高密度プラズマエッチングとは何か？どのような利点があるのか？どのようなガスが使用されるのか？

この記事で分かること

高密度プラズマエッチング

　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。

　今回は反応性イオンエッチングをさらに進化させた高密度プラズマ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。

高密度プラズマエッチングとは何か

　高密度プラズマエッチング（High Density Plasma Etching: HDP-Etching）は、従来の反応性イオンエッチング（RIE）をさらに進化させたドライエッチング技術です。その名の通り、非常に高い密度のプラズマを生成することを特徴としています。

なぜ高密度プラズマが必要か？

　半導体デバイスの微細化、特に高アスペクト比（深く細い溝や穴）の構造を形成するためには、以下の条件が求められます。

1. イオンの直進性: イオンが他の粒子と衝突せずに、ウェーハの底面に垂直に到達する必要があります。そのためには、チャンバー内を低圧力に保つ必要があります。
2. 高速エッチングレート: 低圧力にすると、プラズマを生成するためのガス分子が少なくなり、プラズマ密度が低下しがちです。しかし、生産性を維持するためには、高いエッチング速度が必要です。

　従来のRIEでは、プラズマ密度とイオンエネルギーが相互に影響し合うため、低圧力下で十分なプラズマ密度を維持することが困難でした。そこで開発されたのが高密度プラズマエッチングです。

高密度プラズマエッチングの原理と特徴

　HDP-Etchingは、プラズマを生成する部分（プラズマ源）と、ウェーハにバイアス電圧を印加する部分（ウェーハ電極）を独立して制御できる構造になっている点が大きな特徴です。主な高密度プラズマ源のタイプと特徴は以下の通りです。

誘導結合プラズマ (Inductively Coupled Plasma: ICP)

• 最も一般的なHDPエッチング技術です。

• チャンバーの外部にコイル（アンテナ）を配置し、そこに高周波電流を流すことで、電磁誘導によってチャンバー内部にプラズマを生成します。

特徴

• 高密度プラズマ: 低圧下でも高密度のプラズマ（ラジカルやイオン）を効率的に生成できます。これにより、高いエッチングレートが得られます。
• イオンエネルギーの独立制御: プラズマ生成用のRF電力と、ウェーハにバイアス電圧を印加するRF電力を独立して制御できます。これにより、エッチング速度（プラズマ密度）と異方性（イオンエネルギー）をそれぞれ最適化することが可能です。
• 低ダメージ: イオンエネルギーを低く設定できるため、ウェーハへのダメージを低減できます。

電子サイクロトロン共鳴 (Electron Cyclotron Resonance: ECR)：

　磁場とマイクロ波を組み合わせて、電子が磁場の力を受けながらマイクロ波のエネルギーを吸収し、プラズマを生成します。

特徴

• ICPと同様に高密度プラズマを生成できます。
• 非常に低い圧力でも高密度プラズマが得られるため、さらなるイオンの直進性を追求できます。

独立制御の利点はどこか

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　高密度プラズマエッチング（HDP-Etching）における独立制御の利点は、プラズマの生成（ラジカルとイオンの量）と、ウェーハへのイオンの衝突エネルギーをそれぞれ最適化できる点にあります。これにより、以下のメリットが生まれます。

• 高アスペクト比加工: イオンのエネルギーを調整しつつ、プラズマを高密度に保てるため、深く垂直な溝や穴を効率良くエッチングできます。
• 高速エッチングレート: プラズマ密度が高いので、反応に必要なラジカルやイオンの供給量が多く、エッチング速度が向上します。
• 低ダメージ: ウェーハに衝突するイオンのエネルギーを低く設定できるため、物理的なダメージを最小限に抑えつつ、必要なエッチングが可能です。
• 高均一性・高選択性: イオンの量とエネルギーを精密に制御することで、ウェーハ全体での均一なエッチングが容易になり、狙った材料だけをエッチングする選択性も高まります。

　この独立制御により、従来のRIEでは難しかった微細な加工と、高品質な仕上がりを両立できるようになります。

高密度プラズマでも使用するガスは同じなのか

　高密度プラズマエッチング（HDP-Etching）でも、基本的な反応性ガス（元素）の種類は従来のRIEと同じです。

　これは、エッチングしたい材料の「化学的性質」が、プラズマの密度や生成方法に依らず、その材料と反応する特定の元素（フッ素、塩素、臭素、酸素など）を必要とするからです。

　しかし、HDP-Etchingは高密度プラズマと独立制御の利点があるため、同じガスを使用しても、プロセスの条件や最適化の方法が異なり、より高度な加工が可能になります。

同じガスを使用する理由

• 材料固有の反応性:
  • シリコンやその酸化物・窒化物はフッ素と反応して揮発性のケイ素フッ化物を作ります。
  • アルミニウムや特定の金属は塩素と反応して揮発性の塩化物を作ります。
  • 有機物（レジストなど）は酸素と反応して二酸化炭素や水になります。 これらの化学反応の根幹は、材料と特定の元素との結合です。

HDP-Etchingで異なる点・進化する点

　同じガスを使っても、HDP-Etchingでは以下のような点で従来のRIEと違いが出ます。

1. ガス流量・圧力の最適化: HDP-Etchingは低圧で高密度プラズマを生成できるため、従来のRIEよりも低い圧力でプロセスを行うことが一般的です。また、ガス流量も高密度化に対応して最適化されます。
2. ガス混合比の精密化: 高密度プラズマでは、ラジカルやイオンの生成効率が異なるため、複数のガスを混合する際の比率をより精密に調整し、目的の選択性や異方性を最大限に引き出します。
3. 付加的なガスの使用:
   • 不活性ガス (Ar, He, Xeなど): 高密度プラズマは、イオンの直進性を高めるために、より高比率のアルゴンなどの不活性ガスを導入し、物理的スパッタリングの寄与を強調する場合があります。
   • パッシベーションガス: 側壁保護膜の形成をより効果的にするために、従来のRIEよりもさらに高度なパッシベーション効果を持つガス（例: C4​F8​などの重いフルオロカーボンガスや、特定の水素含有ガスなど）が、より広い範囲で使われる傾向があります。