(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを発生させる真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対向した位置に配置され、かつ半導体基板を載置する第２の電極と、前記第２の電極に接続された結合容量と、前記結合容量を介して前記第２の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空チャンバ内で前記第２の電極から第１の電極に向かう方向又はその反対方向に磁界を発生させる誘導コイルとを備え、
前記高周波電源は、基本駆動周波数の高周波信号の周波数を６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの範囲の変調信号によりオン・オフ変調した高周波電力を発生することを特徴とする誘導型プラズマエッチング装置。
【請求項２】
前記高周波電源は、基本駆動周波数の高周波信号を発振する発振器と、周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの変調信号を発生する信号発生回路と、前記高周波信号を前記変調信号によってオン・オフ変調する変調回路と、前記変調回路の出力信号を増幅する高周波増幅回路と、前記高周波増幅回路からの高周波電力を前記第２の電極に整合させる整合器から成ることを特徴とする請求項１に記載の誘導型プラズマエッチング装置。
【請求項３】
前記変調信号のオン期間とオフ期間の比は１対１であることを特徴とする請求項１に記載の誘導型プラズマエッチング装置。
【請求項４】
前記半導体基板の表面電位が第１の電極の電位まで回復する回復時間τは、前記第２の電極に高周波電力を供給したときに前記半導体基板と第１の電極間に発生する自己バイアス電圧をＶdcとし、前記第２の電極への高周波電力を断ったときに前記プラズマから半導体基板に流れ込むイオン飽和電流をＩisとし、前記結合容量の値をＣb とすると、τ＝Ｖdc・Ｃb ／Ｉisに従うことを特徴とする請求項１に記載の誘導型プラズマエッチング装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の誘導型プラズマエッチング装置を用いてエッチング用ガスのプラズマを生成し、前記プラズマを用いて半導体基板上の膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体ウエハをプラズマに曝して金属配線等をエッチングするプラズマエッチング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳデバイスは高速化のために、ゲート酸化膜をスケーリング則に伴って数ｎｍというように非常に薄くする必要があるが、トランジスタが形成された半導体基板上の金属層をプラズマエッチングする際には、トランジスタを劣化さないようにしなければならない。
【０００３】
図10(A) に示すような真空チャンバ１内で半導体ウエハ５上のアルミニウム膜をプラズマエッチングするような場合には、ブロッキングコンデンサＣｂを介して高周波電源４から基板バイアス電極３にプラズマ発生用の高周波電力が供給される。これにより、対向電極２と基板バイアス電極３との間にプラズマが生成される。
【０００４】
そして、プラズマからの正イオンは図10(B) に示すようなレジストマスク７に覆われていないアルミニウムのような金属層６をエッチングし、これにより配線、電極或いはコンタクトパッドを形成する。なお、半導体ウエハ５上に形成されたＭＯＳデバイスの断面図を示す図10(B) において、５Ａはシリコン基板、５Ｂはフィールド絶縁膜、５Ｃはゲート酸化膜、５Ｄはゲート電極層、５Ｅは層間絶縁膜を示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、薄いゲート酸化膜５Ｃが形成された半導体ウエハ５では、高周波電力が連続的に基板バイアス電極３に供給されると、プラズマに曝されたウエハ表面の場所によって不均一な電位分布が発生し、これによって生ずる電位差により薄いゲート酸化膜５Ｃの上のゲート電極に電荷が蓄積する。
【０００６】
即ち、図10(B) において、プラズマから供給される正イオンと電子のうち正イオンよりも軽い電子は、電位分布が均等な場合にはゲート電極層５Ｄ内を移動しにくいが、ウエハの中心部分と周辺部分との電位差によって電位分布が不均等になる場合には電子が金属層６内を移動してゲート電極５Ｄにに蓄積する。この蓄積電荷が大きくなると、基板バイアス電極３の電位にほぼ等しい基板５Ａとゲート電極５Ｄの間にあるゲート酸化膜５Ｃが破壊される。この破壊は、アンテナ比（金属層面積／ゲート酸化膜面積）が１００倍以上になると生じ易くなる。
【０００７】
また、別な問題として、ゲート酸化膜５Ｃの蓄積電荷によって閾値のシフトといったトランジスタ特性の劣化が生じる。
このようなプラズマによるチャージアップ対策はデバイスの信頼性を高めるために非常に重要である。チャージアップの原因としては、プラズマの不均一性などが指摘されているが、特に、基板バイアス電極３にpeak−to−peakの電圧値で１000 Ｖ越える高い電圧が印加されるため、特性劣化が起こり易いといわれている。この理由は、高周波電力が連続的に基板バイアス電極３に供給されることによって、ウエハ５の表面の容量に電荷が蓄積されることになるが、基板バイアス電極３から対向電極２以外の真空チャンバ１の側壁部分に高周波電流が流れ込んで接地線ＧNDに至ることから、ウエハ５の中央部の電位が高く、その周辺部の電位が低くなるような不均一な表面電位が分布し、この電位分布がプラズマ空間電位（０Ｖ）を不均一な分布にしてしまうためと考えられている。
【０００８】
本発明は、かかる従来例の問題点に鑑み創作されたものであり、プラズマに曝される半導体基板の表面上の電位差を小さく抑え、チャージアップを低減することが可能となるプラズマエッチング装置及び半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態に係る誘導型プラズマエッチング装置は、その一実施例を図１に示すように、プラズマを発生させる真空チャンバ（１１）と、前記真空チャンバ内に設けられた第１の電極（１２）と、前記第１の電極に対向した位置に配置され、かつ半導体基板を載置する第２の電極（１３）と、前記第２の電極に接続された結合容量（Ｃｂ）と、前記結合容量を介して前記第２の電極に高周波電力を供給する高周波電源（１４）と、前記真空チャンバ内で前記第２の電極から第１の電極に向かう方向又はその反対方向に磁界を発生させる誘導コイル（１５）とを備え、前記高周波電源は、基本駆動周波数の高周波信号を周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの変調信号によりオン・オフ変調した高周波電力を発生することを特徴とする。
【００１０】
本発明の装置において、好ましくは、前記高周波電源が、基本駆動周波数の高周波信号を発振する発振器と、周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの変調信号を発生する信号発生回路と、前記高周波信号を前記変調信号によってオン・オフ変調する変調回路と、前記変調回路の出力信号を増幅する高周波増幅回路と、前記高周波増幅回路からの高周波電力を前記第２の電極に整合させる整合器から成ることを特徴とする。
【００１１】
本発明の装置において、好ましくは、前記変調信号のオン期間とオフ期間の比は１対１であることを特徴とする。
本発明の装置において、好ましくは、前記半導体基板の表面電位が第１の電極の電位まで回復する回復時間τは、前記第２の電極に高周波電力を供給したときに、前記半導体基板と第１の電極間に発生する自己バイアス電圧をＶdcとし、前記第２の電極への高周波電力を断ったときに、前記プラズマから半導体基板に流れ込むイオン飽和電流をＩisとし、前記結合容量の値をＣb とすると、τ＝Ｖdc・Ｃb ／Ｉisに従うことを特徴とする。
【００１２】
本発明の装置において、好ましくは、前記変調信号のオフ期間に対する前記回復時間τの割合を２０乃至３０％に設定することを特徴とする。
また、本発明の他の形態に係る半導体装置の製造方法は、上記の一形態に係る誘導型プラズマエッチング装置を用いてエッチング用ガスのプラズマを生成し、前記プラズマを用いて半導体基板上の膜をエッチングすることを特徴とする。
【００１３】
【作  用】
本発明の誘導型プラズマエッチング装置の動作を説明する。まず、高周波電源において、基本駆動周波数の高周波信号が周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの変調信号により変調されると、この変調信号の「Ｈ」（ハイ）レベル及び「Ｌ」（ロー）レベルに従って間欠する高周波電力が発生される。この高周波電力は、例えば、真空チャンバ内で半導体基板を載置した第２の電極に結合容量を介して供給される。これにより、第１の電極と第２の電極間でプラズマが発生され、基板上の膜等がプラズマエッチングされることになる。
【００１４】
このとき、変調信号が「Ｈ」（ハイ）レベルになる期間では、高周波電力が第２の電極に印加された状態になり、基板表面上に不均一な電荷が蓄積されることで、基板表面に不均一な電位が分布する。この電荷の蓄積によって基板と第１の電極との間に負の自己バイアス電圧が発生する。また、この変調信号が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに遷移する期間では、先に発生した負の自己バイアス電圧によって、プラズマから基板表面に正イオン電流が流れ込むために、基板表面の電位が一様に上昇して行く。
【００１５】
さらに、変調信号が「Ｌ」レベルになる期間、すなわち、高周波電力を第２の電極に全く供給していない状態では、自己バイアス電圧が第１の電極の電位（プラズマ空間電位）まで上昇し、そして、正イオン電流よりも軽い電子流がプラズマから基板表面の電位分布の高い中央部分に流入し、これよりも低い基板周辺部には正イオン電流が流入する。この電流の流入によって、基板表面に不均一に蓄積されていた電荷が放電され、基板表面の電位分布が均一化されることとなる。この際に、回復時間τ＝Ｖdc・Ｃb ／Ｉisに従って、半導体基板の表面電位が第１の電極の電位まで回復する。
【００１６】
このように本発明によれば、周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの変調信号に従って間欠する高周波電力によって、半導体基板の表面の電位差が調整できるので、この電位差を原因とするチャージアップを低減することができる。
なお、周波数６００ｋＨｚ未満の変調信号で高周波信号をパルス変調すると、高周波電力が第２の電極に印加されない状態が長くなることで、基板表面の電位分布が均一化できるが、変調信号の「Ｈ」レベルの期間が長くなるので、基板表面上に不均一な電荷が蓄積される割合が増加し、基板表面上の横方向での電位差が大きくなり、この電位差がチャージアップの原因となる。
【００１７】
反対に、周波数８００ｋＨｚを越える変調信号で高周波信号をパルス変調すると、高周波電力が第２の電極に印加されない状態が短くなることで、基板表面上に不均一な電荷が蓄積される割合が減少する。しかし、変調信号の「Ｌ」レベルの期間も短くなること、及び、第２の電極に高周波電力を印加する単位時間当たりの回数が多くなるので、基板表面の電位分布の均一化が不完全となって、周波数６００ｋＨｚ未満の変調信号で高周波信号をパルス変調するときよりも、基板表面上の電位差を小さくできるが、チャージアップを低減できるような電位差まで基板表面電位を下げることができない。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、パルス変調した高周波電力と原料ガスとに基づいて生成したプラズマによって半導体基板上の電位差を小さく抑えた状態で、基板上の膜がプラズマエッチングされるため、ゲート酸化膜の破壊や閾値のシフトといったような特性劣化を招くことなく、信頼性の良いデバイスが製造できる。
【００１９】
【実施例】
次に、図を参照しながら本発明の実施例について説明する。図１(A) は本発明の実施例に係る誘導結合型プラズマエッチング装置の構成図であり、図１(B) は、その高周波電源の内部構成図を示している。図１(A) において、１１はプラズマを発生させる真空チャンバであり、口径５００ｍｍ、高さ２００ｍｍ、厚さ５ｍｍの石英のベルジャーから構成されている。真空チャンバ１１の内部は0.1 〜数Ｔｏｒｒ程度の真空度に保たれるものである。
【００２０】
１２は真空チャンバ１１内に設けられた対向電極（第１の電極）であり、対向電極１２は接地線ＧNDに接続されている。対向電極１２はシャワー板兼用電極から構成しても良い。１３は半導体ウエハ５の載置台を兼用して設けられた基板バイアス電極（第２の電極）であり、対向電極１２に対向した位置に設けられている。Ｃｂは基板バイアス電極１３に接続されたブロッキングキャパシタ（結合容量）であり、容量値は1500ｐＦ程度である。
【００２１】
１４はブロッキングキャパシタＣｂを介して基板バイアス電極１３に高周波電力を供給する高周波電源であり、高周波電源１４は基本駆動周波数13.56 ＭＨｚの高周波信号を５０／５０％のデューティ比を有する、例えば、周波数７００ｋＨｚの変調信号によりパルス変調（以下ＯＮ／ＯFF変調という）した高周波電力を発生する。
【００２２】
高周波電源１４は、好ましくは、図１(B) に示すように周波数13.56 ＭＨｚの高周波信号Ｓf0を発振する発振器４１と、所望のデューティ比を有する周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの変調信号を発生する信号発生回路４２と、高周波信号Ｓf0を変調信号ＳＰによってＯＮ／ＯFF変調する変調回路４３と、変調回路４３の出力信号を増幅する高周波増幅回路４４と、高周波増幅回路４４からの高周波電力ＰRFを基板バイアス電極１３に整合させる整合器４５から構成すると良い。デューティ比は、図２に示すように変調信号ＳＰの一周期を１００％としたときに、ローレベルの期間が５０％で、ハイレベルの期間が５０％であることが好ましい。ローレベルの期間が４５％で、ハイレベルの期間が５５％の場合には周波数範囲に多少変動があるが大きな差は無い。
【００２３】
１５は真空チャンバ１１の周囲に厚さ０．２ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍ程度の銅帯を２回巻いた誘導コイルであり、この誘導コイル１５に信号源１６から高周波の電流を供給することによって、真空チャンバ１１内に磁界を発生する。この磁界は、図１（Ａ）の配置構成から理解されるように、基板バイアス電極（第２の電極）１３から対向電極（第１の電極）１２に向かう方向又はその反対方向に発生される。また、１７はエッチングガスの導入口であり、例えば、半導体ウエハ５上のアルミニウム膜をドライエッチングする場合には、反応ガスにはＡｒを使用する。１８は排気口である。
【００２４】
次に、本発明の実施例に係る半導体ウエハのプラズマエッチング方法について、本実施例に係る誘導結合型プラズマエッチング装置の動作を説明する。エッチング条件は、ガスの種類がＡｒ、その流量が５０ｓｃｃｍ、チャンバ１１の圧力が５ｍＴｏｒｒ、高周波電力ＰRFが２ｋＷ、基板バイアス電極１３に印加する高周波電圧ＶRFが、peak-to-peak値で１０００Ｖである。
【００２５】
まず、高周波電源１４において、図２に示すような周波数13.56 ＭＨｚの高周波信号Ｓf0が図１(B) に示すような発振器４１から変調回路４３に出力され、例えば、デューティ比５０／５０％を有する周波数７００ｋＨｚの変調信号ＳＰが信号発生回路４２から変調回路４３に出力されると、この変調回路４３では高周波信号Ｓf0が変調信号ＳＰによってＯＮ／ＯFF（パルス）変調される。ここで変調された高周波信号Ｓf0が高周波増幅回路４４に出力される。これにより、高周波増幅回路４４では、この変調信号ＳＰの「Ｈ」（ハイ）レベル及び「Ｌ」（ロー）レベルに従って図２に示すように間欠する高周波電圧ＶRF（高周波電力の場合にはＰRFで示す）が発生される。
【００２６】
この高周波電力ＰRFは整合器４５及びブロッキングキャパシタＣｂを介して、真空チャンバ１１内で半導体ウエハ５を載置した基板バイアス電極１３に供給される。これにより、対向電極１２と基板バイアス電極１３間でプラズマが発生され、半導体ウエハ５上のアルミニウム膜等がプラズマエッチングにされることになる。
【００２７】
ここで、プラズマ、半導体ウエハ５及び基板バイアス電極１３とを含めた等価回路は図３(A) のように示される。図３(A) において、半導体ウエハ５は直径が４インチ程度であり、その表面に膜厚２μｍ程度の酸化膜が覆われている。このような半導体ウエハ５では通常、内部のキャパシタがアルミ配線等の金属膜と絶縁膜から構成され、その合成値は、ブロッキングキャパシタＣｂに比べて１０2 程度以上と大きい。
【００２８】
また、プラズマは接地線ＧNDに接続された対向電極１２と高周波電源１４に接続された基板バイアス電極１３との間及び該電極１３と側壁部分12Ａとの間で発生しているが、このような状態における基板バイアス電極１３上の半導体ウエハ５の表面電位を本発明者らが測定している。
この測定結果によれば、図３(B) に示すような測定回路において、表面電位は内部インピーダンスが１００ＭΩ程度の高電圧プローブ１９で検出し、その電圧波形（電位差）をオシロスコープ２０でモニタした。このときのラングミュアプローブで測定したイオン飽和電流Ｉisは３０ｍＡ／ｃｍ2 で、自己バイアス電圧Ｖdcは−３００Ｖであった。
【００２９】
すなわち、図２において、変調信号ＳＰが「Ｈ」（ハイ）レベルになる期間（基板バイアスＯＮ時）では、高周波電力ＰRFが基板バイアス電極１３に印加された状態になる。これにより、図４において、高周波電流（ＲＦ電流）が基板バイアス電極１３から側壁部分12Ａに流れて不均一なプラズマ空間電位分布（ωｔ＝π／２）が発生し、この結果、ウエハ表面に不均一な電荷が蓄積され、ウエハ表面電位も不均一な分布になる。このウエハ表面電位の分布は、プラズマ空間電位分布の不均一性が最大のときの値に近い値を採る。この電荷の蓄積によってウエハ表面と接地線ＧNDとの間に負の自己バイアス電圧（Ｖdc＝−３００Ｖ）が発生する。
【００３０】
また、図２において、変調信号ＳＰが「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに遷移する期間（基板バイアスＯＮ→ＯFF時）では、先に発生した負の自己バイアス電圧によって、図５に示すようにプラズマからウエハ表面のどの場所にも一様な正イオン電流ｊｉ+ が流れ込むために、ウエハ表面電位が一様に上昇して行く。従って、このときにはプロファイルは変化しない。
【００３１】
さらに、図２において、変調信号ＳＰが「Ｌ」レベルになる期間（基板バイアスＯFF時）、すなわち、高周波電力ＰRFを基板バイアス電極１３に全く供給していない状態では、自己バイアス電圧（平均値）Ｖdcが対向電極１２の電位（プラズマ空間電位）まで上昇し、そして、図６に示すように正イオン電流ｊｉ+ よりも軽い電子流ｊｅ+ がプラズマからウエハ表面の電位分布の高い中央部分に流入し、これよりも低い基板周辺部には正イオン電流ｊｉ+ が流入する。この電流の流入によって、ウエハ表面に不均一に蓄積されていた電荷が放電され、ウエハ表面電位の不均一性が緩和されることとなる。このとき、ウエハの中央部分は電子により緩和されるために、正イオン電流ｊｉ+ によって緩和されるウエハ周辺部よりも中央部分の方が早く緩和される。
【００３２】
この際に、回復時間τ＝Ｖdc・Ｃb ／Ｉisに従って、半導体ウエハ５の表面電位が対向電極１２の電位まで回復する。ここで、Ｖdcは自己バイアス電圧であり、基板バイアス電極１３に高周波電力ＰRFを供給（ＯＮ）したときに、半導体ウエハ５と対向電極１２（接地線ＧND）との間に発生する電圧である。Ｉisはイオン飽和電流であり、基板バイアス電極１３への高周波電力ＰRFを断った（ＯFF）ときに、プラズマから半導体ウエハ５に流れ込む電流である。Ｃb は、ブロッキングキャパシタＣｂの値である。
【００３３】
また、本発明者らは高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調しない場合と、デューティ比５０／５０％を有する周波数範囲４００ｋＨｚ〜１．４ＭＨｚの変調信号ＳＰにより高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調した場合について、ウエハの横方向の電位差を測定し、高周波信号ＳFOを変調する際の最適な変調周波数の範囲を次のように求めている。
【００３４】
図７は各変調周波数の一周期の位相対ウエハ横方向の電位差の関係を示す波形図である。図７において、縦軸はウエハ横方向の電位差Ｖであり、等分目盛りである。横軸は各変調周波数の一周期の位相ｒａｄであり、等分目盛りである。この電位差は、プラズマに曝したウエハ表面上の中心部と、その中心部から約３０ｍｍ離れた場所との間を図３(B) に示したような測定回路によりモニタしたものである。
【００３５】
これによれば、高周波信号ＳFOをＯＮ／ＯFF変調しない場合には、電位差が約１０．０Ｖであった。これに対して、高周波信号ＳFOを変調周波数１．１ＭＨｚで変調した場合には電位差の最大値が２．５Ｖ程度になり、８５０ｋＨｚでは電位差の最大値が２．０Ｖ程度になり、３４０ｋＨｚでは電位差の最大値が３．３Ｖ程度になっている。このことから、高周波信号ＳFOをＯＮ／ＯFF変調すると電位差が低下することが明らかであり、周波数を下げるほど、その平均値は下がっている。しかし、変調周波数３４０ｋＨｚでは、電位差の平均値が低いが、そのピーク値は逆に高くなっている。
【００３６】
図８は変調周波数対ウエハ横方向の電位差の関係を示す特性図であり、変調周波数に対するウエハ横方向の電位差の平均値とそのピーク値とを関係を示している。図８において、縦軸はウエハ横方向の電位差Ｖであり、等分目盛りである。横軸は各変調周波数ｋＨｚであり、等分目盛りである。これによれば、変調周波数４００ｋＨｚから１．４ＭＨｚの範囲で、高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調をした場合であって、ウエハの横方向での電位差の平均値特性（破線で示している）においては、周波数が高くなるほど、ウエハ横方向の電位差が大きくなり、周波数６００ｋＨｚでそれが最小となる。しかし、周波数４００ｋＨｚでは再び電位差が大きくなる傾向にある。
【００３７】
同様に、変調周波数４００ｋＨｚから１．４ＭＨｚの範囲で、高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調をした場合のウエハの横方向での電位差のピーク値特性（実線に示している）においては、周波数が低くなるほど、ウエハ横方向の電位差が大きくなり、周波数８００ｋＨｚでそれが最小となる。しかし、周波数１．４ＭＨｚでは再び電位差が大きくなる傾向にある。
【００３８】
このような関係を見い出した本発明者らは、ゲート酸化膜の面積が０．２ｍｍ2 、膜厚５ｎｍの酸化膜を有するＣＭＯＳに、図７のような実際に測定されたウエハ表面の電位差波形を６０秒間、印加し、ゲート酸化膜に流れたトンネル電流を測定した。これは、アルミ配線をプラズマエッチングする場合に、６０秒間、アルミニウム膜５Ａをオーバーエッチングした場合に相当する。
【００３９】
図９は変調周波数対ゲート酸化膜を流れた電荷量の関係を示す特性図である。図９において、縦軸はゲート酸化膜を６０秒間流れたトータルの電荷量Ｃ／ｃｍ2 であり、等分目盛りである。横軸は各変調周波数ｋＨｚであり、等分目盛りである。これによれば、変調周波数４００ｋＨｚから１．４ＭＨｚの範囲で、高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調をした場合、ゲート酸化膜を流れたトータルの電荷量は、ＯＮ／ＯFF変調をしない場合に比べて、図８に示したように、電位差の平均値が下がっていくために、半導体ウエハ５の内部（ネット）の電荷量が低くなっている。
【００４０】
しかし、変調周波数が低いとウエハ内部の各キャパシタへの電荷の蓄積も十分に行われてしまうため、図８に示したように電位差のピーク値が高くなり、図９に示すように電荷量が増加する。なお、変調周波数が低すぎると、高周波電力ＰRFがＯＮのときに、変調周波数と同じ周波数でウエハ表面電位に変動が起こる。この変動の振幅は周波数が低くなるほど大きくなる。
【００４１】
また、ゲート酸化膜に流れるトンネル電流は、絶縁膜にかかる電圧に対して指数関数的に流れる。従って、変調周波数が低く、電位差の平均値が低くても、そのピーク値によっては単位時間当たりのトンネル電流によるネットの電荷量が大きくなってしまい、かえって、ダメージが大きくなってしまう。
ここで、ゲート酸化膜を流れたトータルの電荷量が、経験的に１．０ｃｍ2 当たり５．０×１０-4Ｃに達すると、ＣＭＯＳの閾値Ｖthのシフトが起こることが知られていることから、図８において、最適な変調周波数が決まる。その周波数範囲は６００ｋＨｚから８００ｋＨｚであり、好ましくは、７００ｋＨｚが最適値となる。また、このときの回復時間τ＝Ｃｂ・Ｖｄｃ／Ｉｉｓは０．１９μｓである。このような条件から変調信号ＳＰが「Ｌ」レベルの期間に対する回復時間の割合としては、２０％〜３０％が良いことが明らかになる。
【００４２】
なお、図８に示したように変調周波数６００ｋＨｚ未満の変調信号ＳＰで高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調すると、高周波電力ＰRFが基板バイアス電極１３に印加されない状態が長くなることで、ウエハ表面の電位分布が均一化できる。しかし、変調信号ＳＰの「Ｈ」レベルの期間が長くなるので、ウエハ表面上に不均一な電荷が蓄積される割合が増加し、ウエハ表面上の横方向での電位差が２．０Ｖ以上と大きくなり、この電位差がチャージアップの原因となる。
【００４３】
反対に、図８に示したように周波数８００ｋＨｚを越える変調信号ＳＰで高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調すると、高周波電力ＰRFが基板バイアス電極１３に印加されない状態が短くなることで、ウエハ表面上に不均一な電荷が蓄積される割合が減少する。しかし、変調信号ＳＰの「Ｌ」レベルの期間も短くなること、及び、基板バイアス電極１３に高周波電力ＰRFを印加する単位時間当たりの回数が多くなるので、ウエハ表面の電位分布の均一化が不完全となって、周波数６００ｋＨｚ未満の変調信号ＳＰで高周波信号Ｓf0をＯＮ／ＯFF変調するときよりも、ウエハ表面上の電位差を小さくできるが、チャージアップを低減できるような電位差までウエハ表面電位を下げることができない。
【００４４】
このようにして、本発明の実施例に係る誘導結合型プラズマエッチング装置によれば、デューティ比５０／５０％を有する周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚ、好ましくは、７００ｋＨｚの変調信号ＳＰに従って間欠する高周波電力ＰRFによって、半導体ウエハ５の表面の電位差を２．０Ｖ以下に調整できるので、ゲート酸化膜を流れるトータルの電荷量を１．０ｃｍ2 当たり５．０×１０-4Ｃ以下に抑えることができる。
【００４５】
このため、ＯＮ／ＯFF変調した高周波電力ＰRFと原料ガスとに基づいて生成したプラズマを用い、半導体ウエハ５上の電位差を２．０Ｖ以下に抑えた状態で、ウエハ上のアルミニウム膜等がプラズマエッチングされることになる。
これにより、この電位差を原因とするチャージアップが低減できるので、ゲート酸化膜の破壊や閾値のシフトといったような特性劣化を招くことなく、信頼性の良いデバイスが製造できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマエッチング装置によれば、高周波電源において、基本駆動周波数の高周波信号が所望のデューティ比を有する周波数範囲６００ｋＨｚ乃至８００ｋＨｚの変調信号により変調されると、これに従って間欠する高周波電力により半導体基板の表面の電位差が調整できるので、この電位差を原因とするチャージアップを低減することができる。
【００４７】
これにより、半導体基板上の電位差を小さく抑えた状態で、各種の膜をプラズマエッチングできるので、ゲート酸化膜の破壊や閾値のシフトといったような特性劣化を招くことなく、信頼性の良いデバイスが製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る誘導結合型プラズマエッチング装置及びその高周波電源の構成図である。
【図２】本発明の実施例に係るエッチング装置の高周波信号、変調信号及び高周波電圧の波形図である。
【図３】本発明の実施例に係るエッチング装置の等価回路図及びウエハ表面電位の測定回路図である。
【図４】本発明の実施例に係るエッチング装置の動作（基板バイアスＯＮ時）説明図である。
【図５】本発明の実施例に係るエッチング装置の動作（基板バイアスＯＮ→ＯFF時）説明図である。
【図６】本発明の実施例に係るエッチング装置の動作（基板バイアスＯFF時）説明図である。
【図７】本発明の実施例に係る各変調周波数の一周期に対する電位差の波形図である。
【図８】本発明の実施例に係る変調周波数対ウエハ横方向の電位差の関係図である。
【図９】本発明の実施例に係る変調周波数対ゲート酸化膜に６０秒間流れたトータルの電荷量の関係図である。
【図１０】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１，１１…真空チャンバ、２，１２対向電極、３，１３…基板バイアス電極、４，１４…高周波電源、Ｃｂ…結合容量（ブロッキングキャパシタ）、１５…誘導コイル、１６…信号源、１７…ガス導入口、１８…排気口、１９…高圧プローブ、２０…オシロスコープ、４１…発振器、４２…信号発生回路、４３…変調回路、４４…高周波増幅回路、４５…整合器。
【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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