JP7129486B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラム - Google Patents

半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラム Download PDF

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Description

本開示は、半導体装置の製造方法、基板処理装置及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、処理室内の基板に対して酸素含有ガスを供給して、基板表面に酸化膜を形成する工程が行われる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特許第５３２５３６３号公報 特許第６１９９５７０号公報
しかしながら、従来技術では、基板表面に形成される酸化膜の面内膜厚分布を均一にすることが困難であった。
本開示の一態様によれば、
大気圧未満の第１圧力下にある加熱された基板に対して酸素含有ガスと水素含有ガスを供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１工程と、
前記第１圧力と異なる大気圧未満の第２圧力下にある加熱された前記基板に対して前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２工程と、
を有する技術が提供される。
本開示によれば、基板表面に形成される酸化膜の面内膜厚分布の制御性を向上させることができる。
本開示の一実施形態に係る基板処理装置の処理炉の概略を示す縦断面図である。 図１に示す処理炉のＡ－Ａ線概略横断面図である。 本開示の一実施形態における基板処理装置のコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系をブロック図で示す図である。 本開示の一実施形態におけるガス供給のタイミングを示す図である。 （Ａ）は、初期工程により形成されるＳｉＯ層のモデル図を示し、（Ｂ）は、第１工程により形成されるＳｉＯ層のモデル図を示し、（Ｃ）は、第２工程により形成されるＳｉＯ層のモデル図を示す図である。 Ｈ2ガスとＯ2ガスによる酸化処理時間と形成される膜厚の関係を示す図である。 Ｈ2ガスとＯ2ガスの混合ガス中のＨ2ガスの割合と成膜速度との関係を示す図である。 面内均一性の圧力依存性を示す図である。 (Ａ)は、本実施例に係るボート上部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ層の膜厚分布を示す図であり、(Ｂ)は、本実施例に係るボート中央部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ層の膜厚分布を示す図であり、(Ｃ)は、本実施例に係るボート下部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ層の膜厚分布を示す図である。(Ｄ)は、比較例に係るボート上部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ層の膜厚分布を示す図であり、(Ｅ)は、比較例に係るボート中央部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ層の膜厚分布を示す図であり、(Ｆ)は、比較例に係るボート下部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ層の膜厚分布を示す図である。
次に、本開示の好ましい実施形態について説明する。
以下、図１～図４を参照しながら説明する。基板処理装置１０は半導体装置の製造工程において使用される装置の一例として構成されている。
（１）基板処理装置の構成
図１は、半導体デバイスの製造方法を実施するために本実施形態で好適に用いられる基板処理装置１０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している。図２は、本実施形態で好適に用いられる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線断面図で示している。
図１に示されているように、処理炉２０２は加熱手段（加熱機構）としてのヒータ２０７を有する。ヒータ２０７は円筒形状であり、ヒータベース（図示せず）に支持されることにより垂直に据え付けられている。なお、ヒータ２０７は、後述するようにガスを熱で活性化させる活性化機構としても機能する。
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）等の耐熱性材料からなり、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の筒中空には、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ノズル２４９ａと、第２ノズル２４９ｂと、第１アシストノズル２４９ｃと、第２アシストノズル２４９ｄと、第３アシストノズル２４９ｅが、反応管２０３の下部側壁を貫通するように設けられている。第１ノズル２４９ａ及び第２ノズル２４９ｂには、それぞれ第１ガス供給管２３２ａ及び第２ガス供給管２３２ｂが接続されている。第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ及び第３アシストノズル２４９ｅには、それぞれ第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄ及び第５ガス供給管２３２ｅが接続されている。
第１ノズル２４９ａ、第２ノズル２４９ｂ、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ及び第３アシストノズル２４９ｅは、それぞれＬ字型のノズルとして構成されており、その水平部が反応管２０３の下部側壁を貫通するように設けられている。第１ノズル２４９ａ、第２ノズル２４９ｂ及び第１アシストノズル２４９ｃの垂直部は、反応管２０３の径方向外向きに突出し、かつ鉛直方向に延在するように形成されている溝形状の予備室２０１ａの内部に設けられており、予備室２０１ａ内にて反応管２０３の内壁に沿って上方（ウエハ２００の配列方向上方）に向かって設けられている。第１アシストノズル２４９ｃの垂直部は、第１ノズル２４９ａ及び第２ノズル２４９ｂに隣接して設けられている。第２アシストノズル２４９ｄ及び第３アシストノズル２４９ｅの垂直部は、予備室２０１ａと同じく反応管２０３の径方向外向きに突出し、かつ鉛直方向に延在するように形成されている溝形状の予備室２０１ｂの内部に設けられており、予備室２０１ｂ内にて反応管２０３の内壁に沿って上方に向かって設けられている。第２アシストノズル２４９ｄ及び第３アシストノズル２４９ｅの垂直部は隣接して設けられている。
第１ノズル２４９ａ及び第２ノズル２４９ｂは、処理室２０１の下部領域から処理室２０１の上部領域まで延在するように設けられている。第１ノズル２４９ａ及び第２ノズル２４９ｂには、それぞれウエハ２００と対向する位置であって、ボート２１７の下部から上部までの高さ位置に、反応管２０３の下部から上部にわたって、複数のガス供給孔２５０ａ，２５０ｂが設けられている。ガス供給孔２５０ａ，２５０ｂは、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。
第１アシストノズル２４９ｃは、処理室２０１の下部領域から処理室２０１の上部領域まで延在するように設けられている。第１アシストノズル２４９ｃには、ボート２１７の上部領域に配置されたウエハ２００と対向する位置であって、第１アシストノズル２４９ｃの延伸方向上部の高さ位置にのみ複数のガス供給孔２５０ｃが設けられている。ガス供給孔２５０ｃは、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。そのため、第１アシストノズル２４９ｃのガス供給孔２５０ｃから処理室２０１内に供給されたガスは、ボート２１７の上部領域に収容されたウエハ２００に供給される。
第２アシストノズル２４９ｄは、処理室２０１の下部領域から処理室２０１の中部領域まで延在するように設けられている。第２アシストノズル２４９ｄには、ボート２１７の中部領域に配置されたウエハ２００と対向する位置であって、第１アシストノズル２４９ｃのガス供給孔２５０ｃより下方であって、後述する第３アシストノズル２４９ｅのガス供給孔２５０ｅより上方の高さ位置にのみ複数のガス供給孔２５０ｄが設けられている。ガス供給孔２５０ｄは、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。そのため、第２アシストノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄから処理室２０１内に供給されたガスは、ボート２１７の中部領域に収容されたウエハ２００に供給される。
第３アシストノズル２４９ｅは、処理室２０１の下部領域に延在するように設けられている。第３アシストノズル２４９ｅには、ボート２１７の下部領域に配置されたウエハ２００と対向する位置であって、第２アシストノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄより下方の高さ位置にのみ複数のガス供給孔２５０ｅが設けられている。ガス供給孔２５０ｅは、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。そのため、第３アシストノズル２４９ｅのガス供給孔２５０ｅから処理室２０１内に供給されたガスは、ボート２１７の下部領域に収容されたウエハ２００に供給される。
すなわち、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ及び第３アシストノズル２４９ｅは、互いに処理室２０１内における長さ（高さ）が異なり、さらに各ノズルに設けられたガス供給孔２５０ｃ～２５０ｅの少なくとも一部の高さ方向の位置（ノズルの延伸方向の位置）が互いに異なっている。
第１ガス供給管２３２ａ、第２ガス供給管２３２ｂ、第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄ、第５ガス供給管２３２ｅには、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～２４１ｅ、及び開閉弁であるバルブ２４３ａ～２４３ｅがそれぞれ設けられており、また、第１不活性ガス供給管２３２ｆ、第２不活性ガス供給管２３２ｇ、第３不活性ガス供給管２３２ｈ、第４不活性ガス供給管２３２ｉ、第５不活性ガス供給管２３２ｊがそれぞれ接続されている。この第１不活性ガス供給管２３２ｆ、第２不活性ガス供給管２３２ｇ、第３不活性ガス供給管２３２ｈ、第４不活性ガス供給管２３２ｉ、第５不活性ガス供給管２３２ｊにはそれぞれ、ＭＦＣ２４１ｆ～２４１ｊ及びバルブ２４３ｆ～２４３ｊが設けられている。
主に、第１ガス供給管２３２ａ、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａにより第１ガス供給系が構成される。第１ノズル２４９ａを第１ガス供給系に含めて考えてもよい。また、主に、第１不活性ガス供給管２３２ｆ、ＭＦＣ２４１ｆ、バルブ２４３ｆにより、第１不活性ガス供給系が構成される。
主に、第２ガス供給管２３２ｂ、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂにより第２ガス供給系が構成される。第２ノズル２４９ｂを第２ガス供給系に含めて考えてもよい。また、主に、第２不活性ガス供給管２３２ｇ、ＭＦＣ２４１ｇ、バルブ２４３ｇにより、第２不活性ガス供給系が構成される。
主に、第３ガス供給管２３２ｃ、ＭＦＣ２４１ｃ、バルブ２４３ｃにより第１アシストガス供給系が構成される。第１アシストノズル２４９ｃを第１アシストガス供給系に含めて考えてもよい。また、主に、第３不活性ガス供給管２３２ｈ、ＭＦＣ２４１ｈ、バルブ２４３ｈにより、第３不活性ガス供給系が構成される。
主に、第４ガス供給管２３２ｄ、ＭＦＣ２４１ｄ、バルブ２４３ｄにより第２アシストガス供給系が構成される。第２アシストノズル２４９ｄを第２アシストガス供給系に含めて考えてもよい。また、主に、第４不活性ガス供給管２３２ｉ、ＭＦＣ２４１ｉ、バルブ２４３ｉにより、第４不活性ガス供給系が構成される。
主に、第５ガス供給管２３２ｅ、ＭＦＣ２４１ｅ、バルブ２４３ｅにより第３アシストガス供給系が構成される。第３アシストノズル２４９ｅを第３アシストガス供給系に含めて考えてもよい。また、主に、第５不活性ガス供給管２３２ｊ、ＭＦＣ２４１ｊ、バルブ２４３ｊにより、第５不活性ガス供給系が構成される。第１～５不活性ガス供給系はそれぞれパージガス供給系としても機能する。
第１ガス供給管２３２ａからは、酸化ガス（酸化性ガス）として酸素含有ガス、例えば酸素（Ｏ2）ガスが、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａ、第１ノズル２４９ａを介して処理室２０１内に供給される。すなわち、第１ガス供給系は処理室２０１内に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給系として構成される。このとき同時に、第１不活性ガス供給管２３２ｆから第１ガス供給管２３２ａ内に不活性ガスが供給されるようにしてもよい。
第２ガス供給管２３２ｂからは、還元ガス（還元性ガス）として水素含有ガス、例えば水素（Ｈ2）ガスが、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内に供給される。すなわち、第２ガス供給系は処理室２０１内に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系として構成される。このとき同時に、第２不活性ガス供給管２３２ｇから第２ガス供給管２３２ｂ内に不活性ガスが供給されるようにしてもよい。
第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄ、第５ガス供給管２３２ｅからは、それぞれ還元ガスとして水素含有ガス、例えばＨ2ガスが、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ、第３アシストノズル２４９ｅを介して処理室２０１内に供給される。すなわち、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ、第３アシストノズル２４９ｅは、それぞれＨ2ガスを処理室２０１内に供給する水素ガスノズルとして用いられる。第１アシストガス供給系、第２アシストガス供給系及び第３アシストガス供給系はそれぞれ水素ガス供給系として機能する。
また、第３不活性ガス供給管２３２ｈ、第４不活性ガス供給管２３２ｉ、第５不活性ガス供給管２３２ｊからは、それぞれ不活性ガス、例えば窒素（Ｎ2）ガスが、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ、第３アシストノズル２４９ｅを介して処理室２０１内に供給される。すなわち、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ、第３アシストノズル２４９ｅは、それぞれ不活性ガスを処理室２０１内に供給する不活性ガスノズルとしても用いられる。第１アシストガス供給系、第２アシストガス供給系及び第３アシストガス供給系はそれぞれ不活性ガス供給系としても機能する。本実施形態では、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ、第３アシストノズル２４９ｅから供給するＨ2ガス中のＮ2ガスの流量を調整することで不活性ガス供給系として機能する。
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管２３１が設けられている。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。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。なお、真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。排気系は、真空ポンプ２４６を作動させつつ、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいてＡＰＣバルブ２４４の弁の開度を調節することにより、処理室２０１内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。
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のＯリング２２０が設けられている。シールキャップ２１９の処理室２０１と反対側には、後述する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。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、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入および搬出することが可能なように構成されている。
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、互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に支持するように構成されている。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が設けられている。
反応管２０３内には、図２に示すように、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ように構成されている。
図３に示されているように、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）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、後述する成膜処理の手順や条件などが記載されたプロセスレシピが、読み出し可能に格納されている。なお、プロセスレシピは、後述する基板処理工程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出来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、この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。なお、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、プロセス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、その両方を含む場合がある。また、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として構成されている。
Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、上述のＭＦＣ２４１ａ～２４１ｊ、バルブ２４３ａ～２４３ｊ、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２４４、真空ポンプ２４６、ヒータ２０７、温度センサ２６３、回転機構２６７、ボートエレベータ１１５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からプロセスレシピを読み出すように構成されている。そして、ＣＰＵ１２１ａは、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ２４１ａ～２４１ｊによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３ａ～２４３ｊの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉動作及び圧力センサ２４５に基づくＡＰＣバルブ２４４による圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２４６の起動および停止、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の昇降動作等を制御するように構成されている。
なお、コントローラ１２１は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）１２３を用意し、係る外部記憶装置１２３を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすること等により、本実施形態に係るコントローラ１２１を構成することができる。なお、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置１２３を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置１２３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。なお、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る。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。なお、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、その両方を含む場合がある。
（２）基板処理工程
次に、上述の基板処理装置の処理炉を用いて、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、シリコン含有膜であるシリコン（Ｓｉ）膜が形成されたウエハ２００の表面を酸化してシリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）を形成する方法の例について説明する。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１２１により制御される。なお、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「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様である。
本実施形態の成膜シーケンスを、図４を用いて具体的に説明する。図４は、本開示の一実施形態における成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミングを示す図である。
ここでは、ＳｉＯ膜の成膜シーケンスとして、
大気圧未満の第１圧力の雰囲気下にある処理容器である処理室２０１内において、酸素含有ガスとしてのＯ2ガスと水素含有ガスとしてのＨ2ガスを加熱されたウエハ２００に供給し、シリコン含有膜であるＳｉ膜が形成されたウエハ２００の表面を酸化して、第１酸化層としてのシリコン酸化層（ＳｉＯ層３００ｂ）を形成する第１工程と、
第１圧力と異なる大気圧未満の第２圧力の雰囲気下にある処理容器内において、酸素含有ガスしてのＯ2ガスと水素含有ガスとしてのＨ2ガスを加熱されたウエハ２００に供給し、ＳｉＯ層３００ｂが形成されたウエハ２００の表面を酸化して、第２酸化層としてのＳｉＯ層３００ｃを形成する第２工程と、を行う例について説明する。
なお、本実施形態では、ＳｉＯ層３００ｃが本成膜シーケンスで形成されるＳｉＯ膜を構成する。
さらに、第１工程の前に、処理容器内に酸素含有ガスとしてのＯ2ガスを供給し、Ｓｉ膜が形成されたウエハ２００表面を酸化して初期酸化層としてのＳｉＯ層３００ａを形成する初期工程を行う例について説明する。
（ウエハチャージ及びボートロード）
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、反応管２０３の下端開口が開放される。図１に示されているように、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によってウエハ２００を収容する処理室２０１内に搬入（ボートロード）される。この状態で、シールキャップ２１９は反応管２０３の下端をシールした状態となる。
（圧力調整及び温度調整）
処理室２０１内が真空ポンプ２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力が圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力情報に基づき、処理室２０１内が所望の圧力となるようにＡＰＣバルブ２４４がフィードバック制御される（圧力調整）。なお、真空ポンプ２４６は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室２０１内は所望の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）。これにより、処理室２０１内に収容されたウエハ２００が所望の温度に加熱される。なお、ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。続いて、回転機構２６７によるボート２１７及びウエハ２００の回転を開始する。なお、回転機構２６７によるボート２１７及びウエハ２００の回転は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
（初期工程（初期酸化層形成工程））
先ず、前処理として、ウエハ２００表面に初期酸化層としてのＳｉＯ層を形成する。
第１ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを開き、第１ガス供給管２３２ａに酸素含有ガスであるＯ2ガスを流す。Ｏ2ガスは、第１ガス供給管２３２ａから流れ、ＭＦＣ２４１ａにより流量調整される。流量調整されたＯ2ガスは、第１ノズル２４９ａのガス供給孔２５０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、加熱されたウエハ２００に対してＯ2ガスが供給される。本実施形態では、酸素含有ガスとして実質的に水素非含有のガスを用いており、特に好適な例として、Ｏ2ガス単独を酸素含有ガスとして処理室２０１内に供給する。すなわち、本工程における酸素含有ガスはＯ2ガスであり、水素を含んでいない。
このとき、第１不活性ガス供給管２３２ｆのバルブ２４３ｆを開き、第１不活性ガス供給管２３２ｆから酸素含有ガスのキャリアガスとしての不活性ガス、例えばＮ2ガスを供給するようにしてもよい。Ｎ2ガスは、ＭＦＣ２４１ｆにより流量調整されて、第１ガス供給管２３２ａ内に供給される。流量調整されたＮ2ガスは、第１ガス供給管２３２ａ内でＯ2ガスと混合され、第１ノズル２４９ａから加熱された減圧状態の処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。なお、このとき、第２ガス供給管２３２ｂ～第５ガス供給管２３２ｅ内へのＯ2ガスの侵入を防止するため、バルブ２４３ｇ～２４３ｊを開き、第２不活性ガス供給管２３２ｇ、第３不活性ガス供給管２３２ｈ、第４不活性ガス供給管２３２ｉ、第５不活性ガス供給管２３２ｊ内にＮ2ガスを流す。
このとき、ＡＰＣバルブ２４４の開度を制御して、処理室２０１内の圧力を、例えば１～１３３０Ｐａ、好ましくは２０～１３３Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば７３Ｐａとする。ＭＦＣ２４１ａで制御するＯ2ガスの供給流量は、例えば０．０１～２０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば８．７ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｆで制御するＮ2ガスの供給流量は、例えば０～４０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば１ｓｌｍとする。Ｏ2ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間は、例えば１０～６００秒の範囲内の時間であって、例えば１８０秒とする。このときヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば４００～１０００℃の範囲内の温度であって、例えば６３０℃となるような温度に設定する。
本工程によりウエハ２００上のＳｉ膜が表面から酸化され、図５（Ａ）に示されるように、ウエハ２００の表面に、例えば０．１～２ｎｍの範囲内の厚さであって、例えば１ｎｍの初期酸化層（下地酸化層）としてのＳｉＯ層３００ａが形成される。本工程において初期酸化層を形成する成膜速度（酸化レート）は、後述する第１工程及び第２工程においてＳｉＯ層を形成する成膜速度よりも遅く（低く）、１Å／分以下であることが望ましい。このように、初期工程において十分に低い酸化レートで酸化層を形成することにより、後に行う第１工程及び第２工程において膜厚分布（特に同一基板面内の膜厚均一性である面内均一性）を制御しやすくすることができる。
（第１工程（第１酸化層形成工程））
次に、初期工程により初期酸化層が形成されたウエハ２００表面に第１酸化層としてのＳｉＯ層３００ｂを形成する。
［低圧酸化処理］
第１ノズル２４９ａによるＯ2ガスの供給とＮ2ガスの供給を継続した状態で、処理室２０１内の圧力を大気圧（１０１．３ｋＰａ）未満の所定の圧力となるようにコントローラ１２１によりＡＰＣバルブ２４４を制御する。このとき、第２ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂを開き、第２ガス供給管２３２ｂに水素含有ガスとしてのＨ2ガスを流す。Ｈ2ガスは、第２ガス供給管２３２ｂから流れ、ＭＦＣ２４１ｂにより流量調整される。流量調整されたＨ2ガスは、第２ノズル２４９ｂのガス供給孔２５０ｂから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、酸素含有ガスとしてのＯ2ガスと、Ｈ2ガスと、キャリアガスとしてのＮ2ガスが加熱されたウエハ２００の外周側からその中心に向かって供給される。またこのとき、処理室２０１内のＯ2ガスとＨ2ガスの濃度比（すなわち、処理室２０１内に供給されるＯ2ガスとＨ2ガスの流量比）は所定の濃度比領域であって、例えば８０：２０～３５：６５の範囲の所定の値とする。
またこのとき、本実施形態では、第２不活性ガス供給管２３２ｇのバルブ２４３ｇを開き、第２不活性ガス供給管２３２ｇからＨ2ガスのキャリアガスとしての不活性ガス、例えばＮ2ガスを供給する。Ｎ2ガスは、ＭＦＣ２４１ｇにより流量調整されて、第２ガス供給管２３２ｂ内に供給される。流量調整されたＮ2ガスは、第２ガス供給管２３２ｂ内でＨ2ガスと混合され、第２ノズル２４９ｂからウエハ２００に対して、その外周側から中心に向けて供給される。
（アシストＨ2ガス供給）
またこのとき、本実施形態では、第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄ及び第５ガス供給管２３２ｅにＨ2ガスを流す（これらのガス供給管から供給されるＨ2ガスをアシストＨ2ガスと称する）。アシストＨ2ガスは、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ、及び第３アシストノズル２４９ｅからウエハ２００に対して、その外周側から中心に向けて供給される。
ここで、アシストＨ2ガスは、本工程及び後述する第２工程において、ウエハ２００表面に形成されるＳｉＯ層の成膜分布を調整するためにそれぞれ必要に応じて使用され、流量が調整される。具体的には、各ノズルからそれぞれ供給されるアシストＨ2ガスの流量を調整することにより、ウエハ２００の面内方向（すなわち水平方向）におけるＨ2ガス濃度、特にＯ2ガスとの濃度比の分布を緻密に調整することができる。また、これらのノズルはガス供給孔の高さ方向の位置が互いに異なるので、各ノズルから供給されるアシストＨ2ガスの流量を調整することにより、ウエハ２００の面間方向（すなわち垂直方向）におけるＨ2ガス濃度、特にＯ2ガスとの濃度比の分布を緻密に調整することができる。
このようにＨ2ガス濃度、特にＯ2ガスとの濃度比の分布を緻密に調整することで、ウエハ２００の面内及びウエハ間における酸化レートの分布（ＳｉＯ層の成膜分布）をより所望の分布に近くなるように調整することができる。
（アシストＮ2ガス供給）
またこのとき、バルブ２４３ｈ，２４３ｉ，２４３ｊを開き、第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄ及び第５ガス供給管２３２ｅから不活性ガスとしてＮ2ガスを供給するようにしてもよい（これらのガス供給管から供給されるＮ2ガスをアシストＮ2ガスと称する）。アシストＮ2ガスは、第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄ及び第５ガス供給管２３２ｅ内でそれぞれＨ2ガスと混合され、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ、第３アシストノズル２４９ｅから処理室２０１内に収容されたウエハ２００に対して、その外周側から中心に向けて供給される。
このとき、ＡＰＣバルブ２４４の開度を調整して、処理室２０１内の圧力を、大気圧未満の第１圧力である例えば１～６６５Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば５３２Ｐａとする。ＭＦＣ２４１ａで制御するＯ2ガスの供給流量は、例えば０．１～２０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば１０．０ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｆで制御するＮ2ガスの供給流量は、それぞれ例えば０～４０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば１９．０ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｂで制御するＨ2ガスの供給流量は、例えば０．１～１０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば３．０ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｇで制御するＮ2ガスの供給流量は、例えば０～４０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば１．５ｓｌｍとする。Ｈ2ガスとＯ2ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間は、例えば０．１～３００分の範囲内の時間であって、例えば２８．２５分とする。このときヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば４００～１０００℃の範囲内の温度であって、例えば６３０℃となるような温度に設定する。ＭＦＣ２４１ｃ～２４１ｅで制御する各Ｈ2ガスの供給流量は、それぞれ例えば０～１０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば０．３ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｈ～２４１ｊで制御するＮ2ガスの供給流量は、それぞれ例えば０～４０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば３．０ｓｌｍとする。
本工程では、上述の条件にてＯ2ガスとＨ2ガスを処理室２０１内に供給することで、Ｏ2ガスとＨ2ガスがノンプラズマで熱的に活性化されて反応し、それにより原子状酸素（Ｏ）等の酸素を含み、水分（Ｈ2Ｏ）を非含有とする酸化種が生成される。そして、主にこの酸化種により、初期酸化層（ＳｉＯ層３００ａ）が形成されたウエハ２００の表面を酸化して、第１酸化層としてのＳｉＯ層３００ｂを形成する。ここで第１酸化層としてのＳｉＯ層３００ｂは、本工程後にウエハ２００の表面に形成されているＳｉＯ層を意味する。したがって本実施形態の場合、ＳｉＯ層３００ｂは初期酸化工程により形成された酸化層を含むものである。また、初期酸化工程を省略して本工程のみを行った場合、本工程のみにより形成された酸化層を第１酸化層と呼ぶことができる。
ここで本工程では、処理室２０１内の圧力（第１圧力）が、次の第２工程における圧力（第２圧力）とは異なる圧力となるように調整される。このように処理圧力を設定することにより、ウエハ２００の外周部（外周近傍）から中心部までの間の径方向における酸化レートの分布の偏りを第２工程とは異なるようにすることができる。
本実施形態では、本工程において第１圧力が第２圧力よりも低くなるように調整される。このように処理圧力を設定することにより、第２工程に比べてウエハ２００中心にガスが到達しやすく、ウエハ２００の中心部で酸化反応が生じやすくなる。したがって、第１工程におけるウエハ２００面内の中心部での酸化レートが第２工程のものよりも大きくなり、また、第１工程におけるウエハ２００面内の外周部での酸化レートが第２工程のものよりも小さくなる。
さらに本実施形態では、本工程において、ウエハ２００の径方向において外周部から中心部に向かって酸化レートが大きくなるように（すなわち径方向において凸状に酸化レートの分布の偏りが生じるように）第１圧力を調整する（設定する）。これにより、図５（Ｂ）に示されているように、ＳｉＯ層３００ｂの厚さがウエハ２００の外周部よりウエハ２００の中心部において大きくなり、厚さの分布がウエハ２００面内において凸形状となるようにＳｉＯ層３００ｂが形成される。
（第２工程（第２酸化層形成工程））
次に、第１工程により第１酸化層が形成されたウエハ２００表面に第２酸化層としてのＳｉＯ層３００ｃを形成する。
［高圧酸化処理］
第１ノズル２４９ａによるＯ2ガスとＮ2ガスの供給と、第２ノズル２４９ｂによるＨ2ガスとＮ2ガスの供給と、第１アシストノズル２４９ｃ、第２アシストノズル２４９ｄ及び第３アシストノズル２４９ｅによるＨ2ガスとＮ2ガスの供給を継続した状態で、処理室２０１内の圧力を、上述した第１圧力よりも高く、大気圧未満の所定の圧力となるようにコントローラ１２１によりＡＰＣバルブ２４４を制御する。このとき、第１工程と同様に、Ｏ2ガスとＨ2ガスとＮ2ガスがウエハ２００の外周側から中心に向かって供給されることとなる。またこのとき、Ｏ2ガスとＨ2ガスの濃度比は所定の濃度比領域であって、例えば８０：２０～３５：６５の範囲の所定の値とする。ここで、上述した第１工程と同様に、アシストＨ2ガス及びアシストＮ2ガスは、ウエハ２００表面に形成されるＳｉＯ層の成膜分布を調整するためにそれぞれ必要に応じて使用される。
このとき、ＡＰＣバルブ２４４の開度を調整して、処理室２０１内の圧力を、上述した第１圧力とは異なる大気圧未満の第２圧力である例えば３９９～１３３００Ｐａの範囲内の圧力であって、例えば６６５Ｐａとする。ＭＦＣ２４１ａで制御するＯ2ガスの供給流量は、例えば０．１～２０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば１０．０ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｆで制御するＮ2ガスの供給流量は、例えば０～４０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば３．０ｓｌｍとする。すなわち、ＭＦＣ２４１ｆで制御するＮ2ガスの供給流量を、第１工程におけるＭＦＣ２４１ｆで制御するＮ2ガスの供給流量から変化させる。具体的には、ＭＦＣ２４１ｆで制御するＮ2ガスの供給流量を、第１工程におけるＭＦＣ２４１ｆで制御するＮ2ガスの供給流量よりも小さくする。ＭＦＣ２４１ｂで制御するＨ2ガスの供給流量は、例えば０．１～１０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば３．０ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｇで制御するＮ2ガスの供給流量は、例えば０．１～４０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば１．５ｓｌｍとする。Ｈ2ガスとＯ2ガスをウエハ２００に対して供給する時間は、例えば０．１～３００分の範囲内の時間であって、例えば１１．７５分とする。このときヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば４００～１０００℃の範囲内の温度であって、例えば６３０℃となるような温度に設定する。ＭＦＣ２４１ｃ～２４１ｅで制御するＨ2ガスの供給流量は、それぞれ例えば０．１～１０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば０．３ｓｌｍとする。ＭＦＣ２４１ｈ～２４１ｊで制御するＮ2ガスの供給流量は、それぞれ例えば０．１～４０．０ｓｌｍの範囲内の流量であって、例えば３．０ｓｌｍとする。
本工程では、上述の条件にてＯ2ガスとＨ2ガスを処理室２０１内に供給することで、Ｏ2ガスとＨ2ガスをノンプラズマで熱的に活性化させて酸化種を発生させる。主にこの酸化種により、ＳｉＯ層３００ｂが形成されたウエハ２００の表面を酸化して、ＳｉＯ層３００ｂの膜厚を増すように形成された第２酸化層としてのＳｉＯ層３００ｃが形成される。
ここで本工程では、上述の通り、第２圧力を第１圧力とは異なる圧力となるように調整する。このように工程ごとに処理圧力を異ならせることにより、Ｏ2ガス等の酸化ガスがウエハ２００の外周から中心部に到達する確率（到達のし易さ又はし難さ）を工程ごとに調整することができる。つまり、工程ごとに処理圧力を異ならせることにより、ウエハ２００の外周部と中心部との間で、ウエハ２００の径方向における酸化レートの分布の偏りを異ならせることができる。
例えば本実施形態では、上述の通り、第２圧力が第１圧力よりも高くなるように調整される。このように処理圧力を設定することにより、第１工程に比べてウエハ２００中心部にガスが到達しにくく、ガスの流れの上流側であるウエハ２００の外周部で酸化反応が生じやすくなる。したがって、第２工程におけるウエハ２００の中心部での酸化レートを第１工程のものよりも小さくすることができ、また、第２工程におけるウエハ２００の外周部での酸化レートを第１工程のものよりも大きくすることができる。
このように、圧力条件によってウエハ２００の径方向における酸化レートの分布が異なる第１工程と第２工程とを組み合わせて行うことにより、ウエハ２００の径方向におけるＳｉＯ層３００ｃの膜厚の分布を所望の分布に近づけることができる。すなわち、ウエハ２００面内の膜厚分布の制御性を向上させることができる。
さらに本実施形態では、本工程において、ウエハ２００の径方向において外周部から中心部に向かって酸化レートが小さくなるように（すなわち径方向において凹状に酸化レートの分布の偏りが生じるように）第２圧力を調整する（設定する）。ここで、仮に第１工程を実施せずに第２工程を実施した場合、第２工程によって形成されるＳｉＯ層の厚さが、ウエハ２００の中心よりウエハ２００の外周部において大きくなり、ウエハ２００面内において凹形状となるようにＳｉＯ層が形成される。
本実施形態では、第１工程において、厚さの分布がウエハ２００面内おいて凸形状となるようにＳｉＯ層３００ｂが形成されるため、本工程を実施することにより、本工程後に形成されるＳｉＯ層３００ｃの面内膜厚分布を図５（Ｃ）に示されているように均一な状態に近づけることができる。すなわち、酸化レートがウエハ２００の外周部よりも中心部で大きくなる第１工程と、酸化レートがウエハ２００の中心部より外周部で大きくなる第２工程とを組合せて実施することにより、第１工程における酸化レートの不均一な分布を、第２工程における不均一な分布によって補償し、膜厚の面内均一性に優れたＳｉＯ層３００ｃを形成する。
さらに、第１ノズル２４９ａ及び第２ノズル２４９ｂから供給されるＮ2ガスの供給流量を第１工程に比べて小さくすることにより、ＳｉＯ層３００ｃを形成する酸化レートを、ウエハ２００の外周部よりウエハ中心においてさらに遅くすることができる。つまり、第２工程において、キャリアガスであるＮ2ガスの供給流量を小さくすることにより、ウエハ２００の径方向における凹状の酸化レートの分布をより強めるように調整することもできる。
なお、第１工程では、第１ノズル２４９ａ及び第２ノズル２４９ｂから供給されるＮ2ガスの供給流量を大きくすることにより、ＳｉＯ層３００ｂを形成する酸化レートを、ウエハ２００の外周部よりウエハ中心においてさらに速くすることができる。つまり、第１工程において、キャリアガスであるＮ2ガスの供給流量を大きくすることにより、ウエハ２００の径方向における凸状の酸化レートの分布をより強めるように調整することもできる。
そして、第１ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａ、第２ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂ、第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄ、第５ガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｅをそれぞれ閉じ、Ｏ2ガス、Ｈ2ガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくはＳｉＯ層形成に寄与した後のＯ2ガス、Ｈ2ガスを処理室２０１内から排除する（残留ガス除去）。
（パージ及び大気圧復帰）
バルブ２４３ｆ～２４３ｊを開いたままとして、第１不活性ガス供給管２３２ｆ、第２不活性ガス供給管２３２ｇ、第３不活性ガス供給管２３２ｈ、第４不活性ガス供給管２３２ｉ、第５不活性ガス供給管２３２ｊのそれぞれから不活性ガスとしてのＮ2ガスを処理室２０１内へ供給し、排気管２３１から排気する。Ｎ2ガスはパージガスとして作用し、処理室２０１内に残留するガスが処理室２０１内から除去される（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、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。
（ボートアンロード及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、処理済のウエハ２００がボート２１７に保持された状態で反応管２０３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。その後、処理済みのウエハ２００はボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
（３）処理時間と酸化レートとの関係
次に、第１工程及び第２工程と同様にＨ2ガスとＯ2ガスを用いてウエハ表面にＳｉＯ膜を形成する場合の酸化レートについて説明する。図６は、ウエハ温度６００℃でＨ2ガスとＯ2ガスを用いてＳｉＯ膜を形成した場合における、Ｈ2ガスとＯ2ガスの供給による酸化処理時間と、形成されるＳｉＯ膜の膜厚との関係を示す図である。
図６に示されているように、Ｈ2ガスとＯ2ガスを用いてウエハ表面にＳｉＯ膜を形成した場合、ガスの供給直後において特に酸化レートが高くなることが分かる。つまり、ガスの供給直後である初期段階においては、酸化レートが高くＳｉＯ膜が短時間で急速に形成されるため、ウエハ面内及びウエハ間における成膜分布を制御しづらい。よって、本実施形態の初期工程のように、成膜の初期段階においては酸化レートが低いＯ2ガスを用いた酸化を行い、面内均一性の高い初期酸化層を事前に形成しておくことにより、後に行う第１工程、第２工程の初期段階に顕著に生じる酸化レート分布の極端な偏りの発生を回避し、ＳｉＯ層の膜厚分布の制御性（特に面内膜厚均一性）を向上させることができる。
（４）Ｈ2濃度比と酸化レートとの関係
次に、Ｈ2ガスとＯ2ガス中のＨ2の割合と成膜速度（酸化レート）の関係について説明する。図７は、ウエハ表面にＳｉ原料ガスである六塩化二ケイ素（Ｓｉ2Ｃｌ6）ガスを供給する工程と、Ｈ2ガスとＯ2ガスを用いた酸化処理を行う工程とを交互に繰り返してＳｉＯ膜を形成する処理を行い、Ｈ2ガスとＯ2ガス中のＨ2の割合が異なる複数の条件においてＳｉＯ膜の成膜速度を取得した実験の結果を示している。すなわち、この図において成膜速度が大きい条件ほど、酸化レートが大きい条件であることを示している。
図７における各プロット点のＨ2濃度は、それぞれ２％、１８．４％、８０％、９７．４％を示す。
図７に示されているように、Ｈ2ガスとＯ2ガスの合計流量に対するＨ2ガスの流量の割合（濃度比）を変化させることにより、ウエハ表面に形成されるＳｉＯ膜の成膜速度を制御することができる。具体的には、Ｏ2ガスとＨ2ガスの濃度比を８０：２０～３５：６５の範囲の所定の値とすることにより酸化レートを高くすることができる。また、Ｏ2ガスとＨ2ガスの濃度比を８０：２０～３５：６５の範囲以外の所定の値とすることにより酸化レートを低くすることができる。
（５）膜厚分布の圧力依存性
次に、ＳｉＯ膜の膜厚分布の圧力依存性について説明する。図８は、Ｏ2ガスとＨ2ガスの濃度比が３３％の場合における、処理室２０１内の圧力と面内均一性の関係を示す図である。図８において縦軸の０は、ウエハ表面に膜が平坦状に形成されていることを示し、縦軸の０より大きい（プラス）値は、ウエハ表面に凸状に膜が形成されていることを示し、縦軸の０より小さい（マイナス）値は、ウエハ表面に凹状に膜が形成されていることを示している。ウエハとしては、表面にパターンが形成されていないベアウエハを用いている。
図８に示されているように、圧力以外の他の処理条件が同じである場合に、処理室２０１内の圧力が高くなるほど、ウエハ表面に凹状に膜が形成される傾向が強くなることが分かる。これは、低圧条件にすることにより処理室２０１内の分子の数が減少され、平均自由工程長が長くなり、ウエハ中心までガスが到達する確率が大きくなる一方、高圧条件にすると処理室２０１内の分子の数が増加され、平均自由工程長が短くなり、ウエハ中心までガスが到達する確率が小さくなるためであると推測される。
（６）他の実施形態
なお、上記実施形態では、第１工程と第２工程とを上述の順に実施する場合について説明したが、本開示はこのような場合に限定されるものではない。例えば、第２工程を先に実施してウエハ２００面内において凹形状のＳｉＯ層を形成した後に第１工程を実施して、凹形状の膜厚分布を補償するようにウエハ２００面内における膜厚分布を調整するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、初期工程においてＯ2ガスを用いる場合について説明したが、本開示はこのような場合に限定されるものではない。例えば、初期工程においてもＯ2ガスとＨ2ガスを用いて初期酸化層を形成してもよい。この場合、処理室２０１内におけるＯ2ガスとＨ2ガスの濃度比は８０：２０～３５：６５の範囲外の所定の値を用いる。すなわち、酸化レートの低い濃度比領域であって、好ましくは、酸化レートが１Å／分以下の領域となる濃度比を用いる。
また、上記実施形態では、初期工程においてＯ2ガスを用いる場合について説明したが、本開示はこのような場合に限定されるものではない。好ましくは、酸化レートが１Å／分以下の領域となる成膜ガスを用いる。例えば、オゾン（Ｏ3）等を用いる場合にも酸化レートを低くすることができ、上述の効果を同様に得ることができる。
また、上記実施形態では、Ｓｉ含有膜が形成されたウエハ表面にＳｉＯ層を形成する場合について説明したが、本開示はこのような場合に限定されるものではなく、他の金属含有膜が形成されたウエハ表面に酸化層を形成する場合にも同様に本開示を適用可能である。
また、上記実施形態では、Ｏ2ガス及びＨ2ガスをそれぞれ第１ノズル２４９ａと第２ノズル２４９ｂから別々に供給する場合について説明したが、本開示はこのような場合に限定されるものではない。例えば、Ｏ2ガス及びＨ2ガスの混合ガスを一つのノズルから供給するように構成してもよい。
また、上記実施形態では、初期工程、第１工程、及び第２工程のいずれにおいても、酸素含有ガスとしてＯ2ガスを用いる場合について説明したが、本開示はこのような場合に限定されるものではない。酸素含有ガスとして、Ｏ3ガスやＮＯガス等の他のガスを用いてもよく、また、それぞれの工程において異なる酸素含有ガスを用いてもよい。
以上、本開示の種々の典型的な実施形態を説明してきたが、本開示はそれらの実施形態に限定されず、適宜組み合わせて用いることもできる。
（７）実施例
実施例として、図１に示す基板処理装置を用い、図４に示す基板処理工程により、ウエハ表面にＳｉＯ膜を形成した。ウエハとしては、表面にパターンが形成されていないベアウエハを用いた。本基板処理工程における初期工程のＯ2ガス供給時間は３分、第１工程のＨ2ガスとＯ2ガス供給時間は２７分、第２工程のＨ2ガスとＯ2ガス供給時間は１３分とした。他の各工程における処理条件は、上述の実施形態における処理条件範囲内の所定の条件とした。
比較例として、図１に示す基板処理装置を用い、図４に示す基板処理工程のうち第１工程のみを行って、ウエハ表面にＳｉＯ膜を形成した。ウエハとしては、実施例と同様にベアウエハを用いた。第１工程のＨ2ガスとＯ2ガス供給時間は４０分とした。他の処理条件は、上述の実施例における所定の条件とした。
図９(Ｄ)に示されるように、比較例に係るボート上部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ膜の面内均一性は＋４．６２％、図９(Ｅ)に示されるように、比較例に係るボート中央部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ膜の面内均一性は＋３．６４％、図９(Ｆ)に示されるように、比較例に係るボート下部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ膜の面内均一性は＋６％であって、ボートの下部領域から上部領域にわたって載置されたウエハ表面に凸形状にＳｉＯ膜が形成された。
それに対して、図９(Ａ)に示されるように、本実施例に係るボート上部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ膜の面内均一性は＋１．０２％、図９(Ｂ)に示されるように、本実施例に係るボート中央部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ膜の面内均一性は－０．９８％、図９(Ｃ)に示されるように、本実施例に係るボート下部に載置されたウエハ表面に形成されたＳｉＯ膜の面内均一性は－１．７０％であって、比較例と比較してボートの下部領域から上部領域にわたって載置されたウエハ表面に形成されるＳｉＯ膜の面内均一性が向上された。
以上の結果から、本実施形態に係る基板処理工程を行うことによりウエハ表面に形成される酸化膜の面内均一性が向上することが確認された。
１０ 基板処理装置
１２１ コントローラ
２００ ウエハ（基板）
２０１ 処理室

Claims (17)

  1. 大気圧未満の第１圧力下にある加熱された基板の外周から中心に向かって酸素含有ガスと水素含有ガスを供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１工程と、
    前記第１圧力より高い、大気圧未満の第２圧力下にある加熱された前記基板の外周から中心に向かって前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２工程と、
    を有し、
    前記第１圧力は、前記第１工程において、前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において大きくなるように設定される、半導体装置の製造方法。
  2. 前記第１工程および前記第２工程では、前記基板を回転させながら表面を酸化する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第２圧力は、
    前記第２工程において、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において小さくなるように設定される請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  4. 大気圧未満の第１圧力下にある加熱された基板の外周から中心に向かって酸素含有ガスと水素含有ガスを供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１工程と、
    前記第１圧力より低い、大気圧未満の第２圧力下にある加熱された前記基板の外周から中心に向かって前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２工程と、
    を有し、
    前記第１圧力は、前記第１工程において、前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において小さくなるように設定される、半導体装置の製造方法。
  5. 前記第２圧力は、
    前記第２工程において、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において大きくなるように設定される請求項４記載の半導体装置の製造方法。
  6. 基板に水素非含有である酸素ガスを供給し、前記基板表面を酸化して初期酸化層を形成する初期工程と、
    前記初期工程の後、大気圧未満の第１圧力下にある加熱された前記基板に対して酸素含有ガスと水素含有ガスを供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１工程と、
    前記第１圧力と異なる大気圧未満の第２圧力下にある加熱された前記基板に対して前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  7. 前記初期工程において前記初期酸化層を形成する速度は、前記第１工程において前記第１酸化層を形成する速度よりも小さい請求項６記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記酸素含有ガス及び前記水素含有ガスを前記基板に供給するように構成された１又は複数のノズルとは異なる、不活性ガスを前記基板に供給するように構成された不活性ガスノズルがさらに設けられる請求項１～７の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記酸素含有ガス及び前記水素含有ガスを前記基板に供給するように構成された１又は複数のノズルとは異なる、水素ガスを前記基板に供給するように構成された水素ガスノズルがさらに設けられる請求項１～７の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第１工程と前記第２工程では、不活性ガスを前記基板に供給し、
    前記第１工程および前記第２工程において前記基板に対する前記不活性ガスの供給流量を変化させる請求項１～７の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第１工程と前記第２工程では、水素ガスを前記基板に供給し、
    前記第１工程および前記第２工程において前記基板に対する前記水素ガスの供給流量を変化させる請求項１～７の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給系と、
    前記処理容器内に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、
    前記処理容器内に収容された基板を加熱するヒータと、
    前記処理容器内を排気する排気系と、
    前記基板を加熱し、前記処理容器内を大気圧未満の第１圧力として、前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを加熱された前記基板の外周から中心に向かって供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１処理と、
    前記処理容器内を前記第１圧力より高い、大気圧未満の第２圧力として、前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを加熱された前記基板の外周から中心に向かって供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２処理と、
    を実行するように、前記酸素含有ガス供給系、前記水素含有ガス供給系、前記ヒータ、及び前記排気系を制御するよう構成される制御部と、
    を有し、
    前記第１圧力は、前記第１処理において、前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において大きくなるように設定されている、基板処理装置。
  13. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給系と、
    前記処理容器内に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、
    前記処理容器内に収容された基板を加熱するヒータと、
    前記処理容器内を排気する排気系と、
    前記基板を加熱し、前記処理容器内を大気圧未満の第１圧力として、前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを加熱された前記基板の外周から中心に向かって供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１処理と、
    前記処理容器内を前記第１圧力より低い、大気圧未満の第２圧力として、前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを加熱された前記基板の外周から中心に向かって供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２処理と、
    を実行するように、前記酸素含有ガス供給系、前記水素含有ガス供給系、前記ヒータ、及び前記排気系を制御するよう構成される制御部と、
    を有し、
    前記第１圧力は、前記第１処理において、前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において小さくなるように設定されている、基板処理装置。
  14. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に水素非含有である酸素ガスを供給する酸素ガス供給系と、
    前記処理容器内に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給系と、
    前記処理容器内に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給系と、
    前記処理容器内に収容された基板を加熱するヒータと、
    前記処理容器内を排気する排気系と、
    前記基板に水素非含有である酸素ガスを供給し、前記基板表面を酸化して初期酸化層を形成する初期処理と、
    前記初期処理の後、前記基板を加熱し、前記処理容器内を大気圧未満の第１圧力として、前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを加熱された前記基板に対して供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１処理と、
    前記処理容器内を前記第１圧力と異なる大気圧未満の第２圧力として、前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを加熱された前記基板に対して供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２処理と、
    を実行するように、前記酸素ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、前記水素含有ガス供給系、前記ヒータ、及び前記排気系を制御するよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  15. 基板処理装置の処理容器内に収容され大気圧未満の第１圧力下にある加熱された基板の外周から中心に向かって酸素含有ガスと水素含有ガスを供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１手順と、
    前記第１圧力より高い、大気圧未満の第２圧力下にある前記基板の外周から中心に向かって前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２手順と、
    を有し、
    前記第１圧力は、前記第１手順において、前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において大きくなるように設定される手順を、コンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
  16. 基板処理装置の処理容器内に収容され大気圧未満の第１圧力下にある加熱された基板の外周から中心に向かって酸素含有ガスと水素含有ガスを供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１手順と、
    前記第１圧力より低い、大気圧未満の第２圧力下にある加熱された前記基板の外周から中心に向かって前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２手順と、
    を有し、
    前記第１圧力は、前記第１手順において、前記基板の表面を酸化する速度が、前記基板の外周近傍より前記基板の中心において小さくなるように設定される手順を、コンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
  17. 基板処理装置の処理容器内に収容された基板に水素非含有である酸素ガスを供給し、前記基板表面を酸化して初期酸化層を形成する初期手順と、
    前記初期手順の後、大気圧未満の第１圧力下にある加熱された前記基板に対して酸素含有ガスと水素含有ガスを供給し、前記基板の表面を酸化して第１酸化層を形成する第１手順と、
    前記第１圧力と異なる大気圧未満の第２圧力下にある加熱された前記基板に対して前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給し、前記第１酸化層が形成された前記基板の表面を酸化して第２酸化層を形成する第２手順と、
    を、コンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
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