JPH11345803A

JPH11345803A - プラズマ発生加工方法およびプラズマ発生加工装置

Info

Publication number: JPH11345803A
Application number: JP10154294A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukuto; 憲司服藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 1999-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ発生装置内試料台上のイオン束分布
を高周波電力源周波数を変化させて制御することによ
り、プラズマによる試料加工を精度良く行なう方法を提
供することを目的とする。【解決手段】プラズマ発生真空チャンバ８１内部に、
試料台８５が設置され、この試料台にインピーダンス整
合回路８６を介して自己ＤＣバイアスを形成するための
可変周波数高周波電力源８７が具備され、さらにこの高
周波電力源の周波数を制御するための周波数制御回路９
１が具備されており、上記プラズマ発生チャンバに設置
されているエッチング終点検出器９０、あるいはプログ
ラム制御装置９２の信号により、ガスコントローラ８
２、排気系８３及び周波数制御回路９１を制御し、これ
らにより上記チャンバ内部の周波数及びガス圧力を最適
化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ発生装置の
チャンバ内部に、試料台を設置し、この試料台に高周波
電力を印加することにより自己バイアスを形成し、これ
らによりイオンを試料台に向かうように加速誘導させる
ことを、主にあるいは補助的に用いて、試料を加工する
ようにしたプラズマ発生加工方法及びプラズマ発生加工
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現代の高密度半導体集積回路の進歩は産
業革命にも比較される変革をもたらしつつある。高密度
化は素子寸法の微細化、デバイスの改良、チップサイズ
の大面積化等により実現されてきた。素子寸法の微細化
は光の波長程度まで進んで来ており、リソグラフィには
エキシマレーザや軟エックス線の使用が検討されてい
る。微細パターンの実現には、リソグラフィと並んでド
ライエッチングが重要な役割を果たしている。

【０００３】そこで以下では、微細加工に適用されるド
ライエッチングについて説明する。ドライエッチングと
は、プラズマで生成されたラジカルやイオン等と、被エ
ッチング材料膜固相表面との化学的または物理的反応を
利用し、被エッチング材料薄膜または基板の不要な部分
を除去する加工法のことである。ドライエッチング技術
として最も広く用いられている反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）は、適当なガスの高周波放電プラズマ中に試
料を曝すと、エッチング反応により試料表面の不要部分
が除去されるというものである。この時、必要な部分は
通常、マスクとして用いたフォトレジストパターンによ
り保護されている。

【０００４】微細な寸法のマスクパターンどおりの、ほ
ぼ垂直なエッチング形状の形成を、高いエッチングレー
トで実現するためには、高いイオン束が試料をエッチン
グするだけの十分な高いエネルギーで試料に対してほぼ
垂直に入射するようにすることが必要である。このため
には、以下の２つの要件を満足する必要がある。

【０００５】１つは、プラズマ中で発生し、試料近傍に
形成されたシース領域で加速されながら試料台に輸送さ
れる、試料をエッチングするだけの十分なエネルギーを
得たイオンが、このシース領域で輸送される間に、中性
粒子との衝突により散乱され、広い入射角度分布を持つ
ことをできるだけ減らすことである。すなわち、エッチ
ングをする十分なエネルギーを得たイオンは、できるだ
けシース領域輸送中に中性粒子との衝突散乱を減らし、
試料に対し垂直に入射させることである。

【０００６】もう１つは、比較的垂直な角度分布を持っ
て試料に入射するイオンと、広がったほぼ等方的な入射
角度分布を持って試料に入射する電子の、これら異なっ
た極性の電荷を持つイオン及び電子の入射角度分布の違
いにより、凹凸のある試料表面が独特の不均一な正負の
チャージング（帯電）分布を示し、この結果、独特の試
料表面電位分布を持つために、エッチングをする十分な
エネルギーを得たイオンが必ずしも試料に対し垂直には
入射せず、レジストマスクや被エッチング試料の側面表
面等に引き寄せられたりする場合があることへの対応で
ある。これを防ぐために、これらの表面を電気的に中和
し、イオンが試料近傍に対し垂直に入射させることであ
る。

【０００７】特に、上記の後者の課題解決法を解析する
ために、イオン軌道に影響を及ぼす表面チャージングが
シミュレーションにより幾つか報告されている。まず、
Arnoldらのグループにより、２次元のトレンチ形状を対
象に、表面ポテンシャル分布をイオンレンズ解析シミュ
レーションで調べられている(J.C.Arnold and H.H.Sawi
n: J. Appl. Phys. 70 [No.10] p.5314 (1991))。電子
は等方的に、イオンは垂直に、それぞれ時間的には一定
で入射すると仮定し、これらが絶縁体を仮定したトレン
チパターン表面に作り出す局所電場のイオン軌道に対す
る影響を取り込んでいる。また、熱平衡状態にあり、マ
クスウェル分布するプラズマが絶縁体基板と正対してい
る場合をＰＩＣ法を用いた粒子コードでシミュレーショ
ンされた例も報告されている（H.Naitou, M.Nakaoka,
S.Yamada and O.Fukuyama: Proc.2nd Int. Conf. On Re
active Plasmas and 11th Symp. On Plasma Processin
g,p.439, Yokohama (1994)）。イオンはシースポテンシ
ャルにより加速されて、基板に垂直な方向の速度を持っ
てトレンチに突入し、トレンチ底部に到達する。一方電
子は角度分布を持つためトレンチの入り口近くで壁に入
射する。トレンチ底部の電位はイオンの入射エネルギー
と同程度のポテンシャルエネルギーを持つまで上昇す
る。

【０００８】図１８（ａ）は、これらのシミュレーショ
ン結果が示す絶縁体トレンチ１１の試料表面チャージン
グ分布とこの結果としてのイオン軌道を示している。こ
こで、＋は正に帯電していることを、また、―は負に帯
電していることを表す。図１８（ｂ）は、この試料表面
電位分布を、図１８（ａ）の表面を一直線に展開した形
で示している。絶縁体レジストマスク１０の特に側面表
面や絶縁体被エッチング試料の上部側面表面が負に帯電
し、このために入射するイオンが試料近傍において、負
に帯電した絶縁体レジストマスクの特に側面表面や絶縁
体被エッチング試料の上部側面表面に引き寄せられる。
この結果、レジストマスク側面が削られて、あるいは被
エッチング試料自身がエッチングされて、被エッチング
試料の寸法異常や形状異常を引き起こす。

【０００９】一方、導電体体被エッチング試料を対象
に、L&S（ラインパターンとスペースパターンが連続し
て存在する構造）パターンと広いオープン領域が隣接し
て存在する場合の構造に対して、イオン軌道に影響を及
ぼす表面チャージングがシミュレーションにより報告さ
れている（T.Oomori, M.Taki, K.Nishikawa and H.Oote
ra: Jpn. J. Appl. Phys. 34 [No.12B] p.6809 (199
5)）。シース界面から電子はヴラゾフ方程式の解析解
で、イオンはドリフト速度でウエハーに向けて出発させ
る。電子及びイオンはパターン表面に到着し付着すると
し、これらが作る局所電界を考慮しながら、パターン表
面近傍において、MC粒子シミュレーションを用い電子及
びイオンの軌道を再計算する。パターン表面のすべての
点で電子束とイオン束がバランスして収束するまで繰り
返して定常解を得る。

【００１０】図１９（ａ）は、このシミュレーション結
果が示すL&S（ラインパターンとスペースパターンが連
続して存在する構造）パターンと広いオープン領域が隣
接して存在する場合の、L&S被エッチング試料が繋がっ
ている時（メインエッチング時）の試料表面チャージン
グ分布とこの結果としてのイオン軌道を示し、図１９
（ｂ）は、L&S被エッチング試料がエッチングを完了
し、各々のラインパターンが孤立し、絶縁体である下地
熱酸化膜が露出している時（オーバーエッチング時）の
試料表面チャージング分布と、この結果としてのイオン
軌道を示している。ここで、図中１２０はフォトレジス
トパターン、１２１はL&S被エッチング試料であるリン
ドープした多結晶シリコン、１２２は下地熱酸化膜、１
２３はシリコン基板である。

【００１１】図１９（ａ）に示すメインエッチング時に
おいては、異なった極性の電荷を持つイオン及び電子の
入射角度分布の違いにより一時的に試料表面電位のむら
があっても、導電体である被エッチング試料が繋がって
いるため、広いオープン領域から供給される電子あるい
はイオンにより、被エッチング試料内で電気的に中和
し、ほぼイオンは試料に対し垂直に入射する。しかし絶
縁体レジストマスクの特に側面表面は、ほぼ等方的に入
射する電子により負に帯電し、この結果、その後この部
分にイオンが入射することにより、レジストマスクが削
られて、この結果、被エッチング試料の寸法異常を引き
起こす。

【００１２】図１９（ｂ）に示すオーバーエッチング時
においては、各々のラインパターンが孤立するため、異
なった極性の電荷を持つイオン及び電子の入射角度分布
の違いによる試料表面電位むらが電気的に中和されな
い。この結果、絶縁体レジストマスクの側面表面はメイ
ンエッチング時と同様に負に、下地酸化膜試料表面は正
に帯電する。また、広いオープン領域と隣接して存在す
る一番端のL&S被エッチング試料の、広いオープン領域
に面した側面表面は、ほぼ等方的に飛来する電子の側面
入射量がほぼ垂直に入射するイオン入射量よりも多いた
め、負に帯電し、反対側の側面表面は、ポリシリコン試
料が導電体であるため、広いオープン領域に面した側面
表面とほぼ同様の負に帯電する。内側のL&S被エッチン
グ試料の特に底部側面表面は、イオン入射量がほぼ等方
的に飛来する電子の側面入射量よりも多いため、正に帯
電する。この結果、内側のL&S被エッチング試料のスペ
ース部に入射するイオンは、下地酸化膜試料表面の正電
位に反発されるものの、試料の両側側面表面とも正電位
であるため、速度が減速されるだけで、垂直に入射す
る。一方、一番端のL&S被エッチング試料の、広いオー
プン領域と反対側のスペース部に入射するイオンは、下
地酸化膜試料表面の正電位に反発され、さらに一番端か
ら一つ内側のL&S被エッチング試料の、側面表面の正電
位に反発され、さらに一番端のL&S被エッチング試料の
側面表面の負電位に引き込まれて、この側面表面に入射
する。また、広いオープン領域の、一番端のL&S被エッ
チング試料近傍に入射するイオンは、広いオープン領域
の電位はほぼ中性であるものの、一番端のL&S被エッチ
ング試料側面表面の負電位に引き込まれて、若干この側
面表面に入射する。これらの結果、レジストマスクが削
られて、被エッチング試料の寸法異常を引き起こし、一
番端のL&S被エッチング試料の、広いオープン領域と反
対側の側面表面はエッチングされ、いわゆるノッチング
等の形状異常を引き起こし、また、広いオープン領域の
一番端のL&S被エッチング試料表面も同様にエッチング
され形状異常を引き起こす。

【００１３】上記１つ目の対策としては、平行平板型
（容量結合型）ドライエッチング装置よりも、低ガス圧
力Ｐで高密度プラズマ放電が容易な、ＥＣＲ（電子サイ
クロトロン共鳴）プラズマドライエッチング装置やＩＣ
Ｐ（誘導結合型プラズマ）プラズマドライエッチング装
置を用いて行ってきた。ＥＣＲプラズマドライエッチン
グ装置やＩＣＰプラズマドライエッチング装置において
は、プラズマを発生するための高周波電源と、自己ＤＣ
バイアスを形成するための試料台に印加する高周波電源
とが独立に具備されている。

【００１４】一方、上記２つ目の対策として従来は、試
料表面の正電位を中和する目的で、ＥＣＲプラズマドラ
イエッチング装置やＩＣＰプラズマドライエッチング装
置においては、プラズマを発生する高周波電源をＯＮ／
ＯＦＦさせるパルスモジュレーションプラズマ発生法を
用い、ＯＦＦのフェーズの際に電子温度が急激に減少す
るが、電子密度がそれ程減少しないことを用いて、この
フェーズに入射する電子により、特にオーバーエッチン
グ時における下地シリコン酸化膜や被エッチング試料下
部側面の正電位を電気的に中和する方法や、あるいは試
料台に正の電位が間欠的に発生されるようにＤＣ電圧を
印加し負イオンを呼び込む方法を用いていた。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記２つ
目の対策において、ＯＦＦ時の十分なアフタグローフェ
イズにおいては、電子及び負イオンの流入によりチャー
ジングが緩和される様子が説明できるとシミュレーショ
ンにより報告されているものの（T.Kinoshita and J.
P.McVittie: Proc. of 1９th Dry Process Symposium,
p.63, Tokyo (1997)）、短時間のＯＦＦフェーズでは十
分な表面の電気的中和が行えず、また最も一般的に用い
られている平行平板型（容量結合型）ドライエッチング
装置には適用し難いという課題が存在していた。

【００１６】また、試料台に正の電位が間欠的に発生さ
れるようにＤＣ電圧を印加する方法は、プラズマ発生効
率が低下するという課題が存在していた。

【００１７】さらに、これら両者の方法は、レジストマ
スク側面に発生する負電位を中和する目的では、十分に
機能しないという課題が存在していた。

【００１８】本発明は上記問題点に鑑み、試料表面チャ
ージングによる影響を緩和しながら、試料台に到達する
際のイオンのエネルギー分布及び入射角度分布を制御
し、高いスループットで垂直形状のエッチングを実現す
る、プラズマ発生加工法を提供することを主たる目的と
する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明のプラズマ加工方法および装置において
は、以下のような手段を用いる。

【００２０】まず、エッチング加工を行なう際に、上記
プラズマ発生チャンバに設置されているガスコントロー
ラ、排気系及び被エッチング試料を登載することが可能
な試料台にバイアスを形成するための可変周波数高周波
電力源の周波数制御回路を制御し、これにより、上記プ
ラズマ発生チャンバ内部の周波数及びガス圧力を時間的
に最適化することにより、試料台表面近傍に形成される
シース幅とイオンの平均自由行程、及びイオンのシース
中における経過時間を制御し、第一のエッチング運転モ
ード時には加工スループットの向上と十分なエッチング
異方性の実現のために、試料台に到達するイオンのエネ
ルギーの単色化度を高め、そのエネルギーがほぼ所望の
値となるようにし、かつ入射角度分布の試料に対する垂
直度を高める手段を用い、また第二のエッチング運転モ
ード時には、第一のエッチング運転モード運転経過後
に、比較的垂直な角度分布を持って試料に入射するイオ
ンと、広がったほぼ等方的な入射角度分布を持って試料
に入射する電子の、これら異なった極性の電荷を持つイ
オン及び電子の入射角度分布の違いにより、凹凸のある
試料表面が独特の不均一な正負の帯電分布を示すが、こ
の帯電した試料を電気的に中和するために、試料台に到
達するイオンのエネルギーが低い成分から高い成分の広
がりを持つようにし、かつ入射角度分布が試料に対し垂
直方向から広がりを持つようにする手段を用い、これら
２つのエッチング手段を、時間の経過とともに、繰り返
し切り替えながらドライエッチングが行なえるようにす
る。

【００２１】すなわち、試料台近傍に形成されるカソー
ド側のシース幅ｄは、

【００２２】

【数１】

【００２３】のように、ガス圧力Ｐ及び周波数ｆの平方
根の逆数に比例すること（K.Harafuji, A.Yamano and
M.Kubota; Jpn. J. Appl. Phys. Vol.33(1994) pp.2212
-2222及びK.Harafuji; Jpn. J. Appl. Phys. Vol.34(19
95) pp.1993-2003で発表）、またイオンと中性粒子と
の、主に弾性衝突散乱及び荷電交換散乱に由来する、イ
オンの平均自由行程λは、

【００２４】

【数２】

【００２５】のように、ガス圧力Ｐの逆数に比例するこ
とを用いると、バルクプラズマ領域とシース領域との境
界を出発したイオンが、シース領域を試料台のあるカソ
ード上へ向かって輸送される間に、イオンが、シース中
で中性粒子との衝突により散乱される確率ηは平均的
に、

【００２６】

【数３】

【００２７】となる。すなわち、ガス圧力Ｐを低くし、
あるいは周波数ｆを高くすることによって、Ｐ／ｆを小
さくすることにより、シース中における中性粒子との衝
突による散乱確率を減らすことができる。これにより、
イオンのエネルギー減衰を抑え、イオンの方向性を揃え
て試料に対してほぼ垂直に入射するようにし、さらに試
料に到達するイオン束密度の減衰を抑えることができ
る。

【００２８】これにより、加工スループットの向上と十
分なエッチング異方性を実現することができる。

【００２９】また、ガス圧力Ｐを高くし、あるいは周波
数ｆを低くすることによって、Ｐ／ｆを大きくすること
により、シース中における中性粒子との衝突による散乱
確率を増加させることができる。これにより、イオンの
エネルギーを減衰させ、イオンの方向性をやや乱雑にし
て試料に入射するようにし、さらに試料に到達するイオ
ン束密度を減衰させることができる。

【００３０】これにより、広がった角度分布を持って試
料に入射する電子により、特に絶縁体被エッチング試料
や絶縁体レジストマスクの側面表面が負に帯電し、この
ために入射する高エネルギーイオンが、試料近傍におい
て負に帯電した絶縁体レジストマスク側面表面に引き寄
せられ、試料側面がエッチングされるのを防ぐために、
低エネルギー正イオンにより表面を電気的に中和するこ
とができる。エッチング中のパターン側壁にはイオンが
入射してくるが、絶縁体被エッチング試料や絶縁体レジ
ストマスクパターン材質自身がそれほどエッチングされ
ない程度に、十分にイオンのエネルギーを落とすことに
より、以下のエッチング工程中において、絶縁体レジス
トマスクパターンや絶縁体被エッチング試料の垂直形状
を保つことができる。

【００３１】さらに、比較的ガス圧力が低い場合には、
イオンのエネルギー分布は、低エネルギー側と高エネル
ギー側に２つのピークを持つサドル構造（鞍型）分布を
示す。周波数fが高い場合には低い場合よりも、低エネ
ルギー側ピークと高エネルギー側ピークの差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、より単色化される。すなわ
ち、ΔEはおおよそ

【００３２】

【数４】

【００３３】のように、ｆに逆比例することが報告され
ている（P.Benoit-Cattin and L.C.Bernard: J. Appl.
Phys. 39 (1968) p.5723）。

【００３４】上記のような運転モードの切り替えを、時
間経過に従った運転モードの切り替えを予めプログラム
できるプログラム制御装置を設置し、この制御装置の信
号を用いて、第一のエッチング運転モード時には加工ス
ループットの向上と十分なエッチング異方性の実現のた
めに、試料台に到達するイオンのエネルギーの単色化度
を高め、そのエネルギーがほぼ所望の値となるように
し、かつ入射角度分布の試料に対する垂直度を高める手
段を用い、また第二のエッチング運転モード時には、第
一のエッチング運転モード運転経過後に、比較的垂直な
角度分布を持って試料に入射するイオンと、広がったほ
ぼ等方的な入射角度分布を持って試料に入射する電子
の、これら異なった極性の電荷を持つイオン及び電子の
入射角度分布の違いにより、凹凸のある試料表面が独特
の不均一な正負の帯電分布を示すが、この帯電した試料
を電気的に中和するために、試料台に到達するイオンの
エネルギーが低い成分から高い成分の広がりを持つよう
にし、かつ入射角度分布が試料に対し垂直方向から広が
りを持つようにする手段を用い、これら２つのエッチン
グ手段を、時間の経過とともに切り替えながらドライエ
ッチングを行うようにする。

【００３５】本発明は上記した構成によって、平行平板
型反応性イオンエッチング装置においては１０〜２０Ｐ
ａ程度の中ガス圧力であっても、ＩＣＰやＥＣＲ等の低
圧力高密度プラズマエッチング装置においても、チャー
ジングによる形状欠陥を克服しながら、高い加工スルー
プット及び十分な形状異方性を備えたエッチングが、周
波数及びガス圧力を時間的に切り替えて精度良く実現す
ることが可能となる。

【００３６】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下本発明の実
施の形態１における平行平板型反応性イオンエッチング
装置を用いておこなったドライエッチング方法について
図面を参照しながら説明する。

【００３７】図１は本発明のドライエッチング方法を、
平行平板型反応性イオンドライエッチング装置に適用し
た概略図である。金属性チャンバー８１中には、ガスコ
ントローラ８２を通して反応性ガスが導入され、排気系
８３によって適切な圧力に制御されている。チャンバー
８１の上部にはアノード（陽極）８４が設けられ、下部
にはカソード（陰極）となる試料台８５が設けられてい
る。試料台８５には、インピーダンス整合回路８６を介
して周波数を変化させることが可能な高周波電力源８７
が接続されており、試料台８５とアノード８４との間で
高周波放電を起こすことができる。高周波電力源の周波
数は周波数制御回路９１により変化させることができ
る。また、エッチング終点は、スペクトル法を用いたエ
ッチング終点検出器９０により判断することができ、さ
らにエッチング終点検出器からの信号により、ガスコン
トローラ８２及び排気系８３が制御されガス圧力が制御
できる機能を有し、またエッチング終点検出器からの信
号により、高周波電力源の周波数が周波数制御回路を介
して制御できる機能を有している。さらに、ガスコント
ローラ８２、排気系８３、及び周波数制御回路９１は、
プログラム制御装置９２によって、予めプログラムされ
た処理流れに従って制御することも可能である。

【００３８】図２は、図１に示した平行平板型反応性イ
オンエッチング装置で発生したプラズマの、カソードと
アノード間の物理量の１次元分布を表したものである。
すなわち、図２（ａ）は電子密度分布を、図２（ｂ）は
イオン密度分布を、図２（ｃ）はイオン束密度分布をを
示している。同様に、図３はカソードとアノード間物理
量の他の１次元分布を表したものである。すなわち、図
３（ａ）はプラズマ電位分布を、図３（ｂ）は電界分布
を、そして図３（ｃ）は電子温度分布を示している。

【００３９】図２及び図３において、横軸は、カソード
とアノード間距離Ｌで規格化されている。ｘ／Ｌ＝０は
カソードに対応し、またｘ／Ｌ＝１は、アノードに対応
する。各々の分布図において、高周波電力の１周期τRF
を４等分した、各々の時間におけるグラフを、線種を変
えて示している。これらの図から理解できるように、試
料台となるカソード近傍においては、カソードに印加し
た高周波電力により自己バイアスが形成され、図３
（ａ）に示すようにカソードは負に帯電し、図３（ｂ）
に示すように、試料台に対して垂直な強い電界が形成さ
れるいわゆるイオンシースが形成され、この結果、この
領域において、図２（ａ）に示すように負電荷をもつ電
子は反発され電子密度はほぼゼロとなり、また図２
（ｂ）に示すように正イオンは試料台にむかって加速さ
れるようにして、試料台上に輸送される。

【００４０】図４は、図１に示した平行平板型反応性イ
オンエッチング装置において、カソードに印加した高周
波電力の周波数を変化させた場合の、イオン密度の最大
値、カソードに輸送されるイオン束密度の最大値Fmaxと
最小値Fmin、及びシース幅の最大値dmaxと最小値dminを
表している。シース幅は、アノード電極８４と、カソー
ド電極８５で囲まれた電極間距離Ｌで規格化された値
を、％で示している。これらの図から、イオン密度の最
大値及びカソードに輸送されるイオン束密度は、周波数
の増加とともに単調に増加し、またシース幅は周波数の
平方根に逆比例するように、周波数の増加とともに減少
することが理解できる。

【００４１】図５は、図３に示したシース幅の周波数依
存性を平行平板型反応性イオンエッチング装置の断面模
式図の上に示したものである。すなわち、図の左半分は
周波数が比較的低い場合をあらわし、図の右半分は周波
数が比較的高い場合をあらわしている。シース幅は、そ
の平均値ｄのまわりを、高周波電力の１周期τRFにわた
って、最大値dmaxと最小値dminを取りながら振動し、周
波数が比較的高い場合には、周波数が比較的低い場合に
比べ、シース幅は短くなる。アノード電極８４と、カソ
ード電極８５で囲まれたプラズマ発生領域のうち、シー
ス領域を除いた領域は、一般にバルクプラズマ領域と呼
ばれる。

【００４２】図６に示すように、バルクプラズマとシー
スの境界から出発したイオンは、シース幅ｄを試料台に
向かって加速されながら試料台上に輸送される間に、中
性粒子との衝突により散乱され、その方向性が乱雑にな
り、またイオンのエネルギーも減衰してくる。この結
果、同一のガス圧力に対しては、シース幅ｄが短くなる
比較的高い周波数の場合の方が、シース幅ｄが長くなる
比較的低い周波数の場合より、イオンと中性粒子との衝
突散乱が少なくなり、高いイオン束が高いエネルギーで
試料に対してより垂直に入射される。一方、シース幅ｄ
が長くなる比較的低い周波数の場合の方が、シース幅ｄ
が短くなる比較的高い周波数の場合より、イオンと中性
粒子との衝突散乱が頻繁に起こり、この結果、イオン束
密度が小さくなり、イオンのエネルギーは減少し、イオ
ンは散乱された角度分布を持って入射してくる。

【００４３】図７は、試料台に到達するイオンのエネル
ギーの、周波数依存性を示したものである。すなわち、
１０ＭＨｚ程度以下の周波数領域Ａにおいては、周波数
の低下とともに、イオンのエネルギーは増加する。これ
は周波数の低下とともに、イオンあるいは電子の１周期
間の走行距離が長くなる結果、プラズマの放電領域から
の損失が多くなるが、この損失を補って、十分なイオン
化衝突頻度を増やすために、イオンがカソード電極に衝
突することによって発生した２次電子がシース中の高電
界領域を通ってすばやくバルクプラズマ領域に入る必要
がある。このために、周波数の低下とともに、シース間
電圧が必然的に増加し、イオンのエネルギーは増加す
る。一方、１０ＭＨｚ程度以上の７１の周波数領域Ｂに
おいては、周波数の増加とともに、イオンのエネルギー
は増加する。これは上述のように周波数の増加ととも
に、イオンと中性粒子との衝突散乱が少なくなり、イオ
ンのエネルギー減衰が抑えられるからである。ここで
は、主に周波数領域Ｂについて実施した。

【００４４】図８は、ガス圧力が十分に低い場合におけ
る入射イオンのエネルギー分布の周波数依存性を示した
ものである。イオンのエネルギー分布は、低エネルギー
側と高エネルギー側に２つのピークを持つサドル構造
（鞍型）分布を示す。周波数fが高い場合には低い場合
よりも、低エネルギー側ピークと高エネルギー側ピーク
の差であるエネルギー幅ΔEは狭くなり、より単色化さ
れる。fが高く、ガス圧力が高くなった場合のエネルギ
ー分布も同時に点線で示している。ダブルピークのピー
ク値が減少し、散乱された低エネルギー成分が大きくな
る。

【００４５】図９は、図１に示した平行平板型反応性イ
オンドライエッチング装置において、ガス圧力を変化さ
せた場合の、イオン密度の最大値、カソードに輸送され
るイオン束密度の最大値と最小値、及びシース幅の最大
値と最小値の変化を表している。これらの図から、イオ
ン密度の最大値及びカソードに輸送されるイオン束密度
は、ガス圧力の増加とともに単調に増加し、またシース
幅はガス圧力の平方根に逆比例して、ガス圧力の増加と
ともに減少することが理解できる。

【００４６】すなわち、試料台近傍に形成されるカソー
ド側のシース幅ｄは、ガス圧力Ｐ及び周波数ｆの平方根
の逆数に比例するので、シース幅ｄは以下のように表現
できる。

【００４７】

【数５】

【００４８】また、イオンと中性粒子との、主に弾性衝
突散乱及び荷電交換散乱に由来する、イオンの平均自由
行程λは、ガス圧力Ｐに逆比例するので、以下のように
表現できる。

【００４９】

【数６】

【００５０】さらに、バルクプラズマとシースとの境界
を出発したイオンが、試料台のあるカソード上へ輸送さ
れる間に、シース中で中性粒子との衝突により散乱され
る確率に比例する量ηは、

【００５１】

【数７】

【００５２】となる。よって、ｄ及びλの表式をηの式
に代入することにより、

【００５３】

【数８】

【００５４】の関係式が得られる。ここで、Ｋ1、Ｋ2及
びＫ3＝Ｋ1/Ｋ2は、それぞれ定数である。

【００５５】すなわち、ガス圧力Ｐを低くし、また周波
数ｆを高くすることによって、Ｐ／ｆを小さくすること
により、シース中における中性粒子との衝突による散乱
確率を減らすことができる。これにより、イオンのエネ
ルギー減衰を抑え、イオンの方向性を揃えて試料に対し
てほぼ垂直に入射するようにし、さらに試料に到達する
イオン束密度の減衰を抑え、エッチングスループットの
向上と十分なエッチング異方性が実現される。

【００５６】一方、ガス圧力Ｐを高くし、また周波数ｆ
を低くすることによって、Ｐ／ｆを大きくすることによ
り、シース中における中性粒子との衝突による散乱確率
を増加させることができる。これにより、イオンのエネ
ルギーを減衰させ、イオンの方向性をやや乱雑にして試
料に入射させるようにし、さらに試料に到達するイオン
束密度を減衰させ、これによりエッチング能力を緩和す
る。

【００５７】さらに、比較的ガス圧力が低い場合には、
イオンのエネルギー分布は、低エネルギー側と高エネル
ギー側に２つのピークを持つサドル構造（鞍型）分布を
示す。周波数fが高い場合には低い場合よりも、平均エ
ネルギーが高くなり、また低エネルギー側ピークと高エ
ネルギー側ピークの差であるエネルギー幅ΔEはおおよ
そ

【００５８】

【数９】

【００５９】のように、ｆに逆比例することから、より
単色化される。そのイオンの中心入射エネルギーは、自
己バイアス電圧に相当する値になる。

【００６０】具体的に実施したエッチング運転モードの
切り替え方法を、２つの例で説明する。

【００６１】図１０は、第一の切り替え方法例を示して
いる。チャンバ内部のガス圧力を時間的に一定で低く保
ちながら、試料台に印加する高周波電力周波数ｆを、第
一のエッチング運転モード時には高い周波数ｆ１でΔt1
の間継続させ、また第二のエッチング運転モード時に
は、低い周波数ｆ２でΔt２の間継続させ、これを繰り
返す。図１１は、周波数ｆの変化方法を表しており、図
１１(a)は、高い周波数ｆ１と低い周波数ｆ２を階段状
に変化させる場合であり、図１１(b)は、高い周波数ｆ
１と低い周波数ｆ２をなめらかに変化させる場合であ
る。

【００６２】図１２は、第二の切り替え方法例を示して
いる。高周波電力周波数ｆを時間的には一定に保ちなが
ら、チャンバ内部のガス圧力Pを、第一のエッチング運
転モード時には低いガス圧力P１でΔt1の間継続させ、
また第二のエッチング運転モード時には、高いガス圧力
P２でΔt２の間継続させ、これを繰り返す。図１２は、
ガス圧力Pの変化方法を表しており、図１２(a)は、低い
ガス圧力P１と高いガス圧力P２を階段状に変化させる場
合であり、図１２(b)は、低いガス圧力P１と高いガス圧
力P２をなめらかに変化させる場合である。

【００６３】図１４は、本発明方法により、平行平板型
反応性イオンエッチング装置を用いて、第一のエッチン
グ運転モードと第二のエッチング運転モードとの切り替
えを、上述の第一の切り替え方法を用いてエッチングを
実施した場合の様子を、シリコン酸化膜トレンチ形成に
対して模式的に示したものである。すなわち、高い周波
数ｆ１と低い周波数ｆ２を時間的に階段状に変化させて
いる。この場合にはプラズマ発生装置チャンバー内に導
入するガスとして、CH₂F₂を１０ｓｃｃｍ、CF₄を３０ｓ
ｃｃｍ導入し、エッチング加工装置内の圧力は10Ｐａで
行った。CHF₃等の他のハイドロフルオロカーボン系ガ
ス、あるいはＳＦ₆等のハロゲン系ガスをベースにした
ガスを用いることも、十分に効果がある。第一のエッチ
ング運転モードにおいては、高周波電力の周波数を５０
MHzで、第二のエッチング運転モードにおいては、高周
波電力の周波数を１３．５６MHzで実施した。

【００６４】ここで、図中６０はフォトレジストマスク
パターン、６１はシリコン酸化膜、６２はフォトレジス
トマスクの内、イオンによりスパッタされ削られた部
分、６３はシリコン酸化膜の内、フォトレジストマスク
がイオンによりスパッタされ削られたため、本来エッチ
ングされるべきではないシリコン酸化膜である。一般に
は、スパッタされたフォトレジストあるいはシリコン酸
化膜とハロゲン系ガスとの反応生成物堆積膜が側壁に付
着するが、ここではそれらは示していない。また、図
中、矢印はイオン軌道を表し、その長さの長短はイオン
のエネルギーの大小を示す。

【００６５】図１４（ａ）は、第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、図１４（ｂ）は、第
二のエッチング運転モードにおけるエッチングの様子
を、また図１４（ｃ）は、再び第一のエッチング運転モ
ードに戻した場合のエッチングの様子を、模式的にやや
誇張して示したものである。

【００６６】図１４（ａ）の第一のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造（鞍型）分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に２つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ所望のエネルギーである
自己バイアス電圧に相当する値に単色化され、さらにプ
ラズマの損失が少なくなり、イオン密度が上がり、イオ
ンアシストエッチング等の異方性エッチングのレートが
増加する。しかし、時間の経過に従い、絶縁体被エッチ
ング試料上部や絶縁体レジストマスクの特に側面表面が
負に帯電し、このために入射するイオンが試料近傍にお
いて、負に帯電した絶縁体被エッチング試料上部や絶縁
体レジストマスク側面表面に引き寄せられる。この結
果、レジストマスクが削られて、あるいは被エッチング
試料自身がエッチングされて、被エッチング試料の寸法
異常や形状異常を引き起こす。

【００６７】図１４（ｂ）の第二のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が長くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が多くなり、この結果イオンの試料表
面直前での入射角度は垂直からやや散乱された分布とな
り、またサドル構造（鞍型）分布を示すイオンのエネル
ギー分布の低エネルギー側と高エネルギー側の２つのピ
ーク差であるエネルギー幅ΔEは自己バイアス電圧に相
当する値を中心に広くなり、散乱による低エネルギー成
分が相対的に増え、さらにプラズマの損失が多くなり、
イオン密度が下がり、イオンアシストエッチング等の異
方性エッチングのレートが減少する。これにより、絶縁
体被エッチング試料上部や絶縁体レジストマスクの負に
帯電した試料側面表面に、エッチング能力の少ない低エ
ネルギーイオンが引き寄せられ、絶縁体被エッチング試
料上部や絶縁体レジストマスク側面表面を電気的に中和
する。

【００６８】図１４（ｃ）の再び第一のエッチング運転
モードに戻した場合においては、側面表面の帯電が中和
されているために、図１４（ａ）の初めの段階の環境に
戻り、また再びシース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造（鞍型）分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に２つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。

【００６９】このように、第一のエッチング運転モード
と第二のエッチング運転モードを繰り返すことにより、
負に帯電したレジストマスクや試料側面表面に引き寄せ
られるイオンによるレジストマスクの削れ、あるいは被
エッチング試料自身のエッチングが最小限に抑えられ、
被エッチング試料の寸法異常や形状異常がほとんど無視
できる、垂直形状の、高い加工スループットのエッチン
グが実現された。

【００７０】ここで、第一のエッチング運転モードと第
二のエッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合
を３：１以上で第一のエッチング運転モードを長く行
い、また第二のエッチング運転モードにおける周波数
を、１０ＭＨｚを越える値で行い、さらに、第一のエッ
チング運転モードと第二のエッチング運転モードの合計
時間である一周期を、２μsから２０μsで行い、さらに
ガス圧力を、２０Pa以下で行うと、優れたエッチング性
能が得られることが判明した。この際、エッチングレー
トは５００から８００nm/minが得られた。

【００７１】（実施の形態２）以下本発明の実施の形態
２におけるＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）プラズマドラ
イエッチング装置を用いておこなったドライエッチング
方法について、図面を参照しながら説明する。

【００７２】図１５は本発明のドライエッチング方法
を、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）プラズマドライエッ
チング装置に適用した概略図である。プラズマを発生す
る高周波電源と、自己ＤＣバイアスを形成するための試
料台に印加する高周波電源とが独立に具備されている。
９５はプラズマを発生するための高周波電源であり、９
６はプラズマを発生するための螺旋状コイルである。そ
の他は本発明の実施の形態１である平行平板型反応性イ
オンドライエッチング装置に適用した構成図と同じであ
るので、同一の符号を付すことにより詳細な説明は省略
する。カソード側でのシース構造や、プラズマ物理量の
定性的な変化の様子は、図２から図９に示す実施の形態
１における平行平板型ドライエッチング装置における場
合と定性的には同様であった。

【００７３】図１６は、本発明方法により、ＩＣＰ（誘
導結合型プラズマ）プラズマドライエッチング装置を用
いて、第一のエッチング運転モードと第二のエッチング
運転モードとの切り替えを、上述の実施の形態１中で説
明した、第一の切り替え方法を用いてエッチングを実施
した場合の様子を、L&S構造のリンドープした多結晶シ
リコンゲート形成の、メインエッチングに対して、模式
的に示したものである。ここで、L&Sパターン構造の左
側は広いオープン領域が存在し、右側はL&Sパターン構
造が続いている。高い周波数ｆ１と低い周波数ｆ２をな
めらかに変化させている。この場合にはプラズマ発生装
置チャンバー内に導入するガスとして、Ｃｌ₂を４０ｓ
ｃｃｍ、ＳｉＣｌ₄を２０ｓｃｃｍ導入し、エッチング
加工装置内の圧力は1Ｐａで行った。ＨＢｒ、ＳＦ6等
の、他のハロゲン系ガスをベースにしたガスを用いるこ
とも、十分に効果がある。ここで、図中１２０はフォト
レジストパターン、１２１はリンドープした多結晶シリ
コン、１２２は熱酸化膜、１２３はシリコン基板であ
る。１２５はフォトレジストマスクの内、イオンにより
スパッタされ削られた部分、１２６は多結晶シリコンの
内、フォトレジストマスクがイオンによりスパッタされ
削られたため、本来エッチングされるべきではない多結
晶シリコンである。一般には、スパッタされたフォトレ
ジストあるいはシリコンとハロゲン系ガスとの反応生成
物堆積膜が側壁に付着するが、ここではそれらは示して
いない。また、図中、矢印はイオン軌道を表し、その長
さの長短はイオンのエネルギーの大小を示す。

【００７４】図１６（ａ）は、第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、図１６（ｂ）は、第
二のエッチング運転モードにおけるエッチングの様子
を、また図２６（ｃ）は、再び第一のエッチング運転モ
ードに戻した場合におけるエッチングの様子を、模式的
にやや誇張して示したものである。この場合にも、以下
に示すように、上述の実施の形態１中で説明したシリコ
ン酸化膜トレンチエッチングと同様の効果が得られる。

【００７５】図１６（ａ）の第一のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造（鞍型）分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に２つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。しかし、時間
の経過に従い、絶縁体レジストマスクの特に側面表面が
負に帯電し、このために入射するイオンが試料近傍にお
いて、負に帯電した絶縁体レジストマスク側面表面に引
き寄せられる。この結果、レジストマスクががエッチン
グされて、被エッチング試料の寸法異常や形状異常を引
き起こす。

【００７６】図１６（ｂ）の第二のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が長くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が多くなり、この結果イオンの試料表
面直前での入射角度は垂直からやや散乱された分布とな
り、またサドル構造（鞍型）分布を示すイオンのエネル
ギー分布の低エネルギー側と高エネルギー側の２つのピ
ーク差であるエネルギー幅ΔEは自己バイアス電圧に相
当する値を中心に広くなり、散乱による低エネルギー成
分が相対的に増え、さらにプラズマの損失が多くなり、
イオン密度が下がり、イオンアシストエッチング等の異
方性エッチングのレートが減少する。これにより、絶縁
体レジストマスクの負に帯電した側面表面に、エッチン
グ能力の少ない低エネルギーイオンが引き寄せられ、絶
縁体レジストマスク側面表面を電気的に中和する。

【００７７】図１６（ｃ）の再び第一のエッチング運転
モードに戻した場合においては、側面表面の帯電が中和
されているために、図１６（ａ）の初めの段階の環境に
戻り、また再びシース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造（鞍型）分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に２つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。

【００７８】このように、第一のエッチング運転モード
と第二のエッチング運転モードを繰り返すことにより、
負に帯電したレジストマスクに引き寄せられるイオンに
よるレジストマスクのエッチングが最小限に抑えられ、
被エッチング試料の寸法異常や形状異常がほとんど無視
できる、垂直形状の、高い加工スループットのエッチン
グが実現された。

【００７９】ここで、第一のエッチング運転モードと第
二のエッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合
を４：１以上で第一のエッチング運転モードを長く行
い、また第二のエッチング運転モードにおける周波数
を、１３.５６ＭＨｚを越える値で行い、さらに、第一
のエッチング運転モードと第二のエッチング運転モード
の合計時間である一周期を、２μsから２０μsで行い、
さらにガス圧力を、２Pa以下で行うと、優れたエッチン
グ性能が得られることが判明した。この際、エッチング
レートは６００から９００nm/minが得られた。

【００８０】図１７は、図１６に示したエッチングが進
行し、オーバーエッチングになった場合対して、図１６
と同様のエッチング運転モードの切り替えを実施した場
合の例を示している。但し、第二のエッチング運転モー
ドにおいては、ガス圧力を若干高くすることが有効であ
る。なお、プラズマ発生チャンバに設置されているエッ
チング終点検出器の信号を用いて、主エッチング時の終
了を判断させ、主エッチング終了までは上述の主エッチ
ング条件でエッチングを行い、それ以後は、上述のオー
バーエッチング条件でエッチングを行うように、自動的
な２段階エッチングが行なえるようプログラムしてい
る。

【００８１】図１７（ａ）は、第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、図１７（ｂ）は、第
二のエッチング運転モードにおけるエッチングの様子
を、また図１７（ｃ）は、再び第一のエッチング運転モ
ードにおけるエッチングの様子を、模式的にやや誇張し
て示したものである。

【００８２】図１７（ａ）の第一のエッチング運転モー
ドにおいては、イオンの試料表面直前での入射角度はほ
ぼ垂直となり、またイオンのエネルギー分布はほぼ自己
バイアス電圧に相当する値に単色化され、さらにプラズ
マの損失が少なくなり、イオン密度が上がり、イオンの
エネルギーが高くなると同時に、イオンアシストエッチ
ング等の異方性エッチングのレートが増加する。しか
し、時間の経過に従い、各々のラインパターンが孤立す
るため、異なった極性の電荷を持つイオン及び電子の入
射角度分布の違いによる試料表面電位むらが電気的に中
和されない。この結果、絶縁体レジストマスクの側面表
面はメインエッチング時と同様に負に、下地酸化膜試料
表面は正に帯電する。また、広いオープン領域と隣接し
て存在する一番端のL&S被エッチング試料の、広いオー
プン領域に面した側面表面は、ほぼ等方的に飛来する電
子の側面入射量がほぼ垂直に入射するイオン入射量より
も多いため、負に帯電し、反対側の側面表面は、ポリシ
リコン試料が導電体であるため、広いオープン領域に面
した側面表面とほぼ同様の負に帯電する。内側のL&S被
エッチング試料の特に底部側面表面は、イオン入射量が
ほぼ等方的に飛来する電子の側面入射量よりも多いた
め、正に帯電する。この結果、内側のL&S被エッチング
試料のスペース部に入射するイオンは、下地酸化膜試料
表面の正電位に反発されるものの、試料の両側側面表面
とも正電位であるため、速度が減速されるだけで、垂直
に入射する。一方、一番端のL&S被エッチング試料の、
広いオープン領域と反対側のスペース部に入射するイオ
ンは、下地酸化膜試料表面の正電位に反発され、さらに
一番端から一つ内側のL&S被エッチング試料の、側面表
面の正電位に反発され、さらに一番端のL&S被エッチン
グ試料の側面表面の負電位に引き込まれて、この側面表
面に入射する。また、広いオープン領域の、一番端のL&
S被エッチング試料近傍に入射するイオンは、広いオー
プン領域の電位はほぼ中性であるものの、一番端のL&S
被エッチング試料側面表面の負電位に引き込まれて、若
干この側面表面に入射する。これらの結果、レジストマ
スクが削られて、被エッチング試料の寸法異常を引き起
こし、一番端のL&S被エッチング試料の、広いオープン
領域と反対側の側面表面はエッチングされ、いわゆるノ
ッチング等の形状異常を引き起こし、また、広いオープ
ン領域の一番端のL&S被エッチング試料表面も同様にエ
ッチングされ形状異常を引き起こす。

【００８３】図１７（ｂ）の第二のエッチング運転モー
ドにおいては、シース間距離が長くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が多くなり、この結果イオンの試料表
面直前での入射角度は垂直からやや散乱された分布とな
り、またサドル構造（鞍型）分布を示すイオンのエネル
ギー分布の低エネルギー側と高エネルギー側の２つのピ
ーク差であるエネルギー幅ΔEは自己バイアス電圧に相
当する値を中心に広くなり、散乱による低エネルギー成
分が相対的に増え、さらにプラズマの損失が多くなり、
イオン密度が下がり、イオンアシストエッチング等の異
方性エッチングのレートが減少する。これにより、絶縁
体レジストマスクの負に帯電した側面表面に、エッチン
グ能力の少ない低エネルギーイオンが引き寄せられ、絶
縁体レジストマスク側面表面を電気的に中和する。

【００８４】図１７（ｃ）の再び第一のエッチング運転
モードに戻した場合においては、側面表面の帯電が中和
されているために、図１４（ａ）の初めの段階の環境に
戻り、また再びシース間距離が短くなってイオンの中性
粒子との衝突散乱が少なくなり、この結果イオンの試料
表面直前での入射角度はほぼ垂直となり、またサドル構
造（鞍型）分布を示すイオンのエネルギー分布の低エネ
ルギー側と高エネルギー側に２つのピーク差であるエネ
ルギー幅ΔEは狭くなり、ほぼ自己バイアス電圧に相当
する値に単色化され、さらにプラズマの損失が少なくな
り、イオン密度が上がり、イオンアシストエッチング等
の異方性エッチングのレートが増加する。

【００８５】このように、第一のエッチング運転モード
と第二のエッチング運転モードを繰り返すことにより、
負に帯電したレジストマスクに引き寄せられるイオンに
よるレジストマスクのエッチングが最小限に抑えられ、
被エッチング試料の寸法異常や形状異常がほとんど無視
できる、垂直形状の、高い加工スループットのエッチン
グが実現された。

【００８６】ここで、第一のエッチング運転モードと第
二のエッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合
を３：１以上で第一のエッチング運転モードを長く行
い、また第二のエッチング運転モードにおける周波数
を、１３.５６ＭＨｚを越える値で行い、さらに、第一
のエッチング運転モードと第二のエッチング運転モード
の合計時間である一周期を、２μsから２０μsで行い、
さらにガス圧力を、１Pa以下で行うと、優れたエッチン
グ性能が得られることが判明した。

【００８７】すなわち、本発明のプラズマ発生加工方法
に基づく、エッチング加工方法を用いることにより、１
０Ｐａ程度の中ガス圧力であっても、第一のエッチング
運転モード時には加工スループットの向上と十分なエッ
チング異方性の実現のために、試料台に到達するイオン
のエネルギーの単色化度を高め、そのエネルギーがほぼ
所望の値となるようにし、かつ入射角度分布の試料に対
する垂直度を高める手段を用い、また第二のエッチング
運転モード時には、第一のエッチング運転モード運転経
過後に、比較的垂直な角度分布を持って試料に入射する
イオンと、広がったほぼ等方的な入射角度分布を持って
試料に入射する電子の、これら異なった極性の電荷を持
つイオン及び電子の入射角度分布の違いにより、凹凸の
ある試料表面が独特の不均一な正負の帯電分布を示す
が、この帯電した試料を電気的に中和するために、試料
台に到達するイオンのエネルギーが低い成分から高い成
分の広がりを持つようにし、かつ入射角度分布が試料に
対し垂直方向から広がりを持つようにする手段を用い、
これら２つのエッチング手段を、時間の経過とともに切
り替えながら制御し、高いスループットで垂直形状のエ
ッチングを実現する、ドライエッチング加工法を提供す
るものである。

【００８８】本実施の形態ではシリコン酸化膜及び多結
晶シリコンエッチングの場合を示したが、Ｓｉ化合物、
Ａｌ等のメタルのエッチング、多層レジストにおけるレ
ジストのエッチング等にも本発明の装置を用いても高い
効果が得られる。アルミニウムエッチングに適用した場
合、ＢＣｌ₃＋Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄＋Ｃｌ₂＋ＣＨＣｌ
₃等、塩素をベースにしたガスを用い、圧力は0.1〜20Ｐ
ａとした。この際、エッチングレートは４００から９０
０nm/minが得られた。

【００８９】また、本実施の形態では、プラズマ発生法
として、平行平板反応性イオンエッチング装置及びＩＣ
Ｐを用いたが、本発明が、この場合に最も実施効果が著
しいということであって、ＩＣＰと同じくプラズマを発
生する高周波電源と、自己ＤＣバイアスを形成するため
の試料台に印加する高周波電源とが独立に具備されてい
るＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマドライエ
ッチング装置に対しても、同様に十分におおきな効果が
認められた。

【００９０】

【発明の効果】以上のように、本発明のプラズマ発生加
工法を用いることにより、１０〜２０Ｐａ程度の中ガス
圧力であっても、高周波電力の印加周波数及びチャンバ
内部のガス圧力を時間的に最適化することにより、試料
台表面近傍に形成されるシース幅とイオンの平均自由行
程、及びイオンのシース中における経過時間を制御し、
これにより、試料表面チャージングによる影響を緩和し
ながら、試料台に到達する際のイオンのエネルギー分布
及び入射角度分布を制御し、高いスループットで垂直形
状のエッチングを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１におけるドライエッチン
グ加工装置の概略図

【図２】本発明の実施の形態１における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置において発生したプラズ
マのカソードとアノード間の物理量の１次元分布を示す
図

【図３】本発明の実施の形態１における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置において発生したプラズ
マのカソードとアノード間の物理量の１次元分布を示す
図

【図４】本発明の実施の形態１における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置における物理量のカソー
ドに印加した高周波電力の周波数に対する依存性を示す
図

【図５】平行平板型反応性イオンドライエッチング装置
におけるシース幅の周波数依存性を示す図

【図６】バルクプラズマとシースの境界から出発したイ
オンがシース幅ｄのシース領域を中性粒子との衝突によ
り散乱されながら試料台に向かって輸送される様子を示
す模式図

【図７】本発明の実施の形態１における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置における試料台に到達し
た際のエネルギーの周波数に対する依存性を示す図

【図８】比較的ガス圧力が低い場合における入射イオン
のエネルギー分布の周波数依存性を示す図

【図９】本発明の実施の形態１における平行平板型反応
性イオンドライエッチング装置における物理量のガス圧
力依存性を示す図

【図１０】エッチング運転モードの切り替え方法の内の
第一の切り替え方法を示す図

【図１１】周波数の変化方法を示す図

【図１２】エッチング運転モードの切り替え方法の内の
第二の切り替え方法を示す図

【図１３】ガス圧力の変化方法を示す図

【図１４】平行平板型反応性イオンエッチング装置を用
いて、第一のエッチング運転モードと第二のエッチング
運転モードとの切り替えを、上述の第一の切り替え方法
を用いてエッチングを実施した場合の様子を示す模式図

【図１５】本発明のドライエッチング方法をＩＣＰ（誘
導結合型プラズマ）プラズマドライエッチング装置に適
用した概略図

【図１６】本発明方法により、ＩＣＰ（誘導結合型プラ
ズマ）プラズマドライエッチング装置を用いて、第一の
エッチング運転モードと第二のエッチング運転モードと
の切り替えを、上述の第一の実施例中で説明した、第一
の切り替え方法を用いてエッチングを実施した場合の様
子を示す模式図

【図１７】エッチングが進行しオーバーエッチングにな
った場合対して、エッチング運転モードの切り替えを実
施した場合の模式図

【図１８】絶縁体トレンチの試料表面チャージング分
布、イオン軌道、試料表面電位分布を示す図

【図１９】L&Sパターンと広いオープン領域が隣接して
存在する場合、ラインパターンが孤立し絶縁体である下
地酸化膜が露出している時の試料表面チャージング分布
とイオン軌道を示す図

【符号の説明】

３０バルクプラズマ領域３２シース領域３３試料６０フォトレジストマスクパターン６１シリコン酸化膜６２フォトレジストマスクの内、イオンによりスパッ
タされ削られた部分６３シリコン酸化膜の内、フォトレジストマスクがイ
オンによりスパッタされ削られたため、本来エッチング
されるべきではないシリコン酸化膜７５シリコン基板７６シリコン酸化膜７７リンドープした多結晶シリコン膜７８フォトレジストパターン８１金属性チャンバー８２ガスコントローラ８３排気系８４アノード（陽極）８５試料台８６インピーダンス整合回路８７高周波電源９０エッチング終点検出器９１周波数制御回路９２プログラム制御装置９３フォトレジストパターン９５高周波電源９６螺旋状コイル１２０フォトレジストパターン１２１リンドープした多結晶シリコン１２２熱酸化膜１２３シリコン基板１２５フォトレジストマスクの内、イオンによりスパ
ッタされ削られた部分１２６多結晶シリコンの内、フォトレジストマスクが
イオンによりスパッタされ削られたため、本来エッチン
グされるべきではない多結晶シリコン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電離させるべきガスを導入し、プラズマ
を発生する機能を有した真空チャンバ内部に試料台を設
置し、この試料台に高周波電力を印加することにより自
己ＤＣバイアスを形成し、これによりイオンを試料台に
向かうように加速誘導させることを用いて試料を加工す
るようにしたプラズマ発生加工装置であって、高周波電
力の印加周波数及びチャンバ内部のガス圧力の時間変化
を最適化することにより、試料台表面近傍に形成される
シース幅とイオンの平均自由行程、及びイオンのシース
中における経過時間を制御し、これらにより、試料台に
到達するイオンのエネルギー分布及び入射角度分布の時
間変化を制御しながら、プラズマによる試料の加工を行
うことを特徴とするプラズマ発生加工方法。
【請求項２】第一のエッチング運転モード時には、試
料台に到達するイオンのエネルギーの単色化度を高め、
そのエネルギーがほぼ所望の値となるようにし、かつ入
射角度分布の試料に対する垂直度を高める第一の手段を
用い、第二のエッチング運転モード時には、試料台に到
達するイオンのエネルギーが低い成分から高い成分の広
がりを持つようにし、かつ入射角度分布が試料に対し垂
直方向から広がりを持つようにする第二の手段を用い、
前記第一及び第二の手段を、時間の経過とともに切り替
えながらドライエッチングを行なうことを特徴とする請
求項１に記載のプラズマ発生加工方法。
【請求項３】第一手段により、ガス圧力Ｐを低くして
イオンの平均自由行程λを長くし、試料台に印加する高
周波電力の周波数ｆを高くすることによって試料台近傍
に形成されるカソード側のシース幅ｄを短くして、Ｐ／
ｆを小さくすることによりシース中における中性粒子と
の衝突による散乱確率を減らし、第二の手段により、前
記ガス圧力Ｐを高くしてイオンの前記平均自由行程λを
短くし、前記周波数ｆを低くすることによって前記シー
ス幅ｄを長くして、Ｐ／ｆを大きくすることにより、シ
ース中における中性粒子との衝突による散乱確率を増加
させることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生
加工方法。
【請求項４】周波数ｆを一定にして、ガス圧力Ｐを増
加させていくことにより、散乱確率ηに比例する量(Ｐ/
ｆ)を増加させ、第一のエッチング運転モードから第二
のエッチング運転モードへの切り替えを伴うドライエッ
チングを行うことを特徴とする請求項２に記載のプラズ
マ発生加工方法。
【請求項５】ガス圧力Ｐをを一定にして、周波数ｆを
減少させていくことにより、散乱確率ηに比例する量
(Ｐ/ｆ)を増加させ、第一のエッチング運転モードから
第二のエッチング運転モードへの切り替えを伴うドライ
エッチングを行うことを特徴とする請求項２に記載のプ
ラズマ発生加工方法。
【請求項６】ガス圧力Ｐをを一定にして、周波数ｆを
減少させていくことにより、試料台表面に到達するまで
のシース中におけるイオンの経過時間を短くし、第一の
エッチング運転モードから第二のエッチング運転モード
への切り替えを伴うドライエッチングを行うことを特徴
とする請求項２に記載のプラズマ発生加工方法。
【請求項７】周波数ｆを一定にして、ガス圧力Ｐを増
加させていくことにより、散乱確率ηに比例する量(Ｐ/
ｆ)を増加させ、主エッチング時運転モードからオーバ
ーエッチング時運転モードへの切り替えを伴うドライエ
ッチングを行うことを特徴とする請求項２に記載のプラ
ズマ発生加工方法。
【請求項８】ガス圧力Ｐをを一定にして、周波数ｆを
減少させていくことにより、散乱確率ηに比例する量
(Ｐ/ｆ)を増加させ、主エッチング時運転モードからオ
ーバーエッチング時運転モードへの切り替えを伴うドラ
イエッチングを行うことを特徴とする請求項２に記載の
プラズマ発生加工方法。
【請求項９】エッチング運転モード切り替えを、予め
プログラムされた処理流れに従って行うことを特徴とす
る請求項２に記載のプラズマ発生加工方法。
【請求項１０】第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの切り替えを、時間的になめらか
に行うことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生
加工方法。
【請求項１１】第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの切り替えを、時間的に不連続に
階段状で行うことを特徴とする請求項２に記載のプラズ
マ発生加工方法。
【請求項１２】第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの、それぞれの時間的な割合を
３：１以上で第一のエッチング運転モードを長く行うこ
とを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生加工方
法。
【請求項１３】第二のエッチング運転モードにおける
周波数を、１０ＭＨｚを越える値で行うことを特徴とす
る請求項２に記載のプラズマ発生加工方法。
【請求項１４】第一のエッチング運転モードと第二の
エッチング運転モードの合計時間を、２μsから２０μs
の間で行うことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ
発生加工方法。
【請求項１５】ガス圧力を、２０Pa以下で行うことを
特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生加工方法。
【請求項１６】プラズマを発生する機能を有した真空
チャンバと、前記真空チャンバ内部に設置された被加工
試料を登載することが可能な試料台と、前記試料台にイ
ンピーダンス整合回路を介して自己ＤＣバイアスを形成
する可変周波数高周波電力源と、前記高周波電力源の周
波数を制御する周波数制御回路とを有し、真空チャンバ
に具備されている、ガスコントローラ、排気系及び周波
数制御回路を制御することにより、上記プラズマ発生チ
ャンバ内部のガス圧力及び周波数を時間的に最適化する
とともに、試料台近傍のシース幅とイオンの平均自由行
程、及びイオンのシース中における経過時間を制御する
ことを特徴とするプラズマ発生加工装置。
【請求項１７】プラズマ発生チャンバに、予めプログ
ラムされた処理流れに従って時間的にガスコントロー
ラ、排気系及び周波数制御回路を制御できるプログラム
制御装置が設置され、この信号が、上記プラズマ発生チ
ャンバに設置されているガスコントローラ、排気系及び
周波数制御回路を制御することを特徴とする請求項１６
に記載のプラズマ発生加工装置。
【請求項１８】プラズマ発生チャンバに、エッチング
の終点を検出するための終点検出器が設置され、この終
点検出器の信号が、上記プラズマ発生チャンバに設置さ
れているガスコントローラ、排気系及び周波数制御回路
を制御することを特徴とする請求項１６に記載のプラズ
マ発生加工装置。