JP5758829B2 - ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法およびシリコン酸炭窒化膜の形成方法 - Google Patents

ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法およびシリコン酸炭窒化膜の形成方法 Download PDF

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Description

この発明は、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法およびシリコン酸炭窒化膜の形成方法に関する。
３Ｘｎｍノードから２Ｘｎｍノード、さらに２Ｘｎｍノード以降の半導体集積回路装置の微細化に伴って、ゲート電極周囲の寄生容量の大きさが無視できなくなってきている。ゲート電極周囲には側壁絶縁膜が形成される。側壁絶縁膜には、ストレスライナー、オフセットスペーサ、およびサイドウォールスペーサなどいくつかの種類があり、その多くに、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）が用いられている。シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）に比較して比誘電率が高い。このため、側壁絶縁膜の低誘電率化、特にシリコン窒化膜の比誘電率以下の比誘電率を持つ絶縁膜への置き換えのニーズが高まっている。
側壁絶縁膜の低誘電率化のために、いくつかの絶縁膜が検討されているが、その候補の一つとして、シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）が挙げられている。シリコン酸炭窒化膜は、例えば、特許文献１に記載されている。
ただし、特許文献１には、シリコン酸炭窒化膜の形成方法は記載されているものの、シリコン酸炭窒化膜を側壁絶縁膜に応用することについては記載がない。
特開２０１１−１９２８７５号公報
側壁絶縁膜は、絶縁膜をＲＩＥ法のような異方性ドライエッチングを利用して加工することで、ゲート電極周囲に形成される。このような側壁絶縁膜は、半導体集積回路装置の製造工程中、様々なエッチング工程にさらされる。
例えば、ゲート電極、ソース拡散層及びドレイン拡散層に対してサリサイド技術を適用する場合には、ドライエッチングを行った後、金属膜を形成する前にウェットエッチングにさらされる。その後、金属膜の未反応部分を除去する際に、ドライエッチング又はウェットエッチングにさらされる。
さらに、セルフアラインコンタクト技術を適用する場合には、側壁絶縁膜は、層間絶縁膜へのコンタクト孔形成の際に、ＲＩＥ法のような異方性ドライエッチングにさらされる。
このように側壁絶縁膜に使用される絶縁膜は、ドライエッチング耐性やウェットエッチング耐性にも優れていなければならない、という事情がある。
また、近時、半導体集積回路装置の製造の分野においては、生産性の向上が強く求められるようになってきた。中でも、生産性の向上のための一つの解となるスループットの向上、例えば、膜の成長速度を速め、プロセス時間を短縮することの重要性は、益々高まってきている。
この発明の一つの目的は、プロセス時間を短縮でき、スループットの向上に寄与し得るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法を提供する。
また、この発明の他の目的は、ドライエッチング耐性およびウェットエッチング耐性の双方に優れたシリコン酸炭窒化膜を形成できるシリコン酸炭窒化膜の形成方法を提供する。
この発明の第１の態様に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法は、下地上に、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜を形成するボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法であって、下地上にボロン含有膜を形成し、このボロン含有膜上にシリコン炭窒化膜とシリコン酸窒化膜とを積層してボロン含有シリコン酸炭窒化膜を形成する。
この発明の第２の態様に係るシリコン酸炭窒化膜の形成方法は、下地上に、シリコン酸炭窒化膜を形成するシリコン酸炭窒化膜の形成方法であって、下地上に、シリコン炭窒化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸窒化膜とを積層してシリコン酸炭窒化膜を形成する。
この発明によれば、プロセス時間を短縮でき、スループットの向上に寄与し得るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法を提供できる。
また、ドライエッチング耐性およびウェットエッチング耐性の双方に優れたシリコン酸炭窒化膜を形成できるシリコン酸炭窒化膜の形成方法を提供できる。
この発明の第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例を示す流れ図 （Ａ）図〜（Ｇ）図は第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例における主要な工程を示す断面図 第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜（ＢＮ有り）と、比較例に係るシリコン酸炭窒化膜（ＢＮ無し）との１サイクル当たりの膜厚を示す図 ボロン窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図 ガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート （Ａ）図〜（Ｂ）図はボロン窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図 シリコン炭窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図 ガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート （Ａ）図〜（Ｃ）図はシリコン炭窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図 シリコン酸窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図 ガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート （Ａ）図〜（Ｃ）図はシリコン酸窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図 この発明の第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例を示す流れ図 （Ａ）図〜（Ｉ）図は第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例における主要な工程を示す断面図 第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＣＮ後ＳｉＮ有り）と、比較例に係るシリコン酸炭窒化膜（ＳｉＣＮ後ＳｉＮ無し）とのエッチングレートを示す図 シリコン窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図 ガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート （Ａ）図〜（Ｂ）図はシリコン窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図 この発明の第３の実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例を示す流れ図 酸素濃度とウェットエッチング量との関係を示す図 酸素濃度とドライエッチング量との関係を示す図 第１、第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法、又は第３の実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の形成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
以下、この発明の実施形態を、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。
（第１の実施形態）
図１はこの発明の第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例を示す流れ図、図２Ａ〜図２Ｇは第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例における主要な工程を示す断面図である。
まず、図２Ａに示すように、半導体基板を用意する。本例では、半導体基板としてシリコンウエハ１を用いた。次いで、シリコンウエハ１を成膜装置の処理室に収容する。
次に、図１のステップ１及び図２Ｂに示すように、下地上、本例ではシリコンウエハ１の被処理面上に、ボロン窒化膜（ＢＮ膜）２−１を形成する。なお、シリコンウエハ１の被処理面はシリコンそのものに限らず、ＳｉＯ２のようなシリコン酸化物膜、ＳｉＮのようなシリコン窒化物膜などであっても良い。
次に、図１のステップ２及び図２Ｃに示すように、ボロン窒化膜２−１上に、シリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜）３−１を形成する。
次に、図１のステップ３及び図２Ｄに示すように、シリコン炭窒化膜３−１上に、シリコン酸窒化膜４−１を形成し、シリコン炭窒化膜３−１とシリコン酸窒化膜４−１とを積層する。ここまでで、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の成膜シーケンスの１サイクルが終了する。
次に、図１のステップ４に示すように、積層数が設定回数か否かを判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成を終了する。積層数が“１”ならば、形成されるボロン含有シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＢＯＣＮ膜）は、ボロン窒化膜２−１、シリコン炭窒化膜３−１及びシリコン酸窒化膜４−１を１層ずつ積層することで形成されたものとなる。もしも、積層数を“１”に固定する場合には、ステップ４は省略することができる。
設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、ステップ１に戻り、図２Ｅに示すように、シリコン酸窒化膜４−１上に、第２層目ボロン窒化膜２−２を形成する。
次に、図１のステップ２及び図２Ｆに示すように、第２層目シリコン炭窒化膜３−２を形成する。
次に、図１のステップ３及び図２Ｇに示すように、第２層目シリコン酸窒化膜４−２を形成する。
次に、図１のステップ４に示すように、積層数が設定回数か否かを再度判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成を終了し、設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、設定回数に達するまで図１に示すステップ１〜ステップ３を繰り返す。このようにして、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５が形成される。
第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法は、まず、下地上に、ボロン窒化膜２を形成してから、シリコン炭窒化膜３とシリコン酸窒化膜４とを積層する。このようにしてボロン窒化膜２、シリコン炭窒化膜３及びシリコン酸窒化膜４を積層してボロン含有シリコン酸炭窒化膜５を形成することで、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５の成長速度を速めることができ、プロセス時間の短縮を図ることができる。
図３は、第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜（ＢＮ有り）と、比較例に係るシリコン酸炭窒化膜（ＢＮ無し）との１サイクル当たりの膜厚を示す図である。
図３に示すように、第１の実施形態によれば、比較例に比較して、１サイクル当たりの膜厚を約３倍以上に増すことができる。
第１の実施形態によれば、シリコン基板１やシリコン酸窒化膜４等の下地上にボロン窒化膜２を形成してから、シリコン炭窒化膜３が形成される。つまり、シリコン炭窒化膜３は、ボロン窒化膜２上に形成されるようになる。このため、ボロン窒化膜２の表面の触媒作用（反応触媒）により、シリコン炭窒化膜３の形成に使用されるシリコン原料ガス、例えば、ＤＣＳが、下地がシリコン、シリコン酸化物膜、シリコン窒化物膜やシリコン酸窒化膜４である場合に比較して、下地に吸着しやすくなる。このように、触媒作用を利用し、シリコン原料ガスを下地に吸着させやすくさせることで、特に、シリコン膜の成長速度が上がり、結果として、シリコン炭窒化膜３の成長速度を速めることができる。
また、触媒としてボロン窒化膜２を利用することによる利点は、シリコン酸炭窒化膜中にボロン窒化膜２を挟むことで、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５となることである。ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５は、ボロンを含まないシリコン酸炭窒化膜に比較して、比誘電率が低い。このように比誘電率がシリコン酸炭窒化膜よりも低いボロン含有シリコン酸炭窒化膜５は、例えば、半導体集積回路装置の低誘電率材料として、側壁絶縁膜等の低誘電率化に有効な材料として使用することができる。
なお、図３に示す結果は、縦型のバッチ式成膜装置を用いて成膜した際に得られたものであり、図中“ＴＯＰ”、“ＣＴＲ”、“ＢＴＭ”はそれぞれ、ウエハボートの上段、中段、下段に配置されたシリコンウエハ１の膜厚の平均値を示している。縦型のバッチ式成膜装置の一例については後述する。
次に、ステップ１、ステップ２及びステップ３における具体的な成膜シーケンスの一例を説明する。
（ステップ１：ボロン窒化膜２の形成方法の例）
図４はボロン窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図、図５はガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート、図６Ａ〜図６Ｂはボロン窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図である。
まず、図４のステップ１１、図５及び図６Ａに示すように、シリコンウエハ１を収容している成膜装置の処理室の内部にボロン原料ガスを流し、シリコンウエハ１の被処理面上にボロン（Ｂ）膜６を成膜する。
ボロン膜６を成膜する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
ボロン原料ガス ： 三塩化ボロン（ＢＣｌ３）
ボロン原料ガス流量： １．５〜４００ｓｃｃｍ
処 理 時 間 ： ３〜６０ｍｉｎ
処 理 温 度 ： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力 ： ６６．７〜１３３３Ｐａ（０．５〜１０Ｔｏｒｒ）
上記処理条件では、シリコンウエハ１の被処理面上に、膜厚約０．２〜１．０ｎｍのボロン膜６が形成される。
ステップ１１が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換する。不活性ガスの一例は窒素（Ｎ２）ガスである。
次に、図４のステップ１２、図５及び図６Ｂに示すように、処理室の内部に窒化剤ガスを流し、シリコンウエハ１の被処理面上に形成されたボロン膜６を窒化し、ボロン窒化膜（ＢＮ）２とする。
ボロン膜６を窒化する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
窒化剤ガス ： アンモニア（ＮＨ３）
窒化剤ガス流量： １０００〜１００００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ０．１〜３．０ｍｉｎ
処 理 温 度： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力： １３．３〜６６６．５Ｐａ（０．１〜５．０Ｔｏｒｒ）
ステップ１２が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気、本例では窒素ガス雰囲気に置換する。ここまでで、ボロン窒化膜２の成膜シーケンスの１サイクルが終了する。
次に、図４のステップ１３に示すように、サイクル数が設定回数か否かを判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、ボロン窒化膜２の形成を終了する。設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、ステップ１１に戻り、ステップ１１〜ステップ１２を繰り返す。なお、サイクル数を“１”に固定する場合には、ステップ１３は省略することができる。
例えば、このようにして、ボロン窒化膜２は形成される。
（ステップ２：シリコン炭窒化膜３の形成方法の例）
図７はシリコン炭窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図、図８はガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート、図９Ａ〜図９Ｃはシリコン炭窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図である。
まず、図７のステップ２１、図８及び図９Ａに示すように、シリコンウエハ１を収容している成膜装置の処理室（図示せず）の内部にシリコン原料ガスを流し、ボロン窒化膜２上にシリコン（Ｓｉ）膜７を成膜する。
シリコン膜７を成膜する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
シリコン原料ガス ： ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２：ＤＣＳ）
シリコン原料ガス流量： ５００〜３０００ｓｃｃｍ
処 理 時 間 ： ０．０５〜１．０ｍｉｎ
処 理 温 度 ： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力 ： １３．３〜１０６４Ｐａ（０．１〜８．０Ｔｏｒｒ）
上記処理条件では、ボロン窒化膜２上に、膜厚約０．３〜１．０ｎｍのシリコン膜７が形成される。
ステップ２１が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換する。不活性ガスの一例は窒素（Ｎ２）ガスである。
次に、図７のステップ２２、図８及び図９Ｂに示すように、処理室の内部に炭化剤ガスを流し、ボロン窒化膜２上に形成されたシリコン膜７を炭化し、シリコン炭化膜（ＳｉＣ）８とする。
シリコン膜７を炭化する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
炭化剤ガス ： エチレン（Ｃ２Ｈ４）
炭化剤ガス流量： ３０００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ０．５〜１．５ｍｉｎ
（炭化剤ガス供給時間：0.05〜0.2ｍｉｎ ホールド時間：0.2〜1.3ｍｉｎ）
処 理 温 度： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力： １３３〜６６５Ｐａ（１．０〜５．０Ｔｏｒｒ）
ステップ２２が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気、本例では窒素ガス雰囲気に置換する。
次に、図７のステップ２３、図８及び図９Ｃに示すように、処理室の内部に窒化剤ガスを流し、ボロン窒化膜２上に形成されたシリコン炭化膜８を窒化し、シリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ）３とする。
シリコン炭化膜８を窒化する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
窒化剤ガス ： アンモニア（ＮＨ３）
窒化剤ガス流量： ５０００〜１００００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ０．２〜１．０ｍｉｎ
処 理 温 度： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力： １３．３〜６６．５Ｐａ（０．１〜０．５Ｔｏｒｒ）
ステップ２３が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気、本例では窒素ガス雰囲気に置換する。ここまでで、シリコン炭窒化膜３の成膜シーケンスの１サイクルが終了する。
次に、図７のステップ２４に示すように、サイクル数が設定回数か否かを判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、シリコン炭窒化膜３の形成を終了する。設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、ステップ２１に戻り、ステップ２１〜ステップ２３を繰り返す。
なお、サイクル数を“１”に固定する場合には、ステップ２４は省略することができる。
例えば、このようにして、シリコン炭窒化膜３は形成される。
（ステップ３：シリコン酸窒化膜４の形成方法の例）
図１０はシリコン酸窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図、図１１はガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート、図１２Ａ〜図１２Ｃはシリコン酸窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図である。
まず、図１０のステップ３１、図１１及び図１２Ａに示すように、シリコンウエハ１を収容している成膜装置の処理室の内部にシリコン原料ガスを流し、シリコン炭窒化膜３上にシリコン（Ｓｉ）膜９を成膜する。
シリコン膜９を成膜する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
シリコン原料ガス ： ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２：ＤＣＳ）
シリコン原料ガス流量： ５００〜３０００ｓｃｃｍ
処 理 時 間 ： ０．０５〜１．０ｍｉｎ
処 理 温 度 ： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力 ： １３．３〜１０６４Ｐａ（０．１〜８．０Ｔｏｒｒ）
上記処理条件では、シリコン炭窒化膜３上に、膜厚約０．３〜１．０ｎｍのシリコン膜９が形成される。
ステップ３１が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気、本例では窒素ガス雰囲気に置換する。
次に、図１０のステップ３２、図１１及び図１２Ｂに示すように、処理室の内部に酸化剤ガスを流し、シリコン膜９を酸化し、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）１０とする。
シリコン膜９を酸化する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
酸化剤ガス ： 酸素（Ｏ２）
酸化剤ガス流量： １０００〜１００００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ０．１〜１．０ｍｉｎ
処 理 温 度： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力： １３．３〜１３３Ｐａ（０．１〜１．０Ｔｏｒｒ）
ステップ３２が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気、本例では窒素ガス雰囲気に置換する。
次に、図１０のステップ３３、図１１及び図１２Ｃに示すように、処理室の内部に窒化剤ガスを流し、シリコン酸化膜１０を窒化し、シリコン酸窒化膜４とする。
シリコン酸化膜１０を窒化する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
窒化剤ガス ： アンモニア（ＮＨ３）
窒化剤ガス流量： ５０００〜１００００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ０．２〜１．０ｍｉｎ
処 理 温 度： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力： １３３〜６６５Ｐａ（０．１〜０．５Ｔｏｒｒ）
ステップ３３が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気、本例では窒素ガス雰囲気に置換する。ここまでで、シリコン酸窒化膜４の成膜シーケンスの１サイクルが終了する。
次に、図１０のステップ３４に示すように、サイクル数が設定回数か否かを判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、シリコン酸窒化膜３の形成を終了する。設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、ステップ３１に戻り、ステップ３１〜ステップ３３を繰り返す。なお、サイクル数を“１”に固定する場合には、ステップ３４は省略することができる。
例えば、このようにして、シリコン酸窒化膜４は形成される。そして、シリコン炭窒化膜３上にシリコン酸窒化膜４を積層することで、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５が形成される。
（第２の実施形態）
図１３はこの発明の第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例を示す流れ図、図１４Ａ〜図１４Ｉは第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例における主要な工程を示す断面図である。
図１３に示すように、第２の実施形態が第１の実施形態と異なるところは、ステップ２（シリコン炭窒化膜３の形成）と、ステップ３（シリコン酸窒化膜４の形成）との間に、シリコン窒化膜を形成するステップ５があること、である。これ以外は、成膜条件等を含め、第１の実施形態とほぼ同様でよい。
まず、図１４Ａに示すように、半導体基板を用意する。本例では、半導体基板としてシリコンウエハ１を用いた。次いで、シリコンウエハ１を成膜装置の処理室に収容する。
次に、図１３のステップ１及び図１４Ｂに示すように、下地上に、ボロン窒化膜（ＢＮ膜）２−１を形成する。
次に、図１３のステップ２及び図１４Ｃに示すように、ボロン窒化膜２−１上に、シリコン炭窒化膜３−１を形成する。
次に、図１３のステップ５及び図１４Ｄに示すように、シリコン炭窒化膜３−１上に、シリコン窒化膜１１−１を形成する。
次に、図１３のステップ３及び図１４Ｅに示すように、シリコン窒化膜１１−１上に、
シリコン酸窒化膜４−１を形成する。ここまでで、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の成膜シーケンスの１サイクルが終了する。
次に、図１３のステップ４に示すように、積層数が設定回数か否かを判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成を終了する。積層数が“１”ならば、形成されるボロン含有シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＢＯＣＮ膜）は、ボロン窒化膜２−１、シリコン炭窒化膜３−１、シリコン窒化膜１１−１及びシリコン酸窒化膜４−１を１層ずつ積層することで形成されたものとなる。もしも、積層数を“１”に固定する場合には、ステップ４は省略することができる。
設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、ステップ１に戻り、図１４Ｆに示すように、シリコン酸窒化膜４−１上に、第２層目ボロン窒化膜２−２を形成する。
次に、図１３のステップ２及び図２Ｇに示すように、第２層目シリコン炭窒化膜３−２を形成する。
次に、図１３のステップ５及び図２Ｈに示すように、第２層目シリコン窒化膜１１−２を形成する。
次に、図１３のステップ３及び図２Ｉに示すように、第２層目シリコン酸窒化膜４−２を形成する。
次に、図１のステップ４に示すように、積層数が設定回数か否かを再度判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成を終了し、設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、設定回数に達するまで図１３に示すステップ１、ステップ２、ステップ５、及びステップ３を繰り返す。このようにして、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５ａが形成される。
第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法は、まず、第１の実施形態と同様に、下地上に、ボロン窒化膜２を形成してから、シリコン炭窒化膜３及びシリコン酸窒化膜４を形成する。このようにすることで、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５の成長速度を速めることができ、プロセス時間の短縮を図ることができる。
さらに、第２の実施形態においては、シリコン炭窒化膜３上に、シリコン窒化膜１１を形成する。このように、シリコン炭窒化膜３上に、シリコン窒化膜１１を形成することで、シリコン酸窒化膜４を形成する際（ステップ３）、シリコン炭窒化膜３から炭素（Ｃ）が揮発することを抑制することができる。シリコン炭窒化膜３から炭素（Ｃ）が揮発することが抑制されることで、第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜５ａにおいては、第１の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜５に比較して、内部に炭素をより高濃度に含有させることができる。内部に炭素を高濃度に含有したボロン含有シリコン酸炭窒化膜５ａによれば、そのドライエッチング耐性及びウェットエッチング耐性の双方ともを向上させることができる、という利点を得ることができる。
図１５は、第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＣＮ後ＳｉＮ有り）と、比較例に係るシリコン酸炭窒化膜（ＳｉＣＮ後ＳｉＮ無し）とのエッチングレートを示す図である。なお、図１５においては、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）のエッチングレートを“１”とした場合の相対的なエッチングレートを示している。
図１５に示すように、比較例においては、ドライエッチングによるエッチングレートは、ほぼシリコン窒化膜のエッチングレートと同様なものとなるが、ウェットエッチングによるエッチングレートは１．５〜２倍となり、ウェットエッチング耐性が弱まる、という傾向がある。
これに対して、第２の実施形態においては、ドライエッチングによるエッチングレート及びウェットエッチングによるエッチングレートの双方が、シリコン窒化膜のそれらとほぼ同様となる。
このように第２の実施形態に係る形成方法により成膜されたボロン含有シリコン酸炭窒化膜５ａによれば、比較例に比較して、ウェットエッチング耐性を強めることができる、という利点を得ることができる。
なお、第２の実施形態において、ウェットエッチングの条件は次の通りである。
エッチャント ： 希フッ酸（Ｈ２Ｏ：ＨＦ＝１００：１）
処 理 時 間： ６０ｓｅｃ
また、ドライエッチングの条件は次の通りである。
エッチャント ： ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｏ２の混合ガス
処 理 時 間： ５ｓｅｃ
次に、ステップ５における具体的な成膜シーケンスの一例を説明する。
（ステップ５：シリコン窒化膜１１の形成方法の例）
図１６はシリコン窒化膜の成膜シーケンスの一例を示す流れ図、図１７はガス吐出のタイミングの一例を示すタイミングチャート、図１８Ａ〜図１８Ｂはシリコン窒化膜の成膜シーケンスの一例における主要な工程を示す断面図である。
まず、図１６のステップ５１、図１７及び図１８Ａに示すように、シリコンウエハ１を収容している成膜装置の処理室の内部にシリコン原料ガスを流し、シリコン炭窒化膜３上にシリコン膜１２を成膜する。
シリコン膜１２を成膜する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
シリコン原料ガス ： ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２：ＤＣＳ）
シリコン原料ガス流量： ５００〜３０００ｓｃｃｍ
処 理 時 間 ： ０．０５〜１．０ｍｉｎ
処 理 温 度 ： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力 ： １３．３〜１０６４Ｐａ（０．１〜８．０Ｔｏｒｒ）
上記処理条件では、シリコン炭窒化膜３上に、膜厚約０．３〜１．０ｎｍのシリコン膜１２が形成される。
ステップ５１が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換する。不活性ガスの一例は窒素（Ｎ２）ガスである。
次に、図１６のステップ５２、図１７及び図１８Ｂに示すように、処理室の内部に窒化剤ガスを流し、シリコン膜１２を窒化し、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）１１とする。
シリコン窒化膜１１を窒化する際の処理条件の一例は以下のとおりである。
窒化剤ガス ： アンモニア（ＮＨ３）
窒化剤ガス流量： １０００〜１００００ｓｃｃｍ
処 理 時 間： ０．１〜３．０ｍｉｎ
処 理 温 度： ４５０〜６３０℃
処 理 圧 力： １３．３〜６６６．５Ｐａ（０．１〜５．０Ｔｏｒｒ）
ステップ５２が終了したら、不活性ガスを用いて処理室内をパージし、処理室の内部の雰囲気を不活性ガス雰囲気、本例では窒素ガス雰囲気に置換する。ここまでで、シリコン窒化膜１１の成膜シーケンスの１サイクルが終了する。
次に、図１６のステップ５３に示すように、サイクル数が設定回数か否かを判断する。設定回数に達したならば（Ｙｅｓ）、シリコン窒化膜１１の形成を終了する。設定回数に達していないならば（Ｎｏ）、ステップ５１に戻り、ステップ５１〜ステップ５２を繰り返す。なお、サイクル数を“１”に固定する場合には、ステップ５３は省略することができる。
例えば、このようにして、シリコン窒化膜１１は形成される。
（第３の実施形態）
図１９はこの発明の第３の実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の形成方法の一例を示す流れ図である。
図１９に示すように、第３の実施形態が第２の実施形態と異なるところは、ステップ１（ボロン窒化膜の形成）がないこと、である。これ以外は、成膜条件等を含め、第２の実施形態とほぼ同様でよい。
このように、第２の実施形態のように、シリコン炭窒化膜３上にシリコン窒化膜１１を形成する場合には、ボロン窒化膜２を成膜するステップ１を省略することも可能である。ステップ１を省略した場合にはボロンは含有されないので、単にシリコン酸炭窒化膜が成膜される。
また、ステップ１を省略した場合には成膜速度が向上する、という利点は得られ難くなるが、シリコン炭窒化膜３上にシリコン窒化膜１１を形成するので、形成されるシリコン酸炭窒化膜中には炭素が高濃度に含有される。このため、ウェットエッチング耐性及びドライエッチングの双方に優れる、という利点については得ることができる。
このように、ステップ１については、要求される仕様に応じて付加することも、省略することも可能である。
（第１〜第３の実施形態による更なる利点）
第１の実施形態においては、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５を、ボロン窒化膜２、シリコン炭窒化膜３、及びシリコン酸窒化膜４を積層することにより形成する。
また、第２の実施形態においては、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜５を、ボロン窒化膜２、シリコン炭窒化膜３、シリコン窒化膜１１、及びシリコン酸窒化膜４を積層することにより形成する。
また、第３の実施形態においては、シリコン酸炭窒化膜を、特に、図示はしてはいないが、第２の実施形態におけるシリコン炭窒化膜３、シリコン窒化膜１１、及びシリコン酸窒化膜４を積層することにより形成する。
このような形成方法による利点としては、形成されるボロン含有シリコン酸炭窒化膜５又は５ａ、又はシリコン酸炭窒化膜中の酸素（Ｏ）濃度、炭素（Ｃ）濃度、及び窒素（Ｎ）濃度を、被処理面に対して垂直な膜厚方向の全体にわたってそれぞれ精度良く制御できることを挙げることができる。
図２０は酸素濃度とウェットエッチング量との関係を示す図、図２１は酸素濃度とドライエッチング量との関係を示す図である。図２０及び図２１には、実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の理解を助けるために、シリコン炭窒化膜（意図的な酸素の導入無し。ただし、シリコンウエハ上の自然酸化膜分約８．８％の酸素を含む）を比較例として例示する。
ウェットエッチングの条件は次の通りである。
エッチャント ： 希フッ酸（Ｈ２Ｏ：ＨＦ＝１００：１）
処 理 時 間： ６０ｓｅｃ
また、ドライエッチングの条件は次の通りである。
エッチャント ： ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｏ２の混合ガス
処 理 時 間： ５ｓｅｃ
図２０に示すように、シリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜）は、上記希フッ酸では、ほとんどエッチングされない。これに対して、上記実施形態のように意図的に酸素を導入してシリコン酸炭窒化膜とし、その酸素濃度を上げていくと、上記希フッ酸によってエッチングされやすくなっていく。つまり、シリコン酸炭窒化膜は、その酸素濃度が低いと、ウェットエッチング耐性が増す傾向が理解できる。
そして、第２、第３の実施形態のように、シリコン炭窒化膜３上にシリコン窒化膜１１を形成した場合には、シリコン炭窒化膜３から炭素（Ｃ）が揮発することを抑制することができるために、図１５にも示したように、酸素濃度が高い場合においても、ウェットエッチング量を、さらに低く抑えることが可能になる。
また、図２１に示すように、シリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜）は、上記ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｏ２の混合ガスでは、大きくエッチングされる。しかし、酸素を含有させてシリコン酸炭窒化膜とし、その酸素濃度を挙げていくと、エッチングされ難くなっていく。つまり、シリコン酸炭窒化膜は、その酸素濃度が高いと、ドライエッチング耐性が増す。
このように、シリコン酸炭窒化膜中の酸素濃度は、シリコン酸炭窒化膜のウェットエッチング耐性及びドライエッチング耐性のそれぞれに影響を与える。
上記実施形態に係る形成方法によれば、上述の通り、特に、シリコン炭窒化膜３とシリコン酸窒化膜４とを積層してシリコン酸炭窒化膜を形成する工程を含むので、シリコン酸炭窒化膜中の酸素濃度、炭素濃度、及び窒素濃度を、膜厚方向の全体にわたって精度良く制御できる。酸素濃度の制御はシリコン酸窒化膜４の成膜量を調整すること、炭素濃度の制御はシリコン炭窒化膜３の成膜量を調整すること、窒素濃度の制御はシリコン酸窒化膜４の成膜量及びシリコン炭窒化膜３の成膜量の双方を調整することでできる。
また、第１、第２の実施形態のように、下地上、又はシリコン酸窒化膜４上にボロン窒化膜２をさらに形成する場合には、ボロン窒化膜２の成膜量をさらに調整することで、窒素濃度を制御することができる。
また、第２、第３の実施形態のように、シリコン炭窒化膜３上にシリコン窒化膜１１をさらに形成する場合には、シリコン窒化膜１１の成膜量をさらに調整することで、窒素濃度、及び炭素濃度を制御することができる。
したがって、上記実施形態によれば、例えば、酸素濃度や炭素濃度を制御することで、
（１） 特に、ウェットエッチング耐性に優れたボロン含有シリコン酸炭窒化膜又はシリコン酸炭窒化膜
（２） 特に、ドライエッチング耐性に優れたシリコン酸炭窒化膜
（３） ウェットエッチング耐性およびドライエッチング耐性の双方ともが優れたシリコン酸炭窒化膜
を、それぞれ精度良く作り分けることができる、という利点も得ることができる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、上記第１、第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法、又は第３の実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の形成方法を実施することが可能な成膜装置の一例に関する。
図２２は第１、第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法、又は第３の実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の形成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。
図２２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。
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枚の半導体基板、本例では、シリコンウエハ１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。これにより、処理室１０１内にシリコンウエハ１が収容される。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１が支持されるようになっている。
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。
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、及び処理室１０１内に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構１１５を有している。本例の処理ガス供給機構１１４は、シリコン原料ガス供給源１１７ａ、炭化剤ガス供給源１１７ｂ、窒化剤ガス供給源１１７ｃ、酸化剤ガス供給源１１７ｄ、及びボロン原料ガス供給源１１７ｅを含んでいる。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。
シリコン原料ガスの一例はジクロロシラン、炭化剤ガスの一例はエチレン、窒化剤ガスの一例はアンモニア、酸化剤ガスの一例は酸素、ボロン原料ガスの一例は三塩化ボロン、不活性ガスの一例は窒素ガスである。不活性ガスは、パージガス等に利用される。
シリコン原料ガス供給源１１７ａは、流量制御器１２１ａ及び開閉弁１２２ａを介して、分散ノズル１２３ａに接続されている。同様に、炭化剤ガス供給源１１７ｂ、窒化剤ガス供給源１１７ｃ、酸化剤ガス供給源１１７ｄ及びボロン原料ガス供給源１１７ｅは、流量制御器１２１ｂ〜１２１ｅ及び開閉弁１２２ｂ〜１２２ｅを介して、分散ノズル１２３ｂ〜１２３ｅにそれぞれ接続されている。
分散ノズル１２３ａ〜１２３ｅ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１２３ａ〜１２３ｅ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。これにより、各ガスは、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。
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。
処理室１０１内の、分散ノズル１２３ａ〜１２３ｅ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。
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１を加熱する。
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タッチパネルや、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。
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。
本例では、コントローラ１５０の制御のもと、上記第１〜第３の実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の形成方法にしたがった処理が順次実施される。
上記第１、第２の実施形態に係るボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法、及び第３の実施形態に係るシリコン酸炭窒化膜の形成方法は、図２２に示すような成膜装置１００を用いることによって、１台の成膜装置で形成することができる。
また、成膜装置としては図２２に示すようなバッチ式に限らず、枚葉式の成膜装置であっても良い。
以上、この発明をいくつかの実施形態に従って説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態においては、処理条件を具体的に例示したが、処理条件は、上記具体的な例示に限られるものではない。
また、図１及び図１３においては、シリコン酸窒化膜を形成する工程（ステップ３）が最終の処理となっているが、ステップ３の後にシリコン炭窒化膜を形成する工程を入れて、シリコン炭窒化膜を形成する工程を最終の処理としても良い。
また、図７においては、窒化工程（ステップ２３）が最終の処理となっているが、ステップ２４の後に炭化工程を入れて、炭化工程を最終の処理としても良い。同様に、図１０においては酸化工程（ステップ３３）が最終の処理となっているが、ステップ３４の後に酸化工程を入れて、酸化工程を最終の処理としても良い。
また、酸化工程における酸化は、酸素ガスによる酸化の他、オゾンガスによるオゾン酸化、酸素ラジカルを用いたラジカル酸化のいずれでも用いることができる。同様に、窒化工程における窒化は、アンモニアガスによる窒化の他、アンモニアラジカルを用いたラジカル窒化を用いることができる。
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。
１…シリコンウエハ、２…ボロン窒化（ＢＮ）膜、３…シリコン炭窒化（ＳｉＣＮ）膜、４…シリコン酸窒化（ＳｉＯＮ）膜、５、５ａ…ボロン含有シリコン酸炭窒化（ＳｉＢＯＣＮ）膜、１１…シリコン窒化膜（ＳｉＮ）膜

Claims (11)

  1. 下地上に、ボロン含有シリコン酸炭窒化膜を形成するボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法であって、
    下地上にボロン含有膜を形成し、このボロン含有膜上にシリコン炭窒化膜とシリコン酸窒化膜とを積層してボロン含有シリコン酸炭窒化膜を形成することを特徴とするボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  2. 前記ボロン含有膜の形成と、前記シリコン炭窒化膜の形成と、前記シリコン酸窒化膜の形成とを繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  3. 前記シリコン炭窒化膜の形成が、シリコン膜の炭化工程および窒化工程を含み、
    前記シリコン酸窒化膜の形成が、シリコン膜の酸化工程および窒化工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  4. 前記シリコン炭窒化膜の形成において、前記シリコン膜の炭化工程および窒化工程を繰り返すことを特徴とする請求項３に記載のボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  5. 前記シリコン酸窒化膜の形成において、前記シリコン膜の酸化工程および窒化工程を繰り返すことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  6. 前記シリコン炭窒化膜を形成した後、前記シリコン酸窒化膜を形成する前に、シリコン窒化膜を形成する工程を含む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ボロン含有シリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  7. 下地上に、シリコン酸炭窒化膜を形成するシリコン酸炭窒化膜の形成方法であって、
    下地上に、シリコン炭窒化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸窒化膜とを積層してシリコン酸炭窒化膜を形成することを特徴とするシリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  8. 前記シリコン炭窒化膜の形成と、前記シリコン窒化膜の形成と、前記シリコン酸窒化膜の形成とを繰り返すことを特徴とする請求項７に記載のシリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  9. 前記シリコン炭窒化膜の形成が、シリコン膜の炭化工程および窒化工程を含み、
    前記シリコン酸窒化膜の形成が、シリコン膜の酸化工程および窒化工程を含むことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のシリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  10. 前記シリコン炭窒化膜の形成において、前記シリコン膜の炭化工程および窒化工程を繰り返すことを特徴とする請求項９に記載のシリコン酸炭窒化膜の形成方法。
  11. 前記シリコン酸窒化膜の形成において、前記シリコン膜の酸化工程および窒化工程を繰り返すことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のシリコン酸炭窒化膜の形成方法。
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