この記事で分かること
- 反応性イオンエッチングとは：プラズマ中のラジカル（化学反応）とイオン（物理衝撃）を組み合わせ、薄膜をエッチングする技術です。これにより、高い異方性と高速性を両立させ、現代の半導体微細加工に不可欠な技術となっています。
- メリット: 微細な回路パターンを高精度かつ高速に形成でき、異方性エッチングにより垂直な壁を実現します。幅広い材料に適用可能で、清潔なプロセスです。
- デメリット: 装置が高価で、プラズマによる基板ダメージやエッチング残渣の問題が生じやすいです。プロセスが複雑で、均一性確保が難しい場合もあります。
- 異方性に優れる理由：イオンが底面に垂直衝突しエッチングを促進する一方、側壁には保護膜が形成されて横方向のエッチングを抑制するためです。
反応性イオンエッチング
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、近年のエッチング工程で重要度の増加している反応性イオンエッチングについての解説となります。
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。
前工程は、細な回路を形成する一連のプロセスのことで、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。
反応性イオンエッチングとは何か
反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching: RIE）は、半導体製造において最も広く用いられているドライエッチング技術の一つです。
その最大の特徴は、化学的なエッチングと物理的なエッチング（スパッタリング）の両方を組み合わせることで、高い異方性と高速なエッチングを両立させる点にあります。
RIEの原理とメカニズム
RIE装置は、基本的に真空チャンバーと電極から構成されます。
- 反応性ガスの導入: エッチングしたい材料に適した反応性ガス（例: シリコンやSiO₂にはフッ素系ガス、アルミニウムには塩素系ガス）を真空チャンバー内に導入します。
- プラズマの生成: 電極間に高周波（RF）電力を印加することで、導入されたガスが電離し、プラズマ状態になります。プラズマ中には、電子、イオン（荷電粒子）、そして反応性の高いラジカル（中性粒子）が共存します。
- ウェーハへのバイアス印加: ウェーハが置かれる下部電極（カソード）に負のバイアス電圧が印加されます。
- エッチングの進行:
- 化学的エッチング（ラジカルによる反応）: プラズマ中の中性ラジカルは、ウェーハ表面の薄膜材料と化学反応を起こし、揮発性の生成物（気体）を形成します。この反応はラジカルがすべての方向から到達するため、等方性にエッチングを進行させようとします。
- 物理的スパッタリング（イオンによる衝撃）: 下部電極に印加された負のバイアス電圧によって、プラズマ中の陽イオンがウェーハ表面に垂直に加速され、衝突します。このイオンの物理的な衝撃によって、表面の原子が機械的にはじき出されます。この物理的なエッチングは異方性に作用します。
- 相乗効果: RIEでは、この化学的反応と物理的スパッタリングが同時に、かつ相乗的に作用します。
- イオンの垂直衝突が、エッチングされるべき底面の表面を活性化し、化学反応を促進します。
- 同時に、イオンは側壁に到達しにくいため、横方向のエッチングが抑制されます。また、場合によっては、イオンの衝突で生成された副生成物や、ガスに含まれる特定の成分が側壁に保護膜（パッシベーション膜）を形成し、横方向のエッチングを防ぐ役割を果たすこともあります。
結果として、RIEは垂直方向へのエッチングを強く促進し、高い異方性を持つ微細なパターンを形成することが可能になります。
反応性イオンエッチング（RIE）は、プラズマ中のラジカル（化学反応）とイオン（物理衝撃）を組み合わせ、薄膜をエッチングする技術です。これにより、高い異方性と高速性を両立させ、現代の半導体微細加工に不可欠な技術となっています。
反応性イオンエッチングの特徴は
反応性イオンエッチングには以下のようなメリット、デメリットがあります。
RIEのメリット
- 高い異方性エッチング: 微細な回路パターンを忠実に形成し、高アスペクト比の構造を実現できます。これが、半導体デバイスの微細化に不可欠な理由です。
- 高速エッチング: 化学反応の寄与があるため、純粋な物理的スパッタリングよりもエッチング速度が速いです。
- 幅広い材料への適用: 化学反応と物理作用を組み合わせることで、様々な材料のエッチングが可能です。
- プロセス制御の容易性: ガス流量、RF電力、圧力などのパラメータを調整することで、エッチング速度、選択性、異方性を細かく制御できます。
RIEのデメリット
- 装置コストが高い: 真空システム、RF電源など、複雑な装置が必要なため、導入コストが高いです。
- プラズマダメージ: イオンの衝突やプラズマ中の紫外線などにより、ウェーハ表面や下層のデバイスに電気的なダメージを与える可能性があります。
- エッチング残渣（リデポジション）: 反応生成物が揮発しきれず、ウェーハ表面や側壁に再付着（リデポジション）して残渣となることがあります。
- 均一性: 大口径ウェーハの全面で均一なエッチングを実現するには、装置設計やプロセス条件の最適化が重要です。
RIEの発展形
RIEは基本的な形式ですが、より高精度でダメージの少ないエッチングを実現するために様々な発展形があります。
- ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma RIE)：誘導結合プラズマ源を使用し、高密度かつ低圧のプラズマを生成することで、イオン密度とイオンエネルギーを独立して制御できるため、さらに精密なエッチングが可能です。
- ECR-RIE (Electron Cyclotron Resonance RIE)：電子サイクロトロン共鳴を利用して高密度プラズマを生成します。
RIEは、現在の最先端半導体デバイス製造における微細加工の基盤技術であり、その進化が半導体産業の発展を支えています。
メリット: 微細な回路パターンを高精度かつ高速に形成でき、異方性エッチングにより垂直な壁を実現します。幅広い材料に適用可能で、清潔なプロセスです。
デメリット: 装置が高価で、プラズマによる基板ダメージやエッチング残渣の問題が生じやすいです。プロセスが複雑で、均一性確保が難しい場合もあります。
異方性が高いのはなぜか
異方性を高くできる理由は、反応性イオンエッチング（RIE）が「物理的な方向性」と「化学的な選択性」を巧みに組み合わせているからです。
具体的には、以下の二つのメカニズムが協力して異方性を生み出します。
- イオンの垂直衝突による物理的効果 RIEでは、プラズマ中のイオン（荷電粒子）がウェーハ表面に垂直に加速され、衝突します。これは、高エネルギーのボーリングの球がピンにまっすぐ当たるようなものです。
- 底面のエッチング促進: 垂直に衝突するイオンは、エッチングされるべき薄膜の底面を物理的に削り取る（スパッタリング）だけでなく、その表面を活性化させ、化学反応を促進します。これにより、底面のエッチング速度が著しく向上します。
- 側壁のエッチング抑制: イオンは基本的に垂直にしか衝突しないため、レジストマスクの影になる側壁にはほとんど衝突しません。これにより、側壁が物理的に削られるのを防ぎます。
- 側壁への保護膜形成と化学反応の制御 RIEでは、エッチングガスの一部や反応の副生成物が、エッチングの側壁に薄い保護膜（パッシベーション膜）を形成することがあります。
- フッ素系ガスと水素の役割: 例えば、シリコン酸化膜（SiO₂）のエッチングでCHF3やC4F8のようなフルオロカーボンガスを用いると、プラズマ中で炭素とフッ素からなる重合体（ポリマー）が生成されます。
- このポリマーは、イオンがほとんど衝突しない側壁に付着し、エッチング反応から保護するバリアとなります。一方、底面ではイオンが衝突してこのポリマー膜を物理的に除去するため、エッチングが進行します。
- 化学反応の方向性制御: ラジカルによる化学反応自体は等方性ですが、側壁に保護膜が形成されることで、ラジカルが側壁に到達しても反応が妨げられます。結果的に、化学反応もイオンの垂直方向への物理的効果と連携し、底面でのみ効率的に進行するようになります。
これらの相乗効果により、RIEは横方向へのエッチングを極めて強く抑制し、マスクパターンとほぼ同じ幅の、非常に垂直な側面を持つ微細な溝や穴を形成できるため、異方性を高く保てるのです。
反応性イオンエッチング（RIE）で異方性が高いのは、イオンが底面に垂直衝突しエッチングを促進する一方、側壁には保護膜が形成されて横方向のエッチングを抑制するためです。この物理と化学の相乗効果で垂直加工が実現されます。
コメント