JPH0864585A - プラズマ発生加工方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ中のイオンによるドライエッチング
を精度良く行なえるようにする。 【構成】 真空チャンバ８１内にガスコントローラ８２
より反応性ガスを導入してプラズマ発生領域にプラズマ
を発生させた後、真空チャンバ８１内の試料台８５に高
周波電源８７より高周波電力を印加してプラズマ中のイ
オンを試料台８５に入射させることにより、試料台８５
上の試料に対してドライエッチングを行なう。主エッチ
ング時には、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の
周波数）の値を小さくしてシース領域においてイオンが
中性粒子に衝突して散乱する確率である散乱確率を小さ
くすることにより、イオン束のエネルギーを大きくする
と共にイオン束の入射方向を試料台８５に対して垂直な
方向に揃える。オーバーエッチング時には、（反応性ガ
スのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を大きくし
て前記散乱確率を大きくすることにより、イオン束のエ
ネルギーを小さくすると共にイオン束の入射方向を乱れ
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ発生加工方法
及び該方法に用いる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ発生加工方法としては、プラズ
マ発生装置のチャンバの内部にカソード電極である試料
台を設置し、該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として又は
補助的に用いて、試料台上の試料を加工するものが知ら
れている。

【０００３】この高周波放電を用いたプラズマ発生加工
方法は、微細加工を必要とするドライエッチング技術や
薄膜を形成する技術における、プラズマＣＶＤ、スパッ
タリング、イオン注入等の様々な分野に適用されてい
る。

【０００４】現代の高密度半導体集積回路装置の進歩は
産業革命にも比較される変革をもたらしつつある。半導
体集積回路の高密度化は素子寸法の微細化、デバイスの
改良及び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にまで進んで来て
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や薄膜形成が重要
な役割を果たしている。

【０００５】まず、半導体基板に対する微細加工技術に
適用されるドライエッチング加工について検討する。

【０００６】ドライエッチング加工とは、プラズマによ
り生成されたラジカルやイオン等と被エッチング材料の
固相表面との化学的又は物理的反応を利用し、被エッチ
ング材料である薄膜又は半導体基板の不要な部分を除去
する技術である。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、
適当な反応性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。試料表面の必要な部分は、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。

【０００７】主エッチング時において、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により実現するためには、多
数ののイオン束が高いエネルギーで試料に対してほぼ垂
直方向から入射することが必要である。このためには、
プラズマ中のイオンが、試料台の近傍に形成されたシー
ス領域において加速されながら試料台に輸送される間
に、中性粒子との衝突により散乱されることをできるだ
け減らすことが不可欠である。

【０００８】一方、オーバーエッチング時においては、
下地材料とのエッチング選択比を向上させるため、多数
のイオン束が高いエネルギーで試料に対してほぼ垂直方
向から入射するような状況を避ける必要がある。

【０００９】これらの要求に対する対策として、従来
は、主エッチング時には高周波電源のパワーを上げる一
方、オーバーエッチング時には高周波電源のパワーを下
げたり、又は下地材料を保護するような薄膜が下地材料
の表面に形成されるようなガスを下地材料が露出した時
点で付加的に導入する等の２段階エッチングを行なって
きた。

【００１０】次に、半導体基板に対する微細加工技術に
適用される、プラズマＣＶＤを用いた薄膜形成加工につ
いて検討する。

【００１１】プラズマ中に発生した中性ラジカル等の反
応性生成物を試料台上に設置した試料に照射することに
より薄膜形成を行なうに際し、溝形状や穴形状等の凹凸
部を有する試料の表面に一様な薄膜を形成することが一
般に求められている。

【００１２】しかしながら、凹凸部のある試料の表面に
形成される凸部の上側の角部は、ほぼ等方的な角度方向
から試料表面に飛来してくる中性ラジカル等の反応性生
成物に対して飛来見込み立体角が最も大きいため堆積膜
の膜厚が最も厚くなる一方、試料の表面に形成される凹
部の下側の角部は、飛来見込み立体角が最も小さいため
堆積膜の膜厚が最も薄くなる。さらに、試料表面は比較
的飛来見込み立体角が大きいため、堆積膜の膜厚も比較
的厚くなる。特に、試料表面の凹状部の底部は、凹状部
の周縁に形成される凸部の上側の角部にせりだしてくる
堆積膜ために、ラジカルの入射が遮られるため、飛来見
込み立体角が小さくなるので、堆積膜の膜厚は薄くな
る。この結果、凹状部の内部には堆積膜が十分に充填さ
れないので、しばしばボイドが発生する。

【００１３】そこで、前記の現象を防止し、溝形状や穴
形状等の凹凸部を有する試料の表面に一様な薄膜を形成
するために、従来は、薄膜形成プロセスを或る所定時間
行なった後、試料を一旦薄膜形成装置から外部に取り出
してスパッタリング装置に入れ、薄膜形成プロセスの際
に生じる試料表面の凸部の上側の角部にせりだしてくる
堆積膜をイオンスパッタリングにより削り取り、試料の
凹部の底部の飛来見込み立体角を大きくし、その後、半
導体基板を再びプラズマＣＶＤ装置に入れる方法を採っ
ていた。このように、試料を、薄膜形成装置とスパッタ
リング装置とに交互に入れ、薄膜形成プロセスとイオン
スパッタリングプロセスとを交互に行なうことにより、
凹凸部のある試料の表面に一様な膜厚を有するカバレッ
ジに優れた薄膜形成を行なっていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような、高周波電源のパワーを２段階に変化させるエ
ッチング方法は、イオン束密度は制御できるものの、イ
オンのエネルギー分布や入射角度分布を十分には制御で
きないので、高エッチングレート、垂直形状及び高い選
択比を満足できる程度に実現することは困難であった。
また、オーバーエッチング時に付加的にガスを導入する
方法と組合せながら、高周波電源のパワーを２段階切り
替える方法においても、同様の課題が存在していた。

【００１５】次に、堆積薄膜形成においては、プラズマ
ＣＶＤによる薄膜形成処理とイオンスパッタリングによ
る厚膜部の削り取り処理とを別々の装置で行なうため、
加工スループットが著しく悪くなるという課題が存在し
ていた。

【００１６】前記問題点に鑑み、本発明は、印加される
高周波電源のパワーを２段階に制御したり試料を別々の
装置に搬入したりすることなく、イオンを高いエネルギ
ーで試料台に対して垂直に入射させたり又はイオンを低
いエネルギーで試料台に対して乱れた方向から入射させ
たりできるようにし、これにより、プラズマによる試料
加工を精度良く行なえるようにすることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、（チャンバ内
に導入される反応性ガスのガス圧）／（チャンバ内の試
料台に印加される高周波電力の周波数）の値を変化させ
ると、試料台側のシース領域においてプラズマ中のイオ
ンが反応ガスの中性粒子に衝突して散乱する確率が変化
し、これに伴って、試料台に入射するイオン束のエネル
ギー及び該イオン束の入射方向が変化するということを
見出だし、該知見に基づいて成されたものである。

【００１８】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、真空チャンバ内に反応性ガスを導入してプラズマ発
生領域にプラズマを発生させるプラズマ発生工程と、前
記真空チャンバ内の試料台に高周波電力を印加して前記
プラズマ中のイオンを前記試料台に入射させることによ
り、前記イオンに前記試料台上の試料に対して加工を行
なわせるプラズマ加工工程とを備えたプラズマ発生加工
方法を対象とし、前記プラズマ加工工程において、（反
応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変
化させることにより、前記試料台側のシース領域におい
て前記イオンが中性粒子に衝突して散乱する確率である
散乱確率を変化させ、これにより、前記試料台に入射す
るイオン束のエネルギー及び該イオン束の入射方向を変
化させる構成とするものである。

【００１９】請求項２の発明は、プラズマ発生加工方法
をドライエッチング技術に適用するため、請求項１の構
成に、前記イオンに前記試料台上の試料に対して行なわ
せる加工はドライエッチング加工であり、前記プラズマ
加工工程における主エッチング時には、（反応性ガスの
ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を小さくして前
記散乱確率を小さくすることにより、前記イオン束のエ
ネルギーを大きくすると共に前記イオン束の入射方向を
前記試料台に対して垂直な方向に揃える一方、前記プラ
ズマ加工工程におけるオーバーエッチング時には、（反
応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を大
きくして前記散乱確率を大きくすることにより、前記イ
オン束のエネルギーを小さくすると共に前記イオン束の
入射方向を乱れさせるという構成を付加するものであ
る。

【００２０】請求項３の発明は、反応性ガスのガス圧を
変化させることにより（反応性ガスのガス圧）／（高周
波電力の周波数）の値を変化させるため、請求項２の構
成に、前記高周波電力の周波数を主エッチング時とオー
バーエッチング時とにおいて一定にすると共に前記反応
性ガスのガス圧を主エッチング時に小さく且つオーバー
エッチング時に大きくすることにより、（反応性ガスの
ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主エッチング
時に小さく且つオーバーエッチング時に大きくするとい
う構成を付加するものである。

【００２１】請求項４の発明は、高周波電力の周波数を
変化させることにより（反応性ガスのガス圧）／（高周
波電力の周波数）の値を変化させるため、請求項２の構
成に、前記反応性ガスのガス圧を主エッチング時とオー
バーエッチング時とにおいて一定にすると共に前記高周
波電力の周波数を主エッチング時に大きく且つオーバー
エッチング時に小さくすることにより、（反応性ガスの
ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主エッチング
時に小さく且つオーバーエッチング時に大きくするとい
う構成を付加するものである。

【００２２】請求項５の発明は、反応性ガスのガス圧力
及び高周波電力の周波数を変化させることにより（反応
性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変化
させるため、請求項２の構成に、主エッチング時に前記
反応性ガスの圧力を小さくすると共に前記高周波電力の
周波数を大きくする一方、オーバーエッチング時に前記
反応性ガスの圧力を大きくすると共に前記高周波電力の
周波数を小さくすることにより、（反応性ガスのガス
圧）／（高周波電力の周波数）の値を主エッチング時に
小さく且つオーバーエッチング時に大きくするという構
成を付加するものである。

【００２３】請求項６の発明は、請求項２〜５の構成
に、オーバーエッチング時の前記散乱確率が主エッチン
グ時の前記散乱確率の１．５倍以上になるように、（反
応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主
エッチング時とオーバーエッチング時とにおいて変化さ
せるという構成を付加するものである。

【００２４】請求項７の発明は、請求項２〜６の構成
に、前記散乱確率を（試料台側のシース領域の長さ）／
（試料台側のシース領域におけるイオンの平均自由行
程）と定義するとき、主エッチング時に、前記散乱確率
の値が６以下になるように（反応性ガスのガス圧）／
（高周波電力の周波数）の値を設定するという構成を付
加するものである。

【００２５】請求項８の発明は、請求項２〜６の構成
に、前記散乱確率を（試料台側のシース領域の長さ）／
（試料台側のシース領域におけるイオンの平均自由行
程）と定義するとき、オーバーエッチング時に前記散乱
確率の値が６以上になるように（反応性ガスのガス圧）
／（高周波電力の周波数）の値を設定するという構成を
付加するものである。

【００２６】請求項９の発明は、請求項２〜８の構成
に、主エッチングの終了を検出すると終了信号を出力す
る終点検出器から終了信号が出力されたときに（反応性
ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変化さ
せるという構成を付加するものである。

【００２７】請求項１０の発明は、請求項２〜８の構成
に、予め設定された時間が経過したときに（反応性ガス
のガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変化させる
という構成を付加するものである。

【００２８】請求項１１の発明は、請求項２〜１０の構
成に、主エッチング時における前記高周波電力の周波数
は１０ＭＨｚ以上の値に設定されているという構成を付
加するものである。

【００２９】請求項１２の発明は、請求項２〜１０の構
成に、前記反応性ガスのガス圧は２０Ｐａ以下の値に設
定されているという構成を付加するものである。

【００３０】請求項１３の発明は、請求項４又は５の構
成に、オーバーエッチング時における前記高周波電力の
周波数を、主エッチング時における前記高周波電力の周
波数のおよそ５分の１以上且つ１未満に設定するという
構成を付加するものである。

【００３１】請求項１４の発明は、プラズマ発生加工方
法を薄膜形成技術に適用するため、請求項１の構成に、
前記イオンに前記試料台上の試料に対して行なわせる加
工は薄膜形成加工であり、前記プラズマ加工工程におけ
る主薄膜形成時には、（反応ガスのガス圧）／（高周波
電力の周波数）の値を大きくして前記散乱確率を大きく
することにより、前記イオン束のエネルギーを小さくす
ると共に前記イオン束の入射方向を乱れさせる一方、前
記プラズマ加工工程におけるカバレッジ補正時には、
（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値
を小さくして前記散乱確率を小さくすることにより、前
記イオン束のエネルギーを大きくすると共に前記イオン
束の入射方向を前記試料台に対して垂直な方向に揃えさ
せるという構成を付加するものである。

【００３２】請求項１５の発明は、反応性ガスのガス圧
を変化させることにより（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値を変化させるため、請求項１４
の構成に、前記高周波電力の周波数を主薄膜形成時とカ
バレッジ補正時とにおいて一定にすると共に前記反応性
ガスのガス圧を主薄膜形成時に大きく且つカバレッジ補
正時に小さくすることにより、（反応性ガスのガス圧）
／（高周波電力の周波数）の値を主薄膜形成時に大きく
且つカバレッジ補正時に小さくするという構成を付加す
るものである。

【００３３】請求項１６の発明は、高周波電力の周波数
を変化させることにより（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値を変化させるため、請求項１４
の構成に、前記反応性ガスのガス圧を主薄膜形成時とカ
バレッジ補正時とにおいて一定にすると共に前記高周波
電力の周波数を主薄膜形成時に小さく且つカバレッジ補
正時に大きくすることにより、（反応性ガスのガス圧）
／（高周波電力の周波数）の値を主薄膜形成時に大きく
且つカバレッジ補正時に小さくするという構成を付加す
るものである。

【００３４】請求項１７の発明は、反応性ガスのガス圧
力及び高周波電力の周波数を変化させることにより（反
応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変
化させるため、請求項１４の構成に、主薄膜形成時に、
前記反応性ガスのガス圧力を大きくすると共に前記高周
波電力の周波数を小さくする一方、カバレッジ補正時
に、前記反応性ガスのガス圧を小さくすると共に前記高
周波電力の周波数を大きくすることにより、（反応性ガ
スのガス圧力）／（高周波電力の周波数）の値を主薄膜
形成時に大きく且つカバレッジ補正時に小さくするとい
う構成を付加するものである。

【００３５】請求項１８の発明は、請求項１４〜１７の
構成に、主薄膜形成時の前記散乱確率がカバレッジ補正
時の前記散乱確率の１．５倍以上になるように、（反応
性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主薄
膜形成時とカバレッジ補正時とにおいて変化させるとい
う構成を付加するものである。

【００３６】請求項１９の発明は、請求項１４〜１８の
構成に、前記散乱確率を（試料台側のシース領域の長
さ）／（試料台側のシース領域におけるイオンの平均自
由行程）と定義するとき、主薄膜形成時に前記散乱確率
の値が６以上になるように（反応性ガスのガス圧）／
（高周波電力の周波数）の値を設定するという構成を付
加するものである。

【００３７】請求項２０の発明は、請求項１４〜１８の
構成に、前記散乱確率を（試料台側のシース領域の長
さ）／（試料台側のシース領域におけるイオンの平均自
由行程）と定義するとき、カバレッジ補正時に前記散乱
確率の値が６以下になるように（反応性ガスのガス圧）
／（高周波電力の周波数）の値を設定するという構成を
付加するものである。

【００３８】請求項２１の発明は、請求項１４〜２０の
構成に、予め設定された時間が経過したときに（反応性
ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変化さ
せるという構成を付加するものである。

【００３９】請求項２２の発明は、請求項１４〜２１の
構成に、前記高周波電力の周波数は１０ＭＨｚ以上の値
に設定されているという構成を付加するものである。

【００４０】請求項２３の発明は、請求項１４〜２２の
構成に、前記反応性ガスのガス圧は２０Ｐａ以下の値に
設定されているという構成を付加するものである。

【００４１】請求項２４の発明は、請求項１６又は１７
の構成に、カバレッジ補正時における前記高周波電力の
周波数を主薄膜形成時における前記高周波電力の周波数
のおよそ５倍以下に設定するという構成を付加するもの
である。

【００４２】請求項２５の発明は、請求項１の発明を実
現する装置であって、具体的には、プラズマ発生加工装
置を、真空チャンバと、該真空チャンバ内に設けられ試
料を載置する試料台と、前記真空チャンバ内に反応性ガ
スを導入するガス導入手段と、前記真空チャンバ内に前
記反応性ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生手段
と、前記プラズマ中のイオンを前記試料台に入射させて
該イオンに前記試料台上の試料に対して加工を行なわせ
るような高周波電力を前記試料台に印加する高周波電力
供給手段とを有する装置本体と、前記試料台側のシース
領域において前記イオンが中性粒子に衝突して散乱する
確率である散乱確率が変化するように、（反応性ガスの
ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変化させる制
御手段とを備えている構成とするものである。

【００４３】請求項２６の発明は、プラズマ発生加工装
置をドライエッチング加工に適用するものであって、請
求項２５の構成に、前記装置本体は前記試料台上の試料
に対してドライエッチング加工を行なう装置であり、前
記制御手段は、主エッチング時には、（反応性ガスのガ
ス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくなって前
記散乱確率が小さくなることにより、前記イオンのイオ
ン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束の入射
方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃う一方、オー
バーエッチング時には、（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確率が
大きくなることにより、前記イオンのイオン束のエネル
ギーが小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱れる
ように、前記ガス導入手段を制御する手段であるという
構成を付加するものである。

【００４４】請求項２７の発明も、プラズマ発生加工装
置をドライエッチング加工に適用するものであって、請
求項２５の構成に、前記装置本体は前記試料台上の試料
に対してドライエッチング加工を行なう装置であり、前
記制御手段は、主エッチング時には、（反応性ガスのガ
ス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくなって前
記散乱確率が小さくなることにより、前記イオンのイオ
ン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束の入射
方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃う一方、オー
バーエッチング時には、（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確率が
大きくなることにより、前記イオンのイオン束のエネル
ギーが小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱れる
ように、前記高周波供給手段を制御する手段であるとい
う構成を付加するものである。

【００４５】請求項２８の発明も、プラズマ発生加工装
置をドライエッチング加工に適用するものであって、請
求項２５の構成に、前記装置本体は前記試料台上の試料
に対してドライエッチング加工を行なう装置であり、前
記制御手段は、主エッチング時には、（反応性ガスのガ
ス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくなって前
記散乱確率が小さくなることにより、前記イオンのイオ
ン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束の入射
方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃う一方、オー
バーエッチング時には、（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確率が
大きくなることにより、前記イオンのイオン束のエネル
ギーが小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱れる
ように、前記ガス導入手段及び前記高周波電力供給手段
を同時に制御する手段であるという構成を付加するもの
である。

【００４６】請求項２９の発明は、プラズマ発生加工装
置を薄膜形成加工に適用するものであって、請求項２５
の構成に、前記装置本体は前記試料台上の試料に対して
薄膜形成加工を行なう装置であり、前記制御手段は、主
薄膜形成時には、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電
力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確率が大きく
なることにより、前記イオンのイオン束のエネルギーが
小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱れる一方、
カバレッジ補正時には、（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が小さくなって前記散乱確率が
小さくなることにより、前記イオンのイオン束のエネル
ギーが大きくなると共に該イオン束の入射方向が前記試
料台に対して垂直な方向に揃うように、前記ガス導入手
段を制御する手段であるという構成を付加するものであ
る。

【００４７】請求項３０の発明も、プラズマ発生加工装
置を薄膜形成加工に適用するものであって、請求項２５
の構成に、前記装置本体は前記試料台上の試料に対して
薄膜形成加工を行なう装置であり、前記制御手段は、主
薄膜形成時には、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電
力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確率が大きく
なることにより、前記イオンのイオン束のエネルギーが
小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱れる一方、
カバレッジ補正時には、（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が小さくなって前記散乱確率が
小さくなることにより、前記イオンのイオン束のエネル
ギーが大きくなると共に該イオン束の入射方向が前記試
料台に対して垂直な方向に揃うように、前記高周波供給
手段を制御する手段であるという構成を付加するもので
ある。

【００４８】請求項３１の発明も、プラズマ発生加工装
置を薄膜形成加工に適用するものであって、請求項２５
の構成に、前記装置本体は前記試料台上の試料に対して
薄膜形成加工を行なう装置であり、前記制御手段は、主
薄膜形成時には、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電
力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確率が大きく
なることにより、前記イオンのイオン束のエネルギーが
小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱れる一方、
カバレッジ補正時には、（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が小さくなって前記散乱確率が
小さくなることにより、前記イオンのイオン束のエネル
ギーが大きくなると共に該イオン束の入射方向が前記試
料台に対して垂直な方向に揃うように、前記ガス導入手
段及び前記高周波電力供給手段を同時に制御する手段で
あるという構成を付加するものである。

【００４９】請求項３２の発明は、請求項２６，２８，
２９又は３１の構成に、前記制御手段は、予め設定され
た時間が経過したときに（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が変化するように前記ガス導入
手段を制御するという構成を付加するものである。

【００５０】請求項３３の発明は、請求項２７，２８，
３０又は３１の構成に、前記制御手段は、予め設定され
た時間が経過したときに（反応性ガスのガス圧）／（高
周波電力の周波数）の値が変化するように前記高周波電
力供給手段を制御するという構成を付加するものであ
る。

【００５１】

【作用】まず、（チャンバに導入される反応性ガスのガ
ス圧）／（試料台に印加される高周波電力の周波数）の
値と、試料台側のシース領域において反応性ガスのプラ
ズマ中のイオンが中性粒子に衝突して散乱する確率であ
る散乱確率との関係について説明する。

【００５２】試料台の近傍に形成されるカソード側のシ
ース領域の長さｄは、 ｄ＝Ｋ₁ ／（Ｐ^m ・ｆⁿ ）（但し、Ｋ₁ は定数、Ｐはチ
ャンバに導入される反応性ガスのガス圧、ｆは試料台に
印加される高周波電力の周波数、ｍは正の実数であって
ほぼ１／３よりも大きく且つほぼ１／２よりも小さく、
ｎは正の実数であってほぼ１／２よりも大きく且つほぼ
１よりも小さい。）で示されるように、ガス圧Ｐのｍ乗
及び周波数ｆのｎ乗に逆比例する。このことは、K.Hara
fuji, A.Yamano and M.Kubota; The 15th Symposium on
Dry Process, 1993、及びN.Mutsukura,K.Kobayashi an
d Y.Machi;J.Appl.phys.vol.68(1990) p2657において、
既に説明されている。

【００５３】また、イオンと中性粒子との弾性衝突散乱
及び荷電交換散乱に主として由来するイオンの平均自由
行程λは、λ＝Ｋ₂ ／Ｐ（但し、Ｋ₂ は定数）で示され
るように、反応性ガスの圧力Ｐの逆数に比例する。

【００５４】これらのことを用いると、バルクプラズマ
領域とシース領域との境界部を出発したイオンが、シー
ス領域をカソード電極である試料台に向かって輸送され
る間にシース領域において中性粒子との衝突により散乱
される確率である散乱確率ηは平均的に、 η＝ｄ／λ＝（Ｋ₁ ／（Ｐ^m ・ｆⁿ ））×（Ｐ／Ｋ₂ ） ＝（Ｋ₁ ／Ｋ₂ ）×（Ｐ^1-m ／ｆⁿ ）〜（Ｋ₁ ／Ｋ₂ ）
×（Ｐ／ｆ）^1/2 となる。

【００５５】従って、（反応性ガスのガス圧Ｐ）／（試
料台に印加される高周波電力の周波数ｆ）の値（以下、
Ｐ／ｆと略する）と、試料台側のシース領域における散
乱確率ηとは比例関係にあることが理解できる。

【００５６】請求項１の構成により、Ｐ／ｆが小さい場
合には、散乱確率ηが小さくなり、シース領域において
イオンは中性粒子と衝突し難くなるので、イオン束のエ
ネルギー減衰が抑制されると共にイオン束は試料台に対
して垂直方向に入射する一方、Ｐ／ｆが大きい場合に
は、散乱確率ηが大きくなり、シース領域においてイオ
ンは中性粒子と衝突し易くなるので、イオン束のエネル
ギー減衰が増長されると共にイオン束は試料台に対して
ランダムな方向から入射する。

【００５７】請求項２の構成により、ドライエッチング
加工の主エッチング時においては、Ｐ／ｆが小さくて散
乱確率が小さいため、イオン束のエネルギーが大きくな
ると共にイオン束は試料台に対して垂直に入射するの
で、垂直なエッチング形状を高いエッチングレートによ
り実現でき、また、ドライエッチングのオーバーエッチ
ング時においては、Ｐ／ｆが大きくて散乱確率が大きい
ため、イオン束のエネルギーが小さくなると共にイオン
束の入射方向が乱れるので、下地材料との高選択比を得
ることができる。

【００５８】請求項３の構成により、高周波電力の周波
数を一定にすると共に、反応性ガスのガス圧を主エッチ
ング時に小さく且つオーバーエッチング時に大きくする
ため、Ｐ／ｆは主エッチング時に小さくなる一方オーバ
ーエッチング時には大きくなる。反応性ガスのガス圧を
大きくすると、散乱係数が大きくなりイオンによるエッ
チングレートは低下するが、ラジカルの量が増加しラジ
カルによるエッチング量が増加する。

【００５９】請求項４の構成により、反応性ガスのガス
圧を一定にすると共に、高周波電力の周波数を主エッチ
ング時に大きく且つオーバーエッチング時に小さくする
ため、Ｐ／ｆは主エッチング時に小さくなる一方オーバ
ーエッチング時には大きくなる。

【００６０】請求項５の構成により、主エッチング時に
反応性ガスの圧力を小さくすると共に高周波電力の周波
数を大きくする一方、オーバーエッチング時に反応性ガ
スの圧力を大きくすると共に高周波電力の周波数を小さ
くするため、Ｐ／ｆは主エッチング時に小さくなる一方
オーバーエッチング時には大きくなる。

【００６１】請求項６の構成により、オーバーエッチン
グ時の散乱係数が主エッチング時の散乱係数の１．５倍
以上であるため、オーバーエッチング時においては、イ
オンエネルギーが十分に小さい。

【００６２】請求項７の構成により、主エッチング時の
散乱係数が６以下であるため、イオン束のエネルギーが
確実に大きくなると共にイオン束の試料台に対する入射
方向は確実に垂直方向になる。

【００６３】請求項８の構成により、オーバーエッチン
グ時の散乱係数が６以上であるため、イオン束のエネル
ギーが確実に小さくなると共にイオン束の試料台に対す
る入射方向は確実に乱れる。

【００６４】請求項９の構成により、終点検出器から出
力される終了信号によりＰ／ｆが切り替わるので、主エ
ッチング時とオーバーエッチング時とのイオン束のエネ
ルギーの大きさ及び入射方向を的確に切り替えることが
できる。

【００６５】請求項１０の構成により、予め設定された
時間が経過するとＰ／ｆが切り替わるので、予め設定さ
れたプログラムに基づき確実に主エッチング運転モード
からオーバーエッチング運転モードに切り替えることが
できる。

【００６６】請求項１１の構成により、主エッチング時
における高周波電力の周波数は１０ＭＨｚ以上に設定さ
れているため、高周波電力の周波数の高低と試料台に到
達するイオン束のエネルギーの増減とが一元的に比例す
る。

【００６７】請求項１２の構成により、主エッチング時
における反応性ガスのガス圧は２０Ｐａ以下に設定され
ているため、高周波電力の周波数の高低と、試料台に到
達するイオン束のエネルギー及び入射方向の垂直性との
比例関係が顕著に現れる。

【００６８】請求項１３の構成により、オーバーエッチ
ング時における高周波電力の周波数を主エッチング時に
おける高周波電力の周波数のおよそ５分の１以上且つ１
未満に設定するため、オーバーエッチング時の高周波電
力は主エッチング時の高周波電力のおよそ２５分の１以
上且つ１未満になるので、周波数の変化による高周波電
力の変化をおよそ２５倍以下におさえることができる。

【００６９】請求項１４の構成により、薄膜形成加工に
おける主薄膜形成時においては、Ｐ／ｆが大きくて散乱
確率が大きいため、イオン束のエネルギーが小さくなる
と共にイオン束の入射方向が乱れるので均一な薄膜が形
成でき、また、薄膜形成加工におけるカバレッジ補正時
においては、Ｐ／ｆが小さくて散乱確率が小さいため、
イオン束のエネルギーが大きくなると共にイオン束は試
料台に対して垂直に入射するので、カバレッジ補正が効
果的に行なわれる。

【００７０】請求項１５の構成により、高周波電力の周
波数を一定にすると共に、反応性ガスのガス圧を主薄膜
形成時に大きく且つカバレッジ補正時に小さくするた
め、Ｐ／ｆは主薄膜形成時に大きくなる一方カバレッジ
補正時には小さくなる。

【００７１】請求項１６の構成により、反応性ガスのガ
ス圧を一定にすると共に、高周波電力の周波数を主薄膜
形成時に小さく且つカバレッジ補正時に大きくするた
め、Ｐ／ｆは主薄膜形成時に大きくなる一方カバレッジ
補正時には小さくなる。

【００７２】請求項１７の構成により、主薄膜形成時
に、反応性ガスのガス圧力を大きくすると共に高周波電
力の周波数を小さくする一方、カバレッジ補正時に、反
応性ガスのガス圧を小さくすると共に高周波電力の周波
数を大きくするため、Ｐ／ｆは主薄膜形成時に大きくな
る一方カバレッジ補正時には小さくなる。

【００７３】請求項１８の構成により、主薄膜形成時の
散乱係数がカバレッジ補正時の散乱係数の１．５倍以上
であるため、カバレッジ補正時においてイオンエネルギ
ーが大きくなり、試料表面の凸部の上側の角部の厚膜の
削り取りが促進される。

【００７４】請求項１９の構成により、主薄膜形成時の
散乱係数が６以上であるため、イオン束のエネルギーが
確実に小さくなると共に、イオン束の試料台に対する入
射方向は確実に乱れる。

【００７５】請求項２０の構成により、カバレッジ補正
時の散乱係数が６以下であるため、イオン束のエネルギ
ーが確実に大きくなると共に、イオン束は試料台に対し
て垂直な方向から確実に入射する。

【００７６】請求項２１の構成により、予め設定された
時間が経過するとＰ／ｆが切り替わるので、予め設定さ
れたプログラムに基づき確実に主薄膜形成運転モードか
らカバレッジ補正運転モードに切り替えることができ
る。

【００７７】請求項２２の構成により、主エッチング時
における高周波電力の周波数は１０ＭＨｚ以上に設定さ
れているため、高周波電力の周波数の高低と試料台に到
達するイオン束のエネルギーの増減とが一元的に比例す
る。

【００７８】請求項２３の構成により、主エッチング時
における反応性ガスのガス圧は２０Ｐａ以下に設定され
ているため、高周波電力の周波数の高低と、試料台に到
達するイオン束のエネルギー及び入射方向の垂直性との
比例関係が顕著に現れる。

【００７９】請求項２４の構成により、カバレッジ補正
時における高周波電力の周波数は、主薄膜形成時におけ
る高周波電力の周波数のおよそ５倍以下に設定されてい
るため、周波数の変化による高周波電力の変化をおよそ
２５倍以下におさえることができる。

【００８０】請求項２５の構成により、散乱確率が変化
するように（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周
波数）の値を変化させる制御手段を備えているため、Ｐ
／ｆを簡易且つ確実に変化させることができる。

【００８１】請求項２６，２７又は２８の構成により、
主エッチング時においては、Ｐ／ｆが小さくて散乱確率
が小さいため、イオン束のエネルギーが大きくなると共
にイオン束は試料台に対して垂直に入射するので、垂直
なエッチング形状を高いエッチングレートにより実現で
き、また、オーバーエッチング時においては、Ｐ／ｆが
大きくて散乱確率が大きいため、イオン束のエネルギー
が小さくなると共にイオン束の入射方向が乱れる。

【００８２】請求項２９，３０又は３１の構成により、
主薄膜形成時においては、Ｐ／ｆが大きくて散乱確率が
大きいため、イオン束のエネルギーが小さくなると共に
イオン束の入射方向が乱れ、カバレッジ補正時において
は、Ｐ／ｆが小さくて散乱確率が小さいため、イオン束
のエネルギーが大きくなると共にイオン束は試料台に対
して垂直に入射する。

【００８３】請求項３２又は３３の構成により、予め設
定された時間が経過するとＰ／ｆが切り替わる。

【００８４】

【実施例】以下、本発明に係るプラズマ発生加工装置の
一実施例に係る平行平板型反応性イオンエッチング装置
について、図面を参照しながら説明する。

【００８５】図１は、平行平板型反応性イオンドライエ
ッチング装置の概略構成図であって、同図に示すよう
に、金属製のチャンバ８１中にはガス導入手段としての
ガスコントローラ８２を通して反応性ガスが導入される
と共に、該チャンバ８１の内部はガス排気系８３によっ
て適切な圧力に制御されている。チャンバ８１の上部に
はアノード電極（陽極）８４が設けられ、下部にはカソ
ード電極（陰極）となる試料台８５が設けられている。

【００８６】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
力供給手段としての高周波電力源８７が接続されてお
り、試料台８５とアノード電極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８７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。

【００８７】エッチングの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
る。エッチング終点検出器９０はエッチングが終了する
と終了信号を出力し、該終了信号によってガスコントロ
ーラ８２及びガス排気系８３が制御されることにより、
チャンバ８１内のガス圧力は制御される。また、エッチ
ング終点検出器９０からの終了信号により、高周波電力
源８７の周波数が周波数制御回路９１を介して制御され
る。

【００８８】また、ガスコントローラ８２、ガス排気系
８３及び周波数制御回路９１は、プログラム制御装置９
２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。

【００８９】図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜
（ｃ）は、図１に示した平行平板型反応性イオンエッチ
ング装置において発生したプラズマのアノード電極８４
と試料台（カソード）８５との間における物理量の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、図３（ａ）はプラズマ電
位分布を、図３（ｂ）は電界分布を、図３（ｃ）は電子
温度分布をそれぞれ示している。図２及び図３におい
て、横軸は、アノード電極８４と試料台８５との間の距
離Ｌに対する位置を示している。ｘ／Ｌ＝０は試料台８
５の位置と対応し、ｘ／Ｌ＝１はアノード電極８４の位
置に対応する。図２及び図３においては、高周波電力の
１周期τ_RFを４等分した各時間におけるグラフを線種を
異ならせて示している。試料台８５の近傍においては、
該試料台８５に印加した高周波電力により自己バイアス
が形成されており、図３（ａ）に示すように試料台８５
は負に帯電し、図３（ｂ）に示すように、試料台８５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
ースが形成されている。このため、図２（ａ）に示すよ
うに、試料台８５側のシース領域においては、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、図２
（ｂ）及び（ｃ）に示すように、正イオンは、試料台８
５に向かって加速されるようにして試料台８５に輸送さ
れる。

【００９０】図４（ａ）〜（ｃ）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、試料台８
５に印加した高周波電力の周波数を変化させた場合にお
ける、イオン密度の最大値、試料台８５に輸送されるイ
オン束密度の最大値Ｆ_max 及び最小値Ｆ_min 、並びにシ
ース領域の長さの最大値ｄ_max 及び最小値ｄ_min を示し
ている。シース領域の長さは、アノード電極８４と試料
台８５とにより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。図４（ａ）〜（ｃ）から、試料台８
５に輸送されるイオンの密度並びにイオン束密度の最大
値Ｆ_max 及び最小値Ｆ_min は、周波数の増加と共に単調
に増加し、シース領域の長さの最大値ｄ_max 及び最小値
ｄ_min は周波数の平方根にほぼ逆比例するように周波数
の増加と共に減少することが理解できる。

【００９１】図５は、図４に示したシースの周波数依存
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５における左
半分は周波数が比較的低い場合を表し、図５における右
半分は周波数が比較的高い場合を表している。シース領
域の長さは、その平均値ｄの回りを高周波電力の１周期
τ_RFに亘って、最大値ｄ_max と最小値ｄ_min 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
的低い場合に比べてシース領域の長さｄは短くなる。ア
ノード電極８４と試料台８５とにより囲まれたプラズマ
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。

【００９２】図６に示すように、バルクプラズマ領域と
シース領域との境界部から出発したイオンは、シース領
域を試料台８５に向かって加速されながら試料台８５上
に輸送される間に、中性粒子と衝突して散乱され、進行
方向が乱れると共にエネルギーも減衰する。この結果、
反応性ガスのガス圧が一定の場合には、シース領域の長
さｄが短くなる比較的高い周波数のときには、シース領
域の長さｄが長くなる比較的低い周波数のときに比べ
て、イオンと中性粒子との衝突散乱が少なくなるので、
多数のイオン束が高いエネルギーで試料台８５に対して
垂直な方向から入射する。一方、反応性ガスのガス圧が
一定の場合には、シース領域の長さｄが長くなる比較的
低い周波数のときには、シース領域の長さｄが短くなる
比較的高い周波数のときに比べて、イオンと中性粒子と
の衝突及びイオンの散乱が頻繁に起こるので、イオン束
密度が小さくなると共にイオンのエネルギーも減少す
る。

【００９３】図７は、試料台８５に到達するイオンのエ
ネルギーの周波数依存性を示している。すなわち、周波
数１０ＭＨｚ程度以下の低周波数領域Ａにおいては、周
波数の低下に伴ってイオンのエネルギーは増加する。こ
の理由は次の通りである。すなわち、周波数の低下に伴
って、イオン及び電子の１周期間の走行距離が長くなる
結果、プラズマ放電領域からのイオンの損失が大きくな
る。この損失を補って、放電を維持させるためにイオン
と電子との衝突頻度を十分に増加させる必要がある。す
なわち、イオンがカソード電極に衝突することによって
２次電子が発生するが、この２次電子がシース領域中の
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。これが実現されるように周波数の低下と共
にシース間電圧が必然的に増加する。この結果、イオン
のエネルギーは増加するのである。一方、周波数１０Ｍ
Ｈｚ程度以上の高周波数領域Ｂにおいては、周波数の増
加に伴ってイオンのエネルギーは増加する。この理由
は、前述したように、周波数の増加に伴って、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
ー減衰が抑制されるためである。従って、周波数が１０
ＭＨｚ程度以上である高周波数領域Ｂにおいてプラズマ
加工を行なうことが好ましい。

【００９４】図８（ａ）〜（ｃ）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、反
応性ガスのガス圧を変化させた場合における、イオン密
度の最大値、試料台８５に輸送されるイオン束密度の最
大値Ｆ_max 及び最小値Ｆ_min、並びにシース領域の長さ
の最大値ｄ_max 及び最小値ｄ_min を示している。図８
（ａ）〜（ｃ）から、イオン密度の最大値並びに試料台
８５に輸送されるイオン束密度の最大値Ｆ_max 及び最小
値Ｆ_min は、ガス圧力の増加に伴って単調に増加し、シ
ース領域の長さはガス圧力の平方根にほぼ逆比例してガ
ス圧力の増加に伴って減少することが理解できる。

【００９５】以上の説明より、試料台８５の近傍に形成
されるシース領域の長さｄは、チャンバ８１に導入され
る反応性ガスのガス圧Ｐ及び試料台８５に印加される高
周波電力の周波数ｆのそれぞれの平方根の逆数にほぼ比
例するので、シース領域の長さｄは、ｄ〜Ｋ₁ ／（Ｐ・
ｆ）^1/2 のように表現できる。

【００９６】また、イオンと中性粒子との弾性衝突散乱
及び荷電交換散乱に主として由来するイオンの平均自由
行程λは、ガス圧Ｐに逆比例するので、λ＝Ｋ₂ ／Ｐの
ように表現できる。

【００９７】さらに、バルクプラズマ領域とシース領域
との境界部を出発したイオンが、試料台８５上へ輸送さ
れる間に、シース領域において中性粒子との衝突により
散乱される確率である散乱確率ηは、η＝ｄ／λ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、 η＝ｄ／λ〜（Ｋ₁ ／（Ｐ・ｆ）^1/2 ）×（Ｐ／Ｋ₂ ） ＝（Ｋ₁ ／Ｋ₂ ）×（Ｐ／ｆ）^1/2 ＝Ｋ₃ ×（Ｐ／ｆ）
^1/2 の関係式が得られる。ここで、Ｋ₁ 、Ｋ₂ 及びＫ₃ ＝Ｋ
₁ ／Ｋ₂ は、それぞれ定数である。

【００９８】以上の知見を総合すると以下の結論が得ら
れる。すなわち、ガス圧力Ｐ及び周波数ｆを高くする
と、バルクプラズマ領域とシース領域との境界部を出発
したイオンが、試料台８５上へ輸送される間に走行する
距離であるシース領域の長さｄは短くなり、この観点か
らはイオンの中性粒子との衝突の確率は小さくなる。ま
た、ガス圧力Ｐを高くすると、イオンの平均自由行程λ
が短くなるため、この観点からはイオンの中性粒子との
衝突の確率は大きくなる。従って、前述のηの表式よ
り、ガス圧力Ｐを低くし且つ周波数ｆを高くすることに
よって、Ｐ／ｆを小さくすることができ、シース領域に
おけるイオンの中性粒子との衝突による散乱確率ηを減
らすことができるので、イオンのエネルギー減衰を抑制
し、イオンの方向性を揃えて試料台８５に対してほぼ垂
直に入射するようにでき、さらに試料台８５に到達する
イオン束の密度の減衰を抑制することができるので、エ
ッチングにおけるスループットの向上及び十分なエッチ
ング異方性を実現することができる。主エッチング時に
は、このような条件が実現されるようにする。

【００９９】一方、ガス圧力Ｐ及び周波数ｆを低くする
と、シース領域の長さｄが長くなり、この観点からはイ
オンの中性粒子との衝突の確率は大きくなる。また、ガ
ス圧力Ｐを低くすると、イオンの平均自由行程λが長く
なるため、この観点からはイオンの中性粒子との衝突の
確率は小さくなる。従って、前述のηの表式より、ガス
圧力Ｐを高くし且つ周波数ｆを低くすることによって、
Ｐ／ｆを大きくすることができ、シース領域におけるイ
オンの中性粒子との衝突による散乱確率ηを増加させる
ことができるので、イオンのエネルギーを減衰をさせ、
イオンの試料台８５への入射角度の方向性を乱し、さら
に試料台８５に到達するイオン束密度を減衰させること
ができるので、エッチング能力を緩和できる。オーバー
エッチング時には、このような条件が実現されるように
して、下地材料のエッチングを抑制し、下地材料とのエ
ッチング選択比を上げるようにする。

【０１００】従って、主エッチング時においてはガス圧
力Ｐを低くし且つ周波数ｆを高くすることによってＰ／
ｆを小さくしておき、チャンバ８１内に設置されている
エッチング終点検出器９０から終点信号が出力される
と、ガス圧力Ｐを高くし且つ周波数ｆを低くすることに
よってＰ／ｆを大きくしておくことによって、理想的な
エッチングを行なうことができる。

【０１０１】図９は、エッチング運転モードの切り替え
の具体的な方法を、ガス圧力Ｐ及び周波数ｆの２次元空
間において示したものである。図９において、破線で示
した曲線は、シース領域の長さｄがＫ₁ になる軌跡と、
シース領域の長さｄがＫ₁ の４分の１になる軌跡とを表
している。また、原点を通る３つの直線は、シース領域
におけるイオンと中性粒子との衝突によりイオンが散乱
される確率である散乱確率ηが、それぞれ（１／２）Ｋ
₃ 、Ｋ₃ 及び２Ｋ₃ となる軌跡を表している。

【０１０２】具体的な運転方法を説明する前に、ガス圧
力Ｐ及び周波数ｆの２次元空間における代表点上のイオ
ン分布について説明する。図１０（ａ），（ｂ）及び図
１１（ａ），（ｂ）は、図９に示したガス圧力Ｐ及び周
波数ｆの２次元空間上のＡ点、Ｂ点、Ｃ点及びＤ点にそ
れぞれ対応する、試料台８５に到達したイオン束の入射
角度及びエネルギー分布を示したものである。ここで、
入射角度は、試料台８５に対して垂直な方向からの角度
を示しており、入射角度０度は試料台８５に垂直な方向
からイオンが入射することを表している。ここで、試料
台８５の近傍のシース領域に形成される自己ＤＣバイア
ス電圧は２５０Ｖである。

【０１０３】図９のＡ点に対応する図１０（ａ）のイオ
ン分布をみると、イオンはシース領域における中性粒子
との衝突により十分に散乱され、広い角度に分布して試
料台８５に入射している様子が分かる。また、イオンの
エネルギー分布も低エネルギー側へ偏っている。

【０１０４】図９のＢ点に対応する図１０（ｂ）のイオ
ン分布をみると、図１０（ａ）の場合に比べてシース領
域の長さｄが短くなる結果、シース領域においてイオン
の中性粒子との衝突がやや緩和され、イオンのエネルギ
ー分布は幾分高エネルギー側へ広がっているが、イオン
束の入射方向の散乱は依然として大きく、イオンは広い
角度に分布した状態で入射している。

【０１０５】図９のＣ点に対応する図１１（ａ）のイオ
ン分布をみると、図１０（ａ）の場合に比べてシース領
域の長さｄが短くなる結果、シース領域においてイオン
の中性粒子との衝突が緩和され、イオンのエネルギー分
布は高エネルギー側へ広がっているが、イオン束の入射
方向の散乱は依然として大きく、イオンは広い角度に分
布した状態で入射している。

【０１０６】図９のＤ点に対応する図１１（ｂ）のイオ
ン分布をみると、図１０（ｂ）或いは図１１（ａ）の場
合と比べて、シース領域の長さｄが短くなると同時にガ
ス圧力Ｐが低くなってイオンの平均自由行程λが長くな
る結果、シース領域においてイオンの中性粒子との衝突
が十分に少なくなり、イオン束の入射方向の乱れは十分
に抑えられ、試料台８５に対してほぼ垂直な方向の入射
角度分布となり、イオンの入射エネルギー分布は、自己
バイアス電圧に相当する２５０Ｖ近傍に集中したいわゆ
るサドル構造をしており、イオンの中性粒子との衝突に
よるエネルギー減衰の少ないことが読み取れる。

【０１０７】以上の観点から、エッチング運転モードの
切り替え方法を３つの例で説明する。すなわち、第１の
方法は、主エッチング運転モードを図９のＤ点の条件で
行なった後、オーバーエッチング運転モードを図９のＣ
点の条件で行ない、第２の方法は、主エッチング運転モ
ードを図９のＤ点の条件で行なった後、オーバーエッチ
ング運転モードを図９のＢ点の条件で行なう。また、第
３の方法は、主エッチング運転モードを図９のＤ点の条
件で行なった後、周波数及びガス圧力を同時に変化させ
て、オーバーエッチング運転モードを図９のＥ点の条件
で行なう。

【０１０８】図１２は、平行平板型反応性イオンエッチ
ング装置を使用し、主エッチング運転モードとオーバー
エッチング運転モードとの切り替えを前述の第１の方法
を用い、リンドープした多結晶シリコンゲートに対して
エッチングを実施した場合の様子を模式的に示したもの
である。

【０１０９】プラズマ発生装置のチャンバ８１内には、
Ｃｌ₂ を４０ｓｃｃｍ，ＳｉＣｌ₄を２０ｓｃｃｍそれ
ぞれ導入し、チャンバ８１内の圧力は１０Ｐａに設定し
た。尚、反応性ガスとしては、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てもよい。
尚、図１２（ａ），（ｂ）において、１１０はフォトレ
ジストパターン、１１１はリンドープした多結晶シリコ
ン、１１２は熱酸化膜、１１３はシリコン基板、１１４
はエッチング中にスパッタされたフォトレジスト、Ｓｉ
Ｃｌ₄ ラジカル及びシリコンとハロゲン系ガスとの反応
生成物よりなる堆積膜である。

【０１１０】図１２（ａ）は、主エッチング運転モード
におけるエッチングの様子を、図１２（ｂ）は、オーバ
ーエッチング運転モードにおけるエッチングの様子をそ
れぞれ模式的に示したものである。

【０１１１】主エッチング運転モードにおいては、ガス
圧力Ｐを１０Ｐａ、高周波電力の周波数ｆを５０ＭＨｚ
に設定した。これにより、生成されたプラズマのチャン
バ８１の壁への衝突による損失が少なくなる結果、イオ
ン密度が大きくなり、さらにシース領域の長さが短くな
って、シース領域を走行するイオンの中性粒子との衝突
による散乱が少なくなる。このため、試料表面に到達す
るイオンのエネルギーが高くなると共にイオン束の試料
表面への入射角度がほぼ垂直となり、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し、垂直
形状を有する高い加工スループットのエッチングが実現
された。この際、エッチングレートとしては５００〜８
００ｎｍ／ｍｉｎが得られた。

【０１１２】オーバーエッチング運転モードにおいて
は、ガス圧力Ｐを１０Ｐａで固定し、高周波電力の周波
数ｆを１０ＭＨｚに落として実施した。これにより、シ
ース領域の長さが長くなり、シース領域を走行するイオ
ンの中性粒子との衝突散乱が多くなり、これにより、イ
オンのエネルギーが低くなると共にイオンの試料表面へ
の入射角度が垂直方向から広がりを持つようになり、下
地材料膜であるシリコン酸化膜が現れた時点における下
地シリコン酸化膜に対するエッチングを、シリコン酸化
膜上に形成されるスパッタされたフォトレジスト、Ｓｉ
Ｃｌ₄ ラジカル及びシリコンとハロゲン系ガスとの反応
生成物よりなる堆積膜の作用により緩和することができ
た。この際、エッチング選択比は５０〜８０が得られ
た。

【０１１３】図１３は、従来の方法により、平行平板型
反応性イオンドライエッチング装置を使用して主エッチ
ング運転モードとオーバーエッチング運転モードとの切
り替えを行ない、リンドープした多結晶シリコンゲート
形成に対してエッチングを行なった場合の様子を模式的
に示したものである。

【０１１４】この場合にも、プラズマ発生装置のチャン
バ８１内には、Ｃｌ₂ を４０ｓｃｃｍ，ＳｉＣｌ₄ を２
０ｓｃｃｍそれぞれ導入し、チャンバ８１内の圧力は１
０Ｐａに、試料台８５に印加する高周波電力の周波数は
１３．５６ＭＨｚにそれぞれ設定した。

【０１１５】図１３（ａ）は主エッチング運転モードに
おけるエッチングの様子を、図１３（ｂ）はオーバーエ
ッチング運転モードにおけるエッチングの様子をそれぞ
れ模式的に示したものである。

【０１１６】すなわち、主エッチング運転モードにおい
ては、イオンアシストエッチング等の異方性エッチング
のレートを増加させ、高い加工スループットを実現する
ために、高周波電力のパワーを５００Ｗに設定してシー
ス間電圧を大きくすることにより、イオンのエネルギー
を高くする方法を採用した。また、オーバーエッチング
運転モードにおいては、シリコン酸化膜に対するエッチ
ング選択比を大きくするために、高周波電力のパワーを
１００Ｗに下げてイオンのエネルギーを低くし、下地材
料膜であるシリコン酸化膜が現れた時点におけるシリコ
ン酸化膜に対するエッチングを、シリコン酸化膜上に形
成される薄いスパッタされたフォトレジスト及びシリコ
ンとハロゲン系ガスとの反応生成物よりなる堆積膜によ
り防ぐようにした。

【０１１７】しかしながら、平行平板型反応性イオンド
ライエッチング装置を用いて、放電をさせるためには、
ガス圧力を１０Ｐａ程度以上にする必要があり、従来の
方法である高周波電力の周波数を１３．５６ＭＨｚに固
定する条件では、シース領域おけるイオンの中性粒子と
の散乱確率が十分には小さくならず、このため、主エッ
チング運転モード及びオーバーエッチング運転モードに
おいて、斜め方向から入射するイオンにより側壁がエッ
チングされてしまい、垂直なエッチングエッチング形状
の実現が困難であった。

【０１１８】そこで、従来は、例えば、図１４に示され
るような平行平板型マグネトロンプラズマ発生装置が用
いられる。すなわち、チャンバ８１の側面に設置された
互いに位相が９０度異なり且つ対向する２対の交流電磁
石８８によって回転磁界を印加し、５Ｐａ程度以下の比
較的低いガス圧力であっても容易に放電が起きるように
している。電子は印加磁場によりサイクロイド運動をす
るため、イオン化効率が高くなるというものである。

【０１１９】図１５（ａ）〜（ｃ）は、前記従来の方法
により行なった試料全領域に亘るエッチングの様子を示
している。図１５（ａ）は回転磁場を用いたマグネトロ
ンエッチング装置によりリンドープした多結晶シリコン
膜７７をエッチングしている状態を模式的に示してい
る。図１５（ｂ）に示すように試料台直上の或る瞬間に
おける磁場強度分布が試料台中央において最小値を持つ
場合には、多結晶シリコン膜７７表面に入射して来るイ
オンのフラックスは、磁場強度分布に応じたプラズマ密
度分布に比例し、図１５（ａ）に示すように中央で疎と
なる。また、図１５（ｃ）に示すように、多結晶シリコ
ン膜のエッチング速度もイオンフラックスにほぼ従った
ものとなり不均一になる。プラズマ密度の不均一は電荷
の偏在による損傷を引き起こす。

【０１２０】図１６（ａ），（ｂ）は、本発明のエッチ
ング加工方法により行なった試料全領域に亘るエッチン
グの様子を示している。図１６（ａ）に示されるよう
に、プラズマ加工領域の全域においてプラズマ密度及び
イオンフラックスはほぼ均一になり、エッチング用反応
性ガスから生じる反応生成物は試料全面にほぼ均一に照
射される。このため、試料全域においてエッチング形状
も均一になり、チャージアップによる損傷も極めて少な
い。しかも、プラズマ密度も高くエッチングレートは大
きい。

【０１２１】すなわち、本発明のプラズマ発生加工方法
をエッチング加工技術に適用すると、１０Ｐａ程度の中
程度のガス圧力であっても、主エッチング時には高い加
工スループット及び十分なエッチング異方性が得られ、
周波数を切り替えることによりオーバーエッチング時に
は下地材料との高選択比が精度良く得られる。しかも、
この状態を、プラズマ密度の不均一性が余り問題になら
ない構造的にも簡便な平行平板イオンドライエッチング
装置により実現することができ、試料全域においてエッ
チング形状が均一になり、チャージアップによる損傷も
極めて少なくすることができる。

【０１２２】尚、主エッチング運転モードを図９のＤ点
の条件で行なった後、オーバーエッチング運転モードを
図９のＢ点の条件で行なうという第２の方法を用いて
も、また、主エッチング運転モードを図９のＤ点の条件
で行なった後、オーバーエッチング運転モードを図９の
Ｅ点の条件で行なうという第３の方法を用いても、第１
の方法と同様の優れたエッチング特性が確認できた。

【０１２３】また、前記実施例においては、多結晶シリ
コンエッチングの場合を示したが、酸化膜、Ｓｉ化合物
又はＡｌ等のメタルのエッチング、及び多層レジストに
おけるレジストのエッチング等に対して本発明の方法を
用いても高い効果が得られる。本発明の方法をアルミニ
ウムエッチングに適用する場合には、ＢＣｌ₃ ＋Ｃ
ｌ₂ 、ＳｉＣｌ₄ ＋Ｃｌ₂ ＋ＣＨＣｌ₃ 等のように塩素
をベースにしたガスを用い、圧力は０．１〜２０Ｐａに
設定する。このようにすると、エッチングレートは４０
０〜９００ｎｍ／ｍｉｎが得られる。

【０１２４】また、前記実施例においては、プラズマ発
生加工装置として平行平板反応性イオンエッチング装置
を用いたが、これは、本発明が平行平板反応性イオンエ
ッチング装置の場合に実施効果が著しいためであって、
電子サイクロトロンプラズマ又は電磁誘導型プラズマ等
に対しても、十分に大きな効果が認められた。

【０１２５】さらに、本発明に係るプラズマ発生加工装
置においては、印加した磁場の空間分布の歪みを防ぐた
めに、非磁性材料を使用したチャンバ系を用いることが
望ましく、外部からの磁場の影響を防ぐために、磁気シ
ールドを施したチャンバ系を用いることが望ましい。

【０１２６】以下、本発明に係るプラズマ発生加工装置
の一実施例に係るＣＶＤ薄膜形成加工装置について、図
面を参照しながら説明する。

【０１２７】第２実施例に係るＣＶＤ薄膜形成加工装置
が、第１実施例に係るドライエッチング加工装置と異な
るのは、堆積膜の膜厚を制御するためのヒーター９５が
試料台８５に設けられている点と、エッチング終点検出
器９０を備えていない点である。その他の点について
は、図１に示すドライエッチング加工装置と同様である
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。尚、試料台８５の温度は４００°Ｃに設定すること
が好ましい。

【０１２８】図１８は、薄膜形成方法における運転モー
ドの具体的な切り替え方法をガス圧力Ｐと周波数ｆとの
２次元空間において示したものである。図中の説明は図
８と基本的に同じであるため省略する。

【０１２９】実施した薄膜形成方法の運転モードの切り
替え方法として次の３つの方法を示す。すなわち、第１
の方法は、主薄膜形成運転モードを図１８のＣ点の条件
で行なった後、カバレッジ補正運転モードを図１８のＤ
点の条件で行なうものであり、第２の方法は、主薄膜形
成運転モードを図１８のＢ点の条件で行なった後、カバ
レッジ補正時運転モードを図１８のＤ点の条件で行なう
ものである。また、第３の方法は、主薄膜形成運転モー
ドを図１８のＥ点の条件で行なった後、周波数及びガス
圧力を同時に変化させて、カバレッジ補正運転モードを
図１８のＤ点の条件で行なうものである。

【０１３０】図１９は、平行平板型薄膜形成ＣＶＤ装置
を用い、前記第１の方法により主薄膜形成運転モードと
カバレッジ補正運転モードとの切り替えを行なうことに
より、アルミニウム配線表面上にＴＥＯＳ膜を形成した
場合の断面構造を模式的に示したものである。この場
合、チャンバ８１内には、ＴＥＯＳガス３０ｓｃｃｍ、
Ｏ₂ ガス５０ｓｃｃｍ及びＡｒガス１００ｓｃｃｍを導
入し、これらのガス圧力は１０Ｐａに設定した。

【０１３１】図１９（ａ）は主薄膜形成時運転モードを
表し、図１９（ｂ）はカバレッジ補正運転モードを表
す。Ｓｉ基板１６０の上には熱酸化膜１６１が形成され
ている。スパッタリング法により、０．８μｍの膜厚に
堆積されたアルミニウム１６２は、フォトリソグラフィ
及びドライエッチングによって０．８μｍ幅の配線に加
工されている。アルミニウム１６２の上には、前記のＣ
ＶＤ加工装置によりＴＥＯＳ膜１６３が堆積されてい
る。

【０１３２】すなわち、主エッチング運転モードにおい
ては、ガス圧力を１０Ｐａに設定し、試料台８５に印加
する高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚに設定し
た。これにより、イオンが中性粒子と十分に衝突散乱す
るようにし、試料台８５に到達するイオン束密度を低く
し、試料台８５に到達する際のイオンのエネルギーを低
くし、試料台８５に到達する際のイオンの入射角度分布
が試料に対して十分な広がりを持つようにする手段を用
い、主として中性ラジカルによるほぼ等方的な薄膜形成
を実現した。しかしながら、凹凸部を有する試料表面上
に飛来するラジカルの見込み立体角が、試料表面上の各
点で異なるため、図１９（ａ）に示すように膜厚が変化
している。

【０１３３】カバレッジ補正運転モードにおいては、ガ
ス圧力を１０Ｐａに固定し、高周波電力の周波数を５０
ＭＨｚに設定した。このようにして、試料台８５に到達
するイオン束密度を高くし、試料台８５に到達する際の
イオンのエネルギーを高くし、試料台８５に到達する際
のイオンの入射角度分布が試料に対してほぼ垂直になる
ようにすることにより、凹凸部を有する試料の凸部の上
側の角部における膜厚が厚くなる部分１６４をイオンス
パッタリングにより削り取った。その後、再度、主薄膜
形成時運転モードを実施すると、凹凸部を有する試料表
面に一様な膜厚のカバレッジの良い薄膜１６５を形成す
ることができた。

【０１３４】尚、主薄膜形成運転モードを図１８のＢ点
の条件で行なった後、カバレッジ補正運転モードを図１
８のＤ点の条件で行なうという第２の方法を用いても、
また、主薄膜形成運転モードを図１８のＥ点の条件で行
なった後、カバレッジ補正運転モードを図１８のＤ点の
条件で行なうという第３の方法を用いても、第１の方法
と同様の優れた薄膜形成特性が確認できた。

【０１３５】

【発明の効果】請求項１の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、Ｐ／ｆが小さい場合にはイオン束のエネ
ルギー減衰が抑制されると共にイオン束は試料台に対し
て垂直方向に入射する一方、Ｐ／ｆが大きい場合にはイ
オン束のエネルギー減衰が増長されると共にイオン束は
試料台に対してランダムな方向から入射するので、イオ
ン束のエネルギーの大きさ及び試料台に対する入射方向
を制御できるので、プラズマによる加工を最適化するこ
とができる。

【０１３６】請求項２の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、主エッチング時においては、イオン束のエ
ネルギーが大きくなると共にイオン束は試料台に対して
垂直に入射するため、垂直なエッチング形状を高いエッ
チングレートにより実現できるので、十分な異方性及び
高い加工スループットを得ることができ、また、オーバ
ーエッチング時においては、下地材料との高選択比を得
ることができる。

【０１３７】請求項３の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、高周波電力の周波数を一定にして反応性ガ
スのガス圧を変化させることによりＰ／ｆを変えるた
め、Ｐ／ｆを機械的な操作により変えることができるの
で、操作が容易である。また、反応性ガスのガス圧を大
きくすると、ラジカルの量が増加するため、ラジカルに
よるエッチング量が大きく増加するので、オーバーエッ
チング時においてもエッチングレートを低下させる必要
がない。

【０１３８】請求項４の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、反応性ガスのガス圧を一定にして高周波電
力の周波数を変えることによりＰ／ｆを変えるため、Ｐ
／ｆを電気的に変えることができるので、Ｐ／ｆを短時
間に且つ安定して変えることができると共に、プラズマ
の中の化学的なガス組成を変化させることなくＰ／ｆひ
いては運転モードを変えることができる。

【０１３９】請求項５の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、反応性ガスのガス圧と高周波電力の周波数
とを同時に変えることによりＰ／ｆを変えるため、反応
性ガスのガス圧及び高周波電力の周波数をいずれも大き
く変化させずにＰ／ｆひいては運転モードを変えること
ができるので、プラズマ中の化学的なガス組成変化及び
高周波電力源の負担をいずれも小さくすることができ
る。

【０１４０】請求項６の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、オーバーエッチング時の散乱係数が主エッ
チング時の散乱係数の１．５倍以上であるため、オーバ
ーエッチング時においては、イオンエネルギーが十分に
小さいので高い選択比を実現できる。

【０１４１】請求項７の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、主エッチング時の散乱係数が６以下である
ため、イオン束のエネルギーが確実に大きくなると共に
イオン束の試料台に対する入射方向は確実に垂直方向に
なるので、高いエッチングレートにより垂直なエッチン
グ形状を実現することができる。

【０１４２】請求項８の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、オーバーエッチング時の散乱係数が６以上
であるため、イオン束のエネルギーが確実に小さくなる
と共にイオン束の試料台に対する入射方向は確実に乱れ
るので、オーバーエッチング時において高い選択比を実
現できる。

【０１４３】請求項９の発明に係るプラズマ発生加工方
法によると、終点検出器から出力される終了信号により
Ｐ／ｆが切り替わるので、主エッチングの運転モードと
オーバーエッチングの運転モードとの切り替えを的確に
行なうことができる。

【０１４４】請求項１０の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、予め設定された時間が経過するとＰ／ｆ
が切り替わるので、予め設定されたプログラムに基づき
主エッチング運転モードをオーバーエッチング運転モー
ドに確実に切り替えることができる。

【０１４５】請求項１１の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、主エッチング時における高周波電力の周
波数は１０ＭＨｚ以上に設定されているため、高周波電
力の周波数の高低と試料台に到達するイオン束のエネル
ギーの増減とが一元的に比例する。

【０１４６】請求項１２の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、主エッチング時における反応性ガスのガ
ス圧は２０Ｐａ以下に設定されているため、高周波電力
の周波数の高低と、試料台に到達するイオン束のエネル
ギー及び入射方向の垂直性との比例関係が顕著に現れ
る。

【０１４７】請求項１３の発明に係るプラズマ発生方法
によると、オーバーエッチング時における高周波電力の
周波数を主エッチング時における周波数のおよそ５分の
１以下に設定するため、周波数の変化による高周波電力
の変化をおよそ２５倍以下にできるので、高周波電力源
に対する負担を小さくすることができる。

【０１４８】請求項１４の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、薄膜形成時においてはイオン束のエネル
ギーが小さくなると共にイオン束の入射方向が乱れるの
で、凹凸部を有する試料表面に対して均一な膜厚の薄膜
を形成でき、カバレッジ補正時においてはイオン束のエ
ネルギーが大きくなると共にイオン束は試料台に対して
垂直に入射するので、試料表面の凸部の上側の角部の厚
膜の削り取りを効果的に行なうことができる。このた
め、請求項１２の発明によると、凹凸部を有する試料表
面に一様な膜厚を有しカバレッジに優れた薄膜形成を容
易且つ効率良く行なうことが可能となる。

【０１４９】請求項１５の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、高周波電力の周波数を一定にして反応性
ガスのガス圧を変化させることによりＰ／ｆを変えるた
め、Ｐ／ｆを機械的な操作により変えることができるの
で操作が容易である。また、反応性ガスのガス圧を大き
くすると、ラジカルの量が増加するため、ラジカルによ
る薄膜形成が促進されるので、薄膜形成を効率良く行な
うことができる。

【０１５０】請求項１６の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、反応性ガスのガス圧を一定にして高周波
電力の周波数を変えることによりＰ／ｆを変えるため、
請求項４の発明と同様、Ｐ／ｆを短時間に且つ安定して
変えることができると共にプラズマの中の化学的なガス
組成を変化させることなく運転モードを変えることがで
きる。

【０１５１】請求項１７の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、反応性ガスのガス圧力と高周波電力の周
波数を同時に変えることによりＰ／ｆを変えるため、反
応性ガスのガス圧及び高周波電力の周波数をいずれも大
きく変化させずにＰ／ｆひいては運転モードを変えるこ
とができ、プラズマ中の化学的なガス組成変化及び高周
波電力源の負担を小さくすることができる。

【０１５２】請求項１８の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、薄膜形成時の散乱係数がカバレッジ補正
時の散乱係数の１．５倍以上であるため、カバレッジ補
正時においてイオンエネルギーが大きくなり、試料表面
の凸部の上側の角部の厚膜の削り取りが促進されるの
で、カバレッジ補正を効率良く行なうことができる。

【０１５３】請求項１９の発明に係るプラズマ発生加工
によると、薄膜形成時の散乱係数が６以上であるため、
イオン束のエネルギーが確実に小さくなると共に、イオ
ン束の試料台に対する入射方向は確実に乱れるので、凹
凸部を有する試料表面に一様な膜厚の薄膜を形成するこ
とができる。

【０１５４】請求項２０の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、カバレッジ補正時の散乱係数が６以下で
あるため、イオン束のエネルギーが確実に大きくなると
共に、イオン束は試料台に対して垂直な方向から確実に
入射するので、試料表面の凸部の上側の角部の厚膜の削
り取りが促進されるので、カバレッジ補正を効率良く行
なうことができる。

【０１５５】請求項２１の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、予め設定された時間が経過するとＰ／ｆ
が切り替わるので、予め設定されたプログラムに基づき
確実に運転モードを切り替えることができる。

【０１５６】請求項２２の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、主エッチング時における高周波電力の周
波数は１０ＭＨｚ以上に設定されているため、高周波電
力の周波数の高低と試料台に到達するイオン束のエネル
ギーの増減とが一元的に比例する。

【０１５７】請求項２３の発明に係るプラズマ発生加工
方法によると、主エッチング時における反応性ガスのガ
ス圧は２０Ｐａ以下に設定されているため、高周波電力
の周波数の高低と、試料台に到達するイオン束のエネル
ギー及び入射方向の垂直性との比例関係が顕著に現れ
る。

【０１５８】請求項２４の発明に係るプラズマ発生方法
によると、カバレッジ補正時における高周波電力の周波
数を主薄膜形成時における周波数のおよそ５倍以下に設
定するため、周波数の変化による高周波電力の変化をお
よそ２５倍以下にできるので、高周波電力源に対する負
担を小さくすることができる。

【０１５９】請求項２５の発明に係るプラズマ発生加工
装置によると、散乱確率が変化するように（反応性ガス
のガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を変化させる
制御手段を備えているため、Ｐ／ｆを簡易且つ確実に変
化させることができるので、請求項１の発明を簡易且つ
確実に実現できる。

【０１６０】請求項２６，２７又は２８の発明に係るプ
ラズマ発生加工装置によると、主エッチング時において
はイオン束のエネルギーが大きくなると共にイオン束は
試料台に対して垂直に入射するため、垂直なエッチング
形状を高いエッチングレートにより実現でき、オーバー
エッチング時においてはイオン束のエネルギーが小さく
なると共にイオン束の入射方向が乱れるので下地試料に
対する高い選択比を得ることができる。

【０１６１】請求項２９，３０又は３１の発明に係るプ
ラズマ発生加工装置によると、薄膜形成時においてはイ
オン束のエネルギーが小さくなると共にイオン束の入射
方向が乱れるため均一な薄膜が形成でき、カバレッジ補
正時においてはイオン束のエネルギーが大きくなると共
にイオン束は試料台に対して垂直に入射するためカバレ
ッジ補正が効果的に行なわれる。

【０１６２】請求項３２又は３３の発明に係るプラズマ
発生加工装置によると、予め設定された時間が経過する
とＰ／ｆが切り替わるので、予め設定されたプログラム
に基づき確実に運転モードを切り替えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る平行平板型反応性イ
オンドライエッチング装置の全体構造を示す概略図であ
る。

【図２】前記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アノードと試料台との
間の物理量の１次元分布を示す図であり、物理量とし
て、（ａ）は電子密度分布、（ｂ）はイオン密度分布、
（ｃ）はイオン束密度分布をそれぞれ示す。

【図３】前記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アノードと試料台との
間の物理量の１次元分布を示す図であり、物理量とし
て、（ａ）はプラズマ電位分布、（ｂ）は電界分布、
（ｃ）は電子温度分布をそれぞれ示す。

【図４】前記平行平板型反応性イオンドライエッチング
装置において物理量の試料台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であり、物理量としては、
（ａ）はイオン密度の最大値、（ｂ）は試料台に輸送さ
れるイオン束の最大値及び最小値、（ｃ）はアノードと
試料台との間のシース領域の長さの最大値及び最小値を
それぞれ示す。

【図５】前記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領域の長さの周波数依存性を模式的
に示し、図の左半分は周波数が比較的低い場合を、図の
右半分は周波数が比較的高い場合をそれぞれ表してい
る。

【図６】バルクプラズマ領域とシース領域との境界部か
ら出発したイオンが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
す模式図である。

【図７】前記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イオンエネルギーの
周波数に対する依存性を示す図である。

【図８】前記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に対する依存性を示す図
であって、物理量として、（ａ）はイオン密度の最大
値、（ｂ）はカソードに輸送されるイオン束の最大値及
び最小値、（ｃ）はシース領域の長さの最大値及び最小
値をそれぞれ示す。

【図９】エッチング運転モードの切り替え方法の一例を
ガス圧力と周波数との２次元空間において示す図であ
る。

【図１０】図９に示したガス圧力Ｐ及び周波数ｆの２次
元空間上の点と対応する、試料台に到達するイオンの角
度及びエネルギー分布を示す図であり、（ａ）は図９の
Ａ点と対応し、（ｂ）は図９のＢと対応する。

【図１１】図９に示したガス圧力Ｐ及び周波数ｆの２次
元空間上の点と対応する、試料台に到達するイオンの角
度及びエネルギー分布を示す図であり、（ａ）は図９の
Ｃ点と対応し、（ｂ）は図９のＤと対応する。

【図１２】前記平行平板型反応性イオンドライエッチン
グ装置を用いてリンドープされた多結晶シリコンゲート
に対して行なうエッチングを示し、（ａ）は主エッチン
グモード条件における状態を、（ｂ）はオーバーエッチ
ングモード条件における状態をそれぞれ示す。

【図１３】従来の平行平板型反応性イオンドライエッチ
ング装置を用いてリンドープされた多結晶シリコンゲー
トに対して行なうエッチングを示し、（ａ）は主エッチ
ングモード条件における状態を、（ｂ）はオーバーエッ
チング条件における状態をそれぞれ示す。

【図１４】従来のマグネトロンエッチング装置の概略構
造を示す図である。

【図１５】従来のマグネトロンエッチング装置にを用い
てリンドープされた多結晶シリコンに対するエッチング
を説明する図であり、（ａ）はエッチングの状態を、
（ｂ）は磁場強度を、（ｃ）はエッチング速度をそれぞ
れ示している。

【図１６】前記平行平板型反応性イオンドライエッチン
グ装置を用いてリンドープされた多結晶シリコンゲート
に対するエッチングを説明する図であり、（ａ）はエッ
チングの状態を、（ｂ）はエッチング速度をそれぞれ示
している。

【図１７】本発明の第２実施例に係るＣＶＤ薄膜形成加
工装置の全体構造を示す概略図である。

【図１８】ＣＶＤ薄膜形成運転モードの切り替え方法の
一例をガス圧力と周波数との２次元空間において示す図
である。

【図１９】前記ＣＶＤ薄膜形成装置を用いて行なうアル
ミニウム配線表面上のＴＥＯＳ膜形成に対して行なう薄
膜形成を説明する図であり、（ａ）は主薄膜形成時運転
モードの状態を、（ｂ）はカバレッジ補正時運転モード
の状態をそれぞれ示す。

【符号の説明】

３０ バルクプラズマ領域 ３２ シース領域 ３３ 試料 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 チャンバ 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 ９５ ヒーター １１０ フォトレジストパターン １１１ リンドープした多結晶シリコン １１２ シリコン酸化膜 １１３ シリコン基板 １１４ 反応生成物等よりなる堆積膜 １６０ シリコン基板 １６１ 熱酸化膜 １６３ ＴＥＯＳ膜 １６４ イオンスパッタリングにより削り取る部分

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバ内に反応性ガスを導入して
   プラズマ発生領域にプラズマを発生させるプラズマ発生
   工程と、前記真空チャンバ内の試料台に高周波電力を印
   加して前記プラズマ中のイオンを前記試料台に入射させ
   ることにより、前記イオンに前記試料台上の試料に対し
   て加工を行なわせるプラズマ加工工程とを備えたプラズ
   マ発生加工方法であって、前記プラズマ加工工程におい
   て、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）
   の値を変化させることにより、前記試料台側のシース領
   域において前記イオンが中性粒子に衝突して散乱する確
   率である散乱確率を変化させ、これにより、前記試料台
   に入射するイオン束のエネルギー及び該イオン束の入射
   方向を変化させることを特徴とするプラズマ発生加工方
   法。
2. 【請求項２】 前記イオンに前記試料台上の試料に対し
   て行なわせる加工はドライエッチング加工であり、前記
   プラズマ加工工程における主エッチング時には、（反応
   性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を小さ
   くして前記散乱確率を小さくすることにより、前記イオ
   ン束のエネルギーを大きくすると共に前記イオン束の入
   射方向を前記試料台に対して垂直な方向に揃える一方、
   前記プラズマ加工工程におけるオーバーエッチング時に
   は、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）
   の値を大きくして前記散乱確率を大きくすることによ
   り、前記イオン束のエネルギーを小さくすると共に前記
   イオン束の入射方向を乱れさせる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。
3. 【請求項３】 前記高周波電力の周波数を主エッチング
   時とオーバーエッチング時とにおいて一定にすると共に
   前記反応性ガスのガス圧を主エッチング時に小さく且つ
   オーバーエッチング時に大きくすることにより、（反応
   性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主エ
   ッチング時に小さく且つオーバーエッチング時に大きく
   す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。
4. 【請求項４】 前記反応性ガスのガス圧を主エッチング
   時とオーバーエッチング時とにおいて一定にすると共に
   前記高周波電力の周波数を主エッチング時に大きく且つ
   オーバーエッチング時に小さくすることにより、（反応
   性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主エ
   ッチング時に小さく且つオーバーエッチング時に大きく
   す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。
5. 【請求項５】 主エッチング時に前記反応性ガスの圧力
   を小さくすると共に前記高周波電力の周波数を大きくす
   る一方、オーバーエッチング時に前記反応性ガスの圧力
   を大きくすると共に前記高周波電力の周波数を小さくす
   ることにより、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力
   の周波数）の値を主エッチング時に小さく且つオーバー
   エッチング時に大きくす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。
6. 【請求項６】 オーバーエッチング時の前記散乱確率が
   主エッチング時の前記散乱確率の１．５倍以上になるよ
   うに、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波
   数）の値を主エッチング時とオーバーエッチング時とに
   おいて変化させることを特徴とする請求項２〜５のいず
   れか１項に記載のプラズマ発生加工方法。
7. 【請求項７】 前記散乱確率を（試料台側のシース領域
   の長さ）／（試料台側のシース領域におけるイオンの平
   均自由行程）と定義するとき、主エッチング時に前記散
   乱確率の値が６以下になるように（反応性ガスのガス
   圧）／（高周波電力の周波数）の値を設定することを特
   徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のプラズマ
   発生加工方法。
8. 【請求項８】 前記散乱確率を（試料台側のシース領域
   の長さ）／（試料台側のシース領域におけるイオンの平
   均自由行程）と定義するとき、オーバーエッチング時に
   前記散乱確率の値が６以上になるように（反応性ガスの
   ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値を設定すること
   を特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のプラ
   ズマ発生加工方法。
9. 【請求項９】 主エッチングの終了を検出すると終了信
   号を出力する終点検出器から終了信号が出力されたとき
   に（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の
   値を変化させることを特徴とする請求項２〜８のいずれ
   か１項に記載のプラズマ発生加工方法。
10. 【請求項１０】 予め設定された時間が経過したときに
    （反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値
    を変化させることを特徴とする請求項２〜８のいずれか
    １項に記載のプラズマ発生加工方法。
11. 【請求項１１】 主エッチング時における前記高周波電
    力の周波数は１０ＭＨｚ以上の値に設定されていること
    を特徴とする請求項２〜１０に記載のプラズマ発生加工
    方法。
12. 【請求項１２】 主エッチング時における前記反応性ガ
    スのガス圧は２０Ｐａ以下の値に設定されていることを
    特徴とする請求項２〜１０に記載のプラズマ発生加工方
    法。
13. 【請求項１３】 オーバーエッチング時における前記高
    周波電力の周波数を、主エッチング時における前記高周
    波電力の周波数のおよそ５分の１以上且つ１未満に設定
    することを特徴とする請求項４又は５に記載のプラズマ
    発生加工方法。
14. 【請求項１４】 前記イオンに前記試料台上の試料に対
    して行なわせる加工は薄膜形成加工であり、前記プラズ
    マ加工工程における主薄膜形成時には、（反応ガスのガ
    ス圧）／（高周波電力の周波数）の値を大きくして前記
    散乱確率を大きくすることにより、前記イオン束のエネ
    ルギーを小さくすると共に前記イオン束の入射方向を乱
    れさせる一方、前記プラズマ加工工程におけるカバレッ
    ジ補正時には、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力
    の周波数）の値を小さくして前記散乱確率を小さくする
    ことにより、前記イオン束のエネルギーを大きくすると
    共に前記イオン束の入射方向を前記試料台に対して垂直
    な方向に揃えさせる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。
15. 【請求項１５】 前記高周波電力の周波数を主薄膜形成
    時とカバレッジ補正時とにおいて一定にすると共に前記
    反応性ガスのガス圧を主薄膜形成時に大きく且つカバレ
    ッジ補正時に小さくすることにより、（反応性ガスのガ
    ス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主薄膜形成時に
    大きく且つカバレッジ補正時に小さくすることを特徴と
    する請求項１４に記載のプラズマ発生加工方法。
16. 【請求項１６】 前記反応性ガスのガス圧を主薄膜形成
    時とカバレッジ補正時とにおいて一定にすると共に前記
    高周波電力の周波数を主薄膜形成時に小さく且つカバレ
    ッジ補正時に大きくすることにより、（反応性ガスのガ
    ス圧）／（高周波電力の周波数）の値を主薄膜形成時に
    大きく且つカバレッジ補正時に小さくすることを特徴と
    する請求項１４に記載のプラズマ発生加工方法。
17. 【請求項１７】 主薄膜形成時に、前記反応性ガスのガ
    ス圧力を大きくすると共に前記高周波電力の周波数を小
    さくする一方、カバレッジ補正時に、前記反応性ガスの
    ガス圧を小さくすると共に前記高周波電力の周波数を大
    きくすることにより、（反応性ガスのガス圧力）／（高
    周波電力の周波数）の値を主薄膜形成時に大きく且つカ
    バレッジ補正時に小さくすることを特徴とする請求項１
    ４に記載のプラズマ発生加工方法。
18. 【請求項１８】 主薄膜形成時の前記散乱確率がカバレ
    ッジ補正時の前記散乱確率の１．５倍以上になるよう
    に、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）
    の値を主薄膜形成時とカバレッジ補正時とにおいて変化
    させることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか１
    項に記載のプラズマ発生加工方法。
19. 【請求項１９】 前記散乱確率を（試料台側のシース領
    域の長さ）／（試料台側のシース領域におけるイオンの
    平均自由行程）と定義するとき、主薄膜形成時に前記散
    乱確率の値が６以上になるように（反応性ガスのガス
    圧）／（高周波電力の周波数）の値を設定することを特
    徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載のプラ
    ズマ発生加工方法。
20. 【請求項２０】 前記散乱確率を（試料台側のシース領
    域の長さ）／（試料台側のシース領域におけるイオンの
    平均自由行程）と定義するとき、カバレッジ補正時に前
    記散乱確率の値が６以下になるように（反応性ガスのガ
    ス圧）／（高周波電力の周波数）の値を設定することを
    特徴とする請求項１４〜１８のいずれか１項に記載のプ
    ラズマ発生加工方法。
21. 【請求項２１】 予め設定された時間が経過したときに
    （反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値
    を変化させることを特徴とする請求項１４〜２０のいず
    れか１項に記載のプラズマ発生加工方法。
22. 【請求項２２】 前記高周波電力の周波数は１０ＭＨｚ
    以上の値に設定されていることを特徴とする請求項１４
    〜２１に記載のプラズマ発生加工方法。
23. 【請求項２３】 前記反応性ガスのガス圧は２０Ｐａ以
    下の値に設定されていることを特徴とする請求項１４〜
    ２２に記載のプラズマ発生加工方法。
24. 【請求項２４】 カバレッジ補正時における前記高周波
    電力の周波数を主薄膜形成時における前記高周波電力の
    周波数のおよそ５倍以下に設定することを特徴とする請
    求項１６又は１７に記載のプラズマ発生加工方法。
25. 【請求項２５】 真空チャンバと、該真空チャンバ内に
    設けられ試料を載置する試料台と、前記真空チャンバ内
    に反応性ガスを導入するガス導入手段と、前記真空チャ
    ンバ内に前記反応性ガスのプラズマを発生させるプラズ
    マ発生手段と、前記プラズマ中のイオンを前記試料台に
    入射させて該イオンに前記試料台上の試料に対して加工
    を行なわせるような高周波電力を前記試料台に印加する
    高周波電力供給手段とを有する装置本体と、 前記試料台側のシース領域において前記イオンが中性粒
    子に衝突して散乱する確率である散乱確率が変化するよ
    うに、（反応性ガスのガス圧）／（高周波電力の周波
    数）の値を変化させる制御手段とを備えていることを特
    徴とするプラズマ発生加工装置。
26. 【請求項２６】 前記装置本体は前記試料台上の試料に
    対してドライエッチング加工を行なう装置であり、 前記制御手段は、主エッチング時には、（反応性ガスの
    ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくなって
    前記散乱確率が小さくなることにより、前記イオンのイ
    オン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束の入
    射方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃う一方、オ
    ーバーエッチング時には、（反応性ガスのガス圧）／
    （高周波電力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確
    率が大きくなることにより、前記イオンのイオン束のエ
    ネルギーが小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱
    れるように、前記ガス導入手段を制御する手段であるこ
    とを特徴とする請求項２５に記載のプラズマ発生加工装
    置。
27. 【請求項２７】 前記装置本体は前記試料台上の試料に
    対してドライエッチング加工を行なう装置であり、 前記制御手段は、主エッチング時には、（反応性ガスの
    ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくなって
    前記散乱確率が小さくなることにより、前記イオンのイ
    オン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束の入
    射方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃う一方、オ
    ーバーエッチング時には、（反応性ガスのガス圧）／
    （高周波電力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確
    率が大きくなることにより、前記イオンのイオン束のエ
    ネルギーが小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱
    れるように、前記高周波電力供給手段を制御する手段で
    あることを特徴とする請求項２５に記載のプラズマ発生
    加工装置。
28. 【請求項２８】 前記装置本体は前記試料台上の試料に
    対してドライエッチング加工を行なう装置であり、 前記制御手段は、主エッチング時には、（反応性ガスの
    ガス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくなって
    前記散乱確率が小さくなることにより、前記イオンのイ
    オン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束の入
    射方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃う一方、オ
    ーバーエッチング時には、（反応性ガスのガス圧）／
    （高周波電力の周波数）の値が大きくなって前記散乱確
    率が大きくなることにより、前記イオンのイオン束のエ
    ネルギーが小さくなると共に該イオン束の入射方向が乱
    れるように、前記ガス導入手段及び前記高周波電力供給
    手段を同時に制御する手段であることを特徴とする請求
    項２５に記載のプラズマ発生加工装置。
29. 【請求項２９】 前記装置本体は前記試料台上の試料に
    対して薄膜形成加工を行なう装置であり、 前記制御手段は、主薄膜形成時には、（反応性ガスのガ
    ス圧）／（高周波電力の周波数）の値が大きくなって前
    記散乱確率が大きくなることにより、前記イオンのイオ
    ン束のエネルギーが小さくなると共に該イオン束の入射
    方向が乱れる一方、カバレッジ補正時には、（反応性ガ
    スのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくな
    って前記散乱確率が小さくなることにより、前記イオン
    のイオン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束
    の入射方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃うよう
    に、前記ガス導入手段を制御する手段であることを特徴
    とする請求項２５に記載のプラズマ発生加工装置。
30. 【請求項３０】 前記装置本体は前記試料台上の試料に
    対して薄膜形成加工を行なう装置であり、 前記制御手段は、主薄膜形成時には、（反応性ガスのガ
    ス圧）／（高周波電力の周波数）の値が大きくなって前
    記散乱確率が大きくなることにより、前記イオンのイオ
    ン束のエネルギーが小さくなると共に該イオン束の入射
    方向が乱れる一方、カバレッジ補正時には、（反応性ガ
    スのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくな
    って前記散乱確率が小さくなることにより、前記イオン
    のイオン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束
    の入射方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃うよう
    に、前記高周波電力供給手段を制御する手段であること
    を特徴とする請求項２５に記載のプラズマ発生加工装
    置。
31. 【請求項３１】 前記装置本体は前記試料台上の試料に
    対して薄膜形成加工を行なう装置であり、 前記制御手段は、主薄膜形成時には、（反応性ガスのガ
    ス圧）／（高周波電力の周波数）の値が大きくなって前
    記散乱確率が大きくなることにより、前記イオンのイオ
    ン束のエネルギーが小さくなると共に該イオン束の入射
    方向が乱れる一方、カバレッジ補正時には、（反応性ガ
    スのガス圧）／（高周波電力の周波数）の値が小さくな
    って前記散乱確率が小さくなることにより、前記イオン
    のイオン束のエネルギーが大きくなると共に該イオン束
    の入射方向が前記試料台に対して垂直な方向に揃うよう
    に、前記ガス導入手段及び前記高周波電力供給手段を同
    時に制御する手段であることを特徴とする請求項２５に
    記載のプラズマ発生加工装置。
32. 【請求項３２】 前記制御手段は、予め設定された時間
    が経過したときに（反応性ガスのガス圧）／（高周波電
    力の周波数）の値が変化するように前記ガス導入手段を
    制御することを特徴とする請求項２６，２８，２９又は
    ３１に記載のプラズマ発生加工装置。
33. 【請求項３３】 前記制御手段は、予め設定された時間
    が経過したときに（反応性ガスのガス圧）／（高周波電
    力の周波数）の値が変化するように前記高周波電力供給
    手段を制御することを特徴とする請求項２７，２８，３
    ０又は３１に記載のプラズマ発生加工装置。