JPH11297679A

JPH11297679A - 試料の表面処理方法および装置

Info

Publication number: JPH11297679A
Application number: JP11036226A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ono; 哲郎小野; Tatsumi Mizutani; 巽水谷; Ryoji Hamazaki; 良二浜崎; Tokuo Kure; 得男久礼; Takafumi Tokunaga; 尚文徳永; Masayuki Kojima; 雅之児島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-02-15
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子の微細化の要求に応えるために、
加工寸法が１μｍ以下好ましくは０.５μｍ以下の素子
を加工できる、半導体素子の表面処理方法および装置を
提供する。【解決手段】プラズマエッチングによる微細パタンの
加工を行うための試料の表面処理装置であって、真空容
器中に設けられ、表面処理される試料を載置する試料台
と、プラズマの生成用の処理ガスを前記真空容器中に連
続的に供給する処理ガス供給手段と、前記真空容器中に
高密度のプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記
プラズマ生成とは独立に、１００ＫＨｚ以上のバイアス
電圧を前記試料台に印可するバイアス電源と、前記バイ
アス電源を、１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数で変調す
るパルス周波数制御手段を備え、前記試料台に載置され
た試料に対して、最小加工寸法が１μｍ以下の表面処理
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料の表面処理方法
および装置にかかわり、特にプラズマを用いて試料表面
のエッチングを行なうのに適した表面処理方法および装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子の表面を処理する手段
として、半導体素子をプラズマ中でエッチングする装置
が知られている。ここでは、ＥＣＲ(電子サイクロトロ
ン共鳴)方式と呼ばれる装置を例に、従来技術を説明す
る。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中
でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電
子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の
周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生でき
る。半導体素子等の試料に入射するイオンを加速するた
めに、試料には高周波電圧が印加される。プラズマとな
るガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられ
る。

【０００３】このような従来の装置において、主に加工
の高精度化をはかる目的で、日本の特開平６−１５１３
６０号公報（対応米国特許５,３５２,３２４号明細書）
に記載された発明が知られている。この発明では、試料
に印加する高周波電圧をオンオフと間欠的に制御するこ
とにより、エッチングしたい物質であるシリコン（Ｓ
ｉ）と下地酸化膜との選択比を高くでき、かつアスペク
ト比依存性を低減できる。また、日本の特開平８−３３
９９８９号公報（対応米国特許５,６１４,０６０号明細
書）には、金属のエッチングにおいて断続的なＲＦバイ
アスパワーのショートパルスを重ね合せることにより、
エッチ残りを低減できることが記載されている。また、
日本の特開昭６２−１５４７３４号公報には、デポジシ
ョンとエッチングを生起するガスを導入し、所定電位よ
り高いＤＣバイアスと低いＤＣバイアスとを交互に印加
することにより、傾斜部を加工する方法が述べられてい
る。

【０００４】また、日本の特開昭６０−５０９２３号公
報（対応米国特許４,５７９,６２３号明細書）には、エ
ッチングガスの導入量を周期的に変化させるとともに高
周波電圧の印加時間を変えて、表面処理特性を向上させ
る方法が記載されている。また、日本の特許公報平４−
６９４１５号（対応米国特許４,８０８,２５８号明細
書）には、試料に印加する高周波電圧を変調して、エッ
チング特性を向上する方法が述べられている。さらにま
た、米国特許４,５８５,５１６号明細書には、３電極型
のエッチング装置において、そのうち２つの電極に接続
された高周波電源の少なくとも１つの電源の高周波電圧
を変調させることで、エッチング速度のウエハ面内にお
ける均一性を向上する方法が述べられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体素子
の微細化に伴い、配線や電極に相当するラインとスペー
スの加工寸法は１μm以下、好ましくは０.５μm以下の
領域に入っている。このよう微細パタンの加工では、ラ
インが次第に太くなり、パタンが設計寸法に加工できな
い問題が顕著になる。さらに微細な溝内と比較的広い部
分でのエッチング速度の差に加えて、形状の差、いわい
る形状マイクロローディングが顕著になり、加工の障害
となる。

【０００６】さらに、ＭＯＳ(metal oxide semiconduct
or)トランジスタのゲート酸化膜の厚さは、２５６Ｍ以
降のメモリ素子では６ｎｍ以下になる。このような素子
では、異方性と下地酸化膜の選択比が、トレードオフの
関係になり、加工をより困難にする。

【０００７】上記従来技術の多くは、素子の最小加工寸
法が１μｍ以上の時代に発明されたもので、これらの技
術では、より微細な素子の加工への対応が困難になって
きている。このような微細素子の加工では、プラズマの
物理量とエッチング特性の関係の解析に基ずく、緻密な
プロセス条件の組立が必要であり、現在多くのメーカー
がここに多くの労力を費やしている。構築されたプロセ
スは質的に異なる新素子の加工をも可能にする。

【０００８】本発明の目的は、半導体素子等の微細化の
要求に応えるために、加工寸法が１μｍ以下好ましくは
０.５μｍ以下の素子を加工できる、試料の表面処理方
法および装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、処理室
内にプラズマを生成するとともに、前記プラズマの生成
とは独立に試料が配置される試料台に高周波バイアス電
圧を印加し、同一エッチング速度の得られる連続の高周
波バイアス電圧のＶpp値に対し、前記Ｖpp値より大きい
値のＶpp値を与えた高周波バイアス電圧をオンオフ制御
する試料の表面処理方法にある。

【００１０】本発明の他の特徴は、真空容器内に設けら
れた試料に試料を配置し、前記真空容器内に処理ガスを
連続的に供給するとともに前記処理ガスをプラズマ化
し、前記プラズマ生成とは独立に前記試料台に１００Ｋ
Ｈz以上の周波数の高周波バイアスを印加し、前記高周
波バイアスを１００Ｈz〜１０ＫＨzの周波数で変調し
て、前記試料に対し最小加工寸法が１μｍ以下の表面加
工を行うこ試料の表面処理方法にある。

【００１１】本発明の他の特徴は、膜厚が６ｎｍ以下の
ゲート酸化膜上にゲート電極となる材料の膜を有する試
料を、プラズマによってエッチン処理する際に、前記試
料に高周波バイアスを印加するとともに、前記高周波バ
イアスを時間変調する試料の表面処理方法にある。

【００１２】本発明によれば、微細パタンの加工におい
て、試料に印加する高周波電圧を繰返しオンオフ制御
し、かつ高周波電圧の周波数とその繰返し周波数の組合
わせを工夫することにより、エッチングの異方性を高め
ると同時に選択比を高くすることができる。これによ
り、加工寸法が１μｍ以下好ましくは０.５μｍ以下の
素子の加工を可能にした。具体的には、イオンのエネル
ギー分布の狭帯域により、微細素子加工の課題である、
加工異方性と選択比のトレードオフを解消できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図により
説明する。最初に、図１，図２により、本発明の第一の
実施例を説明する。図１は、本発明を適用したプラズマ
エッチング装置の全体構成図である。マグネトロン１０
１から、自動整合器１０６と導波管１０２と導入窓１０
３を介して、真空容器１０４内にマイクロ波が導入され
る。一方、真空容器１０４には、ガス導入手段１００を
介してハロゲンなどのエッチングガスが導入され、マイ
クロ波の導入に伴いこのガスのプラズマが発生する。導
入窓１０３の材質は、石英、セラミックなどマイクロ波
(電磁波)を透過する物質である。

【００１４】真空容器１０４の回りには、電磁石１０５
が設置されている。電磁石１０５による磁場強度は、マ
イクロ波の周波数と共鳴を起こすように設定されてい
る。たとえば、周波数が２.４５ＧＨｚならば、磁場強
度は８７５Ｇａｕｓｓである。この磁場強度で、プラズ
マ中の電子のサイクロトロン運動が電磁波の周波数と共
鳴するために、効率よくマイクロ波のエネルギーがプラ
ズマに供給され、高密度のプラズマができる。

【００１５】試料１０７は、試料台１０８の上に設置さ
れる。試料に入射するイオンを加速するために、高周波
電源であるｒｆ（radio frequency)バイアス電源１０９
が、ハイパスフィルター１１１を介して試料台１０８に
接続されている。試料台の表面には、セラミックあるい
はポリマ膜のような絶縁膜１１０が設けられている。ま
た、ローパスフィルター１１３を介して直流電源１１２
を接続し、試料台１０８に電圧を印加することで、試料
を試料台に静電力により保持する。

【００１６】図２に、図１の装置によるエッチング処理
時の、真空容器１０４内のガス供給，マグネトロン１０
１，ｒｆバイアス電源１０９の動作を示す。(a) に示す
ようにガスが供給され、エッチング開始と同時に、ガス
圧は一定に保たれ、(b) に示すように、マイクロ波電力
も連続的に供給される。一方、(c) に示すように、試料
に印加されるｒｆバイアスは、周期的にオンオフされ
る。ｒｆバイアスのオンオフによりイオンの加速の有り
無し期間を設けることで、試料の表面処理の期間におい
て、高エネルギーイオン区間と、低エネルギーイオン区
間が生ずる。そして、(ｄ) に示すように、低エネルギ
ーイオン区間では、エッチングは進行せず、むしろガス
あるいはプラズマ中の残留反応生成物の堆積が生じる。

【００１７】次に、ｒｆバイアスの周波数と、そのオン
オフの繰返し周波数と、エッチング特性の関係を述べ
る。図３は、ｒｆバイアスの波形を示し、(a)は、本実
施例のエッチング条件に対応するものであり、ｒｆバイ
アス周波数が１００ＫＨｚで、オンオフ周波数(変調周
波数)が１００Ｈｚの場合の波形である。（ｂ）は、公
開特許公報平６−１５１３６０（対応ＵＳＰ５,３５
２,３２４号明細書）で知られているように、ｒｆバイ
アス周波数が１ＫＨｚで、オンオフ周波数（変調周波
数）が１Ｈｚの場合の波形である。

【００１８】ｒｆバイアスを試料台に印加すると、試料
表面からほぼ１ｍｍ以下の厚さの領域に高電界の領域
（シースと呼ばれる）が発生して、この領域でイオンが
加速される。加速されたイオンのエネルギーの分布はｒ
ｆバイアスの周波数に依存する。ｒｆバイアスの周波数
が十分低いと、イオンの動きは正弦波で表される電圧の
変化に追随するために、電圧の瞬時値Ｖｘ（図３(b)）
と同じエネルギーを持ち、エネルギー分布は、図４の１
ＫＨｚの線図に示すように非常に幅の広い分布となる。

【００１９】ｒｆバイアスの周波数が高くなると、イオ
ンの動きがｒｆバイアスの変動に追随できなくなるため
に、イオンのエネルギーは次第にｒｆバイアス印加時に
発生する電圧の直流成分Ｖｄｃの値に収束する。その間
に過渡的な状態があり、周波数約１００ＫＨｚから数Ｍ
Ｈｚの間は、イオンのエネルギーは、図４の１００ＫＨ
ｚの線図に示すように、ｒｆバイアスの振幅Ｖｐｐに相
当する高エネルギーのピーク４０１と低エネルギーのピ
ーク４０２を持つ鞍形の分布を持つ。この低エネルギー
のピーク４０２は、ｒｆバイアス０Ｗ、すなわち、ｒｆ
バイアスの変動でちょうど加速されないタイミングのと
きにシース内に入ったイオンに相当する。また、ｒｆバ
イアスがオフの期間はイオンは加速されず、全てのイオ
ンは、図４の低エネルギーピーク４０２に相当する領域
に入る。

【００２０】次に、図１の装置を用いて、ラインとスペ
ースからなる微細パタンを試料表面にエッチングした場
合の結果を、図５に示す。エッチングのガスには、塩素
（７２ｓｃｃｍ）と酸素（８ｓｃｃｍ）の混合ガスを用
い、真空容器１０４内部の圧力を０.４Ｐａとした。ま
た、マグネトロン１０１からのマイクロ波出力を４００
Ｗとした。エッチングした半導体素子の構造は、シリコ
ン基板５０１上のゲート酸化膜５０２の厚さが４ｎｍ、
ｐｏｌｙＳｉ５０３の厚さ３００ｎｍ、レジスト５０
４の厚さが１μｍでラインとスペースの幅はそれぞれ
０.４μｍである。図５には、バイアス電源１０９の周
波数を１００ＫＨｚ、オンオフ周波数を１００Ｈｚとし
た場合のエッチング形状を示す。ｒｆバイアスのピーク
出力は３００Ｗであり、デューティー比（一周期におけ
るオン期間の割合）は２０％である。

【００２１】図６には、比較例として、公開特許公報平
６−１５１３６０（対応ＵＳＰ５,３５２,３２４号明
細書）で知られているバイアス電源の周波数を１ＫＨ
ｚ、オンオフ周波数を１Ｈｚとした場合のエッチング形
状を示す。ｒｆバイアスのピーク出力は３００Ｗでデュ
ーティー比は２０％である。

【００２２】また、図７には、比較例として、ｒｆバイ
アス周波数１００ＫＨｚで電力を連続出力で６０Ｗとし
た場合の断面を示す。これらの条件でのｐｏｌｙＳｉ
のエッチング速度は約２５０ｎｍ／分で、酸化膜との選
択比は約２０となる。

【００２３】図５から図７は、ｐｏｌｙＳｉ５０３の
エッチングの途中の形状である。本発明の方法によるエ
ッチング（図５）では、垂直な側壁と平坦なエッチング
底面が得られる。また、エッチング速度の疎密差が無
く、従って広い部分５０６も狭いスペース部５０５も同
じエッチ深さとなる。

【００２４】一方、比較例として示した、連続バイアス
でエッチングした場合（図７）は、側壁の垂直性が悪く
かつ、狭い部分に面した側壁５０７と広い部分に面した
側壁５０８では、広い部分の方がより垂直性が悪くな
る。また、エッチング底面にはサブトレンチと呼ばれる
微細な溝５０９が発生する。さらにエッチング速度の疎
密差が発生して、狭い部分と広い部分にエッチ深さの差
Ｄが発生する。

【００２５】また、ｒｆバイアスをオンオフしても、比
較例として示したように、ｒｆバイアス周波数が低い場
合（図６）は、連続バイアスよりは垂直性は良いがレジ
スト５０４の下にアンダーカットが生じる。また、垂直
性も、本発明の方法を適用した図５より劣る。

【００２６】次に、上記のような結果をもたらす原因に
ついて述べる。まずｒｆバイアスのオンオフ（オンオフ
バイアス）と、連続印加（連続バイアス）との比較で
は、ｒｆバイアスをオンオフすることにより、同じｐｏ
ｌｙＳｉ速度を得るためのイオンのエネルギーを高く
設定できるために、異方性が改善できる。例えば、連続
バイアス６０ＷでのＶｐｐは３２０Ｖで、オンオフバイ
アスピーク電力３００ＷのＶｐｐは１４１０Ｖになる。
ここで、イオンのエネルギーは、ほぼバイアス電圧の振
幅Ｖｐｐに比例する。従って、オンオフバイアスではイ
オンのエネルギーを連続バイアス時よりも高くできるの
で、垂直性が向上する。

【００２７】一方、連続バイアスにおいてもＶｐｐを高
くすることで垂直性は良くなるが、酸化膜のエッチング
速度もほぼＶｐｐに比例して大きくなるため、ｐｏｌｙ
Ｓｉと酸化膜との選択比が低くなり、トランジスタの
ゲート電極のエッチングのように下地の酸化膜が薄い場
合には適さなくなる。

【００２８】すなわち、オンオフバイアスでは、イオン
の加速にオフ期間を設けることで、高エネルギーイオン
の数を低減して、選択比を低下させずに垂直性を上げる
ことができる。また、サブトレンチは、側壁の垂直性が
悪くなりイオンが側壁で反射され底面に入射するので生
じるものである。従って、側壁の垂直性が良くなること
によりサブトレンチも低減され、平坦なエッチング底面
が得られる。

【００２９】なお、ｒｆバイアスをオンオフしてもｒｆ
バイアス周波数が低いと、図４に示すように中間領域エ
ネルギーを持つイオンが多数存在するために、アンダー
カットが生じる。すなわち、エッチング反応は、ある閾
値以上のエネルギーを持ったイオンの入射により促進さ
れる。中間領域エネルギーを持つイオンは、エッチング
反応を促進させるが、エネルギーが低いために方向性が
悪く、従ってレジスト５０４の下のｐｏｌｙＳｉ側壁
５０３に衝突してアンダーカットを生じる。

【００３０】以上、本実施例のように、ｒｆバイアスを
１００ＫＨｚ以上にすることにより、中間領域エネルギ
ーのイオンを低減できるので、異方性の高いエッチング
が可能になる。すなわち、エッチングの異方性を高くす
るためには、イオンのエネルギーを、エッチングに寄与
しない低エネルギー領域と方向性が高い高エネルギー領
域の２つに分ける必要がある。そして、ｒｆバイアスを
オンオフすることによる効果も、オン時のイオンエネル
ギーがこの２つの領域に分離する周波数１００ＫＨｚ以
上で使用して、初めて真価を発揮する。

【００３１】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
まず、ｒｆバイアスのオンオフのデューティー比および
イオンのエネルギーについて述べる。図８は、ｐｏｌｙ
Ｓｉのエッチング速度と対酸化膜選択比の関係を示す
もので、連続バイアスとオンオフバイアスの比較をして
いる。この例では、マグネトロン１０１からのマイクロ
波の出力を４００Ｗとした。バイアス電源１０９の出力
は６０Ｗで、周波数は８００ＫＨｚとした。さらに、オ
ンオフの繰り返し周波数は１ＫＨｚとした。ガスは塩素
１８５ｓｃｃｍと酸素１５ｓｃｃｍで、圧力は０.８Ｐ
ａである。ｒｆバイアス電力がパラメータであるが、オ
ンオフバイアス制御ではピーク電力を６０Ｗとして、デ
ューティー比を変えて電力を制御した。つまりデューテ
ィー比が５０％の場合は、電力は（６０Ｗの５０％で）
３０Ｗになる。

【００３２】図８からわかるように、オンオフバイアス
制御では、デューティー比５０％以下の領域で、連続バ
イアスと比較して選択比が上昇する。このために、イオ
ンエネルギーを上げても選択比を下げることなく異方性
を高めることができる。デューティー比は小さいほど効
果は大きくなるが、あまり小さいとｐｏｌｙＳｉエッ
チング速度が小さくなるので実用的には５％から５０％
の範囲がよい。

【００３３】上述のような効果がｒｆバイアスのオンオ
フ制御、すなわち、時間変調によって得られる理由につ
いて次に述べる。

【００３４】オンオフバイアス制御により、選択比が上
がる理由は、ｒｆのバイアスオフ期間に反応生成物が酸
化膜上に堆積して酸化膜のエッチング速度を低下させる
ことによると考えられる。特に塩素と酸素とシリコンの
反応生成物は、温度が低い領域で酸化膜上に堆積しやす
い。ｒｆバイアスのオフ期間は試料表面に入射するイオ
ンエネルギーが低いので、表面温度が低くなる。その間
に酸化膜上に反応生成物が堆積して、同じＶｐｐでの連
続バイアスおよび同一エッチング速度の得られるＶｐｐ
の条件での連続バイアスよりも選択比が高くなる。オン
オフバイアス制御においてもこれらのＶｐｐよりもさら
にイオンエネルギーを大きくしていくと、酸化膜エッチ
ング速度が上昇して連続バイアス時と同じ選択比にな
る。しかし、この領域ではイオンエネルギーが高いので
図５の実施例に示すように、異方性が良く且つサブトレ
ンチのない加工ができる。また、マイクロローディング
は一般にイオンエネルギーが高いほど低減される。従っ
て、オンオフバイアス制御により選択比を低下させるこ
となくマイクロローディングも低減できる。

【００３５】次に、異方性を高めサブトレンチを低減す
るためのイオンエネルギーの条件を述べる。図９は、実
験的に求めたｒｆバイアス電圧とサブトレンチの深さの
関係を示す図である。ここで、サブトレンチ深さとは、
図７中のＬで表されるｐｏｌｙＳｉの溝底にできる微
細な溝５０９の深さである。次にトランジスタのゲート
の加工で許容できるサブトレンチの深さを求める。ゲー
トの加工では、溝底にｐｏｌｙＳｉのエッチング残り
無く、かつ、ゲート酸化膜５０２を十分残してエッチン
グする必要がある。ゲート酸化膜が６ｎｍ以下の薄い領
域ではエッチング後のゲート酸化膜厚が２ｎｍ以上残る
必要がある。残りの厚さが２ｎｍ以上になる時間内に、
サブトレンチ深さＬに相当するｐｏｌｙＳｉをエッチ
ングできないと、溝底にｐｏｌｙＳｉのエッチ残りが
生じる。

【００３６】ここで、ゲート酸化膜を２ｎｍ残す間にエ
ッチングできるｐｏｌｙＳｉのエッチング量を許容サ
ブトレンチ深さＬｍａｘ（ｎｍ）とすると、Ｌｍａｘ＝
Ｓ（ｄ−２）となる。ここで、ＳはｐｏｌｙＳｉと酸
化膜の選択比、ｄ（ｎｍ）はゲート酸化膜の初期膜厚で
ある。この関係を図１０に示す。

【００３７】さらに、図９中の点Ａ，Ｂ，Ｃのエッチン
グ形状を図１１に示す。図９から図１1により、異方性
とゲート酸化膜残り量を両立できるイオンエネルギーが
求まる。まず、エッチング側壁の垂直性はＶｐｐが５０
０Ｖ以上で最小加工寸法１μｍから０.１μｍの素子で
十分なレベルに達する。Ｖｐｐが５００Ｖから１０００
Ｖでは、先に述べた塩素＋酸素の連続バイアスを用いた
エッチングでは、選択比は１０から５の範囲となる。

【００３８】図１０より、例えばゲート酸化膜６ｎｍを
加工する場合、選択比５では許容サブトレンチ深さは約
２０ｎｍとなる。図９から、Ｖｐｐ＝５００Ｖ以上の領
域でサブトレンチを２０ｎｍ以下になるので、Ｖｐｐを
５００Ｖ以上に設定すれば計算上は加工可能なことがわ
かる。しかし、選択比が１０以下では、エッチングの終
点の時間で正確にエッチングをストップしないと、ゲー
ト酸化膜はエッチングされてしまい、余裕がない。そこ
で、Ｖｐｐを５００Ｖに保ったまま、選択比を上げる手
法が必要となり、すなわちオンオフバイアスとの組合わ
せが必要になる。

【００３９】サブトレンチの深さや選択比に直接影響を
あたえる物理量は、Ｖｐｐではなくイオンエネルギーで
ある。しかし、実際にはイオンエネルギーの測定は難し
いので、Ｖｐｐがイオンエネルギーの指標になる。

【００４０】次に、イオンのエネルギーと高周波電圧の
関係について述べる。プラズマを介して高周波電圧を試
料台に印加すると、アース（一般には導体壁がアースと
なる）と電極間に電流を流そうとする作用のために試料
台にはイオンを引き込むように直流電位が発生する（以
後Ｖｄｃと呼ぶ）。イオンはこのＶｄｃと時間的に変化
する高周波電圧を重ね合わせた電界により加速される。
イオンの得る最大エネルギーは、高周波電圧の時間的変
化に追随するか否かで変わってくる。一般に、エッチン
グに使われるプラズマの密度は１×１０^１０／ｃｍ^−３
個以上である。この密度では、高周波の周波数が１５Ｍ
Ｈｚ以下では高周波電圧が負にふれている期間すなわち
正弦波の１／２周期の間に、イオンはプラズマシースを
横切り試料に到達するために、Ｅｍａｘはほぼ電圧振幅
の２分の１（Ｖｐｐ／２）にＶｄｃを加えた値に等しく
なる。実際には電気回路での電圧降下などがあり、Ｖｐ
ｐが５００ＶではＥｍａｘは４００ｅＶになることが測
定からわかっている。エッチングの形状に影響を与える
本質的な物理量はＶｐｐではなくイオンエネルギーなの
で、サブトレンチのない形状を得るためにはイオンのエ
ネルギーの最大値を４００ｅＶ以上にすればよい。高周
波の周波数が上がって、電圧の変化にイオンの動きがつ
いて行かなくなると、Ｅｍａｘは次第にＶｄｃに近づ
く。周波数が１５ＭＨｚ以上から数十ＭＨｚの間は過渡
期となるがその場合でもＶｐｐを８００Ｖ以上にすれ
ば、Ｅｍａｘは十分４００ｅＶ以上となる。

【００４１】素子の構造やエッチングガスにより必要な
Ｖｐｐは変るがＶｐｐが５００Ｖ以上は良い目安とな
る。下地が厚くサブトレンチの発生が影響無い場合、あ
るいは後述するようにエッチングをいくつかのステップ
に分けてメインエッチが終了した後のオーバエッチに適
用する場合などではＶｐｐはもっと低い値で差支えなく
１００Ｖ程度あれば十分である。

【００４２】次に、別材料のエッチングに本発明を適用
した実施例３と、その結果を述べる。試料は、図１２に
示すように、シリコン基板５０１上に４ｎｍの酸化膜５
０２、その上に３００ｎｍのｐｏｌｙＳｉ膜５０３と
８０ｎｍのタングステンシリサイド（ＷＳｉ）膜１２０
１があり、最上層にはマスクとしてパタン状に加工され
たの窒化シリコン膜１２０２がある。エッチングガスは
塩素（１８５ｓｃｃｍ）と酸素（１５ｓｃｃｍ）の混合
ガスで、圧力を０.８Ｐａとした。マグネトロン１０１
からのマイクロ波の出力を４００Ｗとした。ｒｆバイア
ス電源１０９の周波数は８００ＫＨｚである。

【００４３】図１３は、比較例として、連続バイアス６
０Ｗとした場合、図１２はオンオフバイアス方式でピー
ク出力３００Ｗでデューティー比を２０％とした場合の
エッチング形状を示す。この試料においても、連続バイ
アスでエッチングした場合は、垂直性が悪く且つマイク
ロローディングも大きい。一方、本発明のオンオフバイ
アス方式では、側壁の垂直性が良くなる。さらに、この
試料ではｐｏｌｙＳｉのエッチング表面に針状の突起
１２０３が見られる。これはおそらく、ｐｏｌｙＳｉ
５０３とＷＳｉ１２０１の界面の異物などがマスクと
なり生じるものと考えられ、エッチ残りの一因となる。
オンオフバイアス方式ではこの針状突起の密度も低減で
きる。

【００４４】次に、アルミなどの金属のエッチングに本
発明を適用した実施例４とその結果を述べる。試料構造
は、図１４に示すように基板Ｓｉ５０１上に酸化膜
（１４０１）３００ｎｍ、ＴｉＮ（１４０２）１００ｎ
ｍ、Ａｌ（１４０３）４００ｎｍ、ＴｉＮ（１４０４）
７５ｎｍを堆積させて最上層にはレジストマスク（５０
４）１μｍが付いている。ラインとスペースの寸法は
０.４μｍである。エッチングガスは塩素（８０ｓｃｃ
ｍ）とＢＣｌ_３（２０ｓｃｃｍ）の混合で、圧力を１Ｐ
ａとした。マイクロ波電源１０１の出力を７００Ｗと
し、電極温度は４０℃とした。ｒｆバイアス電源１０９
の周波数は４００ＫＨｚとし、オンオフの繰返し周波数
は２ＫＨｚとした。

【００４５】図１４は、オンオフバイアス制御でピーク
電力３５０Ｗでデューティー比２０％の場合、図１５
は、比較例として、連続バイアスで電力を７０Ｗの場合
のエッチング形状を示す。この両者の電力値ではアルミ
ニウムのエッチング速度がほぼ等しくなる。図１５に示
す試料では、形状マイクロローディングが大きく、連続
バイアス時の広いスペースに面した側壁１４０５の垂直
性が特に悪くなるが、オンオフバイアス制御を用いるこ
とでマイクロローディングは抑制される。すなわち、メ
タルでも異方性あるいはマイクロローディングはイオン
エネルギーが高いほど改善される。したがって、オンオ
フバイアス制御を用いることにより下地酸化膜との選択
比を低下させずにイオンエネルギーを高く設定できるた
めに、以上の効果が生じる。

【００４６】本発明の効果をさらに利用する方法とし
て、エッチング工程を複数のステップに分ける方法があ
る。これを、実施例５として説明する。図１６は、被加
工物である試料をステップに分けて加工した場合の断面
形状の時間変化を示している。試料の構造はシリコン基
板５０１上に４ｎｍの酸化膜５０２、２００ｎｍの多結
晶シリコン５０３、２００ｎｍの窒化シリコン膜１８０
１が堆積しており、窒化シリコン膜は所望のパタン状に
加工されている。ラインとスペース間隔は２５０ｎｍで
ある。また通常、多結晶シリコン５０３の表面には自然
酸化膜１８０２がついている。

【００４７】ここでは、この構造の試料をエッチングす
るのに３つのステップに分けて加工する。図１６(a)
は、初期状態である。ステップ１では、まず自然酸化膜
１８０２を除去する。エッチングのガスはＣｌ_２（２０
０ｓｃｃｍ）で圧力を０.８Ｐａとした。マイクロ波電
源１０１の出力を４００Ｗとした。ｒｆバイアス電源１
０９の周波数は８００ＫＨｚである。このステップでは
薄い自然酸化膜の除去が目的なので時間は５秒で、高周
波電圧電源１０９の出力は連続で６０Ｗにしている。ス
テップ１終了後の試料断面を図１６(b)に示す。

【００４８】ステップ２は、加工の主要部分を占める多
結晶シリコン５０３のエッチングで、以後メインエッチ
と呼ぶ。このステップの形状制御が最重要であるので、
本ステップ２においてｒｆバイアス電源１０９をオンオ
フ制御し、電力を２００Ｗ、デューティー比を３０％に
した。Ｖｐｐは１０００Ｖとなる。また、エッチングの
ガスは塩素１８５ｓｃｃｍと酸素１５ｓｃｃｍの混合ガ
スで、圧力を０.８Ｐａとした。その他の条件はステッ
プ１と同じとした。この条件では多結晶シリコンのエッ
チング速度３００ｎｍ／ｍｉｎ、対酸化膜選択比２０と
なる。エッチング時間は３５秒とした。ステップ２終了
後の断面形状を図１６(c)に示す。サブトレンチのない
平坦な底面と垂直な側面が得られる。ステップ２の時間
は、多結晶シリコン５０３がわずかに残るように設定し
てある。

【００４９】最後のステップ３では、下地の薄い酸化膜
５０２が露出するため、多結晶シリコンのエッチング速
度を低下させても選択比が高い条件に切り替える。具体
的には、ｒｆバイアス電源１０９の電力を連続として３
０Ｗにした。他の条件はステップ２と同じである。この
条件では多結晶シリコンのエッチング速度は１００ｎｍ
／ｍｉｎ、選択比は５０となる。メインエッチ終了後
の、比較的選択比の高いエッチングをオーバエッチと呼
ぶ。エッチング時間は３０秒とした。ステップ３終了後
の断面を図１６(d)に示す。選択比を上げることで下地
の酸化膜を十分残してかつ多結晶シリコン５０３のエッ
チ残りなく加工することができる。ステップ３では連続
バイアスを用いたが、オンオフバイアス制御においてそ
のピーク電力を下げるようにしても良い。

【００５０】以上のように、被エッチング物すなわち被
加工物である試料の主要部分の加工にオンオフバイアス
制御を適用することで、非常に薄い下地に損傷を与える
ことなく、所望の加工が可能となる。

【００５１】なお、被エッチング物がさらにさまざまな
物質の多層構造でも、ステップの数を増して精度の高
い、形状異常のない加工ができる。また、どのステップ
にオンオフバイアス制御を適用するかは素子構造に対応
して適宜決めるが、オンオフバイアス制御によりプロセ
スマージンが広い条件が可能になる。また、本実施例で
はエッチングガスを連続的に供給するが、エッチングを
いくつかのステップに分けた場合はステップ間でガスの
供給に不連続があってもかまわない。

【００５２】次に、本発明を適用できる装置の構造につ
いて述べる。本発明は、最小加工寸法１μm好ましくは
０.５μm以下の素子の加工を目的とするために、いわゆ
るプラズマの電子密度が１×１０^１０個／ｃｍ^−３以
上、好ましくは１×１０^１１個／ｃｍ^−３以上の高密度
タイプの機種での適用で効力を発揮する。このタイプの
装置には、主に誘導結合型の装置とＥＣＲ型の装置があ
る。なお、古くから知られている容量結合型の装置は、
高密度プラズマを生成できないのでスループットが低
い、またプラズマ密度が低いためシースが厚くなりシー
ス内でのイオン散乱により異方性の面で劣る、ガス圧力
が低い領域でプラズマを発生できないのでやはりイオン
の散乱が多いなどの問題があり、本発明には適さない。

【００５３】図１７には、本発明の実施例６として、誘
導結合型装置を示す。この装置では、数百ＫＨｚから数
十ＭＨｚのいわゆるｒｆ周波数の電磁波を用いた誘導結
合によりプラズマを発生させる。真空容器１０４は、ア
ルミナや石英などの電磁波を透過する物質でつくられて
いる。その回りに、プラズマを発生させるための電磁コ
イル２０１が巻いてある。コイルにはｒｆ電源２０３が
接続されている。真空容器内には試料台１０８が設けら
れており、試料台１０８にはその上に試料１０７が置か
れ、ｒｆバイアス電源１０９が接続されている。真空容
器１０４には上蓋２０７がついているが、これは真空容
器と一体型でもかまわない。

【００５４】この方式の装置でも、これまでに述べた実
施例と同様に、ｒｆバイアス電源１０９をオンオフし
て前述のような効果を生じさせることができる。なお、
図１７に示す装置では、電磁コイル２０１は上蓋２０７
の上に設置されていても効果は同じである。

【００５５】さらに、図１８で、本発明の実施例７とし
て、電磁波と磁場を、電子サイクロトロン共鳴(ＥＣＲ)
させる構造を備えた装置について述べる。

【００５６】ガス導入手段１００を有する真空容器１０
４の周囲には、電磁石１０５が配置されている。同軸ケ
ーブル２０４により平面アンテナ板２０５に導入される
電磁波と、前記電磁石１０５による磁場の相互作用で、
真空容器１０４内に導入されたガスをプラズマ化し、試
料１０７を処理する。試料１０７は、試料台１０８に載
置され、静電吸着力により吸着支持されている。試料１
０７にイオンを引き込むための高周波バイアスが、ｒｆ
バイアス電源１０９、整合器１１１を介して、試料台１
０８に印加される。静電吸着のための電圧は、直流電源
１１２により付加される。平面アンテナ板２０５には、
４５０ＭＨｚのプラズマ発生用電源２１１と、フイルタ
２１２を介して１３.５６ＭＨｚのアンテナバイアス用
電源２１３とが接続され、平面アンテナ板２０５に２種
類の周波数が印加されている。それぞれの電源は、整合
器２１４，２１５を介してフィルタ２１２に接続されて
いる。同軸ケーブル２０４と平面アンテナ板２０５は、
略円錐形の部材で接続されており、同軸ケーブル２０4
を伝播してきた高周波が、効率よく平面アンテナ板２０
５に伝わるように構成されている。なお、ここで符号２
１９は真空容器１０４の内側に設けられた温調内壁手段
であり、符号２２７は試料台１０８に設けられ試料１０
７の外周部に配置された円環状部材であり、符号２２３
は円環状部材２２７に接続されプラズマ分布を制御する
ための電源であり、符号２２４は試料台１０８の温度を
制御するための熱媒体が流れる流路であり、符号２２０
は同軸ケーブル２０４と接地電位との間に設け、後述の
アンテナバイアス用のフィルタである。

【００５７】上記装置において、プラズマ生成用の４５
０ＭＨｚの電磁波(マイクロ波)が、平面アンテナ板２０
５に給電されると、平面アンテナ板２０５は平面アンテ
ナとして動作する。平面アンテナ板２０５の上方（プラ
ズマ発生領域と逆の方向）である真空容器１０４の天井
と、平面アンテナ板２０５とが対向しており、この天井
はアース電位に接地されている。天井と平面アンテナ板
２０５の間には、石英やアルミナなどからなる誘電体２
１６が設置されている。平面アンテナ板２０５の直径や
誘電体の材料、厚さなどは、４５０ＭＨｚの電磁波が天
井と平面アンテナ板２０５の間でＴＭ_０１モードで共振
する寸法に設計されている。このような平面アンテナ構
造で共振した４５０ＭＨｚの電磁波は、誘電体２１６を
通り、さらに平面アンテナ板２０５の外周部に配置され
ている誘電体製のリング（ここでは石英を使用したので
石英リング２１７と称す）を通って、プラズマ中に放射
される。また、電磁波の一部は、平面アンテナ板２０５
の表面を表面電流として伝播し、プラズマに接する部分
から放射される。このように、平面アンテナ板２０５に
給電された４５０ＭＨｚの電磁波は、誘電体２１６およ
び石英リング２１７を介して真空容器１０４内の外周空
間部へ効率的な電磁波供給がなされ、電磁石１０５によ
る磁場によって共振状態となって、容易にプラズマの形
成及びプラズマの維持がなされる。

【００５８】平面アンテナ板２０５を平面アンテナとし
て動作させるとともに、本実施例では、電磁波と磁場
を、電子サイクロトロン共鳴させる。この場合の磁場の
強さは、プラズマ生成領域において、４５０ＭＨｚの電
磁波と磁場が、電子サイクロトロン共鳴を満足する大き
さが必要であり、１００〜２００ガウスである。電磁石
１０５によりこの磁場強度を中心とした磁界が形成され
る。なお、磁場が無い状態においても、平面アンテナか
らの効率的な電磁波の供給が行えるため、プラズマ形成
が可能であり、本実施例の装置は磁場を備えた場合に限
定されるものではない。

【００５９】平面アンテナ板２０５の周辺には、石英リ
ング２１７が設置されている。石英リング２１７は、平
面アンテナ板５あるいはシリコンでなる処理ガス供給用
のプレート２１８の周辺部の電界強度が局部的に強くな
るのを緩和する効果があり、プラズマ生成を均一化する
ことができる。

【００６０】なお、磁場を用いて電子サイクロトロン共
鳴を利用する場合は、プラズマの均一性と磁場条件が密
接な関係にある。真空容器１０４の外周部に設けた電磁
石１０５により、任意の場所に電子サイクロトロン共鳴
領域を設定することができる。共鳴領域は、本実施例の
場合は、４５０ＭＨｚの電磁波を使用したので、約１６
０〜１８０ガウス程度の磁場強度が発生している箇所で
ある。この共鳴領域は、プラズマが効率的に生成されて
いるので、プラズマ密度が高い領域であるが、磁場条件
に大きく影響される。したがって、エッチング領域のプ
ラズマ密度が均一化されるように電子サイクロトロン領
域の位置や磁場勾配（磁場強度の変化率）、共鳴領域の
形状などを調節することで、それぞれのエッチングに適
した設定が可能になる。

【００６１】このタイプの装置でも、先の実施例で述べ
たように、ｒｆバイアス電源１０９をオンオフして垂直
性を向上させることができる。なお図１８の装置ではプ
ラズマ発生用電源２１１の周波数帯が１００ＭＨｚから
１ＧＨｚのいわゆるＶＨＦからＵＨＦ帯のマイクロ波領
域の電磁波であることが本質であり、次に述べる付加機
能はなくてもかまわない。まず平面アンテナ板２０５に
接続された１３.５６ＭＨｚのアンテナバイアス用電源
２１３は、平面アンテナ板２０５にバイアスを印加して
プラズマ中の化学種を制御するためのもので、必ずしも
必要ではない。また、試料台１０８の周囲にある円環状
部材２２２はプラズマの均一性制御のためにあり、無く
ても良い。また、平面アンテナ板２０５は真空の外にあ
る構造でもよい。

【００６２】次に、本発明の実施例８として、試料の吸
着方法に特徴のある実施例を述べる。すでに述べたとお
り、本発明では、ｒｆバイアス電圧を高速でオンオフし
高精度エッチングを行うために、ｒｆバイアスが試料に
均一にかつ波形の歪みなど無く伝わる必要がある。その
ためには、試料を試料台に大きな空隙なしに吸着する必
要がある。隙間があるとその容量によりｒｆバイアスの
掛り方に不均一が生じたりする。従って、オンオフバイ
アス制御は図１に示すように静電吸着型の試料台との組
合わせが重要になる。さらに、オンオフバイアス制御は
ｒｆバイアスがオンオフされるので、静電吸着力にも変
動が生じる可能性がある。そこで望ましくは、以下に述
べる双極型の静電吸着法と組合わせるのが良い。

【００６３】図１９は、双極型の静電吸着構造を備え
た、前述のようなエッチング装置の試料台部分の拡大図
である。この試料台は、静電吸着用の電極として絶縁材
３０２で囲まれた第２電極３０１を有する。ここに、ロ
ーパスフィルタ１１３を介して直流電圧が印加される。
なお、試料１０７は試料押上げピン３０３と上下機構３
０４にて試料台１０８に着脱できる。図１に示した単極
型の静電吸着装置を有する試料台では、プラズマが発生
していないと試料を吸着できないが、この実施例の試料
台では、試料台１０８と第２電極３０１に異なる極性の
電圧を印加することで、プラズマが無くても試料を静電
吸着できる。従って、ｒｆバイアスのオンオフに影響を
受けずに試料の吸着が可能で、安定性に優れる。

【００６４】図２０に、本発明の実施例９を述べる。こ
の装置では、プラズマを発生するためのマグネトロンか
ら発振されるマイクロ波も同時にオンオフ制御する。構
成は、マイクロ波電源４００にパルス変調器４０１を接
続してここからパルス波２００１によりプラズマをオン
オフする。プラズマをオンオフすることにより電子温度
が低下するために、荷電粒子による試料の損傷が低減で
きる効果がある。また、ｒｆバイアス電源１０９には、
オフ期間に正のパルス２００２を重畳しても良く、これ
により電子が試料表面の微細パタンに引込まれ、チャー
ジングによる損傷を緩和できる。

【００６５】次に、実施例１０として、その他のエッチ
ングの条件について述べる。前述の実施例で述べた条件
は典型的な値であり、処理ガス圧力，処理ガスの種類，
プラズマ発生のための電力値などが変っても、本発明に
おけるオンオフバイアス制御は効果がある。しかし、エ
ッチング速度や選択比を考えると以下に述べるような範
囲での使用が望ましい。まず、主にｐｏｌｙＳｉとそ
の多層膜のエッチングに用いる塩素と酸素の混合ガスで
は、塩素流量２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍで酸素
の混合割合は０％から５０％が適量である。酸素の混合
量がこれ以上多くなると、ｐｏｌｙＳｉのエッチング
速度が極端に遅くなる。また圧力は０.１Ｐａから１０
Ｐａが適当である。またエッチングガスを塩素とＨＢｒ
と酸素の混合ガスにする場合も塩素とＨＢｒの流量はそ
れぞれ２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍで酸素の混合
率０％から５０％が適量である。

【００６６】またＡｌなどのメタル配線のエッチングに
は塩素，塩素とＢＣｌ_３の混合ガス，塩素とＨＣｌの混
合ガス，あるいは塩素とＢＣｌ_３とＨＣｌの混合ガスが
適している。この場合には塩素とＨＣｌの流量それぞれ
２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍでＢＣｌ_３の混合率
０％から５０％が適量である。さらに、これらのガスに
ＣＨ_４あるいはアルゴンなどの希ガスを混合しても良
い。

【００６７】プラズマの密度は、プラズマ発生用の電源
の電力で決り、エッチング速度と密接な関係がある。実
用的な速度を得るためには、プラズマ発生空間すなわち
試料台と電極の間の体積に対する電力を０.０１Ｗ／ｃ
ｃ以上にするとよい。また、プラズマ密度が高すぎると
素子の電気的な損傷などが問題となるので０.２Ｗ／ｃ
ｃ以下にするのがよい。

【００６８】また、試料に印加するバイアス電源の周波
数は１００ＫＨｚから１００ＭＨｚの間がよい。これ以
上の周波数でもイオンエネルギーの狭帯域化はできる
が、バイアス電源によりプラズマが発生しやすくなる問
題が生じる。オンオフバイアスの繰返し周波数は１００
Ｈｚ以下では、オンオフの時間が長すぎて、エッチング
側壁が滑らかでなくなる。繰返し周波数が高いと電源の
作成が技術的に難しくなるので１０ＫＨｚ以下が適して
いる。

【００６９】また本発明が特に効果を発揮するのは、ラ
インとスペースの間隔が０.５μｍ以下の微細なパタン
の加工である。ゲート電極では下地の酸化膜の厚さが６
ｎｍ以下の試料の加工である。

【００７０】以上のように、本発明によれば次のような
特徴がある。

【００７１】同一エッチング速度の得られる連続の高周
波バイアス電圧のＶｐｐ値に対し、該Ｖｐｐ値より大き
い値のＶｐｐ値を与えた高周波バイアス電圧をオンオフ
制御することにより、選択比を損わずに異方性を改善す
ることができる。

【００７２】高周波バイアス電圧の周波数を１５ＭＨｚ
以下とし、高周波バイアス電圧のＶｐｐ値を５００Ｖ以
上にすることにより、サブトレンチを低減し異方性を高
くすることができる。

【００７３】高周波バイアス電圧の周波数が１５ＭＨｚ
より大きい場合は、高周波バイアス電圧のＶｐｐ値を８
００Ｖ以上にすることにより、サブトレンチを低減し異
方性を高くすることができる。

【００７４】高周波バイアス電圧のオン時のデューティ
を５〜５０％にすることにより、選択比向上の効果をよ
り顕著にできる。

【００７５】試料の表面処理の開始から終了までを複数
のステップに分け、ステップの少なくとも１つで高周波
バイアス電圧をオンオフ制御することにより、選択比の
高い領域あるいは異方性の高い領域を使い分けることが
できるのでさらに加工精度を上げることができる。

【００７６】複数のステップが下地物質との加工速度比
を比較的小さくとる前半と、加工速度比を比較的大きく
とる後半とに分け、少なくとも前半のステップで高周波
バイアス電圧をオンオフ制御することにより、特にオン
オフ制御での異方性の高い領域を有効に利用でき、加工
形状を良くすることができる。

【００７７】ステップの切替えを時間によって切替える
ことにより、簡単な切替え制御で複雑な多層膜のエッチ
ングを精度良く行うことができる。

【００７８】プラズマ生成とは独立に試料台に１００Ｋ
Ｈｚ以上の周波数の高周波バイアスを印加し、高周波バ
イアスを１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数で変調して、
試料に対し最小加工寸法が１μｍ以下の表面加工を行う
ことにより、イオンエネルギーの狭帯域化が図られ、よ
りオンオフバイアスの効果を有効に引出せ、微細な加工
ができる。

【００７９】プラズマの電子密度を１×１０^１０個／ｃ
ｍ^−３以上の高密度プラズマとすることにより、スルー
プットの高い加工をすることができる。

【００８０】処理ガスを塩素と酸素の混合ガスとするこ
とにより、ｐｏｌｙＳｉと酸化膜の選択比がより高い
エッチングを行うことができる。

【００８１】処理ガスをマイクロ波を用いてプラズマ化
し、プラズマ生成とは独立に試料台に１００ＫＨｚ以上
で１０ＭＨｚ以下の周波数の高周波バイアスを印加し、
高周波バイアスを１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数でオ
ンオフ制御し、オン時の高周波バイアス電圧のＶｐｐ値
を１００Ｖ以上にして試料の表面加工を行うことによ
り、高スループットで選択比が高いエッチングを行うこ
とができる。

【００８２】プラズマを２.４５ＧＨｚのマイクロ波を
用いたＥＣＲプラズマとすることにより、電源にマグネ
トロンが使用できるので装置価格を低く抑えて上述のよ
うな効果を得ることができる。

【００８３】プラズマを１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのマイ
クロ波を用いたＥＣＲプラズマとすることにより、マイ
クロ波の波長が長いため、より大口径で均一なプラズマ
にて上述のような効果を得ることができる。

【００８４】最小加工寸法が１μｍ以下のパターンを有
する試料を静電吸着によって保持し、プラズマ生成とは
独立に試料に印加する高周波バイアスを時間変調して、
試料をプラズマ処理することにより、オンオフ制御した
rfバイアスを均一にしかも効率よく試料に伝えられるの
で、微細パターンの試料を高精度にしかも信頼性良く加
工することができる。

【００８５】ダイポール式の静電吸着によって試料を保
持しすることにより、rfバイアスのオンオフにかかわら
ず一定の吸着力を得られるので加工の信頼性がより高く
なる。

【００８６】膜厚が６ｎｍ以下のゲート酸化膜上にゲー
ト電極となる材料の膜を有する試料を、プラズマ生成と
は独立に印加した高周波バイアスを時間変調してプラズ
マ処理することにより、薄い酸化膜を十分残して上層膜
のエッチングを行うことができる。

【００８７】ゲート電極となる材料の膜が多結晶シリコ
ン膜あるいは多結晶シリコン膜を有する多層膜である試
料に、高周波バイアスのオンオフ制御を適用することに
より、異方性の高い加工をすることができる。

【００８８】なお、これら実施例における高周波バイア
スのオンオフ制御において、高周波バイアスのオフ期間
は高周波バイアス電圧の印加を停止すること、高周波バ
イアス電圧の出力を０Ｖにすること、または高周波バイ
アスのオフ期間の効果に影響を与えない範囲の小さい電
圧を印加すること、これらは本発明の高周波バイアス電
圧のオンオフ制御または時間変調に含まれる。

【００８９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、半
導体素子の微細化の要求に応えるために、加工寸法が１
μｍ以下好ましくは０.５μｍ以下の素子を加工でき
る、半導体素子の表面処理方法および装置を提供するこ
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エッチング装置の、全
体構成図である。

【図２】図１の装置による、エッチング時の動作を示す
流れ図である。

【図３】図１の装置における、ｒｆバイアス電源周波数
とオンオフ周波数の関係を示す図である。

【図４】イオンエネルギー分布を示す図である。

【図５】本発明を適用して処理される、試料の断面図で
ある。

【図６】比較例における、処理時の、試料の断面図であ
る。

【図７】比較例における、処理時の、試料の断面図であ
る。

【図８】ｐｏｌｙＳｉエッチング速度と選択比の関係
を示す図である。

【図９】ｒｆバイアス電圧振幅とサブトレンチ深さの関
係を示す図である。

【図１０】ゲート酸化膜厚と許容サブトレンチ深さの関
係を示す図である。

【図１１】、エッチング時の試料の断面図である。

【図１２】本発明を適用した処理時の、試料の断面図で
ある。

【図１３】比較例における、処理時の、試料の断面図で
ある。

【図１４】本発明を適用した処理時の、試料の断面図で
ある。

【図１５】比較例における、処理時の、試料の断面図で
ある。

【図１６】本発明の他の実施例になる装置の、全体構成
図である。

【図１７】本発明の他の実施例になる装置の、全体構成
図である。

【図１８】本発明の他の実施例を適用した処理時の、試
料の断面図である。

【図１９】本発明の他の実施例になる装置の、試料台の
拡大図である。

【図２０】本発明の他の実施例になる装置の、全体構成
図である。

【符号の説明】

100…ガス導入管、101…マイクロ波電源、102…導波
管、103…導入窓、104…真空容器、105…磁石、106…プ
ラズマ、107…試料、108…試料台、109…高周波電圧電
源、110…電圧波形、201…基板Si, 202…酸化膜、203…
poly Si,204…マスク、304…WSi,405…W,503…ｐ型poly
Si、504…ｎ型poly Si、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久礼得男東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者徳永尚文東京都青梅市今井町2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者児島雅之東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室内にプラズマを生成するとともに、
前記プラズマの生成とは独立に試料が配置される試料台
に高周波バイアス電圧を印加し、同一エッチング速度の
得られる連続の高周波バイアス電圧のＶｐｐ値に対し、
前記Ｖｐｐ値より大きい値のＶｐｐ値を与えた高周波バ
イアス電圧をオンオフ制御することを特徴とする試料の
表面処理方法。
【請求項２】請求項１において、前記高周波バイアス電
圧の周波数を１５ＭＨｚ以下とし、前記高周波バイアス
電圧のＶｐｐ値を５００Ｖ以上にする試料の表面処理方
法。
【請求項３】請求項１において、前記高周波バイアス電
圧の周波数を１５ＭＨｚより大きくし、前記高周波バイ
アス電圧のＶｐｐ値を８００Ｖ以上にする試料の表面処
理方法。
【請求項４】請求項１において、前記高周波バイアス電
圧のオン時のデューティを５〜５０％にする試料の表面
処理方法。
【請求項５】請求項１において、前記試料の表面処理の
開始から終了までを複数のステップに分け、前記ステッ
プの少なくとも１つで前記高周波バイアス電圧をオンオ
フ制御する試料の表面処理方法。
【請求項６】請求項５において、前記複数のステップが
下地物質との加工速度比を比較的小さくとる前半と、前
記加工速度比を比較的大きくとる後半とに分け、少なく
とも前記前半のステップで前記高周波バイアス電圧をオ
ンオフ制御する試料の表面処理方法。
【請求項７】請求項６において、前記ステップの切替え
は、時間によって切替える試料の表面処理方法。
【請求項８】真空容器内に設けられた試料台に試料を配
置し、前記真空容器内に処理ガスを連続的に供給すると
ともに前記処理ガスをプラズマ化し、前記プラズマ生成
とは独立に前記試料台に１００ＫＨｚ以上の周波数の高
周波バイアスを印加し、前記高周波バイアスを１００Ｈ
ｚ〜１０ＫＨｚの周波数で変調して、前記試料に対し最
小加工寸法が１μｍ以下の表面加工を行うことを特徴と
する試料の表面処理方法。
【請求項９】請求項８において、前記プラズマが電子密
度１×１０^１０個／ｃｍ^−３以上の高密度プラズマであ
る試料の表面処理方法。
【請求項１０】請求項８において、前記処理ガスが塩素
と酸素の混合ガスである試料の表面処理方法。
【請求項１１】真空容器内に設けられた試料台に試料を
配置し、前記真空容器内に処理ガスを連続的に供給する
とともに前記処理ガスをマイクロ波を用いてプラズマ化
し、前記プラズマ生成とは独立に前記試料台に１００Ｋ
Ｈｚ以上で１０ＭＨｚ以下の周波数の高周波バイアスを
印加し、前記高周波バイアスを１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ
の周波数でオンオフ制御し、前記オン時の高周波バイア
ス電圧のＶｐｐ値を１００Ｖ以上にして試料の表面加工
を行うことを特徴とする試料の表面処理方法。
【請求項１２】請求項１１において、前記プラズマは
２.４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたＥＣＲプラズマで
ある試料の表面処理方法。
【請求項１３】請求項１１において、前記プラズマは１
００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのマイクロ波を用いたＥＣＲプラ
ズマである試料の表面処理方法。
【請求項１４】真空容器内に設けられた試料台に静電吸
着によって保持された最小加工寸法が１μｍ以下のパタ
ーンを有する試料を、前記真空容器内に連続的に処理ガ
スを供給して生成されたプラズマによってエッチング処
理する際に、前記プラズマ生成とは独立に前記試料台に
高周波バイアスを印加し、前記高周波バイアスを時間変
調して、前記試料の処理を行うことを特徴とする試料の
表面処理方法。
【請求項１５】請求項１４において、前記試料の静電吸
着はダイポール式の静電吸着である試料の表面処理方
法。
【請求項１６】膜厚が６ｎｍ以下のゲート酸化膜上にゲ
ート電極となる材料の膜を有する試料を、プラズマによ
ってエッチン処理する際に、前記試料に高周波バイアス
を印加するとともに、前記高周波バイアスを時間変調す
ることを特徴とする試料の表面処理方法。
【請求項１７】請求項１６において、前記ゲート電極と
なる材料の膜が多結晶シリコン膜あるいは多結晶シリコ
ン膜を有する多層膜である試料の表面処理方法。
【請求項１８】真空容器中に設けられ、表面処理される
試料を載置する試料台と、プラズマの生成用の処理ガスを前記真空容器中に連続的
に供給する処理ガス供給手段と、前記真空容器中に高密度のプラズマを生成するプラズマ
生成手段と、前記プラズマ生成とは独立に、１００ＫＨｚ以上のバイ
アス電圧を前記試料台に印可するバイアス電源と、前記バイアス電源を、１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数
で変調するパルス周波数制御手段を備え、前記試料台に載置された前記試料に対して、最小加工寸
法が１μｍ以下の表面処理を行う、ことを特徴とする試
料の表面処理装置。
【請求項１９】請求項１８において、前記高周波電源の
周波数が１５ＭＨｚ以下の場合は、高周波電圧の振幅を
５００Ｖ以上出力可能であり、１５ＭＨｚより大きい場
合は８００Ｖ以上出力可能である表面処理装置。
【請求項２０】請求項１８において、前記高密度プラズ
マは、ＥＣＲ，ＳＥＣＲ，ＩＰＣ方式のいずれかの方式
により生成される表面処理装置。
【請求項２１】真空容器中に設けられ、表面処理される
試料を載置する試料台と、プラズマの生成用の処理ガスを前記真空容器中に連続的
に供給する処理ガス供給手段と、マイクロ波を用いて前記真空容器中に高密度のプラズマ
を生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマ生成とは独立に、１００ＫＨｚ以上１０Ｍ
Ｈｚ以下のバイアス電圧を前記試料台に印可するバイア
ス電源と、前記バイアス電源を、１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚの周波数
で変調するパルス周波数制御手段とを備え、前記バイアス電源としての高周波電圧の振幅を、１００
Ｖ以上とした、ことを特徴とする試料の表面処理装置。
【請求項２２】請求項２１において、前記プラズマ生成
手段は、周波数２.４５ＧＨｚのマイクロ波を用い電子
サイクロトロン共鳴を利用した試料の表面処理装置。
【請求項２３】請求項２１において、前記プラズマ生成
手段は、周波数１００ＭＨｚから１ＧＨｚのマイクロ波
を用い電子サイクロトロン共鳴を利用した試料の表面処
理装置。