半導体装置の製造方法及び基板処理装置
【課題】酸化処理の面内均一性を向上させる。
【解決手段】 基板の側方に設けられたノズルから酸素含有ガスを第１の流量にて基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、基板の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速を、酸素含有ガスを第１の流量にて単独で流す場合における基板の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速よりも大きくする
【解決手段】 基板の側方に設けられたノズルから酸素含有ガスを第１の流量にて基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、基板の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速を、酸素含有ガスを第１の流量にて単独で流す場合における基板の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速よりも大きくする
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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及び基板処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板を収容した処理室内にシリコン含有ガス等を供給して基板上にシリコン含有層を形成した後、この処理室内に酸素含有ガスを供給して基板上に形成したシリコン含有層を酸化させる基板処理工程が行われる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の基板処理工程における酸化反応の反応速度は、処理室内に供給されるガスの種別によって決定される。しかしながら、反応性の高いガスを用いて酸化処理を行うと、酸化処理の面内均一性が低下してしまう場合があった。
【０００４】
本発明は、処理室内に酸素含有ガスを供給して酸化処理を行う際に、酸化処理の面内均一性を向上させることの可能な半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、基板を収容した処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下でシリコン含有ガスを供給し排気することで、前記基板上にシリコン含有層を形成する工程と、前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成して、シリコンおよび炭素を含む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し排気することで、前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成する工程と、前記処理容器内に酸素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成する工程と、を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する工程を有し、前記シリコン酸炭窒化層を形成する工程では、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理容器と、前記処理容器内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、前記処理容器内に炭素含有ガスを供給する炭素含有ガス供給系と、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を含むガスを供給する酸素含有ガス供給系と、前記処理室内を排気する排気系と、基板を収容した前記処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下で前記シリコン含有ガスを供給し排気することで前記基板上にシリコン含有層を形成し、前記処理容器内に前記炭素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成してシリコンおよび炭素を含む層を形成し、前記処理容器内に前記窒素含有ガスを供給し排気することで前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成し、前記処理容器内に前記酸素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン炭窒化層を
酸化してシリコン酸炭窒化層を形成し、これを１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成すると共に、前記シリコン酸炭窒化層を形成する際に、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくするように、前記シリコン含有ガス供給系、前記炭素含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、および、前記排気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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る半導体装置の製造方法及び基板処理装置によれば、処理室内に酸素含有ガスを供給して酸化処理を行う際に、酸化処理の面内均一性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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で示す図である。
【図２】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。
【図３】本実施形態の基板処理工程に係るガス供給のタイミングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（１）基板処理装置の構成
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部分を縦断面で示しており、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
処理室２０１内における反応管２０３の下部には、第１ノズル２４９ａ、第２ノズル２４９ｂ、第３ノズル２４９ｃ、第４ノズル２４９ｄが反応管２０３を貫通するように設けられている。第１ノズル２４９ａ、第２ノズル２４９ｂ、第３ノズル２４９ｃ、第４ノズル２４９ｄには、第１ガス供給管２３２ａ、第２ガス供給管２３２ｂ、第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄが、それぞれ接続されている。このように、反応管２０３には４本のノズル２４９ａ、２４９ｂ、２４９ｃ、２４９ｄと、４本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ、２３２ｄが設けられており、処理室２０１内へ複数種類、こ
こでは４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。
【００１４】
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２３２ｅが接続されている。この第１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１ガス供給管２３２ａの先端部には、上述の第１ノズル２４９ａが接続されている。第１ノズル２４９ａ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。第１ノズル２４９ａはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第１ノズル２４９ａの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ａが設けられている。ガス供給孔２５０ａは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ａ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、第１ノズル２４９ａにより第１ガス供給系が構成される。また、主に、第１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１不活性ガス供給系が構成される。
【００１５】
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２３２ｆが接続されている。この第２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２ガス供給管２３２ｂの先端部には、上述の第２ノズル２４９ｂが接続されている。第２ノズル２４９ｂ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。第２ノズル２４９ｂはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第２ノズル２４９ｂの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ｂが設けられている。ガス供給孔２５０ｂは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ｂ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２ガス供給管２３２ｂ、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２４９ｂにより第２ガス供給系が構成される。また、主に、第２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２不活性ガス供給系が構成される。
【００１６】
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２３２ｇが接続されている。この第３不活性ガス供給管２３２ｇ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２４１ｇ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｇが設けられている。また、第３ガス供給管２３２ｃの先端部には、上述の第３ノズル２４９ｃが接続されている。第３ノズル２４９ｃ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。第３ノズル２４９ｃはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第３ノズル２４９ｃの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ｃが設けられている。ガス供給孔２５０ｃは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ｃ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３ガス供給管２３２ｃ、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４３ｃ、第３ノズル２４９ｃにより第３ガス供給系が構成される。また、主に、第３不活性ガス供給管２３２ｇ、マスフローコントローラ２４１ｇ、バルブ２４３ｇにより第３不活性ガス供給系が構成される。
【００１７】
第４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（ＭＦＣ）２４１ｄ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｄが設けられている。また、第４ガス供給管２３２ｄのバルブ２４３ｄよりも下流側には、第４不活性ガス供給管２３２ｈが接続されている。この第４不活性ガス供給管２３２ｈ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２４１ｈ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｈが設けられている。また、第４ガス供給管２３２ｄの先端部には上述の第４ノズル２４９ｄが接続されている。第４ノズル２４９ｄ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。
【００１８】
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。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２５０ｅが設けられている。ガス供給孔２５０ｅは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ｅ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。
【００１９】
第４ノズル２４９ｄは、バッファ室２３７のガス供給孔２５０ｅ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。第４ノズル２４９ｄはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第４ノズル２４９ｄの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ｄが設けられている。ガス供給孔２５０ｄ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２５０ｄは、バッファ室２３７のガス供給孔２５０ｅ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２５０ｄ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。
【００２０】
本実施形態においては、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄ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２５０ｄ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２５０ｄ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た。
【００２１】
すなわち、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄ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２５０ｅより処理室２０１内に噴出する。これにより、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄ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２５０ｅ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。
【００２２】
主に、第４ガス供給管２３２ｄ、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４３ｄ、
第４ノズル２４９ｄ、バッファ室２３７により第４ガス供給系が構成される。なお、第４ガス供給系においては、バッファ室２３７が、ガスをウエハ２００に向けて供給するノズルとして機能する。また、主に、第４不活性ガス供給管２３２ｈ、マスフローコントローラ２４１ｈ、バルブ２４３ｈにより第４不活性ガス供給系が構成される。
【００２３】
第１ガス供給管２３２ａからは、例えば、シリコン原料ガス、すなわちシリコン（Ｓｉ）を含むガス（シリコン含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ａ、バルブ２４３ａ、第１ノズル２４９ａを介して処理室２０１内に供給される。シリコン含有ガスとしては、例えばヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤ）ガスを用いることができる。
【００２４】
第２ガス供給管２３２ｂからは、例えばカーボン（Ｃ）すなわち炭素を含むガス（炭素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内に供給される。炭素含有ガスとしては、例えばプロピレン（Ｃ３Ｈ６）ガスを用いることができる。また、第２ガス供給管２３２ｂからは、例えば、水素（Ｈ）を含むガス（水素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内に供給されるようにしてもよい。水素含有ガスとしては、例えば水素（Ｈ２）ガスを用いることができる。
【００２５】
第３ガス供給管２３２ｃからは、例えば窒素（Ｎ）を含むガス（窒素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４３ｃ、第３ノズル２４９ｃを介して処理室２０１内に供給される。窒素含有ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることができる。
【００２６】
第４ガス供給管２３２ｄからは、例えば酸素（Ｏ）を含むガス（酸素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４３ｄ、第４ノズル２４９ｄ、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給される。酸素含有ガスとしては、例えば酸素（Ｏ２）ガスや亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスを用いることができる。
【００２７】
不活性ガス供給管２３２ｅ、２３２ｆ、２３２ｇ、２３２ｈからは、例えば窒素（Ｎ２）ガスが、それぞれマスフローコントローラ２４１ｅ、２４１ｆ、２４１ｇ、２４１ｈ、バルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｇ、２４３ｈ、ガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ、２３２ｄ、ガスノズル２４９ａ、２４９ｂ、２４９ｃ、２４９ｄおよびバッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給される。
【００２８】
なお、例えば各ガス供給管から上述のようなガスをそれぞれ流す場合、第１ガス供給系により原料ガス供給系、すなわちシリコン含有ガス供給系（シラン系ガス供給系）が構成される。また、第２ガス供給系により炭素含有ガス供給系が構成される。また、第３ガス供給系により窒素含有ガス供給系が構成される。また、第４ガス供給系により酸素含有ガス供給系が構成される。
【００２９】
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４ノズル２４９ｄ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。
【００３０】
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。
【００３１】
反応管２０３には、処理室２０１内の雰囲気を排気するガス排気管２３１が設けられている。ガス排気管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が接続されており、処理室２０１内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。なお、ＡＰＣバルブ２４４は弁を開閉して処理室２０１内の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能となっている開閉弁である。主に、ガス排気管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。
【００３２】
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なっている。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、ボート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、後述するボート２１７に接続されており、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おり、これによりボート２１７を処理室２０１内に対し搬入搬出することが可能となっている。
【００３３】
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。
【００３４】
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、ノズル２４９ａ、２４９ｂ、２４９ｃ、２４９ｄ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。
【００３５】
制御部（制御手段）であるコントローラ１２１は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ、２４１ｅ、２４１ｆ、２４１ｇ、２４１ｈ、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｇ、２４３ｈ、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、ボート回転機構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。コントローラ１２１により、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ、２４１ｅ、２４１ｆ、２４１ｇ、２４１ｈによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｇ、２４３ｈの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉及び圧力センサ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、ボート回転機構２６７の回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５の昇降動作等の制御や、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。
【００３６】
（２）基板処理工程
次に、上述の基板処理装置の処理炉を用いて半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板上に絶縁膜としてのシリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）を成膜する例について説明する。尚、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は、本実施形態におけるガス供給のタイミング図である。
【００３７】
本実施形態では、ウエハ２００を収容した処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下でシリコン含有ガスを供給し排気することで、ウエハ２００上にシリコン含有層を形成する工程と、処理容器内に炭素含有ガスを供給し排気することで、シリコン含有層の上に炭素含有層を形成して、シリコンおよび炭素を含む層を形成する工程と、処理容器内に窒素含有ガスを供給し排気することで、シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成する工程と、処理容器内に酸素含有ガスを供給し排気することで、シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成する工程と、を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する工程を有する。
【００３８】
なお、シリコン酸炭窒化層を形成する工程では、ウエハ２００の側方に設けられたノズル（バッファ室２３７）から酸素含有ガスを第１の流量にてウエハ２００に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズル（バッファ室２３７）から、酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、ノズル（バッファ室２３７）内の内圧を上げ、ノズル（バッファ室２３７）内と処理容器内との間に圧力差を発生させ、ウエハ２００の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速を、酸素含有ガスを第１の流量にて単独で流す場合におけるウエハ２００の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速よりも大きくする。
【００３９】
以下、本実施形態に係る基板処理工程を具体的に説明する。なお、ここでは、第１元素をシリコン（Ｓｉ）、第２元素を炭素（Ｃ）、第３元素を窒素（Ｎ）、第４元素を酸素（Ｏ）とし、第１元素含有ガスとしてシリコン含有ガスであるＨＣＤガスを、第２元素含有ガスとして炭素含有ガスであるＣ３Ｈ６ガスを、第３元素含有ガスとして窒素含有ガスであるＮＨ３ガスを、第４元素含有ガスとして酸素含有ガスであるＯ２ガスを用い、図３のシーケンスにより、ウエハ２００上に絶縁膜としてシリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）を形成する例について説明する。なお、この例では、第１ガス供給系によりシリコン含有ガス供給系（第１元素含有ガス供給系）が構成され、第２ガス供給系により炭素含有ガス供給系（第２元素含有ガス供給系）が構成され、第３ガス供給系により窒素含有ガス供給系（第３元素含有ガス供給系）が構成され、第４ガス供給系により酸素含有ガス供給系（
第４元素含有ガス供給系）が構成される。
【００４０】
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。
【００４１】
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（ウエハ回転）。その後、後述する４つのステップを順次実行する。
【００４２】
［ステップ１］
第１ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａ開き、第１ガス供給管２３２ａ内にＨＣＤガスを流す。第１ガス供給管２３２ａ内を流れたＨＣＤガスは、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２４９ａのガス供給孔２５０ａから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。このとき、同時にバルブ２４３ｅを開き、不活性ガス供給管２３２ｅ内にＮ２ガス等の不活性ガスを流す。不活性ガス供給管２３２ｅ内を流れた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る。流量調整されたＮ２ガスはＨＣＤガスと一緒に処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。
【００４３】
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、例えば１０〜１０００Ｐａの範囲内の圧力とする。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２００〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＨＣＤガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、処理室２０１内でＣＶＤ反応が生じる程度の温度、すなわちウエハ２００の温度が、例えば３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。なお、ウエハ２００の温度が３００℃未満となるとウエハ２００上にＨＣＤが吸着しにくくなる。また、ウエハ２００の温度が６５０℃を超えるとＣＶＤ反応が強くなり、均一性が悪化しやすくなる。よって、ウエハ２００の温度は３００〜６５０℃の範囲内の温度とするのが好ましい。
【００４４】
ＨＣＤガスの供給により、ウエハ２００表面の下地膜上に、第１元素としてのシリコンを含む第１の層が形成される。すなわち、ウエハ２００上（下地膜上）に１原子層未満から数原子層のシリコン含有層としてのシリコン層（Ｓｉ層）が形成される。シリコン含有層はＨＣＤの化学吸着層であってもよい。なお、シリコンは、それ単独で固体となる元素である。ここでシリコン層とはシリコン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薄膜をも含む。なお、シリコンにより構成される連続的な層を薄膜という場合もある。また、ＨＣＤの化学吸着層とはＨＣＤ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。なお、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での窒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とするのが好ましい。なお、ＨＣＤガスが自己分解する条件下では、ウエハ２００上にシリコンが堆積することでシリコン層が形成され、ＨＣＤガスが自己分解しない条件下では、ウエハ２００上にＨＣＤが化学吸着することでＨＣＤの化学吸着層が形成される。なお、ウエハ２００上にＨＣＤの化学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。
【００４５】
シリコン含有層が形成された後、バルブ２４３ａを閉じ、ＨＣＤガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは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。なお、この時バルブ２４３ｅは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。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高める。
【００４６】
シリコン含有ガスとしては、ＨＣＤガスの他、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２，略称ＤＣＳ）ガス、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４、略称：ＴＣＳ）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。
【００４７】
［ステップ２］
ステップ１が終了し処理室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内にＣ３Ｈ６ガスを流す。第２ガス供給管２３２ｂ内を流れたＣ３Ｈ６ガスは、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Ｃ３Ｈ６ガスは第２ノズル２４９ｂのガス供給孔２５０ｂから処理室内へ供給されつつガス排気管２３１から排気される。この時同時にバルブ２４３ｆを開き、不活性ガス供給管２３２ｆ内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスはＣ３Ｈ６ガスと一緒に処理室２０１内へ供給されつつガス排気管２３１から排気される。
【００４８】
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、例えば５０〜３０００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ｂで制御するＣ３Ｈ６ガスの供給流量は、例えば１００〜１００００ｓｃｃｍ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２００〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。Ｃ３Ｈ６ガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ステップ１と同様、ウエハ２００の温度が３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。なお、Ｃ３Ｈ６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、後述する炭素含有層の形成が容易となる。
【００４９】
このとき、処理室２０１内に流しているガスは熱的に活性化されたＣ３Ｈ６ガスであり、処理室２０１内にはＨＣＤガスは流していない。したがって、Ｃ３Ｈ６ガスは気相反応を起こすことはなく、活性化された状態でウエハ２００に対して供給され、このとき、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上に１原子層未満の炭素含有層、すなわち不連続な炭素含有層が形成される。これによりシリコン（第１元素）および炭素（第２元素）を含む第２の層が形成される。なお、条件によってはシリコン含有層の一
部とＣ３Ｈ６ガスとが反応して、シリコン含有層が改質（炭化）されてシリコンおよび炭素を含む第２の層が形成される場合もある。
【００５０】
シリコン含有層の上に形成する炭素含有層は、炭素層（Ｃ層）であってもよいし、Ｃ３Ｈ６が分解した物質（ＣｘＨｙ）の化学吸着層であってもよい。ここで、炭素層は炭素により構成される不連続な層とする必要がある。また、ＣｘＨｙの化学吸着層はＣｘＨｙ分子の不連続な化学吸着層とする必要がある。なお、シリコン含有層の上に形成する炭素含有層を連続的な層とした場合、例えばＣｘＨｙのシリコン含有層上への吸着状態を飽和状態として、シリコン含有層上にＣｘＨｙの連続的な化学吸着層を形成した場合、シリコン含有層の表面が全体的にＣｘＨｙの化学吸着層により覆われることとなる。この場合、第２の層の表面にシリコンが存在しなくなり、後述するステップ３での第２の層の窒化反応が困難となる。窒素はシリコンとは結合するが、炭素とは結合しないからである。後述するステップ３で所望の窒化反応を生じさせるためには、ＣｘＨｙのシリコン含有層上への吸着状態を非飽和状態として、第２の層の表面にシリコンが露出した状態とする必要がある。
【００５１】
その後、第２ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂを閉じて、Ｃ３Ｈ６ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは炭素含有層形成に寄与した後のＣ３Ｈ６ガスを処理室２０１内から排除する。なお、この時バルブ２４３ｆは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくは炭素含有層形成に寄与した後のＣ３Ｈ６ガスを処理室２０１内から排除する効果を高める。
【００５２】
炭素含有ガスとしては、Ｃ３Ｈ６ガス以外に、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスやエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガス等を用いてもよい。
【００５３】
［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を開き、第３ガス供給管２３２ｃ内にＮＨ３ガスを流す。第３ガス供給管２３２ｃ内を流れたＮＨ３ガスは、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ＮＨ３ガスは第３ノズル２４９ｃのガス供給孔２５０ｃから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。なお、処理室２０１内に供給されたＮＨ３ガスは熱により活性化される。この時同時にバルブ２４３ｇを開き不活性ガス供給管２３２ｇ内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスはＮＨ３ガスと一緒に処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。
【００５４】
ＮＨ３ガスを熱で活性化して流すときは、ＡＰＣバルブ２４４を適正に調整して処理室２０１内の圧力を、例えば５０〜３０００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ｄで制御するＮＨ３ガスの供給流量は、例えば１００〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｇで制御するＮ２ガスの供給流量は、例えば２００〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＮＨ３ガスにウエハ２００を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ステップ１と同様、ウエハ２００の温度が３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。ＮＨ３ガスは反応温度が高く、上記のようなウエハ温度では反応しづらいので、処理室２０１内の圧力を上記のような比較的高い圧力とすることにより熱的に活性化することを可能としている。なお、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、後述する窒化をソフトに行うことができる。
【００５５】
このとき、処理室２０１内に流しているガスは熱的に活性化されたＮＨ３ガスであり、処理室２０１内にはＨＣＤガスもＣ３Ｈ６ガスも流していない。したがって、ＮＨ３ガスは気相反応を起こすことはなく、活性化されたＮＨ３ガスは、ステップ２でウエハ２００上に形成された第２の層としてのシリコンおよび炭素を含む層の一部と反応する。これにより第２の層は窒化されて、シリコン（第１元素）、炭素（第２元素）および窒素（第３元素）を含む第３の層、すなわち、シリコン炭窒化層（ＳｉＣＮ層）へと改質される。
【００５６】
このとき、第２の層の窒化反応は飽和させないようにする。例えばステップ１で数原子層のシリコン層を形成し、ステップ２で１原子層未満の炭素含有層を形成した場合は、その表面層（表面の１原子層）の一部を窒化させる。すなわち、その表面層のうちの窒化が生じ得る領域（シリコンが露出した領域）の一部もしくは全部を窒化させる。この場合、第２の層の全体を窒化させないように、第２の層の窒化反応が非飽和となる条件下で窒化を行う。なお、条件によっては第２の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、シリコン酸炭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、ステップ２で１原子層未満の炭素含有層を形成した場合も、同様にその表面層の一部を窒化させる。この場合も、第２の層の全体を窒化させないように、第２の層の窒化反応が非飽和となる条件下で窒化を行う。
【００５７】
その後、第３ガス供給管２３２ｃのバルブ２４３ｃを閉じて、ＮＨ３ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のＮＨ３ガスを処理室２０１内から排除する。なお、この時バルブ２４３ｇは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のＮＨ３ガスを処理室２０１内から排除する効果を高める。
【００５８】
窒素含有ガスとしては、ＮＨ３ガス以外に、Ｎ２ガス、ＮＦ３ガス、Ｎ３Ｈ８ガス等を用いてもよい。
【００５９】
［ステップ４］
処理室２０１内の残留ガスを除去した後、第４ガス供給管２３２ｄのバルブ２４３ｄ、第４不活性ガス供給管２３２ｈのバルブ２４３ｈを開き、第４ガス供給管２３２ｄ内にＯ２ガスを流し、第４不活性ガス供給管２３２ｈ内に酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスを流す。第４不活性ガス供給管２３２ｈ内を流れたＮ２ガスは、マスフローコントローラ２４１ｈにより流量調整される。第４ガス供給管２３２ｄ内を流れたＯ２ガスは、マスフローコントローラ２４１ｄ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４ガス供給管２３２ｄ内で混合されて、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄからバッファ室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間には高周波電力を印加しない。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、ガス供給孔２５０ｅからウエハ２００に向けて処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。なお、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して、バッファ室２３７内に供給されたＯ２ガスをプラズマで活性化させることもできる。
【００６０】
Ｏ２ガスを熱で活性化して流すときは、ＡＰＣバルブ２４４を適正に調整して処理室２０１内の圧力を、例えば１〜３０００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ｄで制御するＯ２ガスの供給流量は、例えば１００〜５０００ｓｃｃｍ（０．１〜５ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｈで制御する酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、Ｏ２ガスの供給流量よりも大流量とし、例え
ば１０００〜２００００ｓｃｃｍ（１〜２０ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。Ｏ２ガスにウエハ２００を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ステップ１〜３と同様、ウエハ２００の温度が３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。Ｏ２ガスは上記のような条件下で熱的に活性化される。なお、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、後述する酸化をソフトに行うことができる。
【００６１】
このとき、処理室２０１内に流しているガスは熱的に活性化されたＯ２ガスであり、処理室２０１内にはＨＣＤガスもＣ３Ｈ６ガスもＮＨ３ガスも流していない。したがって、Ｏ２ガスは気相反応を起こすことはなく、活性化されたＯ２ガスは、ステップ３でウエハ２００上に形成された第３の層としてのＳｉＣＮ層の少なくとも一部と反応する。これによりＳｉＣＮ層は酸化されて、シリコン（第１元素）、炭素（第２元素）、窒素（第３元素）および酸素（第４元素）を含む第４の層、すなわち、シリコン酸炭窒化層（ＳｉＯＣＮ層）へと改質される。
【００６２】
このとき、ＳｉＣＮ層の酸化反応は飽和させないようにする。例えばステップ１〜３で数原子層のＳｉＣＮ層を形成した場合は、その表面層（表面の１原子層）の少なくとも一部を酸化させる。この場合、ＳｉＣＮ層の全体を酸化させないように、ＳｉＣＮ層の酸化反応が非飽和となる条件下で酸化を行う。なお、条件によってはＳｉＣＮ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、ＳｉＯＣＮ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１〜３で１原子層または１原子層未満のＳｉＣＮ層を形成した場合も、同様にその表面層の一部を酸化させる。この場合も、ＳｉＣＮ層の全体を酸化させないように、ＳｉＣＮ層の酸化反応が非飽和となる条件下で酸化を行う。
【００６３】
その後、第４ガス供給管２３２ｄのバルブ２４３ｄを閉じて、Ｏ２ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは酸化に寄与した後のＯ２ガスを処理室２０１内から排除する。この時バルブ２４３ｈは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくは酸化に寄与した後のＯ２ガスを処理室２０１内から排除する効果を高める。なお、このときマスフローコントローラ２４１ｈを制御して、第４不活性ガス供給管２３２ｈから供給するＮ２ガスの供給流量を１０００〜２００００ｓｃｃｍ（１〜２０ｓｌｍ）から２００〜１０００ｓｃｃｍ（０．２〜１ｓｌｍ）へと変更する。
【００６４】
酸素含有ガスとしては、Ｏ２ガス以外に、Ｏ３ガス、ＮＯ、Ｎ２Ｏガス等を用いてもよい。酸化反応抑制ガスとしては、Ｎ２ガスの他、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ等の希ガスを用いてもよい。
【００６５】
上述したステップ１〜４を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことにより、ウエハ２００上に所定膜厚のシリコン（第１元素）、炭素（第２元素）、窒素（第３元素）および酸素（第４元素）を含む薄膜、すなわち、シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）を成膜することができる。なお、上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。
【００６６】
所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する成膜処理がなされると、Ｎ２等の不活性ガスが処理室２０１内へ供給されつつ排気されることで処理室２０１内が不活性ガスでパージされる（ガスパージ）。その後、処理室２０１内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。
【００６７】
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に支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（ボートアンローディング）される。その後、処理済のウエハ２００はボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
【００６８】
（３）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。
【００６９】
（ａ）本実施形態のステップ４では、上述のように、ウエハ２００に向けてＯ２ガスを供給するノズル（バッファ室２３７）と同じノズル（バッファ室２３７）から、Ｏ２ガスと一緒に酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスを大流量にて供給することで、ノズル（バッファ室２３７）内の内圧を高め、ノズル（バッファ室２３７）内と処理室２０１内との間の圧力差を大きくして、Ｏ２ガスの流速、特にウエハ２００表面と平行方向に流れる（ウエハ２００表面を横切る）Ｏ２ガスの流速を速くする。すなわち、Ｏ２ガスのウエハ２００表面と平行方向への吹き付けを強くする。これにより、Ｏ２ガスによるＳｉＣＮ層の酸化反応を抑制しつつＳｉＣＮ層を酸化してＳｉＯＣＮ層を形成することができるようになる。この酸化反応抑制ガスの作用により、反応性の高いガスを用いる場合においても、ＳｉＣＮ層をウエハ面内にわたり均一に酸化することが可能となり、均一にＳｉＯＣＮ層を形成することが可能となる。その結果、形成されるＳｉＯＣＮ膜の屈折率のウエハ面内均一性と膜厚のウエハ面内均一性を向上させることができることとなる。
【００７０】
なお、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、１〜２０ｓｌｍの範囲内の流量とするのが好ましく、Ｏ２ガスの供給流量よりも大流量とするのが好ましい。例えば、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、、Ｏ２ガスの供給流量の２〜１５倍程度の流量とすることが好ましい。このようにＮ２ガスの供給流量を設定し、Ｎ２ガスの体積流量を、Ｏ２ガスの体積流量よりも大流量とすることで、ウエハ２００表面と平行方向に流れるＯ２ガスの流速を速くするのが好ましい。すなわち、Ｏ２ガスをウエハ２００表面と平行方向により強く吹き付けるのが好ましい。また、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、ステップ１、２、３、４において残留ガス除去のために処理室２０１内に供給するパージガスとしてのＮ２ガスの供給流量よりも大流量とするのが好ましい。このように酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量を設定し、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの体積流量を、パージガスとしてのＮ２ガスの体積流量よりも大流量とすることで、ウエハ２００表面と平行方向に流れるＯ２ガスの流速を、ウエハ２００表面と平行方向に流れるパージガスとしてのＮ２ガスの流速よりも速くするのが好ましい。すなわち、パージガスとしてのＮ２ガスをウエハ２００表面と平行方向に吹き付けるよりも強く、Ｏ２ガスをウエハ２００表面と平行方向に吹き付けるのが好ましい。
【００７１】
発明者の鋭意研究によれば、ステップ４において処理室２０１内に供給するＯ２ガスの流量を１ｓｌｍとし、Ｎ２ガスの流量を９ｓｌｍとした場合（実施例）、形成されたシリコン酸炭窒化膜の膜厚のウエハ面内均一性は１．８６％となり、屈折率のウエハ面内均一性は０．９６％となった。これに対し、ステップ４において処理室２０１内に供給するＯ２ガスの流量を１ｓｌｍとし、Ｎ２ガスの供給を行わなかった場合（比較例）、形成されたシリコン酸炭窒化膜の膜厚のウエハ面内均一性は７．０５％となり、屈折率のウエハ面内均一性は１．３３％となった。なお、膜厚、屈折率のウエハ面内均一性は、ウエハ面内における膜厚、屈折率のばらつきの度合をそれぞれ示しており、その値が小さいほど、ウエハ面内における膜厚、屈折率の均一性がそれぞれ良好なことを示している。
【００７２】
このように、比較例に示すようなＯ２ガスの流し方では、反応性の高いＯ２ガス等を用
いて酸化処理を行うと、酸化処理の面内均一性が低下してしまう場合があることが分かる。なお、処理室２０１内の圧力を低下させることで、酸化処理の面内均一性を向上させる方法も考えられるが、かかる場合、酸化速度が大幅に低下してしまったり、制御性が悪化してしまう等の恐れがある。これに対し、実施例のように、処理室２０１内の圧力を低下させることなく、処理室２０１内に供給されるＯ２ガスの流速を増大させるようにすれば、酸化速度の大幅な低下を抑制しつつ、制御性よく酸化処理の面内均一性を向上させることが可能となる。
【００７３】
（ｂ）本実施形態のステップ２〜４では、処理室２０１内に供給するＣ３Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスはそれぞれ熱で活性化させてウエハ２００表面に供給するようにしている。これにより、上述の反応をそれぞれソフトに生じさせることができ、炭素含有層の形成、窒化処理、酸化処理を制御性よく容易に行うことが可能となる。
【００７４】
＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００７５】
例えば、処理室２０１内にバッファ室２３７を設けず、第４ノズル２４９ｄから処理室２０１内にＯ２ガスおよびＮ２ガスが直接に供給されるように構成されていてもよい。すなわち、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄを反応管２０３の中心側に向けることで、第４ノズル２４９ｄからＯ２ガスおよびＮ２ガスがウエハ２００に向けて直接に供給されるようにすると共に、第４ノズル２４９ｄから処理室２０１内に供給するＮ２ガスの流量をＯ２ガスの流量よりも大きくし、第４ノズル２４０ｄ内の圧力を増大させるようにしても、上述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。また、第４ノズル２４９ｄを設けず、バッファ室２３７のみが設けられている場合にも同様の効果を奏することが可能である。
【００７６】
また、例えば、処理室２０１内に供給するＣ３Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスはそれぞれ熱で活性化させる場合に限らず、例えばプラズマを用いて活性化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
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 ガス排気管
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４ガス供給管
【技術分野】
【０００１】
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及び基板処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板を収容した処理室内にシリコン含有ガス等を供給して基板上にシリコン含有層を形成した後、この処理室内に酸素含有ガスを供給して基板上に形成したシリコン含有層を酸化させる基板処理工程が行われる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の基板処理工程における酸化反応の反応速度は、処理室内に供給されるガスの種別によって決定される。しかしながら、反応性の高いガスを用いて酸化処理を行うと、酸化処理の面内均一性が低下してしまう場合があった。
【０００４】
本発明は、処理室内に酸素含有ガスを供給して酸化処理を行う際に、酸化処理の面内均一性を向上させることの可能な半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、基板を収容した処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下でシリコン含有ガスを供給し排気することで、前記基板上にシリコン含有層を形成する工程と、前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成して、シリコンおよび炭素を含む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し排気することで、前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成する工程と、前記処理容器内に酸素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成する工程と、を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する工程を有し、前記シリコン酸炭窒化層を形成する工程では、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理容器と、前記処理容器内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、前記処理容器内に炭素含有ガスを供給する炭素含有ガス供給系と、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を含むガスを供給する酸素含有ガス供給系と、前記処理室内を排気する排気系と、基板を収容した前記処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下で前記シリコン含有ガスを供給し排気することで前記基板上にシリコン含有層を形成し、前記処理容器内に前記炭素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成してシリコンおよび炭素を含む層を形成し、前記処理容器内に前記窒素含有ガスを供給し排気することで前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成し、前記処理容器内に前記酸素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン炭窒化層を
酸化してシリコン酸炭窒化層を形成し、これを１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成すると共に、前記シリコン酸炭窒化層を形成する際に、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくするように、前記シリコン含有ガス供給系、前記炭素含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、および、前記排気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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る半導体装置の製造方法及び基板処理装置によれば、処理室内に酸素含有ガスを供給して酸化処理を行う際に、酸化処理の面内均一性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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で示す図である。
【図２】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。
【図３】本実施形態の基板処理工程に係るガス供給のタイミングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（１）基板処理装置の構成
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部分を縦断面で示しており、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
処理室２０１内における反応管２０３の下部には、第１ノズル２４９ａ、第２ノズル２４９ｂ、第３ノズル２４９ｃ、第４ノズル２４９ｄが反応管２０３を貫通するように設けられている。第１ノズル２４９ａ、第２ノズル２４９ｂ、第３ノズル２４９ｃ、第４ノズル２４９ｄには、第１ガス供給管２３２ａ、第２ガス供給管２３２ｂ、第３ガス供給管２３２ｃ、第４ガス供給管２３２ｄが、それぞれ接続されている。このように、反応管２０３には４本のノズル２４９ａ、２４９ｂ、２４９ｃ、２４９ｄと、４本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ、２３２ｄが設けられており、処理室２０１内へ複数種類、こ
こでは４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。
【００１４】
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２３２ｅが接続されている。この第１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１ガス供給管２３２ａの先端部には、上述の第１ノズル２４９ａが接続されている。第１ノズル２４９ａ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。第１ノズル２４９ａはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第１ノズル２４９ａの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ａが設けられている。ガス供給孔２５０ａは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ａ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、第１ノズル２４９ａにより第１ガス供給系が構成される。また、主に、第１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１不活性ガス供給系が構成される。
【００１５】
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２３２ｆが接続されている。この第２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２ガス供給管２３２ｂの先端部には、上述の第２ノズル２４９ｂが接続されている。第２ノズル２４９ｂ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。第２ノズル２４９ｂはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第２ノズル２４９ｂの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ｂが設けられている。ガス供給孔２５０ｂは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ｂ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２ガス供給管２３２ｂ、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２４９ｂにより第２ガス供給系が構成される。また、主に、第２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２不活性ガス供給系が構成される。
【００１６】
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２３２ｇが接続されている。この第３不活性ガス供給管２３２ｇ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２４１ｇ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｇが設けられている。また、第３ガス供給管２３２ｃの先端部には、上述の第３ノズル２４９ｃが接続されている。第３ノズル２４９ｃ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。第３ノズル２４９ｃはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第３ノズル２４９ｃの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ｃが設けられている。ガス供給孔２５０ｃは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ｃ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３ガス供給管２３２ｃ、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４３ｃ、第３ノズル２４９ｃにより第３ガス供給系が構成される。また、主に、第３不活性ガス供給管２３２ｇ、マスフローコントローラ２４１ｇ、バルブ２４３ｇにより第３不活性ガス供給系が構成される。
【００１７】
第４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（ＭＦＣ）２４１ｄ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｄが設けられている。また、第４ガス供給管２３２ｄのバルブ２４３ｄよりも下流側には、第４不活性ガス供給管２３２ｈが接続されている。この第４不活性ガス供給管２３２ｈ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２４１ｈ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｈが設けられている。また、第４ガス供給管２３２ｄの先端部には上述の第４ノズル２４９ｄが接続されている。第４ノズル２４９ｄ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。
【００１８】
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。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２５０ｅが設けられている。ガス供給孔２５０ｅは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔２５０ｅ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。
【００１９】
第４ノズル２４９ｄは、バッファ室２３７のガス供給孔２５０ｅ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。第４ノズル２４９ｄはＬ字型のロングノズルとして構成されている。第４ノズル２４９ｄの側面にはガスを供給するガス供給孔２５０ｄが設けられている。ガス供給孔２５０ｄ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２５０ｄは、バッファ室２３７のガス供給孔２５０ｅ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２５０ｄ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。
【００２０】
本実施形態においては、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄ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２５０ｄ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２５０ｄ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た。
【００２１】
すなわち、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄ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２５０ｅより処理室２０１内に噴出する。これにより、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄ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２５０ｅ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。
【００２２】
主に、第４ガス供給管２３２ｄ、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４３ｄ、
第４ノズル２４９ｄ、バッファ室２３７により第４ガス供給系が構成される。なお、第４ガス供給系においては、バッファ室２３７が、ガスをウエハ２００に向けて供給するノズルとして機能する。また、主に、第４不活性ガス供給管２３２ｈ、マスフローコントローラ２４１ｈ、バルブ２４３ｈにより第４不活性ガス供給系が構成される。
【００２３】
第１ガス供給管２３２ａからは、例えば、シリコン原料ガス、すなわちシリコン（Ｓｉ）を含むガス（シリコン含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ａ、バルブ２４３ａ、第１ノズル２４９ａを介して処理室２０１内に供給される。シリコン含有ガスとしては、例えばヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤ）ガスを用いることができる。
【００２４】
第２ガス供給管２３２ｂからは、例えばカーボン（Ｃ）すなわち炭素を含むガス（炭素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内に供給される。炭素含有ガスとしては、例えばプロピレン（Ｃ３Ｈ６）ガスを用いることができる。また、第２ガス供給管２３２ｂからは、例えば、水素（Ｈ）を含むガス（水素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、第２ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内に供給されるようにしてもよい。水素含有ガスとしては、例えば水素（Ｈ２）ガスを用いることができる。
【００２５】
第３ガス供給管２３２ｃからは、例えば窒素（Ｎ）を含むガス（窒素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４３ｃ、第３ノズル２４９ｃを介して処理室２０１内に供給される。窒素含有ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることができる。
【００２６】
第４ガス供給管２３２ｄからは、例えば酸素（Ｏ）を含むガス（酸素含有ガス）が、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４３ｄ、第４ノズル２４９ｄ、バッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給される。酸素含有ガスとしては、例えば酸素（Ｏ２）ガスや亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスを用いることができる。
【００２７】
不活性ガス供給管２３２ｅ、２３２ｆ、２３２ｇ、２３２ｈからは、例えば窒素（Ｎ２）ガスが、それぞれマスフローコントローラ２４１ｅ、２４１ｆ、２４１ｇ、２４１ｈ、バルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｇ、２４３ｈ、ガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ、２３２ｄ、ガスノズル２４９ａ、２４９ｂ、２４９ｃ、２４９ｄおよびバッファ室２３７を介して処理室２０１内に供給される。
【００２８】
なお、例えば各ガス供給管から上述のようなガスをそれぞれ流す場合、第１ガス供給系により原料ガス供給系、すなわちシリコン含有ガス供給系（シラン系ガス供給系）が構成される。また、第２ガス供給系により炭素含有ガス供給系が構成される。また、第３ガス供給系により窒素含有ガス供給系が構成される。また、第４ガス供給系により酸素含有ガス供給系が構成される。
【００２９】
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４ノズル２４９ｄ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。
【００３０】
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。
【００３１】
反応管２０３には、処理室２０１内の雰囲気を排気するガス排気管２３１が設けられている。ガス排気管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が接続されており、処理室２０１内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。なお、ＡＰＣバルブ２４４は弁を開閉して処理室２０１内の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能となっている開閉弁である。主に、ガス排気管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。
【００３２】
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なっている。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、ボート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、後述するボート２１７に接続されており、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おり、これによりボート２１７を処理室２０１内に対し搬入搬出することが可能となっている。
【００３３】
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。
【００３４】
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、ノズル２４９ａ、２４９ｂ、２４９ｃ、２４９ｄ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。
【００３５】
制御部（制御手段）であるコントローラ１２１は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ、２４１ｅ、２４１ｆ、２４１ｇ、２４１ｈ、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｇ、２４３ｈ、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、ボート回転機構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。コントローラ１２１により、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ、２４１ｅ、２４１ｆ、２４１ｇ、２４１ｈによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｇ、２４３ｈの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉及び圧力センサ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、ボート回転機構２６７の回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５の昇降動作等の制御や、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。
【００３６】
（２）基板処理工程
次に、上述の基板処理装置の処理炉を用いて半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板上に絶縁膜としてのシリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）を成膜する例について説明する。尚、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は、本実施形態におけるガス供給のタイミング図である。
【００３７】
本実施形態では、ウエハ２００を収容した処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下でシリコン含有ガスを供給し排気することで、ウエハ２００上にシリコン含有層を形成する工程と、処理容器内に炭素含有ガスを供給し排気することで、シリコン含有層の上に炭素含有層を形成して、シリコンおよび炭素を含む層を形成する工程と、処理容器内に窒素含有ガスを供給し排気することで、シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成する工程と、処理容器内に酸素含有ガスを供給し排気することで、シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成する工程と、を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する工程を有する。
【００３８】
なお、シリコン酸炭窒化層を形成する工程では、ウエハ２００の側方に設けられたノズル（バッファ室２３７）から酸素含有ガスを第１の流量にてウエハ２００に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズル（バッファ室２３７）から、酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、ノズル（バッファ室２３７）内の内圧を上げ、ノズル（バッファ室２３７）内と処理容器内との間に圧力差を発生させ、ウエハ２００の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速を、酸素含有ガスを第１の流量にて単独で流す場合におけるウエハ２００の表面と平行方向に流れる酸素含有ガスの流速よりも大きくする。
【００３９】
以下、本実施形態に係る基板処理工程を具体的に説明する。なお、ここでは、第１元素をシリコン（Ｓｉ）、第２元素を炭素（Ｃ）、第３元素を窒素（Ｎ）、第４元素を酸素（Ｏ）とし、第１元素含有ガスとしてシリコン含有ガスであるＨＣＤガスを、第２元素含有ガスとして炭素含有ガスであるＣ３Ｈ６ガスを、第３元素含有ガスとして窒素含有ガスであるＮＨ３ガスを、第４元素含有ガスとして酸素含有ガスであるＯ２ガスを用い、図３のシーケンスにより、ウエハ２００上に絶縁膜としてシリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）を形成する例について説明する。なお、この例では、第１ガス供給系によりシリコン含有ガス供給系（第１元素含有ガス供給系）が構成され、第２ガス供給系により炭素含有ガス供給系（第２元素含有ガス供給系）が構成され、第３ガス供給系により窒素含有ガス供給系（第３元素含有ガス供給系）が構成され、第４ガス供給系により酸素含有ガス供給系（
第４元素含有ガス供給系）が構成される。
【００４０】
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。
【００４１】
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（ウエハ回転）。その後、後述する４つのステップを順次実行する。
【００４２】
［ステップ１］
第１ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａ開き、第１ガス供給管２３２ａ内にＨＣＤガスを流す。第１ガス供給管２３２ａ内を流れたＨＣＤガスは、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２４９ａのガス供給孔２５０ａから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。このとき、同時にバルブ２４３ｅを開き、不活性ガス供給管２３２ｅ内にＮ２ガス等の不活性ガスを流す。不活性ガス供給管２３２ｅ内を流れた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る。流量調整されたＮ２ガスはＨＣＤガスと一緒に処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。
【００４３】
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、例えば１０〜１０００Ｐａの範囲内の圧力とする。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２００〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＨＣＤガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、処理室２０１内でＣＶＤ反応が生じる程度の温度、すなわちウエハ２００の温度が、例えば３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。なお、ウエハ２００の温度が３００℃未満となるとウエハ２００上にＨＣＤが吸着しにくくなる。また、ウエハ２００の温度が６５０℃を超えるとＣＶＤ反応が強くなり、均一性が悪化しやすくなる。よって、ウエハ２００の温度は３００〜６５０℃の範囲内の温度とするのが好ましい。
【００４４】
ＨＣＤガスの供給により、ウエハ２００表面の下地膜上に、第１元素としてのシリコンを含む第１の層が形成される。すなわち、ウエハ２００上（下地膜上）に１原子層未満から数原子層のシリコン含有層としてのシリコン層（Ｓｉ層）が形成される。シリコン含有層はＨＣＤの化学吸着層であってもよい。なお、シリコンは、それ単独で固体となる元素である。ここでシリコン層とはシリコン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薄膜をも含む。なお、シリコンにより構成される連続的な層を薄膜という場合もある。また、ＨＣＤの化学吸着層とはＨＣＤ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。なお、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での窒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とするのが好ましい。なお、ＨＣＤガスが自己分解する条件下では、ウエハ２００上にシリコンが堆積することでシリコン層が形成され、ＨＣＤガスが自己分解しない条件下では、ウエハ２００上にＨＣＤが化学吸着することでＨＣＤの化学吸着層が形成される。なお、ウエハ２００上にＨＣＤの化学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。
【００４５】
シリコン含有層が形成された後、バルブ２４３ａを閉じ、ＨＣＤガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは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。なお、この時バルブ２４３ｅは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。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高める。
【００４６】
シリコン含有ガスとしては、ＨＣＤガスの他、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２，略称ＤＣＳ）ガス、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４、略称：ＴＣＳ）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。
【００４７】
［ステップ２］
ステップ１が終了し処理室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内にＣ３Ｈ６ガスを流す。第２ガス供給管２３２ｂ内を流れたＣ３Ｈ６ガスは、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Ｃ３Ｈ６ガスは第２ノズル２４９ｂのガス供給孔２５０ｂから処理室内へ供給されつつガス排気管２３１から排気される。この時同時にバルブ２４３ｆを開き、不活性ガス供給管２３２ｆ内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスはＣ３Ｈ６ガスと一緒に処理室２０１内へ供給されつつガス排気管２３１から排気される。
【００４８】
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、例えば５０〜３０００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ｂで制御するＣ３Ｈ６ガスの供給流量は、例えば１００〜１００００ｓｃｃｍ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２００〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。Ｃ３Ｈ６ガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ステップ１と同様、ウエハ２００の温度が３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。なお、Ｃ３Ｈ６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、後述する炭素含有層の形成が容易となる。
【００４９】
このとき、処理室２０１内に流しているガスは熱的に活性化されたＣ３Ｈ６ガスであり、処理室２０１内にはＨＣＤガスは流していない。したがって、Ｃ３Ｈ６ガスは気相反応を起こすことはなく、活性化された状態でウエハ２００に対して供給され、このとき、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上に１原子層未満の炭素含有層、すなわち不連続な炭素含有層が形成される。これによりシリコン（第１元素）および炭素（第２元素）を含む第２の層が形成される。なお、条件によってはシリコン含有層の一
部とＣ３Ｈ６ガスとが反応して、シリコン含有層が改質（炭化）されてシリコンおよび炭素を含む第２の層が形成される場合もある。
【００５０】
シリコン含有層の上に形成する炭素含有層は、炭素層（Ｃ層）であってもよいし、Ｃ３Ｈ６が分解した物質（ＣｘＨｙ）の化学吸着層であってもよい。ここで、炭素層は炭素により構成される不連続な層とする必要がある。また、ＣｘＨｙの化学吸着層はＣｘＨｙ分子の不連続な化学吸着層とする必要がある。なお、シリコン含有層の上に形成する炭素含有層を連続的な層とした場合、例えばＣｘＨｙのシリコン含有層上への吸着状態を飽和状態として、シリコン含有層上にＣｘＨｙの連続的な化学吸着層を形成した場合、シリコン含有層の表面が全体的にＣｘＨｙの化学吸着層により覆われることとなる。この場合、第２の層の表面にシリコンが存在しなくなり、後述するステップ３での第２の層の窒化反応が困難となる。窒素はシリコンとは結合するが、炭素とは結合しないからである。後述するステップ３で所望の窒化反応を生じさせるためには、ＣｘＨｙのシリコン含有層上への吸着状態を非飽和状態として、第２の層の表面にシリコンが露出した状態とする必要がある。
【００５１】
その後、第２ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂを閉じて、Ｃ３Ｈ６ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは炭素含有層形成に寄与した後のＣ３Ｈ６ガスを処理室２０１内から排除する。なお、この時バルブ２４３ｆは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくは炭素含有層形成に寄与した後のＣ３Ｈ６ガスを処理室２０１内から排除する効果を高める。
【００５２】
炭素含有ガスとしては、Ｃ３Ｈ６ガス以外に、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスやエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガス等を用いてもよい。
【００５３】
［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を開き、第３ガス供給管２３２ｃ内にＮＨ３ガスを流す。第３ガス供給管２３２ｃ内を流れたＮＨ３ガスは、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ＮＨ３ガスは第３ノズル２４９ｃのガス供給孔２５０ｃから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。なお、処理室２０１内に供給されたＮＨ３ガスは熱により活性化される。この時同時にバルブ２４３ｇを開き不活性ガス供給管２３２ｇ内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスはＮＨ３ガスと一緒に処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。
【００５４】
ＮＨ３ガスを熱で活性化して流すときは、ＡＰＣバルブ２４４を適正に調整して処理室２０１内の圧力を、例えば５０〜３０００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ｄで制御するＮＨ３ガスの供給流量は、例えば１００〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｇで制御するＮ２ガスの供給流量は、例えば２００〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＮＨ３ガスにウエハ２００を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ステップ１と同様、ウエハ２００の温度が３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。ＮＨ３ガスは反応温度が高く、上記のようなウエハ温度では反応しづらいので、処理室２０１内の圧力を上記のような比較的高い圧力とすることにより熱的に活性化することを可能としている。なお、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、後述する窒化をソフトに行うことができる。
【００５５】
このとき、処理室２０１内に流しているガスは熱的に活性化されたＮＨ３ガスであり、処理室２０１内にはＨＣＤガスもＣ３Ｈ６ガスも流していない。したがって、ＮＨ３ガスは気相反応を起こすことはなく、活性化されたＮＨ３ガスは、ステップ２でウエハ２００上に形成された第２の層としてのシリコンおよび炭素を含む層の一部と反応する。これにより第２の層は窒化されて、シリコン（第１元素）、炭素（第２元素）および窒素（第３元素）を含む第３の層、すなわち、シリコン炭窒化層（ＳｉＣＮ層）へと改質される。
【００５６】
このとき、第２の層の窒化反応は飽和させないようにする。例えばステップ１で数原子層のシリコン層を形成し、ステップ２で１原子層未満の炭素含有層を形成した場合は、その表面層（表面の１原子層）の一部を窒化させる。すなわち、その表面層のうちの窒化が生じ得る領域（シリコンが露出した領域）の一部もしくは全部を窒化させる。この場合、第２の層の全体を窒化させないように、第２の層の窒化反応が非飽和となる条件下で窒化を行う。なお、条件によっては第２の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、シリコン酸炭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、ステップ２で１原子層未満の炭素含有層を形成した場合も、同様にその表面層の一部を窒化させる。この場合も、第２の層の全体を窒化させないように、第２の層の窒化反応が非飽和となる条件下で窒化を行う。
【００５７】
その後、第３ガス供給管２３２ｃのバルブ２４３ｃを閉じて、ＮＨ３ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のＮＨ３ガスを処理室２０１内から排除する。なお、この時バルブ２４３ｇは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のＮＨ３ガスを処理室２０１内から排除する効果を高める。
【００５８】
窒素含有ガスとしては、ＮＨ３ガス以外に、Ｎ２ガス、ＮＦ３ガス、Ｎ３Ｈ８ガス等を用いてもよい。
【００５９】
［ステップ４］
処理室２０１内の残留ガスを除去した後、第４ガス供給管２３２ｄのバルブ２４３ｄ、第４不活性ガス供給管２３２ｈのバルブ２４３ｈを開き、第４ガス供給管２３２ｄ内にＯ２ガスを流し、第４不活性ガス供給管２３２ｈ内に酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスを流す。第４不活性ガス供給管２３２ｈ内を流れたＮ２ガスは、マスフローコントローラ２４１ｈにより流量調整される。第４ガス供給管２３２ｄ内を流れたＯ２ガスは、マスフローコントローラ２４１ｄ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４ガス供給管２３２ｄ内で混合されて、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄからバッファ室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間には高周波電力を印加しない。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、ガス供給孔２５０ｅからウエハ２００に向けて処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。なお、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して、バッファ室２３７内に供給されたＯ２ガスをプラズマで活性化させることもできる。
【００６０】
Ｏ２ガスを熱で活性化して流すときは、ＡＰＣバルブ２４４を適正に調整して処理室２０１内の圧力を、例えば１〜３０００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ｄで制御するＯ２ガスの供給流量は、例えば１００〜５０００ｓｃｃｍ（０．１〜５ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。マスフローコントローラ２４１ｈで制御する酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、Ｏ２ガスの供給流量よりも大流量とし、例え
ば１０００〜２００００ｓｃｃｍ（１〜２０ｓｌｍ）の範囲内の流量とする。Ｏ２ガスにウエハ２００を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１〜１２０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ステップ１〜３と同様、ウエハ２００の温度が３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。Ｏ２ガスは上記のような条件下で熱的に活性化される。なお、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、後述する酸化をソフトに行うことができる。
【００６１】
このとき、処理室２０１内に流しているガスは熱的に活性化されたＯ２ガスであり、処理室２０１内にはＨＣＤガスもＣ３Ｈ６ガスもＮＨ３ガスも流していない。したがって、Ｏ２ガスは気相反応を起こすことはなく、活性化されたＯ２ガスは、ステップ３でウエハ２００上に形成された第３の層としてのＳｉＣＮ層の少なくとも一部と反応する。これによりＳｉＣＮ層は酸化されて、シリコン（第１元素）、炭素（第２元素）、窒素（第３元素）および酸素（第４元素）を含む第４の層、すなわち、シリコン酸炭窒化層（ＳｉＯＣＮ層）へと改質される。
【００６２】
このとき、ＳｉＣＮ層の酸化反応は飽和させないようにする。例えばステップ１〜３で数原子層のＳｉＣＮ層を形成した場合は、その表面層（表面の１原子層）の少なくとも一部を酸化させる。この場合、ＳｉＣＮ層の全体を酸化させないように、ＳｉＣＮ層の酸化反応が非飽和となる条件下で酸化を行う。なお、条件によってはＳｉＣＮ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、ＳｉＯＣＮ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１〜３で１原子層または１原子層未満のＳｉＣＮ層を形成した場合も、同様にその表面層の一部を酸化させる。この場合も、ＳｉＣＮ層の全体を酸化させないように、ＳｉＣＮ層の酸化反応が非飽和となる条件下で酸化を行う。
【００６３】
その後、第４ガス供給管２３２ｄのバルブ２４３ｄを閉じて、Ｏ２ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４４は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは酸化に寄与した後のＯ２ガスを処理室２０１内から排除する。この時バルブ２４３ｈは開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくは酸化に寄与した後のＯ２ガスを処理室２０１内から排除する効果を高める。なお、このときマスフローコントローラ２４１ｈを制御して、第４不活性ガス供給管２３２ｈから供給するＮ２ガスの供給流量を１０００〜２００００ｓｃｃｍ（１〜２０ｓｌｍ）から２００〜１０００ｓｃｃｍ（０．２〜１ｓｌｍ）へと変更する。
【００６４】
酸素含有ガスとしては、Ｏ２ガス以外に、Ｏ３ガス、ＮＯ、Ｎ２Ｏガス等を用いてもよい。酸化反応抑制ガスとしては、Ｎ２ガスの他、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ等の希ガスを用いてもよい。
【００６５】
上述したステップ１〜４を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことにより、ウエハ２００上に所定膜厚のシリコン（第１元素）、炭素（第２元素）、窒素（第３元素）および酸素（第４元素）を含む薄膜、すなわち、シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）を成膜することができる。なお、上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。
【００６６】
所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する成膜処理がなされると、Ｎ２等の不活性ガスが処理室２０１内へ供給されつつ排気されることで処理室２０１内が不活性ガスでパージされる（ガスパージ）。その後、処理室２０１内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。
【００６７】
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に支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（ボートアンローディング）される。その後、処理済のウエハ２００はボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
【００６８】
（３）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。
【００６９】
（ａ）本実施形態のステップ４では、上述のように、ウエハ２００に向けてＯ２ガスを供給するノズル（バッファ室２３７）と同じノズル（バッファ室２３７）から、Ｏ２ガスと一緒に酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスを大流量にて供給することで、ノズル（バッファ室２３７）内の内圧を高め、ノズル（バッファ室２３７）内と処理室２０１内との間の圧力差を大きくして、Ｏ２ガスの流速、特にウエハ２００表面と平行方向に流れる（ウエハ２００表面を横切る）Ｏ２ガスの流速を速くする。すなわち、Ｏ２ガスのウエハ２００表面と平行方向への吹き付けを強くする。これにより、Ｏ２ガスによるＳｉＣＮ層の酸化反応を抑制しつつＳｉＣＮ層を酸化してＳｉＯＣＮ層を形成することができるようになる。この酸化反応抑制ガスの作用により、反応性の高いガスを用いる場合においても、ＳｉＣＮ層をウエハ面内にわたり均一に酸化することが可能となり、均一にＳｉＯＣＮ層を形成することが可能となる。その結果、形成されるＳｉＯＣＮ膜の屈折率のウエハ面内均一性と膜厚のウエハ面内均一性を向上させることができることとなる。
【００７０】
なお、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、１〜２０ｓｌｍの範囲内の流量とするのが好ましく、Ｏ２ガスの供給流量よりも大流量とするのが好ましい。例えば、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、、Ｏ２ガスの供給流量の２〜１５倍程度の流量とすることが好ましい。このようにＮ２ガスの供給流量を設定し、Ｎ２ガスの体積流量を、Ｏ２ガスの体積流量よりも大流量とすることで、ウエハ２００表面と平行方向に流れるＯ２ガスの流速を速くするのが好ましい。すなわち、Ｏ２ガスをウエハ２００表面と平行方向により強く吹き付けるのが好ましい。また、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量は、ステップ１、２、３、４において残留ガス除去のために処理室２０１内に供給するパージガスとしてのＮ２ガスの供給流量よりも大流量とするのが好ましい。このように酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの供給流量を設定し、酸化反応抑制ガスとしてのＮ２ガスの体積流量を、パージガスとしてのＮ２ガスの体積流量よりも大流量とすることで、ウエハ２００表面と平行方向に流れるＯ２ガスの流速を、ウエハ２００表面と平行方向に流れるパージガスとしてのＮ２ガスの流速よりも速くするのが好ましい。すなわち、パージガスとしてのＮ２ガスをウエハ２００表面と平行方向に吹き付けるよりも強く、Ｏ２ガスをウエハ２００表面と平行方向に吹き付けるのが好ましい。
【００７１】
発明者の鋭意研究によれば、ステップ４において処理室２０１内に供給するＯ２ガスの流量を１ｓｌｍとし、Ｎ２ガスの流量を９ｓｌｍとした場合（実施例）、形成されたシリコン酸炭窒化膜の膜厚のウエハ面内均一性は１．８６％となり、屈折率のウエハ面内均一性は０．９６％となった。これに対し、ステップ４において処理室２０１内に供給するＯ２ガスの流量を１ｓｌｍとし、Ｎ２ガスの供給を行わなかった場合（比較例）、形成されたシリコン酸炭窒化膜の膜厚のウエハ面内均一性は７．０５％となり、屈折率のウエハ面内均一性は１．３３％となった。なお、膜厚、屈折率のウエハ面内均一性は、ウエハ面内における膜厚、屈折率のばらつきの度合をそれぞれ示しており、その値が小さいほど、ウエハ面内における膜厚、屈折率の均一性がそれぞれ良好なことを示している。
【００７２】
このように、比較例に示すようなＯ２ガスの流し方では、反応性の高いＯ２ガス等を用
いて酸化処理を行うと、酸化処理の面内均一性が低下してしまう場合があることが分かる。なお、処理室２０１内の圧力を低下させることで、酸化処理の面内均一性を向上させる方法も考えられるが、かかる場合、酸化速度が大幅に低下してしまったり、制御性が悪化してしまう等の恐れがある。これに対し、実施例のように、処理室２０１内の圧力を低下させることなく、処理室２０１内に供給されるＯ２ガスの流速を増大させるようにすれば、酸化速度の大幅な低下を抑制しつつ、制御性よく酸化処理の面内均一性を向上させることが可能となる。
【００７３】
（ｂ）本実施形態のステップ２〜４では、処理室２０１内に供給するＣ３Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスはそれぞれ熱で活性化させてウエハ２００表面に供給するようにしている。これにより、上述の反応をそれぞれソフトに生じさせることができ、炭素含有層の形成、窒化処理、酸化処理を制御性よく容易に行うことが可能となる。
【００７４】
＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００７５】
例えば、処理室２０１内にバッファ室２３７を設けず、第４ノズル２４９ｄから処理室２０１内にＯ２ガスおよびＮ２ガスが直接に供給されるように構成されていてもよい。すなわち、第４ノズル２４９ｄのガス供給孔２５０ｄを反応管２０３の中心側に向けることで、第４ノズル２４９ｄからＯ２ガスおよびＮ２ガスがウエハ２００に向けて直接に供給されるようにすると共に、第４ノズル２４９ｄから処理室２０１内に供給するＮ２ガスの流量をＯ２ガスの流量よりも大きくし、第４ノズル２４０ｄ内の圧力を増大させるようにしても、上述の実施形態と同様の効果を奏することが可能である。また、第４ノズル２４９ｄを設けず、バッファ室２３７のみが設けられている場合にも同様の効果を奏することが可能である。
【００７６】
また、例えば、処理室２０１内に供給するＣ３Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス、Ｏ２ガスはそれぞれ熱で活性化させる場合に限らず、例えばプラズマを用いて活性化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
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 ガス排気管
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４ガス供給管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を収容した処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下でシリコン含有ガスを供給し排気することで、前記基板上にシリコン含有層を形成する工程と、
前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成して、シリコンおよび炭素を含む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し排気することで、前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成する工程と、
前記処理容器内に酸素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成する工程と、
を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する工程を有し、
前記シリコン酸炭窒化層を形成する工程では、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、
前記処理容器内に炭素含有ガスを供給する炭素含有ガス供給系と、
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を含むガスを供給する酸素含有ガス供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
基板を収容した前記処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下で前記シリコン含有ガスを供給し排気することで前記基板上にシリコン含有層を形成し、前記処理容器内に前記炭素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成してシリコンおよび炭素を含む層を形成し、前記処理容器内に前記窒素含有ガスを供給し排気することで前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成し、前記処理容器内に前記酸素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成し、これを１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成すると共に、前記シリコン酸炭窒化層を形成する際に、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくするように、前記シリコン含有ガス供給系、前記炭素含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、および、前記排気系を制御する制御部と、を有する
ことを特徴とする基板処理装置。
【請求項１】
基板を収容した処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下でシリコン含有ガスを供給し排気することで、前記基板上にシリコン含有層を形成する工程と、
前記処理容器内に炭素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成して、シリコンおよび炭素を含む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し排気することで、前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成する工程と、
前記処理容器内に酸素含有ガスを供給し排気することで、前記シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成する工程と、
を１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成する工程を有し、
前記シリコン酸炭窒化層を形成する工程では、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内にシリコン含有ガスを供給するシリコン含有ガス供給系と、
前記処理容器内に炭素含有ガスを供給する炭素含有ガス供給系と、
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を含むガスを供給する酸素含有ガス供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
基板を収容した前記処理容器内にＣＶＤ反応が生じる条件下で前記シリコン含有ガスを供給し排気することで前記基板上にシリコン含有層を形成し、前記処理容器内に前記炭素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン含有層の上に炭素含有層を形成してシリコンおよび炭素を含む層を形成し、前記処理容器内に前記窒素含有ガスを供給し排気することで前記シリコンおよび炭素を含む層を窒化してシリコン炭窒化層を形成し、前記処理容器内に前記酸素含有ガスを供給し排気することで前記シリコン炭窒化層を酸化してシリコン酸炭窒化層を形成し、これを１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことで、所定膜厚のシリコン酸炭窒化膜を形成すると共に、前記シリコン酸炭窒化層を形成する際に、前記基板の側方に設けられたノズルから前記酸素含有ガスを第１の流量にて前記基板に向けて供給し、その際、そのノズルと同じノズルから、前記酸素含有ガスと一緒に不活性ガスを前記第１の流量よりも大きな第２の流量にて供給することで、前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速を、前記酸素含有ガスを前記第１の流量にて単独で流す場合における前記基板の表面と平行方向に流れる前記酸素含有ガスの流速よりも大きくするように、前記シリコン含有ガス供給系、前記炭素含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、および、前記排気系を制御する制御部と、を有する
ことを特徴とする基板処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１９２８７５（Ｐ２０１１−１９２８７５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５８９３８（Ｐ２０１０−５８９３８）
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
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