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エッチングの基本と不良の見分け方｜工程の9割以上はドライとSCREEN

エッチングとは、露光と現像でレジストに描いた形を、その下の膜へ写す工程だ。SCREENの入門解説は、現像でレジストが溶けた部分の下にある層を、薬品やイオンで溶かすか削るかして回路を作る工程1と説明する。削り方には、薬液で溶かすウェットエッチングと、ガスのプラズマで削るドライエッチングがある。

ウェットエッチングでもドライエッチングでも難しいのは、狙った膜だけを削って止めることだ。横に削れすぎれば線幅が変わり、止めるのが遅れれば下の膜まで削り、早すぎれば膜が残る。下の膜を守る力を表すのが選択比で、削りたい膜と残したい膜の削れる速さの比を指す。寸法は、現像後の検査（ADI）とエッチング後の検査（AEI）で測り、両者の差をエッチングバイアスと呼ぶ。

ウェットは横にも溶かし、ドライは縦に削る

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ウェットエッチングは、硫酸、硝酸、りん酸、フッ酸などの薬液で膜を溶かす。ドライエッチングは液体を使わず、代表の反応性イオンエッチング（RIE）について、サムコはガスに高周波をかけてプラズマにし、イオンやラジカルで加工する方式2と説明する。

図1薬液とプラズマで断面はどう異なるか
ウェットエッチング（薬液） 横にも進み、アンダーカットができる ドライエッチング（プラズマ） 縦に進み、側壁が立つ レジスト 削る膜 下地 マスクの下まで削れた部分 削れが進む向き
同じマスク開口でも、薬液はマスクの下へ回り込んでアンダーカットを作り、プラズマは縦に進んで側壁が立つ。微細な回路でドライを使う理由は、この進む向きの違いにある。

図1の違いが、使い分けを決める。SCREENの入門解説は、ウェットは横方向にも進むので細かい回路ではレジストが落ちてしまい、ドライは垂直方向に進むので微細な回路も作れる1と書く。コストではウェットが有利で、同じ解説によれば装置は1億〜3億円程度、薬液も安く、50枚などをまとめて処理できる。それでも、微細化で粗い回路が減ったため、エッチング工程の9割以上はドライで行われている1と同じ解説は書く。

観点ウェットエッチングドライエッチング
進む方向横方向にも進む垂直方向に進む
向く回路粗い回路微細な回路
装置価格1億〜3億円程度ウェットの2倍以上
処理の単位50枚などのバッチ1枚ずつ

ウェットには、横に溶かす性質を生かして積層の中の犠牲膜を横から抜く使い道が残る。ドライ装置について東京エレクトロンは、デバイス構造の変化とEUVリソグラフィに対応するためエッチング装置に異方向や高い選択性が求められている3と書き、自社のドライエッチングのシェアを世界2位としている。東京エレクトロン、Applied Materials、Lam Researchのエッチング装置は、プラズマ源と使う工程で分けて比べられる。

寸法がずれたときは、現像後とエッチング後の寸法の差から見るのが本稿の提案だ

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エッチング後に寸法がずれたとき、本稿は、まずADIとAEIの寸法を比べることを勧める。TSMCが2004年に出願した特許は、ADIとAEIの間にエッチングバイアスと呼ぶ差が生じ、レジストの縮みやSEM計測のずれがその原因になる4と書く。エッチングバイアスの定義から推すと、ADIも同じだけずれていれば、ずれは露光の段階で生まれた可能性が高い。パターンを作る条件は露光とリソグラフィで決まる。

ただし同じ特許は、130 nm世代からはレジストの縮みでADIの測定が不安定になり、ADIの寸法からAEIの寸法を精度よく予測できないと述べる。そのうえで、ハードマスクを削った後の寸法と最終的なAEIの寸法の相関は、ADIとAEIの相関よりずっと高かったとして4、ハードマスク後の寸法を測って次のエッチングの条件を調整する（フィードフォワード）方法を示している。この結果からは、130 nm世代以降に比べる相手としては、途中のハードマスク後の寸法のほうが確かだと読める。

本稿の整理では、不良の断面を4つの形に分け、それぞれ疑う条件を当てる

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図2は、エッチング不良の断面を4つの形に分け、最初に疑う条件を1つずつ当てた本稿の整理で、業界の標準の分類ではない。各形と条件の結びつきの根拠は、続く段落で出典ごとに示す。

図2不良の断面から疑う条件を選ぶ（本稿の整理）
目標形状 合格の断面 側壁が丸まる 異方性を疑う 下地が削れる 選択比と止め時 膜が残る 終点を疑う 残渣が残る 後洗浄を疑う マスク 削る膜 下地 不良として出る部分
本稿の整理では、側壁の丸まりに異方性、下地の削れに選択比と止め時、残膜に終点、残渣に後洗浄を当てる。業界の標準の分類ではなく、調べ始める順を決めるための目安だ。

側壁が丸まる、またはマスクの下へえぐれるときは、本稿では異方性を疑う。SCREENが書くとおり、ウェットは横にも進み、細かい回路ではレジストが落ちるところまで削れる。深い溝で途中が膨らむボーイングなどの形は、ガスの反応種と保護膜の釣り合いで原因を分けられる。

下地が削れるときは、選択比と止め時を疑う。止めるのが遅れた時間に下地が削れる量は、選択比の定義から、選択比が低いほど大きい。Applied Materialsは2002年に出願した終点検知の特許で、下の膜を削ったり傷めたりしないよう、終点を高い精度で検知する5ことを目的に掲げ、速く削る第1段階を終点で止めてから、反応の弱いガスで残りを遅く削る2段階の手順も示している。

膜が残るときは、終点の検知を疑う。膜が抜け切る前に止めれば膜が残る。浜松ホトニクスは、プラズマの発光をリアルタイムで測って終点を検知する6装置を製品にしている。

残渣が残るときは、後洗浄を疑う。SCREENによれば、ドライで膜を削り終える頃にはレジストの半分以上が消え、一部は変質してポリマになる。ポリマを残したままにするとICの欠陥につながるので1、ウェットステーションやスピンプロセッサで薬液を使って洗い落とす。

プラズマダメージは、断面の形ではなくリーク電流に出る

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ダメージは、ほかの不良と違って電気特性に出る。サムコは、GaNを従来のICP-RIEで加工するとイオンの物理的衝撃に頼らざるをえず、デバイスにダメージが入り、リーク電流の増大などの特性劣化を招く7と書く。同社が2025年12月に発売したALE装置は、反応性ガスの吸着とイオン照射による除去を交互に繰り返し、イオンのエネルギーを抑えて結晶への損傷を減らす。シリコンのトランジスタでは、配線を削るときに集まった電荷がゲート酸化膜を傷める帯電損傷を、リーク電流や絶縁破壊電圧で測る。

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出典

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