エッチングは、リソグラフィで指定した場所に従って不要な材料を削る工程である。成膜で全面に作った薄膜を、必要な形へ加工するために使う。半導体プロセスでは、酸化膜、窒化膜、シリコン、金属、レジストなど、材料ごとに違う化学反応やプラズマ条件を使い分ける。
良いエッチングとは、単に速く削れることではない。残したい材料を傷つけず、狙った深さで止まり、側壁形状を制御し、ウェーハ全面で同じ寸法を再現する必要がある。
基本用語
エッチングでは次の指標が重要になる。
| 指標 | 意味 |
|---|---|
| エッチングレート | 単位時間あたりに削れる厚さ |
| 選択比 | 削りたい材料と残したい材料の削れやすさの比 |
| 異方性 | 縦方向に強く削れ、横方向には削れにくい性質 |
| 均一性 | ウェーハ内で削れ方が揃っているか |
| エンドポイント | 目的の層まで削れたことを検出する点 |
| オーバーエッチ | 削り残しを防ぐために追加で削る時間 |
微細加工では、横方向に削れすぎると線幅が細くなり、下地を削りすぎると素子特性や配線信頼性が悪化する。
ウェットエッチング
ウェットエッチングは、薬液で材料を化学的に溶かす方法である。装置が比較的単純で、選択比を高く取りやすい場合がある。
たとえばフッ酸は酸化膜を溶かす。
ウェットエッチングの多くは等方的で、縦方向だけでなく横方向にも削れる。これをサイドエッチングという。大きな構造や犠牲層の除去では有用だが、微細な垂直側壁を作る工程では不利になる。
一方で、結晶方位によって削れ方が変わる異方性ウェットエッチングもある。KOH によるシリコンエッチングでは、結晶面ごとのエッチング速度差を利用して MEMS の構造を作れる。
ドライエッチング
ドライエッチングは、プラズマ中のイオンやラジカルを使って材料を削る方法である。微細 CMOS では、垂直に近い側壁を作るために広く使われる。
代表的な方式が RIE である。反応性ガスから生成したラジカルが材料と化学反応し、イオンの衝突が縦方向の加工を助ける。化学反応だけなら等方的になりやすいが、イオンの方向性を使うことで異方性を高められる。
材料によってガスを使い分ける。
| 対象材料 | ガス例 | 考え方 |
|---|---|---|
| 酸化膜 | CF4, CHF3, C4F8 | フッ素系反応で揮発性生成物を作る |
| シリコン | Cl2, HBr, SF6 | ハロゲン反応と側壁保護を組み合わせる |
| 窒化膜 | CHF3, CF4 | 酸化膜との選択比を調整する |
| 有機膜 | O2 | 酸化して除去する |
先端プロセスでは、側壁に保護膜を作りながら底だけを削るような条件制御が重要になる。
形状制御
エッチング後の断面形状は、デバイス性能に直結する。
- テーパー: 側壁が斜めになり、線幅や埋め込み性に影響する
- ノッチング: 下地付近で横に削れ、細い部分ができる
- マイクロローディング: パターン密度によって削れ方が変わる
- RIE ラグ: 細い穴ほどエッチングが遅くなる
- 残渣: 反応生成物やポリマーが残る
- プラズマダメージ: 表面欠陥や帯電で素子を傷める
リソグラフィで正しいパターンを作っても、エッチングで形が崩れれば最終寸法はずれる。実際のプロセスでは、リソグラフィとエッチングをセットで最適化する。
エッチング後の処理
エッチング後には、レジストや側壁ポリマーを除去する必要がある。O2 プラズマで有機物を灰化したり、薬液洗浄で残渣を落としたりする。
ただし、洗浄が強すぎると low-k 膜や微細構造を傷める。エッチングは「削って終わり」ではなく、後洗浄、表面状態、次工程の成膜や接続抵抗まで含めて評価される工程である。