プラズマ エッチングは、半導体製造において最も重要なプロセスである可能性があり、また、すべてのウェーハ製造プロセスの中でリソグラフィーに次いで最も複雑な操作の 1 つでもあります。ウェーハ製造工程のほぼ半分は、高エネルギーのイオン化ガスであるプラズマに依存してタスクを実行します。

トランジスタと記憶装置の縮小が続いているにもかかわらず、エンジニアは依然として信頼性の高いエッチングプロセスを提供することに取り組んでいます。

Lam Research のエッチング製品グループのマーケティング担当副社長である Thomas Bondur 氏は、「ナノメートルレベルの精度と正しい構造でチップを持続的に製造するために、半導体工場向けの装置メーカーはプラズマ物理学、材料工学、必要な機器ソリューションを提供するためのデータ サイエンス。」これは、リソグラフィーと連携してウェーハ上に正確で再現可能な形状を作成するプラズマ エッチングで特に顕著です。

このレポートでは、3D NAND、DRAM、ナノシート FET、相互接続の主要なエッチング ステップを検証し、2D デバイスとバックエンド処理についても展望します。業界はまた、ウェーハ製造工場からの同等の二酸化炭素排出量を削減するために、より持続可能なエッチング化学を追求しています。

多くのツール メーカーにとって、プロセス モデリングはエッチング プロセス開発において重要な役割を果たしています。目標は、ウェーハとマスクのコストを削減しながら市場投入までの時間を短縮することです。

Lam Research のマーケティング担当シニア ディレクターである Barrett Finch 氏は、「最も困難なステップの一部でエッチング プロセスを最適化するには、完了までに 1 年以上かかる場合があります。」と述べています。最近、典型的なシリコンベースのテストと開発では 3 か月かかると予想されていたいくつかのプロセス シミュレーションを 3 週間以内に完了しました。」

マスクとウェーハのコストだけで言えば、これは装置メーカーにとって数十万ドル、さらには数百万ドルに達する可能性があります。

エッチングの基礎

半導体製造では、エッチングプロセスとリソグラフィー技術が連携して機能します。エッチングは通常、薄膜の堆積（エピタキシー、化学蒸着または物理蒸着などによる）前に実行されます。一般に、CVD 膜はフォトレジストでコーティングされ、次に光リソグラフィー (248nm または 193nm UV、13.5nm EUV) を使用してフォトマスクを通してパターンを露光します。次にレジストが現像されてパターンが現れます。枚葉式プラズマ エッチング チャンバーでは、通常、エッチング薬品とイオン ボンバードメントを使用して、フォトレジスト マスクをガイドとして (ポジ型レジストの場合) CVD 膜を除去します。エッチング後、レジストは灰化され、その後、残留物を除去するために湿式化学洗浄および／または湿式エッチングが行われる。

プラズマ エッチング プロセスは、誘電体、シリコン、または導体のエッチングに大別できます。二酸化シリコンや窒化シリコンなどの誘電体はフッ素ベースのガスを使用して最もよくエッチングされますが、シリコン層と金属層は塩素と最もよく反応します。ドライ エッチング モードには、基本的に、反応性イオン エッチング、プラズマ エッチング、スパッタ エッチング (イオン ビーム) の 3 つのモードがあります。エッチングプロセスには、反応種、プラズマ、チップ材料間の複雑な相互作用が関係します。 RF バイアスが反応性ガスに適用されると、電子と正に帯電したイオンが衝突によって材料を物理的に除去 (エッチング) し、化学種とラジカルが露出した材料と反応して揮発性の副生成物を形成します。エッチングには等方性 (垂直方向と水平方向の反応速度が等しい)、異方性 (垂直方向のみ)、またはその中間のエッチングが可能です。

図 1: finFET から GAA への移行により、等方性選択エッチングの重要なニーズが高まっています。出典: ラムリサーチ。

エッチング技術者が最も懸念する重要な指標は、エッチング速度、プロファイル制御、均一性 (ウェーハ全体にわたる)、エッチング選択性であり、これらの要素は歩留まりと生産性に影響を与えるためです。エッチング選択性とは、シリコン上の SiO2 など、その下の層と比較した、エッチングされる材料の除去速度を指します。エッチングプロセス中に過剰なフォトレジストを除去しないことも有利である。ただし、このような場合は、通常、パターンを下の膜に転写する前に、ハードマスク（二酸化シリコン、窒化シリコン、SiOC、TiN）に転写されます。
選択性仕様は2:1から1000:1（高選択エッチング）までの範囲です。新しいノードが登場するたびに、これらの仕様はより厳しくなります。imecのドライエッチング研究開発エンジニアであるフィリップ・ベザール氏は、「今後30年以内に従来のEUVが高NA EUVに置き換えられると、焦点距離ははるかに低くなり、厚いフォトレジスト（ここで言う厚いとは、10ナノメートルのことです）を露光できなくなります」と述べています。「しかし、下地の膜厚は同じままパターンを形成する必要があります。そのため、1:2ではなく1:4を達成する必要があるため、より高い選択性が必要になります。これは選択性が5～XNUMX倍に急激に増加することを意味します。」

つづく...