J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.10 (2020)５
３１‐５３７

小特集

革新的半導体産業システム ミニマルファブ
におけるプラズマテクノロジー
Plasma Technologies in an Innovative Semiconductor Industrial System:
Minimal Fab

１．超小型半導体産業システム・ミニマルファブ
1. Ultra-Small Semiconductor Industrial System: Minimal Fab
原史 朗１，２）

HARA Shiro１，２）
１）

国立研究開発法人産業技術総合研究所，２）一般社団法人ミニマルファブ推進機構（原稿受付：２
０
２
０年７月２
６日）

ハーフインチウェハを用い，新たに開発した局所クリーン化技術を装備してクリーンルームを不要とした超小型デバイス製造システムであるミニマルファブについて，その概略を述べる．ミニマルファブでは，工場投資額を従来の 1/1,000 にすることから，多品種少量デバイスの製造に大変適している．同時に，デバイスプロセスス
ピードが実質的に２桁速いことから，デバイス，材料，物理現象の研究とその応用開発に対しても，ミニマルファ
ブは極めて有効である．ミニマルファブでは，実効面積約 1 cm2 という小さなウェハを用いるため，プロセス反応
場のデメンジョンが既存の大口径プロセスとは全く異なる．このため，プラズマプロセスについては，ミニマル
ファブにおいて大いなる革新がなされようとしている．本章では主にミニマルファブの概要を述べ，続く各稿において，ミニマルファブを用いたプラズマ応用の実際が述べられる．
Keywords:
Minimal Fab, semiconductor production, plasma, MOS, MEMS, plasma etching, sputtering

１．
１ はじめにその投資に見合う売上と利益を確保できない企業が続出し集積回路が発明されて以来［１，２］，半導体デバイスの価た．僅かな勝ち組以外は儲からずに撤退する状況に陥っ

値向上は微細加工とウェハの大口径化によって担われてきた．その勝ち組は設備投資をさらに加速するために，大量た．微細加工はスケーリング則［３］によって素子サイズをに 売 れ る デ バ イ ス だ け を 作 る よ う に な っ た．こ の た!
!に微細化させると，集積回路の基本性能である素子の!

め，２０１０年頃からは少量しか必要とされないデバイスはビ

演算速度は !倍に高速化する．大口径化については，有名

ジネス的に製造が困難な状況に陥っている．

なムーアの法則「半導体産業のニーズとそれに答える工場

また，半導体に関わる研究開発においても，クリーン生産においては，1.5 年から２年で，集積回路の機能（トラルームとそこに設置する装置群，そしてオペレータと運

ンジスタ数等）が倍になる．
［４］がムーアによって提唱さ」

営，これらにかかる費用が莫大なものになっており，かつれた．これに依拠して集積回路の素子数を増やすことで機技術の熟成に膨大な時間が必要で，創造された新しい技術

能を向上させ，機能が高まれば応用先も増えるため，市場を実用に供することが極めて困難な，保守的な産業構造とを永続的に拡大することができるであろう．この大方針になってしまった．トップ企業のインテルですら，最先端の沿って，この半世紀の長きにわたり，３年に一度の微細化

デザインルールでの工場生産についていけなくなっていると約１０年に一度の大口径化が行われてきた．

のが現状である．このため，たとえば新しいプラズマ技術

しかし２０００年以降，微細化と大口径化が研究開発と工場が生み出されても，それを半導体分野で使うことはほとん

設備投資の増大を招いて企業経営を圧迫するようになり，

どあり得ない状況にある．

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Minimal Fab Promoting Organization
author’s e-mail: shiro-hara@aist.go.jp

５３１!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020以上述べた半導体産業の重大な課題は，研究開発と設にあるミニマルファブの写真である．２
０１８年からはパッ

備，それに生産に莫大な費用がかかることによって引き起

ケージに関して民間のミニマルファブを活用した試作ファこされた．そこで，我々は２００８年の段階で，投資額を劇的

ウンドリが受注試作を始めている．

に縮小する超小型半導体製造システムであるミニマルファ

１．
２ ミニマルファブの定義と特長

ブを提案した［５，６］．このシステムは１
９９０年代に著者が開発していたガス遮断型局所クリーン化環境制御技術［７］をミニマルファブは，次の３つの基本要素を持っている発展させたもので，実際に，クリーンルームを不要とする［１０］．①直径12.5 mm（約ハーフインチ）のウェハ，②人サことを実現した［８，９］．現在では，プロセス装置と分析装置

イズ（H 144 cm×W 30 cm×D 45 cm）のプロセス装置，③で約５０種に及ぶミニマルファブ装置が開発され，ディスク

クリーンルームを不要とする局所クリーン化搬送システム

リ ー ト デ バ イ ス，CMOS（Complementary Metal-Oxideである（図２）．以上の３つの要素によって，半導体工場のSemiconductor）簡 易 集 積 回 路，MEMS（Micro Electro-

設備投資額をおよそ 1/1,000 にする．ウェハ面積も直径

Mechanical System）センサー，パッケージ等の試作ができ

300 mm の現行ウェハと比べておよ そ 1/1,000 で あ る かるようになっている．図１は産業技術総合研究所（産総研）ら，単位面積当たりの投資額が変わるわけではない．重要なことは，1/1,000の投資額で１ラインできるということである［１１］．20 m 四方の部屋があれば２００台は入ってしまう
とても小さなラインになる．搬送系とプロセス室を含むシステム全体がシンプルに設計されており，その分試作や生産にかかる時間は極めて速くなる．
また，開発と生産効率を高めるため，ミニマルファブの
多くの部分は，標準化されている．標準化されているのは，（１）ウ ェ ハ（図２①），（２）ウ ェ ハ ロ ー ド 前 室 シ ス テ ム
PLAD（Particle-Lock Air-tight Docking system）（図２③）とその制御ソフトウェア，それにゲートバルブ，（３）タッチパネルと装置制御コントローラ及びそのシステムソフト
ウェア，（４）筐体（先に述べた人サイズ）（図２②），（５）ユーティリティ（供給は AC 100 V，圧力空気，窒素だけ．
排出は，筐体内で除害されたクリーン気体だけ），（６）原料の固体，液体，ガスは全てカートリッジ式として，筐体内

図１にセットする．僅かハーフインチの熱容量であるから，装産業技術総合研究所のミニマルファブ．

図２

ミニマルファブの基本３要素：① 0.5”ウェハ，②人サイズの装置，③局所クリーン化搬送システム．

５３２

Special Topic Article

1. Ultra-Small Semiconductor Industrial System: Minimal Fab

S. Hara

置全体のエネルギー消費は小さく，従って冷却水は供給しそろっていなくても，不足分をメガファブ装置で補うことない．（７）外部とのネットワーク通信方式，外部制御方式．

ができることとなり，その時点から，ミニマルファブは事

このほか，標準化されているわけではないが，ミニマル

実上の実用システムとなった．ただし，メガファブ装置は，

ファブのために特に開発された多くの超小型部品（超小型

ウェハ導入と取り出しなどで段取り換えや真空排気，セッバルブ，超小型マスフローコントローラ，プラズマ装置向トアップなどに時間がかかる．このため，ミニマル装置利け圧力制御弁等）などは，ガスを用いる装置で利用されて用率が低く，つまりメガ装置の利用率が高いほど，試作やいる［１２］．部材，装置，プロセス，デバイス，システムの開発に時間がかかる．上述のカンチレバーのミニマル装置

技術領域で，合計７９件の特許出願をしており，ほとんどの利用率は，２０１２年当時２７％であった．試作にかかった日数

出願は登録されつつある．

は，およそ３ヶ月である．しかし，ここで特質すべきこと

１．
３ ミニマルファブを用いたデバイスの開発と製造

一度も作り直しをしなかったことにある．なぜなら，ミニは，上記３ヶ月という期間は一回の試作の期間であって，
２０１１年にミニマルファブのリソグラフィシステムのプロ

マルファブでは，マスクレスのために，複数リソグラフィ

トタイプが開発された［９］．ミニマルファブ・リ ソ グラ

工程の途中で，前のパターニングの寸法のずれがあれば，フィシステムでは，光描画によるマスクレス露光装置を用

次のパターニングでそのパターン寸法の修正を CAD でそいており，マスクが不要で塗布‐露光‐現像はおよそ１５分での場で行って，修正し，プロセスを継続できるというメ実行できる．クリーンルームも用いないので，ユーザはクリットがあるからである．さらに，半導体工程の主要部分

リーンスーツに着替える必要も無く，ウェハ洗浄も含めであるミニマルファブのリソグラフィが１５分で確実に完遂て，１時間あれば，リソグラフィの一連の作業を済ませる

してしまうために，デバイスプロセスで極めて失敗しにくことができる．その１年後の２０１２年に，MEMS の基本構造

いというメリットがある．このメリットはミニマル装置化であるカンチレバー型のアクチュエータの開発に成功した率が高まるほど発揮される．

（図３）．ここでは，ミニマルファブは洗浄とリソグラフィ

２０１３年に pMOS（p 型 Metal Oxide Semiconductor トラン

システムだけを用い，それ以外のプロセスは，通常の大型

ジ ス タ）［１３］，２０１５年 に は，８０工 程 ほ ど あ る CMOS

ウェハを用いる大型装置（本章ではこれをメガファブ装置（pMOS と nMOS を組み合わせたトランジスタ）素子のフと称する）にハーフインチウェハを入れてプロセッシング

ルミニマルプロセス（＝ミニマル装置化率１００％）での開発した．このミニマルファブとメガファブの複合型プロセスに 成 功 し た（図３）［１４］．フ ル ミ ニ マ ル プ ロ セ ス で は，をハイブリッドプロセスと呼ぶ［１０］．ハイブリッドプロセ

１日（８時間として）最低限２０工程は実行できる ので，スが可能になったことで，ミニマルファブで全ての装置がCMOS は４日ほどで作ることができる．これは試作ファブ

図３

ミニマルファブで試作されたデバイス．Hybrid はミニマルファブとメガファブの混合プロセス．Full Minimal はミニマル装置だけを用いて形成されたプロセス．

５３３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

としては，過去あり得なかった高速な性能と言える．２０１６の所，開発センターというものはいらなくなる．というの年には，SOI（Silicon On Insulator）基板を用いて，トランは，これまで大企業では，１０年に一度の直径２倍の大口径

ジスタの MOS 酸化膜が 6 nmの先端系CMOS構造を開発し化と３年に一度の 0.7 倍のデザインルールの進歩のために，た［１５］．このデバイスでは，ゲート材料として，TiN とい

千人から一万人もの開発要員を擁して開発センターで集積う先端材料を用いている．２０１９年には，JAXA との共同開回路を開発してきた．ミニマルファブでは，大口径化とい発で，この TiN-SOI-CMOS によって，集積回路の試作に成う概念がなく，計画経済的な３年に一度のデザインルール

功した（図３）［１６］．

の定期的変更も無い．開発センターは各企業におくより

２０１９年には，CMOS を 1 μm という薄膜メンブレイン上も，産総研なり大学，または企業において，集中的に開発に形成し，圧力でその薄膜が変形するのを，CMOS のドレし，その成果をミニマルファブのユーザに有償提供すればイン電流の変化で読み取る，新しいタイプのMEMS系圧力

よいのである．これができるのは，装置とシステムが高いセンサーが開発されている［１７］．

レベルで標準化されていて，技術移転が相当に容易だからである．実際，産総研で開発した，CMOS 技術とパッケー

１．
４ ミニマルファブの高効率性

ジング技術は，プロセスレシピの電子データと共に，企業前の節で述べたように，プロセッシングは特段の無理をに技術移転され，既に試作ファウンドリとしてビジネスがしない状態で２０工程／８時間程度実行できる．この他，ミ進められている．

ニマルファブでは，ウェハ面積が !
３００ウェ ハ と 比較し１．
５ ミニマルファブの拓く未来て，およそ 1/1,000 であり，その分材料の消費量も 1/100〜1/10,000 と極めて少なくなる．製造装置１台当たりの平

ミニマルファブが普及すると，次のような波及効果が期

均電力は，僅か 250 W（100 V 2.5 A）である．産総研・つ待できる．

くばのミニマルファブでは，年間５，０００枚のウェハを処理

まず，大学などで生み出されたシーズである要素技術を，しているにもかかわらず，３０台を配置した主要前工程向け

大学教授自らがその技術を用いるミニマル装置を開発し，試作ルームでは，年間の装置電気代と室内空調電力を合わ

そのままデバイスを試作して世の中へアピールできるようせて僅か２０万円（／３０台）である．これはメガファブのになる．既にミニマルファブでは，戦略的基盤技術高度化

1/10,000 程度である．家庭の電力消費と比肩しうる非常に支援事業（サポイン事業）予算（１件約１億円／３年）を

省エネ性が高いシステムであることがわかる．

１０件以上実施し，これらのサポインで取り扱った大学シー

ミニマルファブでは，ウェハとその搬送容器，そして各ズをミニマル装置化した実績がある．発明された新技術を装置のウェハローダーが統一されているため，オペレータ

僅か３年で装置化し，実際にデバイス試作でその価値を判

はウェハを容易にハンドリングでき，また，ウェハの装填断するという，過去あり得なかった非常に効率的で確実性

でのエラーが起きにくい．ミニマル装置の制御システムとが格段に高い形での技術の実用化ができるようになった．

タッチパネル，そ して そ こ に 表 示 す る ユ ー ザ イ ンター

また，各大学では，これまで巨費を投じてクリーンルー

フェースは装置群全体で統一されており，エラーの出方もムを整備してきたが，その設備更新時期に次の投資が困難

統一されている．セットアップデータと装置操作指令は全になり，クリーンルームの実運用能力やデバイス製造能力て電子化されているため，ユーザは，その装置を操作するが著しく低下していく問題があった．ミニマルファブで際，レシピメニューの中から，自分が使うレシピを選んでは，たとえば産総研で筆者がグループ長を務めるミニマル

指定し，Goボタンを押すだけで装置のプロセスが実行されシステムグループでは，常勤研究者６名に加えて，このグる，先進的なフルオートシステムになっている．このため，

ループで企業試作を受託して得る予算で１５名のテクニカル

装置操作ミスがとても少ない上，デバイス製造中にオペスタッフを雇用している．このクラスの陣容で，全てのミレータにかかるストレスが相当に小さい．

ニマル装置群（約３０種）の開発と CMOS，MEMS，パッ

さらに，従来の真空装置では，ウェハの真空排気に数時ケージングのコア技術開発と，多くの試作，共同研究，そ間を要するが，ミニマルファブでは真空排気室をわずか約してミニマルファブの標準化作業，ユーザインターフェー

1 cc としたために，ミニマルシャトルを装置にセットしてスの英語化，それに，ミニマルファブの工場生産技術開発から僅か１分後には，メインチェンバーの反応室へロー（汚染対策や生産性向上技術開発を含む）などを行っていディングしてプラズマプロセスを開始できるという，極める．従来のメガファブでは数千人規模が必要な労力であて高速な性能を有する．

る．すなわち，ミニマルファブを用いれば，どのような大これらの優れたメリットのため，実際オペレータという学，研究機関であっても，その意思さえあれば，技術体系

職業はミニマルファブでは不要となる．敢えて言えば，従そのものを生み出し，それを実際に実用に供するところま来複雑な装置の操作とレシピ開発に必須であった現場エンで推進していくことができるようになった［１８］．これは，ジニアも必要性が低い．すなわち，リサーチャーが自らレ技術開発とイノベーションのあり方を根本から変えてしま

シピ開発し，自ら装置を操作してデバイスを製造できる．

う新しい方法論である．これによって，資金力がものを

これは画期的なことであり，工場においても，ミニマル

言ったメガファブから開放され，研究者は回りへの忖度なファブではオペレータとエンジニアを大幅に削減できる．

しに，実に自由に研究と開発を行うことができ，産業界おこのように高効率にシステムが使えるようになると，実際

よび社会は生み出される膨大な成果を受け取ることができ
５３４

Special Topic Article

1. Ultra-Small Semiconductor Industrial System: Minimal Fab

S. Haraランジスタ工程では，逆スパッタは一切行っていない．現るようになる．

行のメガシステムでは逆スパッタは当然であるということ

１．
６ プラズマへの応用

は，すなわち人と共存する空間でのウェハ搬送で相当に酸全く新しい半導体産業システムをゼロから構築するに当化と汚染が進むことを意味している．

たって，最も効率が良い方法と思われることは歴史がおよ

その後，これまでにわかったことは，プラズマダメージ

そ５０年ほどかけて半導体システムを作ったとおりに，それはデバイス工程の汚染が進むほど，そのダメージも大きくを１０倍の速度で開発していくことである．歴史的にはエッなる，ということである．実際，たとえば，一度でもエッチングプロセスでは当初は薬液が使われたのであるから，チング工程で，MEMS向けのAu/Niエッチングをしてしま

我々も，最初はプラズマを使わないで薬液エッチングでトうと，その後，完全な内部オーバーホールをしない限り，ランジスタを作ることにした．このことで，プラズマダ

そのエッチング装置を用いるとトランジスタは動作するこ

メージという大変難しい課題を避けることができた．このとはない（完全なるオーバーホールをすれば再生する）．

おかけで，２０１２年にトランジスタが理想的に動作し，汚染

従来はプラズマ発生微粒子については問題としてきたが，が極めて少ないことが実証された．この次の段階として，

このように本来プラズマ装置には高いクリーン度が要求さウェット系の弱点であるサイドエッチングが発生しにくい

れるのである．そうでなければ，プラズマでたたき出されドライエッチング（プラズマエッチングの別名）を導入す

た壁の不純物原子が，ウェハにたたき込まれてデバイス特ることにした．トランジスタの心臓部である MOS 構造か性を悪化させる．

ら遠いところ，すなわち最初にウェハにアライメントマー

さて，ミニマルファブでは，ウェハ及びプラズマサイズ

クをエッチング形成する工程と，心臓部の MOS 形成後のと，チェンバーサイズの関係が，既存の大型プラズマ装置

配線工程のレジストアッシングにプラズマを利用していっとは全く異なる．具体的には，これまでの実用半導体装置

た．これは極めてうまくいき，界面準位が 1010 states / cm2

では，ウェハがたとえば !300 mm であるとしても，チェン

台で，モバイルチャージはかなり少ないという点でプラズ

バーを１０倍の 3 m とするわけにはいかないので，チェン

マダメージは全く発生しなかった．図４では，MOS 構造の

バー径は高々 60 cm 程度である．このため，実際に広義のCV（Capacitance - Voltage）特性を示している．界面準位

意味でプラズマは壁に当たってしまう．もちろん，シース

密度は非常に良好な値を得ており，それはすなわち，汚染領域があるので，プラズマ自体は壁に当たらないが，シーやダメージのない MOS 構造が形成できていることを意味

ス領域では，自己バイアスがかかるために，電子とイオンする．現在では，アライメントマーク形成のシリコンエッが加速されてチェンバー内壁に常時衝突している．固体物

チング，レジストアッシング，アルミニウム配線スパッタ

理で言えば，これは空間電荷領域に相当する．このため，

リング，TiN ゲート形成スパッタリング，TEOS（Tetra-

現実のプラズマ装置では，ウェハとの反応に加え，壁とのethyl Orthosilicate）形成プラズマ CVD プロセスなど，広範

物理，化学反応が無視できない．このことが，プラズマの囲にプラズマを用いている．なお，ひとつの重要な点は，理論と現実のプラズマプロセスの現象が合わない主要な原

局所クリーン化のおかげで，ウェハ搬送中の汚染が皆無で因となってきた．

酸化も軽微なため，逆スパッタによるウェハクリーニング

ミニマルファブでは，装置サイズは 30 cm 幅であり，を行わなくて済むことである．実際，ミニマルファブのトチェンバーはおおよそ 10 cm 程度ある．ウェハ径は !12.5
であるから，チェンバー内壁とウェハは4 cm程度も離れており，壁は無限遠近似的に理解される．要するに，ミニマルファブでは，比較的壁については考慮せず，ウェハとの化学反応が支配的になっている．もちろん，ウェハステー
ジとの反応は考慮しなければならないが．
また，僅か1 cm２程度のウェハ面積であるため，理想的にはプラズマパワーを !
３００ウェハと比較して 1/1,000 程度にできることになる．実際の所，多くのミニマル装置では，プラズマ電源のパワーは 50 W 以下で済んでいる．こうな
ると，手作りでも良好な電源が開発できる．本章に続くいくつかのミニマルプラズマプロセスに関する記事の中で説明されるプラズマ装置では，大学において設計された電源を用いている．
ミニマルファブの場合のプラズマ周波数について，ひとつ明快な特徴がある．それは，メガシステムで良く使われる 13.56 MHz よりも高い周波数を使う方が良いということ

図４である．ミニマルのような小さな空間では，プラズマを生

n 型シリコンウェハ上に形成した MOS 構造の CV（容量‐電圧）特性．実線は実測値で，点線は理想計算値．Cox は，酸化膜そのものの容量．

成するのに，高い周波数の方が電子の往復距離が短くなる
ので電力効率が上がると考えている．
５３５Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

以下では，実際のミニマルファブに応用されているプラ

なると，エッチングガスと，エッチングされた側壁保護ガ

ズマの新しい活用方法を述べる．

ス（フッ素系ガス）を交互にガスを供給して深掘りする，

A．磁気によるプラズマ閉じ込め：ミニマルファブでは，

いわゆる Bosch プロセス［２９］では，ガスの排気に掛かる

プラズマサイズが小さいため，磁気を用いたプラズマ閉じ

時間は，計算上のレジデンスタイムである 0.1 秒程度と同込めでは，積極的な適用が可能となる［１９，２０］．半導体応用

等の時間しかかからない．開発されたミニマルファブの深ではプラズマ閉じ込めは，核融合技術のような核に関わる掘りエッチング装置では，上記２ガスの交互照射サイクル

巨大なエネルギーは必要なく，閉じ込めの目的は，プラズ

タイムは僅か２秒であり，ガスの切換時間はおよそ 0.1 秒

マから発生するイオンと電子がウェハにいかないようにしである．このような高速切り替え条件では，１サイクル当て，ラジカルだけをウェハに照射することにある．であるたりのエッチング量が小さくなるため，これまで交互サイから，巨大な核融合に必要な巨大な磁場は必要なく，ミニ

クルエッチングで生じていたエッチング速度のサイクル周

マルファブのサイズでも効果が発揮される．

期での変化によって引き起こされる側壁の周期的凹凸（こB．磁気によるプラズマ流の制御：磁力でプラズマ流の凹凸はスキャロップと呼ばれる）がなくなり，極めてス（ヘ リ コ ン プ ラ ズ マ）を 整 形 し た り 曲 げ た り す る 方 法

トレートな深掘りエッチングが実現された（図５）［２７］．

［２１，２２］もある．この目的の一つは，やはりイオンや電子

F．パルスプラズマ：堆積プロセスとして，やはり実用をウェハに当てるのを避けることにある．

に供しているのが，HiPIMS（Hi Power Impulse Magnetron

C．マイクロプラズマ：面白い別の技術として，マイク

Sputtering）である［３０］．HiPIMS はいわばパルスプラズマ

ロプラズマのミニマルファブへの応用がある［２３］．従来技である．高電圧を掛けると，アーク放電が生じやすいが，術ではプラズマはウェハ径と同等の大きさを必要とした．

アーク放電が生じるまでには僅かな時間（10 μs 程度）を要

しかし，ハーフインチウェハは小さいので，ビーム技術をする．そこで，アーク放電が起こる前に，電圧を切れば，誘用いて，プラズマビームをウェハ面内でスキャンしたとし起されたプラズマは穏やかなままであって，半導体プロセても，現実的な時間（１分〜１０分程度）で，プロセッシン

スなどに適用可能になる．実際に開発されたミニマルファ

グを完了できる．このため，ノズルプラズマは大変有効な

ブの HiPIMS スパッタリング装置では，アーク放電がほとプラズマ技術となる．ウェハ面内のプラズマの揺らぎは，

んど起きない．それではなぜ，これまで HiPIMS が実用にプラズマノズルのスキャンで論理的には解消できるはずでな っ て こ な か っ た の か．ミ ニ マ ル フ ァ ブ 装 置 で は，あり，実際に産総研で開発したマイクロプラズマによるシ

HiPIMS 電源は最大出力 50 W である．これを面積でスケー

リコンのエッチングでは面内均一性は±５％を得ている．

リングすると，!
３００では，50,000 W に換算される．電源ロ

この方法で，時間的不安定性というプラズマの本来的な欠スを考えると，電源容量は 100,000 W にも達する．すなわ

点を簡単に解消できてしまった．

ち，これまでのプラズマ電源は，必要なパワーがそのサイ

D．水プラズマ，水蒸気プラズマ：さらに，最近研究が盛ズ制限から得られず，パルスプラズマではエッチング効率んになってきた，水を使ったプラズマのミニマルファブへが悪かったということである．ミニマルファブでは，ウェの応用がある［２４］．従来知られている水プラズマや水蒸気

ハサイズが小さいので，面積当たりでは十分なプラズマパ

プラズマは，高温領域で動作するものであった［２５］．ここワーを投入できるのである．

では，基本的に熱平衡的なプラズマができており，電子温

このように，ミニマルファブを用いると，今まで不可能

度とガス温度はほぼ同程度である．一方，新たに開発されと思われていたり，応用が困難であった多くのプラズマ技

た水蒸気プラズマでは，水中または水蒸気中でプラズマを術が役立つようになる．

励起するために，高電子温度状態でありながら，ガス温度が低いプラズマになっている．このようなプラズマは，半導体プロセスに適している．というのは，半導体プロセス
では，熱酸化膜形成プロセス以降のプロセス，とりわけ，
金属配線形成後のプロセスでは，金属が溶けたり他の部位へ拡散しないよう，一般に３００℃以下であることが求められるからである．開発された水蒸気プラズマ装置では，金属配線を溶かすことなく，レジストを単位時間で蒸発させることに成功している［２６］．水しか使わないプロセスというのは大変理想的であり，今後，このタイプの水蒸気プラ
ズマプロセスの発展が望まれる．
E．深掘りエッチング技術：半導体プロセスでの効果が発揮される別のプロセス技術として，MEMS 技術などの立体構造形成で必須の垂直深掘りエッチング技術を挙げるこ
図５

とが出来る
［２７，
２８］．ミニマルファブでは，前述したように，チェンバーがウェハから遠いために，壁との化学反応
は，ウェハとの反応と比較して相対的に無視できる．そう５３６

ミニマルエッチング装置を用いて，シリコンを Bosch プロ
セスでエッチングした構造．エッチング側面が極めて平坦
で，エッチング形状全体が極めてシャープであることがわ
かる．

Special Topic Article

1. Ultra-Small Semiconductor Industrial System: Minimal Fab［６］原 史朗 他：精密機械工学誌 77, 249 (2011).
［７］原 史朗：電子材料 44, 24 (2005).
［８］原 史朗：真空ジャーナル 128, 16 (2010).
［９］S. Khumpuang et al., IEEJ Trans. Sens. Micromachines,
133, 272 (2013).
［１０］S. Khumpuang and S. Hara, IEEE Trans. Semi. Manuf. 28,
393 (2015).
［１１］実用化当初の現時 点 で は，投 資 額 は 1/100 程 度 で ある．将来ミニマルファブが普及すると，その装置群の量産効果で 1/1,000 へとコストダウンされる．
［１２］前川 仁 他：フルードパワーシステム 51, 156 (2020).
［１３］S. Khumpuang et al., IEEE Trans. Semi. Manuf. 28, 551(2015).
［１４］S. Khumpuang et al ., 2016 International Conference on
IC Design and Technology (ICICDT) (2016).
［１５］Y. Liu et al., Proceedings of the 16th International Conference on Nanotechnology 802 (2016).
［１６］https://global.jaxa.jp/press/2019/05/20190510a.html(2019)［１７］Y. Liu et al., 2018 IEEE Electron Devices Technology and
Manufacturing Conference Proceedings of Technical Papers 131 (2018).
［１８］クンプアン ソマワン 他：応用物理 87, 833 (2018).
［１９］T. Goto et al., J. Electron Device Soc. 6, 512 (2018).
［２０］後藤哲也：プラズマ・核融合学会誌 96, 557 (2020).
［２１］K. Takahashi, et. al , Vacuum, 171, 109000 (2020).
［２２］高橋和貴：プラズマ・核融合学会誌 96, 552 (2020).
［２３］田中宏幸：プラズマ・核融合学会誌 96, 538 (2020).
［２４］石島達夫：プラズマ・核融合学会誌 96, 562 (2020).
［２５］渡辺隆行：プラズマ・核融合学会誌 95 (1), 27 (2019).
［２６］T. Ishijima, Appl. Phys. Lett. 103, 142101 (2013).
［２７］H. Tanaka et al., J. Photopolymer Sci. Tech. 32, 747 (2019).
［２８］野澤善幸：プラズマ・核融合学会誌 96, 543 (2020).
［２９］F. Laermer and A. Schilp, Germany patent DE4241045,(1992).
［３０］小木曽久人：プラズマ・核融合学会誌 96, 547 (2020).

１．
７ まとめ
局所クリーン化ウェハ搬送システムを用いてクリーンルームを不要とし，ウェハを直径 12.5 mm まで縮小した半導体製造システム・ミニマルファブが実用に供するようになった．ミニマルファブは超小型でシンプルなシステムであるために，デバイスプロセスのスピードが非常に速く，研究と開発，それに生産が極めて高効率になる．また，ウェハが小さいにも関わらず相対的なチェンバーサイズがその１０倍程度であるために，壁との化学反応が弱くなり，結果として，実用プラズマプロセスでは，従来とは全く異なる使い方ができるようになり，また，これまで実用に供さなかったいくつものプラズマが利用可能となった．ミニ
マルファブを用いて，さらに新しいプラズマ応用が拓けていくことが期待される．

謝

S. Hara辞

ミニマルファブは，産総研ミニマルシステムグループの筆者の他，前川 仁，クンプアンソマワン，池田伸一，石田夕起，来見田淳也を中心として，およそ５０社との共同事業として開発された．本章で述べられた新たなプラズマ装置
開発では，産総研に加えて，東北大学と金沢大学が開発を主導した．ここに関わった大変多くの関係者に心から感謝
申し上げる．

参考文献［１］J. Kilby, US Patent No. 3138743 (1959).
［２］R.N. Noyce, US Patent No. 2981877 (1959).
［３］R.H. Dennard et al., IEEE J. Solid State Circuits SC-9, 256(1974).
［４］G. Moore, Electronics 38, 8 (1965).
［５］ファブシステム研究会編著「21 世紀型生産システム」
https://fabsystem.jp/fabsystem-report2008.pdf (2008)

５３７

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.10 (2020)５
３８‐５４２

小特集 革新的半導体産業システム ミニマルファブ におけるプラズマテクノロジー

２．マイクロプラズマ源を用いたプラズマエッチング装置
2. Plasma Etching Tool Using Micro-Plasma Source
田 中 宏 幸１，２），KHUMPUANG Sommawan１，２），原史 朗１，２）TANAKA Hiroyuki１，２）, KHUMPUANG Sommawan１，２）and HARA Shiro１，２）
１）

国立研究開発法人産業技術総合研究所，２）一般社団法人ミニマルファブ推進機構（原稿受付：２
０
２
０年５月２
０日）

本章では，ノズル型のマイクロプラズマ装置の開発とそのエッチング応用について述べる．マイクロプラズ
マは，ガス吐出口でプラズマを発生させるが，吐出後に乱流で不安定になること，また，大口径ウェハ対応が難しいことから，半導体製造プロセスではこれまで採用されてこなかった．一方，ハーフインチウェハを用いる超小型デバイス製造システムミニマルファブでは，プラズマノズルをウェハ面内スキャンするのに時間がかからず，プラズマの位置不安定性も時間積算で均一化できる上，プラズマ発生部が超小型であることから，ノズルプ
ラズマは有効な手段となり得る．我々は，ノズルプラズマにウェハ上への RF プラズマを重畳させることで，エッチングの異方性を持たせたミニマルマイクロプラズマエッチング装置を開発し，既にデバイスプロセスに利用しているので，その概要を報告する．
Keywords:
micro-plasma, Minimal Fab, etcher, nozzle, scanning２．
１．
１ マイクロプラズマ

２．
１ はじめに通常，半導体エッチングプロセスに用いるプラズマは，

マイクロプラズマは，三次元空間に数ミリからサブミリ

電子温度に対してガス温度が十分低い熱的非平衡状態の低程度の微少な大きさを有するもので，高輝度 EUV（Ex-

温グロー放電プラズマを用い，低圧力下でウェハ加工を

treme Ultra-Violet）ランプ光源［５］や，プラズマディスプ

行っている．半導体では，ウェハにパターニングを施すリ

レイパネル［６］，表面改質［７］などが応用事例として近年活ソグラフィを行う際，感光レジストを用いるために，ポリ発に研究されてきた．ここでマイクロプラズマを他のプラマーであるレジストが構造を破壊されないように，レジスズマと比較してみる．図１は，プラズマの圧力 !とプラズ

トをマスクにするウェハのエッチングでは，ウェハ温度がおよそ１３０℃を越えないようにしなければならない．このため，プラズマプロセスも低温であることが求められる．
この種のプラズマでは，大容積に対して比較的均一で安定した放電を得ることができるが，閉じた空間内に磁力や高周波を用いたプラズマ発生源と対向電極を設置し，プラズ
マ電源も大型で，全体として大掛かりで複雑な仕組みが必要である．
これに対して，近年超小型のプラズマを必要とする超小型デバイス製造システムミニマルファブ［１‐３］が開発された．ミニマルファブは，直径 12.5 mm のハーフインチウェ
ハを用いて，最小の投資で半導体の変種・変量生産に対応
さる生産システムである．そのミニマル装置１台の大きさ
は，幅 294 mm，奥行き 450 mm，高さ 1440 mm と規定されているため，プラズマ源は数センチから１０センチメートル
程度，プラズマ電源は大きくて 10 cm 角程度の大きさであることが望ましい．そこで，我々は小さな反応場が得られ
図１

るマイクロプラズマ［４］のミニマルファブへの応用開発を行った．

プラズマスケール d と圧力 P の関係における各種プラズマ
応用技術の位置付け［１
１，
１
２］
．

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Industrial Cyber-Physical Systems Research Center
Minimal Prototyping Research Team, TOKYO 135-0064, Japancorresponding author’s e-mail: tanaka.hiroyuki@aist.go.jp

５３８!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

2. Plasma Etching Tool Using Micro-Plasma Source

H. Tanaka et al.

マの空間スケール !を取ったものである．DC 放電におけめて，高いハードルがあった．ただ，先に述べたように，大るパッシェンの法則［８‐１０］によると，最小の放電開始電圧

面積を使わないということであれば，産業応用上の第一課

は，プラズマ空間スケール !と圧力 "の関係だけの関数と題とも言えるノズルプラズマの局所性と不安定性は回避でなることが知られている．この法則によれば最小放電電圧きるのであって，後は（１）〜（６）の課題を技術的にチャレンは，一般に "!積が 1 Pa・m 程度［１１］で得られる．たとえばジすればよいということになる．

サイズが 0.1〜1 m にあたる半導体プラズマ装置では，圧力２．
１．
３ 半導体での課題を解決するマイクロプラズマ

は１〜数十Pa程度がプラズマ圧力の利用領域である．マイ

手探りでプラズマの諸条件を探ることは，膨大な実験をクロプラズマでは，ノズル径は，mm 程度であるから，こ行っても良好な結果が見いだせない可能性がある．そこでの図に従えば，103〜104 Pa 程度の真空が適正利用領域とな

我々は，マイクロプラズマの諸条件を既存の半導体プラズ

りえる．しかし，実際のマイクロプラズマでは，大抵は大マ条件に近いところに設定することとした．すなわち，

気圧（〜105 Pa）で利用されている．このためマイクロプラ

チェンバーの圧力（課題（１））を大気圧ではなく，10 Pa

ズマは，時に大気圧プラズマ［１２］と呼ばれている．ここで程度の真空とすることにしたのである．ウェハの相互距離

喚起すべきことは，図１に示したパッシェンの法則の "!

は，実験で決定すれば良いことである．北野ら［１３，１４］によ

積 1 Pa・m 程度は，プラズマの着火条件であって，プラズマ

れば，マイクロプラズマのノズルの先端から吐出されるプを活用する空間の大きさを意味していないことである．マ

ラズマジェットの大きさは，パッシェンの法則から見いだ

イクロプラズマでは，ノズル内での着火はノズルという狭される "!積にあまり依存することなく，広い "!領域でプ

い空間で発生するが，利用空間はノズルの外の広い空間にラズマ発生が可能である．これまで利用されているマイクなっている．このため，マイクロプラズマでは，着火およロプラズマの "!空間を図１に描いてある．印加電圧方式

びプラズ維持条件と，そのプラズマの利用条件は別々に考（課題（２））は，半導体で用いられる MHz ではなく，ノズル

えなければならない．

プラズマに適した kHz オーダとした．課題（３）の物理的

これに関連する論点は，大気圧ではガスが高密度のたセットアップ構造とポテンシャル印加方法については，次め，マイクロプラズマは電子とイオンの温度がほぼ等しのセクションで述べる新たな構造で良好な結果を得ること

い，熱プラズマになりやすいということである．半導体応ができた．課題（４）については，RIE（Reactive Ion Etch-

用では，高分子ポリマーのフォトレジストが焦げてしまう

ing：高周波を印加する側に試料を置いた電極とプラズマために，低温のプラズマを使わなくてはならない．

間に発生する自己バイアス電位により，プラズマ中のイオ

２．
１．
２ 一般的なエッチングプラズマとマイクロプラズマ

ン種が印加電極方向へ加速し，試料と衝突することで，物

一方，このような制約条件が比較的緩い状況にも関わら理的な垂直エッチングを促す方法）プラズマの手法を導入

ず，マイクロプラズマは半導体には応用されてこなかっし，ウェハ部に別の高周波プラズマを発生させることとした．その理由は，先に述べたように，大気圧で高温化しやた．課題（５）と課題（６）については，実際に本プラズマを用すかったこと，そして，プラズマが局所的であって，大面いたエッチングをトランジスタプロセスに導入して，汚染積ウェハに向いていなかったこと，そして，突出するガスとプラズマダメージを確認すればよい．

流にプラズマが発生するために，ガスの乱流の影響を受け

２．
１．
４ 開発したマイクロプラズマ装置とその方式

やすく，プラズマの空間的な位置が時間的に揺らぐという先に述べたように，マイクロプラズマを大気圧で利用す問題があったからである．ミニマルファブでは，少なくとると，実際にフォトレジストの焦げが観察された．すなわ

も小面積であることから，ノズルまたはウェハ位置をス

ち，ウェハの温度が高くなってしまったのである．そこで，キャニングすることで，マイクロプラズマの欠点である不やはりプラズマを低温化するために，反応空間として密閉安定性を時間的に補うことができる．また，スキャニング型のチェンバーを用意して，プラズマを真空領域へ持ってによる時間的な積算を行うことで，ウェハ面内を均一にプ行くことにした．また，エッチング加工に異方性を持たせロセッシングすることができるであろう．この基本的な方るために，下部ステージ側から RF プラズマを印加するこ針に沿って，マイクロプラズマを活用するとしても，次のととした．

課題が予想される．
（２）
印加電圧は直流，交流，パルスのどれにすべきか．

２．
２ ミニマルファブのマイクロプラズマエッチ
ング装置

（３）
どのような物理的セットアップ構造とポテンシャルを２．
２．
１ ミニマルマイクロプラズマエッチング装置の構築

ノズルとウェハ，そしてチェンバーに印加すれば良い

上記課題解決の方針に沿った，ミニマルファブのマイク（１）
圧力とノズル‐ウェハ間距離をどうするか．

ロプラズマエッチング装置を開発した．装置の概略図をのかがわからない．

図２に示す．外径 6.3 mm 内径 4.0 mm の石英直管に 2 cm

（４）半導体に必須の，異方性（垂直性）エッチングをどう実長の筒状の電極を設け，マイクロプ ラ ズ マ は，そ こ に

現するか．
（５）
汚染問題は発生しないのか．

10 kHz，Vpp=10 kV，消費電力＝20 W の低周波高圧交流（６）プラズマダメージは問題とならないのか．

電圧（Low radio frequency High Voltage）を印加すること以上について，半導体に対して誰も明快な結果をこれまでで発生させた．また，異方性エッチング機能を追加するた

出していないために，マイクロプラズマの半導体応用は極め，このマイクロプラズマ発生機構に加えて下部側電極に
５３９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

キャニングが可能な機構を設け，両軸の移動速度や振れ幅などの組み合わせで様々な様式のスキャンが行えるようにした．代表的スキャン方法としてウェハ中心から半径 #石英ノズルが回転したのと同等と見なせるように !-"でステージをスキャンさせた．図３のように半径 #の距離を変化させていくとエッチングレートの不均一性は，ウェハ
全面にわたって時間的に相殺され，均一化が進むことが実証された．これに対してスキャンを行わなかったとき，すなわち回転半径#!!のときは，ガウス分布的なエッチング量の分布となっていた．
２．
２．
４ エッチング特性
図４は，マイクロプラズマ単独発生，RF プラズマ単独発
生，そしてマイクロプラズマと RF プラズマの両方を同時に発生させたときのそれぞれのシリコン基板のエッチング特性を示している．RF プラズマ単独発生という状態は，半
図２

ミニマルファブのマイクロプラズマエッチング装置概略
図．減圧下において RF プラズマとの重畳が可能で，ウェハ
試料台がスキャンする構造となっている．

導体プラズマでの CCP プラズマとほぼ同様なプラズマ発生状態と見なすことができる．圧力として，10 Pa または
100 Pa を 設 定 し た．エ ッ チ ン グ 条 件 は，CF4＝8 sccm，は，13.56 MHz，Vpp=300 V，消費電力＝10 W の RF プラ

Ar=5 sccm，圧力＝10 Pa，マイクロプラズマ電力＝20 W，ズマを導入できるようにした．石英の放電管を反応室へ導RF プラズマ電力＝10 W である．

入するポート部には，厚さ 5 mm の円盤状の石英製プレー

その結果，この圧力領域におけるマイクロプラズマ単独

トを置き，その直上に交流高電圧を印加するための鍔付き

発生のエッチングレートは，数十 μm/min しか得られな

円筒電極（図２で赤く示してある部分）を配置した．上部
側電極を鍔状にした理由は，後述するウェハ試料台のス
キャニング位置が変わっても，ウェハ上では，ある程度一定のポテンシャル分布にして，RF プラズマの電界方向に垂直性を持たせることができるようにするためである．排気系は，小型ターボ分子ポンプ（80 "/sec）を搭載し，圧力調整は，アングルバルブの開度を制御させることで，所望のプロセス圧力維持と省スペース化を実現させた．エッチ
ングガスには，CF4/Ar/O2/SF6 等のガスを任意に混合して供給できるようにした．また，これらの原料ガスは，0.35 "型小型高圧ガスボンベとして，４本ミニマルの筐体内に収納させている．外部からのガス供給を行う設備工事が不要となる分，装置の設置，移動や立ち上げに要する工数は，大幅に短縮される．ウェハは，メカニカルチャックで固定
図３

している．ウェハステージは，ウェハの温度上昇を防ぐた
め水冷としている．

ウェハステージを回転方向にスキャンさせたときのウェハ
面内不均一性−回転半径依存．

２．
２．
２ プラズマ温度
圧力を 102 Pa 台でエッチング実験を行った．図４（b）（c）に見られるようにレジスト膜が十分残存し，シリコン基板のエッチングがされていた，レジストはおよそ１３０℃までしか耐えられないことから，エッチングに寄与するイオンや中性分子の温度上昇を抑えることができ，半導体デバイ
ス加工に適した非熱平衡低温プラズマになったと考えられ
る．
２．
２．
３ ステージスキャン
ミニマルファブで用いる !12.5 mm ハーフインチウェハ
は，絶対値の大きさとして十分小さいが，内径 4 mm の石
図４ （a）
マイクロプラズマのみ，RF プラズマのみ，マイクロ＋
RF プラズマにおける圧力依存 E/R グラフ．
（b）
micro+RF Plasma，（c）
RF Plasma のみ１
０Pa の高真空側で E/R の相乗効果が見られた．

英直管ノズル式マイクロプラズマで加工しようとすると，一度にウェハ面内へ均一にプラズマ照射できない．
そこで，ウェハステージが !，" の二軸方向へ同時ス
５４０

Special Topic Article

2. Plasma Etching Tool Using Micro-Plasma Source

H. Tanaka et al.

かった．また，下部電極からのRFプラズマ単独発生のエッ
チングレートは，100 Pa 側で増加した．次に，マイクロプ
ラズマと RF プラズマを同時に発生させてみたとこ ろ，
100 Pa の時のエッチングレートは，RF プラズマのエッチ
ングレートとほぼ同等で，マイクロプラズマについては，
一見，ほとんど寄与しないもののように見えている．
ところが，10 Pa の高真空側では，マイクロプラズマとRF プラズマの単独発生の場合の和を大幅に超えてエッチ
ングレートが相乗効果となって現れる興味深い結果が見られた．レジストマスクもプラズマによる変質は見られていない．このことは，マイクロプラズマによって励起された中性分子（ラジカル）だけではエッチングが促進せず，一方で RF プラズマ単独でも同様に促進しなかったことになる．２つのプラズマ同時発生状況では，ノズル先端からはラジカルが供給され続けているので，圧力を下げたことと，更に RIE による縦方向の電界に追従したことで，RF

図５ （a）CV 特性評価用 MOS キャパシタ構造断面図．
（b）
初期の CV 特性．
（c）
ウェハ上に金属汚染問題が発生した時の CV 特性．
（d）チェンバークリーニング後の CV 特性．初期状態に戻る
傾向を確認できた．

プラズマによって発生したイオンには方向性が生じ，イオンアシストによるエッチングがシリコン表面で促進されたものと考えている．また，エッチングの方向性が定まることによって，異方性エッチングが行える．ミニマルマイク
ロプラズマエッチング装置は，マイクロプラズマと RF プ

は，装置内をクリーニングした場合，半導体デバイスに利ラズマとの重畳で，まずは実用的になったと言える．

用可能な水準に，金属汚染レベルを低減できていることが２．
２．
５ プラズマダメージ評価

わかる．実際に，本装置を用いて，0.5 μm の露光解像度による CMOS トランジスタや簡易集積回路を製造し，実際にMOS（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを形成

回路動作を確認している［１７］．

する微細加工においてドライエッチングプロセスでトラン
ジスタの加工を行う際は，プラズマによるダメージを極力

２．
３ ミニマルマイクロプラズマエッチングの応用例

受けないことが望ましい．トランジスタのゲート部に問題があるかどうかは，MOS 部の酸化膜‐半導体界面の容量

上記トランジスタ及びその集積回路の製造プロセスにお（コンデンサ）を調べることが一つの指標となる．プラズマ

いて，マイクロプラズマは，トランジスタ工程の最初の工ダメージや汚染，界面形成の界面の非理想性などによっ程であるシリコンウェハへの層間アライメントマーク形成て，容量値やその周波数特性が変化する．図５は，今回形のエッチングに用いている．また，トランジスタ形成後の成 し た MOS キ ャ パ シ タ 構 造（図５（a））と そ の C-V

アルミニウム配線の形成時に用いるレジストパターンの除（Capacitance - Voltage：容量‐電圧）特 性 グ ラ フ で ある．

去（アッシングプロセスと呼ぶ）にも用いている．

図５（b）は，クリーンな状態での QSCV（Quasi-Static C-V）

更に，TiN 膜をゲートに用いる SOI（Silicon On Insula-［１５］と HFCV（High Frequency C-V）
［１６］特性である．このtor）トランジスタプロセスにおいては，SiO2（Buried Ox-

時の界面準位密度の値は 1.2×1010 cm−2 で，一般的に不純

ide: BOX と呼ぶ）上のトランジスタを形成しているが，ト物汚染レベルとしては良好と判定できる．それ故，重金属ランジスタ間を電気的に孤立させるため，トランジスタ間

汚染やプラズマダメージの少ないエッチングが行われていのシリコンをエッチングして取り去るプロセスがある．こると言える．図５（c）は，重金属（Au 及び Ni）が露出したのプロセスにもマイクロプラズマを適用した．シリコンとウェハサンプルを数枚処理した後に測定した CV 特性であシリコンの間は，BOX 層へ向けて下る段差になっている

る．その結果，QSCV カーブに異常が見られた．CV カーブ

が，そのシリコン部の端が急峻にエッチングされると，そに異常が見られる（理想の図５（b）と違う）ということは，の部分に後に配線するアルミニウムが断線してしまう問題

そこに余計なチャージが発生したということを意味する．

がある．そこで，このシリコンの端は，ある程度なめらか

このことは，直前に処理したサンプルからの金属汚染が，な 傾 斜 を 描 く よ う に エ ッ チ ン グ さ せ る 必 要 が あ る．

後続のウェハ処理にも影響を及ぼしたと考えられる．この

図６（a）は，SOI ウェハの活性層 n-Si を SF6/Ar プロセスで状態からチェンバーを開放して内部クリーニングを行い，段差を形成した後，TiN 膜をスパッタで成膜したときの様

石英ノズルについては，酸洗浄と HF 洗浄まで行った．こ子である．SF6/Ar プロセスでは，急峻なシリコンエッチンのクリーニング後に CV 測定したものが，図５（d）である．

グが行われるため，この後の成膜工程で断線不良を引き起初期状態に戻る傾向が見られた．今回の一連の実験では，こす要因となっていた．一方，図６（b）は，CF4/Ar プロセ

ノズル及びチェンバーが金属汚染され，その汚染を除去しスで順テーパー型にシリコン基板を加工した後で，TiN

ただけであるので，CV カーブの異常は金属汚染によるも成膜したものである．成膜工程の断線問題はほとんど無くのと理解できる．逆に，本実験から，本マイクロプラズマ

なるが，なだらかな傾斜は，加工寸法を犠牲にしてしまう．
５４１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

きた．また，マイクロプラズマに加えて，RF プラズマを
ウェハ近傍に発生させることで，垂直エッチング効果とエッチングスピードの増強効果を発現させた．汚染に大変敏感なトランジスタプロセスに実際に応用して，プラズマ
ダメージを発生させない，クリーンなエッチングを達成した．以上，マイクロプラズマをトランジスタプロセスへ実応用するための方式が初めて見いだされ，実際に実用に供することが示された．

謝辞

本研究は，株式会社三友製作所が開発し製品化された
ミニマルファブマイクロプラズマ装置を用いて行われた．
図６

デバイス加工例（a）
SF6/Ar プロセス，（b）
CF4/Ar プロセス，
（c）
は（a）
と（b）
の２ステップ加工．スパッタ成膜時の段差部における断線不良が緩和された．

三友製作所の新堀俊一郎氏及び岩瀬千克氏に感謝申し上げる．

このため，集積回路製作には不利となる．この２つのプロ

参考文献

セスを順番に実施することで，双方の欠点を補填したプロ［１］原 史朗 他：精密機械工学誌 77, 249 (2011).
［２］S. Khumpuang et al., IEEE Trans. Semi. Manuf. 28, 551(2015).
［３］S. Khumpuang et al., IEEE Trans. Semi. Manuf. 28, 393(2015).
［４］石井彰三 他：プラズマ・核融合学会誌 80, 827 (2004).
［５］S. Katsuki et al., J. Appl. Phys. 99, 13305 (2006).
［６］K. Tachibana et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 1, 68 (2003).
［７］T. Ideno et al., J. Photopolymer. Sci. Technol. 17, (2004).
［８］F. Paschen, Annalen der Physik und Chemie. Wiedemanns Annalen, Ser. 3, 37, 69 (1889).
［９］V.A. LisovskiÏ et al., Technical Physics 45, 58 (2000).
［１０］中野武雄，J. Vac. Soc. Jpn. 57, 308 (2014).
［１
１］橘 邦英 他：マイクロプラズマ基礎と応用（オーム社，
２００９）p.59.
［１２］橘 邦英 他：応用物理 75, 399 (2006).
［１３］北野勝久 他：プラズマ・核融合学会誌 84, 19 (2008).
［１４］北野勝久 他：応用物理 77, 383 (2008).
［１５］M. Kuhn, Solid State Electron 13, 873(1970).
［１６］R. Castagne et al., Surface Sci. 28, 157 (1971).
［１７］S. Khumpuang et al., IEEE EDTM Conf. 82 (2017).

セスの一例が，図６（c）の写真である．このプロセスは，開発したマイクロプラズマ装置でガスの切り替えが行えるた
め，ウェハをチェンバー内に留めたまま，SF6 によるシリコンエッチングの後，ガスを CF4 に切り替えて段差形状の緩和エッチングを行ったものである．以上のように，マイクロプラズマ装置を用いて，高度なエッチングも行うことができる．
この他にも，CHF3 ガスを用いてシリコン酸化膜のエッチングが可能であることも確認済みである．

２．
４ 結論
マイクロプラズマを半導体応用するための，１．
２で挙げた課題は全て解決された．具体的には，プラズマを利用するウェハ空間の圧力を従来半導体で用いてきた 10 Pa 程度とすることで，レジストが破壊されない低温プラズマを形成できた．また，ノズルプラズマの最大の欠点である局所性は，ウェハを面内で機械的にスキャニングすることで解決し，ウェハ面内のプラズマエッチングの均一性を確保で

５４２

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.10 (2020)５
４３‐５４６

小特集 革新的半導体産業システム ミニマルファブ におけるプラズマテクノロジー

３．ICP プラズマ源を用いたシリコン深掘りエッチング装置
3. Development of Minimal Si-DRIE Tool Using ICP Source
野 沢 善 幸，宮 " 俊 也，速 水 利 泰
NOZAWA Yoshiyuki, MIYAZAKI Toshiya and HAYAMI Toshihiro
SPP テクノロジーズ株式会社（原稿受付：２
０
２
０年５月２
０日）

本章では，ICP（誘導結合型プラズマ）ソースに Bosch プロセスを適用したシリコン深掘りエッチング装置に関して述べる．Bosch プロセスとは SF6，C4F8 プラズマを用い，シリコンに深く，細い孔や溝を加工するプロセ
スで，MEMS デバイス含め各種シリコンデバイスの加工プロセスとして幅広く使用されている．当社 Bosch プロ
セス用量産機にて生成しているプラズマと同等のプラズマをミニマル装置で生成することができれば，同等のプ
ラズマプロセスが可能となり，蓄積してきたプロセスライブラリを活用できる．まず設計に基づいて実験機を組み上げ，SF6，C4F8 プラズマを生成し，プロセス可能なプラズマ密度，フッ素ラジカル生成を確認し，世界で初めてミニマル装置で Bosch プロセスによるシリコン深掘り加工を実現，装置化に成功した．
Keywords:
Minimal Fab, ICP, Si Deep RIE, MEMS, Bosch process

３．
１ 緒

言

この Bosch プロセスは Laermer と Schilp により発明された特許に基づいており，エッチングステップ（SF6 プラズ

半導体ならびにセンサデバイスの需要が増加している．
その製造にあたっては，莫大な費用（初期投資，維持費等）

マ）とパッシベーションステップ（C4F8 プラズマ）を交互が必要である．設備投資の抑制ならびに多品種少量生産へに行ってシリコンをエッチングする．このプロセスの概略の対応力向上のために，ミニマルファブ構想［１］が産業技を図１に示す．
まずパッシベーションステップでは CF 系重合膜がマス術総合研究所（産総研）により提唱された．

クを含めて全面に等方的に堆積される（図１（a））．

この構想では，!0.5 インチ（!12.5 mm）のウェハが使用され，筐体サイズ，使用電圧，ユーティリティー等に厳格

次にエッチングステップでは基板にバイアスを印加してな規格がある．産総研のミニマル試作ラインを用いることおくため，まず，エッチングされるパターンの底部の重合で，既にトランジスタを製造できるレベルに達している．

膜はイオンによるエッチングで除去されるが，（図１（b））
イオンの方向性のため，側壁の重合膜は除去されずに残３．
２ SPP テクノロジーズのミニマル装置への取り組みる．その後，エッチングパターン底部の露出したシリコンのみが F ラジカルによりエッチングされる．（図１（c））

これまでに確立されてきた集積化回路ならびにセンサの以上のシ−ケンスが繰り返されることで，高マスク選択

一連の製造工程をミニマル装置で再現できれば，過去の設

比で高アスペクト異方性シリコンエッチングが実現できる

計資産を活用できる．再現にはドライプロセスが必要であが，これにはエッチングステップと保護膜形成ステップのる．

高精度で安定なスイッチング制御が必要である．

SPP テクノロジーズは，得意とするプラズマを用いたドライプロセスにて，このミニマルファブの普及に協力することにした．量産機にて生成しているプラズマと同等のプ
ラズマをミニマル装置で生成することができれば，同等のプラズマプロセスが可能となり，蓄積してきたプロセスラ
イブラリを活用できる．最初に取り組むべきは Bosch プロ
セス［２］用装置だと考えた．
Bosch プロセスはシリコンに深く，細い孔や溝を加工する用途で幅広く利用されており，SPP テクノロジーズはこ
図１のプロセスに関して長年の経験と深い知見を持っている．

Bosch プロセス．

SPP Technologies Co., Ltd., Amagasaki, HYOGO 660-0891, Japancorresponding author’s e-mail: yoshiyuki.nozawa@spp-technologies.co.jp

５４３!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

３．
４．
２ OES（Optical Emission Spectrometry）によるプ３．
３ ミニマル装置開発へのアプローチ

ラズマ 発光分析

Bosch プロセスに適したプラズマソースとして，エッチ
ング速度を確保するための高分解・高密度のプラズマが得

プラズマ密度測定に加え，同じ SF6 プラズマにおける発られ，且つパッシベーションにおいては低分解から高分解

光分光分析を実施し，エッチング種であるまでの制御性の良い条件設定ができる誘導結合型プラズマ発光を確認した．
（図３）同一プラズマでのシリコンエッF ラジカルの（Inductively Coupled Plasma:ICP）を採用した．

チングレートも 3.1 um/min．であり，シリコンエッチング

まず，実験機の設計・製作を行なった．国内量産実績ののための十分な F ラジカルの生成を確認できた．

あるプロセスチャンバをリファレンスとし，同等の圧力レ

３．
４．
３ Bosch プロセスによるシリコン深掘り加工

ンジ下にて，同等のプラズマ密度とバイアスエネルギーを

このミニマル ICP ソースに Bosch プロセスを適用し，世得ることを指針とした．さらに量産機のプラズマパラメー

界で初めてミニマル装置で Bosch プロセスによるシリコン

タのスケールダウン計算を基に，ICPソース寸法とRF周波

深掘り加工が実現できた．（図４）
この加工例では，加工幅 10 μm，加工深さ 60 μm，エッチ

数にあたりをつけた．

ングレート 2 μm/min.，マスク（レジスト）選択比：５０，垂次にミニマル筐体サイズとの兼ね合いから，プラズマ

直度 90.3°，表面粗さ 64 nm であった．

ソースサイズを決定した．印加周波数について，量産機では RF 帯を用いるのが一般的である．ミニマルチャンバ構度，ラジカル生成を実現するためには VHF 帯が適してい３．
５ ミニマルシリコン深掘りエッチング装置の製作と各種加工例

ることがわかった．

３．
５．
１ ミニマルシリコン深掘りエッチング装置の製作

３．
４ ミニマル実験機による評価ための各種構成要素部品（RF システム，圧力計，試料台

成とプラズマソース径において，目的とするプラズマ密実験機で得られたデータに加え，ミニマル規格に入れる
設計に基づき，Bosch プロセスの実験機を組み上げた．

等）の小型化設計を実施した．

生成したプラズマに対して，各種のプラズマ計測を，またRF システムは電源系とマッチング回路を一体化させた加工基礎評価を行った．

ものを RF 電源メーカーと共同開発し，さらにプラズマ

３．
４．
１ プラズマ密度

ソース直上に搭載させた一体型プラズマソースシステムと

図２にプラズマ密度の圧力依存性を示す．プロセスガス
SF6 を用いて，プラズマ密度：4.5［×1010/cm3］のプラズマを生成した．
これは Bosch プロセスでのエッチングを可能とする密度である．この際のプラズマ条件は，ガス種：SF6（流量：
3［sccm］），圧 力：5.0［Pa］，ソ ー ス 投 入 電 力：50［W］（VHF 帯），である．
量産機の 1/20 の低パワーであっても放電維持を確認でき，密度制御域も広いことを確認した．
なお，プラズマ密度計測は吸収プローブ（PAP）を用いて行なった．この吸収プローブはミニマルチャンバでの計測に適するように自作したものである．

図２

図３

プラズマ密度測定結果．

図４

５４４

SF6 プラズマの発光スペクトル．

Bosch プロセスによるシリコン深掘り結果．

Special Topic Article

3. Development of Minimal Si-DRIE Tool Using ICP Source

Y. Nozawa et al.

した．試料台については，量産装置に搭載している静電

そこで，当社メガファブ用シリコン深掘りエッチング装

チャックをハーフインチウエハ仕様に再設計し，製作，搭置で実績有るノッチフリー技術をミニマルシリコン深掘り載した．それ以外にも，圧力計やポンプ等，各種コンポー

エッチング装置にも適用し，酸化膜界面でのノッチフリー

ネントのミニチュア化を実施し，ミニマルシリコン深掘を実現した．（図６）．

エッチング装置を製作，２０１４年度より販売を開始した．

ノッチングの発生は，エッチングがシリコン層からス（図５）

トッパー層（酸化膜層）に到達した時に，酸化膜界面で正MEMS や半導体（パワーデバイス，高周波デバイス，

イオンが蓄積（チャージアップ）し，次に入射してくる正TSV）製造にて広く使用されている当社メガファブ向けシ

イオンが静電偏向によりトレンチ側壁をエッチングするた

リコン深掘りエッチング装置と同等のプロセスプラズマをめに生じると考えられている［３‐５］．

生成可能で，量産機で蓄積した豊富なプロセスライブラリ

弊社ノッチフリー技術は，酸化膜界面でのチャージアッ

をこのミニマル装置で再現でき，種々のシリコンデバイス

プを抑えるハードウエアで，試料台に印加するバイアスを

アプリケーションへの適用が期待できる．

工夫することでこのチャージアップ現象を緩和し，トレン

３．
５．
２ ミニマルシリコン深掘エッチング装置での各種加

チ側壁のノッチングを防いでいる．

工例

このノッチフリー技術や上記各種エッチング加工システ

シリコン深掘りエッチング後に酸化膜を犠牲層としてシムの搭載により，TSV や MEMS アプリケーションでのシリコン構造体をリリースするような MEMS アプリケー

リコン貫通プロセスの展開に大きく貢献できると考えていションにおいては，SOI 基板の酸化膜上にあるシリコンのる．
図７，図８，図９はそれぞれ Scallop フリーの垂直 Si 加

貫通エッチングプロセスが必須となる．
この場合，デバイス特性に影響を及ぼすシリコン加工精工，テーパーエッチング加工例，及びテーパー＋垂直加工

度の確保のため，酸化膜界面におけるノッチング形状は避例を示す．

けなければならない最重要項目である．

シリコン深掘りエッチング装置の量産機でのプロセスラ
イブラリをミニマル装置で再現し，種々シリコン加工形状を実現種々のシリコンデバイスアプリケーションに適用可
能である．

３．
６ まとめ
IoT/AI 向けデバイスや各種 MEMS センサデバイスにとっては，多品種にわたる迅速な製品開発と市場リリースが要求されミニマルファブはそれに最も適したソリュー

図６
図５

図７

ミニマルシリコン深掘りエッチング装置．

Scallop フリー垂直 Si 加工．

図８

ミニマルシリコン深掘りエッチング装置でのシリコン貫通
プロセスにおけるノッチフリー加工例．

テーパーエッチング加工．

５４５

図９ テーパー ＋ 垂直加工例．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

参考文献

ションである．
またそれらのデバイスには多種多様なプロセスが必要［１］原 史 朗，KHUMPUANG Sommawan：応 用 物 理 83,

で，今回開発したミニマルシリコン深掘りエッチング装置

380 (2014).
［２］F. Laermer and A. Schilp, Method for anisotropicallyetching silicon, German patent DE4241045 (1992).
［３］T. Nozawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 34,2107 (1995).
［４］N. Fujiwar et al., Jpn. J. Appl. Phys. 34,2095 (1995).
［５］A.A. Ayon et al., Solid-State Sensor and Actuator Workshop, South Carolina, 41 (1998).

に，今まで当社が蓄積した豊富なプロセスライブラリを適用させることで，製品開発，量産への早期展開に大きく貢献できると考えている．

５４６

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.10 (2020)５
４７‐５５１

小特集 革新的半導体産業システム ミニマルファブ におけるプラズマテクノロジー

４．マグネトロン型プラズマ源を用いたプラズマスパッタリング装置
4. Plasma Sputtering Deposition System for Minimal FabUsing Magnetron Plasma Sources
小木曽久人
OGISO Hisato
産業技術綜合研究所（原稿受付：２
０
２
０年５月２
０日）

パルスプラズマ技術の一つである HIPIMS 技術は，DC や RF では得られない高出力なプラズマが発生でき，緻密で密着性の高いスパッタ膜が得られることで注目されている．我々はミニマルファブのための小型スパッタ
源に HIPIMS 技術を応用することで，プロセス装置を構造的に複雑にすることなくミニマル規格を満たす装置の開発に成功した．本章ではその経緯と実際の成膜実験結果，さらに小型スパッタ源の特徴を生かした高出力化に関する取り組みについて紹介する．
Keywords:
Minimal Fab, HIPIM, sputter deposition, thin film, semiconductor device

４．
１ ミニマルファブのための HIPIMS 技術

我々はミニマルファブ用の小型スパッタ源として，まずHigh power Impulsed Plasma Magnetron Sputtering

１インチ程度のターゲットの開口部をもつスパッタ源を開（HIPIMS）［１］
は，放電を誘起するするための電圧をパルス発した．図２はミニマルスパッタ装置用に誠南工業が開発

状に印加して発生させるプラズマである．図１に示すようした１インチスパッタ源である．ターゲットサイズの１イに，パルス的に電圧を付加することにより，平均電力に比ンチは，ハーフインチウェハに比べると大きいので，そのべて極めて高い瞬時電力でプラズマを発生させる技術であ

外側にも無駄な成膜されるので，無駄が多いが，あまり小る．これにより，通常のDC スパッタリングよりも，多価イオンのプラズマが励起されるなどの特徴があり，緻密な膜が形成や，またその膜の密着力が高いなど，成膜技術とし て 優 れ た 特 性 が あ る こ と が 報 告 さ れ て い る［１‐３］．
HIPIMS は，マグネトロンスパッタ源と基本的な構造は全く同じで，電源の変更のみで，発生させることができる．
我々は，HIPIMS をミニマルファブにおける成膜装置のための技術の一つとして利用した．ミニマルファブは，そのコンセプトを実現させるために，その装置に厳しい規格を満たすよう求められている．小型の規格化された筐体に全てを実装し，オフィス用のコンセントでも使用できる
15 kW（100 V 15 A）以下での動作，目標は１プロセス１分以内の高速プロセスの実現などである．このコンセプトを考えると，エネルギー効率の高いプロセス技術を使うことが望ましいと考えられる．一方で，HIPIMS の欠点の一つ
してあげられているのがそのエネルギー効率の悪さである．DCスパッタリングと比較して，その投入平均パワーあたりの成膜速度が低く，DC スパッタリングの３
０％〜５０％
程度と報告されている［３，４］．この欠点から考えると，ミニマルファブには向かない技術であるように見える．にも関わらず，我々は HIPIMS をミニマルスパッタ装置に採用し

図１た．その経緯を以下に紹介する．

DC スパッタリング，RF スパッタリング，と HIPIMS モードの印加電圧．

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
author’s e-mail: ogiso.h@aist.go.jp

５４７!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

表１

ミニマル規格に合わせやすさという視点でのスパッタモー
ド（DC，RF，HIPIMS）の比較．

４．
２ ミニマルスパッタ装置での HIPIMS の特性
４．
２．
１ 成膜中のパーティクル発生の有無
前節で，HIPIMS 動作をミニマルファブに用いた理由として，アーク放電がほとんど発生することがなく，その結
図２

果，試料にふりつもるパーティクルの数が著しく減少できミニマルスパッタ装置用の小型マグネトロンスパッタ源．

ると述べた．この効果を確認するため，ミニマルスパッタ
装置で，デバイスの導電膜として用いるアルミニウムのス型のスパッタ源からの成膜であると，ウェハ上の膜厚の均パッタ成膜を HIPIMS 動作で行い，パーティクルの有無を一性が担保できなくなる恐れがある．そのため，１インチ観察した結果を示す［５］．現在のミニマルスパッタ装置でサイズのターゲットのスパッタ源を採用した．このスパッは，スパッタ成膜時は処理面は上を向いている．これは，タ源を用いて，DC スパッタリングで十分な成膜速度が得

前室とのウェハ搬送機構である真空 PLAD（Particle. Lock

られれば，効率もよく電源も単純になり，ミニマルファブ

Air-tight Docking system）が装置側に受け渡す時，ウェハ

としては最適である．しかしながら，実際にスパッタ源にの処理側の面が上方を向いていることによる．結果，ス

DC電圧を印加すると，まず極めて着火が困難であり，着火パッタ源は上方に配置されているので，ターゲットからのために電圧を上げ，真空度を悪くすると，いきなりアー

パーティクルが発生すると，ウェハの処理面にパーティク

ク放電が起こってしまうことが多い．またグロー放電の維ルが降り積もってしまう．したがって，スパッタ源からの持が難しく，数 mA 程度の弱い電流でしか放電を維持する

パーティクルの発生は極力防がなければならない．そこことができず．電圧を上げるとすぐアーク放電に移行してで，HIPIMS のパルス幅を短くし，アーク放電を起こさなしまう．安定したグロー放電を維持することが困難であっいようにプロセス条件を決めた．電源容量や，成膜速度なた．結果的に非常に弱いパワーしかかけることができず，

どのバランスを考え，パルス電圧−550 V，パルス幅 10 μs

特にターゲット表面が酸化しているアルミニウムターゲッ

繰り返し周波数 5 kHz，成膜時真空度4〜6 Paという成膜条

トではアーク放電を抑えることは実質的に不可能であっ件と決めて実験を行った．この条件は実際のミニマルファ

た．

ブでデバイス作成にも使われている条件である．一般的に一方，HIPIMS においては，高電圧がかかっているパル

用いられている HIPIMS のパルス幅（50 μs から 500 μs 程

ス幅を短くすることで，プラズマが発火しグロー放電が度）よりはかなり短いパルス幅になっている．図３は成膜アーク放電に移行する前に電圧の引加が終り，アーク放電

した Al 膜の SEM 像である．特に，パーティクルのようなの発生が極めて抑制された．結果，後述するようにアーク

ものはみられない．比較のため，産総研の共用ナノプロセ

放電が原因であるパーティクルの発生も抑制された．動作

シング施設（NPF）に設置されているスパッタ成膜装置で電圧も DC スパッタリングより高く設定できるので，プラ作成した Al 膜を示す．NPF の装置の Al 膜には，1 μm 程度

ズマの着火，放電の維持も容易になった．

の粒子が散見されており，HIPIMS 動作は，パーティクル

DC スパッタリングにおいても，電源にアーク遮断回路発生の抑制に効果があることがわかる．ただし，パーティを用いることでパーティクルの発生を抑制するなどの工夫

クルをなくすためには，HIPIMS 動作だけでは十分でなく，が高性能な市販装置ではなされている．しかし，ミニマル

ターゲットを交換した直後はエージングのための放電を行

スパッタ装置開発時においてはミニマル規格をみたせるよい表面酸化膜を取り除く，プロセス時のプラズマ着火直後

うな 小 型 高 性 能電 源 を 見 つ け る こ と は で き な か っ た．

は安定するまで数秒間シャッターを閉じておくなどの配慮

HIPIMS はそのプロセス条件を工夫することで，着火のたも必要になることも付記しておきたい．

めの電圧やアークを抑制する効果を両立させることができ

４．
２．
２ 成膜速度と均一性

ることが大きな利点である．このように，ミニマル装置に

ミニマルファブでは，目標としてプロセス時間を１分以適用するためには，プラズマ源やそれによる薄膜形成の物

内としているため，成膜速度も重要になる．前述したよう理的な特性とは別に，ミニマル規格に合わせやすさというに，HIPIMS は DC マグネトロンに比べて，投入電力あたり点も考慮する必要がある．以下の表１に DC スパッタリンの成膜速度は小さくなる．さらに，アーク放電を防ぐため

グ，RF スパッタリング，HIPIMS をミニマル装置用に使いにパルス幅を短くするということは，プラズマの点灯時間

やすいかどうかの特性をまとめた（これらは，相対的な指が短くなることを意味するため，成膜速度が遅くなってし標であって，定量的なものではない）．

まう恐れがある．これを補う方法として，パルスの繰り返
５４８

Special Topic Article

4. Plasma Sputtering Deposition System for Minimal Fab Using Magnetron Plasma Sources

H. Ogiso

成膜速度や膜厚分布は，スパッタ源の能力だけでなく，
ターゲットと試料間の距離（T-S 間距離）にも依存する．また，成膜される膜厚の分布も，T-S 間距離と関係する．T-S間距離が小さくなると成膜速度は大きくなるが，膜厚分布には悪影響を与える恐れがある．この実験に用いたミニマ
ルスパッタ装置の T-S 間距離は 36 mm である．成膜速度や膜厚分布などをふまえ，T-S 間距離を最適化するとともに，膜厚均一化のための，試料走査機構，あるいは磁場走査機
能の追加などが今後の検討課題となろう．
４．
２．
３ 電気抵抗率
ミニマルスパッタ成膜装置で作成された Al 膜はデバイスの電極として用いられている．そのため，膜の電気抵抗率の評価は重要である．装置の到達真空度が悪く酸素が膜に混入したりすると電気抵抗が大きくなり，電極材料としての性能は劣化してしまうからである．ミニマル装置は，大きさの制限から，ロードロックの役割をする真空 PLADにも大容量の真空ポンプを取り付けることができないため，ウェハの出し入れの時の真空度の劣化などの影響を受けやすい．したがって，実際作成したアルミニウム膜の電気抵抗を調べる必要がある．
そこで，ミニマルウェハ表面にシリコン酸化膜を作成しその上に，ミニマルスパッタ成膜装置で Al 膜を成膜し，そ
図３

アルミニウムスパッタ成膜後の表面，（a）
ミニマルスパッタ成膜装置，（b）
産総研 NPF，RF スパッタ装置．

れにパターニングしてエッチングし，４端子法による電気

し周波数を大きくすることで，成膜速度をあげることがでデバイス作成時の条件に合わせ，400℃，10 minのアニーリ

きる．繰り返し周波数の上限は電源のスペック依存する．

ングをした後に，電気抵抗を測定した［５］．その結果を

ここでは，ミニマルファブ用に開発した小型 HIPIMS 電源

表２に示す．若干のばらつきがあるものの，平均 45 nΩmのほぼ上限である．5 kHz の繰り返しで成膜実験を行い成で，これはバルク Al の電気抵抗 28 nΩm と比較すると，や膜速度とその均一性を評価した［５］．ミニマルウェハ上にや大きな値を示している．この値がどの程度，実際のデバ

デバイス作成と同じ条件，パルス電圧−550 V，パルス幅

イスに影響があるについて検討する．ミニマルファブで作

10 μs，繰り返し周波数5 kHz，成膜時真空度4〜6 Paで２分成しているFETデバイスを想定し，仮に表２中のもっともの成膜時間で成膜し，その後，ウェハ上を 2 mm 間隔の電気抵抗率の大きな値 79 nΩm の Al 膜で作成されたとし３１点で膜厚の測定を行った，膜厚の測定は，成膜した Alて，電極の電気抵抗を電極形状から推定すると 880 mΩ と膜にエッチングをほどこし，測定ポイントで膜の境界がでなる．しかし，実際のデバイスのソースドレイン間の抵抗

きるようなパターンを作成，その段差を表面粗さ計を用いは 6.3 kΩ であり，これはAl電極による電気抵抗よりかなり

抵抗測定用 TEG パターンをウェハ上に作成した．さらに，て測定することで行った．図４はその測定結果を示す．膜厚はウェハの中心部分が厚くなる傾向があるが，必ずしも軸対称ではなく不均一性にも異方性があったことを示している．その原因は特定できていないが，永久磁石によるマ
グネトロンの磁場の不均一性が一因として考えられる．この測定点の膜厚の平均は 233 nm，標準偏差は 26 nm であっ
た．したがって，デバイスを作成したときの成膜条件での成膜速度は，ウェハ平均で 116 nm/min であったことが示された．
膜厚の均一性も，標準偏差で±１１％のばらつきがあった．現在作成しているデバイスでは，デバイスの最上面のみにこのAl膜が作成されているので，このばらつきはデバ
イスの歩留まりにはあまり影響していないが，デバイスの高度化に伴い，より均一な膜厚分布が求められる．現状のミニマルスパッタ装置では，成膜中にウェハを走査する機
構は設けていない．そのため，スパッタ 源 からでてくるスパッ

図４

タ粒子に不均一性があると，そのまま膜厚に反映される．
５４９

ミニマルスパッタ装置によるアルミニウムスパッタ膜の成膜分布．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

表２

ミニマルスパッタ成膜装置に成膜したアルミニウム膜の電気抵抗率．

を発生させることを目的としている．小型のマグネトロン
スパッタ源は，ターゲットの面積が小さいので，電源からの供給電力の割に，ターゲット上のプラズマ面積あたりのパワーを大きくすることが可能である．そこで，本節では，
小型 HIPIMS のハイパワー化の取り組みを紹介する．
マグネトロンスパッタ源は，図６のように，中心円と外周縁をそれぞれの磁極として，ターゲット面に平行な磁束を作り，この磁束に電子がトラップされることで，Ar 原子と衝突確率を増加させてプラズマを発生させている．直径が小型のスパッタ源であることから，図６中の N 極と S大きいので，Al 電極の電気抵抗の影響はかなり小さいと見極の間の距離も小さなものになる．そのため，磁束密度は積れる．したがって，現在のミニマルファブののデバイス
ついては問題のない膜が作成できたものと考えられる．今後，デバイスの高度化が進むと，チャンバーのベーキングなどを行うことにより真空度を上げることでさらに電気抵抗の小さい膜をつくるなどの工夫を行い，膜質の向上を図ることは必要となろう．
４．
２．
４ グレインサイズ
成膜されたAlは多結晶であり，多数のグレインから形成されている．このグレインの境界では，Al 原子の結合エネルギーが小さいために，電流が流れているときに電子と金属原子の衝突によって原子が移動してボイドなどの欠陥が生じてしまうエレクトロマイグレーションと呼ばれる現象が生じ，デバイスの故障の原因と一つとされている．したがって，成膜した Al のグレインサイズは，デバイスのための Al 膜を評価する指標の一つとなる．そこでミニマルス
パッタ成膜装置で作成されたAl膜のグレインサイズを，成膜後とその後のアニーリング処理後とで評価した．このア
ニーリング処理はミニマルレーザー加熱装置を用いて行った．PLAD でウェハ搬送を行っているため，この処理のためにウェハが大気暴露したり，パーティクルがのるようなことはない．図５は，集束イオンビーム装置（FIB）を用いて，走査イオン二次電子像でAl膜のグレイン構造を観察した結果である［５］．成膜後なにも処理をしない状態では，
Al のグレインサイズは 200 nm と小さい．このままの状態
でデバイスを作成し，動作を繰り返すとエレクトロマイグ
レーションによるボイド発生の恐れがあることが懸念される．しかし，400℃ １０分のアニーリング処理後では，グレインサイズは 2 μm 程度まで成長しており，エレクトロマ
イグレーションの恐れはかなり少なくなっていることが確

図５

ミニマルスパッタ成膜装置で作ったアルミニウム膜のグレイン，（a）
成膜直後，（b）
ミニマルレーザー加熱装置でア
ニーリング後．

図６

小型スパッタ源の高出力化のための磁石配置，（a）
通常のマグネトロンスパッタ源，（b）
高出力化のため，試料側にも磁石を配置．

認された．このアニーリング処理もミニマル装置群だけで処理が可能であることから，デバイス作成工程に支障を与えることはなかった．

４．
３ 小型マグネトロンスパッタ源の HIPIMS 性能向上
ミニマルスパッタ装置においては，デバイスの安定的な作成が第一目的であり，パーティクルやドロップレットの発生や，スパッタ成膜中のウェハ温度が上がりすぎることを防ぐために，必要以上のハイパワープラズマの発生をめざしてはいない．もともと，HIPIMS は，瞬時電力を高くすることによって，密度の高く，多価イオンを含むプラズマ
５５０Special Topic Article

4. Plasma Sputtering Deposition System for Minimal Fab Using Magnetron Plasma Sources

H. Ogisoターゲット面から離れると急速に磁束密度が小さくなってしまう．そこで，マグネトロンの中心側の極と同じ極で向かい合わせになるように配置することを試みた．その結果，試料側からの磁力線は，マグネトロンからでた磁力線にぶつかって曲げられる形で，周囲に広がる．この試料面側からのアシスト磁場により，ターゲット面から離れても磁束密度の減少が少なくなる．これにより，ハイパワーのプラズマを得ることが可能になった．
実際に，我々が試作した１インチマグネトロンスパッタ
源（図７）を用いて実験を行った．実験条件は，パルス電圧 が−1300 V，パ ル ス 幅 170 μm，繰 り 返 し 周 波 数
20 Hz，真空度 4 Pa，ターゲット材料：Ti である．図８は，その実験例の電圧・電流波形である［５］．HIPIMS 動作をさせたところ，パルス電流 90 A，瞬時電力で 80 kW を達成し

図８

た．とりわけ，プラズマがターゲットに触れている面積（ターゲット上でのスパッタ痕跡からスパッタ面積を3 cm2

高出力 HIPIMS 動作実験での電圧波形と電流波形，パルスの最初に電圧が降下しているのは，電源保護のための負荷
抵抗 5Ωが回路に直列に接続されているため．

と見積もった）あたりのパワーは 26 kW/cm2 と極めて大きなパワー密度のプラズマの発生が実現できた．

うな場合には，このようなハイパワープラズマが役立つ可

このようなハイパワーのプラズマの発生は，スパッタ成能性がある．

膜時の試料温度が上がりすぎるなどの弊害があるため，現

４．
４ まとめ

時点でミニマルファブの半導体プロセスには利用されていない．しかし，ミニマルファブのコンセプトが，半導体プ

ハーフインチウェハで生産し，クリーンルーム不要で半ロセス以外，たとえば工具の表面処理などに応用されるよ

導 体 生 産 を 実 現 す る「ミ ニ マ ル フ ァ ブ」に 対 応 し た，
HIPIMS 型のスパッタ成膜装置を開発した．これにより，実際のデバイス作成の導電膜の成膜に成功した．現在は反応性スパッタでの TiN 層のコーティングにも応用が広がっている．この適用は，緻密で密着性の高い高品質な成膜という，従来 HIPMS で期待されてきた長所を利用したものではない．むしろ，小型装置で実行可能なプロセス条件がHIPIMS だと容易に得られたことによる．実際の製造技術を考える上では，必ずしもハイスペックをめざしたものでなくても利用価値があるといいう一例となった．一般に半導体製造では，これまで実績のない今回の HIPIMS のような手法を使うことには懐疑的である．しかし，ミニマル
ファブではすぐに実際のデパイス作成工程に組み込んでその有効性を実証できる．これは，このコンセプトの優れた特徴の一つである．つまり，ミニマルファブは，プラズマ技術にとってその応用のための優れたプラットフォームとしての役割をはたしていることになる．今後も，ミニマル
ファブを通し，幾つもの応用事例が報告され，また各々のベンチマークがされることで，プラズマプロセス技術の発展が促進されることを期待したい．

参考文献［１］V. Kouznetsov et al., Surf. Coat. Technol. 122, 290 (1999).
［２］K. Sarakinos et al., Surf. Coat. Technol. 204, 1661 (2010).
［３］J.T. Gudmundsson et al., J. Vac. Sci. Technol. A 30, 030801(2012).
［４］D.J. Christie, J. Vac. Sci. Technol. A 23, 330 (2005).
［５］H. Ogiso et al., J. Vac. Soc. Jpn. 60, 365 (2017).

図７

高出力スパッタ源実験装置とその放電の様子．

５５１

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.10 (2020)５
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小特集 革新的半導体産業システム ミニマルファブ におけるプラズマテクノロジー

５．ヘリコンプラズマ源を用いたマルチターゲットスパッタリング装置
5. Multi-Target Sputtering Tool Using a Helicon Plasma Source
高橋和貴
TAKAHASHI Kazunori
東北大学 大学院工学研究科 電気エネルギーシステム専攻（原稿受付：２
０
２
０年５月２
０日）

比較的低気圧領域で高密度プラズマ発生が可能なヘリコンプラズマ源を用いたミニマルマルチターゲット
スパッタリング装置の開発について紹介する．ヘリコンプラズマ源で生成したプラズマを，外部磁場によってターゲット領域まで誘導し，イオン引き込みによってスパッタリングを起こし成膜する方式であり，回転機構を用いてターゲットを変更し金属多層膜の形成を実現した．筐体サイズや消費電力が厳密に規格化されたミニマル装置へと適用するために，小型の高周波システム，周波数可変方式のインピーダンス整合法，基板ダメージ軽減のための磁気フィルタ等の工夫を施しており，それらの具体的な手法と成膜結果について紹介する．
Keywords:
plasma sputtering, helicon plasma source, multi-target sputtering

５．
１ はじめに半導体プロセスにおいては，例えば Cu 配線を行う際にプラズマを用いた重要なプロセスの一つに，プラズマス

は，シリコン中へと Cu 原子が拡散しないように，Ti 等のパッタリングがあげられる．プラズマ中のイオンをター

バリアメタル層を一度形成し，その後 Cu でシード層を形ゲット材に照射した際に，ターゲット材料が飛び出し，対成する手法が使われる．これらの金属膜形成ではスパッタ向に設置した基板上に堆積することで，薄膜の形成を可能

リングが使用され，その後メッキ法でシード層に配線膜をにする技術である．このプラズマスパッタリング法にはい形成していくプロセスがある．このように，多層膜が必要

くつか種類があるが，一般的に普及しているものはマグネとされる場合には，バリア層表面の酸化がデバイス特性にトロンスパッタ法である［１‐３］．種々の形状のものが開発

大きく影響するため，シリコンウェハを大気にさらすことされてきているが，代表的なものとして円板ターゲットのなく連続してシード層を成膜する必要があり，今回の小特背面に永久磁石を設置し，表面に形成される半径方向磁場

集記事で取り上げられるミニマルファブにおいてもマルチと，ターゲットへ負バイアスを与えることで軸方向電場を

ターゲットスパッタ装置の開発が期待されていた．特に，形成し，"!!ドリフトによって電子を効率よく閉じ込め

樹脂基板上へとデバイスを組み込む疑似 SoC（System on

ながらプラズマを生成する方式である．ターゲットには負Chip）デバイスでは，樹脂基板上への多層膜形成が要求さの電圧が印加されているため，前面のシースでプラズマ中れるため，成膜中の基板温度を低温に保つ必要がある．

のイオンが加速され，効率よくスパッタリングを起こすこ

ミニマルファブで開発されてきたマグネトロンスパッタとが可能である．この方式では，プラズマ生成とターゲッ

法では，ミニマルファブの筐体サイズの制約が厳しく，マトバイアスを同一電源で行うため，ターゲットへのイオン

グネトロンスパッタ源を複数個搭載することが困難であっフラックスとエネルギーの独立制御は行うことができないたため，筆者らはヘリコン波プラズマ源を搭載したマルチが，低コスト，高効率という利点があり，幅広く使用されスパッタ装置の開発を行った．本章では，このヘリコン波ている．一方で，ターゲットとは独立にプラズマ源を有す

プラズマ源を用いたマルチターゲットスパッタリング装置

るスパッタリング法として，電子サイクロトロン共鳴プラの開発内容に関して述べる．本章で記す内容の一部は，参ズマ源やヘリコン波プラズマ源を採 用 し た も の も あり

考文献［６］を参照いただければ幸いである．

［４，５］，ターゲットへのイオンフラックスはプラズマ源の

５．
２ スパッタリング装置構成

電力で，ターゲットへのイオン入射エネルギーはターゲッ
トバイアス電圧で独立に制御できる反面，プラズマ源に外

図１に，今回開発したマルチターゲットヘリコン波ス

部磁場が必要ということもあり，小型化・低コスト化が容

パッタ装置の概略図を示す．真空容器左側に段付き絶縁管

易でないことから，マグネトロンスパッタリング法に比べおよびソレノイドコイルから構成されるヘリコン波プラズて普及していないのが現状である．

マ源を設置し，1012 cm−3 程度の高密度プラズマを生成す

Department of Electrical Engineering, Tohoku University, Sendai, MIYAGI 980-8579, Japanauthor’s e-mail: kazunori@ecei.tohoku.ac.jp

５５２!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

図１

5. Multi-Target Sputtering Tool Using a Helicon Plasma Source

マルチターゲットヘリコン波スパッタ装置概略図，および
磁 場 強 度 計 算 結 果．Reproduced from Vacuum, 171,
109000 (2020), doi:10.1016/j.vacuum.2019.109000 withthe permission of Elsevier.

図２

K. Takahashi

マッチング回路，RF アンテナ，およびヘリコンプラズマ源の写真（東北大ラボ機レベルでの動作の様子）．

る．真空容器内部には，磁性流体シールを用いたターゲッ
ト回転機構を取り付けており，周辺のアースカバーから露リーニングする逆スパッタ機構の要望があり，同軸ス

出するターゲットを切り替えることで，一つの真空容器内

イッチによって出力電力を切り替え，成膜前に逆スで多層膜を形成することが可能となっている．それぞれのパッタができる設計とした．

ターゲット背面には永久磁石が設置されており，プラズマ

なお今回のスパッタ装置には間に合わなかったが，周波源断面を通過する磁力線 が 湾 曲 し（図１中 実 線），ター

数調整やプロセスを左右する正味電力（＝入射電力−反射

ゲット表面で収束する構造となっている［７］．これにより，電力）を一定に維持する機構を内蔵した，自動制御型の RF

プラズマは磁力線に沿って下流域へと拡散し，効率よくで源開発も完了しており，現在開発中のエッチング装置にターゲット表面へと輸送される．装置上部のソレノイド搭載予定である［１４，１５］．

は，磁力線構造の微調整用として設置してある．

５．
２．
２ ターゲットホルダ

５．
２．
１ 周波数調整型ヘリコンプラズマ源

ターゲットホルダの概略図を図３に示す．今回のプロヘリコンプラズマ源をミニマル装置に搭載する問題点

ジェクト内では，最大４元ターゲットでの動作を達成しては，高周波電源やマッチングボックスを含めたサイズの大おり，４種類の異なる材料からなる多層膜を形成可能であ型化とソレノイドコイルによる消費電力であった．また，る．今回の装置開発において，スパッタリング装置ではター生成部から下流域へと効率よくプラズマを噴射するには，ゲット交換の際のネジ締めが面倒であるという声があった

通常比較的高い磁場強度が必要であるが，ミニマル装置のため，あらかじめターゲット背面に Fe プレートをボン

制約上適用が不可能である．そこで下記の方針でプラズマディングしておき，プラズマ収束用の永久磁石（図３中源を設計した．実際のプラズマ源写真を図２に示す．それPM）の磁力によってターゲットが取り付けられる構造とらの効果に関しては，参考文献を参照いただければ幸いでした．また真空フランジも引き出し式の設計とすることで，ある．
① 可変コンデンサを用いたマッチングボックスは，コン
デンサのサイズやモーター機構が必要になるため，これらを固定コンデンサで代用し，周波数可変アンプを搭載することでインピーダンス整合を取る［８，９］．
② 比較的弱磁場で高密度プラズマが得られるように，弱磁場モードのヘリコン放電を適用する［１０］．
③ ②に対する最適な磁場強度は RF 周波数に依存しており，また磁場が弱すぎても下流へのプラズマの輸送効率が下がるため，RF 周波数を 40 MHz±3 MHz 帯とすることで 100 Gauss 程度の磁場をプラズマ源に印加する設計とした．なお RF 電源は市販品での対応ができなかったため，今回のプロジェクト用に開発した．
図３④ プラズマ流の絶縁管への損失を軽減するために，段付き形状の絶縁管と，下流域からのガス導入により，プ
ラズマ源出口での高密度化を図った［１１‐１３］．
⑤ 成膜前に基板を電極とした容量性結合放電によりク５５３ターゲットホルダの概略図．（a）（b）
はそれぞれ，３元，４
元ターゲットの断面図であり，（c）
は各ターゲットの詳細
構 造 を 示 し て い る．Reproduced from Vacuum, 171,
109000 (2020), doi:10.1016/j.vacuum.2019.109000 withthe permission of Elsevier.

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

工具が不要でワンタッチで交換できる構造となっている．

成功した．後述する結果で述べるが，今後改良する点は多５．
２．
３ 基板ホルダ

く，関係者一同，装置としての完成度を高めていきたいと

今回の開発過程で，スパッタリング時に基板が異常加熱考えている．

されるという現象が観測され，大きな問題となった．原因

５．
３ 成膜特性を調べたところ，ターゲットへイオンが突入した際に発生する２次電子が，ターゲット前面のシースで基板に向かっ本章では，前述のマルチターゲットスパッタ装置におけて加速され基板加熱を引き起こしていることが明らかにる成膜や基板温度に関する実験結果について述べる．図６なった．そこで，基板近傍に高エネルギー電子の冷却効果

は，プラズマ生成用の高周波電力を（a）100 W，（b）200 Wを目的とした磁気フィルタ［１６，１７］を設置し（図４），高エとした際の，各種ターゲット材料における成膜速度のター

ネルギー電子を除去することで基板加熱を抑制した．このゲットバイアス電圧 Vtarget 依存性である．これらのデータ効果に関しては後述する．

よ り，最 大 成 膜 速 度 が Cu で 約 250 nm/min，Al で 約

図５は今回開発したミニマルマルチターゲットスパッタ

140 nm/min，Fe で 100 nm/min，Ti で約 80 nm/min が得装置の外観写真である．ミニマルファブで規格化されていられていることがわかる．ターゲット材料による成膜速度

るウェハ搬送機構．ロードロック機構，ソフトウエア仕様，の違いは，単一入射イオンによってスパッタされる原子数満足しつつ，ガスボンベ内蔵と筐体内部にミニマル装置でに相当するスパッタ率の材料による違いに相当している．

は初となる 300 L/s のターボ分子ポンプを搭載することにこれらの値は，マグネトロンスパッタリング法に比べると遅いものの，多元化が可能であるという点，例えば配線のバリア層やシード層の膜厚が 100−200 nm 程度であることを考えると，ミニマルファブの最終目標である１プロセス
１分を将来的に実現しうる値であるといえる．また，ウェ
ハ内の膜厚の均一性を調べたところ，±5％ 程度の均一性が実現できていることが確認されている．さらに大きな利点として，マグネトロンスパッタ法ではターゲットに磁性体を用いた場合には，ターゲット表面への漏洩磁束が減少するため，高密度プラズマを維持できず成膜速度が低下す
ることが知られている．今回の装置では，磁性材料によって大きな磁力線構造が変化せず，ターゲットへのイオンフ
ラックスは別途設置したプラズマ源でおおよそ決まるた
め，材料の磁性・非磁性によって成膜速度が大きく変化せず，磁性材料のスパッタにも即座に対応できる．

図４

磁気フィルタ付き基板ホルダの上面図，側面図．Reproduced from Vacuum, 171, 109000 (2020), doi:10.1016/j.
vacuum.2019.109000 with the permission of Elsevier.

図６
図５

マルチターゲットスパッタ装置の外観図．Reproduced
from Vacuum, 171, 109000 (2020), doi:10.1016/j.vacuum.2019.109000 with the permission of Elsevier.

５５４

プラズマ生成用高周波電力が（a）
100 W，（b）
200 W における各種ターゲット材料の成膜速度のターゲットバイアス電圧依存性．Reproduced from Vacuum, 171, 109000 (2020),
doi:10.1016/j.vacuum.2019.109000 with the permissionof Elsevier.

Special Topic Article

5. Multi-Target Sputtering Tool Using a Helicon Plasma Source

K. Takahashi

一方で今回の装置では，マグネトロンスパッタ装置と異できていることがわかる．１分の成膜では１５０℃以下に維なり，生成したプラズマが，ターゲット周辺のアースカ

持されており，樹脂基板上へも成膜が可能となった．またバーや真空容器壁へと接触しているため，不純物の混入が

図８（b）は，磁気フィルタの有無による成膜速度の違いを懸念される．そこで，走査型電子顕微鏡（SEM: Scanning

表しており，磁気フィルタ設置による大幅な成膜速度の低Electron Microscope）に付属しているエネルギー分散型 X

下が起きていないことがわかる．

線分析（EDX: Energy dispersive X-ray spectroscopy）を用

この装置を用いて，シリコン基板上に Ti（約 200 nm），

いてサンプルの元素分析を行った結果を図７に示す．基板

Cu（約 400 nm），Al（約 250 nm）の連続製膜を行い，深さ

材料と自然酸化膜に相当する Si，O のピーク以外は，ター方向の元素分析を行った．図９は，グロー放電質量分析計

ゲット材料のみが観測されており，EDX分析で明らかにな（GD-MS: Glow Discharge Mass Spectrometry）による結果

るような顕著な不純物が混入することなく成膜できているであり，図中右側がシリコン基板に相当し，左側がサンプことがわかる．またこの指標として，Cu 膜の比抵抗率の計

ル表面に相当するデータとなっている．シリコン基板上に測を行ったところ，膜厚を 500 nm 以上製膜した条件で，各種材料が順に製膜されており，酸素に由来する信号は，

Cu のバルク抵抗に近い抵抗率が実現できていることが観

シリコン基板表面とサンプル表面にのみ存在していること

測されている．一方で，Al の場合には，成膜レートを上げがわかる．この酸素ピークは，成膜前のシリコン基板上，た場合は表面が目視でわかるほど白濁するケースが観測さおよび多層膜成膜後に大気開放した際の自然酸化膜に由来れており，現在その原因を調べており，改良を進めていく

していると考えられ，層間に酸素の顕著な酸化膜を形成す予定である．

ることなく多層膜の成膜が可能であることが示されたとい

当初の設計では基板ホルダには磁気フィルタが組み込まえる．

れておらず，開発過程で，成膜中に基板温度が以上加熱されていることが観測され，予想外の対応をする必要が出てきた．図８（a）は，基板表面に熱電対を設置して計測した基板温度の成膜時間依存性である．磁気フィルタを設置しない際には，■でプロットするように，成膜開始からわずか１分 程 度 で３
５０℃ま で 加 熱 さ れ て い る こ と が 観 測 さ れた．１章でふれた疑似 SoC 基板は，耐熱温度が２５０℃程度であるため，基板の低温化を図った．試行錯誤の末，基板加熱がターゲットからの２次電子に起因していることがわかり，前述の磁気フィルタを搭載するというアイディアで開発を継続した．図８（a）中の〇は，磁気フィルタを搭載した
場合の基板温度であり，■に比べて飛躍的な低温化が実現
図８ （a）
基板温度の成膜時間依存性．（b）
成膜速度のターゲット
バイアス依存性．図中■および×は磁気フィルタを設置しない場合，〇は磁気フィルタを設置した場合の計測結果を示す．データはすべて高周波電力１００W での結果である．
Reproduced from Vacuum, 171, 109000 (2020), doi:
10.1016/j.vacuum.2019.109000 with the permission of
Elsevier.

図７

ターゲット材料を（a）
Cu，（b）
Al，（c）
Ti として製膜した場
合の，EDX スペクトル解析結果．図中には有意なピークの元素種類を示している．Reproduced from Vacuum, 171,
109000 (2020), doi:10.1016/j.vacuum.2019.109000 withthe permission of Elsevier.

図９

５５５

シリコン基板上へ多層膜を成膜した際の，GD-MS を用いた深さ方向の元素分析結果．Reproduced from Vacuum,
171, 109000 (2020), doi:10.1016/j.vacuum.2019.109000
with the permission of Elsevier.

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

５．
４ まとめ

参考文献

ヘリコン波プラズマ源を搭載した，ミニマルマルチター［１］G. Greczynski et al., Surf. Coat. Technol. 257, 15 (2014).
［２］A. Anders, Surf. Coat. Technol. 257, 308 (2014).
［３］K. Yukimura et al., Surf. Coat. Technol. 250, 26 (2014).
［４］P. Gao et al., Surf. Coat. Technol. 201, 5298 (2007).
［５］S.F. Chichibu et al., J. Appl. Phys. 91, 874 (2002).
［６］K. Takahashi et al., Vacuum 171, 109000 (2020).
［７］K. Takahashi et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 425201(2014).
［８］C. Charles et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 365203 (2013).
［９］K. Takahashi et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 265201(2017).
［１０］F.F. Chen, Phys. Plasmas 10, 2586 (2003).
［１１］K. Takahashi et al., Appl. Phys. Lett. 109, 194101 (2016).
［１２］K. Takahashi et al., Appl. Phys. Lett. 113, 034101 (2018).
［１３］T. Saito et al., Vacuum 163, 269 (2019).
［１４］K. Takahashi et al., Front. Phys. 7, 227 (2020).
［１５］K. Takahashi, Rev. Mod. Plasma Phys. 3, 3 (2019).
［１６］A. Aanesland et al., Appl. Phys. Lett. 100, 044102 (2012).
［１７］K. Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 116, 135001 (2016).
［１８］K. Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 107, 235001 (2011).
［１９］K. Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 110, 195003 (2013).
［２０］K. Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 114, 195001 (2015).
［２１］K. Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 118, 225002 (2017).
［２２］K. Takahashi et al., Phys. Rev. Lett. 120, 045001 (2018).
［２３］K. Takahashi et al., Plasma Sources Sci. Technol. 24,055004 (2015).

ゲットスパッタリング装置の開発を行った．これまでに外部磁場の必要性や大電力高周波を必要とすることで実用化が敬遠されがちであったヘリコン波プラズマ方式を，周波数可変方式による高周波システムの小型化や弱磁場モードの適用により，著しくサイズや電力が制限されたミニマル
装置に組み込むことに成功した．またマルチターゲット機
構や磁気フィルタ搭載の基板ホルダ開発によって，要求仕様に近い値のマルチターゲットスパッタ装置が完成しつつある．現在は，Al の高速成膜時にサンプル表面が荒れてしまう等の問題点が起きており，今後さらに改善を図る予定
である．このような改善に対しても柔軟に対応できる点
は，大型のプロセス装置では難しく，装置開発者側から見たミニマルファブの利点でもあると筆者は感じている．
今回の開発を通して，大学におけるプラズマ研究の良い点でもあり悪い点でもあるが，これまではプラズマ源だけを見ていたことを痛感した．システム全体を見ながら，
ハード，ソフト，コストの制約がある環境下で開発をする
重要性を学べた．今回の開発では，ミニマルファブ装置のサイズ制約の問題，高周波システム開発，真空排気系等の周辺機器にも多くのエフォートを割いた．そこで感じたことは，大学研究から製品化へのギャップの大きさであり，多くのことを学ぶ機会となった．また，筆者はヘリコン波
プラズマを用いた宇宙プラズマ推進機に関連する研究も行っており［１８‐２３］，このプロジェクトで得られた高周波システムの小型化技術や装置設計技術は，これらの研究にも大きく寄与するものであると考えている．

５５６

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.10 (2020)５
５７‐５６１

小特集 革新的半導体産業システム ミニマルファブ におけるプラズマテクノロジー

６．ミラー磁場中 ECR プラズマ源を用いたシリコン窒化膜 CVD 装置
6. CVD Equipment Using ECR Plasma in Magnetic Mirror Field
for Silicon Nitride Film Formations
後藤哲也
GOTO Tetsuya
東北大学（原稿受付：２
０
２
０年５月２
０日）

ミラー磁場閉じ込めプラズマを活用した新しいプラズマ CVD（Chemical Vapor Deposition）成膜技術について紹介する．本提案技術は磁場で閉じ込めたプラズマの境界近傍かつ外側へ成膜用の基板を設置することにより，荷電粒子照射によるダメージを低減すると同時に，電気的に中性で反応性に富む活性なラジカルを効率良く基板へ輸送することで，高品質な成膜技術を実現することをめざしている．ミニマルファブシステム向けに設計した装置の概要を述べるとともに，半導体製造分野のみならず広い産業分野で高品質な薄膜形成が要求されるシリコン窒化膜（SiN 膜）形成へ適用した結果について報告する．
Keywords:
plasma chemical vapor deposition, mirror confined plasma, silicon nitride, plasma damage

６．
１ はじめに

く抑えても，微量であるがセラミックス表面がスパッタさ

弱電離プラズマは，中性ガス分子と電子との衝突によりれ叩き出されてしまうことを見出す等［２］，低電子温度化

反応性に富む様々な活性種（ラジカル）を容易に発生させのみによるダメージフリー装置の実現に困難さを感じていることができるため，様々な産業分野で用いられている．

た．そこで，プラズマの磁場閉じ込めの概念を積極的に半半導体製造分野においても，エッチングによる微細加工

導体製造で用いるプロセスプラズマ源へ適用することで，や，プラズマ CVD（Chemical Vapor Deposition）による成

上述した本質的な課題を解決できないかと着想した（図１

膜プロセス等に活用され，高性能な半導体製造においてプ（b））．すなわち，磁場で閉じ込めた高密度なプラズマを生

ラズマプロセスは欠かせないものとなっている［１］．しかし，プラズマ中に非処理ウェハを挿入すると，バルクプラ
ズマの電位とウェハ表面電位との電位差で加速された荷電粒子（主に正イオン）がウェハへ照射されることで，半導体素子にダメージが発生し，その特性が劣化してしまうことが課題である．このようなダメージを低減するためにプラズマからウェハを離すと，イオン照射によるダメージは低減できるが，同時に特に寿命の短い活性なラジカルが失活してしまい，プラズマを利用する利点が低減してしまう．すなわち，ダメージ低減と活性種活用の最大化はト
レードオフの関係である（図１（a））．さらに，チャンバ内
壁へイオンが照射されることでスパッタリングによりチャ
ンバ内壁材料が叩き出され，それら原子がウェハへ付着することによる金属汚染も問題となっている．イオン照射エ
ネルギーは大よそ電子温度に比例するため［１］，このようなダメージ・汚染を低減させるには，プラズマの低電子温度化が有効であり，プラズマ励起に用いる電力の高周波化等によるプラズマの低電子温度化が現在まで進展してき
図１ （a）
従来のプラズマプロセス，及び（b）
筆者が提案する新しいプラズマプロセス．

た．しかし筆者は，半導体製造用のプラズマ装置開発に携わる中で，イオン照射エネルギーを 10 eV 以下と非常に低Tohoku University, Sendai, MIYAGI 980-8579, Japanauthor’s e-mail: tetsuya.goto.b2@tohoku.ac.jp

５５７!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

成し，閉じ込められたプラズマの外側近傍に基板を設置す

0.085 T）を用いられることが多いが，本開発では，（１）よることで，荷電粒子を閉じ込めることでイオン照射ダメー

り短波長のマイクロ波を利用することで導波管等のマイクジを低減すると同時に，磁場の拘束を受けない電気的に中ロ波回路を小型化する，（２）より強い磁場を用いることで性な活性種の供給を最大化するプラズマプロセス装置を実閉 じ 込 め 性 能 を 向 上 さ せ る，と い う２点 の 理 由 か ら，

現するのである．この着想をミニマルファブシステムで実5.85 GHz を採用した．マイクロ波は円形導波管（直線偏波，現するべく，永久磁石を用いた小型のミラー磁場閉じ込め

TE11 モード）より石英窓を介してチャンバ内へ導入した．

ECR（電子サイクロトロン共鳴）プラズマによるプロセス

図からわかるように，ECR 位置は石英窓と片方の石英リミ装置を考案・製作した［３］．開発したプラズマ源は，プラターの内部に存在している．よって，このエリアがプラズ

ズマ CVD によるシリコン窒化膜（SiN 膜）形成技術へ適用

マ励起領域となる．励起されたプラズマは石英リミター開し［４，５］，現在も開発を継続して進めている．本章では，新口部よりミラー磁場の中央部に導入される．プラズマは磁しく開発したプラズマ源の概要や，このプラズマ源を用い力線に拘束されるから，リミターの開口径でミッドプレーて成膜したシリコン窒化膜の評価結果について述べる．

ン部のプラズマ直径を制御することが可能である．石英窓に対向するミラー磁場端部には，同心円上の金属製エンド

６．
２ 新規ミラー磁場プラズマ源

プレートが設置されている．このエンドプレートに電圧を

６．
２．
１ プラズマ源の構成

印加することが可能で，本章の結果では電圧印加はしてい

図２（a）に，新しく開発したミラー磁場プラズマ源を示す．

ないが，将来的にはエンドプレートの電位を制御すること

磁場は軸対称のネオジウム磁石によって発生させている．

で中央部のプラズマ分布等を制御することも想定してい本プラズマ源では，装置を小型化するために，電流コイル

る．図２（b）に，本プラズマ源で励起した典型的な Ar プラ

ではなく永久磁石でミラー磁場を形成した．図中に円筒座

ズマ（圧力 1.33 Pa）の写真を示す．磁力線に沿ってミラー

標の #軸，!軸を定義し，#軸上の磁場強度分布も示して

磁場プラズマが生成されているのがわかる．このプラズマ

いる．永久磁石を用いたこの磁場配位は，医療用途等で用源に加え，マイクロ波電源（最大出力 50 W または 100 W）

いられる ECR イオン源
［６‐８］と似ている．ただし，これら及び自動整合器も企業と共同で開発することで，全てミニイオン源ではミラー磁場の片側のピーク磁場強度を意図的

マル筐体に収めることができた（図２（c））．

に弱くして軸方向にプラズマを取り出しているのに対し，

６．
２．
２ プラズマ計測結果

本プラズマ源は２つのピークの磁場強度を等しくして閉じ

プラズマ特性を定量的に評価するために，Ar プラズマ

込め向上を意図している点が異なっている．本プラズマ源のラングミュアプローブ計測を行った［３］．ラングミュアのミラー磁場のピーク磁場強度は 0.43 T（#!±50 mm）でプローブで得られた電流電圧特性から，イオン密度（正イあり，ミッドプレーン（#!0 mm）での磁場強度は 0.085 T

オン密度），電子温度を算出した．強磁場化で電子飽和電となっている．ECR プラズマ励起に用いた電磁波の周波数

流が著しく減少していたため，電子飽和電流から電子密度は 5.85 GHz とした．5.85 GHz のマイクロ波の ECR 磁場強を導出することはできなかったが，Ar プラズマは１価の度は 0.21 T であり，ECR 位置を図中に示している．半導体

正の Ar イオンと電子から構成されることから，イオン密製 造 分 野 で は，2.45 GHz マ イ ク ロ 波（ECR 磁 場 強 度 は度と電子密度は等しいと考えられる．また，電子温度に関してはプラズマ電位とフローティング電位の差分から導出した．詳細は文献３に述べている．図３に，イオン密度$"（＝電子密度）及び電子温度 "!のマイクロ波パワー依存性（圧力 0.27 Pa）を示す．マイクロ波パワーが５W において 1011 cm−3 程度の高密度プラズマが生成されており，マ
イクロ波パワーの増大とともに増加し，２０W 以上の領域で3.5×1011 cm−3 程度に達し，それより高パワーの領域では飽和傾向となっている．電子密度が電子温度 "!は 3〜4 eV程度であった．広い圧力領域に亘り（0.1〜10 Pa），電子密度が 1011 cm−3 を超える高密度プラズマが生成できることを確認している［３，４］．高密度プラズマが比較的低いパ
ワーで励起されていることから，ミラー磁場による磁場閉
じ込め効果が効果的に働き，電力効率良くプラズマが生成されていることが示唆される．
次に，ラングミュアプローブを空間的に掃引して，プラズマの空間分布を調査した結果を示す．図４は，圧力（a）
0.27 Pa，（b）1.33 Pa，（c）
7.98 Pa におけるイオン飽和電流
密度の #軸上（!!0 mm）分布である．マイクロ波パワー

図２ （a）
新しく開発したミラー磁場プラズマ源．（b）
本プラズマ
源で励起した典型的な Ar プラズマ（圧力 1.33 Pa）の写真．
（c）
本プラズマ源を搭載したミニマル装置．

は 40 W である．イオン飽和電流は数 mA/cm2 程度であり，これは電子密度 1011 cm−3 台に対応する値である．なお，マ５５８

Special Topic Article

図３

6. CVD Equipment Using ECR Plasma in Magnetic Mirror Field for Silicon Nitride Film Formations

イオン密度 ni（＝電子密度）及び電子温度 Te のマイクロ波
パワー依存性（圧力 0.27 Pa）．Reproduced from Rev. Sci.
Instrum. 87 123508 (2016) https://doi.org/10.1063/
1.4972294, with the permission of AIP Publishing.

図５イクロ波は "軸負側領域から導入されているので，この分
布はマイクロ波導入窓とは反対側の分布である．最大磁場

T. Goto

圧力（a）
0.27 Pa，（b）
1.33 Pa，（c）
7.98 Pa におけるイオ
ン飽和電流密度の径方向分布（R 方向分布）（Z ＝ 0 mm）．
Reproduced from Rev. Sci. Instrum. 87 123508 (2016)
https://doi.org/10.1063/1.4972294, with the permission of
AIP Publishing.

部（"!50 mm）の内側にプラズマが分布し，軸方向に閉じ込められていることがわかる．ただし，"!50 mm よりも7.98 Pa の場合について示す．図に示している !!!15 mm

外側へプラズマが流出し，端損失の成分もあることがわか

は，リミター開口部の開口径と磁力線で規定されるミッド

る．図４より，単損失成分は圧力が高い方が抑えられていプレーン上での理想的なプラズマ半径である．プラズマのることがわかる．磁場に平行方向の拡散係数は，バックグ

径方向分布は，磁場を横切る拡散や ECR位置でのイオン化

ラウンドのガス圧に逆比例することから，この振る舞い

率の径方向分布等，複合的な要因で決定されるため，そのは，拡散係数の減少とともに軸方向閉じ込めが向上してい振 る 舞 い を 理 解 す る の は 難 し い が，図５を 見 る 限 り，!!!15 mm 付近より外側では急速にイオン電流が減少しることを示唆している．
図５に，"!0 mmにおけるイオン飽和電流密度の径方向ており，径方向にもプラズマが閉じ込められていることが分布（!方向分布）を，圧力（a）0.27 Pa，（b）1.33 Pa，（c）

わかる．特に圧力が高い方がより!!!15 mm以内にプラズマが分布していることがわかる．この閉じ込められたプラ
ズマの近傍に，ウェハを設置することで，イオン照射ダ
メージを低減し，かつ高密度プラズマ中で生成した活性なラジカルを最大限利用したプロセスの実現が期待できる．

６．
３ シリコン窒化膜成膜への適用
シリコン窒化膜は緻密な構造を持つ絶縁体であり，パッ
シベーション膜（保護膜），水分バリア膜，電気的絶縁膜，
電荷蓄積膜等として，半導体デバイスのみならず，太陽電
池，光デバイス，MEMS（micro electro mechanical systems）
等，様 々 な 分 野 で 用 い ら れ て お り，IoT（Internet ofThings）社会の進展にとってその高品質化は必要不可欠なものとなっている．しかし，一般的に窒化物は酸化物と比べて融点が高く，高品質な薄膜を形成するには非常に高い温度が必要である（窒素分子は酸素分子と比べて結合が強く，金属酸化物は自然界に多く存在しているが，金属窒化物はほとんど存在しない）．熱エネルギーのみで材料ガス
図４

圧力（a）
0.27 Pa，（b）
1.33 Pa，（c）
7.98 Pa におけるイオン
飽和電流密度のZ軸上（R ＝ 0 mm）分布．Reproduced fromRev. Sci. Instrum. 87 123508 (2016) https://doi.org/10.1063/1.4972294, with the permission of AIP Publishing.

を 分 解 し て 成 膜 す る 熱 CVD 法 で は，シ リ コ ン 酸 化 膜（SiO2）は 400℃ 程度で形成可能であるのに対し，シリコン
窒化膜（Si3N4）は 750℃ という高温でないと良好な膜は得られない．すなわち，高品質な窒化物薄膜を低温で形成可
５５９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

能とするには，プラズマにより生成した活性種の活用が必と同等の約２となるようにしている．図６（b）からわかる

須であり，半導体をはじめとする広い産業分野で高品質なように，1.33 Pa で成膜した膜は，膜中の Si が相対的に多窒化膜成膜技術が強く求められている．ミニマルファブシ

く，かつ酸素が混入してしまっている．屈折率の高い窒化ステムでは，図６に示すようにシリコン CMOS（Comple-

不足でシリコンの量が相対的に多いシリコンリッチな膜

mentary Metal-Oxide- Semiconductor）回路におけるサイ（Si の屈折率は 3.88）と，屈折率の低い Si 酸化膜（SiO2 のドウォール膜や，MEMS 向けの低応力・高薬液耐性 SiN

屈折率は 1.46）の成分が混じり，見かけ上屈折率が〜２と膜への適用が期待される．本プラズマ源においては，Ar/なっていると考えられ，理想的な Si3N4 膜組成とは大きく

SiH4/N2/H2 ガスによるプラズマ CVD により SiN 膜の形成

異なっていることがわかった．膜中の酸素は，深さ方向でを行った．図７（a）−７（c）は，X 線光電子分光（XPS）によ

ほぼ一定であることから，ウェハを取り出した後の表面かり得られた，SiN 膜（シリコン基板上へ成膜）の組成比の深らの酸化であるとは考えにくい．本チャンバは到達真空度

さ方向分布である．（a）は比較用の熱 CVD のシリコン窒化が 10−4 Pa 前半であり，プロセスガス流量やチャンバ体積

膜（750℃ で成膜）であり，（b）及び（c）は本プラズマ源でを考慮すると 200 ppm 程度の酸素や水分が不純物としてプ

圧力をぞれぞれ 1.33 Pa,25 Pa として成膜した膜である．成ロセス中に存在していると考えられる．よって，膜中の酸膜は室温で行った．SiN 膜の膜厚は（a），（c）が約 100 nm，素はこれら成分が酸化種となり，成膜中の窒化力が相対的（b）は約 200 nm であり，膜厚より深い領域では基板の Siに弱かったため，酸化が窒化と同時に起こったと予測されのみ検出されている．ガス流量比（主に SiH4/N2 流量比）をる．一方，圧力 25 Pa で成膜した膜は，N/Si 比が 750℃ の調節し，両圧力で成膜した膜の屈折率を，共に熱 CVD の膜

熱 CVD で作製したシリコン窒化膜とほぼ同じで理想的なシ リ コ ン 窒 化 膜 Si3N4（Si：N＝3：4）に 近 い こ と が わ かる．さらに，膜中の酸素の混入がXPS の測定限界以下（〜１％以下）であった．プロセスガス流量は 1.33 Pa と25 Pa において大きな違いは無いので，残留酸素や水分のレベルも大きな差は無い．よって，25 Pa においては非常に活性な窒化種が基板へ供給され，より理想的に窒化プロセスが行われていることが示唆される．さらに特筆すべきは，熱 CVD の膜でもわずかに酸素が検出されているのに対し（１〜２％程度），本システムにおいて 25 Pa で成膜した膜はそれよりも酸素含有量が少ないという結果が得られたことである．なぜ圧力が高い方が良好な膜が成膜できるかは現時点では明確でない．今後更なる検討を進める予定
図６

である．

ミニマルファブシステムにおいてミラープラズマCVDの適用が期待されるデバイス：シリコンCMOS回路におけるサイドウォール膜や MEMS 向けの低応力・高薬液耐性 SiN膜．

次に，成膜した SiN 膜のフッ酸耐性に関する評価結果を述べる．半導体デバイスや MEMS を製造する上では，SiN膜に対し，シリコン酸化膜のエッチング液であるフッ酸に対する選択性を求められることが多く，フッ酸耐性を有することが望まれる．図８は，５％フッ酸に膜を浸漬した際のエッチングレートを，成膜した SiN 膜の屈折率に対してプロットしたものである．成膜温度 400℃，250℃，室温の結 果 に つ い て 示 し て い る．成 膜 圧 力 は 25 Pa で あ り，
SiH4/N2 流量比を制御することで屈折率を変化させた．な
お，５％フッ酸に対しては，熱酸化で形成した SiO2 膜のエッチングレートは 40 nm/min 程度，750℃ の熱 CVD で形成した SiN 膜のエッチングレートは 3 nm/min 程度である．
本プラズマ源においては，SiH4/N2 比を増やすと，膜が Si
リッチとなり，屈折率が上昇することを確認している．どの成膜温度においても，屈折率の上昇とともに，フッ酸のエッチングレートが減少し耐性が向上していることがわかる．これは，膜が Si リッチになるためと考えられる（Si

図７はフッ酸にエッチングされない）．Si リッチの膜は，絶縁X 線光電子分光（XPS）により得られた，SiN 膜（シリコン基板上へ成膜）の組成比の深さ方向分布．（a）
は比較用の
熱 CVD のシリコン窒化膜（750℃ で成膜）であり，（b）
及び（c）
は本プラズマ源で圧力をぞれぞれ 1.33 Pa，25 Pa として成膜した膜．

耐性が悪化することが知られており，絶縁性が求められる半導体デバイスの機能膜やパッシベーション膜に使用するには不適であるが，電気的な特性が要求されないエッチン
グ時のハードマスク膜への適用等には期待ができる．一５６０

Special Topic Article

6. CVD Equipment Using ECR Plasma in Magnetic Mirror Field for Silicon Nitride Film Formations

図９

T. Goto

SiN 膜のガバレッジおよびフッ酸耐性評価結果．

らに，図９には５％フッ酸に両サンプルを２分間浸漬した
後の断面 SEM 像も示している．従来型の CVD では，トップ部に比べ，それ以外の領域の膜はフッ酸耐性が劣ってお
図８り，側壁部は完全に膜が消失し，またボトム部もトップ部

5％ フッ酸に膜を浸漬した際のエッチングレートを，成膜した SiN 膜の屈折率に対してプロットしたグラフ（成膜温度 400℃，250℃，室温）．Reproduced from ECS J. Solid
State Sci. Technol. 8 N113 (2019) DOI: 10.1149/2.0121908
jss, with the permission of The Electrochemical Society.

に比べエッチングレートが速く膜が相対的に多くエッチン
グされてしまっている．一方，本プラズマ源では，トップ部，ボトム部，及び側壁部の SiN 膜のフッ酸耐性がほぼ同等で，ほとんど膜がエッチングされていないことがわかっ

方，電気的特性も重要な絶縁膜・機能膜・パッシベーショた．本結果は，イオン照射を用いないラジカル反応中心のン膜に関する限り，屈折率が２程度の領域の膜を使用する

高品質なプロセスが実現できていることを示唆している．

必要がある．図からわかるように，屈折率が２程度の領域

６．
４ まとめ

において，成膜温度を上昇させることで，フッ酸耐性は劇的に向上している．400℃ 成膜では 750℃ の LPCVD の膜とイオン照射ダメージを防ぎ，一方，電気的に中性で活性同等のエッチングレート（3 nm/min 程度）が得られた．

なラジカルを活用できる新しいミラー磁場閉じ込め型

200℃ 成膜においても，エッチングレートは 10 nm/min

ECR プラズマプロセス装置を提案・製作した．ミラー磁場程度であり，シリコン熱酸化膜のレート（40 nm/min 程度）

閉じ込めの概念が良く活かされ，低い電力で効率良く高密よりも低く，フッ酸耐性に優れた膜ができていることがわ

度プラズマを励起できることを明らかとした．次に，本装かった．成膜温度を上昇させることより，膜中の水素が減置をプラズマCVDプロセスへ適用し，Ar/SiH4/N2/H2 プラ

少し，また結合の強い膜ができていると予測される．今後，ズマによりシリコン窒化膜を形成した．その結果，750℃

200℃ 以下の成膜温度においても，フッ酸耐性を更に向上

成膜の熱 CVD の膜と同等の N/Si 組成及び同等のフッ酸耐させるよう，成膜条件や装置条件を探っていく予定であ性を持ち，かつ熱 CVD の膜よりも酸素混入の無い膜を得る．

ることができた．また，トレンチ内部や底部へもカバレッ

次に，様々なデバイス製造において重要なカバレッジ

ジ良くフッ酸耐性の良好な膜が成膜できることを確認し（複雑形状への成膜の付き回り）に関する評価結果についた．ここで得られた結果は，プラズマのダメージを低減し，て紹介する．図９に，ライン＆スペースのパターニングを

かつラジカル反応ベースのプロセスが実現できていること行ったシリコン基板へシリコン窒化膜を成膜した基板の断を示唆し，ミニマルファブシステムの発展，高品質成膜技

面 SEM 写真を示す．ライン＆スペースは 0.5 μm のパター術の発展に寄与できると考えられる．

ンであり１：１の比率でパターニングされている．またト
レンチ（溝）深さも 0.5 μm であるから，トレンチのアスペ

参考文献

クト比は１：１である．このようなパターンに，成膜温度［１］B. Chapman, Glow Discharge Processes (Wiley, New York,1980).
［２］T. Goto and S. Sugawa, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 128003 (2015).
［３］T. Goto et al., Rev. Sch. Instrum. 87, 123508 (2016).
［４］T. Goto et al., IEEE J. Electron Devices Soc. 6, 512 (2018).
［５］T. Goto et al., ECS J. Solid State Sci. Technol. 8, N113 (2019).
［６］M. Muramatsu et al., Rev. Sci. Instrum. 71, 984 (2000).
［７］D. Z. Xie, Rev. Sci. Instrum. 73, 531 (2002).
［８］Y. Kato et al., Rev. Sci. Instrum. 87, 02A711 (2016).

350℃ で，平坦な基板の場合に約 60 nm 成膜される条件で
SiN 膜を成膜した．比較用に，従来型のマイクロ波プラズ
マ装置によるプラズマ CVD で成膜した結果についても示している［５］．従来型プラズマ CVD でも 350℃ で成膜をしている．図からわかるように，従来型の CVD では，ボトム部はトップ部と同等の膜厚であるが，側壁の膜厚が薄くなってしまっている．一方，本プラズマ源では，トップ部，ボトム部，及び側壁にもほぼ同じ膜厚で成膜されており，
カバレッジ性の良い成膜が実現していることがわかる．さ５６１

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.10 (2020)５６２‐５６７

小特集 革新的半導体産業システム ミニマルファブ におけるプラズマテクノロジー

７．マイクロ波プラズマ源を用いた水蒸気プラズマアッシング装置
7. Water Vapor Plasma Ashing System Using Microwave Excited Plasma Source
石島達夫
ISHIJIMA Tatsuo
金沢大学 理工研究域 電子情報通信学系（原稿受付：２
０
２
０年８月１
１日）

本章では，水蒸気を原料ガスとするマイクロ波励起プラズマを用いたアッシング技術について紹介する．水
蒸気は，処理室の底部に導入した超純水をポンプで減圧することにより発生させる方式であるため，処理室内部
は飽和水蒸気圧程度（〜3 kPa）と，比較的高い圧力領域になる．一般に高い圧力下では，プラズマ生成領域が収縮するため，大口径ウェハに対応する半導体製造プロセスをめざした研究開発は難しい．一方，ミニマルファブ
はハーフインチウェハによる半導体製造装置群であるので，面内均一性の実現のための研究開発の時間とコストを低減できる特長を有している．さらに，少量多品種をターゲットにしているため，新たに見出した半導体製造
プロセスの適用可能性を，既存の製造工程と置き換えて比較し評価することも容易である．ミニマル規格に適合するレジスト除去装置として，研究開発を進めているマイクロ波プラズマによる水蒸気プラズマアッシング装置の概要を紹介する．
Keywords:
Minimal Fab, microwave plasma, photoresist, ashing, ultrapure water

７．
１ はじめに傍において重相構造が現れる．このような重相構造は反応

プラズマプロセスは，大規模集積回路（LSI）や MEMS

系が複雑であるがゆえに実用化には数多の困難を伴うこと（Micro Electro Mechanical Systems）等の微細加工，高融が容易に予想されるが，逆に言えば研究開発を進める余地

点材料などの無機物質や有機物質を用いた薄膜堆積，様々が多く残されているということである．重相構造プラズマな基板の表面改質や洗浄など先端電子デバイス製造に必須を用いたイノベーション技術の創出が期待される．

の技術として用いられている．多くの半導体デバイス製造

本章では，液体が関与するプラズマ生成法について概要

用のプラズマプロセスには，熱によるダメージを回避するを述べた後に，超純水を原料ガスとするマイクロ波プラズ

ために電離度が低く，ガス温度が電子温度に対して十分にマ源の開発と，半導体製造工程におけるアッシングプロセ

低い非熱平衡プラズマが利用されている．近年，このようスへ適用をめざした研究開発内容について述べる．アッシ

な非熱平衡プラズマを液中または液表面から作用させ，溶

ングプロセスとは，プラズマや紫外線等により生成させた液との化学反応を低温で促進させるプロセスへと応用する

活性種により，ドライ環境下で，レジスト膜などの有機薄ことをめざした研究が様々な分野で行われている［１，２］．

膜を灰化（アッシング）する工程である．半導体製造工程

液体を用いる工業プロセスは数多くあるので，新規のプラの詳細は，７．
５に後述する．

ズマ生成法の発展により，この分野の研究開発は今後，ま７．
２ 液体が関与する各種プラズマの生成法

すます盛んになると考えられる．
従来のプラズマプロセスは，固相・気相・プラズマの３溶液とプラズマを作用させる反応系には，液体の表面，相が関与する反応場を用いている．ここに，液体が反応場

または液体中に直接放電する方式が考えられる．液表面よに加わることにより，液体・気体・プラズマ，さらには，

り非熱平衡プラズマを照射する系では，直流高電圧を尖っ固体・液体・気体・プラズマと４相が相互に関与する反応

た電極等を用いて狭い空間に印加する直流グロー放電方式

場が考えられる．プラズマを含む４つの異なる相が時間や交流高電圧を電極に印加する誘電体バリア放電とする低的・空間的に近接している環境で相互に影響を及ぼし作用

温プラズマジェット方式が用いられている．これらの放電する系を「重相構造」と捉えると，高いガス温度領域では，

方式では，プラズマ生成用のガスとして He，Ar などの希熱プラズマを用いたナノ粒子の大量生成技術［１］，厚い金

ガスを用いる，または，パルス的に電界を印加することで属鋼板を高速切断するアークプラズマジェット技術［２］，熱プラズマへの移行を抑制している．一方，液中放電では核融合実験炉内に生成される高温プラズマが接触する壁近高電圧パルスや高周波を液中の電極に印加することで高電Electrical, Information, and Communication Engineering Institute of Science and Engineering, Kanazawa University, Kanazawa,
ISHIKAWA 920-1192, Japanauthor’s e-mail: ishijima@ec.t.kanazawa-u.ac.jp

５６２!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

7. Water Vapor Plasma Ashing System Using Microwave Excited Plasma Source

T. Ishijima

界を発生させ放電破壊を起こし，プラズマを生成させる．

る［５］．本研究で開発しているプラズマ源は，水蒸気プラ

一般に液体の放電破壊電圧は，気体に比べて桁違いに高い

ズマに分類される．現在開発中の装置においては，水蒸気ため放電は容易ではない．そのため，液体中に何らかの手の導入に，液体用の流量制御器，気化器を用いてはいない．

法でガスを導入する，もしくは，電極間隔を狭くし溶液の超純水を導入する液体ポンプとダイヤフラムポンプによる導電率を増加させるために電解質を溶かすことでジュール

減圧により，飽和水蒸気状態を作り出している．常温の飽加熱を促進させて気泡を電極間に形成することで気中の絶和水蒸気圧は 3 kPa 程度であるため，半導体製造工程のプ縁破壊現象を誘起する，あるいは，短時間に高電圧を印加

ラズマプロセスの中では，高い圧力におけるプラズマ生成

するパルス放電を用いるといった手法が用いられる．

を実現しなければならない．絶縁破壊を生じさせるには高また，直流高電圧や高周波以外のプラズマ源として，マい電界強度が必要である．本手法ではスロットアンテナ方

イクロ波を用いた液中放電方式が開発されている．マイク式を採用しているので，この特長について次に述べる．

ロ波は極性分子を加熱する作用を有することから，マイク
変えるとマイクロ波は，極性分子を含む液体中に気泡を生

７．
４ 水を原料ガスとするスロットアンテナ方式のマイクロ波励起プラズマ生成法

成する手段として捉えることもできる．ジュール加熱によスロットアンテナとは，導波管の管壁に設けられたり気泡を生成する液中放電方式では，放電開始を容易にすり込み（スロット） である．導波管内をマイクロ波が伝播るため溶液の導電率を高くする場合があるが，マイクロ波する際に，導波管の内壁には表面電流が誘起される．従っの場合には，超純水においても気泡形成とプラズマ生成がて，導波管の管壁にスロットアンテナが配置され，表面電容易である点が特長である．

流が物理的に遮断されると，変位電流が発生し，スロット

ロ波電力の一部は水に吸収され損失する．これは，見方を

切マイクロ波によるプラズマ生成の場合，高電界を発生さ

アンテナ部に電磁界が誘起される［６，７］．スロットアンテ

せるために，同軸アンテナやスロットアンテナが用いられ

ナは，１つの導波管に複数のアンテナを設けることができている．同軸アンテナ方式は，矩形導波管を伝播するマイるという特徴がある．これまでに低圧のドライプロセスにクロ波を同軸変換し，処理容器内の液中に配置した同軸ア

おいて，小面積プロセス向けのスロットアンテナから［８‐ンテナにマイクロ波を照射する手法である．これまでに，

１０］，複数のスロットアンテナを用いた扁平かつ大面積プ

マイクロ波プラズマを銅製のアンテナに局所的に生成さラズマ生成に関する研究例が報告されている［１１‐１３］．マ

せ，溶融・気化させることで銅の微粒子を生成させる研究

イクロ波励起方式のプラズマ生成法のもう１つの特徴は，や［３］，有機溶液に含有されている炭素元素を原料として対向電極を必要としないことである．高電界はスロットア

カーボンナノチューブを生成する研究［４］が報告されていンテナ内部に発生し，プラズマ生成部近傍に照射対象物がる．本研究では，水を原料ガスとするマイクロ波プラズマ

配置される状況において，マイクロ波電界によりイオンがを，半導体製造プロセス工程に適用するための開発を行っ

基板面に対して加速してダメージを与える影響を低減できている．次に，半導体製造工程のプラズマプロセスにおけると考えられる．
スロットアンテナ方式によるマイクロ波励起プラズマ

る水の取り扱いについて述べる．

は，液中気泡内でのプラズマ生成により，液中有機物の分

７．
３ 水を原料とするプラズマプロセス

解処理に関わる研究事例がある．メチレンブルー溶液やト

半導体製造工程では，超純水を用いる工程が数多く存在

リクロロエチレンの分解［１４］，溶質の分解効率向上に向けする．これは半導体製造においては不純物がデバイスの性たアンテナ機構の開発［１５］，溶液温度と圧力がメチレンブ

能劣化をもたらすからである．実は，マイクロ波励起プラ

ルー分解効率に及ぼす影響［１６］，オゾンではほとんど分解

ズマによるアッシング装置開発の初期の段階においては，されない酢酸やポリビニルアルコール等の難分解性の有機ウェハを超純水に浸した状態にし，マイクロ波による加熱

物質の分解処理［１７］等が挙げられる．

と処理室内の減圧によりアンテナをウェハ間に気泡を発生

マイクロ波はプラズマ生成のための電界を発生させるだ

させ，その気泡内部にプラズマを発生する方式を採用してけでなく，溶液の加熱にも寄与する．マイクロ波が負荷といた．しかし，ウェハ表面に超純水が接触する方式の場合，整合する条件でスロットアンテナから効率よく放射されプ

ウェハ表面の水を適切な方法で取り除かない限り，汚れがラズマ生成に必要な電界強度に到達し，放電破壊現象を起

残る可能性がある．ウェハ表面の水を適切に取り除くため

こすには，負荷の対象物としてスロットアンテナ近傍におには，例えば，プロセス後の洗浄工程と乾燥工程が必要とける気泡の存在が重要である．スロットアンテナ，気泡，なり装置が複雑化する．そのため，研究開発を進めていく

水が存在する状況下において，電磁界シミュレーションに過程で，送液ポンプで処理室に超純水を導入し，減圧によよりマイクロ波電界強度を計算したところ，気泡がスロッ

り水を気化させたのちに，マイクロ波を印加することでプトアンテナに広がることで高い電界強度が得られることがラズマを発生させる方式へと変更した．

わかった［１５］．図１に溶液温度，処理溶液内圧力を変化さ

一般に，水を原料とするプラズマは，液体の水をプラズ

せ，放電開始電力と OH ラジカルの発光強度との関係を示

マの高温領域に供給し，瞬時に水素と酸素に分解する「水す．図１より，液体の温度を増加させる，または，処理容プラズマ」と水蒸気をプラズマの生成領域に発生または導器内の圧力を減少させる，つまり，処理溶液が飽和水蒸気

入しプラズマを生成させる「水蒸気プラズマ」に大別され圧に近づくにつれて，放電に最低限必要なマイクロ波電力
５６３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020にもイオンが注入されるため，レジストが変性し除去が困難となる．
従来のレジスト膜除去プロセスとして，SPM（Sulfuric
Acid Hydrogen Peroxide Mixture）処理と酸素プラズマによるアッシングがよく用いられている．SPM 処理は，硫酸と過酸化水素水を混合し，さらに加熱することでレジストを除去する方法である．SPM では硫酸と過酸化水素水を混合した瞬間が最も活性となる［１８］．しかも温度が高いほどレジスト除去性能が上がるが，過酸化水素水の消耗が激しくなる［１９］．混合した薬液の分離・再利用には膨大なコストがかかるため，半導体のレジスト除去プロセスに占める
過酸化水素水や硫酸などの薬品が環境負荷に占める割合は比較的大きい．
環境負荷を低減するレジスト除去プロセスの１つとして，オゾンガスを温水にバブリングさせ水蒸気と混合させた湿潤オゾンを用いる方式が提案されている［２０］．湿潤オ
ゾン方式ではオゾンとレジストの反応中に少量の水を加えることで，レジストを水溶性のカルボン酸に加水分解し水に溶解させる．オゾンは洗浄効果に加えて反応後は酸素になるため環境負荷が小さい．しかし，この方式ではイオン注入により硬化したレジスト膜に対する除去が困難である
ことが報告されている［１９］．
OH ラジカルはオゾンより反応性が高く，その反応性の高さゆえに残留性が極めて小さく環境への負荷も少ないと考えられる．OH ラジカルは水を含んだプラズマによって生成可能である．従って，超純水でプラズマを生成することにより，OH 等の水由来の活性種によるレジスト除去に
図１

電開始電力および OH 発光強度の液体温度・処理容器内圧力に対する依存性［１６］．

加えて洗浄効果も期待できる．
レジスト膜の除去特性を検討した実験装置の概略図を図２に示す．アクリル樹脂製の容器上部に，石英で封止しは減少し，OH 発光強度は増加した．これより，溶液中でた矩形導波管を設置した．容器に常温の超純水を導入し，マイクロ波励起プラズマの生成効率を高めるためには，ス

ウェハ全体が超純水に浸るようにした．2.45 GHz のマイク

ロットアンテナ近傍に十分なサイズの気泡が存在すること

ロ波を 10 kHz，デューティ比（!"）２５％の矩形波で発振さが重要であるといえる［１６］．

せ，導波管の終端に設けたスロットアンテナより超純水に照射し強い電磁界を発生させる．容器内は，容器上部に設

７．
５ 水を原料ガスとするマイクロ波励起プラズ
マによるアッシングプロセスの開発

けた排気用のポートより液表面の空間にある気体を真空ポ半導体のデバイスを製造するための個別プロセスとしジスト膜を塗布したシリコン基板は，スロットアンテナ前て，（１）成膜，（２）パターニング，（３）不純物添加，（４）平坦方に配置した基板ホルダーに設置した．また，スペーサー

化，（５）熱処理がある．パターニングにおいては，所望の形を用いることでシリコン基板とスロットアンテナ間の距離ンプにより排気することで減圧環境（〜7 kPa）とした．レ

に加工するためにエッチング工程を用いるが，そのためにリソグラフィ（露光）工程によって不要な部分と必要部分を切り分けるための 型 を基板上に作る．このリソグラ
フィ工程で マスク として利用されるのが，樹脂などの高分子を含んだ有機溶液をスピンコートによって塗布して作成するフォトレジスト膜である．レジスト膜は，露光工程
後，現像，エッチング，イオン注入工程を経た後に，レジスト膜の除去工程，洗浄工程により処理される．トランジ
スタ作成には導電型不純物をイオン注入によって半導体に導入する工程が必要不可欠である．p 型半導体には B（ボロン），n 型半導体には P（リン），As（ヒ素）が用いられる．

図２

イオン注入工程では，マスクとして用いられるレジスト膜
５６４

マイクロ波励起液中気泡内プラズマ生成装置の概略図．

Special Topic Article

7. Water Vapor Plasma Ashing System Using Microwave Excited Plasma Source

T. Ishijima

来のレジスト膜除去手法に比べ，かなり低温条件でレジスを調整した．
レジストにはノボラック系ポジ型レジスト（AZ6112;

ト膜が除去できることがわかった．本方式は，熱に弱い材

AZ-Electronic Materials）を用いた．Si 基板にレジストを料を用いたデバイスに対するレジスト膜除去プロセスに有2000 rpm で２０秒間スピンコート法により塗布製膜し，ホッ用であると考えられる．

トプレートにより 100 ℃で１分間プリベークした．レジス

このような極めて高速のレジスト膜除去性能をもたらす

ト膜厚は触針式膜厚計で測定した．レジストの初期膜厚因子が OH ラジカルであるとすると，金属配線などを酸化

は，0.8−1.2 μm であった．このレジスト膜に 70 keV の加速しデバイスの性能が劣化する可能性が考えられる．そこ

15

2エネルギーで B，P，As を 5×10 個/cm の面密度でイオ

で，シリコン基板上に 200 nm の銅薄膜をマグネトロンス

ン注入した．

パッタリングにより成膜したサンプル基板を用いて，体積

マイクロ波電力（!!0.45 kW），パルス周波数，デュー

抵抗率および X 線光電子分光法（XPS）を用いて表面原子

ティ比一定のもとでプラズマ照射時間を５−６０秒と変化さの化学状態調べた．プラズマ照射条件はイオン注入レジス

せて，イオンを注入していないレジスト膜の除去速度を評

ト膜処理時と同一条件とし，照射時間３０秒の基板と未照価した．図３にスロットアンテナとレジスト膜間距離 "射の基板を比較した．体積抵抗率はプラズマ照射前がを 2−4 mm の間で変化させたときの除去速度を示す．いず3.78×10−6 Ωm，３０秒 の プ ラ ズ マ 後 は 3.43×10−6 Ωm でれの照射距離においても，1 μm/分を超える非常に早いレあった．銅薄膜の体積抵抗率変化からは酸化による影響

ジスト膜除去速度が得られ，実際のレジスト膜除去プロセは見られなかった．銅薄膜を XPS 計測した結果を図５に示

スに適用可能な速度であることがわかった．また照射距離

す．Cu 2p3/2（932.8±0.1 eV）
および Cu 2p1/2（952.5±0.1 eV）

をスロットアンテナから遠ざけていくとレジスト膜除去速のスペクトル形状およびピークの束縛エネルギーは，プラ

度は徐々に減少し 3.6 mm 付近で急激に減少した．レジス

ズマ照射前後でほぼ同一であり，酸素と銅の結合割合が増

ト膜の除去速度はスロットアンテナ−レジスト膜間の距離えることによって生じる化学結合の変化（ケミカルシフ

に対して強い依存性があることがわかる．

ト）は観測されなかった．以上より，本手法によるレジス

次にイオン注入により硬化したレジスト膜に，マイクロト膜除去プロセス時の金属配線に対する酸化ダメージの影

波励起気泡プラズマを照射し，レジスト膜の除去特性を調べた．マイクロ波電力 !!0.45 kW，パルス周波数，デューティ比をイオン未注入のレジスト膜処理と同じ条件とし，照射距離 "!3.6 mm とした．図４に B，P，As のイオン種を注入した AZ6112 レジスト膜のプラズマ照射時間に対するレジスト膜 厚 の 変 化 の 様 相 を 示 す．除 去 速 度 は，B，P，As の順で低下するが，いずれのイオン種も極めて高密度・高加速エネルギーで注入しているにも関わらず，全て１分以内にレジスト膜が除去されることがわかった［２１］．
マイクロ波励起液中気泡プラズマは，硬化したレジスト膜に対しても非常に早い除去性能を有していることがわかる．また，プラズマ照射時の基板裏面の温度を熱電対により計測 し た と こ ろ，５０秒 の 液 中 プ ラ ズ マ 照 射 に よって
15 ℃程度の温度上昇であることがわかった．これより，従
図４

図３

図５

イオン未注入フォトレジスト膜に対する除去速度のスロッ
トアンテナ‐基板間距離依存性［２
１］
．

５６５

イオン注入フォトレジスト膜厚の処理時間依存性［２１］．

マイクロ波励起液中気泡内プラズマ照射前後の Cu 2p スペ
クトル．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

響は少ないと考えられる．このようなレジスト膜の除去特た．アンテナとウェハ間の距離は，3.5 mm とした．図８に性は，水が解離することによりできる様々なラジカル，イレジスト除去速度の径方向分布を示す．!"!30％ の条件

オン種が関与すると考えられる．ラジカル密度やプラズマ

は，他の処理条件と比較してウェハ中心でのレジスト除去

密度の空間分布計測，レジスト除去速度との相関に関して

速度が遅いものの 4 μm/min 程度の除去速度があり，さらは，今後の課題である．

に，径方向のレジスト除去速度の均一性が向上を実現していることがわかる［２５］．マイクロ波電力，変調周波数，!"がレジスト除去速度の面内分布に及ぼす影響は，プラ

７．
６ ミニマル規格に適合するマイクロ波励起プ
ラズマ装置の開発

ズマ生成メカニズムの検討，プラズマ中の化学種の診断，水を原料ガスとするマイクロ波励起プラズマによるレジ

様々な電子デバイスの電気特性評価を行い，検討を進めていく予定である．

スト除去性能の原理検証には，19 inch ラックサイズの最大
出力 1.2 kW のマグネトロンを用いたマイクロ波電源を用

７．
７ まとめ

いていた．ミニマルファブ［２２‐２４］の規格に適合させるため，放電開始のためのマイクロ波電力の大幅な低減化，半ミニマルファブに対応した，マイクロ波励起の水蒸気プ

導体発振型のマイクロ波電源，同軸ケーブル型のマイクロラズマによるアッシング装置を開発した．原料ガスとなる波の整合回路と伝送回路，液中気泡内のプラズマ生成方式

水蒸気は，超純水を減圧させることで発生させる方式であから水蒸気プラズマへの変更，アンテナ形状の改良等によるため，流量制御器，気化器，配管の加熱機構等を必要とり，ミニマル規格の筐体内に全ての構成部品に収納するこ

しないことが特長である．本アッシング手法は，イオン注とを実現した．近年のパワー半導体の研究開発の発展によ入により硬化したレジスト膜に対して高い除去速度を有しりマイクロ波電源の小型化が進んでいたこと，同軸型のマている．ドライプロセスを用いたアッシング装置を，危険イクロ波パーツの研究開発が国内でなされていたことなどな薬品を用いたウェットプロセスによるレジスト除去工程が幸いした．試作した装置の外観図を図６に示す．超純水との置き換えを実現することができれば，環境負荷の低減

はボトルタンクから供給され，装置内部に設置したイオンにつながる．そのためには，プラズマによるダメージがデ交換樹脂を通じて，処理室へと送液される．超純水を原料バイスに及ぼす影響を系統的かつ定量的に明らかにする必

ガスとするプラズマによるアッシング処理がなされた後，要がある．
話は少し変わるが，近年の ICチップの薄型化・小型化に廃液は排水タンクに送られる．１回のプロセスに利用する
液量は，試作機の段階で 30 cc 程度であった．生産装置として利用するために，レジスト除去速度の面内均一性の向上が必要であったため，アンテナ形状の改良を行った．アン
テナ形状の改良前後の，マイクロ波励起の水蒸気プラズマの発光様相を図７に示す［２５］．2.45 GHz のマイクロ波の投入電力を 100 Hz の矩形波により変調した．マイクロ波出
力の !"は，連続発振（CW），３０％，６０％とし，平均投入
電 力（#!#"）は 60 W と 固 定 し た．改 良 型 ア ン テ ナ に より，１スロットアンテナと比べて発光領域が拡がっている

図７

こと分かる．ミニマル規格に適合するマイクロ波励起プラズマ装置を用い，ハーフインチウェハに対して，レジスト

マイクロ波励起の水蒸気プラズマの発光様相．（a）
１ス
ロットアンテナ（b）
改良型アンテナ［２５］．

除去を行った．ポジ型レジストを用い，膜厚は 0.7 μm とし

図８
図６

マイクロ波を用いた水蒸気アッシング装置の外観図．

５６６

ウェハ径方向のアッシング速度分布．
Pavg ＝ 60 W［２５］．

Special Topic Article

7. Water Vapor Plasma Ashing System Using Microwave Excited Plasma Source

T. Ishijima

対応するため，IC チップをパッケージングする後工程と呼参考文献

ばれる半導体製造工程においても，実装技術としてプラズ［１］Y. Tanaka et al., J. Phys. Conf. Ser. 406, 012001 (2012).
［２］山口義博 他：溶接学会論文集 31, 193 (2013).
［３］成島 隆 他：日本金属学会誌 76, 229 (2012).
［４］S. Nomura et al., Appl. Phys. Lett. 88, 211503 (2006).
［５］渡辺隆行：プラズマ・核融合学会誌 95, 27 (2019).
［６］H.G. Booker, J. IEE. 93, 620 (1946).
［７］W.H. Watson: Oxford 137, 56 (1947).
［８］K. Komachi and S. Kobayashi, J. Microwave Power Electromagn. 24, 140 (1989).
［９］M.Nagatsu et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35, L341 (1996).
［１０］永津雅章，菅井秀郎：プラズマ・核融合学会誌 72, 658(1996).
［１１］T. Ishijima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 49, 086002 (2010).
［１２］T. Ishijima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 50, 036002 (2011).
［１３］菅井秀郎：プラズマ・核融合学会誌 86, 28 (2010).
［１４］T. Ishijima et al., Appl. Phys. Lett. 91, 121501 (2007).
［１５］T. Ishijima et al., Plasma Source Sci. Technol. 19, 116004(2009).
［１６］R. Saito et al., Curr. Appl. Phys. 11, S195 (2011).
［１７］T. Ishijima et al., Trans. Mater. Res. Soc. Jpn. 36, 475 (2011).
［１８］堀邊英夫：日本接着学会誌 46, 109 (2010).
［１９］速水直哉，田家真紀子，東芝レビュー 64, 38 (2009).
［２０］S. Noda et al., J. Adv. Oxid. Technol. 6, 132 (2003).
［２１］T. Ishijima et al., Appl. Phys. Lett. 103, 142101 (2013).
［２２］S. Khumpuang et al., IEEJ Trans. Sensors Micromachines
133, 272 (2013).
［２３］S. Khumpuang et al., IEEE Trans. Semiconduct. M. 28,
393 (2015).
［２４］S. Khumpuang et al., IEEE Trans. Semiconduct. M. 28,
551 (2015).
［２５］T. Aizawa et al., Proc. Int. Conf. Dry Process Symp. (2018).
［２６］森川泰宏：エレクトロニクス実装学会誌 20, 185 (2017).
［２７］三浦典子 他：第７８回応用物理学会秋季学術講演会 講
演予稿集 6p-C21-10 (2017).

マアッシングを適用する技術開発が進められている［２６］．
このように，半導体製造工程において，ドライプロセスによるアッシング技術は，前工程だけではなく後工程でも，微細加工技術として利用されつつあり，アッシング技術の高度化に対する要望は潜在的に存在しているものと考えられる．
なお，本章では具体的な記載をしなかったが，他の酸素
プラズマアッシング装置とのレジスト除去工程の置き換えによる評価と検討は，ミニマル規格のマイクロ波励起水蒸気プラズマ装置の標準的な条件のもとで，実施済みである．製作したトランジスタの電気特性は，ほぼ同等である
ことを確認している［２７］．現在進行中の実用機としてのプ
ロセスの安定化と高度化の装置開発と並行して，高性能化をめざした研究開発のためにこれらの課題に取り組んでいくことで，本手法がカバーできるレジスト除去プロセスの拡大と，液体を原料ガスとする新たなプラズマプロセスの創出へとつなげていく予定である，

謝

辞本研究を立ち上げ，研究開発を遂行するにあたり，大阪
市立大学の堀邊英夫教授，産業技術総合研究所の原史朗

氏，KHUMPUANG Sommawan 氏，株式会社米倉製作所，
立山マシン株式会社，ミニマルファブ推進機構，株式会社
プラズマアプリケーションズの神藤正士氏にご協力をいた
だいた．感謝申し上げる．

５６７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.10 October 2020

!!
はら

し

原

史 朗

小特集執筆者紹介

ろう

""
はや

幼稚園でアキバデビュー．小学生の頃は電気アイデア製作集の 工 作 に 熱 中．中 学 の 時 はTTL 回路を作って遊んでいた．学部４年で，最初に Lord Kelvin の仕事関数発見論文に感動．修士で，オージェ電子分光装置制御システムを手作り．９０
年工学博士（早稲田大学）．９
３年電子技術総合研究所．現在，産総研首席研究員兼ミニマルシステムグループ長．２
０
０
７年，ミニ
マルファブ構想を着想，実用化推進．ミニマルファブ推進機
構・ファブシステム研究会代表．趣味 fitbit ウォーキング．
なか

ひろ

ゆき

プ

ア

ン

ソ

マ

ワ

たか

いし
とし

かず

のり

とう

てつ

や

東北大学未来科学技術共同研究センター 教授，博士（理学）（筑波大）．ミラープラズマの単損失イオン測定で博士取得後，エッチングや成膜向けの半導体製造用プラズマ装置 技
術，及び半導体デバイス・プロセスの研究開発に携わってきました．研究を進める中で，プラズマの多様性・有用性を実感することが多いです．趣味はテニスで，課題点が多く試行錯誤の連続ですが，楽しくプレーしています．

SPP テクノロジーズ株式会社 技術部 担当部
長．１
９９
２年３月，京都工芸繊維大学大学院物質工学専攻修士課程修了．同年 住友金属工業!
入 社．そ の 後，２０００年 住 友 精 密 工 業!入社，２０１
１年 分社化した SPP テクノロジーズ!へ出向．現在に至る．これまで，ドライエッチング装置，アッシング装置の研究開発ならびにデバイス量産向け製品化・安定稼働化業務に
従事．
ざき

はし

後 藤 哲 也ゆき

野 沢 善 幸みやと東北大学 大学院工学研究科 電気エネルギーシステム専攻准教授．博士（工学）．RF プラズ
マを用いた電気推進開発，磁気ノズル中のプ
ラズマダイナミクス，ミニマルファブ装置開発を中心に実験を行っている．最近はロードバイクでのサイ
クリング，エアロバイクでの屋内トレーニング，食生活の改善，DIY に勤しんでいる．お気に入りは，木工で制作した息子の自転車置き場．
ごよしひさ

高 橋 和 貴産業技術総合研究所 ミニマルシステムグルー
プ 主任研究員．博士（工学）．２００
６年立命館大学 理 工 学 研 究 科 博 士 課 程 修 了，２０
０
７年 ド イツ・フライブルク大学勤務．２
０１
１年産業技術総合研究所入所と同時に，ミニマルファブの開発を原と共に推進．ミニマルファブ装置を立ち上げ，デバイス試作を実現．最近は，７歳の娘にプラズマ装置などのミニマル装置を体験させながら，半導体製造プロセスを教え込んでいる．趣味はベーガリーとキャラクター弁当作り．お気に入りは田園ジョ
ギング．
ざわ

そ

ン

KHUMPUANG Sommawanのぎ

産業技術総合研究所 製造技術研究部門 積層
加工システム研究グループ 主任研究員 博士（工学）ミニマルファブ装置開発に引き続き，
現在は金属 AM 装置の開発などに従事しています．この分野は日本が立ち遅れているので，何が我々にできるのかについては日々模索中です．趣味は写真撮影とクラシック音楽．撮影に出かけたり，職場のみなさんとアンサンブ
ルなどを楽しんでいましたが，COVID-19 の影響で趣味活動は控えめな状態です．

国立研究開発法人 産業技術総合研究所 イン
ダストリアルCPS研究センター ミニマル試作研究チーム．１
９
９
０年青山学院大学物理学専攻修士取得．住友金属工業株式会社，横河ソリューションサービ
ス株式会社を経て，２０
１
５年より現職．現在，テクニカルスタッ
フとしてミニマルファブの装置開発に従事．週末は，ジャズとゴルフでスイングを嗜んでいる．
ンひろ

小 木 曽 久 人

田 中 宏 幸クとし

住友精密工業株式会社 取締役専務執行役員
兼 SPP テクノロジーズ株式会社代表取締役社長．１
９８
５年３月，九州大学大学院電気工学専攻
修士課程修了．同年 住友金属工業!入社．その後，東京エレクトロン!を経て，２００
６年住友精密工業!入社，２０１
１年 分社化した SPP テクノロジーズ!へ出向．現在に至る．高性能プラズマソース，それを応用したドライエッチン
グ装置，プラズマ成膜装置の研究開発ならびにデバイス量産向け製品化業務に従事．
おたみ

速 水 利 泰じまたつお

石 島 達 夫や宮 " 俊 也

金沢大学自然科学研究科電子情報科学専攻・教授．理学博士（筑波大）．非熱平衡プラズマの生成法とその応用に関わる研究・教育に従事．最近は，主にアジア圏の海外の方々との研究教育に関わる交流活動が増えてきました．来年から小学生になる次女とは，父親離れするまでのひとときとして楽しん
でいます．

SPP テクノロジーズ株式会社 技術部 シニア
マネージャー．１
９
９
２年３月，愛媛大学大学院電気工学専攻修士課程修了．同年 住友金属工業!入社．その後，㈱アルバックを経て，２０
１
２年
SPP テクノロジーズ!入社，現在に至る．これまで，ドライエッチング装置，不揮発性メモリーエッチング装置，アッシン
グ装置，プラズマ成膜装置の研究開発ならびにデバイス量産向け製品化・安定稼働化業務に従事．

５６８