誘導結合プラズマ（ICP）とは
誘導結合プラズマとは、アンテナが作る高周波の誘導磁場でプラズマ中に誘導電界を生み、その電界で電子を加速して作る高密度プラズマです。 磁石を使わずに10の11乗から10の12乗cm-3の密度へ届くことが、量産に入った理由です。ただし誘導結合として働くのはRF電力が十分に高いときだけで、電力が低いうちはアンテナとプラズマの間の静電界で放電が保たれます。密度と引き換えに、原料ガスの過剰な解離と電子シェーディングダメージを抱えます。
コイルの磁場の変化が室内に電界を生み、電子を加速する
Section titled “コイルの磁場の変化が室内に電界を生み、電子を加速する”誘導結合プラズマでは1、電極を向かい合わせて電圧をかける容量結合プラズマと違い、コイルの作る磁場の変化が室内に電界を生みます。電力は、電極どうしの間を経ずに磁場を介して渡ります。アンテナやコイルはチャンバを囲む形で置き、円筒形、平面形、フェライトコアに埋め込む形2のいずれかに配置します。
加速された電子が原料ガスと衝突し、ガスを解離して活性種を作ります。密度が高いほど、この解離が速く進みます。誘導で渡る電力は、プラズマの表皮深さと呼ぶ厚さの範囲に入ります。この表皮深さが、次に述べる放電の切り替わりを決めます。
電力が低いうちは静電界で保たれ、表皮深さがチャンバの大きさまで縮むと誘導結合へ跳ぶ
Section titled “電力が低いうちは静電界で保たれ、表皮深さがチャンバの大きさまで縮むと誘導結合へ跳ぶ”低いRF電力では誘導結合プラズマを保ちにくく2、放電はEモードで保たれます。アンテナを流れる電流が電圧降下を生み、アンテナとプラズマの間にできる静電界が電子に電力を渡す状態です。
RF電力を上げると電離密度が上がり、プラズマの表皮深さが短くなります。誘導で渡る電力は表皮深さの範囲に入るので、その長さがチャンバの大きさと同程度になったところで、プラズマはEモードからHモードへ急に移ります。Hモードが、名前どおりの誘導結合で動く状態です。
さらに電力を上げると表皮深さがもっと縮み、電力はプラズマ中のより狭い領域へ渡るようになって、電力効率は転換点を迎えます。電力のつまみは、密度を上げるだけでなく、放電の結合のしかたそのものを切り替えます。
枚葉化で密度を二桁上げる要求が生まれ、磁場を使わない誘導結合が量産に使われている
Section titled “枚葉化で密度を二桁上げる要求が生まれ、磁場を使わない誘導結合が量産に使われている”初期のプラズマエッチングは数十枚のウエハを一度に流すバッチ式で、ウエハの大口径化に伴い、一枚ごとに行う枚葉式へ移りました。枚葉式では生産性の面から、バッチ式に比べエッチング速度を一桁から二桁大きくする3必要がありました。従来のプラズマ密度が10の9乗cm-3台だったのに対し、高密度プラズマは10の11乗から10の12乗cm-3です。1枚ずつ流す前提が、密度の要求を跳ね上げました。
この要求に向けて、代表的な高密度プラズマ源として7つが研究開発されました。磁場とマイクロ波の共鳴を使う電子サイクロトロン共鳴、磁場中の波で加熱するヘリコン波励起、磁場で電子を閉じ込めるマグネトロン、磁場がゼロの線を作る磁気中性線放電、誘導結合、誘電体上を波が伝わる表面波励起、電極間隔を詰める狭ギャップ平行平板型です。磁場を用いるとプラズマの均一性の確保が困難で、装置も大型かつ複雑になります。そのため無磁場で高密度プラズマを生成できる誘導結合プラズマが開発され、現在は量産製造に使われています。
密度を上げると、原料ガスが解離しすぎて損傷も増える
Section titled “密度を上げると、原料ガスが解離しすぎて損傷も増える”高密度プラズマでは電子密度が二桁程度高くなるため、電子と原料ガスの解離周波数が非常に大きくなり、原料ガスが過剰に解離3して活性種の組成や密度が大きく動きます。フロン系ガスを用いた高密度プラズマでは、ガスが90%以上解離していることが分かっています。どの活性種をどれだけ作るかという解離度の管理が、密度と引き換えに難しくなります。
もう一つの代価が帯電です。電子シェーディング効果によってプラズマ中の荷電粒子が蓄積し、ゲート絶縁膜が静電破壊を起こす1のが電子シェーディングダメージです。速さを得た分だけ、パターン底部の帯電やゲート絶縁膜の損傷という別の相手が立ちます。
アンテナ側からの静電的な結合には、装置側の対策もあります。Oxford Instrumentsは、静電シールドで容量結合をなくし、デバイスへの電気的なダメージとチャンバ内のパーティクルを減らせるとしています4。
密度とイオンエネルギーを別の電源で握るので、制御の軸が1つ増える
Section titled “密度とイオンエネルギーを別の電源で握るので、制御の軸が1つ増える”無磁場で高密度を作れば、装置が素直になり大口径へも広げやすくなります。エッチング速度と堆積速度は一桁から二桁上がります。その代わり、密度を上げた分だけ原料ガスが過剰に解離し、活性種の組成が目標から離れます。イオンのエネルギーは、ウェーハ側の別の電極で握ることになり、制御する軸が一つ増えます。
この分担を、ICPエッチング装置を作るOxford InstrumentsはRF電源とICP電源を分けることで、イオンエネルギーとイオン密度を別々に制御できる4と説明しています。同社は電極温度の範囲を-150℃から+400℃とし、ICP源の大きさを65mmと300mmの2種とし、300mmの源で200mmウェーハまで高い均一性が得られるとしています。
研究用の装置も、2つの電源を持つ構成です。ETH ZurichのFIRSTは、13.56MHz 500WのRF源と13.56MHz 3kWのICP源5を持つICP装置を、主にInP、GaAsとその4元系材料の異方性エッチングに使っています。化合物半導体を削るこの装置は、終点の見方として透明なマスクや基板向けの干渉式、70µm幅のスポットを使う吸収式、吸収線と発光線を見る分光器の3つの終点検出を備えています。Oxford Instrumentsも、終点検出によって、運転ごとのエッチングのばらつきや入ってくる膜厚のばらつきがあっても、目標層までの深さの分布を狭くできるとしています。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”誘導結合プラズマとは何ですか？
アンテナにより発生される高周波誘導磁場でプラズマ中に誘導電界を生成し、その電界による電子の加速で生成される高密度プラズマです。アンテナはチャンバを囲む形で、円筒形、平面形、フェライトコアに埋め込む形のいずれかに配置します。
なぜ高密度が要るのですか？
枚葉式では、生産性の面からバッチ式に比べエッチング速度を一桁から二桁大きくする必要があったからです。ウエハの大口径化で、数十枚を一度に流すバッチ式から1枚ずつ流す枚葉式へ移ったことが発端です。
どのくらい密度が上がりますか？
従来のプラズマ密度が10の9乗cm-3台なのに対し、高密度プラズマは10の11乗から10の12乗cm-3です。電子密度が二桁程度高くなるので、原料ガスの解離も速く進みます。
高密度プラズマ源は他にもありますか？
あります。電子サイクロトロン共鳴、ヘリコン波励起、マグネトロン、磁気中性線放電、誘導結合、表面波励起、狭ギャップ平行平板型の7つの方式が研究開発されました。
なぜ量産で使われるのですか？
無磁場で高密度プラズマを生成できるからです。磁場を使う方式の欠点を避けるために開発され、現在は量産製造に使われています。
磁場を使う方式との差は何ですか？
磁場を用いるとプラズマの均一性の確保が難しく、装置も大型かつ複雑になります。誘導結合は磁場なしで高密度を作るので、この2つの欠点を避けられます。
イオンのエネルギーはどう制御しますか？
ウェーハ側の電極へ別に高周波を加えます。Oxford Instrumentsは、RF電源とICP電源を分けることでイオンエネルギーとイオン密度を別々に制御できるとしています。密度を作る側とエネルギーを握る側を分けて持てるのが、この方式の性格です。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- 電子サイクロトロン共鳴とは── 磁場を使う方式
- 容量結合プラズマとは── 電極を向かい合わせる方式
- プラズマとは── 前提になる状態
- イオンエネルギーとは── 別に握る軸
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- 1SEAJ：半導体製造装置用語集（ウェーハプロセス：Wafer Process）seaj.or.jp ab
- 2Impedans：Inductively Coupled Plasma 技術解説ページimpedans.com ab
- 3
- 4Oxford Instruments Plasma Technology：ICP Etching 製品ページplasma.oxinst.com ab
- 5ETH Zurich FIRST Lab：ICP 装置紹介ページfirst.ethz.ch ↩