【半導体製造プロセス入門】エッチングの基礎知識 (ドライ/ウェット、等方性/異方性など)

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エッチングの解説(半導体プロセス)

エッチング装置は、ウエハー表面の不要な部分を取り除き、表面に凸凹をつくるときに使用されます。

今回は、エッチング装置を説明する前段階として、エッチングの種類とそれぞれの方法、エッチングに必須のプラズマについても簡単に説明します。

1.エッチングとは?

エッチング」とは、何らかの方法でウエハー表面の一部を取り除くプロセスです。

リソグラフィー工程においては、現像後にウエハーの表面に硬化レジストのパターンが作成されます。
ここで、削除したレジスト部分の下にある膜を溶かしたり削ったりして、回路を作ります。
このようなときにエッチングプロセスが必要になります。

エッチングはアッシングとよく似ています。
アッシングは対象が硬化レジストなのに対して、エッチングはシリコン、金属膜やシリサイド膜が対象となります。

エッチングのプロセス概念図
【図1 エッチングのプロセス概念図】

 

2.ウェットエッチングとドライエッチング

エッチングには2種類あります。「ウェットエッチング」と「ドライエッチング」です。
 

(1)ウェットエッチング

ウェットエッチング」は、主に洗浄装置の一部機能を使って化学的にエッチングを行うものです。つまり、金属やシリコンを溶かす薬液をつかって除去する方法です。
バッチ式の洗浄装置を使用する場合にはスループットが高いというメリットがありますが、ドライエッチングが主流となった現在では、補助的に用いられています。
 

(2)ドライエッチング

ドライエッチング」は、反応ガスを含むガスのプラズマを使い、ガスから反応性の高いラジカル原子・分子をウエハーに接触・反応させてウエハー表面を微細加工(エッチング)する技術です。そのため、「プラズマエッチング」とも呼ばれ、現在の主流となっています。

ドライエッチングでは、ウエハーへのダメージを少なくするために主に低温プラズマが使用されます。反応ガスは、比較的プラズマ化する温度の低い、希ガス(ハロゲンガス)が使われます。
 

3.ドライエッチングとプラズマ(ドライエッチングの原理)

ドライエッチングに必須の「プラズマ」について簡単に説明します。

物質の物理的な状態は「」と呼ばれます。
一般的に知られているのは固相・液相・気相(固体・液体・気体)です。

それぞれ何が違うかというと、物質を構成する分子の結びつき度の強さです。
分子同士の結びつきが強い順に、
1)固体 :分子同士がしっかり結びついて、形が変わらない状態
2)液体 :分子同士が結びついているが、形が変わる状態
3)気体 :分子同士の結びつきがゆるく、形や密度も変わる状態
となっています。

例えば水は常温では液体ですが、熱を加えて蒸発させると「水蒸気」という気体になります。
つまり、「熱」というエネルギーを加えると固体から液体、液体から気体へと相が変わります。

さらにエネルギーを加えると気体はどうなるでしょうか?

気体はもっと分子間の繋がりが弱くなり、分子を構成する原子から電子が欠落した状態になります。この状態を「電離」もしくは「解離」といいます。そして、飛び出した電子のことを「自由電子」といいます。(ここでの「自由電子」は原子核の周りを回らずに自由に動くことのできる電子のことと考えてください。)

気体原子は電子が欠落しているわけですから、気体を構成する物質は陽イオンとなります。このように自由電子と陽イオンが飛び回っている不安定な状態を「プラズマ状態」といいます。これが「第4の相」と呼ばれるプラズマの発生メカニズムです。つまり、自由電子と陽イオンが混ざった気体のことを「プラズマ」と呼びます。身近なプラズマ状態としては「炎」・「雷」などがあります。

一方、電離した気体はイオンとなるわけですが、イオンの中に「ラジカル」と呼ばれるものがあります。イオンのなかでも最も不安定で、すぐに他の分子や原子と結びつきたがる性質、すなわち反応性が高いという性質をもっています。そして、このラジカルを「反応性ラジカル」といいます。

また、プラズマ状態ではラジカルでない普通のイオンでも反応性が高くなっています。この反応性が高い性質を利用して、反応性ラジカルや反応性イオンを金属やシリサイドと反応させ、表面の原子や分子を反応ガスとの化合物にして、気体として飛ばしてしまうのがドライエッチングの反応メカニズムです。

プラズマには、「低温プラズマ」と「高温プラズマ」がありますが、ドライエッチングには希ガスの低温プラズマが使われます。

なお、高温プラズマで典型的なのものには核融合(温度が1億度くらいの超高温プラズマ)があります。
 

4.等方性エッチングと異方性エッチング

エッチングには、「等方性エッチング」と「異方性エッチング」という違いがあります。これは簡単にいうと膜の削り方の違いです。

等方性エッチング」とは、エッチングの反応がすべての方向に向かって行われることです。例えば、エッチングがウエハー表面のレジストに近い部分で開始された場合、すべての方向で腐食が進むとレジストの下をえぐるようにエッチングされます(これを、「アンダーカット」といいます)。等方性エッチングは主にウェットエッチングで発生します。

これに対して、「異方性エッチング」は、エッチングの反応が一方向に向かって行われることです。これにより、レジストの下をえぐることなく、エッジの立った加工が行えます。ドライエッチングでは異方性エッチングが主となります。

等方性エッチングによりアンダーカットが生じた状態は、レジストパターンに忠実にエッチングされているとは言い難い場合がほとんどです。特に、近年の集積度の高いレジストパターンにおいては、エッチングには、あくまでもパターンに忠実なことが要求されています。ウェットエッチングが、一部の例外を除いてあまり使われなくなってきているのはこのためです。

 

次回はこの続きとして、エッチング装置の構成や分類、歴史・トレンドなどを解説します。

 

(アイアール技術者教育研究所 F・S)

 

 

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