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エッチングとは?半導体で膜を削る工程の目的とウェット・ドライの違いをわかりやすく解説【エッチング3級・第1講】

エッチングとは?半導体で膜を削る工程の目的とウェット・ドライの違いをわかりやすく解説【エッチング3級・第1講】 お知らせ
SEMICON CAMPUS 無料講座エッチングコース3級 入門 ・ 第1講
① レジストを全面に塗る② 光と現像で形をつくる③ エッチング(上から削る)④ レジストを取り除くレジストはむらなく全面に不要な部分が洗い流されるむき出しの膜だけ削られる形が、膜に写ったレジスト削りたい膜ウェハ(シリコン)
黄色がレジスト、水色が削りたい膜、灰色がウェハです。レジストは、最初は全面に塗られ(①)、光と現像で、必要な部分だけが残ります(②)。青い矢印は、削る向き(上から下)です。

今回のテーマは、

「なぜ、半導体づくりには『削る』工程が要るのか」

答え:レジストにつくった形を、最後まで残る膜に写すためです。削り方には、薬液で溶かす方法(ウェット)と、気体を使う方法(ドライ)があり、細かい形には、縦にだけ削れるドライが向いています。

黄色のマーカー = この講座のテストに出す重要ポイント

この記事でわかること

  • ① エッチングとは何か
  • ② なぜ削るのか
  • ③ ウェットとドライ
  • ④ 等方性と異方性
  • ⑤ 削る量と後始末

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① エッチングとは、レジストの形を膜に写す工程

大事なポイント:レジストで守られていない部分の膜を削り、レジストの形を、下の膜に写します。

1. 膜をつける(成膜)ウェハ全面に膜2. レジストで形をつくる光で描き、現像3. エッチング(この講の主役)出ている膜を削る4. レジストを取り除く形だけが残る矢印は、作業の進む順番ですエッチングは、3番目の工程です
手順は、番号の順に進みます。レジストは、削るあいだだけ膜を守る「仮のふた」です。

この講で最初に出てくる3つの用語から、説明します。ウェハは、半導体の材料(多くはシリコン)でできた、薄い円盤です。膜は、ウェハの表面につくる薄い層で、厚さは数nm〜数µmです(1µm=1000nm、1nmは10億分の1メートルです)。レジストは、光に反応する樹脂の膜で、削りたくない部分を守る「ふた」の役目をします。このような覆いを、一般にマスクと呼びます。

エッチングは、次の手順の3番目にあたります。

  1. ウェハの上に、削りたい膜(たとえば酸化膜)をつけます。
  2. その上にレジストを全面に塗ります。次に、露光(光を当てて、形を焼きつける)と現像(薬液で、不要な部分を洗い流す)を行い、残したい形にします。
  3. エッチングで、レジストのない所の膜だけを削ります。
  4. 役目を終えたレジストを取り除きます。

露光と現像は、フィルム写真に近い考え方です。写真は、フィルムに光を当てて(露光)、薬液で絵を浮かび上がらせます(現像)。レジストでも、光が当たった部分(種類によっては当たらない部分)が薬液に溶けるようになり、現像でその部分だけが洗い流されて、形が残ります。くわしくは、露光の講座で学びます。

エッチングは、膜を化学的に取り除く工程です。レジストがある所は守られて膜が残り、ない所は削られます。その結果、レジストにつくった形が、そのまま膜の形になります。

身近なたとえでは、型紙(ステンシル)を置いて、その上からスプレーを吹き、型紙のない所だけ色をつける作業に似ています。エッチングは、色をつける代わりに、型紙のない所の膜を取り除く作業です。型紙が正確なら、できあがる形も正確になります。そのため、エッチングでは、レジストの形をどれだけ正しく膜に写せるかが、いちばんの課題になります。

確認クイズ:エッチングで、削られずに残るのは、どの部分の膜でしょう?

答え:レジストで覆われている部分の膜です。

② なぜ「削る」工程が要るのか

大事なポイント:レジストの形は、一時的なものです。回路の部品にするには、その形を、残る膜に写す必要があります。

膜は「重ねて、削る」のくり返しで、回路になる① 削って、膜の形ができた② 次の膜(緑)を全面に重ねる③ 形をつくって、また削るこれをくり返して、立体の回路になる
簡易の模式図です。灰色がウェハ、水色が最初の膜、緑が次に重ねる膜です。実際の回路は、これを何十回もくり返します。

前の工程で、レジストに形を描きました。しかし、レジストは最後に取り除かれる仮のふたで、回路の部品にはなりません。回路として使われるのは、絶縁のための酸化膜や、電気を通す膜など、最後まで残る膜です。その膜に形をつけるのが、エッチングです。

たとえば、二酸化ケイ素(SiO2、酸化膜)は、ウェットではバッファードフッ酸(BHF)という薬液で、ドライではCHF3というガスで削られます。窒化シリコン(Si3N4)も、CHF3で削れます。シリコンそのものは、SF6というガスで削れます。このように、膜の種類ごとに、削る方法が決まっています。具体的な方法は、第2講から順に学びます。

回路は、膜をつけて、削って、また別の膜を重ねて、削る、というくり返しでできています。そのため、エッチングは、半導体づくりの中で何度も出てくる、基本の工程です。

もう1つ大事なのは、「削ってよい膜」と「削ってはいけない膜」が、ウェハの上には同時にあることです。たとえば、酸化膜を削りたいときに、その下のシリコンまで削ってしまっては困ります。そのため、エッチングは、ただ削るだけでなく、削る相手を選べることが重要です。この「選べる度合い」は、第4講で選択比として学びます。

確認クイズ:レジストの形は、エッチングのあと、回路の部品として残りますか?

答え:残りません。レジストは取り除かれ、形を写された膜が残ります。

③ ウェットとドライ:液体で溶かすか、気体で削るか

大事なポイント:エッチングは、薬液で溶かす「ウェット」と、プラズマで削る「ドライ」の2種類に大きく分かれます。

ウェット:薬液に浸して溶かす薬液ウェハドライ:真空の容器の中で、プラズマで削るウェハ(下に置く)プラズマ(光る気体)
左は液体、右は気体を使う方法です。右の矢印は、粒が上から下へ向かう様子を表します。

ウェットエッチングは、酸やアルカリなどの薬液に、ウェハを浸して、膜を溶かす方法です。身近な例では、錆びた金属を酸で溶かすのと、考え方は同じです。

では、なぜウェットは横にも広がるのでしょうか。薬液は液体なので、決まった向きを持たず、膜に触れた所ならどこでも、同じ化学反応で溶かします。上から溶かして穴ができると、その穴の側面(かべ)にも薬液が触れるため、側面も溶けて、横へ広がります。レジストの縁の下に薬液がしみこむことでも、食い込みは進みます。これに対してドライは、電気の力で、イオン(電気を帯びた粒)を縦方向に加速してウェハにぶつけられるため、縦に削りやすくなります。くわしくは、第3講と第4講で学びます。

ドライエッチングは、真空の容器の中に、ガスを入れ、電気の力でプラズマ(電気を帯びた粒が混ざった、光る気体)にして、膜を削る方法です。プラズマについては、第3講でくわしく学びます。

歴史を振り返ると、ウェットは1980年代後半に、ドライのプラズマエッチングに置きかえられていきました。現在の、非常に細かい回路をつくる工程では、ウェットはほとんど使われず、ドライが中心です。その理由は、次の節の「削られる形」にあります。ただし、ウェットが役に立つ場面は、今も残っています。その例は、第2講で説明します。

2つの違いを、先に大まかにまとめます。ウェットは、装置が単純で、薬液に浸すだけなので、始めやすい方法です。一方で、削られる形が、横にも広がりやすい欠点があります。ドライは、装置が大がかりですが、削る向きや強さを、電気の力で調整できます。

確認クイズ:1980年代後半以降、細かい回路づくりの中心になったのは、ウェットとドライのどちらでしょう?

答え:ドライ(プラズマエッチング)です。

④ 等方性と異方性:削られた形が、どう違うか

大事なポイント:横にも削れるのが等方性、縦にだけ削れるのが異方性です。細かい回路には、異方性が向いています。

等方性:全方向に同じ速さで削る異方性:縦だけ削るレジストの下の膜も、横から削られて細くなるレジストの下の膜は、そのまま残る(壁がまっすぐ)横へ横へ縦へ縦へ
青い矢印は横へ、赤い矢印は縦へ削れる向きです。左は、レジストの下の膜が、横から食い込まれて細くなります。

等方性は、「どの方向にも同じ」という意味で、エッチングでは、全方向に同じ速さで削れることです。異方性は、「方向によって違う」という意味で、ここでは、縦方向だけ(ウェハに垂直な方向)に削れることです。

等方性のエッチングでは、膜は下へ削られるだけでなく、横にも削られます。すると、レジストの下の膜にも、横から食い込みが入ります。この食い込みをアンダーカット(バイアスとも呼ぶ)といいます。レジストで形を描いたのに、膜がそれより細くなってしまうわけです。

薬液を使うウェットエッチングは、ふつう等方性で、厚い膜ほど、このずれが大きくなります。プラズマを使うドライは、等方性にも異方性にもできます。そのうえで、現在のエッチングは、鋭く、制御しやすい形をつくれる異方性が好まれます。回路の線は細く、すき間も狭いので、横に食い込まれると、設計どおりの太さにならないためです。

確認クイズ:マスクの下へ、横から食い込んで削れることを、何というでしょう?

答え:アンダーカットです。

くわしく見る:アンダーカットの大きさを、簡単に見積もる

等方性で、縦と横が同じ速さで削れる、と単純に考えます(理想化した目安で、実際はもう少し複雑です)。膜厚が0.3µm、レジストの線の幅が1.0µmのとき、線の両側から0.3µmずつ食い込まれるので、膜に残る線の幅は、次のようになります。

1.0 − 0.3 × 2 = 0.4 µm

設計の1.0µmが、0.4µmまで、半分以下になります。異方性なら、横の食い込みはほぼ0なので、1.0µmのままです。線と線のすき間が0.5µmなら、等方性では、すき間が 0.5 + 0.3 × 2 = 1.1µm に広がります。

なお、実際には、膜を削りきったあとも少し長く削る(第4講のオーバーエッチ)ため、食い込みはこの値より大きくなります。

⑤ どれだけ削るか、そして後始末

大事なポイント:削る量は、エッチレート×時間で決まります。削り終えたら、レジストを取り除きます。

膜厚300nm、エッチレート100nm/分の例0分(300nm)1分(残り200nm)2分(残り100nm)3分(残り0nm)削る向き削る量= レート × 時間300 = 100 × 3
左の水色が膜です。1分ごとに100nmずつ薄くなり、3分で削りきります。

エッチレートは、1分あたり何nm削れるか、という速さです(単位はnm/分)。膜厚が300nmで、エッチレートが100nm/分なら、300 ÷ 100 = 3分で削りきれます。時間を決めて止める方法は、いちばん単純なやり方です。ただし、エッチレートが変わったり、膜厚にばらつきがあったりすると、止めるタイミングがずれます。この問題は、第4講と第5講で扱います。

削り終わったら、レジストを取り除きます。方法の1つは、酸素のプラズマを使うものです。酸素のプラズマが、レジストと結びついて灰のようになり、真空ポンプで排気されます。これをアッシング(灰化)といいます。

次の講からは、この3番目の工程の中身を、ウェット(第2講)、ドライ(第3講)の順に学びます。

確認クイズ:膜厚450nmの膜を、エッチレート150nm/分で削ると、削りきるのに何分かかるでしょう?

答え:3分です(450 ÷ 150 = 3)。

くわしく見る:単位をそろえて計算する

膜厚が0.5µm、エッチレートが250nm/分のとき、単位をそろえます。0.5µm = 500nmです。

500 ÷ 250 = 2 分

単位をそろえずに「0.5 ÷ 250」としてしまうと、答えが1000倍ずれます。計算の前に、nmかµmのどちらかに、そろえてください。

膜厚が10%厚い(550nm)ときは、同じ2分で止めると、550 − 250 × 2 = 50nm の膜が残ります。目安の計算ですが、止める時間の決め方が大事な理由が分かります。

この講のまとめ

この講のポイント

エッチングは、レジストで守られていない部分の膜を削り、形を膜に写す工程です。
薬液で溶かすウェットと、プラズマで削るドライがあり、現在の細かい回路ではドライが中心です。
横にも削れる等方性ではアンダーカットが出るため、細かい形には縦に削れる異方性が向きます。

次の講では、ウェットエッチングで、薬液がどのように膜を削り、どんな形ができるのかを学びます。

ことばのおさらい

  • ウェハ:半導体の材料でできた、薄い円盤です。
  • 膜:ウェハの表面につくる、薄い層です。
  • レジスト・マスク:削りたくない部分を守る覆いです。レジストは、光に反応する樹脂の膜です。
  • エッチング:膜を削って、レジストの形を膜に写す工程です。
  • 等方性・異方性:全方向に同じ速さで削るのが等方性、縦だけ削るのが異方性です。
  • アンダーカット:マスクの下に、横から食い込んで削れることです。
  • エッチレート:1分あたりに削れる膜厚(nm/分)です。

よくある誤解

Q. エッチングで、レジストは回路の部品になるのですか?

いいえ。レジストは削るあいだ膜を守る仮のふたで、あとで取り除かれます。回路になるのは、形を写された膜です。

Q. ウェットは古くて、今はまったく使われないのですか?

いいえ。細かい回路をつくる工程の中心はドライですが、ウェットが役に立つ場面も残っています。その例は、第2講で説明します。

参考にした公式情報

エッチレートの計算、nmとµmの換算、アンダーカットの見積もりの式は、一般的な知識にもとづく目安です。「SF6でシリコンを削る」は参考資料の記載にもとづきます。図は、記事用に描いた簡易の図です。数値の計算例は、説明用の仮の値です。

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