WO2021171935A1 - 熱処理方法 - Google Patents

熱処理方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2021171935A1
WO2021171935A1 PCT/JP2021/003836 JP2021003836W WO2021171935A1 WO 2021171935 A1 WO2021171935 A1 WO 2021171935A1 JP 2021003836 W JP2021003836 W JP 2021003836W WO 2021171935 A1 WO2021171935 A1 WO 2021171935A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat treatment
chamber
temperature
semiconductor wafer
treatment method
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/003836
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和彦 布施
Original Assignee
株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス filed Critical 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス
Publication of WO2021171935A1 publication Critical patent/WO2021171935A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers

Definitions

  • the present invention relates to a heat treatment method for forming an oxynitride film by irradiating a thin plate-shaped precision electronic substrate (hereinafter, simply referred to as "substrate”) such as a silicon semiconductor wafer with light to heat the substrate.
  • substrate thin plate-shaped precision electronic substrate
  • a thin film of silicon dioxide (SiO 2 ) obtained by oxidizing silicon (Si) has been widely used as a gate insulating film of a field effect transistor (FET), but in recent years, a material having a higher dielectric constant than silicon dioxide has been used. It is being replaced by the high dielectric constant film (High-k film) used.
  • the high dielectric constant film has been developed as a new stack structure together with the metal gate electrode using metal for the gate electrode in order to solve the problem that the leakage current increases with the progress of thinning of the gate insulating film. It is something that is.
  • a thin film of silicon dioxide is formed as an interface layer film (base film) between the base layer of silicon and the high dielectric constant film (for example, Patent Document 1). ). This is because when a high dielectric constant film is formed directly on the base layer of silicon, the number of defects at the interface increases and the leakage current increases. By forming a thin film of silicon dioxide between the base layer of silicon and the high dielectric constant film, the consistency of the interface is improved and the leakage current is reduced.
  • the total capacity can be increased by forming a film of silicon oxynitride (SiON) having a higher relative permittivity than silicon dioxide. Therefore, it is advantageous. Further, by using silicon oxynitride as the interface layer film, it is possible to improve the leakage current characteristics of the insulating film and reduce the interface state.
  • SiON silicon oxynitride
  • silicon oxynitride thin film it was difficult to form a high-quality, very thin silicon oxynitride thin film.
  • silicon oxynitride is formed by sputtering, deterioration of film quality is unavoidable.
  • silicon oxynitride was formed in an atmosphere furnace, a good quality film could be formed, but a very thin film having a film thickness of 2 nm or less could not be formed.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat treatment method capable of forming a high-quality thin silicon oxynitride film.
  • a first aspect of the present invention is a heat treatment method in which a silicon substrate is heated by irradiating the substrate with light to form an oxynitride film, wherein the substrate is first preheated to a preheating temperature.
  • the substrate heated to the first preheating temperature is irradiated with light in an oxidizing atmosphere, and the surface of the substrate is heated for 1 second or less to reach the surface.
  • a second millisecond annealing step of irradiating the substrate with light in a nitrided atmosphere and heating the surface of the substrate for 1 second or less to nitride the oxide film is provided.
  • the second preheating temperature is lower than the first preheating temperature.
  • the first preheating temperature is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower
  • the second preheating temperature is 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
  • the second millisecond annealing step is performed in a reduced pressure atmosphere of less than atmospheric pressure.
  • the substrate immediately after the substrate reaches the second preheating temperature in the second preheating step, the substrate is immediately subjected to the heat treatment.
  • the second millisecond annealing step is performed by irradiating with light.
  • the first millisecond annealing step and the second millisecond annealing step are performed in the same chamber, and the second aspect is described.
  • the 1-millisecond annealing step is performed in an oxidizing atmosphere containing oxygen
  • the second millisecond annealing step is performed in a nitrided atmosphere containing ammonia
  • the inside of the chamber is depressurized to reduce oxygen. Discharge.
  • the second millisecond annealing step is performed in a mixed gas of oxygen and ammonia remaining in the chamber.
  • ammonia is supplied into the chamber when the oxygen concentration in the chamber is equal to or less than the explosion limit.
  • oxygen is started to be supplied to the chamber when the substrate reaches a predetermined temperature in the first preheating step.
  • the substrate in the first preheating step and the second preheating step, is irradiated with light from a continuous lighting lamp.
  • the temperature of the substrate is raised, and in the first millisecond annealing step and the second millisecond annealing step, the substrate is irradiated with flash light from a flash lamp.
  • the surface of the substrate is heated for 1 second or less in an oxidizing atmosphere to form an oxide film on the surface, and the surface of the substrate is heated in a nitriding atmosphere. Since the oxide film is nitrided by heating for 1 second or less, a silicon oxide film is formed by heating the surface of the substrate for 1 second or less, and the silicon oxide film is nitrided to form a high-quality thin silicon oxynitride film. can do.
  • the film quality of silicon oxynitride can be improved.
  • the substrate immediately after the substrate reaches the second preheating temperature in the second preheating step, the substrate is immediately irradiated with light to execute the second millisecond annealing step. Therefore, it is prevented that nitrogen passes through the silicon oxide film, reaches the interface with the silicon base material, and reacts with silicon.
  • the inside of the chamber is depressurized and oxygen is discharged before forming the nitriding atmosphere containing ammonia, so that the explosion of ammonia can be prevented.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of the heat treatment apparatus 1 according to the present invention.
  • the heat treatment apparatus 1 of FIG. 1 is a flash lamp annealing apparatus that heats a disk-shaped semiconductor wafer W as a substrate by irradiating the semiconductor wafer W with flash light.
  • the size of the semiconductor wafer W to be processed is not particularly limited, but is, for example, ⁇ 300 mm or ⁇ 450 mm.
  • the dimensions and numbers of each part are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding.
  • the heat treatment apparatus 1 includes a chamber 6 for accommodating a semiconductor wafer W, a flash heating unit 5 containing a plurality of flash lamps FL, and a halogen heating unit 4 containing a plurality of halogen lamps HL.
  • a flash heating unit 5 is provided on the upper side of the chamber 6, and a halogen heating unit 4 is provided on the lower side.
  • the heat treatment apparatus 1 includes a holding portion 7 that holds the semiconductor wafer W in a horizontal posture inside the chamber 6, a transfer mechanism 10 that transfers the semiconductor wafer W between the holding portion 7 and the outside of the apparatus. To be equipped.
  • the heat treatment apparatus 1 includes a halogen heating unit 4, a flash heating unit 5, and a control unit 3 that controls each operation mechanism provided in the chamber 6 to execute heat treatment of the semiconductor wafer W.
  • the chamber 6 is configured by mounting quartz chamber windows above and below the tubular chamber side portion 61.
  • the chamber side portion 61 has a substantially tubular shape with upper and lower openings, and the upper chamber window 63 is attached to the upper opening and closed, and the lower chamber window 64 is attached to the lower opening and closed.
  • the upper chamber window 63 constituting the ceiling portion of the chamber 6 is a disk-shaped member formed of quartz, and functions as a quartz window that transmits the flash light emitted from the flash heating portion 5 into the chamber 6.
  • the lower chamber window 64 constituting the floor portion of the chamber 6 is also a disk-shaped member formed of quartz, and functions as a quartz window that transmits light from the halogen heating portion 4 into the chamber 6.
  • a reflective ring 68 is attached to the upper part of the inner wall surface of the chamber side portion 61, and a reflective ring 69 is attached to the lower part.
  • the reflective rings 68 and 69 are both formed in an annular shape.
  • the upper reflective ring 68 is attached by fitting from the upper side of the chamber side portion 61.
  • the lower reflective ring 69 is attached by fitting it from the lower side of the chamber side portion 61 and fastening it with a screw (not shown). That is, both the reflective rings 68 and 69 are detachably attached to the chamber side portion 61.
  • the inner space of the chamber 6, that is, the space surrounded by the upper chamber window 63, the lower chamber window 64, the chamber side 61, and the reflection rings 68, 69 is defined as the heat treatment space 65.
  • a recess 62 is formed on the inner wall surface of the chamber 6. That is, a recess 62 is formed which is surrounded by the central portion of the inner wall surface of the chamber side portion 61 to which the reflection rings 68 and 69 are not mounted, the lower end surface of the reflection ring 68, and the upper end surface of the reflection ring 69. ..
  • the recess 62 is formed in an annular shape along the horizontal direction on the inner wall surface of the chamber 6 and surrounds the holding portion 7 that holds the semiconductor wafer W.
  • the chamber side 61 and the reflective rings 68 and 69 are made of a metal material (for example, stainless steel) having excellent strength and heat resistance.
  • the chamber side portion 61 is provided with a transport opening (furnace port) 66 for loading and unloading the semiconductor wafer W into and out of the chamber 6.
  • the transport opening 66 can be opened and closed by a gate valve 185.
  • the transport opening 66 is communicated with the outer peripheral surface of the recess 62. Therefore, when the gate valve 185 opens the transport opening 66, the semiconductor wafer W is carried in from the transport opening 66 through the recess 62 into the heat treatment space 65 and the semiconductor wafer W is carried out from the heat treatment space 65. It can be performed. Further, when the gate valve 185 closes the transport opening 66, the heat treatment space 65 in the chamber 6 becomes a closed space.
  • the through hole 61a is a cylindrical hole for guiding infrared light emitted from the upper surface of the semiconductor wafer W held by the susceptor 74, which will be described later, to the upper radiation thermometer 25.
  • the through hole 61b is a cylindrical hole for guiding the infrared light emitted from the lower surface of the semiconductor wafer W to the lower radiation thermometer 20.
  • the through hole 61a and the through hole 61b are provided so as to be inclined with respect to the horizontal direction so that their axes in the through direction intersect with the main surface of the semiconductor wafer W held by the susceptor 74.
  • a transparent window 26 made of a calcium fluoride material that transmits infrared light in a wavelength region that can be measured by the upper radiation thermometer 25 is attached to the end of the through hole 61a on the side facing the heat treatment space 65.
  • the upper radiation thermometer 25 receives infrared light radiated from the upper surface of the semiconductor wafer W through the transparent window 26, and measures the temperature of the upper surface of the semiconductor wafer W from the intensity of the infrared light.
  • a transparent window 21 made of a barium fluoride material that transmits infrared light in a wavelength region that can be measured by the lower radiation thermometer 20 is attached to the end of the through hole 61b on the side facing the heat treatment space 65. ..
  • the lower radiation thermometer 20 receives infrared light radiated from the lower surface of the semiconductor wafer W through the transparent window 21 and measures the temperature of the lower surface of the semiconductor wafer W from the intensity of the infrared light.
  • a gas supply hole 81 for supplying the processing gas to the heat treatment space 65 is formed in the upper part of the inner wall of the chamber 6.
  • the gas supply hole 81 is formed at a position above the recess 62, and may be provided in the reflection ring 68.
  • the gas supply hole 81 is communicated with the gas supply pipe 83 via a buffer space 82 formed in an annular shape inside the side wall of the chamber 6.
  • the gas supply pipe 83 is connected to the processing gas supply source 85.
  • a valve 84 is inserted in the middle of the path of the gas supply pipe 83. When the valve 84 is opened, the processing gas is supplied from the processing gas supply source 85 to the buffer space 82.
  • the processing gas that has flowed into the buffer space 82 flows so as to expand in the buffer space 82 having a smaller fluid resistance than the gas supply hole 81, and is supplied from the gas supply hole 81 into the heat treatment space 65.
  • the processing gas supply source 85 is an inert gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar), or oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), hydrogen (H 2 ), and ammonia (NH) as the processing gas.
  • a reactive gas such as 3 ) or a mixed gas in which they are mixed can be supplied into the chamber 6.
  • a gas exhaust hole 86 for exhausting the gas in the heat treatment space 65 is formed in the lower part of the inner wall of the chamber 6.
  • the gas exhaust hole 86 is formed at a position below the recess 62, and may be provided in the reflection ring 69.
  • the gas exhaust hole 86 is communicated with the gas exhaust pipe 88 via a buffer space 87 formed in an annular shape inside the side wall of the chamber 6.
  • the gas exhaust pipe 88 is connected to the exhaust unit 190.
  • a valve 89 is inserted in the middle of the path of the gas exhaust pipe 88. When the valve 89 is opened, the gas in the heat treatment space 65 is discharged from the gas exhaust hole 86 to the gas exhaust pipe 88 via the buffer space 87.
  • a plurality of gas supply holes 81 and gas exhaust holes 86 may be provided along the circumferential direction of the chamber 6, or may be slit-shaped.
  • a gas exhaust pipe 191 for discharging the gas in the heat treatment space 65 is also connected to the tip of the transport opening 66.
  • the gas exhaust pipe 191 is connected to the exhaust unit 190 via a valve 192. By opening the valve 192, the gas in the chamber 6 is exhausted through the transport opening 66.
  • the exhaust unit 190 is equipped with a vacuum pump. By opening the valves 89 and 192 while operating the exhaust unit 190, the atmosphere in the chamber 6 is discharged from the gas exhaust pipes 88 and 191 to the exhaust unit 190.
  • the atmosphere of the heat treatment space 65 which is a closed space, is exhausted by the exhaust unit 190 without supplying any gas from the gas supply hole 81, the inside of the chamber 6 can be depressurized to a pressure lower than the atmospheric pressure. That is, the exhaust unit 190 also functions as a decompression unit that depressurizes the inside of the chamber 6.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the overall appearance of the holding portion 7.
  • the holding portion 7 includes a base ring 71, a connecting portion 72, and a susceptor 74.
  • the base ring 71, the connecting portion 72, and the susceptor 74 are all made of quartz. That is, the entire holding portion 7 is made of quartz.
  • the base ring 71 is an arc-shaped quartz member in which a part is missing from the ring shape. This missing portion is provided to prevent interference between the transfer arm 11 of the transfer mechanism 10 described later and the base ring 71.
  • the base ring 71 By placing the base ring 71 on the bottom surface of the recess 62, the base ring 71 is supported on the wall surface of the chamber 6 (see FIG. 1).
  • a plurality of connecting portions 72 (four in the present embodiment) are erected on the upper surface of the base ring 71 along the circumferential direction of the ring shape.
  • the connecting portion 72 is also a quartz member, and is fixed to the base ring 71 by welding.
  • FIG. 3 is a plan view of the susceptor 74.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the susceptor 74.
  • the susceptor 74 includes a holding plate 75, a guide ring 76 and a plurality of substrate support pins 77.
  • the holding plate 75 is a substantially circular flat plate-shaped member made of quartz. The diameter of the holding plate 75 is larger than the diameter of the semiconductor wafer W. That is, the holding plate 75 has a plane size larger than that of the semiconductor wafer W.
  • a guide ring 76 is installed on the upper peripheral edge of the holding plate 75.
  • the guide ring 76 is an annular member having an inner diameter larger than the diameter of the semiconductor wafer W. For example, when the diameter of the semiconductor wafer W is ⁇ 300 mm, the inner diameter of the guide ring 76 is ⁇ 320 mm.
  • the inner circumference of the guide ring 76 is a tapered surface that widens upward from the holding plate 75.
  • the guide ring 76 is made of quartz similar to the holding plate 75.
  • the guide ring 76 may be welded to the upper surface of the holding plate 75, or may be fixed to the holding plate 75 by a separately processed pin or the like. Alternatively, the holding plate 75 and the guide ring 76 may be processed as an integral member.
  • the region inside the guide ring 76 on the upper surface of the holding plate 75 is a flat holding surface 75a for holding the semiconductor wafer W.
  • a plurality of substrate support pins 77 are erected on the holding surface 75a of the holding plate 75. In the present embodiment, a total of 12 substrate support pins 77 are erected at every 30 ° along the circumference of the outer circumference circle (inner circumference circle of the guide ring 76) of the holding surface 75a and the concentric circle.
  • the diameter of the circle in which the 12 substrate support pins 77 are arranged is smaller than the diameter of the semiconductor wafer W, and if the diameter of the semiconductor wafer W is ⁇ 300 mm, the diameter is ⁇ 270 mm to ⁇ 280 mm (this implementation). In the form, it is ⁇ 270 mm).
  • Each substrate support pin 77 is made of quartz.
  • the plurality of substrate support pins 77 may be provided on the upper surface of the holding plate 75 by welding, or may be processed integrally with the holding plate 75.
  • the four connecting portions 72 erected on the base ring 71 and the peripheral edge portion of the holding plate 75 of the susceptor 74 are fixed by welding. That is, the susceptor 74 and the base ring 71 are fixedly connected by the connecting portion 72.
  • the base ring 71 of the holding portion 7 is supported on the wall surface of the chamber 6, so that the holding portion 7 is mounted on the chamber 6.
  • the holding plate 75 of the susceptor 74 is in a horizontal posture (a posture in which the normal line coincides with the vertical direction). That is, the holding surface 75a of the holding plate 75 is a horizontal plane.
  • the semiconductor wafer W carried into the chamber 6 is placed and held in a horizontal posture on the susceptor 74 of the holding portion 7 mounted on the chamber 6.
  • the semiconductor wafer W is supported by the twelve substrate support pins 77 erected on the holding plate 75 and held by the susceptor 74. More precisely, the upper ends of the 12 substrate support pins 77 come into contact with the lower surface of the semiconductor wafer W to support the semiconductor wafer W. Since the heights of the 12 substrate support pins 77 (distance from the upper end of the substrate support pins 77 to the holding surface 75a of the holding plate 75) are uniform, the semiconductor wafer W is placed in a horizontal position by the 12 substrate support pins 77. Can be supported.
  • the semiconductor wafer W is supported by a plurality of substrate support pins 77 from the holding surface 75a of the holding plate 75 at a predetermined interval.
  • the thickness of the guide ring 76 is larger than the height of the substrate support pin 77. Therefore, the horizontal misalignment of the semiconductor wafer W supported by the plurality of substrate support pins 77 is prevented by the guide ring 76.
  • the holding plate 75 of the susceptor 74 is formed with an opening 78 that penetrates vertically.
  • the opening 78 is provided for the lower radiation thermometer 20 to receive the synchrotron radiation (infrared light) radiated from the lower surface of the semiconductor wafer W. That is, the lower radiation thermometer 20 receives the light radiated from the lower surface of the semiconductor wafer W through the transparent window 21 mounted in the opening 78 and the through hole 61b of the chamber side 61, and the temperature of the semiconductor wafer W.
  • the holding plate 75 of the susceptor 74 is provided with four through holes 79 through which the lift pin 12 of the transfer mechanism 10 described later penetrates for the transfer of the semiconductor wafer W.
  • FIG. 5 is a plan view of the transfer mechanism 10.
  • FIG. 6 is a side view of the transfer mechanism 10.
  • the transfer mechanism 10 includes two transfer arms 11.
  • the transfer arm 11 has an arc shape that generally follows the annular recess 62.
  • Two lift pins 12 are erected on each transfer arm 11.
  • the transfer arm 11 and the lift pin 12 are made of quartz.
  • Each transfer arm 11 is rotatable by a horizontal movement mechanism 13.
  • the horizontal movement mechanism 13 includes a transfer operation position (solid line position in FIG. 5) for transferring the pair of transfer arms 11 to the holding portion 7 and the semiconductor wafer W held by the holding portion 7. It is horizontally moved to and from the retracted position (two-point chain line position in FIG. 5) that does not overlap in a plan view.
  • the horizontal movement mechanism 13 may be one in which each transfer arm 11 is rotated by an individual motor, or a pair of transfer arms 11 are interlocked and rotated by one motor using a link mechanism. It may be something to move.
  • the pair of transfer arms 11 are moved up and down together with the horizontal movement mechanism 13 by the elevating mechanism 14.
  • the elevating mechanism 14 raises the pair of transfer arms 11 at the transfer operation position, a total of four lift pins 12 pass through the through holes 79 (see FIGS. 2 and 3) formed in the susceptor 74, and the lift pins The upper end of 12 protrudes from the upper surface of the susceptor 74.
  • the elevating mechanism 14 lowers the pair of transfer arms 11 at the transfer operation position, the lift pin 12 is pulled out from the through hole 79, and the horizontal movement mechanism 13 moves the pair of transfer arms 11 so as to open each.
  • the transfer arm 11 moves to the retracted position.
  • the retracted position of the pair of transfer arms 11 is directly above the base ring 71 of the holding portion 7. Since the base ring 71 is placed on the bottom surface of the recess 62, the retracted position of the transfer arm 11 is inside the recess 62.
  • An exhaust mechanism (not shown) is also provided in the vicinity of the portion where the drive unit (horizontal movement mechanism 13 and elevating mechanism 14) of the transfer mechanism 10 is provided, and the atmosphere around the drive unit of the transfer mechanism 10 is provided. Is configured to be discharged to the outside of the chamber 6.
  • the chamber 6 is provided with two radiation thermometers (pyrometer in this embodiment), a lower radiation thermometer 20 and an upper radiation thermometer 25.
  • the lower radiation thermometer 20 is provided obliquely below the semiconductor wafer W held by the susceptor 74.
  • the lower radiation thermometer 20 receives infrared light radiated from the lower surface of the semiconductor wafer W and measures the temperature of the lower surface from the intensity of the infrared light.
  • the upper radiation thermometer 25 is provided obliquely above the semiconductor wafer W held by the susceptor 74.
  • the upper radiation thermometer 25 receives infrared light radiated from the upper surface of the semiconductor wafer W, and measures the temperature of the upper surface from the intensity of the infrared light.
  • the upper radiation thermometer 25 is provided with an InSb (indium antimonide) optical element so as to be able to respond to a sudden temperature change on the upper surface of the semiconductor wafer W at the moment when the flash light is irradiated. Further, the chamber 6 is provided with a pressure gauge 95. The pressure gauge 95 measures the atmospheric pressure in the chamber 6.
  • InSb indium antimonide
  • the flash heating unit 5 provided above the chamber 6 is provided inside the housing 51 so as to cover a light source composed of a plurality of (30 in this embodiment) xenon flash lamp FL and the upper part of the light source.
  • the reflector 52 and the reflector 52 are provided.
  • a lamp light radiation window 53 is attached to the bottom of the housing 51 of the flash heating unit 5.
  • the lamp light emitting window 53 constituting the floor portion of the flash heating unit 5 is a plate-shaped quartz window made of quartz.
  • Each of the plurality of flash lamps FL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape, and the longitudinal direction thereof is along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 (that is, along the horizontal direction). They are arranged in a plane so as to be parallel to each other. Therefore, the plane formed by the arrangement of the flash lamp FL is also a horizontal plane. The region where the plurality of flash lamps FL are arranged is larger than the plane size of the semiconductor wafer W.
  • the xenon flash lamp FL is formed on a cylindrical glass tube (discharge tube) in which xenon gas is sealed inside and an anode and a cathode connected to a condenser are arranged at both ends thereof, and on the outer peripheral surface of the glass tube. It is provided with an attached trigger electrode. Since xenon gas is electrically an insulator, even if electric charges are accumulated in the condenser, electricity does not flow in the glass tube under normal conditions. However, when a high voltage is applied to the trigger electrode to break the insulation, the electricity stored in the capacitor instantly flows into the glass tube, and light is emitted by the excitation of xenon atoms or molecules at that time.
  • the electrostatic energy stored in the capacitor in advance is converted into an extremely short optical pulse of 0.1 millisecond to 100 millisecond, so that the halogen lamp HL is continuously lit. It has the feature that it can irradiate extremely strong light compared to a light source. That is, the flash lamp FL is a pulse light emitting lamp that instantaneously emits light in an extremely short time of less than 1 second.
  • An IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (not shown) is incorporated in the light emitting circuit of the flash lamp FL.
  • the light emission time of the flash lamp FL can be specified between 1 millisecond and 100 milliseconds.
  • the reflector 52 is provided above the plurality of flash lamps FL so as to cover all of them.
  • the basic function of the reflector 52 is to reflect the flash light emitted from the plurality of flash lamps FL toward the heat treatment space 65.
  • the reflector 52 is made of an aluminum alloy plate, and its surface (the surface facing the flash lamp FL) is roughened by blasting.
  • the halogen heating unit 4 provided below the chamber 6 contains a plurality of halogen lamps HL (40 in this embodiment) inside the housing 41.
  • the halogen heating unit 4 heats the semiconductor wafer W by irradiating the heat treatment space 65 with light from below the chamber 6 through the lower chamber window 64 by a plurality of halogen lamps HL.
  • FIG. 7 is a plan view showing the arrangement of a plurality of halogen lamps HL.
  • the 40 halogen lamps HL are arranged in two upper and lower stages. Twenty halogen lamps HL are arranged in the upper stage near the holding portion 7, and 20 halogen lamps HL are also arranged in the lower stage farther from the holding portion 7 than in the upper stage.
  • Each halogen lamp HL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape.
  • the 20 halogen lamps HL in both the upper and lower stages are arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 (that is, along the horizontal direction). There is. Therefore, the plane formed by the arrangement of the halogen lamps HL in both the upper and lower stages is a horizontal plane.
  • the arrangement density of the halogen lamp HL in the region facing the peripheral edge portion is higher than the region facing the central portion of the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 in both the upper and lower stages.
  • the arrangement pitch of the halogen lamp HL is shorter in the peripheral portion than in the central portion of the lamp arrangement. Therefore, it is possible to irradiate a peripheral portion of the semiconductor wafer W, which tends to have a temperature drop during heating by light irradiation from the halogen heating unit 4, with a larger amount of light.
  • the lamp group consisting of the upper halogen lamp HL and the lamp group consisting of the lower halogen lamp HL are arranged so as to intersect in a grid pattern. That is, a total of 40 halogen lamps HL are arranged so that the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the upper stage and the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the lower stage are orthogonal to each other. There is.
  • the halogen lamp HL is a filament type light source that incandescents the filament and emits light by energizing the filament arranged inside the glass tube. Inside the glass tube, a gas in which a trace amount of a halogen element (iodine, bromine, etc.) is introduced into an inert gas such as nitrogen or argon is sealed. By introducing the halogen element, it becomes possible to set the temperature of the filament to a high temperature while suppressing the breakage of the filament. Therefore, the halogen lamp HL has a characteristic that it has a longer life and can continuously irradiate strong light as compared with a normal incandescent lamp.
  • a halogen element iodine, bromine, etc.
  • the halogen lamp HL is a continuously lit lamp that continuously emits light for at least 1 second or longer. Further, since the halogen lamp HL is a rod-shaped lamp, it has a long life, and by arranging the halogen lamp HL along the horizontal direction, the radiation efficiency to the upper semiconductor wafer W becomes excellent.
  • a reflector 43 is provided under the two-stage halogen lamp HL in the housing 41 of the halogen heating unit 4 (FIG. 1).
  • the reflector 43 reflects the light emitted from the plurality of halogen lamps HL toward the heat treatment space 65.
  • the control unit 3 controls the above-mentioned various operating mechanisms provided in the heat treatment apparatus 1.
  • the configuration of the control unit 3 as hardware is the same as that of a general computer. That is, the control unit 3 stores a CPU, which is a circuit that performs various arithmetic processes, a ROM, which is a read-only memory for storing basic programs, a RAM, which is a read / write memory for storing various information, and control software and data. It has a magnetic disk to store.
  • the processing in the heat treatment apparatus 1 proceeds when the CPU of the control unit 3 executes a predetermined processing program.
  • the heat treatment apparatus 1 prevents an excessive temperature rise of the halogen heating unit 4, the flash heating unit 5, and the chamber 6 due to the heat energy generated from the halogen lamp HL and the flash lamp FL during the heat treatment of the semiconductor wafer W. Therefore, it has various cooling structures.
  • a water cooling pipe (not shown) is provided on the wall of the chamber 6.
  • the halogen heating unit 4 and the flash heating unit 5 have an air-cooled structure in which a gas flow is formed inside to exhaust heat.
  • air is also supplied to the gap between the upper chamber window 63 and the lamp light radiating window 53 to cool the flash heating unit 5 and the upper chamber window 63.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the procedure of the heat treatment method according to the present invention.
  • the semiconductor substrate to be processed in this embodiment is a silicon (Si) semiconductor wafer W. On the surface of the semiconductor wafer W, at least a part of the silicon of the base material is exposed. Prior to the heat treatment method according to the present invention, the surface of the semiconductor wafer W may be cleaned with hydrofluoric acid or the like to remove the natural oxide film formed on the exposed portion of silicon.
  • the processing procedure in the heat treatment apparatus 1 described below proceeds by the control unit 3 controlling each operation mechanism of the heat treatment apparatus 1.
  • the silicon semiconductor wafer W is carried into the chamber 6 of the heat treatment apparatus 1 (step S1). Specifically, the gate valve 185 is opened to open the transfer opening 66, and the semiconductor wafer W is carried into the heat treatment space 65 in the chamber 6 through the transfer opening 66 by a transfer robot outside the apparatus. At this time, the valve 84 is opened to supply nitrogen gas into the chamber 6 and the nitrogen gas is discharged from the transport opening 66 so as to minimize the entrainment of the external atmosphere due to the loading of the semiconductor wafer W. You may.
  • the semiconductor wafer W carried in by the transfer robot advances to a position directly above the holding portion 7 and stops. Then, the pair of transfer arms 11 of the transfer mechanism 10 move horizontally from the retracted position to the transfer operation position and rise, so that the lift pin 12 protrudes from the upper surface of the holding plate 75 of the susceptor 74 through the through hole 79. Receives the semiconductor wafer W. At this time, the lift pin 12 rises above the upper end of the substrate support pin 77.
  • the transfer robot exits the heat treatment space 65, and the transfer opening 66 is closed by the gate valve 185. Then, when the pair of transfer arms 11 are lowered, the semiconductor wafer W is transferred from the transfer mechanism 10 to the susceptor 74 of the holding portion 7 and held in a horizontal posture from below.
  • the semiconductor wafer W is supported by a plurality of substrate support pins 77 erected on the holding plate 75 and held by the susceptor 74. Further, the semiconductor wafer W is held by the holding portion 7 with the surface on which the silicon is exposed as the upper surface.
  • a predetermined distance is formed between the back surface (main surface opposite to the front surface) of the semiconductor wafer W supported by the plurality of substrate support pins 77 and the holding surface 75a of the holding plate 75.
  • the pair of transfer arms 11 lowered to the lower side of the susceptor 74 are retracted to the retracted position, that is, inside the recess 62 by the horizontal movement mechanism 13.
  • FIG. 9 is a diagram showing changes in the surface temperature of the semiconductor wafer W.
  • FIG. 10 is a timing chart showing the processing gas supply to the chamber 6.
  • FIG. 11 is a diagram showing a pressure change in the chamber 6.
  • the nitrogen supplied from the upper part of the heat treatment space 65 in the chamber 6 flows downward and is exhausted from the lower part of the heat treatment space 65, and a nitrogen atmosphere is formed in the chamber 6. Further, when the valve 192 is opened, the gas in the chamber 6 is also exhausted from the transport opening 66. Further, the atmosphere around the drive unit of the transfer mechanism 10 is also exhausted by the exhaust mechanism (not shown).
  • the 40 halogen lamps HL of the halogen heating unit 4 are turned on all at once at time t1, and the first preheating of the semiconductor wafer W is started.
  • the halogen light emitted from the halogen lamp HL passes through the lower chamber window 64 and the susceptor 74 made of quartz and is irradiated from the back surface of the semiconductor wafer W.
  • the semiconductor wafer W is heated and the temperature rises. Since the transfer arm 11 of the transfer mechanism 10 is retracted inside the recess 62, it does not interfere with heating by the halogen lamp HL.
  • the temperature of the semiconductor wafer W is measured by the lower radiation thermometer 20. That is, the lower radiation thermometer 20 receives infrared light radiated from the lower surface of the semiconductor wafer W held by the susceptor 74 through the opening 78 through the transparent window 21 and measures the wafer temperature during temperature rise.
  • the measured temperature of the semiconductor wafer W is transmitted to the control unit 3.
  • the control unit 3 controls the output of the halogen lamp HL while monitoring whether or not the temperature of the semiconductor wafer W, which is raised by light irradiation from the halogen lamp HL, has reached a predetermined oxygen supply temperature T1. That is, the control unit 3 feedback-controls the output of the halogen lamp HL so that the temperature of the semiconductor wafer W becomes the oxygen supply temperature T1 based on the measured value by the lower radiation thermometer 20.
  • oxygen is introduced into the chamber 6 (step S3). .. Specifically, at the time t2 when the temperature of the semiconductor wafer W reaches the oxygen supply temperature T1, the supply of nitrogen into the chamber 6 is stopped and the supply of oxygen is started (FIG. 10).
  • an atmosphere containing oxygen that is, an oxidizing atmosphere is formed in the chamber 6.
  • the inside of the chamber 6 is switched from the inert gas atmosphere to the oxidizing atmosphere by triggering that the temperature of the semiconductor wafer W reaches the oxygen supply temperature T1. Even after the temperature of the semiconductor wafer W reaches the oxygen supply temperature T1, the temperature of the semiconductor wafer W is continuously raised by light irradiation from the halogen lamp HL.
  • the control unit 3 temporarily maintains the temperature of the semiconductor wafer W at the first preheating temperature T2. Specifically, the control unit 3 adjusts the output of the halogen lamp HL at the time t3 when the temperature of the semiconductor wafer W measured by the lower radiation thermometer 20 reaches the first preheating temperature T2, and the temperature of the semiconductor wafer W. Is maintained at approximately the first preheating temperature T2.
  • the exposed portion of silicon on the surface of the semiconductor wafer W is thermally oxidized, and the exposed portion is covered with a silicon oxide film ( (Thin film of SiO 2) grows.
  • the first preheating temperature T2 in the first preheating is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. If the first preheating temperature T2 is less than 700 ° C., the surface temperature of the semiconductor wafer W does not reach a desired temperature during subsequent flash light irradiation. On the other hand, when the first preheating temperature T2 exceeds 1000 ° C., the silicon oxide film grows excessively and its film thickness becomes thick. Therefore, the first preheating temperature T2 is set to 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
  • Step S4 when a predetermined time elapses after the temperature of the semiconductor wafer W reaches the first preheating temperature T2, the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with the first flash light from the flash lamp FL of the flash heating unit 5 ( Step S4). At this time, a part of the flash light radiated from the flash lamp FL goes directly into the chamber 6, and the other part is once reflected by the reflector 52 and then goes into the chamber 6, and these flash lights The semiconductor wafer W is flash-heated by irradiation.
  • the flash light emitted from the flash lamp FL is an extremely short and strong flash with an irradiation time of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, in which the electrostatic energy stored in the capacitor in advance is converted into an extremely short optical pulse.
  • the flash time of the flashlamp FL is defined between 1 millisecond and 100 milliseconds by the IGBT connected to the light emitting circuit.
  • the irradiation time of the flash light is 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less
  • the time for flash heating the surface of the semiconductor wafer W is 1 second or less.
  • the peak temperature of the surface of the semiconductor wafer W at this time is 1200 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower, which is higher than the first preheating temperature T2.
  • the oxygen concentration in the chamber 6 when the first flash light irradiation is performed can be an appropriate value, and may be 100%.
  • the first flash light irradiation is performed in an oxidizing atmosphere containing oxygen.
  • a silicon oxide film grows on the surface of the semiconductor wafer W by irradiating the semiconductor wafer W with flash light in an oxidizing atmosphere containing oxygen and flash-heating the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less.
  • the film thickness of the silicon oxide film grown by the first preheating and the first flash light irradiation is 20 angstroms (2 nm) or less. Since the surface of the semiconductor wafer W reaches a high temperature of 1200 ° C. or higher during the first flash light irradiation, the consistency of the interface between the formed silicon oxide film and the silicon of the base layer is good, and the interface state is high. few.
  • a dense silicon oxide film is formed by heating to a high temperature of 1200 ° C. or higher. That is, a high-quality silicon oxide film having a small interface state and a high density is formed by flash light irradiation.
  • the pressure in the chamber 6 is approximately atmospheric pressure (about) until the time t4 when the first flash light irradiation is completed (since the flash light irradiation time is extremely short, the flash light irradiation is completed almost at the same time when the flash light irradiation is executed). It is maintained at 100 kPa) (FIG. 11).
  • the halogen lamp HL turns off almost at the same time as the first flash light irradiation is completed at time t4.
  • the temperature of the semiconductor wafer W is also lowered from the first preheating temperature T2.
  • the bulb 84 is closed and the supply of the processing gas to the chamber 6 is stopped. Even after the supply of the processing gas to the chamber 6 is stopped, the exhaust from the chamber 6 is continuously performed. By exhausting the atmosphere inside the chamber 6 without supplying gas to the chamber 6, the inside of the chamber 6 is depressurized to less than the atmospheric pressure (step S5).
  • the inside of the chamber 6 is depressurized in parallel with the temperature of the semiconductor wafer W decreasing.
  • oxygen forming an oxidizing atmosphere is discharged from the chamber 6.
  • the pressure inside the chamber 6 may be reduced, and nitrogen may be supplied into the chamber 6 to increase the replacement efficiency of the processing gas.
  • the supplied nitrogen also acts as a cooling gas, and can increase the temperature lowering rate of the semiconductor wafer W.
  • Ammonia is introduced into the chamber 6 at time t5 when the pressure gauge 95 detects that the pressure inside the chamber 6 has been reduced to 0.1 kPa (step S6). That is, the valve 84 is opened again at the time t5 when oxygen is almost completely discharged from the chamber 6, and the supply of ammonia into the chamber 6 is started.
  • the pressure in the chamber 6 rises, and a nitriding atmosphere containing ammonia is formed in the chamber 6. Even after the supply of ammonia into the chamber 6 is started, the atmosphere in the chamber 6 is continuously exhausted.
  • step S7 the halogen lamp HL is turned on again and the second preheating of the semiconductor wafer W is started (step S7).
  • the temperature of the semiconductor wafer W is raised again by being irradiated with light from the halogen lamp HL.
  • Step S6 and step S7 in FIG. 8 are steps performed in parallel.
  • the chamber 6 contained ammonia.
  • the supply flow rate of the processing gas and the exhaust flow rate from the chamber 6 are made equal to each other, and the pressure in the chamber 6 is maintained at 10 kPa. That is, the inside of the chamber 6 is maintained in a reduced pressure atmosphere of less than atmospheric pressure.
  • the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with the second flash light from the flash lamp FL (step S8).
  • the irradiation time of the flash light in the second flash light irradiation is also adjusted in the range of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less.
  • the second preheating temperature T3 in the second preheating is 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
  • the second preheating temperature T3 is lower than the first preheating temperature T2. If the second preheating temperature T3 is too high, nitrogen supplied from ammonia may pass through the silicon oxide film and react with the silicon substrate to form silicon nitride (SiN). Since T3 is lower than the first preheating temperature T2, it is suppressed that nitrogen passes through the silicon oxide film and reaches the interface with the silicon substrate.
  • the flash light irradiation time is 1 millisecond or more and 100 millisecond or less, so that the flash heating time of the surface of the semiconductor wafer W is 1 second or less.
  • the second flash light irradiation is performed in a nitriding atmosphere containing ammonia.
  • the silicon oxide film formed on the surface of the semiconductor wafer W is nitrided by irradiating the semiconductor wafer W with flash light in a nitrided atmosphere containing ammonia and flash-heating the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less.
  • Silicon oxynitride (SiON) is formed.
  • the second flash light irradiation is performed in a decompressed atmosphere below atmospheric pressure. Thereby, the film quality of the formed silicon oxynitride can be improved.
  • the second flash light irradiation is executed immediately after the temperature of the semiconductor wafer W reaches the second preheating temperature T3 by the second preheating. That is, the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light at the same time when the semiconductor wafer W whose temperature is raised by the second preheating reaches the second preheating temperature T3. Therefore, the semiconductor wafer W is maintained at the second preheating temperature T3 for almost no time, and the nitrogen supplied from ammonia passes through the silicon oxide film and reaches the interface with the silicon base material to reach the interface with the silicon. The reaction is prevented. In addition, excessive growth of the silicon oxide film is also suppressed.
  • the silicon oxide film hardly grew in the second preheating and the second flash light irradiation performed in the atmosphere where oxygen was discharged, and the film thickness of silicon oxynitride after the completion of the second flash light irradiation was 20. It is below the angstrom.
  • the halogen lamp HL turns off almost at the same time as the second flash light irradiation is completed at time t7.
  • the temperature of the semiconductor wafer W is also lowered from the second preheating temperature T3.
  • the bulb 84 is closed and the supply of the processing gas to the chamber 6 is stopped. Even after the supply of the processing gas to the chamber 6 is stopped, the exhaust from the chamber 6 is continuously performed. By exhausting the atmosphere inside the chamber 6 without supplying gas to the chamber 6, the inside of the chamber 6 is depressurized again and ammonia is discharged.
  • step S9 At time t8 when the inside of the chamber 6 was decompressed to 0.1 kPa, the valve 84 was opened again and the supply of nitrogen into the chamber 6 was started. By supplying nitrogen into the chamber 6, the pressure in the chamber 6 rises and returns to the atmospheric pressure, and the inside of the chamber 6 is replaced with a nitrogen atmosphere (step S9).
  • the heat-treated semiconductor wafer W is carried out from the chamber 6 (step S10). Specifically, the pair of transfer arms 11 of the transfer mechanism 10 horizontally move from the retracted position to the transfer operation position again and rise, so that the lift pin 12 protrudes from the upper surface of the susceptor 74 and the semiconductor wafer after heat treatment. W is received from the susceptor 74. Subsequently, the transfer opening 66 closed by the gate valve 185 is opened, the semiconductor wafer W mounted on the lift pin 12 is carried out by a transfer robot outside the apparatus, and the semiconductor wafer W is heat-treated in the heat treatment apparatus 1. Is completed.
  • the temperature of the semiconductor wafer W is raised to the first preheating temperature T2 by irradiating light from the halogen lamp HL, and the semiconductor wafer W is irradiated with flash light in an oxygen-containing oxidizing atmosphere.
  • a silicon oxide film is formed on the surface of the semiconductor wafer W.
  • the temperature of the semiconductor wafer W is raised again to the second preheating temperature T3 by irradiating light from the halogen lamp HL, and the semiconductor wafer W is in a nitrided atmosphere containing ammonia.
  • the silicon oxide film on the surface of the semiconductor wafer W is nitrided by irradiating with flash light.
  • a silicon oxide film is formed by heating the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less by irradiation with flash light having an extremely short irradiation time, and since the silicon oxide film is nitrided, the quality is good and the film thickness is 20 angstroms or less.
  • a thin silicon oxynitride film can be formed.
  • the irradiation time of the second flash light irradiation is also 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, and the peak temperature of the surface of the semiconductor wafer W at the time of irradiation is 1200 ° C. or less, so that nitrogen passes through the silicon oxide film. It is suppressed that the silicon reaches the interface with the base material.
  • an atmosphere of a mixed gas of oxygen and ammonia may be formed in the chamber 6, and the semiconductor wafer W may be flash-heated in the atmosphere of the mixed gas.
  • the silicon oxide film is first formed in an oxidizing atmosphere containing oxygen, and then the silicon oxide film is nitrided in a nitriding atmosphere containing ammonia.
  • the depressurization in the chamber 6 is started almost at the same time as the first flash light irradiation is completed, and the pressure in the chamber 6 is reduced to 0.1 kPa to discharge oxygen. Then, since the ammonia is supplied after the oxygen is almost completely discharged from the chamber 6, the explosion of the ammonia can be prevented more reliably.
  • the semiconductor wafer W is once exposed to the atmospheric atmosphere, and impurities may be mixed. Further, if the oxidation treatment and the nitriding treatment are performed by different devices, it is necessary to replace the atmosphere in each treatment, and the treatment time as a whole becomes long.
  • the oxidation treatment and the nitriding treatment are continuously performed in one common chamber 6, it is possible to prevent impurities from being mixed due to the exposure of the semiconductor wafer W to the atmospheric atmosphere. , A good quality silicon oxynitride film can be formed. Further, since oxygen is discharged immediately after the first flash light irradiation and ammonia is supplied immediately, the overall processing time for forming the silicon oxynitride film can be shortened and the throughput can be improved.
  • oxygen is supplied after almost completely discharging oxygen from the chamber 6, but if there is no concern about the explosion of ammonia, oxygen remains in the chamber 6.
  • Ammonia may be supplied. Specifically, if the oxygen concentration in the chamber 6 is 3% or less and the oxygen is discharged to the explosion limit or less, there is no concern about explosion even if ammonia is supplied, so that oxygen remains in the chamber 6. Ammonia is supplied in the state of being. In this case, the second flash light irradiation is performed in the mixed gas of oxygen and ammonia remaining in the chamber 6. In this way, the oxygen discharge time can be shortened and the processing time as a whole can be shortened.
  • the oxidizing atmosphere is formed by oxygen, but the oxidizing atmosphere may be formed by ozone or a mixed gas of oxygen and ozone.
  • the temperature of the semiconductor wafer W reaches the second preheating temperature T3 by the second preheating, the temperature of the semiconductor wafer W is maintained at the second preheating temperature T3 for a predetermined time, and then the second flash light irradiation is performed. You may try to do.
  • the oxidation treatment and the nitriding treatment are performed in one chamber 6, but the present invention is not limited to this, and the oxidation treatment and the nitriding treatment are performed in different chambers. You can do it. However, as described above, it is possible to prevent the mixing of impurities and form a high-quality silicon oxynitride film by performing the oxidation treatment and the nitriding treatment in one chamber 6, and the treatment time as a whole is shortened. can do.
  • the surface of the semiconductor wafer W is heated for 1 second or less by irradiating the flash light with a short irradiation time from the flash lamp FL, but the semiconductor is irradiated with laser light instead of the flash light.
  • the wafer W may be heated. Since the irradiation time of the laser beam is also extremely short, the heating time of the surface of the semiconductor wafer W can be set to 1 second or less. That is, any heat source that heats the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less may be used.
  • the flash heating unit 5 is provided with 30 flash lamp FLs, but the present invention is not limited to this, and the number of flash lamp FLs can be any number. .. Further, the flash lamp FL is not limited to the xenon flash lamp, and may be a krypton flash lamp. Further, the number of halogen lamps HL provided in the halogen heating unit 4 is not limited to 40, and can be any number.
  • the semiconductor wafer W is preheated by using a filament type halogen lamp HL as a continuous lighting lamp that continuously emits light for 1 second or longer, but the present invention is not limited to this.
  • a discharge type arc lamp for example, a xenon arc lamp
  • a continuous lighting lamp to perform preheating.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

ハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーの温度を第１予備加熱温度に昇温し、その半導体ウェハーに酸素を含む酸化雰囲気中にてフラッシュ光を照射して半導体ウェハーの表面にシリコン酸化膜を形成する。続いて、半導体ウェハーを一旦降温させた後、ハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーの温度を第２予備加熱温度に再度昇温し、その半導体ウェハーにアンモニアを含む窒化雰囲気中にてフラッシュ光を照射して半導体ウェハーの表面のシリコン酸化膜を窒化する。極めて照射時間の短いフラッシュ光の照射によって半導体ウェハーの表面を１秒以下加熱することによりシリコン酸化膜を形成するとともに、そのシリコン酸化膜を窒化するため、良質で薄い酸窒化シリコン膜を形成することができる。

Description

熱処理方法
　本発明は、シリコンの半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に光を照射することによって該基板を加熱して酸窒化膜を形成する熱処理方法に関する。
　従来より、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート絶縁膜としてはシリコン（Ｓｉ）を酸化した二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の薄膜が広く使用されてきたが、近年は二酸化ケイ素よりも誘電率の高い材料を用いた高誘電率膜（High-k膜）に置き換えられつつある。高誘電率膜は、ゲート絶縁膜の薄膜化の進展にともなってリーク電流が増大する問題を解決するために、ゲート電極に金属を用いたメタルゲート電極とともに新たなスタック構造として開発が進められているものである。
　ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いる場合であっても、シリコンの基層と高誘電率膜との間に界面層膜（下地膜）として二酸化ケイ素の薄膜が形成される（例えば、特許文献１）。これは、シリコンの基層上に直接高誘電率膜を成膜すると、界面の欠陥が多くなってリーク電流が増大するためである。シリコンの基層と高誘電率膜との間に二酸化ケイ素の薄膜を形成することにより、界面の整合性が向上してリーク電流が減少する。
特開２０１７－０４５９８２号公報
　シリコンの基層と高誘電率膜との間に界面層膜としては、二酸化ケイ素よりもさらに比誘電率の高い酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を成膜した方がトータルとしての容量を大きくすることができるため有利である。また、界面層膜として酸窒化シリコンを使用することにより、絶縁膜のリーク電流特性を向上させるとともに界面準位を低減することもできる。
　しかしながら、良質で非常に薄い酸窒化シリコンの薄膜を成膜することは困難であった。例えば、スパッタリングによって酸窒化シリコンを成膜した場合には、膜質の低下が避けられない。また、雰囲気炉によって酸窒化シリコンを成膜すると、良質な膜を形成できるものの膜厚が２ｎｍ以下の非常に薄い膜を成膜することはできなかった。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、良質で薄い酸窒化シリコン膜を形成することができる熱処理方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、この発明の第１の態様は、シリコンの基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸窒化膜を形成する熱処理方法において、前記基板を第１予備加熱温度に昇温する第１予備加熱工程と、前記第１予備加熱温度に昇温されている前記基板に酸化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱して当該表面に酸化膜を形成する第１ミリ秒アニール工程と、前記基板を降温させる降温工程と、前記基板を第２予備加熱温度に昇温する第２予備加熱工程と、前記第２予備加熱温度に昇温されている前記基板に窒化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱して前記酸化膜を窒化する第２ミリ秒アニール工程と、を備える。
　また、第２の態様は、第１の態様に係る熱処理方法において、前記第２予備加熱温度は前記第１予備加熱温度よりも低い。
　また、第３の態様は、第２の態様に係る熱処理方法において、前記第１予備加熱温度は７００℃以上１０００℃以下であり、前記第２予備加熱温度は５００℃以上８００℃以下である。
　また、第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様に係る熱処理方法において、前記第２ミリ秒アニール工程は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われる。
　また、第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様に係る熱処理方法において、前記第２予備加熱工程にて前記基板が前記第２予備加熱温度に到達した後、直ちに前記基板に光を照射して前記第２ミリ秒アニール工程を実行する。
　また、第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様に係る熱処理方法において、前記第１ミリ秒アニール工程および前記第２ミリ秒アニール工程は同一のチャンバーにて行われ、前記第１ミリ秒アニール工程は酸素を含む酸化雰囲気中にて行われ、前記第２ミリ秒アニール工程はアンモニアを含む窒化雰囲気中にて行われ、前記降温工程では、前記チャンバー内を減圧して酸素を排出する。
　また、第７の態様は、第６の態様に係る熱処理方法において、前記第２ミリ秒アニール工程は、前記チャンバー内に残留する酸素とアンモニアとの混合ガス中にて行われる。
　また、第８の態様は、第７の態様に係る熱処理方法において、前記チャンバー内の酸素濃度が爆発限界以下のときに前記チャンバー内にアンモニアを供給する。
　また、第９の態様は、第６の態様に係る熱処理方法において、前記第１予備加熱工程にて前記基板が所定の温度に到達したときに前記チャンバーに酸素の供給を開始する。
　また、第１０の態様は、第１から第９のいずれかの態様に係る熱処理方法において、前記第１予備加熱工程および前記第２予備加熱工程では前記基板に連続点灯ランプから光を照射して前記基板を昇温し、前記第１ミリ秒アニール工程および前記第２ミリ秒アニール工程では前記基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する。
　第１から第１０の態様に係る熱処理方法によれば、酸化雰囲気中にて基板の表面を１秒以下加熱して当該表面に酸化膜を形成するとともに、窒化雰囲気中にて基板の表面を１秒以下加熱して酸化膜を窒化するため、基板の表面を１秒以下加熱することによりシリコン酸化膜を形成するとともに、そのシリコン酸化膜を窒化することとなり、良質で薄い酸窒化シリコン膜を形成することができる。
　特に、第４の態様に係る熱処理方法によれば、第２ミリ秒アニール工程は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われるため、酸窒化シリコンの膜質を向上させることができる。
　特に、第５の態様に係る熱処理方法によれば、第２予備加熱工程にて基板が第２予備加熱温度に到達した後、直ちに基板に光を照射して第２ミリ秒アニール工程を実行するため、窒素がシリコン酸化膜を通り抜けてシリコンの基材との界面にまで到達してシリコンと反応することが防止される。
　特に、第６の態様に係る熱処理方法によれば、アンモニアを含む窒化雰囲気を形成する前にチャンバー内を減圧して酸素を排出するため、アンモニアの爆発を防止することができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 本発明に係る熱処理方法の手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 チャンバーに対する処理ガス供給を示すタイミングチャートである。 チャンバー内における圧力変化を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　まず、本発明に係る熱処理装置について説明する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによってその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
　熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
　チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。
　また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。
　チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。
　また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
　さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａおよび貫通孔６１ｂが穿設されている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を上部放射温度計２５に導くための円筒状の孔である。一方、貫通孔６１ｂは、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を下部放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａおよび貫通孔６１ｂは、それらの貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、上部放射温度計２５が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化カルシウム材料からなる透明窓２６が装着されている。上部放射温度計２５は、半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を透明窓２６を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの上面の温度を測定する。また、貫通孔６１ｂの熱処理空間６５に臨む側の端部には、下部放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。下部放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を透明窓２１を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの下面の温度を測定する。
　また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガスを供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は処理ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。処理ガス供給源８５は処理ガスとして、例えば窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス、または、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスをチャンバー６内に供給することができる。
　一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。
　また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出するガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。
　排気部１９０は、真空ポンプを備える。排気部１９０を作動させつつ、バルブ８９，１９２を開放することによって、チャンバー６内の雰囲気がガス排気管８８，１９１から排気部１９０へと排出される。ガス供給孔８１から何らのガス供給を行うことなく、排気部１９０によって密閉空間である熱処理空間６５の雰囲気を排気すると、チャンバー６内を大気圧未満の気圧に減圧することができる。すなわち、排気部１９０は、チャンバー６内を減圧する減圧部としても機能するものである。
　図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
　基台リング７１は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。基台リング７１の上面に、その円環形状の周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。
　サセプタ７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。
　保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
　保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ～φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
　図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されている。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
　チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
　また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
　また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、下部放射温度計２０が半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。すなわち、下部放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ｂに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
　図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。
　また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプタ７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。
　図１に戻り、チャンバー６には、下部放射温度計２０および上部放射温度計２５の２つの放射温度計（本実施形態ではパイロメーター）が設けられている。下部放射温度計２０は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方に設けられている。下部放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から当該下面の温度を測定する。一方、上部放射温度計２５は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの斜め上方に設けられている。上部放射温度計２５は、半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から当該上面の温度を測定する。上部放射温度計２５は、フラッシュ光が照射された瞬間の半導体ウェハーＷの上面の急激な温度変化に対応できるように、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）の光学素子を備えている。また、チャンバー６には圧力計９５が設けられている。圧力計９５は、チャンバー６内における気圧を測定する。
　チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。
　複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。
　キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された円筒形状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。
　フラッシュランプＦＬの発光回路には図示省略のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が組み込まれている。そのＩＧＢＴのゲートに印加するパルスの波形を調整することによって、フラッシュランプＦＬの発光時間を１ミリセカンドから１００ミリセカンドの間で規定することができる。
　また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。
　チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する。
　図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。
　また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
　また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。
　ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。
　また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。
　制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。
　上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
　次に、本発明に係る熱処理方法について説明する。図８は、本発明に係る熱処理方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態において処理対象となる半導体基板はシリコン（Ｓｉ）の半導体ウェハーＷである。半導体ウェハーＷの表面において、少なくとも一部は基材のシリコンが露出している。なお、本発明に係る熱処理方法に先立って、半導体ウェハーＷの表面にフッ酸等による洗浄処理を行ってシリコンの露出部位に形成されている自然酸化膜を除去しておくようにしても良い。以下に説明する熱処理装置１における処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。
　まず、シリコンの半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６内に搬入される（ステップＳ１）。具体的には、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。このときに、バルブ８４を開放してチャンバー６内に窒素ガスを供給し、搬送開口部６６から窒素ガスを流出させて半導体ウェハーＷの搬入にともなう外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制するようにしても良い。
　搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプタ７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
　半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプタ７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、シリコンが露出している表面を上面として保持部７に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。
　半導体ウェハーＷが保持部７に保持され、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖されて熱処理空間６５が密閉空間とされた後、第１予備加熱が開始される（ステップＳ２）。図９は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。図１０は、チャンバー６に対する処理ガス供給を示すタイミングチャートである。また、図１１は、チャンバー６内における圧力変化を示す図である。半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入された時点では、チャンバー６内に不活性ガスである窒素が供給されている。すなわち、バルブ８４が開放されて処理ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素が供給される。また、バルブ８９が開放されてガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素が下方へと流れて熱処理空間６５の下部から排気され、チャンバー６内には窒素雰囲気が形成される。また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。
　チャンバー６内が窒素雰囲気とされた後、時刻ｔ１にハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して半導体ウェハーＷの第１予備加熱が開始される。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプタ７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。
　ハロゲンランプＨＬによる加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が下部放射温度計２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を透明窓２１を通して下部放射温度計２０が受光して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の酸素供給温度Ｔ１に到達したか否かを監視しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、下部放射温度計２０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が酸素供給温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。
　第１予備加熱にて半導体ウェハーＷが昇温している途中で半導体ウェハーＷの温度が酸素供給温度Ｔ１に到達したことが検知されると、チャンバー６内に酸素が導入される（ステップＳ３）。具体的には、半導体ウェハーＷの温度が酸素供給温度Ｔ１に到達した時刻ｔ２にチャンバー６内への窒素の供給が停止されるとともに、酸素の供給が開始される（図１０）。チャンバー６内に酸素が供給されることによって、チャンバー６内には酸素を含む雰囲気、すなわち酸化雰囲気が形成される。本実施形態では、半導体ウェハーＷの温度が酸素供給温度Ｔ１に到達したことをトリガーとして、チャンバー６内が不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えられるのである。半導体ウェハーＷの温度が酸素供給温度Ｔ１に到達した後も半導体ウェハーＷはハロゲンランプＨＬからの光照射によって継続して昇温される。
　次に、半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度Ｔ２に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷの温度をその第１予備加熱温度Ｔ２に暫時維持する。具体的には、下部放射温度計２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度Ｔ２に到達した時刻ｔ３に制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ第１予備加熱温度Ｔ２に維持している。酸素を含む酸化雰囲気中にて半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度Ｔ２に維持されることにより、半導体ウェハーＷの表面におけるシリコンの露出部位が熱酸化されて当該露出部位にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２の薄膜）が成長する。
　第１予備加熱における第１予備加熱温度Ｔ２は７００℃以上１０００℃以下である。第１予備加熱温度Ｔ２が７００℃未満であると、続くフラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの表面温度が所望の温度に到達しない。一方、第１予備加熱温度Ｔ２が１０００℃を超えると、シリコン酸化膜が過度に成長してその膜厚が厚くなる。このため、第１予備加熱温度Ｔ２は７００℃以上１０００℃以下としている。
　半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度Ｔ２に到達してから所定時間が経過した時刻ｔ４に、フラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面に第１のフラッシュ光照射を行う（ステップＳ４）。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。
　フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の極めて短く強い閃光である。フラッシュランプＦＬの発光時間は発光回路に接続されたＩＧＢＴによって１ミリセカンドから１００ミリセカンドの間で規定される。半導体ウェハーＷの表面に照射時間が１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下のフラッシュ光が照射されることによって、当該表面が瞬間的にピーク温度にまで昇温した後、急速に降温する。フラッシュ光の照射時間は１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であるため、半導体ウェハーＷの表面がフラッシュ加熱される時間は１秒以下である。このときの半導体ウェハーＷの表面のピーク温度は１２００℃以上１３００℃以下であり、第１予備加熱温度Ｔ２よりも高温である。また、第１のフラッシュ光照射を行うときのチャンバー６内の酸素濃度は適宜の値とすることができ、１００％であっても良い。
　第１のフラッシュ光照射は酸素を含む酸化雰囲気中にて実行される。酸素を含む酸化雰囲気中にて半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射されて半導体ウェハーＷの表面が１秒以下フラッシュ加熱されることにより、半導体ウェハーＷの表面にてシリコン酸化膜が成長する。第１予備加熱および第１のフラッシュ光照射によって成長するシリコン酸化膜の膜厚は２０オングストローム（２ｎｍ）以下である。第１のフラッシュ光照射時には半導体ウェハーＷの表面が１２００℃以上の高温に到達するため、形成されたシリコン酸化膜と基層のシリコンとの間の界面の整合性は良好であり、界面準位は少ない。また、１２００℃以上の高温に加熱されることによって緻密なシリコン酸化膜が形成される。すなわち、フラッシュ光照射によって界面準位が少なくかつ高密度の良質なシリコン酸化膜が形成されるのである。なお、第１のフラッシュ光照射が完了する時刻ｔ４（フラッシュ光の照射時間は極めて短いため、フラッシュ光照射は実行されるとほぼ同時に完了する）まではチャンバー６内の圧力がほぼ大気圧（約１００ｋＰａ）に維持されている（図１１）。
　時刻ｔ４に第１のフラッシュ光照射が完了するのとほぼ同時にハロゲンランプＨＬが消灯する。ハロゲンランプＨＬが消灯することにより、半導体ウェハーＷの温度は第１予備加熱温度Ｔ２からも降温する。また、第１のフラッシュ光照射が完了する時刻ｔ４には、バルブ８４が閉止されてチャンバー６への処理ガスの供給が停止される。チャンバー６への処理ガスの供給が停止された後もチャンバー６からの排気は継続して行われる。チャンバー６にガス供給を行うことなくチャンバー６内の雰囲気を排気することにより、チャンバー６内が大気圧未満に減圧される（ステップＳ５）。すなわち、時刻ｔ４から時刻５までは、半導体ウェハーＷの温度が降温するのと並行してチャンバー６内が減圧されるのである。チャンバー６内が減圧されることにより、チャンバー６から酸化雰囲気を形成していた酸素が排出される。このときに、チャンバー６内を減圧するとともに、チャンバー６内に窒素を供給して処理ガスの置換効率を高めるようにしても良い。供給された窒素は冷却ガスとしても作用し、半導体ウェハーＷの降温速度を高めることもできる。
　チャンバー６内が０．１ｋＰａにまで減圧されたことが圧力計９５によって検知された時刻ｔ５にチャンバー６内にアンモニアが導入される（ステップＳ６）。すなわち、チャンバー６内から酸素がほぼ完全に排出された時刻ｔ５に再びバルブ８４が開放されてチャンバー６内へのアンモニアの供給が開始される。チャンバー６内にアンモニアが供給されることによって、チャンバー６内の圧力が上昇するとともに、チャンバー６内にアンモニアを含む窒化雰囲気が形成される。なお、チャンバー６内へのアンモニアの供給が開始された後も、チャンバー６内の雰囲気は継続して排気されている。
　また、時刻ｔ５には再びハロゲンランプＨＬが点灯して半導体ウェハーＷの第２予備加熱が開始される（ステップＳ７）。半導体ウェハーＷはハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって再度昇温する。図８のステップＳ６とステップＳ７とは並行して行われる工程である。
　第２予備加熱にて半導体ウェハーＷが昇温している途中でチャンバー６内の圧力が１０ｋＰａにまで復圧したことが圧力計９５によって検知された時刻ｔ６に、チャンバー６内へのアンモニアを含む処理ガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とが等しくされてチャンバー６内の圧力が１０ｋＰａに維持される。すなわち、チャンバー６内は大気圧未満の減圧雰囲気に維持されることとなる。
　次に、半導体ウェハーＷの温度が第２予備加熱温度Ｔ３に到達した時刻ｔ７に、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面に第２のフラッシュ光照射を行う（ステップＳ８）。第２のフラッシュ光照射におけるフラッシュ光の照射時間も１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の範囲で調整されている。
　第２予備加熱における第２予備加熱温度Ｔ３は５００℃以上８００℃以下である。第２予備加熱温度Ｔ３は第１予備加熱温度Ｔ２よりも低い。第２予備加熱温度Ｔ３が高すぎると、アンモニアから供給された窒素がシリコン酸化膜を通り抜けてシリコンの基材と反応して窒化シリコン（ＳｉＮ）を形成するおそれがあるところ、第２予備加熱温度Ｔ３が第１予備加熱温度Ｔ２よりも低いため、窒素がシリコン酸化膜を通り抜けてシリコンの基材との界面にまで到達することは抑制される。
　第２のフラッシュ光照射においても、フラッシュ光の照射時間は１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であるため、半導体ウェハーＷの表面がフラッシュ加熱される時間は１秒以下である。半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射されることによって、当該表面が瞬間的にピーク温度にまで昇温した後、急速に降温する。このときの半導体ウェハーＷの表面のピーク温度は１２００℃以下である。
　第２のフラッシュ光照射はアンモニアを含む窒化雰囲気中にて実行される。アンモニアを含む窒化雰囲気中にて半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射されて半導体ウェハーＷの表面が１秒以下フラッシュ加熱されることにより、半導体ウェハーＷの表面に形成されていたシリコン酸化膜が窒化されて酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）が形成される。
　また、第２のフラッシュ光照射は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われる。これにより、形成される酸窒化シリコンの膜質を向上させることができる。
　さらに、第２のフラッシュ光照射は、第２予備加熱にて半導体ウェハーＷの温度が第２予備加熱温度Ｔ３に到達した後直ちに実行される。すなわち、第２予備加熱にて昇温される半導体ウェハーＷが第２予備加熱温度Ｔ３に到達するのと同時に半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射される。このため、半導体ウェハーＷが第２予備加熱温度Ｔ３に維持されている時間はほとんど無く、アンモニアから供給された窒素がシリコン酸化膜を通り抜けてシリコンの基材との界面にまで到達してシリコンと反応することが防止される。また、シリコン酸化膜が過度に成長することも抑制される。なお、酸素が排出された雰囲気中で行われる第２予備加熱および第２のフラッシュ光照射ではシリコン酸化膜はほとんど成長せず、第２のフラッシュ光照射完了後の酸窒化シリコンの膜厚は２０オングストローム以下である。
　時刻ｔ７に第２のフラッシュ光照射が完了するのとほぼ同時にハロゲンランプＨＬが消灯する。ハロゲンランプＨＬが消灯することにより、半導体ウェハーＷの温度は第２予備加熱温度Ｔ３からも降温する。また、第２のフラッシュ光照射が完了する時刻ｔ７には、バルブ８４が閉止されてチャンバー６への処理ガスの供給が停止される。チャンバー６への処理ガスの供給が停止された後もチャンバー６からの排気は継続して行われる。チャンバー６にガス供給を行うことなくチャンバー６内の雰囲気を排気することにより、チャンバー６内が再度減圧されてアンモニアが排出される。
　チャンバー６内が０．１ｋＰａにまで減圧された時刻ｔ８に再びバルブ８４が開放されてチャンバー６内への窒素の供給が開始される。チャンバー６内に窒素が供給されることによって、チャンバー６内の圧力が上昇して大気圧にまで復圧するとともに、チャンバー６内が窒素雰囲気に置換される（ステップＳ９）。
　チャンバー６内の圧力が大気圧に復圧した後、熱処理後の半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出される（ステップＳ１０）。具体的には、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプタ７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプタ７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。
　本実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷの温度を第１予備加熱温度Ｔ２に昇温し、その半導体ウェハーＷに酸素を含む酸化雰囲気中にてフラッシュ光を照射して半導体ウェハーＷの表面にシリコン酸化膜を形成している。続いて、半導体ウェハーＷを一旦降温させた後、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷの温度を第２予備加熱温度Ｔ３に再度昇温し、その半導体ウェハーＷにアンモニアを含む窒化雰囲気中にてフラッシュ光を照射して半導体ウェハーＷの表面のシリコン酸化膜を窒化している。極めて照射時間の短いフラッシュ光の照射によって半導体ウェハーＷの表面を１秒以下加熱することによりシリコン酸化膜を形成するとともに、そのシリコン酸化膜を窒化しているため、良質で膜厚が２０オングストローム以下の薄い酸窒化シリコン膜を形成することができる。特に、第２のフラッシュ光照射の照射時間も１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であって、照射時の半導体ウェハーＷの表面のピーク温度が１２００℃以下であるため、窒素がシリコン酸化膜を通り抜けてシリコンの基材との界面にまで到達することが抑制される。
　ところで、単に酸窒化シリコンを形成するだけであれば、チャンバー６内に酸素とアンモニアとの混合ガスの雰囲気を形成し、その混合ガスの雰囲気中にて半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱を行っても良いように考えられる。しかし、酸素とアンモニアとの混合ガスの雰囲気中で加熱処理を行うと、アンモニアが爆発する懸念がある。本実施形態においては、まず酸素を含む酸化雰囲気中にてシリコン酸化膜を形成した後に、アンモニアを含む窒化雰囲気中にてシリコン酸化膜を窒化している。このように、酸素を含む酸化雰囲気中での処理とアンモニアを含む窒化雰囲気中での処理とを分離することにより、アンモニアの爆発を防止して安全に酸窒化シリコン膜を形成することができる。
　特に、本実施形態では、第１のフラッシュ光照射が完了するのとほぼ同時にチャンバー６内の減圧を開始し、チャンバー６内の圧力を０．１ｋＰａにまで減圧して酸素を排出している。そして、チャンバー６内から酸素をほぼ完全に排出してからアンモニアを供給しているため、より確実にアンモニアの爆発を防止することができる。
　また、酸化処理と窒化処理とを異なる装置によって個別に行うようにしても酸窒化シリコンを形成することは可能である。但し、このようすると、酸化処理が終了した後に、半導体ウェハーＷが一旦大気雰囲気に曝されることとなり、不純物が混入するおそれがある。また、酸化処理と窒化処理とを異なる装置にて行うと、それぞれの処理にて雰囲気置換が必要となり、全体としての処理時間が長くなる。本実施形態においては、共通の１つのチャンバー６内にて酸化処理と窒化処理とを連続して行っているため、半導体ウェハーＷを大気雰囲気に曝すことに起因した不純物の混入を防ぐことができ、良質な酸窒化シリコン膜を形成することができる。さらに、第１のフラッシュ光照射後に酸素を排出して直ぐにアンモニアを供給しているため、酸窒化シリコン膜を形成するための全体としての処理時間を短くしてスループットを向上させることができる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、チャンバー６内から酸素をほぼ完全に排出してからアンモニアを供給していたが、アンモニアの爆発の懸念がなければ、チャンバー６内に酸素が残留している状態でアンモニアを供給するようにしても良い。具体的には、チャンバー６内の酸素濃度が３％以下の爆発限界以下にまで酸素が排出されていれば、アンモニアを供給しても爆発の懸念はないため、チャンバー６内に酸素が残留している状態でアンモニアを供給する。この場合、チャンバー６内に残留する酸素とアンモニアとの混合ガス中にて第２のフラッシュ光照射を行うこととなる。このようにすれば、酸素の排出時間を短縮して全体としての処理時間を短くすることができる。
　また、上記実施形態においては、酸素によって酸化雰囲気を形成していたが、オゾンまたは酸素とオゾンとの混合ガスによって酸化雰囲気を形成するようにしても良い。
　また、第２予備加熱にて半導体ウェハーＷの温度が第２予備加熱温度Ｔ３に到達した後、半導体ウェハーＷの温度を所定時間第２予備加熱温度Ｔ３に維持してから第２のフラッシュ光照射を行うようにしても良い。
　また、上記実施形態においては、１つのチャンバー６内にて酸化処理と窒化処理とを行っていたが、これに限定されるものではなく、酸化処理と窒化処理とをそれぞれ異なるチャンバーにて行うようにしても良い。もっとも、上述したように、１つのチャンバー６内にて酸化処理と窒化処理とを行った方が不純物の混入を防止して良質な酸窒化シリコン膜を形成できるとともに、全体としての処理時間を短くすることができる。
　また、上記実施形態においては、フラッシュランプＦＬから照射時間の短いフラッシュ光を照射することによって半導体ウェハーＷの表面を１秒以下加熱していたが、フラッシュ光に代えてレーザー光を照射して半導体ウェハーＷを加熱するようにしても良い。レーザー光も照射時間が極めて短いため、半導体ウェハーＷの表面の加熱時間を１秒以下とすることができる。すなわち、半導体ウェハーＷの表面を１秒以下加熱する熱源であれば良い。
　また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
　また、上記実施形態においては、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。
　１　熱処理装置
　３　制御部
　４　ハロゲン加熱部
　５　フラッシュ加熱部
　６　チャンバー
　７　保持部
　１０　移載機構
　６５　熱処理空間
　７４　サセプタ
　７５　保持プレート
　７７　基板支持ピン
　８５　処理ガス供給源
　１９０　排気部
　ＦＬ　フラッシュランプ
　ＨＬ　ハロゲンランプ
　Ｗ　半導体ウェハー

Claims (10)

  1. 　シリコンの基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸窒化膜を形成する熱処理方法であって、
    　前記基板を第１予備加熱温度に昇温する第１予備加熱工程と、
    　前記第１予備加熱温度に昇温されている前記基板に酸化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱して当該表面に酸化膜を形成する第１ミリ秒アニール工程と、
    　前記基板を降温させる降温工程と、
    　前記基板を第２予備加熱温度に昇温する第２予備加熱工程と、
    　前記第２予備加熱温度に昇温されている前記基板に窒化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱して前記酸化膜を窒化する第２ミリ秒アニール工程と、
    を備える熱処理方法。
  2. 　請求項１記載の熱処理方法において、
    　前記第２予備加熱温度は前記第１予備加熱温度よりも低い熱処理方法。
  3. 　請求項２記載の熱処理方法において、
    　前記第１予備加熱温度は７００℃以上１０００℃以下であり、
    　前記第２予備加熱温度は５００℃以上８００℃以下である熱処理方法。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理方法において、
    　前記第２ミリ秒アニール工程は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われる熱処理方法。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理方法において、
    　前記第２予備加熱工程にて前記基板が前記第２予備加熱温度に到達した後、直ちに前記基板に光を照射して前記第２ミリ秒アニール工程を実行する熱処理方法。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱処理方法において、
    　前記第１ミリ秒アニール工程および前記第２ミリ秒アニール工程は同一のチャンバーにて行われ、
    　前記第１ミリ秒アニール工程は酸素を含む酸化雰囲気中にて行われ、
    　前記第２ミリ秒アニール工程はアンモニアを含む窒化雰囲気中にて行われ、
    　前記降温工程では、前記チャンバー内を減圧して酸素を排出する熱処理方法。
  7. 　請求項６記載の熱処理方法において、
    　前記第２ミリ秒アニール工程は、前記チャンバー内に残留する酸素とアンモニアとの混合ガス中にて行われる熱処理方法。
  8. 　請求項７記載の熱処理方法において、
    　前記チャンバー内の酸素濃度が爆発限界以下のときに前記チャンバー内にアンモニアを供給する熱処理方法。
  9. 　請求項６記載の熱処理方法において、
    　前記第１予備加熱工程にて前記基板が所定の温度に到達したときに前記チャンバーに酸素の供給を開始する熱処理方法。
  10. 　請求項１から請求項９のいずれかに記載の熱処理方法において、
    　前記第１予備加熱工程および前記第２予備加熱工程では前記基板に連続点灯ランプから光を照射して前記基板を昇温し、
    　前記第１ミリ秒アニール工程および前記第２ミリ秒アニール工程では前記基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する熱処理方法。
PCT/JP2021/003836 2020-02-25 2021-02-03 熱処理方法 WO2021171935A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020029254A JP7362508B2 (ja) 2020-02-25 2020-02-25 熱処理方法
JP2020-029254 2020-02-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021171935A1 true WO2021171935A1 (ja) 2021-09-02

Family

ID=77490133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/003836 WO2021171935A1 (ja) 2020-02-25 2021-02-03 熱処理方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7362508B2 (ja)
WO (1) WO2021171935A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005019650A (ja) * 2003-06-25 2005-01-20 Toshiba Corp 処理装置、製造装置、処理方法及び電子装置の製造方法
JP2012191110A (ja) * 2011-03-14 2012-10-04 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 熱処理装置
JP2017045982A (ja) * 2015-08-26 2017-03-02 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003100762A (ja) 2001-09-27 2003-04-04 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp シリコンウェーハの製造方法及びシリコンウェーハ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005019650A (ja) * 2003-06-25 2005-01-20 Toshiba Corp 処理装置、製造装置、処理方法及び電子装置の製造方法
JP2012191110A (ja) * 2011-03-14 2012-10-04 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 熱処理装置
JP2017045982A (ja) * 2015-08-26 2017-03-02 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP7362508B2 (ja) 2023-10-17
JP2021136259A (ja) 2021-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6472247B2 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
TW201802894A (zh) 半導體裝置之製造方法
JP6863780B2 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
US20240128096A1 (en) Light irradiation type heat treatment method and heat treatment apparatus
JP6960344B2 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
JP2021082684A (ja) 熱処理装置
JP6963536B2 (ja) 熱処理装置および熱処理装置の雰囲気置換方法
CN111799171A (zh) 热处理方法及热处理装置
JP7042115B2 (ja) 熱処理装置および熱処理方法
WO2021171935A1 (ja) 熱処理方法
WO2021241561A1 (ja) 熱処理装置
TW202013533A (zh) 熱處理方法
JP7436253B2 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
JP2021027226A (ja) 熱処理方法
JP6841666B2 (ja) 結晶構造制御方法および熱処理方法
JP2021136376A (ja) 熱処理方法
WO2021049283A1 (ja) 熱処理方法および熱処理装置
JP2022079227A (ja) 熱処理方法
TWI801693B (zh) 熱處理方法及熱處理裝置
JP7011980B2 (ja) 熱処理装置
JP6791693B2 (ja) 熱処理装置
JP2022047758A (ja) 金属配線形成方法
JP2020188176A (ja) 熱処理装置
JP2019068107A (ja) 熱処理方法およびゲート形成方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21761584

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21761584

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1