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JP2009209447A - 基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電圧分布不均一による処理の不均一を防止することができる基板処理装置の提供。
【解決手段】ＡＬＤ装置は、複数枚のウエハを積載したボートを収容する処理室３２と、処理ガスをウエハに供給するガス供給系と、ウエハの積載方向に配置された一対の放電電極５７、５７と、一対の放電電極５７、５７に高周波電力を供給する高周波電源５８と、一対の放電電極５７、５７の高周波電源５８と反対側先端間に接続された可変インピーダンス素子６２と、高周波電源５８の出力周波数を変化させるコントローラとを備える。プラズマ放電中に、高周波電源の出力周波数を変化させ、電圧分布の極小点を移動させ、一対の放電電極内でのプラズマ生成量を均一化させる。一対の放電電極内でのプラズマ生成量を均一化することにより、ボートに積層したウエハ相互間の処理のばらつきを抑制し、処理をボート全長にわたって均一化することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板処理装置に関し、特にバッチ式リモートプラズマ処理装置に関する。
例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、半導体素子を含む半導体集積回路を作り込む半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に絶縁膜や金属膜を堆積（デポジション）するのに利用して有効なものに関する。
ＩＣの製造方法において低温下でウエハに成膜する基板処理装置として、バッチ式リモートプラズマ処理装置が、提案されている（例えば、特許文献１参照）。
バッチ式リモートプラズマ処理装置は、複数枚のウエハを一括して処理する処理室を形成したプロセスチューブと、処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、処理室内を排気する排気手段と、処理室内にてプラズマを生成させて処理ガスを励起させる高周波電力が印加される一対の放電電極と、放電電極間に高周波電力を印加する高周波電源および整合器と、を備えている。
特開２００２−２８０３７８号公報
このようなバッチ式リモートプラズマ処理装置においては、膜厚が薄い等の規定外の処理結果のウエハが形成されるのを防止するために、処理室の温度変化や圧力変化およびガス流量の変化が常時監視されている。
しかしながら、前述のバッチ式リモートプラズマ処理装置においては、一対の電極は先端が開放されており、電線線路のインピーダンスと整合していないために、電圧定在波が発生する。そのため、電圧振幅は一対の電極の先端部において大きく、高周波電源に近づくにつれて減少し、ある点で最小値となり、その後、再び増大する。
この一対の電極の場所による電圧振幅の違いはプラズマ強度の場所による変化を発生するために、前記したバッチ式リモートプラズマ処理装置には、積層した複数枚のウエハを均一に処理することができないという問題点がある。
本発明の目的は、電圧分布不均一による処理の不均一を防止することができる基板処理装置を提供することにある。
前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
積載した基板を収容する処理室と、
処理ガスを前記基板に供給するガス供給系と、
前記基板の積載方向に配置された一対の電極と、
前記一対の電極に高周波電力を供給し、前記処理ガスを励起するためのプラズマを生成する高周波電源と、
前記一対の電極における前記高周波電源と反対側先端部に接続された可変インピーダンス素子と、
前記基板の処理中に、前記高周波電源の出力周波数を変化させる制御部と、
を備えることを特徴とする基板処理装置。
前記手段によれば、一対の電極内の電圧分布を変化させることにより、場所によるプラズマ分布の差異を抑制することができるので、処理の不均一を防止することができる。
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
本発明に係る基板処理装置は、原子層成膜（Atomic Layer Deposition 。以下、ＡＬＤという。）法を実施するＡＬＤ装置として構成されている。ＡＬＤ法はウエハ等の基板へプラズマを利用して成膜するプラズマＣＶＤ法の一つである。
ＡＬＤ法は、表面反応を利用して成膜を行う方法であり、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ順次に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させる方法である。
例えば、シリコン窒化（ＳｉＮｘ）膜を形成する場合のＡＬＤ法においては、ジクロロシラン（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 。ＤＣＳ）ガスとアンモニア（ＮＨ3 ）ガスを用いて、３００〜６００℃の低温で、高品質の成膜が可能である。
複数種類の反応性ガスは１種類ずつ順次に供給する。
膜厚の制御は反応性ガス供給のサイクル数によって実行することができる。例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合には、複数種類のガスの供給を２０サイクル行う。
図１に示されているように、本実施の形態に係るＡＬＤ装置１０は筐体１１を備えており、筐体１１の前面にはカセット授受ユニット１２が設備されている。カセット授受ユニット１２はカセットステージ１３を備えており、カセットステージ１３はウエハ１のキャリアであるカセット２を二台載置することができる。カセットステージ１３は９０度回転することにより、カセット２を水平姿勢にさせる。
カセットステージ１３の下方にはウエハ姿勢整合装置１４が二組設備されている。
カセット２はカセットステージ１３に外部搬送装置（図示せず）によって搬送されて来る。外部搬送装置は搬送して来たカセット２をカセットステージ１３に、垂直姿勢（カセット２に収納されたウエハ１が垂直になる状態）で載置する。
ウエハ姿勢整合装置１４はカセット２に収納されたウエハ１の姿勢を、ウエハ１のノッチやオリエンテーションフラットが同一になるように整合する。
筐体１１内にはカセット棚１５がカセット授受ユニット１２に対向して設備されており、カセット授受ユニット１２の上方には予備カセット棚１６が設備されている。
カセット授受ユニット１２とカセット棚１５との間には、カセット移載装置１７が設備されている。カセット移載装置１７は前後方向に進退可能なロボットアーム１８を備えており、ロボットアーム１８は横行および昇降可能に構成されている。
ロボットアーム１８は進退、昇降および横行の協働によって、カセットステージ１３の上の水平姿勢となったカセット２をカセット棚１５または予備カセット棚１６へ搬送して移載する。
カセット棚１５後方にはウエハ移載装置１９が設備されている。ウエハ移載装置１９は回転および昇降可能に構成されている。ウエハ移載装置１９は複数枚のウエハ１を一括して移載する。ウエハ移載装置１９は進退可能なウエハ保持部２０を備えており、ウエハ保持部２０には複数枚のウエハ保持プレート２１が水平に取り付けられている。
ウエハ移載装置１９はウエハ１を１枚ずつ移載するように構成される場合もある。
ウエハ移載装置１９の後方にはボートエレベータ２２が設備されており、ボートエレベータ２２は複数枚のウエハ１を保持したボート２５を昇降させる。
ボートエレベータ２２のアーム２３にはボート２５がシールキャップ２４を介して水平に設置されている。
図２に示されているように、シールキャップ２４はプロセスチューブ３１の炉口３３の内径よりも大径の外径を有する円盤形状に形成されている。シールキャップ２４はプロセスチューブ３１の下端面にシールリング２４ａを挟んで当接することにより、プロセスチューブ３１の炉口３３を閉塞する。
シールキャップ２４の中心線上にはボート２５が断熱キャップ部２６を介して垂直に立脚されて支持されている。
シールキャップ２４の中心線上には回転軸２７が挿通されており、回転軸２７はシールキャップ２４と共に昇降し、かつ、回転駆動装置２８によって回転される。回転軸２７の上端には支持板２９が水平に固定されており、支持板２９の上にはボート２５が断熱キャップ部２６を介して垂直に立脚されて支持されている。
ボート２５は上下で一対の端板２５ａ、２５ｂと、両端板２５ａと２５ｂとの間に架設されて垂直に配設された複数本（本実施の形態では３本）の保持部材２５ｃとを備えている。各保持部材２５ｃには多数条の保持溝２５ｄが長手方向に等間隔に配されて、同一平面内で互いに対向して開口するように没設されている。
ウエハ１の外周縁辺が各保持部材２５ｃの多数条の保持溝２５ｄ間にそれぞれ挿入されることにより、複数枚のウエハ１はボート２５に水平にかつ互いに中心を揃えられた状態で整列されて保持される。
図２〜図４に示されているように、ＡＬＤ装置１０は処理炉３０を備えており、処理炉３０はプロセスチューブ３１を備えている。プロセスチューブ３１は石英（ＳｉＯ2 ）が用いられて一体的に形成されている。プロセスチューブ３１は円筒形状に形成され、一端が開口し他端が閉塞している。プロセスチューブ３１は中心線が垂直になるように縦に配されて固定的に支持されている。
プロセスチューブ３１の筒中空部は処理室３２を形成しており、処理室３２は複数枚のウエハ１を収容して処理する。プロセスチューブ３１の下端開口はウエハ１を出し入れする炉口３３を形成している。プロセスチューブ３１の内径は取り扱うウエハ１の最大外径よりも大きくなるように設定されている。
プロセスチューブ３１の外部にはヒータユニット３４が同心円に設備されており、ヒータユニット３４はプロセスチューブ３１の周囲を包囲している。ヒータユニット３４は処理室３２を全体にわたって均一または所定の温度分布に加熱する。
ヒータユニット３４はＡＬＤ装置１０の筐体１１に支持されることにより、垂直に据え付けられた状態になっている。
プロセスチューブ３１は排気管３５の一端を、炉口３３付近における側壁の一部に接続されている。図３に示されているように、排気管３５は他端を真空ポンプ３６に可変流量制御弁３７を介して接続している。排気管３５は処理室３２を真空引きする。
可変流量制御弁３７は弁体の開度を調節して排気量を調整することにより、処理室３２の圧力を制御する。
プロセスチューブ３１はガス供給管３８の一端を、炉口３３付近側壁の排気管３５と略１８０度反対側位置に接続されている。図３に示されているように、ガス供給管３８は他端をガス供給源３９に接続されている。ガス供給源３９はＡＬＤ法における所定ガス種を供給する。可変流量制御弁４０と上流側開閉弁４１とガス溜め４２と下流側開閉弁４３とは、ガス供給管３８の途中にガス供給源３９の側から順に介設されている。
プロセスチューブ３１は略正方形筒形状の隔壁４４を、ガス供給管３８と対向する部分に敷設されている。隔壁４４はプロセスチューブ３１の内周面と平行で上下方向に延在している。隔壁４４はガス供給室４５を形成している。
図４に示されているように、隔壁４４には複数個の吹出口４６が開設されており、複数個の吹出口４６のそれぞれはボート２５の上下で隣り合うウエハ１、１間に対向している。各吹出口４６はガス供給室４５に供給されたガスを均等に吹き出す。
ガス供給室４５と処理室３２の差圧が小さい場合には、吹出口４６の開口面積は上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチに設定することが好ましい。
しかし、ガス供給室４５と処理室３２の差圧が大きい場合には、吹出口４６の開口面積を上流側から下流側に向かって大きくするか、または、吹出口４６の開口ピッチを上流側から下流側に向かって小さくすることが好ましい。
プロセスチューブ３１は略長方形筒形状の隔壁４７を、炉口３３付近側壁の排気管３５と略９０度離れた位置に敷設されており、この隔壁４７もプロセスチューブ３１の内周面と平行で上下方向に延在している。この隔壁（以下、プラズマ室壁という。）４７はプラズマ室４８を形成している。
図３に示されているように、プラズマ室壁４７は内向き側壁の断面形状を円弧形に形成されており、その周方向の幅は略６０度に設定されている。プラズマ室壁４７は複数個の吹出口４９を内向き側壁の排気管３５側端部に開設されており、複数個の吹出口４９のそれぞれはボート２５の上下で隣り合うウエハ１、１間に対向している。各吹出口４９はプラズマ室４８に供給されたガスを均等に吹き出す。
プラズマ室壁４７の吹出口４９と、ガス供給室４５を形成した隔壁４４の吹出口４６との位相差は、約１２０度に設定されている。
プラズマ室４８と処理室３２の差圧が小さい場合には、プラズマ室壁４７の吹出口４９の開口面積は上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチに設定することが好ましい。
しかし、プラズマ室４８と処理室３２の差圧が大きい場合には、吹出口４９の開口面積を上流側から下流側に向かって大きくするか、吹出口４９の開口ピッチを上流側から下流側に向かって小さくすることが好ましい。
プロセスチューブ３１はガス供給管５０の一端を、炉口３３付近側壁の吹出口４９と反対側位置に接続されている。ガス供給管５０は他端をガス供給源５１に接続されており、ガス供給源５１はＡＬＤ法における所定ガス種を供給する。
可変流量制御弁５２と開閉弁５３とはガス供給管５０の途中に、ガス供給源５１の側から順に介設されている。
ガス供給管５０はノズル５４の一端をプラズマ室壁４７の内部側端に接続されており、ノズル５４は垂直に立脚されている。ノズル５４は複数個のガス供給口５５を、直方向に等間隔に配置されて、それぞれ周方向内向きに開設されている。
プラズマ室４８内には一対の保護管５６、５６が上下方向に延在するように敷設されている。一対の保護管５６、５６はプラズマ室４８の中心線を挟んで互いに反対側に対称形にそれぞれ位置している。
各保護管５６は誘電体が使用されて細長い円形のパイプ形状に形成されており、上端が閉塞している。各保護管５６の下端部は適度に屈曲されて、プロセスチューブ３１の側壁を貫通して外部に突き出されている。
各保護管５６の中空部内は処理室３２の外部（大気圧）に連通している。
両保護管５６、５６は一対の放電電極５７を、中空部内にそれぞれ同心的に敷設されている。両放電電極５７、５７は導電材料が使用されて細長い棒状に形成されている。
両放電電極５７、５７間には高周波電力を印加する高周波電源５８が整合器５９を介して電気的に接続されている。
高周波電源５８および整合器５９はコントローラ６０によって制御される。
コントローラ６０は可変流量制御弁３７、４０、５２や開閉弁４１、４３、５３およびヒータユニット３４等を制御する。
図４（ａ）に示されているように、両保護管５６、５６の上端間には取付管６１が連結されており、取付管６１は内外を気密封止されている。取付管６１内には可変インピーダンス素子６２が設置されている。可変インピーダンス素子６２は両端を両放電電極５７、５７の高周波電源５８と反対側端にそれぞれ電気的に接続されている。
可変インピーダンス素子６２は、図４（ｂ）に示された並列共振回路６３によって構成されている。並列共振回路６３はコイル６４と可変コンデンサ６５とを並列に配置しており、両端を両放電電極５７、５７に直列に接続される。このように短絡（ショート）させることにより、反射する位相角を変えることが出来る。 このとき、進行波と反射波の重ね合いの位相が変わる。
次に、以上の構成に係るＡＬＤ装置１０を使用したＩＣの製造方法における成膜工程を説明する。
まず、基板処理装置としての全体の流れを説明する。
図２に示されているように、ＡＬＤ装置１０の被処理基板としてのウエハ１は複数枚がボート２５にウエハ移載装置１９によって装填（チャージング）される。
複数枚のウエハ１が装填されたボート２５は、シールキャップ２４および回転軸２７と共にボートエレベータ２２によって上昇されて、プロセスチューブ３１の処理室３２に搬入（ボートローディング）される。
図５に示されているように、ウエハ１群を保持したボート２５が処理室３２に搬入されて、処理室３２がシールキャップ２４によってシールされると、処理室３２は排気管３５に接続された真空ポンプ３６によって所定の圧力以下に排気され、ヒータユニット３４への供給電力が上昇されることにより、処理室３２の温度が所定の温度に上昇される。
ヒータユニット３４がホットウオール形構造であることにより、処理室３２の温度は全体にわたって均一に維持された状態になり、その結果、ボート２５に保持されたウエハ１群の温度分布は全長にわたって均一になるとともに、各ウエハ１の面内の温度分布も均一かつ同一になる。
処理室３２の温度が予め設定された値に達して安定した後に、後述するＡＬＤ法による成膜作業が実施される。
所定の成膜作業が完了すると、シールキャップ２４がボートエレベータ２２によって下降されることにより、炉口３３が開口されるとともに、ボート２５に保持された状態でウエハ１群が炉口３３から処理室３２の外部に搬出（ボートアンローディング）される。
処理室３２の外部に搬出されたウエハ１群は、ボート２５からウエハ移載装置１９によってディスチャージングされる（降ろされる）。
以降、前記した作動が繰り返されることにより、複数枚のウエハ１が一括してバッチ処理される。
次に、ＡＬＤ法による成膜作業を、ジクロロシランガスとアンモニアガスとを用いてシリコン窒化膜を形成する場合について説明する。
ジクロロシランガスとアンモニアガスとを用いてシリコン窒化膜を形成する場合には、次の第一ステップ、第二ステップおよび第三ステップが順に実施される。
第一ステップにおいては、プラズマ励起の必要なアンモニアガスと、プラズマ励起の必要のないジクロロシランガスとが併行して流される。
図６に示されているように、ガス供給管５０に設けた開閉弁５３および排気管３５に設けた可変流量制御弁３７が共に開けられる。ガス供給管５０から可変流量制御弁５２によって流量調整されたアンモニアガス７１が、ノズル５４のガス供給口５５からプラズマ室４８へ噴出する。
また、一対の放電電極５７、５７間には高周波電力が高周波電源５８から整合器５９を介して印加される。プラズマ室４８に噴出したアンモニアガス７１はプラズマ励起され、活性種７２として処理室３２に供給されつつ排気管３５から排気される。
アンモニアガス７１をプラズマ励起することによって活性種７２として処理室３２に供給し排気するときは、可変流量制御弁３７を適正に調整することにより、処理室３２の圧力を１０〜１００Ｐａとする。
可変流量制御弁５２によって制御されるアンモニアガス７１の供給流量は、１０００〜１００００ｓｃｃｍである。
アンモニアガス７１をプラズマ励起することによって得られた活性種７２にウエハ１を晒す時間は、２〜１２０秒間である。
このときのヒータユニット３４の制御温度は、ウエハの温度が３００〜６００℃になるように設定されている。アンモニアガス７１は反応温度が高いために、このときのウエハ温度（３００〜６００℃）では反応しない。したがって、アンモニアガス７１をプラズマ励起することによって活性種７２としてから供給することにより、ウエハ１の温度が低い温度範囲のままであっても、アンモニアガス７１をウエハに堆積させることができる。
このアンモニアガス７１をプラズマ励起することによって活性種７２として処理室３２に供給しているときに、図６に示されているように、ガス供給管３８の上流側開閉弁４１が開かれるとともに、下流側開閉弁４３が閉められることにより、プラズマ励起の必要のないジクロロシランガス７３がガス溜め４２へ流される。これにより、ジクロロシランガス７３が上流側開閉弁４１と下流側開閉弁４３との間に設けたガス溜め４２に溜まる。
このとき、処理室３２に流れているガスはアンモニアガス７１をプラズマ励起することにより得られた活性種７２であり、処理室３２内にはジクロロシランガス７３は存在しない。したがって、アンモニアガス７１は気相反応を起こすことはなく、プラズマによって励起されて活性種７２となったアンモニアガス７１は、ウエハ１の上の下地膜と表面反応する。
第二ステップにおいては、図７に示されているように、ガス供給管５０の開閉弁５３が閉められて、アンモニアガス７１の供給は停止される。
他方、ジクロロシランガス７３のガス溜め４２への供給は継続される。所定圧かつ所定量のジクロロシランガス７３がガス溜め４２に溜まったら、上流側開閉弁４１も閉められる（図３参照）。これにより、ジクロロシランガス７３がガス溜め４２に閉じ込められる。ジクロロシランガス７３は圧力が２００００Ｐａ以上になるようにガス溜め４２内に溜められる。
また、ガス溜め４２と処理室３２との間のコンダクタンスが１．５×１０-3ｍ3 ／ｓ以上になるように、可変流量制御弁４０および開閉弁４１、４３と可変流量制御弁３７とがコントローラ６０によって制御される。
さらに、処理室３２の容積とこれに対する必要なガス溜め４２の容積との比として考えると、処理室３２の容積が１００ｌ（リットル）の場合においては、ガス溜め４２の容積は１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め４２は処理室３２の容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
そして、図７に示されているように、排気管３５の可変流量制御弁３７は開いたままにして、処理室３２を真空ポンプ３６によって２０Ｐａ以下に排気することにより、残留したアンモニアガス７１を処理室３２から排除する。この際に、窒素ガス等の不活性ガスを処理室３２に供給すると、残留したアンモニアガス７１を処理室３２からより一層効果的に排除することができる。
第三ステップにおいては、処理室３２の排気が終わったら、図８に示されているように、排気管３５の可変流量制御弁３７が閉じられて、排気が停止されるとともに、ガス供給管３８の下流側開閉弁４３が開かれる。これにより、ガス溜め４２に溜められたジクロロシランガス７３が処理室３２に一気に供給される。このとき、排気管３５の可変流量制御弁３７が閉じられているので、処理室３２内の圧力は急激に上昇して、約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧する。
ジクロロシランガス７３を供給するための時間は２〜４秒に設定し、その後、上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とする。このときのウエハの温度はアンモニアガス７１の供給時と同じく、３００〜６００℃である。
このジクロロシランガス７３の供給によって、ウエハ１の下地膜の上のアンモニアガス７１とジクロロシランガス７３とが表面反応して、シリコン窒化膜がウエハ１の上に形成される。
図示は省略するが、成膜後には下流側開閉弁４３が閉じられるとともに、可変流量制御弁３７が開けられて、処理室３２が真空排気され、成膜に寄与した後に残留したジクロロシランガス７３が排除される。このときに窒素ガス等の不活性ガスを処理室３２に供給すると、成膜に寄与した後に残留したジクロロシランガス７３を処理室３２からより一層効果的に排除することができる。
そして、上流側開閉弁４１が開かれて、第一ステップのガス溜め４２へのジクロロシランガス７３の供給が開始される。
以上の第一ステップ〜第三ステップが１サイクルとされ、このサイクルが複数回繰り返されることにより、所定の膜厚のシリコン窒化膜がウエハ１の上に形成される。
ところで、ＡＬＤ法においては、原料ガスは下地膜表面に吸着する。この原料ガスの吸着量は、原料ガスの圧力および原料ガスの暴露時間に比例する。したがって、所望する一定量の原料ガスを短時間で吸着させるためには、原料ガスの圧力を短時間で上昇させる必要がある。
本実施の形態においては、可変流量制御弁３７を閉じたうえで、ガス溜め４２に溜めたジクロロシランガス７３を瞬間的に処理室３２に供給しているので、処理室３２のジクロロシランガス７３の圧力を急激に上昇させることができ、所望する一定量のジクロロシランガス７３を瞬間的に吸着させることができる。
しかも、本実施の形態では、ジクロロシランガス７３をガス溜め４２に溜めるための特別なステップ（時間）を必要としない。なぜならば、アンモニアガス７１をプラズマ励起することによって活性種７２として供給しつつ処理室３２を排気している間に、ガス溜め４２にジクロロシランガス７３を並行して溜めているからである。
また、処理室３２内を排気してアンモニアガス７１を除去してからジクロロシランガス７３を処理室３２に供給するので、アンモニアガス７１とジクロロシランガス７３とはウエハ１に向かう途中で反応しない。つまり、処理室３２に供給されたジクロロシランガス７３は、ウエハ１に予め吸着したアンモニアガス７１だけと有効に反応する。
ところで、図９（ａ）に示されているように、一対の放電電極５７、５７が一端で開放している場合には、電線線路のインピーダンスと整合していないために、図９（ｂ）に示されているように、電圧定在波が発生する。そのため、電圧振幅は一対の放電電極５７、５７の先端部において大きく、高周波電源５８に近づくにつれて減少し、ある点で最小値となり、その後、再び増大する。
この一対の放電電極５７、５７の場所による電圧振幅の違いはプラズマ強度の場所による変化を発生するために、前述したＡＬＤ方法において、積層した複数枚のウエハを均一に処理することができない。
本実施の形態に係るＡＬＤ装置１０においては、一対の放電電極５７、５７の上端間に接続された可変インピーダンス素子６２によってインピーダンスを変更することができるので、高周波電源５８の出力周波数を変化させることにより、電圧分布を図４（ｃ）に示された曲線Ａ−Ｂ−Ｃのように変化させることができる。
プラズマ放電中に、高周波電源５８の出力周波数を変化させ、電圧分布の極小点を移動させることにより、一対の放電電極５７、５７内でのプラズマ生成量を均一化させることができる。好適には、プラズマ放電中、ずっと出力周波数を変化させ続ける。
また、出力周波数の変化の速度は電気的に変更可能である。出力周波数の変化量は、コイル６４との兼ね合いに応じて決定される。
今、高周波電源５８の出力周波数と可変インピーダンス素子６２との並列共振周波数が一致している場合を考える。
この場合には、可変インピーダンス素子６２は並列共振しており、可変インピーダンス素子６２は高インピーダンスになるため、電圧分布は図４（ｃ）の実線曲線Ｂになる。この場合の電圧分布は、一対の放電電極５７、５７間に可変インピーダンス素子６２を接続していない場合（図９参照）と同様である。
次に、高周波電源５８の出力周波数が可変インピーダンス素子６２の並列共振周波数よりも低い場合を考える。
この場合には、可変インピーダンス素子６２は誘導性（図４（ｄ）参照）になるために、電圧分布は図４（ｃ）の鎖線曲線Ｃになる。
次に、高周波電源５８の出力周波数が可変インピーダンス素子６２の並列共振周波数よりも高い場合を考える。
この場合には、可変インピーダンス素子６２は容量性（図４（ｄ）参照）になるために、電圧分布は図４（ｃ）の破線曲線Ａになる。
尚、いずれの出力周波数であっても適用可能だが、縦型装置では、基板積載方向における基板領域の長さ（ボート全長）が１／２波長以下の長さであるとき、特に有効となる。
周波数を大きくするとプラズマ密度が上がる一方、波長が短くなり、各基板間における処理の均一性が低下する。
詳細を以下に説明する。
まず、基板積載方向における基板領域の長さ（ボート全長）が１／２波長以上の長さである場合には、基板領域（ボート全長）内での電圧振幅の差は小さく、電圧分布の極小点を基板領域外に位置させる（基板領域に波のフラット部分を割り当てる）ことにより、一対の放電電極内でのプラズマ生成量を均一化させることが出来る。
例えば、波長λ、光速ｃ（ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ）、周波数ｆの関係は、λ＝ｃ／ｆであり、周波数ｆ＝１３．５６ＭＨｚの場合、波長λはλ＝２２．１ｍとなる。従って、１／２波長は１１．１ｍ、１／４波長は、１／４λ＝５．５ｍである。基板積載方向における基板領域の長さ（ボート全長）が１１．１ｍ以下であれば、出力周波数を変動させることなく均一処理を行うことが可能である。
次に、基板積載方向における基板領域の長さ（ボート全長）が１／２波長以下の長さである場合は、プラズマ生成中に出力周波数を変動させることにより電圧分布の極小点を移動させることにより、一対の放電電極内でのプラズマ生成量を均一化させることが出来る。
例えば、周波数ｆ＝２７．１２ＭＨｚの場合、波長λは１１．１ｍ、１／２波長は５．５ｍ、１／４波長は２．８ｍとなる。さらに、周波数ｆ＝４０．６８ＭＨｚの場合、波長λは７．４ｍ、１／２波長は３．７ｍ、１／４波長は１．８ｍとなる。従って、基板積載方向における基板領域の長さ（ボート全長）が、使用する出力周波数が２７．１２ＭＨｚの場合は５．５ｍ以下、４０．６８ＭＨｚの場合は３．７ｍ以下であるとき、プラズマを生成している間に電圧分布の極小点を移動させ続けることで、一対の放電電極内でのプラズマ生成量を均一化させることが出来る。
前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。
1) 一対の放電電極の開放端間に可変インピーダンス素子を接続することにより、プラズマ放電中に、高周波電源の出力周波数を変化させ、電圧分布の極小点を移動させることができるので、一対の放電電極内でのプラズマ生成量を均一化させることができる。
2) 一対の放電電極内でのプラズマ生成量を均一化することにより、ボートに積層したウエハ相互間の処理のばらつきを抑制し、プラズマ処理をボート全長にわたって均一化することができる。
3) プラズマ処理をボート全長にわたって均一化することにより、ＡＬＤ装置によるＡＬＤ法ひいてはＩＣの製造方法の歩留りを向上させることができるとともに、ＩＣの品質および信頼性を向上させることができる。
4)また、プラズマ処理をボート全長にわたって均一化することにより、低温による処理を求められるＡＬＤ装置において、低温で安定した処理を行うことが可能となる。
なお、本発明は前記実施の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に変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、可変インピーダンス素子は可変コンデンサおよびコイルによって構成するに限らない。
前記実施の形態では、ジクロロシランとアンモニアとを交互に供給してシリコン窒化膜を低温下で適正かつ精密に形成する場合について説明したが、ＡＬＤ装置は、キャパシタの静電容量部のＴａ2 Ｏ5 膜に介在したカーボンを除去する場合、その他の膜種に介在した異物（その膜種以外の分子や原子等）を除去する場合、ウエハにＡＬＤ膜を形成する場合、拡散する場合、熱処理する場合等に適用することができる。
例えば、ＩＣの一例であるＤＲＡＭのゲート電極用の酸化膜を窒化する処理において、ガス供給管に窒素ガスまたはアンモニアガスまたは一酸化窒素（Ｎ2 Ｏ）を供給し、処理室を室温〜７５０℃に加熱することにより、酸化膜の表面を窒化することができた。
また、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜が形成される前のシリコンウエハの表面を水素（Ｈ2 ）ガスの活性粒子によってプラズマ処理したところ、自然酸化膜を除去することができ、所望のＳｉＧｅ膜を形成することができた。
また、前記実施の形態ではＡＬＤ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、他のＣＶＤ装置、酸化膜形成装置、拡散装置およびアニール装置等の基板処理装置全般に適用することができる。
前記実施の形態ではウエハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
（付記１）
本発明の一態様によれば、積載した基板を収容する処理室と、処理ガスを基板に供給するガス供給系と、基板の積載方向に配置された一対の電極と、一対の電極に高周波電力を供給し、処理ガスを励起するためのプラズマを生成する高周波電源と、一対の電極における高周波電源と反対側先端部に接続された可変インピーダンス素子と、基板の処理中に、高周波電源の出力周波数を変化させる制御部とを備えることを特徴とする基板処理装置が提供される。
（付記２）
好ましくは、一対の電極の形状は棒状であって、それぞれ一端が開放されている。
（付記３）
好ましくは、一対の電極をそれぞれ覆うように配置され、上端が閉塞した一対の保護管を有し、一対の保護管の上端間にはそれぞれ気密封止された取付管を連結し、取付管内に可変インピーダンス素子を配置する。
（付記４）
好ましくは、可変インピーダンス素子は、コイルと可変コンデンサを並列に配置した並列共振回路から構成され、両端が一対の電極にそれぞれ直列に接続される。
（付記５）
好ましくは、制御部は、少なくともプラズマを生成する間は高周波電源の出力周波数を所定の間隔をおいて変化させ続けるように高周波電源を制御する。
（付記６）
本発明の他の態様によれば、複数の基板を積層載置して収容し、基板の処理空間を形成する反応管と、基板の積層方向に複数の小穴が設けられ、反応管の壁の一部とともに処理ガスのバッファ空間を形成する壁部材と、バッファ空間に連通し、処理ガスをバッファ空間内に供給するガス供給手段と、バッファ空間内に配置され、反応ガスの活性化領域を形成する一対の電極部材と、一対の電極に高周波電力を供給し、処理ガスを活性化するためのプラズマを生成する高周波電源とを有し、ガス供給手段から供給されたガスが、バッファ空間内で活性化され、複数の小穴を通って、処理空間に導入し、基板を処理する基板処理装置であって、一対の電極における高周波電源と反対側先端部に接続された可変インピーダンス素子と、基板の処理中に、高周波電源の出力周波数を変化させる制御部とを備えることを特徴とする基板処理装置が提供される。
（付記７）
好ましくは、一対の電極の形状は棒状であって、それぞれ一端が開放されていることを特徴とする。
（付記８）
好ましくは、一対の電極をそれぞれ覆うように配置され、上端が閉塞した一対の保護管を有し、一対の保護管の上端間にはそれぞれ気密封止された取付管を連結し、取付管内に可変インピーダンス素子を配置する。
（付記９）
好ましくは、可変インピーダンス素子は、コイルと可変コンデンサを並列に配置した並列共振回路から構成され、両端が一対の電極にそれぞれ直列に接続される。
（付記１０）
好ましくは、制御部は、少なくともプラズマを生成中は高周波電源の出力周波数を所定の間隔をおいて変化させ続けるように高周波電源を制御する。
（付記１１）
本発明の他の態様によれば、基板が収容される反応管であって、内部空間が、基板に所望の膜が形成される成膜空間とプラズマが生成されるプラズマ生成空間とに区画される反応管と、成膜空間に第１の処理ガスを供給する第１のガス供給系と、プラズマ生成空間に第２の処理ガスを供給する第２のガス供給系と、プラズマ生成空間に配置された一対の電極と、一対の電極に高周波電力を供給し、第２の処理ガスを励起するためのプラズマを生成する高周波電源と、一対の電極における高周波電源と反対側先端部に接続された可変インピーダンス素子と、少なくとも第１のガス供給系、第２のガス供給系及び高周波電源を制御する制御部とを有する基板処理装置であって、制御部は、第１のガス供給系、第２のガス供給系及び高周波電源を制御して、第１の処理ガスとプラズマにより励起された第２の処理ガスとを交互に供給して基板の表面に膜を形成し、プラズマを生成中に、高周波電源の出力周波数を変化させることを特徴とする基板処理装置が提供される。
（付記１２）
好ましくは、一対の電極の形状は棒状であって、それぞれ一端が開放されている。
（付記１３）
好ましくは、一対の電極をそれぞれ覆うように配置され、上端が閉塞した一対の保護管を有し、一対の保護管の上端間にはそれぞれ気密封止された取付管を連結し、取付管内に可変インピーダンス素子を配置する。
（付記１４）
好ましくは、可変インピーダンス素子は、コイルと可変コンデンサを並列に配置した並列共振回路から構成され、両端が前記一対の電極にそれぞれ直列に接続される。
（付記１５）
好ましくは、制御部は、少なくともプラズマを生成中は高周波電源の出力周波数を所定の間隔をおいて変化させ続けるように高周波電源を制御する。
（付記１６）
本発明の他の態様によれば、基板を処理室に搬入する搬入工程と、第１の処理ガスに基板を曝して基板を処理する第１の基板処理工程と、第１の処理ガスを排気する第１の排気工程と、高周波電源から一対の電極に高周波電力を印加することによりプラズマ励起された第２の処理ガスに基板を曝して基板を処理する第２の基板処理工程と、第２の処理ガスを排気する第２の排気工程と、基板を処理室から搬出する搬出工程とを有する半導体装置の製造方法であって、第１の基板処理工程、第１の排気工程、第２の基板処理工程及び第２の排気工程を複数回交互に繰り返すことによって基板の表面に膜を形成し、第２の基板処理工程において高周波電源の出力周波数を変化させることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
（付記１７）
好ましくは、第２の基板処理工程では、高周波電源の出力周波数を所定の周期で複数回変化させる。
本発明の実施の形態であるＡＬＤ装置を示す一部省略斜視図である。 その主要部を示す正面断面図である。 図２のIII-III 線に沿う回路図付き平面断面図である。 （ａ）はインピーダンス素子を通る側面断面図であり、（ｂ）は可変インピーダンス素子の等価回路図、（ｃ）は電圧分布図、（ｄ）は並列共振回路の周波数に対するインピーダンス変化を示すグラフである。 成膜処理時を示す側面断面図である。 ＡＬＤ法の第一ステップを示す回路図付き平面断面図である。 ＡＬＤ法の第二ステップを示す回路図付き平面断面図である。 ＡＬＤ法の第三ステップを示す回路図付き平面断面図である。 比較例を示しており、（ａ）はインピーダンス素子を通る側面断面図であり、（ｂ）は電圧分布図である。
符号の説明
１…ウエハ（被処理基板）、２…カセット、
１０…ＡＬＤ装置（バッチ式縦形ホットウオール形リモートプラズマ処理装置）、１１…筐体、１２…カセット授受ユニット、１３…カセットステージ、１４…ウエハ姿勢整合装置、１５…カセット棚、１６…予備カセット棚、１７…カセット移載装置、１８…ロボットアーム、１９…ウエハ移載装置、２０…ウエハ保持部、２１…ウエハ保持プレート、２２…ボートエレベータ、２３…アーム、２４…シールキャップ、２４ａ…シールリン
グ、 ２５…ボート、２５ａ、２５ｂ…端板、２５ｃ…保持部材、２５ｄ…保持溝、２６…断熱キャップ部、２７…回転軸、２８…回転駆動装置、２９…支持板、３０…処理炉、３１…プロセスチューブ、３２…処理室、３３…炉口、３４…ヒータユニット、３５…排気管、３６…真空ポンプ、３７…可変流量制御弁、３８…ガス供給管（ガス供給系）、３９…ガス供給源、４０…可変流量制御弁、４１…上流側開閉弁、４２…ガス溜め、４３…下流側開閉弁、４４…隔壁、４５…ガス供給室、４６…吹出口、 ４７…隔壁、４８…プラズマ室、４９…吹出口、５０…ガス供給管（ガス供給系）、５１…ガス供給源、５２…可変流量制御弁、５３…開閉弁、５４…ノズル、５５…ガス供給口、５６…保護管、５７…放電電極、５８…高周波電源、５９…整合器、６０…コントローラ、６１…取付管、６２…可変インピーダンス素子、６３…並列共振回路、６４…コイル、６５…可変コンデンサ、７１…アンモニアガス、７２…活性種、７３…ジクロロシランガス

Claims (5)

  1. 積載した基板を収容する処理室と、
    処理ガスを前記基板に供給するガス供給系と、
    前記基板の積載方向に配置された一対の電極と、
    前記一対の電極に高周波電力を供給し、前記処理ガスを励起するためのプラズマを生成する高周波電源と、
    前記一対の電極における前記高周波電源と反対側先端部に接続された可変インピーダンス素子と、
    前記基板の処理中に、前記高周波電源の出力周波数を変化させる制御部と、
    を備えることを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記一対の電極の形状は棒状であって、それぞれ一端が開放されていることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記制御部は、少なくとも前記プラズマを生成する間は前記高周波電源の出力周波数を所定の間隔をおいて変化させ続けるように前記高周波電源を制御することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  4. 基板が収容される反応管であって、内部空間が、基板に所望の膜が形成される成膜空間とプラズマが生成されるプラズマ生成空間とに区画される前記反応管と、
    前記成膜空間に第１の処理ガスを供給する第１のガス供給系と、
    前記プラズマ生成空間に第２の処理ガスを供給する第２のガス供給系と、
    前記プラズマ生成空間に配置された一対の電極と、
    前記一対の電極に高周波電力を供給し、前記第２の処理ガスを励起するためのプラズマを生成する高周波電源と、
    前記一対の電極における前記高周波電源と反対側先端部に接続された可変インピーダンス素子と、
    少なくとも前記第１のガス供給系、前記第２のガス供給系及び前記高周波電源を制御する制御部と、
    を有する基板処理装置であって、

    前記制御部は、前記第１のガス供給系、前記第２のガス供給系及び前記高周波電源を制御して、前記第１の処理ガスと前記プラズマにより励起された前記第２の処理ガスとを交互に供給して前記基板の表面に膜を形成し、前記プラズマを生成中に前記高周波電源の出力周波数を変化させることを特徴とする基板処理装置。
  5. 基板を処理室に搬入する搬入工程と、
    第１の処理ガスに前記基板を曝して前記基板を処理する第１の基板処理工程と、
    前記第１の処理ガスを排気する第１の排気工程と、
    高周波電源から一対の電極に高周波電力を印加することによりプラズマ励起された第２の処理ガスに前記基板を曝して前記基板を処理する第２の基板処理工程と、
    前記第２の処理ガスを排気する第２の排気工程と、
    前記基板を処理室から搬出する搬出工程と、
    を有する半導体装置の製造方法であって、前記第１の基板処理工程、前記第１の排気工程、前記第２の基板処理工程及び前記第２の排気工程を複数回交互に繰り返すことによって前記基板の表面に膜を形成し、前記第２の基板処理工程において前記高周波電源の出力周波数を変化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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