(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを積層するシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法であって、
（１）  前記シリコン酸化物膜及び前記シリコン窒化物膜の積層膜が形成される複数の基板を、これら基板それぞれの側部を保持した状態で処理室に収容し、
（２）  前記シリコン酸化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン酸化物原料ガスと酸化剤とを供給し、成膜温度を５５０℃〜７００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン酸化物膜を成膜し、
（３）  前記シリコン窒化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン原料ガスと窒化剤とボロン含有ガスとを供給し、成膜温度を６００℃〜８００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン窒化物膜を成膜し、
（４）  前記（２）の手順と前記（３）の手順とを繰り返し、前記複数の基板それぞれの表面及び裏面上に、前記シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を形成し、
前記積層膜に含まれた前記シリコン窒化物膜がＳｉａＢｂＮｃからなる膜であり、
前記ＳｉａＢｂＮｃの原子組成比を、ａ＝２５〜１７ａｔｍ％、ｂ＝２２〜３２ａｔｍ％、ｃ＝５３〜５１ａｔｍ％の範囲に制御し、
前記積層膜に含まれた前記ＳｉａＢｂＮｃからなる膜が前記基板に与えるストレスを、１００〜６００ＭＰａの範囲に制御することを特徴とするシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項２】
基板上に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを積層するシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法であって、
（１）  前記シリコン酸化物膜及び前記シリコン窒化物膜の積層膜が形成される複数の基板を、これら基板それぞれの側部を保持した状態で処理室に収容し、
（２）  前記シリコン酸化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン酸化物原料ガスと酸化剤とを供給し、成膜温度を５５０℃〜７００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン酸化物膜を成膜し、
（３）  前記シリコン窒化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン原料ガスと窒化剤とボロン含有ガスとを供給し、成膜温度を６００℃〜８００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン窒化物膜を成膜し、
（４）  前記（２）の手順と前記（３）の手順とを繰り返し、前記複数の基板それぞれの表面及び裏面上に、前記シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を形成し、
前記積層膜に含まれた前記シリコン窒化物膜がＳｉａＢｂＮｃからなる膜であり、
前記ＳｉａＢｂＮｃの原子組成比を、ａ＝２０〜１７ａｔｍ％、ｂ＝２８〜３２ａｔｍ％、ｃ＝５２〜５１ａｔｍ％の範囲に制御し、
前記積層膜に含まれた前記ＳｉａＢｂＮｃからなる膜が前記基板に与えるストレスを、１００〜３００ＭＰａの範囲に制御することを特徴とするシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項３】
前記シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を形成した後、前記基板の裏面上に形成された前記シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を除去することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項４】
前記基板がシリコンウエハであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項５】
前記シリコン酸化物膜を成膜する際の成膜温度と、前記シリコン窒化物膜を成膜する際の成膜温度との温度差が、５０℃〜１５０℃の範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項６】
前記シリコン酸化物膜を成膜する際の成膜温度と、前記シリコン窒化物膜を成膜する際の成膜温度とが同じであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項７】
前記ボロン含有ガスが三塩化ボロンであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項８】
前記シリコン原料ガスがジクロロシランであり、前記窒化剤がアンモニアであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法。
【請求項９】
基板上に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを積層するシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を成膜する成膜装置であって、
シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜が形成される基板を複数枚、これら基板それぞれの側部を保持した状態で収容する処理室と、
前記処理室内に、処理に使用するガスを供給するガス供給機構と、
前記処理室内を排気する排気機構と、
前記ガス供給機構及び前記排気機構を制御するコントローラと、
前記処理室内に収容された前記基板を加熱する加熱装置と、を具備し、
前記コントローラが、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法が実施されるように前記ガス供給機構、前記排気機構及び前記加熱装置を制御することを特徴とする成膜装置。
【請求項１０】
内部に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とが繰り返し積層された積層膜を有する半導体装置の製造方法であって、
前記積層膜の形成に際し、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法、並びに成膜装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置には、例えば、シリコン膜とシリコン酸化物膜や、ノンドープシリコン膜とドープトシリコン膜とを積層させる積層構造が内在する。
【０００３】
近時、半導体集積回路装置は高集積化の進展に伴い、トランジスタやメモリセルなどの素子を半導体ウエハ表面から上層に向けて積み上げていく、いわゆる素子の３次元化が進んでいる。このような素子の３次元化が進むと、上記積層構造における積層数は、プレーナ型素子を主体とした現状の半導体集積回路装置に比較して、膨大なものとなってくる。例えば、特許文献１には、シリコン膜およびシリコン酸化物膜、あるいはノンドープシリコン膜およびドープトシリコン膜を多数積層させ、メモリセルを３次元化した半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２５６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記積層構造は、シリコン膜とシリコン酸化物膜、ノンドープシリコン膜とドープトシリコン膜の他、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜の組み合わせも考えられる。
【０００６】
しかしながら、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層構造においては、積層数が増えるにつれ、室温下における半導体ウエハの反りが少しずつ大きくなり、やがて半導体ウエハが割れてしまう、という事情がある。この事情は、シリコン窒化物膜を、特に、ジクロロシラン（ＤＣＳ）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスとを用いて成膜した場合に顕著である。
【０００７】
この発明は、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層数を増やしても、これらの膜を積層した積層構造が形成される基板の反りの増大を抑制することが可能なシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法、並びにその積層方法を実行することが可能な成膜装置及びその積層方法を用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の第１の態様に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法は、基板上に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを積層するシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法であって、（１）前記シリコン酸化物膜及び前記シリコン窒化物膜の積層膜が形成される複数の基板を、これら基板それぞれの側部を保持した状態で処理室に収容し、（２）前記シリコン酸化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン酸化物原料ガスと酸化剤とを供給し、成膜温度を５５０℃〜７００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン酸化物膜を成膜し、（３）前記シリコン窒化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン原料ガスと窒化剤とボロン含有ガスとを供給し、成膜温度を６００℃〜８００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン窒化物膜を成膜し、（４）前記（２）の手順と前記（３）の手順とを繰り返し、前記複数の基板それぞれの表面及び裏面上に、前記シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を形成し、前記積層膜に含まれた前記シリコン窒化物膜がＳｉａＢｂＮｃからなる膜であり、前記ＳｉａＢｂＮｃの原子組成比を、ａ＝２５〜１７ａｔｍ％、ｂ＝２２〜３２ａｔｍ％、ｃ＝５３〜５１ａｔｍ％の範囲に制御し、前記積層膜に含まれた前記ＳｉａＢｂＮｃからなる膜が前記基板に与えるストレスを、１００〜６００ＭＰａの範囲に制御する。
【０００９】
この発明の第２の態様に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法は、基板上に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを積層するシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法であって、（１）前記シリコン酸化物膜及び前記シリコン窒化物膜の積層膜が形成される複数の基板を、これら基板それぞれの側部を保持した状態で処理室に収容し、（２）前記シリコン酸化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン酸化物原料ガスと酸化剤とを供給し、成膜温度を５５０℃〜７００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン酸化物膜を成膜し、（３）前記シリコン窒化物膜を成膜する際、前記処理室にシリコン原料ガスと窒化剤とボロン含有ガスとを供給し、成膜温度を６００℃〜８００℃の範囲として膜厚が５０ｎｍ以内の前記シリコン窒化物膜を成膜し、（４）前記（２）の手順と前記（３）の手順とを繰り返し、前記複数の基板それぞれの表面及び裏面上に、前記シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を形成し、前記積層膜に含まれた前記シリコン窒化物膜がＳｉａＢｂＮｃからなる膜であり、前記ＳｉａＢｂＮｃの原子組成比を、ａ＝２０〜１７ａｔｍ％、ｂ＝２８〜３２ａｔｍ％、ｃ＝５２〜５１ａｔｍ％の範囲に制御し、前記積層膜に含まれた前記ＳｉａＢｂＮｃからなる膜が前記基板に与えるストレスを、１００〜３００ＭＰａの範囲に制御する。
【００１０】
この発明の第３の態様に係る成膜装置は、基板上に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを積層するシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜を成膜する成膜装置であって、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層膜が形成される基板を複数枚、これら基板それぞれの側部を保持した状態で収容する処理室と、前記処理室内に、処理に使用するガスを供給するガス供給機構と、前記処理室内を排気する排気機構と、前記ガス供給機構及び前記排気機構を制御するコントローラと、前記処理室内に収容された前記基板を加熱する加熱装置と、を具備し、前記コントローラが、第１の態様又は第２の態様に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法が実施されるように前記ガス供給機構、前記排気機構及び前記加熱装置を制御する。
【００１１】
この発明の第４の態様に係る半導体装置の製造方法は、内部に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とが繰り返し積層された積層膜を有する半導体装置の製造方法であって、前記積層膜の形成に際し、第１の態様又は第２の態様に記載のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を用いる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層数を増やしても、これらの膜を積層した積層構造が形成される基板の反りの増大を抑制することが可能なシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法、並びにその積層方法を実行することが可能な成膜装置及びその積層方法を用いた半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度とＳｉＢＮ膜がシリコンウエハに与えるストレスとの関係を示す図
【図２】ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度とＳｉＢＮ膜の原子組成比との関係を示す図
【図３】ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度とＳｉＢＮ膜のヘイズとの関係を示す図
【図４】一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を実施することが可能な成膜装置の一例を概略的に示す断面図
【図５Ａ】一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図５Ｂ】一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図５Ｃ】一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図５Ｄ】一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図５Ｅ】一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）図は積層構造体４が形成されたシリコンウエハＷを模式的に示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００１５】
（シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法）
基板上に、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを多数積層した基板を、成膜温度から室温に戻すと基板が割れてしまう、という事情は、特に、シリコン窒化物膜が基板、例えば、シリコンウエハに対してストレスを与えていることが要因である、と推測される。そこで、本件の発明者等は、シリコン窒化物膜が基板に与えるストレスの緩和に努めた。
【００１６】
このような背景のもと、本件の発明者等は、シリコン窒化物膜を成膜する際、その成膜ガス中にボロンを添加すると、シリコン窒化物膜が基板、例えば、シリコンウエハに与えるストレスを緩和できることを見出した。
【００１７】
成膜ガス中にボロンを添加することで成膜されるシリコン窒化物膜は、窒化シリコン（ＳｉＮ）にボロン（Ｂ）が含有されたＳｉＢＮ膜となる。しかし、機能的には、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜と変わりがない。このため、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層膜、例えば、ＳｉＯ２膜とＳｉＮ膜との積層膜のうち、ＳｉＮ膜を置き換えることができる。
【００１８】
図１は、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度と、ＳｉＢＮ膜がシリコンウエハに与えるストレスとの関係を示す図である。
【００１９】
図１に示すように、ボロン濃度が０ａｔｍ％、即ち、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜では、シリコンウエハに与えるストレスが約１１４２ＭＰａである。
【００２０】
これに対して、ボロン濃度が約２３％であるＳｉＢＮ膜では、シリコンウエハに与えるストレスが約５４５ＭＰａとなり、ストレスが緩和されることが認められた。
【００２１】
さらに、ボロン濃度を順次高めていくと、ボロン濃度が約２７％であるＳｉＢＮ膜ではストレスが約３３８ＭＰａ、ボロン濃度が約２９％であるＳｉＢＮ膜ではストレスが約２７１ＭＰａ、ボロン濃度が約３１％であるＳｉＢＮ膜ではストレスが約１６８ＭＰａ、ボロン濃度が約３４％であるＳｉＢＮ膜ではストレスが約８ＭＰａと低下していく。
【００２２】
なお、上記ＳｉＢＮ膜の成膜に使用されるガスの一例は、
シリコン原料ガス：  ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２：ＤＣＳ）  
窒    化    剤  ：  アンモニア（ＮＨ３）  
ボロン含有ガス  ：  三塩化ボロン（ＢＣｌ３）  
である。
【００２３】
バッチ式の縦型成膜装置を用いて、膜厚が約５０ｎｍのＳｉＢＮ膜をＣＶＤ法により成膜するときの条件の一例は、次の通りである。  
ＤＣＳ流量：ＮＨ３流量  ＝  １：１  〜  １：２０
ＢＣｌ３流  量          ＝  １０ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍ
成  膜  温  度          ＝  ６００℃〜８００℃
また、ボロン濃度を変化させるためには、“ＤＣＳ流量：ＮＨ３流量”及び“処理温度”を一定として“ＢＣｌ３流量”を変化させれば良い。
【００２４】
このように、シリコン窒化物膜を成膜する際、その成膜ガス中にボロンを添加し、ボロンを含有したシリコン窒化物膜、例えば、ＳｉＢＮ膜を成膜することで、シリコンウエハに与えるストレスが、窒化シリコン膜よりも小さい膜を得ることができる。
【００２５】
このようなＳｉＢＮ膜は、半導体集積回路装置に内在するシリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜とを複数層積み重ねた積層構造、例えば、ＳｉＯ２膜とＳｉＮ膜とを複数層積み重ねた積層構造のうち、ＳｉＮ膜を置き換えることができる。ＳｉＮ膜をＳｉＢＮ膜に置き換えることで、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層数を増やしても、これらの膜を積層した積層構造が形成される基板の反りの増大を抑制することが可能なシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を得ることができる。
【００２６】
さらに、発明者等はボロン濃度毎のＳｉＢＮ膜の原子組成を調べた。  
図２は、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度とＳｉＢＮ膜の原子組成比との関係を示す図である。
【００２７】
図２に示すように、ＳｉＢＮ膜は、ボロン濃度を高めると、窒素原子（Ｎ）の原子組成比（原子組成百分率）はほとんど変わらないかまたは僅かに減少、シリコン原子（Ｓｉ）の原子組成比については減少する、という性質が明らかとなった。
【００２８】
例えば、ボロン原子の原子組成比が約２２ａｔｍ％のときには、窒素原子の原子組成比は約５３ａｔｍ％、シリコン原子の原子組成比は約２５ａｔｍ％である。組成式で表すと、Ｓｉ２５Ｂ２２Ｎ５３となる。
【００２９】
ボロン原子の原子組成比が約３２ａｔｍ％に高まると、窒素原子の原子組成比は約５１ａｔｍ％、シリコン原子の原子組成比は約１７ａｔｍ％となる。組成式で表すと、Ｓｉ１７Ｂ３２Ｎ５１となり、シリコン原子は減少、ボロン原子は増加、窒素原子は僅かに減少する。
【００３０】
このように、ＳｉＢＮ膜においては、ボロン濃度を高めていくと、シリコン原子の多くが、ボロン原子によって置換されていく傾向が見られる。
【００３１】
また、発明者等は、ボロン濃度毎のＳｉＢＮ膜の平坦性を調べた。  
図３は、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度とＳｉＢＮ膜のヘイズとの関係を示す図である。なお、図３には図１に示したボロン濃度とストレスとの関係も併記されており、左縦軸がストレス、右縦軸がヘイズとなっている。図中、ヘイズのプロット点は白抜きのひし形、ストレスのプロット点は黒丸で示されている。
【００３２】
図３に示すように、ボロン濃度が高まっていくと、ヘイズレベルが上がっていく。つまり、ＳｉＢＮ膜の表面に微小な凹凸が増え、ＳｉＢＮ膜の平坦性が悪化する。このことから、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度には、ヘイズレベルを根拠とした上限値を規定するのが良い。例えば、ヘイズレベルとしては０．０２ｐｐｍ以下が良い。このことから、図３に示すように、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度の上限値は約３２ａｔｍ％に定めることが良い。
【００３３】
また、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度の下限値については、ストレスを根拠として規定するのが良い。例えば、ストレスとしては、窒化シリコン膜（ボロン濃度＝０ａｔｍ％）に比較して、半減されることが良い。例えば、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度が約２２ａｔｍ％以上になると、ストレスは半減する。このことから、図３に示すように、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度の下限値は約２２ａｔｍ％に定めることが良い。
【００３４】
このようにＳｉＢＮ膜中のボロン濃度を、２２ａｔｍ％以上３２ａｔｍ％以下の範囲（矢印ｉで示す）に制御することで、シリコンウエハに与えるストレスが窒化シリコン膜に比較しておよそ半減される１００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下で、かつ、ヘイズレベルが０．００５ｐｐｍ以上０．０２ｐｐｍ以下のＳｉＢＮ膜を得ることができる。
【００３５】
このようにボロン濃度が制御されたＳｉＢＮ膜を原子組成で表すと、上述の図２に示したように、ＳｉａＢｂＮｃの原子組成比が、ａ＝２５〜１７ａｔｍ％、ｂ＝２２〜３２ａｔｍ％、ｃ＝５３〜５１ａｔｍ％と表すことができる。
【００３６】
また、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度を、２８ａｔｍ％以上３２ａｔｍ％以下の範囲（矢印iiで示す）にさらに狭めると、ストレスが１００ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下となるストレスがさらに小さいＳｉＢＮ膜を得ることができる。
【００３７】
このようにボロン濃度が制御されたＳｉＢＮ膜を原子組成で表すと、同じく図２に示されているように、ＳｉａＢｂＮｃの原子組成比が、ａ＝２０〜１７ａｔｍ％、ｂ＝２８〜３２ａｔｍ％、ｃ＝５２〜５１ａｔｍ％と表すことができる。
【００３８】
また、上記範囲のＳｉＢＮ膜は、含有されるシリコン原子の数がボロン原子の数よりも少ないＳｉＢＮ膜であるとも言える。つまり、含有されるシリコン原子の数がボロン原子の数よりも少ないＳｉＢＮ膜によれば、ストレスがさらに小さく、かつ、平坦性も十分なレベルにあるＳｉＢＮ膜が得られる、という利点があるということである。
【００３９】
このようなＳｉＢＮ膜中のボロン濃度が２８ａｔｍ％以上３２ａｔｍ％以下のＳｉＢＮ膜によれば、例えば、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度が２２ａｔｍ％以上２８ａｔｍ％未満のＳｉＢＮ膜に比較して、ストレスをさらに小さくでき、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層数を、基板、例えばシリコンウエハの反りを抑制しつつ、さらに増やすことができる、という利点を得ることができる。
【００４０】
一方、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度が２２ａｔｍ％以上２８ａｔｍ％未満のＳｉＢＮ膜には、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度が２８ａｔｍ％以上３２ａｔｍ％以下のＳｉＢＮ膜に比較してヘイズレベルを小さくできる傾向があり平坦性に優れる、という利点がある。このため、積層数が少ない場合や、精度の高い平坦性が要求される場合には、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度が２２ａｔｍ％以上２８ａｔｍ％未満のＳｉＢＮ膜が採用されると良い。
【００４１】
なお、図３中のボロン濃度が約２７ａｔｍ％の結果では、ヘイズレベルが０．０２ｐｐｍと、近似直線から逸脱した値が見られている。これは、例えば、プロセスの揺らぎの影響であろう、と推測される。実際の半導体集積回路装置の製造プロセスのように、プロセスを厳密に管理すれば、その前後のプロット点から考えて、ヘイズレベルは０．０１ｐｐｍ近傍または０．０１ｐｐｍ未満にすることができるであろう。
【００４２】
また、ヘイズレベルのみを考慮すると、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度を、２２ａｔｍ％以上２４ａｔｍ％以下の範囲（矢印iiiで示す）とすると、窒化シリコン膜のヘイズレベル約０．０１１ｐｐｍよりも良い、約０．００５ｐｐｍ以上０．０１ｐｐｍ以下のヘイズレベルとすることができる。しかも、ストレスも窒化シリコン膜の半分以下である。より精度の高い平坦性が要求される場合には、ＳｉＢＮ膜中のボロン濃度が２２ａｔｍ％以上２４ａｔｍ％以下のＳｉＢＮ膜が採用されると良い。
【００４３】
このようにボロン濃度が制御されたＳｉＢＮ膜を原子組成で表すと、同じく図２に示されているように、ＳｉａＢｂＮｃの原子組成比が、ａ＝２５〜２４ａｔｍ％、ｂ＝２２〜２４ａｔｍ％、ｃ＝５３〜５２ａｔｍ％と表すことができる。
【００４４】
また、上記範囲のＳｉＢＮ膜は、含有されるシリコン原子の数がボロン原子の数以上であるＳｉＢＮ膜であるとも言える。つまり、含有されるシリコン原子の数がボロン原子の数以上であるＳｉＢＮ膜によれば、窒化シリコン膜よりも平坦性が良く、また、ストレスも小さいＳｉＢＮ膜が得られる、という利点があるということである。
【００４５】
（半導体装置の製造方法及び成膜装置）
次に、この発明の一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法の一例、及び成膜装置の一例を説明する。
【００４６】
まず、成膜装置を説明する。
【００４７】
図４は、一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を実施することが可能な成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。
【００４８】
図４に示すように、成膜装置１００は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理室１０１を有している。処理室１０１の全体は、例えば、石英により形成されている。処理室１０１内の天井には、石英製の天井板１０２が設けられている。処理室１０１の下端開口部には、例えば、ステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド１０３がＯリング等のシール部材１０４を介して連結されている。
【００４９】
マニホールド１０３は処理室１０１の下端を支持している。マニホールド１０３の下方からは、被処理体として複数枚、例えば、５０〜１００枚の半導体ウエハ、本例では、シリコンウエハＷを多段に載置可能な石英製のウエハボート１０５が処理室１０１内に挿入可能となっている。ウエハボート１０５は複数本の支柱１０６を有し、支柱１０６に形成された溝により複数枚のシリコンウエハＷが支持されるようになっている。
【００５０】
ウエハボート１０５は、石英製の保温筒１０７を介してテーブル１０８上に載置されている。テーブル１０８は、マニホールド１０３の下端開口部を開閉する、例えば、ステンレススチール製の蓋部１０９を貫通する回転軸１１０上に支持される。回転軸１１０の貫通部には、例えば、磁性流体シール１１１が設けられ、回転軸１１０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。蓋部１０９の周辺部とマニホールド１０３の下端部との間には、例えば、Ｏリングよりなるシール部材１１２が介設されている。これにより処理室１０１内のシール性が保持されている。回転軸１１０は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１１３の先端に取り付けられている。これにより、ウエハボート１０５および蓋部１０９等は、一体的に昇降されて処理室１０１内に対して挿脱される。
【００５１】
成膜装置１００は、処理室１０１内に、処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構１１４と、処理室１０１内に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構１１５と、を有している。
【００５２】
処理ガス供給機構１１４は、シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜を形成するために、シリコン原料ガス供給源１１４ａ、シリコン酸化物原料ガス供給源１１４ｂ、窒化剤を含むガス供給源１１４ｃ、酸化剤を含むガス供給源１１４ｄを含んでいる。さらに、処理ガス供給機構１１４は、シリコン窒化物膜を成膜する成膜ガス中にボロンを添加するために、ボロン含有ガス供給源１１４ｅを含んでいる。シリコン原料ガスの一例はジクロロシラン、シリコン酸化物原料ガスの一例はテトラエトキシシラン（Ｓｉ（Ｃ２Ｈ５Ｏ）４：ＴＥＯＳ）、窒化剤を含むガスの一例はアンモニア、酸化剤を含むガスの一例は酸素（Ｏ２）、並びにボロン含有ガスの一例は三塩化ボロンである。
【００５３】
不活性ガス供給機構１１５は、不活性ガス供給源１２０を含んでいる。不活性ガスは、パージガス等に利用される。不活性ガスの一例は窒素（Ｎ２）ガスである。
【００５４】
シリコン原料ガス供給源１１４ａは、流量制御器１２１ａ及び開閉弁１２２ａを介して、分散ノズル１２３に接続される。分散ノズル１２３は石英管よりなり、マニホールド１０３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる。分散ノズル１２３の垂直部分には、複数のガス吐出孔１２４が所定の間隔を隔てて形成されている。シリコン原料ガスは、各ガス吐出孔１２４から水平方向に処理室１０１内に向けて略均一に吐出される。
【００５５】
なお、本例では、分散ノズルは、４本用意されている。図４中ではそのうちの２本、１分散ノズル１２３、１２５のみを示す。分散ノズル１２５もまた石英管よりなり、マニホールド１０３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる。そして、分散ノズル１２５の垂直部分にも、複数のガス吐出孔１２６が所定の間隔を隔てて形成されている。図示せぬ残り２本の分散ノズルもまた、分散ノズル１２３、１２５と同様の構成である。
【００５６】
シリコン酸化物原料ガス源１１４ｂもまた、流量制御器１２１ｂ及び開閉弁１２２ｂを介して、上記分散ノズル１２３に接続される。
【００５７】
窒化剤を含むガス供給源１１４ｃは、流量制御器１２１ｃ及び開閉弁１２２ｃを介して、分散ノズル１２５に接続される。
【００５８】
酸化剤を含むガス供給源１１４ｄは、流量制御器１２１ｄ及び開閉弁１２２ｄを介して、図示せぬ別の分散ノズルに接続される。
【００５９】
ボロン含有ガス供給源１１４ｅは、流量制御器１２１ｅ及び開閉弁１２２ｅを介して、図示せぬさらに別の分散ノズルに接続される。
【００６０】
不活性ガス供給源１２０は、流量制御器１２１ｆ及び開閉弁１２２ｆを介して、ノズル１２８に接続されている。ノズル１２８は、マニホールド１０３の側壁を貫通し、その先端から不活性ガスを、水平方向に処理室１０１内に向けて吐出させる。
【００６１】
処理室１０１内の、分散ノズル１２３及び１２５と反対側の部分には、処理室１０１内を排気するための排気口１２９が設けられている。排気口１２９は処理室１０１の側壁を上下方向へ削りとることによって細長く形成されている。処理室１０１の排気口１２９に対応する部分には、排気口１２９を覆うように断面がコの字状に成形された排気口カバー部材１３０が溶接により取り付けられている。排気口カバー部材１３０は、処理室１０１の側壁に沿って上方に延びており、処理室１０１の上方にガス出口１３１を規定している。ガス出口１３１には、真空ポンプ等を含む排気機構１３２が接続される。排気機構１３２は、処理室１０１内を排気することで処理に使用した処理ガスの排気、及び処理室１０１内の圧力を処理に応じた処理圧力とする。
【００６２】
処理室１０１の外周には筒体状の加熱装置１３３が設けられている。加熱装置１３３は、処理室１０１内に供給されたガスを活性化するとともに、処理室１０１内に収容された被処理体、本例ではシリコンウエハＷを加熱する。
【００６３】
成膜装置１００の各部の制御は、例えばマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるコントローラ１５０により行われる。コントローラ１５０には、オペレータが成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１５１が接続されている。
【００６４】
コントローラ１５０には記憶部１５２が接続されている。記憶部１５２は、成膜装置１００で実行される各種処理をコントローラ１５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置１００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納される。レシピは、例えば、記憶部１５２の中の記憶媒体に記憶される。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。レシピは、必要に応じて、ユーザーインターフェース１５１からの指示等にて記憶部１５２から読み出され、読み出されたレシピに従った処理をコントローラ１５０が実行することで、成膜装置１００は、コントローラ１５０の制御のもと、所望の処理が実施される。
【００６５】
本例では、コントローラ１５０の制御のもと、以下に説明する一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法に従った処理を順次実行する。
【００６６】
図５Ａ〜図５Ｅは、一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法を利用した半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【００６７】
まず、図５Ａに示すように、複数のシリコンウエハＷを、ウエハボート１０５に多段載置する。例えば、複数のシリコンウエハＷは、ウエハボート１０５に設けられた複数本の支柱１０６それぞれに設けられた溝１０６ａに支持される。次いで、ウエハボート１０５に多段載置された複数のシリコンウエハＷを、処理室１０１内に挿入する。
【００６８】
次に、図５Ｂに示すように、シリコン酸化物原料ガス及び酸化剤を含むガスを、シリコン酸化物原料ガス供給源１１４ｂ及び酸化剤を含むガス供給源１１４ｄから処理室１０１内に供給し、複数のシリコンウエハＷの表面、裏面及び側面に、第１層シリコン酸化物膜１−１を形成する。シリコン酸化物膜１−１の成膜条件の一例は、
ＴＥＯＳ流  量  ＝  ５０ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍ
Ｏ２  流  量    ＝  １０ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍ
成  膜  温  度  ＝  ５５０℃〜７００℃
である。
【００６９】
この成膜条件では、シリコン酸化物膜１−１として、膜厚約５０ｎｍのＳｉＯ２膜が形成される。次いで、不活性ガスを不活性ガス供給源１２０から処理室１０１内に供給し、処理室１０１内をパージする。
【００７０】
次に、シリコン原料ガス、窒化剤を含むガス及びボロン含有ガスを、シリコン原料ガス供給源１１４ａ、窒化剤を含むガス供給源１１４ｃ及びボロン含有ガス供給源１１４ｅから処理室１０１内に供給し、複数のシリコンウエハＷの表面、裏面及び側面に形成されたシリコン酸化物膜１−１上に、第１層シリコン窒化物膜２−１を形成する。シリコン窒化物膜２−１の成膜条件の一例は、前述した通り、
ＤＣＳ流量：ＮＨ３流量  ＝  １：１  〜  １：２０
ＢＣｌ３流  量          ＝  １０ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍ
成  膜  温  度          ＝  ６００℃〜８００℃
である。
【００７１】
この成膜条件では、シリコン窒化物膜２−１として、膜厚約５０ｎｍのＳｉＢＮ膜が形成される。このようにして、シリコン酸化物膜１−１及びシリコン窒化物膜２−１の第１層積層構造３−１が形成される。次いで、不活性ガスを不活性ガス供給源１２０から処理室１０１内に供給し、処理室１０１内をパージする。
【００７２】
この後、上記シリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層構造３の形成を、所定の積層数Ｎとなるまで繰り返す。これにより、シリコンウエハＷの表面、裏面及び側面には、図５Ｃに示すようにＮ層の積層構造３−１〜３−Ｎが形成される。
【００７３】
成膜装置１００を用いた成膜プロセスは、ここまでである。
【００７４】
成膜装置１００を用いた成膜プロセスにおいて、シリコン酸化物膜の成膜温度と、シリコン窒化物膜の成膜温度とは、できるだけ近い方が良い。即ち、両者の成膜温度が離れていると、ヒータ１３３の設定温度の変更など、成膜温度の変更に要する時間、及び処理室１０１の内部の温度が安定するまでに要する時間が長くなり、スループットに大きく影響するからである。両者の成膜温度の温度差は、処理室１０１の容積にもよるが、おおよそ約５０℃〜１５０℃の範囲に収めることができれば、スループットの著しい低下を抑制することができる。好ましくは、両者の成膜温度は、同じであることが良い。両者の成膜温度が同じであれば、成膜温度の変更に要する時間、及び処理室１０１内の温度が安定するまでに要する時間がなくなり、成膜シーケンスの上では、最高のスループットを得ることが可能となる。
【００７５】
本例では、ＴＥＯＳによるＳｉＯ２膜の成膜温度と、ＤＣＳ−ＮＨ３−ＢＣｌ３によるＳｉＢＮ膜の成膜温度とを同じとし、ＳｉＯ２膜とＳｉＢＮ膜とを連続的、かつ、繰り返し成膜した。なお、積層数Ｎは２０〜４０であった。
【００７６】
また、ＳｉＯ２膜及びＳｉＢＮ膜の１層当たりの処理時間には、５０〜８０分の時間が必要なことから、スループットをさらに上げるためには、本例のように、一度に５０〜１５０枚のシリコンウエハＷをウエハボート１０５に載置し、一括して成膜処理することが可能なバッチ式の縦型成膜装置が適している。
【００７７】
次に、図５Ｄに示すように、ウエハボート１０５を処理室１０１から取り出し、さらに、シリコンウエハＷをウエハボート１０５から取り出す。
【００７８】
次に、図５Ｅに示すように、シリコンウエハＷに、裏面エッチング及びベベルエッチングを行い、第１層積層構造３−１〜第Ｎ層積層構造３−Ｎを含む積層構造体４を、シリコンウエハＷの裏面及び側面近傍から除去する。積層構造体４を、シリコンウエハＷの裏面及び側面近傍から除去する理由は、シリコンウエハＷの裏面平坦性を維持し、積層構造体４が形成された後も、例えば、露光プロセスなどの製造プロセスを精度良く行われるようにするためである。
【００７９】
さて、図６Ａに示すように、シリコンウエハＷの表面、裏面及び側面に、上記積層構造体４が形成されている場合には、このシリコンウエハＷを室温に戻しても、シリコンウエハＷには反りが生じない。これは、積層構造体４がシリコンウエハＷの表面及び裏面のそれぞれに形成されているため、積層構造体４がシリコンウエハＷに与えるストレスが、表面と裏面とで均衡するためである。
【００８０】
しかし、裏面エッチング及びベベルエッチングを行い、積層構造体４をシリコンウエハＷの裏面及び側面から除去してしまうと、図６Ｂに示すように、シリコンウエハＷが反りだす。この反り量は、積層構造体４に含まれる積層構造３の積層数が増えるにつれ、増大してくる。シリコンウエハＷに与えられるストレスが大きくなるためである。シリコンウエハＷの強度が限界を超えると、図６Ｂに示すように、シリコンウエハＷにクラック５が入り、やがて割れてしまう。
【００８１】
この点、一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法によれば、上述した通り、積層構造体４に含まれたシリコン窒化物膜３がシリコンウエハＷに与えるストレスを緩和できる。このため、積層構造体４内のシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層数を増やしても、図６Ｃに示すように、シリコンウエハＷの反りの増大を抑制することが可能となる。
【００８２】
このような一実施形態に係るシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法は、例えば、トランジスタやメモリセルなどの素子を、シリコンウエハＷの表面から上層に向けて積み上げていく、いわゆる素子の３次元化が図られた半導体集積回路装置の製造方法への適用に有効である。
【００８３】
このように、この発明の一実施形態によれば、シリコン酸化物膜とシリコン窒化物膜との積層数を増やしても、これらの膜を積層した積層構造が形成される基板の反りの増大を抑制することが可能なシリコン酸化物膜及びシリコン窒化物膜の積層方法、並びにその積層方法を実行することが可能な成膜装置を得ることができる。
【００８４】
以上、この発明を一実施形態に従って説明したが、この発明は、上記一実施形態に限定されることは無く、種々変形可能である。また、この発明の実施形態は、上記一実施形態が唯一の実施形態でもない。
【００８５】
例えば、上記一実施形態における積層構造３は、下層にシリコン酸化物膜１、上層にシリコン窒化物膜２を備えていたが、反対に、上層にシリコン酸化物膜１、下層にシリコン窒化物膜２を備えるようにしても良い。
【００８６】
また、基板としては、半導体ウエハ、例えば、シリコンウエハに限定されるものでもなく、本発明は、ＬＣＤガラス基板等の他の基板にも適用することが可能である。  
その他、この発明はその要旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
【符号の説明】
【００８７】
Ｗ…シリコン基板、１（１−１〜１−Ｎ）…シリコン酸化物膜、２（２−１〜２−Ｎ）…シリコン窒化物膜、３（３−１〜３−Ｎ）…積層構造、４…積層構造体。
【図１】
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【図２】
0005665627.tif 000003
【図３】
0005665627.tif 000004
【図４】
0005665627.tif 000005
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
0005665627.tif 000007
【図５Ｃ】
0005665627.tif 000008
【図５Ｄ】
0005665627.tif 000009
【図５Ｅ】
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【図６】
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