エッチングは、マスクの形を下の材料へ移す工程
リソグラフィで作ったレジストの開口を使い、露出した薄膜を除去します。
- INPUTレジストに開口がある
リソグラフィで加工したい場所だけを露出させます。
- ETCH露出部を除去する
マスクで守られた部分との差を作り、必要な深さまで加工します。
- OUTPUT薄膜へ形が移る
必要に応じてレジストを除去し、次の成膜・洗浄・加工へ進みます。
東京エレクトロンは、エッチングをリソグラフィで形成したパターンに沿って薄膜を加工する工程と説明しています。トランジスタ、コンタクト、配線、メモリの穴や溝など、層ごとに対象材料と必要な形が異なります。
守る材料にはフォトレジストのほか、加工耐性を持つ薄膜を使うハードマスクがあります。対象膜を必要な形へ加工した後は、マスクの除去や残留物の洗浄が続くことがあります。
ウェットは液体、ドライは気体と真空環境を使う
二つの方式は、反応種を材料表面へ届ける方法と方向制御のしやすさが異なります。
| 方式 | 仕組みと見方 |
|---|---|
| ウェットエッチング | 液体の薬液と材料を反応させて除去。一般に等方的になりやすく、材料選択性を高くできる場合がある |
| ドライエッチング | 真空チャンバへ気体を導入し、プラズマなどで反応種とイオンを作って除去。方向性を与えやすい |
| 使い分け | 対象材料、必要な断面、寸法、選択比、ダメージ、生産性、安全性、後洗浄を合わせて判断 |
Lam Researchは、ウェットエッチングを液体の化学薬品へウェーハをさらす方式、ドライエッチングを真空中で反応性ガスを使う方式と説明しています。ウェットは一度に複数枚を処理する構成もあり、比較的単純な形状や材料選択性を生かす用途で使われます。
微細な縦壁や深い穴を作る場面では、イオンの方向性を利用できるドライエッチングが中心になります。ただし、ウェットが必ず等方性、ドライが必ず異方性とは限りません。材料、結晶方位、反応種、イオンエネルギー、圧力などで加工方向は変わります。
ドライエッチングでは、ラジカルの反応とイオンの方向性を組み合わせる
プラズマは気体の一部が電子、イオン、ラジカルなどに分かれた反応性の高い状態です。
- 01真空とガス供給
チャンバを排気し、対象材料に合わせた反応性ガスを導入
→ - 02プラズマ生成
高周波電力などで電子、イオン、ラジカルを生成
→ - 03表面へ輸送
ラジカルを拡散させ、電界でイオンの進む方向をそろえる
→ - 04表面反応・衝突
化学反応と物理的な衝撃を組み合わせ、対象材料を変化させる
→ - 05生成物を排気
揮発性の反応生成物を表面から離し、チャンバ外へ排出
ラジカルは電気的に中性で、材料表面と化学反応しやすい活性種です。イオンは電界から力を受けるため、ウェーハへ向かう方向をそろえやすく、底部の反応促進や表面結合の切断に寄与します。
Lam Researchは、反応性の中性種と高エネルギーのイオンを組み合わせることで、材料選択性、加工速度、側壁形状を制御できると説明しています。一方、強すぎるイオン衝撃はマスク消耗や下地ダメージの要因になるため、化学反応との釣り合いが重要です。
等方性と異方性は、加工が進む方向を表す
同じ量を除去しても、横方向への広がりでパターン寸法と側壁形状が変わります。
マスクの下へ横方向の加工が進む状態。狙って使う場合も、寸法ずれになる場合もあります。
垂直、順テーパー、逆テーパーなど、壁の角度と滑らかさを確認します。
マスク寸法に対して、加工後の線幅や穴径がどの程度変化したかを測ります。
等方性エッチングは複数方向へ同程度に進むため、開口の下だけでなく横にも加工が広がります。異方性エッチングは特定方向を強め、微細なパターンを深さ方向へ移しやすくします。
先端構造では、細い開口を深く加工する高アスペクト比エッチングが必要です。東京エレクトロンは、深い穴や溝でウェーハ面内の均一性、形状、選択性、ウェーハ間ばらつきを制御する重要性を示しています。
選択比は、対象膜を他の材料より速く除去できる度合い
加工対象だけを除去し、マスク、停止層、隣接材料をできるだけ残すための重要な指標です。
| 比較する材料 | 選択性が必要な理由 |
|---|---|
| 対象膜 ÷ マスク | 加工が終わるまでレジストやハードマスクの形を保つ |
| 対象膜 ÷ 停止層 | 対象膜を抜いた後、下の薄膜や基板の損失を抑える |
| 対象膜 ÷ 隣接材料 | 複雑な三次元構造で必要な材料だけを選んで除去する |
選択比が低いと、対象膜を除去し終える前にマスクが薄くなったり、加工後の余裕時間で下地を削ったりします。逆に、対象材料との反応差を大きくできれば、ばらつきを吸収しながら下地を守りやすくなります。
Applied Materialsは選択エッチングを、周囲の材料を変化・損傷させずに不要な材料を除去する技術と説明しています。微細化と三次元化で異種材料が近接するほど、形状の方向性とは別に、材料間の選択性が重要になります。
対象材料と構造によって、反応と装置を使い分ける
導体、絶縁体、半導体材料では反応生成物と必要な形状が異なります。
酸化物・窒化物などへ穴や溝を作り、コンタクトや配線の接続空間を形成します。
金属や導電膜を加工し、電極、ゲート、配線などのパターンを形成します。
素子分離、ゲート、メモリ構造など、基板・半導体膜へ必要な形を作ります。
Lam Researchはエッチング用途を導体、誘電体、選択エッチングなどに分けています。同じ装置カテゴリでも、対象材料と反応生成物に合わせてガス、プラズマ、温度、圧力、チャンバ表面の管理が変わります。
深い穴では反応種を底部まで届け、生成物を外へ戻す必要があります。開口が狭くなるほど輸送が難しくなるため、加工深さで速度や形状が変わる影響も含めて工程を設計します。
ALEは、表面の改質と除去を分けて少しずつ加工する
Atomic Layer Etchingは、原子層レベルの加工制御を目指す周期的なエッチングです。
- 01表面を改質
反応種を供給し、表面の薄い範囲を除去しやすい状態へ変える
→ - 02余分な反応種を排出
次の反応と空間で混ざらないよう、パージまたは排気する
→ - 03改質層を除去
別の反応や低いエネルギーのイオンで、変化した範囲を取り除く
→ - 04生成物を排出
表面を次の周期へ戻し、必要な深さまで繰り返す
- 01反応深さを限定する
- 02除去量を小さく制御する
- 03下地損失とダメージを抑える
一周期で必ず完全な一原子層だけを除去するとは限りません。自己制限性と周期ごとの再現性が重要です。
Lam ResearchはALEを、表面改質と改質した材料の除去を交互に行い、各周期で薄い層を取り除く技術と説明しています。連続的なエッチングより工程を細かく区切り、選択性、寸法、ダメージを精密に制御する狙いがあります。
ALEはすべての加工を置き換える方式ではありません。必要な精度、加工量、生産性、材料系に応じて、連続エッチングと組み合わせたり、重要な終端部分へ使ったりします。
エッチングは、速度・形状・選択性・均一性を同時に管理する
加工速度だけを上げても、寸法や下地が崩れれば目的の構造にはなりません。
対象膜が必要な時間で除去でき、ウェーハごとの膜厚差を吸収できるか。
中心と外周、ウェーハごと、チャンバごとの深さと寸法をそろえる。
側壁角度、底部、穴径、線幅、深さ、アンダーカットを確認する。
対象膜を除去しつつ、マスク、停止層、隣接材料を守る。
イオン、光、帯電、熱などによる下地や素子への影響を抑える。
反応生成物、側壁付着物、粒子、腐食などを後洗浄まで含めて管理する。
装置では、ガス流量、圧力、電力、基板バイアス、温度、処理時間などを制御します。結果は膜厚・深さ測定、CD測定、断面観察、欠陥検査、電気測定などで確認し、装置状態と結び付けて工程へ戻します。
チャンバ内壁への堆積や部品の消耗も再現性に影響します。そのためプロセス条件だけでなく、クリーニング、部品交換、終点検出、装置間差、消耗品の状態を一体で管理します。
エッチング工程には、化学・プラズマ・真空・計測の技術が集まる
材料表面の反応から装置の安定稼働まで、複数分野が同じ加工結果へ関わります。
| 技術・職種 | 主な役割 |
|---|---|
| プロセス | 材料と形状に合わせ、ガス・薬液、圧力、電力、温度、時間を設計する |
| 装置・機械 | チャンバ、搬送、真空、温調、電極、部品寿命と保守性を設計・維持する |
| 電気・プラズマ | 高周波電源、整合、イオンエネルギー、プラズマ密度と均一性を制御する |
| 材料・化学 | 表面反応、反応生成物、選択性、腐食、残留物の仕組みを解析する |
| 計測・解析 | 深さ、CD、側壁、選択比、欠陥、電気特性を測り、原因を切り分ける |
| 設備・安全 | 反応性ガス、薬液、排気、除害、漏えい監視を安全に管理する |
Lam Research、東京エレクトロン、Applied Materialsなどがエッチング装置とプロセス技術を提供しています。デバイスメーカーでは、リソグラフィ、成膜、洗浄、計測との接続を含めて工程を統合します。
半導体のエッチングでよくある質問
方式名と加工結果を混同しないための基本を整理します。
- 半導体のエッチングとは何ですか？
- レジストやハードマスクで守られていない材料を除去し、回路パターンを下の薄膜や基板へ移す工程です。トランジスタ、コンタクト、配線、メモリの穴や溝などを作ります。
- ウェットエッチングとドライエッチングの違いは？
- ウェットは液体の薬液、ドライは真空中の気体やプラズマを使います。一般にドライはイオンの方向性を利用して縦方向を強めやすく、ウェットは等方的になりやすいですが、材料と条件によって変わります。
- 等方性と異方性の違いは？
- 等方性は複数方向へ加工が進み、マスク下へ横に広がりやすい性質です。異方性は特定方向を強め、微細パターンを深さ方向へ転写しやすい性質です。
- 選択比とは何ですか？
- 加工対象と、マスクや停止層など保護したい材料の加工速度の比です。どの二材料を、どの条件で比べた値かを確認する必要があります。
- プラズマは材料を物理的に削るだけですか？
- いいえ。代表的なドライエッチングでは、ラジカルによる化学反応と、方向を持つイオンの衝突を組み合わせます。両者の釣り合いで速度、選択性、側壁形状、ダメージが変わります。
- ALEなら必ず一原子層ずつ除去できますか？
- 一周期あたりの除去量は材料と反応によって異なり、必ず完全な一原子層とは限りません。表面改質と除去を分け、自己制限的な反応で小さな除去量を制御することが要点です。
まとめ｜方向・材料・断面の三つでエッチングを見る
エッチングは、不要な材料を除去しながら必要な形と材料を残す工程です。
等方性・異方性とイオンの方向性から、横広がりと深さを考える
対象膜、マスク、停止層、隣接材料の選択比を見る
CD、側壁、底部、深さ、残留物を前後工程と合わせる
次の個別記事では、エッチング前後の表面を整える洗浄、または材料の電気的性質を変えるイオン注入・拡散を取り上げ、反復する前工程をつないでいきます。