初期のウェットエッチングは洗浄やアッシングプロセスの発展を促進した。今日ではプラズマを用いたドライ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、ラジカルで構成されています。プラズマにエネルギーを加えると、中性状態にある原料ガスの最外殻電子が剥ぎ取られ、陽イオンに変換されます。
さらに、分子内の不完全な原子は、エネルギーを加えて電気的に中性なラジカルを形成することで剥離することができます。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が用いられます。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をはるかに上回ります。この場合、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となります。
しかし、超微細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。なぜでしょうか？さらに、カチオンやラジカルのエッチング速度は非常に遅いです。この欠点を踏まえて、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の影響
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、高さを幅で割った値）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にする必要があります。そのため、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部膜を透過できるように、極めて高いアスペクト比が求められます。
2D製品において臨界寸法10nm未満の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）のコンデンサのアスペクト比を100以上に保つ必要があります。同様に、3D NANDフラッシュメモリも、セル積層層を256層以上積層するため、より高いアスペクト比が求められます。他のプロセスに必要な条件が満たされていても、エッチングプロセス基準を満たしていません。そのため、エッチング技術がますます重要になっています。
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ソースガスの決定
中空管を使用する場合、管径が細いほど液体が入り込みやすく、いわゆる毛細管現象が起こります。しかし、露出部に穴（閉端）を開ける場合、液体の流入は非常に困難になります。そのため、1970年代半ばには回路の臨界サイズは3μmから5μmであったため、乾燥管は、エッチングウェットエッチングに代わり、徐々に主流となってきました。つまり、イオン化されているにもかかわらず、分子1個あたりの体積が有機ポリマー溶液分子よりも小さいため、深い穴にも浸透しやすいのです。
プラズマエッチングを行う際は、エッチングを行う処理室の内部を真空状態に調整した後、対象層に適したプラズマソースガスを注入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ソースガスを使用する必要があります。比較的弱いシリコン膜や金属膜の場合は、塩素系プラズマソースガスを使用する必要があります。
では、ゲート層とその下の二酸化シリコン (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持つ塩素系プラズマ（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、よりエッチング選択性とエッチング効率に優れたフッ化炭素系プラズマソースガス（二酸化シリコン＋四フッ化炭素）を用いて、二酸化シリコン膜を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カチオンの両方が含まれていますが、どのようにして異方性エッチングを実行するのでしょうか?
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、Reactive Ion Etching）またはこの手法に基づくアプリケーションによって行われます。RIE法の核心は、エッチング領域を異方性陽イオンで攻撃することで、膜中のターゲット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吸収され、膜を構成する粒子と結合してガス（揮発性化合物）に変換され、放出されます。
フリーラジカルは等方的な性質を持つものの、陽イオンの攻撃によって結合力が弱まる底面を構成する分子は、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、新たな化合物に変換されます。そのため、下向きのエッチングが主流となります。捕捉された粒子はフリーラジカルとともにガス化し、真空の作用によって表面から脱離・放出されます。
このとき、物理的作用によって得られた陽イオンと化学的作用によって得られた遊離ラジカルが物理的・化学的エッチングに組み合わされ、陽イオンエッチングまたは遊離ラジカルエッチング単独の場合と比較して、エッチング速度（エッチング速度、一定時間当たりのエッチング度合い）が10倍に増加します。 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物の問題を解決することもできます。 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ソース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、2つ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数
図4. エッチング速度に関連したコアエッチング性能指数
エッチングレートとは、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枚のウェーハ上の部分ごとにエッチングレートが異なるというのはどういう意味でしょうか？
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エンドポイント（EOP）を設定することが非常に重要です。EOPを設定したとしても、エッチング深さが当初の計画よりも深くなる（オーバーエッチング）部分や浅くなる（アンダーエッチング）部分が残ります。しかし、アンダーエッチングはオーバーエッチングよりもエッチング中に大きなダメージを与えます。アンダーエッチングの場合、アンダーエッチング部分がイオン注入などの後続工程に支障をきたすためです。
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、シリコン窒化膜など）とターゲット層のエッチング速度の比較に基づいています。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ければ高いほど、微細パターンを完璧に表現するために、選択性に対する要件は高くなります。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なりますが、ラジカルエッチングの選択性は高く、RIEの選択性が向上します。
5. エッチング工程
図5.エッチングプロセス
まず、ウェーハを800～1000℃に保持された酸化炉に入れ、乾式法によりウェーハ表面に絶縁性の高い二酸化シリコン（SiO2）膜を形成します。次に、化学気相成長法（CVD）／物理気相成長法（PVD）により、酸化膜上にシリコン層または導電層を形成する堆積工程に入ります。シリコン層を形成した場合、必要に応じて導電性を高めるために不純物拡散工程を実施します。不純物拡散工程では、複数の不純物を繰り返し添加することがよくあります。
このとき、絶縁層とポリシリコン層を組み合わせ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置き、液浸によるウェット露光を行い、フォトレジスト膜に所望のパターン（肉眼では見えない）を刻印します。現像によりパターンの輪郭が明らかになったら、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ー工程で処理されたウェーハをエッチング工程に移し、ドライエッチングを行います。
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、各膜に適した原料ガスを主に交換しながらエッチングを繰り返します。ドライエッチングとウェットエッチングはどちらも、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、ホール（エッチングによって形成された隙間）の底に蓄積したポリマーを除去するために、定期的な洗浄が必要です。重要な点は、洗浄液またはプラズマ原料ガスがトレンチ底まで確実に行き渡るように、すべての変数（材料、原料ガス、時間、形状、シーケンスなど）を有機的に調整することです。ある変数がわずかに変化すると、他の変数の再計算が必要になり、この再計算プロセスは各段階の目的を満たす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、より硬くなってきています。そのため、エッチング技術は低温・低圧化へと進んでいます。エッチングプロセスの目的は、微細パターンを形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起因する問題、特にエッチング不足や残渣除去に関連する問題を回避することです。エッチングに関する上記の 2 つの記事は、エッチング プロセスの目的、上記の目標を達成するための障害、およびそのような障害を克服するために使用されるパフォーマンス指標について読者に理解し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