JP4541864B2 - シリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラム - Google Patents

シリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、シリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラムに関し、詳しくは、被処理体、例えば、半導体ウエハにシリコン酸窒化膜を形成するシリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラムに関する。
半導体装置の製造工程では、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の処理により、被処理体、例えば、半導体ウエハにシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成する薄膜形成処理が行われている。このような薄膜形成処理では、例えば、半導体ウエハに熱酸化膜を形成し、形成した熱酸化膜を熱処理等によって窒化することにより、シリコン酸窒化膜を形成している（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−２５１４２８号公報
ところで、近年、デバイスの微細化に伴い、シリコン酸窒化膜の薄膜化が求められているが、シリコン酸窒化膜を薄膜化すると、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度のわずかなズレがデバイスの電気特性に大きな影響を与えてしまう。例えば、バッチ式の縦型熱処理装置の場合、反応室内の材料を交換するだけで、形成されるシリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度が低下するように、シリコン酸窒化膜中の窒素濃度が変化し、デバイスの電気特性に大きな影響を与えてしまう。このため、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度の変化を抑制し、所望の窒素濃度のシリコン酸窒化膜を継続的に安定して形成することができる方法が望まれている。また、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度を向上させることができる方法が望まれている。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、所望の窒素濃度のシリコン酸窒化膜を継続的に安定して形成することができるシリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラムを提供することを目的とする。
また、本発明は、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度の変化を抑制することができるシリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラムを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度を向上させることができるシリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかるシリコン酸窒化膜の形成方法は、
被処理体にシリコン酸化膜を形成し、該形成したシリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成するシリコン酸窒化膜の形成方法であって、
前記被処理体にシリコン酸窒化膜を形成する前に、前記被処理体を収容する反応室内に活性化された窒素系ガスを供給し、前記反応室内の材料の表面を窒化する窒化工程を備え、
前記窒化工程では、前記反応室内の材料の表面が飽和するまで窒化する、ことを特徴とする。
前記窒素系ガスは、例えば、アンモニア、酸化窒素、一酸化二窒素、または、二酸化窒素を用いることができる。
前記反応室内の材料は、例えば、石英と炭化珪素との少なくとも一方を含む。
前記窒化工程では、前記窒素系ガスを所定の温度に昇温した反応室内に供給して活性化させてもよい。この場合、前記窒化工程では、前記反応室内を少なくとも６００℃に昇温することが好ましい。また、前記窒化工程では、前記反応室内を６６５Ｐａ〜１００ｋＰａに維持することが好ましい。前記窒化工程では、前記窒素系ガスを反応室内に少なくとも４時間供給することが好ましい。
前記窒化工程では、プラズマ発生手段により前記窒素系ガスを励起させることにより活性化させてもよい。この場合、前記窒化工程では、前記反応室内を２００℃〜８００℃に昇温することが好ましい。また、前記窒化工程では、前記反応室内の前記窒素系ガスの圧力を１３．３Ｐａ〜１６０００Ｐａに維持することが好ましい。前記窒化工程では、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を５０〜２０００Ｗ印加することにより前記窒素系ガスを励起させ、活性化させてもよい。
本発明の第２の観点にかかるシリコン酸窒化膜の形成装置は、
被処理体にシリコン酸化膜を形成し、該形成したシリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成するシリコン酸窒化膜の形成装置であって、
前記被処理体にシリコン酸窒化膜を形成する前に、前記被処理体を収容する反応室内に活性化された窒素系ガスを供給し、前記反応室内の材料の表面を窒化させる窒化手段を備え、
前記窒化手段は、前記反応室内の材料の表面が飽和するまで窒化する、ことを特徴とする。
前記窒化手段は、前記反応室内を少なくとも６００℃に昇温する加熱手段を備えてもよい。この場合、前記加熱手段により少なくとも６００℃に昇温された反応室内に窒素系ガスを供給して活性化させ、該活性化された窒素系ガスにより前記反応室内の材料の表面を窒化する。
前記窒化手段は、プラズマ発生手段を備えてもよい。この場合、前記プラズマ発生手段により前記窒素系ガスを励起させることにより活性化させ、該活性化された窒素系ガスにより前記反応室内の材料の表面を窒化する。
本発明の第３の観点にかかるプログラムは、
被処理体を収容する反応室と、該反応室に窒素系ガスを供給する機能とを備えるシリコン酸窒化膜の形成装置を制御するコンピュータを制御するプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記被処理体を収容する反応室内に活性化された窒素系ガスを供給させ、前記反応室内の材料の表面が飽和するまで窒化する窒化手順を前記シリコン酸窒化膜の形成装置に実行させ、
続いて、前記窒化された反応室内に収容した被処理体にシリコン酸化膜を形成し、形成したシリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成する手順を前記シリコン酸窒化膜の形成装置に実行させることを特徴とする。
本発明によれば、所望の窒素濃度のシリコン酸窒化膜を継続的に安定して形成することができる。
以下、本発明の実施の形態にかかるシリコン酸窒化膜の形成方法、形成装置及びプログラムについて説明する。本実施の形態では、シリコン酸窒化膜の形成装置として、図１に示すバッチ式縦型熱処理装置１を用いた場合を例に説明する。
図１に示すように、熱処理装置１は、長手方向が垂直方向に向けられた略円筒状の反応管２を備えている。反応管２は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。
反応管２の上端には、例えば、上端側に向かって縮径するように略円錐状に形成された頂部３が設けられている。頂部３の中央には、反応管２内のガスを排気するための排気口４が設けられ、排気口４には排気管５が気密に接続されている。排気管５には、図示しないバルブや後述する真空ポンプ１２７などの圧力調整機構が設けられ、反応管２内を所望の圧力（真空度）に制御する。
反応管２の下方には、蓋体６が配置されている。蓋体６は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。また、蓋体６は、後述するボートエレベータ１２８により上下動可能に構成されている。そして、ボートエレベータ１２８により蓋体６が上昇すると、反応管２の下方側（炉口部分）が閉鎖され、ボートエレベータ１２８により蓋体６が下降すると、反応管２の下方側（炉口部分）が開口される。
蓋体６の上部には、保温筒７が設けられている。保温筒７は、反応管２の炉口部分から反応管２内の温度が低下することを防止するための抵抗発熱体からなる平面状のヒータ８と、このヒータ８を蓋体６の上面から所定の高さに支持する筒状の支持体９とから主に構成されている。
保温筒７の上方には、回転テーブル１０が設けられている。回転テーブル１０は、被処理体、例えば、半導体ウエハＷを収容するウエハボート１１を回転可能に載置する載置台として機能する。具体的には、回転テーブル１０の下部には回転支柱１２が設けられ、回転支柱１２はヒータ８の中央部を貫通して回転テーブル１０を回転させる回転機構１３に接続されている。回転機構１３は図示しないモータと、蓋体６の下面側から上面側に気密状態で貫通導入された回転軸１４を備える回転導入部１５とから主に構成されている。回転軸１４は回転テーブル１０の回転支柱１２に連結され、モータの回転力を回転支柱１２を介して回転テーブル１０に伝える。このため、回転機構１３のモータにより回転軸１４が回転すると、回転軸１４の回転力が回転支柱１２に伝えられて回転テーブル１０が回転する。
ウエハボート１１は、回転テーブル１０上に載置されている。ウエハボート１１は、例えば、石英により形成されている。ウエハボート１１は、半導体ウエハＷが垂直方向に所定の間隔をおいて複数枚、例えば、１００枚収容可能に構成されている。このウエハボート１１には、収容する半導体ウエハＷの枚数等に応じて複数枚のダミーウエハが収容されている。ダミーウエハは、ウエハボート１１の所定位置、例えば、ウエハボート１１の上部や下部に収容される。このようなウエハボート１１は、回転テーブル１０上に載置されているので、回転テーブル１０の回転により回転し、この回転により収容された半導体ウエハＷやダミーウエハを回転させる。
反応管２の周囲には、反応管２を取り囲むように、例えば、抵抗発熱体からなる昇温用ヒータ１６が設けられている。この昇温用ヒータ１６により反応管２の内部が所定の温度に加熱され、この結果、半導体ウエハＷが所定の温度に加熱される。
反応管２の下端近傍の側面には、反応管２内に処理ガス（例えば、窒化用ガス、成膜用ガス）を導入する処理ガス導入管１７が挿通されている。処理ガス導入管１７は、後述するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１２５を介して、図示しない処理ガス供給源に接続されている。窒化用ガスとしては、窒素系ガス、例えば、アンモニア（ＮＨ３）、酸化窒素（ＮＯ）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ２）等が用いられる。成膜用ガスとしては、例えば、半導体ウエハＷに熱酸化膜を形成する場合には、水（Ｈ２Ｏ）、酸素（Ｏ２）が用いられ、この熱酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成する場合には、アンモニア、酸化窒素、一酸化二窒素、二酸化窒素等が用いられる。なお、図１では処理ガス導入管１７を一つだけ描いているが、複数本の処理ガス導入管１７が挿通されていてもよい。
また、反応管２の下端近傍の側面には、パージガス供給管１８が挿通されている。パージガス供給管１８には、後述するＭＦＣ１２５を介して図示しないパージガス供給源に接続されており、所望量のパージガスが反応管２内に供給される。
このような熱処理装置１の内部、例えば、反応管２の内壁、反応管２内に配置された部材（例えば、ウエハボートに収容されたダミーウエハ、ウエハボート１１）等は、後述する本発明のシリコン酸窒化膜の形成方法における窒化工程により、ほぼ飽和するまで窒化されている。
また、熱処理装置１は、装置各部の制御を行う制御部１００を備えている。図２に制御部１００の構成を示す。図２に示すように、制御部１００には、操作パネル１２１、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ１２５、バルブ制御部１２６、真空ポンプ１２７、ボートエレベータ１２８等が接続されている。
操作パネル１２１は、表示画面と操作ボタンとを備え、オペレータの操作指示を制御部１００に伝え、また、制御部１００からの様々な情報を表示画面に表示する。
温度センサ（群）１２２は、反応管２内及び排気管５内の各部の温度を測定し、その測定値を制御部１００に通知する。
圧力計（群）１２３は、反応管２内及び排気管５内の各部の圧力を測定し、測定値を制御部１００に通知する。
ヒータコントローラ１２４は、ヒータ８及び昇温用ヒータ１６を個別に制御するためのものであり、制御部１００からの指示に応答して、ヒータ８、昇温用ヒータ１６に通電してこれらを加熱し、また、ヒータ８、昇温用ヒータ１６の消費電力を個別に測定して、制御部１００に通知する。
ＭＦＣ１２５は、処理ガス導入管１７、パージガス供給管１８等の各配管に配置され、各配管を流れるガスの流量を制御部１００から指示された量に制御するとともに、実際に流れたガスの流量を測定して、制御部１００に通知する。
バルブ制御部１２６は、各配管に配置され、各配管に配置された弁の開度を制御部１００から指示された値に制御する。真空ポンプ１２７は、排気管５に接続され、反応管２内のガスを排気する。
ボートエレベータ１２８は、蓋体６を上昇させることにより、回転テーブル１０上に載置されたウエハボート１１（半導体ウエハＷ）を反応管２内にロードし、蓋体６を下降させることにより、回転テーブル１０上に載置されたウエハボート１１（半導体ウエハＷ）を反応管２内からアンロードする。
制御部１００は、レシピ記憶部１１１と、ＲＯＭ１１２と、ＲＡＭ１１３と、Ｉ／Ｏポート１１４と、ＣＰＵ１１５と、これらを相互に接続するバス１１６とから構成されている。
レシピ記憶部１１１には、セットアップ用レシピと複数のプロセス用レシピとが記憶されている。熱処理装置１の製造当初は、セットアップ用レシピのみが格納される。セットアップ用レシピは、各熱処理装置に応じた熱モデル等を生成する際に実行されるものである。プロセス用レシピは、ユーザが実際に行う熱処理（プロセス）毎に用意されるレシピであり、例えば、後述する図３に示すように、反応管２への半導体ウエハＷのロードから、処理済みのウエハＷをアンロードするまでの、各部の温度の変化、反応管２内の圧力変化、処理ガスの供給の開始及び停止のタイミングと供給量などを規定する。
ＲＯＭ１１２は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１１５の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１１５のワークエリアなどとして機能する。
Ｉ／Ｏポート１１４は、操作パネル１２１、温度センサ１２２、圧力計１２３、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ１２５、バルブ制御部１２６、真空ポンプ１２７、ボートエレベータ１２８等に接続され、データや信号の入出力を制御する。
ＣＰＵ（Central Processing Unit)１１５は、制御部１００の中枢を構成し、ＲＯＭ１１２に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１２１からの指示に従って、レシピ記憶部１１１に記憶されているレシピ（プロセス用レシピ）に沿って、熱処理装置１の動作を制御する。すなわち、ＣＰＵ１１５は、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ＭＦＣ１２５等に反応管２内及び排気管５内の各部の温度、圧力、流量等を測定させ、この測定データに基づいて、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ１２５、バルブ制御部１２６、真空ポンプ１２７等に制御信号等を出力し、上記各部がプロセス用レシピに従うように制御する。
バス１１６は、各部の間で情報を伝達する。
次に、以上のように構成された熱処理装置１を用いたシリコン酸窒化膜の形成方法について説明する。本実施の形態では、酸素（Ｏ２）を用いて半導体ウエハＷ上にシリコン酸化膜（熱酸化膜）を形成した後、アンモニア（ＮＨ３）を用いてシリコン酸化膜を窒化することによりシリコン酸窒化膜を形成する場合を例に、シリコン酸窒化膜の形成方法について、図３に示すレシピを参照して説明する。なお、以下の説明において、熱処理装置１を構成する各部の動作は、制御部１００（ＣＰＵ１１５）により制御されている。また、各処理における反応管２内の温度、圧力、ガスの流量等は、前述のように、制御部１００（ＣＰＵ１１５）がヒータコントローラ１２４（ヒータ８、昇温用ヒータ１６）、ＭＦＣ１２５（処理ガス導入管１７、パージガス供給管１８）、バルブ制御部１２６、真空ポンプ１２７等を制御することにより、図３に示すレシピに従った条件になる。
まず、昇温用ヒータ１６により反応管２内を所定のロード温度に設定する。また、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素（Ｎ２）を供給する。そして、処理対象である半導体ウエハＷが収容されていないウエハボート１１を蓋体６（回転テーブル１０）上に載置し、ボートエレベータ１２８により蓋体６を上昇させ、ウエハボート１１を反応管２内に収容する。ここで、シリコン酸窒化膜の形成においてウエハボート１１内にダミーウエハを配置する場合には、ダミーウエハをウエハボート１１内の所定の位置に配置する。
次に、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給するとともに、昇温用ヒータ１６により反応管２内を所定の窒化温度（処理温度）、例えば、図３（ａ）に示すように、１０００℃に加熱する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、１６０００Ｐａ（１２０Ｔｏｒｒ）に減圧する。そして、この減圧及び加熱操作を、反応管２が所定の圧力及び温度で安定するまで行う（安定化工程）。
反応管２内が所定の圧力及び温度で安定すると、パージガス供給管１８からの窒素の供給を停止する。そして、処理ガス導入管１７から窒化用ガスとしてのアンモニア（ＮＨ３）を所定量、例えば、図３（ｅ）に示すように、２リットル／ｍｉｎで、例えば、図３（ｆ）に示すように、２４０分間、反応管２内に導入し、反応管２の内壁、ダミーウエハ、ウエハボート１１等がほぼ飽和するまで窒化させる（窒化工程）。
ここで、窒化工程における反応管２内の温度は、６００℃以上にすることが好ましく、８００℃以上にすることがさらに好ましい。反応管２内の温度が６００℃より低くなると、反応管２の内壁等の窒化に時間がかかってしまうおそれがあるためである。６００℃以上、特に、８００℃以上にすると、短時間で窒化処理を行うことができる。ただし、反応管２内の温度を高くしすぎると、熱処理装置１を構成する部品の熱劣化を防止する措置が必要になることから、窒化工程における反応管２内の温度は、８００〜１０００℃にすることが最も好ましい。
窒化工程における反応管２内の圧力は、６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）〜１０００００Ｐａ（７５０Ｔｏｒｒ）にすることが好ましい。特に、窒化工程における反応管２内の圧力は、２６６０Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）〜１７２９０Ｐａ（１３０Ｔｏｒｒ）にすることがさらに好ましく、１３３００Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）〜１６０００Ｐａ（１２０Ｔｏｒｒ）にすることが最も好ましい。かかる範囲にすることにより、効率的な窒化処理を行うことができるためである。
反応管２の内壁等が窒化されると、処理ガス導入管１７からのアンモニアの供給を停止する。そして、反応管２内のガスを排出するとともに、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給して、反応管２内のガスを排気管５に排出する（パージ工程）。なお、反応管２内のガスを確実に排出するために、反応管２内のガスの排出及び窒素の供給を複数回繰り返すサイクルパージを行うことが好ましい。
次に、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給して、図３（ｂ）に示すように、反応管２内の圧力を常圧する。そして、ボートエレベータ１２８により蓋体６を下降させて、窒化したウエハボート１１を反応管２外に搬出し、このウエハボート１１に処理対象である半導体ウエハＷを収容する。ウエハボート１１に半導体ウエハＷを収容すると、ボートエレベータ１２８により蓋体６を上昇させ、ウエハボート１１（半導体ウエハＷ）を反応管２内にロードする。これにより、半導体ウエハＷを反応管２内に収容するとともに、反応管２を密閉する（ロード工程）。
続いて、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給するとともに、昇温用ヒータ１６により反応管２内を所定のシリコン酸化膜形成温度（処理温度）、例えば、図３（ａ）に示すように、８００℃に加熱する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、２６６０Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）に減圧する。そして、この減圧及び加熱操作を、反応管２が所定の圧力及び温度で安定するまで行う（安定化工程）。
また、回転機構１３のモータを制御して、回転テーブル１０を回転させ、ウエハボート１１を回転させる。ウエハボート１１を回転させることにより、ウエハボート１１に収容された半導体ウエハＷも回転し、半導体ウエハＷが均一に加熱される。
反応管２内が所定の圧力及び温度で安定すると、パージガス供給管１８からの窒素の供給を停止する。そして、処理ガス導入管１７から成膜用ガスとしての酸素を所定量、例えば、図３（ｄ）に示すように、５リットル／ｍｉｎで、例えば、図３（ｆ）に示すように、５〜２０分間、反応管２内に導入する。これにより、半導体ウエハＷの表面にシリコン酸化膜が形成される（酸化膜形成工程）。
半導体ウエハＷの表面に所定厚のシリコン酸化膜が形成されると、処理ガス導入管１７からの酸素の供給を停止する。そして、反応管２内のガスを排出するとともに、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給して、反応管２内のガスを排気管５に排出する。続いて、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給するとともに、昇温用ヒータ１６により反応管２内を所定のシリコン酸窒化膜形成温度（処理温度）、例えば、図３（ａ）に示すように、９００℃に加熱する。また、反応管２内のガスを排出し、反応管２を所定の圧力、例えば、図３（ｂ）に示すように、８０００Ｐａ（６０Ｔｏｒｒ）に減圧する。そして、この減圧及び加熱操作を、反応管２が所定の圧力及び温度で安定するまで行う（パージ・安定化工程）。また、前述と同様に、回転機構１３のモータを制御して、回転テーブル１０を回転させ、ウエハボート１１を回転させ、半導体ウエハＷを均一に加熱する。
反応管２内が所定の圧力及び温度で安定すると、パージガス供給管１８からの窒素の供給を停止する。そして、処理ガス導入管１７から成膜用ガスとしてのアンモニアを所定量、例えば、図３（ｅ）に示すように、２リットル／ｍｉｎで、例えば、図３（ｆ）に示すように、１〜１５分間、反応管２内に導入する。これにより、半導体ウエハＷの表面のシリコン酸化膜が窒化され、シリコン酸窒化膜が形成される（酸窒化膜形成工程）。このような工程により形成されるシリコン酸窒化膜は、例えば、膜厚が１０ｎｍ〜３０ｎｍであり、窒素濃度が５％〜２０％である。
シリコン酸窒化膜が形成されると、処理ガス導入管１７からのアンモニアの供給を停止する。そして、反応管２内のガスを排出するとともに、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給して、反応管２内のガスを排気管５に排出する（パージ工程）。
次に、パージガス供給管１８から反応管２内に所定量の窒素を供給して、図３（ｂ）に示すように、反応管２内の圧力を常圧する。そして、ボートエレベータ１２８により蓋体６を下降させることにより、アンロードする（アンロード工程）。これにより、シリコン酸窒化膜が形成された半導体ウエハＷが反応管２外に搬出される。
以上のようなシリコン酸窒化膜の形成方法により形成されたシリコン酸窒化膜の窒素濃度の確認を行った。実施例１〜４では、新品のダミーウエハをウエハボート１１に収容、すなわち、ダミーウエハを交換した後、前述のシリコン酸窒化膜の形成方法により形成されたシリコン酸窒化膜の窒素濃度の測定を行った。窒化工程における窒化用ガスにアンモニア、ダミーウエハに１００ｎｍ厚の熱酸化膜を用い、図４に示すように、窒化時間を２〜８時間の間で変化させた。実施例５では、ダミーウエハを交換することなく、窒化時間を６時間とし、前述のシリコン酸窒化膜の形成方法により形成されたシリコン酸窒化膜の窒素濃度の測定を行った。シリコン酸窒化膜中の窒素濃度は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ測定）により測定した。この結果を図５に示す。
なお、比較例１は、ダミーウエハを交換することなく、窒化工程を行わない従来のシリコン酸窒化膜の形成方法により形成されたシリコン酸窒化膜の窒素濃度である。比較例２は、ダミーウエハを交換した後、従来のシリコン酸窒化膜の形成方法により形成されたシリコン酸窒化膜の窒素濃度である。また、ダミーウエハの状態は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ測定）により、ダミーウエハ中の熱酸化膜に含まれる窒素の混入量から判断した。
図５に示すように、比較例２と実施例１〜４とから、ダミーウエハを交換しても、窒化工程（窒化時間）を行うことにより、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度を向上させることができることが確認できた。特に、窒化工程を４時間以上行うことにより、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度を向上させることができることが確認できた。これは、４時間の窒化工程により、ダミーウエハが窒化されて、ほぼ飽和された状態になるように、反応管２内（反応管２の内壁、ウエハボート１１等）が窒化されて、ほぼ飽和された状態になったためであると考えられる。
さらに、窒化工程を６時間以上行うことにより、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度を大きく向上させることができることが確認できた。６時間以上行うことにより反応管２の内壁、ダミーウエハ、ウエハボート１１等が完全に飽和するまで窒化されるためであると考えられる。図４に示すように、実施例３、４では、ダミーウエハが窒化されて飽和された状態になっている。
また、比較例１と実施例１〜５とから、本発明のシリコン酸窒化膜の形成方法を用いることにより、窒化工程を行わない従来のシリコン酸窒化膜の形成方法に比べてシリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度を向上させることができることが確認できた。
また、実施例３と実施例５とから、ダミーウエハの交換の有無によらず、シリコン酸窒化膜の窒素濃度は、ほぼ同様の値、すなわち、ほとんど変化していないことが確認できた。すなわち、比較例１と比較例２との関係のように、ダミーウエハの交換により、シリコン酸窒化膜の窒素濃度が低下することがなくなることが確認できた。これは、窒化工程により、ダミーウエハ、反応管２の内壁、ウエハボート１１等が窒化されて、飽和された状態になるためであると考えられる。このため、本発明のシリコン酸窒化膜の形成方法を用いることにより、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度の変化を抑制することができ、所望の窒素濃度のシリコン酸窒化膜を継続的に安定して形成することができることが確認できた。
次に、反応管２を新品に交換した後、前述のシリコン酸窒化膜の形成方法によりシリコン酸窒化膜を形成した場合の反応管２（石英）の窒素濃度の測定を行った。実施例６〜８では、窒化工程における窒化用ガスにアンモニア、ダミーウエハに予め窒化し飽和したダミーウエハを用い、図６に示すように、窒化時間を２〜６時間の間で変化させた。反応管２の窒素濃度は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ測定）により測定した。この結果を図７に示す。
なお、比較例３は、反応管２を新品に交換した後、窒化工程を行わない従来のシリコン酸窒化膜の形成方法によりシリコン酸窒化膜を形成した場合の反応管２（石英）の窒素濃度である。また、反応管２の状態は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ測定）により、反応管２を構成する石英に含まれる窒素の混入量から判断した。
図６及び図７に示すように、窒化工程を２時間行うことにより、反応管２を構成する石英がほぼ窒化されていることが確認でき、窒化工程を４時間以上行うことにより、反応管２を構成する石英が窒化されていることが確認できた。このため、反応管２を新品に交換した場合には、２時間以上、特に、４時間以上の窒化処理を行うことにより、形成するシリコン酸窒化膜の窒素濃度が低下することがなくなる。また、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度の変化を抑制することができ、所望の窒素濃度のシリコン酸窒化膜を継続的に安定して形成することができる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化工程により、反応管２の内壁、ダミーウエハ、ウエハボート１１等をほぼ飽和するまで窒化しているので、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度を向上させることができる。また、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度の変化を抑制することができ、所望の窒素濃度のシリコン酸窒化膜を継続的に安定して形成することができる。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。
上記実施の形態では、シリコン酸窒化膜の形成ごとに窒化工程を行っている場合を例に本発明を説明したが、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度の変化が問題とならない範囲内であれば、シリコン酸窒化膜の形成を複数回行うごとに窒化工程を行うようにしてもよい。
上記実施の形態では、窒化用ガス、及び、酸化膜を窒化する成膜用ガスとしてアンモニアを用いた場合を例に本発明を説明したが、例えば、酸化窒素、一酸化二窒素、二酸化窒素等であってもよい。
上記実施の形態では、熱処理により窒化用ガスを活性化させ、この活性化された窒化用ガスによりダミーウエハ、反応管２、ウエハボート１１等を窒化させた場合を例に本発明を説明したが、例えば、プラズマ処理により窒化用ガスを活性化（窒素励起活性種を形成）させ、この活性化された窒化用ガスによりダミーウエハ、反応管２、ウエハボート１１等を窒化させてもよい。
図８に他の実施の形態のシリコン酸窒化膜の形成装置２０１を示す。図８に示すように、形成装置２０１は、処理ガス導入管１７にプラズマ発生部２０２が配置されている点を除いて、前述の熱処理装置１と同様に構成されている。この形成装置２０１によれば、図示しない処理ガス供給源から処理ガス導入管１７に供給された窒化用ガスをプラズマ発生部２０２に通過させることにより活性化（窒素励起活性種を形成）させ、この活性化された窒化用ガスによりダミーウエハ、反応管２、ウエハボート１１等が窒化される。この場合、反応管２内の温度は、２００〜８００℃とすることが好ましい。また、反応管２内のアンモニアの圧力（アンモニア分圧）は、１３．３〜１６０００Ｐａ（０．１〜１２０Ｔｏｒｒ）とすることが好ましい。かかる範囲にすることにより、効率的な窒化処理を行うことができるためである。また、ＲＦ電源の場合、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を５０〜２０００Ｗ印加することが好ましい。
形成装置２０１に配置されるプラズマ発生部２０２は、窒化用ガスを活性化（窒素励起活性種を形成）させ、この活性化された窒化用ガスによりダミーウエハ等が窒化できるものであればよく、平行平板型、マグネトロン型、誘導結合型、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）型等の各種のプラズマ発生装置を用いることができる。
また、形成装置２０１を用いる場合、シリコン酸窒化膜の形成工程（酸化膜形成工程、酸窒化膜形成工程）においてプラズマ処理によりシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜を形成してもよい。この場合、酸化膜形成工程及び酸窒化膜形成工程における反応管２内の温度を低くすることができる。
上記実施の形態では、反応管２等が石英により形成されている場合を例に本発明を説明したが、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）により形成されていてもよい。この場合にも、シリコン酸窒化膜中に含まれる窒素濃度の変化を抑制することができ、所望の窒素濃度のシリコン酸窒化膜を継続的に安定して形成することができる。
上記実施の形態では、窒化工程（窒化時間）を２４０分（４時間）行う場合を例に本発明を説明したが、窒化工程の好ましい時間は、反応管２内の温度、反応管２等を構成する石英の構成の状態、ダミーウエハの種類、窒化用ガスの種類等によって変化することから、例えば、４時間未満であってもよい。
上記実施の形態では、処理ガスの種類毎に処理ガス導入管１７が設けられている場合を例に本発明を説明したが、例えば、処理ガスを構成するガスの種類毎に処理ガス導入管１７を設けてもよい。さらに、複数本から同じガスが導入されるように、反応管２の下端近傍の側面に、複数本の処理ガス導入管１７が挿通されていてもよい。この場合、複数本の処理ガス導入管１７から反応管２内に処理ガスが供給され、反応管２内に処理ガスをより均一に導入することができる。
本実施の形態では、シリコン酸窒化膜の形成装置として、単管構造のバッチ式熱処理装置の場合を例に本発明を説明したが、例えば、反応管２が内管と外管とから構成された二重管構造のバッチ式縦型熱処理装置に本発明を適用することも可能である。また、枚葉式のシリコン酸窒化膜の形成装置に本発明を適用することも可能である。また、被処理体は半導体ウエハＷに限定されるものではなく、例えば、ＬＣＤ用のガラス基板であってもよい。
本発明の実施の形態にかかる制御部１００は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納した記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭなど）から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する制御部１００を構成することができる。
そして、これらのプログラムを供給するための手段は任意である。上述のように所定の記録媒体を介して供給できる他、例えば、通信回線、通信ネットワーク、通信システムなどを介して供給してもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板（ＢＢＳ）に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
本発明の実施の形態の熱処理装置を示す図である。 図１の制御部の構成を示す図である。 成膜処理のレシピを示す図である。 窒化時間、ダミーウエハの状態等を示す表である。 図４の条件で形成したシリコン酸窒化膜中の窒素濃度を示すグラフである。 窒化時間及び反応管の状態等を示す表である。 図６の条件で形成した反応管の窒素濃度を示すグラフである。 他の実施の形態のシリコン酸窒化膜の形成装置を示す図である。
符号の説明
１ 熱処理装置
２ 反応管
３ 頂部
４ 排気口
５ 排気管
６ 蓋体
７ 保温筒
８ ヒータ
９ 支持体
１０ 回転テーブル
１１ ウエハボート
１２ 回転支柱
１３ 回転機構
１４ 回転軸
１５ 回転導入部
１６ 昇温用ヒータ
１７ 処理ガス導入管
１８ パージガス供給管
１００ 制御部
１１１ レシピ記憶部
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ Ｉ／Ｏポート
１１５ ＣＰＵ
１１６ バス
１２１ 操作パネル
１２２ 温度センサ
１２３ 圧力計
１２４ ヒータコントローラ
１２５ ＭＦＣ
１２６ バルブ制御部
１２７ 真空ポンプ
１２８ ボートエレベータ
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (15)

  1. 被処理体にシリコン酸化膜を形成し、該形成したシリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成するシリコン酸窒化膜の形成方法であって、
    前記被処理体にシリコン酸窒化膜を形成する前に、前記被処理体を収容する反応室内に活性化された窒素系ガスを供給し、前記反応室内の材料の表面を窒化する窒化工程を備え、
    前記窒化工程では、前記反応室内の材料の表面が飽和するまで窒化する、ことを特徴とするシリコン酸窒化膜の形成方法。
  2. 前記窒素系ガスに、アンモニア、酸化窒素、一酸化二窒素、または、二酸化窒素を用いる、ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  3. 前記反応室内の材料は、石英と炭化珪素との少なくとも一方を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  4. 前記窒化工程では、前記窒素系ガスを所定の温度に昇温した反応室内に供給して活性化させる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  5. 前記窒化工程では、前記反応室内を少なくとも６００℃に昇温する、ことを特徴とする請求項４に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  6. 前記窒化工程では、前記反応室内を６６５Ｐａ〜１００ｋＰａに維持する、ことを特徴とする請求項４または５に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  7. 前記窒化工程では、前記窒素系ガスを反応室内に少なくとも４時間供給する、ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  8. 前記窒化工程では、プラズマ発生手段により前記窒素系ガスを励起させることにより活性化させる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  9. 前記窒化工程では、前記反応室内を２００℃〜８００℃に昇温する、ことを特徴とする請求項８に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  10. 前記窒化工程では、前記反応室内の前記窒素系ガスの圧力を１３．３Ｐａ〜１６０００Ｐａに維持する、ことを特徴とする請求項８または９に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  11. 前記窒化工程では、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を５０〜２０００Ｗ印加することにより前記窒素系ガスを励起させ、活性化させる、ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載のシリコン酸窒化膜の形成方法。
  12. 被処理体にシリコン酸化膜を形成し、該形成したシリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成するシリコン酸窒化膜の形成装置であって、
    前記被処理体にシリコン酸窒化膜を形成する前に、前記被処理体を収容する反応室内に活性化された窒素系ガスを供給し、前記反応室内の材料の表面を窒化させる窒化手段を備え、
    前記窒化手段は、前記反応室内の材料の表面が飽和するまで窒化する、ことを特徴とするシリコン酸窒化膜の形成装置。
  13. 前記窒化手段は、前記反応室内を少なくとも６００℃に昇温する加熱手段を備え、
    前記加熱手段により少なくとも６００℃に昇温された反応室内に窒素系ガスを供給して活性化させ、該活性化された窒素系ガスにより前記反応室内の材料の表面を窒化する、ことを特徴とする請求項１２に記載のシリコン酸窒化膜の形成装置。
  14. 前記窒化手段は、プラズマ発生手段を備え、
    前記プラズマ発生手段により前記窒素系ガスを励起させることにより活性化させ、該活性化された窒素系ガスにより前記反応室内の材料の表面を窒化する、ことを特徴とする請求項１２に記載のシリコン酸窒化膜の形成装置。
  15. 被処理体を収容する反応室と、該反応室に窒素系ガスを供給する機能とを備えるシリコン酸窒化膜の形成装置を制御するコンピュータを制御するプログラムであって、
    前記コンピュータに、
    前記被処理体を収容する反応室内に活性化された窒素系ガスを供給させ、前記反応室内の材料の表面が飽和するまで窒化する窒化手順を前記シリコン酸窒化膜の形成装置に実行させ、
    続いて、前記窒化された反応室内に収容した被処理体にシリコン酸化膜を形成し、形成したシリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜を形成する手順を前記シリコン酸窒化膜の形成装置に実行させる、
    プログラム。
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