JP7349033B2 - 基板処理方法、半導体装置の製造方法、基板処理装置、およびプログラム - Google Patents

基板処理方法、半導体装置の製造方法、基板処理装置、およびプログラム Download PDF

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Description

本開示は、基板処理方法、半導体装置の製造方法、基板処理装置、およびプログラムに関する。
半導体装置の製造工程の一工程として、基板上に膜を形成し、この膜を酸化させて酸化膜を形成する成膜処理が行われることがある（例えば特許文献１，２参照）。
特開２０１４－１５４６５２号公報 ＷＯ２０１８／０５５６７４号公報
本開示の目的は、下地上に酸化膜を形成する際の下地の酸化を抑制する効果を高めることにある。
本開示の一態様によれば、
（ａ）処理室内の基板に対して、酸素非含有の雰囲気下で第１元素含有ガスを供給することで、前記基板上に第１元素含有膜を形成する工程と、
（ｂ）前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することで、前記第１元素含有膜を酸化させて酸化膜を形成する工程と、を有し、
（ｂ）では、前記第１元素含有膜の厚さに応じて異なる前記基板の温度を選択する技術が提供される。
本開示によれば、下地上に酸化膜を形成する際の下地の酸化を抑制する効果を高めることが可能となる。
図１は、本開示の一態様で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を縦断面図で示す図である。 図２は、本開示の一態様で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を図１のＡ－Ａ線断面図で示す図である。 図３は、本開示の一態様で好適に用いられる基板処理装置のコントローラ１２１の概略構成図であり、コントローラ１２１の制御系をブロック図で示す図である。 図４は、本開示の一態様の成膜処理におけるガス供給のタイミングと処理温度の一例を示す図である。 図５（ａ）は、成膜処理が行われる前のウエハ２００の表面における断面部分拡大図である。図５（ｂ）は、ウエハ２００上に第１元素含有膜として窒化膜を形成した後のウエハ２００の表面における断面部分拡大図である。図５（ｃ）は、ウエハ２００上に形成された窒化膜を酸化させて酸化膜を形成した後のウエハ２００の表面における断面部分拡大図である。 図６は、本開示の他の態様の成膜処理におけるガス供給のタイミングと処理温度の一例を示す図である。 図７（ａ）は、成膜処理が行われる前のウエハ２００の表面における断面部分拡大図である。図７（ｂ）は、ウエハ２００上に第１元素含有膜を形成した後のウエハ２００の表面における断面部分拡大図である。図７（ｃ）は、ウエハ２００上に形成された第１元素含有膜を酸化させて酸化膜を形成した後のウエハ２００の表面における断面部分拡大図である。 図８は、実施例におけるＯ含有ガスとＨ含有ガスとの供給時間と、所定のガス供給時間における窒化膜の酸化量と、の関係を処理温度ごとに示した図である。
＜本開示の一態様＞
以下、本開示の一態様について、主に、図１～図４、図５（ａ）～図５（ｃ）を参照しながら説明する。なお、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
（１）基板処理装置の構成
図１に示すように、処理炉２０２は温度調整器（加熱部）としてのヒータ２０７を有する。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ２０７は、ガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。
ヒータ２０７の内側には、ヒータ２０７と同心円状に反応管２０３が配設されている。反応管２０３は、例えば石英（ＳｉＯ２）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料により構成され、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管２０３の下方には、反応管２０３と同心円状に、マニホールド２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料により構成され、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９の上端部は、反応管２０３の下端部に係合しており、反応管２０３を支持するように構成されている。マニホールド２０９と反応管２０３との間には、シール部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。反応管２０３はヒータ２０７と同様に垂直に据え付けられている。主に、反応管２０３とマニホールド２０９とにより処理容器（反応容器）が構成される。処理容器の筒中空部には処理室２０１が形成される。処理室２０１は、基板としてのウエハ２００を収容可能に構成されている。この処理室２０１内でウエハ２００に対する処理が行われる。
処理室２０１内には、第１、第２供給部としてのノズル２４９ａ，２４９ｂが、マニホールド２０９の側壁を貫通するようにそれぞれ設けられている。ノズル２４９ａ，２４９ｂを、それぞれ第１、第２ノズルとも称する。ノズル２４９ａ，２４９ｂは、例えば石英またはＳｉＣ等の耐熱性材料により構成されている。ノズル２４９ａ，２４９ｂには、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂがそれぞれ接続されている。
ガス供給管２３２ａ，２３２ｂには、ガス流の上流側から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１ａ，２４１ｂおよび開閉弁であるバルブ２４３ａ，２４３ｂがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａよりも下流側には、ガス供給管２３２ｃ，２３２ｅがそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂよりも下流側には、ガス供給管２３２ｄ，２３２ｆがそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｃ～２３２ｆには、ガス流の上流側から順に、ＭＦＣ２４１ｃ～２４１ｆおよびバルブ２４３ｃ～２４３ｆがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ａ～２３２ｆは、例えば，ＳＵＳ等の金属材料により構成されている。
図２に示すように、ノズル２４９ａ，２４９ｂは、反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における平面視において円環状の空間に、反応管２０３の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ２００の配列方向上方に向かって立ち上がるようにそれぞれ設けられている。すなわち、ノズル２４９ａ，２４９ｂは、ウエハ２００が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うようにそれぞれ設けられている。ノズル２４９ａ，２４９ｂの側面には、ガスを供給するガス供給孔２５０ａ，２５０ｂがそれぞれ設けられている。ガス供給孔２５０ａ，２５０ｂは、反応管２０３の中心を向くようにそれぞれ開口しており、ウエハ２００に向けてガスを供給することが可能となっている。ガス供給孔２５０ａ，２５０ｂは、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられている。
ガス供給管２３２ａからは、ウエハ２００上に形成される膜を構成する第１元素を含むガス、すなわち、第１元素含有ガスが、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａ、ノズル２４９ａを介して処理室２０１内へ供給される。
ガス供給管２３２ｂからは、窒化ガスとして、窒素（Ｎ）含有ガスが、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給される。
ガス供給管２３２ｃからは、水素（Ｈ）含有ガスが、ＭＦＣ２４１ｃ、バルブ２４３ｃ、ガス供給管２３２ａ、ノズル２４９ａを介して処理室２０１内へ供給される。Ｈ含有ガスは、それ単体では酸化作用は得られないが、特定の条件下で酸素（Ｏ）含有ガスと反応することで原子状酸素（ａｔｏｍｉｃ ｏｘｙｇｅｎ、Ｏ）等の酸化種を生成し、酸化処理の効率を向上させるように作用する。
ガス供給管２３２ｄからは、Ｏ含有ガスが、ＭＦＣ２４１ｄ、バルブ２４３ｄ、ガス供給管２３２ｂ、ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給される。
ガス供給管２３２ｅ，２３２ｆからは、不活性ガスが、それぞれＭＦＣ２４１ｅ，２４１ｆ、バルブ２４３ｅ，２４３ｆ、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂ、ノズル２４９ａ，２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給される。不活性ガスは、パージガス、キャリアガス、希釈ガス等として作用する。
主に、ガス供給管２３２ａ、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａにより、第１ガス供給系（第１ガス供給部）としてのシラン系ガス供給系が構成される。主に、ガス供給管２３２ｂ、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂにより、Ｎ含有ガス供給系が構成される。主に、ガス供給管２３２ｄ、ＭＦＣ２４１ｄ、バルブ２４３ｄにより、第２ガス供給系（第２ガス供給部）としてのＯ含有ガス供給系が構成される。ガス供給管２３２ｃ、ＭＦＣ２４１ｃ、バルブ２４３ｃにより、Ｈ含有ガス供給系が構成される。主に、ガス供給管２３２ｅ，２３２ｆ、ＭＦＣ２４１ｅ，２４１ｆ、バルブ２４３ｅ，２４３ｆにより、不活性ガス供給系が構成される。
上述の各種供給系のうち、いずれか、或いは、全ての供給系は、バルブ２４３ａ～２４３ｆやＭＦＣ２４１ａ～２４１ｆ等が集積されてなる集積型供給システム２４８として構成されていてもよい。集積型供給システム２４８は、ガス供給管２３２ａ～２３２ｆのそれぞれに対して接続され、ガス供給管２３２ａ～２３２ｆ内への各種ガスの供給動作、すなわち、バルブ２４３ａ～２４３ｆの開閉動作やＭＦＣ２４１ａ～２４１ｆによる流量調整動作等が、後述するコントローラ１２１によって制御されるように構成されている。集積型供給システム２４８は、一体型、或いは、分割型の集積ユニットとして構成されており、ガス供給管２３２ａ～２３２ｆ等に対して集積ユニット単位で着脱を行うことができ、集積型供給システム２４８のメンテナンス、交換、増設等を、集積ユニット単位で行うことが可能なように構成されている。
反応管２０３の側壁下方には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気口２３１ａが設けられている。排気口２３１ａは、反応管２０３の側壁の下部より上部に沿って、すなわち、ウエハ配列領域に沿って設けられていてもよい。排気口２３１ａには排気管２３１が接続されている。排気管２３１には、処理室２０１内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての圧力センサ２４５および圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４４を介して、真空排気装置としての真空ポンプ２４６が接続されている。ＡＰＣバルブ２４４は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２０１内の真空排気および真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ２４６を作動させた状態で、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室２０１内の圧力を調整することができるように構成されている。主に、排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４４、圧力センサ２４５により、排気系が構成される。真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。
マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、例えばＳＵＳ等の金属材料により構成され、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂが設けられている。シールキャップ２１９の下方には、後述するボート２１７を回転させる回転機構２６７が設置されている。回転機構２６７の回転軸２５５は、シールキャップ２１９を貫通してボート２１７に接続されている。回転機構２６７は、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、反応管２０３の外部に設置された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって垂直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を昇降させることで、ウエハ２００を処理室２０１内外に搬入および搬出（搬送）する搬送装置（搬送機構）として構成されている。
マニホールド２０９の下方には、シールキャップ２１９を降下させボート２１７を処理室２０１内から搬出した状態で、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシャッタ２１９ｓが設けられている。シャッタ２１９ｓは、例えばＳＵＳ等の金属材料により構成され、円盤状に形成されている。シャッタ２１９ｓの上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｃが設けられている。シャッタ２１９ｓの開閉動作（昇降動作や回動動作等）は、シャッタ開閉機構１１５ｓにより制御される。
基板を支持する支持具としてのボート２１７は、複数枚、例えば２５～２００枚のウエハ２００を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２１７は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料により構成される。ボート２１７の下部には、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料により構成される断熱板２１８が多段に支持されている。
反応管２０３内には、温度検出器としての温度センサ２６３が設置されている。温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０７への通電具合を調整することで、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となる。温度センサ２６３は、反応管２０３の内壁に沿って設けられている。
図３に示すように、制御部（制御手段）であるコントローラ１２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、内部バス１２１ｅを介して、ＣＰＵ１２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ１２１には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置１２２が接続されている。
記憶装置１２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置１２１ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する処理の手順や条件等が記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する処理における各手順をコントローラ１２１に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、プロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。また、プロセスレシピを、単に、レシピともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、レシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、それらの両方を含む場合がある。ＲＡＭ１２１ｂは、ＣＰＵ１２１ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、上述のＭＦＣ２４１ａ～２４１ｆ、バルブ２４３ａ～２４３ｆ、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２４４、真空ポンプ２４６、温度センサ２６３、ヒータ２０７、回転機構２６７、ボートエレベータ１１５、シャッタ開閉機構１１５ｓ等に接続されている。
ＣＰＵ１２１ａは、記憶装置１２１ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置１２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置１２１ｃからレシピを読み出すことが可能なように構成されている。ＣＰＵ１２１ａは、読み出したレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ２４１ａ～２４１ｈによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３ａ～２４３ｈの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉動作および圧力センサ２４５に基づくＡＰＣバルブ２４４による圧力調整動作、真空ポンプ２４６の起動および停止、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、回転機構２６７によるボート２１７の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作、シャッタ開閉機構１１５ｓによるシャッタ２１９ｓの開閉動作等を制御することが可能なように構成されている。
コントローラ１２１は、外部記憶装置１２３に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。外部記憶装置１２３は、例えば、ＨＤＤ等の磁気ディスク、ＣＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやＳＳＤ等の半導体メモリ等を含む。記憶装置１２１ｃや外部記憶装置１２３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置１２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置１２３単体のみを含む場合、または、それらの両方を含む場合がある。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置１２３を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
（２）基板処理工程
上述の基板処理装置を用い、半導体装置の製造工程の一工程として、基板としてのウエハ２００上に所定膜厚の酸化膜を形成する成膜処理シーケンス例について、主に、図４、図５（ａ）～図５（ｃ）を用いて説明する。なお、本態様では、表面に酸素膜を有さないウエハ２００を用いるものとする。以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ１２１により制御される。
本態様における成膜処理シーケンスでは、
処理室内のウエハ２００に対して、酸素非含有の雰囲気下で第１元素含有ガスを供給することで、ウエハ２００上に第１元素含有膜を形成するステップａと、
ウエハ２００に対して、酸素含有ガスを供給することで、第１元素含有膜を酸化させて酸化膜を形成するステップｂと、を行い、
ステップｂでは、第１元素含有膜の厚さに応じて異なるウエハ２００の温度を選択する。
本態様における成膜処理シーケンスでは、一例として、
ステップａにおいて、ウエハ２００に対して第１元素含有ガスを供給するステップと、ウエハ２００に対して窒化ガスとしてのＮ含有ガスを供給するステップと、を非同時に行うサイクルを所定回数（ｎ回、ｎは１以上の整数）行い、第１元素含有膜として、第１元素含有窒化膜（以下、単に窒化膜と称することがある）を形成する。
また、本態様における成膜処理シーケンスでは、一例として、
ステップｂにおいて、減圧下（大気圧未満の圧力下）にある処理室２０１内のウエハ２００に対してＯ含有ガスとＨ含有ガスとを同時に供給して、第１元素含有窒化膜を酸化させて、第１元素含有酸化膜（以下、単に酸化膜と称することがある）を形成する。
なお、本態様において成膜処理が施されるウエハ２００は、その表面が、実質的に酸化されていない下地（酸素非含有の下地）により構成されている。すなわち、ウエハ２００の表面には、下地として、酸素非含有の層や膜が形成されている。本態様においては、酸素非含有の下地として、例えばシリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）等の元素の単体膜や、これらの元素を含む窒化膜、炭化膜、等が例示されるが、酸素非含有の組成を有していればこれらの限定されるものではない。
本明細書では、上述の成膜処理シーケンスを、便宜上、以下のように示すこともある。以下の他の態様等の説明においても、同様の表記を用いる。
（第１元素含有ガス→Ｎ含有ガス）×ｎ→（Ｏ含有ガス＋Ｈ含有ガス）
本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものを意味する場合や、ウエハとその表面に形成された所定の層や膜との積層体を意味する場合がある。本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものの表面を意味する場合や、ウエハ上に形成された所定の層等の表面を意味する場合がある。本明細書において「ウエハ上に所定の層を形成する」と記載した場合は、ウエハそのものの表面に所定の層を直接形成することを意味する場合や、ウエハ上に形成されている層等の上に所定の層を形成することを意味する場合がある。本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
（ウエハチャージおよびボートロード）
複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填（ウエハチャージ）されると、シャッタ開閉機構１１５ｓによりシャッタ２１９ｓが移動させられて、マニホールド２０９の下端開口が開放される（シャッタオープン）。その後、図１に示すように、複数枚のウエハ２００を支持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって持ち上げられて処理室２０１内へ搬入（ボートロード）される。この状態で、シールキャップ２１９は、Ｏリング２２０ｂを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。
（圧力調整および温度調整）
ボートロードが終了した後、処理室２０１内、すなわち、ウエハ２００が存在する空間が所望の圧力（真空度）となるように、真空ポンプ２４６によって真空排気（減圧排気）される。この際、処理室２０１内の圧力は圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ２４４がフィードバック制御される（圧力調整）。また、処理室２０１内のウエハ２００が所望の処理温度となるように、ヒータ２０７によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電具合がフィードバック制御される（温度調整）。また、回転機構２６７によるウエハ２００の回転を開始する。処理室２０１内の排気、ウエハ２００の加熱および回転は、いずれも、少なくともウエハ２００に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
（第１元素含有窒化膜形成）
その後、以下のステップ１，２を順次実行する。
［ステップ１］
ステップ１では、処理室２０１内のウエハ２００に対して第１元素含有ガスを供給する。
具体的には、バルブ２４３ａを開き、ガス供給管２３２ａ内へ第１元素含有ガスを流す。第１元素含有ガスは、ＭＦＣ２４１ａにより流量調整され、ノズル２４９ａを介して処理室２０１内へ供給され、排気口２３１ａより排気される。このとき、ウエハ２００に対して第１元素含有ガスが供給される（第１元素含有ガス供給）。このとき、バルブ２４３ｅ，２４３ｆを開き、ノズル２４９ａ，２４９ｂのそれぞれを介して処理室２０１内へ不活性ガスを供給するようにしてもよい。このように、本ステップは、処理室２０１内へＯ含有ガスを供給することなく、ウエハ２００に対する処理を酸素非含有の雰囲気下で行う。
本ステップにおける処理条件としては、
第１元素含有ガス供給流量：１～２０００ｓｃｃｍ、好ましくは１０～１０００ｓｃｃｍ
不活性ガス供給流量（ガス供給管毎）：１００～２０００ｓｌｍ
各ガス供給時間：１～１２０秒、好ましくは１～６０秒
処理温度（ウエハ２００の温度）：３５０～８００℃、好ましくは４５０～８００℃
処理圧力（処理室２０１内の圧力）：１～１３３００Ｐａ、好ましくは１０～１３３０Ｐａ
が例示される。
なお、本明細書における「１０～１３３０Ｐａ」のような数値範囲の表記は、下限値および上限値がその範囲に含まれることを意味する。よって、例えば、「１０～１３３０Ｐａ」とは「１０Ｐａ以上１３３０Ｐａ以下」を意味する。他の数値範囲についても同様である。
第１元素含有ガスとして、例えば、後述するＳｉ含有ガスであるクロロシラン系ガスを用いる場合、上述の条件下でウエハ２００に対してクロロシラン系ガスを供給することにより、下地としてのウエハ２００の最表面上に、第１層として、所定の厚さの塩素（Ｃｌ）を含む第１元素含有層としてのＳｉ含有層が形成される。Ｃｌを含むＳｉ含有層は、ウエハ２００の最表面への、クロロシラン系ガスの分子の物理吸着や化学吸着、クロロシラン系ガスの一部が分解した物質の分子の化学吸着、クロロシラン系ガスの熱分解によるＳｉの堆積等により形成される。Ｃｌを含むＳｉ含有層は、クロロシラン系ガスの分子やクロロシラン系ガスの一部が分解した物質の分子の吸着層（物理吸着層や化学吸着層）であってもよく、Ｃｌを含むＳｉの堆積層であってもよい。ウエハ２００の最表面に上述の化学吸着層や上述の堆積層が形成される場合、ウエハ２００の最表面には、クロロシランガスに含まれるＳｉが吸着することとなる。本明細書では、Ｃｌを含むＳｉ含有層を、単に、Ｓｉ含有層とも称する。
Ｓｉ含有層が形成された後、バルブ２４３ａを閉じ、処理室２０１内への第１元素含有ガスの供給を停止する。そして、処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留するガス等を処理室２０１内から排除する（パージ）。このとき、バルブ２４３ｅ，２４３ｆを開いたままとし、処理室２０１内へ不活性ガスを供給する。不活性ガスはパージガスとして作用する。
第１元素含有ガスとしては、例えば、第１元素としてＳｉを含むシラン系ガスを用いることができる。シラン系ガスとしては、例えば、Ｓｉおよびハロゲンを含むガス、すなわち、ハロシランガスを用いることができる。ハロゲンには、塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）等が含まれる。ハロシランガスとしては、例えば、ＳｉおよびＣｌを含むクロロシランガスを用いることができる。
より具体的には、第１元素含有ガスとしては、例えば、第１元素としてＳｉを含有する、モノクロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ、略称：ＭＣＳ）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２、略称：ＤＣＳ）ガス、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３、略称：ＴＣＳ）ガス、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４、略称：ＳＴＣ）ガス、ヘキサクロロジシランガス（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤＳ）ガス、オクタクロロトリシラン（Ｓｉ３Ｃｌ８、略称：ＯＣＴＳ）ガス等のクロロシラン系ガスを用いることができる。また、第１元素含有ガスとしては、例えば、第１元素としてＳｉを含有する、テトラフルオロシラン（ＳｉＦ４）ガス、ジフルオロシラン（ＳｉＨ２Ｆ２）ガス等のフルオロシラン系ガス、テトラブロモシラン（ＳｉＢｒ４）ガス、ジブロモシラン（ＳｉＨ２Ｂｒ２）ガス等のブロモシラン系ガス、テトラヨードシラン（ＳｉＩ４）ガス、ジヨードシラン（ＳｉＨ２Ｉ２）ガス等のヨードシラン系ガスを用いることもできる。また、第１元素含有ガスとしては、例えば、第１元素としてＳｉを含有する、テトラキス（ジメチルアミノ）シラン（Ｓｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］４、略称：４ＤＭＡＳ）ガス、トリス（ジメチルアミノ）シラン（Ｓｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］３Ｈ、略称：３ＤＭＡＳ）ガス、ビス（ジエチルアミノ）シラン（Ｓｉ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］２Ｈ２、略称：ＢＤＥＡＳ）ガス、ビス（ターシャリーブチルアミノ）シラン（ＳｉＨ２［ＮＨ（Ｃ４Ｈ９）］２、略称：ＢＴＢＡＳ）ガス等のアミノシラン系ガスを用いることもできる。第１元素含有ガスとしては、これらのうち１以上を用いることができる。
不活性ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ２）ガスを用いることができ、この他、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いることができる。不活性ガスとしては、これらのうち１以上を用いることができる。この点は、後述する各ステップにおいても同様である。
［ステップ２］
ステップ１が終了した後、処理室２０１内のウエハ２００、すなわち、ウエハ２００上に形成された第１層としてのＳｉ含有層（第１元素含有層）に対してＮ含有ガスを供給する。
具体的には、バルブ２４３ｂを開き、ガス供給管２３２ｂ内へＮ含有ガスを流す。Ｎ含有ガスは、ＭＦＣ２４１ｂにより流量調整され、ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給され、排気口２３１ａより排気される。このとき、ウエハ２００に対してＮ含有ガスが供給される（Ｎ含有ガス供給）。このとき、バルブ２４３ｅ，２４３ｆを開き、ノズル２４９ａ，２４９ｂを介して処理室２０１内へ不活性ガスを供給するようにしてもよい。このように、本ステップも、処理室２０１内へＯ含有ガスを供給することなく、ウエハ２００に対する処理を酸素非含有の雰囲気下で行う。
本ステップにおける処理条件としては、
Ｎ含有ガス供給流量：１００～１００００ｓｃｃｍ
Ｎ含有ガス供給時間：１～１２０秒
処理圧力（処理室２０１内の圧力）：１００～１３３００Ｐａ、好ましくは５００～３０００Ｐａ
が例示される。他の処理条件は、ステップ１における処理条件と同様な処理条件とする。
上述の条件下でウエハ２００に対して窒化ガスとしてのＮ含有ガスを供給することにより、ウエハ２００上に形成されたＳｉ含有層の少なくとも一部が窒化（改質）される。結果として、下地としてのウエハ２００の最表面上に、第２層として、第１元素含有窒化層、すなわちＳｉおよびＮを含む層として、シリコン窒化層（ＳｉＮ層）が形成される。ＳｉＮ層を形成する際、Ｓｉ含有層に含まれていたＣｌ等の不純物は、Ｎ含有ガスによるＳｉ含有層の改質反応の過程において、少なくともＣｌを含むガス状物質を構成し、処理室２０１内から排出される。これにより、ＳｉＮ層は、ステップ１で形成されたＳｉ含有層に比べて、Ｃｌ等の不純物が少ない層となる。
第２層としてのＳｉＮ層が形成された後、バルブ２４３ｂを閉じ、処理室２０１内へのＮ含有ガスの供給を停止する。そして、ステップ１におけるパージと同様の処理手順により、処理室２０１内に残留するガス等を処理室２０１内から排除する（パージ）。
窒化ガス（窒化剤）であるＮ含有ガスとしては、例えば、Ｎ及びＨを含有するガスを用いることができる。Ｎ及びＨ含有ガスは、Ｎ－Ｈ結合を有することが好ましい。Ｎ－Ｈ結合を有する窒化ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ジアゼン（Ｎ２Ｈ２）ガス、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）ガス、Ｎ３Ｈ８ガス等の窒化水素系ガスを用いることができる。窒化ガスとしては、これらのうち１以上を用いることができる。
また、窒化ガスであるＮ含有ガスとして、例えば、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）及び水素（Ｈ）含有ガスを用いることもできる。Ｎ，Ｃ及びＨ含有ガスとしては、例えば、アミン系ガスや有機ヒドラジン系ガスを用いることができる。Ｎ，Ｃ及びＨ含有ガスは、Ｎ含有ガスでもあり、Ｃ含有ガスでもあり、Ｈ含有ガスでもあり、Ｎ及びＣ含有ガスでもある。
より具体的には、Ｎ，Ｃ及びＨ含有ガスとして、例えば、モノエチルアミン（Ｃ２Ｈ５ＮＨ２、略称：ＭＥＡ）ガス、ジエチルアミン（（Ｃ２Ｈ５）２ＮＨ、略称：ＤＥＡ）ガス、トリエチルアミン（（Ｃ２Ｈ５）３Ｎ、略称：ＴＥＡ）ガス等のエチルアミン系ガスや、モノメチルアミン（ＣＨ３ＮＨ２、略称：ＭＭＡ）ガス、ジメチルアミン（（ＣＨ３）２ＮＨ、略称：ＤＭＡ）ガス、トリメチルアミン（（ＣＨ３）３Ｎ、略称：ＴＭＡ）ガス等のメチルアミン系ガスや、モノメチルヒドラジン（（ＣＨ３）ＨＮ２Ｈ２、略称：ＭＭＨ）ガス、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２Ｎ２Ｈ２、略称：ＤＭＨ）ガス、トリメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２Ｎ２（ＣＨ３）Ｈ、略称：ＴＭＨ）ガス等の有機ヒドラジン系ガス等を用いることができる。Ｎ，Ｃ及びＨ含有ガスとしては、これらのうち１以上を用いることができる。
［サイクルの所定回数実施］
上述したステップ１，２を非同時に、すなわち、同期させることなく行うサイクルを所定回数（ｎ回、ｎは１以上の整数）行うことにより、図５（ｂ）に示すように、ウエハ２００の表面を下地として、この下地上に、所定の厚さの第１元素含有窒化膜としてのＳｉＮ膜を形成することができる。上述のサイクルは、複数回繰り返すことが好ましい。すなわち、１サイクルあたりに形成されるＳｉＮ層の厚さを所望の膜厚よりも薄くし、ＳｉＮ層を積層することで形成されるＳｉＮ膜の厚さが所望の厚さになるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すことが好ましい。なお、ステップａで形成した第１元素含有窒化膜としてのＳｉＮ膜は、後述するステップｂにおいて、酸化されることで所定の割合で膨張し、第１元素含有酸化膜としてのＳｉＯ膜に変換されることとなる。ステップａでは、このこと、すなわち、ＳｉＮ膜の膨張割合を勘案し、ステップｂで形成しようとするＳｉＯ膜の目標膜厚から逆算して、ＳｉＮ膜の膜厚を決定することが好ましい。
（圧力調整および温度調整）
ウエハ２００上へ所望の厚さのＳｉＮ膜を形成する処理が完了した後、処理室２０１内の圧力が大気圧未満の所定の圧力になるようにＡＰＣバルブ２４４を調整する（圧力調整）。また、処理室２０１内のウエハ２００の温度を所定の温度になるように、ヒータ２０７の出力を調整する（温度調整）。
（第１元素含有酸化膜形成）
その後、処理室２０１内のウエハ２００、すなわち、ウエハ２００上に形成された第１元素含有窒化膜としてのＳｉＮ膜に対して、酸化ガスとしてのＯ含有ガス及びＨ含有ガスを供給する。
具体的には、バルブ２４３ｄを開き、ガス供給管２３２ｄ内へＯ含有ガスを流す。ガス供給管２３２ｄ内を流れたＯ含有ガスは、ＭＦＣ２４１ｄにより流量調整され、ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給される。このとき同時に、バルブ２４３ｃを開き、ガス供給管２３２ｃ内へＨ含有ガスを流す。ガス供給管２３２ｃ内を流れたＨ含有ガスは、ＭＦＣ２４１ｃにより流量調整され、ノズル２４９ａを介して処理室２０１内へ供給される。Ｏ含有ガスとＨ含有ガスとは、処理室２０１内で混合して反応し、その後、排気口２３１ａより排気される。このとき、ウエハ２００に対して、Ｏ含有ガスとＨ含有ガスとの反応により生じた原子状酸素等の酸素を含む水分（Ｈ２Ｏ）非含有の酸化種が供給される（Ｏ含有ガス＋Ｈ含有ガス供給）。このとき、バルブ２４３ｅ，２４３ｆを開き、ノズル２４９ａ，２４９ｂを介して処理室２０１内へ不活性ガスを供給するようにしてもよい。
本ステップにおける処理条件としては、
Ｏ含有ガス供給流量：１０００～３００００ｓｃｃｍ
Ｈ含有ガス供給流量：１０００～１００００ｓｃｃｍ
各ガス供給時間：１～１０００分、好ましくは１～３００分
処理温度（ウエハ２００の温度）：３００℃以上８００℃未満、好ましくは３００℃以上６００℃未満
処理圧力（処理室２０１内の圧力）：１Ｐａ以上大気圧未満、好ましくは１～１０００Ｐａ
が例示される。他の処理条件は、ステップ１における処理条件と同様な処理条件とする。
上述の条件下でウエハ２００に対してＯ含有ガス、Ｈ含有ガスを供給することにより、原子状酸素等の酸化種が有する強い酸化力を利用して、ウエハ２００上に形成されたＳｉＮ膜を酸化させ、膜中にＯを取り込ませることが可能となる。また、ＳｉＮ膜中に含まれるＮを膜中から脱離させることが可能となる。これにより、図５（ｃ）に示すように、ウエハ２００上に形成された第１元素含有窒化膜としてのＳｉＮ膜を、第１元素含有酸化膜としてのＳｉＯ膜へと変換させることが可能となる。
また上述の条件下でＳｉＮ膜を酸化させてＳｉＯ膜へと変換させる際、ＳｉＮ膜は、酸化の過程においてＯを取り込むことで所定の割合（膨張割合）で膨張することとなる。そのため、ステップｂを行うことで形成されるＳｉＯ膜は、酸化処理前のＳｉＮ膜（ステップａを行うことで形成されたＳｉＮ膜）よりも、大きな膜厚を有する膜となる。例えば、ステップａを行うことで形成するＳｉＮ膜の厚さを５～５００Åとした場合、上述の処理条件下でステップｂを行うことで形成されるＳｉＯ膜の厚さは、その膨張割合（１．６程度）を乗じた厚さ、すなわち、８～８００Å程度の厚さとなる。
本ステップでは、処理温度として、ステップａで形成したＳｉＮ膜の厚さに応じて異なる処理温度（ウエハ２００の温度）を選択する。
例えば、本ステップでは、処理温度として、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体が酸化される温度を、ＳｉＮ膜の厚さに応じて選択する。本ステップにおいてこのような温度を選択することにより、ステップａで形成されたＳｉＮ膜を、その厚さ方向の全体にわたり酸化させてＳｉＯ膜へと変換させることが可能となる。
また例えば、本ステップでは、処理温度として、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体が酸化され、かつ、ウエハ２００とＳｉＮ膜の界面（すなわち、ＳｉＮ膜が形成される下地としてのウエハ２００の表面）を酸化させない温度を、ＳｉＮ膜の厚さに応じて選択する。本ステップにおいてこのような温度を選択することにより、ステップａで形成されたＳｉＮ膜を、その厚さ方向の全体にわたり酸化させてＳｉＯ膜へと変換させつつ、その下地であるウエハ２００の表面の酸化を抑制することが可能となる。
また例えば、本ステップでは、処理温度として、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させた時点で酸化反応が飽和する温度を、ＳｉＮ膜の厚さに応じて選択する。本ステップにおいてこのような温度を選択し、かつ、本ステップをＳｉＮ膜の全体の酸化反応が飽和する時点まで継続するようにすれば、ステップａで形成されたＳｉＮ膜を、その厚さ方向の全体にわたり酸化させて、ＳｉＯ膜へと変換させることが可能となる。また、本ステップにおいてこのような温度を選択することにより、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させた時点で、酸化反応を飽和させることができ、その後、処理時間が超過した場合においても、ウエハ２００の表面の酸化を抑制することが可能となる。すなわち、本ステップにおいてこのような温度を選択することにより、ウエハ２００の表面の酸化を抑制しつつ、ＳｉＮ膜全体を酸化させるという処理を、処理時間の厳密な管理を行うことなく、容易に達成することが可能となる。
なお、ここでいう「酸化反応の飽和」とは、単位時間当たりの酸化膜厚の増加速度が徐々に減少し、０Å／ｍｉｎとなるか、０Å／ｍｉｎに近づいた状態のことをいう。ただし、本明細書において「酸化反応が飽和する」とは、単位時間当たりの酸化膜厚の増加速度が０Å／ｍｉｎであることに限定されるものではない。単位時間当たりの酸化膜厚の増加速度が、０．４Å／ｍｉｎ以下、好ましくは０．２Å／ｍｉｎ以下である場合についても、「酸化反応が飽和する」に含めて考えるものとする。該増加速度が実質的に０Å／ｍｉｎに収束するまでには非常に長い時間がかかることがあるが、実用的な観点からは、ＳｉＮ膜の厚さ方向わたる全体を酸化させた時点での該増加速度が０．４Å／ｍｉｎ以下となる処理温度を選択すれば、上述の効果（すなわち、ウエハ２００の表面の酸化を抑制しつつ、ＳｉＮ膜全体を酸化させるという処理を、処理時間の厳密な管理を行うことなく、容易に達成することが可能となるという効果）を得ることができる。更に、該時点での該増加速度が０．２Å／ｍｉｎ以下となる処理温度を選択すれば、ウエハ２００の表面の酸化を抑制しつつ、ＳｉＮ膜全体を酸化させるという処理を、より正確に（高い制御性で）行うことができる。
なお、ステップａを行うことで形成するＳｉＮ膜の厚さを５～５００Åとした場合、本ステップで選択しうる処理温度としては、上述したように、例えば、３００℃以上８００℃未満である。特に、ＳｉＮ膜の厚さを５～５０Åとする場合には、本ステップで選択しうる処理温度としては、上述したように、３００℃以上６００℃未満とするのが好ましい。
処理温度が３００℃未満となると、ＳｉＮ膜を酸化させるための酸化種を生成することが困難となることがある。処理温度を３００℃以上とすることで、ＳｉＮ膜を酸化させるために十分な酸化種を生成し、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させることが可能となる。
処理温度が８００℃以上となると、酸化反応が飽和するまでに必要な処理時間の増大が顕著となるため、実用的な処理時間の範囲内において酸化反応を飽和させることが困難となる。処理温度を８００℃未満とすることで、実用的な処理時間の範囲内において酸化反応を飽和させることができる。例えば、処理温度を８００℃未満とすることで、比較的短時間で、酸化膜厚の増加速度を０．４Å／ｍｉｎ以下にまで飽和させることができ、４００～５００Å程度の薄いＳｉＮ膜を、ＳｉＮ膜の全体を酸化させた時点で酸化反応を確実に飽和させることができる。また、処理温度を６００℃未満とすることで、実用的な処理時間の範囲内において、酸化反応をより明確に飽和させることができる。例えば、処理温度を６００℃未満とすることで、比較的短時間で、酸化膜厚の増加速度を０．２Å／ｍｉｎ以下にまで飽和させることができ、５～５０Å程度のさらに薄いＳｉＮ膜を、ＳｉＮ膜の全体を酸化させた時点で酸化反応を確実に飽和させることができる。
ＳｉＮ膜のＳｉＯ膜への変換が終了した後、バルブ２４３ｄ，２４３ｃを閉じ、処理室２０１内へのＯ含有ガス、Ｈ含有ガスの供給を停止する。
Ｏ含有ガスとしては、酸素（Ｏ２）ガス、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガス、一酸化窒素（ＮＯ）ガス、二酸化窒素（ＮＯ２）ガス、オゾン（Ｏ３）ガス、Ｈ２Ｏガス、一酸化炭素（ＣＯ）ガス、二酸化炭素（ＣＯ２）ガス等を用いることができる。Ｈ含有ガスとしては、水素（Ｈ２）ガス、重水素（Ｄ２）ガスを用いることができる。
（アフターパージおよび大気圧復帰）
ウエハ２００上へ所望の厚さのＳｉＯ膜を形成する処理が完了した後、ノズル２４９ａ，２４９ｂのそれぞれからパージガスとして不活性ガスを処理室２０１内へ供給し、排気口２３１ａより排気する。これにより、処理室２０１内がパージされ、処理室２０１内に残留するガスや反応副生成物が処理室２０１内から除去される（アフターパージ）。その後、処理室２０１内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。
（ボートアンロードおよびウエハディスチャージ）
その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降され、マニホールド２０９の下端が開口される。そして、処理済のウエハ２００が、ボート２１７に支持された状態でマニホールド２０９の下端から反応管２０３の外部に搬出（ボートアンロード）される。ボートアンロードの後は、シャッタ２１９ｓが移動させられ、マニホールド２０９の下端開口がＯリング２２０ｃを介してシャッタ２１９ｓによりシールされる（シャッタクローズ）。処理済のウエハ２００は、反応管２０３の外部に搬出された後、ボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
（３）本態様による効果
本態様によれば、以下に示す１つ又は複数の効果が得られる。
（ａ）ステップｂでは、処理温度として、第１元素含有窒化膜（窒化膜）の厚さに応じて異なる処理温度を選択する。このように、ステップｂにおいて、種々の処理条件のうち、比較的制御しやすい処理温度を制御パラメータとして用いることにより、ウエハ２００上に形成された窒化膜の酸化速度の制御を、容易に行うことが可能となる。
（ｂ）ステップｂでは、処理温度として、窒化膜の厚さ方向にわたる全体が酸化される温度を、窒化膜の厚さに応じて選択する。このような温度を選択するので、窒化膜の厚さ方向にわたる全体を、確実に酸化させることが可能となる。
（ｃ）ステップｂでは、処理温度として、窒化膜の厚さ方向にわたる全体が酸化され、かつ、ウエハ２００の表面を酸化させない温度を、窒化膜の厚さに応じて選択する。このような温度を選択するので、窒化膜の厚さ方向にわたる全体を確実に酸化させつつ、ウエハ２００の表面の酸化を確実に抑制することが可能となる。
（ｄ）ステップｂでは、処理温度として、窒化膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させた時点で酸化反応が飽和する温度を、窒化膜の厚さに応じて選択する。このような温度を選択するので、ステップｂを、少なくとも窒化膜の全体の酸化反応が飽和する時点まで継続するようにすれば、ステップａで形成された窒化膜を、その厚さ方向の全体にわたり確実に酸化させることが可能となる。また、窒化膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させた後、処理時間を超過させるようにした場合においても、ウエハ２００の表面の酸化を確実に抑制することが可能となる。すなわち、ステップｂにおいてこのような温度を選択することにより、ウエハ２００の表面の酸化を抑制しつつ、窒化膜全体を酸化させるという処理を、処理時間の厳密な管理を行うことなく、容易に達成することが可能となる。
（ｅ）ステップａでは、窒化膜の膨張割合を勘案し、ステップｂで形成しようとする第１元素含有酸化膜（酸化膜）の目標膜厚から逆算してＳｉＮ膜の膜厚を決定する。これにより、ウエハ２００上に、所望の膜厚の酸化膜を形成することができる。
（ｆ）ステップａを酸素非含有の雰囲気下で行うことから、ウエハ２００の表面の酸化を抑制することが可能となる。またステップｂにおいて、窒化膜の厚さ方向にわたる全体が酸化され、かつ、ウエハ２００の表面を酸化させない温度（例えば、窒化膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させた時点で酸化反応が飽和する温度を選択）を選択することにより、窒化膜の厚さ方向にわたる全体を確実に酸化させつつ、ウエハ２００の表面の酸化を抑制することが可能となる。このように、本開示は、ウエハ２００の表面の酸化を回避しつつ、ウエハ２００上にごく薄い酸化膜を形成できるという点で、従来技術に比べて非常に有意義である。なお、ウエハ２００に対して、例えば、シラン系ガスとＯ含有ガスとを交互或いは同時に供給する従来手法によっては、ウエハ２００の表面の酸化を回避しつつ、ウエハ２００上に例えば８～８００Åの厚さのごく薄い酸化膜としてのＳｉＯ膜を形成することは困難である。
（ｇ）ステップａでは、ウエハ２００に対して第１元素含有ガスとＮ含有ガスとを交互に供給することによって、ウエハ２００上に、段差被覆性、ウエハ２００面内膜厚均一性、ウエハ２００間膜厚均一性、膜厚制御性等に優れた窒化膜を形成することができる。そのため、この窒化膜を酸化させることにより形成される酸化膜についても、窒化膜と同様、段差被覆性、ウエハ２００面内膜厚均一性、ウエハ２００間膜厚均一性、膜厚制御性に優れた膜とすることが可能となる。
（ｈ）ステップｂでは、原子状酸素等の酸化種が有する強い酸化力を利用して、ウエハ２００上に形成された窒化膜を酸化させる。これにより、ウエハ２００上に形成される酸化膜を、エッチング耐性、絶縁性に優れた、高密度で高品質な膜とすることが可能となる。
（ｉ）ステップａとステップｂとを同一の処理室２０１内（ｉｎ－ｓｉｔｕ）にて行うので、これらのステップをそれぞれ異なる処理室内（ｅｘ－ｓｉｔｕ）で行う場合よりも、処理時間の短縮を図ることができる。また、このようにすることで、ステップｂの実行前に、ＳｉＮ膜に自然酸化膜（界面不純物）が形成されることを抑制することができる。
（ｊ）上述の効果は、上述の各種第１元素含有ガス、Ｎ含有ガス、Ｏ含有ガス、Ｈ含有ガス、不活性ガスを用いる場合にも、同様に得ることができる。
＜本開示の他の態様＞
上述の態様では、ステップａにおいて窒化膜を形成し、ステップｂにおいて、窒化膜を酸化させ酸化膜を形成する例について説明した。しかしながら、本開示はこれに限定されない。本態様のウエハ２００上に所定膜厚の酸化膜を形成する他の成膜処理シーケンス例について、主に、図６、図７（ａ）～図７（ｃ）を用いて説明する。なお、本態様では、主に、上述した態様と異なる処理手順、処理条件について以下に説明し、同じ処理手順、処理条件については説明を省略する。
本態様における成膜処理シーケンスでは、
処理室内のウエハ２００に対して、酸素非含有の雰囲気下で第１元素含有ガスを供給することで、ウエハ２００上に第１元素含有膜を形成するステップｃと、
ウエハ２００に対して、酸素含有ガスを供給することで、第１元素含有膜を酸化させて酸化膜を形成するステップｄと、を行い、
ステップｄでは、第１元素含有膜の厚さに応じて異なるウエハ２００の温度を選択する。
本態様における成膜処理シーケンスでは、
ステップｃにおいて、ウエハ２００に対して第１元素含有ガスを供給するステップを行うサイクルを所定回数（ｎ回、ｎは１以上の整数）行い、第１元素含有膜として、第１元素単体膜（以下、単に単体膜と称することがある）を形成する。
また、本態様における成膜処理シーケンスでは、
ステップｄにおいて、減圧下（大気圧未満の圧力下）にある処理室２０１内のウエハ２００に対してＯ含有ガスとＨ含有ガスとを同時に供給して、第１元素単体膜を酸化させて第１元素含有酸化膜（以下、単に酸化膜と称することがある）を形成する。
本明細書では、上述の成膜処理シーケンスを、便宜上、以下のように示すこともある。
第１元素含有ガス×ｎ→（Ｏ含有ガス＋Ｈ含有ガス）
上述の態様と同様の処理手順により、ウエハ２００を処理室２０１内へ搬入し、処理室２０１内の圧力調整および温度調整を行う。
（第１元素単体膜形成）
その後、上述の態様と同様の処理手順により、処理室２０１内のウエハ２００に対して第１元素含有ガスを供給する。
本ステップにおける処理条件としては、
第１元素含有ガス供給流量：１０～５００ｓｃｃｍ、好ましくは１００～４００ｓｃｃｍ
不活性ガス供給流量（ガス供給管毎）：５００～１５００ｓｃｃｍ
各ガス供給時間：１～３００秒、好ましくは１０～１２０秒
処理温度（ウエハ２００の温度）：３００～５５０℃、好ましくは４００～５５０℃
処理圧力（処理室２０１内の圧力）：１０～１３３００Ｐａ、好ましくは３００～１３３０Ｐａ
が例示される。
本ステップにおいて、第１元素含有ガスとして、例えば、Ｓｉ含有ガスであるクロロシラン系ガスを用いる場合、上述の態様と同様に、ウエハ２００上に、第１元素含有層としてのＳｉ含有層が形成される。また、第１元素含有ガスとして、上述の態様において例示した他の第１元素含有ガスを用いることもできる。
Ｓｉ含有層が形成された後、上述の態様と同様の処理手順により、処理室２０１内への第１元素含有ガスの供給を停止する。そして、上述の態様と同様の処理手順により、処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留するガス等を処理室２０１内から排除する（パージ）。なお、上述の態様では、処理室２０１内に残留するガス等を処理室２０１内から排除するために用いるパージガスとして不活性ガスを用いているが、不活性ガスに替えて、又は不活性ガスとともにＨ２ガスをパージガスとして用いてもよい。
［サイクルの所定回数実施］
上述したステップを行うサイクルを所定回数（ｎ回、ｎは１以上の整数）行うことにより、図７（ｂ）に示すように、ウエハ２００の表面を下地として、この下地上に、所定の厚さのＳｉ膜を形成することができる。なお、ステップｃで形成した第１元素単体膜としてのＳｉ膜は、後述するステップｄにおいて、酸化されることで所定の割合で膨張し、第１元素含有酸化膜としてのＳｉＯ膜に変換されることとなる。ステップｃでは、このこと、すなわち、Ｓｉ膜の膨張割合を勘案し、ステップｄで形成しようとするＳｉＯ膜の目標膜厚から逆算して、Ｓｉ膜の膜厚を決定することが好ましい。
ウエハ２００上へ所望の厚さのＳｉ膜を形成する処理が完了した後、処理室２０１内の圧力が大気圧未満の所定の圧力になるようにＡＰＣバルブ２４４を調整する（圧力調整）。また、処理室２０１内のウエハ２００の温度を所定の温度になるように、ヒータ２０７の出力を調整する（温度調整）。
（第１元素含有酸化膜形成）
その後、処理室２０１内のウエハ２００、すなわち、ウエハ２００上に形成された第１元素含有単体膜であるＳｉ膜に対してＯ含有ガス、Ｈ含有ガスを供給する。
本ステップにおける処理条件としては、上述の態様の第１元素含有酸化膜形成ステップにおける処理条件と同様な処理条件が例示される。
上述の条件下でウエハ２００に対してＯ含有ガス、Ｈ含有ガスを供給することにより、図７（ｃ）に示すように、ウエハ２００上に形成された第１元素単体膜であるＳｉ膜を、第１元素含有酸化膜であるＳｉＯ膜へと変換させる。
また上述の条件下でＳｉ膜を酸化させてＳｉＯ膜へと変換させる際、Ｓｉ膜は、酸化の過程においてＯを取り込むことで所定の割合（膨張割合）で膨張することとなる。そのため、ステップｄを行うことで形成されるＳｉＯ膜は、酸化処理前のＳｉ膜（ステップｃを行うことで形成されたＳｉ膜）よりも、大きな膜厚を有する膜となる。例えば、ステップｃを行うことで形成するＳｉ膜の厚さを５～５００Åとした場合、上述の処理条件下でステップｄを行うことで形成されるＳｉＯ膜の厚さは、その膨張割合（２倍程度）を乗じた厚さ、すなわち、１０～１０００Å程度の厚さとなる。
なお、ステップｃを行うことで形成するＳｉ膜の厚さを５～５００Åとした場合、本ステップで選択しうる処理温度としては、上述したように、例えば、３００℃以上８００℃未満である。特に、Ｓｉ膜の厚さを５～５０Åとする場合には、本ステップで選択しうる処理温度としては、上述したように、３００℃以上６００℃未満とするのが好ましい。
Ｓｉ膜のＳｉＯ膜への変換が終了した後、上述の態様と同様の処理手順により、処理室２０１内へのＯ含有ガス、Ｈ含有ガスの供給を停止する。
ウエハ２００上へ所望の厚さのＳｉＯ膜を形成する処理が完了した後、上述の態様と同様の処理手順により、処理室２０１内に残留するガスや反応副生成物を処理室２０１内から除去し、処理済のウエハ２００を反応管２０３の外部に搬出する。
本態様においても、上述の態様と同様の効果を得ることができる。
＜本開示のさらに他の態様＞
以上、本開示の態様を具体的に説明した。しかしながら、本開示は上述の態様に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
上述の態様では、ステップｂにおいて、窒化膜中に含まれるＮを膜中から全て脱離させて、窒化膜を酸化膜へと変換させる例について説明したが本開示はこれに限定されない。例えば、ステップｂにおいて、窒化膜中に含まれるＮを所定の割合で残留させて、酸窒化膜（例えばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜））を形成してもよい。このようにしても、上述の態様と同様の効果が得られる。
また、上述の態様では、例えば、ステップａにおいて窒化膜を形成し、ステップｂにおいて、窒化膜を酸化させて酸化膜を形成する例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、ステップａにおいて、ウエハ２００上に炭化膜（例えばシリコン炭化膜（ＳｉＣ膜））を形成し、ステップｂにおいて、炭化膜を酸化させて、酸炭化膜（例えばシリコン酸炭化膜（ＳｉＯＣ膜））を形成してもよい。また、ステップａにおいて、炭窒化膜（例えばシリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜））を形成し、ステップｂにおいて、炭窒化膜を酸化させて、炭酸窒化膜（例えばシリコン炭酸窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜））を形成してもよい。このようにしても、上述の態様と同様の効果が得られる。
また、本開示は、ウエハ２００上に、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）等の金属元素を含む酸化膜、すなわち、金属系酸化膜を形成する場合においても、好適に適用可能である。すなわち、本開示は、ウエハ２００上にアルミニウム酸化膜（ＡｌＯ膜）、ハフニウム酸化膜（ＨｆＯ膜）、ジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ膜）、チタン酸化膜（ＴｉＯ膜）等を形成する場合にも、好適に適用することができる。このような場合でも、上述の態様と同様の効果が得られる。
また、上述の態様では、ステップｂにおいて、ウエハ２００に対して酸化ガスとしてＯ含有ガスとＨ含有ガスとを同時に供給する例について説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。例えば、ステップｂにおいて、ウエハ２００に対してＨ含有ガスを供給することなく、上述したＯ含有ガスを単独で供給することにより、第１元素含有窒化膜や第１元素単体膜等の第１元素含有膜を酸化させてもよい。また、Ｏ含有ガスをプラズマ励起して、Ｏを含む活性種を用いて酸化を行ってもよい。ただし、強い酸化力で酸化処理を行うことが可能という観点からは、上述の態様のように、ウエハ２００に対してＯ含有ガスとＨ含有ガスとを同時に供給する態様が好ましい。
各処理に用いられるレシピは、処理内容に応じて個別に用意し、電気通信回線や外部記憶装置１２３を介して記憶装置１２１ｃ内に格納しておくことが好ましい。そして、各処理を開始する際、ＣＰＵ１２１ａが、記憶装置１２１ｃ内に格納された複数のレシピの中から、処理内容に応じて適正なレシピを適宜選択することが好ましい。これにより、１台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の膜を、再現性よく形成することができるようになる。また、オペレータの負担を低減でき、操作ミスを回避しつつ、各処理を迅速に開始できるようになる。
上述のレシピは、新たに作成する場合に限らず、例えば、基板処理装置に既にインストールされていた既存のレシピを変更することで用意してもよい。レシピを変更する場合は、変更後のレシピを、電気通信回線や当該レシピを記録した記録媒体を介して、基板処理装置にインストールしてもよい。また、既存の基板処理装置が備える入出力装置１２２を操作し、基板処理装置に既にインストールされていた既存のレシピを直接変更してもよい。
上述の態様では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の基板処理装置を用いて膜を形成する例について説明した。本開示は上述の態様に限定されず、例えば、一度に１枚または数枚の基板を処理する枚葉式の基板処理装置を用いて膜を形成する場合にも、好適に適用できる。また、上述の態様では、ホットウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて膜を形成する例について説明した。本開示は上述の態様に限定されず、コールドウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて膜を形成する場合にも、好適に適用できる。
これらの基板処理装置を用いる場合においても、上述の態様と同様な処理手順、処理条件にて各処理を行うことができ、上述の態様と同様の効果が得られる。
上述の態様は、適宜組み合わせて用いることができる。このときの処理手順、処理条件は、例えば、上述の態様の処理手順、処理条件と同様とすることができる。
実施例として、図１に示す基板処理装置を用い、上述の態様における基板処理と同様の処理手順、処理条件により、ステップａにおいて、ウエハ上にＳｉＮ膜を形成し、ステップｂにおいて、ＳｉＮ膜を酸化して酸化としてのＳｉＯ膜を形成した。ＳｉＯ膜を形成する際に、複数回の所定のタイミングにおいてＳｉＮ膜の酸化量（酸化膜厚）を測定した。その結果を図８に示す。なお、ステップａでは、第１元素含有ガスであるクロロシラン系ガスとしてＨＣＤＳガスを用い、Ｎ含有ガスとしてＮＨ３ガスを用い、ステップｂでは、Ｏ含有ガスとしてＯ２ガス、Ｈ含有ガスとしてＨ２ガスを用いた。
図８は、ＳｉＮ膜が形成されたウエハに対して、Ｏ２ガス、Ｈ２ガスを供給する時間（以下、単に「供給時間」と称する場合がある。）と、供給時間におけるＳｉＮ膜の酸化量（酸化膜厚）と、の関係を処理温度ごとに例示するものである。図８の横軸は、供給時間を［ｍｉｎ］で示している。図８の縦軸は、ＳｉＮ膜の酸化量（酸化膜厚）を［Å］で示している。
図８中、●は、処理温度が４００℃のときの、所定の供給時間におけるＳｉＮ膜の酸化量を示している。▲は、処理温度が５００℃のときの、所定の供給時間におけるＳｉＮ膜の酸化量を示している。■は、処理温度が６００℃のときの、所定の供給時間におけるＳｉＮ膜の酸化量を示している。◆は、処理温度が７００℃のときの、所定の供給時間におけるＳｉＮ膜の酸化量を示している。
具体的には、例えば、処理温度が４００℃のときは、供給時間が１００ｍｉｎ付近に到達すると、ＳｉＮ膜の酸化量は約３０Åに達する。供給時間が１７５ｍｉｎ付近におけるＳｉＮ膜の酸化量は、約３２Åである。従って、供給時間１００～１７５ｍｉｎにおける単位時間当たりのＳｉＮ膜の酸化膜厚は、（３２－３０）Å／（１７５－１００）ｍｉｎ≒０．０２７Å／ｍｉｎであり、０．４Å／ｍｉｎ以下となる。従って、供給時間が１００ｍｉｎ付近に到達した時点で酸化反応が飽和したとみなすことができる。よって、膜厚３０ÅのＳｉＮ膜を酸化させるときは、処理温度４００℃を選択することが好ましい。４００℃を選択することにより、供給時間が１００ｍｉｎ付近に到達した時点で、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させることができ、かつ、酸化反応が飽和するので、厳密な供給時間の管理をしなくても、ウエハの酸化を抑制することが可能となる。また、このように、供給時間を充分にとることができるので、ウエハの表面全域にわたって均一にＳｉＯ膜を形成することができる。
また、例えば、処理温度が５００℃のときは、供給時間が１２５ｍｉｎ付近に到達すると、ＳｉＮ膜の酸化量は約４０Åに達する。供給時間が１７５ｍｉｎ付近におけるＳｉＮ膜の酸化量は、約４２Åである。従って、供給時間１７５～１２５ｍｉｎにおける単位時間当たりのＳｉＮ膜の酸化膜厚は、（４２－４０）Å／（１７５－１２５）ｍｉｎ＝０．０４Å／ｍｉｎであり、０．４Å／ｍｉｎ以下となる。従って、供給時間が１２５ｍｉｎ付近に到達した時点で酸化反応が飽和したとみなすことができる。よって、膜厚４０ÅのＳｉＮ膜を酸化させるときは、処理温度５００℃を選択することが好ましい。５００℃を選択することにより、供給時間が１２５ｍｉｎ付近に到達した時点で、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させることができ、かつ、酸化反応が飽和するので、厳密な供給時間の管理をしなくても、ウエハの酸化を抑制することが可能となる。また、このように、供給時間を充分にとることができるので、ウエハの表面全域にわたって均一にＳｉＯ膜を形成することができる。
また、例えば、処理温度が６００℃のときは、供給時間が１２５ｍｉｎ付近に到達すると、ＳｉＮ膜の酸化量は約６０Åに達する。供給時間が１７５ｍｉｎ付近におけるＳｉＮ膜の酸化量は、約７０Åである。従って、供給時間１７５～１２５ｍｉｎにおける単位時間当たりのＳｉＮ膜の酸化膜厚は、（７０－６０）Å／（１７５－１２５）ｍｉｎ＝０．２Å／ｍｉｎであり、０．４Å／ｍｉｎ以下となる。従って、供給時間が１２５ｍｉｎ付近に到達した時点で酸化反応が飽和したとみなすことができる。よって、膜厚６０ÅのＳｉＮ膜を酸化させるときは、処理温度６００℃を選択することが好ましい。６００℃を選択することにより、供給時間が１２５ｍｉｎ付近に到達した時点で、ＳｉＮ膜の厚さ方向にわたる全体を酸化させることができ、かつ、酸化反応が飽和するので、厳密な供給時間の管理をしなくても、ウエハの酸化を抑制することが可能となる。また、このように、供給時間を充分にとることができるので、ウエハの表面全域にわたってＳｉＯ膜を均一に形成することができる。
また、例えば、処理温度が７００℃のときは、供給時間が１２５ｍｉｎ付近に到達すると、ＳｉＮ膜の酸化量は約１００Åに達する。供給時間が１７５ｍｉｎ付近におけるＳｉＮ膜の酸化量は、約１３２Åである。従って、供給時間１７５～１２５ｍｉｎにおける単位時間当たりのＳｉＮ膜の酸化膜厚は、（１３２－１００）Å／（１７５－１２５）ｍｉｎ＝０．６４Å／ｍｉｎであり、０．４Å／ｍｉｎ以上となった。従って、膜厚１００ÅのＳｉＮ膜を酸化させるときは、処理温度として７００℃よりも低く、６００℃よりも高い温度を選択するのが好ましいことがわかった。
２００ ウエハ（基板）

Claims (16)

  1. （ａ）基板に対して、酸素非含有の雰囲気下で第１元素含有ガスを供給することで、前記基板の表面を構成する下地上に第１元素含有膜を形成する工程と、
    （ｂ）前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することで、前記第１元素含有膜を酸化させて酸化膜を形成する工程と、を有し、
    （ｂ）では、前記第１元素含有膜の厚さに応じて異なり、且つ、前記第１元素含有膜をその厚さ方向全体に亘って酸化させた時点で酸化反応を飽和させ、前記第１元素含有膜に接する前記下地の酸化を抑制する前記基板の温度を選択する、
    基板処理方法。
  2. （ｂ）を、前記第１元素含有膜の全体の酸化反応が飽和する時点まで継続する、
    請求項１に記載の基板処理方法。
  3. （ｂ）を、単位時間当たりの前記第１元素含有膜の酸化膜厚の増加速度が、０．４Å／ｍｉｎ以下となるまで継続する、
    請求項１又は２に記載の基板処理方法。
  4. （ｂ）において、前記第１元素含有膜を酸化させることにより膨張して形成される前記酸化膜が所望の膜厚になるように、（ａ）における前記第１元素含有膜の膜厚を決定する、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の基板処理方法。
  5. 前記下地は酸素非含有の組成を有している、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の基板処理方法。
  6. （ａ）では、前記第１元素含有ガスとして、第１元素がシリコンであるガスを用いる、
    請求項１～５のいずれか１項に記載の基板処理方法。
  7. （ａ）では、前記第１元素含有膜として、シリコン窒化膜を形成する、
    請求項６に記載の基板処理方法。
  8. （ａ）では、前記第１元素含有膜として、シリコン膜を形成する、
    請求項６に記載の基板処理方法。
  9. （ｂ）では、前記酸化膜として、シリコン酸化膜を形成する、
    請求項８に記載の基板処理方法。
  10. （ｂ）では、前記酸化膜として、シリコン酸窒化膜を形成する、
    請求項７に記載の基板処理方法。
  11. （ａ）では、前記第１元素含有膜として、シリコン炭化膜またはシリコン炭窒化膜を形成する
    請求項６に記載の基板処理方法。
  12. （ｂ）では、前記酸化膜として、シリコン酸炭化膜またはシリコン炭酸窒化膜を形成する、
    請求項１１に記載の基板処理方法。
  13. （ｂ）では、減圧下にある前記基板に対して前記酸素含有ガスと水素含有ガスとを供給する、
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の基板処理方法。
  14. （ａ）基板に対して、酸素非含有の雰囲気下で第１元素含有ガスを供給することで、前記基板の表面を構成する下地上に第１元素含有膜を形成する工程と、
    （ｂ）前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することで、前記第１元素含有膜を酸化させて酸化膜を形成する工程と、を有し、
    （ｂ）では、前記第１元素含有膜の厚さに応じて異なり、且つ、前記第１元素含有膜をその厚さ方向全体に亘って酸化させた時点で酸化反応を飽和させ、前記第１元素含有膜に接する前記下地の酸化を抑制する前記基板の温度を選択する、
    半導体装置の製造方法。
  15. 第１元素含有ガスを基板に対して供給する第１ガス供給部と、酸素含有ガスを前記基板に対して供給する第２ガス供給部と、
    （ａ）前記基板に対して、酸素非含有の雰囲気下で前記第１元素含有ガスを供給することで、前記基板の表面を構成する下地上に第１元素含有膜を形成する処理と、（ｂ）前記基板に対して、前記酸素含有ガスを供給することで、前記第１元素含有膜を酸化させて酸化膜を形成する処理と、を実行するように、前記第１ガス供給部と前記第２ガス供給部とを制御可能に構成される制御部と、
    を有し、
    （ｂ）では、前記第１元素含有膜の厚さに応じて異なり、且つ、前記第１元素含有膜をその厚さ方向全体に亘って酸化させた時点で酸化反応を飽和させ、前記第１元素含有膜に接する前記下地の酸化を抑制する前記基板の温度が選択される、
    基板処理装置。
  16. （ａ）基板に対して、酸素非含有の雰囲気下で第１元素含有ガスを供給する
    ことで、前記基板の表面を構成する下地上に第１元素含有膜を形成する手順と、
    （ｂ）前記基板に対して、酸素含有ガスを供給することで、前記第１元素含有膜を酸化
    させて酸化膜を形成する手順と、を有し、
    （ｂ）では、前記第１元素含有膜の厚さに応じて異なり、且つ、前記第１元素含有膜をその厚さ方向全体に亘って酸化させた時点で酸化反応を飽和させ、前記第１元素含有膜に接する前記下地の酸化を抑制する前記基板の温度を選択する手順を、コンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。
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