プラズマエッチング｜プラズマを使った微細加工技術

プラズマエッチング

プラズマエッチングは、半導体をはじめとする各種材料の表面を微細に加工するためのプロセスであり、ガスを電離させて得られるプラズマの化学反応と物理的衝撃の両面を利用する技術である。従来の湿式エッチングでは実現しづらい高アスペクト比の微細パターン形成や複雑な立体構造の制御を可能とし、集積度が高まる先端デバイスの開発を支える要として機能している。真空チャンバ内でプロセスガスをプラズマ化し、基板表面に選択的な反応を起こすことで不要な層を除去する手法であり、近年はサブ10nm級の微細化にも対応すべく各種プロセス改良が進んでいる。

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概要

半導体デバイスの微細化が進むにつれ、従来のウェットエッチングでは対応が難しい極端な寸法や複雑形状への対応が求められるようになった。そこで登場したのがプラズマエッチングであり、イオン化したガス分子が基板表面で化学反応と物理スパッタを組み合わせて材料を除去するという原理に基づいている。プロセスガスはフッ素系(CF4、SF6など)や塩素系(Cl2、BCl3など)、酸素系(O2)など、多種多様な組み合わせで用いられ、機能材料や保護膜の種類に応じて選択性やエッチングレートが調整される。これにより、微細パターンを正確にかつ高速で形成できる基盤技術として、CMOSやMEMS分野にとどまらず幅広く採用されている。

原理

まず反応容器(チャンバ)内を真空状態とし、そこに微量のガスを導入してプラズマを生成する。高周波(RF)電源を電極に印加するとガスが衝突・電離を繰り返し、イオン、ラジカル、電子が混在するプラズマ状態となる。ラジカル種は基板材料と化学反応を起こし、揮発性化合物を形成することで材料を取り去る。一方、高エネルギーイオンは表面をスパッタリングし、化学的に取り残された不純物や反応生成物を物理的に除去する。こうした化学反応と物理的効果を最適に組み合わせることによって、高精度な異方性エッチングと選択的除去を実現する。

種類と応用材料

プラズマエッチングには、主にリアクティブイオンエッチング(RIE)、深掘りエッチング(Deep RIE)、アッシングなどの方式が存在する。RIEでは平板電極間でプラズマを生成し、イオンを比較的垂直方向に加速させることで異方性を高めることが可能となる。深掘りエッチングはシリコン基板を数十µm以上にわたってエッチングする際に使われ、MEMSデバイスやTSV(Through-Silicon Via)構造の製造に不可欠である。酸素プラズマを使ったアッシングはフォトレジストの除去や有機汚染物のクリーニングに威力を発揮し、微細プロセス工程の品質維持に寄与している。

特徴とメリット

ガス組成やプラズマ生成条件を細かく調整できるため、高い選択性をもって特定の膜質だけを除去したり、基板を正確な角度でえぐるように掘り込むなど多様なパターン形状が得られる。湿式エッチングのようなエッジのラフネスやオーバーエッチングのリスクが低減され、工程制御がしやすい点も特徴である。さらに、加工時に洗浄液を使わないドライプロセスであるため、ウェット工程に比べて環境負荷が小さい場合も多いとされる。ただし、高度な真空設備とRF電源が必要であり、ハードウェアとレシピ管理を厳密に行わなければ歩留まり低下やデバイス特性のばらつきにつながる懸念もある。

装置と工程管理

プラズマエッチング装置は、プロセスチャンバ、RF電源、真空ポンプ、ガス導入系、エンドポイント検出機構などで構成される。ウェハの保持方法やガスの流量制御など、各パラメータは高集積化に伴う微細寸法を狙う際に大きく影響を及ぼす。エッチング終了のタイミングを測るエンドポイント検出は、プラズマ中の発光強度をモニタしたり、光学干渉を活用して膜厚をリアルタイムで把握する方式が主流となっている。こうした精密制御により、数nmレベルの膜厚制御が可能となり、先端ノードのLSI製造や高周波デバイスの歩留まり向上に貢献している。

課題と対策

イオン衝撃によるダメージやチャージアップ、熱劣化など、強力なプラズマ環境特有の問題も顕在化している。微細なライン間での空間電荷蓄積はデバイス絶縁膜の破壊や信頼性低下を招くため、マスク設計やアシスト電極を工夫することで電荷分散を促す研究が進められている。また、高アスペクト比の深掘りでは、プラズマの到達が十分でない側壁に生成物が残存しやすくなるため、パルスRIEや多段階プロセスを導入して安定的なエッチングを行う技術が開発されている。装置内の部材損耗も無視できない問題であり、定期的なメンテナンスと部品交換が工程の信頼性確保に直結する。