Surface Rippling by Oblique Ion Incidence during Plasma Etching of Silicon: Experiments with Sheath Control Plates

and y-direction, obtained from the inset AFM image. Fig. 3. (a) AFM and (b) SEM images (top view) of Si surfaces, measured after 5-min plasma etching in Cl2 at P0 = 20 mTorr, F0 = 20 sccm, and Prf = 150 W (Ei ≈ 500 eV) with a sheath control plate. Fig. 2. Schematic of a sheath control plate. Fig. 1. Experimental setup for plasma etching using an ICP reactor, including several plasma and surface diagnostics employed. シースコントロールプレートを用いた 基板表面へのイオン斜入射とリップル形成 Surface Rippling by Oblique Ion Incidence during Plasma Etching of Silicon: Experiments with Sheath Control Plates 中崎 暢也、園部 蒼馬、初瀬 巧、松本 悠、江利口 浩二、斧 髙一 (京大院工) Nobuya Nakazaki, Soma Sonobe, Takumi Hatsuse, Haruka Matsumoto, Koji Eriguchi, and Kouichi Ono (Kyoto Univ.) E-mail: nakazaki.nobuya.58x@st.kyoto-u.ac.jp 1. はじめに 近年の半導体デバイスの微細化により、プラズマプロセスにおける原子スケールの形状異常や表面 ラフネスがデバイスの性能を左右する重要な問題となっている。これらが生成される過程は、プラズ マから基板表面へ入射するイオンやラジカルの挙動だけでなく、基板表面から脱離する粒子の微細構 造内およびプラズマ内での挙動など、様々な要因が関係する複雑な物理現象である。本研究は、誘導 性結合プラズマ(ICP)を用いた Cl2による Si エッチングにおける表面ラフネスやリップルに着目し、 プラズマおよび Si表面の解析を通じて、その生成メカニズムの解明と制御を目指している。 2. 実験装置・条件 Fig. 1に、ICPリアクタ(直径 25 cm、高さ 30 cm)の概略を示 す。プラズマは放電電力 450 Wの高周波(13.56 MHz)で維持さ れ、基板ステージ(直径 4インチ)に高周波バイアス(Prf = 0–200 W, 13.56 MHz)が印加される。リアクタ内には Cl2ガスが流量 F0 = 5–50 sccmで導入され、放電時のガス圧力は P0 = 20 mTorrである。 サンプルには抵抗率 ρの異なる 4インチN型単結晶 Si(100) (ρ ≈ 10, 0.04 Ω·cm)および熱酸化 SiO2を用いた。エッチング後のサンプ ルに対して、エッチ深さを段差計で測定し、エッチレート(ER) を算出した。また、表面形状を原子間力顕微鏡(AFM)、走査型 電子顕微鏡(SEM)を用いて観察し、表面ラフネス(RMS)およ びパワースペクトル密度(PSD)を測定した。 今回は、Fig. 2に示すような金属製のシースコントロールプレ ートを用いて、プラズマとサンプルとの間に生じるシースの形 状を変化させ、プラズマからサンプルへのイオン斜入射を試みた。 計算結果(Ref. 2)より、イオンはサンプルに対して 45°程度の角 度で入射すると考えられる。なお、エッチング中、サンプルはプ レートの底部、側面部に配置することができ、プレートはステー ジと同電位に保たれている。 3. 結果と考察 Fig. 3に、シースコントロールプレートを用いて、Prf = 150 W (イオン入射エネルギー Ei ≈ 500 eV)で 5分間エッチングした際 の、Siサンプルの AFMおよび SEM像を示す。この結果より、プ ラズマエッチングにおいてもイオン斜入射の際に、イオン入射方 向に対して垂直な方向に波状構造(リップル)が形成されること が示唆される。この結果は、3 次元原子スケールセルモデル (ASCeM-3D)を用いた計算結果と定性的に一致している。 Fig. 4 に 、 AFM 像から得 られたPSD解析 の結果を示す。x 方向のPSD曲線 に特徴的な空間 周波数が存在す ることから、リ ップル構造が形 成されているこ とが確認できる。 Reference [1] N. Nakazaki, H. Tsuda et al., J. Appl. Phys. 116, 223302 (2014). [2] 園部蒼馬他、2014年第 75回応用物理 学会秋季学術講演会、19p-S10-16. [3] H. Tsuda, N. Nakazaki et al., J. Vac. Sci. Technol. B 32, 031212 (2014). 1 μm 1 μm (a) (b) ER = 356 nm/min RMS = 6.329 nm Ion Ion