本发明涉及一种热处理方法及热处理装置，对在硅等基材上夹入界面层膜并成膜着高介电常数栅极绝缘膜的半导体晶片或玻璃基板等薄板状的精密电子基板(以下，简称为“基板”)照射闪光而加热该高介电常数栅极绝缘膜。
背景技术：
以往，作为场效应晶体管(FET，FieldEffectTransistor)的栅极绝缘膜，通常使用二氧化硅(SiO2)，但随着栅极绝缘膜的薄膜化伴随元件的微细化推进，漏电流增大成为问题。因此，例如专利文献1所揭示般，进行如下金属栅极电极的开发，所述金属栅极电极是使用介电常数高于二氧化硅的材料(高介电常数材料)作为栅极绝缘膜，并且在栅极电极使用金属。
[先前技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2011-77421号公报
技术实现要素：
[发明要解决的问题]
然而，使高介电常数材料沉积而成膜的高介电常数栅极绝缘膜包含大量点缺陷等缺陷，这种缺陷会导致漏电流。为了减少高介电常数栅极绝缘膜中的缺陷，有如下方法等：进行沉积后热处理(PDA：PostDepositionAnneal)而消除缺陷，或导入氮气而使缺陷钝化(氮化处理)。
高介电常数栅极绝缘膜的氮化处理通常需要高温下的处理。但是，如果高温下的处理时间变长，那么有形成在高介电常数栅极绝缘膜的底层的二氧化硅等界面层膜也被氮化的情况，结果，有如下问题：随着界面品质劣化而载子移动率大幅降低，氧化硅膜换算膜厚(EOT：Equivalentoxidethickness(等效氧化层厚度))增大。
本发明是鉴于所述问题而完成的，其目的在于提供一种能够一边抑制界面层膜的氮化，一边促进高介电常数膜的氮化的热处理方法及热处理装置。
[解决问题的技术手段]
为了解决所述问题，技术方案1的发明的特征在于：其是将在基材上夹入界面层膜并成膜着高介电常数膜的基板加热的热处理方法，且包括：收容步骤，将所述基板收容在腔室内；氛围形成步骤，对所述腔室内供给氨气而形成氨气氛围；以及闪光照射步骤，对收容在所述腔室内的所述基板的表面照射闪光而加热所述高介电常数膜。
另外，技术方案2的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述闪光照射步骤中，照射在分光分布中在波长200nm～300nm的范围内具有峰值的闪光。
另外，技术方案3的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述闪光照射步骤中，照射在分光分布中波长300nm相对于波长500nm的相对强度为20％以上的闪光。
另外，技术方案4的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述闪光照射步骤中，通过在氨气氛围中加热所述高介电常数膜而促进所述高介电常数膜的氮化。
另外，技术方案5的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述氛围形成步骤中，一边将所述腔室内减压到小于大气压，一边形成氨气氛围。
另外，技术方案6的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：所述闪光照射步骤中的闪光的照射时间为0.2毫秒以上且1秒以下。
另外，技术方案7的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述闪光照射步骤之前，进行所述高介电常数膜的退火处理。
另外，技术方案8的发明是如技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：在所述闪光照射步骤之后，进行所述高介电常数膜的退火处理。
另外，技术方案9的发明的特征在于：其是将在基材上夹入界面层膜并成膜着高介电常数膜的基板加热的热处理装置，且包括：腔室，收容所述基板；氛围形成器件，对所述腔室内供给氨气而形成氨气氛围；以及闪光灯，对收容在所述腔室内的所述基板的表面照射闪光。
另外，技术方案10的发明是如技术方案9的发明的热处理装置，其特征在于：所述闪光灯照射在分光分布中在波长200nm～300nm的范围内具有峰值的闪光。
另外，技术方案11的发明是如技术方案9的发明的热处理装置，其特征在于：所述闪光灯照射在分光分布中波长300nm相对于波长500nm的相对强度为20％以上的闪光。
另外，技术方案12的发明是如技术方案9的发明的热处理装置，其特征在于：所述闪光灯的闪光照射时间为0.2毫秒以上且1秒以下。
另外，技术方案13的发明是如技术方案9的发明的热处理装置，其特征在于：供来自所述闪光灯的闪光透过的所述腔室的窗是由合成石英形成。
[发明的效果]
根据技术方案1至技术方案8的发明，由于在氨气氛围中对基板表面照射闪光来加热高介电常数膜，所以能够促进高介电常数膜的氮化并减少缺陷。另外，只要是照射时间极短的闪光照射，便能够抑制形成在高介电常数膜的底层的界面层膜的氮化。
尤其是，根据技术方案2及技术方案3的发明，照射包含比较多紫外线区域的波长成分的闪光，高介电常数膜及氨分子效率佳地吸收闪光而活化，结果，能够确实地促进高介电常数膜的氮化处理。
根据技术方案9至技术方案13的发明，由于在氨气氛围中对基板表面照射闪光而加热高介电常数膜，所以能够促进高介电常数膜的氮化并减少缺陷。另外，只要为照射时间极短的闪光照射，便能够抑制形成在高介电常数膜的底层的界面层膜的氮化。
尤其是，根据技术方案10及技术方案11的发明，照射包含比较多紫外线区域的波长成分的闪光，高介电常数膜及氨分子效率佳地吸收闪光而活化，结果，能够确实地促进高介电常数膜的氮化处理。
附图说明
图1是表示本发明的热处理装置的构成的纵剖视图。
图2是表示保持部的整体外观的立体图。
图3是从上表面观察保持部而得的俯视图。
图4是从侧方观察保持部而得的侧视图。
图5是移载机构的俯视图。
图6是移载机构的侧视图。
图7是表示多个卤素灯的配置的俯视图。
图8是表示闪光灯的驱动电路的图。
图9是表示从闪光灯放射的闪光的分光分布的图。
图10是表示在基板形成栅极的处理顺序的流程图。
图11是表示在基板的基材上夹入界面层膜并成膜着高介电常数栅极绝缘膜的堆叠结构的图。
图12是表示通过闪光加热处理而使高介电常数栅极绝缘膜氮化的情况的图。
图13是表示在基板形成栅极的处理顺序的另一例的流程图。
图14是表示在基板形成栅极的处理顺序的另一例的流程图。
图15是表示在基板形成栅极的处理顺序的另一例的流程图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示本发明的热处理装置1的构成的纵剖视图。本实施方式的热处理装置1是闪光灯退火(FLA)装置，该闪光灯退火(FLA)装置是通过对夹入界面层膜并成膜着高介电常数栅极绝缘膜(High-k栅极绝缘膜)的半导体的基板W在氨气氛围中照射闪光，而促进该高介电常数栅极绝缘膜的氮化。此外，在图1及之后的各图中，为了易于理解，而视需要夸张或简化地绘制各部分的尺寸或数量。
热处理装置1包括：腔室6，收容基板W；闪光加热部5，内置多个闪光灯FL；卤素加热部4，内置多个卤素灯HL；及挡闸机构2。在腔室6的上侧设置着闪光加热部5，并且在下侧设置着卤素加热部4。热处理装置1包括：保持部7，在腔室6的内部，将基板W保持为水平姿势；及移载机构10，在保持部7与装置外部之间进行基板W的交接。另外，热处理装置1包括对腔室6的内部供给氨气(NH3)的氨气供给机构180。进而，热处理装置1包括控制部3，该控制部3控制挡闸机构2、氨气供给机构180、卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6中设置的各动作机构而执行基板W的热处理。
腔室6是在筒状的腔室侧部61的上下安装石英制腔室窗而构成。腔室侧部61具有上下形成开口的大致筒形状，且在上侧开口安装着上侧腔室窗63而加以封闭，在下侧开口安装着下侧腔室窗64而加以封闭。构成腔室6的顶部的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状部件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透过腔室6内的石英窗发挥功能。另外，构成腔室6的底部的下侧腔室窗64也为由石英形成的圆板形状部件，作为使来自卤素加热部4的光透过腔室6内的石英窗发挥功能。尤其是，使闪光透过腔室6内的上侧腔室窗63是由在波长300nm以下的紫外线区域也具有高透过率的合成石英(syntheticquartz)形成。
另外，在腔室侧部61的内侧的壁面上部安装着反射环68，在下部安装着反射环69。反射环68、69均形成为圆环状。上侧反射环68是通过从腔室侧部61的上侧嵌入而安装。另一方面，下侧反射环69是通过从腔室侧部61的下侧嵌入并利用图示省略的螺钉固定而安装。即，反射环68、69均装卸自如地安装在腔室侧部61。腔室6的内侧空间、即由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61及反射环68、69包围的空间被规定为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环68、69，而在腔室6的内壁面形成凹部62。即，形成由腔室侧部61的内壁面中未安装反射环68、69的中央部分、反射环68的下端面、及反射环69的上端面所包围的凹部62。凹部62在腔室6的内壁面沿水平方向形成为圆环状，围绕保持基板W的保持部7。
腔室侧部61及反射环68、69是由强度及耐热性优异的金属材料(例如不锈钢)形成。另外，反射环68、69的内周面是通过电解镀镍而形成为镜面。
另外，在腔室侧部61，形成着搬送开口部(炉口)66，该搬送开口部(炉口)66是用来对腔室6进行基板W的搬入及搬出。搬送开口部66能够通过栅极阀门85而开启及关闭。搬送开口部66与凹部62的外周面连通连接。因此，在栅极阀门85将搬送开口部66打开时，能够从搬送开口部66通过凹部62而向热处理空间65搬入基板W及从热处理空间65搬出基板W。另外，如果栅极阀门85将搬送开口部66闭合，那么腔室6内的热处理空间65成为密闭空间。
另外，在腔室6的内壁上部形成着对热处理空间65供给特定气体的气体供给孔81。气体供给孔81形成在比凹部62更靠上侧位置，也可设置在反射环68。气体供给孔81是经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间82而连通连接在气体供给管83。气体供给管83连接在氨气供给机构180。详细来说，气体供给管83分支为两股，其中一股连接在氮气供给源185，另一股连接在氨气供给源189。在气体供给管83分支成两股的路径中与氮气供给源185连接的配管介插着阀门183及流量调整阀181，在与氨气供给源189连接的配管介插着阀门187及流量调整阀186。
如果打开阀门183，那么从氮气供给源185通过气体供给管83对缓冲空间82进给氮气(N2)。流经气体供给管83的氮气的流量通过流量调整阀181而加以调整。另外，如果打开阀门187，那么从氨气供给源189通过气体供给管83对缓冲空间82进给氨气(NH3)。流经气体供给管83的氨气的流量通过流量调整阀186而加以调整。流入到缓冲空间82的气体是以在流体阻力比气体供给孔81小的缓冲空间82内扩散的方式流动，从气体供给孔81向热处理空间65内供给。
由这些氮气供给源185、阀门183、流量调整阀181、氨气供给源189、阀门187、流量调整阀186、气体供给管83、缓冲空间82及气体供给孔81构成氨气供给机构180。通过打开阀门183及阀门187的两者，能够对腔室6供给氨气与氮气的混合气体。氨气供给机构180对腔室6供给的混合气体中所含的氨气的浓度为约10vol.％以下，在本实施方式中为2.5vol.％。
另一方面，在腔室6的内壁下部形成着将热处理空间65内的气体排出的气体排出孔86。气体排出孔86形成在比凹部62更靠下侧位置，也可设置在反射环69。气体排出孔86是经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间87而连通连接在气体排出管88。气体排出管88连接在排出部190。另外，在气体排出管88的路径中途介插着阀门89。如果打开阀门89，那么热处理空间65的气体从气体排出孔86经过缓冲空间87向气体排出管88排出。此外，气体供给孔81及气体排出孔86既可沿腔室6的周向设置多个，也可为狭缝状。
另外，在搬送开口部66的前端也连接着将热处理空间65内的气体排出的气体排出管191。气体排出管191是经由阀门192而连接在排出部190。通过将阀门192打开，而经由搬送开口部66排出腔室6内的气体。
作为排出部190，能够使用真空泵或设置着热处理装置1的工厂的排出设施。如果采用真空泵作为排出部190，不从氨气供给机构180供给任何气体地将密闭空间即热处理空间65的气体排出，那么能够将腔室6内减压到真空氛围。另外，即便在未将真空泵用作排出部190的情况下，也能够通过不从氨气供给机构180供给气体地进行排气，而将腔室6内减压到小于大气压的气压。
通过氨气供给机构180及排出部190，能够在腔室6内的热处理空间65形成氨气氛围。即，通过一边利用排出部190从热处理空间65进行排气，一边从氨气供给机构180对热处理空间65供给氨气与作为稀释气体的氮气的混合气体，能够在热处理空间65形成特定氨气浓度(本实施方式中为约2.5vol.％)的氨气氛围。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。另外，图3是从上表面观察保持部7而得的俯视图，图4是从侧方观察保持部7而得的侧视图。保持部7包括基台环71、连结部72及基座74而构成。基台环71、连结部72及基座74均由石英形成。即，保持部7整体由石英形成。
基台环71为圆环形状的石英部件。基台环71是通过载置在凹部62的底面，而支撑在腔室6的壁面(参照图1)。在具有圆环形状的基台环71的上表面，沿其周向竖立设置着多个连结部72(本实施方式中为4个)。连结部72也为石英部件，通过焊接而固接在基台环71。此外，基台环71的形状也可为一部分从圆环形状缺损而得的圆弧状。
平板状的基座74由设置在基台环71的4个连结部72支撑。基座74是由石英形成的大致圆形的平板状部件。基座74的直径大于基板W的直径。即，基座74具有比基板W大的平面尺寸。在基座74的上表面竖立设置着多个(本实施方式中为5个)导销76。5个导销76沿着与基座74的外周圆为同心圆的圆周上设置。配置着5个导销76的圆的直径略微大于基板W的直径。各导销76也是由石英形成。此外，导销76既可与基座74一体地由石英铸锭加工，也可将另行加工而得者通过焊接等安装在基座74。
竖立设置在基台环71的4个连结部72与基座74的周缘部的下表面通过焊接而固接。即，基座74与基台环71通过连结部72而固定地连结，保持部7成为石英的一体成形部件。通过使这种保持部7的基台环71支撑在腔室6的壁面，而将保持部7安装在腔室6。在将保持部7安装在腔室6的状态下，大致圆板形状的基座74成为水平姿势(法线与铅垂方向一致的姿势)。搬入到腔室6的基板W以水平姿势载置并保持在安装于腔室6的保持部7的基座74上。基板W载置在由5个导销76形成的圆的内侧，由此防止水平方向的位置偏移。此外，导销76的个数并不限定于5个，只要为能够防止基板W的位置偏移的数量便可。
另外，如图2及图3所示，在基座74，沿上下贯通而形成着开口部78及切口部77。切口部77被设置用来供使用热电偶的接触式温度计130的探针前端部通过。另一方面，开口部78被设置用来供放射温度计120接收从被保持在基座74的基板W的下表面放射的放射光(红外光)。进而，在基座74贯穿设置着4个贯通孔79，所述4个贯通孔79是供下述移载机构10的顶起销12贯通，以进行基板W的交接。此外，在热处理装置1的腔室6内形成着氨气氛围，所以放射温度计120的测定波长区域优选不包含红外线区域中的氨气的吸收波长区域(2μm左右、3μm左右及5.5μm～7μm)。
图5是移载机构10的俯视图。另外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10包括2根移载臂11。移载臂11形成为如沿着大致圆环状的凹部62的圆弧形状。在各个移载臂11竖立设置着2根顶起销12。各移载臂11能够通过水平移动机构13而旋动。水平移动机构13使一对移载臂11在对保持部7移载基板W的移载动作位置(图5的实线位置)与俯视时不和保持在保持部7的基板W重叠的退避位置(图5的二点链线位置)之间水平移动。作为水平移动机构13，既可为利用个别马达使各移载臂11分别旋动的机构，也可为使用连杆机构利用1个马达使一对移载臂11联动地旋动的机构。
另外，一对移载臂11是通过升降机构14而与水平移动机构13一同升降并移动。当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升时，共计4根顶起销12通过贯穿设置在基座74的贯通孔79(参照图2、3)，顶起销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降并将顶起销12从贯通孔79拔出，且水平移动机构13使一对移载臂11以打开的方式移动时，各移载臂11移动至退避位置。一对移载臂11的退避位置为保持部7的基台环71的正上方。基台环71载置在凹部62的底面，所以移载臂11的退避位置成为凹部62的内侧。此外，构成为在移载机构10的设置着驱动部(水平移动机构13及升降机构14)的部位附近也设置着图示省略的排出机构，而将移载机构10的驱动部周边的气体排出到腔室6的外部。
返回到图1，设置在腔室6的上方的闪光加热部5在壳体51的内侧包括包含多根(本实施方式中为30根)氙气闪光灯FL的光源、及以覆盖该光源的上方的方式设置的反射罩52而构成。另外，在闪光加热部5的壳体51的底部安装着灯光放射窗53。构成闪光加热部5的底部的灯光放射窗53是由石英形成的板状的石英窗。灯光放射窗53也由与上侧腔室窗63相同的合成石英形成。通过将闪光加热部5设置在腔室6的上方，使灯光放射窗53与上侧腔室窗63相对向。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光放射窗53及上侧腔室窗63而对热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL分别为具有长条圆筒形状的棒状灯，且以各自的长度方向沿着保持在保持部7的基板W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式呈平面状排列。由此，通过闪光灯FL的排列而形成的平面也为水平面。
图8是表示闪光灯FL的驱动电路的图。如图8所示，将电容器93、线圈94、闪光灯FL、及IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)96串联连接。另外，如图8所示，控制部3包括脉冲产生器31及波形设定部32，并且连接在输入部33。作为输入部33，能够采用键盘、鼠标、触控面板等各种公知的输入机器。波形设定部32是基于来自输入部33的输入内容而设定脉冲信号的波形，脉冲产生器31按照该波形而产生脉冲信号。
闪光灯FL包括：棒状的玻璃管(放电管)92，在其内部封入氙气且在其两端部配设着阳极及阴极；以及触发电极91，附设在该玻璃管92的外周面上。对于电容器93，通过电源单元95施加特定电压，充电对应于该施加电压(充电电压)的电荷。另外，能够从触发电路97对触发电极91施加高电压。触发电路97对触发电极91施加电压的时序由控制部3控制。
IGBT96是在栅极部装入着MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应管)的双极性晶体管，且为适于处理大电力的开关元件。从控制部3的脉冲产生器31对IGBT96的栅极施加脉冲信号。当对IGBT96的栅极施加特定值以上的电压(High(高)电压)时，IGBT96成为接通状态，当施加小于特定值的电压(Low(低)电压)时，IGBT96成为断开状态。以所述方式，包含闪光灯FL的驱动电路通过IGBT96而接通断开。通过IGBT96接通断开而使闪光灯FL与对应的电容器93的连接断续。
由于氙气为电绝缘体，所以即便在电容器93已充电的状态下IGBT96成为接通状态而对玻璃管92的两端电极施加高电压，在通常状态下玻璃管92内也不会通电。然而，在触发电路97对触发电极91施加高电压而使介质击穿的情况下，通过两端电极间的放电而使得电流瞬间流入到玻璃管92内，通过此时的氙原子或分子的激发而发出光。
本实施方式的闪光灯FL放射包含比较多紫外线区域的波长成分的闪光。图9是表示从闪光灯FL放射的闪光的分光分布的图。如图9所示，从本实施方式的闪光灯FL放射的闪光在分光分布中在波长200nm～300nm的范围内具有峰值。另外，从闪光灯FL放射的闪光在分光分布中波长300nm相对于波长500nm的相对强度为20％以上。如图9所示的分光分布能够通过调整对玻璃管92内封入的氙气的成分或气体压力而获得。此外，玻璃管92也优选由在波长300nm以下的紫外线区域中具有高透过率的合成石英形成。
另外，在本实施方式中，供来自闪光灯FL的闪光透过的灯光放射窗53及上侧腔室窗63由合成石英形成。合成石英对波长300nm以下的紫外线也具有高透过率。结果，从闪光灯FL出射并照射到腔室6内的基板W的闪光的分光分布在波长200nm～300nm的范围内具有峰值，并且波长300nm相对于波长500nm的相对强度为20％以上。
另外，图1的反射罩52是以覆盖所有闪光灯FL的方式设置在多个闪光灯FL的上方。反射罩52的基本功能是将从多个闪光灯FL出射的光朝保持部7侧反射。反射罩52是由铝合金板形成，其表面(面向闪光灯FL一侧的面)是通过喷砂处理而实施表面粗化加工。
在设置于腔室6的下方的卤素加热部4的内部内置着多根(本实施方式中为40根)卤素灯HL。多个卤素灯HL接收来自电力供给电路45的电力供给并发光，从腔室6的下方经由下侧腔室窗64而对热处理空间65照射卤素光。来自电力供给电路45的电力供给由控制部3控制。图7是表示多个卤素灯HL的配置的俯视图。在本实施方式中，在上下2段各配设着20根卤素灯HL。各卤素灯HL为具有长条圆筒形状的棒状灯。上段、下段均为20根卤素灯HL以各自的长度方向沿着保持在保持部7的基板W的主面(即，沿着水平方向)相互平行的方式排列。由此，上段、下段均为通过卤素灯HL的排列而形成的平面为水平面。
另外，如图7所示，上段、下段均为相比与保持在保持部7的基板W的中央部对向的区域，与周缘部对向的区域中的卤素灯HL的配设密度高。即，上下段均为相比灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配设间距短。因此，能够对在利用来自卤素加热部4的光照射进行加热时易发生温度降低的基板W的周缘部照射更多光量。
另外，上段由卤素灯HL构成的灯群与下段由卤素灯HL构成的灯群以呈格子状交叉的方式排列。即，以上段各卤素灯HL的长度方向与下段各卤素灯HL的长度方向正交的方式配设着共计40根卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对配设在玻璃管内部的灯丝通电而使灯丝白炽化并发光的灯丝方式的光源。在玻璃管的内部封入着对氮气或氩气等惰性气体导入微量卤素元素(碘、溴等)而得的气体。通过导入卤素元素，能够一边抑制灯丝折损，一边将灯丝温度设定为高温。因此，卤素灯HL具有以下特性：与普通白炽灯泡相比寿命长且能够连续地照射强光。另外，卤素灯HL由于为棒状灯，所以寿命长，通过将卤素灯HL沿着水平方向配置而使对上方的基板W的放射效率优异。
另外，如图1所示，热处理装置1在卤素加热部4及腔室6的侧方包括挡闸机构2。挡闸机构2包括挡闸板21及滑动驱动机构22。挡闸板21是对卤素光不透明的板，例如由钛(Ti)形成。滑动驱动机构22使挡闸板21沿着水平方向滑动移动，并在卤素加热部4与保持部7之间的遮光位置拔插挡闸板21。如果滑动驱动机构22使挡闸板21前进，那么挡闸板21插入到腔室6与卤素加热部4之间的遮光位置(图1的二点链线位置)，下侧腔室窗64与多个卤素灯HL被阻断。由此，从多个卤素灯HL照向热处理空间65的保持部7的光被遮蔽。反之，如果滑动驱动机构22使挡闸板21后退，那么挡闸板21从腔室6与卤素加热部4之间的遮光位置退出而使下侧腔室窗64的下方打开。
另外，控制部3对设置在热处理装置1的所述各种动作机构进行控制。作为控制部3的硬件的构成与通常的计算机相同。即，控制部3构成为包括：CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)，为进行各种运算处理的电路；ROM(ReadOnlyMemory，只读存储器)，为存储基本程序的只读存储器；RAM(RandomAccessMemory，随机存取存储器)，作为存储各种信息的读写自如的存储器；及磁碟，预先存储着控制用软件或数据等。通过控制部3的CPU执行特定的处理程序，而进行热处理装置1中的处理。另外，如图8所示，控制部3包括脉冲产生器31及波形设定部32。如上所述，波形设定部32基于来自输入部33的输入内容而设定脉冲信号的波形，脉冲产生器31按照该波形而对IGBT96的栅极输出脉冲信号。进而，控制部3是通过控制对腔室6供气排气的各阀门的开启及关闭而进行腔室6内的氛围调整，并且通过控制电力供给电路45而控制卤素灯HL的发光。
除所述的构成以外，热处理装置1还包括各种冷却用结构，以防止在基板W的热处理时由卤素灯HL及闪光灯FL产生的热能引起的卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6的温度过度上升。例如，在腔室6的壁体设置着水冷管(图示省略)。另外，卤素加热部4及闪光加热部5是设为在内部形成气流而进行排热的空气冷却结构。另外，对上侧腔室窗63与灯光放射窗53的间隙也供给空气，而将闪光加热部5及上侧腔室窗63冷却。
接下来，说明对基板W的处理顺序。图10是表示在基板W形成栅极的处理顺序的流程图。图10的步骤S14～步骤S18是通过热处理装置1而执行的处理。另外，图11是表示在基板W的基材101上夹入界面层膜102并成膜着高介电常数栅极绝缘膜103的堆叠结构的图。以下，一边适当参照图11，一边对基板W的处理顺序进行说明。
首先，作为形成栅极的准备，进行基板W的预处理(步骤S11)。该预处理是使用洗净液的基板W表面的洗净处理。洗净液包含SC1液(氨水、双氧水、水的混合液)、SC2液(盐酸、双氧水、水的混合液)、DHF液(稀氢氟酸)等药液及纯水。将这种洗净液供给至基板W的表面而进行洗净处理。此外，洗净处理的方式既可为对多个基板W一并进行洗净处理的批量式洗净，也可为将基板W逐一进行处理的单片式洗净。
接下来，在基板W的硅基材101上形成界面层膜102(步骤S12)。当基材101为硅时，典型来说界面层膜102为SiO2。作为界面层膜102的形成方法，能够采用例如热氧化法等公知的各种方法。
而且，在界面层膜102上形成高介电常数栅极绝缘膜103(步骤S13)。作为高介电常数栅极绝缘膜103，能够使用例如HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3等(本实施方式中为HfO2)。高介电常数栅极绝缘膜103是通过利用例如ALD(AtomicLayerDeposition，原子层沉积)使高介电常数材料沉积在界面层膜102上而成膜。沉积在界面层膜102上的高介电常数栅极绝缘膜103的膜厚为数nm，但该氧化硅膜换算膜厚(EOT：Equivalentoxidethickness)为1nm左右。高介电常数栅极绝缘膜103的形成方法并不限定于ALD，能够采用例如MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机物化学气相沉积)等公知的方法。无论哪种方法，在沉积的状态下未受到特别处理的高介电常数栅极绝缘膜103中存在多个点缺陷等缺陷。此外，在图11所示的结构中，在高介电常数栅极绝缘膜103的两侧方形成着SiN的侧壁104，但该侧壁104例如在栅极最终处理中先于高介电常数栅极绝缘膜103而形成。
以所述方式利用热处理装置1对在硅基材101上夹入界面层膜102并成膜着高介电常数栅极绝缘膜103的基板W进行热处理。以下，对热处理装置1的动作顺序进行说明。热处理装置1中的动作顺序是通过控制部3控制热处理装置1的各动作机构而进行。
首先，将在界面层膜102上形成着高介电常数栅极绝缘膜103的基板W搬入到热处理装置1的腔室6(步骤S14)。在搬入基板W时，将栅极阀门85打开而使搬送开口部66打开，利用装置外部的搬送机械手经由搬送开口部66将形成着高介电常数栅极绝缘膜103的基板W搬入到腔室6内的热处理空间65。此时，也可为将阀门183打开而对腔室6内持续供给氮气，由此，使氮气气流从搬送开口部66流出，将装置外部的气体向腔室6内的流入抑制为最小限度。由搬送机械手搬入的基板W进出直到保持部7的正上方位置为止并停止。然后，移载机构10的一对移载臂11从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，顶起销12通过贯通孔79并从基座74的上表面突出而接收基板W。
将基板W载置在顶起销12之后，搬送机械手从热处理空间65退出，利用栅极阀门85而将搬送开口部66闭合。然后，一对移载臂11下降，由此，基板W被从移载机构10交接到保持部7的基座74并保持为水平姿势。基板W是以形成着高介电常数栅极绝缘膜103的表面为上表面而保持在基座74。另外，基板W在基座74的上表面保持在5个导销76的内侧。下降到基座74的下方为止的一对移载臂11通过水平移动机构13而退避到退避位置、即凹部62的内侧。
将基板W收容到腔室6之后，在腔室6内形成氨气氛围(步骤S15)。具体来说，通过将阀门89打开而从热处理空间65进行排气，并且通过将阀门183及阀门187打开，而从气体供给孔81对热处理空间65供给氨气与作为稀释气体的氮气的混合气体。结果，在腔室6内在保持于保持部7的基板W的周边形成氨气氛围。氨气氛围中的氨气的浓度(即，氨气与氮气的混合比)是由流量调整阀181及流量调整阀186规定。在本实施方式中，以氨气氛围中的氨气的浓度成为约2.5vol.％的方式，利用流量调整阀186及流量调整阀181调整氨气及氮气的流量。此外，氨气氛围中的氨气的浓度只要为10vol.％以下便可。
另外，在腔室6内形成氨气氛围，并且卤素加热部4的40根卤素灯HL一齐点亮而开始基板W的预加热(辅助加热)(步骤S16)。从卤素灯HL出射的卤素光透过由石英形成的下侧腔室窗64及基座74而从基板W的背面照射。基板W的背面是指与形成着高介电常数栅极绝缘膜103的表面为相反侧的主面。通过接收来自卤素灯HL的光照射，基板W的温度上升。此外，移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，所以不会成为利用卤素灯HL的加热的妨碍。
在利用卤素灯HL进行预加热时，利用接触式温度计130测定基板W的温度。即，内置热电偶的接触式温度计130经由切口部77而与保持在基座74的基板W的下表面接触并测定升温中的基板温度。所测定出的基板W的温度传递到控制部3。控制部3一边监控通过来自卤素灯HL的光照射而升温的基板W的温度是否达到特定的预加热温度T1，一边控制卤素灯HL的输出。即，控制部3是基于接触式温度计130的测定值，以基板W的温度成为预加热温度T1的方式反馈控制电力供给电路45并调整卤素灯HL的强度。预加热温度T1为300℃以上且600℃以下，在本实施方式中为450℃。此外，在通过来自卤素灯HL的光照射使基板W升温时，不进行利用放射温度计120的温度测定。这是因为，从卤素灯HL照射的卤素光以环境光的形式入射到放射温度计120，而无法进行正确的温度测定。
在基板W的温度达到预加热温度T1之后，控制部3使基板W暂时维持该预加热温度T1。具体来说，在利用接触式温度计130所测定的基板W的温度达到预加热温度T1的时间点，控制部3控制电力供给电路45并调整卤素灯HL的强度，使基板W的温度维持在大致预加热温度T1。
通过进行这种利用卤素灯HL的预加热，而使包含高介电常数栅极绝缘膜103及界面层膜102的基板W整体均匀地升温到预加热温度T1。在利用卤素灯HL的预加热阶段，有更容易产生散热的基板W的周缘部的温度比中央部降低的倾向，但关于卤素加热部4中的卤素灯HL的配设密度，相比与基板W的中央部对向的区域，与周缘部对向的区域更高。因此，照射到容易产生散热的基板W的周缘部的光量变多，从而能够使预加热阶段中的基板W的面内温度分布均匀。进而，安装在腔室侧部61的反射环69的内周面成为镜面，所以通过该反射环69的内周面朝基板W的周缘部反射的光量变多，从而能够使预加热阶段中的基板W的面内温度分布更均匀。
接下来，在基板W的温度达到预加热温度T1并经过特定时间的时间点，通过从闪光灯FL照射闪光而执行闪光加热处理(步骤S17)。在闪光灯FL进行闪光照射时，预先利用电源单元95对电容器93蓄积电荷。然后，在电容器93蓄积着电荷的状态下，从控制部3的脉冲产生器31对IGBT96输出脉冲信号并对IGBT96进行接通断开驱动。
脉冲信号的波形能够通过如下方式规定：从输入部33输入以脉冲宽度的时间(接通时间)与脉冲间隔的时间(断开时间)为参数而依序设定的方案。当操作员将这种方案从输入部33输入到控制部3时，控制部3的波形设定部32按照该方案而设定重复接通断开的脉冲波形。然后，脉冲产生器31按照利用波形设定部32所设定的脉冲波形而输出脉冲信号。结果，对IGBT96的栅极施加所设定的波形的脉冲信号，而控制IGBT96的接通断开驱动。具体来说，在对IGBT96的栅极输入的脉冲信号接通时，IGBT96成为接通状态，在脉冲信号断开时，IGBT96成为断开状态。
另外，与从脉冲产生器31输出的脉冲信号接通的时序同步地，控制部3控制触发电路97并对触发电极91施加高电压(触发电压)。在电容器93蓄积着电荷的状态下，对IGBT96的栅极输入脉冲信号，且，与该脉冲信号接通的时序同步地对触发电极91施加高电压，由此，在脉冲信号接通时，在玻璃管92内的两端电极间必然流入电流，通过此时的氙原子或分子的激发而发出光。
以所述方式使闪光灯FL发光，并对保持在保持部7的基板W的表面照射闪光。从本实施方式的闪光灯FL放射的闪光在分光分布中在波长200nm～300nm的范围内具有峰值，并且在分光分布中波长300nm相对于波长500nm的相对强度为20％以上(图9)。另外，供来自闪光灯FL的闪光透过的灯光放射窗53及上侧腔室窗63是由合成石英形成。因此，对形成着高介电常数栅极绝缘膜103的基板W的表面照射包含比较多紫外线区域的波长成分的闪光。具体来说，对高介电常数栅极绝缘膜103照射在分光分布中在波长200nm～300nm的范围内具有峰值并且在分光分布中波长300nm相对于波长500nm的相对强度为20％以上的闪光。
此处，在不使用IGBT96地使闪光灯FL发光的情况下，蓄积在电容器93的电荷在1次发光中被消耗，来自闪光灯FL的输出波形成为宽度为0.1毫秒至10毫秒左右的单脉冲。与此相对，在本实施方式中，在电路中连接作为开关元件的IGBT96并对IGBT96的栅极输出脉冲信号，由此，利用IGBT96使从电容器93对闪光灯FL的电荷供给断续而控制流入到闪光灯FL的电流。结果，可以说闪光灯FL的发光是经斩波控制，将蓄积在电容器93的电荷分割并消耗，在极短的时间内使闪光灯FL重复闪烁。此外，在流经电路的电流值完全成为“0”之前，对IGBT96的栅极施加下一脉冲，电流值再次增加，所以在闪光灯FL重复闪烁期间，发光输出也并非完全成为“0”。因此，通过利用IGBT96使对闪光灯FL的电荷供给断续，而能够自如地规定闪光灯FL的发光模式，且能够自由地调整发光时间及发光强度。利用IGBT96而调整的闪光灯FL的闪光照射时间为0.2毫秒以上且1秒以下，在本实施方式中设为3毫秒。
通过从闪光灯FL对在基材101上夹入界面层膜102并成膜着高介电常数栅极绝缘膜103的基板W的表面照射闪光，包含高介电常数栅极绝缘膜103的基板W的表面瞬间升温到处理温度T2。通过闪光照射，基板W的表面达到的最高温度(峰值温度)即处理温度T2为600℃以上且1200℃以下，在本实施方式中为1000℃。如果在氨气氛围中基板W的表面升温到处理温度T2，那么能够促进高介电常数栅极绝缘膜103的氮化。此外，来自闪光灯FL的照射时间为1秒以下的短时间，所以基板W的表面温度从预加热温度T1升温到处理温度T2所需的时间也为小于1秒的极短时间。
图12是表示通过闪光加热处理使高介电常数栅极绝缘膜103氮化的情况的图。在氨气氛围中通过闪光照射而将高介电常数栅极绝缘膜103加热到处理温度T2，由此，氮原子从高介电常数栅极绝缘膜103的表面(与界面层膜102为相反侧的被照射闪光的面)渗透而进行氮化。然而，闪光灯FL的闪光照射时间为0.2毫秒以上且1秒以下的极短时间，所以通过闪光加热并未使整个高介电常数栅极绝缘膜103氮化，氮原子的渗透停止在距离高介电常数栅极绝缘膜103的表面特定深度为止的一部分区域。即，氮化未到达高介电常数栅极绝缘膜103的底层即界面层膜102，结果，得以抑制界面层膜102的氮化。
另外，超过HfO2的高介电常数栅极绝缘膜103的带隙且具有使电子跃迁所需的能量的光的波长为300nm以下。即，对于波长300nm以下的紫外光，高介电常数栅极绝缘膜103展现出高的吸收特性。如本实施方式般，如果对高介电常数栅极绝缘膜103照射包含比较多紫外线区域的波长成分的闪光，那么闪光被高介电常数栅极绝缘膜103效率佳地吸收，另一方面，闪光不会透过高介电常数栅极绝缘膜103而到达底层的界面层膜102。因此，无需加热底层的界面层膜102，而仅加热高介电常数栅极绝缘膜103，便可促进其氮化处理。
另外，氨气对紫外光也具有高的吸收特性。由此，如果在氨气氛围中照射包含比较多紫外线区域的波长成分的闪光，那么氨分子也吸收闪光而活化，从而能够进一步促进高介电常数栅极绝缘膜103的氮化。
当闪光灯FL的闪光照射结束时，IGBT96成为断开状态，闪光灯FL的发光停止，基板W的表面温度从处理温度T2急速降温。另外，卤素灯HL也熄灭，由此，基板W也从预加热温度T1降温。在基板W的加热处理结束后仅将阀门187关闭，将腔室6内置换为氮气氛围。另外，与卤素灯HL熄灭同时地，挡闸机构2将挡闸板21插入到卤素加热部4与腔室6之间的遮光位置。即便卤素灯HL熄灭，灯丝或管壁的温度也不会立即降低，暂时从高温的灯丝及管壁持续放射辐射热，从而妨碍了基板W的降温。通过插入挡闸板21，从刚熄灭后的卤素灯HL放射到热处理空间65的辐射热被阻断，从而能够提高基板W的降温速度。
另外，在挡闸板21被插入到遮光位置的时间点开始利用放射温度计120测定温度。即，放射温度计120对从保持在保持部7的基板W的下表面经由基座74的开口部78放射的红外光的强度进行测定，从而对降温中的基板W的温度进行测定。所测定的基板W的温度被传递到控制部3。
从刚熄灭后的高温的卤素灯HL持续放射少许放射光，但放射温度计120是在挡闸板21插入到遮光位置时进行基板W的温度测定，因此，从卤素灯HL朝腔室6内的热处理空间65的放射光被遮蔽。因此，放射温度计120不会受到环境光的影响，而能够正确地测定保持在基座74的基板W的温度。另外，放射温度计120的测定波长区域不包含红外线区域中的氨气的吸收波长区域，所以能够防止基板W的温度测定被残留在腔室6内的氨气所妨碍。
控制部3监控由放射温度计120所测定的基板W的温度是否降温到特定温度。而且，在基板W的温度降温到特定以下之后，移载机构10的一对移载臂11再次从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，顶起销12从基座74的上表面突出并从基座74接收热处理后的基板W。然后，将利用栅极阀门85闭合的搬送开口部66打开，通过装置外部的搬送机械手搬出载置在顶起销12上的基板W(步骤S18)，从而热处理装置1中的基板W的加热处理结束。
热处理装置1中的处理结束后，金属栅极沉积在经氮化的高介电常数栅极绝缘膜103上(步骤S19)。用于金属栅极电极的材料能够使用例如钛(Ti)或钛的氮化物(TiN)。
在本实施方式中，在氨气氛围中从闪光灯FL以0.2毫秒以上且1秒以下的照射时间对基板W的表面照射闪光，所述基板W是在基材101上夹入界面层膜102并成膜着高介电常数栅极绝缘膜103而得，由此，在氨气氛围中将高介电常数栅极绝缘膜103加热到处理温度T2而进行高介电常数栅极绝缘膜103的氮化处理。通过将高介电常数栅极绝缘膜103氮化，而使沉积后存在于高介电常数栅极绝缘膜103中的缺陷减少，从而能够抑制由这种缺陷所引起的漏电流。
另外，闪光灯FL的闪光照射时间为0.2毫秒以上且1秒以下的极短时间，所以不会连形成在高介电常数栅极绝缘膜103的底层的界面层膜102也被氮化。由此，能够防止因界面层膜102氮化所引起的载子移动率降低且也能够防止氧化硅膜换算膜厚(EOT)增大。
高介电常数栅极绝缘膜103的氮化需要在氨气氛围中将高介电常数栅极绝缘膜103加热至高温，但在以往通过RTP(rapidthermalprocess，快速热处理)等加热高介电常数栅极绝缘膜103的情况下，会在数秒左右升温至高温。这样一来，会产生如下问题：连高介电常数栅极绝缘膜103的底层的界面层膜102也被氮化而劣化，载子移动率大幅度降低，氧化硅膜换算膜厚增大。
在本实施方式中，通过在氨气氛围中利用闪光照射极短时间地加热高介电常数栅极绝缘膜103，能够一边抑制界面层膜102的氮化，一边促进高介电常数栅极绝缘膜103的氮化。所述内容换句话来说意指如果为利用闪光照射的高介电常数栅极绝缘膜103的极短时间加热，那么能够将高介电常数栅极绝缘膜103加热到能够进行氮化处理的高温。
另外，就从以往的闪光灯放射的闪光的分光分布而言，可见光区域的光为主要成分，相对于氨气未被吸收地透过。由此，也有以往的闪光灯无法使氨气活化而难以进行高介电常数栅极绝缘膜的氮化的担忧。
从本实施方式的闪光灯FL放射的闪光在分光分布中在波长200nm～300nm的范围内具有峰值，并且在分光分布中波长300nm相对于波长500nm的相对强度为20％以上。高介电常数栅极绝缘膜103及氛围中的氨气对紫外光具有高的吸收特性。因此，通过照射包含比较多紫外线区域的波长成分的闪光，高介电常数栅极绝缘膜103及氨分子效率佳地吸收闪光而活化，结果，能够确实地促进高介电常数栅极绝缘膜103的氮化处理。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明能够在不脱离其主旨的范围内，进行除上述内容以外的各种变更。例如，在所述实施方式中，在常压的腔室6内形成着氨气氛围，但也可代替此，而使腔室6内一边维持小于大气压的减压，一边形成氨气氛围。如果平均自由步骤在大于常压的减压下的腔室6内形成氨气氛围并进行闪光加热处理，那么能够确实地促进高介电常数栅极绝缘膜103的氮化处理。
另外，除在氨气氛围中利用闪光加热进行氮化处理以外，也能够通过与该处理不同的热处理消除高介电常数栅极绝缘膜103中的缺陷。图13及图14是表示在基板W形成栅极的处理顺序的另一例的流程图。在图13所示的例子中，在形成高介电常数栅极绝缘膜103之后，且在利用热处理装置1进行闪光加热处理之间，进行沉积后退火处理(步骤S24)。该处理既可通过使用卤素灯的RTP(rapidthermalprocess)进行，也可通过使用闪光灯的闪光加热进行。当通过闪光加热进行步骤S24的沉积后退火处理时，也可在本实施方式的热处理装置1中将腔室6内设为氮气氛围而执行。通过进行沉积后退火处理，沉积后存在于高介电常数栅极绝缘膜103中的缺陷减少，从而能够与氮化处理的效果一同抑制由这种缺陷引起的漏电流。此外，图13的步骤S21、S22、S23、S26分别与图10的步骤S11、S12、S13、S19相同，图13的步骤S25与图10的步骤S14～S18的处理相同。
另外，在图14所示的例子中，在利用热处理装置1的闪光加热处理后，进行氮化后退火处理(步骤S35)。该处理也是既可通过使用卤素灯的RTP进行，也可通过使用闪光灯的闪光加热进行。当通过闪光加热进行步骤S35的氮化后退火处理时，也可在本实施方式的热处理装置1中将腔室6内设为氮气氛围而执行。通过进行氮化后退火处理，沉积后存在于高介电常数栅极绝缘膜103中的缺陷减少，从而能够与氮化处理的效果一并抑制由这种缺陷所引起的漏电流。此外，图14的步骤S31、S32、S33、S36分别与图10的步骤S11、S12、S13、S19相同，图14的步骤S34与图10的步骤S14～S18的处理相同。
另外，通过闪光加热以极短时间进行氮化后退火处理，由此能够抑制高介电常数栅极绝缘膜103中的氮原子的界面扩散。进而，当在氢氛围中通过闪光加热进行氮化后退火处理时，能够减小界面能级。
然而，只要如所述实施方式般，通过热处理装置1的1次闪光加热处理，同时进行高介电常数栅极绝缘膜103的氮化处理与缺陷消除，便能够比图13、14所示的例子更简化处理步骤，且也能够提高产出量。
另外，也可按照如图15所示的处理顺序。图15的步骤S41、S42、S43分别与图10的步骤S11、S12、S13相同。在图15所示的例子中，在界面层膜102上形成高介电常数栅极绝缘膜103之后，进而在所述高介电常数栅极绝缘膜103上较薄地沉积金属栅极(步骤S44)。接下来，以在高介电常数栅极绝缘膜103上沉积着薄金属栅极的状态，利用热处理装置1在氨气氛围中进行闪光加热处理(步骤S45)。由此，不仅能够减少高介电常数栅极绝缘膜103的缺陷并提高其特性，也能够减少所沉积的金属栅极中的缺陷并提高其特性。之后，进而在薄金属栅极上沉积金属栅极(步骤S46)。
另外，在所述实施方式中，对腔室6内供给氨气与氮气的混合气体，但并不限定于此，作为与氨气混合的稀释气体，能够使用氢气(H2)、氩气(Ar)、氦气(He)、氙气(Xe)等。能够将这些气体中的任一种与氨气的混合气体供给至热处理空间65而在腔室6内形成氨气氛围。尤其是，氦气夺取热的能力高且也被用作冷却气体，如果使用氨气与氦气的混合气体，那么能够提高闪光加热处理后的基板W的冷却速度。
另外，基材101的材质并不限定于硅，也可为锗(Ge)或硅锗。在采用除硅以外的材质作为基材101的材质的情况下，有时在界面层膜102也使用除二氧化硅以外的材质。
另外，在所述实施方式中，利用IGBT96控制闪光灯FL的发光，但IGBT96并不一定为必需的要素。即便不使用IGBT96，也能够通过向电容器93施加的电压或线圈94的电感而调整闪光灯FL的照射条件。
[符号的说明]
1热处理装置
2挡闸机构
3控制部
4卤素加热部
5闪光加热部
6腔室
7保持部
10移载机构
61腔室侧部
62凹部
63上侧腔室窗
64下侧腔室窗
65热处理空间
74基座
91触发电极
92玻璃管
93电容器
94线圈
96IGBT
97触发电路
101基材
102界面层膜
103高介电常数栅极绝缘膜
180氨气供给机构
FL闪光灯
HL卤素灯
W基板