JP2018107304A - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】基板を均一に処理することが可能な技術を提供する。【解決手段】基板を処理する処理室と、前記処理室内へガスを供給するガス供給部と、高周波電源に接続される電極を有し、前記処理室内に供給されたガスをプラズマ化させることにより活性化させるプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器と、前記インピーダンス測定器により測定されたインピーダンスの値に応じてプラズマの活性種生成量を判断する判断部と、前記判断部により判断された活性種生成量に応じて前記高周波電源を制御する制御部と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
半導体装置製造工程の１つに、基板処理装置の処理室内に基板を搬入し、処理室内に供給した原料ガスと反応ガスなどにプラズマを用いて活性化させ、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。プラズマは、堆積する薄膜の反応を促進したり、薄膜から不純物を除去したり、あるいは成膜原料の化学反応を補助したりする為などに用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５−９２６３７号公報
しかしながら、経年変化や予期せぬ原因によるプラズマ電極の劣化が生じると、プラズマにより生成されるイオンやラジカルなどの活性種の生成量や分布にばらつきが生じたり、プラズマ生成部からアーク放電等の異常放電が生じてしまい、均一に膜を処理することが困難となってしまう場合がある。
本発明の目的は、基板を均一に処理することが可能な技術を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内へガスを供給するガス供給部と、
高周波電源に接続される電極を有し、前記処理室内に供給されたガスをプラズマ化させることにより活性化させるプラズマ生成部と、
前記プラズマ生成部のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器と、
前記インピーダンス測定器により測定されたインピーダンスの値に応じてプラズマの活性種生成量を判断する判断部と、
前記判断部により判断された活性種生成量に応じて前記高周波電源を制御する制御部と、
を有する技術が提供される。
本発明によれば、基板を均一に処理することが可能な技術を提供することが可能となる。
本発明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図で示す図である。 本発明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、処理炉部分を図１のＡ−Ａ線断面図で示す図である。 本発明の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の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をブロック図で示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理工程のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る基板処理工程におけるガス供給のタイミングを示す図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置のインピーダンス制御の機能構成を示すブロック図である。 本発明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変形例を説明するための概略横断面図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置の変形例の基板処理工程におけるガス供給のタイミングを示す図である。
＜本発明の実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図１から図６を参照しながら説明する。
（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は基板を垂直方向多段に収容することが可能な、いわゆる縦型炉であり、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、保持板としてのヒータベース（図示せず）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）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、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（インレットフランジ）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）等の金属からなり、上端およ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。処理容器の内側である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。
処理室２０１内には、ノズル２４９ａ，２４９ｂ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，２４９ｂには、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂが、それぞれ接続されている。このように、反応管２０３には２本のノズル２４９ａ，２４９ｂと、２本のガス供給管２３２ａ，２３２ｂ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、マニホールド２０９を設置せず、反応管２０３のみを処理容器とした場合、ノズル２４９ａ，２４９ｂ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，２３２ｂには、ガス流の上流側から順に、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，２４１ｂおよび開閉弁であるバルブ２４３ａ，２４３ｂがそれぞれ設けられている。ガス供給管２３２ａ，２３２ｂのバルブ２４３ａ，２４３ｂ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がそれぞれ接続されている。ガス供給管２３２ｃ，２３２ｄには、ガス流の上流側から順に、ＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄおよびバルブ２４３ｃ，２４３ｄがそれぞれ設けられている。
ノズル２４９ａ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、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。
ノズル２４９ｂは、ガス分散空間であるバッファ室２３７内に設けられている。バッファ室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、バッファ室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３０２，３０４が形成されている。ガス供給口３０２，３０４は、図２に示すように、後述する棒状電極２６９，２７０間、棒状電極２７０，２７１間のプラズマ生成領域２２４ａ，２２４ｂに対向する位置にそれぞれ反応管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３０２，３０４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、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、反応ガスがバッファ室２３７内で分散され、棒状電極２６９〜２７１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。
ガス供給管２３２ａからは、所定元素を含む原料として、例えば、所定元素としてのシリコン（Ｓｉ）を含むシラン原料ガスが、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａ、ノズル２４９ａを介して処理室２０１内へ供給される。
シラン原料ガスとしては、例えば、Ｓｉおよびハロゲン元素を含む原料ガス、すなわち、ハロシラン原料ガスを用いることができる。ハロシラン原料とは、ハロゲン基を有するシラン原料のことである。ハロゲン元素は、塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、臭素（Ｂｒ）、ヨウ素（Ｉ）からなる群より選択される少なくとも１つを含む。
ハロシラン原料ガスとしては、例えば、ＳｉおよびＣｌを含む原料ガス、すなわち、クロロシラン原料ガスを用いることができる。クロロシラン原料ガスとしては、例えば、ジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2、略称：ＤＣＳ）ガスを用いることができる。
ガス供給管２３２ｂからは、上述の所定元素とは異なる元素を含むリアクタント（反応体）として、例えば、反応ガスとしての窒素（Ｎ）含有ガスが、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、ノズル２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給されるように構成されている。Ｎ含有ガスとしては、例えば、窒化水素系ガスを用いることができる。窒化水素系ガスは、ＮおよびＨの２元素のみで構成される物質ともいえ、窒化ガス、すなわち、Ｎソースとして作用する。窒化水素系ガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ3）ガスを用いることができる。
ガス供給管２３２ｃ，２３２ｄからは、不活性ガスとして、例えば、窒素（Ｎ2）ガスが、それぞれＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄ、バルブ２４３ｃ，２４３ｄ、ガス供給管２３２ａ，２３２ｂ、ノズル２４９ａ，２４９ｂを介して処理室２０１内へ供給される。
主に、ガス供給管２３２ａ、ＭＦＣ２４１ａ、バルブ２４３ａにより、第１のガス供給系としての原料供給系が構成される。主に、ガス供給管２３２ｂ、ＭＦＣ２４１ｂ、バルブ２４３ｂにより、第２のガス供給系としての反応体供給系（リアクタント供給系）が構成される。主に、ガス供給管２３２ｃ，２３２ｄ、ＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄ、バルブ２４３ｃ，２４３ｄにより、不活性ガス供給系が構成される。原料供給系、反応体供給系および不活性ガス供給系を総称して単にガス供給系（ガス供給部）とも称する。
（プラズマ生成部）
バッファ室２３７内には、図２に示すように、導電体からなり、細長い構造を有する３本の棒状電極２６９，２７０，２７１が、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の配列方向に沿って配設されている。棒状電極２６９，２７０，２７１のそれぞれは、ノズル２４９ｂと平行に設けられている。棒状電極２６９，２７０，２７１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。棒状電極２６９，２７０，２７１のうち両端に配置される棒状電極２６９，２７１は、整合器２７２とインピーダンス測定器２７４を介して高周波電源２７３に接続されている。棒状電極２７０は、基準電位であるアースに接続され、接地されている。すなわち、高周波電源２７３に接続される棒状電極と、接地される棒状電極と、が交互に配置され、高周波電源２７３に接続された棒状電極２６９，２７１の間に配置された棒状電極２７０は、接地された棒状電極として、棒状電極２６９，２７１に対して共通して用いられている。換言すると、接地された棒状電極２７０は、隣り合う高周波電源２７３に接続された棒状電極２６９，２７１に挟まれるように配置され、棒状電極２６９と棒状電極２７０、同じく、棒状電極２７１と棒状電極２７０がそれぞれ対となるように構成されてプラズマを生成する。つまり、接地された棒状電極２７０は、棒状電極２７０に隣り合う２本の高周波電源２７３に接続された棒状電極２６９，２７１に対して共通して用いられている。そして、高周波電源２７３から棒状電極２６９，２７１に高周波（ＲＦ）電力を印加することで、棒状電極２６９，２７０間のプラズマ生成領域２２４ａ、棒状電極２７０，２７１間のプラズマ生成領域２２４ｂにプラズマが生成される。
インピーダンス測定器２７４は、整合器２７２と高周波電源２７３の間に設けられている。インピーダンス測定器２７４は、高周波の進行波と反射波を測定し、整合器２７２により棒状電極２６９，２７１における負荷インピーダンスや高周波の反射状態を測定する。すなわち、インピーダンス測定器２７４が高周波の進行波と反射波を測定し、測定した値をコントローラ１２１にフィードバックしてコントローラ１２１が高周波電源２７３を制御することで、プラズマ生成領域２２４ａ，２２４ｂに生成されるプラズマ生成量が制御される。
インピーダンス測定器２７４により測定される情報には、高周波の進行波に対する反射波の電圧比または電力比、高周波の進行波に対する反射波の位相差、若しくはこれら電圧比または電力比と位相差から算出されるレジスタンス、リアクタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インピーダンス及びアドミタンス等の少なくとも１つが含まれている。
棒状電極２６９とインピーダンス測定器２７４の間には、スイッチ２７６ａが設けられている。また、棒状電極２７１とインピーダンス測定器２７４の間には、スイッチ２７６ｂが設けられている。このように棒状電極２６９とインピーダンス測定器２７４の間にスイッチ２７６ａを設け、棒状電極２７１とインピーダンス測定器２７４の間にスイッチ２７６ｂを設けることで、劣化や断線、短絡等の異常を生じさせている電極を特定することが可能となる。
主に、棒状電極２６９，２７０，２７１、整合器２７２によりプラズマ生成領域２２４ａ，２２４ｂにプラズマを生成するプラズマ生成部が構成される。電極保護管２７５、スイッチ２７６ａ，２７６ｂ、高周波電源２７３、インピーダンス測定器２７４をプラズマ生成部に含めて考えてもよい。プラズマ生成部は、後述するように、ガスをプラズマ励起、すなわち、プラズマ状態に励起（活性化）させるプラズマ励起部（活性化機構）として機能する。
電極保護管２７５は、棒状電極２６９，２７０，２７１のそれぞれをバッファ室２３７内の雰囲気と隔離した状態でバッファ室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棒状電極２６９，２７０，２７１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、棒状電極２６９，２７０，２７１の酸化を防止することができる。
（排気部）
反応管２０３には、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および排気バルブ（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内の真空排気およ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バルブである。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，２４９ｂと同様にマニホールド２０９に設けてもよい。
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等の金属からなり、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、後述するボート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、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入および搬出することが可能なように構成されている。ボートエレベータ１１５は、ボート２１７すなわちウエハ２００を、処理室２０１内外に搬送する搬送装置（搬送機構）として構成されている。また、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。
（基板支持具）
図１に示すように基板支持具としてのボート２１７は、１枚または複数枚、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支持するように、すなわち、所定の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等の耐熱性材料からなる。ボート２１７の下部には、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる断熱板２１８が多段に支持されている。
図２に示すように反応管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内の温度を所望の温度分布とする。温度センサ２６３は、ノズル２４９ａ，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）
次に制御装置について図３を用いて説明する。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）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、または、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〜２４１ｄ、バルブ２４３ａ〜２４３ｄ、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、整合器２７２、高周波電源２７３、インピーダンス測定器２７４、スイッチ２７６ａ，２７６ｂ、回転機構２６７、ボートエレベータ１１５、シャッタ開閉機構１１５ｓ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〜２４１ｄによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３ａ〜２４３ｄの開閉動作、インピーダンス測定器２７４によるインピーダンス監視に基づく高周波電源２７３の調整動作、スイッチ２７６ａ，２７６ｂの切換動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉動作および圧力センサ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の起動および停止、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、回転角度およ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の昇降動作等を制御する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、または、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
次に、基板処理装置１００を使用して、半導体装置の製造工程の一工程として、ウエハ２００上に薄膜を形成する工程について、図４及び図５を参照しながら説明する。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。
ここでは、原料ガスとしてＤＣＳガスを供給するステップと、反応ガスとしてプラズマ励起させたＮＨ3ガスを供給するステップとを非同時に、すなわち同期させることなく所定回数（１回以上）行うことで、ウエハ２００上に、ＳｉおよびＮを含む膜として、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を形成する例について説明する。また、例えば、ウエハ２００上には、予め所定の膜が形成されていてもよい。また、ウエハ２００または所定の膜には予め所定のパターンが形成されていてもよい。
本明細書では、図５に示す成膜処理のプロセスフローを、便宜上、以下のように示すこともある。以下の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。
（ＤＣＳ→ＮＨ3 *）×ｎ ⇒ ＳｉＮ
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。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。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。続いて、回転機構２６７によるボート２１７およびウエハ２００の回転を開始する。処理室２０１内の排気、ウエハ２００の加熱および回転は、いずれも、少なくともウエハ２００に対する処理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ＤＣＳガスを供給する。
バルブ２４３ａを開き、ガス供給管２３２ａ内へＤＣＳガスを流す。ＤＣＳ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。このとき同時にバルブ２４３ｃを開き、ガス供給管２３２ｃ内へＮ2ガスを流してもよい。Ｎ2ガスは、ＭＦＣ２４１ｃにより流量調整され、ＤＣＳ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ＤＣＳガスの侵入を抑制するため、バルブ２４３ｄを開き、ガス供給管２３２ｄ内へＮ2ガスを流してもよい。Ｎ2ガスは、ガス供給管２３２ｂ、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ＤＣＳガスの供給流量は、例えば１ｓｃｃｍ以上、６０００ｓｃｃｍ以下、好ましくは２０００ｓｃｃｍ以上、３０００ｓｃｃｍ以下の範囲内の流量とする。ＭＦＣ２４１ｃ，２４１ｄで制御するＮ2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、例えば１Ｐａ以上、２６６６Ｐａ以下、好ましくは６６５Ｐａ以上、１３３３Ｐａの範囲内の圧力とする。ＤＣＳガスの供給時間は、例えば１秒以上、１０秒以下、好ましくは１秒以上、３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７００℃以下、好ましくは室温（２５℃）以上５５０℃以下、より好ましくは４０℃以上５００℃以下の範囲内の温度となるような温度に設定する。本実施形態のように、ウエハ２００の温度を７００℃以下、さらには５５０℃以下、さらには５００℃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。
上述の条件下でウエハ２００に対してＤＣＳガスを供給することにより、ウエハ２００（表面の下地膜）上に、Ｃｌを含むＳｉ含有層が形成される。Ｃｌを含むＳｉ含有層はＣｌを含むＳｉ層であってもよいし、ＤＣＳ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。以下、Ｃｌを含むＳｉ含有層を、単にＳｉ含有層とも称する。
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ＤＣＳ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もしくはＳｉ含有層の形成に寄与した後のＤＣＳ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Ｎ2ガスの供給を維持する。Ｎ2ガスはパージガスとして作用する。なお、このステップＳ４を省略してもよい。
原料ガスとしては、ＤＣＳガスのほか、テトラキスジメチルアミノシランガス、トリスジメチルアミノシランガス、ビスジメチルアミノシランガス、ビスジエチルアミノシランガス、ビスターシャリーブチルアミノシランガス、ジメチルアミノシランガス、ジエチルアミノシランガス、ジプロピルアミノシランガス、ジイソプロピルアミノシランガス、ブチルアミノシランガス、ヘキサメチルジシラザンガス等の各種アミノシラン原料ガスや、モノクロロシランガス、トリクロロシランガス、テトラクロロシランガス、ヘキサクロロジシランガス、オクタクロロトリシランガス等の無機系ハロシラン原料ガスや、モノシランガス、ジシランガス、トリシランガス等のハロゲン基非含有の無機系シラン原料ガスを好適に用いることができる。
不活性ガスとしては、Ｎ2ガスの他、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いることができる。
（反応ガス供給ステップ：Ｓ５，Ｓ６）
成膜処理が終了した後、処理室２０１内のウエハ２００に対して反応ガスとしてのプラズマ励起させたＮＨ3ガスを供給する（Ｓ５）。
このステップでは、バルブ２４３ｂ〜２４３ｄの開閉制御を、ステップＳ３におけるバルブ２４３ａ，２４３ｃ，２４３ｄの開閉制御と同様の手順で行う。ＮＨ3ガスは、ＭＦＣ２４１ｂにより流量調整され、ノズル２４９ｂを介してバッファ室２３７内へ供給される。このとき、棒状電極２６９，２７０，２７１間に高周波電力を供給する。バッファ室２３７内へ供給されたＮＨ3ガスはプラズマ状態に励起され（プラズマ化して活性化され）、活性種（ＮＨ3 *）として処理室２０１内へ供給され、排気管２３１から排気される。
ＭＦＣ２４１ｂで制御するＮＨ3ガスの供給流量は、例えば１００ｓｃｃｍ以上、１００００ｓｃｃｍ以下、好ましくは１０００ｓｃｃｍ以上、２０００ｓｃｃｍ以下の範囲内の流量とする。棒状電極２６９，２７０，２７１に印加する高周波電力は、例えば５０Ｗ以上、６００Ｗ以下の範囲内の電力とする。処理室２０１内の圧力は、例えば１Ｐａ以上、５００Ｐａ以下の範囲内の圧力とする。プラズマを用いることで、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、ＮＨ3ガスを活性化させることが可能となる。ＮＨ3ガスをプラズマ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、すなわち、ガス供給時間（照射時間）は、例えば１秒以上、１８０秒以下、好ましくは１秒以上、６０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Ｓ３と同様な処理条件とする。
上述の条件下でウエハ２００に対してＮＨ3ガスを供給することにより、ウエハ２００上に形成されたＳｉ含有層がプラズマ窒化される。この際、プラズマ励起されたＮＨ3ガスのエネルギーにより、Ｓｉ含有層が有するＳｉ−Ｃｌ結合、Ｓｉ−Ｈ結合が切断される。Ｓｉとの結合を切り離されたＣｌ、Ｈは、Ｓｉ含有層から脱離することとなる。そして、Ｃｌ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、ＮＨ3ガスに含まれるＮと結合し、Ｓｉ−Ｎ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およびＮを含む層、すなわち、シリコン窒化層（ＳｉＮ層）へと変化させられる（改質される）。
なお、Ｓｉ含有層をＳｉＮ層へと改質させるには、ＮＨ3ガスをプラズマ励起させて供給する必要がある。ＮＨ3ガスをノンプラズマの雰囲気下で供給しても、上述の温度帯では、Ｓｉ含有層を窒化させるのに必要なエネルギーが不足しており、Ｓｉ含有層からＣｌやＨを充分に脱離させたり、Ｓｉ含有層を充分に窒化させてＳｉ−Ｎ結合を増加させたりすることは、困難なためである。
そして、バッファ室２３７内へ供給されたＮＨ3ガスはプラズマ状態に励起され（プラズマ化して活性化され）、活性種（ＮＨ3 *）として処理室２０１内へ供給され、排気管２３１から排気される。
Ｓｉ含有層をＳｉＮ層へ変化させた後、バルブ２４３ｂを閉じ、ＮＨ3ガスの供給を停止する。また、棒状電極２６９，２７０，２７１間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ＮＨ3ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する（Ｓ６）。なお、このステップＳ６を省略してもよい。
窒化剤、すなわち、プラズマ励起させるＮＨ3含有ガスとしては、ＮＨ3ガスの他、ジアゼン（Ｎ2Ｈ2）ガス、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）ガス、Ｎ3Ｈ8ガス等を用いてもよい。
不活性ガスとしては、Ｎ2ガスの他、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（Ｓ７）ことにより、ウエハ２００上に、所定組成および所定膜厚のＳｉＮ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ＳｉＮ層の厚さを所望の膜厚よりも小さくし、ＳｉＮ層を積層することで形成されるＳｉＮ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としてのＮ2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（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（Ｓ９）。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。
（３）プラズマ制御動作
次に、プラズマ処理を行うコントローラ１２１の動作について図６を用いて詳述する。上述したコントローラ１２１は、プラズマの生成を制御するプラズマ制御装置としても機能する。
図６に示すように、少なくとも、設定データ１２１ｆ、演算部１２１ｇ、電源制御部１２１ｈ、高周波電源２７３、プラズマ生成部２７７、インピーダンス測定器２７４によって、制御ループを構成している。主に、コントローラ１２１の設定データ１２１ｆ、演算部１２１ｇ、電源制御部１２１ｈを判断部と称することができる。また、高周波電源２７３や、プラズマ生成部２７７、インピーダンス測定器２７４を含めた制御ループを判断部と称してもよいし、コントローラ１２１全体を判断部と称してもよい。
設定データ１２１ｆは、成膜工程やエッチング工程等におけるプラズマ処理において、プラズマを生成するのに適正であると設定されたインピーダンスの設定値である。インピーダンスの設定値は、抵抗値とリアクタンス値を含んでいる。設定データ１２１ｆは、記憶装置１２１ｃに記憶されている。
演算部１２１ｇは、例えばＣＰＵ１２１ａである。演算部１２１ｇは、記憶装置１２１ｃから読み出された設定データ１２１ｆと、インピーダンス測定器２７４により検出されたインピーダンスの測定値とを比較し、電源制御部１２１ｈが制御する高周波電源２７３の電力値や周波数値を制御する。
電源制御部１２１ｈは、演算部１２１ｇにより比較して出力された電力値や周波数値に基づいて、高周波電源２７３を制御する。具体的には、電源制御部１２１ｈは、高周波電源２７３を制御して、棒状電極２６９，２７０，２７１へ供給される電力値や周波数値を制御する。これにより、プラズマ生成部２７７が所定のインピーダンス（設定データ１２１ｆ）を維持するように調整され、プラズマ生成領域２２４ａ，２２４ｂに生成されるプラズマ生成量が制御される。
インピーダンス測定器２７４は、プラズマ生成部２７７のプラズマ状態を検出する。具体的には、インピーダンス測定器２７４から負荷側のインピーダンス、すなわち、図２に示す整合器２７２、棒状電極２６９，２７１のインピーダンスを測定し、同軸ケーブルにおける進行波と反射波の位相差や、整合器２７２内部の素子インピーダンス等を除去する演算を行い、棒状電極２６９，２７１とプラズマの合成から成るインピーダンスとして出力している。ここで、図２に示すような装置構成の場合、棒状電極２６９，２７１の合成測定値、または平均測定値がインピーダンスとして測定されている。
そして、演算部１２１ｇが、インピーダンス測定器２７４により測定された測定値と設定データ１２１ｆとを比較し、電源制御部１２１ｈが高周波電源２７３の電力値や周波数値を制御することで、プラズマ生成部２７７が所定のインピーダンス（設定データ１２１ｆ）を維持するように制御され、バッファ室２３７に供給されたガスは一定の濃度のプラズマ状態に励起される。
ここで、インピーダンスＺを複素数で表現すると、次の式で表わされる。実数部Ｒは抵抗（レジスタンス）、虚数部Ｘはリアクタンスである。
Figure 2018107304
棒状電極２６９，２７０，２７１と生成されたプラズマから成る電気的な回路構成（等価回路）は、抵抗、コイル、コンデンサからなる直列回路とみなすことができるため、抵抗Ｒ及びリアクタンスＸは次の式で表わすことができる。
プラズマが発生していない時は、下記のようになる。
Figure 2018107304
Figure 2018107304
上記式において、ω＝２πｆ（ｆは高周波電源２７３の周波数）、Ｒ0は電極についての抵抗、Ｌ0は電極についてのインダクタンス、Ｃ0は電極についてのキャパシタンスである。
プラズマが発生している時は、下記のようになる。
Figure 2018107304
Figure 2018107304
上記式において、Ｒpはプラズマについての抵抗、Ｃpはプラズマについてのキャパシタンスである。
プラズマのキャパシタンスＣpは、プラズマシースの厚さで決まる。プラズマシースとは、プラズマがウエハや電極等に接したときにウエハや電極等の表面に形成される空間電荷層をいう。プラズマ密度が高いとプラズマシースの厚さは薄くなるためＣpは大きくなる。一方、プラズマ密度が低いとプラズマシースの厚さは厚くなるためＣpは小さくなる。そのため、プラズマが発生しているか否かは、リアクタンスＸの振舞いと高周波の反射の程度に基づいてコントローラ１２１において判断することができる。ここで、反射の程度は、例えば進行波と反射波の電力比または電圧比によって判断され、インピーダンス測定器２７４や高周波電源２７３で確認することができる。
このため、インピーダンスＺのリアクタンスＸがプラズマ密度に影響を及ぼしており、インピーダンスＺの測定値が高ければ、プラズマ密度が高く、活性種の生成量が多くなっているということが分かる。
すなわち、インピーダンス測定器２７４で測定されたインピーダンスＺ（Ｒ＋ｊＸ）の値に応じて活性種の生成量を判断することができる。詳細には、インピーダンス測定器２７４で測定されたインピーダンスのリアクタンスＸの値に応じて活性種の生成量を判断することができる。
そして、インピーダンス測定器２７４により測定されたリアクタンスＸの絶対値が、予め記憶装置１２１ｃに記憶された設定値の所定範囲内にある場合には、活性種の生成量が適正であると判断する。また、インピーダンス測定器２７４により測定されたリアクタンスＸの絶対値が予め記憶装置１２１ｃに記憶された設定値の所定範囲内にない場合には、活性種の生成量が適正でない、すなわち、電源制御部１２１ｈは、活性種の生成量が少ない又は多いと判断し、高周波電源２７３の電力値や周波数値を調整する。すなわち、電源制御部１２１ｈは、高周波電源２７３の電力値や周波数値を調整することにより、活性種の生成量を適正に維持するように制御する。
また、プラズマが正常に生成されていない場合には、インピーダンスのリアクタンスＸの値が非常に大きくなる。このため、コントローラ１２１は、インピーダンス測定器２７４により測定されたリアクタンスＸの値が基準値Ｘｓよりも高い場合には、プラズマが正常に生成されていないと判断し、アラーム等により使用者に警告する。
一方、コントローラ１２１は、インピーダンス測定器２７４により測定されたリアクタンスＸの値が予め設定した設定値の所定範囲内で、高周波の位相差が所定範囲内にある場合には、プラズマが正常に生成されていると判断する。
また、電極が劣化または断線していると、インピーダンスの抵抗Ｒの値が大きくなる。また、電極が短絡していると、インピーダンスの抵抗Ｒの値が小さくなる。さらに、電極が劣化または断線したり、短絡したりしていると高周波の位相差が大きくなることが分かっている。
このため、インピーダンス測定器２７４により測定されたインピーダンスの抵抗Ｒの値を基準値Ｒｓと比較することで電極の劣化や断線、短絡を判断することができる。
具体的には、コントローラ１２１は、インピーダンス測定器２７４により測定された抵抗Ｒの値が、正常にプラズマ生成されていると判断可能な範囲の最小値である抵抗Ｒの基準値Ｒｓ1よりも低く、高周波の反射波の大きさ（電力または電圧）が所定範囲内にない場合には、電極が短絡していると判断し、アラーム等により使用者に警告する。
また、コントローラ１２１は、インピーダンス測定器２７４により測定された抵抗Ｒの値が、正常にプラズマ生成されていると判断可能な範囲の最大値である抵抗Ｒの基準値Ｒｓ2よりも高く、高周波の位相差が所定範囲内にない場合には、電極が劣化または断線していると判断し、アラーム等により使用者に警告する。
また、コントローラ１２１は、スイッチ２７６ａ，２７６ｂの接続を切り換えて、棒状電極２６９，２７０間又は棒状電極２７１，２７０間に高周波電力を供給することにより、劣化、断線、短絡の原因となっている電極を特定することが可能となっている。
すなわち、インピーダンス測定器２７４で測定されたインピーダンスのリアクタンス値や抵抗値を、それぞれの設定値や基準値と比較し、または、高周波の反射波の大きさをそれぞれの設定値や基準値と比較することにより、活性種の生成量や、プラズマの発生の有無や、プラズマの異常放電、電極の劣化や断線または短絡等を判断することができる。
次に、実験例について詳述する。
実験例では、上述した基板処理装置１００を用いて基板処理工程の反応ガス供給ステップＳ５において、処理室２０１の温度を室温、処理室２０１内の圧力を６６Ｐａ、高周波電源２７３の周波数ｆを２８ＭＨｚにして、長さ０．６ｍ、直径１２ｍｍ程度の直流抵抗１Ω未満の棒状電極２６９，２７０，２７１を用いてＮＨ3ガスのＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）モードのプラズマを生成してバッファ室２３７内へ供給した。整合器２７２は、棒状電極２６９，２７０，２７１と並列に接続される真空バリアブルコンデンサと棒状電極２６９，２７０，２７１と直列に接続されるコイルで構成されている。そして、整合器２７２と高周波電源２７３との間に同軸ケーブルにてインピーダンス測定器２７４を接続して、インピーダンスを観測した。
実験例では、インピーダンス測定器２７４により測定されたリアクタンスＸの絶対値が下記範囲内にあって、かつ高周波の反射波の大きさが入射波に対して１０％未満の場合には、活性種の生成量が適正であり、コントローラ１２１において活性種の生成量を適正に制御可能であった。
Figure 2018107304
一方、インピーダンス測定器２７４により測定されたリアクタンスＸの絶対値が下記範囲の場合であって、かつ高周波の反射波の大きさが１０％未満の場合には、活性種の生成量が少ないなどの異常が生じてしまい、コントローラ１２１において活性種の生成量を適正に制御できなかったり、プラズマを正常に生成することができなかったりした。
Figure 2018107304
すなわち、上記条件において、プラズマが適正量発生するリアクタンスＸの絶対値の値は下記のとおりであって、コントローラ１２１が、高周波電源２７３の電力値や周波数値を調整して、プラズマ生成部２７７のリアクタンスＸの絶対値を下記の範囲内に保つように制御する。
Figure 2018107304
そして、インピーダンス測定器２７４により測定されたリアクタンスＸの絶対値が１００Ω以上の場合には、活性種の生成量が適正でないと判断し、高周波電源２７３の電力値や周波数値を調整するように制御する。なお、本実験例では、活性種を安定して適正量を供給できるリアクタンスの閾値がＸ＝±１００Ωであった。
また、インピーダンス測定器２７４により測定された抵抗Ｒの値が下記範囲にあって、かつ高周波の反射波の大きさが１０％以上の場合は、電極が劣化または断線していた。
Figure 2018107304
また、インピーダンス測定器２７４により測定された抵抗Ｒの値が下記範囲にあって、かつ高周波の反射波の大きさが１０％以上の場合は、電極が短絡していた。
Figure 2018107304
すなわち、上記条件において、インピーダンス測定器２７４により測定された抵抗Ｒの値が５０Ωより大きい場合には、電極が劣化または断線していると判断し、抵抗Ｒの値が５Ωより小さい場合には、電極が短絡していると判断し、アラーム等により使用者に警告するようにすることができる。また、スイッチ２７６ａとスイッチ２７６ｂの接続を切り換えて測定することにより劣化または断線若しくは短絡している電極を特定することができる。
（４）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）本実施形態によれば、電極や、その周辺の環境が変更されても、インピーダンス測定器により負荷インピーダンスを測定し、設定値を保つように高周波電源の電力値や周波数値を調整することで、プラズマ特性を維持し、成膜特性やエッチング特性を安定化させることが可能となる。
（ｂ）また、本実施形態によれば、プラズマ特性を維持することにより、成膜特性やエッチング特性を安定化させ、ウエハ処理に対する生産性や安定性を向上させることが可能となる。
（ｃ）また、本実施形態によれば、バッファ室内に電極を３本設け、外側の電極にそれぞれスイッチを設けることで、ウエハ表面に供給する活性種の供給量を増加させつつ、電極が劣化または断線、短絡した場合に、原因となっている電極を特定することが可能となる。
（変形例）
次に、本実施形態の変形例を図７及び図８に基づいて説明する。本変形例において、上述した実施形態と異なる部分のみ以下に説明し、同じ部分は説明を省略する。
上述した実施形態では、反応管２０３の内壁にバッファ構造３００を設け、このバッファ構造３００の内側にそれぞれ電極保護管２７５に覆われた棒状電極２６９，２７０，２７１及びノズル２４９ｂを設けた構成について詳述したが、本変形例では、反応管２０３の内壁に、さらにバッファ構造３００と同様の構成であるバッファ構造４００を設ける。
バッファ構造４００の内側には、それぞれ電極保護管２７５に覆われた棒状電極３６９，３７０，３７１及びノズル２４９ｃが設けられている。棒状電極３６９，３７０，３７１のうち両端に配置される棒状電極３６９，３７１は、整合器３７２、インピーダンス測定器３７４を介して高周波電源３７３に接続され、棒状電極３７０は、基準電位であるアースに接続され、接地されている。ノズル２４９ｃは、ガス供給管２３２ｅに接続され、改質ガスとして例えば水素（Ｈ2）ガスを供給する。ノズル２４９ｃの側面には、ガスを供給するガス供給孔２５０ｃが反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられている。ガス供給孔２５０ｃは、バッファ構造４００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。バッファ構造４００の円弧状に形成された壁面には、バッファ室２３７内のガスを供給するガス供給口４０２，４０４が設けられている。ガス供給口４０２，４０４は、棒状電極３６９，３７０間、棒状電極３７０，３７１間のプラズマ生成領域３２４ａ、３２４ｂに対向する位置にそれぞれ反応管２０３の中心を向くように開口し、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。
インピーダンス測定器３７４は、整合器３７２と高周波電源３７３の間に設けられている。インピーダンス測定器３７４は、整合器３７２により負荷インピーダンスや高周波の反射状態を測定する。
棒状電極３６９とインピーダンス測定器３７４の間には、スイッチ３７６ａが設けられている。また、棒状電極３７１とインピーダンス測定器３７４の間には、スイッチ３７６ｂが設けられている。
主に、棒状電極２６９，２７０，２７１、整合器２７２によりプラズマ生成領域２２４ａ，２２４ｂにプラズマを生成する第１のプラズマ生成部が構成される。また、棒状電極３６９，３７０，３７１、整合器３７２によりプラズマ生成領域３２４ａ，３２４ｂにプラズマを生成する第２のプラズマ生成部が構成される。
バッファ構造３００とバッファ構造４００は、排気管２３１を挟んで、排気管２３１と反応管２０３の中心を通る線に対して線対称に設けられている。また、ノズル２４９ａは、排気管２３１のウエハ２００を挟んで対向する位置に設けられている。また、ノズル２４９ｂとノズル２４９ｃは、それぞれバッファ室２３７内の排気管２３１から遠い位置に設けられている。
そして、図８に示すように、原料ガスとしてＤＣＳガスを供給するステップと、反応ガスとしてプラズマ励起させたＮＨ3ガスを供給するステップと、改質ガスとしてプラズマ励起させたＨ2ガスを非同時に、すなわち同期させることなく所定回数（１回以上）行うことで、ウエハ２００上に、ＳｉおよびＮを含む膜として、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を形成する。
（ＤＣＳ→ＮＨ3 *→Ｈ2 *）×ｎ ⇒ ＳｉＮ
以上のように、ノズル２４９ｂから反応ガスとしてＮＨ3ガスをプラズマ励起してウエハに供給した後にＨ2ガスをプラズマ励起して供給する場合にも、本発明は適用することができる。
本変形例では、プラズマ生成部を備えたバッファ構造が２つ設けられ、各バッファ構造３００，４００がそれぞれ高周波電源２７３，３７３、インピーダンス測定器２７４，３７４及び整合器２７２，３７２を備えている。
インピーダンス測定器２７４，３７４、高周波電源２７３，３７３はそれぞれコントローラ１２１に接続され、バッファ構造３００，４００のバッファ室２３７ごとのプラズマ制御が可能となる。すなわち、コントローラ１２１は、各バッファ室２３７ごとに活性種量の偏りが生じないよう、インピーダンス測定器２７４，３７４によりそれぞれのプラズマ生成部のインピーダンスを監視してそれぞれの高周波電源２７３，３７３を独立して制御し、インピーダンスが大きい場合には、高周波電源の電力値が高くなるように制御する。
このため、それぞれのインピーダンス測定器２７４，３７４による測定値に基づいて、高周波電源２７３，３７３を制御し、相互のプラズマ生成を連係させることで、効率よく基板処理を行うことができる。
具体的には、例えば、インピーダンス測定器２７４によるＮＨ3ガスのインピーダンス測定値のフィードバックに基づいて、Ｈ2ガスの高周波電源３７３を制御し、インピーダンス測定器３７４によるＨ2ガスのインピーダンス測定値のフィードバックに基づいて、ＮＨ3ガスの高周波電源２７３を制御するようにして、第１のプラズマ発生部と第２のプラズマ発生部を相互に連携して制御することができる。
また、本変形例によれば、プラズマ生成部が１つの場合と比較して、各プラズマ生成部の高周波電力を小さくしてもウエハに対して充分な量の活性種を供給することができ、ウエハの面内均一性を向上させることができる。また、２つのプラズマ生成部に対して１つの高周波電源によってプラズマ制御を行うのに対し、プラズマ生成部ごとにインピーダンス測定器と、高周波電源を設けることによって、各プラズマ生成部に断線等の異常が生じた場合に把握し易くなる。さらに、高周波電源と各電極間の距離を調整し易くなるため、各電極と高周波電源との距離が異なることによって生じるＲＦ電力印加の差異を抑制し易くすることができる。
以上、本発明の実施形態について具体的に説明した。しかしながら、本発明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。
例えば、上述の実施形態では、整合器２７２、高周波電源２７３、インピーダンス測定器２７４がそれぞれ個別部品として例示したが、これに限らず、インピーダンス測定器２７４の内部に整合器２７２または高周波電源２７３のいずれか一方、または両方を組込んだユニットとして構成されていてもよい。
また、上述の実施形態では、２つのバッファ構造を設けた場合に、バッファ構造ごとに異なる反応ガスをプラズマ励起してウエハに供給する構成について説明した。本発明はこのような態様に限定されず、同一の反応ガスをプラズマ励起してウエハに供給するようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、原料を供給した後に反応ガスを供給する例について説明した。本発明はこのような態様に限定されず、原料、反応ガスの供給順序は逆でもよい。すなわち、反応ガスを供給した後に原料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、上述の実施形態では、ウエハ２００上にＳｉＮ膜を形成する例について説明した。本発明はこのような態様に限定されず、ウエハ２００上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）、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や、ウエハ２００上にシリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜）、シリコン硼窒化膜（ＳｉＢＮ膜）、シリコン硼炭窒化膜（ＳｉＢＣＮ膜）、硼炭窒化膜（ＢＣＮ膜）等のＳｉ系窒化膜を形成する場合にも、好適に適用可能である。これらの場合、反応ガスとしては、Ｏ含有ガスの他、Ｃ3Ｈ6等のＣ含有ガスや、ＮＨ3等のＮ含有ガスや、ＢＣｌ3等のＢ含有ガスを用いることができる。
また、本発明は、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酸化膜や窒化膜、すなわち、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、本発明は、ウエハ２００上に、ＴｉＮ膜、ＴｉＯ膜、ＴｉＯＣ膜、ＴｉＯＣＮ膜、ＴｉＯＮ膜等の金属系薄膜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。反応ガスとしては、上述の反応ガスを用いることができる。
すなわち、本発明は、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、上述の実施形態や変形例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。
１２１ コントローラ
２００ ウエハ
２０１ 処理室
２０２ 処理炉
２３１ 排気管
２３７ バッファ室
２４９ ノズル
２６９〜２７１，３６９〜３７１ 棒状電極
２７２，３７２ 整合器
２７３，３７３ 高周波電源
２７４，３７４ インピーダンス測定器
２７５ 電極保護管
３００，４００ バッファ構造
３０２，３０４，４０２，４０４ ガス供給口

Claims (3)

  1. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室内へガスを供給するガス供給部と、
    高周波電源に接続される電極を有し、前記処理室内に供給されたガスをプラズマ化させることにより活性化させるプラズマ生成部と、
    前記プラズマ生成部のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器と、
    前記インピーダンス測定器により測定されたインピーダンスの値に応じてプラズマの活性種生成量を判断する判断部と、
    前記判断部により判断された活性種生成量に応じて前記高周波電源を制御する制御部と、
    を有する基板処理装置。
  2. 基板を処理室内に搬入する工程と、
    前記処理室内へガスを供給する工程と、
    高周波電源に接続される電極を有するプラズマ生成部のインピーダンスを測定する工程と、
    測定されたインピーダンスの値に応じてプラズマの活性種生成量を判断する工程と、
    判断された活性種生成量に応じて前記高周波電源を制御して、前記処理室内に供給されたガスをプラズマ化して活性化させる工程と、
    プラズマ化して活性化させたガスを前記基板に対して供給する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  3. 基板を基板処理装置の処理室内に搬入するステップと、
    前記処理室内へガスを供給するステップと、
    高周波電源に接続される電極を有するプラズマ生成部のインピーダンスを測定するステップと、
    測定されたインピーダンスの値に応じてプラズマの活性種生成量を判断するステップと、
    判断された活性種生成量に応じて前記高周波電源を制御して、前記処理室内に供給されたガスをプラズマ化して活性化させるステップと、
    プラズマ化して活性化させたガスを前記基板に対して供給するステップと、
    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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