JPH09260352A

JPH09260352A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JPH09260352A
Application number: JP6249396A
Authority: JP
Inventors: Tetsunori Kaji; 哲徳加治; Hideyuki Kazumi; 秀之数見; Shinichi Taji; 新一田地; Toru Otsubo; 徹大坪
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-10-03
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JP3368743B2

Abstract

(57)【要約】【課題】制御性良く、狭いイオンエネルギー分布を得
て、プラズマ処理の選択性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。【解決手段】真空処理室１０と、この真空処理室内で処
理される試料４０を配置するための試料台１５と、高周
波電源１６を含む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、一対の平行平板電極１２，１５と、
試料４０を静電吸着力によって試料台に保持する静電吸
着手段２０，２２，２３と、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１７とを備え、高周
波電源１６として２０MHｚ〜５００MHｚの高周波電源を
印加するとともに、真空ポンプ１８で真空処理室１０を
５mTorr〜４０mTorrに減圧する。

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
び処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、ＵＳＰ
５，３２０，９８２号明細書等に記載のものがある。

【０００３】この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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術中、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。

【０００７】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るとともにプラズマ分布
も悪化し、バイアス電源によるイオンエネルギーの制御
性が失われる欠点があった。

【０００８】さらにまた、プラズマ処理においては、イ
オン量、ラジカル量及びラジカル種を適正に制御するこ
とが、性能向上のために重要であるが、従来はイオン源
やラジカル源となるガスを処理室に流入させ、処理室内
でプラズマを発生させて、イオンとラジカルを同時に発
生させていたため、試料の処理が微細化するにつれ、そ
の制御の限度が明白となりつつある。

【０００９】本発明の目的は、イオンとラジカルの量や
質を独立に制御し、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。

【００１０】本発明の他の目的は、イオンとラジカルの
量や質を独立に制御し、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。

【００１１】本発明の他の目的は、イオンとラジカルの
量や質を独立に制御し、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。

【００１２】本発明の他の目的は、イオンとラジカルの
量や質を独立に制御し、試料中の絶縁膜（例えばＳｉＯ
2, ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）に対するプラズマ処理の選択
性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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】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、高周波電源を含む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
御していることにある。

【００１４】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、高周波電源を含む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
高周波電源として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〜４０mTo
rrに減圧するように構成したことにある。

【００１５】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、
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、前記試料台に接続され、該試料台に
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、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、イオンとラジカルの量
や質を独立に制御していることにある。

【００１６】本発明の他の特徴は、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静電吸着手段
と、前記試料が配置された雰囲気に、エッチングガスを
導入するガス導入手段と、該導入されたエッチングガス
をプラズマ化するプラズマ生成手段と、該試料のエッチ
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。

【００１７】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ステップと、
前記試料が配置された雰囲気にエッチングガスを導入す
るステップと、該導入されたエッチングガスをプラズマ
化するステップと、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、前記一方の
電極にパルスバイアス電圧を印加するステップ、からな
り、イオンとラジカルの量や質を独立に制御するプラズ
マ処理方法にある。

【００１８】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、前記試料が配置された雰囲気に、エッチン
グガスを導入するステップと、前記雰囲気を、５mTorr
〜４０mTorrに減圧排気するステップと、１０MHｚ〜５
００MHｚの高周波電圧を印加し、前記圧力下でエッチン
グガスをプラズマ化するステップと、該プラズマにより
前記試料をエッチングするステップと、前記一方の電極
にパルスバイアス電圧を印加するステップとからなり、
イオンとラジカルの量や質を独立に制御するプラズマ処
理方法にある。

【００１９】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、前記試料が配置された雰囲気に、エッチングガスを
導入するステップと、該導入されたエッチングガスをプ
ラズマ化するステップと、該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
印加するステップからなり、イオンとラジラルの量や質
を独立に制御し、前記試料中の絶縁膜（例えばＳｉＯ2,
ＳｉＮ，ＢＰＳＧ等）をプラズマ処理することにあ
る。

【００２０】本発明の他の特徴は、前記プラズマ処理方
法において、エッチングガスをプラズマ化する高周波電
源として、高周波電力を一定周期で変調もしくは断続さ
せて使用することにある。

【００２１】本発明によれば、イオンとラジラルの量や
質を独立に制御し、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、必要とする微細パターンの処理を安定して行う
ことが出来る。

【００２２】さらに、イオンとラジラルの量や質を独立
に制御し、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。

【００２３】また、本発明によれば、イオンとラジラル
の量や質を独立に制御し、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。

【００２４】また、本発明によれば、イオンとラジラル
の量や質を独立に制御し、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０．０
５〜０．４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ＳｉＯ
2, 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。

【００２５】さらに本発明の他の特徴によれば、イオン
とラジラルの量や質を独立に制御し、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〜４０mTorr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。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を説明する。
まず図１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。図１におい
て、真空容器としての処理室１０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〜４０mm
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１６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１４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。

【００２７】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が若干の
凹面あるいは凸面を持つものであっても良い。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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〜４０mTorr
になるように減圧排気される。次に、高周波電源１６よ
り２０MHｚ〜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の正のパル
スバイアスを印加し、プラズマ中の電子やイオンを制御
して試料４０に対する所定のエッチング処理を行う。

【００３１】なお、高周波電源１６の周波数の下限値
は、低圧で放電を安定に維持できる周波数であり、上限
値は必要以上のガスの解離が無い周波数である。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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〜４０mTorrとしている。処理室１０内のガス圧
力を４０mTorr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。

【００３９】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、図２に示すように、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４０mTorr時の平均自由工程の２
５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
（４０mTorr）時の平均自由工程の２〜４倍（４mm〜８m
m）程度以上でないと、安定な放電が困難となる。

【００４０】図１に示す本発明の実施例では、プラズマ
発生用高周波電源１６として、２０MHｚ〜５００MHｚ、
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〜４０mTorr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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】Ｖ_CMの値は次の式（数１）で表わされる。

【００５１】

【数１】

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】次に、図１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
いた実施例について述べる。

【００７９】ガス１９としては、Ｃ₄Ｆ８：１〜５％，
Ａｒ：９０〜９５％，Ｏ₂：０〜５％もしくは、Ｃ₄Ｆ
８：１〜５％，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、１０mTorr〜３０m
Torrの低ガス圧領域での放電の安定化を計る。

【００８０】なお、プラズマ源用高周波電源１６の高周
波化により必要以上の解離が進行する場合は、高周波電
源１６の出力を高周波電源変調信号源１６１により、オ
ンオフないしはレベル変調制御する。オン（またはレベ
ル変調時の高レベル）時間としては５〜５０μｓ程度、
オフ時間（またはレベル変調時の低レベル）としては１
０〜１００μｓ、周期２０μｓ〜１５０μｓ程度を用
い、これにより不必要な解離を防ぐことができる。

【００８１】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。

【００８２】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。

【００８３】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１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。

【００８４】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。

【００８５】この装置の作用は、図１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〜４０mTorrに
減圧排気する。次に、高周波電源１６をオンとし、平行
平板電極１２，１５間に２０MHｚ〜５００MHｚ、好まし
くは３０MHｚ〜１００MHｚの高周波電圧を印加してプラ
ズマを発生させる。他方、下部電極１５に、パルスバイ
アス電源１７から２０Ｖ〜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。

【００８６】このような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。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１の実施例と
同様であり、詳細は省略する。

【００８７】以上述べた本発明の実施例において、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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】

【数２】

【００９１】図１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。

【００９２】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。

【００９３】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る。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。
逆に、解離が進みやすくなるため、図１で示したよう
に、高周波電源１の出力を高周波電源変調信号源１６１
により変調し、不必要な解離を防ぐことが出来る。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。

【００９４】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〜４０m
Torrに減圧排気する。次に、高周波電源５４に１３．５
６MHｚの高周波電圧を加えて処理室１０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１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。

【００９５】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。

【００９６】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。

【００９７】図１５は、本発明をマイクロ波プラズマ処
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。静電吸着膜２２の上に試料４０が載置される試料台
１５としての下部電極１５には、パルスバイアス電源１
７及び直流電源１３が接続されている。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、処理室１０を真空封止しマイク
ロ波を処理室１０に供給するための石英板である。４７
は磁場を供給する第一のソレノイドコイル、４８は磁場
を供給する第二のソレノイドコイルである。４９は処理
ガス供給系であり、処理室１０内にエッチング、成膜等
の処理を行なう処理ガスを供給する。また、処理室１０
は、真空ポンプ（図示せず）により真空排気される。パ
ルスバイアス電源１７及び静電チャック２０に必要な特
性は図１の実施例と同様であり、詳細は省略する。

【００９８】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４９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〜４０mTorrに減
圧排気する。次に、マグネトロン４１及び第一、第二の
ソレノイドコイル４７、４８をオンとし、マグネトロン
４１で発生したマイクロ波を導波管４２から処理室１０
に導びいて、プラズマを発生させる。このプラズマを用
いて試料４０にエッチング処理を行う。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。

【００９９】このような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、垂直入射によりマスクパターン
に対応した高精度のエッチング処理が行える。

【０１００】なお、図１以下に示した本発明のプラズマ
エッチング装置において、静電吸着回路の直流電圧とパ
ルスバイアス電源回路のパルス電圧を重畳して生成し、
回路を共通に構成することもできる。また、静電吸着回
路とパルスバイアス電源回路を別な電極に分離して設
け、パルスバイアスが静電吸着に影響を及ぼさないよう
にすることもできる。

【０１０１】図１に示した平行平板プラズマエッチング
装置の実施例における静電吸着回路に代えて、図１６に
示したように、他の吸着手段、例えば真空吸着手段を用
いることもできる。まず、処理室の圧力を５mTorr〜４
０mTorrに減圧排気する。次に、高周波電源に高周波電
圧を加えて処理室１０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。このような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。

【０１０２】この場合、パルスバイアス電源回路から供
給される電圧の特性としては、静電吸着回路の影響を考
慮する必要がなく、高精度の形状制御あるいは選択比制
御を行うのに適した電圧特性とすれば良い。これによ
り、試料のマスクパターンが極微細なものであっても、
マスクパターンに対応した高精度のエッチング処理を行
うことができる。

【０１０３】次に、図１７に示した本発明の他の実施例
により、イオンとラジカルの独立制御が可能なプラズマ
エッチング装置について述べる。プラズマ処理において
は、イオン量，ラジカル量及びラジカル種を適正に制御
することが、性能向上のために重要である。従来はイオ
ン源やラジカル源となるガスを処理室に流入させ、処理
室内でプラズマを発生させて、イオンとラジカルを同時
に発生させていた。しかし、試料の処理が微細化するに
つれ、その限度が見えて来ている。

【０１０４】図１７の実施例は、この従来の欠点を改善
し、極微細なプラズマ処理を可能にせんとするものであ
り、図１に示した平行平板プラズマエッチング装置に加
えて、ラジカル源用ガス供給源６０及びラジカル発生用
プラズマ発生室６２を備えている。

【０１０５】この実施例の特徴は、次の通りである。ラジカル源用ガス供給源６０から供給されたラジカ
ル源用ガスをラジカル発生用プラズマ発生室６２にてプ
ラズマ化し、あらかじめ所望のラジカルを所望量発生さ
せる。そしてこのラジカルを処理室１０に流入させる。他方、イオン源用ガス供給源３６からイオン源用ガ
スを処理室１０に流入させる。

【０１０６】プラズマ発生用電源１６で高周波を出
力し、処理室１０に低電子温度（５ｅＶ以下、好ましく
は３ｅＶ以下）のプラズマを発生させ、イオンを発生さ
せる。なお、流入されたラジカルは処理室１０で発
生されるプラズマにより、一部解離が進むが、発生する
プラズマの電子温度を５ｅＶ程度以下の低い値に抑える
ことにより、流入されたラジカルの再解離を小さい値に
抑えることができる。

【０１０７】主にイオンを発生させる処理室１０の
プラズマ発生源とは別に、ラジカルを発生させるラジカ
ル発生用プラズマ発生源を設けることにより、イオンと
ラジカルを独立に所望の質や量に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。

【０１０８】なお、ラジカル発生用プラズマ発生室６２
は、処理室１０内に、主にイオンを発生させる処理室１
０のプラズマ発生源とは別個に設けても良い。

【０１０９】次に、図１８にイオンとラジカルとを独立
に制御する本発明の他の実施例を示す。図１８におい
て、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２，Ｃ４Ｆ８あるいはＣＦ４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，ＣＨ３ＯＨなど）を混ぜ、図１８の
Ａなる部分よりバルブ７０を経由してラジカル発生用プ
ラズマ発生室６２に入れる。

【０１１０】ラジカル発生用プラズマ発生室６２では、
数ＭＨｚないしは数１０ＭＨｚのＲＦ電源６３の出力を
コイル６５に印加し、数１００ｍＴｏｒｒから数１０Ｔ
ｏｒｒのガス圧でプラズマを発生させ、主にＣＦ２ラジ
カルを発生させる。同時に発生するＣＦ３やＦはＨ成分
により減少させる。

【０１１１】なお、ラジカル発生用プラズマ発生室６２
でＣＦやＯ等の成分を大幅に減少させることは困難なた
め、この後に不要成分除去室６５を設ける。ここでは、
カ−ボンやＳｉを含む材質（カ−ボン、Ｓｉ，ＳｉＣ
等）の内壁を設置し、不要な成分を減少、あるいは悪影
響の少ない別のガスに変換させる。不要成分除去室６５
の出口は、バルブ７１に接続し、ＣＦ２が主成分のガス
組成を供給する。

【０１１２】なお、バルブ７０とバルブ７１との間は、
デポ物等の堆積物が多く蓄積するため、比較的短期間で
清掃や交換が必要である。このため、大気開放と交換と
を容易にすると共に、再立ち上げ時の真空立ちあげ時間
の短縮のため、バルブ７２を経由して排気装置７４に接
続している。なお排気装置７４は、処理室１０用排気装
置等と兼用してもよい。

【０１１３】またイオン源用ガス（アルゴンガスやキセ
ノンガス等の希ガス）Ｂはバルブ７３を経由し、前記の
バルブ７１の出口と繋ぎ処理室に供給する。

【０１１４】処理室１０は５〜４０ｍＴの圧力に保ち、
変調を施した２０ＭＨｚ以上の高周波電源１６により、
５ｅＶ好ましくは３ｅＶ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８ｅＶ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。

【０１１５】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。

【０１１６】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。

【０１１７】上で述べたように、ラジカル源用ガスＡと
イオン源用ガスＢ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。また、不必要なデポ成分等
は、不要成分除去室６５で排除し、処理室１０には極力
持ち込まないようにしているため、処理室１０内のデポ
は大幅に低減され、処理室１０を大気に開放して行う清
掃の頻度も大幅に低減できた。

【０１１８】次に、図１９にイオンとラジカルとを独立
に制御する他の実施例を示す。酸化ヘキサフルオロプロ
ピレンガス（ＣＦ３ＣＦＯＣＦ２，以下ＨＦＰＯと略
す）をＡより、バルブ７０を経由して加熱パイプ部６６
に通し、不要成分除去室６５とバルブ７１を経由し、イ
オン源ガスＢと混合し、処理室１０のほうに送る。加熱
パイプ部６６では、８００℃〜１０００℃にＨＦＰＯを
加熱し下記の熱分解によりＣＦ２を生成する。

【０１１９】ＣＦ３ＣＦＯＣＦ２ → ＣＦ２＋ＣＦ３ＣＦＯＣＦ３ＣＦＯは比較的安定な物質で分解しにくいが、一
部分解し不要なＯやＦを発生するため、加熱パイプ部６
６の後に不要成分除去室６５をもうけ不要成分を除去、
あるいは悪影響のでない物質に変換している。一部のＣ
Ｆ３ＣＦＯＣＦ２は分解しないで処理室１０に流入する
が、５ｅＶ以下の低電子温度のプラズマでは解離しない
ため問題とはならない。

【０１２０】なお、バルブ７２、排気装置７４の用い方
ならびに処理室１０内での反応は、図１８の場合と同じ
である。

【０１２１】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。

【０１２２】

【発明の効果】本発明によれば、イオンとラジカルの質
や量を独立に制御することにより、被処理物に適した処
理条件を構築出来る。

【０１２３】また、イオンとラジカルの量や質を独立に
制御することにより、制御性良く、狭いイオンエネルギ
ー分布を得て、プラズマ処理の選択性等を向上させたプ
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。

【０１２４】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、イオンとラジカルの量や質を
独立に制御することにより、制御性良く、狭いイオンエ
ネルギー分布を得て、プラズマ処理の選択性等を向上さ
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。

【０１２５】また、イオンとラジカルの量や質を独立に
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。

【０１２６】また、イオンとラジカルの量や質を独立に
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】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２】プラズマ発生用電源の周波数と安定放電最低ガ
ス圧の関係を示す図である。

【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】本発明をマイクロ波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。

【図１６】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１７】本発明の他の実施例になる、イオンとラジカ
ルを独立して制御可能な、平行平板電極プラズマエッチ
ング装置の縦断面図である。

【図１８】本発明の他の実施例になる、イオンとラジカ
ルを独立して制御可能な、平行平板電極プラズマエッチ
ング装置の縦断面図である。

【図１９】本発明の他の実施例になる、イオンとラジカ
ルを独立して制御可能な、平行平板電極プラズマエッチ
ング装置の部分詳細図である。

【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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｍ (72)発明者大坪徹茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、前記真空処理室に、ラジカル発生用ガスを予め分解する
手段を有し所望量のラジカルを供給するラジカル供給手
段と、前記真空処理室にイオン発生用ガスを供給する手段と、
前記真空処理室にプラズマを発生させるプラズマ生成手
段とを具備し、前記試料としてＳｉＯ₂を用いることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、前記ラジカル発生用ガスを予め分解する手段として、１
００ｍＴｏｒｒ〜数＋Ｔｏｒｒのプラズマを用いること
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項２記載のプラズマ処理装置におい
て、前記真空処理室にプラズマを発生する手段として、５ｅ
Ｖ以下の電子温度を有するプラズマであることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項４】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、前記ラジカル発生用ガスを予め分解する手段の後に、不
要成分除去手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理
装置。
【請求項５】請求項４記載のプラズマ処理装置におい
て、前記ラジカル発生用ガスを予め分解する手段と不要成分
除去手段とを、他の部分とは別系統で真空排気できる構
成としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】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、前記真空処理室に、ラジカル発生用ガスを予めプラズマ
化し所望量のラジカルを供給するラジカル発生用プラズ
マ供給手段と、前記真空処理室に、イオン発生用ガスを供給しプラズマ
を発生させる前記プラズマ生成手段とを具備し、前記試料としてＳｉＯ₂を用いることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項７】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、高周波電源を含むプ
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、前記真空処理室に、ラジカル発生用ガスを予めプラズマ
化し所望量のラジカルを供給するラジカル発生用プラズ
マ供給手段と、前記真空処理室に、イオン発生用ガスを供給しプラズマ
を発生させる前記プラズマ生成手段とを備え、前記高周波電源に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〜４０mTorr
に減圧するように構成されていることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項８】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
する静電吸着手段と、前記試料が配置された雰囲気に、ラジカル発生用ガスを
予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するラジカル
発生用プラズマ供給手段と、前記試料が配置された雰囲気に、イオン発生用ガスを供
給する手段と、該導入されたイオン発生用ガスをプラズマ化するプラズ
マ生成手段と、前記試料のエッチング時に前記一方の電極にパルスバイ
アス電圧を印加するパルスバイアス印加手段とを具備
し、前記試料としてＳｉＯ₂を用いることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項９】一方の電極に試料が配置される一対の対向
する電極と、前記試料が配置された雰囲気に、ラジカル発生用ガスを
予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するラジカル
発生用プラズマ供給手段と、前記試料が配置された雰囲気に、イオン発生用ガスを供
給する手段と、前記雰囲気を５mTorr〜４０mTorrに減圧排気する排気手
段と、前記一対の対向する電極に１０MHz〜５００MHzの高周波
電圧を印加する高周波電源手段と、前記圧力下で導入されたイオン発生用ガスをプラズマ化
するプラズマ生成手段と、前記試料のエッチング時に前記一方の電極にパルスバイ
アス電圧を印加するパルスバイアス印加手段とを具備
し、前記試料としてＳｉＯ₂を用いることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項１０】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、前記真空処理室に、ラジカル発生用ガスを予めプラズマ
化し所望量のラジカルを供給するラジカル発生用プラズ
マ供給手段と、前記真空処理室に、イオン発生用ガスを供給しプラズマ
を発生させる前記プラズマ生成手段と、前記試料台に接続され、該試料台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、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上昇を抑制す
る、電圧抑制手段とを具備したことを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項１１】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、前記試料台に設けられた静電吸着膜を含み、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、前記真空処理室に、ラジカル発生用ガスを予めプラズマ
化し所望量のラジカルを供給するラジカル発生用プラズ
マ供給手段と、前記真空処理室に、イオン発生用ガスを供給しプラズマ
を発生させる前記プラズマ生成手段と、前記試料台に接続され、該試料台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、前記パルスバイアス電圧の印加に伴い前記静電吸着膜の
両端間に生ずる電圧を抑制する、電圧抑制手段とを具備
し、該電圧抑制手段は、前記静電吸着手段の静電吸着膜によ
る電圧を、前記パルスバイアス電圧の１／２以下に抑制
することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１２】請求項６ないし１１のいずれかに記載の
プラズマ処理装置において、前記静電吸着手段の電圧が前記パルスバイアス電圧の１
／２以下になるように、前記パルスバイアス電圧の周期
を設定したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１３】請求項１２に記載のプラズマ処理装置に
おいて、前記パルスバイアス電圧の周期を、０．１цｓ〜１０ц
ｓとしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１４】請求項１３に記載のプラズマ処理装置に
おいて、前記パルスバイアス電圧を、デュ−ティ−比が４０％以
下としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１５】請求項６ないし１１のいずれかに記載の
プラズマ処理装置において、前記静電吸着手段の電圧が前記パルスバイアス電圧の１
／２以下になるように、前記試料台の表面に形成された
静電吸着膜の膜圧を１０цｍ〜４００цｍに設定したこ
とを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１６】請求項６ないし１１のいずれかに記載の
プラズマ処理装置において、前記静電吸着手段の電圧が前記パルスバイアス電圧の１
／２以下になるように、前記試料台の表面に形成された
静電吸着膜の誘電率を１０〜１００に設定したことを特
徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１７】請求項６ないし１１のいずれかに記載の
プラズマ処理装置において、前記試料台の表面に形成された静電吸着膜の膜圧、誘電
率もしくは前記パルスバイアス電圧の周期のすくなくと
も２つの組合せにより、前記静電吸着の電圧が、前記パ
ルスバイアス電圧の１／２以下になるように、設定した
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１８】請求項６ないし１１のいずれかに記載の
プラズマ処理装置において、前記静電吸着用電源と前記パルスバイアス用の電源を共
通の電源として構成したことを特徴とするプラズマ処理
装置。
【請求項１９】請求項６ないし１１のいずれかに記載の
プラズマ処理装置において、前記プラズマ生成手段が高周波電源を含み、該高周波電
源の周波数が３０MHz〜１００MHzであることを特徴とす
るプラズマ処理装置。
【請求項２０】請求項８または９記載のプラズマ処理装
置において、前記一対の対向する電極の間隙が１０mm〜５０mmである
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２１】真空処理室に設けられた電極の一方に試
料を配置するステップと、外試料を静電吸着力によって前記試料に保持するステッ
プと、前記試料が配置・保持された雰囲気に、ラジカル発生用
ガスを予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するス
テップと、前記雰囲気に、イオン発生用ガスを供給するステップ
と、前記雰囲気を、前記試料の処理圧力に減圧排気するステ
ップと、前記処理圧力下で前記イオン発生用ガスをプラズマ化す
るステップと、該試料を前記プラズマにより処理するステップと、前記試料にパルスバイアス電圧を印加するステップと、
からなることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２２】対向する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
するステップと、前記試料が配置・保持された雰囲気に、ラジカル発生用
ガスを予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するス
テップと、前記雰囲気に、イオン発生用ガスを供給するステップ
と、該供給されたイオン発生用ガスをプラズマ化するステッ
プと、該プラズマにより前記試料をエッチング処理するステッ
プと、該エッチング処理時に前記一方の電極に、パルスバイア
ス電圧を印加するステップからなり、前記試料としてＳｉＯ₂を用いることを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
【請求項２３】対向する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
するステップと、前記試料が配置・保持された雰囲気に、ラジカル発生用
ガスを予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するス
テップと、前記雰囲気に、イオン発生用ガスを供給するステップ
と、前記雰囲気を、５ｍTorr〜４０ｍTorrに減圧排気するス
テップと、前記対向する電極に１０MHz〜５００MHzの高周波電圧を
印加し、前記圧力下で供給されたイオン発生用ガスをプ
ラズマ化するステップと、該プラズマにより前記試料をエッチング処理するステッ
プと、該エッチング処理時に前記一方の電極に、パルスバイア
ス電圧を印加するステップからなり、前記試料としてＳｉＯ₂を用いることを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
【請求項２４】真空処理室に設けられた電極の一方に試
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、前記試料が配置・保持された雰囲気に、ラジカル発生用
ガスを予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するス
テップと、前記雰囲気に、イオン発生用ガスを供給するステップ
と、前記雰囲気に３０MHz〜１００MHzの高周波電圧を印加
し、前記圧力下で供給されたイオン発生用ガスをプラズ
マ化するステップと、該試料を前記プラズマにより処理するステップと、前記試料にパルスバイアス電圧を印加するステップから
なり、前記試料としてＳｉＯ₂を用いることを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
【請求項２５】真空処理室に設けられた電極の一方に試
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、前記試料が配置・保持された雰囲気に、ラジカル発生用
ガスを予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するス
テップと、前記雰囲気に、イオン発生用ガスを供給するステップ
と、前記雰囲気を、前記試料の処理圧力に減圧排気するステ
ップと、前記圧力下で供給されたイオン発生用ガスをプラズマ化
するステップと、該試料を前記プラズマにより処理するステップと、前記試料にパルスバイアス電圧を印加するステップから
なり、前記静電吸着手段の電圧が、前記パルスバイアス電圧の
１／２以下となるようにしたことを特徴とするプラズマ
処理方法。
【請求項２６】真空処理室に設けられた対向する電極の
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、前記試料が配置・保持された雰囲気に、ラジカル発生用
ガスを予めプラズマ化し所望量のラジカルを供給するス
テップと、前記雰囲気に、イオン発生用ガスを供給するステップ
と、前記雰囲気を、５ｍTorr〜４０ｍTorrに減圧排気するス
テップと、前記対向する電極間に３０MHz〜１００MHzの高周波電圧
を印加し、前記圧力下で供給されたイオン発生用ガスを
プラズマ化するステップと、該試料を前記プラズマにより処理するステップと、前記試料にパルスバイアス電圧を印加するステップから
なることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２７】請求項２１ないし２６のいずれかに記載
のプラズマ処理方法において、前記パルスバイアス電圧の印加時、前記一方の電極に、
周期が０．１цｓ〜１０цｓのパルスバイアス電圧を印
加することを特徴とするプラズマ処理方法。