JPH0992645A - 半導体装置の製造方法と製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマを用いた絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタ（ＩＧＦＥＴ）の製造技術に関し、微細パター
ンの加工においてもゲート絶縁膜の損傷を防止できる半
導体装置の製造方法を提供することである。 【解決手段】 半導体層、その上に形成され、絶縁耐圧
がＢ（Ｖ）であり、厚さが１０ｎｍ以下であるゲート絶
縁膜、その上に形成されたアンテナ比が５００以上であ
るアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、アスペ
クト比が１より大の開口部を有する絶縁体パターンを有
する半導体ウエハをプラズマ処理装置内に搬入する工程
と、電子温度Ｔｅ（ｅＶ）がＴｅ≦Ｂであるプラズマ中
で前記半導体ウエハを処理する工程とを含む半導体装置
の製造方法提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
技術に関し、特にプラズマを用いた絶縁ゲート型電界効
果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）の製造技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ（大規模集積回路）の集積度向上
に従い、パターンの微細化が進んでいる。微細化したマ
スクパターンを忠実に導電層や絶縁層に転写するため、
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、エレクトロンサイ
クロトロンレゾナンス（ＥＣＲ）プラズマエッチング等
のプラズマを利用した異方性ドライエッチングが多用さ
れている。

【０００３】一方、半導体素子の微細化に伴い、絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さは薄
くなっており、１０ｎｍ以下のものが実用化されつつあ
る。このように、薄いゲート絶縁膜は小さな電気的スト
レスでも損傷を受けやすい。

【０００４】たとえば、プラズマプロセスにおいては、
基板にイオン、電子等の電荷が入射する。入射する正・
負電荷に差が生じると、基板とは電気的に分離されたゲ
ート絶縁膜上の導電層に電荷がチャージアップする。導
電層と下の基板との間に電位差が生じると、ゲート絶縁
膜を通してトンネル電流が流れ得る。トンネル電流によ
って、ゲート絶縁膜の誘電特性は変化し、絶縁破壊を生
じさせることもある。

【０００５】このように、ゲート絶縁膜上の導電層、ま
たはゲート電極に接続された導電層（これらを以下、ゲ
ート配線と呼ぶ）にチャージアップが生じ得るプラズマ
プロセスは、ゲート絶縁膜に損傷を与え得る。このよう
なプロセスとしては、ゲート配線層のパターニング、ゲ
ート配線層に達するコンタクトホールの開口、ゲート配
線層に達するコンタクトホール内のスパッタエッチによ
るクリーニング、ゲート配線層が一部露出した表面上へ
のプラズマＣＶＤ等である。

【０００６】ゲート絶縁膜が損傷を受けると、ゲート絶
縁膜破壊またはゲート絶縁膜の誘電特性変化により、半
導体装置の歩留りが低下するだけでなく、ゲート絶縁膜
の信頼性、延いては半導体装置の信頼性を損なう場合も
ある。したがって、プラズマプロセスがゲート絶縁膜に
与える損傷を十分防止しておくことが望まれる。

【０００７】半導体基板上のプラズマが不均一である
と、半導体基板に流入するイオン電流と電子電流に差が
生じ、この差に基づくトンネル電流がゲート絶縁膜を流
れる可能性が生じる。半導体装置において、ゲート絶縁
膜の面積に対するゲート配線の面積（以下、アンテナ比
と言う）は、１０，０００程度に達する。このような高
いアンテナ比の導電膜をプラズマ加工すると、僅かなプ
ラズマの不均一により、大量のトンネル電流がゲート絶
縁膜を流れる可能性がある。

【０００８】そこで、プラズマ加工に使用するプラズマ
をできるだけ均一化することが試みられている。より具
体的には、プラズマ電位の均一化や、基板バイアス電圧
の均一化等が提案されてきた。たとえば、半導体基板上
を磁束が横断する構成を用い、基板上の至る所で磁束が
表面に平行となるような構成が提案されている。

【０００９】以下、厚い絶縁膜上に形成され、ゲート絶
縁膜のような薄い絶縁膜上の電極に接続され、より広い
面積を有し、電気的に分離された導電層をアンテナと呼
び、薄い（ゲート）絶縁膜上の電極の面積に対する厚い
絶縁膜上の導電層の底面積の比をアンテナ比と呼ぶ。

【００１０】プラズマの均一性は、通常高いアンテナ比
を有するゲート配線を用い、ゲート絶縁膜の破壊率によ
って測定されてきた。たとえば、アンテナ比１，００
０，０００を有し、表面に露出した（表面露出型）ゲー
ト配線をプラズマ処理し、ゲート絶縁膜が破壊しなけれ
ばそのプラズマは均一であると判定されてきた。

【００１１】ところが、このような測定によって十分均
一であることが証明されたプラズマを用いても、加工パ
ターンによってはゲート絶縁膜に損傷が生じる場合があ
ることが判ってきた。たとえば、ゲート配線のパターニ
ングにおいては、ゲート配線層の上にホトレジストのマ
スクパターンが配置される。ホトレジストの開口部にお
ける開口幅に対するレジスト厚の比（以下、アスペクト
比と言う）は、１よりも大きなものとなってきている。
このような高いアスペクト比を有する絶縁パターン下の
導電層をプラズマ処理する場合、均一なプラズマを用い
てもゲート絶縁膜に損傷が発生し得る。このような高い
アスペクト比の絶縁膜パターンを上に有するアンテナ構
造を、以下構造付アンテナと呼ぶ。

【００１２】たとえば、アンテナ比１，０００，０００
の表面露出型アンテナ構造によっては均一であることが
証明されたＥＣＲプラズマに、アンテナ比１０，０００
の構造付アンテナを晒すと、ゲート絶縁膜に損傷が生じ
得る。

【００１３】したがって、表面が連続する平坦な導電膜
に対しては、均一な性質を示すプラズマを用いても、微
細パターンを有する半導体装置の製造工程においては、
ゲート絶縁膜の損傷が生じてしまう。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、微細
パターンの加工においてもゲート絶縁膜の損傷を防止で
きる半導体装置の製造方法を提供することである。

【００１５】本発明の他の目的は、微細パターンを有す
る半導体装置を、ゲート絶縁膜の損傷を防止しつつ、製
造することのできる半導体装置の製造装置を提供するこ
とである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、半導体装置の製造におけるプラズマ処理において、
プラズマ中の電子エネルギ分布、あるいはその代表値で
ある電子温度が予め決められた値よりも小さくなるよう
に、ｒｆ周波数、電力、磁場、圧力、ガス種のうち少な
くとも１つを制御して、電子が高アスペクト比絶縁体パ
ターン間に存在する導電体パターン内に入れるようにし
たことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供するこ
とである。

【００１７】本発明の他の観点によれば、半導体層、そ
の上に形成され、絶縁耐圧がＢ（Ｖ）であり、厚さが１
０ｎｍ以下であるゲート絶縁膜、その上に形成されたア
ンテナ比が５００以上であるアンテナ構造の導電体層、
その上に形成され、アスペクト比が１より大の開口部を
有する絶縁体パターンを有する半導体ウエハをプラズマ
処理装置内に搬入する工程と、電子温度Ｔｅ（ｅＶ）が
Ｔｅ≦Ｂであるプラズマ中で前記半導体ウエハを処理す
る工程とを含む半導体装置の製造方法提供される。

【００１８】本発明者の実験によれば、プラズマの電子
温度がゲート絶縁膜の耐圧よりも高い場合にゲート絶縁
膜に損傷が生じ、低い場合に損傷が生じなかった。

【００１９】本発明の他の観点によれば、ゲート絶縁膜
とその上のゲート配線とを有する基板を反応容器内に収
容する工程と、周期的に変動するエネルギを与えて基板
上方にプラズマを励起する工程と、プラズマの電子温度
が実質的に最低となるタイミングに基板電位が実質的に
最高となるようにプラズマ励起に同期して基板バイアス
を印加する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供
される。

【００２０】本発明の他の観点によれば、ゲート絶縁膜
とその上に形成したゲート配線とを有する半導体基板を
反応容器内に装架する工程と、第１期間の間、反応容器
内の半導体基板上方に主プラズマ励起エネルギの投入、
休止を繰り返す工程と、前記主プラズマ励起エネルギの
休止から投入に移るタイミングに同期して前記半導体基
板に電子が流入するように前記半導体基板にバイアス電
位を印加する工程とを有する半導体装置の製造方法が提
供される。

【００２１】本発明者の実験によれば、プラズマ励起エ
ネルギを周期的かつ断続的に与え、エネルギ休止期間の
最後に同期させて基板バイアスが最高電位となるように
調整した場合、プラズマ励起エネルギを連続的に与えた
場合や、プラズマ励起エネルギを断続させても基板バイ
アスとは非同期の場合と比べ、ゲート絶縁膜の損傷が著
しく減少した。

【００２２】本発明の他の観点によれば、気密容器と、
該気密容器内に制御して気体を導入する手段と、該気密
容器内に導入された気体を制御して排気する手段と、該
気密容器内に被処理基板を保持する手段と、該被処理基
板の電位に第１の時間変化を与えることのできる電位制
御手段と、該気密容器内の気体からプラズマを生成する
ためのエネルギを投入でき、投入エネルギに第２の時間
変化を与えることができるエネルギ投入手段と、該第１
の時間変化と該第２の時間変化とを同期させることがで
き、第１および第２の時間変化の位相関係を制御するこ
とのできる同期制御手段とを有する半導体装置の製造装
置。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明者およびその同僚は、マイ
クロローディング効果によりゲート配線層エッチング中
に高いアンテナ比を有する構造付アンテナが出現するこ
とを報告した（米国特許出願０８／２７５，４２６号、
好ましい実施例の欄）。ゲート配線層堆積後、その表面
上にレジストパターンを形成し、エッチングを行なう
際、当初はゲート配線層が基板に電気的に接続されてお
り、アンテナ構造は出現していない。ところが、マイク
ロローディング効果により、開口幅の広い領域はエッチ
ングが終了しても、開口幅の狭い領域においてはエッチ
ングが終了しない。この段階において、ゲート配線層は
開口幅の広い領域で分断された形状になる。この過渡段
階でアンテナ比が高い構造付アンテナが出現する。

【００２４】基板にバイアス用ｒｆを印加し、プラズマ
中のイオンを基板に引き込む電界を発生させると、プラ
ズマ中のイオンは基板に向かって加速される。しかしな
がら、プラズマ中の電子は、基板に向かう際に減速を受
ける。この電界による力は、基板の表面に対して垂直な
方向であり、基板表面と平行な方向には減速を受けな
い。

【００２５】したがって、プラズマ中のランダムな運動
を反映し、種々の運動方向を有する電子は、大部分が基
板に対して斜めに入射すると考えられる。このため、絶
縁パターンの構造付アンテナの絶縁パターンの上部側壁
には、イオンはほとんど衝突しないのに対し、多量の電
子が衝突する。この結果、絶縁パターンの側壁上部に負
電荷が蓄積する。

【００２６】この負電荷による電場が大きくなると、電
子が反発されてパターンの内部に入りにくくなると考え
られる。したがって、イオンによる正電荷流入に比較
し、電子による負電荷流入が不足して結果として過剰な
正電荷による電流がゲート配線層に蓄積され、ゲート絶
縁膜をトンネル電流となって通過し、損傷を生じるもの
と考えられる。

【００２７】図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明者
の行なった実験を示す。図１（Ａ）は、プラズマ処理し
たウエハ上の各チップにおけるゲート絶縁膜破壊の様子
を示す平面図である。図１（Ｂ）は、プラズマの電子温
度測定に用いたプローブの挿入方向を示す概略平面図で
ある。図１（Ｃ）は、プローブ測定によって得たプラズ
マの電子温度を位置の関数として示すグラフである。

【００２８】図２（Ａ）、（Ｂ）は、実験に用いたサン
プルの構造を示す断面図および平面図である。シリコン
基板１３の表面には、厚いフィールド酸化膜１４ａとフ
ィールド酸化膜によって囲まれた領域に形成された厚さ
８ｎｍのゲート酸化膜１４ｂが形成されている。

【００２９】これらのフィールド酸化膜およびゲート絶
縁膜上に、多結晶シリコン膜１５ａとアルミニウム層１
５ｂの積層からなるゲート配線１５が形成され、ＭＯＳ
キャパシタＣを構成している。ゲート配線１５の上に
は、厚さ１．６μｍのホトレジストによる密な配線パタ
ーン１６が形成されている。

【００３０】図２（Ｂ）に示すように、ホトレジストパ
ターン１６は、幅ｗ＝０．７５μｍの配線パターンが間
隔ｄ＝０．８μｍで複数本並列に配置されている。開口
部のアスペクト比は２である。これらの配線は、図中下
部に示すＭＯＳキャパシタＣに連続して接続されてい
る。

【００３１】図３（Ａ）は、このようなサンプルをエッ
チングした発散磁場ＥＣＲプラズマエッチング装置の構
成を示す。真空排気可能な反応室１には、ガス導入口
２、排気口３が接続されている。ガス導入口２は、所定
のエッチングガス源に接続される。排気口３は、排気装
置に接続されている。反応室１の上部には、開口が設け
られ、プラズマ発生室４に接続されている。プラズマ発
生室４と反応室１が気密な容器を構成する。

【００３２】反応室４の上部には、石英等のマイクロ波
透過窓６が気密に設けられており、マイクロ波導波管５
に接続されている。マイクロ波導波管５は、マイクロ波
発生源からプラズマ発生室４へマイクロ波を導入する。

【００３３】プラズマ発生室４の周囲には、主コイル７
が配置され、マイクロ波発生室４内に発散磁場を発生す
ることができる。この発散磁場により、ＥＣＲ条件が形
成される。

【００３４】反応室１の下部には、基板９を載置するた
めのサセプタ８が配置され、サセプタ８はｒｆバイアス
源１２に接続されている。ｒｆバイアス源１２は、１
３．５６ＭＨｚのｒｆ電圧をサセプタ８に供給する。サ
セプタ８の下部には、外側の外部コイル１０および内側
の内部コイル１１が同心状に配置されている。

【００３５】ガス導入口２からエッチングガスを導入
し、排気口３から排気することにより、反応室１、プラ
ズマ発生室４内に所定圧力のエッチングガス雰囲気を形
成する。主コイル７によって磁場を発生しつつ、マイク
ロ波導波管５からプラズマ発生室４にマイクロ波を導入
することにより、プラズマ発生室４内にＥＣＲプラズマ
を発生させる。このプラズマは、発散する磁場によって
反応室１内でドリフトし、サセプタ８上の基板９に達す
る。

【００３６】ｒｆバイアス源１２から１３．５６ＭＨｚ
のｒｆ電力をサセプタ８に印加することにより、基板９
の電位を制御し、プラズマ中のイオンを基板９に向かっ
て加速するようにバイアス電界を発生させる。このよう
な条件で、基板９上のサンプルにプラズマによるエッチ
ング処理を行なった。

【００３７】なお、エッチング条件は主コイル電流２１
Ａ、外部コイル電流８Ａ、内部コイル電流８Ａ、エッチ
ングガスＣｌ₂ ＋ＢＣｌ₃ 、圧力０．６Ｐａ、マイクロ
波電力８００Ｗ、ｒｆバイアス電力１８０Ｗであった。

【００３８】図１（Ａ）は、この条件のエッチングでウ
エハ９上の各チップ２２に形成したサンプルをエッチン
グした結果を示す。ウエハ９上の各チップ２２には、図
２（Ａ）、（Ｂ）に示すアンテナが接続されたゲート酸
化膜厚８ｎｍのＭＯＳキャパシタが形成されている。こ
のアンテナをエッチングした後、ＭＯＳキャパシタの耐
圧を測定した。

【００３９】白い四角形は耐圧が正常だったチップを表
し、ハッチされた四角形は耐圧不良、すなわちエッチン
グ中に破壊が生じたサンプルを示す。なお、右下がりの
単一ハッチで示された領域は、アンテナ比１０⁶ のサン
プルが破壊された領域を示し、クロスハッチされた領域
は、アンテナ比１０⁵ のサンプルが破壊された領域を示
す。

【００４０】なお、アンテナ比１０⁴ のサンプルも同時
に形成したが、アンテナ比１０⁵ のサンプルの破壊され
た領域とほぼ同一領域で破壊された。図１（Ａ）から、
ウエハ上全面でサンプルは破壊されたわけではなく、一
定の領域でサンプルが破壊されていることが判る。別の
見方をすれば、ウエハ上のある領域においては、ゲート
絶縁膜は破壊されていない。すなわち、白い四角形で示
した領域においては、ゲート絶縁膜の損傷が防止できる
プラズマになっていると考えられる。

【００４１】そこで、補償電極付ラングミュアプローブ
を用いてプラズマの性質を測定した。図１（Ｂ）は、ウ
エハ９上のプローブの挿入方向を示す。プローブの高さ
はウエハ表面から約４ｃｍとした。

【００４２】図３（Ｂ）は、ラングミュアプローブの構
成を概略的に示す。半径０．５ｍｍ、長さ５ｍｍの白金
線をプローブ３１とした。プローブ３１には、アルミニ
ウムで形成された補償電極３２、３３がキャパシタ３
４、３５を介して接続されている。これらの補償電極３
２、３３は、変動するプラズマ電位を補償するための電
極である。

【００４３】プローブ３１は、使用したｒｆ周波数を遮
断するフィルタ３６を介して電流計３８と可変電圧源３
７に接続されている。可変電圧源３７の他の極および反
応室１の外壁は接地されている。

【００４４】プローブ３１の位置を、図１（Ｂ）に示す
ようにウエハ９上で動かし、各点で可変電圧源３７の電
圧Ｖを掃引して流れる電流Ｉを電流計３８で測定した。
得られたＶ−Ｉ特性から、電流値が“０”になる浮動電
位付近のΔＶ／ΔｌｎＩを計算し、周知の方法により電
子温度をｅＶ単位で求めた。

【００４５】図１（Ｃ）は、得られた電子温度（ｅＶ）
のウエハ９上の径方向位置に対する関係を示す。サンプ
ルが破壊された領域に対応して、電子温度分布は明確な
変化を示している。すなわち、サンプルの破壊が生じた
領域においては、電子温度が約１０ｅＶ以上と高く、破
壊が生じなかった領域においては、電子温度が約７ｅＶ
以下と低い。この結果から、プラズマ中の電子温度が高
いと、構造付アンテナを有するゲート絶縁膜に破壊が生
じやすいことが判る。

【００４６】なお、サンプルにおけるゲート絶縁膜は厚
さ８ｎｍの酸化シリコン膜であり、この酸化シリコン膜
の絶縁耐圧は約８Ｖである。したがって、ゲート絶縁膜
の絶縁耐圧よりも低い、典型的には約１ｅＶ以上低い電
子温度領域においては、サンプルには損傷が生じていな
い。

【００４７】逆に、ゲート絶縁膜の耐圧よりも高い、典
型的には約２ｅＶ以上高い電子温度領域においてはゲー
ト絶縁膜の損傷が生じている。したがって、ゲート絶縁
膜の損傷を防止するためには、プラズマの電子温度をゲ
ート絶縁膜の耐圧よりも低くすることが望ましい。

【００４８】なお、ゲート絶縁膜の損傷は、ゲート絶縁
膜の膜厚が１０ｎｍ以下、アンテナ比が５００以上、ア
スペクト比が１以上の場合に生じ易い。特にウエハ径が
８インチ以上の場合に損傷が生じ易い。

【００４９】このように、平坦面上の特性が均一なプラ
ズを用いても、微細パターンの加工において生じ得る損
傷は、ウエハ全面上でのプラズマの電子温度を低く制御
することにより防止できることが判った。この機構は以
下のように考えることができるであろう。

【００５０】まず均一なプラズマを用いても、構造付ア
ンテナに損傷が生じる機構として次のようなモデルが考
えられる。図４（Ａ）に示すように、基板にバイアスｒ
ｆ電力を供給した時、プラズマに対して基板が相対的に
負電位にバイアスされる。プラズマ中の正イオンは、基
板とプラズマの間に形成された電場によって基板に向っ
て加速され、基板にほとんど垂直に入射する。プラズマ
と基板間の電場は、基板に印加するバイアスｒｆ電力に
よって周期的に変化するが、その向き（符号）は変化し
ない。従って、正イオンは全周期を通して基板に入射す
ると考えることができる。

【００５１】図４（Ｂ）に示すように、この電場は電子
に対しては減速作用を及ぼす。従って、電子は電場によ
って減速され、プラズマ中のランダムな運動を反映し、
大部分が基板に対して斜めに入射すると考えられる。電
子が基板に対して斜めに入射すると、基板上の絶縁パタ
ーンの側壁に電子が入射することになる。導電性のない
領域に入射した電子は、その領域をチャージアップさせ
る。

【００５２】すなわち、構造付アンテナの絶縁物パター
ンの上部側壁にはイオンはほとんど衝突せず、電子だけ
が衝突する。この結果、側壁に負電荷が蓄積される。蓄
積された負電荷は、さらに電子を反発する電場を形成す
る。この電場の強さに応じて電子がパターン内に入れな
くなる。絶縁物パターン上部側壁における負電荷の蓄積
は、プラズマ中の電子の横方向速度によって支配される
ものと考えることができる。

【００５３】この電子の横方向速度は、電子温度に依存
する。横方向速度が高い電子の割合が高いと、絶縁物パ
ターン側壁に蓄積される負電荷が大きくなり、全周期を
通して入射するイオンの正電荷流入に対して電子電流が
バランスを取れなくなる。結果として、過剰正電流がゲ
ート絶縁膜を通過し、損傷を与えると考えられる。

【００５４】電子温度を下げると、電子の平均運動エネ
ルギが低下し、高エネルギ電子の数も少なくなる。電子
の運動はランダムである。図４（Ｃ）に示すように、電
子の速度を基板に垂直な速度成分ｖ_y と基板表面に平行
な速度成分ｖ_x に分解して考えた時、外力が働かない場
合ｖ_x の分布とｖ_y の分布は等しい。基板に垂直な電場
を発生させると、垂直成分ｖ_y は、プラズマと基板間の
電場によって加速／減速を受けるが、水平成分ｖ_x は電
場によってほとんど影響されない。電子温度を下げると
電子の横方向速度成分ｖ_x が低下し、絶縁物パターンの
上部側壁に蓄積する負電荷が小さくなると考えられる。
電子の垂直方向速度成分ｖ_y は、電子温度によらず、電
場との相互作用によりほぼ一定値に保たれると考えれ
ば、電子温度が低い程側壁上のチャージアップ量が少な
く、基板に流入する電子電流を高くすることができる。
このような機構により、電子温度を低下させた時に基板
に入射する正電荷の過剰を抑制できるものと考えられ
る。

【００５５】なお、基板に対する電子の入射は、全周期
均一ではない。プラズマと基板間のバイアス電場が強い
時は、電子は電場によって反発され基板に近づくことが
できない。プラズマと基板間のバイアス電場が弱くな
り、電子が基板に近づける期間にのみ電子が基板に入射
すると考えられる。基板バイアスがｒｆバイアスである
場合、プラズマと基板間に形成される電場は、ｒｆバイ
アスの周波数に従って変動する。

【００５６】図２（Ａ）に示すＥＣＲプラズマエッチン
グ装置において、ｒｆバイアス源１２の周波数を１３．
５６ＭＨｚから４００ｋＨｚに変化させた。その結果、
ウエハ全面上においてゲート絶縁膜の損傷がなくなっ
た。この現象は以下のように考えることができる。

【００５７】周波数を低下させたことにより、プラズマ
と基板間に形成される電場が強い期間が長くなる。電場
が強い期間においては、イオンによる正電荷が基板に入
射する。この結果、１サイクル内で基板に蓄積される正
電荷の量が大きくなる。なお、発明者の計算によれば、
１サイクル内で基板に蓄積される正電荷の量は、大きく
なってもゲート絶縁膜に損傷を与える程の量とはならな
い。

【００５８】基板に蓄積される正電荷の量が大きくなる
と電場が弱くなった時に、基板の電位がプラズマ電位に
接近する期間が長くなる。また、この期間における電場
の絶対値も小さくなり、基板電位はよりプラズマ電位に
接近する。結果として、より低エネルギの電子まで基板
に入射するようになる。基板に入射する電子のみを考え
れば、入射する電子の実効的な電子温度が低下すること
になる。

【００５９】すなわち、電子温度を低下させることが基
板における損傷防止に有効であるが、この電子温度は実
効的に基板に入射する電子の電子温度であり、基板に電
子が入射しない期間においては電子温度は必ずしも低い
必要はない。

【００６０】また、電子温度はプラズマ雰囲気の圧力を
上げたり、マイクロ波電力を下げたり、イオン化ポテン
シャルの低いガスを添加することによっても低下させる
ことができるであろう。

【００６１】図３（Ａ）のＥＣＲプラズマ装置におい
て、内部コイル１１のコイル電流を＋８Ａから−８Ａに
変更したところ、ウエハ上において全面的に損傷がなく
なった。

【００６２】また、ｒｆバイアス電力を０Ｗにしたとこ
ろ、やはり全面的に損傷がなくなった。これらの条件で
も実効的に基板に入射する電子の電子温度が低下したも
のと考えられる。

【００６３】なお、浮動電位付近では高運動エネルギの
電子のみが電流Ｉに寄与できる。したがって、この電位
領域で求める電子温度は高エネルギ成分を反映したもの
と言える。絶縁膜パターン上部側壁に負電荷が蓄積して
いく過程も、主に高運動エネルギ電子によって支配され
ると考えられる。従って、高運動エネルギの電子成分を
対象として電子温度を制御することが好適と考えられ
る。

【００６４】なお、上記実験においては厚さ８ｎｍのゲ
ート絶縁膜を用いたが、より薄いゲート絶縁膜を用いた
場合、アンテナ導体の電位は絶縁膜の耐圧にほぼ近い値
まで上昇すると考えられる。アンテナ電位が上昇する
と、電子が引き込まれると考えられ、また電子温度を下
げることで電子が引き込まれやすくなる。従って、許容
電位である耐圧に合わせて電子温度の上限を下げるよう
にすれば、ダメージが抑制できると推定できる。従っ
て、プラズマの電子温度は絶縁膜の耐圧以下とすること
が好ましいであろう。

【００６５】ところで、プラズマへの投入エネルギを変
調すると、電子温度も投入エネルギの変調に応じて時間
変化すると考えられる。以下、誘導結合プラズマエッチ
ング装置を例にとって説明する。

【００６６】図５は、本発明の実施例による誘導結合プ
ラズマエッチング装置を示す概略断面図である。ステン
レス等の外側容器６１の上にセラミックス製ベルジャ６
２が配置され、気密な反応室５１を構成している。反応
室５１には、ガス導入口５２と排気口５３が接続されて
いる。ガス導入口５２にはエッチングガス源ＥＧが接続
され、排気口５３には排気装置ＥＶＡＣが接続されてい
る。

【００６７】セラミックス製ベルジャ６２の回りには、
２回巻のコイル６０が配置され、マッチング回路５９を
介してｒｆソース電源５８に接続されている。ソース電
源５８から１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力がコイル６０に
供給され、反応室５１内に誘導的にｒｆ電力が投入され
る。ガス導入口５２からエッチングガスを反応室５１内
に導入し、排気口５３から排気して反応室５１内を所定
の圧力に維持し、１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力を反応室
５１に投入することにより、反応室５１内にプラズマを
発生させることができる。このプラズマはサセプタ５４
上に載置された基板５５に達する。

【００６８】サセプタ５４は、マッチング回路を内蔵す
るｒｆバイアス源５６に接続されている。ｒｆバイアス
源５６から所望の周波数（典型的には６６．７ｋＨｚ）
のｒｆ電力を投入することにより、基板５５の電位を制
御し、プラズマ中のイオンを所望のエネルギに加速して
基板５５に衝突させることができる。

【００６９】ｒｆバイアス源５６からｒｆ出力波形に相
似するｒｆ信号が取り出され、パルス発生器５７に供給
される。パルス発生器５７は、入力したｒｆ信号と同じ
繰り返し周期で所望の位相に同期した所望のオン期間を
有するパルスを発生する。このパルス信号は、ソース電
源５８に入力され、１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力をパル
スに応じてＯＮ／ＯＦＦ変調する。すなわち、プラズマ
励起電力が基板バイアスと同期してＯＮ／ＯＦＦ変調さ
れる。

【００７０】反応室５１内では、ＯＮ／ＯＦＦ変調され
たプラズマが発生し、このプラズマのＯＮ／ＯＦＦ変調
に同期したｒｆバイアスが基板５５に印加される。な
お、サセプタ５４の周囲には、ヒータ６４により温度制
御できる内側容器６３が配置されている。温度を制御す
ることにより、プラズマ組成を制御できる。また、内側
容器６３は接地され、サセプタ５４に印加されるｒｆバ
イアスがプラズマ電位を変動させることを抑制する。

【００７１】図６は、上述のプラズマ発生装置の動作を
説明するための波形図である。波形（ａ）は、プラズマ
励起用のソース電力を連続投入した場合の投入電力波形
を概略的に示す。

【００７２】波形（ｂ）は、ｒｆバイアスの電圧波形を
概略的に示す。特にソース電力との同期をとっていない
場合、ｒｆバイアスの波形は図に示すように、種々の位
相で表れる。

【００７３】波形（ｃ）は、上述のようにソース電力を
ＯＮ／ＯＦＦ変調した場合の電力波形を概略的に示す。
電力が投入されている間はプラズマに励起エネルギが与
えられるが、電力がオフされている期間はプラズマ投入
電力が“０”になる。

【００７４】波形（ｄ）は、波形（ｃ）で励起している
プラズマ中の電子温度を概略的に示す。ソース電力が投
入されている間、電子は加速され、電子温度は上昇して
いく。電子温度の上昇中にソース電力がオフされるとす
る。ソース電力がオフされるとプラズマ中の電子の加速
がなくなり、電子はプラズマ中の原子、分子、イオンや
反応容器壁に非弾性衝突し、エネルギを失う。このた
め、電子温度は徐々に低下していく。このように、ソー
ス電力をＯＮ／ＯＦＦ変調すると、電子温度はソース電
力のＯＮ／ＯＦＦに同期して上昇／下降する。

【００７５】波形（ｅ）は、ソース電力がオフからオン
に変化する時に最高電位になるようにソース電力変調に
同調させたｒｆバイアスの波形を示す。基板に対する電
子の流入が、ｒｆバイアス最高の時に生じるとすれば、
この時、電子温度は最低となっている。すなわち、基板
に流入する電子の実効的電子温度が最低に選択される。
波形（ｆ）は、波形（ｅ）のｒｆバイアスを印加した時
にプラズマから基板に流れる電子電流を示す。

【００７６】なお、波形（ｂ）に示すように、ｒｆバイ
アスをソース電力のＯＮ／ＯＦＦと非同期とすれば、基
板に電子が流入するタイミングはソース電力の変調と無
関係となり、実効的電子温度は波形（ｄ）の平均値とな
るであろう。あるいは波形（ｄ）の最大値に支配される
こともありうる。

【００７７】以上の考察を検証するため、以下に説明す
る実験を行なった。図７は、実験に用いたサンプルの構
造を示す。図７（Ａ）は、サンプルの断面図である。シ
リコン基板１３の表面には、ＬＯＣＯＳにより作成した
厚いフィールド酸化膜１４ａが形成されている。フィー
ルド酸化膜１４ａによって画定された開口部に厚さ６ｎ
ｍのゲート酸化膜１４ｂが形成されている。ゲート酸化
膜１４ｂおよびフィールド酸化膜１４ａの上に、ゲート
配線層１５が形成されている。

【００７８】ゲート配線層１５は、図２（Ａ）に示すゲ
ート配線層と同様、多結晶シリコン層とアルミニウム層
の積層で形成される。ゲート配線層１５の上には、レジ
ストマスク１６が形成されている。レジストマスク１６
は厚さ１．２μｍであり、図７（Ｂ）に示すように、幅
ｗ＝０．６μｍ、間隔ｄ＝０．６μｍを有し、互いに平
行なストライプで形成される。開口のアスペクト比は２
である。

【００７９】図７（Ｂ）に示すように、ゲート配線層１
５の一部は下部に突出しており、この部分にＭＯＳキャ
パシタＣが形成されている。なお、図７（Ａ）の断面図
は概略的なものであり、図７（Ｂ）の平面図と厳密には
一致していない。

【００８０】図８は、実験に用いたソース電力のＯＮ／
ＯＦＦ変調と、同期ｒｆバイアスの位相関係を示す。ソ
ース電力がオンするタイミングを０°とし、ｒｆバイア
スの最大電位がソース電力オンの位相より進む角度（進
角）を位相角θとした。θは、０°、９０°、１８０
°、２７０°に設定した。なお、ソース電力のＯＮ／Ｏ
ＦＦ変調は、オン期間を５μｓｅｃとし、オフ期間を１
０μｓｅｃとした。したがって、ｒｆバイアスの最大電
位がオン期間の最後に同期する場合、その位相角は２４
０°となる。

【００８１】なお、実験においては比較のため、図６
（Ａ）に示す連続放電の場合も測定した。また、ｒｆバ
イアスをソース電力のＯＮ／ＯＦＦと同期させない非同
期（図６（ｂ）の波形）の場合も実験した。

【００８２】なお、表面露出型アンテナを接続したサン
プルを用いた場合には、プラズマ処理装置内における損
傷は、アンテナ比１００００００でも検出されなかっ
た。プラズマ処理条件は、圧力０．５３ＰａのＡｒガス
を用い、ソース電力平均値を１００Ｗとし、ｒｆバイア
ス電力を２２Ｗとした。この時、ラングミュアプローブ
測定で求めたイオン電流密度１ｍＡ／ｃｍ² 程度であっ
た。

【００８３】図８のソース電力のＯＮ／ＯＦＦ変調実験
では、オン期間を５μｓｅｃとし、オフ期間を１０μｓ
ｅｃとした。したがって、繰り返し周波数は６６．７ｋ
Ｈｚとなる。非同期のｒｆバイアスは６０ｋＨｚとし
た。また、オン期間のソース電力は３００Ｗとし、平均
１００Ｗを実現した。

【００８４】図９は、実験結果を示すグラフである。横
軸は放電の形式を示し、縦軸はキャパシタ破壊率を％で
示す。なお、キャパシタ破壊率を測定したサンプルは、
アンテナ比１０⁵ である。連続放電の場合、キャパシタ
破壊率は９０％以上であり、１００％近い確率を示し
た。ソース電力をＯＮ／ＯＦＦ変調すると、破壊率は７
０％程度に低下している。ＯＮ／ＯＦＦ変調により、電
子温度の平均値が低下したものと考えられる。

【００８５】同期ｒｆバイアスを０°の位相で印加した
場合には、破壊率は５％程度まで低下した。これは、非
同期ｒｆバイアスを用いた場合には期待できない著しい
改善である。０°から位相を大きくしていくと、破壊率
は増大している。

【００８６】オン期間とオフ期間の時間長が異なるた
め、位相１８０°はオフ期間に含まれる。オフ期間に含
まれる０°、９０°、１８０°の測定結果は、オフ期間
中のｒｆバイアスの進角が進むと、次第にキャパシタ破
壊率が高くなることを示している。

【００８７】位相２７０°はオン期間内であり、他の位
相角のデータとは若干条件が異なる。得られたキャパシ
タ破壊率は位相１８０°の破壊率に近いものであった。
なお、４つの位相角におけるキャパシタ破壊率が総て非
同期の場合のキャパシタ破壊率よりも低い理由は現在ま
でのところ判っていない。

【００８８】以上の実験結果から、プラズマ励起パワー
を変調する時、投入電力の程度に応じて電子温度が低下
すること、ＯＮ／ＯＦＦ変調にｒｆバイアスを同期させ
ると１周期内でｒｆバイアスの位相の変化に対応して電
子温度が変化することが推察される。電子温度が最も低
くなるのは、プラズマ励起パワーがオフからオンに変化
する時である。

【００８９】「オン」「オフ」サイクルの繰り返し周波
数は、必ずしもｒｆバイアスの周波数と同じである必要
はない。たとえば、ｒｆバイアス周波数の１／２や１／
４でもよい。

【００９０】繰り返し周波数は、電子の熱的緩和、プラ
ズマ維持の観点から、５−５００ｋＨｚの周波数範囲で
選ぶことが好ましい。プラズマ励起パワーは、繰り返し
周波数の５倍以上の周波数を有することが好ましい。プ
ラズマ励起パワーは、各「オン」期間に３サイクル以上
を有することが好ましい。

【００９１】電子が注入される期間は、実際上は“０”
ではなく、ある時間幅を有する。したがって、上述の
「ｒｆバイアスが最大となるタイミング」は、厳密には
電子電流の主たる部分（典型的にはその９０％）が注入
される期間と考えるべきであろう。この期間内の平均電
子温度が最低となるように制御することが好ましい。た
とえば、図６に示すように、オン期間とオフ期間が異な
るＯＮ／ＯＦＦ変調の場合、最適のｒｆバイアスの位相
は０°よりも僅かに進んだ角度となる。実際上、ｒｆバ
イアスの位相は−３０°〜＋６０°の範囲とすることが
好ましいであろう。

【００９２】また、電子温度は、最低値Ｔｅｍｉｎから
振幅の３０％上までを実質的な最低値と考えることがで
きる。基板電位は、最高値から振幅の１０％下までを実
質的な最高値と考えることができる。

【００９３】なお、この実験において、Ａｒガスを用い
たのはラングミュアプローブ測定等の便宜のためであ
る。実際の半導体装置の製造プロセスにおいては、その
他のガスが用いられる。

【００９４】たとえば、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスを用い、ＳｉＯ₂
膜のエッチングを行なうことができる。図５に示す装置
を用い、上述と同様の構造付アンテナを接続したＭＯＳ
キャパシタを処理した。連続放電でソース電力２．５ｋ
ｗ、ｒｆバイアス電力２５０Ｗを印加する時、ＳｉＯ₂
膜が５００ｎｍ／分のエッチング速度でエッチングでき
た。このプラズマで上述のサンプルを処理すると、１０
⁶ アンテナで９３％の破壊率で示した。

【００９５】ＯＮ／ＯＦＦ時間を５μｓｅｃ／５μｓｅ
ｃ、オン期間のソース電力を２．５ｋｗ、同期ｒｆバイ
アスを１００ｋＨｚ、２５０Ｗとすると、ＳｉＯ₂ 膜は
３３０ｎｍ／分のエッチング速度でエッチングできた。
この場合、破壊率は８８％であった。

【００９６】ＯＮ／ＯＦＦ時間を５μｓｅｃ／１０μｓ
ｅｃとし、オン期間のソース電力を２．５ｋｗ、同期ｒ
ｆバイアスを６６．７ｋＨｚ、２５０Ｗとすると、Ｓｉ
Ｏ₂膜は２１０ｎｍ／分のエッチング速度でエッチング
でき、破壊率は４％であった。

【００９７】オフ時間を長くすることで著しく損傷が低
減した。オフ時間を長くすると、電子温度が降下する時
間が長くなり、その期間の最後における電子温度はより
低下すると考えられる。損傷の著しい低下は、少なくと
もこの電子温度の低下に依存するものと考えられる。

【００９８】ただし、この例では、厳密にはソース電力
の平均値が変化しており、イオン電流密度も変化してい
ると考えられる。したがって、オフ時間効果だけを示す
ものではないであろう。

【００９９】オフ時間を長くしずきると、ｒｆバイアス
の周波数が低くなりすぎて、バイアスを印加しにくくな
る。ソース電力を高くして、プラズマ密度が高くなりす
ぎると、基板電位の上昇がクランプされてしまうことが
ある。基板電位が上昇した時の基板とプラズマ間のイン
ピーダンスが小さくなり、基板とｒｆバイアス電源との
間のインピーダンスが相対的に大きくなりすぎるためと
考えられる。静電チャックを用いて基板を吸着している
場合に、この現象が顕著になりやすい。

【０１００】このような場合には、表面的な最適位相が
変化してしまい、１８０°付近が最適になることもあ
る。しかしながら、基板の実際の電位変化を測定し、所
望の繰り返し周波数において、正弦波に近い状態が得ら
れるように基板とｒｆバイアス電源の間のインピーダン
スを十分小さくすれば、本来の最適位相で最適の効果を
得ることができるであろう。

【０１０１】図１０は、プラズマ励起エネルギの種々の
変調方法を示す。最上段に示した正弦波はｒｆバイアス
の波形であり、その下に示した波形（ａ）〜波形（ｅ）
がプラズマ励起エネルギの変調波形である。

【０１０２】波形（ａ）、（ｂ）は、上述のＯＮ／ＯＦ
Ｆ変調の場合の位相０°からの変化を示す。プラズマ励
起パワーのオン期間中にｒｆバイアスの最高値が入る場
合には、位相角の許容範囲はおよそ−３０°〜 ０°で
ある。波形（ｂ）に示すように、ｒｆバイアス電位の最
高値がプラズマ励起パワーのオフ期間中に入り込む場合
は、位相角の許容範囲はおよそ０°〜６０°である。一
般的に位相角θは−３０°≦θ≦＋６０°とすることが
好ましい。

【０１０３】上述の例においては、プラズマ励起パワー
はＯＮ／ＯＦＦ変調した。オフ期間に全くプラズマ励起
パワーを遮断することは必ずしも必要ではない。プラズ
マ励起パワーを強弱２段階に切り換えることにより、プ
ラズマ励起パワーが弱い期間に電子温度を低下させるこ
ともできる。

【０１０４】波形（ｃ）は、この場合の例を示す。プラ
ズマ励起パワーが強弱２段階で変調され、プラズマ励起
パワーが弱い状態から強い状態に変化するタイミングで
ｒｆバイアスの最高電位が生じている。

【０１０５】波形（ｄ）、（ｅ）は、さらに別の変形を
示す。波形（ｄ）は、立ち上がり、立ち下がりに時定数
を有するプラズマ励起パワーを用いた場合を示してい
る。この場合、立ち上がりの速度に応じて、ｒｆバイア
スの位相を制御することが好ましい。たとえば、プラズ
マ励起パワーが１０％以上立ち上がろうとする時に、ｒ
ｆバイアスが最大値を示すように選択する。

【０１０６】波形（ｅ）の場合には、プラズマ励起パワ
ーはほぼ正弦波的に変化している。この場合にも、プラ
ズマ励起パワーが弱い状態から次第に強くなる状態に合
わせ、ｒｆバイアスが最大値をとるようにすることが好
ましい。たとえば、プラズマ励起パワーの電力が最大値
の２５％以上になる時に、ｒｆバイアス電圧が最大値を
とるように選択する。

【０１０７】図１１は、本発明の他の実施例によるプラ
ズマ処理装置を概略的に示すブロック図である。気密な
容器１０１内にサセプタ１０２が接地され、その上に基
板１０３が静電吸着される。サセプタ１０２は温度制御
され、基板１０３とサセプタ１０２の間にヘリウムガス
が導入される。基板はヘリウムガスを介して加熱／冷却
され、サセプタと同一の温度に保持される。容器１０１
内には、マスフローコントローラ１０４、１０５によっ
て流量を制御されたプロセス用ガスが導入される。この
ガス系統は、必要に応じて３系統以上に増加することも
１系統にすることもできる。容器１０１は、オートプレ
ッシャコントローラ１０６を介して真空ポンプに接続さ
れ、圧力を制御して排気する。

【０１０８】高周波（若しくはマイクロ波）発振器１１
１からの高周波（若しくはマイクロ波）電力は、整合器
ないし結合手段１１２を介して容器１０１内のガスに導
入され、ガスをプラズマ化する。結合手段と投入電力に
よって次のようなプラズマを生成できる：平行平板電極
による容量結合プラズマ、容器１０１に巻いたコイルを
用いた誘導結合プラズマ、容器１０１上に設置した平板
型コイル（ＴＣＰコイル）を用いた誘導結合プラズマ、
高周波と磁場を併用するヘリコン波プラズマ、マイクロ
波と磁場を用いたＥＣＲプラズマ、マイクロ波と誘電体
線路を用いた表面波励起プラズマ等。

【０１０９】一方、サセプタ１０２には高周波電力が印
加される。図の構成においては、２チャンネルの任意波
形発生器１１３の一方からの正弦波信号が高周波増幅器
１１４で電力増幅され、整合器１１５を介してサセプタ
１０２に印加される。任意波形発生器１１３のもう一方
のチャンネルからは高周波（もしくはマイクロ波）発振
器に矩形波が供給される。この矩形波により、発振器１
１１は振幅変調される。

【０１１０】容器１０１には、窓１２１を介して光ファ
イバ１２２が接続され、終点検出器１２３にプラズマ発
光を導入する。終点検出器設定に応じた波長の光の強度
変化を検出し、プロセスの進行をモニタする。

【０１１１】システムコントローラ１３１は、基板１０
３の搬送系を含み、装置全体の動作を制御する。マスフ
ローコントローラ１０４、１０５には、各ガスの設定値
を送り、実際に流れているガス流量の読みを受け取る。
オートプレッシャコントローラ１０６には圧力設定値が
供給され、実際の圧力の読みが返される。高周波（若し
くはマイクロ波）発振器１１１にはソース電力設定値、
高周波増幅器１１４にはｒｆバイアス電力設定値が送ら
れ、それぞれの正味電力の読みが返される。なお、読み
はしばしば整合器１１２、１１５から返される。

【０１１２】任意波形発生器１１３には、各チャンネル
の位相差等を送る。終点検出器１２３にはパラメータ
群、たとえば検出波長、検出条件等を送り、終点信号が
返される。システムコントローラ１３１は、時計を内蔵
し、設定時間に従って動作を進行させることができる。
システムコントローラ１３１に一連の処理条件を予め設
定することによって、自動的に基板１０３のプラズマ処
理ができる。

【０１１３】このように、２チャンネルの任意波形発生
器１１３を用い、その出力波形により高周波発振器１１
１を振幅変調し、高周波増幅器１１４によって電力増幅
を行なう。これらの変調及び増幅は、他の処理パラメー
タと共にシステムコントローラが自動的に設定、変更で
きる。これにより、プラズマ処理の途中で任意にプラズ
マ発生条件やｒｆバイアス条件を切り換えることができ
る。

【０１１４】任意波形発生器１１３の代わりに、単一の
正弦波発生器を用い、その出力によってソース電力を変
調するかどうかをシステムコントローラからの信号で選
択するようにしてもよい。この場合、トリガレベルとパ
ルス幅を設定可能とし、位相、ＯＮ／ＯＦＦ時間を可変
にすることができる。また、矩形波を発生させ、ソース
電力を変調するかどうかを選択可能とし、矩形波の基本
波成分だけを増幅し、位相をずらしてｒｆバイアスとし
て用いてもよい。

【０１１５】図１２は、２段階のプロセスを行なう処理
を示す。ガス１、ガス２の流量および反応容器内の圧力
を設定し、設定条件で安定した後、パルスオフ時間
“０”、すなわち連続出力に設定し、ソース電力を投入
する。続いて、ｒｆバイアス電力を投入する。予め決め
た時間が経過したら（あるいは終点を検出したら）、ｒ
ｆバイアス電力、ソース電力を順次切る。

【０１１６】次に第２段階のガス流量、圧力に設定を変
更する。設定条件に安定したら、たとえば１０μｓｅｃ
のパルスオフ時間を用い、任意波形発生器１１３からパ
ルス波形と、同期した正弦波を発生させる。パルスオン
時間をたとえば５μｓｅｃとすると、正弦波は６６．７
ｋＨｚとなる。これら信号に従って、ソース電力、ｒｆ
バイアス電力を再度投入し、第２段階のプラズマ処理を
行なう。予め決めた時間が経過したら、電力を切り、ガ
スを止め、排気を行なった後プロセスを終了する。

【０１１７】なお、動作シーケンスは以上説明したもの
に限らない。各段階で必ずしも全てのパラメータを変更
しなくてもよいし、３段階以上の変化を設定することも
できる。パルスのオン時間を途中で変更することもでき
るし、各値の増減を必要に応じ、最適に変化させること
もできる。

【０１１８】上述の方法は、たとえばゲート電極のエッ
チング、ゲート電極上のコンタクトホールのエッチン
グ、ゲート電極に接続する配線のエッチング、この配線
上のビアホールのエッチング、コンタクトホールやビア
ホール内のプラズマクリーニング、またはゲート電極や
ゲート配線上へのプラズマＣＶＤによる成膜に利用する
ことができる。

【０１１９】ゲート電極や配線のパターニングの場合に
損傷が生じるのは工程の終点付近である。間隔の狭いパ
ターン間のみに導体が残存し、広いパターン間隔ではエ
ッチングが終了するため、ゲート電極等にアンテナ構造
が接続された状態になる。間隔の広いパターン間にも導
体が存続している期間には、導電層はいずれかの位置で
基板に電気的に接続されていることが多く、電子温度は
高くても問題ない場合が多い。そこで、連続放電の方が
加工性能等の面から好ましい場合、エッチング終点直前
まで連続放電を行い、エッチング終点直前にＯＮ／ＯＦ
Ｆ変調と同期バイアスの併用を用いる。あるいは、終点
前後だけＯＮ／ＯＦＦ変調と同期バイアスの併用とする
ことも可能である。

【０１２０】コンタクトホールやビアホール形成の場合
は、損傷が生じるのはプロセス終点近傍で導体が露出し
ている期間である。したがって、プロセス終点前に連続
放電からＯＮ／ＯＦＦ変調と同期バイアス印加に切り換
えることができる。この場合、加工性能を向上させられ
る可能性がある。

【０１２１】たとえば、ビアホールエッチングの場合、
この例のような順で連続放電から始め、エッチング終点
直前にパルス変調プラズマと同期バイアスを用いる動作
に移ると、スループットをあまり低下させることなく、
チャージングダメージを低減できる。配線エッチングの
場合は、終点を十分過ぎた後、再び連続放電に戻っても
よい。

【０１２２】このように、プロセス途中で条件を切り換
えることを可能とするために、プラズマ装置のシステム
コントローラからソース電源に関して連続／変調の切り
換えや、パルス幅の設定が行なえ、ｒｆバイアス源に対
して周波数の切り換え、各マッチング回路に関してプリ
セット値の切り換え等の制御を行なえるようにすること
が好ましい。

【０１２３】プラズマＣＶＤによる成膜においては、成
膜初期にエッチングの損傷に類似する現象が認められ
た。成膜の初期においては、パターン上部により早く膜
が形成される。導電体で形成されたパターン上に絶縁膜
をＣＶＤで堆積する場合、プロセス初期においては、パ
ターン上部のみが絶縁膜によって覆われ、電子の負電荷
が蓄積する。この時、パターン下部にはイオンの流入が
過剰となる。このため、堆積初期における段階で、過剰
イオン電荷がゲート絶縁膜に損傷を与えることが生じ得
る。このようなプラズマＣＶＤにおいては、プロセス初
期に基板に流入する電荷のアンバランスを低減すること
が望まれる。

【０１２４】たとえば、プラズマＣＶＤの場合には、成
膜初期にパルス変調と同期ｒｆバイアスを用いる。この
場合、途中から連続放電にし、スループットをあまり低
下させずに、チャージングダメージを低減することがで
きる。ｒｆバイアスの投入の仕方で、平坦化特性を得る
こともできる。

【０１２５】また、ソース電源を変調可能なｒｆ発振器
で構成せず、ｒｆ増幅器で構成してもよい。このｒｆ増
幅器に連続またはパルス変調した高周波信号を印加し、
同様の出力を得ることができる。

【０１２６】このように、変調、同期、位相制御の手段
としては種々の形態をとることができる。マイクロ波に
よってプラズマを生成する場合、マイクロ波の発生をＯ
Ｎ／ＯＦＦ変調し、この変調にｒｆバイアスを同期させ
ればよい。光による励起によってプラズマを発生させる
場合も同様である。

【０１２７】これらの実施例において、プラズマ励起パ
ワーがオフになる期間に電子温度が減衰することが重要
である。電子温度の減衰特性は、ガスの種類によって変
わると考えられる。したがって、ガスの種類に応じて十
分なオフ時間を選ぶことにより、最適な効果が得られる
であろう。

【０１２８】絶縁膜の開口のアスペクト比がより大きい
場合には、アンテナ導体と絶縁膜パターン上部の距離が
大きくなるため、より少ない電荷蓄積でも電子が反発さ
れるようになる。したがって、損傷を防止するためには
より低い電子温度に制御することが必要となる。

【０１２９】また、ゲート絶縁膜の膜厚が６ｎｍ、８ｎ
ｍの場合を示したが、より薄い絶縁膜を有する半導体装
置の製造の場合には、アンテナ導体の電位が下がるた
め、電子を引き込みにくくなる。アンテナ導体の電位は
絶縁膜の耐圧にほぼ近い値まで上昇するので、この程度
以下の電子温度に制御すれば電子を引き込むことがで
き、損傷を防止することができると考えられる。

【０１３０】以上、主にＥＣＲプラズマ装置、誘導結合
型プラズマ装置を例にとって説明したが、プラズマの性
質を利用するものであれば、同等の原理が他の装置にも
適用できる。たとえば、ＲＩＥ装置、ヘリコン波プラズ
マ装置等にも適用できる。

【０１３１】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【０１３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
密で微細なパターンを有するプラズマ加工においてプラ
ズマに起因するゲート絶縁膜の損傷を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明者が行なった実験を説明するための平面
図およびグラフである。

【図２】実験に用いたサンプルの断面図および平面図で
ある。

【図３】実験に用いたＥＣＲプラズマ装置およびラング
ミュアプローブを説明するための概略断面図および模式
図である。

【図４】プラズマ工程における基板のチャージアップを
説明するための概略図である。

【図５】実験に用いた誘導結合プラズマ装置を示すブロ
ック図である。

【図６】実験に用いたプラズマ装置内における電力およ
び電位の波形を示すグラフである。

【図７】実験に用いたサンプルの断面図および平面図で
ある。

【図８】プラズマ装置内における電力および電位の波形
を示す概略図である。

【図９】実験結果を示すグラフである。

【図１０】プラズマ処理方法の変形例を示すグラフであ
る。

【図１１】本発明の他の実施例によるプラズマ処理装置
のブロック図である。

【図１２】本発明の他の実施例による図１１の装置を用
いたプラズマ処理工程を説明するためのグラフである。

【符号の説明】

１ 反応室 ２ ガス導入口 ３ 排気口 ４ プラズマ発生室 ５ マイクロ波導波管 ６ マイクロ波透過窓 ７ 主コイル ８ サセプタ ９ 基板 １０ 外部コイル １１ 内部コイル １２ ｒｆバイアス源 ３１ プローブ ３２、３３ 補償電極 ３７ 可変電圧源 ３８ 電流源 ５１ 反応室 ５２ ガス導入口 ５３ 排気口 ５４ サセプタ ５５ 基板 ５６ ｒｆバイアス源 ５７ パルス発生器 ５８ ソース電源 ５９ マッチング回路 ６０ コイル ６１ 外側容器 ６２ ベルジャ ６３ 内側容器 ６４ ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 彦坂 幸信 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 長谷川 明広 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の製造におけるプラズマ処理
   において、プラズマ中の電子エネルギ分布、あるいはそ
   の代表値である電子温度が予め決められた値よりも小さ
   くなるように、ｒｆ周波数、電力、磁場、圧力、ガス種
   のうち少なくとも１つを制御して、電子が高アスペクト
   比絶縁体パターン間に存在する導電体パターン内に入れ
   るようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 （ａ）半導体層、その上に形成され、絶
   縁耐圧がＢ（Ｖ）であり、厚さが１０ｎｍ以下であるゲ
   ート絶縁膜、その上に形成されたアンテナ比が５００以
   上であるアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、
   アスペクト比が１より大の開口部を有する絶縁体パター
   ンを有する半導体ウエハをプラズマ処理装置内に搬入す
   る工程と、 （ｂ）前記半導体ウエハ全面上において電子温度Ｔｅ
   （ｅＶ）がＴｅ≦Ｂであるプラズマ中で前記半導体ウエ
   ハを処理する工程とを含む半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記絶縁体パターンがレジストパターン
   であり、前記工程（ｂ）が前記導電体層をエッチする工
   程である請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記半導体ウエハが、さらに前記導電体
   層と前記絶縁体パターンとの間に絶縁層を有し、前記工
   程（ｂ）が該絶縁層に開口をエッチする工程である請求
   項２記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 さらに、 （ｃ）前記電子温度Ｔｅよりも高い電子温度Ｔｅｈのプ
   ラズマ中で前記半導体ウエハを処理する工程を含む請求
   項２記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 Ｔｅｈ＞Ｂである請求項５記載の半導体
   装置の製造方法。
7. 【請求項７】 前記工程（ｃ）が前記工程（ｂ）の前に
   行なわれ、工程（ｂ）と（ｃ）がエッチ工程である請求
   項５記載の半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 前記工程（ｃ）が前記工程（ｂ）の後に
   行なわれ、工程（ｂ）と（ｃ）が堆積工程である請求項
   ５記載の半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 前記工程（ｃ）と前記工程（ｂ）が交互
   に行なわれる請求項５記載の半導体装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 ゲート絶縁膜とその上のゲート配線と
    を有する基板を反応容器内に収容する工程と、 周期的に変動するエネルギを与えて基板上方にプラズマ
    を励起する工程と、 プラズマの電子温度が実質的に最低となるタイミングに
    基板電位が実質的に最高となるようにプラズマ励起に同
    期して基板バイアスを印加する工程とを有する半導体装
    置の製造方法。
11. 【請求項１１】 電子温度が実質的に最低とは、１周期
    内の電子温度の最高値をＴｅｍａｘ、最低値をＴｅｍｉ
    ｎとした時、ＴｅｍｉｎからＴｅｍｉｎ＋０．３（Ｔｅ
    ｍａｘ−Ｔｅｍｉｎ）の範囲を指し、 基板電位が実質的に最高とは、１周期内の基板電位の最
    高値をＶｓｍａｘ、最低値をＶｓｍｉｎとした時、Ｖｓ
    ｍａｘからＶｓｍａｘ−０．１（Ｖｓｍａｘ−Ｖｓｍｉ
    ｎ）の範囲を指す請求項１０記載の半導体装置の製造方
    法。
12. 【請求項１２】 前記電子温度の実質的最低値は、ｅＶ
    で表した電子温度がＶで表したゲート絶縁膜の絶縁耐圧
    よりも小さくなるように前記プラズマのパラメータが選
    択されている請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 ゲート絶縁膜とその上に形成したゲー
    ト配線とを有する半導体基板を反応容器内に装架する工
    程と、 第１期間の間、反応容器内の半導体基板上方に主プラズ
    マ励起エネルギの投入、休止を繰り返す工程と、 前記主プラズマ励起エネルギの休止から投入に移るタイ
    ミングに同期して前記半導体基板に電子が流入するよう
    に前記半導体基板にバイアス電位を印加する工程とを有
    する半導体装置の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記プラズマ励起エネルギの投入、休
    止の繰り返しは、５−５００ＫＨｚの周波数であり、前
    記プラズマ励起エネルギは、その投入期間内に３周期以
    上を有する高周波エネルギである請求項１３記載の半導
    体装置の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記プラズマ励起エネルギの投入、休
    止の繰り返しは、５−５００ＫＨｚの周波数であり、前
    記プラズマ励起エネルギは、繰り返し周波数の５倍以上
    の周波数を有する請求項１３記載の半導体装置の製造方
    法。
16. 【請求項１６】 前記プラズマ励起エネルギの繰り返し
    の１周期を３６０°とし、前記バイアス電位が最高とな
    る位相の前記タイミングに対する進角をθ度とした時、
    −３０°≦θ≦６０°である請求項１３記載の半導体装
    置の製造方法。
17. 【請求項１７】 さらに、前記第１期間と別の第２期間
    の間プラズマ励起エネルギを連続的に投入してプラズマ
    を発生させる工程を有する請求項１３記載の半導体装置
    の製造方法。
18. 【請求項１８】 前記第１期間の間、前記主プラズマ励
    起エネルギの他に同一種類の補助プラズマ励起エネルギ
    を連続して基板上方に与える請求項１３記載の半導体装
    置の製造方法。
19. 【請求項１９】 気密容器と、 該気密容器内に制御して気体を導入する手段と、 該気密容器内に導入された気体を制御して排気する手段
    と、 該気密容器内に被処理基板を保持する手段と、 該被処理基板の電位に第１の時間変化を与えることので
    きる電位制御手段と、 該気密容器内の気体からプラズマを生成するためのエネ
    ルギを投入でき、投入エネルギに第２の時間変化を与え
    ることができるエネルギ投入手段と、 該第１の時間変化と該第２の時間変化とを同期させるこ
    とができ、第１および第２の時間変化の位相関係を制御
    することのできる同期制御手段とを有する半導体装置の
    製造装置。
20. 【請求項２０】 前記同期制御手段は、同一周波数の矩
    形波と正弦波を発生でき、矩形波を前記エネルギ投入手
    段へ供給し、正弦波を前記電位制御手段へ供給する請求
    項１９記載の半導体装置の製造装置。