初期の湿式エッチングは、洗浄または灰化プロセスの開発を促進した。今日では、プラズマを用いた乾式エッチングが主流となっている。エッチングプロセスプラズマは電子、陽イオン、ラジカルから構成される。プラズマにエネルギーを加えることで、中性状態の原料ガスの最外殻電子が剥ぎ取られ、これらの電子が陽イオンに変換される。
さらに、分子中の不完全な原子は、エネルギーを加えて電気的に中性のラジカルを形成することで除去できます。ドライエッチングでは、プラズマを構成する陽イオンとラジカルを使用します。陽イオンは異方性（特定の方向へのエッチングに適している）であり、ラジカルは等方性（あらゆる方向へのエッチングに適している）です。ラジカルの数は陽イオンの数よりもはるかに多いため、ドライエッチングはウェットエッチングと同様に等方性になります。
しかし、超小型回路を可能にするのは、ドライエッチングの異方性エッチングです。その理由は一体何でしょうか？また、陽イオンやラジカルのエッチング速度は非常に遅いという欠点があります。このような欠点がある中で、プラズマエッチング法を量産に適用するにはどうすればよいのでしょうか？
1. アスペクト比（A/R）
図1. アスペクト比の概念と、技術進歩がアスペクト比に与える影響
アスペクト比とは、水平方向の幅と垂直方向の高さの比（つまり、高さ÷幅）のことです。回路の臨界寸法（CD）が小さいほど、アスペクト比の値は大きくなります。つまり、アスペクト比が10で幅が10nmの場合、エッチング工程で開けられる穴の高さは100nmになります。したがって、超小型化（2D）や高密度化（3D）が求められる次世代製品では、エッチング中に陽イオンが下層膜に浸透できるように、極めて高いアスペクト比が必要となります。
2D製品において10nm未満の臨界寸法を持つ超小型化技術を実現するには、ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）のコンデンサアスペクト比を100以上に維持する必要がある。同様に、3D NANDフラッシュメモリも、256層以上のセル積層層を積層するために、より高いアスペクト比を必要とする。他のプロセスに必要な条件が満たされていても、必要な製品を製造するには、エッチングプロセス基準を満たしていない。だからこそ、エッチング技術の重要性がますます高まっているのだ。
2. プラズマエッチングの概要
図2．フィルムの種類に応じたプラズマ源ガスの決定
中空管を使用する場合、管径が狭いほど液体が入り込みやすく、これは毛細管現象と呼ばれる。しかし、露出部分に穴（閉じた端）を開けると、液体の流入が非常に困難になる。そのため、1970年代半ばの回路の臨界サイズは3μmから5μmであったため、ドライエッチング湿式エッチングに代わって主流になりつつある。つまり、イオン化されているとはいえ、単一分子の体積が有機ポリマー溶液分子の体積よりも小さいため、深い穴にも容易に浸透できる。
プラズマエッチングを行う際は、エッチングに使用する処理チャンバー内部を、対象層に適したプラズマ源ガスを注入する前に真空状態に調整する必要があります。固体酸化膜をエッチングする場合は、より強力なフッ化炭素系プラズマ源ガスを使用する必要があります。比較的脆弱なシリコン膜や金属膜の場合は、塩素系プラズマ源ガスを使用する必要があります。
では、ゲート層と下層の二酸化ケイ素（SiO2）絶縁層はどのようにエッチングすればよいのでしょうか？
まず、ゲート層については、ポリシリコンエッチング選択性を有する塩素系プラズマ（シリコン＋塩素）を用いてシリコンを除去する。下部絶縁層については、エッチング選択性と有効性が高いフッ化炭素系プラズマ源ガス（二酸化ケイ素＋四フッ化炭素）を用いて、二酸化ケイ素膜を2段階でエッチングする。
3. 反応性イオンエッチング（RIEまたは物理化学エッチング）プロセス
図3．反応性イオンエッチングの利点（異方性と高いエッチング速度）
プラズマには等方性のフリーラジカルと異方性の陽イオンの両方が含まれているのに、なぜ異方性エッチングを行うのでしょうか？
プラズマドライエッチングは、主に反応性イオンエッチング（RIE）またはこの方法に基づく応用によって行われます。RIE法の核心は、異方性陽イオンでエッチング領域を攻撃することにより、膜中の標的分子間の結合力を弱めることです。弱められた領域はフリーラジカルによって吸収され、層を構成する粒子と結合し、ガス（揮発性化合物）に変換されて放出されます。
フリーラジカルは等方性を持つものの、底面を構成する分子（陽イオンの攻撃によって結合力が弱まっている）は、結合力が強い側壁よりもフリーラジカルに捕捉されやすく、新たな化合物へと変換されやすい。そのため、下方エッチングが主流となる。捕捉された粒子はフリーラジカルを含む気体となり、真空の作用によって表面から脱着・放出される。
この方法では、物理的作用によって得られたカチオンと化学的作用によって得られたフリーラジカルを組み合わせて物理的および化学的エッチングを行い、カチオンエッチングまたはフリーラジカルエッチングのみの場合と比較して、エッチング速度（エッチング速度、一定時間内のエッチング度）を10倍に増加させます。この方法は、異方性下方エッチングのエッチング速度を向上させるだけでなく、エッチング後のポリマー残留の問題も解決できます。この方法は、反応性イオンエッチング（RIE）と呼ばれます。RIEエッチングの成功の鍵は、フィルムのエッチングに適したプラズマ源ガスを見つけることです。注：プラズマエッチングはRIEエッチングであり、両者は同じ概念とみなすことができます。
4. エッチング速度とコア性能指標
図4．エッチング速度に関連するコアエッチング性能指標
エッチング速度とは、1分間に到達すると予想される膜の深さを指します。では、1枚のウェハー上で部品ごとにエッチング速度が異なるというのは、どういう意味なのでしょうか？
これは、ウェーハ上の部分ごとにエッチング深さが異なることを意味します。そのため、平均エッチング速度とエッチング深さを考慮して、エッチングを停止する終点（EOP）を設定することが非常に重要です。EOPを設定しても、当初の計画よりもエッチング深さが深い（過剰エッチング）または浅い（不足エッチング）領域が残ります。しかし、エッチング中に過剰エッチングよりも不足エッチングの方が大きな損傷を引き起こします。なぜなら、不足エッチングの場合、不足した部分がイオン注入などの後続工程を妨げるからです。
一方、選択性（エッチング速度で測定）は、エッチングプロセスの重要な性能指標です。測定基準は、マスク層（フォトレジスト膜、酸化膜、窒化ケイ素膜など）とターゲット層のエッチング速度を比較することに基づいています。つまり、選択性が高いほど、ターゲット層のエッチング速度が速くなります。微細化のレベルが高くなるほど、微細パターンを完璧に形成するためには、より高い選択性が求められます。エッチング方向が直線であるため、カチオンエッチングの選択性は低く、ラジカルエッチングの選択性は高いため、RIEの選択性が向上します。
5. エッチング工程
図5．エッチング工程
まず、ウェハを800～1000℃に保たれた酸化炉に入れ、乾式法によりウェハ表面に高絶縁性の二酸化ケイ素（SiO2）膜を形成する。次に、化学気相成長法（CVD）または物理気相成長法（PVD）を用いて、酸化膜上にシリコン層または導電層を形成する。シリコン層が形成された場合、必要に応じて不純物拡散処理を行い、導電率を高めることができる。不純物拡散処理では、複数の不純物が繰り返し添加されることが多い。
この段階では、絶縁層とポリシリコン層を一体化してエッチングを行う必要があります。まず、フォトレジストを使用します。次に、フォトレジスト膜上にマスクを配置し、浸漬による湿式露光を行うことで、肉眼では見えない所望のパターンをフォトレジスト膜上に転写します。現像によってパターンの輪郭が現れたら、感光領域のフォトレジストを除去します。その後、フォトリソグラフィ工程で加工されたウェハを、ドライエッチングを行うエッチング工程に移します。
ドライエッチングは主に反応性イオンエッチング（RIE）によって行われ、各膜に適したソースガスを交換することでエッチングが繰り返されます。ドライエッチングとウェットエッチングの両方とも、エッチングのアスペクト比（A/R値）を高めることを目的としています。さらに、穴の底（エッチングによって形成された隙間）に蓄積したポリマーを除去するために、定期的なクリーニングが必要です。重要な点は、クリーニング溶液またはプラズマソースガスがトレンチの底まで流れるように、すべての変数（材料、ソースガス、時間、形状、順序など）を有機的に調整する必要があることです。変数のわずかな変更は他の変数の再計算を必要とし、この再計算プロセスは各段階の目的に合致するまで繰り返されます。近年、原子層堆積（ALD）層などの単原子層はより薄く、より硬くなっています。そのため、エッチング技術は低温・低圧での使用へと移行しています。エッチングプロセスは、微細なパターンを生成するために臨界寸法（CD）を制御し、エッチングプロセスによって引き起こされる問題、特にアンダーエッチングや残留物除去に関する問題を回避することを目的としています。上記２つのエッチングに関する記事は、読者にエッチングプロセスの目的、上記の目標達成を阻む障害、そしてそのような障害を克服するために使用される性能指標について理解を深めてもらうことを目的としています。
投稿日時：2024年9月10日