WO2012060379A1 - 半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents

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笹島　亮太
吉延 中村
高澤　裕真
義朗 ▲ひろせ▼
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株式会社日立国際電気
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device manufacturing method, a substrate processing method, and a substrate processing apparatus including a step of forming a thin film on a substrate.
  • silicon such as a silicon oxide film (SiO 2 film), a silicon nitride film (Si 3 N 4 film), or a silicon oxynitride film (SiON film) is formed on a wafer such as a silicon wafer.
  • a system insulating film There is a step of forming a system insulating film.
  • WER wet etching rate
  • DER dry etching rate
  • ⁇ dielectric constant
  • RI refraction The rate
  • WER and DER are important parameters for controlling the workability of the film when manufacturing a semiconductor integrated circuit device (hereinafter also referred to as an IC) as a semiconductor device.
  • the dielectric constant is a parameter that affects electrical characteristics such as an interlayer insulating film of an IC.
  • the refractive index is an important parameter for controlling the refraction and reflection of light when forming an optical element.
  • a silicon-based insulating film by a CVD method has been mainly performed by forming a silicon oxide film or a silicon nitride film having a stoichiometric composition.
  • raw materials necessary for film formation such as a silicon-containing gas and By alternately supplying and exhausting the nitrogen-containing gas, a silicon nitride film having a high silicon ratio can be formed (see, for example, Patent Document 1).
  • a silicon oxide film or a silicon oxynitride film can be formed by alternately supplying and exhausting raw materials necessary for film formation, such as a silicon-containing gas, a nitrogen-containing gas, and an oxygen-containing gas (for example, Patent Documents). 2).
  • the inventors control the supply time of the oxygen-containing gas, thereby controlling the silicon oxynitride film. It has been found that the composition of can be controlled. Further, it has been found that the WER characteristic and RI of the silicon oxynitride film can be controlled. However, for example, when the RI value of the silicon oxynitride film is lowered to increase the WER, it is necessary to extend the supply time of the oxygen-containing gas, which causes the film formation rate to be lowered.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method, a substrate processing method, and a substrate processing apparatus capable of controlling the film composition without reducing the film formation rate.
  • Forming a predetermined element-containing layer on the substrate by supplying a raw material gas containing the predetermined element into a processing container containing the substrate; A step of changing the predetermined element-containing layer into a nitride layer by supplying a nitrogen-containing gas into the processing vessel; Supplying an oxygen-containing gas and an inert gas into the processing vessel to change the nitride layer to an oxynitride layer; And performing this cycle a plurality of times to form an oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate, A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the composition ratio of the oxynitride film having a predetermined thickness is controlled by controlling a partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the nitride layer to an oxynitride layer.
  • Forming a predetermined element-containing layer on the substrate by supplying a raw material gas containing the predetermined element into a processing container containing the substrate; A step of changing the predetermined element-containing layer into a nitride layer by supplying a nitrogen-containing gas into the processing vessel; Supplying an oxygen-containing gas and an inert gas into the processing vessel to change the nitride layer to an oxynitride layer; And performing this cycle a plurality of times to form an oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate,
  • a substrate processing method for controlling a composition ratio of the oxynitride film having a predetermined thickness by controlling a partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the nitride layer to an oxynitride layer is provided.
  • the process of changing the containing layer into a nitride layer and the process of changing the nitride layer into an oxynitride layer by supplying the oxygen-containing gas and the inert gas into the processing vessel are performed as one cycle.
  • a process for forming an oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate is performed, and the oxygen-containing gas in the process vessel is changed in a process for changing the nitride layer to an oxynitride layer.
  • the source gas supply system, the nitrogen-containing gas supply system, the oxygen-containing gas supply system, and the inert gas supply system so as to control the composition ratio of the oxynitride film having the predetermined thickness by controlling the partial pressure. and And a control unit for controlling the serial partial pressure control system, A substrate processing apparatus is provided.
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor device manufacturing method, a substrate processing method, and a substrate processing apparatus capable of controlling the film composition without reducing the film formation rate.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a vertical processing furnace of a substrate processing apparatus preferably used in the present embodiment, and is a view showing a processing furnace part by a cross-sectional view taken along line AA of FIG. It is a figure which shows the timing of the gas supply in the film-forming sequence of this embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between the O 2 gas supply time in Step 3 in the film forming sequence of the present embodiment and the detected intensity of oxygen (O) and nitrogen (N) in the SiON film by fluorescent X-ray analysis (XRF). is there.
  • FIG. 1 The relationship between the partial pressure of O 2 gas in the processing chamber in Step 3 in the film forming sequence of the present embodiment and the detected intensities of oxygen (O) and nitrogen (N) in the SiON film by fluorescent X-ray analysis (XRF) FIG. And the partial pressure of O 2 gas in the process chamber in step 3 in the film forming sequence of the embodiment, a diagram showing the relationship between WER and RI of SiON film. It is a schematic block diagram of the controller of the substrate processing apparatus used suitably by this embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a vertical processing furnace of a substrate processing apparatus suitably used in the present embodiment, and shows a processing furnace 202 portion in a vertical sectional view.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a vertical processing furnace suitably used in the present embodiment, and the processing furnace 202 portion is shown by a cross-sectional view along the line AA in FIG.
  • the present invention is not limited to the substrate processing apparatus according to the present embodiment, and can be suitably applied to a substrate processing apparatus having a single wafer type, Hot Wall type, or Cold Wall type processing furnace.
  • the processing furnace 202 has a heater 207 as a heating means (heating mechanism).
  • the heater 207 has a cylindrical shape and is vertically installed by being supported by a heater base (not shown) as a holding plate.
  • the heater 207 also functions as an activation mechanism that activates gas with heat, as will be described later.
  • a reaction tube 203 constituting a reaction vessel (processing vessel) concentrically with the heater 207 is disposed.
  • the reaction tube 203 is made of a heat-resistant material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and is formed in a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end opened.
  • a processing chamber 201 is formed in a hollow cylindrical portion of the reaction tube 203, and is configured to be able to accommodate wafers 200 as substrates in a state of being aligned in multiple stages in a horizontal posture and in a vertical direction by a boat 217 described later.
  • a first nozzle 233 a as a first gas introduction part and a second nozzle 233 b as a second gas introduction part are provided so as to penetrate the lower side wall of the reaction tube 203.
  • a first gas supply pipe 232a and a second gas supply pipe 232b are connected to the first nozzle 233a and the second nozzle 233b, respectively.
  • a third gas supply pipe 232c is connected to the second gas supply pipe 232b.
  • the reaction tube 203 is provided with the two nozzles 233a and 233b and the three gas supply tubes 232a, 232b, and 232c. It is comprised so that it can supply.
  • the first gas supply pipe 232a is provided with a mass flow controller (MFC) 241a that is a flow rate controller (flow rate control unit) and a valve 243a that is an on-off valve in order from the upstream direction.
  • MFC mass flow controller
  • a first inert gas supply pipe 232d is connected to the downstream side of the valve 243a of the first gas supply pipe 232a.
  • the first inert gas supply pipe 232d is provided with a mass flow controller 241d as a flow rate controller (flow rate control unit) and a valve 243d as an on-off valve in order from the upstream direction.
  • the first nozzle 233a is connected to the tip of the first gas supply pipe 232a.
  • the first nozzle 233a is provided in an arc-shaped space between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200 so as to rise upward from the lower portion of the inner wall of the reaction tube 203 in the stacking direction of the wafer 200. It has been. That is, the first nozzle 233a is provided along the wafer arrangement region in a region that horizontally surrounds the wafer arrangement region on the side of the wafer arrangement region where the wafers 200 are arranged.
  • the first nozzle 233a is configured as an L-shaped long nozzle, and its horizontal part is provided so as to penetrate the lower side wall of the reaction tube 203, and its vertical part is at least from one end side of the wafer arrangement region. It is provided to stand up toward the end side.
  • a gas supply hole 248a for supplying gas is provided on the side surface of the first nozzle 233a.
  • the gas supply hole 248 a is opened so as to face the center of the reaction tube 203, and gas can be supplied toward the wafer 200.
  • a plurality of gas supply holes 248a are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, each having the same opening area, and further provided at the same opening pitch.
  • the first gas supply system is mainly configured by the first gas supply pipe 232a, the mass flow controller 241a, and the valve 243a.
  • the first nozzle 233a may be included in the first gas supply system.
  • a first inert gas supply system is mainly configured by the first inert gas supply pipe 232d, the mass flow controller 241d, and the valve 243d.
  • the first inert gas supply system also functions as a purge gas supply system.
  • the second gas supply pipe 232b is provided with a mass flow controller (MFC) 241b as a flow rate controller (flow rate control unit) and a valve 243b as an on-off valve in order from the upstream direction.
  • MFC mass flow controller
  • a second inert gas supply pipe 232e is connected to the downstream side of the valve 243b of the second gas supply pipe 232b.
  • the second inert gas supply pipe 232e is provided with a mass flow controller 241e as a flow rate controller (flow rate control unit) and a valve 243e as an on-off valve in order from the upstream direction.
  • the second nozzle 233b is connected to the tip of the second gas supply pipe 232b.
  • the second nozzle 233b is provided in a buffer chamber 237 that is a gas dispersion space.
  • the buffer chamber 237 is provided in an arc-shaped space between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200 in a portion extending from the lower portion to the upper portion of the inner wall of the reaction tube 203 along the loading direction of the wafer 200. That is, the buffer chamber 237 is provided on the side of the wafer arrangement area, in a region that horizontally surrounds the wafer arrangement area, along the wafer arrangement area. It can be said that the buffer chamber 237 is provided so as to rise at least from one end side to the other end side of the wafer arrangement region, similarly to the first nozzle 233a.
  • a gas supply hole 248 c for supplying a gas is provided at the end of the wall of the buffer chamber 237 adjacent to the wafer 200.
  • the gas supply hole 248 c is opened so as to face the center of the reaction tube 203, and gas can be supplied toward the wafer 200.
  • a plurality of gas supply holes 248c are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, each having the same opening area, and further provided at the same opening pitch.
  • the second nozzle 233b extends from the lower end of the inner wall of the reaction tube 203 to the upper end in the stacking direction of the wafer 200 at the end opposite to the end where the gas supply hole 248c of the buffer chamber 237 is provided. It is provided to stand up. That is, the second nozzle 233b is provided on the side of the wafer arrangement area, in a region that horizontally surrounds the wafer arrangement area, along the wafer arrangement area.
  • the second nozzle 233b is configured as an L-shaped long nozzle, and its horizontal portion is provided so as to penetrate the lower side wall of the reaction tube 203, and its vertical portion is at least from one end side of the wafer arrangement region. It is provided to stand up toward the end side.
  • a gas supply hole 248b for supplying gas is provided on the side surface of the second nozzle 233b.
  • the gas supply hole 248 b is opened to face the center of the buffer chamber 237.
  • a plurality of gas supply holes 248 b are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, similarly to the gas supply holes 248 c of the buffer chamber 237.
  • Each of the plurality of gas supply holes 248b has the same opening area from the upstream side (lower part) to the downstream side (upper part) when the differential pressure in the buffer chamber 237 and the processing chamber 201 is small. However, when the differential pressure is large, the opening area is increased or the opening pitch is decreased from the upstream side toward the downstream side.
  • the opening area and the opening pitch of the gas supply holes 248b of the second nozzle 233b from the upstream side to the downstream side as described above, first, from each of the gas supply holes 248b, Although there is a difference in flow velocity, gas with the same flow rate is ejected.
  • the gas ejected from each of the gas supply holes 248b is once introduced into the buffer chamber 237, and the difference in gas flow velocity is made uniform in the buffer chamber 237. That is, the gas jetted into the buffer chamber 237 from each of the gas supply holes 248b of the second nozzle 233b is reduced in the particle velocity of each gas in the buffer chamber 237, and then is processed from the gas supply hole 248c of the buffer chamber 237.
  • a second gas supply system is mainly configured by the second gas supply pipe 232b, the mass flow controller 241b, and the valve 243b. Note that the second nozzle 233b and the buffer chamber 237 may be included in the second gas supply system.
  • a second inert gas supply system is mainly configured by the second inert gas supply pipe 232e, the mass flow controller 241e, and the valve 243e. The second inert gas supply system also functions as a purge gas supply system.
  • the third gas supply pipe 232c is provided with a mass flow controller (MFC) 241c that is a flow rate controller (flow rate control unit) and a valve 243c that is an on-off valve in order from the upstream direction.
  • MFC mass flow controller
  • a third inert gas supply pipe 232f is connected to the downstream side of the valve 243c of the third gas supply pipe 232c.
  • the third inert gas supply pipe 232f is provided with a mass flow controller 241f as a flow rate controller (flow rate control unit) and a valve 243f as an on-off valve in order from the upstream direction.
  • the tip of the third gas supply pipe 232c is connected to the downstream side of the valve 243b of the second gas supply pipe 232b.
  • a third gas supply system is mainly configured by the third gas supply pipe 232c, the mass flow controller 241c, and the valve 243c.
  • the second gas supply pipe 232b may be considered to include the second nozzle 233b and the buffer chamber 237 in the third gas supply system on the downstream side of the connection portion between the second gas supply pipe 232b and the third gas supply pipe 232c.
  • a third inert gas supply system is mainly configured by the third inert gas supply pipe 232f, the mass flow controller 241f, and the valve 243f.
  • the third inert gas supply system also functions as a purge gas supply system.
  • hexachlorodisilane Si 2 Cl 6 , abbreviation: HCD
  • a source gas containing silicon Si
  • Si-containing gas silicon
  • a gas is supplied into the processing chamber 201 via the mass flow controller 241a, the valve 243a, and the first nozzle 233a. That is, the first gas supply system is configured as a source gas supply system (silicon-containing gas supply system).
  • the inert gas may be supplied from the first inert gas supply pipe 232d into the first gas supply pipe 232a via the mass flow controller 241d and the valve 243d.
  • the inert gas supplied into the first gas supply pipe 232a is supplied into the processing chamber 201 together with the HCD gas through the first nozzle 233a.
  • ammonia (NH 3 ) gas is contained as nitrogen-containing gas (nitrogen-containing gas) via the mass flow controller 241b, the valve 243b, the second nozzle 233b, and the buffer chamber 237.
  • the second gas supply system is configured as a nitrogen-containing gas supply system.
  • the inert gas may be supplied from the second inert gas supply pipe 232e into the second gas supply pipe 232b via the mass flow controller 241e and the valve 243e.
  • oxygen (O 2 ) gas includes a mass flow controller 241c, a valve 243c, a second gas supply pipe 232b, a second nozzle 233b, and a buffer chamber. 237 is supplied into the processing chamber 201. That is, the third gas supply system is configured as an oxygen-containing gas supply system.
  • the inert gas may be supplied from the third inert gas supply pipe 232f into the third gas supply pipe 232c via the mass flow controller 241f and the valve 243f.
  • NH 3 gas and O 2 gas are supplied from the same nozzle into the processing chamber 201 (inside the buffer chamber 237), but each is supplied into the processing chamber 201 from separate nozzles. You may make it do.
  • sharing the nozzles with a plurality of types of gas has the advantages that the number of nozzles can be reduced, the cost of the apparatus can be reduced, and maintenance is facilitated.
  • a first rod-shaped electrode 269 that is a first electrode having an elongated structure and a second rod-shaped electrode 270 that is a second electrode are provided at the bottom of the reaction tube 203.
  • the upper part is disposed along the stacking direction of the wafers 200.
  • Each of the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 is provided in parallel with the second nozzle 233b.
  • Each of the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 is protected by being covered with an electrode protection tube 275 that is a protection tube that protects each electrode from the top to the bottom.
  • first rod-shaped electrode 269 or the second rod-shaped electrode 270 is connected to the high-frequency power source 273 via the matching unit 272, and the other is connected to the ground as the reference potential.
  • plasma is generated in the plasma generation region 224 between the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270.
  • the first rod-shaped electrode 269, the second rod-shaped electrode 270, the electrode protection tube 275, the matching unit 272, and the high-frequency power source 273 mainly constitute a plasma source as a plasma generator (plasma generating unit).
  • the plasma source functions as an activation mechanism that activates a gas with plasma as will be described later.
  • the electrode protection tube 275 has a structure in which the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 can be inserted into the buffer chamber 237 while being separated from the atmosphere of the buffer chamber 237.
  • the inside of the electrode protection tube 275 has the same atmosphere as the outside air (atmosphere)
  • the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 inserted into the electrode protection tube 275 are oxidized by heat from the heater 207. Will be. Therefore, the inside of the electrode protection tube 275 is filled or purged with an inert gas such as nitrogen to suppress the oxygen concentration sufficiently low to prevent oxidation of the first rod-shaped electrode 269 or the second rod-shaped electrode 270.
  • An active gas purge mechanism is provided.
  • the reaction tube 203 is provided with an exhaust pipe 231 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 201.
  • the exhaust pipe 231 is evacuated via a pressure sensor 245 as a pressure detector (pressure detection unit) for detecting the pressure in the processing chamber 201 and an APC (Auto Pressure Controller) valve 244 as a pressure regulator (pressure adjustment unit).
  • a vacuum pump 246 as an exhaust device is connected.
  • the APC valve 244 can open and close the vacuum pump 246 while the vacuum pump 246 is operated, and can stop the vacuum exhaust and the vacuum exhaust in the processing chamber 201. Further, the APC valve 244 is in a state where the vacuum pump 246 is operated.
  • the on-off valve is configured so that the pressure in the processing chamber 201 can be adjusted by adjusting the opening of the valve based on the pressure information detected by the pressure sensor 245.
  • An exhaust system is mainly configured by the exhaust pipe 231, the APC valve 244, the vacuum pump 246, and the pressure sensor 245.
  • a pressure control system (total pressure control system) for controlling the pressure (total pressure) in the processing chamber is mainly configured by the APC valve 244, the vacuum pump 246, and the pressure sensor 245.
  • the pressure in the processing chamber 201 that is, the total pressure is controlled by adjusting the opening of the APC valve 244 based on the pressure information detected by the pressure sensor 245 as described above.
  • the partial pressure of a predetermined gas for example, HCD gas, NH 3 gas, or O 2 gas in the processing chamber 201 can be controlled.
  • the flow rate of HCD gas is Qh
  • the flow rate of NH 3 gas is Qn
  • the flow rate of O 2 gas is Qo
  • the flow rate of diluted N 2 gas is Qd
  • the pressure (total pressure) in the processing chamber is V
  • the HCD gas flow rate The partial pressure Vh, the partial pressure Vn of NH 3 gas, and the partial pressure Vo of O 2 gas are expressed by the following equations, respectively.
  • the partial pressure Vh of the HCD gas in the processing chamber 201 is controlled by controlling the total pressure V in the processing chamber 201, the flow rate Qh of the HCD gas, and the flow rate Qd of the diluted N 2 gas based on Equation 1. Can be controlled. Further, by controlling the total pressure V in the processing chamber, the flow rate Qn of the NH 3 gas, and the flow rate Qd of the diluted N 2 gas based on Equation 2, the partial pressure Vn of the NH 3 gas in the processing chamber 201 is controlled. Can be controlled.
  • the partial pressure Vo of the O 2 gas in the processing chamber 201 is controlled by controlling the total pressure V in the processing chamber, the flow rate Qo of the O 2 gas, and the flow rate Qd of the diluted N 2 gas based on Expression 3. Can be controlled.
  • the APC valve 244, the vacuum pump 246, the pressure sensor 245, and the mass flow controllers 241a, 241b, 241c, 241d, 241e, 241f mainly constitute a partial pressure control system.
  • a seal cap 219 is provided as a furnace opening lid capable of airtightly closing the lower end opening of the reaction tube 203.
  • the seal cap 219 is configured to contact the lower end of the reaction tube 203 from the lower side in the vertical direction.
  • the seal cap 219 is made of a metal such as stainless steel and has a disk shape.
  • An O-ring 220 is provided on the upper surface of the seal cap 219 as a seal member that contacts the lower end of the reaction tube 203.
  • a rotation mechanism 267 for rotating a boat 217 as a substrate holder described later is installed on the opposite side of the seal cap 219 from the processing chamber 201. A rotation shaft 255 of the rotation mechanism 267 passes through the seal cap 219 and is connected to the boat 217.
  • the rotation mechanism 267 is configured to rotate the wafer 200 by rotating the boat 217.
  • the seal cap 219 is configured to be lifted and lowered in the vertical direction by a boat elevator 115 as a lifting mechanism vertically installed outside the reaction tube 203.
  • the boat elevator 115 is configured such that the boat 217 can be carried into and out of the processing chamber 201 by moving the seal cap 219 up and down.
  • the boat 217 as a substrate support is made of a heat-resistant material such as quartz or silicon carbide, and supports a plurality of wafers 200 in a horizontal posture and aligned in a state where the centers are aligned with each other in multiple stages. It is configured.
  • a heat insulating member 218 made of a heat resistant material such as quartz or silicon carbide is provided at the lower part of the boat 217 so that heat from the heater 207 is not easily transmitted to the seal cap 219 side. .
  • the heat insulating member 218 may be constituted by a plurality of heat insulating plates made of a heat resistant material such as quartz or silicon carbide, and a heat insulating plate holder that supports the heat insulating plates in a horizontal posture in multiple stages.
  • a temperature sensor 263 as a temperature detector is installed in the reaction tube 203, and the temperature in the processing chamber 201 is adjusted by adjusting the power supply to the heater 207 based on the temperature information detected by the temperature sensor 263. It is configured to have a desired temperature distribution. Similar to the first nozzle 233 a and the second nozzle 233 b, the temperature sensor 263 is configured in an L shape and is provided along the inner wall of the reaction tube 203.
  • the controller 121 which is a control unit (control means), includes a CPU (Central Processing Unit) 121a, a RAM (Random Access Memory) 121b, a storage device 121c, and an I / O port 121d. It is configured as a computer.
  • the RAM 121b, the storage device 121c, and the I / O port 121d are configured to exchange data with the CPU 121a via the internal bus 121e.
  • an input / output device 122 configured as a touch panel or the like is connected to the controller 121.
  • the storage device 121c includes, for example, a flash memory, a HDD (Hard Disk Drive), and the like.
  • a control program that controls the operation of the substrate processing apparatus, a process recipe that describes the procedure and conditions of the substrate processing described later, and the like are stored in a readable manner.
  • the process recipe is a combination of functions so that a predetermined result can be obtained by causing the controller 121 to execute each procedure in a substrate processing step to be described later, and functions as a program.
  • the process recipe, the control program, and the like are collectively referred to as simply a program.
  • the RAM 121b is configured as a memory area (work area) in which programs, data, and the like read by the CPU 121a are temporarily stored.
  • the I / O port 121d includes the mass flow controllers 241a, 241b, 241c, 241d, 241e, 241f, valves 243a, 243b, 243c, 243d, 243e, 243f, pressure sensor 245, APC valve 244, vacuum pump 246, heater 207.
  • the temperature sensor 263, the rotation mechanism 267, the boat elevator 115, the high frequency power supply 273, the matching unit 272, and the like are connected.
  • the CPU 121a is configured to read and execute a control program from the storage device 121c, and to read a process recipe from the storage device 121c in response to an operation command input from the input / output device 122 or the like. Then, the CPU 121a adjusts the flow rates of various gases by the mass flow controllers 241a, 241b, 241c, 241d, 241e, and 241f and the valves 243a, 243b, 243c, 243d, 243e, and 243f in accordance with the contents of the read process recipe.
  • the controller 121 is not limited to being configured as a dedicated computer, and may be configured as a general-purpose computer.
  • a computer-readable recording medium storing the above-described program for example, a magnetic tape, a magnetic disk such as a flexible disk or a hard disk, an optical disk such as a CD or DVD, a magneto-optical disk such as an MO, a USB memory or a memory card
  • the controller 121 according to the present embodiment can be configured by preparing a semiconductor memory) 123 and installing a program in a general-purpose computer using the recording medium 123.
  • the means for supplying the program to the computer is not limited to supplying the program via the recording medium 123.
  • the program may be supplied without using the recording medium 123 by using communication means such as the Internet or a dedicated line.
  • FIG. 3 shows a timing diagram of gas supply in the film forming sequence of the present embodiment.
  • a process of forming a predetermined element-containing layer on the substrate by supplying a source gas (HCD gas) containing the predetermined element into the processing container containing the substrate, Supplying nitrogen-containing gas (NH 3 gas) to change the predetermined element-containing layer into a nitride layer, and supplying oxygen-containing gas (O 2 gas) and inert gas (N 2 gas) into the processing vessel
  • HCD gas source gas
  • NH 3 gas nitrogen-containing gas
  • O 2 gas oxygen-containing gas
  • N 2 gas inert gas
  • HCD gas is used as the source gas
  • NH 3 gas is used as the nitrogen-containing gas
  • O 2 gas is used as the oxygen-containing gas
  • N 2 gas is used as the inert gas.
  • a silicon oxynitride film SiON film
  • the predetermined element is silicon
  • the predetermined element-containing layer is a silicon-containing layer
  • the nitride layer is a silicon nitride layer
  • the oxynitride layer is a silicon oxynitride layer
  • the oxynitride film is a silicon oxynitride film It corresponds to.
  • the inside of the processing chamber 201 is evacuated by a vacuum pump 246 so that a desired pressure (vacuum degree) is obtained.
  • a desired pressure vacuum degree
  • the pressure in the processing chamber 201 is measured by the pressure sensor 245, and the APC valve 244 is feedback-controlled based on the measured pressure information (pressure adjustment).
  • the processing chamber 201 is heated by the heater 207 so as to have a desired temperature.
  • the power supply to the heater 207 is feedback-controlled based on the temperature information detected by the temperature sensor 263 so that the inside of the processing chamber 201 has a desired temperature distribution (temperature adjustment).
  • the wafer 200 is rotated by rotating the boat 217 by the rotation mechanism 267. Thereafter, the following three steps are sequentially executed.
  • Step 1 The valve 243a of the first gas supply pipe 232a is opened, and the HCD gas is caused to flow through the first gas supply pipe 232a.
  • the HCD gas flows from the first gas supply pipe 232a and the flow rate is adjusted by the mass flow controller 241a.
  • the flow-adjusted HCD gas is supplied from the gas supply hole 248a of the first nozzle 233a into the heated processing chamber 201 in a depressurized state, and is exhausted from the exhaust pipe 231 (HCD gas supply).
  • the valve 243d of the first inert gas supply pipe 232d may be opened to supply N 2 gas as an inert gas from the first inert gas supply pipe 232d.
  • the flow rate of the N 2 gas is adjusted by the mass flow controller 241d, and the N 2 gas is supplied into the first gas supply pipe 232a.
  • the N 2 gas whose flow rate has been adjusted is mixed with the HCD gas whose flow rate has been adjusted in the first gas supply pipe 232a, and is then introduced into the heated processing chamber 201 from the gas supply hole 248a of the first nozzle 233a. It is supplied and exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the valves 243e and 243f are opened, and the second inert gas supply pipe 232e and the third inert gas supply pipe are opened. N 2 gas is allowed to flow into 232f. N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the second gas supply pipe 232b, the third gas supply pipe 232c, the second nozzle 233b, and the buffer chamber 237, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the APC valve 244 is appropriately adjusted to maintain the pressure in the processing chamber 201 at a pressure lower than atmospheric pressure, for example, in the range of 10 to 1000 Pa.
  • the supply flow rate of the HCD gas controlled by the mass flow controller 241a is set, for example, within a range of 10 to 1000 sccm (0.01 to 1 slm).
  • the supply flow rate of N 2 gas controlled by the mass flow controllers 241d, 241e, and 241f is set to a flow rate in the range of, for example, 100 to 2000 sccm (0.1 to 2 slm).
  • the time during which the HCD gas is exposed to the wafer 200 is set to a time within the range of 1 to 120 seconds, for example.
  • the temperature of the heater 207 is set so that the CVD reaction occurs in the processing chamber 201 in the above-described pressure zone. That is, the temperature of the heater 207 is set so that the temperature of the wafer 200 becomes a temperature within the range of 350 to 700 ° C., for example.
  • the temperature of the wafer 200 is less than 350 ° C., the HCD is difficult to be decomposed and adsorbed on the wafer 200. Further, when the temperature of the wafer 200 exceeds 700 ° C., the CVD reaction becomes strong and the deterioration of the film thickness uniformity becomes remarkable. Therefore, the temperature of the wafer 200 is preferably set to a temperature within the range of 350 to 700.degree.
  • a silicon-containing layer of, for example, less than one atomic layer to several atomic layers is formed on the wafer 200 (surface underlayer film). Is formed.
  • the silicon-containing layer may be an HCD gas adsorption layer, a silicon layer (Si layer), or both of them.
  • the silicon layer is a generic name including a continuous layer composed of silicon (Si), a discontinuous layer, and a silicon thin film formed by overlapping these layers.
  • a continuous layer made of Si may be referred to as a silicon thin film. Note that Si constituting the silicon layer includes those in which the bond with Cl is not completely broken.
  • the HCD gas adsorption layer includes a discontinuous chemical adsorption layer in addition to a continuous chemical adsorption layer of gas molecules of the HCD gas. That is, the adsorption layer of HCD gas includes a monomolecular layer composed of HCD molecules or a chemical adsorption layer of less than one molecular layer.
  • the HCD (Si 2 Cl 6 ) molecules constituting the HCD gas adsorption layer include those in which the bond between Si and Cl is partially broken (Si x Cl y molecules). That is, the adsorption layer of HCD includes a continuous chemical adsorption layer or a discontinuous chemical adsorption layer of Si 2 Cl 6 molecules and / or Si x Cl y molecules.
  • a layer of less than one atomic layer means a discontinuous atomic layer, and a single atomic layer means a continuously formed atomic layer. Moreover, the layer of less than one molecular layer means a molecular layer formed discontinuously, and the layer of one molecular layer means a molecular layer formed continuously.
  • Si is deposited on the wafer 200 to form a silicon layer.
  • the HCD gas is adsorbed on the wafer 200 to form an HCD gas adsorption layer.
  • the thickness of the silicon-containing layer formed on the wafer 200 exceeds several atomic layers, the oxidation action in step 3 described later does not reach the entire silicon-containing layer.
  • the minimum value of the silicon-containing layer that can be formed on the wafer 200 is less than one atomic layer. Therefore, the thickness of the silicon-containing layer is preferably set to be less than one atomic layer to several atomic layers. Note that.
  • the thickness of the silicon-containing layer By setting the thickness of the silicon-containing layer to 1 atomic layer or less, that is, 1 atomic layer or less than 1 atomic layer, the action of nitriding in step 2 and oxidation in step 3 described later can be relatively enhanced.
  • the time required for each step can be shortened.
  • the processing time per cycle can be shortened, and the total processing time can be shortened. That is, the film forming rate can be increased.
  • the thickness of the silicon-containing layer by controlling the thickness of the silicon-containing layer to 1 atomic layer or less, it becomes possible to improve the controllability of film thickness uniformity.
  • a source gas sicon-containing gas
  • sicon-containing gas silicon-containing gas
  • tetrachlorosilane that is, silicon tetrachloride (SiCl 4 , abbreviation: STC) gas
  • trichlorosilane SiHCl 3 , abbreviation: TCS
  • DCS dichlorosilane
  • SiH 3 Cl monochlorosilane
  • MCS monochlorosilane
  • SiH 4 monosilane
  • other inorganic raw materials as well as aminosilane-based tetrakisdimethyl Aminosilane (Si [N (CH 3 ) 2 ] 4 , abbreviation: 4DMAS) gas, trisdimethylaminosilane (Si [N (CH 3 ) 2 ] 3 H, abbreviation: 4DMAS) gas, trisdimethylaminosilane (Si [N (CH 3 ) 2 ] 3 H, abbreviation: 4DMAS
  • the valve 243a of the first gas supply pipe 232a is closed, and the supply of HCD gas is stopped.
  • the APC valve 244 of the exhaust pipe 231 is kept open, the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246, and the remaining HCD gas is removed from the processing chamber 201.
  • the valves 243d, 243e, and 243f are kept open, and the supply of N 2 gas as an inert gas into the processing chamber 201 is maintained.
  • the N 2 gas acts as a purge gas, which can further enhance the effect of removing unreacted HCD gas remaining in the processing chamber 201 or after forming a silicon-containing layer from the processing chamber 201 (residual). Gas removal).
  • the temperature of the heater 207 at this time is set so that the temperature of the wafer 200 is in the range of 350 to 700 ° C. as in the case of supplying the HCD gas.
  • the supply flow rate of N 2 gas as the purge gas supplied from each inert gas supply system is set to a flow rate in the range of, for example, 100 to 2000 sccm (0.1 to 2 slm).
  • a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, or Xe gas may be used in addition to N 2 gas.
  • Step 2 After the residual gas in the processing chamber 201 is removed, the valve 243b of the second gas supply pipe 232b is opened, and NH 3 gas is allowed to flow through the second gas supply pipe 232b.
  • the NH 3 gas flows from the second gas supply pipe 232b and the flow rate is adjusted by the mass flow controller 241b.
  • the NH 3 gas whose flow rate has been adjusted is supplied from the gas supply hole 248b of the second nozzle 233b into the buffer chamber 237 in a depressurized state.
  • the NH 3 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by plasma.
  • the NH 3 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by heat.
  • the NH 3 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by heat by not applying high-frequency power between the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270.
  • the NH 3 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by heat and supplied from the gas supply hole 248 c of the buffer chamber 237 into the heated processing chamber 201 in a reduced pressure state, and the exhaust pipe 231.
  • the NH 3 gas can be supplied by being activated by plasma.
  • a soft reaction can be generated, and nitridation described later can be performed softly. .
  • the valve 243e of the second inert gas supply pipe 232e may be opened, and N 2 gas may be supplied as an inert gas from the second inert gas supply pipe 232e.
  • the flow rate of the N 2 gas is adjusted by the mass flow controller 241e and is supplied into the second gas supply pipe 232b.
  • the flow-adjusted N 2 gas is mixed with the flow-adjusted NH 3 gas in the second gas supply pipe 232b, and is heated in the reduced pressure buffer chamber 237 heated from the gas supply hole 248b of the second nozzle 233b.
  • the gas is supplied and supplied from the gas supply hole 248 c of the buffer chamber 237 into the processing chamber 201 in a reduced pressure state, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the valves 243d and 243f are opened, and the first inert gas supply pipe 232d and the third inert gas N 2 gas is allowed to flow through the gas supply pipe 232f.
  • the N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the first gas supply pipe 232a, the third gas supply pipe 232c, the first nozzle 233a, the second nozzle 233b, and the buffer chamber 237, and is exhausted from the exhaust pipe 231. .
  • the APC valve 244 is appropriately adjusted to maintain the pressure in the processing chamber 201 at a pressure lower than atmospheric pressure, for example, in a range of 1 to 3000 Pa.
  • the supply flow rate of NH 3 gas controlled by the mass flow controller 241b is, for example, a flow rate in the range of 100 to 10,000 sccm (0.1 to 10 slm).
  • the supply flow rate of N 2 gas controlled by the mass flow controller 241e is, for example, a flow rate in the range of 100 to 10,000 sccm (0.1 to 10 slm).
  • the supply flow rate of N 2 gas controlled by the mass flow controllers 241d and 241f is set to a flow rate in the range of, for example, 100 to 2000 sccm (0.1 to 2 slm).
  • the partial pressure of the NH 3 gas in the processing chamber 201 is set to a pressure in the range of 6 to 2940 Pa.
  • the time for which the NH 3 gas is exposed to the wafer 200, that is, the supply time of the NH 3 gas is set to a time in the range of 1 to 120 seconds, for example.
  • the temperature of the heater 207 is set so that the temperature of the wafer 200 is the same temperature range as that at the time of supplying the HCD gas in Step 1, that is, a temperature in the range of 350 to 700 ° C.
  • the temperature of the heater 207 it is preferable to set the temperature of the heater 207 so that the temperature in the processing chamber 201 is maintained in the same temperature range in step 1 and step 2 as described above. Furthermore, it is more preferable to set the temperature of the heater 207 so that the temperature in the processing chamber 201 is maintained in a similar temperature range in steps 1 to 3 (described later). In this case, the temperature of the heater 207 is set so that the temperature in the processing chamber 201 becomes a constant temperature in the range of 350 to 700 ° C. from step 1 to step 3 (described later).
  • the NH 3 gas is thermally activated by non-plasma in a heated reduced-pressure atmosphere or is thermally decomposed to generate nitrogen. Including nitriding species is generated.
  • the HCD gas does not flow in the processing chamber 201, the NH 3 gas does not cause a gas phase reaction, and the NH 3 gas is obtained by being thermally activated or thermally decomposed.
  • the nitrided species reacted with at least a portion of the silicon-containing layer formed on the wafer 200 in step 1.
  • a nitriding process is performed on the silicon-containing layer, and the silicon-containing layer is changed into a silicon nitride layer (Si 3 N 4 layer, hereinafter, also simply referred to as a SiN layer) by the nitriding process (modified). Quality).
  • nitriding reaction of the silicon-containing layer it is preferable not to saturate the nitriding reaction of the silicon-containing layer.
  • a silicon layer having several atomic layers is formed in step 1
  • a part or all of the surface layer one atomic layer on the surface
  • nitriding is performed under the condition that the nitriding reaction of the silicon layer is unsaturated so that the entire silicon layer is not nitrided.
  • several layers below the surface layer of the silicon layer can be nitrided, but it is preferable to nitride only the surface layer because the controllability of the composition ratio of the silicon oxynitride film can be improved. .
  • nitriding is performed under the condition that the nitriding reaction of the silicon layer is unsaturated so that the entire silicon layer is not nitrided.
  • the processing conditions in step 2 may be the above-described processing conditions, but the silicon-containing layer can be obtained by setting the processing conditions in step 2 as the following processing conditions. It becomes easy to make the nitriding reaction of the layer unsaturated.
  • Wafer temperature 500-600 ° C
  • Processing chamber pressure 133-2666 Pa
  • NH 3 gas partial pressure 67-2394 Pa
  • NH 3 gas supply flow rate 1000 to 5000 sccm N 2 gas supply flow rate: 300 to 1000 sccm NH 3 gas supply time: 6 to 60 seconds
  • NH 3 gas can be activated by plasma and flowed.
  • a higher-energy nitriding species can be generated.
  • effects such as improved device characteristics can be considered.
  • NH 3 gas is activated by plasma, high frequency power is applied between the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 from the high-frequency power source 273 via the matching device 272 to be supplied into the buffer chamber 237.
  • the NH 3 gas thus excited is plasma-excited, supplied as an active species from the gas supply hole 248 c into the processing chamber 201, and exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the high-frequency power applied between the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 from the high-frequency power source 273 is set to be in the range of 50 to 1000 W, for example.
  • Other processing conditions are the same as those described above.
  • the NH 3 gas is sufficiently activated by heat, and a sufficient amount of nitriding species is generated. Therefore, sufficient nitriding power can be obtained even when NH 3 gas is thermally activated by non-plasma.
  • a soft reaction can be generated, and the above-described nitriding treatment can be performed softly.
  • nitrogen-containing gas in addition to ammonia (NH 3 ) gas, diazine (N 2 H 2 ) gas, hydrazine (N 2 H 4 ) gas, N 3 H 8 gas, amine-based gas, or the like may be used.
  • a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, or Xe gas may be used in addition to N 2 gas.
  • the valve 243b of the second gas supply pipe 232b is closed, and the supply of NH 3 gas is stopped.
  • the APC valve 244 of the exhaust pipe 231 is kept open, the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246, and the remaining NH 3 gas and reaction byproducts are removed from the processing chamber 201.
  • the valves 243d, 243e, and 243f are kept open, and the supply of N 2 gas as an inert gas into the processing chamber 201 is maintained.
  • the N 2 gas acts as a purge gas, thereby further eliminating the effect of eliminating NH 3 gas and reaction by-products remaining in the processing chamber 201 and contributing to the formation of the silicon nitride layer from the processing chamber 201. Can be increased (residual gas removal).
  • the temperature of the heater 207 is set so that the temperature of the wafer 200 is in the range of 350 to 700 ° C. as in the case of supplying the NH 3 gas.
  • the supply flow rate of N 2 gas as the purge gas supplied from each inert gas supply system is set to a flow rate in the range of, for example, 100 to 2000 sccm (0.1 to 2 slm).
  • a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, or Xe gas may be used in addition to N 2 gas.
  • Step 3 After the residual gas in the processing chamber 201 is removed, the valve 243c of the third gas supply pipe 232c and the valve 243f of the third inert gas supply pipe 232f are opened, and the O 2 gas and the third inert gas are supplied to the third gas supply pipe 232c.
  • N 2 gas as a dilution gas is allowed to flow through the active gas supply pipe 232f.
  • N 2 gas flows from the third inert gas supply pipe 232f, and the flow rate is adjusted by the mass flow controller 241f.
  • the O 2 gas flows from the third gas supply pipe 232c, and the flow rate is adjusted by the mass flow controller 241c.
  • the O 2 gas whose flow rate has been adjusted is mixed with the N 2 gas whose flow rate has been adjusted in the third gas supply pipe 232c, and is mixed into the buffer chamber 237 in a decompressed state heated from the gas supply hole 248b of the second nozzle 233b. Supplied.
  • the O 2 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by plasma.
  • the O 2 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by heat.
  • the O 2 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by heat.
  • the O 2 gas supplied into the buffer chamber 237 is activated by heat and enters the processing chamber 201 in the heated decompressed state from the gas supply hole 248c of the buffer chamber 237 together with the N 2 gas.
  • Supplied and exhausted from the exhaust pipe 231 O 2 gas and N 2 gas supply.
  • the O 2 gas can be supplied by being activated by plasma, but if it is supplied by being activated by heat, a soft reaction can be caused and the oxidation described later can be performed softly. .
  • the valves 243d and 243e are opened, and the first inert gas supply pipe 232d and the second inert gas supply pipe 232d are opened.
  • N 2 gas is allowed to flow through the active gas supply pipe 232e.
  • the N 2 gas is supplied into the processing chamber 201 through the first gas supply pipe 232a, the second gas supply pipe 232b, the first nozzle 233a, the second nozzle 233b, and the buffer chamber 237, and is exhausted from the exhaust pipe 231. .
  • the APC valve 244 is appropriately adjusted to maintain the pressure in the processing chamber 201 at a pressure lower than atmospheric pressure, for example, in the range of 1 to 15000 Pa.
  • the supply flow rate of O 2 gas controlled by the mass flow controller 241c is, for example, a flow rate in the range of 100 to 20000 sccm (0.1 to 20 slm).
  • the supply flow rate of N 2 gas controlled by the mass flow controller 241f is, for example, a flow rate in the range of 100 to 20000 sccm (0.1 to 20 slm).
  • the supply flow rate of N 2 gas controlled by the mass flow controllers 241d and 241e is, for example, a flow rate in the range of 100 to 2000 sccm (0.1 to 2 slm).
  • the partial pressure of the O 2 gas in the processing chamber 201 is set to a pressure in the range of 0.5 to 2940 Pa.
  • the time for exposing the O 2 gas to the wafer 200, that is, the supply time of the O 2 gas is, for example, a time within the range of 1 to 120 seconds.
  • the temperature of the heater 207 is set so that the temperature of the wafer 200 is the same temperature range as that at the time of supplying the HCD gas in Step 1, that is, a temperature in the range of 350 to 700 ° C.
  • the temperature of the heater 207 is set so that the temperature in the processing chamber 201 is maintained in a similar temperature range, that is, a constant temperature within a range of 350 to 700 ° C. from Step 1 to Step 3. It is preferable to set.
  • the O 2 gas is thermally activated by non-plasma in a heated reduced pressure atmosphere.
  • the O 2 gas does not cause a gas phase reaction, and the thermally activated O 2 gas is transferred to the wafer in step 2. It reacts with at least a portion of the silicon nitride layer formed on 200.
  • an oxidation process is performed on the silicon nitride layer, and the silicon nitride layer is changed (modified) into a silicon oxynitride layer (hereinafter also simply referred to as a SiON layer) by this oxidation process.
  • the oxidation reaction of the silicon nitride layer it is preferable not to saturate the oxidation reaction of the silicon nitride layer.
  • a silicon nitride layer of several atomic layers is formed in step 2, part or all of the surface layer (one atomic layer on the surface) is oxidized.
  • the oxidation is performed under the condition that the oxidation reaction of the silicon nitride layer is unsaturated so that the entire silicon nitride layer is not oxidized.
  • several layers below the surface layer of the silicon nitride layer can be oxidized.
  • oxidizing the surface layer alone can improve the controllability of the composition ratio of the silicon oxynitride film. preferable.
  • Step 2 when a silicon nitride layer having one atomic layer or less than one atomic layer is formed in Step 2, a part of the surface layer is oxidized. Also in this case, the oxidation is performed under the condition that the oxidation reaction of the silicon nitride layer is unsaturated so as not to oxidize the entire silicon nitride layer.
  • the processing conditions in step 3 may be the above-described processing conditions. However, by setting the processing conditions in step 3 as the following processing conditions, It becomes easy to make the oxidation reaction of the layer unsaturated.
  • Wafer temperature 500-600 ° C
  • Processing chamber pressure 10-2666 Pa O 2 gas partial pressure: 0.5 to 1333 Pa O 2 gas supply flow rate: 1000 to 5000 sccm N 2 gas supply flow rate: 300 to 1000 sccm O 2 gas supply time: 6 to 60 seconds
  • the composition ratio of the silicon oxynitride layer is controlled, and the composition ratio of the silicon oxynitride film having a predetermined thickness to be finally formed is controlled. Try to control.
  • the composition ratio control of the silicon oxynitride film will be described later.
  • the O 2 gas can be activated by plasma and flowed.
  • Oxygen species having higher energy can be generated by activating and flowing the O 2 gas with plasma, and effects such as improvement of device characteristics can be considered by performing oxidation treatment with this oxidation species.
  • high-frequency power is applied from the high-frequency power source 273 via the matching unit 272 between the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 to be supplied into the buffer chamber 237.
  • the O 2 gas thus excited is plasma-excited, is supplied into the processing chamber 201 from the gas supply hole 248c together with N 2 gas as an active species, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the high-frequency power applied between the first rod-shaped electrode 269 and the second rod-shaped electrode 270 from the high-frequency power source 273 is set to be in the range of 50 to 1000 W, for example.
  • the other processing conditions are those within the above processing conditions.
  • the oxidizing power of the oxidizing species including the active species is very strong, and when the active species is used, the silicon nitride layer becomes a silicon oxynitride layer unless the amount of active species given to the silicon nitride layer formed on the wafer 200 is suppressed as much as possible.
  • the O 2 gas is sufficiently activated by heat, and a sufficient amount of oxidized species is generated. Therefore, sufficient oxidizing power can be obtained even if the O 2 gas is thermally activated by non-plasma.
  • the O 2 gas when the O 2 gas is supplied by being activated by heat, a soft reaction can be caused, and the above-described oxidation treatment can be performed softly.
  • oxygen-containing gas examples include oxygen (O 2 ) gas, ozone (O 3 ) gas, water vapor (H 2 O) gas, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) gas, nitrogen monoxide (NO) gas, Nitrogen oxide (N 2 O) gas, nitrogen dioxide (NO 2 ) gas, carbon monoxide (CO) gas, carbon dioxide (CO 2 ) gas, or the like may be used.
  • oxygen (O 2 ) gas examples include oxygen (O 2 ) gas, ozone (O 3 ) gas, water vapor (H 2 O) gas, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) gas, nitrogen monoxide (NO) gas, Nitrogen oxide (N 2 O) gas, nitrogen dioxide (NO 2 ) gas, carbon monoxide (CO) gas, carbon dioxide (CO 2 ) gas, or the like may be used.
  • the inert gas a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, or Xe gas may be used in addition to N 2 gas.
  • the valve 243c of the third gas supply pipe 232c is closed, and the supply of O 2 gas is stopped.
  • the APC valve 244 of the exhaust pipe 231 is kept open, the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246, and the remaining O 2 gas and reaction byproducts are removed from the processing chamber 201.
  • the valves 243d, 243e, and 243f are kept open, and the supply of N 2 gas as an inert gas into the processing chamber 201 is maintained.
  • the N 2 gas acts as a purge gas, and thereby has the effect of eliminating the O 2 gas and reaction by-products remaining in the processing chamber 201 and contributing to the formation of the silicon oxynitride layer from the processing chamber 201. It can be further increased (residual gas removal).
  • the temperature of the heater 207 is set so that the temperature of the wafer 200 is in the range of 350 to 700 ° C. as in the case of supplying the O 2 gas.
  • the supply flow rate of N 2 gas as the purge gas supplied from each inert gas supply system is set to a flow rate in the range of, for example, 100 to 2000 sccm (0.1 to 2 slm).
  • a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, or Xe gas may be used in addition to N 2 gas.
  • a silicon oxynitride film (hereinafter also simply referred to as a SiON film) having a predetermined thickness is formed on the wafer 200. Can be filmed.
  • N 2 gas as an inert gas is supplied into the processing chamber 201 from each of the gas and exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the N 2 gas acts as a purge gas, whereby the inside of the processing chamber 201 is purged with an inert gas, and the gas and reaction byproducts remaining in the processing chamber 201 are removed from the processing chamber 201 (purge). Thereafter, the atmosphere in the processing chamber 201 is replaced with an inert gas, and the pressure in the processing chamber 201 is returned to normal pressure (return to atmospheric pressure).
  • the seal cap 219 is lowered by the boat elevator 115 to open the lower end of the reaction tube 203 and the processed wafer 200 is held by the boat 217 from the lower end of the reaction tube 203 to the outside of the reaction tube 203. Unloaded (boat unload). Thereafter, the processed wafer 200 is taken out from the boat 217 (wafer discharge).
  • step 3 of the present embodiment by performing the step of changing the silicon nitride layer and the silicon oxynitride layer using the activated O 2 gas, energy silicon nitride layer having a O 2 gas activated
  • the Si—N, Si—Cl, and Si—H bonds contained therein are partially cut off. Since the energy for forming the Si—O bond is higher than the bond energy of Si—N, Si—Cl, and Si—H, the energy necessary for forming the Si—O bond is given to the silicon nitride layer to be oxidized. As a result, the Si—N, Si—Cl, and Si—H bonds in the silicon nitride layer are partially disconnected.
  • N, H, and Cl separated from the bond with Si are removed from the layer and discharged as N 2 , H 2 , Cl 2 , HCl, and the like. Further, the remaining Si bonds due to the disconnection of N, H, and Cl are combined with O contained in the activated O 2 gas. In this way, the silicon nitride layer is changed (modified) into a silicon oxynitride layer. It was confirmed that the silicon oxynitride film formed by this method is a high-quality film with extremely low hydrogen and chlorine concentrations in the film.
  • the composition ratio of the silicon oxynitride layer formed in step 3 is controlled by controlling the partial pressure of O 2 gas as the oxygen-containing gas in the processing chamber 201.
  • the composition ratio of the silicon oxynitride film having a predetermined thickness to be finally formed, in particular, the ratio between the oxygen component and the nitrogen component, that is, the O / N ratio (the ratio of the O component to the N component) is controlled. Yes.
  • the composition ratio of the silicon oxynitride film can be controlled without decreasing the film formation rate and with good controllability.
  • the composition ratio in particular, the O / N ratio is uniform in the depth direction (film thickness direction) and in the wafer surface, and the film thickness uniformity is good in the wafer surface. It was confirmed that a nitride film can be formed. Further, according to the method of the present embodiment, it was confirmed that the RI of the silicon oxynitride film can be controlled within the range of 1.45 to 2.0 by controlling the composition ratio of the silicon oxynitride film. Further, according to the method of this embodiment, it was confirmed that the WER of the silicon oxynitride film can be controlled within the range of 1.5 to 20 nm / min by controlling the composition ratio of the silicon oxynitride film.
  • the composition ratio control of the silicon oxynitride film will be described in detail using examples.
  • Example 1 The inventors first found that the composition ratio of the SiON film can be controlled by controlling the O 2 gas supply time in Step 3 of the above-described embodiment. Further, it has been found that the WER characteristic and RI of the SiON film can be controlled.
  • FIG. 4 shows the relationship between the O 2 gas supply time in step 3 and the detected intensity of oxygen (O) and nitrogen (N) in the SiON film by fluorescent X-ray analysis (XRF).
  • FIG. 5 shows the relationship between the O 2 gas supply time in step 3 and the WER and RI of the SiON film.
  • the vertical axis in FIG. 4 indicates the detected intensity (arbitrary unit (au)) of O and N in the SiON film.
  • the vertical axis on the left side of FIG. 5 indicates the WER of the SiON film, and the vertical axis on the right side indicates the RI of the SiON film.
  • WER and RI are expressed as a ratio based on a certain value (WER and RI values when the O 2 gas supply time is 90 seconds).
  • the horizontal axis indicates the O 2 gas supply time. Note that the SiON film as the evaluation sample was formed under the conditions within the processing condition range described in the above embodiment by the film forming sequence in the above embodiment. Further, the supply time of O 2 gas was changed between 5 and 90 seconds, and a plurality of evaluation samples were prepared.
  • FIG. 4 shows that the O concentration and the N concentration in the SiON film, that is, the composition ratio of the SiON film can be controlled by controlling the O 2 gas supply time.
  • FIG. 5 shows that WER and RI can be controlled by controlling the O 2 gas supply time.
  • 6 and 7 show the results of the same evaluation using N 2 O gas instead of O 2 gas as the oxygen-containing gas, and there is a tendency similar to the case where O 2 gas is used. You can see that
  • Example 2 Therefore, as a result of earnest research, the inventors have controlled the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing chamber, not the supply time of the oxygen-containing gas, without reducing the film formation rate, that is, It has been found that the composition ratio of the SiON film can be controlled without increasing the supply time of the oxygen-containing gas. Further, it has been found that the WER characteristic and RI of the SiON film can be controlled. Note that the control of the partial pressure of the oxygen-containing gas is controlled by the partial pressure control system in the substrate processing apparatus of the above-described embodiment, for example, so as to maintain the pressure in the processing chamber at a predetermined pressure based on the above-described Equation 3. However, it is performed by controlling the dilution amount of the oxygen-containing gas with the diluted N 2 gas, that is, the supply flow rate of the diluted N 2 gas.
  • FIG. 8 shows the relationship between the partial pressure of O 2 gas in the processing chamber in Step 3 and the detected intensities of oxygen (O) and nitrogen (N) in the SiON film by fluorescent X-ray analysis (XRF).
  • FIG. 9 shows the relationship between the partial pressure of O 2 gas in the processing chamber in step 3 and the WER and RI of the SiON film.
  • the vertical axis in FIG. 8 indicates the detected intensity (arbitrary unit (au)) of O and N in the SiON film.
  • the left vertical axis in FIG. 9 indicates the WER of the SiON film, and the right vertical axis indicates the RI of the SiON film.
  • FIG. 8 shows the relationship between the partial pressure of O 2 gas in the processing chamber in Step 3 and the detected intensities of oxygen (O) and nitrogen (N) in the SiON film by fluorescent X-ray analysis (XRF).
  • FIG. 9 shows the relationship between the partial pressure of O 2 gas in the processing chamber in step 3 and the WER and RI of the SiON film.
  • WER and RI are expressed as a ratio based on a certain value (value of WER and RI when the partial pressure of O 2 gas is 713 Pa).
  • the horizontal axis indicates the partial pressure (Pa) of the O 2 gas.
  • FIG. 8 shows that the O concentration and the N concentration in the SiON film, that is, the composition ratio of the SiON film can be accurately controlled by controlling the partial pressure of the O 2 gas.
  • FIG. 9 shows that WER and RI can be accurately controlled by controlling the partial pressure of O 2 gas.
  • the exhaust capacity of the apparatus is generally limited, and the lower limit pressure range that can be controlled becomes narrower as the gas supply amount increases.
  • the partial pressure of the O 2 gas is 10 Pa. Therefore, the pressure cannot be lower than that. Therefore, in that case, by pressure control, the WER of the SiON film is made lower than the WER of the SiON film obtained at that time, or the RI of the SiON film is made higher than the RI of the SiON film obtained at that time. Can not do.
  • the gas supply is performed through the porous type nozzle as in the above-described embodiment, the upper part is lower than the lower part.
  • a minimum (for example, 1 slm) flow rate is required, and the lower limit control pressure is determined from the relationship between the flow rate and the exhaust capacity.
  • the composition ratio of the SiON film is controlled by the O 2 gas supply time, the film formation rate changes. Furthermore, the control nozzle pressure limit due to the nozzle shape and exhaust capability of the apparatus, resulting in a limit in the composition ratio control, and it is possible to form a SiON film having a higher WER or a lower RI. become unable.
  • the upper to lower portions the partial pressure of O 2 gas can be controlled in a wider range and the composition ratio can be controlled in a wider range by setting the flow rate to a flow rate that is at least the minimum required for jetting gas uniformly.
  • the composition ratio of the SiON film can be controlled with good controllability.
  • the example in which the oxygen-containing gas (oxidizing gas) and the inert gas (diluted gas) are supplied into the processing chamber in Step 3 has been described.
  • hydrogen (H 2 ) A hydrogen-containing gas (reducing gas) such as gas or ammonia (NH 3 ) gas may be added. That is, in step 3, oxygen-containing gas, hydrogen-containing gas, and inert gas may be supplied into the processing chamber.
  • the oxidizing power can be increased, and the control for increasing the oxygen concentration in the SiON film is facilitated.
  • a SiO 2 film containing a slight amount of nitrogen (N) having an RI of about 1.5 that is, a SiON film having a very low nitrogen content.
  • N nitrogen
  • O 2 gas partial pressure Vo is expressed by the following equation.
  • the processing chamber 201 by controlling the total pressure V in the processing chamber 201, the flow rate Qo of the O 2 gas, the flow rate Qr of the H 2 gas, and the flow rate Qd of the diluted N 2 gas based on Equation 4, the processing chamber The partial pressure Vo of the O 2 gas in 201 can be controlled. This partial pressure control can be performed by the above-described partial pressure control system.
  • Step 2 and Step 3 can be performed at the same time.
  • an oxygen-containing gas, a nitrogen-containing gas, and an inert gas (diluted gas) are simultaneously supplied into the processing chamber.
  • a process of forming a predetermined element-containing layer on the substrate by supplying a source gas (HCD gas) containing the predetermined element into the processing container containing the substrate, and a nitrogen-containing gas ( NH 3 gas), oxygen-containing gas (O 2 gas), and inert gas (N 2 gas) to supply the predetermined element-containing layer to an oxynitride layer as one cycle.
  • HCD gas source gas
  • NH 3 gas nitrogen-containing gas
  • O 2 gas oxygen-containing gas
  • N 2 gas inert gas
  • the composition of the oxynitride film having a predetermined thickness is controlled by controlling the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the predetermined element-containing layer into the oxynitride layer.
  • the flow rate of O 2 gas as an oxygen-containing gas is Qo
  • the flow rate of NH 3 gas as a nitrogen-containing gas is Qn
  • the flow rate of diluted N 2 gas is Qd
  • the pressure (total pressure) in the processing chamber is V.
  • O 2 gas partial pressure Vo is expressed by the following equation.
  • the partial pressure Vo of the O 2 gas in 201 can be controlled. This partial pressure control can be performed by the above-described partial pressure control system.
  • a silicon oxynitride film (SiON film) containing silicon (Si) as a semiconductor element is formed on a substrate as an oxynitride film has been described.
  • a metal oxynitride film containing a metal element such as zirconium (Zr), hafnium (Hf), titanium (Ti), tantalum (Ta), aluminum (Al) as an oxynitride film, that is, a zirconium oxynitride film (ZrON film)
  • the present invention can also be applied to the formation of a hafnium oxynitride film (HfON film), a titanium oxynitride film (TiON film), a tantalum oxynitride film (TaON film), an aluminum oxynitride film (AlON film), or the like.
  • a source gas containing a metal element is supplied into a processing container containing the substrate to form a metal element-containing layer on the substrate (step 1), and a nitrogen-containing gas is supplied into the processing container.
  • the step of changing the metal element-containing layer to the metal nitride layer (step 2) and the step of changing the metal nitride layer to the metal oxynitride layer by supplying an oxygen-containing gas and an inert gas into the processing vessel is defined as one cycle, and this cycle is performed a plurality of times to form a metal oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate.
  • the composition of the metal oxynitride film having a predetermined thickness is controlled by controlling the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the metal nitride layer to the metal oxynitride layer (step 3).
  • a zirconium-containing layer is formed on the substrate by supplying a raw material gas containing zirconium into a processing vessel containing the substrate (step 1).
  • step 2 Supplying a nitrogen-containing gas into the processing container to change the zirconium-containing layer into a zirconium nitride layer (step 2), and supplying an oxygen-containing gas and an inert gas into the processing container,
  • step 3 The step of changing the zirconium nitride layer to the zirconium oxynitride layer (step 3) is one cycle, and this cycle is performed a plurality of times, thereby forming a zirconium oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate.
  • the composition of the zirconium oxynitride film having a predetermined thickness is controlled by controlling the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing vessel in the step of changing the zirconium nitride layer to the zirconium oxynitride layer (step 3).
  • the raw material gas containing zirconium for example, TEMAZ (Tetrakis (ethylmethylamino) zirconium: Zr [N (C 2 H 5 ) (CH 3 )] 4 ) gas can be used.
  • the nitrogen-containing gas and oxygen-containing gas NH 3 gas and O 2 gas can be used, respectively, as in the above-described embodiment.
  • the first gas supply system (source gas supply system) of the substrate processing apparatus in the above-described embodiment is configured as a zirconium source gas supply system.
  • the processing conditions at each step are, for example, conditions within the processing condition range described in the above embodiment.
  • the wafer temperature is, for example, 100 to 400 ° C.
  • the processing chamber pressure is, for example, 1 to 1000 Pa
  • the TEMAZ gas supply flow rate is, for example, 10 to 2000 sccm
  • the N 2 gas supply flow rate is, for example, 100 to 2000 sccm
  • the TEMAZ gas supply is preferably set to 1 to 120 seconds, for example.
  • the step of changing the titanium nitride layer to the titanium oxynitride layer (step 3) is one cycle, and this cycle is performed a plurality of times, thereby forming a titanium oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate.
  • the composition of the titanium oxynitride film having a predetermined thickness is controlled by controlling the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the titanium nitride layer to the titanium oxynitride layer (step 3).
  • the source gas containing titanium for example, titanium tetrachloride (TiCl 4 ) gas can be used.
  • TiCl 4 titanium tetrachloride
  • nitrogen-containing gas and oxygen-containing gas NH 3 gas and O 2 gas can be used, respectively, as in the above-described embodiment.
  • the first gas supply system (source gas supply system) of the substrate processing apparatus in the above-described embodiment is configured as a titanium source gas supply system.
  • the processing conditions at each step are, for example, conditions within the processing condition range described in the above embodiment.
  • the wafer temperature is, for example, 100 to 500 ° C.
  • the processing chamber pressure is, for example, 1 to 1000 Pa
  • the TiCl 4 gas supply flow rate is, for example, 10 to 2000 sccm
  • the N 2 gas supply flow rate is, for example, 100 to 2000 sccm
  • the TiCl 4 gas is preferably 1 to 120 seconds.
  • step 2 and step 3 it is preferable to use the same conditions as the processing conditions in step 2 and step 3 described in the above embodiment.
  • a process of forming a tantalum-containing layer on the substrate by supplying a source gas containing tantalum into a processing container containing the substrate (step) 1), a step of changing the tantalum-containing layer to a tantalum nitride layer by supplying a nitrogen-containing gas into the processing container (step 2), and supplying an oxygen-containing gas and an inert gas into the processing container.
  • the step of changing the tantalum nitride layer to the tantalum oxynitride layer (step 3) is one cycle, and this cycle is performed a plurality of times to form a tantalum oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate. Then, the composition of the tantalum oxynitride film having a predetermined thickness is controlled by controlling the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the tantalum nitride layer to the tantalum oxynitride layer (step 3).
  • the source gas containing tantalum for example, tantalum pentachloride (TaCl 5 ) gas can be used.
  • the first gas supply system (source gas supply system) of the substrate processing apparatus in the above-described embodiment is configured as a tantalum source gas supply system.
  • the processing conditions at each step are, for example, conditions within the processing condition range described in the above embodiment.
  • the wafer temperature is, for example, 100 to 500 ° C.
  • the processing chamber pressure is, for example, 1 to 1000 Pa
  • the TaCl 5 gas supply flow rate is, for example, 10 to 2000 sccm
  • the N 2 gas supply flow rate is, for example, 100 to 2000 sccm
  • the TaCl 5 gas is preferably 1 to 120 seconds.
  • step 2 and step 3 it is preferable to use the same conditions as the processing conditions in step 2 and step 3 described in the above embodiment.
  • Forming a predetermined element-containing layer on the substrate by supplying a raw material gas containing the predetermined element into a processing container containing the substrate; A step of changing the predetermined element-containing layer into a nitride layer by supplying a nitrogen-containing gas into the processing vessel; Supplying an oxygen-containing gas and an inert gas into the processing vessel to change the nitride layer to an oxynitride layer; And performing this cycle a plurality of times to form an oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate, A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the composition ratio of the oxynitride film having a predetermined thickness is controlled by controlling a partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the nitride layer to an oxynitride layer.
  • the oxygen-containing gas and the inert gas are supplied through a multi-hole nozzle having a plurality of gas supply holes provided on a side surface.
  • a plurality of substrates are arranged in the processing vessel, and the porous nozzle is provided in a region that horizontally surrounds a substrate arrangement region in which the plurality of substrates are arranged.
  • the perforated nozzle is provided so as to rise from at least one end side to the other end side of the substrate arrangement region along the substrate arrangement region.
  • the total flow rate of the mixed gas of the oxygen-containing gas and the inert gas supplied into the porous nozzle is equal to the flow rate of the mixed gas ejected from each of the gas supply holes of the porous nozzle. Set a flow rate that is higher than the minimum required flow rate.
  • the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing vessel is controlled by controlling the supply flow rate of the inert gas.
  • the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container is controlled by controlling the supply flow rate of the inert gas in a state where the pressure in the processing container is set to a predetermined pressure band.
  • an oxygen component and a nitrogen component of the oxynitride film having the predetermined thickness are obtained. Control the ratio.
  • the refractive index or the wet etching rate of the oxynitride film having the predetermined thickness is controlled by controlling a partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the nitride layer to the oxynitride layer. To control.
  • the refractive index of the oxynitride film having the predetermined thickness is 1.45 by controlling the partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the nitride layer to the oxynitride layer. Control to be ⁇ 2.0.
  • a wet etching rate of the oxynitride film having the predetermined thickness is set to 1. by controlling a partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the nitride layer to an oxynitride layer. Control to be 5 to 20 nm / min.
  • the predetermined element is a semiconductor element.
  • the predetermined element is silicon.
  • the predetermined element is a metal element.
  • the predetermined element-containing layer is a deposited layer of the predetermined element.
  • the predetermined element-containing layer is a layer formed by depositing the predetermined element on the substrate.
  • the predetermined element-containing layer is an adsorption layer of the source gas.
  • the predetermined element-containing layer is a layer formed by adsorbing the source gas on the substrate.
  • the nitrogen-containing gas activated by heat is supplied to the substrate in the processing container.
  • the oxygen-containing gas activated by heat is supplied to the substrate in the processing vessel together with the inert gas.
  • Forming a predetermined element-containing layer on the substrate by supplying a raw material gas containing the predetermined element into a processing container containing the substrate; Supplying the nitrogen-containing gas, the oxygen-containing gas, and the inert gas into the processing vessel to change the predetermined element-containing layer into an oxynitride layer; And performing this cycle a plurality of times to form an oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate,
  • a method of manufacturing a semiconductor device wherein the composition of the oxynitride film having the predetermined thickness is controlled by controlling a partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the predetermined element-containing layer to an oxynitride layer Is provided.
  • Forming a predetermined element-containing layer on the substrate by supplying a raw material gas containing the predetermined element into a processing container containing the substrate; A step of changing the predetermined element-containing layer into a nitride layer by supplying a nitrogen-containing gas into the processing vessel; Supplying an oxygen-containing gas and an inert gas into the processing vessel to change the nitride layer to an oxynitride layer; And performing this cycle a plurality of times to form an oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate,
  • a substrate processing method for controlling a composition ratio of the oxynitride film having a predetermined thickness by controlling a partial pressure of the oxygen-containing gas in the processing container in the step of changing the nitride layer to an oxynitride layer is provided.
  • the process of changing the containing layer into a nitride layer and the process of changing the nitride layer into an oxynitride layer by supplying the oxygen-containing gas and the inert gas into the processing vessel are performed as one cycle.
  • a process for forming an oxynitride film having a predetermined thickness on the substrate is performed, and the oxygen-containing gas in the process vessel is changed in a process for changing the nitride layer to an oxynitride layer.
  • the source gas supply system, the nitrogen-containing gas supply system, the oxygen-containing gas supply system, and the inert gas supply system so as to control the composition ratio of the oxynitride film having the predetermined thickness by controlling the partial pressure. and And a control unit for controlling the serial partial pressure control system, A substrate processing apparatus is provided.
  • controller 200 wafer 201 processing chamber 202 processing furnace 203 reaction tube 207 heater 231 exhaust pipe 232a first gas supply pipe 232b second gas supply pipe 232c third gas supply pipe 232d first inert gas supply pipe 232e second inert gas Supply pipe 232f Third inert gas supply pipe 241a Mass flow controller 241b Mass flow controller 241c Mass flow controller 241d Mass flow controller 241e Mass flow controller 241f Mass flow controller 244 APC valve 245 Pressure sensor 246 Vacuum pump

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Abstract

　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、基板上に所定元素含有層を形成する工程と、処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、窒化層を酸窒化層に変化させる工程での処理容器内における酸素含有ガスの分圧を制御することにより所定膜厚の酸窒化膜の組成を制御する。

Description

半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置
　この発明は、基板上に薄膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置に関するものである。
　半導体装置（デバイス）の製造工程の中に、シリコンウエハ等のウエハ上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）やシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）などのシリコン系絶縁膜を形成する工程がある。このシリコン系絶縁膜の組成（以下、組成比ともいう）が変わると、ウエットエッチングレート（以下、ＷＥＲともいう）、ドライエッチングレート（以下、ＤＥＲともいう）、膜の誘電率（ε）、屈折率（ＲＩ）等が変化する。ＷＥＲ、ＤＥＲは、半導体装置としての半導体集積回路装置（以下、ＩＣともいう）製造時に膜の加工性を制御するために重要なパラメータである。また、誘電率はＩＣの層間絶縁膜など電気特性に影響を及ぼすパラメータである。また、屈折率は光学的な素子形成時に光の屈折・反射などを制御するために重要なパラメータである。
　従来のＣＶＤ法によるシリコン系絶縁膜の形成は、化学量論的な組成を有するシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の形成が主流であったが、膜形成に必要な原料、例えば、シリコン含有ガスおよび窒素含有ガスを交互に供給、排気することでシリコンの割合が多いシリコン窒化膜を作成することができる（例えば特許文献１参照）。また同様に、膜形成に必要な原料、例えばシリコン含有ガス、窒素含有ガスおよび酸素含有ガスを交互に供給、排気することでシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜を形成することができる（例えば特許文献２参照）。
特開２０１０－６２２３０号公報 特開２０１０－５０４２５号公報
　発明者らは、シリコン含有ガス、窒素含有ガスおよび酸素含有ガスを交互に供給、排気してシリコン酸窒化膜を形成する場合に、酸素含有ガスの供給時間を制御することで、シリコン酸窒化膜の組成を制御することが可能であることを見出した。また、それにより、シリコン酸窒化膜のＷＥＲ特性やＲＩを制御することが可能であることを見出した。しかしながら、例えば、シリコン酸窒化膜のＲＩの値を低くし、ＷＥＲを高くしようとしたとき、酸素含有ガスの供給時間を延ばすことが必要となり、成膜レートが低くなる原因となってしまう。
　従って本発明の目的は、成膜レートを低下させることなく、膜の組成を制御することができる半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置を提供することにある。
　本発明の一態様によれば、
　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する工程と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、
　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、
　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、
　前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する半導体装置の製造方法が提供される。
　本発明の他の態様によれば、
　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する工程と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、
　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、
　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、
　前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する基板処理方法が提供される。
　本発明の更に他の態様によれば、
　基板を収容する処理容器と、
　前記処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
　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、
　前記処理容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、
　前記処理容器内におけるガスの分圧を制御する分圧制御系と、
　基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する処理と、前記処理容器内に前記窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる処理と、前記処理容器内に前記酸素含有ガスおよび前記不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる処理と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する処理を行うと共に、前記窒化層を酸窒化層に変化させる処理での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御するように、前記原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、前記不活性ガス供給系および前記分圧制御系を制御する制御部と、
　を有する基板処理装置が提供される。
　本発明によれば、成膜レートを低下させることなく、膜の組成を制御することができる半導体装置の製造方法、基板処理方法および基板処理装置を提供できる。
本実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。 本実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を図１のＡ－Ａ線断面図で示す図である。 本実施形態の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。 本実施形態の成膜シーケンスにおけるステップ３でのＯ２ガスの供給時間と、蛍光エックス線分析（ＸＲＦ）によるＳｉＯＮ膜中の酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の検出強度との関係を示す図である。 本実施形態の成膜シーケンスにおけるステップ３でのＯ２ガスの供給時間と、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲおよびＲＩとの関係を示す図である。 本実施形態の成膜シーケンスにおけるステップ３でのＮ２Ｏガスの供給時間と、蛍光エックス線分析（ＸＲＦ）によるＳｉＯＮ膜中の酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の検出強度との関係を示す図である。 本実施形態の成膜シーケンスにおけるステップ３でのＮ２Ｏガスの供給時間と、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲおよびＲＩとの関係を示す図である。 本実施形態の成膜シーケンスにおけるステップ３での処理室内におけるＯ２ガスの分圧と、蛍光エックス線分析（ＸＲＦ）によるＳｉＯＮ膜中の酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の検出強度との関係を示す図である。 本実施形態の成膜シーケンスにおけるステップ３での処理室内におけるＯ２ガスの分圧と、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲおよびＲＩとの関係を示す図である。 本実施形態で好適に用いられる基板処理装置のコントローラの概略構成図である。
　以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本実施の形態で好適に用いられる基板処理装置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。また、図２は本実施の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。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、Ｈｏｔ　Ｗａｌｌ型、Ｃｏｌｄ　Ｗａｌｌ型の処理炉を有する基板処理装置にも好適に適用できる。
　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、保持板としてのヒータベース（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と同心円状に反応容器（処理容器）を構成する反応管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の筒中空部には処理室２０１が形成されており、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。
　処理室２０１内には、第１ガス導入部としての第１ノズル２３３ａと、第２ガス導入部としての第２ノズル２３３ｂとが、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２３３ａ、第２ノズル２３３ｂには、第１ガス供給管２３２ａ、第２ガス供給管２３２ｂが、それぞれ接続されている。第２ガス供給管２３２ｂには第３ガス供給管２３２ｃが接続されている。このように、反応管２０３には２本のノズル２３３ａ、２３３ｂと、３本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃが設けられており、処理室２０１内へ複数種類、ここでは３種類のガスを供給することができるように構成されている。
　第１ガス供給管２３２ａには上流方向から順に流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１ａ、及び開閉弁であるバルブ２４３ａが設けられている。また、第１ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａよりも下流側には、第１不活性ガス供給管２３２ｄが接続されている。この第１不活性ガス供給管２３２ｄには、上流方向から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ２４１ｄ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｄが設けられている。また、第１ガス供給管２３２ａの先端部には、上述の第１ノズル２３３ａが接続されている。第１ノズル２３３ａは、反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間に、反応管２０３の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ２００の積載方向上方に向かって立ち上がるように設けられている。すなわち、第１ノズル２３３ａは、ウエハ２００が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。第１ノズル２３３ａはＬ字型のロングノズルとして構成されており、その水平部は反応管２０３の下部側壁を貫通するように設けられており、その垂直部は少なくともウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように設けられている。第１ノズル２３３ａの側面にはガスを供給するガス供給孔２４８ａが設けられている。ガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心を向くように開口しており、ウエハ２００に向けてガスを供給することが可能となっている。このガス供給孔２４８ａは、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれが同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
　主に、第１ガス供給管２３２ａ、マスフローコントローラ２４１ａ、バルブ２４３ａにより第１ガス供給系が構成される。なお、第１ノズル２３３ａ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２３２ｄ、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４３ｄにより、第１不活性ガス供給系が構成される。第１不活性ガス供給系はパージガス供給系としても機能する。
　第２ガス供給管２３２ｂには上流方向から順に流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１ｂ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｂが設けられている。また、第２ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂよりも下流側には、第２不活性ガス供給管２３２ｅが接続されている。この第２不活性ガス供給管２３２ｅには、上流方向から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ２４１ｅ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｅが設けられている。また、第２ガス供給管２３２ｂの先端部には、上述の第２ノズル２３３ｂが接続されている。第２ノズル２３３ｂは、ガス分散空間であるバッファ室２３７内に設けられている。
　バッファ室２３７は反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間に、反応管２０３内壁の下部より上部にわたる部分に、ウエハ２００の積載方向に沿って設けられている。すなわち、バッファ室２３７は、ウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。バッファ室２３７は、第１ノズル２３３ａと同様、少なくともウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように設けられているともいえる。バッファ室２３７のウエハ２００と隣接する壁の端部にはガスを供給するガス供給孔２４８ｃが設けられている。ガス供給孔２４８ｃは反応管２０３の中心を向くように開口しており、ウエハ２００に向けてガスを供給することが可能となっている。このガス供給孔２４８ｃは、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれが同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
　第２ノズル２３３ｂは、バッファ室２３７のガス供給孔２４８ｃが設けられた端部と反対側の端部に、反応管２０３の内壁の下部より上部に沿って、ウエハ２００の積載方向上方に向かって立ち上がるように設けられている。すなわち、第２ノズル２３３ｂは、ウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。第２ノズル２３３ｂはＬ字型のロングノズルとして構成されており、その水平部は反応管２０３の下部側壁を貫通するように設けられており、その垂直部は少なくともウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように設けられている。第２ノズル２３３ｂの側面にはガスを供給するガス供給孔２４８ｂが設けられている。ガス供給孔２４８ｂはバッファ室２３７の中心を向くように開口している。このガス供給孔２４８ｂは、バッファ室２３７のガス供給孔２４８ｃと同様に、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられている。この複数のガス供給孔２４８ｂのそれぞれの開口面積は、バッファ室２３７内と処理室２０１内の差圧が小さい場合には、上流側（下部）から下流側（上部）まで、それぞれ同一の開口面積で同一の開口ピッチとするとよいが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって、それぞれ開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくするとよい。
　本実施形態においては、第２ノズル２３３ｂのガス供給孔２４８ｂのそれぞれの開口面積や開口ピッチを、上流側から下流側にかけて上述のように調節することで、まず、ガス供給孔２４８ｂのそれぞれから、流速の差はあるものの、流量がほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこのガス供給孔２４８ｂのそれぞれから噴出するガスを、一旦、バッファ室２３７内に導入し、バッファ室２３７内においてガスの流速差の均一化を行うこととしている。すなわち、第２ノズル２３３ｂのガス供給孔２４８ｂのそれぞれよりバッファ室２３７内に噴出したガスはバッファ室２３７内で各ガスの粒子速度が緩和された後、バッファ室２３７のガス供給孔２４８ｃより処理室２０１内に噴出する。これにより、第２ノズル２３３ｂのガス供給孔２４８ｂのそれぞれよりバッファ室２３７内に噴出したガスは、バッファ室２３７のガス供給孔２４８ｃのそれぞれより処理室２０１内に噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとなる。
　主に、第２ガス供給管２３２ｂ、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂにより第２ガス供給系が構成される。なお、第２ノズル２３３ｂおよびバッファ室２３７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２３２ｅ、マスフローコントローラ２４１ｅ、バルブ２４３ｅにより第２不活性ガス供給系が構成される。第２不活性ガス供給系はパージガス供給系としても機能する。
　第３ガス供給管２３２ｃには上流方向から順に流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｃが設けられている。また、第３ガス供給管２３２ｃのバルブ２４３ｃよりも下流側には、第３不活性ガス供給管２３２ｆが接続されている。この第３不活性ガス供給管２３２ｆには、上流方向から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ２４１ｆ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｆが設けられている。また、第３ガス供給管２３２ｃの先端部は、第２ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂよりも下流側に接続されている。
　主に、第３ガス供給管２３２ｃ、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４３ｃにより第３ガス供給系が構成される。なお、第２ガス供給管２３２ｂの第３ガス供給管２３２ｃとの接続部よりも下流側、第２ノズル２３３ｂおよびバッファ室２３７を第３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２３２ｆ、マスフローコントローラ２４１ｆ、バルブ２４３ｆにより第３不活性ガス供給系が構成される。第３不活性ガス供給系は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、所定元素を含む原料ガス、すなわち、所定元素としてのシリコン（Ｓｉ）を含む原料ガス（シリコン含有ガス）として、例えばヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤ）ガスが、マスフローコントローラ２４１ａ、バルブ２４３ａ、第１ノズル２３３ａを介して処理室２０１内に供給される。すなわち、第１ガス供給系は原料ガス供給系（シリコン含有ガス供給系）として構成される。なお、ＨＣＤのように常温常圧下で液体状態である液体原料を用いる場合は、液体原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、原料ガスとして供給することとなる。このとき同時に、第１不活性ガス供給管２３２ｄから、不活性ガスが、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４３ｄを介して第１ガス供給管２３２ａ内に供給されるようにしてもよい。第１ガス供給管２３２ａ内に供給された不活性ガスは、第１ノズル２３３ａを介してＨＣＤガスと一緒に処理室２０１内に供給される。
　第２ガス供給管２３２ｂからは、窒素を含むガス（窒素含有ガス）として、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスが、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２３３ｂ、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給される。すなわち、第２ガス供給系は窒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２３２ｅから、不活性ガスが、マスフローコントローラ２４１ｅ、バルブ２４３ｅを介して第２ガス供給管２３２ｂ内に供給されるようにしてもよい。
　第３ガス供給管２３２ｃからは、酸素を含むガス（酸素含有ガス）として、例えば酸素（Ｏ２）ガスが、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４３ｃ、第２ガス供給管２３２ｂ、第２ノズル２３３ｂ、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給される。すなわち、第３ガス供給系は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３不活性ガス供給管２３２ｆから、不活性ガスが、マスフローコントローラ２４１ｆ、バルブ２４３ｆを介して第３ガス供給管２３２ｃ内に供給されるようにしてもよい。
　なお、本実施形態では、ＮＨ３ガスとＯ２ガスとを同じノズルから処理室２０１内（バッファ室２３７内）に供給するようにしているが、それぞれを別々のノズルから処理室２０１内に供給するようにしてもよい。ただし、複数種類のガスでノズルを共用とした方が、ノズルの本数を減らすことができ、装置コストを低減することができ、またメンテナンスも容易になる等のメリットがある。
　バッファ室２３７内には、図２に示すように、細長い構造を有する第１の電極である第１の棒状電極２６９及び第２の電極である第２の棒状電極２７０が、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積層方向に沿って配設されている。第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０のそれぞれは、第２ノズル２３３ｂと平行に設けられている。第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０のそれぞれは、上部より下部にわたって各電極を保護する保護管である電極保護管２７５により覆われることで保護されている。この第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。主に、第１の棒状電極２６９、第２の棒状電極２７０、電極保護管２７５、整合器２７２、高周波電源２７３によりプラズマ発生器（プラズマ発生部）としてのプラズマ源が構成される。なお、プラズマ源は、後述するようにガスをプラズマで活性化させる活性化機構として機能する。
　電極保護管２７５は、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７内に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０はヒータ２０７による熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部には窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられている。
　反応管２０３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。なお、ＡＰＣバルブ２４４は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２０１内の真空排気・真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ２４６を作動させた状態で圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づき弁の開度を調節することで、処理室２０１内の圧力を調整することができるように構成されている開閉弁である。主に、排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４４、真空ポンプ２４６、圧力センサ２４５により排気系が構成される。また主に、ＡＰＣバルブ２４４、真空ポンプ２４６、圧力センサ２４５により処理室内の圧力（全圧）を制御する圧力制御系（全圧制御系）が構成される。
　なお、処理室２０１内における圧力、すなわち、全圧の制御は、上述のように、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行われるが、このとき、処理室２０１内における所定のガス、例えばＨＣＤガス、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスの分圧の制御も可能である。例えば、ＨＣＤガスの流量をＱｈ、ＮＨ３ガスの流量をＱｎ、Ｏ２ガスの流量をＱｏ、希釈Ｎ２ガスの流量をＱｄ、処理室内の圧力（全圧）をＶとすると、ＨＣＤガスの分圧Ｖｈ、ＮＨ３ガスの分圧Ｖｎ、Ｏ２ガスの分圧Ｖｏは、それぞれ次の式で表される。
　　（数１）　Ｖｈ＝［Ｑｈ／（Ｑｈ＋Ｑｄ）］×Ｖ
　　（数２）　Ｖｎ＝［Ｑｎ／（Ｑｎ＋Ｑｄ）］×Ｖ
　　（数３）　Ｖｏ＝［Ｑｏ／（Ｑｏ＋Ｑｄ）］×Ｖ
　すなわち、処理室２０１内の全圧Ｖと、ＨＣＤガスの流量Ｑｈと、希釈Ｎ２ガスの流量Ｑｄとを、数式１に基づいて制御することにより、処理室２０１内におけるＨＣＤガスの分圧Ｖｈを制御することができる。また、処理室内の全圧Ｖと、ＮＨ３ガスの流量Ｑｎと、希釈Ｎ２ガスの流量Ｑｄとを、数式２に基づいて制御することにより、処理室２０１内におけるＮＨ３ガスの分圧Ｖｎを制御することができる。また、処理室内の全圧Ｖと、Ｏ２ガスの流量Ｑｏと、希釈Ｎ２ガスの流量Ｑｄとを、数式３に基づいて制御することにより、処理室２０１内におけるＯ２ガスの分圧Ｖｏを制御することができる。主に、ＡＰＣバルブ２４４、真空ポンプ２４６、圧力センサ２４５、マスフローコントローラ２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２４１ｄ，２４１ｅ，２４１ｆにより分圧制御系が構成される。
　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は反応管２０３の下端に垂直方向下側から当接されるように構成されている。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。シールキャップ２１９は、反応管２０３の外部に垂直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって垂直方向に昇降され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内に対して搬入・搬出することが可能なように構成されている。
　基板支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、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。なお、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側に伝わりにくくなるように構成されている。なお、断熱部材２１８は、石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる複数枚の断熱板と、これら断熱板を水平姿勢で多段に支持する断熱板ホルダとにより構成してもよい。
　反応管２０３内には温度検出器としての温度センサ２６３が設置されており、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。温度センサ２６３は、第１ノズル２３３ａ及び第２ノズル２３３ｂと同様に、Ｌ字型に構成されており、反応管２０３の内壁に沿って設けられている。
　図１０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）等から構成されている。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、後述する基板処理の手順や条件などが記載されたプロセスレシピ等が、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。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（ワークエリア）として構成されている。
　Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、上述のマスフローコントローラ２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２４１ｄ，２４１ｅ，２４１ｆ、バルブ２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｅ，２４３ｆ、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、高周波電源２７３、整合器２７２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、マスフローコントローラ２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２４１ｄ，２４１ｅ，２４１ｆによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｅ，２４３ｆの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉動作及びＡＰＣバルブ２４４による圧力センサ２４５に基づく圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２４６の起動・停止、回転機構２６７の回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作、高周波電源２７３の電力供給、整合器２７２によるインピーダンス調整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コンピュータ読み取り可能な記録媒体（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、係る記録媒体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、記録媒体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、記録媒体１２３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。
　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、基板上に絶縁膜としての酸窒化膜を成膜するシーケンス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。
　図３に、本実施形態の成膜シーケンスにおけるガス供給のタイミング図を示す。本実施形態の成膜シーケンスでは、基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガス（ＨＣＤガス）を供給することで、基板上に所定元素含有層を形成する工程と、処理容器内に窒素含有ガス（ＮＨ３ガス）を供給することで、所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、処理容器内に酸素含有ガス（Ｏ２ガス）および不活性ガス（Ｎ２ガス）を供給することで、窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する。そして窒化層を酸窒化層に変化させる工程での処理容器内における酸素含有ガスの分圧を制御することにより所定膜厚の酸窒化膜の組成を制御する。
　以下、これを具体的に説明する。なお、本実施形態では、原料ガスとしてＨＣＤガスを、窒素含有ガスとしてＮＨ３ガスを、酸素含有ガスとしてＯ２ガスを、不活性ガスとしてＮ２ガスを用い、図３の成膜シーケンスにより、基板上に絶縁膜としてシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成する例について説明する。なお、本実施形態においては、所定元素がシリコンに、所定元素含有層がシリコン含有層に、窒化層がシリコン窒化層に、酸窒化層がシリコン酸窒化層に、酸窒化膜がシリコン酸窒化膜に相当する。
　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、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によって持ち上げられて処理室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Ｏリング２２０を介して反応管２０３の下端をシールした状態となる。
　処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ２４４がフィードバック制御される（圧力調整）。また、処理室２０１内が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）。続いて、回転機構２６７によりボート２１７が回転されることでウエハ２００が回転される。その後、後述する３つのステップを順次実行する。
　［ステップ１］
　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ＨＣＤガスを流す。ＨＣＤガスは、第１ガス供給管２３２ａから流れ、マスフローコントローラ２４１ａにより流量調整される。流量調整されたＨＣＤガスは、第１ノズル２３３ａのガス供給孔２４８ａ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（ＨＣＤガス供給）。
　このとき第１不活性ガス供給管２３２ｄのバルブ２４３ｄを開き、第１不活性ガス供給管２３２ｄ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。Ｎ２ガスは、マスフローコントローラ２４１ｄ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、流量調整されたＨＣＤガスと混合されて、第１ノズル２３３ａのガス供給孔２４８ａ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から排気されることとなる。なお、このとき、バッファ室２３７内や、第２ノズル２３３ｂ内へのＨＣＤガスの侵入を防止するため、バルブ２４３ｅ，２４３ｆを開き、第２不活性ガス供給管２３２ｅ、第３不活性ガス供給管２３２ｆ内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、第２ガス供給管２３２ｂ、第３ガス供給管２３２ｃ、第２ノズル２３３ｂ、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
　このとき、ＡＰＣバルブ２４４を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、大気圧未満、例えば１０～１０００Ｐａの範囲内の圧力に維持する。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＨＣＤガスの供給流量は、例えば１０～１０００ｓｃｃｍ（０．０１～１ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｄ，２４１ｅ，２４１ｆで制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１００～２０００ｓｃｃｍ（０．１～２ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。ＨＣＤガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちＨＣＤガスの供給時間は、例えば１～１２０秒の範囲内の時間とする。ヒータ２０７の温度は、上述の圧力帯において処理室２０１内でＣＶＤ反応が生じるような温度となるように設定する。すなわちウエハ２００の温度が、例えば３５０～７００℃の範囲内の温度となるようにヒータ２０７の温度を設定する。なお、ウエハ２００の温度が３５０℃未満となるとウエハ２００上においてＨＣＤが分解、吸着しにくくなる。また、ウエハ２００の温度が７００℃を超えるとＣＶＤ反応が強くなり、膜厚均一性の悪化が顕著となる。よって、ウエハ２００の温度は３５０～７００℃の範囲内の温度とするのが好ましい。
　上述の条件、すなわちＣＶＤ反応が生じる条件下でＨＣＤガスを処理室２０１内に供給することで、ウエハ２００（表面の下地膜）上に、例えば１原子層未満から数原子層程度のシリコン含有層が形成される。シリコン含有層はＨＣＤガスの吸着層であってもよいし、シリコン層（Ｓｉ層）であってもよいし、その両方を含んでいてもよい。ここでシリコン層とは、シリコン（Ｓｉ）により構成される連続的な層の他、不連続な層や、これらが重なってできるシリコン薄膜をも含む総称である。なお、Ｓｉにより構成される連続的な層をシリコン薄膜という場合もある。なお、シリコン層を構成するＳｉは、Ｃｌとの結合が完全に切れていないものも含む。また、ＨＣＤガスの吸着層は、ＨＣＤガスのガス分子の連続的な化学吸着層の他、不連続な化学吸着層をも含む。すなわち、ＨＣＤガスの吸着層は、ＨＣＤ分子で構成される１分子層もしくは１分子層未満の化学吸着層を含む。なお、ＨＣＤガスの吸着層を構成するＨＣＤ（Ｓｉ２Ｃｌ６）分子は、ＳｉとＣｌとの結合が一部切れたもの（ＳｉｘＣｌｙ分子）も含む。すなわち、ＨＣＤの吸着層は、Ｓｉ２Ｃｌ６分子および／またはＳｉｘＣｌｙ分子の連続的な化学吸着層や不連続な化学吸着層を含む。なお、１原子層未満の層とは不連続に形成される原子層のことを意味しており、１原子層の層とは連続的に形成される原子層のことを意味している。また、１分子層未満の層とは不連続に形成される分子層のことを意味しており、１分子層の層とは連続的に形成される分子層のことを意味している。ＨＣＤガスが自己分解する条件下では、ウエハ２００上にＳｉが堆積することでシリコン層が形成される。ＨＣＤガスが自己分解しない条件下では、ウエハ２００上にＨＣＤガスが吸着することでＨＣＤガスの吸着層が形成される。なお、ウエハ２００上にＨＣＤガスの吸着層を形成するよりも、ウエハ２００上にシリコン層を形成する方が、成膜レートを高くすることができ好ましい。ウエハ２００上に形成されるシリコン含有層の厚さが数原子層を超えると、後述するステップ３での酸化の作用がシリコン含有層の全体に届かなくなる。また、ウエハ２００上に形成可能なシリコン含有層の最小値は１原子層未満である。よって、シリコン含有層の厚さは１原子層未満から数原子層程度とするのが好ましい。なお。シリコン含有層の厚さを１原子層以下、すなわち、１原子層または１原子層未満とすることで、後述するステップ２での窒化およびステップ３での酸化の作用を相対的に高めることができ、各ステップに要する時間を短縮することができる。結果として、１サイクルあたりの処理時間を短縮することができ、トータルでの処理時間を短縮することも可能となる。すなわち成膜レートを高くすることも可能となる。また、シリコン含有層の厚さを１原子層以下とすることで、膜厚均一性の制御性を高めることも可能となる。
　原料ガス（シリコン含有ガス）としては、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤ）ガスの他、テトラクロロシランすなわちシリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ４、略称：ＳＴＣ）ガス、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３、略称：ＴＣＳ）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２、略称：ＤＣＳ）ガス、モノクロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ、略称：ＭＣＳ）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。
　ウエハ２００上にシリコン含有層が形成された後、第１ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉じ、ＨＣＤガスの供給を停止する。このとき、排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、残留したＨＣＤガスを処理室２０１内から排除する。このとき、バルブ２４３ｄ，２４３ｅ，２４３ｆは開いたままとして、不活性ガスとしてのＮ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくはシリコン含有層形成に寄与した後のＨＣＤガスを処理室２０１内から排除する効果を更に高めることができる（残留ガス除去）。
　このときのヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度がＨＣＤガスの供給時と同じく３５０～７００℃の範囲内の温度となるように設定する。各不活性ガス供給系から供給するパージガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１００～２０００ｓｃｃｍ（０．１～２ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。パージガスとしては、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。
　［ステップ２］
　処理室２０１内の残留ガスを除去した後、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ＮＨ３ガスを流す。ＮＨ３ガスは第２ガス供給管２３２ｂから流れ、マスフローコントローラ２４１ｂにより流量調整される。流量調整されたＮＨ３ガスは第２ノズル２３３ｂのガス供給孔２４８ｂから加熱された減圧状態のバッファ室２３７内に供給される。このとき、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電力を印加すると、バッファ室２３７内に供給されたＮＨ３ガスはプラズマで活性化されることとなる。第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電力を印加しない場合は、バッファ室２３７内に供給されたＮＨ３ガスは熱で活性化されることとなる。本実施形態では、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電力を印加しないことで、バッファ室２３７内に供給されたＮＨ３ガスを熱で活性化するようにしている。これにより、バッファ室２３７内に供給されたＮＨ３ガスは、熱で活性化されて、バッファ室２３７のガス供給孔２４８ｃ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（ＮＨ３ガス供給）。なお、ＮＨ３ガスはプラズマで活性化させて供給することもできるが、熱で活性化させて供給した方が、ソフトな反応を生じさせることができ、後述する窒化をソフトに行うことができる。
　このとき、第２不活性ガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ｅを開き、第２不活性ガス供給管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。Ｎ２ガスはマスフローコントローラ２４１ｅ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、流量調整されたＮＨ３ガスと混合されて、第２ノズル２３３ｂのガス供給孔２４８ｂから加熱された減圧状態のバッファ室２３７内に供給され、バッファ室２３７のガス供給孔２４８ｃ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から排気されることとなる。なお、このとき、第１ノズル２３３ａ内や第３ガス供給管２３２ｃ内へのＮＨ３ガスの侵入を防止するため、バルブ２４３ｄ，２４３ｆを開き、第１不活性ガス供給管２３２ｄ、第３不活性ガス供給管２３２ｆ内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、第１ガス供給管２３２ａ、第３ガス供給管２３２ｃ、第１ノズル２３３ａ、第２ノズル２３３ｂ、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
　このとき、ＡＰＣバルブ２４４を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、大気圧未満、例えば１～３０００Ｐａの範囲内の圧力に維持する。マスフローコントローラ２４１ｂで制御するＮＨ３ガスの供給流量は、例えば１００～１００００ｓｃｃｍ（０．１～１０ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｅで制御するＮ２ガスの供給流量は、例えば１００～１００００ｓｃｃｍ（０．１～１０ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｄ，２４１ｆで制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１００～２０００ｓｃｃｍ（０．１～２ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。このとき、処理室２０１内におけるＮＨ３ガスの分圧は６～２９４０Ｐａの範囲内の圧力とする。ＮＨ３ガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちＮＨ３ガスの供給時間は、例えば１～１２０秒の範囲内の時間とする。ヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度がステップ１のＨＣＤガスの供給時と同様な温度帯、すなわち３５０～７００℃の範囲内の温度となるように設定する。なお、この範囲内の温度であれば減圧雰囲気下でのＮＨ３ガスによる窒化の効果、すなわち、シリコン含有層の窒化反応が得られることを確認した。また、ウエハ２００の温度が低すぎると窒化の効果が得られないことも確認した。スループットを考慮すると、このように、ステップ１とステップ２とで処理室２０１内の温度を同様な温度帯に保持するようにヒータ２０７の温度を設定するのが好ましい。さらには、ステップ１～ステップ３（後述）にかけて処理室２０１内の温度を同様な温度帯に保持するようにヒータ２０７の温度を設定するのがより好ましい。この場合、ステップ１～ステップ３（後述）にかけて処理室２０１内の温度が３５０～７００℃の範囲内の一定の温度となるようにヒータ２０７の温度を設定する。
　上述の条件にてＮＨ３ガスを処理室２０１内に供給することで、ＮＨ３ガスは加熱された減圧雰囲気下においてノンプラズマで熱的に活性化されるか、もしくは熱分解して、窒素を含む窒化種が生成される。このとき、処理室２０１内にはＨＣＤガスは流していないので、ＮＨ３ガスは気相反応を起こすことはなく、ＮＨ３ガスが熱的に活性化されるか、もしくは熱分解することで得られた窒化種は、ステップ１でウエハ２００上に形成されたシリコン含有層の少なくとも一部と反応する。これにより、シリコン含有層に対して窒化処理が行われ、この窒化処理により、シリコン含有層はシリコン窒化層（Ｓｉ３Ｎ４層、以下、単にＳｉＮ層ともいう。）へと変化させられる（改質される）。
　このとき、シリコン含有層の窒化反応は飽和させないようにするのが好ましい。例えばステップ１で数原子層のシリコン層を形成した場合は、その表面層（表面の１原子層）の一部もしくは全部を窒化させる。この場合、シリコン層の全体を窒化させないように、シリコン層の窒化反応が不飽和となる条件下で窒化を行う。なお、条件によってはシリコン層の表面層から下の数層を窒化させることもできるが、その表面層だけを窒化させる方が、シリコン酸窒化膜の組成比の制御性を向上させることができ好ましい。また、例えばステップ１で１原子層または１原子層未満のシリコン層を形成した場合は、その表面層の一部を窒化させる。この場合も、シリコン層の全体を窒化させないように、シリコン層の窒化反応が不飽和となる条件下で窒化を行う。
　なお、シリコン含有層の窒化反応を不飽和とするには、ステップ２における処理条件を上述の処理条件とすればよいが、さらにステップ２における処理条件を次の処理条件とすることで、シリコン含有層の窒化反応を不飽和とすることが容易となる。
　ウエハ温度：５００～６００℃
　処理室内圧力：１３３～２６６６Ｐａ
　ＮＨ３ガス分圧：６７～２３９４Ｐａ
　ＮＨ３ガス供給流量：１０００～５０００ｓｃｃｍ
　Ｎ２ガス供給流量：３００～１０００ｓｃｃｍ
　ＮＨ３ガス供給時間：６～６０秒
　なお、このとき、上述のようにＮＨ３ガスをプラズマで活性化させて流すこともできる。ＮＨ３ガスをプラズマで活性化させて流すことで、よりエネルギーの高い窒化種を生成することができ、この窒化種により窒化処理を行うことで、デバイス特性が向上する等の効果も考えられる。ＮＨ３ガスをプラズマで活性化させる場合、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加することで、バッファ室２３７内に供給されたＮＨ３ガスはプラズマ励起され、活性種としてガス供給孔２４８ｃ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、高周波電源２７３から第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に印加する高周波電力は、例えば５０～１０００Ｗの範囲内の電力となるように設定する。その他の処理条件は、上述の処理条件と同様とする。なお、上述の温度帯では、ＮＨ３ガスは熱で十分に活性化され、十分な量の窒化種が生成される。よって、ＮＨ３ガスをノンプラズマで熱的に活性化させても十分な窒化力が得られる。なお、上述のようにＮＨ３ガスは熱で活性化させて供給した方が、ソフトな反応を生じさせることができ、上述の窒化処理をソフトに行うことができる。
　窒素含有ガスとしては、アンモニア（ＮＨ３）ガスの他、ジアジン（Ｎ２Ｈ２）ガス、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）ガス、Ｎ３Ｈ８ガスやアミン系のガス等を用いてもよい。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。
　シリコン含有層をシリコン窒化層へと改質した後、第２ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂを閉じ、ＮＨ３ガスの供給を停止する。このとき、排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、残留したＮＨ３ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する。このとき、バルブ２４３ｄ，２４３ｅ，２４３ｆは開いたままとして、不活性ガスとしてのＮ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくはシリコン窒化層形成に寄与した後のＮＨ３ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する効果を更に高めることができる（残留ガス除去）。
　このときのヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度がＮＨ３ガスの供給時と同じく３５０～７００℃の範囲内の温度となるように設定する。各不活性ガス供給系から供給するパージガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１００～２０００ｓｃｃｍ（０．１～２ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。パージガスとしては、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。
　［ステップ３］
　処理室２０１内の残留ガスを除去した後、第３ガス供給管２３２ｃのバルブ２４３ｃ、第３不活性ガス供給管２３２ｆのバルブ２４３ｆを開き、第３ガス供給管２３２ｃにＯ２ガス、第３不活性ガス供給管２３２ｆに希釈ガスとしてのＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは第３不活性ガス供給管２３２ｆから流れ、マスフローコントローラ２４１ｆにより流量調整される。Ｏ２ガスは第３ガス供給管２３２ｃから流れ、マスフローコントローラ２４１ｃにより流量調整される。流量調整されたＯ２ガスは、流量調整されたＮ２ガスと第３ガス供給管２３２ｃ内で混合されて、第２ノズル２３３ｂのガス供給孔２４８ｂから加熱された減圧状態のバッファ室２３７内に供給される。このとき、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電力を印加すると、バッファ室２３７内に供給されたＯ２ガスはプラズマで活性化されることとなる。第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電力を印加しない場合は、バッファ室２３７内に供給されたＯ２ガスは熱で活性化されることとなる。本実施形態では、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電力を印加しないことで、バッファ室２３７内に供給されたＯ２ガスを熱で活性化するようにしている。これにより、バッファ室２３７内に供給されたＯ２ガスは、熱で活性化されて、Ｎ２ガスと一緒にバッファ室２３７のガス供給孔２４８ｃ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（Ｏ２ガス及びＮ２ガス供給）。なお、Ｏ２ガスはプラズマで活性化させて供給することもできるが、熱で活性化させて供給した方が、ソフトな反応を生じさせることができ、後述する酸化をソフトに行うことができる。
　このとき、第１ノズル２３３ａ内や、第２ガス供給管２３２ｂの上流側へのＯ２ガスの侵入を防止するため、バルブ２４３ｄ，２４３ｅを開き、第１不活性ガス供給管２３２ｄ、第２不活性ガス供給管２３２ｅ内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、第１ガス供給管２３２ａ、第２ガス供給管２３２ｂ、第１ノズル２３３ａ、第２ノズル２３３ｂ、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
　このとき、ＡＰＣバルブ２４４を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、大気圧未満、例えば１～１５０００Ｐａの範囲内の圧力に維持する。マスフローコントローラ２４１ｃで制御するＯ２ガスの供給流量は、例えば１００～２００００ｓｃｃｍ（０．１～２０ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｆで制御するＮ２ガスの供給流量は、例えば１００～２００００ｓｃｃｍ（０．１～２０ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｄ，２４１ｅで制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１００～２０００ｓｃｃｍ（０．１～２ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。このとき、処理室２０１内におけるＯ２ガスの分圧は０．５～２９４０Ｐａの範囲内の圧力とする。Ｏ２ガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちＯ２ガスの供給時間は、例えば１～１２０秒の範囲内の時間とする。ヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度がステップ１のＨＣＤガスの供給時と同様な温度帯、すなわち３５０～７００℃の範囲内の温度となるように設定する。なお、この範囲内の温度であれば減圧雰囲気下でのＯ２ガスによる酸化の効果、すなわち、シリコン窒化層の酸化反応が得られることを確認した。また、ウエハ２００の温度が低すぎると酸化の効果が得られないことも確認した。上述のように、スループットを考慮すると、ステップ１～ステップ３にかけて処理室２０１内の温度を同様な温度帯、すなわち３５０～７００℃の範囲内の一定の温度に保持するようにヒータ２０７の温度を設定するのが好ましい。
　上述の条件にてＯ２ガスを処理室２０１内に供給することで、Ｏ２ガスは加熱された減圧雰囲気下においてノンプラズマで熱的に活性化される。このとき、処理室２０１内にはＨＣＤガスもＮＨ３ガスも流していないので、Ｏ２ガスは気相反応を起こすことはなく、熱的に活性化されたＯ２ガスは、ステップ２でウエハ２００上に形成されたシリコン窒化層の少なくとも一部と反応する。これにより、シリコン窒化層に対して酸化処理が行われ、この酸化処理により、シリコン窒化層はシリコン酸窒化層（以下、単にＳｉＯＮ層ともいう。）へと変化させられる（改質される）。
　このとき、シリコン窒化層の酸化反応は飽和させないようにするのが好ましい。例えばステップ２で数原子層のシリコン窒化層を形成した場合は、その表面層（表面の１原子層）の一部もしくは全部を酸化させる。この場合、シリコン窒化層の全体を酸化させないように、シリコン窒化層の酸化反応が不飽和となる条件下で酸化を行う。なお、条件によってはシリコン窒化層の表面層から下の数層を酸化させることもできるが、その表面層だけを酸化させる方が、シリコン酸窒化膜の組成比の制御性を向上させることができ好ましい。また、例えばステップ２で１原子層または１原子層未満のシリコン窒化層を形成した場合は、その表面層の一部を酸化させる。この場合も、シリコン窒化層の全体を酸化させないように、シリコン窒化層の酸化反応が不飽和となる条件下で酸化を行う。
　なお、シリコン窒化層の酸化反応を不飽和とするには、ステップ３における処理条件を上述の処理条件とすればよいが、さらにステップ３における処理条件を次の処理条件とすることで、シリコン窒化層の酸化反応を不飽和とすることが容易となる。
　ウエハ温度：５００～６００℃
　処理室内圧力：１０～２６６６Ｐａ
　Ｏ２ガス分圧：０．５～１３３３Ｐａ
　Ｏ２ガス供給流量：１０００～５０００ｓｃｃｍ
　Ｎ２ガス供給流量：３００～１０００ｓｃｃｍ
　Ｏ２ガス供給時間：６～６０秒
　このとき、処理室２０１内におけるＯ２ガスの分圧を制御することにより、シリコン酸窒化層の組成比を制御して、最終的に形成される所定膜厚のシリコン酸窒化膜の組成比を制御するようにする。シリコン酸窒化膜の組成比制御については後述する。
　なお、このとき、上述のようにＯ２ガスをプラズマで活性化させて流すこともできる。Ｏ２ガスをプラズマで活性化させて流すことで、よりエネルギーの高い酸化種を生成することができ、この酸化種により酸化処理を行うことで、デバイス特性が向上する等の効果も考えられる。Ｏ２ガスをプラズマで活性化させる場合、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加することで、バッファ室２３７内に供給されたＯ２ガスはプラズマ励起され、活性種としてＮ２ガスと一緒にガス供給孔２４８ｃ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、高周波電源２７３から第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に印加する高周波電力は、例えば５０～１０００Ｗの範囲内の電力となるように設定する。その他の処理条件は、上述の処理条件の範囲内の条件とする。ただし、この場合、活性種を含む酸化種による酸化力をできるだけ抑制しつつ酸化処理を行う必要がある。活性種を含む酸化種の酸化力は非常に強く、活性種を用いる場合、ウエハ２００上に形成されたシリコン窒化層に与える活性種の量をできる限り抑制しないとシリコン窒化層がシリコン酸窒化層ではなくシリコン酸化層へと変化するからである。シリコン窒化層をシリコン酸窒化層へと変化させるには、活性種を含む酸化種の酸化力を極力抑制するような処理条件とする必要がある。
　なお、上述の温度帯では、Ｏ２ガスは熱で十分に活性化され、十分な量の酸化種が生成される。よって、Ｏ２ガスをノンプラズマで熱的に活性化させても十分な酸化力が得られる。なお、上述のようにＯ２ガスは熱で活性化させて供給した方が、ソフトな反応を生じさせることができ、上述の酸化処理をソフトに行うことができる。また、熱で活性化させたＯ２ガスを用いる方が、後述するシリコン酸窒化膜の組成比制御の制御性を向上させることができ好ましい。これらの理由により、本実施形態では、Ｏ２ガスを熱で活性化させて流すようにしている。
　酸素含有ガスとしては、酸素（Ｏ２）ガスの他、オゾン（Ｏ３）ガス、水蒸気（Ｈ２Ｏ）ガス、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）ガス、一酸化窒素（ＮＯ）ガス、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガス、二酸化窒素（ＮＯ２）ガス、一酸化炭素（ＣＯ）ガス、二酸化炭素（ＣＯ２）ガス等を用いてもよい。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。
　シリコン窒化層をシリコン酸窒化層へと改質した後、第３ガス供給管２３２ｃのバルブ２４３ｃを閉じ、Ｏ２ガスの供給を停止する。このとき、排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、残留したＯ２ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する。このとき、バルブ２４３ｄ，２４３ｅ，２４３ｆは開いたままとして、不活性ガスとしてのＮ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくはシリコン酸窒化層形成に寄与した後のＯ２ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する効果を更に高めることができる（残留ガス除去）。
　このときのヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度がＯ２ガスの供給時と同じく３５０～７００℃の範囲内の温度となるように設定する。各不活性ガス供給系から供給するパージガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１００～２０００ｓｃｃｍ（０．１～２ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。パージガスとしては、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。
　上述したステップ１～３を１サイクルとして、このサイクルを所定回数、好ましくは複数回実施することにより、ウエハ２００上に所定膜厚のシリコン酸窒化膜（以下、単にＳｉＯＮ膜ともいう。）を成膜することが出来る。
　所定膜厚のシリコン酸窒化膜が成膜されると、バルブ２４３ｄ，２４３ｅ，２４３ｆを開き、第１不活性ガス供給管２３２ｄ、第２不活性ガス供給管２３２ｅ、第３不活性ガス供給管２３２ｆ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、これにより、処理室２０１内が不活性ガスでパージされ、処理室２０１内に残留するガスや反応副生成物が処理室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）。
　その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、反応管２０３の下端が開口されるとともに、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）。
　本実施形態のステップ３では、活性化されたＯ２ガスを用いてシリコン窒化層をシリコン酸窒化層へと変化させる工程を行うことにより、活性化されたＯ２ガスの持つエネルギーがシリコン窒化層中に含まれるＳｉ－Ｎ、Ｓｉ－Ｃｌ、Ｓｉ－Ｈ結合を部分的に切り離す。Ｓｉ－Ｏ結合を形成するためのエネルギーは、Ｓｉ－Ｎ、Ｓｉ－Ｃｌ、Ｓｉ－Ｈの結合エネルギーよりも高いため、Ｓｉ－Ｏ結合形成に必要なエネルギーを酸化処理対象のシリコン窒化層に与えることで、シリコン窒化層中のＳｉ－Ｎ、Ｓｉ－Ｃｌ、Ｓｉ－Ｈ結合は部分的に切り離される。Ｓｉとの結合を切り離されたＮ、Ｈ、Ｃｌは層中から除去され、Ｎ２、Ｈ２、Ｃｌ２、ＨＣｌ等として排出される。また、Ｎ、Ｈ、Ｃｌとの結合が切られることで余ったＳｉの結合手は、活性化されたＯ２ガスに含まれるＯと結びつく。このようにしてシリコン窒化層はシリコン酸窒化層へと変化させられる（改質される）。この手法により形成したシリコン酸窒化膜は、膜中水素、塩素濃度が極めて低い良質な膜となることを確認した。
　また、本実施形態のステップ３では、処理室２０１内における酸素含有ガスとしてのＯ２ガスの分圧を制御することにより、ステップ３で形成されるシリコン酸窒化層の組成比を制御して、最終的に形成される所定膜厚のシリコン酸窒化膜の組成比、特に、酸素成分と窒素成分との比、すなわち、Ｏ／Ｎ比（Ｎ成分に対するＯ成分の比）を制御するようにしている。これにより、成膜レートを低下させることなく、かつ、制御性よくシリコン酸窒化膜の組成比を制御することができる。本実施形態の手法によれば、組成比、特にＯ／Ｎ比が深さ方向（膜厚方向）およびウエハ面内において均一であり、また、膜厚均一性がウエハ面内において良好なシリコン酸窒化膜を形成できることを確認した。また、本実施形態の手法によれば、シリコン酸窒化膜の組成比を制御することで、シリコン酸窒化膜のＲＩを１．４５～２．０の範囲内で制御できることを確認した。また、本実施形態の手法によれば、シリコン酸窒化膜の組成比を制御することで、シリコン酸窒化膜のＷＥＲを１．５～２０ｎｍ／ｍｉｎの範囲内で制御できることを確認した。以下、シリコン酸窒化膜の組成比制御について実施例を用いて詳述する。
（実施例１）
　発明者らは、まず、上述の実施形態のステップ３におけるＯ２ガスの供給時間を制御することで、ＳｉＯＮ膜の組成比を制御することが可能であることを見出した。また、それにより、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲ特性やＲＩを制御することが可能であることを見出した。
　図４に、ステップ３におけるＯ２ガスの供給時間と、蛍光エックス線分析（ＸＲＦ）によるＳｉＯＮ膜中の酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の検出強度との関係を示す。また、図５に、ステップ３におけるＯ２ガスの供給時間と、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲおよびＲＩとの関係を示す。図４の縦軸はＳｉＯＮ膜中のＯおよびＮの検出強度（任意単位（ａ．ｕ．））を示している。図５の左側の縦軸はＳｉＯＮ膜のＷＥＲを、右側の縦軸はＳｉＯＮ膜のＲＩを示している。図５では、ＷＥＲ、ＲＩは、ある値（Ｏ２ガスの供給時間を９０秒としたときのＷＥＲ、ＲＩの値）を基準とした比率で表している。また、いずれの図も横軸はＯ２ガスの供給時間を示している。なお、評価サンプルとしてのＳｉＯＮ膜は、上述の実施形態の成膜シーケンスにより、上述の実施形態に記載の処理条件範囲内の条件にて形成した。また、Ｏ２ガスの供給時間は、５～９０秒の間で変化させ、複数の評価サンプルを作成した。
　図４より、Ｏ２ガスの供給時間を制御することにより、ＳｉＯＮ膜中のＯ濃度とＮ濃度、すなわち、ＳｉＯＮ膜の組成比を制御することが可能であることが分かる。また、図５より、Ｏ２ガスの供給時間を制御することにより、ＷＥＲやＲＩを制御することが可能であることが分かる。なお、図６および図７は、酸素含有ガスとして、Ｏ２ガスの代わりに、Ｎ２Ｏガスを用いて同様な評価を行った結果であり、Ｏ２ガスを用いた場合と同様な傾向が得られることが分かる。
　これらの結果から、酸素含有ガスの供給時間を制御することにより、ＳｉＯＮ膜中のＯ濃度とＮ濃度を制御することができ、その結果、ＷＥＲ特性、ＲＩを制御することが可能であることが判明した。
　しかしながら、例えばＲＩの値を低くし、ＷＥＲを高くしようとしたとき、酸素含有ガスの供給時間を延ばすことが必要になり、成膜レートが低くなる原因となる。
（実施例２）
　そこで発明者らは、鋭意研究の結果、酸素含有ガスの供給時間ではなく、処理室内における酸素含有ガスの分圧（partial pressure）を制御することで、成膜レートを低下させることなく、すなわち、酸素含有ガスの供給時間を長くすることなく、ＳｉＯＮ膜の組成比を制御することが可能であることを見出した。また、それにより、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲ特性やＲＩを制御することが可能であることを見出した。なお、酸素含有ガスの分圧の制御は、上述の実施形態の基板処理装置における分圧制御系により、上述の数式３に基づき、例えば、処理室内の圧力を所定の圧力に保持するように制御しつつ、酸素含有ガスの希釈Ｎ２ガスによる希釈量、すなわち、希釈Ｎ２ガスの供給流量を制御することにより行う。
　図８に、ステップ３での処理室内におけるＯ２ガスの分圧と、蛍光エックス線分析（ＸＲＦ）によるＳｉＯＮ膜中の酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）の検出強度との関係を示す。また、図９に、ステップ３での処理室内におけるＯ２ガスの分圧と、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲおよびＲＩとの関係を示す。図８の縦軸はＳｉＯＮ膜中のＯおよびＮの検出強度（任意単位（ａ．ｕ．））を示している。図９の左側の縦軸はＳｉＯＮ膜のＷＥＲを、右側の縦軸はＳｉＯＮ膜のＲＩを示している。図９では、ＷＥＲ、ＲＩは、ある値（Ｏ２ガスの分圧を７１３ＰａとしたときのＷＥＲ、ＲＩの値）を基準とした比率で表している。また、いずれの図も横軸はＯ２ガスの分圧（Ｐａ）を示している。なお、評価サンプルとしてのＳｉＯＮ膜は、上述の実施形態の成膜シーケンスにより、上述の実施形態に記載の処理条件範囲内の条件にて形成した。また、Ｏ２ガスの分圧は、３．４～７１３Ｐａの間で変化させ、複数の評価サンプルを作成した。
　図８より、Ｏ２ガスの分圧を制御することにより、ＳｉＯＮ膜中のＯ濃度とＮ濃度、すなわち、ＳｉＯＮ膜の組成比を正確に制御することが可能であることが分かる。また、図９より、Ｏ２ガスの分圧を制御することにより、ＷＥＲやＲＩを正確に制御することが可能であることが分かる。なお、これらの評価において、成膜レートを低下させることなく、すなわち、Ｏ２ガスの供給時間を長くすることなく、ＳｉＯＮ膜の組成比、特にＯ／Ｎ比を制御することが可能であることを確認することができた。また、ＳｉＯＮ膜の組成比制御の制御性を向上させることが可能であることも確認できた。
　これらの結果から、酸素含有ガスの分圧を制御することにより、成膜レートを低下させることなく、すなわち、酸素含有ガスの供給時間を長くすることなくＳｉＯＮ膜中のＯ濃度とＮ濃度を制御することができ、その結果、ＷＥＲ特性、ＲＩを制御することが可能であることが判明した。また、本成膜手法によれば、ＳｉＯＮ膜のＲＩを１．４５～２．０の範囲内で正確に制御でき、ＷＥＲを１．５～２０ｎｍ／ｍｉｎの範囲内で正確に制御できることが判明した。
　ところで、処理室内におけるＯ２ガスの分圧を制御することによりＳｉＯＮ膜の組成比を制御することの利点として、上述の利点の他に、次のことが挙げられる。
　すなわち、一般に装置の排気能力には限界があり、ガスの供給量が多いほど、制御できる下限圧力範囲が狭くなる。この場合、例えばＯ２ガスを希釈しないで１ｓｌｍ供給し、炉内圧力が制御可能な圧力下限の１０Ｐａだった場合（例えば、ＡＰＣバルブをフルオープンとした場合）、Ｏ２ガスの分圧は１０Ｐａとなり、それよりも低い圧力とすることができない。よって、その場合、圧力制御により、ＳｉＯＮ膜のＷＥＲを、そのときに得られるＳｉＯＮ膜のＷＥＲよりも低くしたり、ＳｉＯＮ膜のＲＩを、そのときに得られるＳｉＯＮ膜のＲＩよりも高くしたりすることができなくなる。
　この対策の１つの手法として、Ｏ２ガスの供給時間を短縮することが考えられるが、Ｏ２ガスの供給時間を短縮し過ぎると、ガス供給開始から処理室内の圧力が安定するまでに時間が必要なため、所定回数行われる各サイクルにおいて制御圧力にばらつきが生じ、結果として、膜厚均一性や膜厚方向における組成のばらつきや、処理間の膜厚や組成のばらつきが大きくなり、望ましくない。
　また処理室内の圧力を下げる手法として、ガスの供給量を減らすことも考えられるが、ガスの供給を上述の実施形態のような多孔タイプのノズルを介して行っている場合には、上部から下部まで均一にガスを噴出させるために、最低限（例えば１ｓｌｍ）の流量が必要となり、その流量と排気能力との関係性から下限制御圧力が定まることになる。
　以上のように、Ｏ２ガスの供給時間でＳｉＯＮ膜の組成比を制御する場合には、成膜レートが変わってしまう。さらに、装置のノズル形状、排気能力により、制御圧力の限界が生じ、それに起因して組成比制御にも限界が生じ、よりＷＥＲの高い、もしくは、よりＲＩの低いＳｉＯＮ膜を成膜することができなくなる。
　これに対して上述の実施形態によれば、例えばＯ２ガスをＮ２ガスで希釈し、その合計流量を装置限界の値以上、すなわち、多孔ノズルを介してガス供給を行う場合に上部から下部まで均一にガスを噴出させるのに最低限必要な流量以上の流量にしておくことで、Ｏ２ガスの分圧をより広い範囲で制御することができ、組成比制御をより広い範囲で行うことが可能となり、制御性よくＳｉＯＮ膜の組成比を制御することが可能となる。
　なお、上述の実施形態及び実施例では、ステップ３において、処理室内に酸素含有ガス（酸化性ガス）および不活性ガス（希釈ガス）を供給する例について説明したが、酸素含有ガスに水素（Ｈ２）ガスやアンモニア（ＮＨ３）ガス等の水素含有ガス（還元性ガス）を添加するようにしてもよい。すなわち、ステップ３において、処理室内に酸素含有ガス、水素含有ガスおよび不活性ガスを供給するようにしてもよい。上述の実施形態の処理条件下（加熱された減圧雰囲気下）において酸素含有ガスに水素含有ガスを添加することで、酸素含有ガス単独供給の場合に比べ大幅な酸化力向上効果が得られる。このように、酸素含有ガスに水素含有ガスを添加する場合、酸化力を高めることができ、ＳｉＯＮ膜中の酸素濃度を高くする制御が容易となる。例えばこの場合、ＲＩが１．５程度の、窒素（Ｎ）を僅かに含有するＳｉＯ２膜、すなわち、窒素含有率が極めて低いＳｉＯＮ膜を形成することが可能となる。この場合、酸素含有ガスとしてのＯ２ガスの流量をＱｏ、水素含有ガスとしてのＨ２ガスの流量をＱｒ、希釈Ｎ２ガスの流量をＱｄ、処理室内の圧力（全圧）をＶとすると、Ｏ２ガスの分圧Ｖｏは、次の式で表される。
　　（数４）　Ｖｏ＝［Ｑｏ／（Ｑｏ＋Ｑｒ＋Ｑｄ）］×Ｖ
　すなわち、処理室２０１内の全圧Ｖと、Ｏ２ガスの流量Ｑｏと、Ｈ２ガスの流量Ｑｒと、希釈Ｎ２ガスの流量Ｑｄとを、数式４に基づいて制御することにより、処理室２０１内におけるＯ２ガスの分圧Ｖｏを制御することができる。なお、この分圧制御は上述の分圧制御系により行うことができる。
　また、上述の実施形態及び実施例では、ステップ１、ステップ２、ステップ３を順次行う例について説明したが、ステップ２とステップ３とを同時に行うことも可能である。ステップ２とステップ３とを同時に行うことで、上述の実施形態の成膜シーケンスにより形成したＳｉＯＮ膜のＮ濃度よりも小さいＮ濃度を有するＳｉＯＮ膜を形成することが可能となる。この場合、ステップ２では、処理室内に、酸素含有ガス、窒素含有ガスおよび不活性ガス（希釈ガス）を同時に供給することとなる。すなわち、この場合、基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガス（ＨＣＤガス）を供給することで、基板上に所定元素含有層を形成する工程と、処理容器内に窒素含有ガス（ＮＨ３ガス）、酸素含有ガス（Ｏ２ガス）および不活性ガス（Ｎ２ガス）を供給することで、所定元素含有層を酸窒化層に変化させる工程と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成することとなる。そして所定元素含有層を酸窒化層に変化させる工程での処理容器内における酸素含有ガスの分圧を制御することにより所定膜厚の酸窒化膜の組成を制御する。この場合、酸素含有ガスとしてのＯ２ガスの流量をＱｏ、窒素含有ガスとしてのＮＨ３ガスの流量をＱｎ、希釈Ｎ２ガスの流量をＱｄ、処理室内の圧力（全圧）をＶとすると、Ｏ２ガスの分圧Ｖｏは、次の式で表される。
　　（数５）　Ｖｏ＝［Ｑｏ／（Ｑｏ＋Ｑｎ＋Ｑｄ）］×Ｖ
　すなわち、処理室２０１内の全圧Ｖと、Ｏ２ガスの流量Ｑｏと、ＮＨ３ガスの流量Ｑｎと、希釈Ｎ２ガスの流量Ｑｄとを、数式５に基づいて制御することにより、処理室２０１内におけるＯ２ガスの分圧Ｖｏを制御することができる。なお、この分圧制御は上述の分圧制御系により行うことができる。
　また、上述の実施形態及び実施例では、基板上に酸窒化膜として半導体元素であるシリコン（Ｓｉ）を含むシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成する例について説明したが、本発明は基板上に酸窒化膜としてジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属元素を含む金属酸窒化膜、すなわち、ジルコニウム酸窒化膜（ＺｒＯＮ膜）、ハフニウム酸窒化膜（ＨｆＯＮ膜）、チタン酸窒化膜（ＴｉＯＮ膜）、タンタル酸窒化膜（ＴａＯＮ膜）、アルミニウム酸窒化膜（ＡｌＯＮ膜）等を形成する場合にも適用することができる。
　この場合、基板を収容した処理容器内に金属元素を含む原料ガスを供給することで、基板上に金属元素含有層を形成する工程（ステップ１）と、処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、金属元素含有層を金属窒化層に変化させる工程（ステップ２）と、処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、金属窒化層を金属酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、基板上に所定膜厚の金属酸窒化膜を形成する。そして、金属窒化層を金属酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）での処理容器内における酸素含有ガスの分圧を制御することにより所定膜厚の金属酸窒化膜の組成を制御する。
　例えば、基板上にジルコニウム酸窒化膜（ＺｒＯＮ膜）を形成する場合、基板を収容した処理容器内にジルコニウムを含む原料ガスを供給することで、基板上にジルコニウム含有層を形成する工程（ステップ１）と、処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、ジルコニウム含有層をジルコニウム窒化層に変化させる工程（ステップ２）と、処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、ジルコニウム窒化層をジルコニウム酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、基板上に所定膜厚のジルコニウム酸窒化膜を形成する。そして、ジルコニウム窒化層をジルコニウム酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）での処理容器内における酸素含有ガスの分圧を制御することにより所定膜厚のジルコニウム酸窒化膜の組成を制御する。ジルコニウムを含む原料ガスとしては、例えばＴＥＭＡＺ（Ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ：Ｚｒ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）（ＣＨ３）］４）ガスを用いることができる。窒素含有ガス、酸素含有ガスとしては、上述の実施形態と同様、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスをそれぞれ用いることができる。この場合、上述の実施形態における基板処理装置の第１ガス供給系（原料ガス供給系）をジルコニウム原料ガス供給系として構成する。また各ステップでの処理条件は、例えば上述の実施形態に記載の処理条件範囲内の条件とする。ただし、ステップ１では、ウエハ温度を例えば１００～４００℃、処理室内圧力を例えば１～１０００Ｐａ、ＴＥＭＡＺガス供給流量を例えば１０～２０００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの供給流量を例えば１００～２０００ｓｃｃｍ、ＴＥＭＡＺガスの供給時間を例えば１～１２０秒とするのが好ましい。なお、ステップ２、ステップ３では、上述の実施形態に記載のステップ２、ステップ３における処理条件と同様な条件とするのが好ましい。
　また例えば、基板上にチタン酸窒化膜（ＴｉＯＮ膜）を形成する場合、基板を収容した処理容器内にチタンを含む原料ガスを供給することで、基板上にチタン含有層を形成する工程（ステップ１）と、処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、チタン含有層をチタン窒化層に変化させる工程（ステップ２）と、処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、チタン窒化層をチタン酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、基板上に所定膜厚のチタン酸窒化膜を形成する。そして、チタン窒化層をチタン酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）での処理容器内における酸素含有ガスの分圧を制御することにより所定膜厚のチタン酸窒化膜の組成を制御する。チタンを含む原料ガスとしては、例えばチタニウムテトラクロライド（ＴｉＣｌ４）ガスを用いることができる。窒素含有ガス、酸素含有ガスとしては、上述の実施形態と同様、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスをそれぞれ用いることができる。この場合、上述の実施形態における基板処理装置の第１ガス供給系（原料ガス供給系）をチタン原料ガス供給系として構成する。また各ステップでの処理条件は、例えば上述の実施形態に記載の処理条件範囲内の条件とする。ただし、ステップ１では、ウエハ温度を例えば１００～５００℃、処理室内圧力を例えば１～１０００Ｐａ、ＴｉＣｌ４ガス供給流量を例えば１０～２０００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの供給流量を例えば１００～２０００ｓｃｃｍ、ＴｉＣｌ４ガスの供給時間を例えば１～１２０秒とするのが好ましい。なお、ステップ２、ステップ３では、上述の実施形態に記載のステップ２、ステップ３における処理条件と同様な条件とするのが好ましい。
　また例えば、基板上にタンタル酸窒化膜（ＴａＯＮ膜）を形成する場合、基板を収容した処理容器内にタンタルを含む原料ガスを供給することで、基板上にタンタル含有層を形成する工程（ステップ１）と、処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、タンタル含有層をタンタル窒化層に変化させる工程（ステップ２）と、処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、タンタル窒化層をタンタル酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、基板上に所定膜厚のタンタル酸窒化膜を形成する。そして、タンタル窒化層をタンタル酸窒化層に変化させる工程（ステップ３）での処理容器内における酸素含有ガスの分圧を制御することにより所定膜厚のタンタル酸窒化膜の組成を制御する。タンタルを含む原料ガスとしては、例えば、タンタルペンタクロライド（ＴａＣｌ５）ガスを用いることができる。窒素含有ガス、酸素含有ガスとしては、上述の実施形態と同様、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスをそれぞれ用いることができる。この場合、上述の実施形態における基板処理装置の第１ガス供給系（原料ガス供給系）をタンタル原料ガス供給系として構成する。また各ステップでの処理条件は、例えば上述の実施形態に記載の処理条件範囲内の条件とする。ただし、ステップ１では、ウエハ温度を例えば１００～５００℃、処理室内圧力を例えば１～１０００Ｐａ、ＴａＣｌ５ガス供給流量を例えば１０～２０００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの供給流量を例えば１００～２０００ｓｃｃｍ、ＴａＣｌ５ガスの供給時間を例えば１～１２０秒とするのが好ましい。なお、ステップ２、ステップ３では、上述の実施形態に記載のステップ２、ステップ３における処理条件と同様な条件とするのが好ましい。

　以下に、本発明の好ましい態様について付記する。　
　本発明の一態様によれば、
　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する工程と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、
　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、
　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、
　前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する半導体装置の製造方法が提供される。
　好ましくは、前記酸素含有ガスおよび前記不活性ガスは、側面に複数のガス供給孔が設けられた多孔ノズルを介して供給される。
　また好ましくは、前記処理容器内には複数枚の基板が配列され、前記多孔ノズルは前記複数枚の基板が配列される基板配列領域を水平に取り囲む領域に設けられている。
　また好ましくは、前記多孔ノズルは前記基板配列領域に沿って少なくとも前記基板配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように設けられている。
　また好ましくは、前記多孔ノズル内に供給される前記酸素含有ガスおよび前記不活性ガスの混合ガスの合計流量を、前記多孔ノズルの前記ガス供給孔のそれぞれから噴出する前記混合ガスの流量が均一となるのに最低限必要な流量以上の流量に設定する。
　また好ましくは、前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧の制御は、前記不活性ガスの供給流量を制御することにより行う。
　また好ましくは、前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧の制御は、前記処理容器内の圧力を所定の圧力帯とした状態で、前記不活性ガスの供給流量を制御することにより行う。
　また好ましくは、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより、前記所定膜厚の酸窒化膜の酸素成分と窒素成分との比を制御する。
　また好ましくは、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより、前記所定膜厚の酸窒化膜の屈折率またはウエットエッチングレートを制御する。
　また好ましくは、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより、前記所定膜厚の酸窒化膜の屈折率が１．４５～２．０となるように制御する。
　また好ましくは、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより、前記所定膜厚の酸窒化膜のウエットエッチングレートが１．５～２０ｎｍ／ｍｉｎとなるように制御する。
　また好ましくは、前記所定元素は半導体元素である。
　また好ましくは、前記所定元素はシリコンである。
　また好ましくは、前記所定元素は金属元素である。
　また好ましくは、前記所定元素含有層は前記所定元素の堆積層である。
　また好ましくは、前記所定元素含有層は前記所定元素が前記基板上に堆積することで形成される層である。
　また好ましくは、前記所定元素含有層は前記原料ガスの吸着層である。
　また好ましくは、前記所定元素含有層は前記原料ガスが前記基板上に吸着することで形成される層である。
　また好ましくは、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる工程では、前記処理容器内の前記基板に対して熱で活性化させた前記窒素含有ガスを供給する。
　また好ましくは、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程では、前記処理容器内の前記基板に対して熱で活性化させた前記酸素含有ガスを前記不活性ガスと一緒に供給する。
　本発明の更に他の態様によれば、
　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する工程と、
　前記処理容器内に窒素含有ガス、酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記所定元素含有層を酸窒化層に変化させる工程と、
　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、
　前記所定元素含有層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成を制御する半導体装置の製造方法が提供される。
　本発明の他の態様によれば、
　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する工程と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、
　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、
　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、
　前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する基板処理方法が提供される。
　本発明の更に他の態様によれば、
　基板を収容する処理容器と、
　前記処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
　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、
　前記処理容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、
　前記処理容器内におけるガスの分圧を制御する分圧制御系と、
　基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する処理と、前記処理容器内に前記窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる処理と、前記処理容器内に前記酸素含有ガスおよび前記不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる処理と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する処理を行うと共に、前記窒化層を酸窒化層に変化させる処理での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御するように、前記原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、前記不活性ガス供給系および前記分圧制御系を制御する制御部と、
　を有する基板処理装置が提供される。
　本発明の更に他の態様によれば、
　基板を収容した基板処理装置の処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する手順と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる手順と、
　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる手順と、
　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する手順と、
　前記窒化層を酸窒化層に変化させる手順での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する手順と、
　をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。
　本発明の更に他の態様によれば、
　基板を収容した基板処理装置の処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する手順と、
　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる手順と、
　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる手順と、
　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する手順と、
　前記窒化層を酸窒化層に変化させる手順での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する手順と、
　をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
１２１　　コントローラ
２００　　ウエハ
２０１　　処理室
２０２　　処理炉
２０３　　反応管
２０７　　ヒータ
２３１　　排気管
２３２ａ　第１ガス供給管
２３２ｂ　第２ガス供給管
２３２ｃ　第３ガス供給管
２３２ｄ　第１不活性ガス供給管
２３２ｅ　第２不活性ガス供給管
２３２ｆ　第３不活性ガス供給管
２４１ａ　マスフローコントローラ
２４１ｂ　マスフローコントローラ
２４１ｃ　マスフローコントローラ
２４１ｄ　マスフローコントローラ
２４１ｅ　マスフローコントローラ
２４１ｆ　マスフローコントローラ
２４４　ＡＰＣバルブ
２４５　圧力センサ
２４６　真空ポンプ

Claims (10)

  1. 　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する工程と、
    　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、
    　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、
    　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、
    　前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する半導体装置の製造方法。
  2. 　前記酸素含有ガスおよび前記不活性ガスは、側面に複数のガス供給孔が設けられた多孔ノズルを介して供給される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　前記処理容器内には複数枚の基板が配列され、前記多孔ノズルは前記複数枚の基板が配列される基板配列領域を水平に取り囲む領域に設けられている請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記多孔ノズルは前記基板配列領域に沿って少なくとも前記基板配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように設けられている請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　前記多孔ノズル内に供給される前記酸素含有ガスおよび前記不活性ガスの混合ガスの合計流量を、前記多孔ノズルの前記ガス供給孔のそれぞれから噴出する前記混合ガスの流量が均一となるのに最低限必要な流量以上の流量に設定する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 　前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧の制御は、前記不活性ガスの供給流量を制御することにより行う請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧の制御は、前記処理容器内の圧力を所定の圧力帯とした状態で、前記不活性ガスの供給流量を制御することにより行う請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 　前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより、前記所定膜厚の酸窒化膜の酸素成分と窒素成分との比を制御する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 　基板を収容した処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する工程と、
    　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる工程と、
    　前記処理容器内に酸素含有ガスおよび不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程と、
    　を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する工程を有し、
    　前記窒化層を酸窒化層に変化させる工程での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御する基板処理方法。
  10. 　基板を収容する処理容器と、
    　前記処理容器内に所定元素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
    　前記処理容器内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
    　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、
    　前記処理容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、
    　前記処理容器内におけるガスの分圧を制御する分圧制御系と、
    　基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスを供給することで、前記基板上に所定元素含有層を形成する処理と、前記処理容器内に前記窒素含有ガスを供給することで、前記所定元素含有層を窒化層に変化させる処理と、前記処理容器内に前記酸素含有ガスおよび前記不活性ガスを供給することで、前記窒化層を酸窒化層に変化させる処理と、を１サイクルとして、このサイクルを複数回行うことで、前記基板上に所定膜厚の酸窒化膜を形成する処理を行うと共に、前記窒化層を酸窒化層に変化させる処理での前記処理容器内における前記酸素含有ガスの分圧を制御することにより前記所定膜厚の酸窒化膜の組成比を制御するように、前記原料ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、前記不活性ガス供給系および前記分圧制御系を制御する制御部と、
    　を有する基板処理装置。
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