イオン入射角分布とは

THEME 02 パターン形成 · エッチングの作り込みIon Angular Distribution

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イオン入射角分布とは、ウェーハへ飛び込むイオンの進行方向が垂直からどれだけ傾いているかの分布です。 数度の傾きでも、深い孔では形状を決めます。アスペクト比40の孔で孔底まで届く傾きは約1.4度ですが、実際の広がりは4度ほどあり、その外側の成分は途中の側壁に当たります。広がりを詰める手段はバイアス、圧力、密度の3つで、どれも角度とほかの量を引き換えにするので、両立が難しくなります。

加速されるのは垂直方向だけなので、数kVでも4度ほど広がる

シースを通るイオンの向き

シースは垂直方向にしかイオンを加速しないので、入るときに持っていた横向きの熱速度が傾きとして残ります。数kVまで加速しても、入射角は4度程度に広がります。

孔の入り口に届くイオンは、基板に平行な方向にはシースへ入るときの熱速度を初速として分散を持ち、基板に垂直な方向にだけ加速されてシースを通過します。横向きの速さは加速されずに残るので、向きは垂直から少し傾きます。

名古屋大学の石川健治氏と名城大学の竹田圭吾氏は2021年に、シース厚1mm以下で数kVに加速されたイオンでも、入射角度分布は4度程度に広がる¹と見積もり、孔底に集中して輸送する新しい手段の開発が望まれるとしています。

アスペクト比40の孔を見通せる角度は、約1.4度しかない

4度と孔の見通し角

深さが径の40倍の孔を実寸比で描くと、孔底まで届く傾きは約1.4度です。同じ作図で4度の軌跡を引くと、深さが径の約14倍のところで側壁に当たります。

4度と比べるのは、孔を見通せる角度です。3次元フラッシュメモリのメモリホールのアスペクト比はすでに40を超えており、さらなる大容量化では100を超えると予想されています²。深さと径の比が40の孔なら、開口の一方の縁から入って反対側の縁で孔底に届く傾きは、逆正接で約1.4度です。同じ作図で4度の軌跡を引くと、径の約14倍の深さで側壁に当たります。4度の広がりのうち、孔底までまっすぐ届く成分は内側の一部だけです。

側壁の荒れは角度分布で決まり、エネルギー分布にはほとんど依存しない

入射角ごとの荒れの育ち方

どの角度でも荒れは約5秒の誘導時間の後に育ちます。0度は20秒、45度は60秒でほぼ定常になり、側壁にあたる75度の斜入射では120秒を過ぎても増え続けます。

角度の広がりが直接効くのは、側壁の荒れです。京都大学の斧高一氏らは、Cl₂プラズマによるSiエッチングの3次元シミュレーションで、Cl⁺の入射エネルギーを100eVとし、基板表面に対するイオン入射角度によって表面ラフネスの様子が異なること³を示しました。0度は平坦な基板の表面や微細パターンの上面・底面に、45度や75度はパターン側壁の表面に対応します。

0度の垂直入射ではランダムな凹凸が発達します。45度の斜め入射では5秒あたりからイオン入射に直交する方向に伸びる凸構造が現れ、時間とともに波状の周期構造になります。75度では、より早い1秒あたりからイオン入射に平行な方向に伸びる細かい構造が現れます。二乗平均ラフネスは5秒ほどの誘導時間の後に発達し、0度では20秒、45度では60秒でほぼ定常になる一方、75度の斜入射では120秒以降も増え続けます。角度が浅いほど、荒れは長い時間をかけて大きくなります。

45度・100eVの条件では、リップルの波長は約13nm、振幅は約6.5nmのpeak-to-peakで、リップルは約5.2nm/sの速さでイオン入射方向へ進みます。エッチング速度の260nm/min、すなわち約4.3nm/sよりやや速い値です。ラインエッジラフネスとして測っている量の一部は、この斜入射が作る周期構造です。

こうしたラフネスやリップル構造はイオン入射角度分布に依存する一方で、イオン入射エネルギー分布にはほとんど依存しないことが重要です。ドライエッチングで側壁の荒れが残るとき、エネルギーの幅を狭めても荒れは変わらず、変えられるのは角度の広がりのほうです。

量産では直接測る手段が限られ、形状が崩れる位置のアスペクト比から逆算する

角度分布を量産装置の中で直接見る手段は、ほとんどありません。イオンのエネルギーはプラズマ電位、シース厚さ、RF電界の周波数、イオンの質量によって変わるバイモーダル分布を持ち、分布を直接測るには基板電極内にイオンエネルギーアナライザーを組み込む必要があります。2007年時点で、量産設備で実際に使われている機器は少なく、観測窓の外の光ファイバによる簡易的なOES、基板のRF供給系の一部の電位、基板電極の温度など、ごく限られた範囲にとどまっていました⁴。

現場は形状から逆算します。日立製作所中央研究所の根岸伸幸氏と伊澤勝氏は、Ar/C₅F₈/O₂の混合ガスを使い、ボーイングが出た高さでの寸法シフトから孔の間口での寸法シフトを引いた差をボーイング量として測りました。ボーイング発生位置のアスペクト比はホール径によらず約4でほぼ一定で⁵、側壁堆積膜が途切れる位置のアスペクト比も約3でほぼ一定でした。マスクの肩やネック部で反射したイオンや、チャージアップで向きを変えたイオンが散乱し、側壁を削ると考えられています。対策として、ホール中間部の堆積に寄与するCF₂ラジカルのフラックスを増やすAr流量の最適化と、ホール上部に付きやすいCラジカルの付着係数を下げる電極温度の高温化を組み合わせ、ホールのトップ寸法を保ったままボーイング量を56.3nmから15.2nmに減らしています。

深い位置にも目印があります。キオクシアの大村光広氏らがエッチング時間を50秒から700秒まで延ばして断面を観察すると、ストライエーション下端のアスペクト比はどの時間でも約23でした。ここでのアスペクト比は、カーボンマスク膜厚とエッチング深さの和を、カーボンマスクのネック部寸法で割った値です。垂直から85度の角度で800eVのArイオンビームをSiO₂、Si₃N₄、フルオロカーボンのブランケット膜に照射すると、フルオロカーボン膜に鮮明なストライエーションが現れ、その向きはArイオンビームの入射方向と平行でした。斜めに当たるイオンが周期的な凹凸を作ると考えられます。

ストライエーションが出る高アスペクト領域では、等方的なラジカルのフラックスが減り、イオンやホットニュートラル（イオンがホール側面に入射して電荷を失ってできる高速粒子）などの高エネルギー粒子が反応を支配すると予想されています。ストライエーションが出たホール上部のフルオロカーボン膜の厚さは約3nmで、側壁が平滑だったより深い領域よりも厚くなっていました。

高アスペクトホールエッチングの課題には、マスク選択比の不足、間口寸法が縮むネッキング、間口の閉塞を指すクロッギング、ホール下部のテーパ形状、下地選択比の不足に加えて、プラズマシースの傾きに起因したエッチング形状の傾き（チルティング）と、アスペクト比に依存したエッチングレートの低下であるRIE-lagが並びます。角度の幅は孔の中だけでなく、シースそのものの傾きとしてウェーハ面内にも出ます。ヒューストン大学の研究グループによる2次元シースの解析では、絶縁物と導体の境目でシースがゆがみ、RF電界が発散するので、イオンのフラックス、エネルギー分布、角度分布が境目をまたいで大きく変わるとしています⁶。

電子は角度がそろわず、孔の底を正に帯電させる

角度の広がりは電子にもあります。電子シェーディング効果は⁷、イオンが試料に垂直に入るのに対して電子はあらゆる向きから入るため、レジストのパターンの陰になる狭いスペースの底に届く電子の量が減る現象です。パターンがない場合と比べると、レジストの側壁は負に、アスペクト比の高いパターンの底は正に帯電し、たまった荷電粒子でゲート絶縁膜が静電破壊に至ることを電子シェーディングダメージと呼びます。イオンの角度がそろうほど、電子との到達の差が孔の中の電位差として大きくなります。

絶縁物の高アスペクト比孔加工では孔の内部が電気的に絶縁されているので、正イオンが照射された孔内表面で電荷の中和が進むかどうかが、電荷蓄積の釣り合いを左右します。蓄積が不均衡に進むと、シースで加速されたイオンのエネルギーは、加工面に届くまでにその電位の分だけ減速されます。近年は高周波電源の技術開発によって基板に加えるバイアス電圧が年々大きくなり、このイオンエネルギーの低下を補っています。バイアスを上げる理由は、角度と電荷の両方にあります。

バイアス・圧力・密度は、どれも角度とほかの量を引き換えにする

容量結合型のエッチングプラズマは、通常数Pa程度の圧力で、2種類以上の異なる周波数のRF電源から数kW〜数10kWの高パワーを加えて作ります。主に低い周波数側のRFパワーでシースに高い電圧をかけてウェーハに高エネルギーのイオンを入射させ、その最大エネルギーは数1000eV以上と見られています。イオンの温度をガスの温度と同程度とすると入射イオンの角度の広がりはごく狭くなり、アスペクト比の高い部分までイオンが届いて穴底の加工が進みます。

同じ操作が逆に働くこともあります。シースに高い電圧をかけるとシースが厚くなり、イオンが中性粒子とぶつかる回数が増えて入射角の広がりが大きくなる場合もあるので、プラズマ密度の制御もあわせて考える必要があります。バイアス電力を上げれば縦方向の加速は増えますが、シースが厚くなると横に散乱される回数も増えます。シースを薄くするには密度を上げますが、密度を上げると解離が進み、エッチング選択比が変わります。

圧力も同じ列にあります。1980年代中頃の枚葉化では、1Torrから数百mTorrであったガス圧力を下げて表面を衝撃するイオンの方向性を良くすると同時に、プラズマ密度を高めて高速の加工を目指しました⁸。圧力を下げれば角度はそろい、そのぶん密度で補う必要があります。

よくある質問（FAQ）

イオン入射角分布とは何ですか？

ウェーハへ飛び込むイオンの進行方向が、垂直からどれだけ傾いているかの分布です。シースで加速されるのは基板に垂直な向きだけなので、シースへ入るときの横向きの熱速度がそのまま残り、分布に幅が生まれます。

拡がりはどのくらいですか？

名古屋大学の石川健治氏と名城大学の竹田圭吾氏は2021年に、シース厚1mm以下で数kVに加速されたイオンでも、入射角度分布は4度程度に広がると見積もっています。

その4度は何と競うのですか？

孔を見通せる角度です。3次元フラッシュメモリのメモリホールのアスペクト比はすでに40を超え、さらなる大容量化では100を超えると予想されています。深さと径の比が40の孔で、開口の縁から入って反対側の縁で孔底に届く傾きは、逆正接で約1.4度です。

角度分布が広いと現場で何が起きますか？

側壁が削れます。マスクの肩やネック部で反射したイオンや、チャージアップで向きを変えたイオンが散乱して側壁を削ると考えられ、日立製作所中央研究所の実験ではボーイング発生位置のアスペクト比がホール径によらず約4でほぼ一定でした。

角度をそろえるには何を調整しますか？

バイアス電圧と圧力とプラズマ密度です。イオンの温度をガスの温度と同程度とすると角度の広がりはごく狭くなりますが、シースへ高い電圧をかけるとシースが厚くなり、中性粒子との衝突が増えて広がりが大きくなる場合もあるため、密度の制御もあわせて考えます。

量産では角度分布を測れますか？

直接測る道はごく限られます。2007年時点で、量産設備で実際に応用されている機器は少なく、簡易的なOES、基板のRF供給系の一部分の電位、基板電極の温度などに限られていました。現場はボーイングやストライエーションが出る位置のアスペクト比から逆算します。

イオンエネルギー分布との違いは何ですか？

作用する先が違います。表面ラフネスやリップル構造はイオン入射角度分布に依存し、イオン入射エネルギー分布にはほとんど依存しません。側壁の荒れを変えられるのは角度の幅のほうです。

比較・違いを学ぶ

イオンエネルギーとは── エネルギーの幅を持つ側で、荒れへの作用が異なります
シースとは── 角度の幅が決まる場所そのものです
エッチング選択比とは── 密度と解離を変えたときに一緒に変わる量
アスペクト比とは── 4度が競う相手を与える寸法です

出典

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