CN110890265A - 基板处理装置、基板处理装置的电极以及半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基板处理装置、基板处理装置的电极以及半导体装置的制造方法，能够在维持基于等离子体电极的活性种生成能力的状态下进行均匀的基板处理。基板处理装置具有形成对基板进行处理的处理室的反应管、设置于反应管的外侧且对在上述处理室内形成等离子体的电极进行固定的电极固定夹具、以及设于上述电极固定夹具的外侧且加热上述反应管的加热装置，上述电极具有施加任意的电位的电极和赋予基准电位的电极，施加上述任意的电位的电极的表面积是赋予上述基准电位的电极的表面积的两倍以上。

Description

基板处理装置、基板处理装置的电极以及半导体装置的制造 方法
技术领域
本公开涉及基板处理装置、基板处理装置的电极以及半导体装置的制造方法。
背景技术
作为半导体装置(设备)的制造工序的一工序，有时进行如下基板处理，即，将基板搬入基板处理装置的处理室内，向处理室内供给原料气体和反应气体，从而在基板上形成绝缘膜、半导体膜、导体膜等各种膜、或者除去各种膜。
在可形成细微图案的批量生产设备中，为了抑制杂质的扩散、能够使用有机材料等耐热性低的材料而追求低温化。
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
发明所要解决的课题
为了解决这样的问题，一般执行使用等离子体进行基板处理的方案，但若因经年变化、受到来自加热装置的热而等离子体电极变形，则导致由等离子体生成的离子、自由基等活性种的生成量降低，它们的生成分布产生偏差，有时导致难以在维持能力的状态下对膜进行均匀处理。
本公开的目的在于提供可以在维持基于等离子体电极的活性种生成能力的状态下进行均匀的基板处理的技术。
用于解决课题的方案
根据本公开的一方案，提供一种技术，具有：
反应管，其形成对基板进行处理的处理室；
电极固定夹具，其设置于上述反应管的外周，且对在上述处理室内形成等离子体的电极进行固定；以及
加热装置，其设于上述电极固定夹具的外周，且对上述反应管内进行加热，上述电极具有施加任意的电位的电极和赋予基准电位的电极，施加上述任意的电位的电极的表面积是赋予上述基准电位的电极的表面积的两倍以上。
发明效果
根据本公开，能够提供可以在维持基于等离子体电极的活性种生成能力的状态下进行均匀的基板处理的技术。
附图说明
图1是适用于本公开的实施方式的基板处理装置的立式处理炉的概略结构图，是用纵截面表示处理炉部分的图。
图2是图1所示的基板处理装置的A-A剖视图。
图3中的(a)是将本公开的实施方式的电极设置于石英罩时的立体图，(b)是用于表示本公开的实施方式的加热器、石英罩、电极、固定电极的突起部、反应管的位置关系的图。
图4中的(a)是本公开的实施方式的电极的主视图，(b)是说明将电极固定于石英罩的点的图。
图5是表示本公开的实施方式的一个电极的形状和将其作为台座的垫片的组合例的图，(a)是表示平板形状电极和一列垫片的例子的图，(b)是表示平板形状电极和两列垫片的例子的图，(c)是表示V字形状电极和一列垫片的例子的图，(d)是表示倒V字形状电极和两列垫片的例子的图，(e)是表示W字形状电极和两列垫片的例子的图。
图6是图1所示的基板处理装置的控制器的概略结构图，是表示控制器的控制系统的一个例子的块图。
图7是表示使用了图1所示的基板处理装置的基板处理工艺的一个例子的流程图。
图8是表示使用了六个本公开的实施方式的电极的情况下的等电位分布(曲线)和电场分布(箭头)的图，是将经由整合器连接于高频电源的Hot电极两个一组形成两组，并将剩余的Ground电极配置成与它们互相不同的情况的图。
图9是表示使用了六个本公开的实施方式的比较例的电极的情况下的等电位分布(曲线)和电场分布(箭头)的图，是将经由整合器连接高频电源的Hot电极和接地的Ground电极相互不同地分别各配置三个的情况的图。
图10是表示使用了六个本公开的实施方式的变形例的电极的情况下的等电位分布(曲线)和电场分布(箭头)的图，是将经由整合器连接高频电源的Hot电极四个一组形成一组，并将剩余的Ground电极配置于两侧的情况的图。
图中：
200—晶圆，201—处理室，203—反应管，207—加热器(加热装置)，300—电极，300-1—Hot电极，300-2—Ground电极，301—石英罩。
具体实施方式
＜公开的实施方式＞
以下，参照图1～图5对本公开的实施方式进行说明。
(1)基板处理装置的结构
(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，通过支撑于作为保持板的加热器基座(未图示)而垂直安装。另外，加热器207设于后述的作为电极固定夹具的石英罩301的外侧。如后述地，加热器207还作为利用热使气体活性化(激发)的活性化机构(激发部)发挥作用。
(处理室)
在加热器207的内侧配置有后述的作为电极固定夹具的石英罩301，而且在石英罩301的内侧配置有后述的等离子体生成部的电极300。而且，在电极300的内侧与加热器207同心圆状地配置有反应管203。反应管203由例如石英(SiO2)、碳化硅(SiC)等耐热性材料构成，形成为上端封闭且下端开口的圆筒形状。在反应管203的下方与反应管203呈同心圆状地配置有歧管209。歧管209由例如不锈钢(SUS)等金属构成，形成为上端以及下端均开口的圆筒形状。歧管209的上端部与反应管203的下端部卡合，且构成为支撑反应管203。在歧管209与反应管203之间设有作为密封部件的O型圈220a。歧管209支撑于加热器基座，由此反应管203为垂直安装的状态。主要由反应管203和歧管209构成了处理容器(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构成为能够容纳多张作为基板的晶圆200。反应管203形成有处理晶圆200的处理室201。此外，处理容器不限于上述结构，也有时仅将反应管203称为处理容器。
(气体供给部)
在处理室201内以贯通歧管209的侧壁的方式设有喷嘴249a、249b。在喷嘴249a、249b分别连接有气体供给管232a、232b。这样，在处理容器设有两个喷嘴249a、249b和两个气体供给管232a、232b，能够向处理室201内供给多种气体。此外，在仅将反应管203作为处理容器的情况下，喷嘴249a、249b也可以设置成贯通反应管203的侧壁。
在气体供给管232a、232b，从上游方向依次分别设有作为流量控制器(流量控制部)的质量流量控制器(MFC)241a、241b以及作为开闭阀的阀243a、243b。在气体供给管232a、232b的比阀243a、243b靠下流侧，分别连接有供给惰性气体的气体供给管232c、232d。在气体供给管232c、232d从上游方向依次分别设有MFC241c、241d以及阀243c、243d。
喷嘴249a、249b在反应管203的内壁与晶圆200之间的俯视呈圆环状的空间分别设置成，沿反应管203的内壁的从下部到上部，朝向晶圆200的装载方向上方立起。即，喷嘴249a、249b分别配置成，在搬入处理室201内的各晶圆200的端部(周缘部)的侧方与晶圆200的表面(平坦面)垂直。在喷嘴249a、249b的侧面分别设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，能够朝向晶圆200供给气体。气体供给孔250a、250b分别在反应管203的从下部到上部设有多个。
这样，在本实施方式中，经由配置于由反应管203的侧壁的内壁和排列于反应管203内的多张晶圆200的端部(周缘部)定义的俯视呈圆环状的纵长的空间内即圆筒状的空间内的喷嘴249a、249b搬送气体。于是，使气体从分别开口于喷嘴249a、249b的气体供给孔250a、250b在晶圆200的附近初次向反应管203内喷出。而且，将反应管203内的气体的主要的流动设为与晶圆200的表面平行的方向即水平方向。通过设为这样的结构，能够向各晶圆200均匀地供给气体，能够提高形成于各晶圆200的膜的膜厚的均匀性。在晶圆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，该残余气体的流向根据排气口的位置适当地指定，不限于垂直方向。
从气体供给管232a将例如含有作为预定元素的硅(Si)的硅烷原料气体作为含有预定元素的原料经由MFC241a、阀243a、喷嘴249a向处理室201内供给。
硅烷原料气体是指气体状态的硅烷原料，例如，通过将在常温常压下为液体状态的硅烷原料气化而得到的气体、在常温常压下为气体状态的硅烷原料等。在本说明书中使用“原料”这一词语的情况有时指“液体状态的液体原料”，有时指“气体状态的原料气体”，或者，有时指它们双方。
能够将例如含有Si以及氨基(胺基)的原料气体即氨基硅烷原料气体用作硅烷原料气体。氨基硅烷原料是具有氨基的硅烷原料，另外，也是具有甲基、乙基、丁基等烷基的硅烷原料，至少是含有Si、氮(N)以及碳(C)的原料。即，这里所说的氨基硅烷原料可以说是有机类的原料，也可以说是有机氨基硅烷原料。
能够将例如双(叔丁基氨基)硅烷(SiH2[NH(C4H9)]2，简称：BTBAS)气体用作氨基硅烷原料气体。BTBAS可以说是在一分子中含有一个Si，具有Si-N键、N-C键，没有Si-C键的原料气体。BTBAS气体作为Si源发挥作用。
在使用如BTBAS这样在常温常压下为液体状态的液体原料的情况下，将液体状态的原料通过气化器、扩散器等气化系统气化，形成硅烷原料气体(BTBAS气体等)而供给。
从气体供给管232b将例如含氧(O)气体作为化学构造与原料不同的反应体(反应物)经由MFC241b、阀243b、喷嘴249b向处理室201内供给。
含O气体作为氧化剂(氧化气体)即O源发挥作用。能够将例如氧(O2)气、水蒸气(H2O气体)等用作含O气体。在将O2气体用作氧化剂的情况下，例如使用后述的等离子体源对该气体进行等离子体激发而作为激发气体(O2 ＊气体)供给。
从气体供给管232c、232d将例如氮(N2)气体作为惰性气体分别经由MFC241c、241d、阀243c、243d、喷嘴249a、249b向处理室201内供给。
主要由气体供给管232a、MFC241a、阀243a构成作为第一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构成作为第二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构成惰性气体供给系统。也将原料供给系统、反应体供给系统以及惰性气体供给系统简称为气体供给系统(气体供给部)。
(基板支撑件)
如图1所示，作为基板支撑件的晶舟217构成为将多张例如25～200张晶圆200以水平姿势并且以相互对齐中心的状态沿垂直方向排列而支撑多层，即，隔开间隔排列。晶舟217由例如石英、SiC等耐热性材料构成。在晶舟217的下部支撑有多层由例如石英、SiC等耐热性材料构成的隔热板218。通过该结构，来自加热器207的热难以传递到密封盖219侧。但是，本实施方式不限于这样的方式。例如，也可以在晶舟217的下部不设置隔热板218，而设置由石英、SiC等耐热性材料构成且构成为筒状的部件的隔热筒。
(等离子体生成部)
接下来使用图1～图3对等离子体生成部进行说明。
如图2所示，等离子体是使用电容耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma，简称：CCP)，在供给反应气体时在由石英等制作的真空隔壁即反应管203的内部生成。
如图2以及图3的(a)所示，电极300由具有在晶圆200的排列方向上较长的矩形形状的薄板构成。电极300等间隔地配置有经由未图示的整合器连接高频电源320的第一电极(Hot电极)300-1和为基准电位0V且接地的第二电极(Ground电极)300-2。在本公开中，在不需要特别区分说明的情况下，记载为电极300进行说明。
电极300在反应管203与加热器207之间以沿反应管203的外壁的方式呈大致圆弧状配置，例如，固定配置于形成为中心角为30度以上且240度以下的圆弧状的后述的石英罩的内壁面。在此，如果将中心角设为低于30度，则等离子体生成量减少。另外，如果将中心角设为超过240度的角度，则会切断来自加热器207的热能，对晶圆处理产生不利影响。而且，如果将中心角设为超过240度的角度，则难以避开等离子体生成区域来配置喷嘴249a、249b以及作为温度传感器263的例如级联TC(热电偶)。假设，如果将喷嘴249a、249b等配置于等离子体生成区域，则容易从喷嘴249a、249b等产生颗粒(PC)。另外，若将级联TC也同样地配置于等离子体生成区域，则从TC丝放电，给晶圆200带来损坏、膜的不均匀性。因此，通过将中心角设为30度以上且240度以下，能够一边确保等离子体生成量，并且抑制来自加热器207的热能的切断，一边进行晶圆处理。通过从高频电源320经由未图示的整合器向电极300输入例如频率13.56MHz的高频，在反应管203内生成等离子体活性种302。通过这样生成的等离子体，能够从晶圆200的周围向晶圆200的表面供给用于基板处理的等离子体活性种302。主要由电极300和高频电源320构成等离子体生成部。也可以包括未图示的整合器、后述的作为电极固定夹具的石英罩301来考虑等离子体生成部。
电极300也能够由铝、铜、不锈钢等金属构成，但通过由镍等抗氧化材料构成，能够一边抑制电导率的劣化，一边进行基板处理。特别是通过由添加了铝的镍合金材料构成，能够在电极表面形成作为耐热性以及抗腐蚀性高的氧化被膜的AlO膜。通过该被膜形成的效果，能够抑制劣化向电极内部进行，因此能够抑制因电导率的降低引起的等离子体生成效率的降低。
另外，如图4的(a)所示，在电极300形成有缺口部305，该缺口部305由供后述的突起头部311通过的圆形缺口部303和使突起轴部312滑动的滑动缺口部304构成。
电极300优选在厚度为0.1mm以上且1mm以下，宽度为5mm以上且30mm以下的范围内构成，以具有足够的强度并且使基于热源的晶圆加热的效率不显著下降。图5的(a)、(b)表示使用了平板构造的电极300的例子，图5的(c)～(e)表示使用了具有弯曲构造的电极300的例子，该弯曲构造作为用于防止加热器207的加热引起的变形的变形抑制部。电极300配置于石英反应管203与加热器207之间，因此由于该空间的约束，弯曲角度适宜为90°～175°。电极表面形成有基于热氧化的被膜，由于有时因热应力而被膜剥离，产生颗粒，因此需要注意弯曲过度。另外，在三个部位具有弯曲构造的图5(e)的例子即使针对扭曲变形，防止效果也较强，因此尤其面向高温区域的使用。
在立式基板处理装置中，将高频电源320的频率以13.56MHz实施，采用长度为1m，电极宽度为10mm，且厚度为1mm的电极，在管形状的反应管的外壁，以20mm的电极间距(中心间距离)将多个施加任意的电位的第一电极300-1和赋予基准电位的第二电极300-2如图3(b)所示地以第一电极300-1、第一电极300-1、第二电极300-2、第一电极300-1、第一电极300-1、…的顺序配置，从而生成CCP模式的等离子体。即，电极300配置为，连续配置两个第一电极300-1，在该连续配置的两组第一电极300-1之间夹着一个第二电极300-2。
使用图8～10对使用了六个电极300的情况下的在处理室201内形成的等电位分布(曲线)和电场分布(箭头)进行说明。图8是表示施加了50V的电位的两个为一组的两组Hot电极300-1和两个Ground电极300-2交替配置的情况(实施方式)的等电位分布(曲线)和电场分布(箭头)的图。图9是表示施加了50V的电位的三个Hot电极300-1和三个Ground电极300-2交替配置的情况(比较例)的等电位分布(曲线)和电场分布(箭头)的图。图10是表示在施加了50V的电位的四个为一组的Hot电极300-1的两侧配置有两个Ground电极300-2的情况(变形例)的等电位分布(曲线)和电场分布(箭头)的图。
为了使N2气体电离而成为N2 +，需要能量为15.58eV以上，因此，例如，若以20V以上的电位的区域340进行比较，则可知，在此之中，图8的实施方式具有最宽的20V以上的电位的区域340，图10的变形例具有第二宽的20V以上的电位的区域340。也就是，意味着，图8的实施方式的等离子体的生成量或者等离子体生成效率最高，Hot电极300-1的总表面积是Ground电极300-2的总表面积的两倍。在图10的变形例中，Hot电极300-1的总表面积是Ground电极300-2的总表面积的两倍。在图9的比较例中，Hot电极300-1的总表面积与Ground电极300-2的总表面积相同。Hot电极300-1的总表面积优选为Ground电极300-2的总表面积的两倍以上且三倍以下。此外，在Hot电极300-1的总表面积低于Ground电极300-2的总表面积的两倍的情况下，电位分布的宽度窄，因此等离子体生成效率降低。另外，如果Hot电极300-1的总表面积超过Ground电极300-2的总表面积的三倍，则电位分布扩展到晶圆200的边缘部分，晶圆200成为阻碍，等离子体的生成效率饱和。在该状态下，即使在晶圆200的边缘部也放电，晶圆200容易产生损坏。另外，就在Ground电极300-2流动的电流而言，与Hot电极的表面积的倍数对应地流动，因此因高温而产生焦耳热。在该状态下，在晶圆200的表面和晶圆200的边缘部形成不同的膜质，难以确保面内的均匀性。如果将Hot电极300-1的总表面积设为Ground电极300-2的总表面积的两倍以上且三倍以下，则能够抑制上述的对晶圆200的损坏、晶圆200表面的膜的不均匀性，并且能够实现高的等离子体生成效率。但是，需要注意，上述的等电位分布以及电场分布是等离子体生成之前的状态，如果生成了等离子体，则由于德拜屏蔽效果，导致它们的分布大幅扭曲，另外，等离子体的空间电位成为0V附近。
在此，基板处理时的炉内压力优选控制在10Pa以上且300Pa以下的范围内。原因在于，在炉内的压力低于10Pa的情况下，导致气体分子的平均自由行程比等离子体的德拜长度更长，直接撞击炉壁的等离子体显著化，因此难以抑制颗粒的产生。原因还在于，在炉内的压力高于300Pa的情况下，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会变化，导致浪费反应气体，与此同时，由于气体分子的平均自由行程变短，因此导致输送到晶圆的等离子体活性种的输送效率变差。
(电极固定夹具)
接下来使用图3、图4对作为固定电极300的电极固定夹具的石英罩301进行说明。如图3的(a)、(b)、图4的(a)、(b)所示，设置有多个的电极300将其缺口部305挂在设于弯曲形状的作为电极固定夹具的石英罩301的内壁面的突起部310，进行滑动而固定，与该石英罩301以成为一体的方式单元化(钩式电极单元)，从而设置于反应管203的外周。在此，包括电极300和作为电极固定夹具的石英罩301而称为电极固定单元。此外，作为石英罩301和电极300的材料，分别采用了石英和镍合金。
石英罩301优选构成为厚度在1mm以上且5mm以下的范围内，以具有足够的强度，并且使基于加热器207的晶圆加热的效率不会显著降低。如果石英罩301的厚度低于1mm，则得不到针对石英罩301的自重、温度变化等的预定的强度，如果构成为大于5mm，则因为吸收从加热器207辐射的热能而不能适当地进行对晶圆200的热处理。
另外，石英罩301在反应管侧即内壁面具有多个作为用于固定电极300的图钉形状的固定部的突起部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的最大宽度比电极300的缺口部305的圆形缺口部303的直径小，突起轴部312的最大宽度比滑动缺口部304的宽度小。电极300的缺口部305为钥匙孔那样的形状，构成为，滑动式，该滑动缺口部304引导上述的突起轴部312，并且该突起头部311在该滑动缺口部304不会脱落。也就是，可以说，电极固定夹具具有固定部，该固定部具备抑制电极300从卡定的柱状部即突起轴部312脱落的前端部即突起头部311。此外，显而易见，上述的缺口部305和突起头部311的形状只要能够使电极300卡定于石英罩301，就不限于图3、4所示的形状。例如，突起头部311也可以具有锤子、刺那样的凸形状。
为了使石英罩301或反应管203与电极300的距离恒定，可以在两者之间在石英罩301或电极300具有垫片、弹簧等弹性体，另外，也可以是它们具有与石英罩301或电极300成为一体的构造。在本实施例中，具有图4(b)所示那样的垫片330与石英罩301成为一体的构造。针对一个电极具有多个该垫片330对于使两者间的距离恒定更有效。
为了在基板温度为500℃以下得到高的基板处理能力，期望如下配置：将石英罩301的占有率设为中心角为30°以上且240°以下的大致圆弧形状，另外，为了避免颗粒的产生而避开作为排气口的排气管231、喷嘴249a、249b等。也就是，作为电极固定夹具的石英罩301配置于设置有设于反应管203内的作为气体供给部的喷嘴249a、249b和作为气体排出部的排气管231的位置以外的反应管203的外周。在本实施例中，左右对称地设置两台中心角为110°的石英罩301。
(垫片)
接下来，在图4的(a)、(b)中示出用于将电极300相对于作为电极固定夹具的石英罩301的表面、反应管203的外壁隔开恒定的距离固定的垫片330。例如，垫片330为圆柱形状的石英材料，且与石英罩301一体化，通过与电极抵接，电极300被固定于石英罩301。在图5(a)中示出平板形状的电极300和一列垫片330的组合例，在图5(b)中示出相同形状的电极300和两列垫片330的组合例。在想要强化电极300的固定的情况下，如图5(c)～(e)所示地，配置成垫片330位于电极300的作为折弯部的V字形状的谷间的方式是有效的。不限于此，只要能够将电极300相对于石英罩301、反应管203以恒定的距离固定，无论垫片330是怎样的形态，都可以与电极300和石英罩301的任一个一体化。例如，垫片330也可以为半圆柱形状的石英材料，与石英罩一体化而固定电极300，另外，垫片330也可以做成SUS等金属制板材，与电极一体化而固定电极300。在石英罩设有电极固定夹具和垫片，因此电极的定位变得容易，另外，在电极劣化的情况下，能够仅交换电极，因此成本降低。另外，垫片330经由与电极300的抵接面生成向上述的作为前端部的突起头部311方向的按压力，因此抑制电极300从石英罩301脱落。在此，垫片330也可以包括上述的电极固定单元。
(排气部)
如图1所示，在反应管203设有将处理室201内的气体介质排出的排气管231。在排气管231经由作为检测处理室201内的压力的压力检测器(压力检测部)的压力传感器245以及作为排气阀(压力调整部)的APC(Auto Pressure Controller)阀244连接有作为抽真空装置的真空泵246。APC阀244为如下阀，即构成为，在真空泵246动作的状态下开闭阀，从而能够进行处理室201内的抽真空以及抽真空停止，而且在真空泵246动作的状态下基于由压力传感器245检测出的压力信息调节阀开度，从而能够调整处理室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。也可以将包括真空泵246包含于排气系统来考虑。排气管231不限于设于反应管203的情况，也可以和喷嘴249a、249b相同地设于歧管209。
(周边装置)
在歧管209的下方设有作为可气密地封闭歧管209的下端开口的炉口盖体的密封盖219。密封盖219构成为与歧管209的下端从垂直方向下侧抵接。密封盖219由例如SUS等金属构成，形成为圆盘状。在密封盖219的上表面设有与歧管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贯通密封盖219而与晶舟217连接。旋转机构267构成为通过使晶舟217旋转来使晶圆200旋转。密封盖219构成为通过垂直设置于反应管203的外部的作为升降机构的晶舟升降机115沿垂直方向升降。晶舟升降机115构成为通过使密封盖219升降而能够将晶舟217在处理室201内外搬入以及搬出。
晶舟升降机115构成为将晶舟217即将晶圆200在处理室201内外搬送的搬送装置(搬送机构)。另外，在歧管209的下方设有作为在通过晶舟升降机115使密封盖219下降期间可气密地封闭歧管209的下端开口的炉口盖体的闸门219s。闸门219s由例如SUS等金属构成，形成为圆盘状。在闸门219s的上表面设有与歧管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检测出的温度信息调整对加热器207的通电状态，处理室201内的温度成为期望的温度分布。温度传感器263与喷嘴249a、249b同样地沿反应管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6、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构成为经由内部母线121e可与CPU121a进行数据交换。在控制器121连接有例如构成为触摸屏等的输入/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内可读出地存储有控制基板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、条件等的工艺配方等。工艺配方是将后述的各种处理(成膜处理)中的各步骤以使控制器121执行而能够得到预定的结果的方式组合，作为程序发挥作用。以下，对工艺配方、控制程序等进行总称，也简称为程序。另外，也将工艺配方简称为配方。在本说明书中使用程序这一词语的情况下，有时仅包括配方单体，有时仅包括控制程序单体，另外有时包括它们双方。RAM121b构成为临时保持由CPU121a读出的程序、数据等的存储区域(工作区)。
I/O端口121d与上述的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等连接。
CPU121a构成为，从存储装置121c读出并执行控制程序，并且根据来自输入/输出装置122的操作指令的输入等从存储装置121c读出配方。CPU121a构成为，以根据读出的配方的内容的方式控制旋转机构267的控制、MFC241a～241d对各种气体的流量调整动作、阀243a～243d的开闭动作、APC阀244的开闭动作以及基于压力传感器245由APC阀244进行的压力调整动作、真空泵246的启动以及停止、基于温度传感器263的加热器207的温度调整动作、基于旋转机构267进行的晶舟217的正反旋转、旋转角度以及旋转速度调节动作、基于晶舟升降机115进行的晶舟217的升降动作、基于闸门开闭机构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能够通过将存储于外部存储装置(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的上述的程序安装于计算机而构成。存储装置121c、外部存储装置123构成为计算机可读取的存储介质。以下，对它们进行总称，也简称为存储介质。在本说明书中使用存储介质这一词语的情况下，有时仅包括存储装置121c单体，有时仅包括外部存储装置123单体，另外，有时包括它们双方。此外，向计算机提供程序也可以不使用外部存储装置123，而使用因特网、专用线路等通信机构来进行。
(2)基板处理工序
使用上述的基板处理装置，对作为半导体装置(设备)的制造工序的一工序的在基板上形成膜的工艺例使用图7进行说明。在以下的说明中，构成基板处理装置的各部分的动作由控制器121控制。
在本说明书中，有时为了便于说明，如以下那样表示图7所示的成膜处理的序列。在以下的变形例、其它实施方式的说明中也使用相同的标记。
Figure BDA0002189618040000131
在本说明书中使用“晶圆”这一词语的情况下，有时指晶圆本身，有时指晶圆与形成于其表面的预定的层、膜的层叠体。在本说明书中使用“晶圆的表面”这一词语的情况下，有时指晶圆本身的表面、有时指形成于晶圆上的预定的层等的表面。在本说明书中记载为“在晶圆上形成预定的层”的情况下，有时指在晶圆本身的表面上直接形成预定的层，有时指在形成于晶圆上的层等之上形成预定的层。在本说明书中使用“基板”这一词语的情况与使用“晶圆”这一词语的情况含义相同。
(搬入步骤：S1)
如果多张晶圆200被填装(晶圆装料)于晶舟217，则通过闸门开闭机构115s使闸门219s移动，开放歧管209的下端开口(闸门开放)。之后，如图1所示，支撑有多张晶圆200的晶舟217通过晶舟升降机115提升而搬入处理室201内(晶舟装载)。在该状态下，密封盖219成为经由O型圈220b密封歧管209的下端的状态。
(压力、温度调整步骤：S2)
通过真空泵246进行抽真空，以使处理室201的内部成为期望的压力(真空度)(减压排气)。此时，处理室201内的压力由压力传感器245测定，且基于该测定出的压力信息对APC阀244进行反馈控制(压力调整)。真空泵246至少在后述的成膜步骤结束为止的期间始终维持工作状态。
另外，通过加热器207加热，以使处理室201内成为期望的温度。此时，基于温度传感器263检测出的温度信息对加热器207的通电情况进行反馈控制，以使处理室201内成为期望的温度分布(温度调整)。加热器207对处理室201内的加热至少在后述的成膜步骤结束为止的期间持续进行。但是，在将成膜步骤在室温以下的温度条件下进行的情况下，也可以不进行加热器207对处理室201内的加热。此外，在仅进行这样的温度下的处理的情况下，不需要加热器207，也可以在基板处理装置不设置加热器207。在该情况下，能够简化基板处理装置的结构。
接下来，开始通过旋转机构267进行晶舟217以及晶圆200的旋转。旋转机构267对晶舟217以及晶圆200的旋转至少在后述的成膜步骤结束为止的期间持续进行。
(成膜步骤：S3、S4、S5、S6)
之后，通过依次执行步骤S3、S4、S5、S6为进行成膜步骤。
(原料气体供给步骤：S3、S4)
在步骤S3中，对处理室201内的晶圆200供给BTBAS气体。
打开阀243a，使BTBAS气体流向气体供给管232a内。BTBAS气体由MFC241a进行流量调整，经由喷嘴249a从气体供给孔250a供给至处理室201内，且从排气管231排出。此时，对晶圆200供给BTBAS气体。与此同时，打开阀243c，使N2气体流向气体供给管232c内。N2气体由MFC241c进行流量调整，与BTBAS气体一起供给至处理室201内，且从排气管231排出。
另外，为了防止BTBAS气体向喷嘴249b内的侵入，打开阀243d，使N2气体流向气体供给管232d内。N2气体经由气体供给管232d、喷嘴249b供给至处理室201内，且从排气管231排出。
由MFC241a控制的BTBAS气体的供给流量设为例如1sccm以上且2000sccm以下，优选设为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设为例如100sccm以上且10000sccm以下的范围内的流量。如上述地，处理室201内的压力设为例如1以上且2666Pa以下，优选设为67Pa以上且1333Pa以下的范围内的压力。对晶圆200供给BTBAS气体的时间设为例如1秒以上且100秒以下，优选设为1秒以上且50秒以下的范围内的时间。加热器207的温度设定为如下温度：使晶圆200的温度成为例如0℃以上且150℃以下，优选成为室温(25℃)以上且100℃以下，更优选成为40℃以上且90℃以下的范围内的温度。
在上述的条件下对晶圆200供给BTBAS气体，由此在晶圆200(表面的基膜)上形成含Si层。含Si层也可以是Si层，也可以是BTBAS的吸附层(化学吸附层、物理吸附层)，也可以包括它们双方。
在形成含Si层之后，关闭阀243a，停止向处理室201内的BTBAS气体的供给。此时，保持打开APC阀244的状态，通过真空泵246对处理室201内进行抽真空，将残留于处理室201内的未反应或参与含Si层的形成之后的BTBAS气体、反应副生成物等从处理室201内排除(S4)。另外，保持阀243c、243d打开的状态，维持向处理室201内的N2气体的供给。N2气体作为净化气体发挥作用。此外，也可以省略该步骤S4，设为原料气体供给步骤。
作为原料气体，除了BTBAS气体，还能够适当使用四(二甲氨基)硅烷(Si[N(CH3)2]4，简称：4DMAS)气体、三(二甲氨基)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。除此之外，作为原料气体，还能够适当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、二异丙氨基硅烷(DIPAS)气体、丁基氨基硅烷(BAS)气体、六甲基二硅胺烷(HMDS)气体等各种氨基硅烷原料气体、或单氯硅烷(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、六氯乙硅烷(Si2Cl6，简称：HCDS)气体、八氯三硅烷(Si3Cl8，简称：OCTS)气体等无机卤硅烷原料气体、或单硅烷(SiH4，简称：MS)气体、乙硅烷(Si2H6，简称：DS)气体、丙硅烷(Si3H8，简称：TS)气体等不含卤素的无机硅烷原料气体。
作为惰性气体，除了N2气体，还能够使用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)
成膜处理结束之后，对处理室201内的晶圆200供给作为反应气体的等离子体激发的O2气体(S5)。
在该步骤中，以与步骤S3中的阀243a、243c、243d的开闭控制相同的顺序进行阀243b～243d的开闭控制。O2气体由MFC241b进行流量调整，经由喷嘴249b从气体供给孔250b向处理室201内供给。此时，从高频电源320向电极300供给(施加)高频电力(在本实施方式中，频率为13.56MHz)。供给至处理室201内的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(O＊、O2 ＊)对晶圆200供给，且从排气管231排出。此外，被激发成等离子体状态的O2气体也称为氧等离子体。
由MFC241b控制的O2气体的供给流量设为例如100sccm以上且10000sccm以下的范围内的流量。从高频电源320向电极300施加的高频电力设为例如50W以上且1000W以下的范围内的电力。处理室201内的压力设为例如10Pa以上且300Pa以下的范围内的压力。通过使用等离子体，即使将处理室201内的压力设为这样的较低的压力带，也能够使O2气体活性化。对晶圆200供给通过将O2气体等离子体激发而得到的活性种的时间设为例如1秒以上且100秒以下，优选设为1秒以上且50秒以下的范围内的时间。其它处理条件设为与上述的步骤S3相同的处理条件。
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圆200的表面的含Si层进行后述的氧化处理。
在上述的条件下对晶圆200供给O2气体，由此形成于晶圆200上的含Si层被等离子体氧化。此时，含Si层具有的Si-N键、Si-H键被等离子体激发的O2气体的能量切断。断开了与Si的键合的N、H以及与N键合的C从含Si层脱离。于是，因N等脱离而具有悬空键(danglingbond)的含Si层中的Si与O2气体含有的O键合，形成Si-O键。该反应进行，由此含Si层向含有Si以及O的层即氧化硅层(SiO层)变化(改性)。
此外，为了使含Si层向SiO层改性，需要将O2气体等离子体激发而供给。原因在于，即使在非等离子体的氛围下供给O2气体，在上述的温度带中，使含Si层氧化所需要的能量也不足，难以使N、C从含Si层充分地脱离，难以使含Si层充分氧化而增加Si-O键。
使含Si层变化成SiO层后，关闭阀243b，停止O2气体的供给。另外，停止向电极300的高频电力的供给。然后，通过与步骤S4相同的处理步骤、处理条件，将残留在处理室201内的O2气体、反应副生成物从处理室201内排除(S6)。此外，也可以省略该步骤S6而设为反应气体供给步骤。
作为氧化剂，即含有等离子体激发的O的气体，除了O2气体，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)、氢氧化铵(NH4(OH))气体、一氧化碳(CO)气体、二氧化碳(CO2)气体等。
作为惰性气体，除了N2气体，还能够使用例如在步骤S4所例示的各种稀有气体。
(实施预定次数：S7)
将上述的步骤S3、S4、S5、S6按照该顺序非同时，即不同步地进行为一循环，将该循环进行预定次数(n次)即一次以上，由此能够在晶圆200上形成预定成分以及预定膜厚的SiO膜。上述的循环优选反复进行多次。即，优选的是，使每一循环形成的SiO层的厚度比期望的膜厚小，直至通过层叠SiO层而形成的SiO膜的膜厚成为期望的膜厚为止反复进行多次上述的循环。
(大气压恢复步骤：S8)
上述的成膜处理完成后，从气体供给管232c、232d分别向处理室201内供给作为惰性气体的N2气体，且从排气管231排出。由此，处理室201内被惰性气体净化，残留于处理室201内的O2气体等从处理室201内被除去(惰性气体净化)。之后，处理室201内的气体介质置换成惰性气体(惰性气体置换)，处理室201内的压力恢复到常压(大气压恢复：S8)。
(搬出步骤：S9)
之后，通过晶舟升降机115使密封盖219下降，歧管209的下端开口，并且处理完毕的晶圆200以支撑于晶舟217的状态从歧管209的下端被搬出到反应管203的外部(晶舟卸载)。晶舟卸载后，使闸门219s移动，歧管209的下端开口经由O型圈220c被闸门219s密封(闸门关闭)。处理完毕的晶圆200在搬出到反应管203的外部之后，从晶舟217取出(晶圆卸料)。此外，晶圆卸料之后，也可以向处理室201内搬入空的晶舟217。
在此，基板处理时的炉内压力优选控制在10Pa以上且300Pa以下的范围。原因在于，在炉内的压力低于10Pa的情况下，气体分子的平均自由行程比等离子体的德拜长度更长，且直接撞击炉壁的等离子体显著化，因此难以抑制颗粒的产生。另外，原因还在于，在炉内的压力高于300Pa的情况下，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会变化，导致浪费反应气体，与此同时，由于气体分子的平均自由行程变短，导致输送至晶圆的等离子体活性种的输送效率变差。
(3)本实施方式的效果
根据本实施方式，可得到以下所示的一个或多个效果。
(a)通过将施加任意的电位的电极的表面积设为赋予基准电位的电极的表面积的两倍以上，能够提高等离子体的生成量或等离子体生成效率。
(b)通过由添加了铝的镍合金材料构成电极，能够抑制向电极内部的劣化的进行，能够抑制电导率的降低引起的等离子体生成效率的降低。
(c)通过将电极固定夹具的中心角设为30°以上且240°以下的圆弧形状，并配置电极，能够将来自位于电极固定夹具的外周的加热装置的热能的切断抑制到最低限度，以对晶圆处理不产生影响。
以上对本公开的实施方式具体地进行了说明。但是，本公开不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。
另外，例如，在上述的实施方式中，对供给原料之后供给反应体的例子进行了说明。本公开不限于这样的方案，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之后供给原料。通过改变供给顺序，能够使形成的膜的膜质、成分比变化。
在上述的实施方式等中，对在晶圆200上形成SiO膜的例子进行了说明。本公开不限于这样的方案，也能够适用于在晶圆200上形成碳氧化硅膜(SiOC膜)，碳氮氧化硅膜(SiOCN膜)，氮氧化硅膜(SiON膜)等Si系氧化膜的情况。
例如，除了上述的气体，或者在这些气体的基础上，能够使用氨(NH3)气等含氮(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。此外，能够适当地变更使各气体流动的顺序。在进行这些成膜的情况下，也能够以与上述的实施方式同样的处理条件进行成膜，可得到与上述的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能够使用上述的反应气体。
另外，本公开也能够适用于在晶圆200上形成含有钛(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，本公开也能够适用于在晶圆200上形成TiO膜、TiOC膜、TiOCN膜、TiON膜、TiN膜、TiSiN膜、TiBN膜、TiBCN膜、ZrO膜、ZrOC膜、ZrOCN膜、ZrON膜、ZrN膜、ZrSiN膜、ZrBN膜、ZrBCN膜、HfO膜、HfOC膜、HfOCN膜、HfON膜、HfN膜、HfSiN膜、HfBN膜、HfBCN膜、TaO膜、TaOC膜、TaOCN膜、TaON膜、TaN膜、TaSiN膜、TaBN膜、TaBCN膜、NbO膜、NbOC膜、NbOCN膜、NbON膜、NbN膜、NbSiN膜、NbBN膜、NbBCN膜、AlO膜、AlOC膜、AlOCN膜、AlON膜、AlN膜、AlSiN膜、AlBN膜、AlBCN膜、MoO膜、MoOC膜、MoOCN膜、MoON膜、MoN膜、MoSiN膜、MoBN膜、MoBCN膜、WO膜、WOC膜、WOCN膜、WON膜、WN膜、WSiN膜、WBN膜、WBCN膜等的情况。
在这些情况下，例如，能够将四(二甲氨基)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)气体等用作原料气体。
即，本公开能够适用于形成含有半金属元素的半金属系膜、含有金属元素的金属系膜的情况。它们的成膜处理的处理步骤、处理条件能够设为与上述的实施方式、变形例所示的成膜处理相同的处理步骤、处理条件。在这些情况下，也可得到与上述的实施方式相同的效果。
优选的是，用于成膜处理的配方根据处理内容个别准备，经由电讯线路、外部存储装置123存储于存储装置121c内。而且，优选的是，在开始各种处理时，CPU121a从存储于存储装置121c内的多个配方中根据处理内容适当地选择合适的配方。由此，能够在一台基板处理装置通用地且再现性良好地形成各种膜种类、成分比、膜质、膜厚的薄膜。另外，能够减小操作者的负担，能够避免操作错误，并且快速开始各种处理。
上述的配方不限于新创建的情况，例如，也可以通过变更已安装于基板处理装置的现有的配方来准备。在变更配方的情况下，也可以将变更后的配方经由电讯线路、存储有该配方的存储介质安装于基板处理装置。另外，也可以操作现有的基板处理装置具备的输入/输出装置122，直接变更已安装于基板处理装置的现有的配方。

Claims (15)

1.一种基板处理装置，其特征在于，具有：
反应管，其形成对基板进行处理的处理室；
电极固定夹具，其设置于上述反应管的外侧且对在上述处理室内形成等离子体的电极进行固定；以及
加热装置，其设于上述电极固定夹具的外侧，且加热上述反应管，
上述电极具备施加任意的电位的电极和赋予基准电位的电极，施加上述任意的电位的电极的表面积是赋予上述基准电位的电极的表面积的两倍以上。
2.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
上述电极由添加了铝的镍合金材料构成。
3.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
具备用于将上述电极从上述电极固定夹具的表面分离恒定的距离的垫片，
上述电极具备折弯部，上述垫片抵接于上述折弯部的谷间。
4.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
至少一个赋予上述基准电位的电极配置为夹在连续配置两个以上的施加上述任意的电位的电极之间。
5.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
上述电极固定夹具为由石英形成的石英罩。
6.根据权利要求1所述的基板处理装置，其特征在于，
上述电极固定夹具配置于设置有设于上述反应管内的气体供给部和气体排出部的位置以外的上述反应管外周。
7.一种基板处理装置的电极，其具有施加任意的电位的电极和赋予基准电位的电极，且在处理室内生成等离子体，上述基板处理装置的电极的特征在于，
施加上述任意的电位的电极的表面积是赋予上述基准电位的电极的表面积的两倍以上。
8.根据权利要求7所述的基板处理装置的电极，其特征在于，
上述电极由添加了铝的镍合金材料构成。
9.根据权利要求7所述的基板处理装置的电极，其特征在于，
具备用于将上述电极从固定上述电极的电极固定夹具的表面分离恒定的距离的垫片，
上述电极具有折弯部，上述垫片抵接于上述折弯部的谷间。
10.根据权利要求7所述的基板处理装置的电极，其特征在于，
至少一个赋予上述基准电位的电极配置为夹在连续配置两个以上的施加上述任意的电位的电极之间。
11.根据权利要求9所述的基板处理装置的电极，其特征在于，
上述电极固定夹具为由石英形成的石英罩。
12.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有以下步骤：
向基板处理装置内搬入基板的步骤，其中，上述基板处理装置具有：反应管，其形成对上述基板进行处理的处理室；电极固定夹具，其设置于上述反应管的外侧且对在上述处理室内形成等离子体的电极进行固定；以及加热装置，其设于上述电极固定夹具的外侧，且加热上述反应管，上述电极具有施加任意的电位的电极和赋予基准电位的电极，施加上述任意的电位的电极的表面积是赋予上述基准电位的电极的表面积的两倍以上；
在上述处理室内生成上述等离子体而处理上述基板的步骤；以及
从上述处理室搬送上述基板的步骤。
13.根据权利要求12所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述处理的步骤中，通过由添加了铝的镍合金材料构成的上述电极生成上述等离子体。
14.根据权利要求12所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述处理的步骤中，通过至少一个赋予上述基准电位的电极配置为夹在连续配置两个以上的施加上述任意的电位的电极之间的上述电极生成上述等离子体。
15.根据权利要求12所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述处理的步骤中，通过具有与高频电源连接且施加上述任意的电位的电极和接地且赋予上述基准电位的电极的电极生成上述等离子体。
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