WO2017183401A1 - 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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WO2017183401A1
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晃生 吉野
保井　毅
室林　正季
幸一郎 原田
寺崎　正
雅則 中山
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株式会社日立国際電気
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the present invention relates to a substrate processing apparatus, a semiconductor device manufacturing method, and a program.
  • a process of performing a predetermined process such as an oxidation process or a nitriding process on the substrate may be performed as a process of the manufacturing process.
  • Patent Document 1 discloses modifying a pattern surface formed on a substrate using a plasma-excited processing gas.
  • the substrate is processed by exciting the processing gas with plasma, if the density of the plasma generated on the surface of the substrate is biased, the substrate is not uniformly processed in the surface of the substrate. Variations may occur in the performance of semiconductor devices manufactured from the manufacturing process.
  • the present invention provides a technique for reducing unevenness in the density of plasma generated on a substrate surface and improving in-plane uniformity of substrate processing when processing a substrate by exciting a processing gas with plasma. .
  • a substrate processing chamber having a plasma generation space in which a processing gas is plasma-excited, a substrate processing space communicating with the plasma generation space, and a substrate provided in the substrate processing space, And a coil provided to be wound around the outer periphery of the plasma generation space, the electrical length of the coil being the wavelength of the high-frequency power supplied to the coil
  • An inductive coupling structure configured such that the diameter of the coil is larger than the diameter of the substrate, a substrate support table elevating unit configured to elevate and lower the substrate mounting table, and the plasma generation space
  • the substrate processing apparatus is provided with a configured controller to control the sheet support base elevating part.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention. Explanatory drawing explaining the plasma production
  • a substrate processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
  • the substrate processing apparatus according to this embodiment is configured to perform an oxidation process mainly on a film formed on a substrate surface.
  • the processing apparatus 100 includes a processing furnace 202 that performs plasma processing on the wafer 200.
  • the processing furnace 202 is provided with a processing container 203 that constitutes a processing chamber 201.
  • the processing container 203 includes a dome-shaped upper container 210 that is a first container and a bowl-shaped lower container 211 that is a second container.
  • the processing chamber 201 is formed by covering the upper container 210 on the lower container 211.
  • the upper container 210 is made of a non-metallic material such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or quartz (SiO 2 ), for example, and the lower container 211 is made of aluminum (Al), for example.
  • a gate valve 244 is provided on the lower side wall of the lower container 211. When the gate valve 244 is open, the wafer 200 is loaded into the processing chamber 201 or unloaded from the processing chamber 201 via the loading / unloading port 245 using a transfer mechanism (not shown). It is comprised so that it can do.
  • the gate valve 244 is configured to be a gate valve that maintains the airtightness in the processing chamber 201 when the gate valve 244 is closed.
  • the processing chamber 201 has a plasma generation space 201a around which a coil 212 is provided, and a substrate processing space 201b that communicates with the plasma generation space 201a and in which the wafer 200 is processed.
  • the plasma generation space 201 a is a space where plasma is generated, and is a space above the lower end of the coil 212 and below the upper end of the coil 212 in the processing chamber.
  • the substrate processing space 201b is a space where the substrate is processed using plasma and is a space below the lower end of the coil 212.
  • the plasma generation space 201a and the substrate processing space 201b are configured to have substantially the same horizontal diameter.
  • a susceptor 217 In the center of the bottom side of the processing chamber 201, a susceptor 217 is disposed as a substrate placement portion on which the wafer 200 is placed.
  • the susceptor 217 is made of a non-metallic material such as aluminum nitride (AlN), ceramics, quartz, or the like, and is configured to reduce metal contamination on a film or the like formed on the wafer 200.
  • a heater 217b as a heating mechanism is integrally embedded.
  • the heater 217b is configured to heat the surface of the wafer 200 from, for example, about 25 ° C. to about 750 ° C. when electric power is supplied.
  • the susceptor 217 is electrically insulated from the lower container 211.
  • the impedance adjustment electrode 217c is provided inside the susceptor 217 in order to further improve the uniformity of the density of plasma generated on the wafer 200 placed on the susceptor 217, and an impedance variable mechanism as an impedance adjustment unit. It is grounded through H.275.
  • the variable impedance mechanism 275 includes a coil and a variable capacitor. By controlling the inductance and resistance of the coil and the capacitance value of the variable capacitor, the impedance is changed within a range from about 0 ⁇ to the parasitic impedance value of the processing chamber 201. It is configured to be able to.
  • the potential (bias voltage) of the wafer 200 can be controlled via the impedance adjustment electrode 217c and the susceptor 217.
  • the impedance is reduced. Bias voltage control using the adjustment electrode 217c is not performed.
  • the bias voltage control may be performed for the purpose of further improving the uniformity.
  • the susceptor 217 is provided with a susceptor elevating mechanism 268 having a drive mechanism for elevating and lowering the susceptor.
  • the susceptor 217 is provided with a through hole 217 a and a wafer push-up pin 266 is provided on the bottom surface of the lower container 211.
  • the through holes 217a and the wafer push-up pins 266 are provided at least at three locations at positions facing each other.
  • the wafer push-up pin 266 is configured to penetrate through the through hole 217a without contacting the susceptor 217.
  • the substrate mounting portion according to this embodiment is mainly configured by the susceptor 217, the heater 217b, and the electrode 217c.
  • a gas supply head 236 is provided above the processing chamber 201, that is, above the upper container 210.
  • the gas supply head 236 includes a cap-shaped lid 233, a gas introduction port 234, a buffer chamber 237, an opening 238, a shielding plate 240, and a gas outlet 239, and the reaction gas is introduced into the processing chamber 201. It is configured so that it can be supplied.
  • the buffer chamber 237 has a function as a dispersion space for dispersing the reaction gas introduced from the gas introduction port 234.
  • the gas inlet 234 has a downstream end of an oxygen-containing gas supply pipe 232a that supplies oxygen (O 2 ) gas as an oxygen-containing gas, and a hydrogen-containing gas supply that supplies hydrogen (H 2 ) gas as a hydrogen-containing gas.
  • the downstream end of the pipe 232b and an inert gas supply pipe 232c that supplies argon (Ar) gas as an inert gas are connected to join.
  • the oxygen-containing gas supply pipe 232a is provided with an O 2 gas supply source 250a, a mass flow controller (MFC) 252a as a flow rate control device, and a valve 253a as an on-off valve in order from the upstream side.
  • MFC mass flow controller
  • the hydrogen-containing gas supply pipe 232b is provided with an H 2 gas supply source 250b, an MFC 252b, and a valve 253b in this order from the upstream side.
  • the inert gas supply pipe 232c is provided with an Ar gas supply source 250c, an MFC 252c, and a valve 253c in order from the upstream side.
  • a valve 243a is provided on the downstream side where the oxygen-containing gas supply pipe 232a, the hydrogen-containing gas supply pipe 232b, and the inert gas supply pipe 232c merge, and is connected to the upstream end of the gas inlet 234.
  • the gas flow rate is adjusted by the MFCs 252a, 252b, and 252c, and the oxygen-containing gas and the hydrogen gas-containing gas are passed through the gas supply pipes 232a, 232b, and 232c.
  • a processing gas such as an inert gas can be supplied into the processing chamber 201.
  • gas supply head 236 (cover 233, gas inlet 234, buffer chamber 237, opening 238, shielding plate 240, gas outlet 239), oxygen-containing gas supply pipe 232a, hydrogen-containing gas supply pipe 232b, inert
  • a gas supply unit (gas supply system) is configured by the gas supply pipe 232c, the MFCs 252a, 252b, and 252c, and the valves 253a, 253b, 253c, and 243a.
  • the gas supply head 236, the oxygen-containing gas supply pipe 232a, the MFC 252a, and the valves 253a and 243a constitute the oxygen-containing gas supply system according to this embodiment.
  • the gas supply head 236, the hydrogen-containing gas supply pipe 232b, the MFC 252b, and the valves 253b and 243a constitute a hydrogen gas supply system according to this embodiment.
  • the gas supply head 236, the inert gas supply pipe 232c, the MFC 252c, and the valves 253c and 243a constitute an inert gas supply system according to this embodiment.
  • the substrate processing apparatus is configured to perform an oxidation process by supplying O 2 gas as an oxygen-containing gas from an oxygen-containing gas supply system.
  • a nitrogen-containing gas supply system that supplies the nitrogen-containing gas into the processing chamber 201 may be provided.
  • the nitriding treatment can be performed instead of the oxidation treatment of the substrate.
  • the O 2 gas supply source 250a for example, an N 2 gas supply source as a nitrogen-containing gas supply source is provided, and the oxygen-containing gas supply pipe 232a is configured as a nitrogen-containing gas supply pipe.
  • a gas exhaust port 235 for exhausting the reaction gas from the processing chamber 201 is provided on the side wall of the lower container 211.
  • the upstream end of the gas exhaust pipe 231 is connected to the gas exhaust port 235.
  • the gas exhaust pipe 231 is provided with an APC (Auto Pressure Controller) 242 as a pressure regulator (pressure regulator), a valve 243b as an on-off valve, and a vacuum pump 246 as a vacuum exhaust device in order from the upstream side.
  • the exhaust part according to the present embodiment is mainly configured by the gas exhaust port 235, the gas exhaust pipe 231, the APC 242, and the valve 243b. In addition, you may include the vacuum pump 246 in an exhaust part.
  • a spiral resonance coil 212 as a first electrode is provided on the outer periphery of the processing chamber 201, that is, outside the side wall of the upper container 210, so as to surround the processing chamber 201.
  • the resonance coil 212 is connected to an RF sensor 272, a high-frequency power source 273, and a matching unit 274 for matching the impedance and output frequency of the high-frequency power source 273.
  • the high frequency power supply 273 supplies high frequency power (RF power) to the resonance coil 212.
  • the RF sensor 272 is provided on the output side of the high-frequency power source 273 and monitors information on a high-frequency traveling wave and reflected wave supplied.
  • the reflected wave power monitored by the RF sensor 272 is input to the matching unit 274.
  • the matching unit 274 uses the information of the reflected wave input from the RF sensor 272 so that the reflected wave is minimized. It controls the impedance and the frequency of the output high frequency power.
  • the high frequency power source 273 includes a power source control means (control circuit) including a high frequency oscillation circuit and a preamplifier for defining the oscillation frequency and output, and an amplifier (output circuit) for amplifying to a predetermined output.
  • the power supply control unit controls the amplifier based on output conditions relating to frequency and power set in advance through the operation panel.
  • the amplifier supplies constant high-frequency power to the resonance coil 212 via the transmission line.
  • the resonance coil 212 forms a standing wave having a predetermined wavelength, the winding diameter, the winding pitch, and the number of turns are set so as to resonate at a constant wavelength. That is, the electrical length of the resonance coil 212 is set to a length corresponding to an integral multiple (1 times, 2 times,...) Of one wavelength at a predetermined frequency of the high frequency power supplied from the high frequency power supply 273.
  • the resonance coil 212 has a frequency of 0.01 to 10 Gauss with a high frequency power of 800 kHz to 50 MHz, 0.5 to 5 KW, for example.
  • the coil has an effective cross-sectional area of 50 to 300 mm 2 and a coil diameter of 200 to 500 mm so that a magnetic field of a certain degree can be generated, and is wound about 2 to 60 times around the outer periphery of the room forming the plasma generation space 201a. Is done.
  • the length of one wavelength is about 22 meters, and when the frequency is 27.12 MHz, the length of one wavelength is about 11 meters.
  • the electrical length is set to be the length of one wavelength (one time).
  • the frequency of the high frequency power is set to 27.12 MHz, and the electrical length of the resonance coil 212 is set to a length of one wavelength (about 11 meters).
  • the winding pitch of the resonance coil 212 is provided, for example, at equal intervals of 24.5 mm.
  • the winding diameter (diameter) of the resonance coil 212 is set to be larger than the diameter of the wafer 200. In the present embodiment, the diameter of the wafer 200 is set to 300 mm, and the winding diameter of the resonance coil 212 is provided to be 500 mm larger than the diameter of the wafer 200.
  • the resonance coil 212 As a material constituting the resonance coil 212, a copper pipe, a copper thin plate, an aluminum pipe, an aluminum thin plate, a material obtained by evaporating copper or aluminum on a polymer belt, or the like is used.
  • the resonance coil 212 is formed of an insulating material in a flat plate shape, and is supported by a plurality of supports (not shown) vertically provided on the upper end surface of the base plate 248.
  • Both ends of the resonant coil 212 are electrically grounded, and at least one of them is a movable tap 213 for finely adjusting the electrical length of the resonant coil when the apparatus is first installed or when processing conditions are changed. Is grounded. Reference numeral 214 in FIG. 1 indicates the other fixed ground. The position of the movable tap 213 is adjusted so that the resonance characteristic of the resonance coil 212 is substantially equal to that of the high-frequency power source 273. Further, in order to finely adjust the impedance of the resonance coil 212 when the apparatus is first installed or when processing conditions are changed, a power feeding unit is configured by a movable tap 215 between the grounded ends of the resonance coil 212. The Since the resonance coil 212 includes the variable ground unit and the variable power supply unit, the resonance frequency and the load impedance of the processing chamber 201 can be adjusted more easily as will be described later.
  • a waveform adjustment circuit (not shown) including a coil and a shield is provided at one end (or the other end or both ends) of the resonance coil 212 so that the phase and antiphase currents flow symmetrically with respect to the electrical midpoint of the resonance coil 212. ) Is inserted.
  • the waveform adjustment circuit is configured as an open circuit by setting the end of the resonance coil 212 to an electrically disconnected state or an electrically equivalent state. Note that the end of the resonance coil 212 may be ungrounded by a choke series resistor and may be DC-connected to a fixed reference potential.
  • the shielding plate 223 is provided to shield an electric field outside the resonance coil 212 and to form a capacitance component (C component) necessary for configuring a resonance circuit between the resonance coil 212 and the resonance coil 212.
  • the shielding plate 223 is generally configured in a cylindrical shape using a conductive material such as an aluminum alloy.
  • the shielding plate 223 is disposed about 5 to 150 mm away from the outer periphery of the resonance coil 212.
  • the shielding plate 223 is grounded so that the potential is equal to both ends of the resonance coil 212.
  • one or both ends of the shielding plate 223 can be adjusted in tap position. It is configured.
  • a trimming capacitance may be inserted between the resonance coil 212 and the shielding plate 223 in order to set the resonance number accurately.
  • the resonance coil 212, the RF sensor 272, and the matching unit 274 constitute the plasma generation unit according to this embodiment.
  • the plasma generation circuit constituted by the resonance coil 212 is constituted by an RLC parallel resonance circuit.
  • the resonance condition of the resonance coil 212 cancels out the reactance component created by the capacitance component and the induction component of the resonance coil 212, It is to become pure resistance.
  • the reflected wave power from the resonance coil 212 when plasma is generated is detected by the RF sensor 272 and detected.
  • the matching unit 274 has a function of correcting the output of the high frequency power supply 273 based on the reflected wave power.
  • the matching unit 274 determines the impedance of the high-frequency power source 273 or minimizes the reflected wave power based on the reflected wave power from the resonance coil 212 when the plasma detected by the RF sensor 272 is generated. Increase or decrease the output frequency.
  • the matching unit 274 includes a variable capacitor control circuit that corrects a preset impedance.
  • the matching unit 274 corrects the oscillation frequency of the preset high-frequency power source 273. Configured by a frequency control circuit. Note that the high-frequency power source 273 and the matching unit 274 may be configured integrally.
  • the resonant coil 212 in this embodiment is supplied with high-frequency power at the actual resonant frequency of the resonant coil containing plasma (or the actual resonant coil containing plasma is actually Since the high frequency power is supplied so as to match the impedance of the phase, a standing wave in a state where the phase voltage and the antiphase voltage are always canceled is formed.
  • the electrical length of the resonant coil 212 is the same as the wavelength of the high-frequency power, the highest phase current is generated at the electrical midpoint of the coil (node with zero voltage). Therefore, in the vicinity of the electrical midpoint, there is almost no capacitive coupling with the processing chamber wall or the susceptor 217, and a donut-shaped induction plasma having an extremely low electrical potential is formed.
  • the controller 221 as the control unit includes the APC 242, the valve 243b and the vacuum pump 246 through the signal line A, the susceptor lifting mechanism 268 through the signal line B, the heater power adjustment mechanism 276 and the impedance variable mechanism 275 through the signal line C, and the signal line.
  • the gate valve 244 is controlled through D
  • the RF sensor 272 the high frequency power supply 273 and the matching unit 274 are controlled through the signal line E
  • the MFCs 252a to 252c and the valves 253a to 253c and 243a are controlled through the signal line F, respectively.
  • the controller 221 that is a control unit (control means) is configured as a computer including a CPU (Central Processing Unit) 221a, a RAM (Random Access Memory) 221b, a storage device 221c, and an I / O port 221d.
  • the RAM 221b, the storage device 221c, and the I / O port 221d are configured to exchange data with the CPU 221a via the internal bus 221e.
  • an input / output device 222 configured as a touch panel, a display, or the like is connected to the controller 221.
  • the storage device 221c includes, for example, a flash memory, a HDD (Hard Disk Drive), and the like.
  • a control program that controls the operation of the substrate processing apparatus, a program recipe that describes the procedure and conditions of the substrate processing described later, and the like are stored in a readable manner.
  • the process recipe is a combination of the controller 221 that allows the controller 221 to execute each procedure in the substrate processing process described later, and functions as a program.
  • the program recipe, the control program, and the like are collectively referred to simply as a program.
  • program When the term “program” is used in this specification, it may include only a program recipe alone, may include only a control program alone, or may include both.
  • the RAM 221b is configured as a memory area (work area) in which a program, data, and the like read by the CPU 221a are temporarily stored.
  • the I / O port 221d includes the above-described MFCs 252a to 252c, valves 253a to 253c, 243a and 243b, gate valve 244, APC valve 242, vacuum pump 246, RF sensor 272, high frequency power supply 273, matching unit 274, susceptor lifting mechanism 268 , Impedance variable mechanism 275, heater power adjustment mechanism 276, and the like.
  • the CPU 221a is configured to read and execute a control program from the storage device 221c, and to read a process recipe from the storage device 221c in response to an operation command input from the input / output device 222 or the like. Then, the CPU 221a adjusts the opening degree of the APC valve 242 through the I / O port 221d and the signal line A, the opening / closing operation of the valve 243b, and the activation / deactivation of the vacuum pump 246 in accordance with the contents of the read process recipe.
  • Stopping, lifting / lowering operation of the susceptor lifting / lowering mechanism 268 through the signal line B, adjusting power supply amount (temperature adjusting operation) to the heater 217b by the heater power adjusting mechanism 276 through the signal line C, and impedance value adjustment by the impedance variable mechanism 275 The operation of the gate valve 244 through the signal line D, the operation of the RF sensor 272, the matching unit 274, and the high-frequency power source 273 through the signal line E, the flow adjustment operation of various gases by the MFCs 252a to 252c through the signal line F, and Open / close operation of valves 253a to 253c, 243a It is configured to control the like.
  • the controller 221 is stored in an external storage device (for example, a magnetic tape, a magnetic disk such as a flexible disk or a hard disk, an optical disk such as a CD or DVD, a magneto-optical disk such as an MO, or a semiconductor memory such as a USB memory or a memory card).
  • the above-described program can be installed in a computer.
  • the storage device 221c and the external storage device 223 are configured as computer-readable recording media. Hereinafter, these are collectively referred to simply as a recording medium.
  • the term recording medium may include only the storage device 221c alone, only the external storage device 223 alone, or both.
  • the provision of the program to the computer may be performed using communication means such as the Internet or a dedicated line without using the external storage device 223.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a substrate processing process according to this embodiment.
  • the substrate processing process according to this embodiment is performed by the above-described processing apparatus 100 as one process of manufacturing a semiconductor device such as a flash memory.
  • the operation of each unit constituting the processing apparatus 100 is controlled by the controller 221.
  • the surface of the wafer 200 processed in the substrate processing step according to the present embodiment has a trench 301 having at least a surface made of a silicon layer and having a concavo-convex portion with a high aspect ratio, as shown in FIG. Pre-formed.
  • the silicon layer exposed on the inner wall of the trench 301 is subjected to an oxidation process as a process using plasma.
  • the trench 301 is formed, for example, by forming a mask layer 302 having a predetermined pattern on the wafer 200 and etching the surface of the wafer 200 to a predetermined depth.
  • the wafer 200 is loaded into the processing chamber 201. Specifically, the susceptor elevating mechanism 268 lowers the susceptor 217 to the transfer position of the wafer 200 and causes the wafer push-up pins 266 to pass through the through holes 217a of the susceptor 217. As a result, the wafer push-up pins 266 protrude from the surface of the susceptor 217 by a predetermined height.
  • the gate valve 244 is opened, and the wafer 200 is loaded into the processing chamber 201 from the vacuum transfer chamber adjacent to the processing chamber 201 using a wafer transfer mechanism (not shown).
  • the loaded wafer 200 is supported in a horizontal posture on the wafer push-up pins 266 protruding from the surface of the susceptor 217.
  • the wafer transfer mechanism is retracted out of the processing chamber 201 and the gate valve 244 is closed to seal the processing chamber 201.
  • the susceptor elevating mechanism 268 raises the susceptor 217, so that the wafer 200 is supported on the upper surface of the susceptor 217.
  • the temperature of the wafer 200 carried into the processing chamber 201 is increased.
  • the heater 217b is preheated, and the wafer 200 is heated to a predetermined value within a range of 150 to 750 ° C., for example, by holding the wafer 200 on the susceptor 217 in which the heater 217b is embedded.
  • the temperature of the wafer 200 is heated to 600 ° C.
  • the inside of the processing chamber 201 is evacuated by the vacuum pump 246 through the gas exhaust pipe 231 to set the pressure in the processing chamber 201 to a predetermined value.
  • the vacuum pump 246 is operated until at least a substrate unloading step S160 described later is completed.
  • Reactive gas supply step S130 Next, supply of O 2 gas which is an oxygen-containing gas and H 2 gas which is a hydrogen-containing gas is started as a reaction gas. Specifically, the valves 253a and 253b are opened, and supply of O 2 gas and H 2 gas into the processing chamber 201 is started while the flow rate is controlled by the MFCs 252a and 252b. At this time, the flow rate of the O 2 gas is set to a predetermined value within a range of 20 to 2000 sccm, preferably 20 to 1000 sccm, for example. Further, the flow rate of the H 2 gas is set to a predetermined value within a range of 20 to 1000 sccm, preferably 20 to 500 sccm, for example.
  • the total flow rate of O 2 gas and H 2 gas is preferably 1000 sccm, and the flow rate ratio is preferably O 2 / H 2 ⁇ 950/50.
  • the opening degree of the APC 242 is adjusted so that the pressure in the processing chamber 201 becomes, for example, a predetermined pressure in the range of 1 to 250 Pa, preferably 50 to 200 Pa, more preferably about 150 Pa. Control the exhaust. In this manner, while the inside of the processing chamber 201 is appropriately evacuated, the supply of O 2 gas and H 2 gas is continued until the end of the plasma processing step S140 described later.
  • Pulsma treatment step S140 When the pressure in the processing chamber 201 is stabilized, application of high frequency power to the resonance coil 212 from the high frequency power supply 273 via the RF sensor 272 is started.
  • high frequency power of 27.12 MHz is supplied from the high frequency power supply 273 to the resonance coil 212.
  • the high frequency power supplied to the resonance coil 212 is, for example, a predetermined power within a range of 100 to 5000 W, preferably 100 to 3500 W, and more preferably about 3500 W. When the power is lower than 100 W, it is difficult to stably generate plasma discharge.
  • a high-frequency electric field is formed in the plasma generation space 201a to which the O 2 gas and H 2 gas are supplied, and the electric field causes a height position corresponding to the electrical midpoint of the resonance coil 212 in the plasma generation space.
  • the donut-shaped induction plasma having the highest plasma density is excited.
  • the plasma O 2 gas and H 2 gas are dissociated to generate reactive species such as oxygen radicals containing oxygen (oxygen active species) and oxygen ions, hydrogen radicals containing hydrogen (hydrogen active species) and hydrogen ions. .
  • the plasma generation space 201a has a processing chamber wall and a substrate mounting table in the vicinity of the electrical midpoint of the resonance coil 212.
  • the doughnut-shaped induction plasma having an extremely low electric potential is excited. Since plasma having an extremely low electric potential is generated, it is possible to prevent the sheath from being generated on the wall of the plasma generation space 201a or the susceptor 217. Therefore, in this embodiment, ions in the plasma are not accelerated.
  • radicals generated by induction plasma and ions that are not accelerated are uniformly supplied into the groove 301.
  • the supplied radicals and ions react uniformly with the side walls 301a and 301b, and the surface silicon layer is modified into a silicon oxide layer with good step coverage.
  • the wafer 200 can be prevented from being damaged by the accelerated ions, and the sputtering action on the peripheral wall of the plasma generation space is suppressed, and the peripheral wall of the plasma generation space 201a is suppressed. It will not damage it.
  • the matching unit 274 attached to the high frequency power supply 273 compensates the reflected wave power due to the impedance mismatch generated in the resonance coil 212 on the high frequency power supply 273 side, and compensates for a reduction in effective load power.
  • the high frequency power at the initial level can always be reliably supplied, and the plasma can be stabilized. Therefore, the wafer 200 held in the substrate processing space 201b can be uniformly processed at a constant rate.
  • the susceptor elevating mechanism 268 is controlled so that the position in the vertical direction of the wafer 200 in the plasma processing step is a position 38 mm or more below from the lower end of the resonance coil 212.
  • the position of the wafer 200 in the plasma processing step is a position 38 mm or more below from the lower end of the resonance coil 212.
  • the winding diameter (diameter) of the resonance coil 212 is larger than the diameter of the wafer 200 as in the present embodiment (for example, the winding diameter of the resonance coil 212 is 300 mm with respect to the diameter of the wafer 200). 500 mm), since the donut-shaped induction plasma is not generated immediately above the wafer 200, the plasma density generated on the surface of the wafer 200 is not easily biased, and the uniformity of the plasma processing in the surface of the wafer 200 is improved. It is more preferable to make it.
  • the susceptor 217 is raised so that the vertical position of the wafer 200 is higher than the tip of the wafer push-up pin 266. desirable. Also, if the position in the vertical direction of the wafer 200 in the plasma processing step is too far below the lower end of the resonance coil 212, radicals and ions generated by the plasma will be deactivated, so that the processing rate will be a practical value. May fall below. Therefore, the position in the vertical direction of the wafer 200 in the plasma processing step needs to be a position where radicals and ions generated by the plasma are not deactivated.
  • the plasma processing uniformity within the wafer surface is sufficiently maintained while maintaining a practical processing rate. It has been confirmed that it can be secured.
  • Substrate unloading step S160 When the inside of the processing chamber 201 reaches a predetermined pressure, the susceptor 217 is lowered to the transfer position of the wafer 200 and the wafer 200 is supported on the wafer push-up pins 266. Then, the gate valve 244 is opened, and the wafer 200 is unloaded from the processing chamber 201 using the wafer transfer mechanism. Thus, the substrate processing process according to this embodiment is completed.
  • an example in which plasma processing of the substrate is performed by exciting the O 2 gas and the H 2 gas to perform plasma processing is not limited thereto.
  • N 2 gas is used in the processing chamber 201 instead of the O 2 gas.
  • nitriding the substrate may be performed by exciting the N 2 gas and the H 2 gas with plasma.
  • the processing apparatus 100 provided with the above-mentioned nitrogen-containing gas supply system can be used instead of the above-described oxygen-containing gas supply system.
  • FIG. 6 is a diagram showing the height positions of the probes installed in the plasma generation space 201a and the substrate processing space 201b.
  • five probes were provided in the horizontal direction for each of the height positions (a) to (d). That is, in this verification, probes were installed in a total of 20 locations, and the plasma density distribution was measured.
  • the height position (b) is the lower end position of the resonance coil 212.
  • the height positions (a), (c), and (d) will be described with the height position (b) as the reference position (0 mm).
  • the height position (a) is an intermediate position between the upper end and the lower end of the resonance coil 212 and is 100 mm above the lower end of the resonance coil 212. In the vicinity of the electrical midpoint of the resonance coil 212, the donut-shaped induction plasma having the highest plasma density is excited.
  • the height position (c) is a position 38 mm below the lower end of the resonance coil 212.
  • the height position (d) is a position 88 mm below the lower end of the resonance coil 212. A bare silicon wafer is placed 50 mm below the height position (d).
  • FIG. 7 is a diagram showing the installation positions of the probes at the height positions (a) to (d).
  • the installation positions of the probes at each height position are all the same.
  • M, L1, L2, R1, and R2 in the figure indicate probe tip positions (plasma density measurement positions), respectively.
  • M is a position corresponding to the center position of the wafer to be placed.
  • L1 is the position where the probe is moved 30 ° to the left from M.
  • L2 is a position where the probe is moved 60 ° to the left from M, and is a position corresponding to one outer edge of the wafer.
  • R1 is the position where the probe is moved 30 ° to the right from M.
  • L2 is a position where the probe is moved 60 ° to the right from M, and is a position corresponding to the other outer edge of the wafer. That is, the plasma density distribution in the wafer surface direction (horizontal direction) was measured by measuring the plasma density in M, L1, L2, R1, and R2.
  • FIG. 8 is a table showing the results of measuring the plasma density distribution at the height positions (a) to (d) under the above-described plasma generation conditions.
  • FIG. 9 is a graph showing the result values shown in FIG. In this figure, the plasma density is represented by the number of electrons per 1 cm 3 (electron density).
  • the plasma density is increased in the vicinity of the resonance coil 212 (that is, the outer edge of the wafer), and the winding diameter of the resonance coil 212 is increased.
  • the plasma density is relatively low at the center of the direction.
  • donut-shaped induction plasma is excited also at the height position (b) that is the lower end portion of the resonance coil. Therefore, even at the height position (b), the plasma density tends to be high in the vicinity of the resonance coil 212 (that is, the outer edge portion of the wafer), and the plasma density tends to be relatively low in the central portion in the winding diameter direction of the resonance coil 212. is there.
  • the plasma density in the wafer surface direction is biased between the lower end portion of the resonance coil 212 and the height position (a) to (b) located above the lower end portion (that is, on the wafer surface). It can be seen that it is difficult to perform plasma processing of the substrate while maintaining the in-plane uniformity of the wafer at these height positions.
  • the height position (c) that is, 38 mm or more away from the lower end of the resonance coil 212 downward. It can be seen that it is desirable to process the wafer in a height position.
  • the position in the vertical direction of the wafer 200 in the plasma processing step needs to be a position where radicals and ions generated by the plasma are not deactivated.
  • the height position of the bare wafer placed on the susceptor 217 in this verification that is, the height position away from the lower end of the resonance coil 212 by 138 mm.
  • the wafer is processed at least at a position in the range of 38 to 138 mm from the lower end of the resonance coil 212, so that the in-plane uniformity of the wafer in the plasma processing is maintained while being practical. It is possible to realize a high processing rate.
  • the inventor also verifies the case where the power value of the supplied RF power is changed within a practical range (for example, 3000 W or 2500 W) with respect to the above-described verification conditions. It was. In this case, as the power value increases, the plasma density increases over the entire surface direction of the wafer 200, and there may be a change in the deviation of the plasma density in the surface direction of the wafer. In Fig. 2, it was confirmed that there was no significant change in the tendency of the plasma density bias in the wafer surface direction. That is, in the above-mentioned height range, it is estimated that the in-plane uniformity of the wafer in the plasma processing can be ensured even when the power value of the supplied RF power is changed.
  • a practical range for example, 3000 W or 2500 W
  • the inventor has plasma over the entire surface direction of the wafer. While the density changed (for example, the plasma density increased at 50 Pa than at 150 Pa), it was confirmed that there was no significant change in the tendency of the plasma density bias in the wafer surface direction. That is, in the above-described height range, it is presumed that the in-plane uniformity of the wafer with respect to the plasma processing can be ensured even when the power value of the supplied RF power and the pressure in the processing chamber are changed.
  • a practical range for example, 50 Pa
  • parameters such as the gas flow rate, the height width of the resonance coil, the winding pitch, the number of turns, and the frequency of the supplied high-frequency power are put into practical use for the above-mentioned verification conditions. Even if it is a case where it changes in the upper range, it is estimated that the same verification result can be obtained regarding the relationship between the uniformity of the plasma density and the height position. In addition, the relationship between the uniformity of the plasma density and the height position is considered to depend mainly on the configuration of the plasma generation unit. Therefore, in the above-described plasma embodiment, the processing gas is supplied from the gas supply head 236 provided in the upper portion of the processing chamber 201. However, the shape of the inlet for introducing the processing gas into the processing chamber is described. Even if the positions are different, it is assumed that the same verification result can be obtained.
  • the winding diameter of the resonance coil 212 may be configured to be a predetermined size that is sufficiently larger than the diameter of the wafer.
  • a wafer having a predetermined diameter that is sufficiently smaller than the winding diameter of the resonance coil 212 may be used.
  • a wafer that falls within a range of 30 ° from the center to the resonance coil 212 having a winding diameter of 500 mm, that is, a wafer having a diameter of about 127 mm or less may be used.
  • the wafer is processed at a position within a predetermined range from the lower end of the resonance coil 212. Is desirable.
  • the wafer is processed at a position in the range of 38 to 138 mm downward from the lower end of the resonance coil 212.
  • the present invention is not limited to this range, and the position is lower than the lower end of the resonance coil 212.
  • the height of the susceptor 217 (substrate mounting portion) is set so that the wafer 200 is positioned at a height position where the deviation (in-plane deviation) of the plasma density in the surface direction on the wafer surface is within a predetermined allowable range. What is necessary is just to control. For example, in-plane deviations of the plasma density at a plurality of height positions with respect to the lower end position of the resonance coil 212 are acquired in advance.
  • the susceptor 217 is arranged so that the wafer 200 is positioned at a height position where the in-plane deviation is within the permissible range of the in-plane deviation according to the permissible range of the in-plane deviation set for each process on the wafer. What is necessary is just to control height.
  • the wafer 200 is located closest to the lower end position of the resonance coil 212 within the allowable range of in-plane deviation from the viewpoint of improving the processing speed. It is more desirable to position
  • the height position of the wafer 200 is changed according to the power value of the RF power.
  • the susceptor 217 may be controlled to be optimal. For example, for each power value of RF power, in-plane deviations of the plasma density at a plurality of height positions with respect to the lower end position of the resonance coil 212 are acquired in advance. Then, the height of the susceptor 217 may be controlled so that the wafer 200 is positioned at a height position where an allowable in-plane deviation is achieved according to the set power value of the RF power.
  • the wafer 200 from the viewpoint of improving the processing speed, it is more desirable to position the wafer 200 at a position closest to the lower end position of the resonance coil 212 within the allowable range of in-plane deviation.
  • a higher plasma density is generally desirable. Therefore, it is preferable to set the power value of the RF power to be the highest within the allowable range of the in-plane deviation of the plasma density. It is.
  • the present invention is not limited to these treatments, and can be applied to all techniques for performing treatment on a substrate using plasma. can do.
  • the present invention can be applied to a modification process or a doping process for a film formed on a substrate surface using plasma, an oxide film reduction process, an etching process for the film, a resist ashing process, or the like.
  • the present invention when processing a substrate by plasma-exciting a processing gas, it is possible to reduce an uneven density of plasma generated on the substrate surface and improve in-plane uniformity of substrate processing. it can.
  • Processing unit 200 Wafer unit 201: Processing unit 212: Resonant coil unit 217: Susceptor unit

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Abstract

プラズマ生成空間と基板処理空間とを有する基板処理室と、基板が載置されるよう構成される基板載置台と、プラズマ生成空間の外周に巻回するように設けられるコイルを備え、コイルの電気的長さがコイルに供給される高周波電力の波長の整数倍であって、コイルの直径が基板の直径より大きくなるよう構成される誘導結合構造と、基板載置台を昇降させるよう構成される基板支持台昇降部と、プラズマ生成空間に処理ガスを供給するガス供給部と、基板を処理する際、基板載置台に載置された基板がコイルの下端より下方の高さに位置するように、基板支持台昇降部を制御するよう構成される制御部と、を有する基板処理装置を提供する。これにより、基板を処理する際に、基板の面上に生成されるプラズマの密度の偏りを低減し、基板処理の面内均一性を向上させる。

Description

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム
　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。
　近年、フラッシュメモリ等の半導体装置は高集積化の傾向にある。それに伴い、パターンサイズが著しく微細化されている。これらのパターンを形成する際、製造工程の一工程として、基板に酸化処理や窒化処理等の所定の処理を行う工程が実施される場合がある。
　例えば、特許文献１には、プラズマ励起した処理ガスを用いて基板上に形成されたパターン表面を改質処理することが開示されている。
特開２０１４－７５５７９号公報
　しかしながら、処理ガスをプラズマ励起することにより基板を処理する際、基板の面上に生成されるプラズマの密度に偏りが生じると、基板の面内に対して均一に処理が施されず、当該基板から製造される半導体装置の性能にばらつきが生じてしまうことがある。
　本発明は、処理ガスをプラズマ励起することにより基板を処理する際に、基板面の上に生成されるプラズマの密度の偏りを低減し、基板処理の面内均一性を向上させる技術を提供する。
　本発明の一態様によれば、処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通する基板処理空間と、を有する基板処理室と、前記基板処理空間内に設けられ、基板が載置されるよう構成される基板載置台と、前記プラズマ生成空間の外周に巻回するように設けられるコイルを備え、前記コイルの電気的長さが前記コイルに供給される高周波電力の波長の整数倍であって、前記コイルの直径が前記基板の直径より大きくなるよう構成される誘導結合構造と、前記基板載置台を昇降させるよう構成される基板支持台昇降部と、前記プラズマ生成空間に前記処理ガスを供給するガス供給部と、前記基板を処理する際、前記基板載置台に載置された前記基板が前記コイルの下端より下方の高さに位置するように、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成される制御部と、を有する基板処理装置が提供される。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略断面図。 本発明の実施形態に係る基板処理装置のプラズマ生成原理を説明する説明図。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の制御部（制御手段）の構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る基板処理工程を示すフロー図。 本発明の一実施形態に係る基板処理工程で処理される溝（トレンチ）が形成された基板の説明図。 検証例における、プラズマ生成空間２０１ａ及び基板処理空間２０１ｂ内に設置されたプローブの高さ位置を示す図。 検証例における、高さ位置（ａ）～（ｄ）のそれぞれにおけるプローブの設置位置を示す図。 検証例における、高さ位置（ａ）～（ｄ）におけるプラズマ密度の分布を測定した値を示す図。 検証例における、高さ位置（ａ）～（ｄ）におけるプラズマ密度の分布を測定した結果をグラフで示す図。
＜本発明の第一の実施形態＞
（１）基板処理装置の構成
 　本発明の第１実施形態に係る基板処理装置について、図１及び図２を用いて以下に説明する。本実施形態に係る基板処理装置は、主に基板面上に形成された膜に対して酸化処理を行うように構成されている。
（処理室）
 　処理装置１００は、ウエハ２００をプラズマ処理する処理炉２０２を備えている。処理炉２０２には、処理室２０１を構成する処理容器２０３が設けられている。処理容器２０３は、第１の容器であるドーム型の上側容器２１０と、第２の容器である碗型の下側容器２１１とを備えている。上側容器２１０が下側容器２１１の上に被さることにより、処理室２０１が形成される。上側容器２１０は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または石英（ＳｉＯ２）等の非金属材料で形成されており、下側容器２１１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）で形成されている。
　また、下側容器２１１の下部側壁には、ゲートバルブ２４４が設けられている。ゲートバルブ２４４は、開いているとき、搬送機構（図示せず）を用いて、搬入出口２４５を介して、処理室２０１内へウエハ２００を搬入したり、処理室２０１外へとウエハ２００を搬出したりすることができるように構成されている。ゲートバルブ２４４は、閉まっているときには、処理室２０１内の気密性を保持する仕切弁となるように構成されている。
　処理室２０１は、周囲にコイル２１２が設けられているプラズマ生成空間２０１ａと、プラズマ生成空間２０１ａに連通し、ウエハ２００が処理される基板処理空間２０１ｂを有する。プラズマ生成空間２０１ａはプラズマが生成される空間であって、処理室の内、コイル２１２の下端より上方であって、且つコイル２１２の上端より下方の空間を言う。一方、基板処理空間２０１ｂは、基板がプラズマを用いて処理される空間であって、コイル２１２の下端より下方の空間を言う。本実施形態では、プラズマ生成空間２０１ａと基板処理空間２０１ｂの水平方向の径は略同一となるように構成されている。
（サセプタ）
 　処理室２０１の底側中央には、ウエハ２００を載置する基板載置部としてのサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７は例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、セラミックス、石英等の非金属材料から形成されており、ウエハ２００上に形成される膜等に対する金属汚染を低減することができるように構成されている。
　サセプタ２１７の内部には、加熱機構としてのヒータ２１７ｂが一体的に埋め込まれている。ヒータ２１７ｂは、電力が供給されると、ウエハ２００表面を例えば２５℃から７５０℃程度まで加熱することができるように構成されている。
　サセプタ２１７は、下側容器２１１とは電気的に絶縁されている。インピーダンス調整電極２１７ｃは、サセプタ２１７に載置されたウエハ２００上に生成されるプラズマの密度の均一性をより向上させるために、サセプタ２１７内部に設けられており、インピーダンス調整部としてのインピーダンス可変機構２７５を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７５はコイルや可変コンデンサから構成されており、コイルのインダクタンス及び抵抗並びに可変コンデンサの容量値を制御することにより、インピーダンスを約０Ωから処理室２０１の寄生インピーダンス値の範囲内で変化させることができるように構成されている。これによって、インピーダンス調整電極２１７ｃ及びサセプタ２１７を介して、ウエハ２００の電位（バイアス電圧）を制御できる。なお、本実施形態においては、後述するようにウエハ２００の上に生成されるプラズマの密度の均一性を向上させることができるので、このプラズマの密度の均一性が所望の範囲に収まる場合、インピーダンス調整電極２１７ｃを用いたバイアス電圧制御は行わない。また、当該バイアス電圧制御を行わない場合には、サセプタ２１７に電極２１７ｃを設けないようにしてもよい。但し、当該均一性をより向上させることを目的として当該バイアス電圧制御を行っても良い。
　サセプタ２１７には、サセプタを昇降させる駆動機構を備えるサセプタ昇降機構２６８が設けられている。また、サセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられるとともに、下側容器２１１の底面にはウエハ突上げピン２６６が設けられている。貫通孔２１７ａとウエハ突上げピン２６６とは互いに対向する位置に、少なくとも各３箇所ずつ設けられている。サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられたときには、ウエハ突上げピン２６６がサセプタ２１７とは非接触な状態で、貫通孔２１７ａを突き抜けるように構成されている。
　主に、サセプタ２１７及びヒータ２１７ｂ、電極２１７ｃにより、本実施形態に係る基板載置部が構成されている。
（ガス供給部）
 　処理室２０１の上方、つまり上側容器２１０の上部には、ガス供給ヘッド２３６が設けられている。ガス供給ヘッド２３６は、キャップ状の蓋体２３３と、ガス導入口２３４と、バッファ室２３７と、開口２３８と、遮蔽プレート２４０と、ガス吹出口２３９とを備え、反応ガスを処理室２０１内へ供給できるように構成されている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入される反応ガスを分散する分散空間としての機能を持つ。
　ガス導入口２３４には、酸素含有ガスとしての酸素（Ｏ２）ガスを供給する酸素含有ガス供給管２３２ａの下流端と、水素含有ガスとしての水素（Ｈ２）ガスを供給する水素含有ガス供給管２３２ｂの下流端と、不活性ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスを供給する不活性ガス供給管２３２ｃと、が合流するように接続されている。酸素含有ガス供給管２３２ａには、上流側から順に、Ｏ２ガス供給源２５０ａ、流量制御装置としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２５２ａ、開閉弁としてのバルブ２５３ａが設けられている。水素含有ガス供給管２３２ｂには、上流側から順に、Ｈ２ガス供給源２５０ｂ、ＭＦＣ２５２ｂ、バルブ２５３ｂが設けられている。不活性ガス供給管２３２ｃには、上流側から順に、Ａｒガス供給源２５０ｃ、ＭＦＣ２５２ｃ、バルブ２５３ｃが設けられている。酸素含有ガス供給管２３２ａと水素含有ガス供給管２３２ｂと不活性ガス供給管２３２ｃとが合流した下流側には、バルブ２４３ａが設けられ、ガス導入口２３４の上流端に接続されている。バルブ２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２４３ａを開閉させることによって、ＭＦＣ２５２ａ、２５２ｂ、２５２ｃによりそれぞれのガスの流量を調整しつつ、ガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃを介して、酸素含有ガス、水素ガス含有ガス、不活性ガス等の処理ガスを処理室２０１内へ供給できるように構成されている。
　主に、ガス供給ヘッド２３６（蓋体２３３、ガス導入口２３４、バッファ室２３７、開口２３８、遮蔽プレート２４０、ガス吹出口２３９）、酸素含有ガス供給管２３２ａ、水素含有ガス供給管２３２ｂ、不活性ガス供給管２３２ｃ、ＭＦＣ２５２ａ，２５２ｂ，２５２ｃ、バルブ２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｃ，２４３ａにより、本実施形態に係るガス供給部（ガス供給系）が構成されている。
　また、ガス供給ヘッド２３６、酸素含有ガス供給管２３２ａ、ＭＦＣ２５２ａ、バルブ２５３ａ，２４３ａにより、本実施形態に係る酸素含有ガス供給系が構成されている。さらに、ガス供給ヘッド２３６、水素含有ガス供給管２３２ｂ、ＭＦＣ２５２ｂ、バルブ２５３ｂ，２４３ａにより、本実施形態に係る水素ガス供給系が構成されている。さらに、ガス供給ヘッド２３６、不活性ガス供給管２３２ｃ、ＭＦＣ２５２ｃ、バルブ２５３ｃ，２４３ａにより、本実施形態に係る不活性ガス供給系が構成されている。
　尚、本実施形態に係る基板処理装置は、酸素含有ガス供給系から酸素含有ガスとしてのＯ２ガスを供給することにより酸化処理を行うように構成されているが、酸素含有ガス供給系に替えて、窒素含有ガスを処理室２０１内に供給する窒素含有ガス供給系を設けることもできる。このように構成された基板処理装置によれば、基板の酸化処理に替えて窒化処理を行うことができる。この場合、Ｏ２ガス供給源２５０ａに替えて、例えば窒素含有ガス供給源としてのＮ２ガス供給源が設けられ、酸素含有ガス供給管２３２ａが窒素含有ガス供給管として構成される。
（排気部）
 　下側容器２１１の側壁には、処理室２０１内から反応ガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５には、ガス排気管２３１の上流端が接続されている。ガス排気管２３１には、上流側から順に圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２４２、開閉弁としてのバルブ２４３ｂ、真空排気装置としての真空ポンプ２４６が設けられている。
　主に、ガス排気口２３５、ガス排気管２３１、ＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂにより、本実施形態に係る排気部が構成されている。尚、真空ポンプ２４６を排気部に含めても良い。
（プラズマ生成部）
 　処理室２０１の外周部、すなわち上側容器２１０の側壁の外側には、処理室２０１を囲うように、第１の電極としての、螺旋状の共振コイル２１２が設けられている。共振コイル２１２には、ＲＦセンサ２７２、高周波電源２７３、高周波電源２７３のインピーダンスや出力周波数の整合を行う整合器２７４が接続される。
　高周波電源２７３は、共振コイル２１２に高周波電力（ＲＦ電力）を供給するものである。ＲＦセンサ２７２は高周波電源２７３の出力側に設けられ、供給される高周波の進行波や反射波の情報をモニタするものである。ＲＦセンサ２７２によってモニタされた反射波電力は整合器２７４に入力され、整合器２７４は、ＲＦセンサ２７２から入力された反射波の情報に基づいて、反射波が最小となるよう、高周波電源２７３のインピーダンスや出力される高周波電力の周波数を制御するものである。
　高周波電源２７３は、発振周波数および出力を規定するための高周波発振回路およびプリアンプを含む電源制御手段（コントロール回路）と、所定の出力に増幅するための増幅器（出力回路）とを備えている。電源制御手段は、操作パネルを通じて予め設定された周波数および電力に関する出力条件に基づいて増幅器を制御する。増幅器は、共振コイル２１２に伝送線路を介して一定の高周波電力を供給する。
　共振コイル２１２は、所定の波長の定在波を形成するため、一定の波長で共振するように巻径、巻回ピッチ、巻数が設定される。すなわち、共振コイル２１２の電気的長さは、高周波電源２７３から供給される高周波電力の所定周波数における１波長の整数倍（１倍、２倍、…）に相当する長さに設定される。
　具体的には、印加する電力や発生させる磁界強度または適用する装置の外形などを勘案し、共振コイル２１２は、例えば、８００ｋＨｚ～５０ＭＨｚ、０．５～５ＫＷの高周波電力によって０．０１～１０ガウス程度の磁場を発生し得る様に、５０～３００ｍｍ２の有効断面積であって且つ２００～５００ｍｍのコイル直径とされ、プラズマ生成空間２０１ａを形成する部屋の外周側に２～６０回程度巻回される。
　好適な実施例としては、例えば、周波数が１３．５６ＭＨｚの場合、1波長の長さは約２２メートル、周波数が２７．１２ＭＨｚの場合、1波長の長さは約１１メートルであり、共振コイル２１２の電気的長さはこれらの１波長の長さ（１倍）となるように設けられる。本実施形態では、高周波電力の周波数を２７．１２ＭＨｚ、共振コイル２１２の電気的長さを１波長の長さ（約１１メートル）に設定している。共振コイル２１２の巻回ピッチは、例えば、２４．５ｍｍ間隔で等間隔となるように設けられる。また、共振コイル２１２の巻径（直径）はウエハ２００の直径よりも大きくなるように設定される。本実施形態では、ウエハ２００の直径を３００ｍｍとし、共振コイル２１２の巻径はウエハ２００の直径よりも大きい５００ｍｍとなるように設けられる。
　共振コイル２１２を構成する素材としては、銅パイプ、銅の薄板、アルミニウムパイプ、アルミニウム薄板、ポリマーベルトに銅またはアルミニウムを蒸着した素材などが使用される。共振コイル２１２は、絶縁性材料にて平板状に形成され、且つベースプレート２４８の上端面に鉛直に立設された複数のサポート（図示せず）によって支持される。
　共振コイル２１２の両端は電気的に接地され、そのうちの少なくとも一端は、装置の最初の設置の際又は処理条件の変更の際に当該共振コイルの電気的長さを微調整するため、可動タップ２１３を介して接地される。図１中の符号２１４は他方の固定グランドを示す。可動タップ２１３は、共振コイル２１２の共振特性を高周波電源２７３と略等しくするように位置が調整される。さらに、装置の最初の設置の際又は処理条件の変更の際に共振コイル２１２のインピーダンスを微調整するため、共振コイル２１２の接地された両端の間には、可動タップ２１５によって給電部が構成される。
　共振コイル２１２が可変式グランド部及び可変式給電部を備えていることによって、後述するように、処理室２０１の共振周波数及び負荷インピーダンスを調整するにあたり、より一層簡便に調整することができる。
　更に、位相及び逆位相電流が共振コイル２１２の電気的中点に関して対称に流れる様に、共振コイル２１２の一端（若しくは他端または両端）には、コイル及びシールドから成る波形調整回路（図示せず）が挿入される。波形調整回路は、共振コイル２１２の端部を電気的に非接続状態とするか又は電気的に等価の状態に設定することにより開路に構成する。なお、共振コイル２１２の端部は、チョーク直列抵抗によって非接地とし、固定基準電位に直流接続されてもよい。
　遮蔽板２２３は、共振コイル２１２の外側の電界を遮蔽すると共に、共振回路を構成するのに必要な容量成分（Ｃ成分）を共振コイル２１２との間に形成するために設けられる。遮蔽板２２３は、一般的には、アルミニウム合金などの導電性材料を使用して円筒状に構成される。遮蔽板２２３は、共振コイル２１２の外周から５～１５０ｍｍ程度隔てて配置される。通常、遮蔽板２２３は共振コイル２１２の両端と電位が等しくなる様に接地されるが、共振コイル２１２の共振数を正確に設定するため、遮蔽板２２３の一端または両端は、タップ位置を調整可能に構成されている。あるいは、共振数を正確に設定するために、共振コイル２１２と遮蔽板２２３の間にトリミングキャパシタンスを挿入しても良い。
　主に、共振コイル２１２、ＲＦセンサ２７２、整合器２７４により、本実施形態に係るプラズマ生成部が構成されている。尚、プラズマ生成部として高周波電源２７３を含めても良い。
　ここで、本実施形態に係る装置のプラズマ生成原理および生成されるプラズマの性質について図２を用いて説明する。
　共振コイル２１２によって構成されるプラズマ発生回路はＲＬＣの並列共振回路で構成される。高周波電源２７３から供給される高周波電力の波長と共振コイル２１２の電気的長さが同じ場合、共振コイル２１２の共振条件は、共振コイル２１２の容量成分や誘導成分によって作り出されるリアクタンス成分が相殺され、純抵抗になることである。しかしながら、上記プラズマ発生回路においては、プラズマを発生させた場合、共振コイル２１２の電圧部とプラズマとの間の容量結合の変動や、プラズマ生成空間２０１ａとプラズマとの間の誘導結合の変動、プラズマの励起状態、等により、実際の共振周波数は僅かながら変動する。
　そこで、本実施形態においては、プラズマ発生時の共振コイル２１２における共振のずれを電源側で補償するため、プラズマが発生した際の共振コイル２１２からの反射波電力をＲＦセンサ２７２において検出し、検出された反射波電力に基づいて整合器２７４が高周波電源２７３の出力を補正する機能を有する。
　具体的には、整合器２７４は、ＲＦセンサ２７２において検出されたプラズマが発生した際の共振コイル２１２からの反射波電力に基づいて、反射波電力が最小となる様に高周波電源２７３のインピーダンス或いは出力周波数を増加または減少させる。インピーダンスを制御する場合、整合器２７４は、予め設定されたインピーダンスを補正する可変コンデンサ制御回路により構成され、周波数を制御する場合、整合器２７４は、予め設定された高周波電源２７３の発振周波数を補正する周波数制御回路により構成される。なお、高周波電源２７３と整合器２７４は一体として構成されてもよい。
　かかる構成により、本実施形態における共振コイル２１２では、図２に示す様に、プラズマを含む当該共振コイルの実際の共振周波数による高周波電力が供給されるので（或いは、プラズマを含む当該共振コイルの実際のインピーダンスに整合するように高周波電力が供給されるので）、位相電圧と逆位相電圧が常に相殺される状態の定在波が形成される。共振コイル２１２の電気的長さが高周波電力の波長と同じ場合、コイルの電気的中点（電圧がゼロのノード）に最も高い位相電流が生起される。従って、電気的中点の近傍においては、処理室壁やサセプタ２１７との容量結合が殆どなく、電気的ポテンシャルの極めて低いドーナツ状の誘導プラズマが形成される。
（制御部）
 　制御部としてのコントローラ２２１は、信号線Ａを通じてＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ及び真空ポンプ２４６を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８を、信号線Ｃを通じてヒータ電力調整機構２７６及びインピーダンス可変機構２７５を、信号線Ｄを通じてゲートバルブ２４４を、信号線Ｅを通じてＲＦセンサ２７２、高周波電源２７３及び整合器２７４を、信号線Ｆを通じてＭＦＣ２５２ａ～２５２ｃ及びバルブ２５３ａ～２５３ｃ，２４３ａを、それぞれ制御するように構成されている。
 　図３に示すように、制御部（制御手段）であるコントローラ２２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）２２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）２２１ｂ、記憶装置２２１ｃ、Ｉ／Ｏポート２２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ２２１ｂ、記憶装置２２１ｃ、Ｉ／Ｏポート２２１ｄは、内部バス２２１ｅを介して、ＣＰＵ２２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ２２１には、例えばタッチパネルやディスプレイ等として構成された入出力装置２２２が接続されている。
　記憶装置２２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置２２１ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件などが記載されたプログラムレシピ等が読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ２２１に実行させ、所定の結果を得ることが出来るように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプログラムレシピや制御プログラム等を総称して、単にプログラムともいう。なお、本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プログラムレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。また、ＲＡＭ２２１ｂは、ＣＰＵ２２１ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
　Ｉ／Ｏポート２２１ｄは、上述のＭＦＣ２５２ａ～２５２ｃ、バルブ２５３ａ～２５３ｃ、２４３ａ、２４３ｂ、ゲートバルブ２４４、ＡＰＣバルブ２４２、真空ポンプ２４６、ＲＦセンサ２７２、高周波電源２７３、整合器２７４、サセプタ昇降機構２６８、インピーダンス可変機構２７５、ヒータ電力調整機構２７６、等に接続されている。
　ＣＰＵ２２１ａは、記憶装置２２１ｃからの制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置２２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２２１ｃからプロセスレシピを読み出すように構成されている。そして、ＣＰＵ２２１ａは、読み出されたプロセスレシピの内容に沿うように、Ｉ／Ｏポート２２１ｄ及び信号線Ａを通じてＡＰＣバルブ２４２の開度調整動作、バルブ２４３ｂの開閉動作、及び真空ポンプ２４６の起動・停止を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８の昇降動作を、信号線Ｃを通じてヒータ電力調整機構２７６によるヒータ２１７ｂへの供給電力量調整動作（温度調整動作）や、インピーダンス可変機構２７５によるインピーダンス値調整動作を、信号線Ｄを通じてゲートバルブ２４４の開閉動作を、信号線Ｅを通じてＲＦセンサ２７２、整合器２７４及び高周波電源２７３の動作を、信号線Ｆを通じてＭＦＣ２５２ａ～２５２ｃによる各種ガスの流量調整動作、及びバルブ２５３ａ～２５３ｃ、２４３ａの開閉動作、等を制御するように構成されている。
　コントローラ２２１は、外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯなどの光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）２２３に格納された上述のプログラムをコンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置２２１ｃや外部記憶装置２２３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。本明細書において、記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置２２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置２２３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合が有る。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置２２３を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
（２）基板処理工程
 　次に、本実施形態に係る基板処理工程について、主に図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る基板処理工程を示すフロー図である。本実施形態に係る基板処理工程は、例えばフラッシュメモリ等の半導体デバイスの製造工程の一工程として、上述の処理装置１００により実施される。以下の説明において、処理装置１００を構成する各部の動作は、コントローラ２２１により制御される。
　なお、本実施形態に係る基板処理工程で処理されるウエハ２００の表面には、例えば図５に示すように、少なくとも表面がシリコンの層で構成され、アスペクト比の高い凹凸部を有するトレンチ３０１が予め形成されている。本実施形態においては、トレンチ３０１の内壁に露出したシリコン層に対して、プラズマを用いた処理として酸化処理を行う。トレンチ３０１は、例えばウエハ２００上に所定のパターンを施したマスク層３０２を形成し、ウエハ２００表面を所定深さまでエッチングすることで形成されている。
（基板搬入工程Ｓ１１０）
 　まず、上記のウエハ２００を処理室２０１内に搬入する。具体的には、サセプタ昇降機構２６８がウエハ２００の搬送位置までサセプタ２１７を下降させて、サセプタ２１７の貫通孔２１７ａにウエハ突上げピン２６６を貫通させる。その結果、ウエハ突き上げピン２６６が、サセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突出した状態となる。
　続いて、ゲートバルブ２４４を開き、処理室２０１に隣接する真空搬送室から、ウエハ搬送機構（図示せず）を用いて処理室２０１内にウエハ２００を搬入する。搬入されたウエハ２００は、サセプタ２１７の表面から突出したウエハ突上げピン２６６上に水平姿勢で支持される。処理室２０１内にウエハ２００を搬入したら、ウエハ搬送機構を処理室２０１外へ退避させ、ゲートバルブ２４４を閉じて処理室２０１内を密閉する。そして、サセプタ昇降機構２６８がサセプタ２１７を上昇させることにより、ウエハ２００はサセプタ２１７の上面に支持される。
（昇温・真空排気工程Ｓ１２０）
 　続いて、処理室２０１内に搬入されたウエハ２００の昇温を行う。ヒータ２１７ｂは予め加熱されており、ヒータ２１７ｂが埋め込まれたサセプタ２１７上にウエハ２００を保持することで、例えば１５０～７５０℃の範囲内の所定値にウエハ２００を加熱する。ここでは、ウエハ２００の温度が６００℃となるよう加熱する。また、ウエハ２００の昇温を行う間、真空ポンプ２４６によりガス排気管２３１を介して処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内の圧力を所定の値とする。真空ポンプ２４６は、少なくとも後述の基板搬出工程Ｓ１６０が終了するまで作動させておく。
（反応ガス供給工程Ｓ１３０）
 　次に、反応ガスとして、酸素含有ガスであるＯ２ガスと水素含有ガスであるＨ２ガスの供給を開始する。具体的には、バルブ２５３ａ及び２５３ｂを開け、ＭＦＣ２５２ａ及び２５２ｂにて流量制御しながら、処理室２０１内へＯ２ガス及びＨ２ガスの供給を開始する。このとき、Ｏ２ガスの流量を、例えば２０～２０００ｓｃｃｍ、好ましくは２０～１０００ｓｃｃｍの範囲内の所定値とする。また、Ｈ２ガスの流量を、例えば２０～１０００ｓｃｃｍ、好ましくは２０～５００ｓｃｃｍの範囲内の所定値とする。より好適な例として、Ｏ２ガスとＨ２ガスの合計流量を１０００ｓｃｃｍとし、流量比はＯ２／Ｈ２≧９５０／５０とすることが好ましい。
　また、処理室２０１内の圧力が、例えば１～２５０Ｐａ、好ましくは５０～２００Ｐａの範囲内の所定圧力、より好ましくは約１５０Ｐａとなるように、ＡＰＣ２４２の開度を調整して処理室２０１内の排気を制御する。このように、処理室２０１内を適度に排気しつつ、後述のプラズマ処理工程Ｓ１４０の終了時までＯ２ガス及びＨ２ガスの供給を継続する。
（プラズマ処理工程Ｓ１４０）
 　処理室２０１内の圧力が安定したら、共振コイル２１２に対して高周波電源２７３からＲＦセンサ２７２を介して、高周波電力の印加を開始する。本実施形態では、高周波電源２７３から共振コイル２１２に２７．１２ＭＨｚの高周波電力を供給する。共振コイル２１２に供給する高周波電力は、例えば１００～５０００Ｗの範囲内の所定の電力であって、好ましくは１００～３５００Ｗであり、より好ましくは約３５００Ｗとする。電力が１００Ｗより低い場合、プラズマ放電を安定的に生じさせることが難しい。
　これにより、Ｏ２ガス及びＨ２ガスが供給されているプラズマ生成空間２０１ａ内に高周波電界が形成され、係る電界により、プラズマ生成空間の共振コイル２１２の電気的中点に相当する高さ位置に、最も高いプラズマ密度を有するドーナツ状の誘導プラズマが励起される。プラズマ状のＯ２ガス及びＨ２ガスは解離し、酸素を含む酸素ラジカル（酸素活性種）や酸素イオン、水素を含む水素ラジカル（水素活性種）や水素イオン、等の反応種が生成される。
　前述したように、共振コイル２１２の電気的長さが高周波電力の波長と同じ場合、プラズマ生成空間２０１ａ内には、共振コイル２１２の電気的中点の近傍において、処理室壁や基板載置台との容量結合が殆どなく、電気的ポテンシャルの極めて低いドーナツ状の誘導プラズマが励起される。電気的ポテンシャルが極めて低いプラズマが生成されることから、プラズマ生成空間２０１ａの壁や、サセプタ２１７上にシースが発生するのを防ぐことができる。したがって、本実施形態では、プラズマ中のイオンは加速されない。
　基板処理空間２０１ｂでサセプタ２１７上に保持されているウエハ２００には、誘導プラズマにより生成されたラジカルと加速されない状態のイオンが溝３０１内に均一に供給される。供給されたラジカル及びイオンは側壁３０１ａ及び３０１ｂと均一に反応し、表面のシリコン層をステップカバレッジが良好なシリコン酸化層へと改質する。
　また、イオンの加速が防止されるため、加速されたイオンによってウエハ２００がダメージを受けることを抑制することができ、また、プラズマ生成空間の周壁に対するスパッタリング作用を抑制し、プラズマ生成空間２０１ａの周壁に損傷を与えることもない。
　また、高周波電源２７３に付設された整合器２７４が共振コイル２１２で発生するインピーダンスの不整合による反射波電力を高周波電源２７３側で補償し、実効負荷電力の低下を補完するため、共振コイル２１２に対して常に初期のレベルの高周波電力を確実に供給でき、プラズマを安定させることが出来る。従って、基板処理空間２０１ｂで保持されたウエハ２００を一定のレートで且つ均一に処理できる。
　ここで本実施形態の場合、サセプタ昇降機構２６８は、プラズマ処理工程におけるウエハ２００の垂直方向における位置が、共振コイル２１２の下端から下方に３８ｍｍ以上離れた位置となるように制御される。プラズマ処理工程におけるウエハ２００の位置をこのように設定することにより、後述するように、プラズマ生成空間２０１ａ内に形成されるドーナツ状の誘導プラズと十分に距離を取ることができるため、ウエハ２００の面上に生成されるプラズマの密度が、面方向（水平方向）において均一となり、ウエハ２００の面内における当該プラズマ処理を均一に行うことができる。すなわち、ウエハ２００の面内において、当該プラズマ処理によって形成される層（本実施形態においてはシリコン酸化層）の厚さの均一性を向上させることができる。
　本実施形態のように、ウエハ２００の直径よりも共振コイル２１２の巻径（直径）が大きくなるように構成されている場合（例えば、ウエハ２００の直径３００ｍｍに対して共振コイル２１２の巻径が５００ｍｍ）、ウエハ２００の直上にはドーナツ状の誘導プラズマが生成されないため、ウエハ２００の面上に生成されるプラズマ密度に偏りが生じ難く、ウエハ２００の面内における当該プラズマ処理の均一性を向上させるうえでより好ましい。
　なお、本実施形態では、ウエハ２００をサセプタ２１７の上面に支持させるため、ウエハ２００の垂直方向における位置がウエハ突上げピン２６６の先端よりも高い位置となるように、サセプタ２１７を上昇させることが望ましい。
　また、プラズマ処理工程におけるウエハ２００の垂直方向における位置が共振コイル２１２の下端から下方に離れ過ぎると、プラズマにより生成されたラジカルやイオンが失活してしまうため、処理レートが実用的な値を下回ることがある。従って、プラズマ処理工程におけるウエハ２００の垂直方向における位置は、少なくともプラズマにより生成されたラジカルやイオンが失活しないような位置である必要がある。発明者による検証によれば、本実施形態において、共振コイル２１２の下端から下方に１３８ｍｍ以内の範囲であれば、実用的な処理レートを維持したまま、ウエハ面内におけるプラズマ処理の均一性を十分に確保することができることが確認されている。
　その後、所定の処理時間、例えば１０～３００秒が経過したら、高周波電源２７３からの電力の出力を停止して、処理室２０１内におけるプラズマ放電を停止する。また、バルブ２５３ａ及び２５３ｂを閉めて、Ｏ２ガス及びＨ２ガスの処理室２０１内への供給を停止する。以上により、プラズマ処理工程Ｓ１４０が終了する。
（真空排気工程Ｓ１５０）
 　Ｏ２ガス及びＨ２ガスの供給を停止したら、ガス排気管２３１を介して処理室２０１内を真空排気する。これにより、処理室２０１内のＯ２ガスやＨ２ガス、これらガスの反応により発生した排ガス等を処理室２０１外へと排気する。その後、ＡＰＣ２４２の開度を調整し、処理室２０１内の圧力を処理室２０１に隣接する真空搬送室（ウエハ２００の搬出先。図示せず）と同じ圧力（例えば１００Ｐａ）に調整する。
（基板搬出工程Ｓ１６０）
 　処理室２０１内が所定の圧力となったら、サセプタ２１７をウエハ２００の搬送位置まで下降させ、ウエハ突上げピン２６６上にウエハ２００を支持させる。そして、ゲートバルブ２４４を開き、ウエハ搬送機構を用いてウエハ２００を処理室２０１外へ搬出する。以上により、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。
　なお、本実施形態ではＯ２ガスとＨ２ガスをプラズマ励起して基板のプラズマ処理を行う例を示したが、これに限らず、例えばＯ２ガスに替えてN2ガスを処理室２０１内に供給し、Ｎ２ガスとＨ２ガスをプラズマ励起して基板に対して窒化処理を実行してもよい。この場合、上述の酸素含有ガス供給系に替えて上述の窒素含有ガス供給系を備える処理装置１００を用いることができる。
（本実施形態の効果）
 　本実施形態の効果について、発明者が行った検証結果を基に説明する。本検証では、本実施形態に係る基板処理装置におけるプラズマ生成空間２０１ａ及び基板処理空間２０１ｂ内の所定の位置に、当該位置における電子密度を測定するプローブを設けることにより、プラズマ生成空間２０１ａ及び基板処理空間２０１ｂ内におけるプラズマや、ラジカル、イオン等の反応種の密度（以下、単に「プラズマ密度」と呼ぶ）の分布を測定した。本測定を行った際のプラズマ生成条件は以下の通りである。なお、測定時には、サセプタ２１７上にベアシリコンウエハを載置した。
・　供給ガス流量：Ｏ２ガス＝９５０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス＝５０ｓｃｃｍ
・　処理室内圧力：１５０Ｐａ
・　ＲＦ周波数：２７．１２ＭＨｚ
・　ＲＦ電力：３５００Ｗ
　図６は、プラズマ生成空間２０１ａ及び基板処理空間２０１ｂ内に設置されたプローブの高さ位置を示す図である。本検証では、高さ位置（ａ）～（ｄ）それぞれに対して、プローブを水平方向に５か所ずつ設けた。すなわち、本検証では、計２０か所にプローブを設置して、プラズマ密度の分布を測定した。
　高さ位置（ｂ）は、共振コイル２１２の下端位置である。以下、高さ位置（ｂ）を基準位置（０ｍｍ）として、高さ位置（ａ）（ｃ）（ｄ）を説明する。高さ位置（ａ）は、共振コイル２１２の上端と下端の中間位置であり、共振コイル２１２の下端から１００ｍｍ上方である。共振コイル２１２の電気的中点の近傍であって、最も高いプラズマ密度を有するドーナツ状の誘導プラズマが励起される位置である。高さ位置（ｃ）は、共振コイル２１２の下端から３８ｍｍ下方の位置である。高さ位置（ｄ）は、共振コイル２１２の下端から８８ｍｍ下方の位置である。
　また、高さ位置（ｄ）より更に５０ｍｍ下方にはベアシリコンウエハが載置されている。
　図７は、高さ位置（ａ）～（ｄ）のそれぞれにおけるプローブの設置位置を示す図である。各高さ位置におけるプローブの設置位置は全て同一である。図中のＭ，Ｌ１，Ｌ２，Ｒ１，Ｒ２はそれぞれプローブの先端位置（プラズマ密度の測定位置）を示している。Ｍは載置されるウエハの中心位置に相当する位置である。Ｌ１はプローブをＭから左に３０°移動した位置である。Ｌ２はプローブをＭから左に６０°移動した位置であり、ウエハの一方の外縁部に相当する位置である。Ｒ１はプローブをＭから右に３０°移動した位置である。Ｌ２はプローブをＭから右に６０°移動した位置であり、ウエハのもう一方の外縁部に相当する位置である。すなわち、Ｍ，Ｌ１，Ｌ２，Ｒ１，Ｒ２におけるプラズマ密度を測定することにより、ウエハ面方向（水平方向）におけるプラズマ密度分布を測定した。
　図８は、上述のプラズマ生成条件における、高さ位置（ａ）～（ｄ）におけるプラズマ密度の分布をそれぞれ測定した結果を示す表である。また、図９は、図８に示す結果の値をグラフで表した図である。本図では、プラズマ密度を、１ｃｍ３辺りの電子の個数（電子密度）で表している。高さ位置（ａ）では、最も高いプラズマ密度を有するドーナツ状の誘導プラズマが励起されるため、共振コイル２１２の近傍（すなわちウエハの外縁部）においてプラズマ密度が高くなり、共振コイル２１２の巻径方向の中心部においてプラズマ密度が相対的に低くなる。
　また、本実施形態における共振コイル２１２では、共振コイルの下端部である高さ位置（ｂ）においても、ドーナツ状の誘導プラズマが励起される。そのため、高さ位置（ｂ）でも、共振コイル２１２の近傍（すなわちウエハの外縁部）においてプラズマ密度が高くなり、共振コイル２１２の巻径方向の中心部においてプラズマ密度が相対的に低くなる傾向がある。
　このように、共振コイル２１２の下端部及び下端部よりも上方に位置する高さ位置（ａ）から（ｂ）の間では、ウエハ面方向におけるプラズマ密度に偏りがあり（すなわち、ウエハ面上の処理対象膜と反応する反応種の密度に偏りが生じ）、これらの高さ位置においてウエハの面内均一性を保ちながら基板のプラズマ処理を行うことは困難であることが分かる。
　一方、高さ位置（ｃ）及び（ｄ）では、いずれもウエハ面方向においてプラズマ密度の分布に偏りがほとんどみられない。すなわち、高さ位置（ｃ）及び（ｄ）におけるプラズマ密度の分布を鑑みると、少なくとも高さ位置（ｃ）よりも下方の位置であれば、ウエハの面方向におけるプラズマ密度に偏りは実質的に生じないことが推測される。従って、本実施形態に係る基板処理装置を用いたプラズマ処理においてウエハの面内均一性を確保するためには、高さ位置（ｃ）、すなわち、共振コイル２１２の下端から下方に３８ｍｍ以上離れた高さ位置においてウエハを処理することが望ましいことが分かる。
　なお、上述の通り、プラズマ処理工程におけるウエハの位置が共振コイル２１２の下端から下方に離れ過ぎると、プラズマ励起により生成されたラジカルやイオンが失活してしまうため、処理レートが実用的な値を下回ることがある。従って、プラズマ処理工程におけるウエハ２００の垂直方向における位置は、少なくともプラズマにより生成されたラジカルやイオンが失活しないような位置である必要がある。本実施形態に係る基板処理装置を用いた他の検証によれば、本検証においてサセプタ２１７上に載置されたベアウエハの高さ位置、すなわち共振コイル２１２の下端から１３８ｍｍ下方に離れた高さ位置においても、高さ位置（ｃ）（ｄ）と同様に、実用的な処理レートが実現される程度に高いプラズマ密度の分布を得られることが分かっている。従って、本実施形態に係る基板処理装置においては、少なくとも共振コイル２１２の下端から３８～１３８ｍｍの範囲の位置においてウエハを処理することにより、プラズマ処理におけるウエハの面内均一性を保ちながら、実用的な処理レートを実現することが可能である。
　また、発明者は他の検証として、上述の検証を行った条件に対して、供給されるＲＦ電力の電力値を実用的な範囲（例えば３０００Ｗや２５００Ｗ）で変化させた場合についても検証を行った。この場合、電力値が大きいほどウエハ２００の面方向全体に亘ってプラズマ密度が増大し、ウエハの面方向におけるプラズマ密度の偏りについても変化が生じることがあるが、一方、上述の高さの範囲においては、ウエハの面方向におけるプラズマ密度の偏りの傾向に大きな変化は生じないことを確認した。すなわち、上述の高さの範囲においては、供給されるＲＦ電力の電力値を変化させた場合であっても、プラズマ処理におけるウエハの面内均一性を確保できることが推測される。
　また同様に、発明者は他の検証として、上述の検証を行った条件に対して、処理室内圧力を実用的な範囲で変化（例えば５０Ｐａ）させた場合、ウエハの面方向全体に亘ってプラズマ密度が変化する一方（例えば１５０Ｐａの場合よりも５０Ｐａの場合はプラズマ密度が増大する）、ウエハの面方向におけるプラズマ密度の偏りの傾向に有意な変化は生じないことを確認した。すなわち、上述の高さの範囲においては、供給されるＲＦ電力の電力値や処理室内圧力を変化させた場合であっても、プラズマ処理に対するウエハの面内均一性を確保できることが推測される。
　また、上述の検証では、供給ガスをＯ２ガスとＨ２ガスの混合ガスとする実施形態についてのものであったが、発明者による他の検証によれば、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスを用いる場合であっても、上述の高さ範囲においては、プラズマ処理に対するウエハの面内均一性を確保できることが確認された。
　発明者による他の検証によれば、上述の検証を行った条件に対して、ガス流量、共振コイルの高さ幅、巻回ピッチ、巻数、供給される高周波電力の周波数、等のパラメータを実用上の範囲で変化させた場合であっても、プラズマ密度の均一性と高さ位置との関係に関しては同様の検証結果を得られることが推測される。
　また、プラズマ密度の均一性と高さ位置との関係は、主にプラズマ生成部の構成に依存すると考えられる。従って、上述のプラズマ本実施形態では、処理室２０１の上部に設けられたガス供給ヘッド２３６から処理ガスを供給するよう構成されているが、処理室に処理ガスを導入するための導入口の形状や位置が異なる場合であっても、同様の検証結果を得られることが推測される。
　また、図９に示された高さ位置（ａ）及び（ｂ）におけるプラズマ密度の分布によれば、本実施形態の場合、ウエハの面方向において、ウエハの中心から左右３０°の範囲の領域内では、プラズマ密度に大きな偏りが生じないことが分かる。すなわち、共振コイル２１２から中心方向に対して十分に離れた所定の領域にウエハを載置することによっても、プラズマ処理におけるウエハの面内均一性を確保できる。換言すれば、共振コイル２１２の巻径を、ウエハの径に対して十分に大きい所定の大きさになるように構成すればよい。もしくは、共振コイル２１２の巻径に対して十分に小さい所定の径を有するウエハを用いればよい。例えば、本実施形態においては、５００ｍｍの巻径を有する共振コイル２１２に対して、中心から左右３０°の範囲に入るウエハ、すなわち直径約１２７ｍｍ以下のウエハを用いればよい。
　ただし、共振コイル２１２の巻径を大きくすることには、コストやスペース等の観点から限界がある。また、所定以下の径を有するウエハを用いる場合には、より大型のウエハを処理することができない。従って、共振コイル２１２の巻径を大きくすることなく、より径の大きいウエハを処理するためには、共振コイル２１２の下端から下方に所定の範囲（本実施形態では３８～１３８ｍｍの範囲）の位置においてウエハを処理するように構成することがより望ましい。例えば、５００ｍｍの巻径を有する共振コイル２１２を用いて、直径が約１２７ｍｍより大きいウエハを処理する場合、共振コイル２１２の下端から下方に所定の範囲の位置においてウエハを処理するように構成することが望ましい。
　なお、本実施形態では、共振コイル２１２の下端から下方に３８～１３８ｍｍの範囲の位置においてウエハを処理する例を示したが、この範囲に限らず、共振コイル２１２の下端より下方の位置であって、ウエハ面上の面方向におけるプラズマ密度の偏り（面内偏差）が所定の許容範囲内となる高さ位置にウエハ２００を位置させるように、サセプタ２１７（基板載置部）の高さを制御するようにすればよい。例えば、共振コイル２１２の下端位置に対する複数の高さ位置におけるプラズマ密度の面内偏差を予め取得しておく。そして、ウエハに対する処理毎に設定される面内偏差の許容範囲に応じて、当該面内偏差の許容範囲に入るような面内偏差となる高さ位置にウエハ２００を位置させるようにサセプタ２１７の高さを制御すればよい。この際、プラズマ密度は共振コイル２１２の下端位置に近いほど高い傾向があるため、処理速度向上の観点からは、面内偏差の許容範囲内において最も共振コイル２１２の下端位置に近い位置にウエハ２００を位置させることがより望ましい。
　また、共振コイル２１２に供給されるＲＦ電力の電力値を変化させた際にプラズマ密度の面内偏差が変化することを考慮して、ＲＦ電力の電力値に応じてウエハ２００の高さ位置が最適となるようにサセプタ２１７を制御してもよい。例えば、RF電力の電力値毎に、共振コイル２１２の下端位置に対する複数の高さ位置におけるプラズマ密度の面内偏差を予め取得しておく。そして、設定されるＲＦ電力の電力値に応じて、許容される面内偏差となる高さ位置にウエハ２００を位置させるようにサセプタ２１７の高さを制御すればよい。この際も、処理速度向上の観点からは、面内偏差の許容範囲内において最も共振コイル２１２の下端位置に近い位置にウエハ２００を位置させることがより望ましい。同様に処理速度向上の観点からは、プラズマ密度が高い方が一般的に望ましいため、プラズマ密度の面内偏差の許容範囲内において、ＲＦ電力の電力値を最も高くなるように設定することが好適である。
＜本発明の他の実施形態＞
　上述の実施形態では、プラズマを用いて基板表面に対して酸化処理や窒化処理を行う例について説明したが、これらの処理に限らず、プラズマを用いて基板に対して処理を施すあらゆる技術に適用することができる。例えば、プラズマを用いて行う基板表面に形成された膜に対する改質処理やドーピング処理、酸化膜の還元処理、当該膜に対するエッチング処理、レジストのアッシング処理、等に適用することができる。
　本発明によれば、処理ガスをプラズマ励起することにより基板を処理する際に、基板面の上に生成されるプラズマの密度の偏りを低減し、基板処理の面内均一性を向上させることができる。
　　１００…処理装置 　　２００…ウエハ 　　２０１…処理室 　　２１２…共振コイル 　　２１７…サセプタ 

Claims (10)

  1. 処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通する基板処理空間と、を有する基板処理室と、
    前記基板処理空間内に設けられ、基板が載置されるよう構成される基板載置台と、
    前記プラズマ生成空間の外周に巻回するように設けられるコイルを備え、前記コイルの電気的長さが前記コイルに供給される高周波電力の波長の整数倍であって、前記コイルの直径が前記基板の直径より大きくなるよう構成される誘導結合構造と、
    前記基板載置台を昇降させるよう構成される基板支持台昇降部と、
    前記プラズマ生成空間に前記処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記基板を処理する際、前記基板載置台に載置された前記基板が前記コイルの下端より下方の高さに位置するように、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  2. 前記制御部は、前記基板を処理する際、前記基板載置台に載置された前記基板が前記コイルの下端から下方に３８ｍｍ以上離れた高さに位置するように、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成される、請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記制御部は、前記基板を処理する際、前記基板載置台に載置された前記基板が前記コイルの下端から下方に１３８mm以内の高さに位置するように、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成される、請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記基板の直径は約３００ｍｍであり、前記コイルの直径は５００ｍｍ以上である、請求項３に記載の基板処理装置。
  5. 前記コイルは前記高周波電力の波長の1倍の電気的長さを有している、請求項４に記載の基板処理装置。
  6. 処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通する基板処理空間と、を有する基板処理室内に基板を搬入する工程と、
    前記基板処理空間内に設けられる基板載置台に前記基板を載置する工程と、
    前記プラズマ生成空間の外周に対して前記基板の直径よりも直径が大きくなるように巻回するコイルの下端より下方の高さに、前記基板載置台に載置された前記基板が位置するように前記基板載置台を昇降させる工程と、
    前記処理ガスを前記プラズマ生成空間に供給する工程と、
    前記コイルに高周波電力を供給して前記コイルを共振させることにより、前記プラズマ生成空間に供給された前記処理ガスをプラズマ励起する工程と、
    励起されたプラズマにより前記基板載置台に載置された前記基板を処理する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  7. 前記基板載置台を昇降させる工程では、前記コイルの下端から下方に３８ｍｍ以上離れた高さに前記基板が位置するように、前記基板載置台を昇降させる、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記基板載置台を昇降させる工程では、前記コイルの下端から下方に１３８ｍｍ以内の高さに前記基板が位置するように、前記基板載置台を昇降させる、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記基板の直径は約３００ｍｍであり、前記コイルの直径は５００ｍｍ以上である、請求項８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通する基板処理空間と、を有する基板処理室内に基板を搬入する手順と、
    前記基板処理空間内に設けられる基板載置台に前記基板を載置する手順と、
    前記プラズマ生成空間の外周に前記基板の直径よりも直径が大きくなるように巻回するコイルの下端より下方の高さに、前記基板載置台に載置された前記基板が位置するように前記基板載置台を昇降させる手順と、
    前記処理ガスを前記プラズマ生成空間に供給する手順と、
    前記コイルに高周波電力を供給して、前記コイルを共振させることにより、前記プラズマ生成空間に供給された前記処理ガスをプラズマ励起する手順と、
    励起されたプラズマにより前記基板載置台に載置された前記基板を処理する手順と、
    をコンピュータにより基板処理装置に実行させるプログラム。  
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