半導体/MEMS/ディスプレイのWEBEXHIBITION（WEB展示会）による製品・サービスのマッチングサービス SEMI-NET（セミネット）

半導体用語集

工ッチング反応機構

英語表記：etching reaction mechanisms

半導体デバイスのプラズマエッチングでは、一般にフッ素(F)や塩素(Cl)、臭素(Br)などハロゲン原子を含む反応性ガス(エッチングガス)を導入して生成した反応性プラズマが用いられる。ガス分子は主にプラズマ気相中の電子衝突過程によって励起、 解離、電離され、生成されたイオンお よび中性原子・分子ラジカルなどの反応活性種が基板近傍に輸送されて表面に入射する。そして基板表面との種々の相互作用(表面反応)の結果、最終的に基板原子あるいは基板原子のハロゲン化合物(反応生成物)が表面から脱離してエッチングが進行する。このようなエッチング表面反応過程とその速度は、第一に、反応ガスから生じたイオンや中性の反応活性種などの化学組成、およびそれらの表面入射フラックスと速度分布(入射エネルギーと角度分布)、さらに表面温度によって決まる。一方、基板表面から脱離した反応生成物は、表面への再付着あるいはプラズマ気相中での再解離→付着などの過程を通してエッチング表面に影響を及ぼす。
基板表面近傍のガス分子や中性活性種など中性の反応粒子は、熱運動速度で表面に等方的に入射する。一方、正イオンは、基板表面上に形成された空間電荷層であるシース内の電界で加速され、シース内でのガス分子との衝突の影響が無視できる低圧力下で、イオンはシースにおける電位降下(シース電圧)にほば等しい運動エネルギーをえて表面にほば垂直に入射する。シースの厚みはデバイ長の数倍程度で、基板表面のパターン構造の寸法とくらべ 103～104倍ほどと非常に大きいため、イオンは主としてパターンの底の部分に入射する。一方、中性粒子はパターンの底部と側壁に入射する。プラズマエッチングに関わる表面反応過程は、一般に、①中性の反応活性種のみによる自発的な化学反応・表面に吸着した反応性ラジカルが基板原子と熱的に化学反応を行い、蒸気圧の高い反応生成物が生して表面から脱離する過程、②イオンによる物理的スパッタリング:十分な運動エネルギーを有して表面に入射した高速イオンと基板原子との衝突カスケードにより、基板原子が表面から放出される過程、③イオンと中性活性種の相乗効果によるイオンアシスト反応:表面に吸着した反応性ラジカルと基板原子との化学反応,あるいは反応生成物の脱離が入射イオンの運動エネルギーにより促進され、反応生成物が表面から脱離する過程、および④保護膜形成:非反応性ラジカル(堆積性ラジカル)が表面に吸着・堆積して重合膜を形成し工ッチング反応抑制に至る、あるいは別の反応性ラジカルが表面に吸着反応して薄い反応抑制層形成に至る過程、に大別できる。
ここで,中性の反応活性種による純粋に熱的な化学反応①は十分な材料選択性を有するが、基板表面に等方的に 入射する中性活性種のみによる反応では、パターン側壁のアンダカットを生 じェッチング形状の異方性はえられない。これに対し、シースで加速され十分な運動エネルギー (Ei>20eV程度)を有して基板表面にほぼ垂直に入 射するイオンの物理的作用が関与する反応過程②③では、表面がこのイオン入射方向に沿ってエッチングされ、縦方向のエッチング速度が横方向、すなわちアンダカットの速度より大きい場合,形状の異方性がえられる。しかし材料選択性については、中性活性種も関与するイオンアシスト反応の方が優れるため、異方性と選択性を両立させ るには、イオンアシスト反応が最も重要なエッチング反応機構となる。なお上記②③の反応過程に関しては、十分な運動エネルギーを有する中性粒子 (イオンとガス分子との電荷交換により生じる高速中性原子など)の入射もイオンと同様な効果を及ほす。
保護膜形成④によるパターンの側壁保護は、中性の反応活性種あるいは斜め入射イオンの側壁アタックの効果を 抑制し結果的にエッチング形状の異 方性が向上する。さらに側壁への重合膜堆積を積極的に利用してテーパ形状をえることもでき、またパターン底部の下地材料膜表面やレジストマスク表面に材料選択的に堆積した重合膜は、中性活性種やイオン入射の効果を抑制し選択性に寄与する。表面に吸着・堆積して重合膜堆積に至る反応粒子とし ては,エッチング反応生成物やスパッタされたレジスト物質、あるいはそれらの分解種、またフルオロカーポンなど堆積性ガスを含む反応系では、さらにガス分子の分解種が対応する。なお、保護膜形成のプロセスは必ずしも重合膜堆積を必要とせず、 微量の酸素や窒素との反応により形成される薄い表面酸化層や窒化層などもエッチング反応を抑制し、類似の役割を果たす。このような保護膜形成過程は、エッチングの加工形状や寸法精度、選択性などの特性にきわめて重大な影響を及ばすため、イオンアシスト反応とともに、その機構の理解と制御が高精度の異方性エッチングには不可欠である。

関連製品