第5弾、半導体回路パターンの完成「エッチング工程」

前回は、準備されたウェハの上に半導体回路を描き入れるフォト工程(Photo)についてご紹介しました。 フォト工程が完了したら、必要な回路パターン以外の部分を除去する工程が必要です。 今回は、半導体の構造を形成するパターンを作るエッチング工程(Etching)について見てみましょう。

銅版画のエッチング(Etching)技法によく似たエッチング工程

学生時代、美術の授業に出てきた「版画」は、絵画の一つのジャンルです。 木や金属、石などの表面に形を描いて版を作った後、インクや染料を塗って紙や布に印刷します。 エッチング工程は、こうした版画技法の一種であるエッチング(Etching)の原理に基づいています。 絵画におけるエッチング技法は、酸の化学作用を防止する防食剤(グランド)を塗った銅板を鋭い道具を使って削り、銅版を露出させる方法をいいます。 このとき、銅版を腐食液(薄めた硝酸)に入れ、腐食の進行具合を調整して凸凹を作ります。

▲エッチング工程(Etching)

腐食の化学作用により凸凹を作る版画のエッチング技法と同様に、半導体のエッチング工程もウェハに液体または気体の腐食液(etchant)を用いて不要な部分を選択的に除去した後、半導体回路パターンを作ります。 フォト工程で形成された感光液の部分を残したまま、それ以外の部分を腐食液で除去することで、回路を形成します。 エッチングが終了したら、感光液も取り除きます。 このように、半導体を構成する複数の層の薄い膜に、意図する回路パターンを形成する過程を繰り返します。 エッチング工程は、エッチング反応を起こす物質の状態によりウェット(wet)とドライ(dry)に分けられます。 ドライエッチング(Dry Etching)は反応性の気体やイオンなどを利用して特定部位を除去する方法で、ウェットエッチング(Wet Etching)は溶液を利用して化学的な反応により行う方法です。 ドライは、ウェットに比べてコストが高く方法が複雑だという短所がありますが、最近はナノ単位の高集積化が進む半導体技術の変化に伴い、回路線幅も微細化しています。 そのため、歩留まりを高める方法として、ウェット(Wet)よりもドライ(Dry)エッチングが広まっています。

不要部分を選択的に除去するドライエッチング

では、ドライエッチング(Dry etching)は、どのような方法で回路パターン以外の不要部分を取り除くのでしょうか。 ドライエッチングはプラズマ(Plasma)エッチングともいいます。 一般の大気圧よりも低い圧力である真空チャンバー(Chamber)にガスを注入した後、電気エネルギーを供給してプラズマを発生させます。 プラズマは、固体・液体・気体を超えた物質の第4の状態であり、多数の自由電子、イオン、中性の原子または分子からなる、イオン化された気体を指します。 イオン化とは、電気的に中性の原子または分子が自ら持っていた電子を放出したり獲得することによって、正電荷または負電荷状態に変わる現象を意味します。

▲プラズマ(Plasma)の生成

また、プラズマは、電気エネルギーによって形成された十分な大きさの磁場が気体に加えられると、気体が衝突してイオン化することで発生します。 すなわち、磁場が自由電子を加速させ、高いエネルギーを持った自由電子が中性の原子や分子と衝突してイオン化を起こすのです。 このとき、イオン化によって生成された追加電子も連鎖反応(Avalanche)によってまた別のイオン化を起こし、イオンの数は幾何級数的に増えていきます。 この状態がまさに「プラズマ状態」です。 プラズマ状態で解離した反応性原子(Radical Atoms)はウェハ上を覆っている膜状の原子と出会い、強い揮発性を帯びて表面から脱離していきます。 このような反応を通じて、感光液(PR, Photo Resist)の保護膜で遮られていない膜は除去されます。 ドライエッチングの過程では、いくつかの注意点があります。 まず、均一度(Uniformity)を維持することです。 均一度とは、エッチングの進行速度がウェハ上の複数の箇所で「どれほど同一か」を意味します。 一定時間工程が進んだ状態で、ウェハの部位によってエッチング速度が異なると、形成された形が部位ごとに異なり、特定部位に位置したチップに不良が発生したり特性が変わってしまう問題につながりかねません。 次に、エッチング速度(Etch Rate)です。 これは、一定時間に膜をどれくらい除去できるかを意味します。 エッチングの速度は、主に表面反応に必要な反応性原子やイオンの量、イオンが持つエネルギーによって変化します。 そこで、このような因子の調整能力を高めて、全体的な歩留まりを向上させるために努力しています。 そのほかにも、選択比(Selectivity)、プロファイル(Profile)などがドライエッチングの重要な項目として考えられています。 ここまで、半導体回路のパターンを完成するエッチング工程(Etching)について見てきました。 集積回路技術の産物である半導体は、必要物質の薄膜(Thin Film)をシリコン基板全面に塗布した後、残したい形に保護層を形成し、それ以外の部分を除去する作業を何度も繰り返して作られます。 これらすべての工程は、安全に設計された装置の中で行われています。 次回は、エッチング工程の後、半導体に電気的特性を付与するためにウェハ上に薄い膜を形成する「薄膜(thin film)」工程についてご紹介します。