エッチング (微細加工)

エッチング技術：半導体製造における精密加工

半導体製造において、エッチングはウェハー表面から特定の層を化学的に除去する不可欠なプロセスです。ウェハーは完成までに数多くのエッチング工程を経ます。多くの場合、エッチングに耐性のあるマスキング材料でウェハーの一部を保護し、選択的にエッチングを行います。このマスキング材料は、フォトリソグラフィを用いてパターン化されたフォトレジストであることが一般的です。より耐久性のあるシリコンナイトライドなどの材料にパターンを転写し、マスクとして下層の材料をエッチングすることもあります。

エッチング性能：選択性と異方性

エッチングの目的が空洞形成である場合、その深さはエッチング時間とエッチング速度から概算できます。しかし、多くの場合、下層やマスキング層にダメージを与えることなく、目的の層のみを完全に除去する必要があります。そのため、エッチングシステムは、異なる材料間のエッチング速度の比である選択性が重要になります。

また、エッチングはマスキング層をアンダーカットし、傾斜した側壁を持つ空洞を形成することがあります。このアンダーカット量は「バイアス」と呼ばれ、バイアスが大きいエッチャントは等方性エッチングと呼ばれます。現代の微細加工では、高集積化・微細化のため、異方性エッチングが好まれます。

エッチングの種類：ウェットエッチングとドライエッチング

エッチャントは、大きく分けて液相（ウェット）とプラズマ相（ドライ）の2種類があります。

ウェットエッチング

初期のエッチングプロセスでは、液体のエッチャントを使用します。ウェハーをエッチャント槽に浸し、攪拌することでプロセス制御を向上させます。例えば、緩衝フッ化水素酸（BHF）は二酸化シリコンのエッチングに広く使われています。ウェットエッチングは一般的に等方性であるため、厚い膜のエッチングでは大きなバイアスが生じ、大量の有害廃棄物も発生します。そのため、最先端プロセスでは使用頻度は低くなっていますが、フォトレジストの現像液はウェットエッチングと類似したプロセスです。

近年では、単一ウェハーマシンを用いて、気体（窒素など）を用いてエッチャントを片面から供給し、反対側を保護する手法も用いられます。これはバックエンドプロセス（BEOL）で特に有効で、薄くなったウェハーの強度向上に役立ちます。

異方性ウェットエッチング

一部のウェットエッチャントは、結晶材料の結晶面によってエッチング速度が大きく異なります。単結晶シリコンでは、この性質を利用して高い異方性を実現できます。これは「結晶学的エッチング」とも呼ばれます。ガラスなどの非晶質材料においても、マルチストリームの層流を用いることで異方性エッチングが可能です。

シリコンに対する異方性ウェットエッチングには、水酸化カリウム（KOH）、エチレンジアミン・ピロカテコール水溶液（EDP）、水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）などが用いられます。これらのエッチャントは、結晶方位によって異なるエッチング速度を示し、特定の方向に高い選択性を持ちます。しかし、KOHはカリウムイオンの拡散の問題、EDPは高い毒性と発癌性があるため、取り扱いには注意が必要です。TMAHはEDPより安全な代替物として注目されています。

(100)シリコンをマスキング材料で覆い、穴を開けてエッチングすると、{111}面が傾斜したピットが形成され、エッチングの進行とともにV字型の溝やピラミッド形状になります。アンダーカット量δは、エッチング速度、時間、深さ、異方性から計算できます。

プラズマエッチング

現代のVLSIプロセスでは、ウェットエッチングに代わりプラズマエッチングが主流です。プラズマエッチャーは、プラズマパラメータ調整によって等方性または異方性エッチングが可能です。異方性プラズマエッチングは深掘り反応性イオンエッチング（DRIE）で実現されます。

プラズマのソースガスには、塩素やフッ素を含む小分子が使用されます。例えば、四塩化炭素（CCl4）はシリコンとアルミニウム、トリフルオロメタンは二酸化ケイ素と窒化ケイ素をエッチングします。酸素プラズマはフォトレジストの除去に用いられます。

イオンミリングやスパッタエッチングは低圧力下で行われ、高い異方性を実現しますが選択性は低くなります。反応性イオンエッチング（RIE）は、スパッタとプラズマエッチングの中間的な条件で動作します。

5軸レーザーエッチング

近年、レーザー加工技術が微細加工に応用されています。レーザー光の特性を利用し、高精度な切断、穴あけなどが可能になります。デジタル3Dモデルデータの取り込み、グレースケールデータの面貼り込み、テクスチャ貼り込みなど、従来の化学的エッチングとは異なる柔軟性と高度なデザイン実現が可能です。ケミカルエッチングとのハイブリッド工法も用いられています。

まとめ

エッチング技術は、半導体製造における重要な工程であり、ウェットエッチングからドライエッチング、そして最新のレーザーエッチングまで、様々な技術が開発・改良されてきました。それぞれの技術には長所と短所があり、用途や要求される精度に応じて最適な方法が選択されます。今後も、さらなる微細化・高精度化へのニーズに応えるべく、エッチング技術の進化は続いていくでしょう。

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