クライオエッチングとは何か？低温にする理由は何か？

この記事で分かること

クライオエッチング

　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。

　今回はクライオ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。

クライオエッチングとは何か

　クライオエッチング（Cryo-Etching）とは、半導体製造のドライエッチングにおいて、ウェーハ（半導体基板）を極低温に冷却しながらエッチングを行う技術です。通常、-50℃から-150℃以下の低温環境下で実施されます。

クライオエッチングの原理と目的

　従来のドライエッチング（RIEなど）でも温度制御は行われますが、クライオエッチングは特にウェーハを深く冷却することで、エッチングプロセスを精密に制御します。その主なメカニズムは以下の通りです。

1. 冷却: まず、ウェーハを置く電極を、液体窒素などの冷媒を用いて極低温（例：-100℃以下）まで冷却します。ウェーハ自体もこの温度まで下がります。
2. プラズマ生成と反応: 従来のドライエッチングと同様に、反応性ガス（主にフッ素系や塩素系ガス）を導入し、RF電力でプラズマを生成します。プラズマ中のラジカルやイオンがウェーハ表面に到達します。
3. 側壁保護膜の形成:
   • クライオエッチングの最大の特徴は、低温環境下でエッチングガスの成分（特に副生成物や、意図的に導入された炭素含有ガスなど）が、エッチングの「側壁」に効果的に凝縮・吸着し、薄い保護膜（パッシベーション膜）を形成することです。
   • この保護膜は、横方向への化学エッチングや物理的スパッタリングを強力に抑制します。
   • 一方、ウェーハの「底面」では、イオンが垂直に衝突するため、この保護膜が物理的に除去され、エッチング反応が進行します。
4. エッチング: 結果として、保護膜に覆われた側壁はエッチングされず、イオンが衝突する底面のみが効率的にエッチングされるため、極めて垂直性の高い（高異方性の）パターンが形成されます。

クライオエッチングの利点

• 高アスペクト比加工: 深くて細い溝や穴（ビアホール）を、極めて垂直に、かつ高いアスペクト比で形成できます。これは、3D NANDフラッシュメモリなど、多層構造を持つデバイスの製造に不可欠です。
• 高異方性: 側壁への効果的な保護膜形成により、アンダーカットを最小限に抑え、非常に垂直な加工が可能です。
• ダメージ軽減: 低温環境下では、化学反応の速度が制御しやすくなり、またイオンによる物理的ダメージが抑制される可能性があります。
• 高選択性: 特定の材料に対するエッチングの選択性が向上する場合があります。
• 生産性向上: 特定のプロセスにおいて、エッチング速度を向上させることができ、製造スループットの改善に寄与します。
• 環境負荷低減: エッチング速度が向上することで、処理時間が短縮され、消費エネルギーが削減される可能性があります。また、特定の温暖化係数の高いガスの使用量を減らせるケースも報告されています。

クライオエッチングの課題

• 装置の複雑性: 極低温を維持するための冷却システム（液体窒素供給系など）が必要となり、装置構造が複雑化し、コストも高くなります。
• 結露・汚染: チャンバー内やウェーハ表面での結露（水蒸気凍結）や、排気系での副生成物の凍結による詰まりなど、低温特有の問題が発生する可能性があります。これを防ぐための真空断熱構造や温調アシスト機能が必要です。
• プロセス制御の複雑性: 温度、ガス流量、RF電力など、複数のパラメータを精密に制御し、安定したプロセスを確立することが求められます。

用途

　クライオエッチングは、特に3D NAND型フラッシュメモリの製造において、数百層にわたる深いホール（メモリーホール）を垂直かつ均一に開ける技術として注目されています。また、FinFETなどの次世代ロジックデバイスにおける微細加工にも応用が期待されています。

　現在、Lam Researchや東京エレクトロンなどの大手半導体製造装置メーカーが、このクライオエッチング技術の開発と製品化を進めています。

なぜ、低温にするのか

　クライオエッチングでウェーハを極低温にする理由は、主に以下の2つのメカニズムを効果的に利用し、エッチングの異方性と精密さを極限まで高めるためです。

側壁への保護膜形成を促進するため (最も重要)

• エッチングガスや反応中に生成される副生成物（例えば、フッ素系ガスを用いた場合に発生するCFxポリマーなど）は、通常は気体として存在します。
• しかし、ウェーハ表面が極低温に冷却されていると、これらの分子がエッチングされる側壁部分に効率的に凝縮・吸着し、薄い保護膜（パッシベーション膜）を形成しやすくなります。
• この保護膜が側壁を物理的・化学的エッチングから強力に保護することで、横方向へのエッチング（アンダーカット）が抑制され、極めて垂直な壁が実現されます。
• 一方、底面では、イオンが垂直に衝突することでこの保護膜が物理的に除去されるため、エッチングが進行します。

化学反応速度を制御するため

• 低温にすることで、エッチングの化学反応の速度を低下させることができます。
• これにより、ラジカルによる等方性的な化学エッチングの寄与を抑え、イオンによる物理的な方向性の寄与を相対的に強調することが可能になります。
• また、低温は、特定の化学反応が起こる温度ウィンドウを狭め、反応の選択性を高める効果を持つ場合もあります。

　これらの理由により、クライオエッチングは、深くて細い溝や穴を高精度で加工する際に不可欠な技術となっています。

原子層エッチングとクライオエッチングの違いはなにか？

　原子層エッチング（ALE）とクライオエッチングは、どちらも半導体の微細加工を究極まで追求するための技術ですが、それぞれ異なる強みと適用領域を持っています。

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原子層エッチング (ALE) の強み

　ALEは、その名の通り原子1層単位でのエッチング制御を可能にする点で、最も微細なレベルでの加工精度を提供します。

• 究極の膜厚制御と均一性: 自己限定的な反応メカニズムにより、ウェーハ全面で原子1層レベルの均一な膜厚除去が可能です。これにより、デバイス特性のばらつきを最小限に抑えられます。
• 高い選択性: 狙った材料の表面のみを化学修飾し除去するため、マスクや下層の材料を損傷するリスクが極めて低いです。
• 低ダメージ: 非常に低エネルギーのイオンを用いるため、従来のドライエッチングに比べてウェーハへのプラズマダメージを大幅に抑制できます。

　ALEは、膜厚を非常に精密に制御したい場合や、極めてデリケートな材料を損傷なく加工したい場合に特に強みを発揮します。数ナノメートルオーダーの極薄膜や、最先端のトランジスタ構造（FinFET、GAAなど）の形成において、不可欠な技術として期待されています。

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クライオエッチングの強み

　クライオエッチングは、極低温を利用して高アスペクト比の構造を垂直に加工する際に非常に有効です。

• 高アスペクト比加工: 低温環境で側壁に保護膜が効率的に形成されるため、深く、かつ極めて垂直な溝や穴（ビアホール）を高精度で形成できます。
• 高異方性: 横方向へのエッチングを強力に抑制し、非常に垂直な壁を実現します。これは、多層構造を持つ3D NAND型フラッシュメモリの深いホール加工などに特に重要です。
• 高速性: 特定のプロセスにおいて、高いエッチング速度を維持しながら高異方性を実現できるため、生産性向上に貢献します。

クライオエッチングは、深さ方向への加工が特に重要で、かつ高いアスペクト比と垂直性が求められる場合に力を発揮します。

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どちらが「より微細化」に適しているか？

どちらが「より微細化できる」かという問いには、加工の「種類」によって答えが異なります。

• 原子レベルの膜厚制御や表面平坦性を追求するなら、原子層エッチング（ALE）が優れています。
• 深く、垂直な高アスペクト比構造を形成するなら、クライオエッチングが強みを発揮します。