(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-25
(45)【発行日】2023-09-04
(54)【発明の名称】ゲート絶縁膜の形成方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/316 20060101AFI20230828BHJP
H01L 21/26 20060101ALI20230828BHJP
【ＦＩ】
H01L21/316 P
H01L21/316 X
H01L21/26 F
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2022161501
(22)【出願日】2022-10-06
(62)【分割の表示】P 2018161726の分割
【原出願日】2018-08-30
(65)【公開番号】P2022180648
(43)【公開日】2022-12-06
【審査請求日】2022-10-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000207551
【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】谷村 英昭
(72)【発明者】
【氏名】山田 隆泰
【審査官】川原 光司
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２４６０３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０５４２５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１６６５７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００５－０１９６５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－１８３２３５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／２６－２１／２６８
Ｈ０１Ｌ ２１／３１２－２１／３２
Ｈ０１Ｌ ２１／３２２－２１／３２６
Ｈ０１Ｌ ２１／４２－２１／４２５
Ｈ０１Ｌ ２１／４２８
Ｈ０１Ｌ ２１／４７－２１／４７５
Ｈ０１Ｌ ２１／４７７－２１／４７９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
窒化ガリウムの基板上に二酸化ケイ素または酸化ガリウムのゲート絶縁膜を成膜する成膜工程と、前記基板および前記ゲート絶縁膜を１０ナノ秒以上１００ミリ秒以下の熱処理時間にて加熱して窒化ガリウムからの窒素の脱離を抑制して前記ゲート絶縁膜にガリウムを拡散させることなく前記ゲート絶縁膜と前記基板との界面に存在していたトラップを減少させるアニール工程と、
を備えることを特徴とするゲート絶縁膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の基板上に二酸化ケイ素等のゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化ガリウム系化合物は、青色の光を発光する発光素子として注目されるとともに、絶縁破壊電界が高くエネルギーギャップが大きいため、電力変換に用いられるパワーデバイスの基幹材料としても期待されている。例えば、特許文献１には、窒化ガリウムを用いたＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が開示されている。特許文献１に開示の半導体デバイスにおいては、窒化ガリウムの半導体層の上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のゲート絶縁膜を形成し、さらにそのゲート絶縁膜の上にアルミニウム（Ａｌ）のゲート電極を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１５－０２３０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
窒化ガリウムの半導体層上に二酸化ケイ素等のゲート絶縁膜を成膜すると窒化ガリウムとゲート絶縁膜との界面に多数のトラップが生じることが知られている。このようなトラップが存在しているとキャリアの移動に支障が生じてデバイス特性が低下するため、成膜後熱処理(PDA:Post Deposition Anneal)を行うことによってトラップを低減させることが試みられている。
【0005】
しかしながら、窒化ガリウムを高温に加熱すると、窒素の脱離が生じて結合手の外れたガリウムがゲート絶縁膜中に拡散することとなる。その結果、ゲート絶縁膜にリーク電流の増大や絶縁破壊電界の低下等の劣化が生じる。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ゲート絶縁膜にガリウムを拡散させることなく界面トラップを低減させることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、ゲート絶縁膜の形成方法において、窒化ガリウムの基板上に二酸化ケイ素または酸化ガリウムのゲート絶縁膜を成膜する成膜工程と、前記基板および前記ゲート絶縁膜を１０ナノ秒以上１００ミリ秒以下の熱処理時間にて加熱して窒化ガリウムからの窒素の脱離を抑制して前記ゲート絶縁膜にガリウムを拡散させることなく前記ゲート絶縁膜と前記基板との界面に存在していたトラップを減少させるアニール工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
請求項１の発明によれば、窒化ガリウムの基板およびゲート絶縁膜を１０ナノ秒以上１００ミリ秒以下の熱処理時間にて加熱するため、加熱時間は極めて短く、窒化ガリウムからの窒素の脱離を防止してゲート絶縁膜にガリウムを拡散させることなく界面トラップを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係る熱処理方法を実施する際に使用する熱処理装置の構成を示す縦断面図である。
【図2】保持部の全体外観を示す斜視図である。
【図3】サセプタの平面図である。
【図4】サセプタの断面図である。
【図5】移載機構の平面図である。
【図6】移載機構の側面図である。
【図7】複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。
【図8】本発明に係るゲート絶縁膜の形成方法の手順を示すフローチャートである。
【図9】ＧａＮ基板にゲート絶縁膜が成膜された状態を示す図である。
【図10】ＧａＮ基板を載置板に載置した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
まず、本発明に係る熱処理方法を実施するための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方法を実施する際に使用する熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、窒化ガリウムの基板（ＧａＮ基板）Ｗにフラッシュ光照射を行うことによってそのＧａＮ基板Ｗを加熱するフラッシュランプアニール装置である。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。
【0012】
熱処理装置１は、ＧａＮ基板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、ＧａＮ基板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ＧａＮ基板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ＧａＮ基板Ｗの熱処理を実行させる制御部３を備える。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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、ＧａＮ基板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。
【0016】
また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対してＧａＮ基板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ＧａＮ基板Ｗの搬入および熱処理空間６５からのＧａＮ基板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。
【0017】
さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された載置板９１の下面から放射された赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４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、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。
【0018】
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。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、または、水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）との混合ガスであるフォーミングガス等を用いることができる。
【0019】
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、処理ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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ＧａＮ基板Ｗの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７５は、ＧａＮ基板Ｗよりも大きな平面サイズを有する。
【0024】
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、ＧａＮ基板Ｗを載置する載置板９１（図１０参照）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、載置板９１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。
【0025】
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ＧａＮ基板Ｗを載置した載置板９１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個の支持ピン７７が立設されている。１２個の支持ピン７７を配置した円の径（対向する支持ピン７７間の距離）は載置板９１の径よりも小さく、載置板９１の径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ～φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の支持ピン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。
【0026】
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。
【0027】
ＧａＮ基板Ｗを載置した載置板９１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、載置板９１は保持プレート７５上に立設された１２個の支持ピン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個の支持ピン７７の上端部が載置板９１の下面に接触して当該載置板９１を支持する。１２個の支持ピン７７の高さ（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個の支持ピン７７によって載置板９１を水平姿勢に支持することができる。
【0028】
また、載置板９１は複数の支持ピン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。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、複数の支持ピン７７によって支持された載置板９１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。
【0029】
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、放射温度計２０が載置板９１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、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６１ａに装着された透明窓２１を介して載置板９１の下面から放射された光を受光して当該載置板９１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が載置板９１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。
【0030】
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に対して載置板９１の移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された載置板９１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。
【0031】
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。
【0032】
図１に戻り、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。
【0033】
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ＧａＮ基板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ＧａＮ基板Ｗの平面サイズよりも大きい。
【0034】
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ミリ秒ないし１００ミリ秒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。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
【0035】
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。
【0036】
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ＧａＮ基板Ｗを加熱する。
【0037】
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ＧａＮ基板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。
【0038】
また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される載置板９１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載置板９１の周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
【0039】
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。
【0040】
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載置板９１への放射効率が優れたものとなる。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
上記の構成以外にも熱処理装置１は、ＧａＮ基板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。
【0044】
次に、本発明に係るゲート絶縁膜の形成方法について説明する。図８は、本発明に係るゲート絶縁膜の形成方法の手順を示すフローチャートである。処理対象となるＧａＮ基板Ｗは、直径約５０ｍｍ（２インチ）の円板形状の窒化ガリウムウェハーであり、典型的なシリコンの半導体ウェハー（直径３００ｍｍ）に比較すると顕著に小さい。まず、処理対象となるＧａＮ基板Ｗにゲート絶縁膜が成膜される（ステップＳ１）。本実施形態においては、ＣＶＤによって二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のゲート絶縁膜がＧａＮ基板Ｗ上に成膜される。ゲート絶縁膜の成膜は、熱処理装置１とは別のＣＶＤ装置を用いて行われる。
【0045】
図９は、ＧａＮ基板Ｗにゲート絶縁膜９５が成膜された状態を示す図である。ＣＶＤによってゲート絶縁膜９５がＧａＮ基板Ｗ上に成膜された時点では、ゲート絶縁膜９５とＧａＮとの界面に多数のトラップが存在しており、Ｄｉｔ(Density of interface trap)が高い。また、ゲート絶縁膜９５中には成膜時に不可避的に水素が混入しており、ゲート絶縁膜９５の誘電率も低い。従って、このままではゲート絶縁膜９５の特性が低く、高性能なＭＯＳＦＥＴを製造することができない。このため、熱処理装置１において、ゲート絶縁膜９５が成膜されたＧａＮ基板Ｗの成膜後熱処理(PDA:Post Deposition Anneal)を行う。
【0046】
直径約５０ｍｍの小径のＧａＮ基板Ｗは、そのままでは熱処理装置１で取り扱うことが困難である。このため、本実施形態においては、小径のＧａＮ基板Ｗを載置板９１に載置した状態で熱処理装置１にて処理するようにしている。図１０は、ＧａＮ基板Ｗを載置板９１に載置した状態を示す図である。載置板９１は、直径３００ｍｍの円板形状の部材である。載置板９１は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）にて形成される。炭化ケイ素は、ハロゲンランプＨＬから照射される光およびフラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光に対して高い吸収率を有する吸光材料である。
【0047】
載置板９１の上面中央部には直径約７０ｍｍの円形の凹部が形設されており、その凹部にＧａＮ基板Ｗがはまり込むように載置される。凹部内にＧａＮ基板Ｗを載置することによって、ＧａＮ基板Ｗの位置ずれを防止することができる。そして、載置板９１に載置された状態のＧａＮ基板Ｗに対して熱処理装置１により熱処理が行われる。載置板９１のサイズは典型的なシリコンの半導体ウェハーと同程度であるため、シリコンの半導体ウェハーを扱う熱処理装置１にてＧａＮ基板Ｗの熱処理を行うことができる。以下、熱処理装置１におけるＧａＮ基板Ｗの熱処理について説明する。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、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。
【0048】
ＧａＮ基板Ｗの搬入に先立って、給気バルブ８４が開放されるとともに、排気バルブ８９が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。給気バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、排気バルブ８９が開放されると、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ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。
【0049】
続いて、載置板９１に載置された状態のＧａＮ基板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Ｓ２）。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ＧａＮ基板Ｗを載置した載置板９１がチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。このときには、ＧａＮ基板Ｗの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。
【0050】
搬送ロボットによって搬入された載置板９１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ＧａＮ基板Ｗを載置した載置板９１を受け取る。このとき、リフトピン１２は支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
【0051】
ＧａＮ基板Ｗを載置した載置板９１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、載置板９１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。載置板９１は、保持プレート７５上に立設された複数の支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、ゲート絶縁膜９５が成膜されたＧａＮ基板Ｗの表面を上面に向けて載置板９１は保持部７に保持される。複数の支持ピン７７によって支持された載置板９１の裏面（ＧａＮ基板Ｗが載置されるのとは反対側の面）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。
【0052】
載置板９１が石英にて形成された保持部７のサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より保持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ３）。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ＧａＮ基板Ｗを載置した載置板９１の下面に照射される。載置板９１は、ＳｉＣにて形成されているため、ハロゲンランプＨＬから出射された光を良好に吸収して昇温する。そして、昇温した載置板９１からの熱伝導によってＧａＮ基板Ｗが予備加熱されることとなる。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。
【0053】
ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うときには、ＧａＮ基板Ｗを載置する載置板９１の温度が放射温度計２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された載置板９１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を通して放射温度計２０が受光して昇温中の載置板９１の温度を測定する。測定された載置板９１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載置板９１の温度が目標温度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、放射温度計２０による測定値に基づいて、載置板９１の温度が目標温度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。目標温度Ｔ１は、６００℃以上８００℃以下である。
【0054】
載置板９１の温度が目標温度Ｔ１に到達した後、制御部３は載置板９１の温度がその目標温度Ｔ１を維持するようにハロゲンランプＨＬの出力を調整する。具体的には、放射温度計２０によって測定される載置板９１の温度が目標温度Ｔ１に到達した時点で制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、載置板９１の温度をほぼ目標温度Ｔ１に維持する。ハロゲンランプＨＬからの光照射によって載置板９１が目標温度Ｔ１に維持されることにより、載置板９１からの熱伝導によってＧａＮ基板Ｗが均一に予備加熱される。
【0055】
載置板９１の温度が目標温度Ｔ１に到達してから所定時間が経過した時点でフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬからＧａＮ基板Ｗの表面に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ＧａＮ基板Ｗのフラッシュ加熱が行われる。
【0056】
フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、ＧａＮ基板Ｗの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、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０．１ミリ秒以上１００ミリ秒以下程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射により、ゲート絶縁膜９５を含むＧａＮ基板Ｗの表面は瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温した後、急速に降温する。フラッシュ加熱時におけるゲート絶縁膜９５の最高到達温度である処理温度Ｔ２は、上記の目標温度Ｔ１よりも高く、８００℃以上１２００℃以下である。ＧａＮ基板Ｗの表面が瞬間的に処理温度Ｔ２にまで加熱されることにより、ゲート絶縁膜９５の成膜後熱処理が行われ、ゲート絶縁膜９５とＧａＮとの界面に存在していたトラップが減少する。
【0057】
ここで、成膜後熱処理を行うための典型的な手法であるＲＴＡ(Rapid Thermal Anneal)を用いてゲート絶縁膜９５が成膜されたＧａＮ基板Ｗを処理温度Ｔ２にまで加熱したとしてもゲート絶縁膜９５とＧａＮとの界面に存在していたトラップを減少させることはできる。しかし、ＲＴＡを用いてＧａＮ基板Ｗを処理温度Ｔ２にまで加熱すると、ＧａＮから窒素が脱離して結合手の外れたガリウムがゲート絶縁膜９５中に拡散するという現象が生じる。その結果、ゲート絶縁膜９５に絶縁特性の劣化（リーク電流の増大、絶縁破壊電界の低下等）が生じることとなる。なお、上述したハロゲンランプＨＬによる予備加熱も一種のＲＴＡではあるものの、目標温度Ｔ１は処理温度Ｔ２よりも低温であるため、予備加熱時にＧａＮから窒素が脱離することはなく、トラップが減少することも無い。すなわち、トラップの減少とＧａＮからの窒素の脱離防止とはトレードオフの関係にあると言える。
【0058】
本実施形態においては、照射時間が１秒未満のフラッシュ光をＧａＮ基板Ｗに照射することによってゲート絶縁膜９５を含むＧａＮ基板Ｗの表面を目標温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで極めて短い熱処理時間にてフラッシュ加熱している。このため、ＧａＮ基板Ｗが高温となっている時間は短く、ＧａＮからの窒素の脱離を最小限に抑制することができる。その結果、ゲート絶縁膜９５にガリウムを拡散させることなく、ゲート絶縁膜９５とＧａＮとの界面に存在していたトラップを減少させてＤｉｔを低減させることができる。また、ＧａＮ基板Ｗをフラッシュ加熱することにより、成膜時にゲート絶縁膜９５に混入した水素を低減させてゲート絶縁膜９５の誘電率を高めることもできる。これにより、窒化ガリウムを用いた高性能なＭＯＳＦＥＴを製造することができる。
【0059】
フラッシュ加熱処理が終了した後、所定時間経過後にハロゲンランプＨＬが消灯する。これにより、ＧａＮ基板Ｗおよび載置板９１が急速に降温する。降温中の載置板９１の温度は放射温度計２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、放射温度計２０の測定結果より載置板９１の温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。そして、載置板９１の温度が所定以下にまで降温した後、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ＧａＮ基板Ｗを載置した載置板９１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上に載置された載置板９１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ＧａＮ基板Ｗの加熱処理が完了する（ステップＳ５）。熱処理装置１による加熱処理が終了したＧａＮ基板Ｗのゲート絶縁膜９５上には例えばアルミニウム等の金属のゲート電極が形成される。
【0060】
本実施形態においては、照射時間が０．１ミリ秒以上１００ミリ秒以下のフラッシュ光を照射することによってゲート絶縁膜９５を含むＧａＮ基板Ｗの表面を極めて短い熱処理時間にて処理温度Ｔ２にフラッシュ加熱している。これにより、ＧａＮ基板Ｗからの窒素の脱離を防止してゲート絶縁膜９５にガリウムを拡散させることなく、ゲート絶縁膜９５とＧａＮとの界面に存在していたトラップを減少させることができる。すなわち、照射時間の極めて短いフラッシュ光を照射することによって、トラップの減少とＧａＮからの窒素の脱離防止とを両立させることができるのである。
【0061】
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、照射時間が１秒未満のフラッシュ光を照射するフラッシュランプアニールによってＧａＮ基板Ｗを加熱していたが、これに代えて、レーザーアニールによってゲート絶縁膜９５を含むＧａＮ基板Ｗの表面を処理温度Ｔ２に加熱するようにしても良い。レーザーアニールによる熱処理時間は、フラッシュランプアニールよりもさらに短く、最短１０ナノ秒とすることが可能である。レーザーアニールによる熱処理時間も極めて短いため、フラッシュランプアニールと同様に、ゲート絶縁膜９５にガリウムを拡散させることなく、ゲート絶縁膜９５とＧａＮとの界面に存在していたトラップを減少させることができる。要するに、１０ナノ秒以上１００ミリ秒以下の極めて短い熱処理時間にてゲート絶縁膜９５を含むＧａＮ基板Ｗの表面を加熱すれば、上記実施形態と同様に、トラップの減少とＧａＮからの窒素の脱離防止とを両立させることができる。
【0062】
また、上記実施形態においては、二酸化ケイ素のゲート絶縁膜９５をＧａＮ基板Ｗ上に成膜していたが、これに限定されるものではなく、酸化ガリウム（ＧａＯｘ）のゲート絶縁膜をＧａＮ基板Ｗ上に成膜するようにしても良い。酸化ガリウムのゲート絶縁膜は、熱酸化法によってＧａＮ基板Ｗ上に成膜される。熱酸化法によって成膜された酸化ガリウムのゲート絶縁膜とＧａＮとの界面にも多数のトラップが存在している。そして、上記実施形態と同様に、極めて短い熱処理時間にて酸化ガリウムのゲート絶縁膜を含むＧａＮ基板Ｗの表面を加熱することにより、ゲート絶縁膜にガリウムを拡散させることなくトラップを減少させることができる。
【0063】
また、ＧａＮ基板Ｗのサイズは、直径約５０ｍｍに限定されるものではなく、例えば直径約１００ｍｍ（４インチ）であっても良い。
【0064】
また、載置板９１の材質は炭化ケイ素に限定されるものではなく、例えばシリコン（Ｓｉ）であっても良い。もっとも、フラッシュ加熱時にＧａＮ基板Ｗが１４００℃程度の高温に加熱されるとシリコン（融点１４１４℃）の載置板９１では溶融する懸念があるため、載置板９１は炭化ケイ素（融点２７３０℃）にて形成するのが好ましい。
【0065】
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。
【0066】
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ＧａＮ基板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。
【符号の説明】
【0067】
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 支持ピン
９１ 載置板
９５ ゲート絶縁膜
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ ＧａＮ基板
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 支持ピン
９１ 載置板
９５ ゲート絶縁膜
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ ＧａＮ基板
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】