スパッタリングによるドライエッチング その仕組みと特徴は？

この記事で分かること

スパッタリング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。

　今回はドライエッチングの一つである、スパッタリングによるエッチングの解説となります。

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。

物理的スパッタリングによる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。

　物理的スパッタリングによるエッチングは、ドライエッチングの一種であり、プラズマ中のイオンの物理的な衝撃によって、ウェーハ表面の原子を直接はじき飛ばして（スパッタして）除去する方法です。

原理

1. 不活性ガスの導入とプラズマ生成: 真空チャンバー内にアルゴン（Ar）やヘリウム（He）のような不活性ガスを導入します。
2. イオンの生成と加速: RF電力などを印加することで、不活性ガスをプラズマ状態にします。プラズマ中で生成された陽イオン（例: Ar⁺）は、ウェーハが置かれた電極に印加された負のバイアス電圧によって、ウェーハ表面に垂直に加速されます。
3. 原子のたたき出し: 加速されたイオンがウェーハ表面の薄膜材料に高速で衝突すると、運動エネルギーが薄膜の原子に伝わり、その原子を表面からたたき出します。
4. 排気: たたき出された原子は気体として真空チャンバーから排気され、これにより薄膜が除去されます。

特徴

• 異方性: イオンがウェーハ表面に垂直に衝突するため、エッチングは主に縦方向に進行し、非常に高い異方性を実現できます。これが、微細なパターン形成に不可欠な理由です。
• 材料を選ばない: 化学反応を伴わないため、化学的に不活性な材料や、揮発性の生成物を形成しにくい材料（例: Ptなどの貴金属）にも適用可能です。
• 非選択性: 原理的に材料を選ばない反面、エッチング対象の膜だけでなく、マスク材料や下層の膜も同じようにスパッタリングされる可能性があります。つまり、選択性が低いという欠点があります。

メリット

• 高い異方性: 微細なパターンや高アスペクト比の構造を形成するのに優れています。
• 幅広い材料への適用: 化学反応性が低い材料にもエッチングが可能です。
• 側壁の制御: イオンの衝突角度やエネルギーを調整することで、エッチング断面の形状をある程度制御できます。

デメリット

• エッチング速度が遅い: 化学エッチングや反応性イオンエッチングに比べて、原子を1つずつたたき出すため、一般的にエッチング速度が遅いです。
• 選択性が低い: エッチング対象の膜だけでなく、マスクや下層の膜も削ってしまう可能性があります。これにより、マスクの消耗が早まったり、デバイス特性に悪影響を与えたりする可能性があります。
• 基板へのダメージ: 高エネルギーのイオンが直接衝突するため、ウェーハ表面や下層の結晶構造に物理的な損傷（ダメージ）を与える可能性があります。これにより、電気的特性の劣化やリーク電流の増加などを引き起こすことがあります。
• 再付着（リデポジション）: スパッタされた原子がチャンバー内で再結合し、ウェーハの側壁や他の部分に再付着（リデポジション）することがあります。これが残渣となり、デバイスの不良につながることがあります。
• 装置コストが高い: 真空環境とプラズマ生成のための複雑な装置が必要で、導入コストが高いです。

用途

　純粋な物理的スパッタリング（スパッタエッチング）単独で用いられることは、半導体製造の前工程では限定的です。これは、上記のデメリット、特にエッチング速度の遅さとダメージの懸念があるためです。しかし、その異方性の高さと材料を選ばない特性から、以下のような場面で活用されます。

• 難エッチング材料のエッチング: 化学反応性の低い貴金属（Pt、Auなど）や一部の酸化物、窒化物などのエッチング。
• 反応性イオンエッチング (RIE) の一部として: 物理的スパッタリングは、RIEにおいて化学反応と組み合わされることで、エッチングの異方性を高め、側壁保護膜の形成を助ける重要な役割を担います。RIEが主流であるのは、化学的反応のエッチング速度と選択性、物理的スパッタリングの異方性を両立できるためです。
• 表面クリーニングやアッシング（レジスト除去）後の残渣除去：極薄い層の除去や表面の平坦化。

　このように、物理的スパッタリングは単独で主役になることは少ないですが、ドライエッチングの重要なメカニズムの一つとして、他のメカニズム（化学的反応）と複合的に利用されることで、現代の半導体微細加工を支えています。

なぜ、原子がたたき出されるのか

　原子をたたき出すメカニズムは、運動量伝達（momentum transfer）に基づいています。これは、ビリヤードの球が別の球に衝突してエネルギーを伝える様子に似ています。

高エネルギーイオンの生成と加速

• 真空チャンバー内で不活性ガス（例: アルゴン、Ar）にRF電力を印加し、プラズマを生成します。このプラズマ中には、正に帯電したイオン（例: Ar⁺）が存在します。
• ウェーハが置かれた電極に負の電圧（バイアス電圧）を印加すると、プラズマ中の陽イオンがこの負の電極に向かって強く引きつけられ、ウェーハ表面に垂直に高速で加速されます。

イオンの衝突と運動量伝達

• 高速で加速されたイオンがウェーハ表面の原子に衝突します。このとき、イオンが持つ運動エネルギーが、表面の原子に伝えられます。
• 衝突を受けた表面の原子は、その運動エネルギーを受け取り、周囲の原子との結合エネルギーを断ち切って、表面から飛び出します。これをスパッタリングと呼びます。

衝突カスケード

• イオンの衝突によって表面の原子がたたき出されるだけでなく、衝突によってエネルギーを受け取った原子が、さらにその周囲の原子に衝突し、次々と原子をはじき出す衝突カスケード（連鎖的な衝突）が発生することがあります。
• このカスケードによって、複数の原子が表面から放出される可能性があります。

放出と排気

• 表面からたたき出された原子は、気体となってチャンバー内の真空ポンプによって排気されます。これにより、目的の薄膜が除去されます。