JP3319285B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置お
よびプラズマ処理方法に係り、特に半導体製造工程にお
ける微細なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理
装置およびプラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平６−２６７９００号公報では、高
周波停止時間を１０マイクロ秒、繰り返し周波数を１０
ｋＨｚ以上でＯＮ−ＯＦＦパルス変調された高周波電源
を用い、解離反応やイオン温度を制御し、エッチングを
高精度化することが記載されている。この公報では、Ｎ
₂ガスプラズマでのパルス停止時間とプラズマ密度特性
が記載されており、パルスの停止時間であるインタ−バ
ル時間は、パルス密度を低下させないことも考慮し、１
０マイクロ秒以下が最適であることが記載されている。 ま
た、一方、ＣＨＦ３プラズマでパルス停止時間を１０マイ
クロ秒に固定した状態でパルス幅を低下させると、好まし
くないＦラジカルと好ましいＣＦ２ラジカルとの比：Ｆ
／ＣＦ２が低下し、酸化膜エッチングにおいて下地シリ
コンとの選択比が改善される。しかし、この例では、パ
ルスの停止時間を１０マイクロ秒以上にすると、プラズマ密
度が低下し、それとともにエッチング速度が低下するた
め、好ましくないことが示されている。

【０００３】また、プラズマを用い、半導体のエッチン
グ処理や成膜処理等を行う技術分野において、被処理物
（例えば半導体ウェハ基板、以下試料と略する。）を配
置する試料台に対して、プラズマ中のイオンを加速する
ためのバイアス用高周波電源と、静電吸着力によって試
料を試料台に保持させる静電吸着膜とを備えた処理装置
として、ＵＳＰ５，３２０，９８２号明細書等に記載の
ものがある。

【０００４】このＵＳＰ５，３２０，９８２号明細書記
載の装置は、マイクロ波でプラズマを発生させ、静電吸
着力によって試料を試料台に保持させると共に試料と試
料台との間に伝熱ガスを介在させて試料の温度制御を行
いながら、正弦波出力の高周波電源をバイアス電源とし
て、該電源を試料台に接続して試料に入射するイオンエ
ネルギーを制御するものである。

【０００５】また、特開昭６２−２８０３７８号公報で
は、プラズマー電極間の電界強度を一定化するパルス状
のイオン制御バイアス波形を発生させ試料台に印加する
ことにより、試料に入射するイオンエネルギーの分布幅
を狭くでき、エッチングの加工寸法精度や被処理膜と下
地材とのエッチング速度比を数倍に上げることが可能と
なることが記載されている。

【０００６】また、特開平６−６１１８２号公報では、
電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発生さ
せ、試料に、パルスデューティが０．１％程度以上の幅
のパルスバイアスを印加し、ノッチの発生を防止するこ
とが記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図１にアルゴンガスを
比較的高いガス圧力（１ Torr）で直流放電を発生させ
た時の、電子のエネルギ−分布（以下ＥＥＤＦと略す）
を実線で、またマックスウエル分布を点線で示す。通常
のガスを電離させるさせるためには、１５電子ボルト
（以下ｅＶと略す）程度以上の電子エネルギ−を必要と
している。一方、半導体のプラズマ処理に使われるガス
の解離には１０ｅＶ程度以下の電子エネルギ−で十分な
場合がほとんどである。従って、ガスの解離のみを考え
れば、１５ｅＶ以上の高エネルギ−の電子は不要であ
り、解離を必要以上に進めすぎて、細かすぎるラジカ
ル、分子あるいは原子にまで解離させるため悪影響の方
が大きい。上記図１の実線で示すように、ガス圧力の高
い領域では、電子とガスとの衝突が頻繁に生じるため、
１５ｅＶ程度以上の高エネルギ−の電子の数は、少な
い。このため上記の悪影響は、比較的低く押さえること
が出来る。しかし、半導体製造工程における、近年のパ
タ−ンの高精細化に対応するには、処理圧力は、５０mT
orr程度以下にする必要がでてきた。この低圧力領域で
は、ＥＥＤＦは、図１の点線で示したマックスウエル分
布に近づき、１５ｅＶ程度以上の高エネルギ−の電子の
数が増え、電離が盛んとなりイオンが増加しプラズマ密
度も増えるが、上記の悪影響が、特に酸化膜エッチング
処理で顕著になってきている。この傾向は、処理の高速
化をはかるため、高電力を注入し高密度プラズマにて試
料を処理するときに、更に顕著となっている。

【０００８】すなわち、低圧力−高密度−過剰解離の防
止の３つを総て満たすプラズマは、得られていないのが
現状である。

【０００９】前記従来例で述べた特開平−２６７９００
号公報では、停止時間が１０マイクロ秒以下でかつ繰返し周
波数１０ｋＨｚ以上でＯＮ−ＯＦＦされた高周波電界を
印加することにより、過剰解離を防いでいるが、まだ不
十分である。この方法では、過剰解離の防止を十分に行
おうとすると、停止時間を１０マイクロ秒以上にする必要が
あるが、停止時間の増大とともに、処理速度が大幅に低
下し実用的ではなくなる大きな欠点がある。

【００１０】また、特開昭６２−２８０３７８号公報や
特開平６−６１１８２号公報に記載のパルスバイアス電
源方式は、試料台電極と試料との間に静電吸着用誘電体
層を使用して試料にパルスバイアスを印加する場合の検
討がなされておらず、静電吸着方式にそのまま適用する
と静電吸着膜の両端間に発生する電圧の変化によりイオ
ンエネルギー分布が広がるため、試料に十分な温度制御
を行いながら、必要とする微細パターンの処理に対処す
ることができない欠点があった。

【００１１】また、ＵＳＰ５，３２０，９８２号明細書
に記載された従来の正弦波出力バイアス電源方式では、
周波数が高くなると、シース部のインピーダンスがプラ
ズマ自身のインピーダンスに近づくか、それ以下になる
ため、バイアス電源により不要なプラズマが生じイオン
の加速に有効に使われなくなって、プラズマ分布の悪化
やプラズマで発生する粒子種の変化をきたしたりバイア
ス電源によるイオンエネルギーの制御性が失われる等の
欠点があった。

【００１２】本発明の目的は、このよううな従来技術の
問題点を解決するためになされたもので、イオン、ラジ
カルの生成量や質を制御し、試料の静電吸着により温度
制御性を改善し、必要とする微細パターンの処理を精度
良く高速で安定して行うプラズマ処理装置及びプラズマ
処理方法を提供することにある。

【００１３】本発明の他の目的は、イオンとラジカル生
成の量や質を制御し、狭いイオンエネルギー分布を得て
高速で安定して制御性良くプラズマ処理の選択性等を向
上できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供
することにある。

【００１４】本発明の他の目的は、イオンとラジカル生
成の量や質を制御し、比較的低いガス圧下において試料
を処理することにより、微細パターンの精密な加工が容
易で、かつ、プラズマ処理の選択比や速度等を向上させ
た、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する
ことにある。

【００１５】本発明の他の目的は、イオンとラジカル生
成の量や質を制御し、試料中の絶縁膜（例えばＳｉＯ2,
ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）に対するプラズマ処理の選択性
や速度等を向上させたプラズマ処理装置及びプラズマ処
理方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の一つは、プラズ
マ中に比較的微量存在する準安定原子の種類や数により
プラズマの生成特性が大きく変化する性質を有効に活用
し、イオンとラジカルの量と質をかなり独立に制御して
いる。つまり、準安定原子を生成するためには、８〜２
０ｅＶのかなり高いエネルギ−を必要とするが、準安定
原子が存在している状態では５ｅＶ程度以下の低いエネ
ルギ−で容易に電離が起きる。準安定原子を生成する場
所あるいはタイミングと、準安定原子が多数存在する状
態で比較的低エネルギ−のプラズマを生成する場所ある
いはタイミングとを異ならせ別々に設定することによ
り、イオンとラジカルの量と質の制御性を大幅に改善す
ることができる。

【００１７】すなわち、瞬時電力の大きい高周波源で強
いプラズマを発生させる第一のプラズマ生成手段により
多くの準安定原子を発生させ、その準安定原子を真空処
理室内に存在させた状態で、瞬時電力の小さい高周波源
で比較的弱いプラズマを発生させる第二のプラズマ生成
手段によりイオンと過剰に解離していないラジカルを発
生させる。

【００１８】このよう構成することにより、５０ｍＴｏ
ｒｒ程度以下の低いガス圧で高密度のプラズマにおいて
も、図１の実線で示したものと類似もしくはさらに電子
温度が低く、１５ｅＶ以上の高エネルギ−の電子が大幅
に少ないＥＥＤＦを得ることができる。

【００１９】すなわち、従来のプラズマでは達せられな
かった、低ガス圧−高密度−過剰解離の防止が可能とな
った。ここで、イオンの数は、主に第一のプラズマ生成
手段による準安定原子の数で決定され、一方、ラジカル
の数や質は、第二のプラズマ生成手段により主に決定さ
れる。第一のプラズマを生成する場所は、第二のプラズ
マを生成する場所と異なる場合と、第二のプラズマを生
成する場所と同じ場所だがプラズマを発生させるタイミ
ングが異なる場合と、いずれの場合も本発明を適用する
ことができる。

【００２０】上記により生成されたイオンやラジカルを
用い高性能の処理性能を得るには、更に、試料に入射す
るイオンのエネルギ−を所定の大きさでかつエネルギ−
の分布幅を狭くする必要がある。このためには、パルス
状のバイアス電圧を試料台に印加するのが好ましい。ま
た、試料の温度制御性を改善するには、試料を試料台に
静電気にて吸着し、数ミクロンから数十ミクロンの厚さで数Torr
から数十Torrのガス層を通して熱の伝導を行う様に構成
する。

【００２１】本発明の特徴は、真空処理室と、該真空処
理室内で処理される試料を配置するための試料台と、プ
ラズマ生成手段とを有するプラズマ処理装置であって、
前記試料を静電吸着力によって前記試料台に保持する静
電吸着手段と、前記試料にバイアス電圧を印加するバイ
アス印加手段と、前記真空処理室の内もしくは外にプラ
ズマを発生させる第一のプラズマ生成手段と、前記真空
処理室内にプラズマを発生させる第二のプラズマ生成手
段とを具備し、イオンとラジカル生成の量や質を制御し
ていることにある。

【００２２】本発明の特徴は、真空処理室と、該真空処
理室内で処理される試料を配置するための試料台と、プ
ラズマ生成手段とを有するプラズマ処理装置であって、
前記試料を静電吸着力によって前記試料台に保持する静
電吸着手段と、前記試料にバイアス電圧を印加するバイ
アス印加手段と、前記真空処理室の内もしくは外にプラ
ズマを発生させる第一のプラズマ生成手段と、前記真空
処理室内にプラズマを発生させる第二のプラズマ生成手
段とを具備し、前記第一のプラズマ生成手段の瞬時電力
が、前記第２のプラズマ生成手段の瞬時電力の２倍以上
かつ１００倍以下に設定し、イオンとラジカル生成の量
や質を制御していることにある。

【００２３】本発明の他の特徴は、真空処理室と、該真
空処理室内で処理される試料を配置するための試料台
と、前記真空処理室の内もしくは外にプラズマを発生さ
せる第一のプラズマ生成手段と、前記真空処理室内にプ
ラズマを発生させる第二のプラズマ生成手段と、前記試
料を静電吸着力によって前記試料台に保持する静電吸着
手段と、前記試料にパルスバイアス電圧を印加するパル
スバイアス印加手段とを備え、イオンとラジカル生成の
量や質を制御していることにある。

【００２４】本発明の他の特徴は、真空処理室と、該真
空処理室内で処理される試料を配置するための試料台
と、前記真空処理室の内もしくは外にプラズマを発生さ
せる第一のプラズマ生成手段と、前記真空処理室内にプ
ラズマを発生させる第二のプラズマ生成手段と、前記試
料を静電吸着力によって前記試料台に保持する静電吸着
手段と、前記試料にパルスバイアス電圧を印加するパル
スバイアス印加手段とを備え、イオンとラジカル生成の
量や質をに制御し、前記プラズマ生成源として１０MHｚ
〜５００MHｚの高周波電圧を印加するとともに、前記真
空処理室を５mTorr〜５０mTorrに減圧するように構成し
たことにある。

【００２５】本発明の他の特徴は、真空処理室と、該真
空処理室で処理される試料を配置するための試料台と、
前記真空処理室の内もしくは外にプラズマを発生させる
第一のプラズマ生成手段と、前記真空処理室内にプラズ
マを発生させる第二のプラズマ生成手段と、前記試料を
静電吸着力によって前記試料台に保持する静電吸着手段
と、前記試料にパルスバイアス電圧を印加するパルスバ
イアス印加手段とを備え、前記パルスバイアス電圧の印
加に伴い前記静電吸着手段の静電吸着容量に対応して発
生する電圧の変化を抑制する電圧抑制手段とを設け、イ
オンとラジカル生成の量や質を制御していることにあ
る。

【００２６】本発明の他の特徴は、真空処理室と、該真
空処理室で処理される試料を配置するための試料台と、
前記真空処理室の内もしくは外にプラズマを発生させる
第一のプラズマ生成手段と、前記真空処理室内にプラズ
マを発生させる第二のプラズマ生成手段と、前記試料を
静電吸着力によって前記試料台に保持する静電吸着手段
と、一方の電極に試料が配置される一対の対向する電極
と、該試料のエッチング時に前記一方の電極に、２５０
Ｖ〜８００Ｖのパルス振幅と０．０５〜０．４のデュー
ティ比を有するパルスバイアス電圧を印加するパルスバ
イアス印加手段とを備え、イオンとラジカルの量や質を
独立に制御し、前記試料中の絶縁膜（例えばＳｉＯ2,
ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）を前記プラズマを用いて処理する
ことにある。

【００２７】本発明の他の特徴は、真空処理室内に設置
された試料台に試料を配置するステップと、該配置され
た試料を静電吸着力によって前記電極に保持するステッ
プと、ガスを導入するステップと、該導入されたガスを
プラズマ化する第一のプラズマ化のステップと、少なく
とも該プラズマ化されたガスを含んで前記試料が配置さ
れた雰囲気にてさらにプラズマ化する第二のプラズマ化
のステップと、、前記プラズマにより前記試料をエッチ
ングするステップと、該エッチング時に、試料台の電極
にバイアス電圧を印加するステップからなり、イオンと
ラジカル生成の量や質を制御し反応の高選択化を図ると
ともに、処理の異方性と処理の高速化を兼備したプラズ
マ処理方法にある。

【００２８】本発明の他の特徴は、前記第一のプラズマ
化のステップの供給電力の瞬時値が、前記第二のプラズ
マ化のステップの供給電力の瞬時値の２倍以上でかつ１
００倍以下に設定し、イオンとラジカル生成の量や質を
制御し反応の高選択化を図るとともに、処理の異方性と
処理の高速化を兼備したプラズマ処理方法にある。

【００２９】本発明の他の特徴は、真空処理室に設けら
れた対向する一対の電極の一方に試料を配置するステッ
プと、該試料を静電吸着力によって前記電極に保持する
ステップと、ガスを導入するステップと、該導入された
ガスをプラズマ化する第一のプラズマ化のステップと、
少なくとも該プラズマ化されたガスを含んで前記試料が
配置された雰囲気にて１０MHｚ〜５００MHｚの高周波電
圧を印加しさらにプラズマ化する第二のプラズマ化のス
テップと、、前記プラズマにより前記試料をエッチング
するステップと、該エッチング時に、試料台の電極にバ
イアス電圧を印加するステップと、前記雰囲気を、５mT
orr〜５０mTorrに減圧排気するステップとからなり、イ
オンとラジカル生成の量や質を制御し反応の高選択化を
図るとともに、処理の異方性と処理の高速化を兼備した
プラズマ処理方法にある。

【００３０】本発明の他の特徴は、対向する電極の一方
の電極に試料を配置するステップと、該配置された試料
を静電吸着力によって前記電極に保持するするステップ
と、ガスを導入するステップと、該導入されたガスをプ
ラズマ化する第一のプラズマ化のステップと、少なくと
も該プラズマ化されたガスを含んで前記試料が配置され
た雰囲気にてさらにプラズマ化する第二のプラズマ化の
ステップと、、前記プラズマにより前記試料をエッチン
グするステップと、該エッチング時に、試料台の電極に
バイアス電圧を印加するステップからなり、該エッチン
グ時に前記試料台電極に、２５０Ｖ〜８００Ｖのパルス
振幅と０．０５〜０．４のデューティ比を有するパルス
バイアス電圧を印加するステップからなり、イオンとラ
ジカル生成の量や質を制御し、前記試料中の絶縁膜（例
えばＳｉＯ2, ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）をプラズマ処理す
ることにある。

【００３１】本発明の他の特徴は、前記プラズマ処理装
置において、第一のプラズマ化手段と、第二のプラズマ
化手段とを、パルス変調された一つの高周波電源のそれ
ぞれ高出力のタイミング部分と低出力のタイミング部分
とに対応させて、イオンとラジカル生成の量や質を制御
し反応の高精度化を図るとともに、処理の異方性と処理
の高速化を兼備したプラズマ処理装置にある。

【００３２】本発明によれば、イオンとラジカル生成の
量や質を制御し反応の高精度化を図るとともに、静電吸
着用誘電体層を有する静電吸着手段を備えた試料台に所
定の特性のパルス状バイアス電源を印加することによ
り、試料の温度制御性を十分に行ないつつ、必要とする
微細パターンの処理を異方性よく高速に安定して行うこ
とが出来る。

【００３３】さらに、イオンとラジカル生成の量や質を
制御し、狭いイオンエネルギー分布を得て、安定して制
御性良くプラズマ処理の選択性等を向上させることがで
きる。

【００３４】また、本発明によれば、イオンとラジカル
生成の量や質を制御し、パルスバイアス電圧の印加に伴
い静電吸着手段の静電吸着容量に対応して発生する電圧
の変化を抑制する電圧抑制手段として、パルス一周期中
の静電吸着により誘電体層の両端に加わる電圧変化が、
パルスバイアス電圧の大きさの１／２以下となるように
構成する。具体的には、下部電極の表面に設けられた誘
電体の静電チャック膜の膜厚を薄くしたり、誘電体を比
誘電率の大きい材料とする。あるいはまた、パルスバイ
アス電圧の周期を短くして誘電体層の両端に加わる電圧
の上昇を抑制する方法を採用しても良い。

【００３５】また、本発明によれば、イオンとラジカル
生成の量や質を制御し、試料のエッチング時に前記一方
の電極に、２５０Ｖ〜８００Ｖのパルス振幅と０．０５
〜０．４のデューティ比を有するパルスバイアス電圧を
印加することにより、試料中の絶縁膜（例えばＳｉＯ2,
ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）に対するプラズマ処理の選択性
等を向上させることができる。

【００３６】さらに、本発明の他の特徴によれば、イオ
ンとラジカル生成の量や質を制御し、プラズマ発生用の
高周波電源として、１０MHｚ〜５００MHｚの高周波電圧
を用い、処理室内のガス圧力を、５mTorr〜５０mTorrの
低圧としている。これにより、安定したプラズマが得ら
れる。また、このような高周波電圧を用いることにより
ガスプラズマの電離がよくなり、試料加工時の選択比制
御が良くなるとともに、比較的低いイオンエネルギで高
速の処理が得られるため、試料が受けるダメ−ジも低く
押さえる事が出来る。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を説明す
る。まず図２に、本発明を対向する電極型のプラズマエ
ッチング装置へ適用した第一の実施例を示す。

【００３８】図２において、真空容器としての処理室１
０は、上部電極１２と下部電極１５とから成る一対の対
向する電極を備えている。平行平板電極１２，１５の間
隙は、１０mm〜５０mm程度とするのが望ましい。上部電
極１２には、高周波エネルギーを供給する高周波電源１
６が、高周波電源変調信号源１６１を介して接続されて
いる。上部電極１２の下側表面には、シリコン、カーボ
ンもしくはＳｉＣからなるフッ素や酸素の除去板として
の上部電極カバー３０が設けられている。また、上部電
極１２の上部にはガスを所望の分布に拡散するガス拡散
板３２を備えたガス導入室３４が設けられている。処理
室１０には、ガス供給部３６からガス導入室３４のガス
拡散板３２、上部電極１２及び上部電極カバー３０に設
けられた孔３８を介して、試料のエッチング等の処理に
必要なガスが供給される。外室１１は、外室にバルブ１
４を介して接続された真空ポンプ１８により真空排気さ
れ、処理室１０が試料の処理圧力に調整される。処理室
１０の周囲には放電止じ込め用リング３７が設けられて
いる。

【００３９】なお、本発明における平行平板電極１２，
１５は、相対向する一対の電極があれば良く、プラズマ
生成特性等の要求から平行平板電極１２，１５が凹面あ
るいは凸面を持つものであっても良い。

【００４０】試料４０を保持する下部電極１５は、２極
式の静電チャック２０を備えた構成となっている。すな
わち、下部電極１５は、外側の第１下部電極１５Ａと、
その内側上方に絶縁体２１を介して配置された第２下部
電極１５Ｂによって構成され、第１、第２両下部電極の
上表面に静電吸着用誘電体層（以下、静電吸着膜と略称
する）２２が設けられている。第１、第２両下部電極間
には、高周波成分カット用のコイル２４Ａ，２４Ｂを介
して直流電源２３が接続されており、第２下部電極１５
Ｂ側が正になるようにして両下部電極間に直流電圧を印
加する。これにより、静電吸着膜２２を介して試料４０
と両下部電極間に作用するクーロン力により、試料４０
が下部電極１５上に吸着、保持される。静電吸着膜２２
としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化アルミニウ
ムにチタン酸化物を混合したものなどの誘電体を使用す
ることができる。また、電源２３としては、数１００Ｖ
の直流電源を用いる。

【００４１】また、下部電極１５（１５Ａ，１５Ｂ）に
は、２０Ｖ〜８００Ｖの正のパルスバイアスを供給する
パルスバイアス電源１７が、ＤＣ成分をカットするブロ
ッキングコンデンサ１９Ａ，１９Ｂを介してそれぞれ接
続されている。

【００４２】エッチング処理を行う場合、処理の対象物
である試料４０は、処理室１０の下部電極１５の上に載
置され、静電チャック２０により吸着される。一方、ガ
ス供給部３６からガス導入室３４を介して、試料４０の
エッチング処理に必要なガスが処理室１０に供給され
る。外室１１は真空ポンプ１８により真空排気され、処
理室１０が試料の処理圧力、例えば５mTorr〜５０mTorr
になるように減圧排気される。次に、高周波電源１６よ
り１０MHｚ〜５００MHｚ、望ましくは３０MHｚ〜２００
MHｚの高周波電力を出力して、処理室１０の処理ガスを
プラズマ化する。他方、下部電極１５に、パルスバイア
ス電源１７から電圧２０Ｖ〜８００Ｖで周期が０．１μ
s〜１０μs、好ましくは、０．２μs〜５μsでパルス幅
が０．０５μｓ〜０．５μｓの正のパルスバイアスを印
加し、試料に入射する電子やイオンのエネルギ−を制御
して試料４０に対する所定のエッチング処理を行う。

【００４３】なお、高周波電源１６は、高周波電源変調
信号源１６１により、パルス幅１〜５０μｓ、パルス周
期２０μｓ〜１ｍｓ、パルスデュティ比（パルス幅／パ
ルス周期）として１／３〜１／５０でパルス変調されて
おり、パルス幅部分の瞬時電力をその他のタイミング部
分の瞬時電力の２倍〜１００倍の強さで加え、パルス幅
の部分で準安定原子を効率良く生成させる。一方前記の
その他のタイミング部分では、前記準安定原子の存在の
もとに比較的低い瞬時電力の高周波電力を印加し電離の
促進を図り高密度のプラズマを得るとともに、１５ｅＶ
以上の高いエネルギ−の電子の生成を押さえて処理ガス
の過剰解離を阻止し、プラズマ処理に望ましい比較的低
い１０ｅＶ程度以下の電子エネルギ−での解離を促進さ
せる。なお、瞬時電力の大きいパルス幅部分においては
高いエネルギ−の電子が発生するが、高いエネルギ−の
電子は、数μｓで消滅するため、パルスデュティ比を１
／３以下、好ましくは１／５以下の低い値にし、パルス
周期を２０μｓ以上することによりその影響は小さくな
る。また、準安定原子は、その寿命が長く、衝突による
消滅を考慮しても、数十μｓ〜数百μｓの期間は存在を
続ける。前記のその他のタイミング部分では、この準安
定原子の存在により５ｅＶ程度以下の比較的低いエネル
ギ−の電子によっても効率良く電離が起きるので、高密
度のプラズマが高エネルギ−電子の存在なしで維持され
る。上記のその他のタイミング部分の瞬時電力を変化さ
せることにより、表面反応を起こすラジカルの数と解離
の程度を制御する。一方、上記パルス幅部分の瞬時電力
を変化することにより、主にイオンの数を制御する。好
ましくは、パルス幅部分の瞬時電力としては、その他の
タイミング部分の瞬時電力の２倍〜１００倍、好ましく
はの５倍〜２０倍程度の強さで加え、パルス幅の部分で
準安定原子を効率良く生成させるとともに、その他のタ
イミング部分における過剰解離の防止と必要なラジカル
の数の確保を行う。

【００４４】エッチングガスは、ガス拡散板３２で所望
の分布にされた後、上部電極１２及び上部電極カバー３
０に明けられた孔３８を通して処理室１０に注入され
る。

【００４５】また上部電極カバー３０には、カーボンや
シリコンあるいはこれらを含有するものを用い、フッ素
や酸素成分を除去してレジストやシリコン等の下地との
選択比を向上させる。

【００４６】絶縁膜（たとえばＳｉＯ２，ＢＰＳＧ等）
をエッチング処理する場合のガス種の例としては、希ガ
ス：２００ｃｃｍ，C4F8： １０ｃｃｍ ，ガス圧：２
０mTorrで、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、キ
セノン等）の準安定原子を活用し、希ガス自身の電離を
促進する場合や；希ガス１：２００ｃｃｍ，希ガス２：
２０ｃｃｍ，Ｃ４Ｆ８：１０ｃｃｍ、ガス圧２０mTorr
で、希ガス１（ヘリウム、ネオン、等）の準安定原子を
活用してそのエネルギ−準位より低い電離準位を持つ希
ガス２（アルゴン、クリプトン、キセノン等）の電離を
促進する場合等がある。このようにして、高エネルギ−
の電子を少なくすることにより、Ｃ４Ｆ８は過剰の解離
が防止され、絶縁膜処理に好都合のＣＦ２を多量に生成
できる。希ガスとＣ４Ｆ８ガスとの比を変更することに
より、イオンとラジカルとの量の比を変化することがで
きる。選択性等の特性をさらに改善するために、水素成
分を含むガス（CHF3,CH2F2,CH3F,CH4,CH3OH等）を加え
たりしてもよい。

【００４７】処理室１０の周囲は、放電止じ込め用リン
グ３７によってプラズマを試料４０の周辺に極在化させ
ることにり、プラズマ密度の向上を図ると共に、放電止
じ込め用リング３７より外の部分への不要なデポ物の付
着を最小とさせる。

【００４８】なお、放電止じ込め用リング３７として
は、石英等の絶縁体を用いるのがよい。但し、カーボン
やシリコンあるいはＳｉＣ等の半導体や導電材を用い、
高周波電源に接続しイオンによるスパッタを生じさせる
と、リング３７へのデポ付着を低減すると共にフッ素や
酸素の除去効果も持たせることができる。

【００４９】なお、試料４０の周辺の絶縁体１３上に、
カーボンやシリコンあるいはこれらを含有するサセプタ
カバー３９を設けると、フッ素や酸素を除去出来るの
で、選択比の向上に役立つ。

【００５０】また、直流電源２３の電位により、誘電体
の静電吸着膜２２を挟んで下部電極１５（１５Ａ，１５
Ｂ）と試料４０を介してして静電吸着回路が形成され
る。この状態で試料４０は静電気力により下部電極１５
に係止、保持される。静電気力により係止された試料４
０の裏面には、ヘリウム、窒素、アルゴン等の冷却ガス
が供給される。冷却ガスは、下部電極１５の凹部に充填
されるが、その圧力は、数トールから数１０トールの範
囲とする。なお、静電吸着力は、ギャップが設けられた
凹部の間では、ほとんどゼロであり、下部電極１５の凸
部においてのみ静電吸着力が発生しているとみなせる。
しかし、後で述べるように、直流電源２３に電圧を適切
に設定して、冷却ガスの圧力に十分耐えることのできる
吸着力を設定することができるので、冷却ガスにより試
料４０が動いたり飛ばされたりすることはない。

【００５１】試料の微細加工性を向上させるには、プラ
ズマ発生用高周波電源１６としてより高い周波数のもの
を用い、低ガス圧領域での放電の安定化を計るのがよ
い。本発明では、処理室１０における試料の処理圧力を
５mTorr〜５０mTorrとしている。処理室１０内のガス圧
力を５０mTorr以下の低圧にすることにより、シース中
でのイオンの衝突が少なくなるので、試料４０の処理に
際して、イオンの方向性が増し垂直な微細加工が可能に
なった。なお、５mTorr以下では、同じ処理速度を得る
には、排気装置や高周波電源が大型化すると共に、電子
温度の上昇による必要以上の解離が生じ、特性が劣化す
る傾向がある。

【００５２】一般に、平行平板電極を用いたプラズマ発
生用の電源の周波数と安定的に放電が行われる最低のガ
ス圧力との間には、電源の周波数が高くなるほど、電極
間距離が大きくなるほど、安定放電最低ガス圧が低下す
るという関係がある。周囲の壁や放電閉込めリング３７
へのデポ等の悪影響を避け、上部電極カバー３０やサセ
プタカバー３９や試料中のレジスト等によるフッ素や酸
素を除去する効果を有効に機能させるために、最高ガス
圧５０mTorr時の平均自由工程の３０倍以下に対応し
て、電極間距離を５０mm程度以下とするのが望ましい。
また、電極間距離として、最高ガス圧（５０mTorr）時
の平均自由工程の２〜４倍（３mm〜６mm）程度以上でな
いと、安定な放電が困難となる。

【００５３】図２に示す本発明の一実施例では、プラズ
マ発生用高周波電源１６として、１０MHｚ〜５００MH
ｚ、望ましくは３０MHｚ〜２００MHｚの高周波電力を用
いるため、処理室内のガス圧力を、５mTorr〜５０mTorr
の低圧にしても、安定したプラズマが得られ、微細加工
性を向上させることができる。また、このような高周波
電力を用いることによりガスプラズマの解離が良くな
り、試料加工時の選択比制御が良くなる。

【００５４】ところで、静電吸着膜２２は、イオンに対
するパルスバイアスの作用を阻害する様に作用する。本
発明では、パルスバイアスの印加に伴い静電吸着膜２２
の両端間に発生する電圧の上昇を抑制し、パルスバイア
スの効果を高めるために、電圧抑制手段を設けたことに
１つの特徴がある。

【００５５】電圧抑制手段の一例としては、パルスバイ
アスの印加に伴い静電吸着膜の両端間に生ずるバイアス
電圧の一周期中の電圧の変化（Ｖ_CM）が、パルスバイア
ス電圧の大きさ(Ｖ_p)の１／２以下となるように構成す
るのが良い。具体的には、下部電極１５の表面に設けら
れた誘電体からなる静電吸着膜の膜厚を薄くしたり、誘
電体を誘電率の大きい材料とすることにより、誘電体の
静電容量を増す方法がある。

【００５６】あるいはまた、他の電圧抑制手段として、
パルスバイアス電圧の周期を短くして電圧Ｖ_CMの上昇を
抑制する方法もある。さらに、静電吸着回路とパルスバ
イアス電圧印加回路を別な位置、例えば試料が配置保持
される電極とは別の対向する電極、あるいは別に設けた
第三の電極に、分離して設ける方法も考えられる。

【００５７】次に、本発明における電圧抑制手段により
もたらされるべき、パルスバイアス一周期中の静電吸着
膜の両端間に生じる電圧の変化（Ｖ_CM）とパルスバイア
ス電圧の関係について、図３〜図９を用いて詳細に述べ
る。

【００５８】まず、本発明のパルスバイアス電源１７に
おいて使用する望ましい出力波形の例を図３に示す。図
中、パルス振幅：ｖ_p ，パルス周期：Ｔ₀ ，正方向パル
ス幅：Ｔ₁ とする。

【００５９】図３（Ａ）の波形をブロッキングコンデン
サ，静電吸着用誘電体層（以下、静電吸着膜と略称す
る）を経由して試料に印加した時、別の電源によりプラ
ズマを発生させた状態での定常状態での試料表面の電位
波形を図３（Ｂ）に示す。

【００６０】 ただし、波形の直流成分電圧 ：Ｖ_DC プラズマのフローティングポテンシャル：Ｖ_f 静電吸着膜の両端間に生じる電圧の一周期中の最大電
圧：Ｖ_CM とする。

【００６１】図３（Ｂ）中、Ｖ_f より正電圧となってい
る（Ｉ）なる部分は、主に電子電流のみを引き込んでい
る部分であり、Ｖ_f より負の部分は、イオン電流を引き
込んでいる部分，Ｖ_f の部分は、電子とイオンとがつり
あっている部分（Ｖ_f は通常数Ｖ〜十数Ｖ）である。

【００６２】なお、図３（Ａ）および今後の説明では、
ブロッキングコンデンサの容量や試料表面近辺の絶縁体
による容量は静電吸着膜による容量（以下静電吸着容量
と略称する）に比べて十分大きいと仮定している。

【００６３】Ｖ_CMの値は次の式（数１）で表わされる。

【００６４】

【数１】

【００６５】 但し、ｑ：（Ｔ₀−Ｔ₁）期間に試料に流入するイオン電流密度（平均値） ｃ：単位面積当りの静電吸着容量（平均値） ｉ_i ：イオン電流密度， ε_r ：静電吸着膜の比誘電率 ｄ：静電吸着膜の膜厚 ε₀ ：真空中の誘電率（定数） Ｋ：静電吸着膜の電極被覆率（≦１） 図４及び図５に、パルスデューティ比：（Ｔ₁／Ｔ₀）は
一定のままＴ₀ を変化させた時の試料表面の電位波形と
イオンエネルギーの確率分布を示す。但し、Ｔ₀₁，
Ｔ₀₂：Ｔ₀₃：Ｔ₀₄：Ｔ₀₅＝１６：８：４：２：１とす
る。

【００６６】図４の（１）に示す様に、パルス周期Ｔ₀
が大きすぎると、試料表面の電位波形は矩形波から大き
くはずれ、三角波になり、イオンエネルギーは図５に示
すように、低い方から高い方まで一定の分布となり好ま
しくない。

【００６７】図４の（２）〜（５）に示す様に、パルス
周期Ｔ₀ を小さくするにつれて、（Ｖ_CM／ｖ_p ）は１よ
りも小さな値となり、イオンエネルギー分布も狭くなっ
てゆく。

【００６８】図４，図５においてＴ₀＝Ｔ₀₁，ＴＯ₀₂，
Ｔ₀₃，Ｔ₀₄，Ｔ₀₅は、（Ｖ_CM／ｖ_p ）＝１，０.６３，
０.３１，０.１６，０.０８に対応している。

【００６９】次に、パルスのオフ（Ｔ₀−Ｔ₁）期間と、
静電吸着膜の両端間に生じる電圧の一周期中の最大電圧
Ｖ_CMの関係を図６に示す。

【００７０】静電吸着膜として、厚み０.３mmの酸化チ
タン含有アルミナ（ε_r＝１０）を用いて電極の約５０
％を被膜（Ｋ＝０.５ ）した場合、イオン電流密度ｉ_i
＝５ｍＡ／cm² の中密度プラズマ中でのＶ_CMの値の変化
を図６の太線（標準条件の線）で示す。

【００７１】図６から明らかなように、パルスのオフ
（Ｔ₀−Ｔ₁）期間が大きくなるにつれ、静電吸着膜の両
端間に生じる電圧Ｖ_CMはそれに比例して大きな値とな
り、通常使用されるパルス電圧ｖ_p 以上になってしま
う。

【００７２】例えば、プラズマエッチング装置において
は、ダメージ，下地やマスクとの選択性，形状等により
通常、 ゲートエッチングでは ２０volt ≦ ｖ_p ≦１００volt メタルエッチングでは ５０volt ≦ ｖ_p ≦２００volt 酸化膜エッチングでは ２５０volt ≦ ｖ_p ≦８００volt に制限される。

【００７３】後述の（Ｖ_CM／ｖ_p ）≦０.５の条件を満
たそうとすると標準状態では、（Ｔ₀−Ｔ₁）の上限は次
のようになる。

【００７４】ゲートエッチングでは （Ｔ₀−Ｔ₁）≦
０.１５μｓ メタルエッチングでは （Ｔ₀−Ｔ₁）≦０.３５μｓ 酸化膜エッチングでは （Ｔ₀−Ｔ₁）≦１．２μｓ ところで、Ｔ₀が０.１μｓ に近くなると、イオンシー
スのインピーダンスがプラズマのインピーダンスに近づ
くかそれ以下となるため、不要なプラズマの発生を生じ
ると共に、バイアス電源がイオンの加速に有効に使われ
なくなってくる。このため、バイアス電源によるイオン
エネルギーの制御性が悪化するため、Ｔ₀は、０．１μ
ｓ以上、好ましくは０．２μｓ以上が良い。

【００７５】従って、ｖ_p を低くおさえられるゲートエ
ッチャ等においては、静電吸着膜の材料を比誘電率が１
０〜１００と高いもの、（例えばＴａ₂Ｏ₃でε_r ＝２
５）に変えたり、絶縁耐圧を低下させず膜厚を薄く、例
えば１０μｍ〜４００μｍ、望ましくは１０μｍ〜１０
０μｍにしたりする必要がある。

【００７６】図６には、単位面積当りの静電容量ｃを、
それぞれ２．５倍、５倍、１０倍に増加させた時のＶ_CM
の値も併記した。静電吸着膜の改善を行っても現状では
静電容量ｃを数倍にする改善が限度とみられ、Ｖ_CM≦３
００ volt、ｃ≦１０ｃ₀とすると、０.１μｓ≦（Ｔ₀−
Ｔ₁）≦１０μｓとなる。

【００７７】イオンの加速によりプラズマ処理に有効な
部分は（Ｔ₀−Ｔ₁）の部分であり、パルスデューティ
（Ｔ₁／Ｔ₀）としてはできるだけ小さい方が好ましい。

【００７８】時間平均も加味した、プラズマ処理の効率
として（Ｖ_DC／ｖ_p)で見積ったのが、図７である。（Ｔ
₁／Ｔ₀）を小さくし、（Ｖ_DC／ｖ_p）を大きくするのが
好ましい。

【００７９】プラズマ処理の効率として０．５≦（Ｖ_DC
／ｖ_p）を仮定し、後述の条件、（Ｖ_CM／ｖ_p ）≦０.５
を入れると、パルスデューディは、（Ｔ₁／Ｔ₀）≦０.
４程度となる。

【００８０】なお、パルスデューディ（Ｔ₁／Ｔ₀）は小
さいほどイオンエネルギーの制御に有効であるが、必要
以上に小さくするとパルス幅Ｔ₁が０．０５μｓ程度の
小さい値となり、数十MHzの周波数成分を多く含むよう
になり、後述するような、プラズマ発生用高周波成分と
の分離も難しくなる。図７に示すように、０≦（Ｔ₁／
Ｔ₀）≦０．０５間での（Ｖ_DC／ｖ_p）の低下はわずかで
あり、（Ｔ₁／Ｔ₀）として０．０５以上で特に問題は生
じない。

【００８１】ここで図８に、ゲートエッチングの例とし
て、塩素ガス１０mTをプラズマ化した時のシリコンと下
地の塩化膜とのエッチングレートＥＳｉおよびＥＳｉＯ
₂のイオンエネルギー依存性を示す。シリコンのエッチ
ングレートＥＳｉは低イオンエネルギーでは一定値にな
る。イオンエネルギーが１０Ｖ程度以上では、イオンエ
ネルギーの増加に従って、ＥＳｉも増加する。一方下地
となる酸化膜のエッチングレートＥＳｉＯ₂は、イオン
エネルギーが２０Ｖ程度以下では０であり、２０Ｖ程度
を越えると、イオンエネルギーと共にＥＳｉＯ₂は増加
する。

【００８２】その結果、イオンエネルギーが２０Ｖ程度
以下では下地との選択比ＥＳｉ／ＥＳｉＯ₂が∞となる
領域が存在する。イオンエネルギーが２０Ｖ程度以上で
は、下地との選択比ＥＳｉ／ＥＳｉＯ₂は、イオンエネ
ルギーの増加と共に急速に低下する。

【００８３】図９は、絶縁膜の一種である酸化膜（Ｓｉ
Ｏ₂ ，ＢＰＳＧ，ＨＩＳＯ等）のエッチングの例とし
て、Ｃ４Ｆ８ガス１０mTをプラズマ化した時の、酸化膜
とシリコンとのエチングレートＥＳｉＯ₂および、ＥＳ
ｉのイオンエネルギー分布を示すものである。

【００８４】酸化膜のエッチングレートＥＳｉＯ₂は、
低イオンエネルギーでは負の値となり、デポを生じる。
イオンエネルギーが４００Ｖ付近にてＥＳｉＯ₂が急速
に正に立ち上がり、その後は、徐々に増加する。一方下
地となるシリコンのエッチングレートＥＳｉは、ＥＳｉ
Ｏ₂よりイオンエネルギーの高い所で(−)（エッチン
グ）から(＋)（エッチング）となり徐々に増加する。

【００８５】この結果、ＥＳｉＯ₂が(−)から(＋)に変
化する付近にて、下地との選択比ＥＳｉＯ₂／ＥＳｉが
∞ となり、それ以上でＥＳｉＯ₂／ＥＳｉはイオンエネ
ルギーの増加と共に急速に低下する。

【００８６】図８、図９で、実際のプロセスへの適用に
対しては、ＥＳｉやＥＳｉＯ₂の値や、ＥＳｉ／ＥＳｉ
Ｏ₂や、ＥＳｉＯ₂／ＥＳｉの値の大きさを考慮して、バ
イアス電源を調整してイオンエネルギーを適正値にす
る。

【００８７】また、ジャストエッチング（下地膜が現わ
れるまでのエッチング）まではエッチングレートの大き
さを優先し、ジャストエッチ後は選択比の大きさを優先
してイオンエネルギーをジャストエッチの前後に変更す
れば、更に良い特性が得られる。多層膜をエッチングす
るとき場合等においては、ジャストエッチング迄におい
てもイオンエネルギ−値を変化させ各タイミングにおい
て最適値に設定すれば、特性の改善がはかれる。

【００８８】ところで図８、図９に示した特性は、イオ
ンのエネルギー分布が狭い部分に限定された時の特性で
ある。イオンのエネルギー分布が広い場合の各エッチン
グレートはその時間平均値となるため、最適値に設定す
ることが出来ず、選択比は大幅に低下してしまう。

【００８９】実験によると、（Ｖ_DC／ｖ_p）は０．３以
下程度であれば、イオンエネルギーの広がりは±１５％
程度以下となり、図８や図９の特性でも高い選択比が得
られた。また、（Ｖ_DC／ｖ_p）≦０．５であれば、従来
の正弦波バイアス法に比べて選択比等の改善が図れた。

【００９０】このように、静電吸着膜の両端間に生じる
パルス電圧の一周期中の電圧変化(Ｖ_CM)を抑える電圧抑
制手段として、Ｖ_CMが、パルスバイアス電圧の大きさｖ
_pの１／２以下となるように構成するのが良く、具体的
には、下部電極１５の表面に設けられた誘電体の静電チ
ャック膜２２の膜厚を薄くしたり、誘電体を誘電率の大
きい材料とすることにより、誘電体の容量を増すことが
できる。あるいは、パルスバイアス電圧の周期を、０．
１μｓ〜１０μｓ、好ましくは０．２μｓ〜５μｓ（繰
り返し周波数：０．２MHz〜５MHzに対応）と短くし、パ
ルスデューディ（Ｔ₁／Ｔ₀）を、０．０５≦（Ｔ₁／
Ｔ₀）≦＝０．４として静電吸着膜の両端の電圧変化を
抑制する。

【００９１】あるいはまた、上記誘電体の静電吸着膜の
膜厚と、誘電体の比誘電率及びパルスバイアス電圧の周
期の幾つかを組み合わせて、静電吸着膜の両端間に生じ
る電圧Ｖ_CMの変化が上記した（Ｖ_CM／ｖ_p ）≦０.５の
条件を満たすようにしても良い。

【００９２】次に、図２の真空処理室を、酸化膜膜（例
えばＳｉＯ2, ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）のエッチングに用
いた他の実施例について述べる。

【００９３】ガス１９としては、Ｃ₄Ｆ８：１〜５％，
Ａｒ：９０〜９５％，Ｏ₂：０〜５％ もしくは、Ｃ₄Ｆ８：１〜５％，Ａｒ：７０〜９０％，
Ｏ₂：０〜５％，ＣＯ：１０〜２０％，の組成のものを
用いる。プラズマ発生用高周波電源１６としては、従来
よりも高い周波数、例えば４０ＭＨｚのものを用い、１
０mTorr〜３０mTorrの低ガス圧領域での放電の安定化を
計る。

【００９４】また、プラズマ源用高周波電源の変調周期
は、通常、パルスバイアスの周期に比べ長くなる。そこ
で、プラズマ源用高周波電源の変調周期をパルスバイア
スの周期の整数倍にし、２つの間の位相を最適化するこ
とにより、選択比の改善ができた。

【００９５】一方、パルスバイアス電圧の印加によっ
て、プラズマ中のイオンを試料に加速、垂直入射させる
ことにより、イオンエネルギーの制御を行う。パルスバ
イアス電源１７として、例えば、パルス周期：Ｔ＝０．
６５μｓ、パルス幅：Ｔ₁＝０．１５μｓ、パルス振
幅：Ｖｐ＝６００Ｖの電源を用いることにより、イオン
エネルギーの分布幅は±１５％以下になり、下地のＳｉ
やＳｉＮとの選択比として２０〜５０の特性の良いプラ
ズマ処理が可能になった。

【００９６】次に、図１０により本発明の他の実施例を
説明する。この実施例は、図２に示した平行平板電極型
のプラズマエッチング装置と同様な構成であるが、試料
４０を保持する下部電極１５は、単極式の静電チャック
２０を備えた構成となっている。すなわち、下部電極１
５の上表面に静電吸着用誘電体層２２が設けられ、下部
電極１５には、高周波成分カット用のコイル２４を介し
て直流電源２３のプラス側が接続されている。また、２
０Ｖ〜８００Ｖの正のパルスバイアスを供給するパルス
バイアス電源１７が、ブロッキングコンデンサ１９を介
して接続されている。

【００９７】処理の対象物である試料４０は、下部電極
１５の上に載置され、静電チャック２０、すなわち直流
電源２３による正電荷とプラズマから供給される負電荷
により静電吸着膜２２の両端間に生じるクーロン力によ
り吸着される。

【００９８】この装置の作用は、図２に示した平行平板
電極型のプラズマエッチング装置と同様であり、エッチ
ング処理を行う場合、処理を行なうべき試料４０を試料
台１５に載置し、静電力で保持し、ガス供給系３６から
処理室１０に処理ガスを所定の流量で導入しながら、他
方真空ポンプ１８により真空排気することにより、処理
室１０の圧力を試料の処理圧力、５mTorr〜５０mTorrに
減圧排気する。次に、１０MHｚ〜５００MHｚ、好ましく
は３０MHｚ〜２００MHｚの高周波電源１６の出力は高周
波電源変調信号源１６１によりレベル変調し、平行平板
電極１２，１５間に印加してプラズマを発生させる。一
方、下部電極１５に、パルスバイアス電源１７から２０
Ｖ〜８００Ｖ、周期が０．１μs〜１０μs好ましくは
０．２μs〜５μsの正のパルスバイアス電圧を印加し、
処理室１０内のプラズマを制御して試料４０にエッチン
グ処理を行う。

【００９９】高周波電源１６は、高周波電源変調信号源
１６１により、パルス幅１〜５０μｓ、パルス周期４０
μｓ〜１０ｍｓ、パルスデュティ比（パルス幅／パルス
周期）として１／５〜１／５０でパルス変調されてお
り、パルス幅部分の瞬時電力をその他のタイミング部分
の瞬時電力の２倍〜１００倍の強さで加え、パルス幅の
部分で準安定原子を効率良く生成させる。一方前記のそ
の他のタイミング部分では、前記準安定原子の存在のも
とに比較的低い瞬時電力の高周波電力を印加し電離の促
進を図り高密度のプラズマを得るとともに、１５ｅＶ以
上の高いエネルギ−の電子の生成を押さえて処理ガスの
過剰解離を阻止し、プラズマ処理に望ましい比較的低い
１０ｅＶ程度以下の電子エネルギ−での解離を促進させ
る。その結果イオンとラジカルの量と質を所望の値に制
御することが出来る。また、パルスバイアス電圧の印加
によって、プラズマ中のイオンもしくはイオン及び及び
電子を試料に加速、垂直入射させることにより、高精度
の形状制御あるいは選択比制御を行う。高周波電源１
６、高周波電源変調信号源１６１、パルスバイアス電源
１７及び静電吸着膜２２に必要な特性は図２の実施例と
同様であり、詳細は省略する。

【０１００】以上述べた本発明の他の実施例において、
パルスバイアス電源の出力とプラズマ発生用電源の出力
との間に干渉が生ずる可能性も考えられる。そこで、以
下、この対策についてのべる。

【０１０１】まず、パルス幅：Ｔ₁，パルス周期：Ｔ₀で
無限大の立上り／立下り速度をもつ理想的な矩形パルス
においては、図１１に示す様に、ｆ≦３ｆ₀（ｆ₀＝（１
／Ｔ₁)）の周波数範囲に７０〜８０％程度の電力が含ま
れる。実際に印加される波形は、立上り／立下り速度が
有限となるため、電力の収束性は更に改善され、ｆ≦３
ｆ₀の周波数範囲に９０％程度以上の電力が含まれる様
にできる。

【０１０２】３ｆ₀ なる高い周波数成分をもつパルスバ
イアスを試料面内に均一に印加される様にするために
は、試料にほぼ平行な対向電極を設け、次式数２で求ま
る３ｆ₀に対して、ｆ≦３ｆ₀ なる範囲の周波数成分を
接地することが望ましい。

【０１０３】

【数２】

【０１０４】図２に示した平行平板電極プラズマエッチ
ング装置に関して、上記パルスバイアス電源出力とプラ
ズマ発生用電源出力との干渉の対策を行った実施例を図
１２に示す。この平行平板電極プラズマエッチング装置
において、試料４０と対向する上部電極１２には、プラ
ズマ発生用高周波電源１６が接続される。この上部電極
１２をパルスバイアスの接地レベルにするには、プラズ
マ発生用高周波電源１６の周波数ｆ₁ を上記の３ｆ₀ よ
り大きくし、かつ、ｆ≦ｆ₁ 付近でのインピーダンスが
大きく、他の周波数ではインピーダンスが低い、バンド
エリミネータ１４１を上部電極１２と接試レベルとの間
に接続する。

【０１０５】一方、ｆ＝ｆ₁ 付近でのインピーダンスが
低く、他の周波数はインピーダンスが高いバンドパスフ
ィルタ１４２を、試料台１５と接地レベル間に設置す
る。このような構成を用いれば、パルスバイアス電源１
７の出力とプラズマ発生用電源１６出力との間の干渉
を、問題のないレベルに抑え、試料４０に良好なバイア
スを加えることができる。

【０１０６】図１３は本発明を、外部エネルギー供給放
電方式のうち、誘導結合型放電方式でかつ、無磁場タイ
プのプラズマエッチング装置へ適用した例である。５２
は平面コイル、５４は平面コイルに１０MHｚ〜２５０MH
ｚの高周波電圧を印加する高周波電源であり、高周波電
源変調信号源１６１により、パルス幅１〜５０μｓ、パ
ルス周期２０μｓ〜１０ｍｓ、パルスデュティ比（パル
ス幅／パルス周期）として１／３〜１／５０でパルス変
調されており、パルス幅部分の瞬時電力をその他のタイ
ミング部分の瞬時電力の２倍〜１００倍の強さで加え、
パルス幅の部分で準安定原子を効率良く生成させる。一
方前記のその他のタイミング部分では、前記準安定原子
の存在のもとに比較的低い瞬時電力の高周波電力を印加
し電離の促進を図り高密度のプラズマを得るとともに、
１５ｅＶ以上の高いエネルギ−の電子の生成を押さえて
処理ガスの過剰解離を阻止し、プラズマ処理に望ましい
比較的低い１０ｅＶ程度以下の電子エネルギ−での解離
を促進させる。その結果イオンとラジカルの量と質を所
望の値に制御することが出来る。。

【０１０７】誘導結合型放電方式は図１０に示した平行
平板型に比べ、低い周波数でかつ低圧での安定なプラズ
マ発生が可能になる。真空容器としての処理室１０は、
静電吸着膜２２の上に試料４０が載置される試料台１５
を備えている。

【０１０８】エッチング処理を行う場合、処理を行なう
べき試料４０を試料台１５に載置し、静電力で保持し、
ガス供給系（図示せず）から処理室１０に処理ガスを所
定の流量で導入しながら、他方真空ポンプにより真空排
気することにより、処理室１０の圧力を５mTorr〜５０m
Torrに減圧排気する。次に、高周波電源５４よりレベル
変調された１３．５６MHｚの高周波電圧出力し処理室１
０にプラズマを発生させる。このプラズマを用いて試料
４０をエッチング処理する。他方、エッチング時には、
下部電極１５に、周期が０．１μs〜１０μs好ましくは
０．２μs〜５μsのパルスバイアス電圧を印加する。パ
ルスバイアス電圧の振幅は、膜種により範囲が異なるこ
とは図２の実施例で述べたとおりである。このパルスバ
イアス電圧の印加によって、プラズマ中のイオンを試料
に加速、垂直入射させることにより、高精度の形状制御
あるいは選択比制御を行う。これにより、試料のレジス
トマスクパターンが極微細なものであっても、高精度の
エッチング処理を行うことができる。

【０１０９】図１４は、図１３に示した誘導結合型放電
方式無磁場タイプのプラズマエッチング装置において、
誘導電高周波出力の処理室側１０に、隙間５５を有する
ファラデーシールド板５３と、０．５mm〜５mmの薄いシ
ールド板保護用絶縁板５４を設置しており、そのファラ
デーシールド板５３を接地する。ファラデーシールド板
５３の設置によって、コイルとプラズマ間の容量成分が
少なくなり、図１３におけるコイル５２下の石英板や図
１４のシールド板保護用絶縁板５４を叩くイオンのエネ
ルギーを低下することが出来、石英板や絶縁板の損傷を
少なくすると共に、プラズマ中への異物の混入を防ぐこ
とが出来る。

【０１１０】また、ファラデーシールド板５３は、パル
スバイアス電源１７の接地電極の役目も兼ねるため、試
料４０とファラデーシールド板５３との間に均一にパル
スバイアスを印加することが出来る。図１４の例では、
平行平板型の上部電極や試料台１５に設置するフィルタ
は不要である。

【０１１１】次に、図１５に示した本発明の他の実施例
により、従来の欠点を改善し、イオンとラジカル生成の
量と質を制御し、極微細なプラズマ処理を可能とするプ
ラズマエッチング装置の他の実施例について述べる。

【０１１２】すなわち、試料を設置している真空処理室
の上流側で真空処理室とは別の場所に第一のプラズマ生
成を行う場所を設定し、そこで生成した準安定原子を真
空処理室に注入し、真空処理室にて第二のプラズマを生
成する構成としている。図２に示した平行平板プラズマ
エッチング装置に加えて、イオン・ラジカル源用ガス供
給部６０と、準安定原子発生用プラズマ発生室６２を備
えている。また上部電極１２には、準安定原子を含むガ
スを真空処理室に導入するル−トのほかに、イオン・ラ
ジカル源用ガス供給部に繋がっている導入ル−トを設け
ている。

【０１１３】この実施例の特徴は、次の通りである。

【０１１４】 準安定原子発生用ガス供給部３６から
供給されたガスを準安定原子発生用プラズマ発生室６２
にて高周波電力を印加してプラズマ化し、あらかじめ所
望の準安定原子を所望量発生させ処理室１０に流入させ
る。準安定原子発生用プラズマ発生室６２は、効率良く
準安定原子を発生させるために、室内の圧力は、数百mT
orr〜数十Torrの高い圧力に設定する。

【０１１５】 他方、イオン・ラジカル源用ガス供給
部６０からのガスを処理室１０に流入させる。

【０１１６】 プラズマ発生用電源１６で比較的低電
力の高周波を出力し、処理室１０にプラズマを発生させ
る。準安定原子の注入により、５ｅＶ程度以下の低エネ
ルギ−の電子でもイオンを効率良く生成させることがで
きるため、低電子温度（６ｅＶ程度以下、好ましくは４
ｅＶ程度以下）で、かつ１５ｅＶ程度以上の高エネルギ
−電子が大幅に少ないプラズマが得られる。このため、
ラジカル源用ガスは過剰な解離を生じさせることなく、
必要な量と質を確保出来る。一方イオンの量は、準安定
原子発生用プラズマ発生室６２にて発生する準安定原子
の量と、イオン・ラジカル源用ガス供給部６０からのイ
オン源用ガスにて制御することができる。

【０１１７】このようにしてイオンとラジカル生成の質
や量を制御できる様になるため、極微細なプラズマ処理
においても良好な性能が得られる。ラジカル源用ガスと
しては、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２，Ｃ４Ｆ８あるいはＣＦ
４などのフルオロカ−ボンガスに、必要に応じてＣ，Ｈ
を含むガス（Ｃ２Ｈ４，ＣＨ４，ＣＨ３ＯＨなど）を混
ぜてもちいる。準安定原子発生用ガスとしては、１種類
ないしは２種類の希ガスをべ−スにしたものを用いる。
イオン源用ガスとしては、下記の性質を持つ希ガス等を
用いることにより、効率良くイオンを生成できる。

【０１１８】前記準安定原子のエネルギ−凖位に対し、
イオン源用ガスの電離凖位が低いもの。もしくは、イオ
ン源用ガスの電離凖位の方が高いが、その差が小さい
（５ｅＶ程度以下）ものが用いられる。

【０１１９】尚、性能的には低下するがイオン源用ガス
として特に追加せず、上記準安定原子発生用ガスやラジ
カル源用ガスで代用することもできる。

【０１２０】次に、図１６にイオンとラジカル生成の質
や量を制御する本発明の他の実施例を示す。図１５と基
本的考えは、同じであるが、図１５において、準安定原
子発生用プラズマ室６２と真空処理室１０との間の距離
が長く、この間での準安定原子の減衰が大きい場合の対
策として実施する例である。４１はマイクロ波の発振源
としてのマグネトロン、４２はマイクロ波の導波管であ
り、４３は第一のプラズマ生成室４５を真空封じして、
マイクロ波を通過させるための石英板であり、４４はガ
ス分散用の石英板である。第一のプラズマ生成室４５で
は、数１００ｍＴｏｒｒから数１０Ｔｏｒｒのガス圧で
前記マイクロ波によりプラズマを発生させ、準安定原子
を発生させる。図１６では、図１５に比較し準安定原子
の発生場所と真空処理室間の距離を短く出来るため、高
い密度で準安定原子を真空処理室に注入することがで
き、真空処理室１０におけるイオンの量を増加できる。
処理室１０は５〜５０ｍＴorrの圧力に保ち、２０ＭＨ
ｚ以上の高周波電源１６により、５ｅＶ好ましくは３ｅ
Ｖ以下で１０の１０乗から１１乗台／ｃｍ３の高密度低
電子温度プラズマを発生させ、解離エネルギ−として８
ｅＶ以上を必要とするＣＦ２の解離を避けつつ、イオン
源用ガスの電離を進行させる。この結果、試料４０の表
面上では、バイアス電源１７により数１００Ｖで加速さ
れたイオンの入射でアシストされた下記反応が主に進行
する。

【０１２１】 ＳｉＯ２＋２ＣＦ２ → ＳｉＦ４ ↑＋２ＣＯ ↑ なお、下地材料となるＳｉやＳｉＮは、ＣＦ２ではエッ
チングされないため、高選択比の酸化膜エッチングが可
能となった。

【０１２２】また、ＣＦ２の一部解離によるＦの増加
は、シリコン、カ−ボンもしくはＳｉＣ等からなる上部
電極カバ−３０により減少させている。

【０１２３】上で述べたように、ラジカル源用ガスとイ
オン源用ガスとを調節することにより、処理室１０内で
のイオンとラジカルとの比率をほぼ独立に制御でき、試
料４０の表面での反応を所望のものにコントロ−ルする
ことが容易になった。

【０１２４】本発明の、静電吸着回路とパルスバイアス
電圧印加回路を備えたプラズマ処理装置は、エッチング
ガスに代えてＣＶＤガスを導入する等の変更を加えるこ
とにより、以上述べたエッチング処理に限らずＣＶＤ装
置等のプラズマ処理装置にも適用できる。

【０１２５】

【発明の効果】本発明によれば、イオンとラジカル生成
の質や量を制御できるため、被処理物に適した処理条件
を構築出来る。

【０１２６】また本発明のバイアスを印加することによ
り、被処理物に入射するイオンにたいし、そのエネルギ
ー分布が狭い状態で制御性良くイオンを加速でき、プラ
ズマ処理の選択性と処理速度等を向上させたプラズマ処
理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。

【０１２７】また、静電吸着用誘電体層を有する試料台
を使用する場合において、イオンとラジカル生成の量や
質を制御し、制御性良く狭いイオンエネルギー分布を得
るとともに、被処理物の温度を所定温度に制御し表面反
応の均一化高性能化が得られ、プラズマ処理の選択性と
処理速度等を向上させたプラズマ処理装置及びプラズマ
処理方法を提供することができる。

【０１２８】また、イオンとラジカル生成の量や質を制
御することにより、プラズマ処理装置の処理室内の圧力
を低くして、微細パターンの精密な加工が容易で、ま
た、微細加工時の選択比等も向上させたプラズマ処理装
置及びプラズマ処理方法を提供することができる。

【０１２９】また、イオンとラジカル生成の量や質を制
御することにより、試料中の絶縁膜（例えばＳｉＯ2,
ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）に対するプラズマ処理の選択性等
を、処理速度を低下することなく、向上させたプラズマ
処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子エネルギ−分布の違いを説明する図であ
る。

【図２】本発明の一実施例になる平行平板電極型のプラ
ズマエッチング装置の縦断面図である。

【図３】本発明のパルスバイアス電源において使用する
望ましい出力波形の例を示す図である。

【図４】パルスデューティ比：（Ｔ₁／Ｔ₀）は一定のま
まＴ₀ を変化させた時の試料表面の電位波形とイオンエ
ネルギーの確率分布を示す図である。

【図５】パルスデューティ比を一定のまま、Ｔ₀ を変化
させた時の試料表面の電位波形とイオンエネルギーの確
率分布を示す図である。

【図６】パルスのオフ（Ｔ₀−Ｔ₁）期間と、静電吸着膜
の両端間に生じる電圧の一周期中の最大電圧Ｖ_CMの関係
を示す図である。

【図７】パルスデューティ比と（Ｖ_DC／ｖ_p ）の関係を
示す図である。

【図８】塩素ガス５mTをプラズマ化した時のシリコンと
塩化膜とのエッチングレートＥＳｉおよびＥＳｉＯ₂の
イオンエネルギー依存性を示す図である。

【図９】酸化膜のエッチングの例としてＣＦ４ガス５mT
をプラズマ化した時の、酸化膜とシリコンとのエチング
レートＥＳｉＯ₂および、ＥＳｉのイオンエネルギー分
布を示す図である。

【図１０】本発明の他の実施例になる平行平板電極型の
プラズマエッチング装置の縦断面図である。

【図１１】パルスバイアス電源の周波数と累積電力の関
係を示した図である。

【図１２】図１に示した平行平板電極プラズマエッチン
グ装置を改良した他の実施例の縦断面図である。

【図１３】本発明を、外部エネルギー供給放電方式のう
ち、誘導結合型放電方式でかつ、無磁場タイプのプラズ
マエッチング装置へ適用した例の縦断面図である。

【図１４】本発明の他の実施例になる、プラズマエッチ
ング装置の縦断面図である。

【図１５】本発明の他の実施例になる、平行平板プラズ
マエッチング装置の縦断面図である。

【図１６】本発明をマイクロ波＋平行平板プラズマ処理
装置に適用した装置の一部を縦断面した正面図である。

【符号の説明】 １０…処理室、１２…上部電極、１５…下部電極、１６
…高周波電源、１７…パルスバイアス電源、２０…静電
チャック、２２…静電吸着膜、２３…直流電源、４０…
試料、４１…マイクロ波発振源、４２…導波管、４３…
石英板、４４…ガス分散用の石英板、４５…第一のプラ
ズマ生成室、１６１…高周波電源変調信号源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 克哉 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸工場内 (56)参考文献 特開 平６−252097（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−77123（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−338476（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−50923（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23C 16/507

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空処理室と、前記真空処理室内で処理さ
   れる試料を配置するための試料台と、前記試料を静電吸
   着力によって前記試料台に保持する静電吸着手段と、前
   記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段
   と、前記真空処理室内に準安定原子を発生させる第一の
   プラズマと前記準安定原子が存在する状態でイオン及び
   ラジカルを発生させる第二のプラズマを生成するパルス
   変調された一つの高周波電源とを具備し、前記一つの高
   周波電源は、パルス幅１μｓ〜５０μｓ，パルス周期２
   ０μｓ〜１ｍｓ，パルスデューティ比１／３〜１／５０
   の範囲でパルス変調され、かつ、第一のプラズマ生成時
   の電力は第二のプラズマ生成時の２倍〜１００倍の強さ
   であることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 真空処理室内に設置された試料台に試料を
   配置するステップと、前記配置された試料を静電吸着力
   によって前記試料台に保持するステップと、ガスを導入
   するステップと、前記導入されたガスをパルス変調され
   た高周波電源でプラズマ化し準安定原子を発生させる第
   一のプラズマ化ステップと、前記準安定原子が存在する
   状態で前記第一のプラズマ化ステップより低い電力とな
   るパルスに変調された前記高周波電源でプラズマ化しイ
   オン及びラジカルを発生させる第二のプラズマ化ステッ
   プと、前記第一及び第二のプラズマにより前記試料をエ
   ッチングするステップと、前記エッチング時に、前記試
   料にバイアス電圧を印加するステップとを有し、前記パ
   ルス変調された高周波電源は、パルス幅１μｓ〜５０μ
   ｓ，パルス周期２０μｓ〜１ｍｓ，パルスデューティ比
   １／３〜１／５０の範囲でパルス変調し、かつ、第一の
   プラズマ化ステップ時の電力は第二のプラズマ化ステッ
   プ時の２倍〜１００倍の強さの電力を用いることを特徴
   とするプラズマ処理方法。