バイアス電力とは

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バイアス電力とは、ウェハを載せた側の電極へ高周波を送り、プラズマの中のイオンをウェハへ引き込んで加速するための電力です。 プラズマを作る電力がイオンの数を決め、バイアス電力がイオンのエネルギーと向きを決めます。この二つを別のつまみに分けたことで、削る速さと下地の残り方を別々に選べるようになりました。それでもバイアスを上げれば速く垂直に削れる代わりに、選択比と下地を差し出す関係は残ります。

バイアスがあると、イオンが基板へ引き込まれて縦に削れる

ドライエッチングのチャンバのプラズマには、電気を帯びたイオンと、電気的に中性のラジカルが混ざっています。ラジカルは向きを持たずに飛び回るため、そのままではウェハの上も横も同じ調子で削り、細い溝を垂直に彫りたくても横へ広がります。

ウェハ側の電極へ高周波を入れると、イオンだけがウェハへ向かってまっすぐ引き込まれます。反応性のガスのプラズマを作り、基板にバイアスを印加すると、プラズマ中の反応性イオンが基板表面へ引き込まれてエッチングが進みます¹。マスクのパターンを、より速く、異方性をもって薄膜へ転写できるのはこのためです。バイアスを切ったチャンバではこの「まっすぐ」が失われ、速さが落ちるうえ、溝の断面が丸くふくらんで寸法が設計から離れます。

バイアス電力が直接決めるのはウェハとプラズマの間の電圧で²、この電圧がウェハを叩くイオンのエネルギーと向きを決めます。

電子が先に電極へ着き、残った負電圧がイオンを加速する

自己バイアスの立ち方

電子が先に電極へ多く届いて電極が負に帯電し、電子とイオンの電流が釣り合ったところで、高周波の波形全体が負の側へ下がります。この下がった分の直流電圧がイオンを加速します。

電子はイオンよりはるかに動きやすいため、高周波の1周期のあいだに電子のほうが先に電極へ多く到達し、電極が負に帯電します³。負に帯びるほど電子は電極へ到達しにくくなり、電子の電流とイオンの電流が釣り合うところで落ち着きます。このとき電極に残る直流の負電圧が自己バイアスです。

自己バイアスが大きく立つのは、高周波を印加する側です。反応容器の内壁を含む接地側の面積が大きいため、高周波を印加する電極に大きな自己バイアス電圧が発生し、この電圧でイオンが加速されてウェハ表面の反応が進みます。操作しているのは電力ですが、イオンを叩きつけているのは、その結果として立つ電圧です。

ソース電力がイオンの数を、バイアス電力がイオンのエネルギーを受け持つ

2つの電源の分担

上側の電源でプラズマの密度、すなわちイオンの数を決め、下側の電源でシースの電圧、すなわちイオンがウェハへ当たるエネルギーを決めます。2周波CCPでは前者に27〜100 MHz、後者に400 kHz〜2 MHzを使います。

2周波CCPは、プラズマ生成に27〜100 MHz、バイアス発生に400 kHz〜2 MHzの2種類の周波数を使い、プラズマの密度と、イオンが持つエネルギーとを、たがいに独立して制御します。プラズマの密度とバイアス電圧のそれぞれを独立して操作できる3電極方式は、1980年代に提案されました。

ICPでも同じ分担を取ります。誘導結合で入れるソース電力はプラズマ密度、つまりイオンの流束を決めます²。2つ目の電源であるバイアス電力は、ウェハチャックを兼ねる電極から容量結合で入ります。高密度プラズマの装置では、イオンの流束とエネルギーを独立に選べます。

つまみが1本の装置では、速く削ろうとして電力を上げた瞬間に、イオンのエネルギーまで一緒に上がります。すると下地も一緒に削れ、深いところまで傷が入ります。ソース側とバイアス側を分けた装置なら、数はソース側で稼ぎ、エネルギーはバイアス側で低く抑える組み合わせを選べます。サムコは、ICPエッチング装置なら平行平板型のRIE装置に比べてプラズマ密度が1000倍の高密度プラズマが得られ、プロセスマージンを大きく広げられるとしています⁴。

管理するのは投入電力より、基板に立つ電圧

基板表面へのイオン入射エネルギーは、プラズマ電位と基板ステージの直流自己バイアス電圧から決まります⁵。そのため現場が管理しているのは、投入した電力の数字よりも、その結果として基板に立つ電圧です。SEAJの2012年版ロードマップは、プラズマを使う工程では基板にかかるバイアスのモニタも重要な管理項目になるとしています⁶。低中密度のプラズマでエッチングに要るイオンエネルギーの制御範囲が広いことも、今後も続く改良点に挙げています。

膜によって注意点も変わります。同じロードマップは、多孔質のLow-k膜では表面荒れに特に注意が要り、装置とプロセスの側ではプラズマ密度とバイアスの最適化、温度制御が重要な課題だとしています。NiFeやIrMnでは、RFバイアス電力が大きいほど均一性がよくなるという報告も紹介しています。

表面の荒れ方は、エネルギーに対してまっすぐには並びません。ICP装置を用いた塩素プラズマによるシリコンのエッチング実験（エッチング時間2分）では、表面のあらさは250 eV付近で鋭いピークを示し、それより高いエネルギーでは急に小さくなりました。時間を追うと、220 eV程度までの低いエネルギーではあらさが20分にわたり増え続け、470 eV程度では0.3 nm程度にとどまりました。エッチング前のシリコン基板は0.15 nmです。

上げるほど、選択比と下地のダメージを差し出す

同じ塩素プラズマの実験では、イオン入射エネルギーを上げると、シリコンと酸化シリコンのどちらのエッチング速度も上がり、シリコンの酸化シリコンに対する選択比は下がりました。速さと選択比は、同じつまみの両端にあります。高くすると、マスクも一緒に減ります。

窒化シリコン平坦膜のダメージ深さ

同じ500 Vでも連続放電は高いエネルギー側のピークを含むためダメージが2 nmまで入り、エネルギーをそろえた直流500 Vでは1 nm、直流80 Vへ下げると原子1〜2層まで浅くなります。

選択比のほかに、下地のダメージも差し出します。窒化シリコンの平坦膜を対象にした加工シミュレーションでは、同じ500 Vでも、連続放電は高いエネルギー側のピークを含むためダメージ量が最も大きくなり⁷、最表面から深さ2 nmにかけて分布しました。イオンのエネルギーをそろえた計算では、直流500 Vのときに深さ1 nmにわたって分布していたダメージが、直流80 Vへ下げると量が1桁減り、深さも原子1〜2層まで浅くなりました。

下げる側にも壁があります。ダメージを減らす目的でバイアス電力を下げるとイオンのエネルギー分布が低いほうへ移り、エッチングイールドのしきい値を超えたイオンだけが削る仕事に加わります。

高アスペクト比の孔では、たまった電荷がイオンを減速させる

深い孔を彫るときは、事情が一段複雑になります。絶縁物の高アスペクト比の孔では孔の内部が電気的に絶縁されているため、正イオンが当たった孔内の表面で電荷の中和が追いつかなければ電荷がたまり、孔内が電位を持ちます。するとシースで加速したイオンは、加工面へ届くまでにその電位のぶんだけ減速します。この低下を補うため、高周波電源の技術が進んだこともあり、基板へ印加するバイアス電圧は2021年の時点で年々増大していました。

強く加速したイオンにも、横へ拡がる成分がついてきます。シース厚1 mm以下で数kVまで加速されたイオンでも、シースへ入るときの熱速度が横方向の初速として残るため、入射角度の分布は4度程度に拡がります。孔の底へイオンを集中して運ぶ新しい手段の開発が望まれています。

成膜でも、基板バイアスでイオンを穴の中へ引き込む

基板バイアスはエッチング専用の操作ではありません。SEAJのロードマップは、PVDの一方式として、スパッタされた原子や分子のイオン化を進め、基板バイアスを印加してイオンを引き込み、微細ホール内への成膜カバレージを増やす⁶技術を挙げています。成膜でも、バイアスはイオンを引き込んで細い穴の奥へ届ける役を担います。

よくある質問（FAQ）

バイアス電力とは何ですか？

ウェハを載せた側の電極へ高周波を送り、プラズマ中のイオンをウェハへ引き込んで加速するための電力です。ウェハとプラズマの間の電圧を決め、その電圧がウェハへ当たるイオンのエネルギーと向きを決めます。

プラズマを作る電力とは何が異なるのですか？

受け持つ役が別です。プラズマを作る電力はイオンの数を、バイアス電力はイオンのエネルギーを受け持ちます。2周波CCPは、プラズマ生成に27〜100 MHz、バイアス発生に400 kHz〜2 MHzを使い、この二つをたがいに独立して制御します。

なぜ電力を入れるとイオンが加速されるのですか？

電極に直流の負電圧が立つためです。電子はイオンよりはるかに動きやすく、高周波の周期のうちに電極へ多く届いて電極を負に帯電させます。電子の電流とイオンの電流が釣り合うところで残る負電圧が自己バイアスで、この電圧がイオンを加速します。

現場では何を見て調整するのですか？

基板に立つ電圧です。イオンの入射エネルギーはプラズマ電位と基板ステージの直流自己バイアス電圧から決まり、SEAJのロードマップも基板にかかるバイアスのモニタを重要な管理項目に挙げています。

バイアスを上げると何が良くなりますか？

削る速さと形の垂直さです。ICP装置で塩素プラズマによりシリコンを削った実験では、イオン入射エネルギーを上げるとシリコンと酸化シリコンのどちらの速度も上がりました。

上げすぎると何が起きますか？

選択比が下がり、下地のダメージが深くなります。窒化シリコン平坦膜の計算では、直流500 Vで深さ1 nmにわたっていたダメージが、80 Vへ下げると量が1桁減り、深さも原子1〜2層まで浅くなります。

高アスペクト比の孔ではどうなりますか？

孔の中に電荷がたまり、加速したイオンが加工面へ届くまでに減速します。この低下を補うため、基板へ印加するバイアス電圧は年々増大してきました。シース厚1 mm以下で数kVまで加速したイオンでも、入射角度の分布は4度程度に拡がります。

比較・違いを学ぶ

RIE（反応性イオンエッチング）とは── バイアスで加速したイオンを使う代表方式
ICP（誘導結合プラズマ）とは── プラズマの密度をソース側で稼ぐ方式
選択比（エッチング）とは── バイアスを上げたときに減る量

出典

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