半導体のGAAナノシート、SiGeだけを取り除くには？選択エッチングの仕組み

何のために、SiGeを取り除くのか

GAAのトランジスタでは、ゲートが、電気の通り道（ナノシート）を、まわり全部で囲みます。そのためには、シリコンの板を、宙に浮かせなければなりません。そこで、板のあいだに、あとで取り除く材料としてSiGe（シリコンゲルマニウム）をはさんで積んでおき、積み終わってから、SiGeだけを取り除きます。この工程は「チャネル解放」と呼ばれます。

取り除く目的は、シリコンの板のまわりに空間をつくり、ゲートが板を囲めるようにすることです。

困りごと：取り除く層も、残す板も、シリコンの仲間

ここで、難しい問題が出てきます。取り除くSiGeは、シリコンにゲルマニウムを混ぜた材料です。つまり、残したい板のシリコンと、取り除きたいSiGeは、どちらもシリコンを含む、よく似た材料です。しかも、その厚さは、数ナノメートルしかありません。

似た材料の片方だけを削るのは、混ざった色違いのビーズから、青いビーズだけを、ピンセットでつまみ出すようなものです。これは、あくまでたとえで、実際の工程では、薬品やガスが、化学的な反応の違いを使って、削る材料を選びます。

解決策：狙った材料だけを削る「選択エッチング」

この問題への答えが、「選択エッチング」です。エッチングは、材料を削り取る工程のことで、その中でも、狙った材料だけを削り、ほかの材料は削らないものを、選択エッチングと呼びます。シリコンはほとんど削らずに、SiGeだけを取り除く選択エッチングが、実際に使われています。

この選択エッチングは、積み終わったあとの、チャネル解放の工程だけでなく、板のあいだの小さな壁（内側スペーサー）をつくる前の、凹みをつくる工程にも必要とされます。同じ、SiGeの選択エッチングが、GAAの製造の中で、複数回、重要な役割を担っています。

削り方その1：プラズマで削るドライエッチング

削り方の1つが、プラズマを使う「ドライエッチング」です。液体の薬品ではなく、ガスをプラズマの状態にして、材料を削ります。ガスには、CF4（四フッ化炭素）やNF3（三フッ化窒素）が、主に使われます。そこに、アルゴン、酸素、ヘリウムなどを、補助のガスとして加えて、削り具合を整えます。

板のあいだの、せまい隙間のSiGeを削るには、板のまわりに回り込むように、あらゆる向きに削る「等方性」のエッチングが必要です。実際には、リモートプラズマ（プラズマを少し離れた場所で作り、削りたい場所へ送る方式）による、等方性のドライエッチングが使われています。

削り方その2：ガスで削る方法と、その難点

プラズマを使わずに、塩化水素（HCl）のガスで、SiGeを削る方法もあります。半導体を結晶成長させる装置（CVD装置）の中で、そのまま削れる利点があります。ただし、高い温度の環境が必要なことと、結晶の向きによって削れ方が変わることが、難点とされています。

このため、削る形や均一さを、きれいにそろえたい場面では、プラズマを使うドライエッチングが、好まれることがあります。どの方法を選ぶかは、狙う形や、前後の工程によって、変わります。

「選択比」とは：削れやすさの比

選択エッチングの性能を表す指標が、「選択比」です。SiGeが、シリコンより、どれだけ削れやすいかを表す、削れる速さの比です。たとえば、選択比が34なら、SiGeは、シリコンの34倍の速さで削れる、という意味です。

さまざまな選択比が報告されています。あるドライエッチングでは、SiGeのシリコンに対する選択比は34でした。別の、チャネル解放の方法では、およそ168対1という選択比が報告されています。ただし、これらは、条件の違う別々の研究の値です。直接、比べることはできません。

なぜ、ここまで高い選択比が必要なのか

理由は、SiGeがなくなった瞬間から、シリコンが、急に削られ始めるからです。SiGeを完全に取り除いたあと、シリコンの削れる速さが、大きく上がることが指摘されています。取り除く層のSiGeがなくなっても、エッチングを続けると、残したいシリコンの板が、削られてしまいます。

さらに、チップの上には、幅の違う板が、同じ工程で作られることがあります。幅が30ナノメートルから80ナノメートルの板を、まとめて解放する方法が調べられています。細い板のSiGeは、先に抜けて、太い板のSiGeは、あとで抜けます。先に抜けた板は、太い板のSiGeが抜けるまで、エッチングにさらされ続けます。そのため、選択比は、高いほど、有利です。

工夫：工程を分けて、少しずつ取り除く

選択比を高めるための工夫の1つが、工程を分けることです。SiGeを、複数の工程に分けて取り除く方法が示されています。その中には、プラズマを使わずに、自然に酸化する方法に近い、酸化の工程が含まれています。プラズマを使わないので、プラズマによる損傷を、避けられるというわけです。

板の幅が違っても、できるだけそろった間隔で、板が宙に浮くように、段階を踏んで取り除く。そうした工夫によって、選択比と、仕上がりのそろい具合を、両立させようとしています。

現場の視点：削った量を測る

SiGeの選択エッチングは、「どれだけ削れたか」を、測ることも大切です。板のあいだのSiGeを、横から少し削って凹みをつくる工程（凹み加工）は、内側スペーサーをつくる前の、大事な工程とされ、その深さを、チップを壊さずに測る方法が、検討されています。削る工程と、測る工程は、セットで考えられています。こうした計測の仕事は、半導体の「検査・計測」の分野につながります。

ことばのおさらい

• エッチング：材料を削り取る工程です。
• 選択エッチング：狙った材料だけを削り、ほかの材料は削らないエッチングです。
• 選択比：SiGeが、シリコンより、どれだけ削れやすいかを表す、削れる速さの比です。
• ドライエッチング：ガスをプラズマにして、材料を削る方法です。
• 等方性エッチング：あらゆる向きに、同じように削るエッチングです。
• チャネル解放：SiGeを取り除いて、シリコンの板を、宙に浮かせる工程です。

よくある誤解

Q. SiGeを取り除くとき、シリコンの板は、まったく削れないのですか？

いいえ。選択比が高くても、シリコンが、まったく削れないわけではありません。削れる速さが、SiGeに比べて、とても小さいということです。だからこそ、選択比を、できるだけ高くする工夫が必要になります。

Q. 選択比が高ければ高いほど、いつでもよいのですか？

選択比が高いことは、重要ですが、それだけで決まるわけではありません。削る形のきれいさや、削った量のそろい具合、プラズマによる損傷の少なさも、あわせて考えられます。

まとめ

付記：この記事の根拠

参考にした公式情報

• imec「The near-term logic technology roadmap: three generations of GAA nanosheet technology」
• Liuほか「Study of Selective Dry Etching Effects of 15-Cycle Si0.7Ge0.3/Si Multilayer Structure in Gate-All-Around Transistor Process」（Nanomaterials, 2023）
• Sunほか「A Novel Si Nanosheet Channel Release Process for the Fabrication of Gate-All-Around Transistors and Its Mechanism Investigation」（Nanomaterials, 2023）
• GlobalFoundries特許 US10297664B2「Nanosheet transistor with uniform effective gate length」
• IBM Researchほか「Development of SiGe Indentation Process Control for Gate-All-Around FET Technology Enablement」（arXiv:2201.04725）