JPH11204297A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大口径のウエハに対してもエッチングレートや
選択比の均一性を確保し易いプラズマ処理装置及びプラ
ズマ処理方法を提供する。 【解決手段】高周波電源が前記一対の電極間に１０ＭＨ
ｚないし３００ＭＨｚの高周波電力を印加するものと
し、一対の電極の間隙が１５ｍｍ以上１００ｍｍ以下で
あり、この一対の電極の少なくとも一方に接する面にお
いて前記高周波電源により生じる電界と交差する方向に
静磁場もしくは低周波磁場を形成する磁場形成手段を備
え、この磁場形成手段は、前記一対の電極間に形成され
るプラズマのシース部において該シースに対して略平行
な２ガウス以上１００ガウス以下の強度の磁場を形成
し、該磁場と前記電界との相互作用により、電子サイク
ロトロン共鳴または電子シース共鳴を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置お
よび処理方法に係り、特に半導体製造工程における微細
なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理装置およ
びプラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造工程における微細
加工プロセスではプラズマ処理装置が広く用いられてい
るが、その中でもいわゆる平行平板型のプラズマ処理装
置は、構造が比較的簡単である、均一性にすぐれる、と
いったメリットがあるために広く使用されている。

【０００３】一般的な平行平板型のプラズマ処理装置
は、処理室内の上下に対向して平行に設けられた平板型
の電極に高周波電力を印加して発生するプラズマにより
ウエハを処理するものであり、たとえばエッチング処理
の場合には、処理室内にエッチングガスを導入して、プ
ラズマによりエッチングガスを解離させてイオンとラジ
カル（励起活性種）を生成し、ウエハ表面に作用させて
エッチングを行う、いわゆる反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法が用いられてい
る。

【０００４】また、特開平７−２９７１７５号に記載さ
れるように、上下の電極に異なる周波数の電力を与える
ことにより、すなわちプラズマを発生させる電極に印加
する高周波電力の周波数を数十ＭＨｚ以上とし、試料を
設置した電極に印加する電力の周波数を数ＭＨｚ以下と
することにより、プラズマ密度と試料の自己バイアスす
なわちイオンのエネルギーを独立に制御する２周波励起
法（ＩＥＭ：Ion Energy Modulation）が用いられてい
る。

【０００５】一方、上記のような平行平板型のプラズマ
処理装置において、およそ３０〜９０ガウスの磁場を上
下電極に平行に加えたプラズマ処理装置（ＭＥＲＩＥ：
Magnetically Enhanced RIE）が用いられており、磁場
の効果によりＲＩＥよりも高いエッチレートが得られ
る。また、特開平２−３１２２３１号に記載されるよう
に、１００ガウス以上の磁場によりプラズマ密度を高め
たマグネトロン方式のＲＩＥによるプラズマ処理装置
（Ｍ−ＲＩＥ：Magnetron RIE）も用いられている。こ
れは電極間に平行な磁場を形成することにより、上部・
下部の電極間に発生する電界との相互作用によって電子
が磁力線にまきつくようにサイクロイド運動をすること
で電子とガスとの衝突頻度が高まるために高いプラズマ
密度が得られるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体デバ
イスの高集積化にともない、プラズマ処理装置には、ア
スペクト比の大きな（すなわち細くて深い）コンタクト
ホールやヴィアホールを高速に再現性よく、しかも制御
性よくエッチングすること、すなわち微細加工性と処理
速度さらに選択比の向上が要求されている。さらにウエ
ハ径の大口径化にともない、大口径のウエハ全面にわた
ってエッチングレートや選択比の均一性を確保する必要
がある。

【０００７】この要求に応えるためには、処理ガス圧を
低圧化してプラズマ中における分子衝突頻度を減少させ
てイオンやラジカルの方向性を増すとともに、プラズマ
を高密度化してイオンやラジカルの密度を増加させ、さ
らにエッチングガスの解離状態を制御してプロセス条件
を最適化することが必要である。また、このときにプラ
ズマ密度がリアクタ内部で局所的に高い領域があるとイ
オン・ラジカルの密度やエッチングガスの解離状態が分
布をもってしまい均一性の確保が難しくなるので、プラ
ズマの密度や解離状態を、プラズマ全体やウエハ全面に
わたって一様に制御できるのが望ましい。さらにさまざ
まなエッチング条件に対応するために、またプロセス構
築を短時間に行うために、最適なプロセス条件の範囲が
広くとれること、すなわちプロセスマージンを広くと
れ、しかも制御性がよいことも必要である。

【０００８】このような要求に対して、前記の従来技術
では次のような課題があった。

【０００９】前記の平行平板型のプラズマ処理装置で
は、周波数を上げることにより、低圧力でもプラズマ密
度を低下させることなくプラズマを安定に発生させるこ
とができる。しかし、単に圧力を低くしただけでは高エ
ネルギーのイオンが増加するためにウエハにダメージを
与えてしまう。

【００１０】前記の２周波励起法（ＩＥＭ）は、プラズ
マ密度とイオンのエネルギーを独立に制御することでこ
の問題を解決するものである。しかしながらこのＩＥＭ
法においては、プロセスを支配するエッチングガスの解
離状態は直接に制御できるものではなく、解離状態は処
理室内の圧力やエッチングガスの流量、高周波電力・バ
イアス電力などの条件を適宜組み合わせて間接的に制御
せざるをえない。そしてこれらの条件は相互に複雑に関
連しあっているためにプロセス構築が容易ではなかっ
た。

【００１１】また、平行平板型のプラズマ処理装置で
は、プラズマの安定化のために、プラズマを発生させる
電極に比べて処理室内部の設置面積の部分を広くとる必
要があるが、このために処理室内部で電界の分布が一様
にならず、ウエハ周辺部に電界強度の高い部分が生じる
ため、プラズマ密度に分布が生じる。特にウエハ径の大
口径化にともなって電極径が大きくなるとこの傾向はい
っそう顕著になり、均一性の確保はますます困難とな
る。

【００１２】また、前記のＭ−ＲＩＥ法では、マグネト
ロンによりプラズマ密度を増加させるためには少なくと
も１００ガウス以上の強い磁場が必要であるが、このよ
うな強磁場では電界と磁界の相互作用により生じるドリ
フト（Ｅ×Ｂドリフト）によりプラズマ密度に大きな偏
りが生じてしまう。また強磁場によってウエハ上の電位
が偏ることによりウエハにダメージが発生する。

【００１３】この問題を解決するために、特開平７−２
８８１９５号公報に記載されるように、磁場を発生させ
る磁石を回転することが行われているが、回転機構が大
がかりとなる欠点がある。またＥ×Ｂによる電子のドリ
フト方向に磁界強度が弱くなるように磁石を配置して磁
場に勾配を与えることにより、試料に平行な磁場の最大
値として２００ガウスを加えても、偏りの無い均一なプ
ラズマが得られる。しかし、ウエハの大口径化にともな
い、ウエハ全面にわたる広い領域で均一なプラズマ密度
を得る磁場の設計は困難さを増す。また磁場強度の分布
を一度固定すると、プラズマが均一となる条件が特定の
狭い条件範囲に限定されるため、プロセスマージンが狭
く、さまざまな処理条件の変化に容易に対応できない欠
点がある。また強磁場を用いる場合、磁場の外部への漏
洩に対する対策も十分に行う必要がある。

【００１４】また前記のＭＥＲＩＥ法では、磁場強度が
およそ３０〜９０ガウスであるため、ドリフトの影響は
Ｍ−ＲＩＥ法に比べれば小さいが、やはりおよそ５０〜
６０ガウスを越える磁場強度ではドリフトの影響が現れ
はじめてくる。このため、磁場に勾配を与える必要があ
り、Ｍ−ＲＩＥ法と本質的に同じ課題を抱えている。

【００１５】さらに、前記のＲＩＥ法やＭ−ＲＩＥ法で
はさまざまなプロセス条件に対応するために、プロセス
ガスに微量の酸素ガスを添加してエッチングガスの解離
状態やエッチング特性を制御することが一般に行われて
いる。しかし、たとえば酸化膜エッチングでは、酸素ガ
スを添加するとＳｉＯ２のエッチング終了にともなうた
とえばＣＯといった酸素を含む分子を用いた終点検出が
行えなくなる欠点があり、エッチング深さを時間で管理
せざるをえず、エッチング精度の確保が難しい。また，
自己整合コンタクト（ＳＡＣ：Self Aligned Contact）
では，窒化膜に対して酸化膜を高い選択比でエッチング
する必要があるが，酸素ガスを添加すると選択比が高く
とりにくいため，プロセスマージンが低下する。

【００１６】このように、上記の平行平板型のプラズマ
処理装置では、ＩＥＭ法やＭ−ＲＩＥ法によっては、大
口径のウエハ全面にわたって低圧力で高密度のプラズマ
を均一に保った上でプラズマやエッチングガスの解離を
制御することは困難さを増している。また、圧力やガス
流量、電力などの条件を最適化してプロセス構築がよう
やく行えたとしても、最適なプロセス条件の範囲が狭
く、プロセス条件の変化への対応は困難である。また、
酸素ガスの添加によるガスの解離制御は、終点検出が行
えないという欠点をもつ。このためプラズマの状態やエ
ッチングガスの解離を制御できるあらたな好適な手段が
強く望まれるところである。

【００１７】本発明はかかる状況においてなされたもの
であり、本発明の目的は、プラズマ全体やウエハ全面に
わたる広い範囲にわたってプラズマ状態やエッチングガ
スの解離状態の制御を可能とし、大口径のウエハに対し
てもエッチングレートや選択比の均一性を確保し易いプ
ラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することに
ある。

【００１８】本発明の他の目的は、最適なプロセス条件
の範囲が広くとれ、しかも制御性がよいプラズマ処理装
置及びプラズマ処理方法を提供することにある。

【００１９】本発明の他の目的は、ウエハ上の電位の偏
りに起因するダメージや、これをさけるための勾配磁場
の設計にともなう困難さがないプラズマ処理装置及びプ
ラズマ処理方法を提供することにある。

【００２０】本発明の他の目的は、酸化膜エッチングの
場合にも、ＣＯなどの酸素を含む分子を用いた終点検出
が可能で、精度の高い、しかも高選択なエッチングを実
現できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供
することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、真空処
理室と、一対の電極を含むプラズマ生成手段と、前記電
極の一方を兼ねるとともに該真空処理室内で処理される
試料を載置する試料載置面を有する試料台と、前記一対
の電極間に高周波電力を印加する高周波電源と、前記真
空処理室を減圧する減圧手段とを有するプラズマ処理装
置において、前記高周波電源は、前記一対の電極間に１
０ＭＨｚないし３００ＭＨｚの高周波電力を印加するも
のであり、前記一対の電極の間隙が１５ｍｍ以上１００
ｍｍ以下であり、該一対の電極の少なくとも一方に接す
る面において前記高周波電源により生じる電界と交差す
る方向に静磁場もしくは低周波磁場を形成する磁場形成
手段を備え、前記磁場形成手段は、前記一対の電極間に
形成されるプラズマのシース部において該シースに対し
て略平行な２ガウス以上１００ガウス以下の強度の磁場
を形成し、該磁場と前記電界との相互作用により、電子
サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ−Ｓ）、または電子シース
共鳴（ＥＳＲ）を生成することにある。

【００２２】本発明の他の特徴は、真空処理室と、一対
の電極を含むプラズマ生成手段と、前記電極の一方を兼
ねるとともに該真空処理室内で処理される試料を載置す
る試料載置面を有する試料台と、前記真空処理室を減圧
する減圧手段とを有するプラズマ処理装置において、前
記一対の電極間に１０ＭＨｚないし３００ＭＨｚの高周
波電力を印加する高周波電源と、前記一対の電極の少な
くとも一方のプラズマに接する面において前記高周波電
源により生じる電界と交差する方向に１００ガウス以下
の範囲で任意に制御可能な強度の静磁場もしくは低周波
磁場を形成する磁場形成手段とを備え、また前記磁場形
成手段は、電子共鳴磁場強度において、前記一対の電極
の少なくとも一方のプラズマに接する側の面の近傍の略
全面に対応する位置に前記磁場と前記電界との相互作用
による電子共鳴領域を形成し、また前記の電子共鳴現象
を前記磁場形成手段により制御することにより、プラズ
マ密度・プラズマの電子エネルギー分布・プロセスガス
の解離状態を制御することにある。

【００２３】本発明の他の特徴は、前記磁場形成手段
が、前記高周波電力の周波数ｆに対して、 Ｂｃ（ガウス）＝０．３５７×ｆ（ＭＨｚ） で定義される電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ−Ｓ）磁
場強度Ｂｃ、及び、 Ｂｓ（ガウス）＝Ｂｃ／２（ガウス） で定義される電子シース共鳴（ＥＳＲ）磁場強度Ｂｓに
おいて、前記一対の電極の少なくとも一方のプラズマに
接する側の面の近傍の略全面に対応する位置に前記磁場
と前記電界との相互作用による電子サイクロトロン共鳴
領域または電子シース共鳴領域を形成し、また、前記磁
場形成手段により発生する磁場強度を１００ガウス以下
の範囲で制御可能としたことにある。

【００２４】本発明の他の特徴は、前記電極が、上部、
下部一対の平行平板電極からなり、平行磁場の発生位置
を上部電極板の下面にあわせることにより、前記電子共
鳴の生じる領域を、前記上部電極板の下面シース部のほ
ぼ全面にわたる領域に形成することにある。

【００２５】本発明の他の特徴は、真空処理室と、一対
の電極を含むプラズマ生成手段と、前記電極の一方を兼
ねるとともに該真空処理室内で処理される試料を載置す
る試料載置面を有する試料台と、前記一対の電極間に高
周波電力を印加する高周波電源と、前記真空処理室を減
圧する減圧手段とを有するプラズマ処理装置による試料
のプラズマ処理方法において、前記高周波電源は、前記
一対の電極間に１０ＭＨｚないし３００ＭＨｚの高周波
電力を印加するものであり、前記一対の電極の間隙が１
５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、該一対の電極の少な
くとも一方に接する面において前記高周波電源により生
じる電界と交差する方向に静磁場もしくは低周波磁場を
形成する磁場形成手段を備え、前記一対の電極間に形成
されるプラズマのシース部において、前記磁場形成手段
により、該シースに対して略平行な２ガウス以上１００
ガウス以下の強度の磁場を形成し、該磁場強度を変化さ
せてプラズマ密度・プラズマの電子エネルギー分布・プ
ロセスガスの解離状態を制御して、電子サイクロトロン
共鳴、または電子シース共鳴を生成させ、該両電子共鳴
の程度を制御することにより、前記試料を処理するプラ
ズマ密度・プラズマの電子エネルギー分布・プロセスガ
スの解離状態を制御することにある。

【００２６】本発明によれば、２種類の電子共鳴（ＥＣ
Ｒ−Ｓ、ＥＳＲ）の大きさを調整することにより、プラ
ズマの分布を制御できる。すなわち、電子共鳴の領域が
電極の略全面に対応する位置に形成されるために、プラ
ズマ状態やエッチングガス解離状態の制御が、プラズマ
中の局所的な領域ではなくプラズマ全体やウエハ全面に
わたる広い範囲にわたって可能であるために、大口径の
ウエハに対してもエッチングレートや選択比の均一性を
確保しやすい利点がある。

【００２７】また、本発明によれば、１０ＭＨｚないし
３００ＭＨｚ、望ましくは４０ＭＨｚないし１５０ＭＨ
ｚの周波数に対応する電子共鳴現象を用いているため
に、ドリフトを生じさせるような１００ガウス以上の強
い磁場を用いることなく、プラズマの状態やエッチング
ガスの解離状態の制御が可能である。従って、ウエハ上
の電位の偏りに起因するダメージや、これをさけるため
の勾配磁場の設計にともなう困難さがない。

【００２８】また、本発明によれば、磁場によりプラズ
マ状態を制御できるので、プロセスマージンを広く採る
ことのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を
実現できる。

【００２９】また、本発明によれば、プラズマ状態やエ
ッチングガス解離状態の制御が、酸素ガスの添加によら
ずに可能であるため、酸化膜エッチングの場合にも、Ｃ
Ｏなどの酸素を含む分子を用いた終点検出が可能であ
り、しかも高選択で精度の高いエッチングが実現でき
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面に基づいて説明する。

【００３１】図１は、本発明をプラズマエッチング装置
へ適用した実施例を示すもので、当該プラズマエッチン
グ装置の断面模式図である。図１において、処理室１０
はたとえば１０^ー6Ｔｏｒｒ程度の真空度を達成可能な真
空容器であり、その内部には一対の対向する電極、すな
わち上部電極２０と下部電極３０を備えており、両者で
平行平板電極を構成している。処理室１０は接地線１１
により接地され、上部電極２０、下部電極３０は、たと
えばセラミックなどの上部電極絶縁体２１、下部電極絶
縁体３１により、それぞれ処理室１０と絶縁されてい
る。

【００３２】上部電極２０は、その下側表面に上部電極
板２２を備えており、またその内部にガス分散板２３を
備えたガス導入室２４が設けられている。試料のエッチ
ング等の処理に必要なガスは、複数のガス供給源・バル
ブ・流量制御手段（いずれも図示していない）からなる
ガス供給手段２５から、所定の流量と混合比をもってガ
ス導入室２４に供給され、ガス拡散板２３の開口部と上
部電極２０および上部電極板２２に設けられた孔によっ
て所定の分布に制御された上で、処理室１０に供給され
る。一方、処理室１０は、バルブ・圧力制御手段・真空
ポンプ（いずれも図示していない）からなる真空排気系
１２により真空排気されて、処理室１０の内部が所定の
処理圧力に調整される。なお、処理室１０には、エッチ
ング処理の終了を検出する終点検出装置１４が、ビュー
ポート１５を通して処理室１０内部の状態を検出できる
ように取り付けられている。

【００３３】一方、処理室１０の下部には、上部電極２
０に対向して下部電極３０が設けられている。下部電極
３０は双極式の静電吸着装置４０により、その上面、す
なわち試料載置面４１に試料４２を載置保持する。すな
わち、下部電極３０は、外側の第１下部電極３０Ａと、
その内側上方に絶縁体３２を介して配置された第２下部
電極３０Ｂによって構成され、さらに第１下部電極３０
Ａと第２下部電極３０Ｂの上面には静電吸着用誘電体層
（以下、静電吸着膜と略称する）３３が設けられてい
る。下部電極３０Ａと第２下部電極３０Ｂは、それぞれ
高周波成分カット用のフィルタ３５Ａ、３５Ｂを介して
直流電源３６が接続されており、第２下部電極３５Ｂ側
が正になるように数１００Ｖ〜数ｋＶの直流電圧を印加
する。これにより、静電吸着膜３３を介して試料４２と
下部電極３０間に作用するクーロン力により、試料４２
が下部電極３０上に吸着、保持される。静電吸着膜３３
としては、たとえば酸化アルミニウムや酸化アルミニウ
ムにチタン酸化物を混合した誘電体を用いる。

【００３４】なお、本実施例では、双極式の静電吸着装
置を例に用いて説明したが、例えば単極式や多極式など
の他の方式の静電吸着装置でもよい。

【００３５】上下電極の間隔、すなわち上部電極２０の
上部電極板２２の下面と下部電極３０の静電吸着装置４
０の上面である試料載置面４１の間の距離は、１５ｍｍ
以上１００ｍｍ以下、望ましくは２０ｍｍ以上５０ｍｍ
以下とする。

【００３６】処理室１０は、たとえばアルミニウムなど
の金属からなる真空容器であり、図示していない温度制
御手段を用いてその内部表面の温度をたとえば２０℃か
ら１５０℃の範囲で変化させることにより、処理室１０
内部の表面における化学反応や反応生成物の堆積を制御
する。

【００３７】また、上部電極２０と下部電極３０も図示
していない温度制御手段により制御され、上部電極板２
２や試料４２の温度を所定の温度に保って、その表面に
おける化学反応を制御する。さらに下部電極３０には、
静電吸着装置４０と試料４２の間に不活性ガス、たとえ
ばＨｅガスが、所定の流量と圧力に設定されて供給され
ており、静電吸着装置４０と試料４２との間の熱伝達性
を高めている。

【００３８】処理室１０の内部表面は処理室内面カバー
１３により被覆され、処理室１０の内部表面の金属部が
プラズマに対して露出しない構成となっている。また、
上部電極２０、上部電極絶縁体２１、および下部電極３
０、下部電極絶縁体３１の表面もそれぞれ上部電極カバ
ー２６、下部電極カバー３４により被覆されて、プラズ
マに対して露出しない。これらの処理室内面カバー１
３、上部電極カバー２６、下部電極カバー３４は、プラ
ズマに対して耐性の高い、たとえばＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓ
ｉ、石英、あるいはたとえばアルマイト処理やアルミ溶
射膜形成を施したアルミニウム、あるいはたとえばポリ
イミド系の樹脂コーティングを施したアルミニウム、に
より構成される。これらのカバーは容易に交換可能な構
造とするとともに、前記の図示していない温度制御手段
により反応生成物の堆積量、すなわち堆積膜の厚みまた
は堆積速度を一定に制御して、プラズマへの露出にとも
なう表面損傷をさけるように維持することにより、交換
の間隔を長期化して、装置メンテナンスに要する時間と
費用を低減する。

【００３９】上部電極２０には、マッチングボックス
（自動インピーダンス整合装置）２７を介して高周波電
力を供給する高周波電源２８が接続されている。また、
上部電極２０はフィルタ２９を介して接地されており、
このフィルタ２９は上部電極２０の高周波電源２８の周
波数に対しては高インピーダンス、下部電極３０のバイ
アス電源３８の周波数に対しては低インピーダンス、と
なるような周波数特性に設定されている。一方、下部電
極３０（３０Ａ、３０Ｂ）にはマッチングボックス（自
動インピーダンス整合装置）３７を介してバイアス電力
を供給するバイアス電源３８が接続されている。また、
下部電極３０はフィルタ３９を介して接地されており、
このフィルタ３９は、その周波数特性が、下部電極３０
のバイアス電源３８の周波数に対しては高インピーダン
ス、上部電極２０の高周波電源２８の周波数に対しては
低インピーダンスとなるように設定されている。

【００４０】さらに本実施例のプラズマエッチング装置
では、上部電極２０の外周部に磁場形成手段５０を設け
ている。磁場形成手段５０は電磁コイル５１と外周ヨー
ク５２、コイルヨーク５３を備えており、また電磁コイ
ル５１にはコイル電源５４が接続されている。磁場形成
手段５０は、上部電極板２２の下面と下部電極３０の静
電吸着装置４０の上面すなわち試料載置面４１の少なく
とも一方に、電極面に対して平行な磁場を形成するよう
に構成されている。

【００４１】ここで、上部電極２０、下部電極３０の周
波数および磁場形成手段により発生する磁場強度の関係
は次のように設定する。まず、上部電極２０に印加する
プラズマ発生用の高周波の周波数は、１０ＭＨｚ〜３０
０ＭＨｚ、望ましくは４０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの範囲
とし、また工業用周波数１３.５６ＭＨｚの整数倍から
選択するのが望ましい。下部電極のバイアス電源の周波
数は、３００ｋＨｚ以上で、かつ上部電極の周波数の１
／４以下とする。たとえば、上部電極の周波数６８ＭＨ
ｚ、下部電極の周波数８００ｋＨｚとする。また、磁場
形成手段により発生する磁場は、１００ガウス以下の範
囲で、望ましくは２ガウスから６０ガウスまでの範囲
で、任意に磁場強度を制御できる静磁場（あるいは１ｋ
Ｈｚ以下の低周波磁場）とする。

【００４２】上記の実施例に示したような装置構成にお
いて、磁場を用いてプラズマ中の電子共鳴現象を制御す
ることにより、プラズマ状態とプロセスガスの解離状態
を制御することが可能となる。図２は、図１のプラズマ
エッチング装置の磁場形成手段による磁場の形成状態と
電子共鳴領域の関係を示した図である。すなわち、図２
は、上下電極間およびその近傍における磁場形成手段５
０による磁場の形成状態、すなわち磁力線６１の分布を
示したものである。

【００４３】本発明はプラズマのシース部における電子
共鳴現象を用いてプラズマ状態を制御するものであり、
この電子共鳴現象はプラズマシース部においてシースに
対して平行な磁場を形成することでもっとも強く生じ
る。そこで、上下電極間においてプラズマシースを形成
する電極に対して平行な磁場を形成することが必要とな
る。ところが、実際の装置では、終点検出装置１４や試
料の搬入機構（図１には示していない）などとの配置と
干渉させないために、磁場形成手段５０は電極間よりも
上方に、すなわち上部電極２０の外周部付近に設置する
必要がある。したがって、電極に対して平行な磁場が形
成される領域は、電磁コイル５１本体の中心よりも低い
位置とする必要がある。このような磁場形成は、図１に
示すように、コイルヨーク５３を電磁コイル５１に対し
て下方に吊下げられたように配置することにより可能と
なる。

【００４４】このように、コイルヨーク５３を電磁コイ
ル５１の内側で下方に突き出して配置することにより、
図２に示したように、電極に対して平行な磁場、すなわ
ち磁力線６１が、コイルヨークの高さで、すなわち電磁
コイル５１本体の中心よりも低い位置において形成され
る。そして、磁場形成手段５０を最適に設計して、さら
に磁場形成手段５０の高さ方向の位置を調整して、図２
に示すように平行磁場の発生位置をたとえば上部電極板
２２の下面にあわせることにより、電子共鳴の生じる領
域は、上部電極板２２の下面シース部のほぼ全面にわた
る領域６２、および下部電極２０の試料載置面のほぼ全
面にわたる領域６３となるため、プラズマ状態を電極面
および試料面の広い面積範囲で磁場により効率よく制御
できる。

【００４５】以下、図３ないし図６の原理説明図と、こ
の原理のシミュレーションによる検証結果である図７〜
図１０を用いて、本発明の原理を説明することとする。

【００４６】平行平板型のプラズマ処理装置では、上下
の電極間に高周波を印加することにより、電極間には垂
直方向に振動電界が発生する。ここで、プラズマ中のポ
テンシャルの変化から考えて、電極間に生じる電界はプ
ラズマのバルク部分では小さくシース部分で大きい。す
なわち、振動電界は、平行平板型の電極近傍のプラズマ
シース部で強く発生することになる。一方、振動電界と
直交する方向に電子共鳴を引き起こす静磁界が印加され
ていると、電子は、磁界と電界との相互作用により共鳴
的に加速されて電子共鳴現象が生じる。

【００４７】ところで磁場による電子共鳴現象として、
一般にマイクロ波の電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：
Electron Cyclotron Resonance）が知られている。これ
は、プラズマを生成する2.45 GHzのマイクロ波の進行方
向に対して875ガウスの磁場を加えることで、磁場の中
を磁力線にそって運動する電子がマイクロ波を共鳴的に
吸収して加速されるものであるが、この場合にはマイク
ロ波の「回転電界」が電子共鳴を生じさせる。

【００４８】一方、本実施例においては、「振動電界」
により電子共鳴が生じるものであるが、この様子を図３
(a)〜(c)に示す。本図はプラズマ（灰色部）とシースの
境界部分でのシース電場による電子の挙動を示したもの
で、磁力線は紙面に対して垂直に奥行方向に向かってい
る。このとき、(a) 電子はシース電界によりシースから
押し出される方向に加速されてバルクプラズマ中で磁力
線のまわりを回転し、(b) シース電界がもっとも小さく
なるときに電子が磁力線のまわりを半回転してバルクプ
ラズマからシースに突入し、(c) 電子がさらに半回転し
たところで再び最大となったシース電界により加速され
る。

【００４９】このようにして、図４に示すように、電子
はプラズマとシースの境界部で磁力線にそって螺旋運動
を行いながら共鳴的に加速されていく。この現象は、磁
場の中を軌道運動する電子がその軌道周波数に等しい周
波数の電磁波を共鳴的に吸収する現象であり、いわゆる
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）であるが、一般的に
用いられているマイクロ波の回転電界によるＥＣＲと区
別して、シースにおける振動電界によるＥＣＲであるこ
とを明示するために、以下ではＥＣＲ−Ｓ（Ｓはシース
の意味）と呼ぶことにする。また、ＥＣＲの共鳴磁場強
度Ｂｃ（ガウス）は、一般に知られているように Ｂｃ＝０．３５７×ｆ ｆ：プラズマ生成用高周波周波数（ＭＨｚ） であるが、これは回転電界に対応した値であり、振動電
界によるＥＣＲ−Ｓの場合には電子の軌道周波数がシフ
トするために、共鳴磁場強度は上記の値よりもやや高い
値をとることが後に実験的に示される。しかし、ここで
は共鳴磁場強度の値として便宜的に前式の定義を用いて
説明を進めることとする。

【００５０】ところで電子が振動電界により加速される
場合、電子の回転速度がＥＣＲ−Ｓの１／２である場合
にも共鳴的な現象が生じる。これを図５(a)〜(c)に示
す。すなわち、(a) 電子はシース電界によりシースから
押し出される方向に加速されてバルクプラズマ中で磁力
線のまわりを回転するが(b) シース電界がもっとも小さ
くなるときには電子は磁力線のまわりを１／４回転して
プラズマ中を運動しており、(c) 電子が磁力線のまわり
を１／２回転してシースに再入射するときに最大となっ
たシース電界によりシースに押し出されて反射するよう
にして共鳴的に加速されていく。

【００５１】この結果、図６に示すように、電子はプラ
ズマとシースの境界部でサイクロイド状の運動を行いな
がら共鳴的に加速されていく。この現象については同軸
円筒チャンバをもちいた基礎的な原理確認が報告されて
おり（Okuno etal, Appl.Phys.Lett 64(13) p1623-162
5）、その記述にしたがって以下、電子シース共鳴（Ｅ
ＳＲ：Electron Sheath Resonance）と呼ぶこととす
る。また、ＥＳＲにおいては電子の回転速度（すなわち
周波数）がＥＣＲ−Ｓの１／２であるから、ＥＳＲの共
鳴磁場強度Ｂｓ（ガウス）はＥＣＲ磁場強度の１／２、
すなわち Ｂｓ＝Ｂｃ／２＝１／２×０．３５７×ｆ ｆ：プラズマ生成用高周波周波数（ＭＨｚ） となる。

【００５２】したがって、平行平板型のプラズマ処理装
置において、上下電極の電極面に水平方向に（すなわち
プラズマシース部に生じる振動電界と直交する方向に）
電子共鳴を生じさせる強度の磁場Ｂｃ、Ｂｓを加えるこ
とにより、電子は、磁界とシース部の振動電界の相互作
用により共鳴的に加速されてＥＣＲ−Ｓ、ＥＳＲの二つ
の電子共鳴現象が生じることになる。そして磁場強度を
変化させることにより、電子共鳴の程度を制御すること
ができ、したがってプラズマ中の電子の状態、すなわち
電子密度と電子のエネルギー分布を制御することが可能
となる。また、プロセスガスの解離はプラズマ中の電子
の状態により変化するので、磁場強度の変化により、プ
ロセスガスの解離状態が制御される。このようにして、
磁場を用いてプラズマ中の電子共鳴現象を制御すること
により、プラズマ状態とプロセスガスの解離状態を制御
することが可能となる。

【００５３】また平行平板型の容量結合プラズマでは、
電子がシース部で加速されて統計的に加熱されることに
よりプラズマ中の電子にエネルギーが受け渡されていく
が、上記のＥＣＲ−Ｓ、ＥＳＲでは、電子がシース部で
共鳴的に加速されるためにシース部分での電子の加速す
なわち統計加熱が効率的に行われるので、プラズマ中の
電子状態を効果的に制御することが可能となる。

【００５４】次に、本実施例の装置構成における上記の
原理、すなわち水平磁場印加によるプラズマ特性とプロ
セスガスの解離状態の変化を、Ａｒガスを用いたシミュ
レーションにより検証した結果を説明する。上部電極２
０の高周波電源２８の周波数の望ましい範囲および磁場
強度との関係については後に詳しく述べることとし、以
下では高周波電源２８の周波数６８ＭＨｚを例にとって
説明する。この場合、ＥＣＲ−Ｓ磁場強度は２４ガウ
ス、ＥＳＲ磁場強度はその半分の１２ガウスである。

【００５５】図７はプラズマ密度の磁場強度による変化
を示す。電極間隔は２０ｍｍ、圧力は０.７Ｐａであ
る。この場合、磁場強度の増加とともにプラズマ密度は
増加し１５ガウスで最大となるが、その後３０ガウス付
近で肩部をもちながら低下し、さらに４０ガウス以上で
また増加に転じる。この挙動は、図７において破線で示
す２つのピーク、すなわちＥＳＲ磁場強度である１２ガ
ウスおよびＥＣＲ−Ｓ磁場強度である２４ガウスを中心
とする２つのピークの重ね合わせとして理解でき、ＥＣ
Ｒ−Ｓ、ＥＳＲによる効果が相互に補完的に作用してプ
ラズマ密度が変化していると考えることができる。した
がって、磁場強度をＥＳＲおよびＥＣＲ磁場強度を含む
範囲で制御することによりプラズマ密度を制御すること
が可能となるわけである。

【００５６】また、プラズマ密度の変化は、ＥＣＲ−
Ｓ、ＥＳＲ磁場強度で鋭いピークをもつのではなく、な
だらかな分布をもっている。これは、ＥＣＲ−Ｓ、ＥＳ
Ｒの電子共鳴が、共鳴磁場強度付近の狭い範囲でのみ生
じるのでなく、ある程度の磁場強度の幅をもって生じる
ことを示しており、このような特性は制御しやすい、す
なわち制御性にすぐれた利点となる。また、電極面の全
面にわたって広い範囲で完全に均一な磁場を形成しなく
とも、ある程度までの磁場強度分布であれば、電子共鳴
が局在化することなく広い領域で生じるため、プラズマ
密度分布やプロセスガスの解離が局所的な分布をもつこ
とがないので、均一性に悪影響を及ぼしにくい。

【００５７】ところで、磁場の効果は、単にプラズマ密
度の制御にとどまるものではなく、磁場強度の制御によ
りプラズマ中の電子のエネルギー分布やプロセスガスの
解離の状態をも制御することが可能となる。

【００５８】図８はプラズマの電子エネルギー分布の磁
場による変化を計算した結果である。計算条件は図７と
同じである。図中、実線は磁場を印加しないときの、破
線はＥＣＲ−Ｓ磁場強度に対応する２４ガウスの磁場を
印加したときの、それぞれの電子エネルギー分布を示
す。この結果から、２４ガウスの磁場印加により、５ｅ
Ｖ以下の低エネルギーの電子が減少し、５〜２０ｅＶの
電子が斜線で示したように増加しており、プラズマの電
子エネルギー分布すなわちプラズマの状態が変化するこ
とがわかる。ここでは示していないが、本発明者らは、
上記の電子エネルギー分布の変化が磁場強度に応じて連
続的に生じることをシミュレーションにより確認してお
り、したがって磁場強度を制御することにより、プラズ
マの電子エネルギー分布すなわちプラズマ状態を連続的
に制御できることがわかる。また、上記のように磁場印
加による電子エネルギー分布の変化は５〜２０ｅＶで顕
著であるが、このエネルギー範囲の電子はプロセスガス
を解離させるので、ＥＣＲ−Ｓ強度の磁場によりプロセ
スガスの解離状態が効率よく制御できることになる。

【００５９】次に、磁場印加によるプラズマ状態の制御
がプロセスガスの解離やエッチング特性の変化にどのよ
うに影響するかを検討する。ガスの解離やエッチングは
イオンとラジカルの生成量に大きく支配される。そこ
で、イオンとラジカルの生成効率を評価するために、Ａ
ｒの電子エネルギー分布と衝突断面積とから、Ａｒガス
のイオン化衝突・励起衝突の頻度を計算した。ここで、
イオン化衝突とは電子とＡｒガスが衝突してＡｒガスが
イオン化される衝突過程、励起衝突とは電子とＡｒガス
が衝突してＡｒガスが励起される衝突過程、をそれぞれ
意味する。すなわち、 イオン化衝突：ｅ^-＋Ａｒ→ｅ^-＋ｅ^-＋Ａｒ^＋ 励起衝突： ｅ^-＋Ａｒ→ｅ^-＋ｅ^-＋Ａｒ^＊ である。したがって、イオン化衝突（または励起衝突）
の頻度はイオン化（または励起）の効率を示す指標であ
ると考えられる。

【００６０】図９は、磁場を変化させたときのＡｒのイ
オン化衝突の頻度の電子エネルギーに対する依存性を示
したものである。同様に、磁場を変化させたときのＡｒ
の励起衝突の頻度の電子エネルギーに対する依存性を示
したのが図１０である。両図の中で、実線は無磁場、一
点鎖線はＥＳＲ磁場強度（１２ガウス）、破線はＥＣＲ
−Ｓ磁場強度（２４ガウス）での、それぞれのイオン化
衝突（図９）または励起衝突（図１０）の頻度を示して
いる。図９に示されるように、磁場を加えることにより
イオン化衝突の頻度のピークは低電子エネルギー側にシ
フトする。イオンの生成効率は各グラフの積分により比
較できるが、無磁場に比べて特にＥＳＲでイオン化効率
が増加していることがわかる。また、図１０からわかる
ように、励起衝突の頻度が、ＥＣＲ−Ｓ、ＥＳＲにより
無磁場に比べて約２倍近くにまで増加している。これら
の結果から、イオンおよびラジカルの生成量が磁場によ
り制御できることがわかる。したがって、磁場強度を無
磁場からＥＳＲ磁場強度、またはさらにＥＣＲ−Ｓ磁場
強度を含む範囲で変化させることにより、イオン化効率
と励起効率の比率、すなわちプラズマ中のイオンとラジ
カルの比を制御するようにプラズマ状態を制御すること
も可能である。

【００６１】このように本発明の特徴は、シース部にお
ける磁場と電界の相互作用による電子共鳴現象を用いる
ことにより、ドリフトを生じさせないような、たかだか
数１０ガウスの磁場によってプラズマの状態を効率的に
制御できることにある。さらに、電子共鳴現象は電極面
のシース部の広い領域にわたって生じるので、プラズマ
の密度や解離状態を、局所的な分布を生じさせることな
く、プラズマ全体やウエハ全面にわたる広い範囲で一様
に制御できることも大きな利点である。

【００６２】ここで、上記の実施例によるプラズマエッ
チング装置とマグネトロン型のＭ−ＲＩＥとの違いを考
察する。すでに述べたように、Ｍ−ＲＩＥでは電子が磁
力線にそってまきつくようにサイクロトロン運動をする
ことで、電子の衝突確率が増大して低圧力でも高密度の
プラズマが生成可能となる。しかし、 M−ＲＩＥは強磁
場によって電子を拘束するものであり、電子の共鳴現象
を用いるものではないため、電子の加速が効率的には行
われない。そして電子を拘束するためには少なくとも１
００ガウス程度の強い磁場が必要であり、これに起因し
てプラズマ密度のドリフトやウエハ上の電位の偏りによ
るダメージが発生するので、たとえば磁場を回転させた
り、あるいは磁場に勾配を設けたりすることが必要とな
る。また磁場の漏洩に対する対策も十分に行う必要があ
る。一方、上記の実施例によるプラズマエッチング装置
では、ＥＣＲ−ＳとＥＳＲの二つの電子共鳴現象を用い
ており、電子が効率的に加速される。このとき必要な磁
場強度はドリフトの影響が現れ始めてくる６０ガウス以
下で良い。

【００６３】したがって、ドリフトによるプラズマ密度
の不均一やウエハ上の電位の偏りは生じないので、磁場
強度は均一とすればよい。また磁場強度が小さいので磁
場を発生する電磁コイルも小型でよく、磁場の漏洩に対
する対策も容易となる。

【００６４】ところで、ＥＣＲ−ＳやＥＳＲの電子共鳴
は、低圧力ほど電子と気相中の分子の衝突が生じにく
く、共鳴現象の効果が大きく現れやすい。シミュレーシ
ョンの結果でも、磁場によるプラズマ密度の増加の効果
は２Ｐａ以下で特に強く現れている。一方、半導体デバ
イスの高集積化にともなって微細加工性が要求されてい
るが、数Ｐａ以下の低圧力領域では、プラズマ中におけ
る分子衝突頻度が減少してイオンやラジカルの方向性が
増すために、微細加工性が向上する。また、本発明者ら
の計算によれば、２Ｐａ以下ではイオンエネルギーが単
色化される効果もある。したがって、電子共鳴が効果的
に生じる圧力領域は、今後必要とされる微細加工性のた
めにも望ましい方向である。

【００６５】これまでに説明したように、本発明はプラ
ズマのシース部における電子共鳴現象を用いてプラズマ
状態を制御するものであり、この電子共鳴現象はプラズ
マシース部においてシースに対して平行な磁場を形成す
ることでもっとも強く生じる。

【００６６】本発明の他の実施例によれば、上下電極間
においてプラズマシースを形成する電極に対して平行な
磁場を形成するとともに、磁場形成手段５０の高さ方向
の位置を調整することにより、電子共鳴の生じる領域の
大きさを変化させられるので、プラズマやガス解離の状
態の面内分布を制御することができる。例えば、図１１
のように、磁場形成手段５０を図１よりも上方に配置す
れば、上部電極板２２の下面にはやや下向きの湾曲磁場
６１’が形成されるので、上部電極板２２のシース部に
おける平行磁場の領域は中心付近に限定されて、斜線で
示したように上部電極板下面の主に中心部分の領域６
２’、および下部電極２０の試料載置面の中心付近の領
域６３’で電子共鳴が生じる。このように磁場形成手段
５０の高さ方向の位置を調整することで、電子共鳴の生
じる領域の大きさを制御して、プラズマ状態の変化の程
度を調整することができる。ところで、前に述べたよう
に、一般に平行平板型のプラズマ処理装置では、電極の
外縁部に電界強度の高い部分が生じるため、プラズマ密
度は、電極外周で高く中心で低くなる傾向にある。とこ
ろが、上記のように、電子共鳴は電極の中心付近の領域
６２’、および下部電極２０の試料載置面の中心付近の
領域６３’で生じ、しかも電子共鳴の生じる領域の大き
さは磁場により制御することができる。したがって、磁
場形成手段５０の高さ方向の位置を調整し、かつ磁場強
度を変化させることにより、プラズマ状態だけでなく、
プラズマ密度の均一性をも制御することが可能となる。

【００６７】次に、磁場形成手段５０の構成とこれによ
り発生する磁場の平面内での磁場パターンを図１２〜図
１４を用いて説明する。

【００６８】図１２は、電磁コイル５１と外周ヨーク５
２、コイルヨーク５３の配置がわかりやすいように、磁
場形成手段５０を上方から見たものである。電磁コイル
５１は、くら型に湾曲した６個の電磁コイル５１Ａ〜５
１Ｆが上部電極２０（ここでは図示していない）に対し
て同心円状にかつ軸対称に配置され、それぞれコイル電
源５４Ａ〜５４Ｆに接続される。また、ヨークは、外周
ヨーク５２は６個の電磁コイル５１Ａ〜５１Ｆの外周を
とり囲むように設置され、一方、コイルヨーク５３は６
個のコイルそれぞれに対応する形で５３Ａ〜５３Ｆが分
割して配置される。そして電磁コイル５１を、たとえば
５１Ａ−５１Ｄ、５１Ｂ−５１Ｅ、５１Ｃ−５１Ｆとい
うように線対称に組合わせて、５１Ａから５１Ｄ、５１
Ｂから５１Ｅ、５１Ｃから５１Ｆに向かうような磁場を
発生することで、全体として図１２の上で左から右に向
かう磁場が発生する。

【００６９】なお、図１２ではくら型に湾曲した電磁コ
イルを用いており、この場合磁場形成手段５０の外径を
小さく内径を大きくとることができる。一方、湾曲した
電磁コイルのかわりに角形の電磁コイルを用いてもよ
く、この場合、製作が容易であり、磁場形成手段５０を
低コストで製作することが可能となる。

【００７０】また、コイルの組合せを、５１Ｄ−５１
Ｅ、５１Ａ−５１Ｆ、５１Ｂ−５１Ｃ、さらに５１Ｅ−
５１Ｆ、５１Ｄ−５１Ｃ、５１Ａ−５１Ｂというように
順々に連続的に変えていくことにより、磁場を回転させ
ることも可能である。また、ここではわかりやすいよう
に、６個の電磁コイルが６台のコイル電源に接続される
として説明したが、もちろん、６個の電磁コイルを駆動
回路を用いて１台のコイル電源により駆動してもよい。
また、ここでは電磁コイル５１の個数を６個として説明
したが、電磁コイルは２個を一組として組み合わせるの
で、偶数個であればよい。

【００７１】さらに、６個のコイルに流す電流の比を変
えることで、磁場のパターンを変化させることも可能で
ある。図１３〜図１５は、電磁コイルの組合せを５１Ａ
−５１Ｄ、５１Ｂ−５１Ｅ、５１Ｃ−５１Ｆとした場合
について、それぞれの電流値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の比を変
えた場合の磁力線分布、すなわち磁場パターンを示して
いる。図中の破線は、試料４２の領域の大きさを示して
いる。図１３は、Ｉ１：Ｉ２：Ｉ３＝１：１：１、すな
わち各組のコイルに同じ電流を流した場合であり、この
場合発散型の磁場パターンが得られる。一方、図１４
は、Ｉ１：Ｉ２：Ｉ３＝０：１：０、すなわち上下のコ
イル（５１Ａ−５１Ｄ、５１Ｃ−５１Ｆ）には電流を流
さない場合であり、この場合ミラー型の磁場パターンが
得られる。また図１５は、Ｉ１：Ｉ２：Ｉ３＝１：２：
１とした場合であり、図１３と図１４の中間的な、ほぼ
平行な磁場パターンが得られる。後に示すように、この
ような磁場のパターンの違いにより、プラズマ状態の変
化の様子が異なることを実験的に確認している。

【００７２】本実施例によるプラズマエッチング装置は
以上のように構成されており、このプラズマエッチング
装置を用いて、たとえばシリコン酸化膜のエッチングを
行う場合の具体的なプロセスを、再び図１を用いて説明
する。

【００７３】まず、処理の対象物であるウエハ４１は、
図示していない試料搬入機構から処理室１０に搬入され
た後、下部電極３０の上に載置され、静電吸着装置４０
により吸着される。そして、処理室１０内は真空排気系
１２により真空排気されていく。一方、試料４２のエッ
チング処理に必要なガス、たとえばＣ４Ｆ８とＡｒが、
ガス供給手段２５から、所定の流量と混合比、たとえば
Ａｒ流量２００ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８流量１０ｓｃｃｍを
もって、ガス導入室２４に供給され、ガス分散板２３と
上部電極２０および上部電極板２２に設けられた孔を通
過して所定の分布に制御されて処理室１０に供給され
る。同時に、処理室１０は、真空排気系１２に備えられ
た真空ポンプと圧力制御手段（図示していない）によ
り、処理室１０の内部が所定の処理圧力、例えば０.４
〜４.０Ｐａ（パスカル）になるように圧力が調整され
る。他方、磁場制御手段５０により、電極間に所定の強
度の平行な磁場が形成される。次に、高周波電源２８よ
り６８ＭＨｚの高周波電力を出力して、処理室１０の処
理ガスをプラズマ化して解離によりイオン・ラジカルを
発生させるとともに、バイアス電源３８により試料にバ
イアスをかけてエッチングをおこなう。このとき磁場制
御手段５０により発生する磁場強度および磁場分布は、
圧力や流量などのプロセス条件に応じて所定の値に設定
され、プラズマ中の電子共鳴の状態やプラズマ密度およ
び分布、さらに処理ガスの解離状態を適切に制御する。
また、エッチング中は、磁場形成手段５０により、たと
えば５ｒｐｍ〜３０ｒｐｍの速度で、磁場を回転させ
る。さらに、エッチングの進行に応じて、磁場強度を変
化させてもよい。そして、処理室１０に設けられた終点
検出装置１４にりよりエッチング終了を検出して、ある
いはエッチング処理の一定時間後に、高周波電力・バイ
アス電力・処理ガスの供給を停止してエッチングを終了
する。

【００７４】次に、本実施例で示したプラズマエッチン
グ装置において、磁場によるプラズマ状態やエッチング
特性の制御の効果を実験的に評価した結果を示す。

【００７５】まず、磁場強度によるプラズマ特性の変化
をＡｒ／Ｃ４Ｆ８のプロセスガスを用いてイオン電流密
度およびプラズマ発光により評価した結果を図１６、図
１７に示す。プロセスガスは、流量比Ａｒ／Ｃ４Ｆ８
２００／６ｓｃｃｍの混合ガスであり、電極間隔は３０
ｍｍ、処理圧力は１Ｐａである。図１６はイオン電流密
度の変化を示しており、ＥＳＲ磁場強度である１２ガウ
スおよび３０〜３６ガウス付近にピークをもち、４０ガ
ウス以上では漸増していくが、この全体的な傾向は図６
に示した磁場強度によるプラズマ密度の変化のシミュレ
ーション結果に定性的に一致している。次に、磁場強度
によるプラズマ特性の変化をＡｒ原子、Ａｒイオンの発
光により評価した結果を図１７に示す。図１７で実線は
Ａｒ原子の発光（波長452.2 nm）を、破線はＡｒイオン
の発光（波長461.0 nm）を示す。おのおのの発光の励起
エネルギーは次のとおりである。

【００７６】 Ａｒ原子線 １４．４６ｅＶ Ａｒイオン線 ２１．１４ｅＶ したがって、Ａｒ原子線は１４．４６ｅＶ以上の、Ａｒ
イオン線は２１．１４ｅＶ以上のエネルギーをもつ電子
の状態を定性的に示しており、これらの発光強度の変化
はプラズマのおよそ１５〜２０ｅＶ以上のエネルギーの
電子の状態の変化を定性的に反映していると考えられ
る。図１７でわかるように、Ａｒ原子の発光強度は磁場
強度の増加とともに漸増していくが、一方Ａｒイオンの
発光強度はＥＳＲに相当する約１２ガウスまで増加した
後に低下に転じ、以後漸減する。この結果から、プラズ
マの状態は磁場強度の増加とともに一様に変化するので
はなく、ＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓ磁場強度で共鳴的に変化す
ることがわかる。なお、ＥＣＲ磁場強度Ｂｃは計算上は
２４ガウスであるが、先に述べたように、この値は回転
電界に対応したものであり、振動電界によるＥＣＲ−Ｓ
の場合にはやや高い値をとるために共鳴磁場強度が約３
０〜３６ガウスになっているものと考える。

【００７７】次に、エッチング用のプロセスガスの解離
状態、すなわちラジカルの生成状態の磁場による変化を
計測した結果を図１８に示す。プロセスガスは、流量比
Ａｒ／Ｃ４Ｆ８／Ｏ２ ５００／１２／１０ｓｃｃｍの
混合ガスであり、このガスの解離状態をＣＦ_２、ＣＦお
よびＦの発光強度により計測した。 電極間隔は３０ｍ
ｍ、処理圧力は１Ｐａである。Ｆの発光強度は磁場強度
の増加とともにＥＳＲ磁場強度である約１２ガウスで急
激に立ち上がり、約４０ガウスを越えるまで単調増加分
に対して山をもったような形で推移する。このような挙
動は、図中に示すように、ＥＳＲとＥＣＲ−Ｓの二つの
共鳴による効果が相互に補完的に作用した結果と考えら
れる。一方、ＣＦ_２やＣＦは磁場強度が増加しても発光
強度がほとんど変化しない。したがって、磁場によりＦ
ラジカルとＣＦ_２ラジカル_、ＣＦラジカルの成分比を変
化させる、いわばラジカルの単色制御が可能なことがわ
かる。

【００７８】このような単色的な解離状態の変化は、た
とえば電力や圧力・流量などのプロセスパラメータを変
化させても得られない。たとえば図１９は高周波電力を
変化させたときのＣＦ２、Ｆの発光強度の変化を示して
いるが、ＣＦ２、Ｆとも発光強度は同じような傾向をも
って増加しており、磁場のようなラジカルの単色制御の
効果は得られない。

【００７９】このようなラジカル成分比の変化によりエ
ッチング特性も変化することが容易に予想されるが、こ
れを実験により確認した結果を図２０〜図２３により示
す。試料は、Ｓｉウエハ上に酸化膜（厚さ約２．４μ
m）・レジスト膜（厚さ約０．７μm）を形成し、０．２
８μm 〜０．４０μm径のホールを加工したウエハであ
り、エッチング条件は図１８と同一である。

【００８０】図２０は、ホールのエッチング形状の磁場
による改善の効果を示したものであり、０．３μmのホ
ールの断面のＳＥＭ写真を模式的に示したものを（ａ）
磁場を印加しない場合と（ｂ）３０ガウスの磁場を印加
した場合（ＥＣＲ−Ｓに相当）を比較しているが、これ
で明らかなように、磁場の印加によりホール内壁の垂直
度と底部の開口性が向上して、ホールの抜け性・加工性
が改善されている。これは磁場印加によりラジカル成分
比Ｆ／ＣＦ２が大きくなった効果と考えられる。

【００８１】図２１は同じく３０ガウスの磁場を印加し
た場合（実線）と磁場を印加しない場合（破線）につい
て、０．２８μm 〜０．４０μmの各ホールサイズ（ホ
ール径）に対するホール底部の開口径をプロットした図
であるが、磁場を印加することにより、底部開口径がホ
ール径と一致する点線の方向に近づいており、ホール底
部での形状が０．２８μm 〜０．４０μmのいずれにつ
いても改善されている。

【００８２】また、図２２はマイクロローディング（小
さい径のホールでエッチングレートが低下する現象）の
磁場による改善効果を示したものである。ここではフラ
ットサンプルでのエッチングレートを基準にした相対値
を、プロットしており、点線（＝１.０）に近いほど、
マイクロローディングが小さいことを意味している。こ
の図より、３０ガウスのＥＣＲ−Ｓ強度の磁場を印加し
た場合（実線）には磁場を印加しない場合（破線）に比
べて、マイクロローディングが小さくなっており、マイ
クロローディングが磁場により抑制されていることがわ
かる。

【００８３】さらに図２３は磁場によるエッチングレー
トの均一性の向上の効果を示しており、中心と外周にお
けるエッチングレートの比（外周／中心）を、磁場印加
（３０ガウス）（実線）と磁場印加なし（破線）につい
て比較している。いずれのホール径でも、磁場を印加し
たほうが中心と外周でのエッチングレートの差が小さく
なっており、磁場印加によりエッチングレートの均一性
が向上していることがわかる。これは、無磁場では電極
外縁部のエッジ効果により外周部でイオン電流密度が低
下するために外周部での抜け性が中心部に比べて低下し
ていたものが、磁場を加えることによりウエハ面全体に
わたってイオン電流密度が増加し、抜け性が向上した結
果と考えられる。

【００８４】ところで、上に示した結果は、図１３に示
すような発散型の磁場パターンについて得られた結果で
あった。一方、図１５に示すようなミラー型の磁場につ
いては、Ｆ、ＣＦ２ラジカルの発光強度の磁場による変
化は、ＣＦ２については発散型と同様にほぼ一定である
が、Ｆについては図１８に示した破線のようにほぼリニ
アに増加していく。したがって、磁場パターンを変化さ
せることにより、ラジカル成分比を制御することが可能
となる。

【００８５】このように、本実施例で示したプラズマエ
ッチング装置においては、シース部における磁場と電界
の相互作用による電子共鳴現象を用いることにより、ド
リフトを生じさせないような、１００ガウス以下、望ま
しくは２ガウスから６０ガウスまでの範囲で磁場強度や
磁場パターンを制御することにより、プラズマの解離状
態やラジカル成分比、あるいはプラズマ密度や分布を制
御することができる。そして、磁場の効果により、ホー
ルのエッチング形状、マイクロローディング、エッチン
グレートの均一性を改善することが可能となる。さら
に、本発明では電子共鳴現象が電極面のシース部の広い
領域にわたって生じるので、プラズマの密度や解離状態
を、局所的な分布を生じさせることなく、プラズマ全体
やウエハ全面にわたる広い範囲で一様に制御できる。

【００８６】また、従来技術の項で説明したように、Ｒ
ＩＥ法やＭ−ＲＩＥ法ではプロセスガスに微量の酸素ガ
スを添加してラジカル成分比を変化させることでエッチ
ング特性を変化させること、たとえば抜け性を改善させ
たりすることが行われている。これは、たとえば圧力や
ガス流量といったプロセス条件を変化させると、プロセ
スウインドウからはずれてしまい、たとえば均一性が悪
化したりしてしまうためである。しかし、酸素ガスを添
加すると、たとえば酸化膜エッチングの場合には、Ｓｉ
Ｏ２のエッチング終了にともなうＣＯ分子を用いた終点
検出が行えない欠点がある。また，特にＳＡＣエッチン
グでは，酸素ガス添加により窒化膜がエッチングされる
ために酸化膜／窒化膜選択比が高くとりにくい。

【００８７】ところが、これまでに説明したように、磁
場印加の制御は、プラズマの状態やエッチングガスの解
離を制御できるあらたな手段として有効であり、プロセ
ス条件を最適化することで、均一性を維持しつつラジカ
ル成分比すなわちエッチング特性を変化させることが可
能となる。したがって、酸素ガスを添加することなくエ
ッチング特性を変化させることができ、ＣＯのような酸
素を含む分子を用いた終点検出が可能となり、ＳＡＣエ
ッチングの場合にも高い選択比を実現してプロセスマー
ジンを広げ、エッチングの高精度化をはかることができ
る。

【００８８】次に、上部電極２０に印加する高周波の周
波数と磁場形成手段５０により形成される磁場強度の関
係を考察する。上記の実施例で示したプラズマエッチン
グ装置を平行平板型の容量結合プラズマとしてみた場
合、上部電極２０に印加する高周波の周波数は、工業用
周波数である１３.５６ＭＨｚの整数倍が望ましいもの
の、ＲＦ帯域からＶＨＦ帯域の、たとえば１０ＭＨｚ〜
３００ＭＨｚの範囲から選べばよい。一方、先に述べた
ように、ＥＣＲ−Ｓ、ＥＳＲ磁場強度Ｂｃ、Ｂｓ（ガウ
ス）は、次式で表わされる。

【００８９】 Ｂｃ＝０．３５７×ｆ Ｂｓ＝Ｂｃ／２＝１／２×０．３５７×ｆ ｆ：プラズマ生成用高周波周波数（ＭＨｚ） ここで、いくつかの周波数ｆについてＢｓ、Ｂｃを表で
示すと次のようである。

【００９０】 ｆ（ＭＨｚ） Ｂｓ（Ｇ） Ｂｃ（Ｇ） １３．６ ２．４ ４．８ ２７ ５ １０ ４０ ７ １４ ６８ １２ ２４ １００ １８ ３６ １５０ ２７ ５４ ２００ ３６ ７２ ３００ ５４ １０８ 先に述べたように、磁場を無磁場からＥＳＲ磁場強度、
またはさらにＥＣＲ−Ｓ磁場強度を含む範囲で変化させ
ることによりプラズマ状態を制御できる。しかし、ｆ＝
１０ＭＨｚ以下ではＥＳＲ磁場強度、ＥＣＲ―Ｓ磁場強
度は１〜数ガウス以下となり、磁場が弱すぎるために外
乱の影響を受けやすく電子状態の制御が難しい。また、
ＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓの原理からわかるように電子は周波
数ｆに同期して運動するわけであるが、ＥＳＲ、ＥＣＲ
−Ｓの効果が現れるのはｆ＝６８ＭＨｚでおよそ１Pa程
度であり、ｆ＝１０ＭＨｚ以下では電子の運動の周波数
が低すぎるために、ＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓの効果が現れる
のはおよそ０．１Ｐａ以下の低い圧力範囲に限られてし
まう。したがってプラズマ生成用高周波の周波数ｆは１
０ＭＨｚ以上が必要である。また、周波数ｆを４０ＭＨ
ｚ以上とすれば、磁場の制御範囲は数ガウス〜１０ガウ
ス以上となり、磁場の制御性がよくなる。またＥＳＲ、
ＥＣＲ−Ｓの効果が現れる圧力もおよそ０．５Ｐａ以上
の範囲となる。したがってプラズマ生成用高周波の周波
数ｆは４０ＭＨｚ以上とするのが望ましい。

【００９１】他方、たとえばｆ＝３００ＭＨｚの場合、
ＥＳＲ磁場強度は５４ガウス、ＥＣＲ−Ｓ磁場強度は１
０８ガウスとなるが、先にＭ−ＲＩＥ法およびＭＥＲＩ
Ｅ法の課題で述べたように、磁場強度がおよそ５０〜６
０ガウスを越えると、ドリフト（Ｅ×Ｂドリフト）が現
れはじめ、１００ガウス以上ではドリフトの影響が顕著
となってプラズマ密度に偏りが生じたり、ウエハ上の電
位が偏ってウエハにダメージが発生したりする。したが
って、磁場形成手段により発生する磁場の強度は、１０
０ガウス以下、より好ましくは６０ガウス以下の範囲で
任意に制御するのが望ましく、この場合プラズマ生成用
高周波の周波数ｆを３００ＭＨｚ以下とすれば、６０ガ
ウス以下の範囲ではＥＳＲを、１００ガウス以下の範囲
ではＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓの両方を含めたかたちで、プラ
ズマ状態の制御が可能となる。さらに、周波数ｆを１５
０ＭＨｚ以下とすれば、ドリフトの影響がさほど大きく
ない６０ガウス以下の範囲でＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓの両方
によりプラズマ状態の制御が可能となる。したがって、
プラズマ生成用高周波の周波数ｆは１５０ＭＨｚ以下と
するのが望ましい。

【００９２】また，ＥＳＲの効果はＥＳＲ磁場強度のお
よそ１／３以下では小さくなる。ＥＳＲの大きさの程度
によってプラズマ状態を制御するには，たとえば周波数
４０ＭＨｚの場合，ＥＳＲ磁場強度７ガウスから考え
て，磁場強度をおよそ２ガウス以上の範囲で制御すれば
よい。したがって磁場形成手段は２ガウス以上の磁場を
発生させるものとする。もちろん，磁場形成手段のコイ
ル電流を０Ａとすれば磁場は発生しないので，無磁場ま
で含めて磁場範囲を制御してもよい。

【００９３】上記の磁場によるプラズマ状態の変化の周
波数による違いを概念的にまとめたのが図２４である。
ここでは例として、図１８に示したＣＦ２およびＦの発
光強度によるガスの解離状態の変化をもとにして、磁場
強度０〜１００ガウスの範囲での発光強度の比Ｆ／ＣＦ
２の変化を周波数６８ＭＨｚ、１５０ＭＨｚ、３００Ｍ
Ｈｚについて示している。

【００９４】周波数６８ＭＨｚ（実線）では、ＥＳＲ磁
場強度は１２ガウス、ＥＣＲ−Ｓ磁場強度は２４ガウス
であり、Ｆ／ＣＦ２の値は図１８に示したように磁場強
度の増加とともに約１２ガウスで急激に立ち上がり、約
４０ガウスを越えるまで単調増加分に対して山をもった
ような形で推移する。周波数１５０ＭＨｚ（破線）で
は、ＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓ磁場強度に相当する２７ガウス
およびおよそ５４〜６０ガウスに二つのピークを持ち、
またピークの高さは６８ＭＨｚよりも高い。周波数３０
０ＭＨｚ（一点鎖線）では、ＥＣＲ−Ｓ磁場強度は１０
０ガウスを越えるため、ＥＲＳ磁場強度の５４ガウス付
近に１５０ＭＨｚよりもさらに高いピークがあらわれて
いる。このように、周波数が高いほどＥＳＲ、ＥＣＲ−
Ｓ磁場強度は大きくなるとともに、ＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓ
により解離が進んでＦ／ＣＦ２比が大きな値をとるよう
になる。

【００９５】以上をまとめると、プラズマ生成用高周波
の周波数ｆは１０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下とし、４
０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの範囲が望ましい。また、磁場
強度は１００ガウス以下、望ましくは６０ガウス以下の
範囲で、任意に制御する。周波数が高いほどＥＳＲ、Ｅ
ＣＲ−Ｓの効果、すなわちＥＳＲ、ＥＣＲ−Ｓによるプ
ラズマ状態や解離状態あるいはイオン化効率・励起効率
の変化は強く現れるが、これは当然プロセスによっても
大きく変わる。また、周波数が高いほどＥＳＲ、ＥＣＲ
−Ｓ磁場強度も大きくなる。さらにプラズマの分布状態
は電極間隔や電極径により変わるが、周波数によっても
分布状態は変化する。したがってプラズマ生成用高周波
の周波数はこれらを総合的に考慮して、最適な値を選択
すればよい。

【００９６】次に図２５により、本発明の他の実施例に
なる、カソードカップリング型のプラズマエッチング装
置を説明する。図２５では、図１に示す実施例装置と対
応する部分には同一符号を付けて説明を省略する。図２
５に示す実施例では、カソードカップリング型として、
上部電極２０が接地され、試料４２を載置する下部電極
でプラズマ生成とバイアス印加を同時に行うとともに、
単極式の静電吸着装置４０’を用いていることが図１に
示す実施例装置と異なっている。下部電極３０’には、
高周波電源２８、バイアス電源３８がそれぞれマッチン
グボックス（自動インピーダンス整合装置）２７、３
７、フィルタ２９、３９を介して接続されている。フィ
ルタ２９は高周波電源２８の周波数に対しては低インピ
ーダンス、バイアス電源３８の周波数に対しては高イン
ピーダンスとなるように、さらにフィルタ３９はバイア
ス電源３８の周波数に対しては低インピーダンス、高周
波電源２８の周波数に対しては高インピーダンスとなる
ように設定されている。このため、高周波電源２８、バ
イアス電源３８はお互いに干渉することなく動作して、
高周波電力を供給してプラズマを生成するとともに、試
料４２にバイアスを印加する。また、下部電極３０’に
は高周波電源２８、バイアス電源３８の周波数成分をカ
ットするフィルタ３５を介して直流電源３６が接続され
ており、下部電極３０’に数１００Ｖ〜数ｋＶの直流電
圧を印加する。下部電極３０’には、その上面に静電吸
着用誘電体層（以下、静電吸着膜と略称する）３３’が
設けられており、静電吸着膜３３’を介して試料４２と
下部電極３０’間に作用するクーロン力により、試料４
２が下部電極３０’上に吸着・保持される。

【００９７】本実施例においては、下部電極３０’に印
加する電源の周波数は図１の実施例と同様であり、プラ
ズマ発生用の高周波の周波数は１００ＭＨｚ以上３００
ＭＨｚ以下、望ましくは４０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの範
囲として、工業用周波数１３.５６ＭＨｚの整数倍から
選択するのが望ましく、バイアス電源の周波数は、３０
０ｋＨｚ以上で、かつプラズマ発生用の高周波の周波数
の１／４以下とする。たとえば、プラズマ発生用の高周
波の周波数６８ＭＨｚ、バイアス電源の周波数８００ｋ
Ｈｚとする。また、磁場形成手段により発生する磁場
は、１００ガウス以下、望ましくは２ガウスから６０ガ
ウスまでの範囲で、任意に磁場強度を制御できる静磁場
（あるいは１ｋＨｚ以下の低周波磁場）とする。

【００９８】本実施例の構成によれば、図１の実施例と
同様に、シース部における磁場と電界の相互作用による
電子共鳴現象を用いることができ、ドリフトを生じさせ
ないような、たかだか数１０ガウスの磁場によってプラ
ズマの状態を制御できる。また、電子共鳴現象は電極面
のシース部の広い領域にわたって生じるので、プラズマ
の密度や解離状態を、局所的な分布を生じさせることな
く、プラズマ全体やウエハ全面にわたる広い範囲で一様
に制御できる利点も失われない。さらに、上部電極から
はプラズマ発生用の高周波電力を印加しないため、上部
電極の構造が簡単にできるので、たとえば装置内部の堆
積膜の清掃やメンテナンスが容易になる利点がある。

【００９９】次に図２６により，本発明の他の実施例に
なるプラズマエッチング装置を説明する。図２６では，
図１に示す実施例装置と対応する部分には同一符号を付
けて説明を省略する。図２６に示す実施例は，図２５と
同様にカソードカップリング型の装置であるが、上部電
極２０の外側に第2上部電極２０’を設けている点が図
２５の実施例と異なる。

【０１００】試料４２を載置する下部電極３０’は、電
源３８’、マッチングボックス（自動インピーダンス整
合装置）３７’，フィルタ３９’によりプラズマ生成と
バイアス印加を同時に行う。

【０１０１】一方、上部電極２０は設地され、その外側
に設けられた第２上部電極２０’には，高周波電源２
８’がマッチングボックス（自動インピーダンス整合装
置）２７’，フィルタ２９’を介して接続されている。
フィルタ２９’、３９’、３５はお互いに干渉すること
なく動作するように設定されている。また，下部電極３
０’は単極式の静電吸着装置４０’として動作する。

【０１０２】第２上部電極２０’に印加する電源の周波
数は，１０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ、望ましくは４０ＭＨ
ｚ〜１５０ＭＨｚの範囲とする。一方、下部電極３０’
に印加する電源の周波数は，３００ｋＨｚ以上で，かつ
第２上部電極に印加する電源周波数の１／４以下とす
る。たとえば，第２上部電極２０’の高周波の周波数を
１００ＭＨｚ，下部電極３０’の周波数を１３．５６Ｍ
Ｈｚとする。また，磁場形成手段により発生する磁場
は，１００ガウス以下，望ましくは６０ガウス以下とし
て、任意に磁場強度を制御できる静磁場（あるいは１ｋ
Ｈｚ以下の低周波磁場）とする。

【０１０３】本実施例では、下部電極３０’はプラズマ
生成とバイアス印加を主に行い、第２上部電極はその下
面シース部における磁場と電界の相互作用による電子共
鳴現象を用いて、プラズマの状態を制御する。このよう
に，下部電極３０’と第２上部電極２０’に異なる周波
数の電源を印加することにより、プラズマ生成・バイア
ス印加とプラズマ状態制御を独立して行えるのが本実施
例の特徴である。また電子共鳴現象は第２上部電極面の
シース部の広い領域にわたって生じるのでプラズマの局
所的な分布は生じない。ただし、電子共鳴の生じる領域
がウエハ外周部にあたるため、ウエハの内周と外周でエ
ッチング特性に差が生じないように上下の電極間隔は３
０ｍｍ以上とするのが望ましい。

【０１０４】なお、前記の各実施例は、一対の上部電極
と下部電極を有する平行平板型のプラズマ処理装置に関
するものであるが、本発明は磁場と電極シース部におけ
る電界との相互作用を用いるものであるから，電極シー
ス部において電界を発生させる他の方式のプラズマ処理
装置，たとえば，マイクロ波やＵＨＦ帯の電磁波による
電界放射を利用したプラズマ処理装置，あるいは誘導結
合方式のプラズマ処理装置に前記磁場形成手段を付加す
ることでも実現できる。

【０１０５】また、前記の各実施例は、いずれも処理対
象が半導体ウエハであり、これに対するエッチング処理
の場合であったが、本発明はこれに限らず、例えば処理
対象が液晶基板の場合にも適用でき、また処理自体もエ
ッチングに限らず、たとえばスパッタリングややＣＶＤ
処理に対しても適用可能である。

【０１０６】

【発明の効果】本発明によれば、電子共鳴磁場強度にお
いて、前記一対の電極の少なくとも一方のプラズマに接
する側の面の近傍の略全面に対応する位置に前記磁場と
前記電界との相互作用による電子共鳴領域を形成し、ま
た前記の電子共鳴現象を前記磁場形成手段により制御す
ることにより、プラズマ密度・プラズマの電子エネルギ
ー分布・プロセスガスの解離状態を制御するようにした
ため、プラズマ状態やエッチングガス解離状態の制御
が、プラズマ中の局所的な領域ではなくプラズマ全体や
ウエハ全面にわたる広い範囲にわたって可能である。そ
のために、大口径のウエハに対してもエッチングレート
や選択比の均一性を確保しやすい利点がある。しかも、
ドリフトを生じさせるような強い磁場を用いることはな
いので、勾配磁場の設計にともなう困難さがない。また
酸素ガスの添加によらないため、酸化膜エッチングの場
合にも、ＣＯなどの酸素を含む分子を用いた終点検出が
可能であり、精度の高いエッチングが実現できる。

【０１０７】また、本発明によれば、シース部における
磁場と電界の相互作用によるＥＣＲ、ＥＳＲの電子共鳴
現象を磁場により制御することにより、プラズマの状態
やエッチングガスの解離状態の制御が効率的に可能であ
るため、制御性が高く、かつプロセスマージンの広いプ
ラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することが
できる。

【０１０８】電子共鳴磁場強度は、プラズマを発生させ
る高周波電力の周波数がたとえば６８ＭＨｚの場合はＥ
ＣＲ磁場強度２４ガウス、ＥＳＲ磁場強度１２ガウスで
あるので、磁場の制御範囲はたかだか数１０ガウスまで
の範囲であり、ドリフトを生じさせるような強い磁場を
用いる必要がないので、ウエハ上の電位の偏りに起因す
るダメージや、これをさけるための勾配磁場の設計に伴
う困難さがない。また、電子共鳴現象は電極面のシース
部の広い領域にわたって生じるので、プラズマの密度や
解離状態を、局所的な分布を生じさせることなく、プラ
ズマ全体やウエハ全面にわたる広い範囲で一様に制御で
き、大口径のウエハに対してもエッチングレートや選択
比の均一性を確保しやすい。さらに電子共鳴領域の大き
さを調整することにより、プラズマの分布をもあわせて
制御することが可能である。さらに、プラズマ状態やエ
ッチングガス解離状態の制御が、酸素ガスの添加によら
ずに可能であるため、酸化膜エッチングの場合にも、Ｃ
Ｏなどの酸素を含む分子を用いた終点検出が可能であ
り、ＳＡＣエッチングの場合にも高選択比を実現して精
度の高いエッチングを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例になる、プラズマエッチング
装置の断面模式図である。

【図２】図１のプラズマエッチング装置の磁場形成手段
による磁場の形成状態と電子共鳴領域の関係を示した図
である。

【図３】シースにおける電子サイクロトロン共鳴（ＥＣ
Ｒ−Ｓ：Electron Cyclotron Resonance）の原理説明図
である。

【図４】シースにおける電子サイクロトロン共鳴の原理
説明図である。

【図５】シースにおける電子シース共鳴（ＥＳＲ：Elec
tron Sheath Resonance）の原理説明図である。

【図６】シースにおける電子シース共鳴の原理説明図で
ある。

【図７】磁場がプラズマ密度の変化におよぼす効果をシ
ミュレーションにより計算した結果である

【図８】磁場がプラズマの電子エネルギー分布の変化に
およぼす効果をシミュレーションにより計算した結果で
ある

【図９】磁場がＡｒのイオン化衝突の頻度におよぼす効
果をシミュレーションにより計算した結果である

【図１０】磁場がＡｒの励起衝突の頻度におよぼす効果
をシミュレーションにより計算した結果である

【図１１】本発明の他の実施例になる、プラズマエッチ
ング装置の断面模式図および、磁場の形成状態と電子共
鳴領域の関係を示した図である。

【図１２】本発明の実施例の磁場形成手段を上方から見
た平面図である。

【図１３】磁場形成手段による磁場パターンの一例とし
て、発散型の磁場パターンを示す図である。

【図１４】磁場形成手段による磁場パターンの他の例と
して、ミラー型の磁場パターンを示す図である。

【図１５】磁場形成手段による磁場パターンの他の例と
して、ほぼ平行な磁場パターンを示す図である。

【図１６】磁場によるプラズマ特性の変化を、イオン電
流密度により実験的に評価した結果を示す図である。

【図１７】磁場によるプラズマ特性の変化を、Ａｒプラ
ズマの発光により実験的に評価した結果を示す図であ
る。

【図１８】磁場によるプロセスガスの解離状態の変化
を、ＣＦ、ＣＦ_２およびＦの発光強度により計測した結
果を示す図である。

【図１９】高周波電力を変化させたときのプロセスガス
の解離状態の変化を、ＣＦ、Ｆの発光強度により計測し
た結果を示す図である。

【図２０】磁場によるエッチング特性の変化を、ホール
のエッチング形状の改善効果により示す、エッチング断
面形状図である。

【図２１】磁場によるエッチング特性の変化を、ホール
のエッチング形状の改善効果により示した図である。

【図２２】磁場によるエッチング特性の変化を、マイク
ロローディングの改善効果により示した図である。

【図２３】磁場によるエッチング特性の変化を、エッチ
ングレートの均一性の向上の効果により示した図であ
る。

【図２４】磁場によるプロセスガスの解離状態の変化
を、ミラー型の磁場について、ＣＦ２およびＦの発光強
度により計測した結果を示す図である。

【図２５】本発明の他の実施例になる、アノードカップ
リング型のプラズマエッチング装置の断面模式図であ
る。

【図２６】本発明の他の実施例になるプラズマエッチン
グ装置の断面模式図である。

【符号の説明】

１０…処理室、１２…真空排気系、１３…処理室内面カ
バー、１４…終点検出装置、１５…ビューポート、２０
…上部電極、２１…上部電極絶縁体、２２…上部電極
板、２３…ガス分散板、２４…ガス導入室、２５…ガス
供給手段、２６…上部電極カバー、２７…マッチングボ
ックス（自動インピーダンス整合装置）、２８…高周波
電源、３０…下部電極、３１…下部電極絶縁体、３２…
絶縁体、３３…静電吸着用誘電体層、３４…下部電極カ
バー、３６…直流電源、３７…マッチングボックス（自
動インピーダンス整合装置）、３８…バイアス電源、４
０…静電吸着装置、４１…試料、５０…磁場形成手段、
５１…電磁コイル、５２…外周ヨーク、５３…コイルヨ
ーク、５４…コイル電源、６１…磁力線、、６２…電子
共鳴領域、６３…電子共鳴領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｃ (72)発明者 渡辺 克哉 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者 大坪 徹 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 佐々木 一郎 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 白米 茂 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空処理室と、一対の電極を含むプラズマ
   生成手段と、前記電極の一方を兼ねるとともに該真空処
   理室内で処理される試料を載置する試料載置面を有する
   試料台と、前記真空処理室を減圧する減圧手段とを有す
   るプラズマ処理装置において、 前記一対の電極間に１０ＭＨｚないし３００ＭＨｚの高
   周波電力を印加する高周波電源と、 前記一対の電極の少なくとも一方のプラズマに接する面
   において前記高周波電源により生じる電界と交差する方
   向に、１００ガウス以下の範囲で任意に制御可能な強度
   の静磁場もしくは低周波磁場を形成する磁場形成手段と
   を備え、 前記一対の電極の少なくとも一方のプラズマに接する側
   の面の近傍の略全面に対応する位置において、前記磁場
   と前記電界との相互作用により、電子サイクロトロン共
   鳴（ＥＣＲ−Ｓ）、または電子シース共鳴（ＥＳＲ）を
   生成することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】真空処理室と、一対の電極を含むプラズマ
   生成手段と、前記電極の一方を兼ねるとともに該真空処
   理室内で処理される試料を載置する試料載置面を有する
   試料台と、前記真空処理室を減圧する減圧手段とを有す
   るプラズマ処理装置において、 前記一対の電極間に１０ＭＨｚないし３００ＭＨｚの高
   周波電力を印加する高周波電源と、 前記一対の電極の少なくとも一方のプラズマに接する面
   において前記高周波電源により生じる電界と交差する方
   向に１００ガウス以下の範囲で任意に制御可能な強度の
   静磁場もしくは低周波磁場を形成する磁場形成手段とを
   備え、 前記磁場形成手段により、電子共鳴磁場強度において、
   前記一対の電極の少なくとも一方のプラズマに接する側
   の面の近傍の略全面に対応する位置に前記磁場と前記電
   界との相互作用による電子共鳴領域を形成し、該電子共
   鳴現象を制御することにより、プラズマ密度・プラズマ
   の電子エネルギー分布・プロセスガスの解離状態を制御
   することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】真空処理室と、一対の電極を含むプラズマ
   生成手段と、前記電極の一方を兼ねるとともに該真空処
   理室内で処理される試料を載置する試料載置面を有する
   試料台と、前記真空処理室を減圧する減圧手段とを有す
   るプラズマ処理装置において、 前記一対の電極間に１０ＭＨｚないし３００ＭＨｚの高
   周波電力を印加する高周波電源と、 前記一対の電極間に形成されるプラズマとシースの境界
   部分において、該シースに対して略平行な磁場を形成す
   る磁場形成手段とを備え、 前記一対の電極の間隙が１５ｍｍ以上１００ｍｍ以下で
   あり、 前記磁場形成手段は、前記一対の電極の電極面に略平行
   な方向に電子共鳴を生じさせる電子共鳴磁場強度の磁場
   を加え、該磁場の強度を変化させて前記電子共鳴の程度
   を制御可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】請求項２または３に記載のプラズマ処理装
   置において、前記電子共鳴を、前記高周波電力の周波数
   ｆに対して、 Ｂｃ（ガウス）＝０．３５７×ｆ（ＭＨｚ） で定義される磁場強度Ｂｃで生じる電子サイクロトロン
   共鳴、または Ｂｓ（ガウス）＝ １／２×０．３５７×ｆ（ＭＨｚ） で定義される磁場強度で生じる電子シース共鳴の少なく
   とも一方としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】請求項１ないし３のいずれかに記載のプラ
   ズマ処理装置において、前記磁場形成手段は、前記真空
   処理室の外側上方に設けられた電磁コイルと、該電磁コ
   イルの内側で下方に突き出して配置されたコイルヨーク
   とを備え、前記電磁コイルの中心よりも低い位置におい
   て前記電極に対して平行な磁場を形成することを特徴と
   するプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】請求項１ないし３のいずれかに記載のプラ
   ズマ処理装置において、前記高周波電源は、前記一対の
   電極間に４０ＭＨｚないし１５０ＭＨｚの高周波電力を
   印加するものであることを特徴とするプラズマ処理装
   置。
7. 【請求項７】請求項１ないし３のいずれかに記載のプラ
   ズマ処理装置において、前記磁場形成手段は、前記一対
   の電極の少なくとも一方のプラズマに接する面において
   前記高周波電源により生じる電界と交差する方向に６０
   ガウス以下の範囲で任意に制御可能な強度の静磁場もし
   くは低周波磁場を形成することを特徴とするプラズマ処
   理装置。
8. 【請求項８】請求項５ないし７のいずれかに記載のプラ
   ズマ処理装置において、 前記電極は上部、下部一対の平行平板電極からなり、平
   行磁場の発生位置を上部電極板の下面にあわせることに
   より、前記電子共鳴の生じる領域を、前記上部電極板の
   下面シース部のほぼ全面にわたる領域に形成することを
   特徴とするプラズマ処理装置。
9. 【請求項９】真空処理室と、一対の電極を含むプラズマ
   生成手段と、前記電極の一方を兼ねるとともに該真空処
   理室内で処理される試料を載置する試料載置面を有する
   試料台と、前記真空処理室を減圧する減圧手段とを有す
   るプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法おいて、 高周波電源により前記一対の電極間に１０ＭＨｚないし
   ３００ＭＨｚの高周波電力を印加し、 磁場形成手段により、前記一対の電極の少なくとも一方
   のプラズマに接する面において前記高周波電源により生
   じる電界と交差する方向に１００ガウス以下の範囲で任
   意に制御可能な強度の静磁場もしくは低周波磁場を形成
   し、電子共鳴磁場強度において、前記一対の電極の少な
   くとも一方のプラズマに接する側の面の近傍の略全面に
   対応する位置に前記磁場と前記電界との相互作用によ
   り、電子サイクロトロン共鳴または電子シース共鳴を生
   成し、前記電子共鳴現象を前記磁場形成手段により制御
   することにより、プラズマ密度・プラズマの電子エネル
   ギー分布・プロセスガスの解離状態を制御することを特
   徴とするプラズマ処理方法。
10. 【請求項１０】真空処理室と、一対の電極を含むプラズ
    マ生成手段と、前記電極の一方を兼ねるとともに該真空
    処理室内で処理される試料を載置する試料載置面を有す
    る試料台と、前記一対の電極間に高周波電力を印加する
    高周波電源と、前記真空処理室を減圧する減圧手段とを
    有するプラズマ処理装置による試料のプラズマ処理方法
    において、 前記一対の電極の間隙が１５ｍｍ以上１００ｍｍ以下で
    あり、 前記高周波電源により、前記一対の電極間に１０ＭＨｚ
    ないし３００ＭＨｚの高周波電力を印加し、 前記磁場形成手段により、前記一対の電極の電極面に略
    平行な方向に電子共鳴を生じさせる強度の磁場を加え、
    該磁場強度を変化させて前記電子共鳴の程度を制御する
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
11. 【請求項１１】真空処理室と、一対の電極を含むプラズ
    マ生成手段と、前記電極の一方を兼ねるとともに該真空
    処理室内で処理される試料を載置する試料載置面を有す
    る試料台と、前記一対の電極間に高周波電力を印加する
    高周波電源と、前記真空処理室を減圧する減圧手段とを
    有するプラズマ処理装置により、プロセスガスを用いて
    試料をエッチングする試料のプラズマ処理方法におい
    て、 前記高周波電源は、前記一対の電極間に１０ＭＨｚない
    し３００ＭＨｚの高周波電力を印加するものであり、 前記一対の電極の間隙が１５ｍｍ以上１００ｍｍ以下で
    あり、 前記一対の電極間に形成されるプラズマとシースの境界
    部分において、磁場形成手段により、該シースに対して
    略平行な磁場を形成し、該磁場強度を変化させて生成さ
    れるＥＳＲとＥＣＲ−Ｓの二つの共鳴により、前記プロ
    セスガスの各ラジカルの成分比を制御することを特徴と
    する試料のプラズマ処理方法。