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JP6909824B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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Description

本開示は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
半導体基板を処理する方法として、プラズマ状態のガスを基板に供給して処理する方法がある。プラズマを生成する方法としては、並行平板電極を用いた容量結合方式や、共振コイルを用いた誘導結合方式が活用されている。共振コイルはプラズマ生成室の周囲に配され、共振コイルに電力を供給することでプラズマ生成室中にプラズマを生成する。誘導結合方式を用いた基板処理装置は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００３−３７１０１号公報
誘導結合方式の一般的な基板処理装置では、誘導コイルとプラズマ生成室との位置関係の都合により、プラズマ生成室中でプラズマ密度が不均一になる場合がある。そのため、基板の面内処理が不均一となる。
本開示は、上記課題を解決するものであり、誘導結合方式を用いた基板処理装置においても、基板面内を均一に処理可能な技術を提供することを目的とする。
基板を処理する処理室と、前記処理室にガスを供給するガス供給部と、所定周波数の高周波電力を供給する高周波電力供給部と、前記処理室の側方に巻き回される共振コイルを有し、前記高周波電力を前記共振コイルに供給した際に前記処理室にプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理室にて、前記基板の水平方向における中心位置が、前記共振コイルの水平方向における中心位置と重ならないよう、前記基板が載置される基板載置部とを有する技術を提供する。
誘導結合方式を用いた基板処理装置においても、基板面内を均一に処理可能な技術を提供できる。
基板処理装置の概略断面図である。 基板処理装置のガス供給部を説明する説明図である。 基板処理装置のプラズマ生成原理を説明する説明図である。 基板処理装置で生成したプラズマの影響を説明する説明図である。 基板処理装置で生成したプラズマと基板との関係を示す図である。 基板処理装置の制御部の構成を示す図である。 基板処理工程を説明するフロー図である。 基板処理工程における動作を説明する説明図である。 基板処理工程で処理される溝（トレンチ）が形成された基板の説明図である。
（１）基板処理装置の構成
基板処理装置について、図１から図６を用いて以下に説明する。本実施形態に係る基板処理装置は、例えば基板面上に形成された膜に対して酸化処理を行うよう構成されている。
（処理室）
処理装置１００は、基板２００をプラズマ処理する処理炉２０２を備えている。処理炉２０２には、処理室２０１を構成する処理容器２０３が設けられている。処理容器２０３は、第１の容器であるドーム型の上側容器２１０と、第２の容器である碗型の下側容器２１１とを備えている。上側容器２１０が下側容器２１１の上に被さることにより、処理室２０１が形成される。上側容器２１０は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または石英（ＳｉＯ２）等の非金属材料で形成されており、下側容器２１１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）で形成されている。
また、下側容器２１１の下部側壁には、ゲートバルブ２４４が設けられている。ゲートバルブ２４４は、開いているとき、搬送機構（図示せず）を用いて、搬入出口２４５を介して、処理室２０１内へ基板２００を搬入したり、処理室２０１外へと基板２００を搬出したりすることができるように構成されている。ゲートバルブ２４４は、閉まっているときには、処理室２０１内の気密性を保持する仕切弁となるように構成されている。
処理室２０１の側方には、共振コイル２１２が巻回されている。処理室２０１のうち、共振コイル２１２と隣接する空間をプラズマ生成空間２０１ａと呼ぶ。プラズマ生成空間２０１ａに連通し、基板２００が処理される空間を基板処理空間２０１ｂと呼ぶ。プラズマ生成空間２０１ａはプラズマが生成される空間であって、処理室２０１の内、共振コイル２１２の下端より上方であって、且つ共振コイル２１２の上端より下方の空間を言う。一方、基板処理空間２０１ｂは、基板がプラズマを用いて処理される空間であって、共振コイル２１２の下端より下方の空間を言う。本実施形態では、プラズマ生成空間２０１ａと基板処理空間２０１ｂの水平方向の径は略同一となるように構成されている。
（基板載置台）
処理室２０１の底側中央には、基板２００を載置する基板載置部としての基板載置台２１７が配置されている。基板載置台２１７は例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、セラミックス、石英等の非金属材料から形成されており、基板２００上に形成される膜等に対する金属汚染を低減することができるように構成されている。基板載置台２１７は基板載置部とも呼ぶ。
基板載置台２１７の内部には、加熱機構としてのヒータ２１７ｂとインピーダンス調整電極２１７ｃが埋め込まれている。ヒータ２１７ｂは、電力が供給されると、基板２００表面を例えば２５℃から８５０℃程度まで加熱することができるように構成されている。基板載置台２１７は、下側容器２１１とは電気的に絶縁されている。
インピーダンス調整電極２１７ｃには、図示しないインピーダンス可変機構が接続される。インピーダンス可変機構は共振コイルや可変コンデンサから構成されており、共振コイルのインダクタンス及び抵抗並びに可変コンデンサの容量値を制御することにより、インピーダンスを約０Ωから処理室２０１の寄生インピーダンス値の範囲内で変化させることができるように構成されている。これによって、インピーダンス調整電極２１７ｃ及び基板載置台２１７を介して、基板２００の電位（バイアス電圧）を制御できる。
なお、本実施形態においては、後述するように基板２００の上に生成されるプラズマの密度の均一性を向上できるので、このプラズマの密度の均一性が所望の範囲に収まる場合、インピーダンス調整電極２１７ｃを用いたバイアス電圧制御は行わない。また、当該バイアス電圧制御を行わない場合には、基板載置台２１７に電極２１７ｃを設けないようにしてもよい。但し、当該均一性をより向上させることを目的として当該バイアス電圧制御を行っても良い。
基板載置台２１７には、基板載置台２１７の水平方向中心を支持するシャフト２６１が接続される。シャフト２６１の下方は、下側容器２１１の底に設けられた円状の貫通孔２１９を介して処理室２０１の外側に突き出ている。シャフト２６１の下端には、シャフト２６１を自転させる自転機構２６２を有する。シャフト２６１を自転させることで、基板載置台２１７を自転させる。
自転機構２６２は公転機構２６３に支持される。公転機構２６３はシャフト２６１を公転させる機能を有する。シャフト２６１を公転させることで、基板載置台２１７を公転させる。ここでは、公転機構２６３は支持部２６４に支持される。自転機構２６２と公転機構２６３を合わせて回転部と呼ぶ。
支持部２６４は、昇降機構２６５を介して軸２６６に接続される。軸２６６は、例えば下側容器２１１に固定される。昇降機構２６５を制御して、支持部２６４を昇降させ、基板支持台２１７を昇降する。昇降機構２６５、軸２６６をまとめて昇降部と呼ぶ。
基板載置台２１７の表面には円周状の基板載置面２１７ａが設けられている。基板載置面２１７ａとシャフト２６１の中心軸は一致するよう構成されている。基板載置面２１７ａは基板２００の径よりも若干大きく設定されており、基板２００を基板載置台２１７に載置する際には、基板載置面２１７ａの中心と基板２００の中心とが重なるようにする。
貫通孔２１９の径は、シャフト２６１が公転した際に接触しないような大きさに設定される。なお、シャフト２６１等を囲むように図示しないベローズが設けられ、処理室２０１の真空度を維持可能に構成されている。
（ガス供給部）
処理室２０１の上方、つまり上側容器２１０の上部には、ガス導入口２３４と連通するよう、ガス供給管２３２が接続される。ガス導入口２３４の下方には円板状の遮蔽プレート２４０が設けられる。ガス供給管２３２から供給されたガスは、ガス導入項２３４を介してプラズマ生成空間２０１ａに供給される。その際、ガスは遮蔽板２４０に衝突し、コイル２１２に向かって拡散される。
図２に記載のように、ガス供給管２３２には、酸素含有ガスとしての酸素（Ｏ２）ガスを供給する酸素含有ガス供給管２３２ａの下流端と、水素含有ガスとしての水素（Ｈ２）ガスを供給する水素含有ガス供給管２３２ｂの下流端と、不活性ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスを供給する不活性ガス供給管２３２ｃと、が接続されている。
酸素含有ガス供給管２３２ａには、上流側から順に、Ｏ２ガス供給源２５０ａ、流量制御装置としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２５２ａ、開閉弁としてのバルブ２５３ａが設けられている。酸素ガス供給管２３２ａ、ＭＦＣ２５２ａ、バルブ２５３ａにより酸素ガス供給部が構成される。酸素ガス供給部は第１処理ガス供給部とも呼ぶ。
水素含有ガス供給管２３２ｂには、上流側から順に、Ｈ２ガス供給源２５０ｂ、ＭＦＣ２５２ｂ、バルブ２５３ｂが設けられている。水素含有ガス供給管２３２ｂ、ＭＦＣ２５２ｂ、バルブ２５３ｂにより水素含有ガス供給部が構成される。水素含有ガス供給部は第２処理ガス供給部とも呼ぶ。
不活性ガス供給管２３２ｃには、上流側から順に、Ａｒガス供給源２５０ｃ、ＭＦＣ２５２ｃ、バルブ２５３ｃが設けられている。不活性ガス供給管２３２ｃ、ＭＦＣ２５２ｃ、バルブ２５３ｃにより不活性ガス供給部が構成される。
酸素含有ガス供給管２３２ａと水素含有ガス供給管２３２ｂと不活性ガス供給管２３２ｃとが合流した下流側には、バルブ２５４が設けられ、各ガス供給管はガス導入口２３４と連通するよう構成される。バルブ２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２５４を開閉させることによって、ＭＦＣ２５２ａ、２５２ｂ、２５２ｃによりそれぞれのガスの流量を調整しつつ、ガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃを介して、酸素含有ガス、水素ガス含有ガス、不活性ガス等の処理ガスを処理室２０１内へ供給できるように構成されている。
主に、第１処理ガス供給部、第２処理ガス供給部、不活性ガス供給部によりガス供給部（ガス供給系）が構成されている。なお、ここでは酸素ガス、水素ガス、不活性ガスを用いたために第１処理ガス供給部、第２処理ガス供給部、不活性ガス供給部をガス供給部に含めたが、ガスを供給できる構造であればそれに限るものではない。第１処理ガス供給部、第２処理ガス供給部、不活性ガス供給部のいずれか、もしくはそれらの組み合わせをまとめてガス供給部２５５と呼ぶ。
尚、本実施形態に係る基板処理装置は、酸素含有ガス供給系から酸素含有ガスとしてのＯ２ガスを供給することにより酸化処理を行うように構成されているが、酸素含有ガス供給系に替えて、窒素含有ガスを処理室２０１内に供給する窒素含有ガス供給系を設けることもできる。このように構成された基板処理装置によれば、基板の酸化処理に替えて窒化処理を行うことができる。この場合、Ｏ２ガス供給源２５０ａに替えて、例えば窒素含有ガス供給源としてのＮ２ガス供給源が設けられ、酸素含有ガス供給管２３２ａが窒素含有ガス供給管として構成される。
（排気部）
下側容器２１１の側壁には、処理室２０１内から反応ガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５と連通するよう、下側容器２１１にガス排気管２３１の上流端が接続されている。ガス排気管２３１には、上流側から順に圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２４２、開閉弁としてのバルブ２４３、真空排気装置としての真空ポンプ２４６が設けられている。
主に、ガス排気管２３１、ＡＰＣ２４２、バルブ２４３により、本実施形態に係る排気部が構成されている。尚、真空ポンプ２４６を排気部に含めても良い。
（プラズマ生成部）
処理室２０１の外周部、すなわち上側容器２１０の側壁の外側には、処理室２０１を囲うように、らせん状の共振コイル２１２が複数設けられている。共振コイル２１２は、第１の電極である共振コイル２１２ａと、第２の電極である共振コイル２１２ｂで構成される。共振コイル２１２ａを構成する導体と、共振コイル２１２ｂを構成する導体とは、垂直方向に交互に配される。なお、共振コイル２１２ａは第一の共振コイルとも呼び、共振コイル２１２ｂは第二の共振コイルとも呼ぶ。また、共振コイル２１２ａの導体を第一の導体とも呼び、共振コイル２１２ｂの導体を第二の導体とも呼ぶ。
共振コイル２１２ａと共振コイル２１２ｂは、共振コイル２１２ａの径方向の中心軸αと共振コイル２１２ｂの中心軸βが重ならないよう配される。そうすると、共振コイル２１２ａで生成するドーナツ状の誘導プラズマ２９３（後述）と、共振コイル２１２ｂで生成するドーナツ状の誘導プラズマ２９６（後述）とが径方向にずれることになるため、プラズマの生成領域を広げることができる。これについては後に詳細を説明する。
また、中心軸αは基板載置面２１７ａの水平方向の中心位置と重ならない位置に配されている。同様に、中心軸βは基板載置面２１７ａの水平方向の中心位置と重ならない位置に配されている。
共振コイル２１２ａには、ＲＦセンサ２７２、高周波電源２７３、高周波電源２７３のインピーダンスや出力周波数の整合を行う整合器２７４が接続される。
高周波電源２７３は、共振コイル２１２ａに高周波電力（ＲＦ電力）を供給するものである。ＲＦセンサ２７２は高周波電源２７３の出力側に設けられ、供給される高周波の進行波や反射波の情報をモニタするものである。ＲＦセンサ２７２によってモニタされた反射波電力は整合器２７４に入力され、整合器２７４は、ＲＦセンサ２７２から入力された反射波の情報に基づいて、反射波が最小となるよう、高周波電源２７３のインピーダンスや出力される高周波電力の周波数を制御するものである。
高周波電源２７３は、発振周波数および出力を規定するための高周波発振回路およびプリアンプを含む電源制御手段（コントロール回路）と、所定の出力に増幅するための増幅器（出力回路）とを備えている。電源制御手段は、操作パネルを通じて予め設定された周波数および電力に関する出力条件に基づいて増幅器を制御する。増幅器は、共振コイル２１２ａに伝送線路を介して一定の高周波電力を供給する。
高周波電源２７３、整合器２７４、RFセンサ２７２をまとめて高周波電力供給部２７１と呼ぶ。なお、高周波電源２７３、整合器２７４、RFセンサ２７２のいずれかの構成、あるいはその組み合わせを高周波電力供給部２７１と呼んでもよい。高周波電力供給部２７１は第１の高周波電力供給部とも呼ぶ。
共振コイル２１２ｂには、ＲＦセンサ２８２、高周波電源２８３、高周波電源２８３のインピーダンスや出力周波数の整合を行う整合器２８４が接続される。
高周波電源２８３は、共振コイル２１２ｂに高周波電力（ＲＦ電力）を供給するものである。ＲＦセンサ２８２は高周波電源２８３の出力側に設けられ、供給される高周波の進行波や反射波の情報をモニタするものである。ＲＦセンサ２８２によってモニタされた反射波電力は整合器２８４に入力され、整合器２８４は、ＲＦセンサ２８２から入力された反射波の情報に基づいて、反射波が最小となるよう、高周波電源２８３のインピーダンスや出力される高周波電力の周波数を制御するものである。
高周波電源２８３は、発振周波数および出力を規定するための高周波発振回路およびプリアンプを含む電源制御手段（コントロール回路）と、所定の出力に増幅するための増幅器（出力回路）とを備えている。電源制御手段は、操作パネルを通じて予め設定された周波数および電力に関する出力条件に基づいて増幅器を制御する。増幅器は、共振コイル２１２ｂに伝送線路を介して一定の高周波電力を供給する。
高周波電源２８３、整合器２８４、ＲＦセンサ２８２をまとめて高周波電力供給部２８１と呼ぶ。なお、高周波電源２８３、整合器２８４、RFセンサ２８２のいずれかの構成、あるいはその組み合わせを高周波電力供給部２８１と呼んでもよい。高周波電力供給部２８１は第２の高周波電力供給部とも呼ぶ。第１の高周波電力供給部と第２の高周波電力供給部とをまとめて高周波電力供給部と呼ぶ。
共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂは、所定の波長の定在波を形成するため、一定の波長で共振するように巻径、巻回ピッチ、巻数が設定される。すなわち、共振コイル２１２ａの電気的長さは、高周波電力供給部２７１から供給される高周波電力の所定周波数における１波長の整数倍（１倍、２倍、…）に相当する長さに設定される。共振コイル２１２ｂの電気的長さは、高周波電力供給部２８１から供給される高周波電力の所定周波数における１波長の整数倍（１倍、２倍、…）に相当する長さに設定される。
具体的には、印加する電力や発生させる磁界強度または適用する装置の外形などを勘案し、それぞれの共振コイル２１２ａ、２１２ｂは、例えば、８００ｋＨｚ〜５０ＭＨｚ、０．５〜５ＫＷの高周波電力によって０．０１〜１０ガウス程度の磁場を発生し得る様に、５０〜３００ｍｍ２の有効断面積であって且つ２００〜５００ｍｍの共振コイル直径とされ、プラズマ生成空間２０１ａを形成する部屋の外周側に２〜６０回程度巻回される。
例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚの場合、１波長の長さは約２２メートル、周波数が２７．１２ＭＨｚの場合、1波長の長さは約１１メートルであり、好適な実施例としては、各共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂの電気的長さはこれらの１波長の長さ（１倍）となるように設けられる。本実施形態では、高周波電力の周波数を２７．１２ＭＨｚ、共振コイル２１２の電気的長さを１波長の長さ（約１１メートル）に設定している。
共振コイル２１２ａの巻回ピッチは、例えば、２４．５ｍｍ間隔で等間隔となるように設けられる。また、共振コイル２１２ａの巻径（直径）は基板２００の直径よりも大きくなるように設定される。本実施形態では、基板２００の直径を３００ｍｍとし、共振コイル２１２ａの巻径は基板２００の直径よりも大きい５００ｍｍとなるように設けられる。
共振コイル２１２ｂの巻回ピッチは、例えば、２４．５ｍｍ間隔で等間隔となるように設けられる。また、共振コイル２１２ｂの巻径（直径）は基板２００の直径よりも大きくなるように設定される。本実施形態では、基板２００の直径を３００ｍｍとし、共振コイル２１２ｂの巻径は基板２００の直径よりも大きい５００ｍｍとなるように設けられる
共振コイル２１２ａと共振コイル２１２ｂを構成する素材としては、銅パイプ、銅の薄板、アルミニウムパイプ、アルミニウム薄板、ポリマーベルトに銅またはアルミニウムを蒸着した素材などが使用される。共振コイル２１２は、絶縁性材料にて平板状に形成される。
共振コイル２１２ａと共振コイル２１２ｂのそれぞれの両端は電気的に接地され、そのうちの少なくとも一端は、装置の最初の設置の際又は処理条件の変更の際に当該共振コイルの電気的長さを微調整するため、可動タップ２１３（２１３ａ、２１３ｂ）を介して接地される。図１中の符号２１４（２１４ａ、２１４ｂ）は他方の固定グランドを示す。共振コイル２１２の接地された両端の間には、後述する可動タップ２１５（２１５ａ、２１５ｂ）による給電部が設けられる。
可動タップ２１３ａは、共振コイル２１２ａの共振特性を高周波電源２７３と略等しくするように位置が調整される。さらに、装置の最初の設置の際又は処理条件の変更の際に共振コイル２１２ａのインピーダンスを微調整するため、共振コイル２１２ａの接地された両端の間には、可動タップ２１５ａによって給電部が構成される。
可動タップ２１３ｂは、共振コイル２１２ｂの共振特性を高周波電源２８３と略等しくするように位置が調整される。さらに、装置の最初の設置の際又は処理条件の変更の際に共振コイル２１２ｂのインピーダンスを微調整するため、共振コイル２１２ｂの接地された両端の間には、可動タップ２１５ｂによって給電部が構成される。
共振コイル２１２ａと共振コイル２１２ｂが可変式グランド部及び可変式給電部を備えることによって、処理室２０１の共振周波数及び負荷インピーダンスを調整するにあたり、より一層簡便に調整することができる。
更に、位相電流及び逆位相電流が共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂそれぞれの電気的中点に関して対称に流れる様に、各共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂの一端（若しくは他端または両端）には、共振コイル及びシールドから成る波形調整回路（図示せず）が挿入される。波形調整回路は、各共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂを電気的に非接続状態とするか又は電気的に等価の状態に設定することにより開路に構成する。なお、各共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂの端部は、チョーク直列抵抗によって非接地とし、固定基準電位に直流接続されてもよい。
遮蔽板２２３は、共振コイル２１２の外側の電界を遮蔽すると共に、共振回路を構成するのに必要な容量成分（Ｃ成分）を共振コイル２１２ａまたは共振コイル２１２ｂとの間に形成するために設けられる。遮蔽板２２３は、一般的には、アルミニウム合金などの導電性材料を使用して円筒状に構成される。遮蔽板２２３は、共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂそれぞれの外周から５〜１５０ｍｍ程度隔てて配置される。通常、遮蔽板２２３は共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂの両端と電位が等しくなる様に接地されるが、共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂの共振数を正確に設定するため、遮蔽板２２３の一端または両端は、タップ位置を調整可能に構成されている。あるいは、共振数を正確に設定するために、各共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂと遮蔽板２２３の間にトリミングキャパシタンスを挿入しても良い。
主に、共振コイル２１２ａ、高周波電力供給部２７１によって第１のプラズマ生成部が構成される。また、共振コイル２１２ｂ、高周波電力供給部２８１によって第２のプラズマ生成部が構成される。第１のプラズマ生成部と第２のプラズマ生成部とを合わせてプラズマ生成部と呼ぶ。
次に、プラズマ生成原理および生成されるプラズマの性質について図３を用いて説明する。それぞれの共振コイル２１２ａ、２１２ｂのプラズマ生成原理は同じであるので、ここでは一つの共振コイル２１２ａを例として説明する。共振コイル２１２ｂの場合、ＲＦセンサ２７２はＲＦセンサ２８２に、高周波電源２７３は高周波電源２８３に、整合器２７４は整合器２８４に置き換える。
共振コイル２１２ａによって構成されるプラズマ発生回路はＲＬＣの並列共振回路で構成される。高周波電源２７３から供給される高周波電力の波長と共振コイル２１２ａの電気的長さが同じ場合、共振コイル２１２ａの共振条件は、共振コイル２１２ａの容量成分や誘導成分によって作り出されるリアクタンス成分が相殺され、純抵抗になることである。しかしながら、上記プラズマ発生回路においては、プラズマを発生させた場合、共振コイル２１２ａの電圧部とプラズマとの間の容量結合の変動や、プラズマ生成空間２０１ａとプラズマとの間の誘導結合の変動、プラズマの励起状態、等により、実際の共振周波数は僅かながら変動する。
そこで、本実施形態においては、プラズマ発生時の共振コイル２１２ａにおける共振のずれを電源側で補償するため、プラズマが発生した際の共振コイル２１２ａからの反射波電力をＲＦセンサ２７２において検出し、検出された反射波電力に基づいて整合器２７４が高周波電源２７３の出力を補正する機能を有する。
具体的には、整合器２７４は、ＲＦセンサ２７２において検出されたプラズマが発生した際の共振コイル２１２ａからの反射波電力に基づいて、反射波電力が最小となる様に高周波電源２７３のインピーダンス或いは出力周波数を増加または減少させる。インピーダンスを制御する場合、整合器２７４は、予め設定されたインピーダンスを補正する可変コンデンサ制御回路により構成され、周波数を制御する場合、整合器２７４は、予め設定された高周波電源２７３の発振周波数を補正する周波数制御回路により構成される。なお、高周波電源２７３と整合器２７４は一体として構成されてもよい。
かかる構成により、本実施形態における共振コイル２１２ａでは、図３に示す様に、プラズマを含む当該共振コイルの実際の共振周波数による高周波電力が供給されるので（或いは、プラズマを含む当該共振コイルの実際のインピーダンスに整合するように高周波電力が供給されるので）、位相電圧と逆位相電圧が常に相殺される状態の定在波が形成される。共振コイル２１２ａの電気的長さが高周波電力の波長と同じ場合、共振コイルの電気的中点（電圧がゼロのノード）に最も高い位相電流が生起される。従って、電気的中点の近傍においては、処理室壁や基板載置台２１７との容量結合が殆どなく、電気的ポテンシャルの極めて低いドーナツ状の誘導プラズマ２２４が形成される。また、同様の原理により、共振コイルの両端部分においても、プラズマ２２６、プラズマ２２５が生成される。
ところで、発明者は鋭意研究の結果、次の課題を見出した。一つは、プラズマがアースの影響を受ける場合である。これについて、図４を用いて説明する。前述のように、共振コイル２１２は可動タップ２１３、２１４を介してアースに接続される。可動タップ２１３、２１４の周囲では高い位相電流が生起される。これを図４のように平面視点で見た場合、可動タップ２１３，２１４の近傍で高い位相電流が生起されるため、それに近い部分でプラズマ密度が高くなってしまう。そうすると、基板２００上では、可動タップ２１３、２１４に近い部分２００ａのプラズマ密度が高くなり、基板２００面内の処理が不均一となる。

また、生成されるプラズマがドーナツ状であることも一つの課題である。ドーナツ状の誘導プラズマ下方に基板２００を配した場合、基板に供給されるプラズマ密度の分布が、基板中央と外周とで異なる点である。ドーナツ状の誘導プラズマ直下である基板２００の外周部分にはエネルギーが強いプラズマが供給される。一方、ドーナツの中心はプラズマ密度が低いので、その直下にある基板２００の中央部分にはエネルギーの低いプラズマが供給される。したがって、基板２００では外周部分と中央部分とで処理分布が異なってしまう。
そこで本件では、基板面内を均一に処理するべく、基板２００の外周部分が常にドーナツ状誘導プラズマの下方に配されないようにし、あるいは基板２００の外周部分が常にアースに近づいた状態とならないようにする。このようにすることで基板２００面内の均一性を向上させる。
以下に具体的に説明する。
前述のように、共振コイル２１２のうち、アースに近い部分においてプラズマ密度が高くなる傾向にある。そこで本件では、基板載置台２１７を自転させることとした。基板２００の外周部の特定の点とアース部分とでは相対的な位置が常に変化するので、プラズマ密度の高い部分の影響を分散させることができる。
また、基板２００を公転させてもよい。公転させることで、自転時と同様、基板２００の外周部の特定の点とアース部分とでは相対的な位置が常に変化するので、プラズマ密度の高い部分の影響を分散させることができる。さらには、ドーナツ状の誘導プラズマの下方では、ドーナツ形状を構成する円弧を常にまたぐように基板２００が移動するので、ドーナツ形状の影響を分散できる。したがってプラズマ密度の影響を分散できる。
また、図１、図５のように、中心軸のずれた二つの共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂを用いてもよい。例えば基板２００が図５の２００（１）の場所、即ち基板処理空間２０１ｂの水平方向中心位置に配されたとしても、共振コイル２１２ａによって生成されたドーナツ状の誘導プラズマ２９３と、共振コイル２１２ｂによって生成されたドーナツ状の誘導プラズマ２９６との、二つのプラズマの影響を受けるので、高いプラズマ密度の影響を分散させることができる。この場合、基板２００を自転させるとなお良い。
また、図１、図５のように、中心軸のずれた二つの共振コイル２１２ａ、共振コイル２１２ｂを用い、更に基板２００を公転させてもよい。例えば図５に記載のように、基板２００が２００（１）、２００（２）、２００（３）の位置に移動するように公転した場合である。基板２００は共振コイル２１２ａによって生成されたドーナツ状の誘導プラズマ２９３やその中心部分、共振コイル２１２ｂによって生成されたドーナツ状の誘導プラズマ２９６やその中心部分それぞれの下方を通過するので、高いプラズマ密度の影響を分散させることができる。この場合、基板２００を自転させるとなお良い。
（制御部）
制御部としてのコントローラ２２１は、上述のＭＦＣ２５２ａ〜２５２ｃ、バルブ２５３ａ〜２５３ｃ、２４３、２５４、ゲートバルブ２４４、ＡＰＣバルブ２４２、真空ポンプ２４６、高周波電源２７３、２８３、整合器２７４、２８４、自転機構２６２、公転機構２６３、昇降機構２６５、等をそれぞれ制御するように構成されている。
図６に示すように、制御部（制御手段）であるコントローラ２２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２２１ｂ、記憶装置２２１ｃ、Ｉ／Ｏポート２２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ２２１ｂ、記憶装置２２１ｃ、Ｉ／Ｏポート２２１ｄは、内部バス２２１ｅを介して、ＣＰＵ２２１ａ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２２１には、例えばタッチパネルやディスプレイ等として構成された入出力装置２２２が接続されている。
記憶装置２２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置２２１ｃ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グラムレシピ等が読み出し可能に格納されている。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２２１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、このプログラムレシピや制御プログラム等を総称して、単にプログラムともいう。なお、本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プログラムレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。また、ＲＡＭ２２１ｂは、ＣＰＵ２２１ａ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２２１ｄは、上述のＭＦＣ２５２ａ〜２５２ｃ、バルブ２５３ａ〜２５３ｃ、２４３、２５４、ゲートバルブ２４４、ＡＰＣバルブ２４２、真空ポンプ２４６、高周波電源２７３、２８３、整合器２７４、２８４、自転機構２６２、公転機構２６３、昇降機構２６５、等に接続されている。
ＣＰＵ２２１ａは、記憶装置２２１ｃからの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２２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２２１ｃ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、ＣＰＵ２２１ａは、読み出されたプロセスレシピの内容に沿うように、各部品を制御するように構成されている。
コントローラ２２１は、外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯなどの光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）２２７に格納された上述のプログラムをコンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置２２１ｃや外部記憶装置２２７は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。本明細書において、記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置２２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置２２７単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合が有る。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置２２７を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
（２）基板処理工程
次に、本実施形態に係る基板処理工程について、図７、図8を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る基板処理工程を示すフロー図である。図８はプラズマ処理工程Ｓ２５０の詳細を説明する図である。本実施形態に係る基板処理工程は、例えばフラッシュメモリ等の半導体デバイスの製造工程の一工程として、上述の処理装置１００により実施される。以下の説明において、処理装置１００を構成する各部の動作は、コントローラ２２１により制御される。
なお、本実施形態に係る基板処理工程で処理される基板２００の表面には、例えば図９に示すように、少なくとも表面がシリコンの層で構成され、アスペクト比の高い凹凸部を有するトレンチ３０１が予め形成されている。本実施形態においては、トレンチ３０１の内壁に露出したシリコン層に対して、プラズマを用いた処理として酸化処理を行う。トレンチ３０１は、例えば基板２００上に所定のパターンを施したマスク層３０２を形成し、基板２００表面を所定深さまでエッチングすることで形成されている。
（基板搬入工程Ｓ２１０）
基板搬入工程Ｓ２１０を説明する。まず、上記の基板２００を処理室２０１内に搬入する。具体的には、昇降機構２６５が基板２００の搬送位置まで基板載置台２１７を下降させる。
続いて、ゲートバルブ２４４を開き、処理室２０１に隣接する真空搬送室から、基板搬送機構（図示せず）を用いて処理室２０１内に基板２００を搬入する。搬入された基板２００は、基板載置面２１７ａに載置される。その後基板搬送機構を処理室２０１外へ退避させ、ゲートバルブ２４４を閉じて処理室２０１内を密閉する。そして、昇降機構２６５が基板載置台２１７を、基板２００を処理する位置まで上昇させる。
（昇温・真空排気工程Ｓ２２０）
昇温・真空排気工程Ｓ２２０を説明する。ここでは処理室２０１内に搬入された基板２００の昇温を行う。ヒータ２１７ｂは予め加熱されており、ヒータ２１７ｂが埋め込まれた基板載置台２１７上に基板２００を保持することで、例えば１５０〜８５０℃の範囲内の所定値に基板２００を加熱する。ここでは、基板２００の温度が６００℃となるよう加熱する。また、基板２００の昇温を行う間、真空ポンプ２４６によりガス排気管２３１を介して処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内の圧力を所定の値とする。真空ポンプ２４６は、少なくとも後述の基板搬出工程Ｓ２７０が終了するまで作動させておく。
（回転開始工程Ｓ２３０）
回転開始工程Ｓ２３０を説明する。ここでは、基板載置台２７３の回転を開始するよう制御する。基板載置台２７３を自転させる場合、自転機構２６２を制御する。基板載置台２７３を公転させる場合、公転機構２６３を制御する。基板載置台２７３を自転および公転させる場合、自転機構２６２、公転機構２６３を合わせて制御する。
（反応ガス供給工程Ｓ２４０）
反応ガス供給工程Ｓ２４０を説明する。基板載置台２７３の回転が安定したら、反応ガスとして、酸素含有ガスであるＯ２ガスと水素含有ガスであるＨ２ガスの供給を開始する。具体的には、バルブ２５３ａ及び２５３ｂを開け、ＭＦＣ２５２ａ及び２５２ｂにて流量制御しながら、処理室２０１内へＯ２ガス及びＨ２ガスの供給を開始する。このとき、Ｏ２ガスの流量を、例えば２０〜２０００ｓｃｃｍ、好ましくは２０〜１０００ｓｃｃｍの範囲内の所定値とする。また、Ｈ２ガスの流量を、例えば２０〜１０００ｓｃｃｍ、好ましくは２０〜５００ｓｃｃｍの範囲内の所定値とする。より好適な例として、Ｏ２ガスとＨ２ガスの合計流量を１０００ｓｃｃｍとし、流量比はＯ２／Ｈ２≧９５０／５０とすることが好ましい。
また、処理室２０１内の圧力が、例えば１〜２５０Ｐａ、好ましくは５０〜２００Ｐａの範囲内の所定圧力、より好ましくは約１５０Ｐａとなるように、ＡＰＣ２４２の開度を調整して処理室２０１内の排気を制御する。このように、処理室２０１内を適度に排気しつつ、後述のプラズマ処理工程Ｓ２５０の終了時までＯ２ガス及びＨ２ガスの供給を継続する。
（プラズマ処理工程Ｓ２５０）
プラズマ処理工程Ｓ２５０を説明する。プラズマ処理工程Ｓ２５０は、図８を用いて詳細を説明する。プラズマ処理工程Ｓ２５０の動作は、図８におけるＳ１からＳ４である。
工程Ｓ１では、ガスの供給が安定したら、ガスの供給を継続すると共に、高周波電力供給部２７１から共振コイル２１２ａに高周波電力を供給し、高周波電力供給部２８１から共振コイル２１２ｂには高周波電力を供給しない。
具体的には、処理室２０１内の圧力が安定したら、共振コイル２１２ａに対して高周波電源２７３からＲＦセンサ２７２を介して、高周波電力の印加を開始する。本実施形態では、高周波電源２７３から共振コイル２１２に２７．１２ＭＨｚの高周波電力を供給する。共振コイル２１２ａに供給する高周波電力は、例えば１００〜５０００Ｗの範囲内の所定の電力であって、好ましくは１００〜３５００Ｗであり、より好ましくは約３５００Ｗとする。電力が１００Ｗより低い場合、プラズマ放電を安定的に生じさせることが難しい。
これにより、Ｏ２ガス及びＨ２ガスが供給されているプラズマ生成空間２０１ａ内に高周波電界が形成され、係る電界により、高いプラズマ密度を有するドーナツ状の誘導プラズマ２９３が励起される。プラズマ状のＯ２ガス及びＨ２ガスは解離し、酸素を含む酸素ラジカル（酸素活性種）や酸素イオン、水素を含む水素ラジカル（水素活性種）や水素イオン、等の反応種が生成される。
基板処理空間２０１ｂで基板載置台２１７上に保持されている基板２００には、誘導プラズマにより生成されたラジカルと加速されない状態のイオンが溝３０１内に均一に供給される。
このとき、基板２００は自転または公転、あるいは両方為されているので、アース部分やドーナツ状の高密度プラズマと基板の特定の位置とを常に相対的に変化させている。したがって高密度プラズマの影響を分散でき、基板２００は均一に処理される。
供給されたラジカル及びイオンは、基板２００の全面において底壁３０１ａ及び側壁３０１ｂと均一に反応し、表面のシリコン層をステップカバレッジが良好なシリコン酸化層３０３に改質する。具体的には、底壁３０１ａは酸化層３０３ａに、側壁３０１ｂは酸化層３０３ｂに改質される。所定の処理時間、例えば１０〜３００秒が経過したら、工程Ｓ３に移行する。
続いて工程Ｓ２を説明する。工程Ｓ２では、ガス供給部からガスを供給すると共に、高周波電力供給部２８１から共振コイル２１２ｂに高周波電力を供給し、高周波電力供給部２７１から共振コイル２１２ａへの高周波電力の供給を停止する。
具体的には、工程Ｓ１と同様に、処理室２０１内の圧力が安定したら、共振コイル２１２ｂに対して高周波電源２８３からＲＦセンサ２８２を介して、高周波電力の印加を開始する。本実施形態では、高周波電源２８３から共振コイル２１２ｂに２７．１２ＭＨｚの高周波電力を供給する。共振コイル２１２に供給する高周波電力は、例えば１００〜５０００Ｗの範囲内の所定の電力であって、好ましくは１００〜３５００Ｗであり、より好ましくは約３５００Ｗとする。電力が１００Ｗより低い場合、プラズマ放電を安定的に生じさせることが難しい。
これにより、Ｏ２ガス及びＨ２ガスが供給されているプラズマ生成空間２０１ａ内に高周波電界が形成され、係る電界により、高いプラズマ密度を有するドーナツ状の誘導プラズマ２９６が励起される。また、この電界により、工程Ｓ２で生成されたラジカルにエネルギーが加えられ、長寿命化される。プラズマ状のＯ２ガス及びＨ２ガスは解離し、酸素を含む酸素ラジカル（酸素活性種）や酸素イオン、水素を含む水素ラジカル（水素活性種）や水素イオン、等の反応種が生成される。
基板処理空間２０１ｂで基板載置台２１７上に保持されている基板２００には、誘導プラズマにより生成されたラジカルと、工程Ｓ１で生成され、その後に本工程で長寿命化されたラジカルが溝３０１内に均一に供給される。供給されたラジカルは、失活することなく底壁３０１ａ及び側壁３０１ｂと均一に供給されて反応し、表面のシリコン層をステップカバレッジが良好なシリコン酸化層へと改質する。
本工程においても、基板２００は自転または公転、あるいは両方為されているので、
アース部分やドーナツ状の高密度プラズマと基板の特定の位置とを常に相対的に変化させている。したがって高密度プラズマの影響を分散でき、基板２００は均一に処理される。
その後、所定の処理時間、例えば１０〜３００秒が経過したら、高周波電力供給部２８１から共振コイル２１２ｂへの高周波電力の供給を停止する。更に、バルブ２５３ａ及び２５３ｂを閉めて、Ｏ２ガス及びＨ２ガスの処理室２０１内への供給を停止する。以上により、プラズマ処理工程Ｓ２５０が終了する。
なお、溝の幅や深さ、上部容器２１０ａの高さ等に応じて、更に工程３、工程４を実施したり、あるいは工程Ｓ１からＳ４を繰り返し実施したりしてもよい。
（真空排気工程Ｓ２６０）
Ｏ２ガス及びＨ２ガスの供給を停止したら、ガス排気管２３１を介して処理室２０１内を真空排気する。これにより、処理室２０１内のＯ２ガスやＨ２ガス、これらガスの反応により発生した排ガス等を処理室２０１外へと排気する。その後、ＡＰＣ２４２の開度を調整し、処理室２０１内の圧力を処理室２０１に隣接する真空搬送室（基板２００の搬出先。図示せず）と同じ圧力（例えば１００Ｐａ）に調整する。
（基板搬出工程Ｓ２７０）
処理室２０１内が所定の圧力となったら、基板載置台２１７を基板２００の搬送位置まで下降させる。そして、ゲートバルブ２４４を開き、基板搬送機構を用いて基板２００を処理室２０１外へ搬出する。以上により、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。
なお、本実施形態ではＯ２ガスとＨ２ガスをプラズマ励起して基板のプラズマ処理を行う例を示したが、これに限らず、例えばＯ２ガスに替えてN２ガスを処理室２０１内に供給し、Ｎ２ガスとＨ２ガスをプラズマ励起して基板に対して窒化処理を実行してもよい。この場合、上述の酸素含有ガス供給系に替えて上述の窒素含有ガス供給系を備える処理装置１００を用いることができる。
また、ここでは二つの高周波電力供給部２７１、高周波電力供給部２８１を用いたが、各共振コイルへの高周波電力供給が重ならないようにすればよく、例えば一つの高周波電力供給部を、スイッチを介して共振コイル２１２ａ、２１２ｂに接続してもよい。この場合、工程Ｓ１では共振コイル２１２ａと高周波電力供給部に接続し、工程Ｓ２ではスイッチを切り替え、共振コイル２１２ｂと高周波電力供給部を接続する。
また、ここでは二つの共振コイルを用いて説明したが、それに限るものではなく、三つ以上であってもよい。
＜他の実施形態＞
上述の実施形態では、プラズマを用いて基板表面に対して酸化処理や窒化処理を行う例について説明したが、これらの処理に限らず、プラズマを用いて基板に対して処理を施すあらゆる技術に適用することができる。例えば、プラズマを用いて行う基板表面に形成された膜に対する改質処理やドーピング処理、酸化膜の還元処理、当該膜に対するエッチング処理、レジストのアッシング処理、成膜処理等に適用することができる。

Claims (8)

  1. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室にガスを供給するガス供給部と、
    所定周波数の高周波電力を供給する高周波電力供給部と、
    前記処理室の側方に巻き回される第一の共振コイルと第二の共振コイルとを有する共振コイルと、前記第一の共振コイルと前記第二の共振コイルの少なくも一端に設けられた可動タップと、を備え、前記高周波電力を前記共振コイルに供給した際に前記処理室にプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    前記処理室にて、前記基板の水平方向における中心位置が、前記共振コイルの水平方向における中心位置と重ならないよう、前記基板が載置される基板載置部と、
    を有し、
    前記プラズマ生成部がプラズマを生成する間、前記基板の外周部の特定点と前記可動タップとの相対的な位置を変化させるとともに、前記処理室内で前記基板を公転させるよう構成される基板処理装置。
  2. 前記第一の共振コイルの水平方向における中心位置が、前記第二の共振コイルの水平方向における中心位置と重ならないよう、前記第一の共振コイルと前記第二の共振コイルが配される請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室にガスを供給するガス供給部と、
    所定周波数の高周波電力を供給する高周波電力供給部と、
    前記処理室の側方に巻き回される第一の共振コイルと第二の共振コイルとを有する共振コイルと、前記第一の共振コイルと前記第二の共振コイルの少なくも一端に設けられた可動タップと、を備え、前記高周波電力を前記共振コイルに供給した際に前記処理室にプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    前記処理室にて、前記基板の水平方向における中心位置が、前記共振コイルの水平方向における中心位置と重ならないよう、前記基板が載置される基板載置部と、
    を有し、
    前記プラズマ生成部がプラズマを生成する間、前記基板の外周部の特定点と前記可動タップとの相対的な位置を変化させるとともに、前記処理室内で前記基板を自転させるよう構成される基板処理装置。
  4. 前記第一の共振コイルの水平方向における中心位置が、前記第二の共振コイルの水平方向における中心位置と重ならないよう、前記第一の共振コイルと前記第二の共振コイルが配される請求項３に記載の基板処理装置。
  5. 少なくとも一端に可動タップを備えた第一の共振コイルと第二の共振コイルとを有する共振コイルが側方に巻き回された処理室にて、前記共振コイルの水平方向における中心位置と基板の中心位置とが重ならないよう基板載置部に基板を載置する工程と、
    高周波電力供給部が前記共振コイルに高周波電力を供給するのと併行してガス供給部が前記処理室にガスを供給し、前記処理室にプラズマを生成して前記基板を処理する工程とを有し、
    前記基板を処理する工程では、前記基板の外周部の特定点と前記可動タップとの相対的な位置が可変するよう前記処理室内で前記基板を公転させる
    半導体装置の製造方法。
  6. 少なくとも一端に可動タップを備えた第一の共振コイルと第二の共振コイルとを有する共振コイルが側方に巻き回された処理室にて、前記共振コイルの水平方向における中心位置と基板の中心位置とが重ならないよう基板載置部に基板を載置する工程と、
    高周波電力供給部が前記共振コイルに高周波電力を供給するのと併行してガス供給部が前記処理室にガスを供給し、前記処理室にプラズマを生成して前記基板を処理する工程とを有し、
    前記基板を処理する工程では、前記基板の外周部の特定点と前記可動タップとの相対的な位置が可変するよう前記処理室内で前記基板を自転させる
    半導体装置の製造方法。
  7. 少なくとも一端に可動タップを備えた第一の共振コイルと第二の共振コイルとを有する共振コイルが側方に巻き回された処理室にて、前記共振コイルの水平方向における中心位置と基板の中心位置とが重ならないよう基板載置部に基板を載置する手順と、
    高周波電力供給部が前記共振コイルに高周波電力を供給するのと併行してガス供給部が前記処理室にガスを供給し、前記処理室にプラズマを生成して前記基板を処理する手順と、を有し、
    前記基板を処理する手順では、前記基板の外周部の特定点と前記可動タップとの相対的な位置が可変するよう前記処理室内で前記基板を公転させる
    コンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。
  8. 少なくとも一端に可動タップを備えた第一の共振コイルと第二の共振コイルとを有する共振コイルが側方に巻き回された処理室にて、前記共振コイルの水平方向における中心位置と基板の中心位置とが重ならないよう基板載置部に基板を載置する手順と、
    高周波電力供給部が前記共振コイルに高周波電力を供給するのと併行してガス供給部が前記処理室にガスを供給し、前記処理室にプラズマを生成して前記基板を処理する手順と、を有し、
    前記基板を処理する手順では、前記基板の外周部の特定点と前記可動タップとの相対的な位置が可変するよう前記処理室内で前記基板を自転させる
    コンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。
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