プラズマ診断（終点検出）とは

THEME 02 パターン形成 · プラズマPlasma Diagnostics

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プラズマ診断（終点検出）とは、プラズマの中で起きている変化を測り、加工がどこまで進んだかを判断する仕組みです。 量産ラインで広く使われている形が終点検出で、加工が完了する瞬間に生じる発光の変化を検出してエッチングを終了させます。同じレシピを流しても完了の時刻は回ごとにばらつくので、時間で区切れば下地を削るか削り残します。装置へ常設して毎回まわせるのは観察窓の外から拾う発光で、基板の欠陥をプロセス中に測る手法は適用が困難とされています。

完了時刻は回ごとにずれ、時間で区切ると下地を削るか削り残す

時間で区切るか、発光で区切るか

設定した時間で区切ると、完了の早い回は下地まで削り、遅い回は削り残します。発光の変化点で止めれば、回ごとの終点に合わせられます。

HORIBAは2009年時点で、製造装置間の個体差や、プロセス実行ごとに変わるチャンバ内の状態によってプラズマの発光状態が変化するため、生産現場では終点検知条件の調整が頻繁に行われているとしています¹。

終了時刻を1つの設定値で通すと、この揺れがそのまま不良になります。実際の終点より遅く終了させれば、余った時間で下地を削ります。早く終了させれば削り残しが生じます。ドライエッチングは下地との選択比で守られていますが、その守りには限度があります。ゲートの多結晶Siのエッチングでは、寸法制御性に加えて、極薄となるゲート酸化膜との選択比を確保するためにClやBrの化合物が使われるようになってきました²。守りを厚くしたうえで、なお終了時刻を当てる仕事が現場に付いてまわります。

終点では、削る材料の光が細り、エッチングガスの光が濃くなる

発光で終点を拾う

観察窓の外で拾った発光を分光し、酸化膜の界面に近づいてCFxの光が増えCOの光が減る変化が閾値に達した時点を終点とします。

終点検出が読み取っているのは、削る相手が尽きた瞬間に反応の中身が入れ替わることです。HORIBAの終点検知モニタは、プロセス中の発光をチャンバの観察窓から光学ファイバで受け取り、マルチチャンネルCCD分光器で広帯域の光を計測します。酸化膜エッチングでは、終点である酸化膜の界面に近づくと、エッチングガスであるCFxの発光が増え、反応生成物として生じていたCOの発光が減ります。この変化が一定の閾値に到達した時点を終点として検知します。

削る材料から出ていた光が細り、余りはじめたエッチングガスの光が濃くなる、その交差点を探していることになります。増える側と減る側の両方を組み合わせられる点が、分光で検出する利点です。Fraunhofer ENASは、発光分光（OES）を、プラズマが出す光の波長と強度を求め、プロセス全体を通じてプラズマの状態変化を速く測れる³手法と位置づけ、CF4プラズマで多孔質SiCOHを削るときのスペクトルを典型例に示しています。

装置へ常設する側は小型に作れます。HORIBAのエンドポイントモニタはプロセス装置への組み込みを考えた小型のセンサユニットとコントローラユニットからなり、センサユニットは142×257×152mm、4.0kgです。波長範囲は200から800nm、A/D分解能は16ビット、露光時間は20msから2.5sで、エッチング中は約100msの一定間隔でスペクトルを連続してサンプリングします。

化学蛍光による終点検出は、国産初の輸出装置になった

この発想は装置技術の初期からありました。堀池靖浩氏は、プラズマから離れた場所でのエッチング中にSi表面から化学蛍光が輝き、その蛍光がSi表面に限って生じるため、SiO2上の多結晶Siのエッチング終点を検出できました⁴。分光すると450nm付近に最大を持つブロードなスペクトルが観測され、後にSiのエッチング生成物である励起状態のSiF3が基底状態へ遷移するときの発光だと明らかにされました。1978年ごろには、プラズマ中のSiエッチング速度とフッ素の703.7nmの発光強度によい対応があることも示されています。

この化学蛍光を用いた終点検出による全自動装置は東芝と徳田製作所（現・芝浦メカトロニクス）が共同開発し、初の国産半導体装置として米国モトローラ社へ輸出されました。約40年間で6インチから300mmウェーハまで約1400台が世界中に販売され（2016年2月調べ）、2016年の時点で主要各社のエッチング装置に1モジュールとして搭載されています。終点を検出する仕組みは、装置の外付け品から装置の一部へ移りました。

条件は波長を絞って閾値を決め、実デバイスで検証する

HORIBAは、終点検知に関連するラジカルやイオンからの発光波長を任意に選べることを、終点検知モニタへの主要な要求の1つに挙げています。同社のソフトウェアでの条件づくりは3段階です。信号変化の傾向が似た発光波長を分類して解析する領域を限定し、最も変化量の大きい波長と演算窓の条件を選び、複数枚の同一プロセス結果を比べて条件の良否を確かめてから閾値を設定します。

作った条件が当たっているかは別に確かめます。HORIBAは、発光分析モニタの終点情報でプロセスを止めた結果、実デバイスの加工状態が適切かを検証することが重要だとしています。約600プロセス実行分の生産実績データで終点検知時間の統計を取った例や、チャンバ内にN2ガスのリークが起きたと仮定すると650nm帯や750nm帯のスペクトル変化が観察される例もあり、終点を検出する仕組みはそのままチャンバの状態監視にも使えます。機械に判断を任せたかわりに、条件を作って検証し続ける手間は現場の日常業務として残ります。

研究用の診断はプラズマの中身まで測るが、量産の装置には常設しにくい

診断手法の置き場所

研究用のチャンバでは、プローブをプラズマへ差し込み、光を通し、粒子を取り込んで中身を測ります。量産で常設されているのは、窓の外から発光を拾う方法です。

研究の場では、プラズマの中身そのものを測ります。Fraunhofer ENASは、モデルのエッチングチャンバにラングミュアプローブ、光吸収分光、発光分光、四重極質量分析を備えています³。四重極質量分析は、単独のイオンや複雑な化合物を原子量で分けて測ります。同研究所は、プラズマ中のさまざまなイオン、ラジカル、分子の濃度を非常に低い検出限界で正確に決めることを狙いに挙げています。

成膜の研究でも同じ考え方を使います。Impedansの応用事例は、膜のでき方を左右する主な変数を、圧力、プラズマ電位、イオンの分布関数、イオンフラックスというプラズマ内部のパラメータとしています⁵。この事例は、パルスで大電力を入れるマグネトロンスパッタリング（HiPIMS）を、ラングミュアプローブとイオンエネルギー分析器で時間を追って測りました。HiPIMSの放電は通常、スパッタされた原子のイオンを最大約60eVで基板へ届けます。電子サイクロトロン波共鳴（ECWR）の補助を加えると、圧力を0.03〜0.05Paまで下げられます。金属イオンの平均自由行程はターゲットと基板位置の距離と同程度で、そのため2価のイオンは最大約180eVの高いイオンエネルギーで基板に届きます。低い圧力ではHiPIMSのプラズマは通常、十分に育たないか着火せず、電荷の種を与える予備電離で放電を保てます。

基板の側にも測りにくさがあります。プラズマは電子、イオン、ラジカル、フォトンからなり、これらの粒子が材料表面に到達することで欠陥が発生します⁶。イオンはシースで加速されて高い運動エネルギーで表面に入射し、表面近傍の構造を変形させて材料内部にも侵入します。真空紫外域のフォトンは材料内部の弱い結合を切断し、ダングリングボンド欠陥を作ります。

こうした欠陥はプロセス後にTEM、SIMS、PL、CL、DLTS、PCDなどで検出でき、DLTSとPCDは深い準位の欠陥を10¹¹ cm⁻³程度まで検出できます。ただし、これらの手法をプロセス中のプラズマ誘起欠陥の検出へ適用するのは困難とされています。プロセス中に基板を測る方法にはポンプ・プローブ光電流計測がありますが、プロセス中の試料にはイオン電流やプラズマ発光起源の電流が流れるため、そこから目的の信号を抽出する工夫が要ります。細かく分かる方法ほど、装置へ常設して毎回まわすのは難しくなります。

発光で分かるのは反応の進みまでで、終了時刻を当てる価値はダメージにも及ぶ

発光から読み取れるのは反応の進み具合までです。基板に残る欠陥を調べるには別の手段が要ります。それでも終了時刻を当てる価値は、寸法の精度に加えてダメージの抑制にも及びます。ドライエッチングはデバイスに物理的および電気的な損傷を与える可能性があり、電気的な損傷はチャージダメージと呼ばれて、ゲート酸化膜を破壊あるいはその信頼性を低下させます。余分に流す時間が延びれば、ウェーハはその環境にさらされ続けます。

発光以外の測り方にも、それぞれの代償があります。膜の表面で反射した光と裏面で反射した光が干渉し、光は膜層を2回通過するため光路差が生じるので、屈折率が既知であれば厚さを求められます⁷。膜厚を直接測れる一方で、屈折率という別の未知数を抱えます。

終点を当てる努力が要る背景には、ドライが主力になった事情があります。SCREENは、半導体回路の微細化でラフな回路が減り、現在のエッチング工程の9割以上がドライで行われているとしています⁸。削る向きをそろえたかわりに、終了時刻を自分で探す仕事が生まれました。

よくある質問（FAQ）

プラズマ診断とは何ですか？

プラズマの中や基板の表面で起きている変化を測り、加工がどこまで進んだかを判断する仕組みの総称です。量産ラインでもっとも身近な形が終点検出で、加工が完了する瞬間に生じる発光の変化を検出してエッチングを終了させます。

終点検出とは何ですか？

削るべき膜が尽きた時刻を装置へ知らせる仕組みです。チャンバの観察窓から光学ファイバでプラズマの発光を分光器へ送り、発光の変化が一定の閾値に到達した時点を終点として検知します。

なぜ時間だけで区切ると困るのですか？

製造装置間の個体差や、実行ごとに変わるチャンバ内の状態でプラズマの発光状態が変わり、エッチングが完了する時刻が毎回ばらつくためです。終了時刻を1つの設定値で通すと、完了が早い回は下地まで削り、遅い回は削り残しが生じます。

終点はどの波長で検出するのですか？

削る材料ごとに異なります。酸化膜エッチングでは、終点に近づくとエッチングガスであるCFxの発光が増え、反応生成物であるCOの発光が減ります。1978年ごろには、プラズマ中のSiエッチング速度とフッ素の703.7nmの発光強度によい対応があることが示されました。

終点検出はエッチング以外にも使いますか？

使います。HORIBAは応用として工程不良検出、チャンバの状態監視、プラズマ発光量に合わせたプロセス条件のリアルタイム制御を挙げ、チャンバのクリーニングモニタやプロセス異常モニタの例も示しています。

発光から基板のダメージも分かりますか？

発光から読み取れるのは反応の進み具合までです。プロセス後の欠陥検出にはTEM、SIMS、PL、CL、DLTS、PCDなどが使われますが、これらをプロセス中のプラズマ誘起欠陥の検出へ適用するのは困難とされています。

発光以外に終点や深さを測る方法はありますか？

光の干渉を使う方法があります。膜の表面と裏面で反射した光が干渉するので、屈折率が既知であれば光路差から厚さを求められます。ただし成膜条件で屈折率が変わるため屈折率も測る必要があり、厚みを直接測れるかわりに未知数が1つ増えます。

比較・違いを学ぶ

ドライエッチングとは── 終点検出が付く相手そのもの
選択比とは── 終了の遅れをどこまで許せるかを示す指標
アッシング（レジスト灰化）とは── 同じ酸素プラズマで、形を作る代わりにレジストを消す工程

出典

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