RIE(反応性イオンエッチング)
半導体製造工程の微細パターニングを実現するドライエッチング技術として、RIE(反応性イオンエッチング)は極めて重要な位置を占めている。プラズマ生成装置により活性化されたガスがウエハ表面に選択的に反応・衝突し、不要部分を精密に除去することで高集積度デバイスの微細配線やトランジスタ構造を形成可能にする手法である。
概要
RIE(反応性イオンエッチング)は、プラズマ状態にしたガス分子やイオンを用いて、基板表面を物理的かつ化学的に削り取るプロセスである。従来のウェットエッチングと比べ、パターン下への横方向拡散が抑えられ、側壁形状の制御性が高いという特徴を持つ。また、エッチング選択比を適切に調整すれば、金属配線や絶縁膜など多層構造を必要に応じて微細かつ均一に加工できるため、半導体の次世代微細化に欠かせない技術とされている。
原理
エッチング反応を支えるのは、真空チャンバー内で生成したプラズマガスの衝突エネルギーと化学反応性である。ガスに高周波電源を加えてプラズマを発生させ、イオンやラジカルを活性化する。RIEでは、イオンによる物理的スパッタリングとラジカルによる化学的エッチングの両要素が働き、狙った材料だけを効率よく除去することが可能になる。ガスの種類や圧力、電極構造を最適化することで、エッチング深さや形状を細かく調整できる点が利点である。
装置構成
典型的なRIE装置は、真空チャンバー、RF電源、ガス導入系、排気系などから構成される。基板を置く電極に高周波電圧を印加し、ガスをチャンバー内に流入させると、プラズマによってイオンやフリーラジカルが生成される。RIEの実行には装置内の温度・圧力・ガス流量などを厳密に制御し、かつ基板へのイオン衝撃エネルギーを適切に設定する必要がある。これらのパラメータが微細形状や選択比を左右するため、最適化には高度なノウハウが求められる。
プロセスの流れ
エッチング対象となる層の上にフォトレジストでパターンを形成し、真空チャンバー内でプラズマを発生させることで、選択的に材料を除去していく。物理的なスパッタリング要素が強ければ、垂直に近い側壁を形成しやすくなるが、過度にイオンエネルギーを高めすぎると基板がダメージを受けるリスクがある。化学的な要素を重視した場合は材料に応じたガス選択が重要であり、RIEで高いアニソトロピー(異方性)を得るためにも複数のガス混合や温度管理が組み合わされる。
利点
ウェットエッチングでは難しいアニソトロピック(異方的)な加工を実現できることがRIEの大きな強みである。従来のリソグラフィパターンを忠実に反映した形状制御が可能であり、配線間ピッチの狭い微細プロセスでも優れた再現性を持つ。また、不要な化学廃液が出にくい点や、大気露出を抑えた連続処理が容易な点など、プロセス制御や環境面でもメリットが大きい。
課題
高いイオンエネルギーを利用する場合は、表面ダメージやエッチング後の欠陥発生などが避けられない課題として残る。強力なプラズマを形成するとフォトレジストや下地材料が想定外に削られるリスクもあるため、ガス選択やプラズマ強度をどのように最適化するかが重要である。RIEはプロセス条件のパラメータ数が多く、複雑な層構造に対しては実験とシミュレーションを駆使した綿密な検討が欠かせない。
応用分野
RIEは半導体の微細配線形成に限らず、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の構造加工や光学部品の微細パターン作製など、幅広い分野で利用されている。シリコンだけでなく、SiO2やSiN、III-V族化合物など多様な材料に対応できる柔軟性があるため、スマートフォンや自動車向けセンサー、光通信デバイスなど先端領域でも不可欠な技術として位置づけられている。