WO2022059188A1 - 基板処理装置、プラズマ発光装置、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、プラズマ発光装置、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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剛 竹田
大介 原
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株式会社Kokusai Electric
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Definitions

  • This disclosure relates to a manufacturing method and a program of a substrate processing device, a plasma light emitting device, and a semiconductor device.
  • the substrate is carried into the processing chamber of the substrate processing apparatus, and the raw material gas and the reaction gas are charged into the processing chamber.
  • the substrate may be supplied to form various films such as an insulating film, a semiconductor film, and a conductor film on the substrate, or to remove various films.
  • An object of the present disclosure is to provide a technique capable of exhibiting high substrate processing performance even for a low temperature substrate having a large surface area.
  • a processing chamber for processing a substrate, a first gas supply pipe for supplying a first gas, an applied electrode to which high frequency power is applied, a reference electrode to which a reference potential is given by grounding, and the above.
  • a technique comprising a plasma generation unit comprising an arc tube for photoexciting a first gas.
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the vertical processing furnace of the substrate processing apparatus preferably used in the embodiment of this disclosure, and is the figure which shows the processing furnace part in the vertical cross section. It is sectional drawing of AA in the substrate processing apparatus shown in FIG. It is a schematic block diagram of the controller in the board processing apparatus shown in FIG. 1, and is the block diagram which shows an example of the control system of a controller. It is a flowchart which shows an example of the substrate processing process using the substrate processing apparatus shown in FIG.
  • the processing furnace 202 has a heater 207 as a heating device (heating mechanism).
  • the heater 207 has a cylindrical shape and is vertically installed by being supported by a holding plate.
  • the heater 207 also functions as an activation mechanism (excitation portion) for activating (exciting) the gas with heat, as will be described later.
  • a reaction tube 203 is arranged concentrically with the heater 207.
  • the reaction tube 203 is made of a heat-resistant material such as quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC), and is formed in a cylindrical shape in which the upper end is closed and the lower end is open.
  • a manifold 209 is arranged concentrically with the reaction tube 203.
  • the manifold 209 is made of a metal such as stainless steel (SUS), and is formed in a cylindrical shape with open upper and lower ends. The upper end of the manifold 209 is engaged with the lower end of the reaction tube 203 and is configured to support the reaction tube 203.
  • a processing container (reaction container) is mainly composed of a reaction tube 203 and a manifold 209.
  • a processing chamber 201 is formed in the hollow portion of the cylinder of the processing container.
  • the processing chamber 201 is configured to accommodate a plurality of wafers 200 as substrates.
  • the processing container is not limited to the above configuration, and only the reaction tube 203 may be referred to as a processing container.
  • the nozzle 249a and the nozzle 249b are provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209, and the arc tube 249e is provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209.
  • a gas supply pipe 232a is connected to the nozzle 249a
  • a gas supply pipe 232b is connected to the nozzle 249b
  • a gas supply pipe 232e is connected to the arc tube 249e.
  • the processing container has two nozzles (that is, nozzles 249a and 249b), one arc tube 249e, and three gas supply pipes (that is, gas supply pipe 232a, gas supply pipe 232b, and so on.
  • a gas supply pipe 232e is provided, and it is possible to supply a plurality of types of gas into the processing chamber 201.
  • the nozzle 249a, the nozzle 249b and the arc tube 249e may be provided so as to penetrate the side wall of the reaction tube 203.
  • the gas supply pipe 232a, the gas supply pipe 232b, and the gas supply pipe 232e are, in order from the upstream direction, mass flow controllers (MFC) 241a, MFC241b and MFC241e which are flow rate controllers (flow control units), and a valve 243a valve which is an on-off valve.
  • MFC mass flow controllers
  • MFC241b and MFC241e which are flow rate controllers (flow control units)
  • a valve 243a valve which is an on-off valve.
  • a 243b and a valve 243e are provided, respectively.
  • Gas supply pipes 232c, 232d, and 232f for supplying an inert gas are connected to the downstream side of the valve 243a valve 243b and the valve 243e of the gas supply pipe 232a, the gas supply pipe 232b, and the gas supply pipe 232e, respectively.
  • the gas supply pipes 232c, 232d, and 232f are provided with MFC 241c, 241d, 241f and valves 243c, 243d, 243f, respectively, in order from the upstream direction. Further, a gas exhaust pipe 232 g for exhausting the gas in the arc tube 249e is connected to the downstream side of the gas supply pipe 232e on the downstream side of the valve 243e via the exhaust valve 243 g.
  • the nozzle 249a is located in an annular space in a plan view between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200, along the upper portion of the inner wall of the reaction tube 203 in the loading direction of the wafer 200. It is provided so that it stands up upward. That is, the nozzle 249a is provided along the wafer arrangement region in the region horizontally surrounding the wafer arrangement region on the side of the wafer arrangement region (mounting region) on which the wafer 200 is arranged (mounted). .. That is, the nozzle 249a is provided on the side of the end portion (peripheral portion) of each wafer 200 carried into the processing chamber 201 in a direction perpendicular to the surface (flat surface) of the wafer 200.
  • a gas supply hole 250a for supplying the raw material gas is provided on the side surface of the nozzle 249a.
  • the gas supply hole 250a is opened so as to face the center of the reaction tube 203, and gas can be supplied toward the wafer 200.
  • a plurality of gas supply holes 250a are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, each having the same opening area, and further provided at the same opening pitch.
  • the plasma generation unit 237 as a buffer chamber extends into an annular space in a plan view between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200, and extends above the lower part of the inner wall of the reaction tube 203.
  • the portion is provided along the loading direction of the wafer 200. That is, the plasma generation unit 237 has a structure as a buffer chamber formed by the buffer structure 300 along the wafer arrangement region in the region horizontally surrounding the wafer arrangement region on the side of the wafer arrangement region. ..
  • the buffer structure 300 is made of an insulating material such as quartz, and a gas supply port 302 for supplying gas is formed on the arcuate wall surface of the buffer structure 300. As shown in FIG.
  • the gas supply port 302 is opened so as to face the center of the reaction tube 203 at a position facing the arc tube 249e arranged between the reference electrode 270 and the application electrode 271 described later. , It is possible to supply gas toward the wafer 200.
  • a plurality of gas supply ports 302 are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, each having the same opening area, and further provided at the same opening pitch.
  • the nozzle 249b and the arc tube 249e are provided so as to rise upward in the loading direction of the wafer 200 along the upper part from the lower part of the inner wall of the reaction tube 203. That is, the nozzle 249b and the arc tube 249e are located inside the buffer structure 300, on the side of the wafer arrangement region in which the wafer 200 is arranged, in a region horizontally surrounding the wafer arrangement region, so as to be along the wafer arrangement region. It is provided. That is, the nozzle 249b and the arc tube 249e are provided on the side of the end portion of the wafer 200 carried into the processing chamber 201 in a direction perpendicular to the surface of the wafer 200.
  • a gas supply hole 250b for supplying the first gas is provided on the side surface of the nozzle 249b.
  • the gas supply hole 250b is open so as to face the wall surface formed in the radial direction with respect to the wall surface formed in the arc shape of the buffer structure 300, so that gas can be supplied toward the wall surface. There is.
  • the first gas is dispersed in the plasma generation unit 237 and is not directly blown to the reference electrode 270 and the application electrode 271, and the generation of particles is suppressed.
  • a plurality of gas supply holes 250b are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203.
  • the arc tube 249e is arranged so as to irradiate the center of the processing chamber 201 with light through the gas supply port 302 as a light emitting source that plasmates the confined gas and will be described later.
  • the main flow of gas in the reaction tube 203 is in a direction parallel to the surface of the wafer 200, that is, in a horizontal direction.
  • gas can be uniformly supplied to each wafer 200, and the uniformity of the film thickness of the film formed on each wafer 200 can be improved.
  • the direction of the flow of the residual gas is appropriately specified by the position of the exhaust port, and is not limited to the vertical direction.
  • the raw material gas is supplied into the processing chamber 201 via the MFC 241a, the valve 243a and the nozzle 249a.
  • the first gas is supplied into the buffer structure 300 via the MFC 241b, the valve 243b, and the nozzle 249b.
  • the inert gas is supplied into the processing chamber 201 via the MFC 241c, the valve 243c, and the nozzle 249a.
  • the inert gas is supplied into the buffer structure 300 via the MFC 241d, the valve 243d, and the nozzle 249b.
  • the second gas is supplied into the arc tube 249e via the MFC 241e and the valve 243e. Further, from the gas supply pipe 232f, the inert gas is supplied into the arc tube 249e via the MFC 241f and the valve 243f.
  • the raw material gas supply system for supplying the raw material gas is mainly composed of the gas supply pipe 232a, the MFC241a, the valve 243a and the nozzle 249a.
  • the gas supply pipe 232b, the MFC241b, the valve 243b, and the nozzle 249b constitute a first gas supply system for supplying the first gas.
  • the gas supply pipe 232e, the MFC241e, and the valve 243e constitute a second gas supply system for supplying the second gas.
  • the gas supply pipes 232c, 232d, 232f, MFC241c, 241d, 241f, and valves 243c, 243d, 243f mainly constitute an inert gas supply system.
  • the raw material supply gas supply system, the first gas supply system, the second gas supply system, and the inert gas supply system are also simply referred to as a gas supply system (gas supply unit).
  • the boat 217 as a substrate holding portion holds a plurality of wafers, for example, 25 to 200 wafers 200, in a horizontal posture and vertically aligned with each other in a multi-stage manner. It is configured to be (supported), that is, spaced apart.
  • the boat 217 is made of a heat resistant material such as quartz or SiC.
  • a heat insulating plate 218 made of a heat-resistant material such as quartz or SiC is supported in multiple stages. With this configuration, the heat from the heater 207 is less likely to be transmitted to the seal cap 219 side.
  • this embodiment is not limited to such an embodiment.
  • a heat insulating cylinder configured as a tubular member made of a heat-resistant material such as quartz or SiC may be provided.
  • the arc tube 249e is a vacuum vessel made of a silicon oxide (SiO 2 ) -based material such as quartz using capacitively coupled plasma (abbreviation: CCP) or corona discharge as the plasma.
  • CCP capacitively coupled plasma
  • plasma is generated by supplying high-frequency power to the reference electrode 270 and the applied electrode 271, which will be described later.
  • a reference electrode 270 and an application electrode 271 which are two rod-shaped electrodes composed of a conductor and having an elongated structure, are provided in the lower part of the reaction tube 203. It is arranged along the stacking direction of the wafer 200 over the upper part.
  • Each of the reference electrode 270 and the applied electrode 271 is provided in parallel with the arc tube 249e.
  • Each of the reference electrode 270 and the applied electrode 271 is protected by being covered with an electrode protection tube 275 from the upper part to the lower part.
  • the electrode protection tube 275 is made of a quartz tube having a U-shaped, H-shaped, ⁇ -shaped, etc. shape that protects the reference electrode 270 and the applied electrode 271 and is connected to each other at the upper part in the plasma generation unit 237. ..
  • the application electrode 271 is connected to the high frequency power supply 273 via the matching unit 272, and high frequency power is applied.
  • the reference electrode 270 is connected to the ground which is the reference potential, and is grounded to give the reference potential.
  • RF radio frequency
  • pulse wave nanopulse as an example
  • the reference electrode 270, the application electrode 271 and the arc tube 249e constitute a plasma light emitting unit (plasma light emitting device) as a light emitting source.
  • the matching unit 272 and the high frequency power supply 273 may be included in the light emitting source.
  • the light emitting source functions as a photoexciting action on a gas, that is, a light activation mechanism, as described later.
  • the electrode protection tube 275 has a structure in which each of the reference electrode 270 and the applied electrode 271 can be inserted into the plasma generation unit 237 in a state of being isolated from the atmosphere inside the plasma generation unit 237.
  • the O 2 concentration inside the electrode protection tube 275 is about the same as the O 2 concentration in the outside air (atmosphere)
  • the reference electrode 270 and the applied electrode 271 inserted into the electrode protection tube 275 are heated by the heater 207. It will be oxidized. Therefore, the inside of the electrode protection tube 275 is filled with an inert gas such as N2 gas, or the inside of the electrode protection tube 275 is purged with an inert gas such as N2 gas using an inert gas purging mechanism.
  • the O 2 concentration inside the electrode protection tube 275 can be reduced, and oxidation of the reference electrode 270 and the applied electrode 271 can be prevented.
  • the reaction pipe 203 is provided with an exhaust pipe 231 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 201.
  • the exhaust pipe 231 is via a pressure sensor 245 as a pressure detector (pressure detection unit) for detecting the pressure in the processing chamber 201 and an APC (Auto Pressure Controller) valve 244 as a valve (pressure adjustment unit) for exhaust.
  • a vacuum pump 246 as a vacuum exhaust device is connected.
  • the APC valve 244 can perform vacuum exhaust and vacuum exhaust stop in the processing chamber 201 by opening and closing the valve with the vacuum pump 246 operating, and further, with the vacuum pump 246 operating, the APC valve 244 can perform vacuum exhaust and vacuum exhaust stop.
  • the exhaust system is mainly composed of an exhaust pipe 231, an APC valve 244, and a pressure sensor 245.
  • the vacuum pump 246 may be included in the exhaust system.
  • the exhaust pipe 231 is not limited to the case where it is provided in the reaction pipe 203, and may be provided in the manifold 209 in the same manner as the nozzle 249a and the nozzle 249b.
  • a seal cap 219 is provided as a furnace palate body capable of airtightly closing the lower end opening of the manifold 209.
  • the seal cap 219 is configured to abut on the lower end of the manifold 209 from below in the vertical direction.
  • the seal cap 219 is made of a metal such as SUS and is formed in a disk shape.
  • An O-ring 220b as a sealing member that comes into contact with the lower end of the manifold 209 is provided on the upper surface of the seal cap 219.
  • a rotation mechanism 267 for rotating the boat 217 is installed on the opposite side of the seal cap 219 from the processing chamber 201.
  • the rotation shaft 255 of the rotation mechanism 267 penetrates the seal cap 219 and is connected to the boat 217.
  • the rotation mechanism 267 is configured to rotate the wafer 200 by rotating the boat 217.
  • the seal cap 219 is configured to be vertically lifted and lowered by a boat elevator 115 as a lifting mechanism vertically installed outside the reaction tube 203.
  • the boat elevator 115 is configured as a transport device (transport mechanism) for loading and unloading (transporting) the wafer 200 into and out of the processing chamber 201 by raising and lowering the seal cap 219.
  • a shutter 219s is provided as a furnace palate body that can airtightly close the lower end opening of the manifold 209 while the seal cap 219 is lowered by the boat elevator 115.
  • the shutter 219s is made of a metal such as SUS and is formed in a disk shape.
  • An O-ring 220c as a sealing member that comes into contact with the lower end of the manifold 209 is provided on the upper surface of the shutter 219s.
  • the opening / closing operation of the shutter 219s (elevating / lowering operation, rotating operation, etc.) is controlled by the shutter opening / closing mechanism 115s.
  • a temperature sensor 263 as a temperature detector is installed inside the reaction tube 203.
  • the temperature sensor 263 is provided along the inner wall of the reaction tube 203, similarly to the nozzles 249a and 249b.
  • the controller 121 which is a control unit (control device), is configured as a computer including a CPU (Central Processing Unit) 121a, a RAM (Random Access Memory) 121b, a storage device 121c, and an I / O port 121d.
  • the RAM 121b, the storage device 121c, and the I / O port 121d are configured so that data can be exchanged with the CPU 121a via the internal bus 121e.
  • An input / output device 122 configured as, for example, a touch panel or the like is connected to the controller 121.
  • the storage device 121c is composed of, for example, a flash memory, an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), or the like.
  • a control program for controlling the operation of the substrate processing device, a process recipe in which the procedure and conditions of the film forming process described later are described, and the like are readablely stored.
  • the process recipes are combined so that the controller 121 can execute each procedure in various processes (deposition process) described later and obtain a predetermined result, and functions as a program.
  • process recipes, control programs, etc. are collectively referred to simply as programs.
  • a process recipe is also simply referred to as a recipe.
  • the RAM 121b is configured as a memory area (work area) in which programs, data, and the like read by the CPU 121a are temporarily held.
  • the I / O port 121d includes the above-mentioned MFC241a, MFC241b, MFC241e, MFC241c, 241d, 241f, valve 243a, valve 243b valve 243e, valve 243c, 243d, 243f, exhaust valve 243g, pressure sensor 245, APC valve 244, and vacuum pump. It is connected to 246, a heater 207, a temperature sensor 263, a rotation mechanism 267, a valve elevator 115, a shutter opening / closing mechanism 115s, a high frequency power supply 273, and the like.
  • the CPU 121a is configured to be able to read and execute a control program from the storage device 121c and read a recipe from the storage device 121c in response to an input of an operation command from the input / output device 122 or the like.
  • the CPU 121a controls the rotation mechanism 267, adjusts the flow rate of various gases by the MFC 241a, MFC 241b, MFC 241e and MFC 241c, 241d, 241f, valve 243a, valve 243b, valve 243e, valve 243c, so as to follow the contents of the read recipe.
  • the controller 121 installs the above-mentioned program stored in an external storage device (for example, a magnetic disk such as a hard disk, an optical disk such as a CD, a magneto-optical disk such as MO, a USB memory, a semiconductor memory such as an SSD) 123 in a computer. It can be configured by doing.
  • the storage device 121c and the external storage device 123 are configured as a computer-readable recording medium. Hereinafter, these are collectively referred to simply as a recording medium.
  • recording medium may include only the storage device 121c alone, it may include only the external storage device 123 alone, or it may include both of them.
  • the program may be provided to the computer by using a communication means such as the Internet or a dedicated line without using the external storage device 123.
  • the word “wafer” when used in the present specification, it may mean “wafer itself” or “a laminate of a wafer and a predetermined layer, film, etc. formed on the surface thereof". be.
  • the term “wafer surface” when used in the present specification, it may mean “the surface of the wafer itself” or “the surface of a predetermined layer or the like formed on the wafer”.
  • the term “forming a predetermined layer on a wafer” means “forming a predetermined layer directly on the surface of the wafer itself” or “formed on a wafer”. It may mean “to form a predetermined layer on the existing layer or the like".
  • Step S1 When a plurality of wafers 200 are loaded into the boat 217 (wafer charge), the shutter opening / closing mechanism 115s moves the shutter 219s to open the lower end opening of the manifold 209 (shutter open). After that, as shown in FIG. 1, the boat 217 supporting the plurality of wafers 200 is lifted by the boat elevator 115 and carried into the processing chamber 201 (boat load). In this state, the seal cap 219 is in a state of sealing the lower end of the manifold 209 via the O-ring 220b.
  • Vacuum exhaust (vacuum exhaust) is performed by the vacuum pump 246 so that the inside of the processing chamber 201, that is, the space where the wafer 200 exists, has a desired pressure (vacuum degree).
  • the pressure in the processing chamber 201 is measured by the pressure sensor 245, and the APC valve 244 is feedback-controlled based on the measured pressure information.
  • the vacuum pump 246 is always kept in operation until at least the film forming step described later is completed.
  • the wafer 200 in the processing chamber 201 is heated by the heater 207 so as to have a desired temperature.
  • the state of energization to the heater 207 is feedback-controlled based on the temperature information detected by the temperature sensor 263 so that the inside of the processing chamber 201 has a desired temperature distribution.
  • the heating in the processing chamber 201 by the heater 207 is continuously performed at least until the film forming step described later is completed.
  • the heater 207 becomes unnecessary, and the heater 207 does not have to be installed in the substrate processing apparatus. In this case, the configuration of the substrate processing apparatus can be simplified.
  • step S3 the raw material gas is supplied to the wafer 200 in the processing chamber 201.
  • valve 243a Open the valve 243a and let the raw material gas flow into the gas supply pipe 232a.
  • the flow rate of the raw material gas is adjusted by the MFC 241a, is supplied into the processing chamber 201 from the gas supply hole 250a via the nozzle 249a, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the raw material gas is supplied to the wafer 200.
  • the valve 243c is opened to allow the inert gas to flow into the gas supply pipe 232c.
  • the flow rate of the inert gas is adjusted by the MFC 241c, the inert gas is supplied into the processing chamber 201 together with the raw material gas, and the inert gas is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the valve 243d is opened and the inert gas is allowed to flow into the gas supply pipe 232d.
  • the inert gas is supplied into the processing chamber 201 via the gas supply pipe 232d and the nozzle 249b, and is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the supply flow rate of the raw material gas controlled by the MFC 241a is, for example, a flow rate within the range of 1 sccm or more and 2000 sccm or less, preferably 10 sccm or more and 1000 sccm or less.
  • the supply flow rate of the inert gas controlled by the MFC 241c and 241d shall be, for example, a flow rate within the range of 100 sccm or more and 10000 sccm or less, respectively.
  • the pressure in the processing chamber 201 is, for example, a pressure in the range of 1 Pa or more and 2666 Pa or less, preferably 67 Pa or more and 1333 Pa or less.
  • the time for supplying the raw material gas to the wafer 200 is, for example, a time within the range of 1 second or more and 100 seconds or less, preferably 1 second or more and 50 seconds or less.
  • the temperature of the heater 207 is such that the temperature of the wafer 200 is, for example, 0 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, preferably room temperature (25 ° C.) or higher and 100 ° C. or lower, and more preferably 40 ° C. or higher and 90 ° C. or lower.
  • the raw material gas is a gas that is easily adsorbed on the wafer 200 or the like and has high reactivity. Therefore, for example, the raw material gas can be chemically adsorbed on the wafer 200 even at a low temperature of about room temperature, and a practical film formation rate can be obtained.
  • the amount of heat applied to the wafer 200 can be reduced, and the heat history received by the wafer 200 can be reduced. Can be well controlled. Further, if the temperature is 0 ° C. or higher, the raw material gas can be sufficiently adsorbed on the wafer 200, and a sufficient film forming rate can be obtained. Therefore, the temperature of the wafer 200 is preferably 0 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, preferably room temperature or higher and 100 ° C. or lower, and more preferably 40 ° C. or higher and 90 ° C. or lower.
  • the Si-containing layer may be a Si layer, an adsorption layer of a raw material, or both of them.
  • a layer having a thickness less than one atomic layer means an atomic layer (molecular layer) formed discontinuously, and the thickness of the one atomic layer (one molecular layer).
  • the layer of is meant a continuously formed atomic layer (molecular layer).
  • the Si-containing layer may include both the Si layer and the adsorption layer of the raw material gas.
  • expressions such as “one atomic layer” and “several atomic layers” are used, and "atomic layer” is used synonymously with "molecular layer”.
  • the valve 243a is closed and the supply of the raw material gas into the processing chamber 201 is stopped.
  • the APC valve 244 is left open, the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246, and the raw material gas or reaction subordinate after contributing to the formation of the unreacted or Si-containing layer remaining in the processing chamber 201. Products and the like are excluded from the processing chamber 201 (S4).
  • the valves 243c and 243d are left open to maintain the supply of the inert gas into the processing chamber 201.
  • the inert gas acts as a purge gas. Note that this step S4 may be omitted and used as the raw material gas supply step.
  • raw material gas examples include Vista Charlie butylaminosilane (SiH 2 [NH (C 4 H 9 )] 2 , abbreviation: BTBAS) gas, and tetrakisdimethylaminosilane (Si [N (CH 3 ) 2 ] 4 , abbreviation: 4DMAS).
  • TCS Trichlorosilane
  • SiCl 4 tetrachlorosilane
  • STC tetrachlorosilane
  • HCDS hexachlorodisilane
  • Si 3 Cl 8 octachlorotrisilane
  • OCTS OCTS gas and other inorganic halosilane raw material gas (chlorosilane raw material gas), monosilane (SiH 4 , abbreviation: MS) gas, disilane (Si 2 H 6 , abbreviation: DS) gas, trisilane (Si 3 H 8 , abbreviation) : TS)
  • a halogen group-free inorganic silane raw material gas such as gas, that is, silicon hydride gas can be used.
  • nitrogen (N 2 ) gas can be used, and in addition, a rare gas such as argon (Ar) gas, helium (He) gas, neon (Ne) gas, and xenone (Xe) gas can be used. Can be used. This point is the same in each step described later.
  • the opening / closing control of the valves 243b and the valves 243c and 243d is performed in the same procedure as the opening / closing control of the valves 243a and the valves 243c and 243d in step S3.
  • the flow rate of the first gas is adjusted by the MFC 241b, and the first gas is supplied into the plasma generation unit 237 via the nozzle 249b.
  • the flow rate of the second gas is adjusted by the MFC 241e, and the second gas is supplied into the arc tube 249e via the valve 243e.
  • the pressure inside the arc tube 249e reaches a desired pressure, the supply of the second gas is stopped and the valve 243e is closed.
  • the second gas is confined in the arc tube 249e maintained at a desired pressure.
  • high-frequency power frequency 13.56 MHz in this embodiment
  • plasma is generated in the arc tube 249e to generate a second gas.
  • the first gas supplied to the processing chamber 201 via the plasma generation unit 237 and the gas supply port 302 is photoexcited inside the plasma generation unit 237 and the processing chamber 201 by this light emission, and is supplied to the wafer 200 as an active species. It is exhausted from the exhaust pipe 231.
  • the active species in the plasma generation unit 237 at this time also include the active species directly generated by the applied electrode 271 and the reference electrode 270 to which high frequency power is supplied without using photoexcitation.
  • the supply flow rate of the first gas controlled by the MFC 241b is, for example, a flow rate within the range of 10 sccm or more and 10,000 sccm or less
  • the supply flow rate of the second gas controlled by the MFC 241e is, for example, a flow rate within the range of 10 sccm or more and 1000 sccm or less.
  • the high-frequency power applied from the high-frequency power supply 273 to the reference electrode 270 and the application electrode 271 is, for example, a power within the range of 50 W or more and 1000 W or less.
  • the pressure in the arc tube 249e is, for example, a pressure in the range of 10 kPa or more and 100 kPa or less, and the pressure in the processing chamber 201 is, for example, a pressure in the range of 1 Pa or more and 100 Pa or less.
  • the time for supplying the active species obtained by photoexciting the first gas to the wafer 200 is, for example, a time within the range of 1 second or more and 100 seconds or less, preferably 1 second or more and 50 seconds or less.
  • Other processing conditions are the same as those in step S3 described above.
  • These electrically neutral active species are subjected to the oxidation treatment described later on the Si-containing layer formed on the surface of the wafer 200.
  • the Si-containing layer formed on the wafer 200 is oxidized.
  • the Si—N bond and the Si—H bond of the Si-containing layer are cleaved by the internal energy of the photoexcited first gas.
  • N, H, which is separated from the bond with Si, and C, which is bonded to N, are desorbed from the Si-containing layer.
  • Si in the Si-containing layer having an unbonded hand (dangling bond) due to the desorption of N and the like is bonded to O contained in the first gas, and a Si—O bond is formed.
  • the Rukoto As this reaction proceeds, the Si-containing layer is changed (modified) into a layer containing Si and O, that is, a silicon oxide layer (SiO layer).
  • the valve 243b is closed and the supply of the first gas is stopped. Further, the supply of high frequency power to the reference electrode 270 and the applied electrode 271 is stopped. Then, according to the same treatment procedure and treatment conditions as in step S4, the first gas and the reaction by-product remaining in the treatment chamber 201 are excluded from the treatment chamber 201, and the second gas is confined in the arc tube 249e. The gas is exhausted from the gas exhaust pipe 232 g via the exhaust valve 243 g (S6). It should be noted that a part of this step S6 may be omitted and the process may proceed to the next step.
  • the first gas to be photoexcited includes oxygen (O 2 ) gas, nitrous oxide (N 2 O) gas, nitrogen monoxide (NO) gas, nitrogen dioxide (NO 2 ) gas, ozone (O 3 ) gas, and peroxidation.
  • Hydrogen (H 2 O 2 ) gas, water vapor (H 2 O), ammonium hydroxide (NH 4 (OH)) gas, carbon monoxide (CO) gas, carbon dioxide (CO 2 ) gas and the like may be used.
  • the second gas to emit plasma light is a rare gas such as xenone (Xe) gas, helium (He) gas, neon (Ne) gas, argon (Ar) gas, krypton (Kr) gas, nitrogen (N 2 ) gas, and the like.
  • Xe xenone
  • He helium
  • Ne neon
  • Ne argon
  • Kr krypton
  • N 2 nitrogen
  • Light hydrogen (H 2 ) gas, deuterium (D 2 ) gas and the like may be used. Further, two or more kinds of these gases may be mixed and used.
  • inert gas for example, various rare gases exemplified in step S4 can be used.
  • a SiO film having a predetermined composition and a predetermined film thickness can be formed on the wafer 200.
  • the above cycle is preferably repeated a plurality of times. That is, the thickness of the SiO layer formed per cycle is made smaller than the desired film thickness, and the film thickness of the SiO film formed by laminating the SiO layers becomes the desired film thickness. It is preferable to repeat the cycle multiple times.
  • the pressure inside the furnace at the time of substrate processing with the first gas is controlled in the range of 1 Pa or more and 100 Pa or less. This is because when the pressure in the furnace is lower than 1 Pa, the supply amount of the active species produced by photoexcitation is low, and the oxidation treatment takes time. Further, when the pressure in the furnace is higher than 100 Pa, the amount of active species produced is saturated, so that the first gas is wasted and the mean free path of gas molecules is shortened. This is because the efficiency of transporting the active species to the wafer deteriorates.
  • the arc tube 249e constituting the light emitting source is made of a SiO 2 -based material such as quartz.
  • the present disclosure is not limited to such an embodiment, and when the wavelength required for photoexcitation of the first gas is on the short wavelength side of the ultraviolet light region, magnesium fluoride (MgF 2 ) so that the light can pass through the arc tube 249e. ) Or calcium fluoride (CaF 2 ) as a part of the arc tube 249e, which may form a light emitting source.
  • MgF 2 magnesium fluoride
  • CaF 2 calcium fluoride
  • the band of the wavelength of light required for photoexcitation of the first gas is, for example, 110 nm to 5 ⁇ m, and has a form in which it can be exchanged with an arc tube 249e made of a different material according to the band of this wavelength of light.
  • the arc tube can be used as a light emission reduction.
  • the notation of a numerical range such as "110 nm to 5 ⁇ m" in the present specification means that the lower limit value and the upper limit value are included in the range. Therefore, for example, "110 nm to 5 ⁇ m” means “110 nm or more and 5 ⁇ m or less”. The same applies to other numerical ranges.
  • the present disclosure is not limited to such an embodiment, and may have a form in which the first gas is photoexcited by a plurality of sets of configurations to supply the active species to the wafer. That is, it is possible to increase the supply amount of the active species produced by photoexcitation and increase the film formation rate.
  • the present disclosure is not limited to such an embodiment, and the supply order of the raw material gas and the first gas may be reversed. That is, the raw material gas may be supplied after the first gas is supplied. By changing the supply order, it is possible to change the film quality and composition ratio of the formed film.
  • the purge gas used in step S4 is supplied in an inactive state.
  • the purge gas may be activated by photoexcitation by a light emitting source as in step S5. That is, by using N2 gas or noble gas as the first gas activated by photoexcitation for purging, it is possible to improve the removal efficiency of unreacted raw material gas and reaction by-product substances and improve the film quality. Will be.
  • SiO film an example of forming a SiO film on the wafer 200 has been described.
  • the present disclosure is not limited to such an embodiment, and a Si-based oxide film such as a silicon acid carbide film (SiOC film), a silicon acid carbonic acid nitride film (SiOCN film), and a silicon acid nitride film (SiON film) is placed on the wafer 200. It is also suitably applicable to the case of forming.
  • nitrogen (N) -containing gas such as ammonia (NH 3 ) gas
  • carbon (C) -containing gas such as propylene (C 3 H 6 ) gas
  • a boron (B) -containing gas such as a boron (BCl 3 ) gas can be used to form, for example, a SiN film, a SiON film, a SiOCN film, a SiOC film, a SiCN film, a SiBN film, a SiBCN film, a BCN film, or the like. ..
  • the order in which each gas flows can be changed as appropriate.
  • the film formation can be performed under the same processing conditions as those in the above-described embodiment, and the same effects as those in the above-mentioned embodiment can be obtained.
  • the above-mentioned first gas can be used as the oxidizing agent as the first gas.
  • titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W) are provided on the wafer 200. It can also be suitably applied to the case of forming a metal-based oxide film or a metal-based nitride film containing a metal element such as.
  • tetrakis (dimethylamino) titanium (Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 abbreviation: TDMAT) gas, tetrakis (ethylmethylamino) hafnium (Hf [N (C 2 H 5 )) ) (CH 3 )] 4
  • abbreviation: TEMAH gas tetrakis (ethylmethylamino) zirconium (Zr [N (C 2 H 5 ) (CH 3 )] 4
  • abbreviation: TEMAZ) gas trimethylaluminum (Al (CH)) 3 ) 3
  • TMA titanium tetrachloride
  • HfCl 4 hafnium tetrachloride
  • the present disclosure can be suitably applied when forming a metalloid-based film containing a metalloid element or a metal-based film containing a metal element.
  • the treatment procedure and treatment conditions for these film formation treatments can be the same treatment procedures and treatment conditions as those for the film formation treatments shown in the above-described embodiments and modifications. In these cases as well, the same effects as those in the above-described embodiment can be obtained.
  • the recipe used for the film forming process is individually prepared according to the processing content and stored in the storage device 121c via a telecommunication line or an external storage device 123. Then, when starting various processes, it is preferable that the CPU 121a appropriately selects an appropriate recipe from a plurality of recipes stored in the storage device 121c according to the processing content. This makes it possible to form thin films of various film types, composition ratios, film qualities, and film thicknesses with a single substrate processing device in a versatile and reproducible manner. In addition, the burden on the operator can be reduced, and various processes can be started quickly while avoiding operation mistakes.
  • the above recipe is not limited to the case of newly creating, for example, it may be prepared by changing an existing recipe already installed in the board processing device.
  • the changed recipe may be installed on the substrate processing apparatus via a telecommunication line or a recording medium on which the recipe is recorded.
  • the input / output device 122 included in the existing board processing device may be operated to directly change the existing recipe already installed in the board processing device.
  • the present disclosure can be used for manufacturing methods and programs of substrate processing devices, plasma light emitting devices, and semiconductor devices.

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Abstract

基板を処理する処理室と、第１ガスを供給する第１ガス供給管、高周波電力が印加される印加電極、接地により基準電位が与えられる基準電極、及び前記第１ガスを光励起させる発光管を備えるプラズマ生成部と、を有する技術が提供される。

Description

基板処理装置、プラズマ発光装置、半導体装置の製造方法及びプログラム
　本開示は、基板処理装置、プラズマ発光装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
　半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、特開２０１７－３４０６７号公報に開示されているように、基板処理装置の処理室内に基板を搬入し、処理室内に原料ガスと反応ガスとを供給して基板上に絶縁膜や半導体膜、導体膜等の各種膜を形成したり、各種膜を除去したりする基板処理が行われることがある。
　微細パターンが形成される量産デバイスにおいては、不純物の拡散を抑制したり、有機材料など耐熱性の低い材料を使用できるようにしたりするために、処理温度の低温化が求められる。
　このような問題を解決するため、プラズマを用いて基板処理を行うことが一般的だが、プラズマやそれを介して生成される活性種が、基板の中央部に対してその供給量が十分である必要がある。バッファ室と呼ばれる空間にプラズマを閉じ込めて、孔を通して活性種を基板へ供給する場合、特に表面積の大きい低温の基板に対しては活性種の消費の多さから、活性種の供給不足が生じやすく、基板の中央部での処理性能が低くなることがある。
　本開示の目的は、表面積の大きい低温の基板に対しても高い基板処理性能を発揮することが可能な技術を提供することにある。
　本開示の一態様によれば、基板を処理する処理室と、第１ガスを供給する第１ガス供給管、高周波電力が印加される印加電極、接地により基準電位が与えられる基準電極、及び前記第１ガスを光励起させる発光管を備えるプラズマ生成部と、を有する技術が提供される。
　本開示によれば、表面積の大きい低温の基板に対しても高い基板処理性能を発揮する技術を提供することが可能となる。
本開示の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１に示す基板処理装置におけるＡ－Ａ断面図である。 図１に示す基板処理装置におけるコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系の一例を示すブロック図である。 図１に示す基板処理装置を用いた基板処理プロセスの一例を示すフローチャートである。
　以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
（１）基板処理装置の構成
（加熱装置）
　図１に示すように、処理炉２０２は加熱装置（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、保持板に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ２０７は、後述するようにガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。
（処理室）
　ヒータ２０７の内側には、ヒータ２０７と同心円状に反応管２０３が配設されている。反応管２０３は、例えば石英（ＳｉＯ２）や炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料により構成され、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の下方には、反応管２０３と同心円状に、マニホールド２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス（ＳＵＳ）等の金属により構成され、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９の上端部は、反応管２０３の下端部に係合しており、反応管２０３を支持するように構成されている。マニホールド２０９と反応管２０３との間には、シール部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。マニホールド２０９がヒータベースに支持されることにより、反応管２０３は垂直に据え付けられた状態となる。主に、反応管２０３とマニホールド２０９とにより処理容器（反応容器）が構成されている。処理容器の筒中空部には処理室２０１が形成されている。処理室２０１は、複数枚の基板としてのウエハ２００を収容可能に構成されている。なお、処理容器は上記の構成に限らず、反応管２０３のみを処理容器と称する場合もある。
（ガス供給部）
　処理室２０１内には、ノズル２４９ａ及びノズル２４９ｂが、マニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられ、発光管２４９ｅが、マニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられている。ノズル２４９ａにはガス供給管２３２ａが、ノズル２４９ｂにはガス供給管２３２ｂが、発光管２４９ｅにはガス供給管２３２ｅが、それぞれ接続されている。このように、処理容器には２本のノズル（すなわち、ノズル２４９ａ及びノズル２４９ｂ）と、１本の発光管２４９ｅと、３本のガス供給管（すなわち、ガス供給管２３２ａ、ガス供給管２３２ｂ及びガス供給管２３２ｅ）とが設けられており、処理室２０１内へ複数種類のガスを供給することが可能となっている。なお、反応管２０３のみを処理容器とした場合、ノズル２４９ａ、ノズル２４９ｂ及び発光管２４９ｅは反応管２０３の側壁を貫通するように設けられていてもよい。
　ガス供給管２３２ａ、ガス供給管２３２ｂ及びガス供給管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（ＭＦＣ）２４１ａ、ＭＦＣ２４１ｂ及びＭＦＣ２４１ｅ並びに開閉弁であるバルブ２４３ａバルブ２４３ｂ及びバルブ２４３ｅがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ａ，ガス供給管２３２ｂ及びガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ａバルブ２４３ｂ及びバルブ２４３ｅよりも下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｆがそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｆには、上流方向から順に、ＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄ，２４１ｆ及びバルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆがそれぞれ設けられている。さらに、ガス供給管２３２ｅのバルブ２４３ｅよりも下流側には、発光管２４９ｅ内のガスを排気するガス排気管２３２ｇが、排気バルブ２４３ｇを介して接続されている。
　図２に示すように、ノズル２４９ａは、反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における平面視において円環状の空間に、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。すなわち、ノズル２４９ａは、ウエハ２００が配列（載置）されるウエハ配列領域（載置領域）の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。すなわち、ノズル２４９ａは、処理室２０１内へ搬入された各ウエハ２００の端部（周縁部）の側方にウエハ２００の表面（平坦面）と垂直となる方向に設けられている。ノズル２４９ａの側面には、原料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おり、ウエハ２００に向けてガスを供給することが可能となっている。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。
　バッファ室としてのプラズマ生成部２３７は、図２に示すように、反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における平面視において円環状の空間に、また、反応管２０３の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。すなわち、プラズマ生成部２３７は、ウエハ配列領域の側方のウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うようにバッファ構造３００によって形成された、バッファ室としての構造を有している。バッファ構造３００は、石英などの絶縁物によって構成されており、バッファ構造３００の円弧状に形成された壁面には、ガスを供給するガス供給口３０２が形成されている。ガス供給口３０２は、図２に示すように、後述する基準電極２７０と印加電極２７１との間に配置された発光管２４９ｅに対向する位置に反応管２０３の中心を向くように開口しており、ウエハ２００に向けてガスを供給することが可能となっている。ガス供給口３０２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。
　ノズル２４９ｂ及び発光管２４９ｅは、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。すなわち、ノズル２４９ｂ及び発光管２４９ｅは、バッファ構造３００の内側であって、ウエハ２００が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。すなわち、ノズル２４９ｂ及び発光管２４９ｅは、処理室２０１内へ搬入されたウエハ２００の端部の側方にウエハ２００の表面と垂直となる方向に設けられている。ノズル２４９ｂの側面には、第１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、バッファ構造３００の円弧状に形成された壁面に対して径方向に形成された壁面に向くように開口しており、壁面に向けてガスを供給することが可能となっている。これにより、第１ガスがプラズマ生成部２３７内で分散され、基準電極２７０及び印加電極２７１に直接吹き付けることがなくなり、パーティクルの発生が抑制される。ガス供給孔２５０ｂは、ガス供給孔２５０ａ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。発光管２４９ｅは、閉じ込められたガスをプラズマ化し後述する発光源として、ガス供給口３０２を介して処理室２０１の中心を光照射するように配置されている。
　このように、本実施形態では、反応管２０３の側壁の内壁と、反応管２０３内に配列された複数枚のウエハ２００の端部で定義される平面視において円環状の縦長の空間内、すなわち、円筒状の空間内に配置したノズル２４９ａ、ノズル２４９ｂ及びプラズマ生成部２３７を経由してガスを搬送している。そして、ノズル２４９ａ、ノズル２４９ｂ及びプラズマ生成部２３７にそれぞれ開口されたガス供給孔２５０ａ、ガス供給孔２５０ｂ，ガス供給口３０２から、ウエハ２００の近傍で反応管２０３内にガスを噴出させている。そして、反応管２０３内におけるガスの主たる流れを、ウエハ２００の表面と平行な方向、すなわち、水平方向としている。このような構成とすることで、各ウエハ２００に均一にガスを供給でき、各ウエハ２００に形成される膜の膜厚の均一性を向上させることが可能となる。ウエハ２００の表面上を流れたガス、すなわち、反応後の残ガスは、排気口、すなわち、後述する排気管２３１の方向に向かって流れる。但し、この残ガスの流れの方向は、排気口の位置によって適宜特定され、垂直方向に限ったものではない。
　ガス供給管２３２ａからは、原料ガスが、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａ及びノズル２４９ａを介して処理室２０１内へ供給される。
　ガス供給管２３２ｂからは、第１ガスが、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、ノズル２４９ｂを介してバッファ構造３００内へ供給される。
　ガス供給管２３２ｃからは、不活性ガスが、ＭＦＣ２４１ｃ、バルブ２４３ｃ、ノズル２４９ａを介して処理室２０１内へ供給される。
　ガス供給管２３２ｄからは、不活性ガスが、ＭＦＣ２４１ｄ、バルブ２４３ｄ、ノズル２４９ｂを介してバッファ構造３００内へ供給される。
　ガス供給管２３２ｅからは、第２ガスが、ＭＦＣ２４１ｅ、バルブ２４３ｅを介して、発光管２４９ｅ内へ供給される。また、ガス供給管２３２ｆからは、不活性ガスが、ＭＦＣ２４１ｆ及びバルブ２４３ｆを介して発光管２４９ｅ内へ供給される。
　主に、ガス供給管２３２ａ、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａ及びノズル２４９ａにより、原料ガスを供給する原料ガス供給系が構成される。主に、ガス供給管２３２ｂ、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ及びノズル２４９ｂにより、第１ガスを供給する第１ガス供給系が構成される。主に、ガス供給管２３２ｅ、ＭＦＣ２４１ｅ、バルブ２４３ｅにより、第２ガスを供給する第２ガス供給系が構成される。主に、ガス供給管２３２ｃ，２３２ｄ，２３２ｆ、ＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄ，２４１ｆ、及びバルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆにより、不活性ガス供給系が構成される。原料供給ガス供給系、第１ガス供給系、第２ガス供給系及び不活性ガス供給系を単にガス供給系（ガス供給部）とも称する。
（基板保持部）
　図１に示すように基板保持部としてのボート２１７は、複数枚、例えば２５～２００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垂直方向に整列させて多段に保持（支持）するように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２１７は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料により構成される。ボート２１７の下部には、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料により構成される断熱板２１８が多段に支持されている。この構成により、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っている。但し、本実施形態はこのような形態に限定されない。例えば、ボート２１７の下部に断熱板２１８を設けずに、石英やＳｉＣ等の耐熱性材料により構成される筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
（プラズマ発光部）
　次にプラズマ発光部について、図１と図２を用いて説明する。
　図２に示すように、プラズマには容量結合プラズマ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ、略称：ＣＣＰ）もしくはコロナ放電を用い、石英などの酸化シリコン（ＳｉＯ２）系材料で作製された真空容器である発光管２４９ｅ内に第２ガスが閉じ込められた時に、後述する基準電極２７０と印加電極２７１に高周波電力が供給されることでプラズマが生成される。
　本実施形態の一例においては、バッファ室としてのプラズマ生成部２３７内には、導電体からなり、細長い構造を有する２本の棒状電極である基準電極２７０及び印加電極２７１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。基準電極２７０及び印加電極２７１のそれぞれは、発光管２４９ｅと平行に設けられている。基準電極２７０及び印加電極２７１のそれぞれは、上部より下部にわたって電極保護管２７５により覆われることで保護されている。電極保護管２７５は、基準電極２７０及び印加電極２７１を保護し、かつ、プラズマ生成部２３７内の上部で両者が繋がったＵ字、Ｈ字、Π字などの形状を有する石英管から成っている。
　上記の実施形態において図２に示すように、印加電極２７１は、整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続されて高周波電力が印加される。また、基準電極２７０は、基準電位であるアースに接続され、接地されて基準電位が与えられる。高周波電源２７３から印加電極２７１に高周波（ＲＦ）又はパルス波（一例としてはナノパルス）の電力を印加することで、基準電極２７０と印加電極２７１との電気的作用によりこれらの間に配置された発光管２４９ｅ内のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。なお、発光管２４９ｅのプラズマ生成領域２２４の外側にも、高周波電源２７３から印加電極２７１にＲＦ又はパルス波の電極が印加されると、基準電極２７０と印加電極間の領域にプラズマが生成される。主に、基準電極２７０、印加電極２７１及び発光管２４９ｅにより発光源としてのプラズマ発光部（プラズマ発光装置）が構成される。整合器２７２、高周波電源２７３を発光源に含めて考えてもよい。発光源は、後述するように、ガスに対する光励起作用すなわち光活性化機構として機能する。
　電極保護管２７５は、基準電極２７０及び印加電極２７１のそれぞれをプラズマ生成部２３７内の雰囲気と隔離した状態でプラズマ生成部２３７内へ挿入できる構造となっている。電極保護管２７５の内部のＯ２濃度が外気（大気）のＯ２濃度と同程度であると、電極保護管２７５内へそれぞれ挿入された基準電極２７０及び印加電極２７１は、ヒータ２０７による熱で酸化されてしまう。このため、電極保護管２７５の内部にＮ２ガス等の不活性ガスを充填しておくか、不活性ガスパージ機構を用いて電極保護管２７５の内部をＮ２ガス等の不活性ガスでパージすることで、電極保護管２７５の内部のＯ２濃度を低減させ、基準電極２７０及び印加電極２７１の酸化を防止することができる。
（排気部）
　反応管２０３には、図１に示すように処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。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及び排気用のバルブ（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が接続されている。ＡＰＣバルブ２４４は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２０１内の真空排気及び真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ２４６を作動させた状態で、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室２０１内の圧力を調整することができるように構成されている。主に、排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４４、圧力センサ２４５により、排気系が構成される。真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。排気管２３１は、反応管２０３に設ける場合に限らず、ノズル２４９ａ及びノズル２４９ｂと同様にマニホールド２０９に設けてもよい。
（周辺装置）
　マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９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、マニホールド２０９の下端に垂直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ２１９は、例えばＳＵＳ等の金属により構成され、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂ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２１７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を貫通してボート２１７に接続されている。回転機構２６７は、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いる。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を昇降させることで、ウエハ２００を処理室２０１内外に搬入及び搬出（搬送）する搬送装置（搬送機構）として構成されている。
　マニホールド２０９の下方には、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９を降下させている間、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシャッタ２１９ｓが設けられている。シャッタ２１９ｓは、例えばＳＵＳ等の金属により構成され、円盤状に形成されている。シャッタ２１９ｓの上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｃが設けられている。シャッタ２１９ｓの開閉動作（昇降動作や回動動作等）は、シャッタ開閉機構１１５ｓにより制御される。
　反応管２０３の内部には、温度検出器としての温度センサ２６３が設置されている。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。温度センサ２６３は、ノズル２４９ａ及びノズル２４９ｂと同様に、反応管２０３の内壁に沿って設けられている。
（制御装置）
　図３に示すように、制御部（制御装置）であるコントローラ１２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、内部バス１２１ｅを介して、ＣＰＵ１２１ａ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１２１には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置１２２が接続されている。
　記憶装置１２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置１２１ｃ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、後述する成膜処理の手順や条件等が記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する各種処理（成膜処理）における各手順をコントローラ１２１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、プロセス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。また、プロセスレシピを、単に、レシピともいう。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、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、又は、それらの両方を含む場合がある。ＲＡＭ１２１ｂは、ＣＰＵ１２１ａ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１２１ｄは、上述のＭＦＣ２４１ａ、ＭＦＣ２４１ｂ、ＭＦＣ２４１ｅ、ＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄ，２４１ｆ、バルブ２４３ａ、バルブ２４３ｂバルブ２４３ｅ、バルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆ、排気バルブ２４３ｇ、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、回転機構２６７、ボートエレベータ１１５、シャッタ開閉機構１１５ｓ、及び高周波電源２７３等に接続されている。
　ＣＰＵ１２１ａは、記憶装置１２１ｃから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１２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置１２１ｃからレシピを読み出すことが可能なように構成されている。ＣＰＵ１２１ａは、読み出したレシピの内容に沿うように、回転機構２６７の制御、ＭＦＣ２４１ａ、ＭＦＣ２４１ｂ、ＭＦＣ２４１ｅ及びＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄ，２４１ｆによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３ａ、バルブ２４３ｂ、バルブ２４３ｅ、バルブ２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｆ及び排気バルブ２４３ｇの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉動作及び圧力センサ２４５に基づくＡＰＣバルブ２４４による圧力調整動作、真空ポンプ２４６の起動及び停止、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、回転機構２６７によるボート２１７の正逆回転、回転角度及び回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作、シャッタ開閉機構１１５ｓによるシャッタ２１９ｓの開閉動作、高周波電源２７３の電力供給等を制御することが可能なように構成されている。
　コントローラ１２１は、外部記憶装置（例えば、ハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ等の半導体メモリ）１２３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１２１ｃや外部記憶装置１２３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１２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置１２３単体のみを含む場合、又は、それらの両方を含む場合がある。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１２３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
　上述の基板処理装置を用い、半導体装置（デバイス）の製造方法の工程の一つとして、基板上に膜を形成するプロセス例について、図４を用いて説明する。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。
　本明細書では、図４に示す成膜処理のシーケンスを、便宜上、以下のように示すこともある。以下の変形例や他の実施形態の説明においても、同様の表記を用いることとする。
　（原料ガス→第１ガス）×ｎ
　本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体」を意味する場合がある。本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層等の表面」を意味する場合がある。本明細書において「ウエハ上に所定の層を形成する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面上に所定の層を直接形成する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層等の上に所定の層を形成する」ことを意味する場合がある。
　また、本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
（搬入ステップ：Ｓ１）
　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、シャッタ開閉機構１１５ｓによりシャッタ２１９ｓが移動させられて、マニホールド２０９の下端開口が開放される（シャッタオープン）。その後、図１に示すように、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内へ搬入（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２２０ｂを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。
（圧力・温度調整ステップ：Ｓ２）
　処理室２０１の内部、すなわち、ウエハ２００が存在する空間が所望の圧力（真空度）となるように、真空ポンプ２４６によって真空排気（減圧排気）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情報に基づきＡＰＣバルブ２４４がフィードバック制御される。真空ポンプ２４６は、少なくとも後述する成膜ステップが終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。
　また、処理室２０１内のウエハ２００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。ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は、少なくとも後述する成膜ステップが終了するまでの間は継続して行われる。但し、成膜ステップを室温以下の温度条件下で行う場合は、ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は行わなくてもよい。なお、このような温度下での処理だけを行う場合には、ヒータ２０７は不要となり、ヒータ２０７を基板処理装置に設置しなくてもよい。この場合、基板処理装置の構成を簡素化することができる。
　続いて、回転機構２６７によるボート２１７及びウエハ２００の回転を開始する。回転機構２６７によるボート２１７及びウエハ２００の回転は、少なくとも後述する成膜ステップが終了するまでの間は継続して行われる。
（成膜ステップ：Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６）
　その後、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を順次実行することで成膜ステップを行う。
（原料ガス供給ステップ：Ｓ３，Ｓ４）
　ステップＳ３では、処理室２０１内のウエハ２００に対して原料ガスを供給する。
　バルブ２４３ａを開き、ガス供給管２３２ａ内へ原料ガスを流す。原料ガスは、ＭＦＣ２４１ａにより流量調整され、ノズル２４９ａを介してガス供給孔２５０ａから処理室２０１内へ供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００に対して原料ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ２４３ｃを開き、ガス供給管２３２ｃ内へ不活性ガスを流す。不活性ガスは、ＭＦＣ２４１ｃにより流量調整され、原料ガスと一緒に処理室２０１内へ供給され、排気管２３１から排気される。
　また、ノズル２４９ｂ内への原料ガスの侵入を防止するため、バルブ２４３ｄを開き、ガス供給管２３２ｄ内へ不活性ガスを流す。不活性ガスは、ガス供給管２３２ｄ、ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給され、排気管２３１から排気される。
　ＭＦＣ２４１ａで制御する原料ガスの供給流量は、例えば１ｓｃｃｍ以上、２０００ｓｃｃｍ以下、好ましくは１０ｓｃｃｍ以上、１０００ｓｃｃｍ以下の範囲内の流量とする。ＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄで制御する不活性ガスの供給流量は、それぞれ例えば１００ｓｃｃｍ以上、１００００ｓｃｃｍ以下の範囲内の流量とする。処理室２０１内の圧力は、上述した通り、例えば１Ｐａ以上、２６６６Ｐａ以下、好ましくは６７Ｐａ以上、１３３３Ｐａ以下の範囲内の圧力とする。原料ガスをウエハ２００に対して供給する時間は、例えば１秒以上、１００秒以下、好ましくは１秒以上、５０秒以下の範囲内の時間とする。
　ヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば０℃以上１５０℃以下、好ましくは室温（２５℃）以上１００℃以下、より好ましくは４０℃以上９０℃以下の範囲内の温度となるような温度に設定する。原料ガスは、ウエハ２００等へ吸着し易く反応性の高いガスである。このため、例えば室温程度の低温下であっても、ウエハ２００上に原料ガスを化学吸着させることができ、実用的な成膜レートを得ることができる。本実施形態のように、ウエハ２００の温度を１５０℃以下、さらには１００℃以下、さらには９０℃以下とすることで、ウエハ２００に加わる熱量を低減させることができ、ウエハ２００が受ける熱履歴の制御を良好に行うことができる。また、０℃以上の温度であれば、ウエハ２００上に原料ガスを十分に吸着させることができ、十分な成膜レートが得られることとなる。よって、ウエハ２００の温度は０℃以上１５０℃以下、好ましくは室温以上１００℃以下、より好ましくは４０℃以上９０℃以下の範囲内の温度とするのがよい。
　上述の条件下でウエハ２００に対して原料ガスを供給することにより、ウエハ２００（表面の下地膜）上に、例えば１原子層（１分子層）未満から数原子層（数分子層）程度の厚さのＳｉ含有層が形成される。Ｓｉ含有層はＳｉ層であってもよいし、原料の吸着層であってもよいし、それらの両方を含んでいてもよい。
　ここで、１原子層（１分子層）未満の厚さの層とは不連続に形成される原子層（分子層）のことを意味しており、１原子層（１分子層）の厚さの層とは連続的に形成される原子層（分子層）のことを意味している。Ｓｉ含有層は、Ｓｉ層と原料ガスの吸着層との両方を含み得る。但し、上述の通り、Ｓｉ含有層については「１原子層」、「数原子層」等の表現を用いることとし、「原子層」を「分子層」と同義で用いる。
　Ｓｉ含有層が形成された後、バルブ２４３ａを閉じ、処理室２０１内への原料ガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ２４４を開いたままとし、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又はＳｉ含有層の形成に寄与した後の原料ガスや反応副生成物等を処理室２０１内から排除する（Ｓ４）。また、バルブ２４３ｃ，２４３ｄは開いたままとして、処理室２０１内への不活性ガスの供給を維持する。不活性ガスはパージガスとして作用する。なお、このステップＳ４を省略し、原料ガス供給ステップとしてもよい。
　原料ガスとしては、例えば、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、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、ビスジメチルアミノシラン（Ｓｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］２Ｈ２、略称：ＢＤＭＡＳ）ガス、ビスジエチルアミノシラン（Ｓｉ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］２Ｈ２、略称：ＢＤＥＡＳ）ガス、ジメチルアミノシラン（ＤＭＡＳ）ガス、ジエチルアミノシラン（ＤＥＡＳ）ガス、ジプロピルアミノシラン（ＤＰＡＳ）ガス、ジイソプロピルアミノシラン（ＤＩＰＡＳ）ガス、ブチルアミノシラン（ＢＡＳ）ガス、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）ガス等の各種アミノシラン原料ガスや、モノクロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ、略称：ＭＣＳ）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２、略称：ＤＣＳ）ガス、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３、略称：ＴＣＳ）ガス、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４、略称：ＳＴＣ）ガス、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤＳ）ガス、オクタクロロトリシラン（Ｓｉ３Ｃｌ８、略称：ＯＣＴＳ）ガス等の無機系ハロシラン原料ガス（クロロシラン原料ガス）や、モノシラン（ＳｉＨ４、略称：ＭＳ）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６、略称：ＤＳ）ガス、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８、略称：ＴＳ）ガス等のハロゲン基非含有の無機系シラン原料ガス、すなわち、水素化ケイ素ガスを用いることができる。
　不活性ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ２）ガスを用いることができ、この他、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いることができる。この点は、後述する各ステップにおいても同様である。
　（第１ガス供給ステップ：Ｓ５，Ｓ６）
　原料ガス供給ステップが終了した後、処理室２０１内のウエハ２００に対して第１ガスとしての光励起させた第１ガスを供給する（Ｓ５）。
　このステップでは、バルブ２４３ｂ及びバルブ２４３ｃ，２４３ｄの開閉制御を、ステップＳ３におけるバルブ２４３ａ及びバルブ２４３ｃ，２４３ｄの開閉制御と同様の手順で行う。第１ガスは、ＭＦＣ２４１ｂにより流量調整され、ノズル２４９ｂを介してプラズマ生成部２３７内へ供給される。このとき、第２ガスは、ＭＦＣ２４１ｅにより流量調整され、バルブ２４３ｅを介して発光管２４９ｅ内に供給される。発光管２４９ｅ内が所望の圧力になったところで第２ガスの供給を停止し、バルブ２４３ｅを閉じる。このようにすることで、第２ガスが所望の圧力に維持された発光管２４９ｅ内に閉じ込められる。この状態で、高周波電源２７３から基準電極２７０及び印加電極２７１へ高周波電力（本実施の形態では周波数１３．５６ＭＨｚ）を供給（印加）すると、発光管２４９ｅ内にプラズマが生成し、第２ガスを発光させる。プラズマ生成部２３７とガス供給口３０２を介して処理室２０１へ供給された第１ガスは、この発光によりプラズマ生成部２３７と処理室２０１の内部で光励起され、活性種としてウエハ２００に対して供給され、排気管２３１から排気される。なお、このときのプラズマ生成部２３７における活性種には、光励起を介さずに高周波電力が供給された印加電極２７１および基準電極２７０にて直接生成された活性種も含まれる。
　ＭＦＣ２４１ｂで制御する第１ガスの供給流量は、例えば１０ｓｃｃｍ以上、１００００ｓｃｃｍ以下の範囲内の流量とし、ＭＦＣ２４１ｅで制御する第２ガスの供給流量は、例えば１０ｓｃｃｍ以上、１０００ｓｃｃｍ以下の範囲内の流量とする。高周波電源２７３から基準電極２７０及び印加電極２７１へ印加する高周波電力は、例えば５０Ｗ以上、１０００Ｗ以下の範囲内の電力とする。発光管２４９ｅ内の圧力は、例えば１０ｋＰａ以上、１００ｋＰａ以下の範囲内の圧力とし、処理室２０１内の圧力は、例えば１Ｐａ以上、１００Ｐａ以下の範囲内の圧力とする。発光管２４９ｅを発光源として用いることで、処理室２０１内の圧力をこのような比較的低い圧力帯としても、第１ガスを活性化させることが可能となる。第１ガスを光励起することにより得られた活性種をウエハ２００に対して供給する時間は、例えば１秒以上、１００秒以下、好ましくは１秒以上、５０秒以下の範囲内の時間とする。その他の処理条件は、上述のステップＳ３と同様な処理条件とする。
　電気的に中性なこれらの活性種はウエハ２００の表面に形成されたＳｉ含有層に対して後述する酸化処理を行う。
　上述の条件下でウエハ２００に対して第１ガスを供給することにより、ウエハ２００上に形成されたＳｉ含有層が酸化される。この際、光励起された第１ガスの内部エネルギーにより、Ｓｉ含有層が有するＳｉ－Ｎ結合、Ｓｉ－Ｈ結合が切断される。Ｓｉとの結合を切り離されたＮ、Ｈ、及び、Ｎに結合するＣは、Ｓｉ含有層から脱離することとなる。そして、Ｎ等が脱離することで未結合手（ダングリングボンド）を有することとなったＳｉ含有層中のＳｉが、第１ガスに含まれるＯと結合し、Ｓｉ－Ｏ結合が形成されることとなる。この反応が進行することにより、Ｓｉ含有層は、Ｓｉ及びＯを含む層、すなわち、シリコン酸化層（ＳｉＯ層）へと変化させられる（改質される）。
　なお、Ｓｉ含有層をＳｉＯ層へと改質させるには、第１ガスを光励起させて供給する必要がある。第１ガスを励起されていな状態で供給しても、上述の温度帯では、Ｓｉ含有層を酸化させるのに必要な内部エネルギーが不足しており、Ｓｉ含有層からＮやＣを充分に脱離させたり、Ｓｉ含有層を充分に酸化させてＳｉ－Ｏ結合を増加させたりすることは、困難なためである。
　Ｓｉ含有層をＳｉＯ層へ変化させた後、バルブ２４３ｂを閉じ、第１ガスの供給を停止する。また、基準電極２７０及び印加電極２７１への高周波電力の供給を停止する。そして、ステップＳ４と同様の処理手順、処理条件により、処理室２０１内に残留する第１ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除し、また、発光管２４９ｅ内に閉じ込められた第２ガスは、排気バルブ２４３ｇを介してガス排気管２３２ｇから排気される（Ｓ６）。なお、このステップＳ６の一部を省略して次のステップへ移行してもよい。
　光励起させる第１ガスとしては、酸素（Ｏ２）ガス、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガス、一酸化窒素（ＮＯ）ガス、二酸化窒素（ＮＯ２）ガス、オゾン（Ｏ３）ガス、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）ガス、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、水酸化アンモニウム（ＮＨ４（ＯＨ））ガス、一酸化炭素（ＣＯ）ガス、二酸化炭素（ＣＯ２）ガス等を用いてもよい。
　プラズマ発光させる第２ガスとしては、キセノン（Ｘｅ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス等の希ガス、窒素（Ｎ２）ガス、軽水素（Ｈ２）ガス、重水素（Ｄ２）ガス等を用いてもよい。また、これらガスを２種類以上で混合して利用してもよい。
　不活性ガスとしては、例えば、ステップＳ４で例示した各種希ガスを用いることができる。
　（所定回数実施：Ｓ７）
　上述したステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をこの順番に沿って非同時に、すなわち、同期させることなく行うことを１サイクルとし、このサイクルを所定回数（ｎ回）、すなわち、１回以上行うことにより、ウエハ２００上に、所定組成及び所定膜厚のＳｉＯ膜を形成することができる。上述のサイクルは、複数回繰り返すことが好ましい。すなわち、１サイクルあたりに形成されるＳｉＯ層の厚さを所望の膜厚よりも小さくし、ＳｉＯ層を積層することで形成されるＳｉＯ膜の膜厚が所望の膜厚になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すことが好ましい。
（大気圧復帰ステップ：Ｓ８）
　上述の成膜処理が完了したら、ガス供給管２３２ｃ，２３２ｄのそれぞれから不活性ガスを処理室２０１内へ供給し、排気管２３１から排気する。これにより、処理室２０１内が不活性ガスでパージされ、処理室２０１内に残留する第１ガス等が処理室２０１内から除去される（不活性ガスパージ）。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：Ｓ８）。
（搬出ステップ：Ｓ９）
　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、マニホールド２０９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マニホールド２０９の下端から反応管２０３の外部に搬出（ボートアンロード）される。ボートアンロードの後は、シャッタ２１９ｓが移動させられ、マニホールド２０９の下端開口がＯリング２２０ｃを介してシャッタ２１９ｓによりシールされる（シャッタクローズ）。処理済のウエハ２００は、反応管２０３の外部に搬出された後、ボート２１７より取り出されることとなる（ウエハディスチャージ）。なお、ウエハディスチャージの後は、処理室２０１内へ空のボート２１７を搬入するようにしてもよい。
ここで、第１ガスによる基板処理時の炉内圧力は、１Ｐａ以上、１００Ｐａ以下の範囲で制御されることが好ましい。これは、炉内の圧力が１Ｐａより低い場合、光励起で生成される活性種の供給量が低く、酸化処理に時間を要してしまうためである。また、炉内の圧力が１００Ｐａより高い場合、活性種の生成量が飽和してしまうため、第１ガスを無駄に消費することとなってしまうと同時に、ガス分子の平均自由行程が短くなることで、ウエハまでの活性種の輸送効率が悪くなってしまうためである。
（３）本実施形態による効果
　本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果が得られる。
（ａ）発光管２４９ｅ内のプラズマ生成条件（ガス種、ガス圧力、高周波電力、周波数など）を変えることで、プラズマ発光の光量や波長を制御することができ、光照射されるガスの光励起状態や光励起される活性種の生成量を制御することが可能となる。
（ｂ）発光源による処理室２０１の中心への光照射により、光励起される活性種をウエハ中央部で直接生成することができ、ウエハへの活性種の供給効率を高めることが可能となる。
（ｃ）プラズマ発光の光量や波長を制御することで、光励起される活性種の生成分布をウエハ上部で調整することができ、ウエハ処理の面内均一性を図ることが可能となる。
　以上、本開示の実施形態について具体的に説明した。しかしながら、本開示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。
　また、例えば、上述の実施形態では、発光源を構成する発光管２４９ｅについて、石英などのＳｉＯ２系の材料から成る例について説明した。本開示ではこのような態様に限定されず、第１ガスの光励起に必要な波長が紫外光領域の短波長側である場合は、その光が発光管２４９ｅを透過できるようフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）やフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を一部材料とした発光管２４９ｅで発光源を構成する形態を有してもよい。また、第１ガスの光励起に必要な光の波長の帯域としては、例えば、１１０ｎｍ～５μｍであり、この光の波長の帯域に応じて材質の異なる発光管２４９ｅへの交換が行える形態を有してもよい。すなわち、例えば真空紫外光が処理室２０１の中心を照射できることによって、内部エネルギーのより高い活性種をウエハに供給でき、成膜速度を高めることが可能となる。光の波長が１１０ｎｍ未満又は５μｍを超えると、発光させたとしても光が発光管を透過させることができないので発光源として利用することができない。すなわち、光の波長の帯域を１１０ｎｍ～５μｍとすることで発光管を発光減として利用することが可能となる。なお、本明細書における「１１０ｎｍ～５μｍ」のような数値範囲の表記は、下限値および上限値がその範囲に含まれることを意味する。よって、例えば、「１１０ｎｍ～５μｍ」とは「１１０ｎｍ以上５μｍ以下」を意味する。他の数値範囲についても同様である。
　また、例えば、上述の実施形態では、一組のバッファ構造３００と発光源の構成によって第１ガスを光励起させて、その活性種をウエハに供給する例について説明した。本開示ではこのような態様に限定されず、複数組の構成によって第１ガスを光励起させて、活性種をウエハに供給する形態を有してもよい。すなわち、光励起により生成される活性種の供給量を増大させて、成膜速度を高めることが可能となる。
　また、例えば、上述の実施形態では、原料ガスを供給した後に第１ガスを供給する例について説明した。本開示はこのような態様に限定されず、原料ガス、第１ガスの供給順序は逆でもよい。すなわち、第１ガスを供給した後に原料ガスを供給するようにしてもよい。供給順序を変えることにより、形成される膜の膜質や組成比を変化させることが可能となる。
　また、例えば、上述の実施形態では、ステップＳ４で用いられるパージガスは、不活性の状態で供給する例について説明した。本開示はこのような態様に限定されず、ステップＳ５のように発光源による光励起にて、パージガスを活性化させてもよい。すなわち、光励起により活性化された第１ガスとしてのＮ２ガスや希ガスをパージに用いることで、未反応の原料ガスや反応副生成物質の除去効率を改善させて膜質向上を図ることが可能となる。
　上述の実施形態等では、ウエハ２００上にＳｉＯ膜を形成する例について説明した。本開示はこのような態様に限定されず、ウエハ２００上に、シリコン酸炭化膜（ＳｉＯＣ膜）、シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等のＳｉ系酸化膜を形成する場合にも、好適に適用可能である。
　例えば、上述したガスの他、又は、これらのガスに加え、アンモニア（ＮＨ３）ガス等の窒素（Ｎ）含有ガス、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）ガス等の炭素（Ｃ）含有ガス、三塩化硼素（ＢＣｌ３）ガス等の硼素（Ｂ）含有ガス等を用い、例えば、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯＣＮ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＢＮ膜、ＳｉＢＣＮ膜、ＢＣＮ膜等を形成することができる。なお、各ガスを流す順番は適宜変更することができる。これらの成膜を行う場合においても、上述の実施形態と同様な処理条件にて成膜を行うことができ、上述の実施形態と同様の効果が得られる。これらの場合、第１ガスとしての酸化剤には、上述した第１ガスを用いることができる。
　また、本開示は、ウエハ２００上に、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属元素を含む金属系酸化膜や金属系窒化膜を形成する場合においても、好適に適用可能である。すなわち、本開示は、ウエハ２００上に、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膜等を形成する場合にも、好適に適用することが可能となる。
　これらの場合、例えば、原料ガスとして、テトラキス（ジメチルアミノ）チタン（Ｔｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］４、略称：ＴＤＭＡＴ）ガス、テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム（Ｈｆ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）（ＣＨ３）］４、略称：ＴＥＭＡＨ）ガス、テトラキス（エチルメチルアミノ）ジルコニウム（Ｚｒ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）（ＣＨ３）］４、略称：ＴＥＭＡＺ）ガス、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３、略称：ＴＭＡ）ガス、チタニウムテトラクロライド（ＴｉＣｌ４）ガス、ハフニウムテトラクロライド（ＨｆＣｌ４）ガス等を用いることができる。
　すなわち、本開示は、半金属元素を含む半金属系膜や金属元素を含む金属系膜を形成する場合に、好適に適用することができる。これらの成膜処理の処理手順、処理条件は、上述の実施形態や変形例に示す成膜処理と同様な処理手順、処理条件とすることができる。これらの場合においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
　成膜処理に用いられるレシピは、処理内容に応じて個別に用意し、電気通信回線や外部記憶装置１２３を介して記憶装置１２１ｃ内に格納しておくことが好ましい。そして、各種処理を開始する際、ＣＰＵ１２１ａが、記憶装置１２１ｃ内に格納された複数のレシピの中から、処理内容に応じて適正なレシピを適宜選択することが好ましい。これにより、１台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の薄膜を汎用的に、かつ、再現性よく形成することができるようになる。また、オペレータの負担を低減でき、操作ミスを回避しつつ、各種処理を迅速に開始できるようになる。
　上述のレシピは、新たに作成する場合に限らず、例えば、基板処理装置に既にインストールされていた既存のレシピを変更することで用意してもよい。レシピを変更する場合は、変更後のレシピを、電気通信回線や当該レシピを記録した記録媒体を介して、基板処理装置にインストールしてもよい。また、既存の基板処理装置が備える入出力装置１２２を操作し、基板処理装置に既にインストールされていた既存のレシピを直接変更するようにしてもよい。
産業上の利用分野
　本開示は、基板処理装置、プラズマ発光装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに利用可能である。

Claims (17)

  1. 　基板を処理する処理室と、
    　第１ガスを供給する第１ガス供給管、高周波電力が印加される印加電極、接地により基準電位が与えられる基準電極、及び前記第１ガスを光励起させる発光管を備えるプラズマ生成部と、
    を有する基板処理装置。
  2. 　複数の前記基板を垂直方向に多段に保持する基板保持部を備え、
    　前記印加電極と前記基準電極と前記発光管とは、それぞれ前記垂直方向に保持される請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 　前記発光管は、酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウムのうち少なくとも１つの材料を含む請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  4. 　前記第１ガスは、前記発光管により光励起され活性種となるガスである、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の基板処理装置。
  5. 　前記第１ガスは、酸素、窒素、炭素、水素及び希ガスのうち少なくとも１つの元素を有するガスを含む請求項４に記載の基板処理装置。
  6. 　前記発光管には、第２ガスを供給する第２ガス供給管が接続されている請求項１に記載の基板処理装置。
  7. 　前記発光管には、前記第２ガスを前記発光管内に閉じ込める開閉バルブが接続されている請求項６に記載の基板処理装置。
  8. 　前記発光管には、前記第２ガスを排気する排気管が接続されている請求項６又は請求項７に記載に基板処理装置。
  9. 　前記発光管は、前記印加電極と前記基準電極との電気的作用により、前記発光管の内部に閉じ込められた前記第２ガスのプラズマ化により発光する請求項７又は請求項８に記載の基板処理装置。
  10. 　前記第２ガスは、前記発光管の内部に閉じ込められた状態で、前記印加電極と前記基準電極との電気的作用によりプラズマ化される、請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  11. 　前記第２ガスは、窒素ガス、軽水素ガス、重水素ガス及び希ガスのうち少なくとも１つのガスを含む請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  12. 　前記発光管の発光により、前記処理室内のガスを光励起により活性化し、前記基板を処理する請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  13. 　前記発光管の発光は、１１０ｎｍ～５μｍの波長を含む請求項１２に記載の基板処理装置。
  14. 　前記高周波電力は、高周波又はパルス波である請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  15. 　第１ガスを供給する第１ガス供給管と、高周波電力が印加される印加電極と、接地により基準電位が与えられる基準電極と、前記第１ガスを光励起させる発光管と、を備えるプラズマ発光装置。
  16. 　基板を処理する処理室と、第１ガスを供給する第１ガス供給管、高周波電力が印加される印加電極、接地により基準電位が与えられる基準電極、及び前記第１ガスを光励起させる発光管を備えるプラズマ生成部と、を有する基板処理装置の前記処理室に前記基板を搬入する工程と、
    　前記処理室内に前記第１ガスを供給する工程と、
    　前記第１ガスを光励起させて活性化させる工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  17. 基板を処理する処理室と、前記処理室へ第１ガスを供給する第１ガス供給管と、高周波電力が印加される印加電極、接地により基準電位が与えられる基準電極、及び前記第１ガスを光励起させる発光管、を備えるプラズマ生成部と、を有する基板処理装置の前記処理室に前記基板を搬入する手順と、
    　前記処理室内に前記第１ガスを供給する手順と、
    　前記第１ガスを光励起させて活性化させる手順と、
    をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
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