化学反応によるドライエッチング　ドライエッチングとは何か？異方性エッチングが重要な理由は？

この記事でわかること

化学反応によるドライエッチング

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回は露光工程後のエッチング、ドライエッチングの概要と化学的反応によるドライエッチングに関する解説となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と 研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

エッチング工程とは何か

　半導体前工程における現像後のエッチングは、フォトリソグラフィによって形成されたレジストパターンを利用して、半導体基板上の不要な薄膜を除去する重要なプロセスです。これにより、半導体デバイスの回路パターンが形成されます。　

　エッチングには薬液を用いたウェットエッチングと空中でプラズマ（荷電粒子と中性粒子の混合ガス）を利用して、薄膜を化学的・物理的に除去するドライエッチングがあります。

ドライエッチングとは何か

　ドライエッチングは、現代のマイクロエレクトロニクスに不可欠な精密加工技術です。ウェットエッチングとは異なり、液体ではなく気体（プラズマ）を利用して薄膜を加工します。

ドライエッチングの原理とメカニズム

　ドライエッチングは、主に以下のステップとメカニズムで進行します。

1. 真空チャンバーへのウェーハセット: 処理対象のウェーハを真空チャンバー内にセットします。
2. 反応性ガスの導入: エッチングしたい材料に適した特定の化学ガス（例：フッ素系ガス、塩素系ガス）をチャンバー内に導入します。
3. プラズマ生成: 高周波（RF）電力を印加することで、導入したガスをプラズマ状態にします。プラズマとは、ガス分子が電離して、電子、イオン（荷電粒子）、および反応性の高いラジカル（中性粒子）が混在する状態です。
4. エッチング反応:
   • 化学的反応: プラズマ中のラジカルがウェーハ表面の薄膜と化学反応を起こし、揮発性の化合物（気体）を形成します。この揮発性化合物が真空ポンプで排気されることで、薄膜が除去されます。
   • 物理的スパッタリング: 基板に負のバイアス電圧を印加することで、プラズマ中のイオンが基板表面に垂直に加速され、衝突します。この物理的な衝撃によって、薄膜が原子レベルで削り取られます。
   • 反応性イオンエッチング（RIE）: 最も一般的なドライエッチングの手法で、上記の化学的反応と物理的スパッタリングの両方を組み合わせます。イオンの垂直方向への衝突がエッチング方向を規定し、ラジカルの化学反応がエッチング速度を高めます。これにより、高精度で異方性（垂直方向への加工）の高いエッチングが可能になります。

ドライエッチングの種類

　ドライエッチングには、主に以下の種類があります。

• プラズマエッチング (Plasma Etching)：
  • 化学反応が主体のエッチング。ラジカルによる等方性エッチングの傾向が強い。
• 反応性イオンエッチング (Reactive Ion Etching: RIE)：
  • 化学反応と物理的スパッタリングを組み合わせたもので、異方性が非常に高い。現在の半導体製造の主流。
• 高密度プラズマエッチング (High Density Plasma Etching)：
  • RIEの一種で、プラズマ密度を大幅に高めることで、エッチング速度向上とダメージ低減を図る。ICP-RIE（誘導結合プラズマRIE）やECR-RIE（電子サイクロトロン共鳴RIE）などがある。
• 原子層エッチング (Atomic Layer Etching: ALE)：
  • 原子一層ずつを精密に除去する技術。究極の精密加工が可能で、今後の微細化に不可欠とされている。
• クライオエッチング (Cryo Etching)：
  • 低温下でエッチングを行う技術。側壁への生成物付着を抑制し、より垂直な加工を可能にする。

化学反応にはどんなものがあるのか

　ドライエッチングにおける化学的反応は、プラズマ中で生成された反応性の高い粒子（主にラジカル）が、ウェーハ表面の薄膜材料と結合し、揮発性の生成物を形成することで進行します。この揮発性生成物が真空排気されることで、材料が除去されます。

1. シリコン (Si) のエッチング

　シリコンのエッチングには、フッ素系ガスがよく用いられます。

• エッチングガス: 四フッ化炭素 (CF₄)、六フッ化硫黄 (SF₆)、三フッ化窒素 (NF₃) など
• 反応メカニズム:
  1. まず、導入されたガスがプラズマ中で解離し、フッ素ラジカル (F•) を生成します。 　　　　例: e−+CF₄​→CF_3​•+F•+e−
  2. 生成されたフッ素ラジカルがウェーハ表面のシリコンと反応し、四フッ化ケイ素 (SiF₄) を形成します。 Si(s)+4F•→SiF₄​(g)
  3. 生成された SiF_4​ は室温で揮発性のガスであるため、真空ポンプで排気されます。

2. 二酸化ケイ素 (SiO₂) のエッチング

　二酸化ケイ素のエッチングには、フッ素と炭素を含むガス（フルオロカーボンガス）が用いられます。

• エッチングガス: CF_4​、CHF₃​、C₄​F_8​ など
• 反応メカニズム:プラズマ中でフルオロカーボンガスが解離し、CFx​ ラジカルやフッ素ラジカルが生成されます。これらのラジカルが SiO2​ 表面の酸素やケイ素と反応し、揮発性のフッ化ケイ素 (SiF4​) や一酸化炭素 (CO)、二酸化炭素 (CO2​) などを形成します。 　　　　　　　　　　　　　　例: SiO_2​(s)+CFx​•→SiF4​(g)+CO(g)+CO2​(g)

　この際、水素を含むガス (CHF_3​ など) を用いると、水素がフッ素と結合して HF を形成することで、炭素ラジカル（ポリマー形成種）の生成を促進し、エッチングの異方性を高める効果もあります。

3. アルミニウム (Al) のエッチング

　アルミニウムのエッチングには、塩素系ガスが用いられます。

• エッチングガス: Cl₂​、BCl₃​、SiCl₄​ など
• 反応メカニズム:
  1. プラズマ中で塩素ガスが解離し、塩素ラジカル (Cl•) を生成します。
  2. 生成された塩素ラジカルがアルミニウムと反応し、三塩化アルミニウム (AlCl₃​) を形成します。 Al(s)+3Cl•→AlCl₃​(g)
  3. AlCl3​ は比較的高温で揮発性のガスとなるため、ウェーハ温度を制御して排気します。

化学的反応の重要性

ドライエッチングにおける化学的反応は、以下の点で重要です。

• 高い選択性: 特定の材料と特異的に反応するガスを選ぶことで、マスクや下層の材料を傷つけることなく、目的の膜だけをエッチングできます。
• 高いエッチングレート: 物理的スパッタリングに比べて、化学反応は多くの原子を一度に除去できるため、エッチング速度を向上させることができます。
• ダメージ低減: 純粋な物理的スパッタリングに比べて、プラズマによる基板へのダメージを抑えることができます。

異方性エッチングが重要な理由

　半導体製造において異方性エッチングが重要である最大の理由は、半導体デバイスの「微細化」と「高集積化」を実現するためです。

---

1. 微細な回路パターンを忠実に形成するため

　半導体デバイスは、より高性能で多機能になるにつれて、チップ上の回路パターンがナノメートル（10億分の1メートル）単位で微細化されています。この微細なパターンをウェーハ上に正確に転写するためには、エッチングが縦方向のみに進行し、横方向には広がらない（異方性）必要があります。

• 等方性エッチングの問題点:
  • もしエッチングが等方性（あらゆる方向に均等に進行）だと、レジストパターン（マスク）の下にもエッチングが横方向に「アンダーカット」として入り込んでしまいます。
  • これにより、本来残すべき部分の幅が細くなりすぎたり、隣接するパターン同士が繋がってしまったりして、正確な回路が形成できません。これは、デバイスの性能劣化や故障の原因となります。

2. 高アスペクト比構造の形成

• 　NAND型フラッシュメモリのように、3次元的に積層された構造を持つデバイスでは、非常に深く、かつ細い溝や穴（ビアホール）を加工する必要があります。
• 　このような高アスペクト比（深さ/幅）の構造を形成するには、エッチングが厳密に縦方向に進む異方性エッチングが不可欠です。等方性エッチングでは、深くなるにつれて横方向にも広がり、所望の形状が得られません。

3. デバイスの特性と歩留まりの向上

• 歩留まりの向上: 不正確なエッチングによる不良品の発生が抑制されるため、製造工程全体の歩留まりが向上し、生産コストの削減にもつながります。
• 電気的特性の安定化: 正確な回路パターンが形成されることで、デバイスの電気的特性（例: トランジスタのスイッチング速度、コンデンサの容量）が設計通りに安定し、信頼性が向上します。