(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁膜とその上のゲート配線とを有する基板を反応容器内に収容する工程と、
周期的に変動するエネルギを与えて基板上方にプラズマを励起する工程と、
プラズマの電子温度が実質的に最低となるタイミングに基板電位が実質的に最高となるようにプラズマ励起に同期して基板バイアスを印加する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
電子温度が実質的に最低とは、１周期内の電子温度の最高値をＴｅｍａｘ、最低値をＴｅｍｉｎとした時、ＴｅｍｉｎからＴｅｍｉｎ＋０．３（Ｔｅｍａｘ−Ｔｅｍｉｎ）の範囲を指し、
基板電位が実質的に最高とは、１周期内の基板電位の最高値をＶｓｍａｘ、最低値をＶｓｍｉｎとした時、ＶｓｍａｘからＶｓｍａｘ−０．１（Ｖｓｍａｘ−Ｖｓｍｉｎ）の範囲を指す請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記電子温度の実質的最低値は、ｅＶで表した電子温度がＶで表したゲート絶縁膜の絶縁耐圧よりも小さくなるように前記プラズマのパラメータが選択されている請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
ゲート絶縁膜とその上に形成したゲート配線とを有する半導体基板を反応容器内に装架する工程と、
第１期間の間、反応容器内の半導体基板上方に主プラズマ励起エネルギの投入、休止を繰り返す工程と、
前記主プラズマ励起エネルギの休止から投入に移るタイミングに同期して前記半導体基板に電子が流入するように前記半導体基板にバイアス電位を印加する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ励起エネルギの投入、休止の繰り返しは、５−５００ＫＨｚの周波数であり、前記プラズマ励起エネルギは、その投入期間内に３周期以上を有する高周波エネルギである請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記プラズマ励起エネルギの投入、休止の繰り返しは、５−５００ＫＨｚの周波数であり、前記プラズマ励起エネルギは、繰り返し周波数の５倍以上の周波数を有する請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記プラズマ励起エネルギの繰り返しの１周期を３６０°とし、前記バイアス電位が最高となる位相の前記タイミングに対する進角をθ度とした時、−３０°≦θ≦６０°である請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
さらに、前記第１期間と別の第２期間の間プラズマ励起エネルギを連続的に投入してプラズマを発生させる工程を有する請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１期間の間、前記主プラズマ励起エネルギの他に同一種類の補助プラズマ励起エネルギを連続して基板上方に与える請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特にプラズマを用いた絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）の製造技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（大規模集積回路）の集積度向上に従い、パターンの微細化が進んでいる。微細化したマスクパターンを忠実に導電層や絶縁層に転写するため、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、エレクトロンサイクロトロンレゾナンス（ＥＣＲ）プラズマエッチング等のプラズマを利用した異方性ドライエッチングが多用されている。
【０００３】
一方、半導体素子の微細化に伴い、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の厚さは薄くなっており、１０ｎｍ以下のものが実用化されつつある。このように、薄いゲート絶縁膜は小さな電気的ストレスでも損傷を受けやすい。
【０００４】
たとえば、プラズマプロセスにおいては、基板にイオン、電子等の電荷が入射する。入射する正・負電荷に差が生じると、基板とは電気的に分離されたゲート絶縁膜上の導電層に電荷がチャージアップする。導電層と下の基板との間に電位差が生じると、ゲート絶縁膜を通してトンネル電流が流れ得る。トンネル電流によって、ゲート絶縁膜の誘電特性は変化し、絶縁破壊を生じさせることもある。
【０００５】
このように、ゲート絶縁膜上の導電層、またはゲート電極に接続された導電層（これらを以下、ゲート配線と呼ぶ）にチャージアップが生じ得るプラズマプロセスは、ゲート絶縁膜に損傷を与え得る。このようなプロセスとしては、ゲート配線層のパターニング、ゲート配線層に達するコンタクトホールの開口、ゲート配線層に達するコンタクトホール内のスパッタエッチによるクリーニング、ゲート配線層が一部露出した表面上へのプラズマＣＶＤ等である。
【０００６】
ゲート絶縁膜が損傷を受けると、ゲート絶縁膜破壊またはゲート絶縁膜の誘電特性変化により、半導体装置の歩留りが低下するだけでなく、ゲート絶縁膜の信頼性、延いては半導体装置の信頼性を損なう場合もある。したがって、プラズマプロセスがゲート絶縁膜に与える損傷を十分防止しておくことが望まれる。
【０００７】
半導体基板上のプラズマが不均一であると、半導体基板に流入するイオン電流と電子電流に差が生じ、この差に基づくトンネル電流がゲート絶縁膜を流れる可能性が生じる。半導体装置において、ゲート絶縁膜の面積に対するゲート配線の面積（以下、アンテナ比と言う）は、１０，０００程度に達する。このような高いアンテナ比の導電膜をプラズマ加工すると、僅かなプラズマの不均一により、大量のトンネル電流がゲート絶縁膜を流れる可能性がある。
【０００８】
そこで、プラズマ加工に使用するプラズマをできるだけ均一化することが試みられている。より具体的には、プラズマ電位の均一化や、基板バイアス電圧の均一化等が提案されてきた。たとえば、半導体基板上を磁束が横断する構成を用い、基板上の至る所で磁束が表面に平行となるような構成が提案されている。
【０００９】
以下、厚い絶縁膜上に形成され、ゲート絶縁膜のような薄い絶縁膜上の電極に接続され、より広い面積を有し、電気的に分離された導電層をアンテナと呼び、薄い（ゲート）絶縁膜上の電極の面積に対する厚い絶縁膜上の導電層の底面積の比をアンテナ比と呼ぶ。
【００１０】
プラズマの均一性は、通常高いアンテナ比を有するゲート配線を用い、ゲート絶縁膜の破壊率によって測定されてきた。たとえば、アンテナ比１，０００，０００を有し、表面に露出した（表面露出型）ゲート配線をプラズマ処理し、ゲート絶縁膜が破壊しなければそのプラズマは均一であると判定されてきた。
【００１１】
ところが、このような測定によって十分均一であることが証明されたプラズマを用いても、加工パターンによってはゲート絶縁膜に損傷が生じる場合があることが判ってきた。たとえば、ゲート配線のパターニングにおいては、ゲート配線層の上にホトレジストのマスクパターンが配置される。ホトレジストの開口部における開口幅に対するレジスト厚の比（以下、アスペクト比と言う）は、１よりも大きなものとなってきている。このような高いアスペクト比を有する絶縁パターン下の導電層をプラズマ処理する場合、均一なプラズマを用いてもゲート絶縁膜に損傷が発生し得る。このような高いアスペクト比の絶縁膜パターンを上に有するアンテナ構造を、以下構造付アンテナと呼ぶ。
【００１２】
たとえば、アンテナ比１，０００，０００の表面露出型アンテナ構造によっては均一であることが証明されたＥＣＲプラズマに、アンテナ比１０，０００の構造付アンテナを晒すと、ゲート絶縁膜に損傷が生じ得る。
【００１３】
したがって、表面が連続する平坦な導電膜に対しては、均一な性質を示すプラズマを用いても、微細パターンを有する半導体装置の製造工程においては、ゲート絶縁膜の損傷が生じてしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、微細パターンの加工においてもゲート絶縁膜の損傷を防止できる半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、微細パターンを有する半導体装置を、ゲート絶縁膜の損傷を防止しつつ、製造することのできる半導体装置の製造装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、半導体装置の製造におけるプラズマ処理において、プラズマ中の電子エネルギ分布、あるいはその代表値である電子温度が予め決められた値よりも小さくなるように、ｒｆ周波数、電力、磁場、圧力、ガス種のうち少なくとも１つを制御して、電子が高アスペクト比絶縁体パターン間に存在する導電体パターン内に入れるようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１７】
本発明の他の観点によれば、半導体ウエハ全面上において電子温度Ｔｅ（ｅＶ）がＴｅ＜Ｂであるプラズマ中で前記半導体ウエハを処理する工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の他の観点によれば、半導体層、その上に形成され、絶縁耐圧がＢ（Ｖ）であり、厚さが１０ｎｍ以下であるゲート絶縁膜、その上に形成されたアンテナ比が５００以上であるアンテナ構造の導電体層、その上に形成され、アスペクト比が１より大の開口部を有する絶縁体パターンを有する半導体ウエハをプラズマ処理装置内に搬入する工程と、前記半導体ウエハ全面上において電子温度Ｔｅ（ｅＶ）がＴｅ≦Ｂであるプラズマ中で前記半導体ウエハを処理する工程と、前記電子温度Ｔｅよりも高い電子温度Ｔｅｈのプラズマ中で前記半導体ウエハを処理する工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１８】
本発明者の実験によれば、プラズマの電子温度がゲート絶縁膜の耐圧よりも高い場合にゲート絶縁膜に損傷が生じ、低い場合に損傷が生じなかった。
【００１９】
本発明の他の観点によれば、ゲート絶縁膜とその上のゲート配線とを有する基板を反応容器内に収容する工程と、周期的に変動するエネルギを与えて基板上方にプラズマを励起する工程と、プラズマの電子温度が実質的に最低となるタイミングに基板電位が実質的に最高となるようにプラズマ励起に同期して基板バイアスを印加する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００２０】
本発明の他の観点によれば、ゲート絶縁膜とその上に形成したゲート配線とを有する半導体基板を反応容器内に装架する工程と、第１期間の間、反応容器内の半導体基板上方に主プラズマ励起エネルギの投入、休止を繰り返す工程と、前記主プラズマ励起エネルギの休止から投入に移るタイミングに同期して前記半導体基板に電子が流入するように前記半導体基板にバイアス電位を印加する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００２１】
本発明者の実験によれば、プラズマ励起エネルギを周期的かつ断続的に与え、エネルギ休止期間の最後に同期させて基板バイアスが最高電位となるように調整した場合、プラズマ励起エネルギを連続的に与えた場合や、プラズマ励起エネルギを断続させても基板バイアスとは非同期の場合と比べ、ゲート絶縁膜の損傷が著しく減少した。
【００２２】
本発明の他の観点によれば、気密容器と、該気密容器内に制御して気体を導入する手段と、該気密容器内に導入された気体を制御して排気する手段と、該気密容器内に被処理基板を保持する手段と、該被処理基板の電位に第１の時間変化を与えることのできる電位制御手段と、該気密容器内の気体からプラズマを生成するためのエネルギを投入でき、投入エネルギに第２の時間変化を与えることができるエネルギ投入手段と、該第１の時間変化と該第２の時間変化とを同期させることができ、第１および第２の時間変化の位相関係を制御することのできる同期制御手段とを有する半導体装置の製造装置。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明者およびその同僚は、マイクロローディング効果によりゲート配線層エッチング中に高いアンテナ比を有する構造付アンテナが出現することを報告した（米国特許出願０８／２７５，４２６号、好ましい実施例の欄）。ゲート配線層堆積後、その表面上にレジストパターンを形成し、エッチングを行なう際、当初はゲート配線層が基板に電気的に接続されており、アンテナ構造は出現していない。ところが、マイクロローディング効果により、開口幅の広い領域はエッチングが終了しても、開口幅の狭い領域においてはエッチングが終了しない。この段階において、ゲート配線層は開口幅の広い領域で分断された形状になる。この過渡段階でアンテナ比が高い構造付アンテナが出現する。
【００２４】
基板にバイアス用ｒｆを印加し、プラズマ中のイオンを基板に引き込む電界を発生させると、プラズマ中のイオンは基板に向かって加速される。しかしながら、プラズマ中の電子は、基板に向かう際に減速を受ける。この電界による力は、基板の表面に対して垂直な方向であり、基板表面と平行な方向には減速を受けない。
【００２５】
したがって、プラズマ中のランダムな運動を反映し、種々の運動方向を有する電子は、大部分が基板に対して斜めに入射すると考えられる。このため、絶縁パターンの構造付アンテナの絶縁パターンの上部側壁には、イオンはほとんど衝突しないのに対し、多量の電子が衝突する。この結果、絶縁パターンの側壁上部に負電荷が蓄積する。
【００２６】
この負電荷による電場が大きくなると、電子が反発されてパターンの内部に入りにくくなると考えられる。したがって、イオンによる正電荷流入に比較し、電子による負電荷流入が不足して結果として過剰な正電荷による電流がゲート配線層に蓄積され、ゲート絶縁膜をトンネル電流となって通過し、損傷を生じるものと考えられる。
【００２７】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明者の行なった実験を示す。図１（Ａ）は、プラズマ処理したウエハ上の各チップにおけるゲート絶縁膜破壊の様子を示す平面図である。図１（Ｂ）は、プラズマの電子温度測定に用いたプローブの挿入方向を示す概略平面図である。図１（Ｃ）は、プローブ測定によって得たプラズマの電子温度を位置の関数として示すグラフである。
【００２８】
図２（Ａ）、（Ｂ）は、実験に用いたサンプルの構造を示す断面図および平面図である。シリコン基板１３の表面には、厚いフィールド酸化膜１４ａとフィールド酸化膜によって囲まれた領域に形成された厚さ８ｎｍのゲート酸化膜１４ｂが形成されている。
【００２９】
これらのフィールド酸化膜およびゲート絶縁膜上に、多結晶シリコン膜１５ａとアルミニウム層１５ｂの積層からなるゲート配線１５が形成され、ＭＯＳキャパシタＣを構成している。ゲート配線１５の上には、厚さ１．６μｍのホトレジストによる密な配線パターン１６が形成されている。
【００３０】
図２（Ｂ）に示すように、ホトレジストパターン１６は、幅ｗ＝０．７５μｍの配線パターンが間隔ｄ＝０．８μｍで複数本並列に配置されている。開口部のアスペクト比は２である。これらの配線は、図中下部に示すＭＯＳキャパシタＣに連続して接続されている。
【００３１】
図３（Ａ）は、このようなサンプルをエッチングした発散磁場ＥＣＲプラズマエッチング装置の構成を示す。
真空排気可能な反応室１には、ガス導入口２、排気口３が接続されている。ガス導入口２は、所定のエッチングガス源に接続される。排気口３は、排気装置に接続されている。反応室１の上部には、開口が設けられ、プラズマ発生室４に接続されている。プラズマ発生室４と反応室１が気密な容器を構成する。
【００３２】
反応室４の上部には、石英等のマイクロ波透過窓６が気密に設けられており、マイクロ波導波管５に接続されている。マイクロ波導波管５は、マイクロ波発生源からプラズマ発生室４へマイクロ波を導入する。
【００３３】
プラズマ発生室４の周囲には、主コイル７が配置され、マイクロ波発生室４内に発散磁場を発生することができる。この発散磁場により、ＥＣＲ条件が形成される。
【００３４】
反応室１の下部には、基板９を載置するためのサセプタ８が配置され、サセプタ８はｒｆバイアス源１２に接続されている。ｒｆバイアス源１２は、１３．５６ＭＨｚのｒｆ電圧をサセプタ８に供給する。サセプタ８の下部には、外側の外部コイル１０および内側の内部コイル１１が同心状に配置されている。
【００３５】
ガス導入口２からエッチングガスを導入し、排気口３から排気することにより、反応室１、プラズマ発生室４内に所定圧力のエッチングガス雰囲気を形成する。主コイル７によって磁場を発生しつつ、マイクロ波導波管５からプラズマ発生室４にマイクロ波を導入することにより、プラズマ発生室４内にＥＣＲプラズマを発生させる。このプラズマは、発散する磁場によって反応室１内でドリフトし、サセプタ８上の基板９に達する。
【００３６】
ｒｆバイアス源１２から１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力をサセプタ８に印加することにより、基板９の電位を制御し、プラズマ中のイオンを基板９に向かって加速するようにバイアス電界を発生させる。このような条件で、基板９上のサンプルにプラズマによるエッチング処理を行なった。
【００３７】
なお、エッチング条件は主コイル電流２１Ａ、外部コイル電流８Ａ、内部コイル電流８Ａ、エッチングガスＣｌ２  ＋ＢＣｌ３  、圧力０．６Ｐａ、マイクロ波電力８００Ｗ、ｒｆバイアス電力１８０Ｗであった。
【００３８】
図１（Ａ）は、この条件のエッチングでウエハ９上の各チップ２２に形成したサンプルをエッチングした結果を示す。ウエハ９上の各チップ２２には、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すアンテナが接続されたゲート酸化膜厚８ｎｍのＭＯＳキャパシタが形成されている。このアンテナをエッチングした後、ＭＯＳキャパシタの耐圧を測定した。
【００３９】
白い四角形は耐圧が正常だったチップを表し、ハッチされた四角形は耐圧不良、すなわちエッチング中に破壊が生じたサンプルを示す。なお、右下がりの単一ハッチで示された領域は、アンテナ比１０６  のサンプルが破壊された領域を示し、クロスハッチされた領域は、アンテナ比１０５  のサンプルが破壊された領域を示す。
【００４０】
なお、アンテナ比１０４  のサンプルも同時に形成したが、アンテナ比１０５  のサンプルの破壊された領域とほぼ同一領域で破壊された。
図１（Ａ）から、ウエハ上全面でサンプルは破壊されたわけではなく、一定の領域でサンプルが破壊されていることが判る。別の見方をすれば、ウエハ上のある領域においては、ゲート絶縁膜は破壊されていない。すなわち、白い四角形で示した領域においては、ゲート絶縁膜の損傷が防止できるプラズマになっていると考えられる。
【００４１】
そこで、補償電極付ラングミュアプローブを用いてプラズマの性質を測定した。図１（Ｂ）は、ウエハ９上のプローブの挿入方向を示す。プローブの高さはウエハ表面から約４ｃｍとした。
【００４２】
図３（Ｂ）は、ラングミュアプローブの構成を概略的に示す。半径０．５ｍｍ、長さ５ｍｍの白金線をプローブ３１とした。プローブ３１には、アルミニウムで形成された補償電極３２、３３がキャパシタ３４、３５を介して接続されている。これらの補償電極３２、３３は、変動するプラズマ電位を補償するための電極である。
【００４３】
プローブ３１は、使用したｒｆ周波数を遮断するフィルタ３６を介して電流計３８と可変電圧源３７に接続されている。可変電圧源３７の他の極および反応室１の外壁は接地されている。
【００４４】
プローブ３１の位置を、図１（Ｂ）に示すようにウエハ９上で動かし、各点で可変電圧源３７の電圧Ｖを掃引して流れる電流Ｉを電流計３８で測定した。得られたＶ−Ｉ特性から、電流値が“０”になる浮動電位付近のΔＶ／ΔｌｎＩを計算し、周知の方法により電子温度をｅＶ単位で求めた。
【００４５】
図１（Ｃ）は、得られた電子温度（ｅＶ）のウエハ９上の径方向位置に対する関係を示す。サンプルが破壊された領域に対応して、電子温度分布は明確な変化を示している。すなわち、サンプルの破壊が生じた領域においては、電子温度が約１０ｅＶ以上と高く、破壊が生じなかった領域においては、電子温度が約７ｅＶ以下と低い。この結果から、プラズマ中の電子温度が高いと、構造付アンテナを有するゲート絶縁膜に破壊が生じやすいことが判る。
【００４６】
なお、サンプルにおけるゲート絶縁膜は厚さ８ｎｍの酸化シリコン膜であり、この酸化シリコン膜の絶縁耐圧は約８Ｖである。したがって、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧よりも低い、典型的には約１ｅＶ以上低い電子温度領域においては、サンプルには損傷が生じていない。
【００４７】
逆に、ゲート絶縁膜の耐圧よりも高い、典型的には約２ｅＶ以上高い電子温度領域においてはゲート絶縁膜の損傷が生じている。したがって、ゲート絶縁膜の損傷を防止するためには、プラズマの電子温度をゲート絶縁膜の耐圧よりも低くすることが望ましい。
【００４８】
なお、ゲート絶縁膜の損傷は、ゲート絶縁膜の膜厚が１０ｎｍ以下、アンテナ比が５００以上、アスペクト比が１以上の場合に生じ易い。特にウエハ径が８インチ以上の場合に損傷が生じ易い。
【００４９】
このように、平坦面上の特性が均一なプラズを用いても、微細パターンの加工において生じ得る損傷は、ウエハ全面上でのプラズマの電子温度を低く制御することにより防止できることが判った。この機構は以下のように考えることができるであろう。
【００５０】
まず均一なプラズマを用いても、構造付アンテナに損傷が生じる機構として次のようなモデルが考えられる。
図４（Ａ）に示すように、基板にバイアスｒｆ電力を供給した時、プラズマに対して基板が相対的に負電位にバイアスされる。プラズマ中の正イオンは、基板とプラズマの間に形成された電場によって基板に向って加速され、基板にほとんど垂直に入射する。プラズマと基板間の電場は、基板に印加するバイアスｒｆ電力によって周期的に変化するが、その向き（符号）は変化しない。従って、正イオンは全周期を通して基板に入射すると考えることができる。
【００５１】
図４（Ｂ）に示すように、この電場は電子に対しては減速作用を及ぼす。従って、電子は電場によって減速され、プラズマ中のランダムな運動を反映し、大部分が基板に対して斜めに入射すると考えられる。電子が基板に対して斜めに入射すると、基板上の絶縁パターンの側壁に電子が入射することになる。導電性のない領域に入射した電子は、その領域をチャージアップさせる。
【００５２】
すなわち、構造付アンテナの絶縁物パターンの上部側壁にはイオンはほとんど衝突せず、電子だけが衝突する。この結果、側壁に負電荷が蓄積される。蓄積された負電荷は、さらに電子を反発する電場を形成する。この電場の強さに応じて電子がパターン内に入れなくなる。絶縁物パターン上部側壁における負電荷の蓄積は、プラズマ中の電子の横方向速度によって支配されるものと考えることができる。
【００５３】
この電子の横方向速度は、電子温度に依存する。横方向速度が高い電子の割合が高いと、絶縁物パターン側壁に蓄積される負電荷が大きくなり、全周期を通して入射するイオンの正電荷流入に対して電子電流がバランスを取れなくなる。結果として、過剰正電流がゲート絶縁膜を通過し、損傷を与えると考えられる。
【００５４】
電子温度を下げると、電子の平均運動エネルギが低下し、高エネルギ電子の数も少なくなる。電子の運動はランダムである。図４（Ｃ）に示すように、電子の速度を基板に垂直な速度成分ｖｙ  と基板表面に平行な速度成分ｖｘ  に分解して考えた時、外力が働かない場合ｖｘ  の分布とｖｙ  の分布は等しい。基板に垂直な電場を発生させると、垂直成分ｖｙ  は、プラズマと基板間の電場によって加速／減速を受けるが、水平成分ｖｘ  は電場によってほとんど影響されない。電子温度を下げると電子の横方向速度成分ｖｘ  が低下し、絶縁物パターンの上部側壁に蓄積する負電荷が小さくなると考えられる。電子の垂直方向速度成分ｖｙ  は、電子温度によらず、電場との相互作用によりほぼ一定値に保たれると考えれば、電子温度が低い程側壁上のチャージアップ量が少なく、基板に流入する電子電流を高くすることができる。このような機構により、電子温度を低下させた時に基板に入射する正電荷の過剰を抑制できるものと考えられる。
【００５５】
なお、基板に対する電子の入射は、全周期均一ではない。プラズマと基板間のバイアス電場が強い時は、電子は電場によって反発され基板に近づくことができない。プラズマと基板間のバイアス電場が弱くなり、電子が基板に近づける期間にのみ電子が基板に入射すると考えられる。基板バイアスがｒｆバイアスである場合、プラズマと基板間に形成される電場は、ｒｆバイアスの周波数に従って変動する。
【００５６】
図２（Ａ）に示すＥＣＲプラズマエッチング装置において、ｒｆバイアス源１２の周波数を１３．５６ＭＨｚから４００ｋＨｚに変化させた。その結果、ウエハ全面上においてゲート絶縁膜の損傷がなくなった。この現象は以下のように考えることができる。
【００５７】
周波数を低下させたことにより、プラズマと基板間に形成される電場が強い期間が長くなる。電場が強い期間においては、イオンによる正電荷が基板に入射する。この結果、１サイクル内で基板に蓄積される正電荷の量が大きくなる。なお、発明者の計算によれば、１サイクル内で基板に蓄積される正電荷の量は、大きくなってもゲート絶縁膜に損傷を与える程の量とはならない。
【００５８】
基板に蓄積される正電荷の量が大きくなると電場が弱くなった時に、基板の電位がプラズマ電位に接近する期間が長くなる。また、この期間における電場の絶対値も小さくなり、基板電位はよりプラズマ電位に接近する。結果として、より低エネルギの電子まで基板に入射するようになる。基板に入射する電子のみを考えれば、入射する電子の実効的な電子温度が低下することになる。
【００５９】
すなわち、電子温度を低下させることが基板における損傷防止に有効であるが、この電子温度は実効的に基板に入射する電子の電子温度であり、基板に電子が入射しない期間においては電子温度は必ずしも低い必要はない。
【００６０】
また、電子温度はプラズマ雰囲気の圧力を上げたり、マイクロ波電力を下げたり、イオン化ポテンシャルの低いガスを添加することによっても低下させることができるであろう。
【００６１】
図３（Ａ）のＥＣＲプラズマ装置において、内部コイル１１のコイル電流を＋８Ａから−８Ａに変更したところ、ウエハ上において全面的に損傷がなくなった。
【００６２】
また、ｒｆバイアス電力を０Ｗにしたところ、やはり全面的に損傷がなくなった。これらの条件でも実効的に基板に入射する電子の電子温度が低下したものと考えられる。
【００６３】
なお、浮動電位付近では高運動エネルギの電子のみが電流Ｉに寄与できる。したがって、この電位領域で求める電子温度は高エネルギ成分を反映したものと言える。絶縁膜パターン上部側壁に負電荷が蓄積していく過程も、主に高運動エネルギ電子によって支配されると考えられる。従って、高運動エネルギの電子成分を対象として電子温度を制御することが好適と考えられる。
【００６４】
なお、上記実験においては厚さ８ｎｍのゲート絶縁膜を用いたが、より薄いゲート絶縁膜を用いた場合、アンテナ導体の電位は絶縁膜の耐圧にほぼ近い値まで上昇すると考えられる。アンテナ電位が上昇すると、電子が引き込まれると考えられ、また電子温度を下げることで電子が引き込まれやすくなる。従って、許容電位である耐圧に合わせて電子温度の上限を下げるようにすれば、ダメージが抑制できると推定できる。従って、プラズマの電子温度は絶縁膜の耐圧以下とすることが好ましいであろう。
【００６５】
ところで、プラズマへの投入エネルギを変調すると、電子温度も投入エネルギの変調に応じて時間変化すると考えられる。以下、誘導結合プラズマエッチング装置を例にとって説明する。
【００６６】
図５は、本発明の実施例による誘導結合プラズマエッチング装置を示す概略断面図である。ステンレス等の外側容器６１の上にセラミックス製ベルジャ６２が配置され、気密な反応室５１を構成している。反応室５１には、ガス導入口５２と排気口５３が接続されている。ガス導入口５２にはエッチングガス源ＥＧが接続され、排気口５３には排気装置ＥＶＡＣが接続されている。
【００６７】
セラミックス製ベルジャ６２の回りには、２回巻のコイル６０が配置され、マッチング回路５９を介してｒｆソース電源５８に接続されている。ソース電源５８から１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力がコイル６０に供給され、反応室５１内に誘導的にｒｆ電力が投入される。ガス導入口５２からエッチングガスを反応室５１内に導入し、排気口５３から排気して反応室５１内を所定の圧力に維持し、１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力を反応室５１に投入することにより、反応室５１内にプラズマを発生させることができる。このプラズマはサセプタ５４上に載置された基板５５に達する。
【００６８】
サセプタ５４は、マッチング回路を内蔵するｒｆバイアス源５６に接続されている。ｒｆバイアス源５６から所望の周波数（典型的には６６．７ｋＨｚ）のｒｆ電力を投入することにより、基板５５の電位を制御し、プラズマ中のイオンを所望のエネルギに加速して基板５５に衝突させることができる。
【００６９】
ｒｆバイアス源５６からｒｆ出力波形に相似するｒｆ信号が取り出され、パルス発生器５７に供給される。パルス発生器５７は、入力したｒｆ信号と同じ繰り返し周期で所望の位相に同期した所望のオン期間を有するパルスを発生する。このパルス信号は、ソース電源５８に入力され、１３．５６ＭＨｚのｒｆ電力をパルスに応じてＯＮ／ＯＦＦ変調する。すなわち、プラズマ励起電力が基板バイアスと同期してＯＮ／ＯＦＦ変調される。
【００７０】
反応室５１内では、ＯＮ／ＯＦＦ変調されたプラズマが発生し、このプラズマのＯＮ／ＯＦＦ変調に同期したｒｆバイアスが基板５５に印加される。
なお、サセプタ５４の周囲には、ヒータ６４により温度制御できる内側容器６３が配置されている。温度を制御することにより、プラズマ組成を制御できる。また、内側容器６３は接地され、サセプタ５４に印加されるｒｆバイアスがプラズマ電位を変動させることを抑制する。
【００７１】
図６は、上述のプラズマ発生装置の動作を説明するための波形図である。波形（ａ）は、プラズマ励起用のソース電力を連続投入した場合の投入電力波形を概略的に示す。
【００７２】
波形（ｂ）は、ｒｆバイアスの電圧波形を概略的に示す。特にソース電力との同期をとっていない場合、ｒｆバイアスの波形は図に示すように、種々の位相で表れる。
【００７３】
波形（ｃ）は、上述のようにソース電力をＯＮ／ＯＦＦ変調した場合の電力波形を概略的に示す。電力が投入されている間はプラズマに励起エネルギが与えられるが、電力がオフされている期間はプラズマ投入電力が“０”になる。
【００７４】
波形（ｄ）は、波形（ｃ）で励起しているプラズマ中の電子温度を概略的に示す。ソース電力が投入されている間、電子は加速され、電子温度は上昇していく。電子温度の上昇中にソース電力がオフされるとする。ソース電力がオフされるとプラズマ中の電子の加速がなくなり、電子はプラズマ中の原子、分子、イオンや反応容器壁に非弾性衝突し、エネルギを失う。このため、電子温度は徐々に低下していく。このように、ソース電力をＯＮ／ＯＦＦ変調すると、電子温度はソース電力のＯＮ／ＯＦＦに同期して上昇／下降する。
【００７５】
波形（ｅ）は、ソース電力がオフからオンに変化する時に最高電位になるようにソース電力変調に同調させたｒｆバイアスの波形を示す。基板に対する電子の流入が、ｒｆバイアス最高の時に生じるとすれば、この時、電子温度は最低となっている。すなわち、基板に流入する電子の実効的電子温度が最低に選択される。波形（ｆ）は、波形（ｅ）のｒｆバイアスを印加した時にプラズマから基板に流れる電子電流を示す。
【００７６】
なお、波形（ｂ）に示すように、ｒｆバイアスをソース電力のＯＮ／ＯＦＦと非同期とすれば、基板に電子が流入するタイミングはソース電力の変調と無関係となり、実効的電子温度は波形（ｄ）の平均値となるであろう。あるいは波形（ｄ）の最大値に支配されることもありうる。
【００７７】
以上の考察を検証するため、以下に説明する実験を行なった。
図７は、実験に用いたサンプルの構造を示す。図７（Ａ）は、サンプルの断面図である。シリコン基板１３の表面には、ＬＯＣＯＳにより作成した厚いフィールド酸化膜１４ａが形成されている。フィールド酸化膜１４ａによって画定された開口部に厚さ６ｎｍのゲート酸化膜１４ｂが形成されている。ゲート酸化膜１４ｂおよびフィールド酸化膜１４ａの上に、ゲート配線層１５が形成されている。
【００７８】
ゲート配線層１５は、図２（Ａ）に示すゲート配線層と同様、多結晶シリコン層とアルミニウム層の積層で形成される。ゲート配線層１５の上には、レジストマスク１６が形成されている。レジストマスク１６は厚さ１．２μｍであり、図７（Ｂ）に示すように、幅ｗ＝０．６μｍ、間隔ｄ＝０．６μｍを有し、互いに平行なストライプで形成される。開口のアスペクト比は２である。
【００７９】
図７（Ｂ）に示すように、ゲート配線層１５の一部は下部に突出しており、この部分にＭＯＳキャパシタＣが形成されている。なお、図７（Ａ）の断面図は概略的なものであり、図７（Ｂ）の平面図と厳密には一致していない。
【００８０】
図８は、実験に用いたソース電力のＯＮ／ＯＦＦ変調と、同期ｒｆバイアスの位相関係を示す。ソース電力がオンするタイミングを０°とし、ｒｆバイアスの最大電位がソース電力オンの位相より進む角度（進角）を位相角θとした。θは、０°、９０°、１８０°、２７０°に設定した。なお、ソース電力のＯＮ／ＯＦＦ変調は、オン期間を５μｓｅｃとし、オフ期間を１０μｓｅｃとした。したがって、ｒｆバイアスの最大電位がオン期間の最後に同期する場合、その位相角は２４０°となる。
【００８１】
なお、実験においては比較のため、図６（Ａ）に示す連続放電の場合も測定した。また、ｒｆバイアスをソース電力のＯＮ／ＯＦＦと同期させない非同期（図６（ｂ）の波形）の場合も実験した。
【００８２】
なお、表面露出型アンテナを接続したサンプルを用いた場合には、プラズマ処理装置内における損傷は、アンテナ比１００００００でも検出されなかった。プラズマ処理条件は、圧力０．５３ＰａのＡｒガスを用い、ソース電力平均値を１００Ｗとし、ｒｆバイアス電力を２２Ｗとした。この時、ラングミュアプローブ測定で求めたイオン電流密度１ｍＡ／ｃｍ２  程度であった。
【００８３】
図８のソース電力のＯＮ／ＯＦＦ変調実験では、オン期間を５μｓｅｃとし、オフ期間を１０μｓｅｃとした。したがって、繰り返し周波数は６６．７ｋＨｚとなる。非同期のｒｆバイアスは６０ｋＨｚとした。また、オン期間のソース電力は３００Ｗとし、平均１００Ｗを実現した。
【００８４】
図９は、実験結果を示すグラフである。横軸は放電の形式を示し、縦軸はキャパシタ破壊率を％で示す。なお、キャパシタ破壊率を測定したサンプルは、アンテナ比１０５  である。連続放電の場合、キャパシタ破壊率は９０％以上であり、１００％近い確率を示した。ソース電力をＯＮ／ＯＦＦ変調すると、破壊率は７０％程度に低下している。ＯＮ／ＯＦＦ変調により、電子温度の平均値が低下したものと考えられる。
【００８５】
同期ｒｆバイアスを０°の位相で印加した場合には、破壊率は５％程度まで低下した。これは、非同期ｒｆバイアスを用いた場合には期待できない著しい改善である。０°から位相を大きくしていくと、破壊率は増大している。
【００８６】
オン期間とオフ期間の時間長が異なるため、位相１８０°はオフ期間に含まれる。オフ期間に含まれる０°、９０°、１８０°の測定結果は、オフ期間中のｒｆバイアスの進角が進むと、次第にキャパシタ破壊率が高くなることを示している。
【００８７】
位相２７０°はオン期間内であり、他の位相角のデータとは若干条件が異なる。得られたキャパシタ破壊率は位相１８０°の破壊率に近いものであった。なお、４つの位相角におけるキャパシタ破壊率が総て非同期の場合のキャパシタ破壊率よりも低い理由は現在までのところ判っていない。
【００８８】
以上の実験結果から、プラズマ励起パワーを変調する時、投入電力の程度に応じて電子温度が低下すること、ＯＮ／ＯＦＦ変調にｒｆバイアスを同期させると１周期内でｒｆバイアスの位相の変化に対応して電子温度が変化することが推察される。電子温度が最も低くなるのは、プラズマ励起パワーがオフからオンに変化する時である。
【００８９】
「オン」「オフ」サイクルの繰り返し周波数は、必ずしもｒｆバイアスの周波数と同じである必要はない。たとえば、ｒｆバイアス周波数の１／２や１／４でもよい。
【００９０】
繰り返し周波数は、電子の熱的緩和、プラズマ維持の観点から、５−５００ｋＨｚの周波数範囲で選ぶことが好ましい。
プラズマ励起パワーは、繰り返し周波数の５倍以上の周波数を有することが好ましい。プラズマ励起パワーは、各「オン」期間に３サイクル以上を有することが好ましい。
【００９１】
電子が注入される期間は、実際上は“０”ではなく、ある時間幅を有する。したがって、上述の「ｒｆバイアスが最大となるタイミング」は、厳密には電子電流の主たる部分（典型的にはその９０％）が注入される期間と考えるべきであろう。この期間内の平均電子温度が最低となるように制御することが好ましい。たとえば、図６に示すように、オン期間とオフ期間が異なるＯＮ／ＯＦＦ変調の場合、最適のｒｆバイアスの位相は０°よりも僅かに進んだ角度となる。実際上、ｒｆバイアスの位相は−３０°〜＋６０°の範囲とすることが好ましいであろう。
【００９２】
また、電子温度は、最低値Ｔｅｍｉｎから振幅の３０％上までを実質的な最低値と考えることができる。基板電位は、最高値から振幅の１０％下までを実質的な最高値と考えることができる。
【００９３】
なお、この実験において、Ａｒガスを用いたのはラングミュアプローブ測定等の便宜のためである。実際の半導体装置の製造プロセスにおいては、その他のガスが用いられる。
【００９４】
たとえば、Ｃ４  Ｆ８  ガスを用い、ＳｉＯ２  膜のエッチングを行なうことができる。図５に示す装置を用い、上述と同様の構造付アンテナを接続したＭＯＳキャパシタを処理した。連続放電でソース電力２．５ｋｗ、ｒｆバイアス電力２５０Ｗを印加する時、ＳｉＯ２  膜が５００ｎｍ／分のエッチング速度でエッチングできた。このプラズマで上述のサンプルを処理すると、１０６  アンテナで９３％の破壊率で示した。
【００９５】
ＯＮ／ＯＦＦ時間を５μｓｅｃ／５μｓｅｃ、オン期間のソース電力を２．５ｋｗ、同期ｒｆバイアスを１００ｋＨｚ、２５０Ｗとすると、ＳｉＯ２  膜は３３０ｎｍ／分のエッチング速度でエッチングできた。この場合、破壊率は８８％であった。
【００９６】
ＯＮ／ＯＦＦ時間を５μｓｅｃ／１０μｓｅｃとし、オン期間のソース電力を２．５ｋｗ、同期ｒｆバイアスを６６．７ｋＨｚ、２５０Ｗとすると、ＳｉＯ２  膜は２１０ｎｍ／分のエッチング速度でエッチングでき、破壊率は４％であった。
【００９７】
オフ時間を長くすることで著しく損傷が低減した。オフ時間を長くすると、電子温度が降下する時間が長くなり、その期間の最後における電子温度はより低下すると考えられる。損傷の著しい低下は、少なくともこの電子温度の低下に依存するものと考えられる。
【００９８】
ただし、この例では、厳密にはソース電力の平均値が変化しており、イオン電流密度も変化していると考えられる。したがって、オフ時間効果だけを示すものではないであろう。
【００９９】
オフ時間を長くしずきると、ｒｆバイアスの周波数が低くなりすぎて、バイアスを印加しにくくなる。
ソース電力を高くして、プラズマ密度が高くなりすぎると、基板電位の上昇がクランプされてしまうことがある。基板電位が上昇した時の基板とプラズマ間のインピーダンスが小さくなり、基板とｒｆバイアス電源との間のインピーダンスが相対的に大きくなりすぎるためと考えられる。静電チャックを用いて基板を吸着している場合に、この現象が顕著になりやすい。
【０１００】
このような場合には、表面的な最適位相が変化してしまい、１８０°付近が最適になることもある。しかしながら、基板の実際の電位変化を測定し、所望の繰り返し周波数において、正弦波に近い状態が得られるように基板とｒｆバイアス電源の間のインピーダンスを十分小さくすれば、本来の最適位相で最適の効果を得ることができるであろう。
【０１０１】
図１０は、プラズマ励起エネルギの種々の変調方法を示す。最上段に示した正弦波はｒｆバイアスの波形であり、その下に示した波形（ａ）〜波形（ｅ）がプラズマ励起エネルギの変調波形である。
【０１０２】
波形（ａ）、（ｂ）は、上述のＯＮ／ＯＦＦ変調の場合の位相０°からの変化を示す。プラズマ励起パワーのオン期間中にｒｆバイアスの最高値が入る場合には、位相角の許容範囲はおよそ−３０°〜  ０°である。波形（ｂ）に示すように、ｒｆバイアス電位の最高値がプラズマ励起パワーのオフ期間中に入り込む場合は、位相角の許容範囲はおよそ０°〜６０°である。一般的に位相角θは−３０°≦θ≦＋６０°とすることが好ましい。
【０１０３】
上述の例においては、プラズマ励起パワーはＯＮ／ＯＦＦ変調した。オフ期間に全くプラズマ励起パワーを遮断することは必ずしも必要ではない。プラズマ励起パワーを強弱２段階に切り換えることにより、プラズマ励起パワーが弱い期間に電子温度を低下させることもできる。
【０１０４】
波形（ｃ）は、この場合の例を示す。プラズマ励起パワーが強弱２段階で変調され、プラズマ励起パワーが弱い状態から強い状態に変化するタイミングでｒｆバイアスの最高電位が生じている。
【０１０５】
波形（ｄ）、（ｅ）は、さらに別の変形を示す。波形（ｄ）は、立ち上がり、立ち下がりに時定数を有するプラズマ励起パワーを用いた場合を示している。この場合、立ち上がりの速度に応じて、ｒｆバイアスの位相を制御することが好ましい。たとえば、プラズマ励起パワーが１０％以上立ち上がろうとする時に、ｒｆバイアスが最大値を示すように選択する。
【０１０６】
波形（ｅ）の場合には、プラズマ励起パワーはほぼ正弦波的に変化している。この場合にも、プラズマ励起パワーが弱い状態から次第に強くなる状態に合わせ、ｒｆバイアスが最大値をとるようにすることが好ましい。たとえば、プラズマ励起パワーの電力が最大値の２５％以上になる時に、ｒｆバイアス電圧が最大値をとるように選択する。
【０１０７】
図１１は、本発明の他の実施例によるプラズマ処理装置を概略的に示すブロック図である。気密な容器１０１内にサセプタ１０２が接地され、その上に基板１０３が静電吸着される。サセプタ１０２は温度制御され、基板１０３とサセプタ１０２の間にヘリウムガスが導入される。基板はヘリウムガスを介して加熱／冷却され、サセプタと同一の温度に保持される。容器１０１内には、マスフローコントローラ１０４、１０５によって流量を制御されたプロセス用ガスが導入される。このガス系統は、必要に応じて３系統以上に増加することも１系統にすることもできる。容器１０１は、オートプレッシャコントローラ１０６を介して真空ポンプに接続され、圧力を制御して排気する。
【０１０８】
高周波（若しくはマイクロ波）発振器１１１からの高周波（若しくはマイクロ波）電力は、整合器ないし結合手段１１２を介して容器１０１内のガスに導入され、ガスをプラズマ化する。結合手段と投入電力によって次のようなプラズマを生成できる：平行平板電極による容量結合プラズマ、容器１０１に巻いたコイルを用いた誘導結合プラズマ、容器１０１上に設置した平板型コイル（ＴＣＰコイル）を用いた誘導結合プラズマ、高周波と磁場を併用するヘリコン波プラズマ、マイクロ波と磁場を用いたＥＣＲプラズマ、マイクロ波と誘電体線路を用いた表面波励起プラズマ等。
【０１０９】
一方、サセプタ１０２には高周波電力が印加される。図の構成においては、２チャンネルの任意波形発生器１１３の一方からの正弦波信号が高周波増幅器１１４で電力増幅され、整合器１１５を介してサセプタ１０２に印加される。任意波形発生器１１３のもう一方のチャンネルからは高周波（もしくはマイクロ波）発振器に矩形波が供給される。この矩形波により、発振器１１１は振幅変調される。
【０１１０】
容器１０１には、窓１２１を介して光ファイバ１２２が接続され、終点検出器１２３にプラズマ発光を導入する。終点検出器設定に応じた波長の光の強度変化を検出し、プロセスの進行をモニタする。
【０１１１】
システムコントローラ１３１は、基板１０３の搬送系を含み、装置全体の動作を制御する。マスフローコントローラ１０４、１０５には、各ガスの設定値を送り、実際に流れているガス流量の読みを受け取る。オートプレッシャコントローラ１０６には圧力設定値が供給され、実際の圧力の読みが返される。高周波（若しくはマイクロ波）発振器１１１にはソース電力設定値、高周波増幅器１１４にはｒｆバイアス電力設定値が送られ、それぞれの正味電力の読みが返される。なお、読みはしばしば整合器１１２、１１５から返される。
【０１１２】
任意波形発生器１１３には、各チャンネルの位相差等を送る。終点検出器１２３にはパラメータ群、たとえば検出波長、検出条件等を送り、終点信号が返される。システムコントローラ１３１は、時計を内蔵し、設定時間に従って動作を進行させることができる。システムコントローラ１３１に一連の処理条件を予め設定することによって、自動的に基板１０３のプラズマ処理ができる。
【０１１３】
このように、２チャンネルの任意波形発生器１１３を用い、その出力波形により高周波発振器１１１を振幅変調し、高周波増幅器１１４によって電力増幅を行なう。これらの変調及び増幅は、他の処理パラメータと共にシステムコントローラが自動的に設定、変更できる。これにより、プラズマ処理の途中で任意にプラズマ発生条件やｒｆバイアス条件を切り換えることができる。
【０１１４】
任意波形発生器１１３の代わりに、単一の正弦波発生器を用い、その出力によってソース電力を変調するかどうかをシステムコントローラからの信号で選択するようにしてもよい。この場合、トリガレベルとパルス幅を設定可能とし、位相、ＯＮ／ＯＦＦ時間を可変にすることができる。また、矩形波を発生させ、ソース電力を変調するかどうかを選択可能とし、矩形波の基本波成分だけを増幅し、位相をずらしてｒｆバイアスとして用いてもよい。
【０１１５】
図１２は、２段階のプロセスを行なう処理を示す。
ガス１、ガス２の流量および反応容器内の圧力を設定し、設定条件で安定した後、パルスオフ時間“０”、すなわち連続出力に設定し、ソース電力を投入する。続いて、ｒｆバイアス電力を投入する。予め決めた時間が経過したら（あるいは終点を検出したら）、ｒｆバイアス電力、ソース電力を順次切る。
【０１１６】
次に第２段階のガス流量、圧力に設定を変更する。設定条件に安定したら、たとえば１０μｓｅｃのパルスオフ時間を用い、任意波形発生器１１３からパルス波形と、同期した正弦波を発生させる。パルスオン時間をたとえば５μｓｅｃとすると、正弦波は６６．７ｋＨｚとなる。これら信号に従って、ソース電力、ｒｆバイアス電力を再度投入し、第２段階のプラズマ処理を行なう。予め決めた時間が経過したら、電力を切り、ガスを止め、排気を行なった後プロセスを終了する。
【０１１７】
なお、動作シーケンスは以上説明したものに限らない。各段階で必ずしも全てのパラメータを変更しなくてもよいし、３段階以上の変化を設定することもできる。パルスのオン時間を途中で変更することもできるし、各値の増減を必要に応じ、最適に変化させることもできる。
【０１１８】
上述の方法は、たとえばゲート電極のエッチング、ゲート電極上のコンタクトホールのエッチング、ゲート電極に接続する配線のエッチング、この配線上のビアホールのエッチング、コンタクトホールやビアホール内のプラズマクリーニング、またはゲート電極やゲート配線上へのプラズマＣＶＤによる成膜に利用することができる。
【０１１９】
ゲート電極や配線のパターニングの場合に損傷が生じるのは工程の終点付近である。間隔の狭いパターン間のみに導体が残存し、広いパターン間隔ではエッチングが終了するため、ゲート電極等にアンテナ構造が接続された状態になる。間隔の広いパターン間にも導体が存続している期間には、導電層はいずれかの位置で基板に電気的に接続されていることが多く、電子温度は高くても問題ない場合が多い。そこで、連続放電の方が加工性能等の面から好ましい場合、エッチング終点直前まで連続放電を行い、エッチング終点直前にＯＮ／ＯＦＦ変調と同期バイアスの併用を用いる。あるいは、終点前後だけＯＮ／ＯＦＦ変調と同期バイアスの併用とすることも可能である。
【０１２０】
コンタクトホールやビアホール形成の場合は、損傷が生じるのはプロセス終点近傍で導体が露出している期間である。したがって、プロセス終点前に連続放電からＯＮ／ＯＦＦ変調と同期バイアス印加に切り換えることができる。この場合、加工性能を向上させられる可能性がある。
【０１２１】
たとえば、ビアホールエッチングの場合、この例のような順で連続放電から始め、エッチング終点直前にパルス変調プラズマと同期バイアスを用いる動作に移ると、スループットをあまり低下させることなく、チャージングダメージを低減できる。配線エッチングの場合は、終点を十分過ぎた後、再び連続放電に戻ってもよい。
【０１２２】
このように、プロセス途中で条件を切り換えることを可能とするために、プラズマ装置のシステムコントローラからソース電源に関して連続／変調の切り換えや、パルス幅の設定が行なえ、ｒｆバイアス源に対して周波数の切り換え、各マッチング回路に関してプリセット値の切り換え等の制御を行なえるようにすることが好ましい。
【０１２３】
プラズマＣＶＤによる成膜においては、成膜初期にエッチングの損傷に類似する現象が認められた。成膜の初期においては、パターン上部により早く膜が形成される。導電体で形成されたパターン上に絶縁膜をＣＶＤで堆積する場合、プロセス初期においては、パターン上部のみが絶縁膜によって覆われ、電子の負電荷が蓄積する。この時、パターン下部にはイオンの流入が過剰となる。このため、堆積初期における段階で、過剰イオン電荷がゲート絶縁膜に損傷を与えることが生じ得る。このようなプラズマＣＶＤにおいては、プロセス初期に基板に流入する電荷のアンバランスを低減することが望まれる。
【０１２４】
たとえば、プラズマＣＶＤの場合には、成膜初期にパルス変調と同期ｒｆバイアスを用いる。この場合、途中から連続放電にし、スループットをあまり低下させずに、チャージングダメージを低減することができる。ｒｆバイアスの投入の仕方で、平坦化特性を得ることもできる。
【０１２５】
また、ソース電源を変調可能なｒｆ発振器で構成せず、ｒｆ増幅器で構成してもよい。このｒｆ増幅器に連続またはパルス変調した高周波信号を印加し、同様の出力を得ることができる。
【０１２６】
このように、変調、同期、位相制御の手段としては種々の形態をとることができる。
マイクロ波によってプラズマを生成する場合、マイクロ波の発生をＯＮ／ＯＦＦ変調し、この変調にｒｆバイアスを同期させればよい。光による励起によってプラズマを発生させる場合も同様である。
【０１２７】
これらの実施例において、プラズマ励起パワーがオフになる期間に電子温度が減衰することが重要である。電子温度の減衰特性は、ガスの種類によって変わると考えられる。したがって、ガスの種類に応じて十分なオフ時間を選ぶことにより、最適な効果が得られるであろう。
【０１２８】
絶縁膜の開口のアスペクト比がより大きい場合には、アンテナ導体と絶縁膜パターン上部の距離が大きくなるため、より少ない電荷蓄積でも電子が反発されるようになる。したがって、損傷を防止するためにはより低い電子温度に制御することが必要となる。
【０１２９】
また、ゲート絶縁膜の膜厚が６ｎｍ、８ｎｍの場合を示したが、より薄い絶縁膜を有する半導体装置の製造の場合には、アンテナ導体の電位が下がるため、電子を引き込みにくくなる。アンテナ導体の電位は絶縁膜の耐圧にほぼ近い値まで上昇するので、この程度以下の電子温度に制御すれば電子を引き込むことができ、損傷を防止することができると考えられる。
【０１３０】
以上、主にＥＣＲプラズマ装置、誘導結合型プラズマ装置を例にとって説明したが、プラズマの性質を利用するものであれば、同等の原理が他の装置にも適用できる。たとえば、ＲＩＥ装置、ヘリコン波プラズマ装置等にも適用できる。
【０１３１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、密で微細なパターンを有するプラズマ加工においてプラズマに起因するゲート絶縁膜の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明者が行なった実験を説明するための平面図およびグラフである。
【図２】実験に用いたサンプルの断面図および平面図である。
【図３】実験に用いたＥＣＲプラズマ装置およびラングミュアプローブを説明するための概略断面図および模式図である。
【図４】プラズマ工程における基板のチャージアップを説明するための概略図である。
【図５】実験に用いた誘導結合プラズマ装置を示すブロック図である。
【図６】実験に用いたプラズマ装置内における電力および電位の波形を示すグラフである。
【図７】実験に用いたサンプルの断面図および平面図である。
【図８】プラズマ装置内における電力および電位の波形を示す概略図である。
【図９】実験結果を示すグラフである。
【図１０】プラズマ処理方法の変形例を示すグラフである。
【図１１】本発明の他の実施例によるプラズマ処理装置のブロック図である。
【図１２】本発明の他の実施例による図１１の装置を用いたプラズマ処理工程を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１  反応室
２  ガス導入口
３  排気口
４  プラズマ発生室
５  マイクロ波導波管
６  マイクロ波透過窓
７  主コイル
８  サセプタ
９  基板
１０  外部コイル
１１  内部コイル
１２  ｒｆバイアス源
３１  プローブ
３２、３３  補償電極
３７  可変電圧源
３８  電流源
５１  反応室
５２  ガス導入口
５３  排気口
５４  サセプタ
５５  基板
５６  ｒｆバイアス源
５７  パルス発生器
５８  ソース電源
５９  マッチング回路
６０  コイル
６１  外側容器
６２  ベルジャ
６３  内側容器
６４  ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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