T1。於利用鹵素燈HL進行預加熱之階段，存在更易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部之溫度較中央部降低之傾向，但鹵素燈罩4中之鹵素燈HL之配設密度係較與半導體晶圓W之中央部對向之區域，與周緣部對向之區域更高。因此，對易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部照射之光量變多，而能夠使預加熱階段中之半導體晶圓W之面內溫度分佈均勻。

繼而，於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T1後經過特定時間之時刻t3，閃光燈FL對保持於晶座74之半導體晶圓W之表面進行閃光照射(步驟S14)。此時，自閃光燈FL輻射之閃光之一部分直接朝向處理腔室6內，其他一部分暫時被反射器52反射後再朝向處理腔室6內，藉由該等閃光之照射而進行半導體晶圓W之閃光加熱。

閃光加熱係藉由自閃光燈FL之閃光(Flash Light)照射而進行，因此能使半導體晶圓W之表面溫度於短時間內上升。即，自閃光燈FL照射之閃光係由預先儲存於電容器之靜電能轉換成極短之光脈衝且照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下程度之極短且強之閃光。而且，藉由自閃光燈FL對成膜有高介電常數膜503之半導體晶圓W之表面照射閃光，包含高介電常數膜503之半導體晶圓W之表面瞬間升溫至處理溫度T2而執行成膜後熱處理(PDA：Post Deposition Anneal)。藉由閃光照射而半導體晶圓W之表面達到之最高溫度(峰值溫度)即處理溫度T2為600℃以上1200℃以下，於本實施形態中為1000℃。再者，由於自閃光燈FL之照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下程度之短時間，故而半導體晶圓W之表面溫度自預加熱溫度T1升溫至處理溫度T2所需之時間亦為未達1秒之極短時間。

若於氨氣氛圍中將半導體晶圓W之表面升溫至處理溫度T2而執行成膜後熱處理，則促進高介電常數膜503之氮化，並且高介電常數膜503中存在之點缺陷等缺陷消失而使高介電常數膜503緻密化。又，藉由於約5000 Pa之減壓下將半導體晶圓W之表面加熱至處理溫度T2，殘留於高介電常數膜503之碳或氯等雜質脫離至膜外。若半導體晶圓W之表面被長時間加熱至相對高溫之處理溫度T2，則有自高介電常數膜503脫氧而形成新的點缺陷之虞，故較佳為藉由閃光照射進行極短時間之閃光加熱。

進而，藉由於氨氣氛圍中將包含高介電常數膜503之半導體晶圓W之表面加熱至相對高溫，存在於高介電常數膜503與矽氧化膜502之界面之缺陷藉由氮而終止，並且矽氧化膜502與矽基材501之界面之缺陷藉由氫而終止。此時，若氮到達至矽氧化膜502與矽基材501之界面，則效果相反，但只要為藉由閃光照射進行之極短時間之閃光加熱，則擴散速度較氫慢之氮不會到達至矽氧化膜502與矽基材501之界面。

閃光照射後之半導體晶圓W之表面溫度自處理溫度T2即刻急速下降。閃光加熱處理結束且經過特定時間後，鹵素燈HL均暫時熄滅，半導體晶圓W亦自預加熱溫度T1降溫。又，於閃光照射後，控制部3於打開閥89之狀態下將閥84關閉而將處理腔室6內再次減壓至約100 Pa。藉此，可自處理腔室6內之熱處理空間65排出有害之氨氣。此時，移載機構10之波紋管15之周邊成為氣體滯留部位而容易殘留氨氣，但藉由自氣體噴嘴19對波紋管15吹送氮氣而可將殘留於氣體滯留部位之氨氣效率良好地自處理腔室6排出。繼而，控制部3再次打開閥84，自處理氣體供給源85對處理腔室6內供給氧氣(O₂ )而將熱處理空間65複壓至大氣壓。即，處理腔室6內之熱處理空間65自減壓之氨氣氛圍被置換成大氣壓之氧氣氛圍(步驟S15)。

於處理腔室6內被置換成氧氣氛圍之後，在時刻t4，鹵素燈HL再次點亮，已降溫之半導體晶圓W之溫度轉變為升溫。此時，控制部3亦基於輻射溫度計20測得之測定溫度，以半導體晶圓W之溫度達到追加加熱溫度T3之方式反饋控制鹵素燈HL之輸出。追加加熱溫度T3為300℃以上500℃以下，本實施形態中為400℃。

於時刻t5半導體晶圓W之溫度已達到追加加熱溫度T3之時間點，控制部3調整鹵素燈HL之輸出而將半導體晶圓W之溫度維持為追加加熱溫度T3直至時刻t6。於時刻t5至時刻t6之期間，執行半導體晶圓W之追加加熱(步驟S16)。將半導體晶圓W之溫度維持為追加加熱溫度T3之自時刻t5至時刻t6之時間為1秒以上100秒以下。即，於執行成膜後熱處理後之追加加熱中，將半導體晶圓W之溫度維持為300℃以上500℃以下之追加加熱溫度T3達1秒以上100秒以下。

若於氧氣氛圍中將半導體晶圓W之溫度維持為追加加熱溫度T3而執行追加加熱處理，則高介電常數膜503被氧化。即便藉由閃光照射進行極短時間之閃光加熱，亦有於成膜後熱處理時自高介電常數膜503脫氧而形成點缺陷之情形。尤其如本實施形態般，於氨氣氛圍中進行成膜後熱處理之情形時，由於在還原氛圍中將高介電常數膜503加熱至相對高溫，故更容易自高介電常數膜503脫氧。再者，構成高介電常數膜503之HfO₂ 係離子鍵結性之物質，故氧以離子(O^2- )形式脫離而於高介電常數膜503中形成帶正電荷之氧空位(VO²⁺ )。

於本實施形態中，由於在成膜後熱處理後在氧氣氛圍中進行半導體晶圓W之追加加熱處理，故高介電常數膜503被氧化而氧空位得以恢復。其結果，可提高高介電常數膜503之作為閘極絕緣膜之特性。

若追加加熱溫度T3未達300℃，則氧氣難以於高介電常數膜503中擴散而與氧空位結合。另一方面，若追加加熱溫度T3超過500℃，則自高介電常數膜503之氧脫離現象顯著。因此，追加加熱溫度T3設為300℃以上500℃以下。再者，若追加加熱溫度T3超過400℃，則自矽氧化膜502與矽基材501之界面之氫脫離現象顯著，於將追加加熱之加熱時間設為相對長時間之情形時較佳為將追加加熱溫度T3設為400℃以下。換言之，當使追加加熱溫度T3接近500℃時，較佳為將追加加熱之加熱時間設為相對較短時間。

於追加加熱結束之時刻t6，鹵素燈HL熄滅，半導體晶圓W之溫度自追加加熱溫度T3降溫。又，於將處理腔室6內再次減壓而排出氧氣之後，自處理氣體供給源85供給氮氣而將處理腔室6內置換成氮氣氛圍。降溫中之半導體晶圓W之溫度藉由輻射溫度計20測定，其測定結果被傳達至控制部3。控制部3根據測定結果監視半導體晶圓W之溫度是否已降溫至特定溫度。然後，將處理腔室6置換成氮氣氛圍，於半導體晶圓W之溫度降溫至特定以下之後，移載機構10之一對移載臂11再次自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，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，藉由閘閥185將閉鎖之搬送開口部66打開，利用搬送機器人150之搬送手151b(或搬送手151a)搬出載置於頂起銷12上之半導體晶圓W。搬送機器人150使搬送手151b進入至由頂起銷12頂起之半導體晶圓W之正下方位置並停止。然後，藉由使一對移載臂11下降，將閃光加熱後之半導體晶圓W交遞至搬送手151b並載置。之後，搬送機器人150使搬送手151b自處理腔室6退出而搬出處理後之半導體晶圓W(步驟S17)。

於第1實施形態中，在氨氣氛圍中藉由閃光照射進行高介電常數膜503之成膜後熱處理之後，在氧氣氛圍中進行半導體晶圓W之追加加熱處理。即便於成膜後熱處理時因氧脫離導致高介電常數膜503產生空位，亦可藉由在氧氣氛圍中執行半導體晶圓W之追加加熱處理，使高介電常數膜503氧化而消除高介電常數膜503中之氧空位。

＜第2實施形態＞ 其次，對本發明之第2實施形態進行說明。第2實施形態之熱處理裝置1之構成與第1實施形態相同。又，第2實施形態中之半導體晶圓W之處理程序亦與第1實施形態大致相同。第1實施形態中係藉由自鹵素燈HL之光照射而進行追加加熱，但第2實施形態中係藉由自閃光燈FL之閃光照射而執行追加加熱。

圖13係表示第2實施形態之半導體晶圓W之表面溫度之變化之圖。圖13所示之第2實施形態之半導體晶圓W之熱處理模式與第1實施形態之不同點在於，於時刻t7，藉由自閃光燈FL之閃光照射進行追加加熱。於第2實施形態中，亦於氧氣氛圍中藉由自鹵素燈HL之光照射將半導體晶圓W之溫度自時刻t5至時刻t6維持為300℃以上500℃以下。然後，於時刻t5與時刻t6之間之時刻t7，閃光燈FL對半導體晶圓W之表面照射閃光。閃光之照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下。藉由自閃光燈FL照射閃光，包含高介電常數膜503之半導體晶圓W之表面瞬間升溫至溫度T4。半導體晶圓W之表面藉由閃光照射而達到之溫度T4為500℃以上。與成膜後熱處理中之閃光加熱同樣地，藉由閃光照射使半導體晶圓W之表面溫度升溫至溫度T4所需之時間為未達1秒之極短時間。

成膜後熱處理時因自高介電常數膜503之氧脫離而產生之缺陷之一部分包含複合缺陷(例如，氮相關聯之缺陷)。關於此種複合缺陷，存在必須加熱至500℃以上才能恢復之情形。但是，如上所述，若將高介電常數膜503長時間加熱至500℃以上，則自高介電常數膜503之氧脫離現象顯著。因此，於第2實施形態中，藉由自閃光燈FL之閃光照射，將包含高介電常數膜503之半導體晶圓W之表面於氧氣氛圍中以1秒以下之極短時間加熱至500℃以上。藉此，可一面抑制自高介電常數膜503之氧脫離，一面消除存在於高介電常數膜503之複合缺陷。再者，除了在時刻t7藉由閃光照射進行追加加熱之方面以外，其餘之第2實施形態之熱處理內容與第1實施形態相同，於第2實施形態中亦進行與第1實施形態相同之成膜後熱處理。

＜第3實施形態＞ 其次，對本發明之第3實施形態進行說明。第1及第2實施形態中係藉由於同一處理腔室6內切換氛圍而進行成膜後熱處理與追加加熱處理，但第3實施形態中係於不同之腔室內執行成膜後熱處理與追加加熱處理。

圖14係表示第3實施形態之熱處理裝置100a之俯視圖。於該圖中，對與第1實施形態相同之要素標註相同之符號。第3實施形態之熱處理裝置100a之構成與第1實施形態之不同點在於，代替冷卻部140而設置加熱部240。加熱部240具備與第2冷藏腔室141相同形狀之加熱腔室241。於加熱腔室241內部，設置內置加熱器之加熱板242。加熱腔室241與裝載部101經由閘閥182而連接，加熱腔室241與搬送腔室170經由閘閥184而連接。

對加熱腔室241，能夠自處理氣體供給源245供給氧氣、臭氧、一氧化氮、一氧化二氮、二氧化氮等處理氣體。又，加熱腔室241之氛圍能夠藉由省略圖示之排氣機構而排氣。除了代替冷卻部140而設置加熱部240之方面以外，其餘之熱處理裝置100a之構成與第1實施形態之熱處理裝置100相同。

圖15係表示對第3實施形態之半導體晶圓W之加熱處理之程序之流程圖。圖15之步驟S21～S24之製程與第1實施形態(圖11)之步驟S11～S14之製程相同。即，藉由搬送機構將自裝載部101之載體C取出之未處理之半導體晶圓W搬入至處理腔室6(步驟S21)。但是，於第3實施形態中，半導體晶圓W自裝載部101必須通過第1冷藏腔室131而移送至搬送腔室170。於將半導體晶圓W搬入至處理腔室6之後，對處理腔室6內供給包含氨氣之處理氣體而形成氨氣氛圍(步驟S22)。繼而，藉由自鹵素燈HL之光照射而進行半導體晶圓W之預加熱(步驟S23)，對該半導體晶圓W之表面自閃光燈FL進行閃光照射(步驟S24)。藉由於氨氣氛圍中對半導體晶圓W之表面照射閃光，而執行高介電常數膜503之成膜後熱處理。

於成膜後熱處理結束之後，鹵素燈HL熄滅，半導體晶圓W之溫度下降。又，將處理腔室6內減壓並排出氨氣後，對處理腔室6內供給氮氣而置換成氮氣氛圍。然後，打開閘閥185，藉由搬送機器人150自處理腔室6搬出成膜後熱處理後之半導體晶圓W。取出半導體晶圓W之搬送機器人150自處理腔室6以朝向加熱部240之加熱腔室241之方式迴轉。又，閘閥185將處理腔室6與搬送腔室170之間閉鎖，並且閘閥184將加熱腔室241與搬送腔室170之間打開。繼而，搬送機器人150將半導體晶圓W搬入至加熱腔室241並載置於加熱板242(步驟S25)。

於將成膜後熱處理後之半導體晶圓W搬入至加熱腔室241之後，閘閥184將加熱腔室241與搬送腔室170之間閉鎖。繼而，一面自加熱腔室241排出氮氣一面對加熱腔室241內供給氧氣而形成氧氣氛圍(步驟S26)。

於加熱腔室241內成為氧氣氛圍之狀態下，藉由加熱板242對半導體晶圓W進行加熱，由此執行半導體晶圓W之追加加熱(步驟S27)。加熱板242對半導體晶圓W之追加加熱溫度與第1實施形態相同，為300℃以上500℃以下，追加加熱時間為1秒以上100秒以下。若於氧氣氛圍中追加加熱半導體晶圓W，則高介電常數膜503被氧化。藉此，高介電常數膜503被氧化而使氧空位恢復，從而能夠提高高介電常數膜503之作為閘極絕緣膜之特性。

於特定時間之追加加熱處理結束之後，加熱腔室241內自氧氣氛圍被置換成氮氣氛圍。然後，閘閥184再次將加熱腔室241與搬送腔室170之間打開，搬送機器人150將追加加熱處理後之半導體晶圓W自加熱腔室241搬出至搬送腔室170(步驟S28)。取出半導體晶圓W之搬送機器人150自加熱腔室241以朝向第1冷藏腔室131之方式迴轉。又，閘閥184將加熱腔室241與搬送腔室170之間閉鎖，並且閘閥183將第1冷藏腔室131與搬送腔室170之間打開。繼而，搬送機器人150將加熱處理後之半導體晶圓W搬入至第1冷藏腔室131。

於將半導體晶圓W搬入至第1冷藏腔室131之後，閘閥183將第1冷藏腔室131與搬送腔室170之間閉鎖。於第1冷藏腔室131中，進行加熱處理後之半導體晶圓W之冷卻處理。於半導體晶圓W之冷卻處理結束之後，閘閥181將第1冷藏腔室131與裝載部101之間打開，交接機器人120將冷卻後之半導體晶圓W自第1冷藏腔室131搬出至裝載部101，並返回至載體C。

於第3實施形態中，於不同之腔室中進行半導體晶圓W之成膜後熱處理與追加加熱處理。即，成膜後熱處理於處理腔室6中進行，追加加熱處理於加熱腔室241中進行。第1實施形態中係於同一處理腔室6中進行成膜後熱處理與追加加熱處理，但於此情形時，為了不相互產生影響，必須確實地進行自氨氣氛圍向氧氣氛圍之切換。具體而言，於成膜後熱處理結束後必須自處理腔室6完全排出氨氣後供給氧氣氣體。於第3實施形態中，由於在處理腔室6中進行成膜後熱處理，在加熱腔室241中進行追加加熱處理，故即便未自處理腔室6完全排出氨氣，亦可確實地切換氛圍。

＜第4實施形態＞ 其次，對本發明之第4實施形態進行說明。第4實施形態之熱處理裝置1之構成與第1實施形態相同。於第4實施形態中，同時執行成膜後熱處理與追加加熱處理。

圖16係表示對第4實施形態之半導體晶圓W之加熱處理之程序之流程圖。首先，與第1實施形態同樣地，藉由搬送機構將自裝載部101之載體C取出之未處理之半導體晶圓W搬入至處理腔室6(步驟S31)。

於將半導體晶圓W搬入至處理腔室6之後，於第4實施形態中，對處理腔室6內供給包含氮氧化物(一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N₂ O)、二氧化氮(NO₂ )等NO_x )之處理氣體而形成氮氧化物之氛圍(步驟S32)。於處理腔室6內形成包含氮氧化物之氛圍之後，藉由自鹵素燈HL之光照射而進行半導體晶圓W之預加熱。(步驟S33)。

其次，自閃光燈FL對半導體晶圓W之表面照射閃光而進行半導體晶圓W之閃光加熱(步驟S34)。若於包含氮氧化物之氛圍中進行半導體晶圓W之閃光加熱，則高介電常數膜503之氮化與氧化同時進行。即，藉由於包含氮氧化物之氛圍中加熱高介電常數膜503而促進高介電常數膜503之氮化，成膜後熱處理得以進行。與此同時，於包含氮氧化物之氛圍中使高介電常數膜503氧化而進行追加加熱處理，氧空位得以恢復。

於此種同時進行成膜後熱處理與追加加熱處理之閃光加熱結束之後，鹵素燈HL熄滅，半導體晶圓W之溫度下降。又，將處理腔室6內減壓並排出包含氮氧化物之氛圍後，對處理腔室6內供給氮氣而置換成氮氣氛圍。然後，打開閘閥185，藉由搬送機器人150自處理腔室6搬出熱處理後之半導體晶圓W(步驟S35)。自處理腔室6搬出之半導體晶圓W與第1實施形態同樣地，於第1冷藏腔室131或第2冷藏腔室141被冷卻之後，被返回至裝載部101之載體C。

於第4實施形態中，藉由於包含氮氧化物之氛圍中進行1次閃光照射，而同時進行高介電常數膜503之氮化與氧化。因此，無須於進行成膜後熱處理之後切換氛圍以進行追加加熱處理，從而可簡化處理流程而提高產能。

＜變化例＞ 以上，對本發明之實施形態進行了說明，但本發明只要不脫離其主旨，亦可進行除上述以外之各種變更。例如，於第1實施形態中，於氧氣氛圍中進行半導體晶圓W之追加加熱處理，但並不限定於此，亦可於包含氧氣、臭氧或氮氧化物之氛圍中進行追加加熱處理。其等均具有氧化性，包含氧氣、臭氧或氮氧化物之氛圍為氧化性氛圍。只要於氧化氛圍中進行追加加熱處理，與第1實施形態同樣地，可使高介電常數膜503氧化而使氧空位恢復。

又，於上述實施形態中，在氨氣氛圍中進行半導體晶圓W之成膜後熱處理，但並不限定於此，亦可於合成氣體(氫與氮之混合氣體)、氮氣體或氬氣等惰性氣體之氛圍中進行成膜後熱處理。

又，於氧化氛圍中執行之追加加熱處理亦可於較大氣壓高之加壓氛圍中進行。若為加壓氛圍，則氧氣等之分壓變高，能更確實地使氧空位恢復。

又，於上述實施形態中，閃光燈罩5具備30根閃光燈FL，但並不限定於此，閃光燈FL之根數可為任意數量。又，閃光燈FL並不限定於氙氣閃光燈，亦可為氪氣閃光燈。又，鹵素燈罩4所具備之鹵素燈HL之根數亦不限定於40根，而可為任意數量。

又，於上述實施形態中，使用燈絲方式之鹵素燈HL作為1秒以上連續發光之連續點亮燈，進行半導體晶圓W之預加熱，但並不限定於此，亦可使用放電型之電弧燈(例如，疝弧燈)代替鹵素燈HL作為連續點亮燈，進行預加熱。

又，成為熱處理裝置100之處理對象之基板並不限定於半導體晶圓，亦可為用於液晶顯示裝置等平板顯示器之玻璃基板或太陽電池用基板。

3:控制部 4:鹵素燈罩 5:閃光燈罩 6:處理腔室 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 15:波紋管 19:氣體噴嘴 20:輻射溫度計 41:殼體 43:反射器 51:殼體 52:反射器 53:燈光輻射窗 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 66:搬送開口部 71:基台環 72:連結部 74:晶座 75:保持板 75a:保持面 76:引導環 77:基板支持銷 78:開口部 79:貫通孔 81:氣體供給孔 82:緩衝空間 83:氣體供給管 84:閥 85:處理氣體供給源 86:氣體排氣孔 87:緩衝空間 88:氣體排氣管 89:閥 100:熱處理裝置 100a:熱處理裝置 101:裝載部 110:負載埠 120:交接機器人 120R:箭頭 120S:箭頭 121:機器手 130:冷卻部 131:第1冷藏腔室 140:冷卻部 141:第2冷藏腔室 150:搬送機器人 150R:箭頭 151a:搬送手 151b:搬送手 160:熱處理部 170:搬送腔室 181:閘閥 182:閘閥 183:閘閥 184:閘閥 185:閘閥 190:排氣部 230:對準部 231:對準腔室 240:加熱部 241:加熱腔室 242:加熱板 245:處理氣體供給源 501:矽基材 502:矽氧化膜 503:高介電常數膜 504:側壁 C:載體 CU:箭頭 FL:閃光燈 HL:鹵素燈 S11:步驟 S12:步驟 S13:步驟 S14:步驟 S15:步驟 S16:步驟 S17:步驟 S21:步驟 S22:步驟 S23:步驟 S24:步驟 S25:步驟 S26:步驟 S27:步驟 S28:步驟 S31:步驟 S32:步驟 S33:步驟 S34:步驟 S35:步驟 W:半導體晶圓

圖1係表示本發明之熱處理裝置之俯視圖。 圖2係圖1之熱處理裝置之前視圖。 圖3係表示熱處理部之構成之縱剖視圖。 圖4係表示保持部之整體外觀之立體圖。 圖5係晶座之俯視圖。 圖6係晶座之剖視圖。 圖7係移載機構之俯視圖。 圖8係移載機構之側視圖。 圖9係表示複數個鹵素燈之配置之俯視圖。 圖10係表示於半導體晶圓成膜有高介電常數膜之堆疊構造之圖。 圖11係表示對第1實施形態之半導體晶圓之加熱處理之程序之流程圖。 圖12係表示第1實施形態之半導體晶圓之表面溫度之變化的圖。 圖13係表示第2實施形態之半導體晶圓之表面溫度之變化的圖。 圖14係表示第3實施形態之熱處理裝置之俯視圖。 圖15係表示對第3實施形態之半導體晶圓之加熱處理之程序之流程圖。 圖16係表示對第4實施形態之半導體晶圓之加熱處理之程序之流程圖。

S11:步驟

S12:步驟

S13:步驟

S14:步驟

S15:步驟

S16:步驟

S17:步驟

Claims (7)

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閃光而將該基板加熱者，且具備：預加熱製程，其係藉由來自連續點亮燈之光照射而將上述基板預加熱；成膜後加熱製程，其係自閃光燈對上述基板之表面照射閃光而將上述高介電常數膜加熱；及追加加熱製程，其係於上述成膜後加熱製程之後，在氧化氛圍中對上述基板進行加熱；上述預加熱製程及上述成膜後加熱製程係於氨氣氛圍中加以執行，於上述追加加熱製程中，將處理空間減壓而自上述處理空間排出氨氣後，置換成大氣壓之上述氧化氛圍，且於上述追加加熱製程中，將上述基板以300℃以上500℃以下加熱1秒以上100秒以下。
2. 如請求項1之熱處理方法，其中上述氧化氛圍係包含氧氣、臭氧或氮氧化物之氛圍。
3. 如請求項1之熱處理方法，其中於上述追加加熱製程中，藉由來自上述閃光燈之閃光照射而將上述基板之表面於500℃以上加熱1秒以下。
4. 如請求項1至3中任一項之熱處理方法，其中上述成膜後加熱製程與上述追加加熱製程係於同一腔室內進行。
5. 一種熱處理裝置，其特徵在於：其係藉由對形成有高介電常數膜之基板照射閃光而將該基板加熱者，且具備：腔室，其收容上述基板；連續點亮燈，其對收容於上述腔室之上述基板照射光而進行加熱；閃光燈，其對收容於上述腔室之上述基板之表面照射閃光；氣體供給部，其對上述腔室內供給處理氣體而形成氧化氛圍；及排氣部，其將上述腔室內之處理氣體排氣；於藉由來自上述連續點亮燈之光照射及來自上述閃光燈之閃光照射而於氨氣氛圍中將上述高介電常數膜加熱之後，於打開上述排氣部之閥之狀態下將上述氣體供給部之閥關閉而將上述腔室內之處理空間減壓，藉此自上述處理空間排出包含氨氣之處理氣體，繼而打開上述氣體供給部之閥而對上述處理空間內供給形成氧化氛圍之處理氣體，藉此將上述處理空間自上述氨氣氛圍置換成大氣壓之上述氧化氛圍，於上述氧化氛圍中進行上述基板之追加加熱，且於上述追加加熱中，將上述基板以300℃以上500℃以下加熱1秒以上100秒以下。
6. 如請求項5之熱處理裝置，其中上述氣體供給部係對上述腔室內供給包含氧氣、臭氧或氮氧化物之處理氣體而形成氧化氛圍。
7. 如請求項5之熱處理裝置，其中於上述追加加熱中，藉由來自上述閃光燈之閃光照射將上述基板之表面於500℃以上加熱1秒以下。

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