初期のウェット エッチングは、洗浄またはアッシング プロセスの開発を促進しました。現在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ますエッチング工程。プラズマは電子、カチオン、ラジカルで構成されています。プラズマに加えられるエネルギーにより、中性状態にあるソース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、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により、分子内の不完全な原子を剥がすことができます。ドライ エッチングでは、プラズマを構成するカチオンとラジカルを使用します。カチオンは異方性 (特定の方向のエッチングに適している) で、ラジカルは等方性 (全方向のエッチングに適しています) です。ラジカルの数はカチオンの数よりもはるかに多くなります。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である必要がある。
しかし、超微細回路を可能にするのがドライエッチングの異方性エッチングです。その理由は何でしょうか?また、カチオンやラジカルのエッチング速度は非常に遅い。では、この欠点に直面して、プラズマ エッチング法を大量生産にどのように適用できるでしょうか?
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それに与える影響
アスペクト比は、水平幅と垂直高さの比（つまり、高さを幅で割ったもの）です。回路の限界寸法 (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、アスペクト比の値が 10、幅が 10nm であると仮定すると、エッチング プロセス中に開けられる穴の高さは 100nm になるはずです。したがって、超小型化 (2D) または高密度 (3D) が必要な次世代製品の場合、エッチング中にカチオンが底部膜に確実に浸透できるように、非常に高いアスペクト比値が必要です。
2D 製品で限界寸法 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値を 100 以上に維持する必要があります。同様に、3D NAND フラッシュ メモリにもより高いアスペクト比値が必要です。セル積層層を256層以上積層します。他の工程で必要な条件を満たしていても、必要な製品を生産することができません。エッチング工程標準に達していません。このため、エッチング技術の重要性がますます高まっています。
2. プラズマエッチングの概要
図 2. 膜の種類に応じたプラズマソースガスの決定
中空パイプを使用する場合、パイプ径が細いほど液体が入りやすくなり、いわゆる毛細管現象が起こります。ただし、露出部に穴（閉塞端）を開ける場合は、液体の注入が非常に困難になります。したがって、1970 年代半ばには回路の臨界サイズは 3um から 5um であったため、ドライエッチング徐々にウェットエッチングが主流になってきました。つまり、イオン化しているとはいえ、有機高分子溶液の分子よりも分子1個の体積が小さいため、深い穴への侵入が容易になります。
プラズマエッチングの際には、当該層に適したプラズマソースガスを導入する前に、エッチングに使用する処理室内を真空状態に調整する必要がある。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ベースの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または金属膜の場合は、塩素ベースのプラズマ ソース ガスを使用する必要があります。
では、ゲート層とその下にある二酸化シリコン (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、ポリシリコンのエッチング選択性を備えた塩素ベースのプラズマ (シリコン + 塩素) を使用してシリコンを除去する必要があります。下部絶縁層の場合、より強いエッチング選択性と効果を持つフッ化炭素ベースのプラズマソースガス (二酸化ケイ素 + 四フッ化炭素) を使用して、二酸化ケイ素膜を 2 段階でエッチングする必要があります。
3. 反応性イオンエッチング（RIEまたは物理化学的エッチング）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レート）
プラズマには等方性フリーラジカルと異方性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）またはそれを応用した方法で行われます。 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、膜内のターゲット分子間の結合力を弱めることです。弱っ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てガス（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の性質を持っていますが、結合力の強い側壁よりも底面を構成する分子（カチオンの攻撃により結合力が弱まる分子）の方がフリーラジカルに捕獲されやすく、新しい化合物に変換されます。したがって、下向き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ガスになり、真空の作用により表面から脱離して放出されます。
このとき、物理的作用によって得られるカチオンと化学的作用によって得られるフリーラジカルが結合して物理的および化学的にエッチングされ、エッチングレート（Etch Rate、一定時間内にエッチングされる度合い）が10倍になります。カチオンエッチングまたはフリーラジカルエッチング単独の場合と比較して。この方法は、異方性下向きエッチングのエッチング速度を高めることができるだけでなく、エッチング後のポリマー残渣の問題も解決することができる。この方法は反応性イオンエッチング（RIE）と呼ばれます。 RIE エッチングを成功させる鍵は、膜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、両者は同じ概念とみなしてください。
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するコア エッチング パフォーマンス インデックス
エッチング速度は、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、単一のウェーハ上でエッチング速度が部分ごとに異なるということは何を意味するのでしょうか?
これは、エッチングの深さがウェーハ上の部分ごとに異なることを意味します。このため、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 が設定されていても、エッチング深さが当初の計画より深い (オーバーエッチング) または浅い (アンダーエッチング) 領域がいくつか存在します。ただし、エッチングの際、オーバーエッチングよりもアンダーエッチングの方がダメージが大きくなります。アンダーエッチングの場合、アンダーエッチング部分がその後のイオン注入などの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レートの比較に基づいています。これは、選択性が高いほど、ターゲット層がより速くエッチングされることを意味します。微細化のレベルが高くなるほど、微細なパターンを完全に表現できるようにするための選択性の要件も高くなります。エッチング方向が直進しているため、カチオンエッチングの選択比は低いが、ラジカルエッチングの選択比が高く、RIEの選択比が向上する。
5. エッチング工程
図5. エッチングプロセス
まず、800℃～1000℃に保たれた酸化炉にウェーハを入れ、乾式法によりウェーハ表面に絶縁性の高い二酸化ケイ素（SiO2）膜を形成します。次に、堆積プロセスに入り、化学気相成長（ＣＶＤ）／物理気相成長（ＰＶＤ）によっ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る場合、必要に応じて、導電性を高めるために不純物拡散プロセスを実行することができる。不純物拡散プロセスでは、複数の不純物が繰り返し添加され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合わせてエッチングする必要がある。まず、フォトレジストが使用される。続いて、フォトレジスト膜上にマスクを配置し、浸漬によるウェット露光を行うことにより、フォトレジスト膜上に所望のパターン（肉眼では見えない）を転写する。現像によりパターン輪郭が現れたら、感光部のフォトレジストを除去する。次に、フォトリソグラフィー工程を経たウエハは、ドライエッチングのエッチング工程に送られる。
ドライエッチングは主に反応性イオンエッチング（RIE）により行われ、主に各膜に適した原料ガスを交換してエッチングを繰り返します。ドライエッチングもウェットエッチングも、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。また、穴の底（エッチングでできた隙間）に溜まっ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、すべての変数 (材料、ソース ガス、時間、形状、順序など) を有機的に調整して、洗浄液またはプラズマ ソース ガスがトレンチの底まで確実に流れるようにする必要があることです。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。最近、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。したがって、エッチング技術は低温と圧力の使用に向かって進んでいます。エッチング プロセスは、臨界寸法 (CD) を制御して微細なパターンを生成し、エッチング プロセスによって生じる問題、特にアンダーエッチングや残留物の除去に関連する問題を確実に回避することを目的としています。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を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