(57)【要約】【課題】シリコン窒化膜の膜質の向上が図れる半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供する。【解決手段】基板が加熱された状態で収容された処理室内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給工程と、処理室内に窒素含有ガスを供給するアンモニア供給工程と、を交互に繰り返し実施することで前記基板上にシリコン窒化膜を形成する成膜工程を有し、前記アンモニア供給工程中に、前記処理室の排気停止状態と排気作動状態との間の切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室の圧力を変動させるようにした半導体装置の製造方法である。【選択図】図３
2011082493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が加熱された状態で収容された処理室内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給工程と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給工程と、
を交互に繰り返し実施することで前記基板上にシリコン窒化膜を形成する成膜工程を有し、
前記窒素含有ガス供給工程中に、前記処理室内の排気停止状態と排気作動状態との間の切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室内の最大圧力が最低圧力の２０倍以上の圧力となるように前記処理室内の圧力を変動させる
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板を処理する処理室と、
前記処理室内にシリコン含有ガスを供給する第１ガス供給手段と、
前記処理室内に窒素含有ガスを供給する第２ガス供給手段と、
前記処理室内の基板を加熱するヒータと、
前記処理室内のガスを排気する排気手段と、
前記排気手段、前記第１ガス供給手段、前記第２ガス供給手段、及び前記ヒータを制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記処理室内へのシリコン含有ガスの供給と、前記処理室内への窒素含有ガスの供給とを交互に繰り返し制御して前記基板上にシリコン窒化膜を形成すると共に、前記窒素含有ガスの供給中に前記処理室内の排気停止と排気作動との切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室内の最大圧力が最低圧力の２０倍以上の圧力となるように前記処理室内の圧力を変動させる
基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び基板処理装置に関し、特にＡＬＤ法を用いてシリコン窒化膜を成膜する半導体装置の製造方法及び基板処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程の１つに、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて基板上に所定の薄膜を堆積する成膜工程がある。ＣＶＤ法は、ガス状原料の気相反応および表面反応を利用して、原料分子に含まれる元素を構成要素とする薄膜を基板上へ堆積する方法である。ＣＶＤ法のなかで、薄膜堆積が原子層レベルで制御されているものはＡＬＤ法、あるいはＣｙｃｌｉｃ  ＣＶＤ法と呼ばれている。ＡＬＤ法では、二種類以上の原料を交互に基板へ供給する方法が用いられ、その繰り返し回数（サイクル数）によって膜厚が制御されることが大きな特徴である。
【０００３】
従来、基板（ウエハ）を鉛直方向に多段に配置した縦型の半導体製造装置（基板処理装置）を用い、ＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロロシラン、ＤＣＳ）とＮＨ３（アンモニア）とを使用して、ＡＬＤ法、あるいはＣｙｃｌｉｃ  ＣＶＤ法によってアモルファス状態のシリコン窒化膜の形成が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
基板上へのシリコン窒化膜の形成は、例えば、ＤＣＳ供給処理と、Ｎ２パージ処理と、ＮＨ３供給処理と、Ｎ２パージ処理とで構成され、これら処理を繰り返す（以下、単にサイクル処理と呼ぶ）ことにより、基板上に所定膜厚のシリコン窒化膜が堆積形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１８１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記サイクル処理を繰り返すことによって基板上に形成されたシリコン窒化膜には、次のような問題が発生しやすい。
第一の問題は、窒化不足によるシリコン窒化膜の絶縁性の不良である。
第二の問題は、シリコン窒化膜中への副生成物（Ｂｙｐｒｏｄｕｃｔ）の混入による絶縁性の不良や、パーティクル（Ｐａｒｔｉｃｌｅ）の発生である。
このような従来の膜質上の問題は、ＮＨ３供給処理時の窒化不足などによって引き起こされるものであるが、サイクル処理の時間を短くしたり、基板温度を下げたり、基板に形成されるシリコン窒化膜などのパターンが微細化したり、一度に処理する基板枚数を増やしたりすると、より顕著に現れる。
【０００７】
また、従来、上記問題を改善するために、ＮＨ３供給処理時に、処理室（反応室）内を一定圧力に制御しながら、ＮＨ３流量の増加とＮＨ３処理時間の延長とによって窒化力を強化しようとする方法があった。この従来方法では、基板上のガス流速（ガス流量）は良くなるが、化学反応や吸着反応は基板上に供給した原料の滞在時間の長さや濃度、あるいは圧力によって規定（律則）されるため、この従来方法による改善効果は小さいうえ、ガス利用効率が大幅に悪くなり、生産性の向上もほとんど期待できない。
【０００８】
本発明は、シリコン窒化膜の膜質の向上が図れる半導体装置の製造方法及び基板処理装
置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】
【０００９】
本発明の一態様によれば、基板が加熱された状態で収容された処理室内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給工程と、前記処理室内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給工程と、を交互に繰り返し実施することで前記基板上にシリコン窒化膜を形成する成膜工程を有し、前記窒素含有ガス供給工程中に、前記処理室内の排気停止状態と排気作動状態との間の切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室内の最大圧力が最低圧力の２０倍以上の圧力となるように前記処理室内の圧力を変動させる半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、基板を処理する処理室と、前記処理室内にシリコン含有ガスを供給する第１ガス供給手段と、前記処理室内に窒素含有ガスを供給する第２ガス供給手段と、前記処理室内の基板を加熱するヒータと、前記処理室内のガスを排気する排気手段と、前記排気手段、前記第１ガス供給手段、前記第２ガス供給手段、及び前記ヒータを制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記処理室内へのシリコン含有ガスの供給と、前記処理室内への窒素含有ガスの供給とを交互に繰り返し制御して前記基板上にシリコン窒化膜を形成すると共に、前記窒素含有ガスの供給中に前記処理室内の排気停止と排気作動との切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室内の最大圧力が最低圧力の２０倍以上の圧力となるように前記処理室内の圧力を変動させる基板処理装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基板上のシリコン窒化膜の膜質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略構成図である。
【図２】図１に示す処理炉のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の一実施例、比較例、および従来例のシリコン窒化膜の成膜工程において、処理室内の１サイクル中における圧力の推移を示すグラフである。
【図４】ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで堆積速度が増大する様子を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。
【図５】シリコン窒化膜の膜厚の面内均一性を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。
【図６】シリコン窒化膜の屈折率を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。
【図７】排気系に各種ガスが排気される様子を示す模式図であり、（ａ）は比較例を、（ｂ）は実施例をそれぞれ示している。
【図８】処理室内に供給されるＮＨ３ガスの流量増加に伴い基板温度の面内度均一性が低下する様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る半導体装置の製造方法及び基板処理装置の一実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１４】
［１］基板処理装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る縦型の処理炉（反応炉）２０２を用いた基板処理装
置（半導体製造装置）の概略構成図であって、処理炉２０２部分を縦断面で示している。また、図２は、図１に示す処理炉２０２部分のＡ−Ａ断面図である。なお、本発明は、本実施形態にかかる基板処理装置に限らず、枚葉式、Ｃｏｌｄ  Ｗａｌｌ型の処理炉を有する基板処理装置にも適用できる。
【００１５】
図１に示すように、処理炉２０２は加熱手段としてのヒータ２０７を有する。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（図示せず）上に垂直に据え付けられている。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）等の耐熱性材料からなり、上端が閉じ下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管２０３内部には処理室（反応室）２０１が形成されている。処理室２０１内には、基板としてのウエハ２００が、水平姿勢で且つ垂直方向に多段に整列した状態でボート２１７に収容されるように構成されている。
【００１６】
反応管２０３の下方には、反応管２０３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、反応管２０３の下端に垂直方向下側から当接される。シールキャップ２１９は、例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、反応管２０３の下端と当接するシール部材としてＯリング２２０が設けられている。シールキャップ２１９の下方には、基板保持具としてのボート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（図示せず）がシールキャップ２１９を貫通して設けられており、ボート２１７を回転させることでウエハ２００が回転するように構成されている。また、回転機構２６７の回転軸に成膜ガスが入り込まないように、回転機構（Ｒｏｔａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｔ）２６７には、回転軸にＮ２ガスを流すＲ−Ｕｎｉｔノズル（図示せず）が設けられている。シールキャップ２１９は、昇降機構としてのボートエレベータ（図示せず）によって垂直方向に昇降されるように構成されている。シールキャップ２１９を昇降させることで、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入・搬出できるように構成されている。
【００１７】
基板保持具としてのボート２１７は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなり、複数枚のウエハ２００を水平姿勢で、かつ、上下に所定間隔を隔てて多段に保持できるようになっている。ボート２１７の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる断熱部材２１８が設けられており、ヒータ２０７からの熱がシールキャップ２１９側に伝わり難くなるように構成されている。反応管２０３内には、温度検出器として熱電対等の温度センサ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に基づいてヒータ２０７への通電が調整され、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。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。
【００１８】
反応管２０３の下部には、原料ガスとしてのシリコン含有ガスであるＤＣＳ（ジクロロシラン）を含むガスを処理室２０１内に導入する第１ノズル２３３ａと、反応ガスとしての窒素含有ガス（窒化剤）であるアンモニア（ＮＨ３）を含むガスを処理室２０１内に導入する第２ノズル２３３ｂとが、反応管２０３の側壁を貫通するように設けられている。反応管２０３内の第１ノズル２３３ａ、第２ノズル２３３ｂは、反応管２０３の下部から上部に、反応管２０３の内壁に沿ってそれぞれ設けられている。ボート２１７側方に位置する第１ノズル２３３ａ、第２ノズル２３３ｂの側面には、ガスを供給する供給孔である第１ガス供給孔２３４ａ、第２ガス供給孔２３４ｂがそれぞれ設けられている。第１ガス供給孔２３４ａ、第２ガス供給孔２３４ｂは、適宜の開口面積、開口ピッチで下部から上部にわたってそれぞれ形成されている。第１ノズル２３３ａの上流端には、ＤＣＳを含むガスを供給する第１ガス供給管２４８ａの下流端が接続されている。第２ノズル２３３ｂの上流端には、アンモニアを含むガスを供給する第２ガス供給管２４８ｂの下流端が接続
されている。
【００１９】
第１ガス供給管２４８ａには、上流側から順に、流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ａと、開閉バルブＶ１と、処理室２０１内に供給するＤＣＳを一時的に蓄えるバッファタンク２５０と、開閉バルブＶ２とが設けられている。また、第１ガス供給管２４８ａの開閉バルブＶ２よりも下流側には、不活性ガスとしての窒素ガス（Ｎ２）を供給する第１窒素ガス供給管２４５ａの下流端が接続されている。第１窒素ガス供給管２４５ａには、上流側から順に、流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ｃと、開閉バルブＶ３とが設けられている。
【００２０】
また、第２ガス供給管２４８ｂには、上流側から順に、流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ｂと、開閉バルブＶ５が設けられている。第２ガス供給管２４８ｂの開閉バルブＶ５よりも下流側には、不活性ガスとしての窒素ガス（Ｎ２）を供給する第２窒素ガス供給管２４５ｂの下流端が接続されている。第２窒素ガス供給管２４５ｂには、上流側から順に、流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ｄと、開閉バルブＶ４とが設けられている。
【００２１】
反応管２０３の下部側壁には、処理室２０１内のガスを排気する排気管２３１が接続されている。排気管２３１には、上流側から、圧力検出器としての圧力センサ２６１と、排気バルブ２４３と、真空排気装置としての真空ポンプ２４６とが設けられている。排気バルブ２４３は、排気管２３１の管路を単に開閉する開閉弁であってもよいが、本実施形態では、排気バルブ２４３にＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブが用いられている。ＡＰＣバルブは、弁を開閉して処理室２０１内の真空排気・真空排気停止ができると共に、更に弁開度を調節して処理室２０１内の圧力調整が可能に構成されているバルブである。即ち、真空ポンプ２４６を作動させつつ、圧力センサ２６１により検出された圧力に基づいて排気バルブ２４３の弁開度を調節することにより、処理室２０１内の圧力を大気圧よりも低い一定の圧力に制御することもできる。
【００２２】
制御手段であるコントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４１ａ〜２４１ｄ、開閉バルブＶ１〜Ｖ５、圧力センサ２６１、排気バルブ２４３、ヒータ２０７、温度センサ２６３、真空ポンプ２４６、回転機構２６７、ボートエレベータ等に接続されている。コントローラ２８０により、マスフローコントローラ２４１ａ〜２４１ｄの流量調整、開閉バルブＶ１〜Ｖ５の開閉動作、排気バルブ２４３の開閉及び圧力センサ２６１に基づく圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整、真空ポンプ２４６の起動・停止、回転機構２６７の回転速度調節、ボートエレベータの昇降動作等の制御が行われる。
【００２３】
［２］シリコン窒化膜の成膜方法
次に、本発明の一実施形態として、上記図１に示す基板処理装置を用いて、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、ウエハ２００上にシリコン窒化膜を成膜する方法を説明する。なお、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２８０により制御される。
【００２４】
（準備工程）
複数枚のウエハ２００がボート２１７に載置された後、図１に示すように、ボート２１７がボートエレベータによって持ち上げられて反応管２０３内に搬入される。シールキャップ２１９が、その上面のＯリング２２０ｂによって反応管２０３の下端面をシールし、処理室２０１内は気密に密閉される。処理室２０１内は、真空ポンプ２４６によって真空排気される。また、処理室２０１内は、所望の温度となるように温度センサ２６３の検出温度に基づいてヒータ２０７への通電が制御される。続いて、回転機構２６７によりボー
ト２１７を回転駆動することでウエハ２００の回転が開始される。その後、次に述べるシリコン窒化膜の成膜が行われる。
【００２５】
（シリコン窒化膜の成膜工程）
本実施形態では、シリコン窒化膜を形成する成膜工程は、次の４つの工程を繰り返し実施するサイクル処理によってなされる。
（１）ＤＣＳ供給工程：処理室２０１内へのＤＣＳを含むガスの供給
（２）Ｎ２パージ工程：処理室２０１内に窒素ガスを供給しつつ、処理室２０１内を排気（３）ＮＨ３供給工程：処理室２０１内へのアンモニアを含むガスの供給
（４）Ｎ２パージ工程：処理室２０１内に窒素ガスを供給しつつ、処理室２０１内を排気
なお、この成膜工程のサイクル処理の説明にあたっては、後述の実施例の図３を適宜参照して説明する。図３は処理室内の１サイクル中における圧力の推移を示すもので、ｔ１時（時期）は（１）ＤＣＳ供給工程に、ｔ２時（時期）は（２）Ｎ２パージ工程に、ｔ３時（時期）は（３）ＮＨ３供給工程に、ｔ４時（時期）は（４）Ｎ２パージ工程に、それぞれ相当する。
【００２６】
（１）ＤＣＳ供給工程
第１ガス供給管２４８ａの開閉バルブＶ２を開いて、バッファタンク２５０内に予め蓄えられていたＤＣＳガスを処理室２０１内に一時に導入する。ＤＣＳガスは、第１ガス供給管２４８ａから第１ノズル２３３ａに導入され、第１ノズル２３３ａの第１ガス供給孔２３４ａから処理室２０１内に供給される。また、第２窒素ガス供給管２４５ｂの開閉バルブＶ４を開き、マスフローコントローラ２４１ｄにより流量調整されたＮ２ガスを、第２窒素ガス供給管２４５ｂから第２ガス供給管２４８ｂに流し、第２ノズル２３３ｂの第２ガス供給孔２３４ｂから処理室２０１内に供給する。
【００２７】
このＤＣＳ供給工程中、排気バルブ２４３は閉じた状態にあり、導入されたＤＣＳガス及びＮ２ガスによって、処理室２０１内の圧力は急速に上昇する（図３のｔ１時を参照）。処理室２０１内に導入されたＤＣＳガスは、処理室２０１内に均等に拡散して流れ、ボート２１７上に載置された各ウエハ２００に到達し、各ウエハ２００上にアモルファスＳｉＨＣｌの形成、あるいはＤＣＳの吸着が起こる。このＤＣＳ供給工程において、ヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が５５０〜７００℃の範囲であって、例えば６３０℃になるように設定する。また、ＤＣＳガスの供給量は１サイクル当たり例えば６０ｃｃ〜３００ｃｃ、ＤＣＳ供給工程の時間は例えば２〜６秒の範囲が好ましい。また、成膜工程中、処理室２０１内の圧力は例えば２０Ｐａ〜１３３００Ｐａの範囲とするのが好ましい。
【００２８】
（２）Ｎ２パージ工程
第１ガス供給管２４８ａの開閉バルブＶ２を開じ、ＤＣＳの供給を停止する。また、第２窒素ガス供給管２４５ｂの開閉バルブＶ４は開いたままとし、第２ガス供給管２４８ｂを通じてＮ２ガスを処理室２０１内に供給すると共に、更に第１窒素ガス供給管２４５ａの開閉バルブＶ３を開き、マスフローコントローラ２４１ｃにより流量調整されたＮ２ガスを、第１窒素ガス供給管２４５ａ、第１ガス供給管２４８ａおよび第１ノズル２３３ａを通じて処理室２０１内に供給する。更に、Ｎ２パージ工程中、排気管２３１の排気バルブ２４３を開いた状態とし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を低圧（例えば、３０Ｐａ程度以下）となるまで排気する（図３のｔ２時を参照）。この処理室２０１内の真空排気と処理室２０１内へのＮ２ガスの供給とによって、残留したＤＣＳを処理室２０１内、及び配管系（第１ガス供給管２４８ａ内、第１ノズル２３３ａ内など）から除去する。このＮ２パージ工程の時間は例えば３秒〜９秒の範囲が好ましい。
【００２９】
（３）ＮＨ３供給工程
本実施形態のＮＨ３供給工程では、上述した従来技術のように、処理室２０１内の圧力を一定圧力（例えば６０〜７０Ｐａ程度）に制御するのではなく、処理室２０１内の圧力（ＮＨ３ガスの圧力）を大きく変動させるようにしたことを特徴とする。
【００３０】
具体的には、ＮＨ３供給工程中に、処理室２０１内の排気停止状態と排気作動状態との間の切換を少なくとも１回以上実施して、処理室２０１内の圧力を大きく変動させるようにする（圧力変動範囲を例えば１０Ｐａ〜１３３０Ｐａとし、排気停止状態のときの比較的に高い減圧状態と、排気作動状態のときの比較的に低い減圧状態と、の圧力差を大きくとる）。あるいは、ＮＨ３供給工程中に、例えば１００Ｐａ以下から９５０Ｐａ以上へと処理室２０１内の圧力を上昇させる昇圧処理と、この昇圧処理の後、再び例えば１００Ｐａ以下へ処理室２０１内の圧力を下降させる降圧処理と、をそれぞれ少なくとも１回以上繰り返す圧力昇降処理を実施するようにする。なお、ＮＨ３供給工程においては、処理室２０１内の最大圧力が、処理室２０１内の最低圧力の２０倍以上の圧力であって例えば２０倍となるように、処理室２０１内の圧力を変動させる。この倍率は高いほど、或いは、圧力昇降処理の回数が多いほど、ＮＨ３供給工程時の窒化不足による前述のような問題を引き起こし難いと考えられる。下限上限の圧力を制約する要因は、主にポンプの性能や排気配管のコンダクタンスによって決まる。すなわち、上限圧力が高すぎる場合や、下限圧力が低すぎる場合、いずれの場合も、次の降圧処理に時間を要することになり生産性を悪化させることがある。処理室２０１内の圧力は例えば１０Ｐａ〜１３３０Ｐａ程度が好適である。
【００３１】
次に、ＮＨ３供給工程を、上記の昇圧処理と降圧処理とをそれぞれ少なくとも１回以上繰り返す圧力昇降処理に従って説明する。
【００３２】
＜昇圧処理＞
第２ガス供給管２４８ｂの開閉バルブＶ５を開き、マスフローコントローラ２４１ｂにより流量調整されたＮＨ３ガスを、第２ガス供給管２４８ｂ、第２ノズル２３３ｂを通じて処理室２０１内に供給する。ＮＨ３供給工程中には（次の降圧処理においても）、開閉バルブＶ５は開かれたままの状態であり、ＮＨ３ガスが処理室２０１内に供給される。また、第２窒素ガス供給管２４５ｂの開閉バルブＶ４を閉じ、第２ガス供給管２４８ｂ、第２ノズル２３３ｂを通じてのＮ２ガス供給を停止し、一方、第１窒素ガス供給管２４５ａの開閉バルブＶ３は開いたままとし、第１ガス供給管２４８ａ、第１ノズル２３３ａを通じてＮ２ガスを処理室２０１内に供給する。更に、ＮＨ３供給工程の昇圧処理中には、排気管２３１の排気バルブ２４３を閉じた状態とし、真空ポンプ２４６による処理室２０１内の真空排気を停止する。従って、この昇圧処理では、ＮＨ３ガスおよびＮ２ガスは、先のＮ２パージ工程の真空排気により低圧となった処理室２０１内に流入し充満して、処理室２０１内の圧力は急速に上昇する（図３の実施例におけるｔ３時期の昇圧時（６〜１１秒）を参照）。処理室２０１内の圧力は、例えば９５０Ｐａ以上１３３０Ｐａ以下とするのが好ましい。
【００３３】
処理室２０１内に流入したＮＨ３ガスは、処理室２０１内に拡散し、ボート２１７上に載置された各ウエハ２００に均等に供給される。このＮＨ３ガスの供給により、先のＤＣＳ供給工程でウエハ２００上に形成されたアモルファスＳｉＨＣｌ、あるいはウエハ２００上に吸着したＤＣＳが窒化され、アモルファスシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜、ＳｉＨ膜など）が形成される。例えば、ウエハ２００上に形成されたアモルファスＳｉＨＣｌに対しては、次の化学反応によりＳｉ３Ｎ４膜が生成される。
３ＳｉＨＣｌ＋４ＮＨ３→Ｓｉ３Ｎ４＋３ＨＣｌ＋６Ｈ２
【００３４】
また、処理室２０１内では、シリコン窒化膜の生成のみならず、副生成物（Ｂｙｐｒｏｄｕｃｔ）も生成される。例えば、次の化学反応によりＮＨ４Ｃｌが生成される。
ＨＣｌ＋ＮＨ３→ＮＨ４Ｃｌ
【００３５】
このＮＨ３供給工程中（昇圧処理、降圧処理とも）において、ヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が５５０〜７００℃の範囲であって、例えば６３０℃になるように設定する。また、ＮＨ３ガスの供給量は、例えば２ｓｌｍ〜１０ｓｌｍの範囲が好ましい。
なお、ＮＨ３供給工程中は、第１ガス供給管２４８ａの開閉バルブＶ１を開、開閉バルブＶ２を閉とし、次のＤＣＳ供給工程の準備のため、予めバッファタンク２５０内にＤＣＳガスを貯留する。
【００３６】
＜降圧処理＞
処理室２０１内の圧力を下降させる降圧処理では、排気管２３１の排気バルブ２４３を開き、真空ポンプ２４６による処理室２０１内の真空排気を作動する。その他の成膜条件は、上記昇圧処理時と同様である。
【００３７】
この降圧処理中の真空排気により、処理室２０１内の圧力は急速に低下する（図３の実施例におけるｔ３時期の降圧時（１１〜１３秒）を参照）。処理室２０１内の圧力は、１００Ｐａ以下であって、例えば１０Ｐａ以上３０Ｐａ以下とするのが好ましい。
【００３８】
処理室２０１内の真空排気によって、化学反応で発生したＮＨ４Ｃｌなどの副生成物が、処理室２０１内から効率よく排気除去される。また、降圧処理中にも、ウエハ２００上のシリコン窒化膜の生成がなされる。
【００３９】
以上の昇圧処理と降圧処理とを繰り返して圧力昇降処理を実施する。圧力昇降処理は、昇圧処理と降圧処理とをそれぞれ少なくとも１回以上行うが、１回目の昇圧処理と降圧処理との後には、昇圧処理と降圧処理とを何回か繰り返し行ってもよい（図３の実施例の場合、１回目の昇圧処理と降圧処理の後に、例えば２回目の昇圧処理を行っている）。圧力昇降処理の時間は、例えば４秒〜３０秒の範囲が好ましい。
【００４０】
また、昇圧処理で処理室２０１内の圧力が上昇して比較的に高い減圧状態となった後に、排気バルブ２４３の開度を調節して処理室２０１内の圧力を比較的に高い減圧状態の一定圧力に制御する定圧処理を実施しても、あるいは、降圧処理で処理室２０１内の圧力が降下して比較的に低い減圧状態となった後に、排気バルブ２４３の開度を調節して処理室２０１内の圧力を比較的に低い減圧状態の一定圧力に制御する定圧処理を実施するようにしてもよい。
【００４１】
（４）Ｎ２パージ工程
第２ガス供給管２４８ｂの開閉バルブＶ５を閉じ、ＮＨ３ガスの供給を停止する。また、第２窒素ガス供給管２４５ｂの開閉バルブＶ４を開き、第２ガス供給管２４８ｂおよび第２ノズル２３３ｂを通じてＮ２ガスを処理室２０１内に供給すると共に、第１窒素ガス供給管２４５ａの開閉バルブＶ３は開いたままとし、第１ガス供給管２４８ａおよび第１ノズル２３３ａを通じてＮ２ガスを処理室２０１内に供給する。更に、Ｎ２パージ工程中、排気管２３１の排気バルブ２４３を開いた状態とし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を低圧（例えば、３０Ｐａ程度以下）となるまで排気する（図３のｔ４時を参照）。この処理室２０１内の真空排気と処理室２０１内へのＮ２ガスの供給とによって、残留したＮＨ３ガスを処理室２０１内、及び配管系（第２ガス供給管２４８ｂ内、第２ノズル２３３ｂ内など）から除去する。このＮ２パージ工程の時間は例えば３秒〜９秒の範囲が好ましい。
【００４２】
上述した（１）ＤＣＳ供給工程、（２）Ｎ２パージ工程、（３）ＮＨ３供給工程、（４）Ｎ２パージ工程の４工程を１サイクルとするＡＬＤ法による成膜処理で、ウエハ２００
上に１原子層から数原子層のシリコン窒化膜が形成される。このサイクルを複数回繰り返すことにより、ウエハ２００上に所定膜厚のシリコン窒化膜が成膜される。
【００４３】
（終了工程）
所定膜厚のシリコン窒化膜を成膜した後、Ｎ２ガスを処理室２０１内に供給しつつ処理室２０１内の排気を行うことで処理室２０１内をガスパージした後、処理室２０１内をＮ２ガスに置換して、処理室２０１内の圧力を常圧に戻す。
【００４４】
その後、ボートエレベータによりシールキャップ２１９を下降して、反応管２０３の下端を開口し、成膜処理したウエハ２００を保持したボート２１７を反応管２０３の下端から反応管２０３の外部に搬出する。その後、成膜処理したウエハ２００をボート２１７より取り出す。
【００４５】
［３］本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。
【００４６】
（ａ）本実施形態では、ＮＨ３供給工程中に、排気管２３１の排気バルブ２４３の開閉切換によって処理室２０１内の排気停止状態と排気作動状態との間の切換動作を少なくとも１回以上実施して、処理室２０１内の圧力を変動させるようにしている。そのとき、処理室２０１内の最大圧力が最低圧力の例えば２０倍となるように、処理室２０１内の圧力を変動させる。その結果、ウエハ２００上へのシリコン窒化膜の堆積速度（成膜速度）を、広い温度範囲にて増大させることができる。すなわち、ＮＨ３供給工程中、従来のように処理室２０１内の圧力を一定圧力（例えば、６０〜７０Ｐａ程度）に制御するのではなく、ＮＨ３供給工程中に排気停止期間を設けて、処理室２０１内のＮＨ３ガスの圧力（濃度）を高い状態、例えば１００Ｐａを超える状態とすることによって、広い温度範囲にて化学反応を促進させ、シリコン窒化膜の堆積速度を向上させ、生産性の向上を図ることができる（後述する実施例１，２参照）。
【００４７】
（ｂ）本実施形態では、ＮＨ３供給工程中に処理室２０１内の圧力を大きく変動させることによって、ウエハ２００間及びウエハ２００面内におけるシリコン窒化膜の膜厚均一性を広い温度範囲にて向上させることができる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に排気停止期間を設けて、処理室２０１内のＮＨ３ガスの圧力（濃度）を高い状態、例えば１００Ｐａを超える状態とすることによって、積層されたウエハ２００間へのＮＨ３の供給を促し、ウエハ２００間及びウエハ２００面内におけるシリコン窒化膜の膜厚均一性を広い温度範囲にて向上させることができる（後述する実施例１，３参照）。
【００４８】
（ｃ）本実施形態では、ＮＨ３供給工程中に処理室２０１内の圧力を大きく変動させることによって、ウエハ２００上に形成されるシリコン窒化膜の膜質を広い温度範囲にて向上させることができる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に排気停止期間を設けて、処理室２０１内のＮＨ３ガスの圧力（濃度）を高い状態、例えば１００Ｐａを超える状態とすることによって、シリコン窒化膜の窒化を促進させ、例えばシリコン窒化膜の絶縁性を広い温度範囲にて高めることが可能となる（後述する実施例４参照）。
【００４９】
（ｄ）本実施形態では、ＮＨ３供給工程中に処理室２０１内の圧力を大きく変動させることによって、化学反応によって発生した副生成物（例えばＮＨ４Ｃｌ等）についても処理室２０１内から効率よく排気することができる。そして、処理室２０１内におけるパーティクルの量を低減でき、シリコン窒化膜中への副生成物の混入を抑制でき、シリコン窒化膜の膜質を向上できる。
【００５０】
（ｅ）本実施形態では、ＮＨ３供給工程中に、排気管２３１の排気バルブ２４３の開閉切
換によって処理室２０１内の圧力を変動させることで、排気系の閉塞を防止することができる。すなわち、ＮＨ３供給工程の開始直後は排気バルブ２４３を閉じておき、処理室２０１内が所定圧力にまで上昇したら排気バルブ２４３を開けて処理室２０１内の圧力を低下させるようにすることで、排気系内にてＤＣＳとＮＨ３とが混合してしまうことを防ぎ、排気系の閉塞防止を図ることができる（後述する実施例５参照）。
【００５１】
（ｆ）本実施形態によれば、処理室２０１内に供給するＮＨ３の流量を削減することができる。ＮＨ３供給工程において排気バルブ２４３を開けたままとせず、排気バルブ２４３を閉めて処理室２０１内の圧力を上昇させる昇圧処理を行うことで、例え処理室２０１内へ供給するＮＨ３の流量を削減したとしても、ＮＨ３による窒化処理やウエハ２００表面へのＮＨ３の吸着を確実に行うことができるからである。例えば、上述の図７に示す比較例（ａ）において処理室内に供給するＮＨ３ガスの流量が例えば１０ｓｌｍである場合に、実施例（ｂ）では処理室内に供給するＮＨ３ガスの流量を例えば５．５ｓｌｍにまで削減することができる。その結果、ＮＨ３の浪費を抑制でき、基板処理コストを低減できる。
【００５２】
（ｇ）本実施形態によれば、処理室２０１内に供給するＮＨ３の流量を削減することで、ＮＨ３供給工程におけるウエハ２００温度の面内均一性を向上させることができる。これにより、形成されるシリコン窒化膜の膜厚や膜質の面内均一性を向上させることができる。
【００５３】
図８は、処理室内に供給されるＮＨ３ガスの流量増加に伴い基板温度の面内度均一性が低下する様子を示す模式図である。図８（ａ）に示すように、処理室内に配置されたウエハ（Ｗａｆｅｒ）のエッジ部Ｂは、ＮＨ３ノズルから供給されるＮＨ３ガスによって局所的に冷却される。そのため、エッジ部Ｂの温度は、センタ部Ａの温度と比較して局所的に低下することになる。そして、ウエハを加熱するヒータ（Ｃａｓｃａｄｅ  ＴＣ）がＮＨ３ノズル（ＮＨ３ｎｏｚｚｌｅ）と対向する位置に設けられていると、エッジ部Ｂの温度は、図８（ｂ）に示すようにウエハの回転周期に同期するように温度振幅ΔＴで振動することになる。なお、温度振幅ΔＴは、図８（ｃ）に示すようにウエハの回転速度を上げる（例えば１．９ｒｐｍから３．０ｒｐｍへ上昇させる）ことである程度抑えることができるが、図８（ｄ）に示すようにＮＨ３ガスの流量が大きくなると（例えば５．５ｓｌｍから１０ｓｌｍへ増加させると）無視できなくなる。なお、エッジ部Ｂの温度振幅ΔＴが大きくなると、形成されるシリコン窒化膜の膜厚面内均一性や膜質を低下させてしまう要因となり得る。例えば、温度振幅ΔＴが大きくなると、エッジ部Ｂ周辺にてヘイズが成長することがある。また、温度振幅ΔＴが大きくなると、ウエハの膨張収縮量が大きくなり、ウエハとボート（Ｂｏａｔ）のロッド（Ｒｏｄ）との擦れ量等が増加し、パーティクルの発生を招いてしまう恐れがある。
【００５４】
これに対して本実施形態では、処理室２０１内に供給するＮＨ３の流量を削減することができるため（ＮＨ３の流量を削減したとしても、ＮＨ３による窒化処理やウエハ２００表面へのＮＨ３の吸着を確実に行うことができるため）、ウエハ２００のエッジ部の温度振幅ΔＴを小さくすることができ、上述の課題を解決することができる。
【００５５】
＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態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。
【００５６】
例えば、上記実施形態では、アンモニアガスをノンプラズマの状態で処理室２０１内に供給したが、例えば、図１の基板処理装置において、処理室２０１内の第２ノズル２３３ｂの近傍に高周波電極を設置して、アンモニアガスをプラズマ状態として処理室２０１内
の各ウエハ２００に供給するようにしてもよい。アンモニアガスをプラズマ化することにより、基板温度を低下させたり、アンモニアガスの供給時間を短縮させたりすることが可能となる。
【００５７】
また例えば、原料ガスであるシリコン含有ガスとしては、ＤＣＳガスの他、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤ）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４、略称：ＴＣＳ）ガス、モノシラン（ＳｉＨ４）ガス等の無機原料だけでなく、アミノシラン系の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：２ＤＥＡＳ）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）ガスなどの有機原料のいずれか、或いはこれらのいずれかを含む混合ガスを用いてもよい。反応ガスである窒素含有ガス（窒化剤）としては、ＮＨ３ガスの他、Ｎ２Ｏガス、ＮＯ２ガス等の他の窒素含有ガス、或いはこれらのいずれかを含む混合ガスを用いてもよい。不活性ガスとしては、Ｎ２ガスの他、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いてもよい。
【実施例】
【００５８】
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。
【００５９】
（実施例１）
図１に示す上記実施形態の基板処理装置を使用し、ＡＬＤ法を用いてウエハ上にシリコン窒化膜の成膜を行った。シリコン窒化膜の成膜工程は、上記実施形態と同様に、（１）ＤＣＳ供給工程、（２）Ｎ２パージ工程、（３）ＮＨ３供給工程、（４）Ｎ２パージ工程の４工程を１サイクルと、このサイクルを複数回繰り返すサイクル処理で実施した。
【００６０】
図３に、処理室内の１サイクル中における圧力の推移を示す。図３において、ｔ１時（時期）は（１）ＤＣＳ供給工程に、ｔ２時（時期）は（２）Ｎ２パージ工程に、ｔ３時（時期）は（３）ＮＨ３供給工程に、ｔ４時（時期）は（４）Ｎ２パージ工程に、それぞれ相当する。
【００６１】
実施例では、図３に実線で示すように、ＮＨ３供給工程（ｔ３時）において、１回目の昇圧処理（６秒〜１１秒までの５秒間）と、降圧処理（１１秒〜１３秒までの２秒間）と、２回目の昇圧処理（１３秒〜１８秒までの５秒間）と、を順次行った。また、実施例と比較するために、従来例では、図３に破線で示すように、ＮＨ３供給工程において、排気管の排気バルブの開度を制御して処理室２０１内の圧力を一定圧力に制御した。また、比較例では、図３に１点鎖線で示すように、ＮＨ３供給工程において、排気管の排気バルブを閉じたままの排気停止状態とした。
【００６２】
表１に、実施例、従来例および比較例において、ｔ１時期のＤＣＳガスの供給量、ｔ３時期のＮＨ３ガスの供給流量、各時期ｔ１〜ｔ４でのＮ２ガスの供給流量、及び時期ｔ１〜ｔ４を通じてのＲ−ＵｎｉｔノズルからのＮ２ガスの供給流量を示す。また、表２に、実施例、従来例および比較例における各時期ｔ１〜ｔ４での、開閉バルブＶ１〜Ｖ５および排気バルブの開閉制御状態を示す。また、表３には、表２に「表３（別記）」と記載された、実施例における時期ｔ３での開閉バルブＶ１〜Ｖ５および排気バルブの開閉制御状態を示す。
【００６３】
【表１】
2011082493.tif 000003
【００６４】
【表２】
2011082493.tif 000004
【００６５】
【表３】
2011082493.tif 000005
【００６６】
表２、表３に示すように、実施例、従来例および比較例おけるバルブの開閉制御の相違は、ｔ３時のＮＨ３供給工程だけであり、その他のＤＣＳ供給工程、Ｎ２パージ工程のバルブの開閉制御は全く同じである。また、表１に示すように、実施例、従来例および比較例おけるガスの供給流量または供給量は、ｔ３時期のＮＨ３ガスの供給流量が異なるだけであり、その他は同一である。
【００６７】
表４に、実施例、従来例および比較例おけるシリコン窒化膜の成膜の結果を示す。また、表４に示すように、基板（ウエハ）の温度は、成膜工程中は５００℃〜６５０℃のうち一定の温度に保ち、１サイクル時間は２１秒（図３、表２に示すように、ｔ１（２秒）、ｔ２（４秒）、ｔ３（１２秒）、ｔ４（３秒）で合計２１秒）、７２７サイクル繰り返した。
【００６８】
【表４】
2011082493.tif 000006
【００６９】
表４に示すように、ＮＨ３供給工程において排気停止状態のままとし、処理室内のＮＨ３ガスの圧力を上昇させるだけの比較例では、基板面内の膜厚均一性が従来例よりも低下してしまった。一方、ＮＨ３供給工程において処理室内の圧力を大きく昇降変動させた実施例では、ＮＨ３ガスが処理室内に均等に供給されて基板面内の膜厚均一性が改善され、さらに、シリコン窒化膜の堆積速度も増加した。シリコン窒化膜の堆積速度は、従来例と
比較して１３％向上するという改善効果が得られた。また、化学反応によって発生した副生成物についても効率よく排気できたものと考えられ、副生成物・異物の増加傾向を改善して基板処理装置のメンテナンス周期を、例えば２倍以上に改善することが可能となる。
【００７０】
この実施例の結果から、昇圧処理と降圧処理とを繰り返す圧力昇降処理が有効であり、圧力昇降処理による処理室内の圧力変動の回数が多いほど、また、圧力変動の幅が大きいほど改善効果が大きいことが推測できる。
【００７１】
（実施例２）
図１に示す上記実施形態の基板処理装置を使用し、ＡＬＤ法を用いてウエハ上にシリコン窒化膜の成膜を行った。シリコン窒化膜の成膜工程は、上記実施形態と同様に、（１）ＤＣＳ供給工程、（２）Ｎ２パージ工程、（３）ＮＨ３供給工程、（４）Ｎ２パージ工程の４工程を１サイクルと、このサイクルを複数回繰り返すサイクル処理で実施した。
【００７２】
図４は、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることでシリコン窒化膜の堆積速度が増大する様子を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合を、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。図４（ａ）及び（ｂ）の縦軸は、シリコン窒化膜を成膜する際の堆積速度比率、すなわち比較例（ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させずにシリコン窒化膜を成膜した場合）に対する堆積速度の比率を示している。縦軸の値が大きいほど、比較例に対して大きな堆積速度が得られることを示している。なお、図中、実施例（ＮＨ３供給工程中に処理室２０１内の圧力を変動させてシリコン窒化膜を成膜した場合）の堆積速度比は■印で、比較例の堆積速度比は◆印で示している。
【００７３】
図４によれば、ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させた実施例（■印）では、圧力を変動させない比較例（◆印）と比べて、広い温度範囲（５５０℃、６００℃、６５０℃）にてシリコン窒化膜の堆積速度が増大していることが分かる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで、シリコン窒化膜の堆積速度を広い温度範囲にて増大できることが分かる。これは、処理室内に供給されたＮＨ３の圧力を変動させることにより、ウエハ表面に供給されたＮＨ３による窒化処理や、ウエハ表面へのＮＨ３の吸着等が、比較例に比べて効率化したためと考えられる。なお、図４によれば、ウエハの温度が低温である場合（例えば５５０℃）には、より大きな堆積速度比率が得られることが分かる。
【００７４】
（実施例３）
図１に示す上記実施形態の基板処理装置を使用し、ＡＬＤ法を用いてウエハ上にシリコン窒化膜の成膜を行った。シリコン窒化膜の成膜工程は、上記実施形態と同様に、（１）ＤＣＳ供給工程、（２）Ｎ２パージ工程、（３）ＮＨ３供給工程、（４）Ｎ２パージ工程の４工程を１サイクルと、このサイクルを複数回繰り返すサイクル処理で実施した。
【００７５】
図５は、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることでシリコン窒化膜の膜厚の面内均一性が向上する様子を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合を、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。図５（ａ）及び（ｂ）の縦軸は、形成したシリコン窒化膜の膜厚の面内均一性（％）を示している。縦軸の値が小さいほど、面内均一性が優れていることを示している。なお、図中、実施例（ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させてシリコン窒化膜を成膜した場合）の面内均一性は■印で、比較例（ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させずにシリコン窒化膜を成膜した場合）の面内均一性は◆印で示している。
【００７６】
図５によれば、ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させた実施例では、圧力を変
動させない比較例に対して、広い温度範囲（５５０℃、６００℃、６５０℃）にて膜厚の面内均一性が広い温度範囲にて向上できていることが分かる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで、シリコン窒化膜の膜厚の面内均一性を向上できることが分かる。これは、処理室内に供給されたＮＨ３を圧力変動させることにより、ウエハ表面におけるＮＨ３による窒化処理やＮＨ３の吸着量の面内均一性が、比較例に比べて向上したためと考えられる。なお、図５によれば、ウエハの温度が低温である場合（例えば５５０℃）には、膜厚の面内均一性が向上し易いことが分かる。
【００７７】
（実施例４）
図１に示す上記実施形態の基板処理装置を使用し、ＡＬＤ法を用いてウエハ上にシリコン窒化膜の成膜を行った。シリコン窒化膜の成膜工程は、上記実施形態と同様に、（１）ＤＣＳ供給工程、（２）Ｎ２パージ工程、（３）ＮＨ３供給工程、（４）Ｎ２パージ工程の４工程を１サイクルと、このサイクルを複数回繰り返すサイクル処理で実施した。
【００７８】
図６は、シリコン窒化膜の屈折率を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合を、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。図６（ａ）及び（ｂ）の縦軸は、形成したシリコン窒化膜の屈折率（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｉｎｄｅｘ）を示している。理想的な化学量論組成を有するシリコン窒化膜の屈折率は２であるため、図中下方に行くほど組成が化学量論組成に近く、膜質が向上できていることになる。なお、図中、実施例（ＮＨ３供給工程中に処理室２０１内の圧力を変動させてシリコン窒化膜を成膜した場合）の面内均一性は■印で、比較例（ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させずにシリコン窒化膜を成膜した場合）の面内均一性は◆印で示している。
【００７９】
図６によれば、ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させた実施例では、圧力を変動させない比較例と比べて、広い温度範囲（５５０℃、６００℃）にて２．０により近い屈折率を有することが分かる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで、シリコン窒化膜の窒化を確実に行うことができ、化学量論組成に近い組成を有する高品質な（例えば絶縁率の大きな）シリコン窒化膜を広い温度範囲にて成膜できることが分かる。
【００８０】
（実施例５）
図７は、処理室内から排気系により各種ガスが排気される様子を示す模式図である。図７の（ａ）は、ＮＨ３供給工程中に、排気管の排気バルブ（Ｍａｉｎ  Ｖａｌｖｅ：ＭＶ）を開けたままとして排気を継続し、処理室内の圧力を変動させないようにした場合を示している（比較例）。図７の（ｂ）は、ＮＨ３供給工程中に、排気管の排気バルブ（ＭＶ）の開閉切換によって処理室内の圧力を変動させる場合を示している（実施例）。実施例では、ＮＨ３供給工程の開始直後は排気バルブ（ＭＶ）を閉じておき、処理室内の圧力が所定の圧力にまで上昇したら排気バルブ（ＭＶ）を開けて処理室内の圧力を低下させ、その後、再び排気バルブ（ＭＶ）を閉じて処理室内の圧力を上昇させるようにしている。
【００８１】
図７に示すように、比較例（ａ）及び実施例（ｂ）のいずれにおいても、Ｎ２パージ工程（ｔ２）を開始するために排気バルブ（ＭＶ）を開けると、処理室内に滞留しているＤＣＳガスが排気管内および真空ポンプ（Ｐｕｍｐ）内に流入する。ＤＣＳガスが少なくとも処理室内から排気されたら、処理室内にＮＨ３ガスを所定の流量で供給するＮＨ３供給工程（ｔ３）を開始する。但し、ＮＨ３供給工程（ｔ３）を開始するタイミングによっては、たとえ処理室内からのＤＣＳの排気が完了していたとしても、排気管内および真空ポンプ内には所定量のＤＣＳが残留している場合がある。なお、ＮＨ３ガスの流量は、比較例では例えば１０ｓｌｍ、実施例では例えば５．５ｓｌｍとすることができる。
【００８２】
比較例（図７（ａ））では、排気バルブ（ＭＶ）が開いたままの状態でＮＨ３供給工程（ｔ３）を行なう。そのため、排気管内及び真空ポンプ内へのＮＨ３ガスの流入が、ＮＨ３供給工程（ｔ３）の開始直後から開始される。その結果、ＮＨ３供給工程（ｔ３）を開始するタイミングによっては、排気管内及び真空ポンプ内に残留しているＤＣＳと、排気管内及び真空ポンプ内に流入したＮＨ３とが混合し易くなり、排気管内及び真空ポンプ内でのシリコン窒化膜や副生成物（例えばＮＨ４Ｃｌ等）の堆積が生じ易くなる。すなわち、比較例では、排気管内および真空ポンプ内へＮＨ３が流入するタイミングが比較的早いため、排気管内及び真空ポンプ内からのＤＣＳの排気が完了する前にＮＨ３が流入し易く、これにより排気系の閉塞が生じ易くなる。
【００８３】
これに対して実施例（図７（ｂ））では、ＮＨ３供給工程（ｔ３）の開始直後は排気バルブを閉じておき、処理室内の圧力が所定の圧力にまで上昇したら排気バルブ（ＭＶ）を開ける。そのため、排気管内及び真空ポンプ内へＮＨ３の流入が、ＮＨ３供給工程（ｔ３）の開始直後には開始されず、所定時間経過してから開始される。その結果、排気管内及び真空ポンプ内でのＤＣＳとＮＨ３との混合がより確実に回避される。すなわち、実施例では、ＮＨ３供給工程（ｔ３）を開始するタイミングが早くても、排気管内および真空ポンプ内へ実際にＮＨ３が流入するタイミングが比較的遅いため、排気管内及び真空ポンプ内からＤＣＳの排気を、ＮＨ３の流入開始前に確実に完了させることができる。これにより排気系の閉塞をより確実に防ぐことができ、基板処理装置のメンテナンス周期を延長させることができる。
【００８４】
（本発明の好ましい態様）
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
【００８５】
本発明の第１の態様は、基板が加熱された状態で収容された処理室内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給工程と、前記処理室内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給工程と、を交互に繰り返し実施することで前記基板上にシリコン窒化膜を形成する成膜工程を有し、前記窒素含有ガス供給工程中に、前記処理室内の排気停止状態と排気作動状態との間の切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室内の最大圧力が最低圧力の２０倍以上の圧力となるように前記処理室内の圧力を変動させる半導体装置の製造方法である。この倍率が高いほど、あるいは、圧力昇降処理の回数が多いほど、ＮＨ３供給工程時の窒化不足による前述のような問題を引き起こし難いと考えられる。下限上限の圧力を制約する要因は、主にポンプの性能や排気配管のコンダクタンスによって決まる。すなわち、上限圧力が高すぎる場合や、下限圧力が低すぎる場合、いずれの場合も次の降圧処理に時間を要することになり生産性を悪化させる。前記処理室内の圧力は、例えば１０Ｐａ〜１３３０Ｐａ程度が好適である。
【００８６】
本発明の第２の態様は、基板を処理する処理室と、前記処理室内にシリコン含有ガスを供給する第１ガス供給手段と、前記処理室内に窒素含有ガスを供給する第２ガス供給手段と、前記処理室内の基板を加熱するヒータと、前記処理室内のガスを排気する排気手段と、前記排気手段、前記第１ガス供給手段、前記第２ガス供給手段、及び前記ヒータを制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記処理室内へのシリコン含有ガスの供給と、前記処理室内への窒素含有ガスの供給とを交互に繰り返し制御して前記基板上にシリコン窒化膜を形成すると共に、前記窒素含有ガスの供給中に前記処理室内の排気停止と排気作動との切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室内の最大圧力が最低圧力の２０倍以上の圧力となるように前記処理室内の圧力を変動させる基板処理装置である。
【００８７】
本発明の第３の態様は、基板が加熱された状態で収容された処理室内にジクロロシランを含むガスを供給するジクロロシラン供給工程と、前記処理室内にアンモニアを含むガス
を供給するアンモニア供給工程と、を交互に繰り返し実施することで前記基板上にシリコン窒化膜を形成する成膜工程を有し、前記アンモニア供給工程中に、前記処理室の排気停止状態と排気作動状態との間の切換を少なくとも１回以上実施して、前記処理室の圧力を変動させるようにした半導体装置の製造方法である。
前記処理室の圧力の変動範囲は、例えば、１０Ｐａ〜１３３０Ｐａとする。
【００８８】
本発明の第４の態様は、基板が加熱された状態で収容された処理室内にジクロロシランを含むガスを供給するジクロロシラン供給工程と、前記処理室内にアンモニアを含むガスを供給するアンモニア供給工程と、を交互に繰り返し実施することで前記基板上にシリコン窒化膜を形成する成膜工程を有し、
前記アンモニア供給工程中に、１００Ｐａ以下から９５０Ｐａ以上へと前記処理室の圧力を上昇させる昇圧処理と、前記昇圧処理の後、再び１００Ｐａ以下へ前記処理室の圧力を下降させる降圧処理と、をそれぞれ少なくとも１回以上繰り返す圧力昇降処理を実施するようにした半導体装置の製造方法である。
【００８９】
本発明の第５の態様は、第３または第４の態様の半導体装置の製造方法において、前記成膜工程において、前記基板の温度を６３０℃以下とし、前記シリコン窒化膜の堆積速度を２Ａ／ｍｉｎ以上、前記シリコン窒化膜の膜厚の面内均一性を１．５％以内とする半導体装置の製造方法である。
【００９０】
本発明の第６の態様は、基板を処理する処理室と、前記処理室にジクロロシランを含むガスを供給する第１ガス供給手段と、前記処理室にアンモニアを含むガスを供給する第２ガス供給手段と、前記処理室内の基板を加熱するヒータと、前記処理室内のガスを排気する排気手段と、前記処理室内へのジクロロシランを含むガスの供給と、アンモニアを含むガスの供給とを交互に繰り返し制御して前記基板上にシリコン窒化膜を形成すると共に、前記アンモニアを含むガスの供給中に前記処理室内の排気停止と排気作動との切換を少なくとも１回以上実施するように、前記排気手段、前記第１ガス供給手段、前記第２ガス供給手段、及び前記ヒータを制御するコントローラと、を有する基板処理装置である。
【符号の説明】
【００９１】
２００    ウエハ（基板）
２０１    処理室
２０２    処理炉
２０３    反応管
２０７    ヒータ
２１７    ボート
２３１    排気管
２３３ａ  第１ノズル
２３３ｂ  第２ノズル
２４３    排気バルブ
２４６    真空ポンプ
２４８ａ  第１ガス供給管
２４８ｂ  第２ガス供給管
２６３    温度センサ
２８０    コントローラ
【図１】
2011082493.tif 000007
【図２】
2011082493.tif 000008
【図３】
2011082493.tif 000009
【図４】
2011082493.tif 000010
【図５】
2011082493.tif 000011
【図６】
2011082493.tif 000012
【図７】
2011082493.tif 000013
【図８】
2011082493.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月2日(2010.9.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略構成図である。
【図２】図１に示す処理炉のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の一実施例、比較例、および従来例のシリコン窒化膜の成膜工程において、処理室内の１サイクル中における圧力の推移を示すグラフである。
【図４】ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで堆積速度が増大する様子を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。
【図５】シリコン窒化膜の膜厚の面内均一性を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。
【図６】シリコン窒化膜の屈折率を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。
【図７】排気系に各種ガスが排気される様子を示す模式図であり、（ａ）は従来例を、（ｂ）は実施例をそれぞれ示している。
【図８】処理室内に供給されるＮＨ３ガスの流量増加に伴い基板温度の面内度均一性が低下する様子を示す模式図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
図４は、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることでシリコン窒化膜の堆積速度が増大する様子を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合を、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。図４（ａ）及び（ｂ）の縦軸は、シリコン窒化膜を成膜する際の堆積速度比率、すなわち従来例（ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させずにシリコン窒化膜を成膜した場合）に対する堆積速度の比率を示している。縦軸の値が大きいほど、従来例に対して大きな堆積速度が得られることを示している。なお、図中、実施例（ＮＨ３供給工程中に処理室
２０１内の圧力を変動させてシリコン窒化膜を成膜した場合）の堆積速度比は■印で、従来例の堆積速度比は◆印で示している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
図４によれば、ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させた実施例（■印）では、圧力を変動させない従来例（◆印）と比べて、広い温度範囲（５５０℃、６００℃、６５０℃）にてシリコン窒化膜の堆積速度が増大していることが分かる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで、シリコン窒化膜の堆積速度を広い温度範囲にて増大できることが分かる。これは、処理室内に供給されたＮＨ３の圧力を変動させることにより、ウエハ表面に供給されたＮＨ３による窒化処理や、ウエハ表面へのＮＨ３の吸着等が、従来例に比べて効率化したためと考えられる。なお、図４によれば、ウエハの温度が低温である場合（例えば５５０℃）には、より大きな堆積速度比率が得られることが分かる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
図５は、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることでシリコン窒化膜の膜厚の面内均一性が向上する様子を例示するグラフ図であり、（ａ）は横軸の温度単位を摂氏（℃）とした場合を、（ｂ）は横軸の温度単位を華氏の逆数（Ｋ−１）とした場合をそれぞれ示している。図５（ａ）及び（ｂ）の縦軸は、形成したシリコン窒化膜の膜厚の面内均一性（％）を示している。縦軸の値が小さいほど、面内均一性が優れていることを示している。なお、図中、実施例（ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させてシリコン窒化膜を成膜した場合）の面内均一性は■印で、従来例（ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させずにシリコン窒化膜を成膜した場合）の面内均一性は◆印で示している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
図５によれば、ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させた実施例では、圧力を変動させない従来例に対して、広い温度範囲（５５０℃、６００℃、６５０℃）にて膜厚の面内均一性が広い温度範囲にて向上できていることが分かる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで、シリコン窒化膜の膜厚の面内均一性を向上できることが分かる。これは、処理室内に供給されたＮＨ３を圧力変動させることにより、ウエハ表面におけるＮＨ３による窒化処理やＮＨ３の吸着量の面内均一性が、従来例に比べて向上したためと考えられる。なお、図５によれば、ウエハの温度が低温である場合（例えば５５０℃）には、膜厚の面内均一性が向上し易いことが分かる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
図６によれば、ＮＨ３供給工程中に処理室内の圧力を変動させた実施例では、圧力を変動させない従来例と比べて、広い温度範囲（５５０℃、６００℃）にて２．０により近い屈折率を有することが分かる。すなわち、ＮＨ３供給工程中に圧力を変動させることで、シリコン窒化膜の窒化を確実に行うことができ、化学量論組成に近い組成を有する高品質な（例えば絶縁率の大きな）シリコン窒化膜を広い温度範囲にて成膜できることが分かる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
（実施例５）
図７は、処理室内から排気系により各種ガスが排気される様子を示す模式図である。図７の（ａ）は、ＮＨ３供給工程中に、排気管の排気バルブ（Ｍａｉｎ  Ｖａｌｖｅ：ＭＶ）を開けたままとして排気を継続し、処理室内の圧力を変動させないようにした場合を示している（従来例）。図７の（ｂ）は、ＮＨ３供給工程中に、排気管の排気バルブ（ＭＶ）の開閉切換によって処理室内の圧力を変動させる場合を示している（実施例）。実施例では、ＮＨ３供給工程の開始直後は排気バルブ（ＭＶ）を閉じておき、処理室内の圧力が所定の圧力にまで上昇したら排気バルブ（ＭＶ）を開けて処理室内の圧力を低下させ、その後、再び排気バルブ（ＭＶ）を閉じて処理室内の圧力を上昇させるようにしている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
図７に示すように、従来例（ａ）及び実施例（ｂ）のいずれにおいても、Ｎ２パージ工程（ｔ２）を開始するために排気バルブ（ＭＶ）を開けると、処理室内に滞留しているＤＣＳガスが排気管内および真空ポンプ（Ｐｕｍｐ）内に流入する。ＤＣＳガスが少なくとも処理室内から排気されたら、処理室内にＮＨ３ガスを所定の流量で供給するＮＨ３供給工程（ｔ３）を開始する。但し、ＮＨ３供給工程（ｔ３）を開始するタイミングによっては、たとえ処理室内からのＤＣＳの排気が完了していたとしても、排気管内および真空ポンプ内には所定量のＤＣＳが残留している場合がある。なお、ＮＨ３ガスの流量は、従来例では例えば１０ｓｌｍ、実施例では例えば５．５ｓｌｍとすることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
従来例（図７（ａ））では、排気バルブ（ＭＶ）が開いたままの状態でＮＨ３供給工程
（ｔ３）を行なう。そのため、排気管内及び真空ポンプ内へのＮＨ３ガスの流入が、ＮＨ３供給工程（ｔ３）の開始直後から開始される。その結果、ＮＨ３供給工程（ｔ３）を開始するタイミングによっては、排気管内及び真空ポンプ内に残留しているＤＣＳと、排気管内及び真空ポンプ内に流入したＮＨ３とが混合し易くなり、排気管内及び真空ポンプ内でのシリコン窒化膜や副生成物（例えばＮＨ４Ｃｌ等）の堆積が生じ易くなる。すなわち、従来例では、排気管内および真空ポンプ内へＮＨ３が流入するタイミングが比較的早いため、排気管内及び真空ポンプ内からのＤＣＳの排気が完了する前にＮＨ３が流入し易く、これにより排気系の閉塞が生じ易くなる。 
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2011082493.tif 000015
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2011082493.tif 000016
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2011082493.tif 000017
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2011082493.tif 000018