半導体の製造工程では、エッチングこの技術は、基板上の不要な材料を正確に除去して複雑な回路パターンを形成するために使用される重要なプロセスです。この記事では、2 つの主流のエッチング技術、容量結合プラズマ エッチング (CCP) と誘導結合プラズマ エッチング (ICP)、さまざまな材料のエッチングにおける応用を探ります。
容量結合プラズマエッチング (CCP)
容量結合プラズマ エッチング (CCP) は、整合器と DC ブロッキング コンデンサを通じて 2 つの平行平板電極に RF 電圧を印加することによって実現されます。 2 つの電極とプラズマは一緒になって等価コンデンサを形成します。このプロセスでは、RF 電圧が電極の近くに容量性シースを形成し、シースの境界は電圧の急速な振動に応じて変化します。電子がこの急速に変化するシースに到達すると、反射されてエネルギーを獲得し、それがガス分子の解離またはイオン化を引き起こしてプラズマを形成します。 CCP エッチングは通常、誘電体などの化学結合エネルギーが高い材料に適用されますが、エッチング速度が低いため、微細な制御が必要な用途に適しています。
誘導結合プラズマエッチング(ICP)
誘導結合プラズマエッチング(ICP) は、交流電流がコイルを通過して誘導磁場を生成するという原理に基づいています。この磁場の作用下で、反応室内の電子は加速され、誘導電場の中で加速し続け、最終的には反応ガス分子と衝突し、分子が解離またはイオン化してプラズマを形成します。この方法は高いイオン化率を生成し、プラズマ密度と衝突エネルギーを独立して調整できるため、ICPエッチングシリコンや金属など、化学結合エネルギーが低い材料のエッチングに非常に適しています。さらに、ICP テクノロジーにより均一性とエッチング速度も向上します。
1. 金属エッチング
メタルエッチングは主に配線や多層メタル配線の加工に使用されます。その要件には、高いエッチング速度、高い選択性 (マスク層では 4:1 以上、層間絶縁膜では 20:1 以上)、高いエッチング均一性、良好な限界寸法制御、プラズマ損傷がないこと、残留汚染物質が少ないこと、および金属の腐食がありません。金属エッチングには通常、誘導結合プラズマエッチング装置が使用されます。
•アルミニウムエッチング：アルミニウムはチップ製造の中期および後工程で最も重要なワイヤ材料であり、抵抗が低く、蒸着およびエッチングが容易であるという利点があります。アルミニウムのエッチングには、通常、塩化物ガス (Cl2 など) によって生成されるプラズマが使用されます。アルミニウムは塩素と反応して揮発性塩化アルミニウム (AlCl3) を生成します。さらに、SiCl4、BCl3、BBr3、CCl4、CHF3 などの他のハロゲン化物を追加して、アルミニウム表面の酸化物層を除去し、正常なエッチングを確保することができます。
• タングステン エッチング: 多層金属ワイヤ相互接続構造では、タングステンがチップの中間セクションの相互接続に使用される主な金属です。金属タングステンのエッチングにはフッ素系または塩素系ガスを使用できますが、フッ素系ガスは酸化シリコンに対する選択性が低く、塩素系ガス (CCl4 など) の選択性が優れています。通常、高いエッチング接着剤選択性を得るために反応ガスに窒素が添加され、炭素の堆積を減らすために酸素が添加されます。タングステンを塩素系ガスでエッチングすると、異方性エッチングと高い選択比が得られます。タングステンのドライエッチングに使用されるガスは主に SF6、Ar、O2 で、このうち SF6 はプラズマ中で分解してフッ素原子を提供し、タングステンは化学反応してフッ化物を生成します。
• 窒化チタンのエッチング: ハードマスク材料としての窒化チタンは、デュアルダマシンプロセスにおける従来の窒化シリコンまたは酸化シリコンマスクに取って代わります。窒化チタンのエッチングは主にハードマスクの開口プロセスに使用され、主な反応生成物は TiCl4 です。従来のマスクと low-k 誘電体層の間の選択性は高くないため、low-k 誘電体層の上部に円弧状のプロファイルが現れ、エッチング後に溝幅が拡大します。堆積された金属線間の間隔が狭すぎるため、ブリッジリークや直接絶縁破壊が発生しやすくなります。
2. 絶縁体エッチング
絶縁体エッチングの対象となるのは通常、二酸化シリコンや窒化シリコンなどの誘電体材料で、異なる回路層を接続するためのコンタクト ホールやチャネル ホールの形成に広く使用されています。誘電体エッチングには、通常、容量結合プラズマエッチングの原理に基づいたエッチング装置が使用されます。
・二酸化シリコン膜のプラズマエッチング：二酸化シリコン膜のエッチングには、通常、CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8などのフッ素を含むエッチングガスが使用されます。エッチングガスに含まれる炭素は、酸化物層内の酸素と反応して副生成物COおよびCO2を生成し、それによって酸化物層内の酸素を除去することができる。 CF4 は最も一般的に使用されるエッチング ガスです。 CF4 が高エネルギー電子と衝突すると、さまざまなイオン、ラジカル、原子、フリーラジカルが生成されます。フッ素フリーラジカルは、SiO2 および Si と化学反応して、揮発性四フッ化ケイ素 (SiF4) を生成することがあります。
・シリコン窒化膜のプラズマエッチング：CF4 または CF4 混合ガス（O2、SF6、NF3 を含む）を用いたプラズマエッチングによりシリコン窒化膜をエッチングできます。 Si3N4 膜の場合、CF4-O2 プラズマや F 原子を含むその他のガスプラズマをエッチングに使用すると、窒化シリコンのエッチング速度は 1200 Å/min に達し、エッチング選択比は 20:1 にも達します。主な生成物は揮発性の四フッ化ケイ素（SiF4）であり、抽出されやすい。
4. 単結晶シリコンエッチング
単結晶シリコンのエッチングは主にシャロー・トレンチ・アイソレーション（STI）の形成に使用されます。このプロセスには通常、ブレークスループロセスとメインエッチングプロセスが含まれます。この画期的なプロセスでは、SiF4 と NF ガスを使用し、強力なイオン衝撃とフッ素元素の化学作用によって単結晶シリコン表面の酸化層を除去します。メインのエッチングでは、メインのエッチャントとして臭化水素 (HBr) が使用されます。プラズマ環境中の HBr によって分解された臭素ラジカルはシリコンと反応して揮発性四臭化シリコン (SiBr4) を形成し、それによってシリコンを除去します。単結晶シリコンのエッチングには通常、誘導結合プラズマエッチング装置が使用されます。
5. ポリシリコンエッチング
ポリシリコンのエッチングは、トランジスタのゲート サイズを決定する重要なプロセスの 1 つであり、ゲート サイズは集積回路の性能に直接影響します。ポリシリコンのエッチングには、良好な選択比が必要です。異方性エッチングを実現するには、通常、塩素 (Cl2) などのハロゲン ガスが使用され、良好な選択比 (最大 10:1) が得られます。臭化水素 (HBr) などの臭素ベースのガスでは、より高い選択比 (最大 100:1) を得ることができます。 HBr と塩素および酸素の混合物は、エッチング速度を高めることができます。ハロゲンガスとシリコンの反応生成物が側壁に堆積し、保護の役割を果たします。ポリシリコンのエッチングには通常、誘導結合プラズマエッチング装置が使用されます。
容量結合プラズマエッチングであっても、誘導結合プラズマエッチングであっても、それぞれに独自の利点と技術的特徴があります。適切なエッチング技術を選択することで、生産効率が向上するだけでなく、最終製品の歩留まりも確保できます。
投稿日時: 2024 年 11 月 12 日