エッチングとエッチングされた形態

半導体チップの製造プロセスは、米粒の上に高層ビルを建てるようなものです。リソグラフィーマシンは都市計画者のようなもので、「光」を使ってウエハー上に建物の青写真を描きます。一方、エッチングは精密な工具を備えた彫刻家のようなもので、設計図に従って溝、穴、線を正確に彫り出す責任があります。この「溝」の断面を注意深く観察すると、その形状が均一ではないことがわかります。台形 (上部が広く、下部が狭い) のものもあれば、完全な長方形 (垂直な側壁) のものもあります。これらの形状は任意ではありません。その背後には物理的および化学的原理の複雑な相互作用があり、チップの性能を直接決定します。

I. エッチングの基本原理: 物理的効果と化学的効果の組み合わせ

エッチングとは、簡単に言えば、フォトレジストで保護されていない材料を選択的に除去することです。主に次の 2 つのカテゴリに分類されます。

1. ウェットエッチング：化学溶剤（酸やアルカリなど）を使用してエッチングします。これは本質的に純粋な化学反応であり、エッチングの方向は等方性です。つまり、すべての方向 (前、後、左、右、上、下) に同じ速度で進行します。

2. ドライエッチング（プラズマエッチング）： 現在主流の技術です。真空チャンバー内にプロセスガス（フッ素や塩素を含むガスなど）が導入され、高周波電源によりプラズマが生成されます。プラズマには高エネルギーのイオンと活性なフリーラジカルが含まれており、これらがエッチングされた表面で連携して作用します。

ドライエッチングは「物理的攻撃」と「化学的攻撃」を柔軟に組み合わせることができるからこそ、さまざまな形状を作り出すことができます。

化学組成: 活性フリーラジカルの原因となります。これらはウェーハ表面の材料と化学反応して揮発性生成物を生成し、その後除去されます。この攻撃は等方性であるため、「押し出し」て横方向にエッチングされ、台形の形状を容易に形成できます。

物理的構成: 電場によって加速された、正に帯電した高エネルギーイオンがウェーハ表面に垂直に衝突します。表面のサンドブラストと同様に、この「イオン衝撃」は異方性で、主に垂直下向きであり、側壁を「直線的に」削り出すことができます。

II. 2 つの古典的なプロファイルを解読する: 台形と長方形のプロファイルの誕生

1. 台形 (テーパープロファイル) – 主に化学的攻撃

形成原理: 化学エッチングがプロセスを支配し、物理的衝撃が弱い場合、次のことが起こります。エッチングは下方向に進行するだけでなく、フォトレジスト マスクと露出した側壁の下の領域を横方向にも腐食します。これにより、保護されたマスクの下の材料が徐々に「くり抜かれ」、上部が広く、下部が狭い、つまり台形の傾斜した側壁が形成されます。

優れたステップカバレッジ: その後の薄膜堆積プロセスでは、台形の傾斜構造により材料 (金属など) を均一にカバーしやすくなり、急なコーナーでの破損が回避されます。

応力の軽減: 傾斜構造により応力がより分散され、デバイスの信頼性が向上します。

高いプロセス耐性: 実装は比較的簡単です。

2. 長方形 (垂直プロファイル) – 主に物理攻撃

形成原理: 物理的なイオン衝撃がプロセスを支配し、化学組成が注意深く制御されると、長方形のプロファイルが形成されます。無数の小さな発射体のような高エネルギーイオンがウェーハ表面にほぼ垂直に衝突し、極めて高い垂直エッチング速度を達成します。同時に、イオン衝撃により側壁に「パッシベーション層」（例えば、エッチング副生成物によって形成される）が形成される。この保護フィルムは、化学フリーラジカルによる側面腐食に効果的に抵抗します。最終的に、エッチングは垂直下方向にのみ進行し、ほぼ 90 度の側壁を持つ長方形の構造を削り出します。

高度な製造プロセスでは、トランジスタの密度が非常に高く、スペースは非常に貴重です。

最高の忠実度: フォトリソグラフィーの青写真との一貫性を最大限に維持し、デバイスの正確な限界寸法 (CD) を保証します。

面積の節約: 垂直構造により、チップの小型化の鍵となる最小限の設置面積でデバイスを製造できます。

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