CN109314053A - 衬底处理装置、半导体器件的制造方法及电极固定单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供下述技术，其具有：反应管，其形成对衬底进行处理的处理室；电极，其设置于上述反应管的外周，并在上述处理室内形成等离子体；电极固定单元，其将上述电极固定；和加热装置，其设置于上述电极固定单元的外周，并对上述反应管内进行加热，其中，上述电极具有用于使该电极与上述电极固定单元的表面隔开一定距离的间隔物。由此，能够提供可进行均匀的衬底处理的技术。

Description

衬底处理装置、半导体器件的制造方法及电极固定单元
技术领域
本发明涉及衬底处理装置、半导体器件的制造方法及电极固定单元。
背景技术
作为半导体器件(device)的制造工序的一个工序，有时进行下述衬底处理：向衬底处理装置的处理室内搬入衬底，并向处理室内供给原料气体和反应气体，从而在衬底上形成绝缘膜、半导体膜、导体膜等各种膜，或者除去各种膜。
在形成微细图案的批量生产设备中，为了抑制杂质的扩散或者能够使用有机材料等耐热性低的材料，要求低温化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-324477号公报
发明内容
发明要解决的课题
为了解决这样的问题，通常使用等离子体进行衬底处理，但是存在下述情况：因经年变化、受到来自加热装置的热而导致等离子体电极变形时，由等离子体生成的离子、自由基等活性种的生成量、分布产生不均，难以均匀地对膜进行处理。
本发明的目的在于提供能够进行均匀的衬底处理的技术。
用于解决课题的手段
根据本发明的一个方式，提供下述技术，其具有：
反应管，其形成对衬底进行处理的处理室；
电极，其设置于上述反应管的外周，并在上述处理室内形成等离子体；
电极固定单元，其将上述电极固定；和
加热装置，其设置于上述电极固定单元的外周，并对上述反应管内进行加热，
其中，上述电极具有用于使该电极与上述电极固定单元的表面隔开一定距离的间隔物。
发明的效果
根据本发明，可提供能够进行均匀的衬底处理的技术。
附图说明
[图1]为本发明的第1实施方式中优选使用的衬底处理装置的立式处理炉的结构简图，是以纵剖面示出处理炉部分的图。
[图2]为图1所示的衬底处理装置中的A-A剖面图。
[图3](a)是将本发明中的电极设置于石英罩时的立体图，(b)是用于示出本发明中的加热器、石英罩、电极、将电极固定的突起部310、反应管的位置关系的图。
[图4](a)是本发明中的电极的部分放大主视图，(b)是针对将电极固定于石英罩这点进行说明的部分放大侧视图。
[图5]为示出本发明中的电极形状的一例的水平方向剖面图，(a)为示出将一侧端部弯曲成大致直角的例子的图，(b)为示出将两侧端部弯曲成大致直角的例子的图，(c)为示出将一侧端部弯曲成钝角的例子的图，(d)为示出将两侧端部弯曲成钝角的例子的图，(e)为示出形成V字形状的例子的图，(f)为示出将中央部以规定的曲率半径R弯曲的例子的图，(g)为示出将电极形成圆弧状的例子的图。
[图6]为示出本发明中的第1实施方式的间隔物的图，(a)为侧视图，(b)为主视图。
[图7]为图1所示的衬底处理装置中的控制器的结构简图，是示出控制器的控制系统的一例的框图。
[图8]为示出使用了图1所示的衬底处理装置的衬底处理工艺的一例的流程图。
[图9]为示出本发明中的第1实施方式的变形例的图。
具体实施方式
＜发明的实施方式＞
以下，参照图1至图5对本发明的实施方式进行说明。
(1)衬底处理装置的构成
(加热装置)
如图1所示，处理炉202具有作为加热装置(加热机构)的加热器207。加热器207为圆筒形状，通过支承于作为保持板的加热器基座(未图示)而垂直地安装。如后文所述，加热器207也作为利用热使气体活化(激发)的活化机构(激发部)发挥功能。
(处理室)
在加热器207的内侧，配设有后述的作为电极固定单元的石英罩301，进而在石英罩301的内侧，配设有后述的等离子体生成部的电极300。进而，在电极300的内侧，与加热器207呈同心圆状地配设有反应管203。反应管203由例如石英(SiO2)、碳化硅(SiC)等耐热性材料构成，形成为上端封闭、下端开口的圆筒形状。在反应管203的下方，与反应管203呈同心圆状地配设有集流管209。集流管209由例如不锈钢(SUS)等金属构成，形成为上端及下端开口的圆筒形状。集流管209的上端部构成为卡合于反应管203的下端部、支承反应管203。在集流管209与反应管203之间，设置有作为密封部件的O型圈220a。通过使集流管209支承于加热器基座，从而反应管203成为被垂直地安装的状态。主要由反应管203和集流管209构成处理容器(反应容器)。在处理容器的筒中空部形成有处理室201。处理室201构成为能够收容多张作为衬底的晶片200。需要说明的是，处理容器不限定于上述构成，有时也将仅反应管203称为处理容器。
(气体供给部)
在处理室201内，以贯穿集流管209的侧壁的方式设置有喷嘴249a、249b。在喷嘴249a、249b上，分别连接有气体供给管232a、232b。由此，在处理容器中设置有2个喷嘴249a、249b和2根气体供给管232a、232b，能够向处理室201内供给多种气体。需要说明的是，仅将反应管203作为处理容器时，喷嘴249a、249b可以按照贯穿反应管203的侧壁的方式设置。
在气体供给管232a、232b上，从上游方向起依次分别设置有作为流量控制器(流量控制部)的质量流量控制器(MFC)241a、241b及作为开闭阀的阀243a、243b。在气体供给管232a、232b的比阀243a、243b更靠下游侧，分别连接有供给非活性气体的气体供给管232c、232d。在气体供给管232c、232d上，从上游方向起依次分别设置有MFC241c、241d及阀243c、243d。
喷嘴249a、249b以沿着反应管203的内壁的下部至上部、朝向晶片200的装载方向的上方竖立的方式，分别设置于反应管203的内壁与晶片200之间的俯视下为圆环状的空间。即，喷嘴249a、249b以与晶片200的表面(平坦面)垂直的方式各自设置于被搬入处理室201内的各晶片200的端部(周缘部)的侧方。在喷嘴249a、249b的侧面分别设置有供给气体的气体供给孔250a、250b。气体供给孔250a以朝向反应管203的中心的方式开口，从而能够向晶片200供给气体。在从反应管203的下部至上部的范围内分别设置有多个气体供给孔250a、250b。
如上所述，本实施方式中，经由喷嘴249a、249b来搬送气体，所述喷嘴249a、249b被配置在由反应管203的侧壁的内壁和排列于反应管203内的多张晶片200的端部(周缘部)所定义的俯视下为圆环状的纵长空间内，即圆筒状的空间内。并且，从分别在喷嘴249a、249b开口的气体供给孔250a、250b而在晶片200的附近才首先向反应管203内喷出气体。并且，使反应管203内的气体的主要流动成为与晶片200的表面平行的方向、即水平方向。通过形成这样的构成，能够向各晶片200均匀地供给气体，能够提高形成于各晶片200上的膜的膜厚均匀性。在晶片200的表面上流动的气体、即反应后的残余气体朝向排气口、即后述的排气管231的方向流动。但是，该残余气体的流动方向可根据排气口的位置而适当确定，并不限于垂直方向。
作为包含规定元素的原料，从气体供给管232a经由MFC241a、阀243a、喷嘴249a向处理室201内供给例如包含作为规定元素的硅(Si)的硅烷原料气体。
所谓硅烷原料气体，是指气体状态的硅烷原料，例如，通过将常温常压下呈液体状态的硅烷原料气化而得到的气体、常温常压下呈气体状态的硅烷原料等。本说明书中，当使用“原料”这一用语时，有时指“为液体状态的液体原料”，有时指“为气体状态的原料气体”，或者有时指这两者。
作为硅烷原料气体，例如，可以使用包含Si及氨基(胺基)的原料气体，即氨基硅烷原料气体。所谓氨基硅烷原料，是指具有氨基的硅烷原料，另外，也为具有甲基、乙基、丁基等烷基的硅烷原料，为至少包含Si、氮(N)及碳(C)的原料。即，此处所谓的氨基硅烷原料可以称为有机系原料，也可以称为有机氨基硅烷原料。
作为氨基硅烷原料气体，例如，可以使用双叔丁基氨基硅烷(SiH2[NH(C4H9)]2，简称：BTBAS)气体。BTBAS也可以称为在1分子中包含1个Si、具有Si-N键、N-C键但不具有Si-C键的原料气体。BTBAS气体作为Si源发挥作用。
在使用BTBAS这样的常温常压下呈液体状态的液体原料的情况下，利用气化器、起泡器等气化系统将液体状态的原料气化，以硅烷原料气体(BTBAS气体等)的形式供给。
作为化学结构与原料不同的反应体(反应物，reactant)，从气体供给管232b经由MFC241b、阀243b、喷嘴249b向处理室201内供给例如含氧(O)气体。
含O气体作为氧化剂(氧化气体)即O源发挥作用。作为含O气体，例如可使用氧(O2)气、水蒸气(H2O气体)等。使用O2气体作为氧化剂时，例如，使用后述的等离子体源对该气体进行等离子体激发，以等离子体激发气体(O2*气体)的形式供给。
作为非活性气体，从气体供给管232c、232d分别经由MFC241c、241d、阀243c、243d、气体供给管232a、232b、喷嘴249a、249b向处理室201内供给例如氮(N2)气。
主要由气体供给管232a、MFC241a、阀243a构成作为第1气体供给系统的原料供给系统。主要由气体供给管232b、MFC241b、阀243b构成作为第2气体供给系统的反应体供给系统(反应物供给系统)。主要由气体供给管232c、232d、MFC241c、241d、阀243c、243d构成非活性气体供给系统。也将原料供给系统、反应体供给系统及非活性气体供给系统简称为气体供给系统(气体供给部)。
(衬底支承件)
如图1所示，作为衬底支承件的晶舟217构成为：将多张(例如25～200张)晶片200以水平姿态且彼此中心对齐的状态在垂直方向上排列并呈多层支承，也即使多张晶片200隔开间隔地排列。晶舟217由例如石英、SiC等耐热性材料构成。在晶舟217的下部，呈多层地支承有由例如石英、SiC等耐热性材料构成的隔热板218。通过该构成，来自加热器207的热不易传递至密封盖219侧。
但是，本实施方式并不限定于这样的方式。例如，在晶舟217的下部，也可以不设置隔热板218，而设置由石英、SiC等耐热性材料形成且构成为筒状部件的隔热筒。
(等离子体生成部)
接下来，针对等离子体生成部，使用图1至图3进行说明。
如图2所示，就等离子体而言，使用电容耦合等离子体(Capacitively CoupledPlasma，简称：CCP)，供给反应气体时在由石英等制作的作为真空隔壁的反应管203的内部生成。
如图2及图3(a)所示，电极300由具有在晶片200的排列方向上较长的矩形形状的薄板构成。电极300中交替地配置有第1电极(热电极)300-1和第2电极(地电极)300-2，所述第1电极(热电极)300-1经由未图示的匹配器而与高频电源320连接，所述第2电极(接地电极)300-2连接于作为基准电位的地线而接地。本发明中，在无需特别区分说明的情况下，记载为电极300来进行说明。
电极300以沿着反应管203的外壁的方式呈大致圆弧状配置在反应管203与加热器207之间，例如，固定于后述的石英罩的内壁面而配置，所述石英罩形成为中心角为30度以上且240度以下的圆弧状。通过从高频电源320经由未图示的匹配器向电极300输入例如频率数为13.56MHz的高频，从而在反应管203内生成等离子体活性种302。通过以这样的方式生成的等离子体，能够将用于衬底处理的等离子体活性种302从晶片200的周围供给至晶片200的表面。主要由电极300和高频电源320构成等离子体生成部。也可以认为包括未图示的匹配器、后述的电极固定单元301在内作为等离子体生成部。
电极300也可以由铝、铜、不锈钢等金属构成，但通过由镍等耐氧化材料构成，能够在抑制电极表面的电导率的劣化的同时进行衬底处理。通过抑制电极表面的电导率的劣化，从而能够抑制等离子体生成效率的劣化。
另外，如图4(a)所示，电极300中形成有切口部305，所述切口部305包含供后述的突起头部311通过的圆形切口部303、和供突起轴部312滑动的滑动切口部304。
电极300需要以具有充分的强度并且不显著阻碍热源对晶片加热的效率的方式形成。例如，优选构成为电极板的厚度在0.1mm以上且1mm以下、宽度在5mm以上且30mm以下的范围。另外，电极300具有用于抑制由加热器207的加热带来的变形的作为变形抑制部的弯曲结构。将该弯曲结构的例子示于图5(a)～(g)。由于电极300配置在石英反应管203与加热器207之间，因此从其空间的限制方面考虑，图5(a)～(g)的电极300侧部的弯曲宽度h优选设定在1mm以上且5mm以下的范围内。该弯曲宽度小于1mm时，难以获得抑制变形的效果，大于5mm时，需要形成较大的用于配置电极的空间，成为装置结构整体变大的主要原因。
作为电极300的抑制变形结构，例如，通过如图5(a)、(b)所示那样以成为锐角或直角的方式构成弯曲角度α，从而能够以简单的结构获得抑制变形的效果。该情况下的弯曲角度α优选设定在10°～90°的范围内。另外，在电极300的表面通过热氧化形成有被膜，由于因衬底处理时的加热而在电极300中产生的热应力，该被膜可能剥离而产生颗粒。因此，通过如图5(c)～(g)那样使弯曲角度α为钝角，能够缓和在弯曲结构的弯曲部分处的热应力的集中，减少颗粒的产生。另外，通过如图5(f)、(g)那样成为圆弧状，能够进一步大幅度地获得缓和热应力集中的效果，可进一步期待颗粒的减少。此时，优选以图5(c)～(e)的弯曲角度α为直角或钝角的方式、即以90°～175°的范围进行设定。另外，优选图5(f)、(g)的电极300中央部的曲率半径R设定在1mm～60mm的范围内。另外，通过如图5(b)、(d)那样在两处设置弯曲，从而成为耐受扭转变形(所述扭转变形是由于在电极板的扭转方向上施加应力而产生的)也强的结构，因此在易于沿扭转方向产生应力的高温区域中的使用变得容易。
在立式衬底处理装置中，以反应室温度为500℃、反应室压力为氮气体100Pa、高频电源320的频率为13.56MHz的条件进行实施，采用长度为1m、电极宽度为15mm、厚度为1mm的电极，在管状的反应管的外壁以25mm的电极间距(中心间距离)并以极性交替的方式配置多根电极，生成CCP模式的等离子体。
此处，衬底处理时的炉内压力优选控制在10Pa以上且300Pa以下的范围内。其原因在于，炉内的压力低于10Pa时，气体分子的平均自由程长于等离子体的德拜长度，直接撞击炉壁的等离子体变得显著，难以抑制颗粒的产生。另外，炉内的压力高于300Pa时，等离子体的生成效率饱和，因此即使供给反应气体，等离子体的生成量也不发生变化，无端地浪费反应气体，同时由于气体分子的平均自由程变短，从而等离子体活性种向晶片的输送效率变差。
(电极固定单元)
接下来，使用图3至图4对作为将电极300固定的电极固定单元的石英罩301进行说明。如图3(a)、(b)、图4(a)、(b)所示，就设置有多根的电极300而言，将其切口部305钩挂在设置于弯曲形状的石英罩301的内壁面的突起部310上，使其滑动而固定，进行单元化(钩式电极单元)以使得与该石英罩301成为一体，从而设置于反应管203的外周。需要说明的是，作为石英罩301和电极300的材料，分别采用石英和镍合金。
石英罩301优选以厚度在1mm以上且5mm以下的范围内的方式构成，以使其具有充分的强度、并且不使利用加热器207进行的晶片加热的效率明显降低。石英罩301的厚度小于1mm时，无法获得针对石英罩301的自重、温度变化等的规定的强度，构成为大于5mm时，由于吸收从加热器207辐射的热能，因此无法适当地进行对晶片200的热处理。
另外，石英罩301在作为反应管侧的内壁面具有多个用于固定电极300的钉子形状的作为固定部的突起部310。该突起部310由突起头部311和突起轴部312构成。突起头部311的直径小于电极300的切口部305的圆形切口部303的直径，突起轴部312的直径小于滑动切口部304的宽度。电极300的切口部305制成钥匙孔这样的形状，并形成下述结构:滑动时该滑动切口部304可引导上述突起轴部312，并且，该突起头部311不会在该滑动切口部304脱落。即，电极固定单元可以说具有下述固定部，所述固定部具备将电极300卡定的作为柱状部的突起轴部312和防止电极300脱落的作为前端部的突起头部311。需要说明的是，显而易见，上述的切口部305和突起头部311的形状并不限定于图3、4所示的形状。
为了使石英罩301与电极300隔开一定距离，可以在两者之间，在石英罩301或电极300上具有间隔物、弹簧等弹性体，还可以具有这些间隔物、弹簧等弹性体与石英罩301或电极300形成一体的结构。本实施例中，具有如图6中所示那样的间隔物330与电极300形成一体的结构。需要说明的是，在图3中，该间隔物330在电极300的上部、下部设置共计2个，此外，也可以设置于电极300的中央部。
为了于500℃以下的衬底温度得到高的衬底处理能力，优选使石英罩301形成以中心角计占有率为30°以上且240°以下的圆弧形状，另外，为了避免产生颗粒，优选是避开作为排气口的排气管231、喷嘴249a、249b等来进行配置。即，作为电极固定单元的石英罩301被配置在反应管203的外周的除下述位置以外的部位，所述位置为设置于反应管203内的作为气体供给部的喷嘴249a、249b和作为气体排气部的排气管231所设置的位置。若以中心角小于30°的方式构成，则配置的电极300的根数少，等离子体的生成量减少。由此，对处理室内的衬底处理也造成影响。另外，若以中心角大于240°的方式构成，则石英罩301覆盖反应管203的侧面的面积变得过大，阻断了来自加热器207的热能。因此，来自加热器207的热能难以到达晶片200，对处理室内的衬底处理造成影响。本实施例中，左右对称地设置有两台中心角为110°的石英罩301。主要由将电极300固定的石英罩301构成电极固定单元。可以构成为包含电极300、后述的间隔物来作为电极固定单元，在包含电极300的情况下，可以构成为包含等离子体生成部来作为电极固定单元。
(间隔物)
接下来，使用图6，针对用于将电极300与作为电极固定单元的石英罩301的表面隔开一定距离的间隔物330进行说明。间隔物330由例如板簧状的弹性体构成，可固定于电极300或石英罩301中的任一者。间隔物330由例如SUS等金属材料、或具有弹性的耐热材料形成，由与电极抵接的电极抵接部330-1和与石英罩301抵接的石英罩抵接部330-2构成。需要说明的是，本实施方式中，以板簧状对间隔物进行了说明，但并不限定于此，只要为能够维持距电极一定距离的形状即可。例如，可以由氧化铝、陶瓷等耐热部件构成为圆筒形状，并以突起轴部贯穿间隔物的内侧或与间隔物的内侧进行间隙配合的方式设置。在该情况下，间隔物可固定于突起轴部。
(排气部)
如图1所示，在反应管203设置有对处理室201内的气氛进行排气的排气管231。在排气管231，经由检测处理室201内的压力的作为压力检测器(压力检测部)的压力传感器245及作为排气阀(压力调节部)的APC(Auto Pressure Controller，自动压力控制器)阀244，连接有作为真空排气装置的真空泵246。APC阀244是如下构成的阀：通过在使真空泵246工作的状态下对阀进行开闭，从而能够进行处理室201内的真空排气及真空排气停止，进而通过在使真空泵246工作的状态下基于由压力传感器245检测到的压力信息来调节阀开度，能够调节处理室201内的压力。主要由排气管231、APC阀244、压力传感器245构成排气系统。可考虑将真空泵246包括在排气系统内。排气管231并不限于设置于反应管203的情况，可以与喷嘴249a、249b同样地设置于集流管209。
(周边装置)
在集流管209的下方，设置有能够将集流管209的下端开口气密地封闭的作为炉口盖体的密封盖219。密封盖219构成为从垂直方向下侧与集流管209的下端抵接。密封盖219由例如SUS等金属构成，形成为圆盘状。在密封盖219的上表面，设置有与集流管209的下端抵接的作为密封部件的O型圈220b。
在密封盖219的与处理室201相反的一侧，设置有使晶舟217旋转的旋转机构267。旋转机构267的旋转轴255贯穿密封盖219而连接于晶舟217。旋转机构267构成为通过使晶舟217旋转来使晶片200旋转。密封盖219构成为通过垂直地设置于反应管203的外部的作为升降机构的晶舟升降机115而在垂直方向上升降。晶舟升降机115构成为能够通过使密封盖219升降来将晶舟217向处理室201内外搬入及搬出。
晶舟升降机115构成为将晶舟217即晶片200向处理室201内外搬送的搬送装置(搬送机构)。另外，在集流管209的下方，设置有作为炉口盖体的闸门219s，其能够在利用晶舟升降机115使密封盖219下降的期间，将集流管209的下端开口气密地封闭。闸门219s由例如SUS等金属构成，形成为圆盘状。在闸门219s的上表面，设置有与集流管209的下端抵接的作为密封部件的O型圈220c。闸门219s的开闭动作(升降动作、转动动作等)由闸门开闭机构115s控制。
在反应管203的内部，设置有作为温度检测器的温度传感器263。通过基于由温度传感器263检测到的温度信息来调节向加热器207的通电情况，从而使处理室201内的温度成为所期望的温度分布。温度传感器263与喷嘴249a、249b同样地沿着反应管203的内壁设置。
(控制装置)
接下来使用图7对控制装置进行说明。如图7所示，作为控制部(控制装置)的控制器121构成为具备CPU(Central Processing Unit)121a、RAM(Random Access Memory)121b、存储装置121c、I/O端口121d的计算机。RAM121b、存储装置121c、I/O端口121d构成为能够经由内部总线121e与CPU121a进行数据交换。在控制器121上，连接有以例如触摸面板等形式构成的输入输出装置122。
存储装置121c由例如闪存、HDD(Hard Disk Drive)等构成。在存储装置121c内，以可读取的方式存储有控制衬底处理装置的动作的控制程序、记载有后述的成膜处理的步骤、条件等的工艺制程等。工艺制程是以能够使控制器121执行后述的各种处理(成膜处理)中的各步骤、并得到规定的结果的方式组合而成的，作为程序发挥功能。以下，也将工艺制程、控制程序等总称地简称为程序。另外，也将工艺制程简称为制程。本说明书中，当使用程序这样的用语时，有时仅单独包含制程，有时仅单独包含控制程序，或者有时包含这两者。RAM121b构成为由CPU121a读取的程序、数据等得以被暂时保存的存储区域(工作区)。
I/O端口121d连接于上述的MFC241a～241d、阀243a～243d、压力传感器245、APC阀244、真空泵246、加热器207、温度传感器263、旋转机构267、晶舟升降机115、闸门开闭机构115s、高频电源320等。
CPU121a构成为从存储装置121c读取并执行控制程序，并且根据来自输入输出装置122的操作命令的输入等来从存储装置121c读取制程。CPU121a构成为，以按照读取到的制程的内容的方式，控制旋转机构267的控制、利用MFC241a～241d进行的各种气体的流量调节动作、阀243a～243d的开闭动作、APC阀244的开闭动作及基于压力传感器245的利用APC阀244进行的压力调节动作、真空泵246的起动及停止、基于温度传感器263的加热器207的温度调节动作、利用旋转机构267进行的晶舟217的正反旋转、旋转角度及旋转速度调节动作、利用晶舟升降机115进行的晶舟217的升降动作、利用闸门开闭机构115s进行的闸门219s的开闭动作、高频电源320的电力供给等。
控制器121可通过将存储在外部存储装置(例如，硬盘等磁盘、CD等光盘、MO等光磁盘、USB存储器等半导体存储器)123中的上述程序安装到计算机中而构成。存储装置121c、外部存储装置123构成为计算机可读取的记录介质。以下，也将它们总称地简称为记录介质。本说明书中，当使用记录介质这样的用语时，有时仅单独包含存储装置121c，有时仅单独包含外部存储装置123，或者有时包含这两者。需要说明的是，程序向计算机的提供也可以不使用外部存储装置123，而使用互联网、专用线路等通信手段。
(2)衬底处理工序
作为半导体器件(Device)的制造工序的一个工序，使用图8针对使用上述衬底处理装置在衬底上形成膜的工艺例进行说明。在以下的说明中，构成衬底处理装置的各部的动作由控制器121控制。
本说明书中，方便起见，也有时将图8所示的成膜处理的顺序以下述方式表示。在以下的变形例、其他实施方式的说明中，使用同样的表述。
本说明书中，当使用“晶片”这样的用语时，有时指的是晶片本身，有时指的是晶片与形成于其表面的规定的层、膜的层叠体。本说明书中，当使用“晶片的表面”这样的用语时，有时指的是晶片本身的表面，有时指的是形成于晶片上的规定的层等的表面。本说明书中，当记载了“在晶片上形成规定的层”时，有时指的是在晶片本身的表面上直接形成规定的层，有时指的是在形成于晶片上的层等之上形成规定的层。本说明书中，使用“衬底”这样的用语的情况也与使用“晶片”这样的用语的情况含义相同。
(搬入步骤：S1)
在将多张晶片200装填(晶片填充)到晶舟217上后，利用闸门开闭机构115s使闸门219s移动，从而使集流管209的下端开口打开(闸门打开)。然后，如图1所示，支承有多张晶片200的晶舟217被晶舟升降机115抬起并搬入处理室201内(晶舟加载)。在该状态下，密封盖219处于借助O型圈220b而将集流管209的下端密封的状态。
(压力·温度调节步骤：S2)
利用真空泵246进行真空排气(减压排气)，以使得处理室201的内部即晶片200存在的空间成为所期望的压力(真空度)。此时，利用压力传感器245测定处理室201内的压力，基于该测得的压力信息对APC阀244进行反馈控制。真空泵246至少在后述的成膜步骤结束之前的期间维持一直工作的状态。
另外，利用加热器207进行加热，以使得处理室201内的晶片200成为所期望的温度。此时，以处理室201内成为所期望的温度分布的方式，基于温度传感器263检测到的温度信息对向加热器207的通电情况进行反馈控制。利用加热器207进行的处理室201内的加热至少在后述的成膜步骤结束之前的期间持续进行。但是，当在室温以下的温度条件下进行成膜步骤时，也可以不实施利用加热器207进行的处理室201内的加热。需要说明的是，在仅进行这样的温度下的处理的情况下，无需加热器207，可以不在衬底处理装置中设置加热器207。在该情况下，能够使衬底处理装置的构成简化。
接着，开始利用旋转机构267进行的晶舟217及晶片200的旋转。利用旋转机构267进行的晶舟217及晶片200的旋转至少在后述的成膜步骤结束之前的期间持续进行。
(成膜步骤：S3、S4、S5、S6)
然后，通过依次执行步骤S3、S4、S5、S6来进行成膜步骤。
(原料气体供给步骤：S3、S4)
步骤S3中，对处理室201内的晶片200供给BTBAS气体。
打开阀243a，向气体供给管232a内流入BTBAS气体。BTBAS气体由MFC241a进行流量调节，经由喷嘴249a从气体供给孔250a向处理室201内供给，并从排气管231排气。此时，对晶片200供给BTBAS气体。此时，同时地打开阀243c，向气体供给管232c内流入N2气体。N2气体由MFC241c进行流量调节，与BTBAS气体一同向处理室201内供给，并从排气管231排气。
另外，为了防止BTBAS气体侵入喷嘴249b内，打开阀243d，向气体供给管232d内流入N2气体。N2气体经由气体供给管232b、喷嘴249b向处理室201内供给，并从排气管231排气。
由MFC241a控制的BTBAS气体的供给流量为例如1sccm以上且2000sccm以下、优选10sccm以上且1000sccm以下的范围内的流量。由MFC241c、241d控制的N2气体的供给流量分别为例如100sccm以上且10000sccm以下的范围内的流量。如上所述，处理室201内的压力为例如1以上且2666Pa以下、优选67Pa以上且1333Pa以下的范围内的压力。BTBAS气体对晶片200供给的时间为例如1秒以上且100秒以下、优选1秒以上且50秒以下的范围内的时间。
加热器207的温度设定为下述这样的温度：使晶片200的温度成为例如0℃以上且150℃以下、优选室温(25℃)以上且100℃以下、更优选40℃以上且90℃以下的范围内的温度。BTBAS气体为易于吸附于晶片200等的反应性高的气体。因此，即使为例如室温左右的低温下，BTBAS气体也能够化学吸附于晶片200上，能够得到实用水平的成膜速率。如本实施方式那样，通过使晶片200的温度为150℃以下、进一步为100℃以下、更进一步为90℃以下，能够减少对晶片200施加的热量，能够良好地控制晶片200所经受的热历程。另外，为0℃以上的温度时，能够使BTBAS充分地吸附于晶片200上，可得到充分的成膜速率。因此，晶片200的温度可以为0℃以上且150℃以下、优选室温以上且100℃以下、更优选40℃以上且90℃以下的范围内的温度。
通过在上述条件下对晶片200供给BTBAS气体，从而在晶片200(表面的基底膜)上形成例如厚度小于1原子层(1分子层)至数原子层(数分子层)左右的含Si层。含Si层可以为Si层，也可以为BTBAS的吸附层，还可以包含这两者。
所谓Si层，是指除了由Si构成的连续层以外、还包括不连续层、它们重叠而形成的Si薄膜的总称。构成Si层的Si也包括与氨基的键未完全被切断的Si、与H的键未完全被切断的Si。
对于BTBAS的吸附层而言，除了包含由BTBAS分子构成的连续的吸附层以外，也包含不连续的吸附层。构成BTBAS的吸附层的BTBAS分子也包括Si与氨基的键的一部分被切断的BTBAS分子、Si与H的键的一部分被切断的BTBAS分子、N与C的键的一部分被切断的BTBAS分子等。即，BTBAS的吸附层可以为BTBAS的物理吸附层，也可以为BTBAS的化学吸附层，还可以包含这两者。
此处，所谓小于1原子层(1分子层)的厚度的层，是指不连续地形成的原子层(分子层)，所谓1原子层(1分子层)的厚度的层，是指连续地形成的原子层(分子层)。含Si层可包括Si层和BTBAS的吸附层这两者。但是，如上所述，针对含Si层，使用“1原子层”、“数原子层”等表述，将“原子层”以与“分子层”同样的含义使用。
通过在BTBAS自分解(热分解)的条件下、即BTBAS的热分解反应产生的条件下在晶片200上堆积Si，从而形成Si层。通过在BTBAS不自分解(热分解)的条件下、即不产生BTBAS的热分解反应的条件下在晶片200上吸附BTBAS，从而形成BTBAS的吸附层。但是，本实施方式中，由于将晶片200的温度设定为例如150℃以下的低温，因此，不易产生BTBAS的热分解。结果，容易在晶片200上形成BTBAS的吸附层，而非Si层。
若在晶片200上形成的含Si层的厚度大于数原子层，则后述的改性处理中的改性作用无法达到含Si层的整体。另外，能够形成于晶片200上的含Si层的厚度的最小值小于1原子层。因此，含Si层的厚度优选设定为小于1原子层至数原子层左右。通过使含Si层的厚度为1原子层以下、即1原子层或小于1原子层，从而能够相对地提升后述的改性处理中的改性作用，能够缩短改性处理的改性反应所需要的时间。另外，也能够缩短成膜处理的含Si层的形成所需要的时间。结果，能够缩短每一循环的处理时间，也能够缩短总的处理时间。即，也能够提高成膜速率。另外，通过使含Si层的厚度为1原子层以下，也能够提高膜厚均匀性的控制性。
在形成含Si层后，关闭阀243a，停止向处理室201内的BTBAS气体的供给。此时，APC阀244保持打开状态，利用真空泵246对处理室201内进行真空排气，将残留于处理室201内的未反应或对含Si层的形成作出贡献后的BTBAS气体、反应副产物等从处理室201内排除(S4)。另外，阀243c、243d保持打开状态，维持N2气体向处理室201内的供给。N2气体作为吹扫气体发挥作用。需要说明的是，也可以省略该步骤S4，作为原料气体供给步骤。
作为原料气体，除了BTBAS气体外，还可合适地使用四二甲基氨基硅烷(Si[N(CH3)2]4，简称：4DMAS)气体、三(二甲基氨基)硅烷(Si[N(CH3)2]3H，简称：3DMAS)气体、双二甲基氨基硅烷(Si[N(CH3)2]2H2，简称：BDMAS)气体、双二乙基氨基硅烷(Si[N(C2H5)2]2H2，简称：BDEAS)气体等。此外，作为原料气体，还可合适地使用二甲基氨基硅烷(DMAS)气体、二乙基氨基硅烷(DEAS)气体、二丙基氨基硅烷(DPAS)气体、二异丙基氨基硅烷(DIPAS)气体、丁基氨基硅烷(BAS)气体、六甲基二硅氮烷(HMDS)气体等各种氨基硅烷原料气体、单氯硅烷(SiH3Cl，简称：MCS)气体、二氯硅烷(SiH2Cl2，简称：DCS)气体、三氯硅烷(SiHCl3，简称：TCS)气体、四氯硅烷即四氯化硅(SiCl4，简称：STC)气体、六氯二硅烷(Si2Cl6，简称：HCDS)气体、八氯三硅烷(Si3Cl8，简称：OCTS)气体等无机系卤代硅烷原料气体、单硅烷(SiH4，简称：MS)气体、二硅烷(Si2H6，简称：DS)气体、三硅烷(Si3H8，简称：TS)气体等不含卤代基的无机系硅烷原料气体。
作为非活性气体，除了N2气体外，还可使用Ar气体、He气体、Ne气体、Xe气体等稀有气体。
(反应气体供给步骤：S5，S6)
成膜处理结束后，对处理室201内的晶片200供给作为反应气体的经等离子体激发的O2气体(S5)。
在该步骤中，按照与步骤S3中的阀243a、243c、243d的开闭控制同样的步骤来进行阀243b～243d的开闭控制。O2气体由MFC241b进行流量调节，经由喷嘴249b从气体供给孔250b向处理室201内供给。此时，高频电力(本实施方式中频率数为13.56MHz)从高频电源320向电极300供给(施加)。向处理室201内供给的O2气体在处理室201的内部被激发成等离子体状态，作为活性种(O2*)，经由气体供给孔250c对晶片200供给，并从排气管231排气。需要说明的是，也将被激发成等离子体状态的O2气体称为氧等离子体。
由MFC241b控制的O2气体的供给流量为例如100sccm以上且10000sccm以下的范围内的流量。从高频电源320向电极300施加的高频电力为例如50W以上且1000W以下的范围内的电力。处理室201内的压力为例如10Pa以上且300Pa以下的范围内的压力。通过使用等离子体，即使处理室201内的压力为这样的较低的压力区，也能够使O2气体。关于活性种(通过将O2气体进行等离子体激发而得到)对晶片200供给的时间，为例如1秒以上且100秒以下、优选1秒以上且50秒以下的范围内的时间。其他的处理条件为与上述的步骤S3同样的处理条件。
在氧等离子体中生成的离子和电中性的活性种对形成于晶片200的表面的含Si层进行后述的氧化处理。
通过在上述条件下对晶片200供给O2气体，从而在晶片200上形成的含Si层进行等离子体氧化。此时，利用经等离子体激发的O2气体的能量，含Si层所具有的Si-N键、Si-H键被切断。与Si的键被切开的N、H、及与N键合的C从含Si层脱离。然后，由于N等脱离而具有未连接键(悬挂键)的含Si层中的Si与O2气体所含的O键合，形成Si-O键。随着该反应进行，含Si层转变(被改性)为包含Si及O的层、即氧化硅层(SiO层)。
需要说明的是，为了使含Si层改性为SiO层，需要使O2气体进行等离子体激发后再供给。这是因为，即使在非等离子体的气氛下供给O2气体，在上述的温度区中，含Si层氧化所需的能量也不足，难以使N、C从含Si层充分脱离，或者难以使含Si层充分地氧化来增加Si-O键。
在使含Si层转变为SiO层后，关闭阀243b，停止O2气体的供给。另外，停止向电极300供给高频电力。然后，通过与步骤S4同样的处理步骤、处理条件，将残留于处理室201内的O2气体、反应副产物从处理室201内排除(S6)。需要说明的是，也可以省略该步骤S6，作为反应气体供给步骤。
作为氧化剂、即等离子体激发的含O气体，除了O2气体以外，还可以使用一氧化二氮(N2O)气体、一氧化氮(NO)气体、二氧化氮(NO2)气体、臭氧(O3)气体、过氧化氢(H2O2)气体、水蒸气(H2O气体)、一氧化碳(CO)气体、二氧化碳(CO2)气体等。
作为非活性气体，除了N2气体以外，还可以使用例如步骤S4中例示的各种稀有气体。
(实施规定次数：S7)
将非同时地、即非同步地依序实施上述S3、S4、S5、S6作为1个循环，并将该循环实施规定次数(n次)即1次以上，由此能够在晶片200上形成规定组成及规定膜厚的SiO膜。上述的循环优选重复多次。即，优选的是，使每一循环形成的SiO层的厚度小于所期望的膜厚，将上述循环重复多次，直至通过层叠SiO层而形成的SiO膜的膜厚达到所期望的膜厚为止。
(大气压恢复步骤：S8)
上述的成膜处理结束后，分别从气体供给管232c、232d向处理室201内供给作为非活性气体的N2气体，并从排气管231排气。由此，处理室201内被非活性气体吹扫，残留于处理室201内的O2气体等从处理室201内除去(非活性气体吹扫)。然后，处理室201内的气氛被置换为非活性气体(非活性气体置换)，处理室201内的压力恢复至常压(大气压恢复：S8)。
(搬出步骤：S9)
然后，利用晶舟升降机115使密封盖219下降，集流管209的下端开口，并且处理完成的晶片200以支承于晶舟217的状态从集流管209的下端被搬出至反应管203的外部(晶舟卸载)。晶舟卸载之后，使闸门219s移动，集流管209的下端开口经由O型圈220c而被闸门219s密封(闸门关闭)。处理完成的晶片200被搬出至反应管203的外部后，自晶舟217取出(晶片取出)。需要说明的是，可以在晶片取出之后将空的晶舟217搬入处理室201内。
在立式衬底处理装置中，以反应室温度为500℃、反应室压力为氮气体100Pa、高频电源320的频率为13.56MHz的条件进行实施，采用长度为1m、电极宽度为15mm、厚度为1mm的电极，在管状的反应管的外壁以25mm的电极间距(中心间距离)并以极性交替的方式配置多根电极，生成CCP模式的等离子体。
此处，衬底处理时的炉内压力优选控制在10Pa以上且300Pa以下的范围内。其原因在于，炉内的压力低于10Pa时，气体分子的平均自由程长于等离子体的德拜长度，直接撞击炉壁的等离子体变得显著，因此难以抑制颗粒的产生。另外，其原因在于，炉内的压力高于300Pa时，等离子体的生成效率饱和，因此即使供给反应气体，等离子体的生成量也不发生变化，无端地浪费反应气体，同时由于气体分子的平均自由程变短，等离子体活性种向晶片的输送效率变差。
(3)由本实施方式带来的效果
根据本实施方式，可获得以下所示的一个或多个效果。
(a)通过形成将用于生成等离子体的电极固定于固定夹具的结构，从而能够形成可抑制等离子体电极变形的结构。
(b)由于能够抑制电极变形，因此能够使得向处理室内供给的活性种稳定地供给，能够均匀地进行晶片处理。
(c)通过使电极固定单元形成中心角为30°以上且240°以下的圆弧形状并配置电极，从而能够在不对晶片处理产生影响的情况下将来自位于电极固定单元的外周的加热装置的热能的阻断抑制在最低限度。
(4)变形例
本实施方式中的衬底处理工序不限于上述方式，可以如以下所示的变形例这样进行变更。
(变形例1)
上述的实施方式中，采用了将电极300固定于石英罩301的突起部310的方法，但也可以如图9所示，采用下述方法：由外侧石英罩301-1和内侧石英罩301-2构成石英罩301，在反应管203侧和作为加热装置的加热器207侧将电极300夹持而由此加以保持。在该情况下，为了防止电极300的位置偏移，可以在外侧石英罩301-1和内侧石英罩301-2的电极保持侧设置与电极300相同形状的保持槽。需要说明的是，该槽可以设置于一个绝缘盖，也可以设置于两个绝缘盖。
以上，对本发明的实施方式具体地进行了说明。然而，本发明并不限定于上述实施方式，可以在不超出其要旨的范围内进行各种变更。
另外，例如，在上述实施方式中，针对供给原料后供给反应体的例子进行了说明。本发明并不限定于这样的方式，原料、反应体的供给顺序也可以颠倒。即，也可以在供给反应体后供给原料。通过改变供给顺序，能够使形成的膜的膜质、组成比变化。
上述的实施方式等中，针对在晶片200上形成SiO膜的例子进行了说明。本发明并不限定于这样的方式，在晶片200上形成碳氧化硅(SiOC膜)、氧碳氮化硅膜(SiOCN膜)、氧氮化硅膜(SiON膜)等Si系氧化膜的情况下，也可以合适地应用。
例如，除了上述气体外，或者在这些气体的基础上，可以使用氨(NH3)气体等含氮(N)气体、丙烯(C3H6)气体等含碳(C)气体、三氯化硼(BCl3)气体等含硼(B)气体等，形成例如SiN膜、SiON膜、SiOCN膜、SiOC膜、SiCN膜、SiBN膜、SiBCN膜、BCN膜等。需要说明的是，可以适当变更各气体的流动顺序。在进行这些成膜的情况下，也可以在与上述实施方式同样的处理条件下进行成膜，可获得与上述实施方式同样的效果。在这些情况下，作为反应气体的氧化剂中，可以使用上述反应气体。
另外，本发明也可以合适地应用于在晶片200上形成包含钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钽(Ta)、铌(Nb)、铝(Al)、钼(Mo)、钨(W)等金属元素的金属系氧化膜、金属系氮化膜的情况。即，本发明也可以合适地应用于在晶片200上形成下述膜的情况，所述膜为：TiO膜、TiOC膜、TiOCN膜、TiON膜、TiN膜、TiBN膜、TiBCN膜、ZrO膜、ZrOC膜、ZrOCN膜、ZrON膜、ZrN膜、ZrBN膜、ZrBCN膜、HfO膜、HfOC膜、HfOCN膜、HfON膜、HfN膜、HfBN膜、HfBCN膜、TaO膜、TaOC膜、TaOCN膜、TaON膜、TaN膜、TaBN膜、TaBCN膜、NbO膜、NbOC膜、NbOCN膜、NbON膜、NbN膜、NbBN膜、NbBCN膜、AlO膜、AlOC膜、AlOCN膜、AlON膜、AlN膜、AlBN膜、AlBCN膜、MoO膜、MoOC膜、MoOCN膜、MoON膜、MoN膜、MoBN膜、MoBCN膜、WO膜、WOC膜、WOCN膜、WON膜、WN膜、WBN膜、WBCN膜等。
在这些情况下，例如，作为原料气体，可以使用四(二甲基氨基)钛(Ti[N(CH3)2]4，简称：TDMAT)气体、四(乙基甲基氨基)铪(Hf[N(C2H5)(CH3)]4，简称：TEMAH)气体、四(乙基甲基氨基)锆(Zr[N(C2H5)(CH3)]4，简称：TEMAZ)气体、三甲基铝(Al(CH3)3，简称：TMA)气体、四氯化钛(TiCl4)气体、四氯化铪(HfCl4)气体等。
即，本发明可合适地应用于形成包含半金属元素的半金属系膜、包含金属元素的金属系膜的情况。这些成膜处理的处理步骤、处理条件可以设为与上述实施方式、变形例中所示的成膜处理同样的处理步骤、处理条件。在这些情况下也可获得与上述实施方式同样的效果。
优选的是，成膜处理中使用的制程根据处理内容各自准备，经由电通信线路、外部存储装置123而预先存储于存储装置121c内。此外，在开始各种处理时，优选的是，CPU121a根据处理内容从存储于存储装置121c内的多个制程中适当选择适合的制程。由此，将能够在1台衬底处理装置中通用地且再现性良好地形成各种膜种类、组成比、膜质、膜厚的薄膜。另外，能够减少操作者的负担，能够在避免操作失误的同时迅速地开始各种处理。
上述制程并不限定于新制成的情况，例如，也可以通过改变已经安装到衬底处理装置的已有制程来进行准备。在变更制程的情况下，也可以经由电通信线路、记录有该制程的记录介质而将变更后的制程安装于衬底处理装置中。另外，也可以操作已有的衬底处理装置所具备的输入输出装置122，直接变更已安装于衬底处理装置的已有的制程。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明，能够提供可进行均匀的衬底处理的技术。
附图标记说明
200…晶片、201…处理室、203…反应管、207…加热器(加热装置)、217…晶舟、232a、232b、232c、232d…气体供给管、249a，249b…喷嘴、250a、250b、250c…气体供给孔、300…电极、301…石英罩、303…圆形切口部、304…滑动切口部、305…切口部、311…突起头部、312…突起轴部、320…高频电源、330…间隔物。

Claims (10)

1.衬底处理装置，其具有：
反应管，其形成对衬底进行处理的处理室；
电极，其设置于所述反应管的外周，并在所述处理室内形成等离子体；
电极固定单元，其将所述电极固定；和
加热装置，其设置于所述电极固定单元的外周，并对所述反应管内进行加热，
其中，所述电极具有用于使所述电极与所述电极固定单元的表面隔开一定距离的间隔物。
2.如权利要求1所述的衬底处理装置，其中，
所述电极固定单元具有固定部，所述固定部具备将所述电极卡定的突起轴部和防止所述电极脱落的突起头部，
所述间隔物由弹性体构成，生成将所述电极向所述突起头部方向推压的推压力。
3.如权利要求1或2所述的衬底处理装置，其中，所述电极固定单元为中心角呈30°以上且240°以下的圆弧形状。
4.如权利要求1～3中任一项所述的衬底处理装置，其中，所述电极固定单元为由石英形成的石英罩。
5.如权利要求1所述的衬底处理装置，其中，所述电极固定单元被配置于所述反应管外周的除下述位置以外的部位，所述位置是指设置于所述反应管内的气体供给部和气体排气部所设置的位置。
6.如权利要求1所述的衬底处理装置，其中，所述电极以被所述电极固定单元夹持所述反应管侧和所述加热装置侧的方式固定。
7.半导体器件的制造方法，其具有下述工序：
向衬底处理装置的处理室内搬入衬底的工序，所述衬底处理装置具有：反应管，其形成对所述衬底进行处理的所述处理室；电极固定单元，其将设置于所述反应管的外周并在所述处理室内形成等离子体的电极固定；和加热装置，其设置于所述电极固定单元的外周，并对所述反应管内进行加热，其中，固定于所述电极固定单元的电极具有用于使所述电极与所述电极固定单元的表面隔开一定距离的间隔物；
在所述处理室内生成等离子体并对所述衬底进行处理的工序；和将所述衬底从所述处理室搬出的工序。
8.电极固定单元，其具有：
电极，其在处理室内生成等离子体；
电极固定单元，其将所述电极固定；和
间隔物，其用于使所述电极与所述电极固定单元隔开一定距离，
其中，所述电极固定单元具有固定部，所述固定部具备将所述电极卡定的突起轴部和防止所述电极脱落的突起头部，
所述电极具有卡定于所述突起轴部的切口部。
9.如权利要求8所述的电极固定单元，其中，所述电极固定单元为中心角呈30°以上且240°以下的圆弧状。
10.如权利要求8所述的电极固定单元，其中，所述电极固定单元被配置于所述反应管外周的除下述位置以外的部位，所述位置是指设置于所述反应管内的气体供给部和气体排气部所设置的位置。
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