半導体エッチングプロセス技術

エッチング (エッチング) は、半導体製造、マイクロエレクトロニクス IC 製造、マイクロ/ナノ製造プロセスにおいて重要なステップです。これは、フォトリソグラフィーに関連する主要なパターニング プロセスです。狭義には、エッチングは本質的にフォトリソグラフィー エッチングであり、最初にフォトリソグラフィーを使用してフォトレジストを露光し、次に他の方法を使用して不要な材料をエッチング除去します。エッチングは、化学的または物理的方法を使用してシリコン ウェーハの表面から不要な材料を選択的に除去するプロセスです。その基本的な目標は、コーティングされたシリコン ウェーハ上にマスク パターンを正確に複製することです。微細加工プロセスの発展に伴い、エッチングは溶液、反応性イオン、またはその他の機械的方法を使用した材料の剥離および除去を意味する一般的な用語となり、微細加工における一般的な用語になりました。

エッチングには大きく分けてウェットエッチングとドライエッチングの2種類があります。ドライ エッチングでは、ガスは高周波 (主に 13.56 MHz または 2.45 GHz) で励起されます。 1 ～ 100 Pa の圧力下では、平均自由行程は数ミリメートルから数センチメートルの範囲になります。ドライエッチングには主に 3 つのタイプがあります。

• 物理的ドライエッチング: ウェーハ表面上の粒子の物理的摩耗を促進します。

• 化学ドライエッチング: ガスがウェーハ表面と化学的に反応します。

• 化学物理ドライエッチング: 化学的特性を備えた物理エッチングプロセス。

1. イオンビームエッチング

イオン ビーム エッチングは、物理的なドライ エッチング プロセスです。アルゴンイオンは、約 1 ～ 3 keV のイオン ビームで表面に照射されます。イオンのエネルギーにより、イオンは表面材料に衝撃を与えます。ウェーハはイオン ビームに垂直または斜めに挿入され、エッチング プロセスは完全に異方性です。層間の区別がないため選択性が低い。ガスと研磨材は真空ポンプによって排出されます。ただし、反応生成物は気体ではないため、粒子がウェーハやチャンバーの壁に堆積する可能性があります。

これらの粒子を避けるために、第 2 のガスがチャンバーに導入されます。このガスはアルゴンイオンと反応し、物理化学的なエッチングプロセスを引き起こします。ガスの一部は表面と反応しますが、一部は研磨粒子と反応してガス状の副生成物を形成します。この方法を使用すると、ほとんどすべての材料をエッチングできます。垂直放射により、垂直壁の摩耗は非常に低くなります (高い異方性)。ただし、選択性とエッチング速度が低いため、このプロセスは現代の半導体製造ではほとんど使用されません。

2. プラズマエッチング

プラズマ エッチングは完全に化学的なエッチング プロセス (化学的ドライ エッチング) です。その利点は、加速されたイオンによってウェーハ表面が損傷されないことです。エッチングガスの可動粒子により、エッチングプロファイルは等方性となり、この方法は膜層全体の除去（熱酸化後の裏面洗浄など）に適しています。

プラズマ エッチングに使用されるリアクターの 1 つのタイプは、ダウンストリーム リアクターです。プラズマは2.45 GHzの高周波でインパクトイオン化により点火され、インパクトイオン化サイトがウェーハから分離します。

ガス放電領域には衝撃によりフリーラジカルを含む様々な粒子が存在します。フリーラジカルは不飽和電子を持つ中性の原子または分子であるため、反応性が高くなります。中性ガスとしてテトラフルオロメタン (CF4) がガス放電領域に導入され、CF2 分子とフッ素分子 (F2) に分離されます。同様に、酸素 (O2) を追加することでフッ素を CF4 から分離できます。

2 CF4 + O2 ---> 2 COF2 + 2 F2

フッ素分子は、ガス放電領域のエネルギーによって 2 つの別個のフッ素原子に分割できます。各原子は 7 つの価電子を持ち、不活性ガス構成を達成することを目的としているため、各フッ素原子はフッ素フリーラジカルです。中性のフリーラジカルに加えて、部分的に荷電した粒子 (CF+4、CF+3、CF+2 など) がいくつかあります。すべての粒子、フリーラジカルなどは、セラミック チューブを通ってエッチング チャンバーに入ります。荷電粒子は抽出格子によってエッチング チャンバーからブロックされるか、中性分子の形成中に再結合する可能性があります。フッ素ラジカルも部分的に再結合しますが、エッチング チャンバーに到達してウェーハ表面で反応し、化学的摩耗を引き起こすには十分です。他の中性粒子はエッチング プロセスの一部ではなく、反応生成物とともに減少します。

プラズマエッチングでエッチングできる薄膜の例: • シリコン: Si + 4F ---> SiF4 • 二酸化シリコン: SiO2 + 4F ---> SiF4 + O2 • 窒化シリコン: Si3N4 + 12F ---> 3SiF4 + 2N2 3. 反応性イオンエッチング (RIE) 特性: 選択性、エッチングプロファイル、エッチング速度、均一性、再現性をすべて非常に正確に制御できます。反応性イオンエッチングで。等方性エッチングプロファイルだけでなく異方性エッチングプロファイルも可能です。したがって、RIE は化学物理エッチングプロセスであり、さまざまな薄膜を構築するための半導体製造において最も重要なプロセスです。プロセスチャンバー内では、ウェーハは高周波電極（HF 電極）上に置かれます。プラズマは自由電子と正電荷イオンが現れるインパクトイオン化によって生成されます。 HF 電極が正の電圧にある場合、自由電子はその上に蓄積され、電子親和力により再び電極から離れることができなくなります。したがって、電極は -1000 V (バイアス電圧) に充電されます。急速に変化する電場に追随できない遅いイオンは、負に帯電した電極に向かって移動します。

イオンの平均自由行程が高い場合、粒子はほぼ垂直な角度でウェーハ表面に衝突します。したがって、加速されたイオン (物理エッチング) によって材料が表面から放出され、一部の粒子も表面と化学反応します。側面の側壁は影響を受けないため、磨耗がなく、エッチングプロファイルは異方性のままです。物理的なエッチングプロセスのため、選択比は小さすぎませんが、大きすぎません。さらに、ウェーハ表面は加速されたイオンによって損傷を受けるため、熱アニールによって修復する必要があります。エッチングプロセスの化学的な部分は、フリーラジカルと表面および物理的にミリングされる材料との反応によって達成されるため、イオンビームエッチングのようにウェーハやチャンバ壁に再堆積することはありません。エッチング チャンバー内の圧力を高めると、粒子の平均自由行程が減少します。したがって、より多くの衝突が発生し、粒子は異なる方向に移動します。これにより、エッチングの方向性が低下し、エッチングプロセスにより多くの化学的特性が得られます。選択性が向上すると、より等方性のエッチング プロファイルが得られます。異方性エッチング プロファイルは、シリコンのエッチング中に側壁をパッシベーションすることによって実現されます。エッチング チャンバー内の酸素がミリングされたシリコンと反応して二酸化シリコンを形成し、これが垂直側壁に堆積します。水平領域上の酸化膜はイオン衝撃によって除去され、横方向のエッチングプロセスが継続できるようになります。

エッチング速度は、圧力、高周波発生器の出力、プロセスガス、実際のガス流量、およびウェーハ温度に依存します。異方性は、高周波電力が増加し、圧力が減少し、温度が減少すると増加します。エッチングプロセスの均一性は、ガス、2 つの電極間の距離、および電極の材料によって決まります。距離が近すぎるとプラズマが均一に分散できず不均一になってしまいます。電極の距離を長くすると、プラズマが膨張した体積全体に分散されるため、エッチング速度が低下します。電極にはカーボンが好ましい材料であることが証明されています。フッ素と塩素も炭素を攻撃するため、電極は均一な歪みプラズマを生成し、したがってウェーハのエッジはウェーハの中心と同じように影響を受けます。

選択性とエッチング速度はプロセスガスに大きく依存します。ケイ素およびケイ素化合物としては、主にフッ素と塩素が使用されます。

エッチング プロセスは、単一のガス、ガス混合物、または固定されたプロセス パラメータに限定されません。例えば、ポリシリコン上の自然酸化物は、最初に高いエッチング速度および低い選択性で除去され、その後、下にある層に対してより高い選択性でポリシリコンをエッチングすることができる。

セミコレックスはさまざまな製品を提供していますSiCコンポーネントエッチング工程中。ご質問がある場合、または詳細が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。

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