uGmniシリーズエッチングモジュール向け
新誘導結合プラズマ源「ISM-duo」
土居謙太 ・中村敏幸 ・浅川慶一郎 ・栃林克明 ・浅野光康 ・上村隆一郎＊1＊1＊1＊2＊2＊2

New Inductively Coupled Plasma Source for uGmni Etching Module - “ISM-duo”
Kenta DOI , Toshiyuki NAKAMURA , Keiichiro ASAKAWA , Katsuaki TOCHIBAYASHI ,
＊1

＊1

＊1

＊2

Mitsuyasu ASANO , and Ryuichiro KAMIMURA＊2＊2

Institute of Advanced Technology, ULVAC, Inc., 1220-1 Suyama, Susono, Shizuoka 410-1231, Japan＊1＊2

Advanced Electronics Equipment Division, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa 253-8543, JapanOur new plasma source “ISM-duo” enables the controllability of in-wafer etching rate uniformity
for uGmni etching module. ISM-duo consists of an RF current distribution unit and two separated
ICP antennas placed coaxially so as to control the spatial distribution of a plasma generated in theprocess chamber. The RF current distribution to each antenna is performed at an arbitrary ratio
without depending on process parameters such as gas type, and changing the distribution ratio does
not disturb the impedance matching. These features allow a stable operation of the etching rateuniformity control via optimizing the RF current distribution ratio for various processes. ISM-duodelivers a new process tuning knob enlarging the process window in our etch module.

1.

この問題に対処し，プロセスウィンドウを拡大させる

はじめにことを目的に，プロセスパラメータとは別にエッチン

uGmniエッチングモジュール販売開始前より，当社

グ面内分布を制御可能な新たなプラズマ源ISM-duo

エ ッ チ ン グ 装 置「NE-series」 はGaAsやInP，GaN，（ISM: ICP with Static Magnetic field, duo: distribution

SiC等の化合物半導体，SAW/BAWやパワーデバイス

uniformity optimizable）の開発に至った。

等のメタル配線，Piezo-MEMSに用いるPZTやSc添加

誘 導 結 合 プ ラ ズ マ（Inductively Coupled Plasma,AlN等の圧電膜といったエッチング用途に広く利用さICP）はコイルに高周波電流を流すことで発生させる。

れ て い る。 昨 今 のICT/IoTを 基 礎 と す る 未 来 社 会

ICPの等価回路が変圧器として表されるように，ICPSociety 5.0の実現に向けては，これらの電子デバアンテナに高周波電流を流すことで発生する変動磁場イス需要が拡大することを意味し，基板の大口径化と大によってプラズマには渦電流が流れる。その渦電流発量生産が見込まれる。また，通信周波数の広帯域化

4, 5）

生の結果として高周波電力がプラズマに伝達され，放を例に，電が維持される。つまり，プロセスチャンバー内の高1-3）による高周波デバイスの加工寸法の微細化

5, 6）

加工要求を満たすための難易度も増すことから，歩留周波変動磁場強度の空間分布を調整することでプラズまり向上のためにもプロセスウィンドウの拡大が強くマの空間分布を制御できる。ISM-duoは，プロセスチ求められている。

ャンバー上部の内・外周に設置された 2 系統のICPア

ドライエッチングプロセスにおけるウェーハ面内分ンテナと高周波電流分配器で構成されるプラズマ源で布は，ガス種やプロセス圧力，投入電力をはじめとすある。内・外周のICPアンテナに高周波電流を任意のるプロセスパラメータに依存する。エッチングレート比率で分配し，高周波変動磁場強度の空間分布，ひいや選択比，加工形状もまたそれらのプロセスパラメーてはプラズマの空間分布を制御することが可能である。

タに依存するものであり，面内分布と上記の他のプロそれにより，ガス種やプロセス圧力，投入電力をはじセス要求項目との間にはトレードオフが発生しやすい。

めとするプロセスパラメータは固定のまま，高周波電流分配比率の調整のみでエッチング面内分布の制御が（株）アルバック 先進技術研究所（〒410-1231 静岡県裾野市須山1220-1）＊2	（株）
アルバック 電子機器事業部（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園2500）＊1	

可能となった。本稿では，ISM-duoのコア技術である
高周波電流分配器 の設計思想と電気的動作について
7）解説し，実際のエッチングプロセスにおける面内分布制御性についてデータをもとに紹介する。

1March/2023 No.85

2.

設計上考慮すべき要素

並列に接続された複数系統への高周波電流の分配比率の変更は，各系統のインピーダンス調整によって行分配比率が無負荷時の理論インピーダンスより設定した値から乖離する想定外の状態となり得る。以下には，プラズマ生成時のインピーダンス変化の現象について詳細を記す。

われる。Fig.1（a）のように，並列の各系統にインピーICP生成用高周波回路の電気回路図を考える場合，ダンスを可変させる素子（可変容量コンデンサなど）

Fig.2のように，ICPアンテナは抵抗成分R 1 とインダクを挿入し，各系統のインピーダンスの差に基づいて高周波電流の分配を行う。ここで，LA, LBはそれぞれのICPアンテナのインダクタンス，RA, RBはそれぞれのICPアンテナの抵抗成分である。Fig.1（a）の回路の場合には，例えば，各ICPアンテナに直列に接続した可変容量コンデンサC1, C2の容量をFig.1（b）のように負比例の関係とする。これにより，各系統のインピーダンスの関係はFig.1（c）のようにC1を変数とした際に交わる形で変化する。その各系統のインピーダンスの関係に応じて，各系統に流れる高周波電流も分配されるため，C1を変数とした際にFig.1（d）の特性を示す。
上記が複数系統への高周波電流の可変分配の基本原理である。
実際に様々なプロセス条件下で放電を行うプラズマ処理装置では，プラズマとの結合によって各系統のイ

Fig.2 E lectrical circuit model of an inductively
coupled plasma.

8）

ンピーダンスが無負荷の状態から変化する。その結果，Fig.1 E xample of (a) an RF current distribution circuit comprised of two antenna networks where impedance andRF current distribution ratio of each networks are determined by the C1 and C2 capacitance, and (b-d) its

electrical characteristics: (b) relation of C1 and C2 capacitance, (c) impedance characteristics of eachcurrent-distributed networks ZA and ZB as functions of C1 capacitance, and (d) RF current of each current-

distributed networks as functions of C1 capacitance.

2

Fig.4
Fig.3 E quivalent circuit of an inductively coupledplasma.

E lectrical circuit diagram of RF current

distribution unit of ISM-duo. The

capacitance C1 and C2 determine the8）

impedance and RF current distribution

ratio of each networks while C3 and C4

タンスL 1 をもつ変圧器の 1 次側コイル，放電はインダクタンスL 2 をもつ 2 次側コイルであるとみなせる 。
8）are employed to minimize impedancechange of each networks due to coupling

to a plasma and mutual induction.

ここで，R 2 はプラズマ負荷インピーダンスの抵抗成分である。簡略化のため，整合器および高周波電流分配機構は回路図に含めていないことに注意されたい。角

た動作が可能な設計となっている。いかなるプロセス

周波数ωの高周波電流I がICPアンテナに流れること条件においても同様の分配性能を保証するため，C（L）で放電空間に高周波磁場が生成される。これにより，Cの直列接続による高周波電流分配器を開発した。

2 次側回路であるプラズマに渦電流I 2 が流れ，高周波Fig.4に回路構造を示す。各系統のインピーダンスを電力が伝わることでプラズマが生成維持されるという調整し分配比を決定するための可変容量コンデンサ構図として理解が可能である。Fig.2の変圧器で表さC1, C2が電力入力側（整合器側）に設けられ，リターれるICPの回路モデルを直列等価回路で表すとFig.3とン（GND）側にはプラズマとの結合時に発生するICPなる 。このように，ICPを含む高周波回路のインピアンテナのインピーダンス変化を相殺するための可変ーダンスにはプラズマとの結合による抵抗成分R 2 ，容量コンデンサC3, C4が設けられる。C1およびC2は，インダクタンスL 2 が定数として加わることがわかる。

Fig.1の回路と同様にその容量をFig.1（b）のように負加えて， 2 系統のICPアンテナがそれぞれの近傍に配比例の関係性を持たせてある。C3およびC4はそれぞ

18）

置される場合，相互誘導作用により見かけ上のリアクれ同心円状に設けられた内側環状ICPアンテナLAおよタンス変化が生じることにも注意が必要である。放電び外側環状ICPアンテナLBとLC直列共振となるように時には，それらのインピーダンス変化によって，無負動的にポジション（容量）を自動制御することで，各荷時のインピーダンス理論値より定めた分配比率設定

系統のICPアンテナとリターン側コンデンサ（C3またが成立しないこととなる。また，上記インピーダンスはC4）の直列部のインピーダンスが常に抵抗成分RA，変化はガス種をはじめとする放電条件に依存する。そRBのみとなる。これにより，放電状態の違いによるイのため，安定的な分配動作，すなわち多様な放電条件ンピーダンスの差異を最小限に抑えることが可能となにおける同様な分配特性およびインピーダンス整合をる。この動的かつ自動のLC直列共振制御によって，保証するためには常時インピーダンス変化を相殺する回路全体を捉えた場合に分配比率を変化させてもイン動的な制御を取り入れた構造が望まれる。

ピーダンスの変化が最小限に抑えられ，インピーダンス整合の安定性が向上する利点がある。抵抗成分RA，3.

高周波電流分配器の構造とその電気的動作

7）RBの値は大きくなく，回路は実質的にC1，C2の並列回路とみなせる状態となる。つまり，C1，C2のみがISM-duoの高周波電流分配器は，分配比率と総合イ主な素子として総合インピーダンスに寄与する。C1，ンピーダンスが条件に大きく依存することなく安定しC2は負比例の関係性を与えられているため，合成容March/2023 No.853量は常に一定値である。よって，分配比率を変化させンピーダンスとは整合器出力端子から見た分配器とても大きなインピーダンスの変化が発生しない。また，

ICPアンテナ，プラズマを含む実負荷のインピーダン

C2はC1に合わせて負比例の関係で自動動作，C3およスである。つまり，50 Ωに整合制御するインピーダン

びC4は上記のように自動制御されるため，C1の容量スそのものであり，ガス種や分配比率に大きく依存すまたはポジションのみを設定するだけで分配動作が可ることなく整合安定性が高いことを示す結果となった。

能な扱いやすいものとした。使用者は予め用意された

先述の通り，C3, C4の各ICPアンテナとのLC直列共振分配特性グラフ（例えば，Fig.1-d）を参照しながら制御によって，放電条件依存性のあるアンテナのリアC1のポジション（容量）のみを設定することで所望の電流分配が行える。
ISM-duoの放電動作試験をuGmni-200Eエッチングモジュール（Fig.5）に搭載し実施した。Fig.6には放電時の内側環状ICPアンテナ（a）と外側環状ICPアンテナ（b）の高周波電流分配特性および総合インピーダンス（c）の試験結果を示している。Fig.6（c）にはスター電極への通電有無を比較するデータを示しているが，スター電極については本章では解説しておらず，次章を参照されたい。Fig.6（a）および（b）より，C1ポジション（容量）を入力（変数）として内外環状ICPアンテナに流れる高周波電流が任意の比率で分配される特性が確認でき，異なるガス種においても同等の特性で内外ICPアンテナへの電流分配が行えることを示す結果となった。また，Fig.6（c）より，総合インピーダンスは分配比率を変更しても大きく変化しておらず，

Fig.5

u Gmni-200 system with a single etchmodule.

ISM-duoの動作安定性が確認された。ここで，総合イ

Fig.6 E lectrical characteristics of our RF current distribution unit:   RF current distributed to the（a）inner and（b）
outer annular antennas, respectively, as functions of C1 position for discharges of several process gases,

and（c）a corresponding impedance chart of the entire load including the RF current distribution circuit,and both inner and outer antennas.

4クタンス成分を常に相殺しているため，総合インピーダンスの変化が抑えられている。

また，RF投入窓への導電性堆積物の付着は，RF電力透過率を低下させ，その結果としてエッチングレート低下などのプロセスシフトを引き起こす。ISM-duo

4.

ISM-duo専用設計ICPアンテナ

ISM-duo専用設計ICPアンテナは従来のISMプラズ

は，従来通りRF投入窓の堆積膜付着防止用「スター電極 」も搭載しており，RF投入窓への堆積物付着が10）懸念されるPZTやPtなどのチャンバー内に残留物が多が持つ有磁場ICPの特徴を踏襲した上でエッチく生じるエッチングプロセスにも引き続き対応する。

ング面内分布の制御を可能とする設計となっている

Fig.6（c）には，スター電極通電時に分配比率を変化さ（Fig.7）。プラズマの空間分布制御のため，同心円状せた際の総合インピーダンスも示している。STAR電に配置された内側環状ICPアンテナと外側環状ICPア極への通電有無によるインピーダンス変化は小さく，ンテナをプロセスチャンバー上部大気側に有する。そ

通電時においても分配比率に大きく依存することなくれら 2 つの独立したICPアンテナをFig.4のLAおよびLB整合安定性が高いことを示す結果となった。このようのように高周波電流分配と接続し，高周波電流分配比に，ISMやスター電極を代表とする従来技術はそのま率を変更することでプラズマの空間分布制御が実現す

まに，エッチング面内分布の制御機能を追加した。

マ源9）る。磁場アシストにより，他のICP方式より低圧，低電子温度，高密度のプラズマが発生でき，イオン性エッチングからラジカル性エッチングまで幅広いプラズ

5.

マ制御が可能である。

 ロセス事例プ
エッチング面内分布制御について

ISM-duoをuGmni-200Eエッチングモジュールに搭載し，エッチングレート面内分布の制御性を評価した。
高周波電流分配比率を変化させた際のポリシリコンエッチング面内分布をFig.8に示す。塩素プラズマによるφ200 mmウェーハのエッチングの結果である。分
配比率を変更することでエッチングレート面内分布の凹凸制御が可能なことが確認できる。圧力や投入電力などのプロセスパラメータを調整することなく，分配比率の変更のみでエッチングレート面内分布の最適化が可能である。例えば，今回のポリシリコンエッチン
グの場合，外側環状ICPアンテナへの高周波電流分配
Fig.7

ISM-duo（ICP with Static Magnetic field –distribution uniformity optimizable）plasma
source.

Fig.8

比率を高めると凹形状，反対に内側環状ICPアンテナへの分配比率を高めると凸形状のエッチング面内分布が得られる。分配比率の最適化によってエッジカット

E tching rate distributions of poly silicon across a φ200-mm wafer obtained at several RF current
distribution ratios to the inner and outer annual antennas.

5March/2023 No.85

Fig.9

E tching rate distributions of aluminum   across a φ200-mm wafer obtained at several RF current

distribution ratios to the inner and outer annual antennas.

3 mmで±1.3％の面内均一性が得られる結果となった。
次に，様々なプロセスにおける面内分布制御性の検証のため，Alエッチングの実プロセス試験を実施した。
エッチング面内分布をFig.9に示す。Alにおいてもポ文 献「第 5 期科学技術基本計画」内閣
1）内閣府（2016）
府，URL: https://www8.cao.go.jp/cstp/kihonkei
kaku/index5.html.

リシリコンの場合と同様に，圧力や投入電力などのプ

2）文部科学省（2021）「令和 3 年版 科学技術・イノ

ロセスパラメータは変更することなく，分配比率の調ベーション白書 Society 5.0の実現に向けて」文

整のみで面内均一性の最適化が行える結果となった。

部科学省，URL: https://www.mext.go.jp/b_menu/

この結果はパターンの都合上エッジカット 5 mmのものである。

hakusho/html/hpaa202101/1421221_00023.html.
3）A. Deguchi, C. Hirai, H. Matsuoka, T. Nakano, K.
Oshima, M. Tai and S. Tani: “What Is Society 5.0?

6.

むすび

エッチング面内分布の調整を行うための機構を備えた新プラズマ源「ISM-duo」の特徴とその面内分布制

4）H.-J Song and T. Nagatsuma: IEEE Trans.
Terahertz Sci. Technol., 1, 256（2011）.

御性について報告した。ISM-duoは，ガス種をはじめ

5）加々見修,“テラヘルツ波デバイス基盤技術の研究とするプロセス条件に依存することなく，高いインピ開発”（総務省電波資源拡大のための研究開発

ーダンス整合安定性をもって，高周波電流を 2 系統の第 9 回成果発表会資料，2016）.

ICPアンテナに分配可能な高周波電流分配器を備えて

6）A. K. Sarin Kumar, P. Paruch, J.-M. Triscone, W.

いる。分配器と専用設計ICPアンテナの組み合わせに

Daniau, S. Ballandras, L. Pellegrino, D. Marré andよって，あらゆるプロセス条件下でプラズマの空間分

T. Tybell.: Appl. Phys. Lett., 85, 1757（2004）.

布を制御することができる。それにより，幅広いプロ

7）土居謙太，中村敏幸：特許7052162（2022）.

セスでのエッチング面内分布制御性を実現することが

8）R.B. Piejak, V.A. Godyak and B.M. Alexandrovich:

確認された。ISM-duoの導入により得られたエッチン

Plasma Sources Sci. Technol., 1, 179（1992）.

グ面内分布制御性は，デバイスの加工寸法の縮小や基

9）渡辺一弘，生田美植，遠藤光広：特開平07-161488

板の大口径化によるプロセスの複雑化に対応して，プロセスウィンドウの拡大に貢献するものである。我々の技術によりエレクトロニクス産業を支えることで，より豊かで安心・安全な未来の実現の力になりたいと考えている。

6

In: Hitachi-UTokyo Laboratory（H-UTokyo Lab.）（eds）Society 5.0”（Springer, Singapore, 2020）．

（1995）.
10）渡辺一弘，生田美植，遠藤光広：特開平08-316210（1996）.