この記事で分かること
- 原子層エッチングとは：薄膜を原子1層ずつ除去する超精密ドライエッチング技術です。
- 利点：原子1層単位での究極の膜厚制御が可能で、ウェーハ全面で高い均一性とエッチング対象への高い選択性を実現します。また、低エネルギープロセスによりプラズマダメージを大幅に低減できる点です。
- 単一の原子をエッチングできる理由：「自己限定的吸着」と「バリア形成」のためです。表面の活性サイトが飽和吸着するとそれ以上反応せず、また生成された反応層が下層への反応を阻害することで、正確に1原子層分の反応に留まります。
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。
今回は原子層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。
前工程は、微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。
原子層エッチングとは何か
原子層エッチング（Atomic Layer Etching: ALE）は、半導体製造において、ウェーハ表面の薄膜を原子1層単位で非常に精密に除去する、最先端のドライエッチング技術です。
従来のドライエッチング（RIEなど）が「連続的に」材料を削り取るのに対し、ALEは、原子層堆積（ALD）という成膜技術の逆の原理を応用し、以下の2つのステップを交互に繰り返すことでエッチングを進めます。
化学修飾（表面活性化）ステップ
- まず、エッチングしたい薄膜の最表面にある原子層のみに、特定の反応性ガス（例: 塩素ガス Cl2）を供給します。
- ガスが表面の原子と選択的に反応し、その表面の原子層を化学的に改質（活性化）させます。この反応は、表面の原子1層が全て反応すると、それ以上奥へは進まない「自己限定的」な性質を持っています。
除去（パージ＆脱離）ステップ
- 次に、過剰な反応性ガスを排気し、チャンバー内をパージします。
- その後、低エネルギーのイオンビーム（例: アルゴンイオン Ar+）を照射します。このイオンは、化学修飾された最表面の原子層のみを物理的にたたき出し、除去します。下層の未修飾のバルク材料は、この低エネルギーイオンではエッチングされません。
これらのステップを繰り返すことで、1サイクルごとに正確に1原子層ずつ材料を除去することが可能になります。
原子層エッチング（ALE）は、薄膜を原子1層ずつ除去する超精密ドライエッチング技術です。化学修飾と低エネルギーイオン照射を交互に行うことで、究極の均一性、高選択性、低ダメージを実現し、次世代半導体の極限微細加工に不可欠な技術です。
原子層エッチングの利点は何か
原子層エッチングの利点は原子1層単位での膜厚制御が可能な制御性の高さにあります。
- 究極の精密制御: 原子1層単位での膜厚制御が可能であり、これまで以上に高精度なパターン形成ができます。
- 高い均一性: 自己限定的な反応のため、ウェーハ全面でのエッチングの均一性が非常に高いです。
- 高い選択性: 狙った材料の表面のみを化学修飾し、それだけを除去するため、他の材料（マスクや下層膜）を傷つけることなく、非常に高い選択性が得られます。
- 低ダメージ: 非常に低エネルギーのイオンを用いるため、従来のRIEに比べてウェーハへのプラズマダメージを大幅に低減できます。
原子層エッチングの課題
- 低いスループット（処理速度）: 原子層ごとにステップを繰り返すため、連続的なエッチングに比べて処理時間が長くなる傾向があります。これが量産適用への最大の課題です。
- 装置の複雑性: 高度なガス供給システム、精密な温度・圧力制御、低エネルギーイオンビーム生成など、非常に複雑で高価な装置が必要です。
- プロセス開発の複雑性: 各材料に適した反応性ガスやイオン照射条件の組み合わせを見つけるためのプロセス開発が非常に複雑です。
原子層エッチングの重要性
現在の半導体デバイスは、回路線幅が数ナノメートルオーダーにまで微細化され、3次元積層構造も複雑化しています。このような極限の微細加工においては、従来のRIEでは限界があり、原子レベルでの精密な制御が求められます。
ALEは、FinFET（フィン型FET）やGAA（ゲートオールアラウンド）トランジスタなどの次世代デバイス、NAND型フラッシュメモリの3D構造における深い溝やホールの高精度加工、さらには新しい材料（化合物半導体など）のエッチングにおいて、不可欠な技術として期待されています。まだ量産での普及は限定的ですが、今後の半導体技術の進化を支える重要な柱の一つとなるでしょう。
原子層エッチングの利点は、原子1層単位での究極の膜厚制御が可能で、ウェーハ全面で高い均一性とエッチング対象への高い選択性を実現します。また、低エネルギープロセスによりプラズマダメージを大幅に低減できる点です。
反応性ガスはなぜ、表層の元素としか反応しないのか
原子層エッチング（ALE）において、反応性ガスが表層の元素としか反応しない（自己限定的である）理由は、その吸着と化学反応の特性にあります。これは、原子層堆積（ALD）という成膜技術の逆の原理に基づいています。
飽和吸着 (Saturation Adsorption)
- まず、反応性ガス（前駆体ガスと呼ばれることもあります）がウェーハ表面に導入されます。
- これらのガス分子は、ウェーハ表面の特定の「活性サイト」にのみ化学的に吸着（化学吸着）します。
- 表面の活性サイトがすべて埋め尽くされ、原子1層分が完全に吸着すると、それ以上は反応性ガスが吸着できなくなります。この状態を「飽和吸着」と呼びます。
自己限定的な化学反応 (Self-Limiting Chemical Reaction)
- 表面が飽和吸着すると、それ以上ガス分子を導入しても、下層の原子とは反応せず、単に表面に物理的に吸着するだけで化学反応は起こりません。
- これは、反応性ガスが表面の原子と反応して層を形成した後、その形成された層が「バリア」となり、それ以上奥への反応を物理的・化学的に阻害するためです。
- 例えば、シリコン表面に塩素ガス (Cl2) を導入すると、表面のシリコン原子が塩素化されます (SiClx)。この塩素化された層が、さらにその下のシリコン原子と塩素が直接反応するのを防ぐバリアとなります。
この「自己限定的」な性質がALEの核心であり、これによってプロセス中に供給されるガス量に関わらず、1サイクルにつき正確に1原子層分の反応層が形成されることが保証されます。
その後の「除去ステップ」では、この化学修飾された最表面の原子層のみが、低エネルギーイオンの衝突によって効率的に除去されます。未修飾の下層の原子は、この低エネルギーイオンではエッチングされないため、さらに一層ごとの精密な制御が可能となります。
このように、反応性ガスの自己限定的な吸着と化学反応は、ALEが究極の膜厚制御と均一性を実現できる理由の中核をなしています。
反応性ガスが表層元素としか反応しないのは、「自己限定的吸着」と「バリア形成」のためです。表面の活性サイトが飽和吸着するとそれ以上反応せず、また生成された反応層が下層への反応を阻害することで、正確に1原子層分の反応に留まります。
用いられる反応性ガスにはどんな種類があるのか
原子層エッチング（ALE）で使用される反応性ガスは、エッチングしたい材料の種類と、その表面を自己限定的に修飾できる特性を持つものが選ばれます。一般的なドライエッチングと同様に、主にハロゲン系のガスが中心となりますが、ALEではそのプロセスを原子層レベルで制御するための特別な条件や組み合わせが重要になります。
1. 塩素系ガス (Chlorine-based Gases)
- 代表例: Cl2 (塩素)、BCl3 (三塩化ホウ素)
- 主な対象材料: シリコン (Si)、化合物半導体（GaAs、GaNなど）、アルミニウム (Al) など。
- 役割: 塩素ガスが表面の原子と反応し、その原子層を塩素化（例: Si 表面が SiClx に）します。この塩素化層が自己限定的に形成され、次のステップでイオンによって選択的に除去されます。
2. フッ素系ガス (Fluorine-based Gases)
- 代表例: CF4 (四フッ化炭素)、SF6 (六フッ化硫黄)、NF3 (三フッ化窒素) など。場合によってはCHF3やC4F8のようなフルオロカーボンガスも検討されますが、ALEでは側壁へのポリマー形成を厳密に制御する必要があります。
- 主な対象材料: シリコン (Si)、二酸化ケイ素 (SiO2)、窒化ケイ素 (Si3N4) など。
- 役割: 表面をフッ素化します。ただし、ガリウム（Ga）などの特定の元素はフッ化物（GaF₃など）の揮発性が低いため、フッ素系ガスが適さない場合もあります。
3. 酸素系ガス (Oxygen-based Gases)
- 代表例: O2 (酸素)
- 主な対象材料: 特定の金属（モリブデンなど）の酸化物層の形成に用いられます。
- 役割: 例えばモリブデンのALEでは、まずO2を供給して表面を酸化モリブデン（MoOₓ）に修飾し、その後に塩素系ガスなどで酸化モリブデンを揮発性化合物に変換し、除去するサイクルが報告されています。これは、直接エッチングではなく、表面を修飾するための反応性ガスとして使用されます。
4. ブロモ系ガス (Bromine-based Gases)
- 代表例: HBr (臭化水素)
- 主な対象材料: シリコン (Si) や特定の金属、化合物半導体など。
- 役割: 塩素系ガスと同様に表面を臭素化します。より精密な制御が必要な場合に選択されることがあります。
5. 不活性ガス (Inert Gases)
- 代表例: Ar (アルゴン)、He (ヘリウム)
- 主な役割: 反応性ガスではありませんが、ALEの「除去ステップ」で低エネルギーイオンの源として使用されます。このイオンが、前のステップで化学修飾された最表面の原子層を物理的にたたき出して除去します。
ALEでは、これらの反応性ガス単体、または不活性ガスとの組み合わせが、特定の材料の原子層を精密にエッチングするために選択されます。最も重要なのは、反応性ガスが表面の原子層と自己限定的に反応し、次のステップでその修飾された層だけが選択的に除去されるというサイクルを確立することです。
原子層エッチングの反応性ガスは、自己限定的な表面修飾が可能なものを選びます。主にシリコン等には塩素系ガスやフッ素系ガスを使用し、表面を化学的に改質します。除去ステップでは不活性ガス（Ar）イオンを用います。
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