(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】2023-10-06
(45)【発行日】2023-10-17
(54)【発明の名称】熱処理方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/318 20060101AFI20231010BHJP
H01L 21/26 20060101ALI20231010BHJP
H01L 21/31 20060101ALI20231010BHJP
【ＦＩ】
H01L21/318 C
H01L21/26 F
H01L21/26 G
H01L21/31 E
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2020029254
(22)【出願日】2020-02-25
(65)【公開番号】P2021136259
(43)【公開日】2021-09-13
【審査請求日】2022-12-19
(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】布施 和彦
【審査官】鈴木 智之
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－０１９６５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１９１１１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０４５９８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１００７６２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／３１８
Ｈ０１Ｌ ２１／２６
Ｈ０１Ｌ ２１／３１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
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、
前記降温工程では、前記チャンバー内を減圧して酸素を排出し、
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し、
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ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項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ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項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℃以下であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項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ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項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ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項6】
請求項１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３％以下の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ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項7】
請求項１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ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項8】
請求項１から請求項７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ことを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－０４５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、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、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、前記降温工程では、前記チャンバー内を減圧して酸素を排出し、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し、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ことを特徴とする。
【0009】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明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ことを特徴とする。
【0010】
また、請求項３の発明は、請求項２の発明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℃以下であることを特徴とする。
【0011】
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明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ことを特徴とする。
【0012】
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明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ことを特徴とする。
【0015】
また、請求項６の発明は、請求項１の発明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３％以下の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ことを特徴とする。
【0016】
また、請求項７の発明は、請求項１の発明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ことを特徴とする。
【0017】
また、請求項８の発明は、請求項１から請求項７のいずれかの発明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ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
請求項１から請求項８の発明によれば、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。
【0019】
特に、請求項４の発明によれば、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。
【0020】
特に、請求項５の発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明に係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】本発明に係る熱処理方法の手順を示すフローチャートである。
【図9】半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
【図10】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。
【図11】チャンバー内における圧力変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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）。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
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）。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
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。
【符号の説明】
【0097】
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
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】