マイクロトレンチとは

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マイクロトレンチとは、エッチングした溝や穴の底で、側壁のすぐ内側だけが幅の狭い溝のように余分に深く掘れる形状異常のことです。 日本の現場ではサブトレンチとも呼びます。底の角だけが深くなるので、上から寸法を測っても見つかりません。それでもパワーデバイスのトレンチゲートでは、この角に電界が集中してゲート絶縁膜が壊れる原因になります。抑える手段の圧力とガスはどれもエッチング速度と引き換えなので、断面で形を確かめながら速度をどこまで手放すかを決めます。

側壁で向きを変えたイオンが、底の角に偏って当たる

底の角が深く掘れる仕組み

垂直に入るイオンは底を平らに下げます。散乱して向きを変えたイオンが底の角に当たると、角だけが細い溝のように深くなります。

底の中央と底の角では、届くイオンの量に差が出ます。シースで加速されて垂直に落ちるイオンだけが底へ当たるなら、底は平らなまま下がります。実際のイオンは、途中で側壁に当たったり、パターンの中の帯電に曲げられたりします。散乱したイオンが当たる先が溝の底の角になった形が、マイクロトレンチです。

散乱の起き方は、日立製作所中央研究所の根岸伸幸氏らがボーイングの検討で示しています。UHF-ECRプラズマでAr/C₅F₈/O₂を使い、絶縁膜の微細ホールで穴の中間部が樽型に広がる形を調べ、ホールを細くするほどそこへ入るイオンの量に対して側壁へ膜が積もる速さが追いつかなくなる¹とまとめました。守りの薄くなった側壁に、マスクの肩が削れたファセット部や入口が狭まったネッキング部で跳ね返ったイオンと、チャージアップで向きを変えたイオンが当たり、そこから横へ削れていくと考えています。ボーイングが出る位置のアスペクト比はホール径によらず4でほぼ一定、側壁の堆積膜が切れる位置のアスペクト比は3でほぼ一定でした。当たる先が動けば掘れる場所も動くので、イオンエネルギーを持った粒子の向きがそろうかどうかが、形状異常の入口になります。

同じ溝でも、ガスの種類で出方が変わります。Princeton Universityのグループは、プラズマの2次元流体シミュレーションで表面へ入る粒子のフラックスとエネルギーを求め、それを加工形状の変化のシミュレーションにつないでエッチング速度と形を予測しました。孤立した溝と線のエッチングで実験と比べると、HBrではマイクロトレンチのない高アスペクト比の溝ができ、Cl2では深いマイクロトレンチが出ました²。

底の角が残ると、ゲート絶縁膜が壊れる

通常エッチングとラウンドエッチング

幅はどちらも1.3 μmで、通常エッチングは深さ1.9 μmで底の角が残り、ラウンドエッチングは深さ2.1 μmで角を丸めた底になります。

最も影響が大きいのは、パワーデバイスのトレンチゲートです。トレンチ底部に角が残ったままゲート電極を作ると、電圧をかけたときにそこに電界が集中してゲート絶縁膜が壊れます³。そのため掘ったあとに1500℃前後のアニールで底を丸める場合があり、サムコはそのアニールなしで底面のエッジを丸めるトレンチエッチングのプロセスを開発しています。同社の2019年1月の比較では、トレンチ幅はどちらも1.3 μmで、通常エッチングの深さが1.9 μm、ラウンドエッチングの深さが2.1 μmです。

デバイス側も同じ対策をとっています。サンケン電気のトレンチ型SiC-MOSFETは、トレンチ底部にラウンディング加工を入れて電界の集中を抑え、ゲート酸化膜を絶縁破壊から守っています⁴。同じ素子では、狭セルピッチ化やNドリフト層の上に形成した高濃度変調層などの対策を重ねて、面積オン抵抗3.5 mΩ・cm²を達成しています。SiC MOSFETのトレンチ加工では、垂直に掘ることと底の角を丸めることを、同じレシピの中で両立させます。

サムコは、ICPエッチング装置によるΦ6インチウエハのSiC MOSFETのトレンチゲート加工で、側面が平滑なまま、サブトレンチを抑えた丸い底を実現したとしています⁵。深さは2 μmで、レート450 nm/min以上、SiC/SiO₂の選択比5以上、Φ6インチ面内均一性±3パーセント以下を挙げています。

圧力とガスで抑えると、エッチング速度を手放す

Arを加えたときの形と速度

SF6だけで掘るとマスクの下へのアンダーカットと底の角のマイクロトレンチが出ます。Arを加えると両方が消える代わりに、速度は約750 nm/minから約540 nm/minへ下がります。

最初に確かめるのは圧力です。村田製作所は6インチ基板でSi深掘り用のハードマスクを作る際、厚さ1.0 μmのTEOSを成膜し、開口幅2.0 μmのレジストでTEOSをドライエッチングしました。断面SEMではL/S=2.0/2.0 μm以下の寸法に大きめのサブトレンチが見られ、原因は加工圧力を下げすぎたためと推測されています⁶。逆に圧力を上げると、速度が下がります。ガラスのエッチングではイオンが基板に届く効率の良い0.2〜2 Paが使われます⁷。圧力が高いとイオンが基板に着くまでに他の原子や分子と衝突してエネルギーを失い、エッチング速度が下がるためです。

ガスの組み合わせでも、同じ引き換えが起きます。成均館大学校のグループは、Niハードマスクでホウケイ酸ガラスを深掘りし、SF6だけでは化学的なエッチングでマスクの下にアンダーカットが入り、溝の底にマイクロトレンチが出た⁸と報告しています。最適化したSF6プラズマのガラスのエッチング速度は約750 nm/minで、Arを加えるとアンダーカットとマイクロトレンチは消えた一方、速度は約540 nm/minに下がりました。同グループは、SF6（200 sccm）とSF6（60%）/Ar（40%）で深さに対する速度の変化が逆向きになったことを、イオンと中性粒子のフラックス比の違いによる加工領域の違いとしています。

側壁保護膜の量でも、イオンの当たる場所が変わる

もう1つの項目は側壁パッシベーションの量です。根岸氏らの検討では、Ar流量が800 ml/minのときはホール中間部の側壁で堆積が途切れ、500 ml/min、200 ml/minと減らすと側壁の堆積量が増えました。電極温度が低く付着係数が高いと、アスペクト比3〜4で側壁保護膜の形成が途切れ、高温にすると側壁の付着係数が下がってホール内部までラジカルが運ばれます。Ar流量の最適化と電極温度の高温化を組み合わせて、ボーイング量は56.3 nmから15.2 nmに下がりました。対象はボーイングですが、変えているのは側壁の保護膜の量と、散乱したイオンが当たる場所です。

断面で測り、速度か熱バジェットを引き換えにする

測るのは断面で、断面SEM観察とトレンチ深さ測定を使います。断面観察で底の角の掘れ込みを確認し、面内の複数の点で同じ形が出るかを調べます。サムコが挙げる面内均一性±3パーセント以下は、面内の点をそろえた結果の数字です。

トレードオフは3つあります。圧力を上げれば速度が落ちます。保護膜を増やすと、エッチング生成物の再吸着を抑えて速く掘るための高ガス流量（あるいは高速排気）⁹とは逆の方向になります。アニールで丸める方法を選べば、1500℃前後の熱バジェットが工程に加わります。

よくある質問（FAQ）

マイクロトレンチとは何ですか？

エッチングした溝や穴の底で、側壁のすぐ内側だけが幅の狭い溝のように余分に深く掘れる形状異常です。日本の現場ではサブトレンチとも呼びます。サムコは、SiC MOSFETのトレンチゲート加工で、側面が平滑で、底の角が丸く、サブトレンチを抑えた形にできたとしています。

なぜ底の角だけ深く掘れるのですか？

向きの乱れたイオンが、底の平らな面より角に偏って当たるためです。日立製作所中央研究所の根岸伸幸氏らは、UHF-ECRプラズマでAr/C₅F₈/O₂を使った微細ホールのボーイングの検討で、マスクの肩が削れたファセット部や入口が狭まったネッキング部で反射したイオンと、チャージアップで向きを変えたイオンが側壁を削ると考えています。

どんな困りごとを招きますか？

パワーデバイスのトレンチゲートで、ゲート絶縁膜の破壊を招きます。トレンチ底部に角が残ったままゲート電極を作ると、電圧をかけたときにそこへ電界が集まってゲート絶縁膜が壊れます。

何を調整すると変わりますか？

圧力とガスの組み合わせです。村田製作所が6インチ基板でSi深掘り用のTEOSハードマスクを加工した際、L/S=2.0/2.0マイクロメートル以下の寸法に大きめのサブトレンチが断面SEMで見られ、原因は加工圧力の低圧化が過ぎたためと推測されています。ガラスの深掘りでは、SF6にArを加えるとマイクロトレンチが消えたと報告されています。

圧力を上げれば済む話ですか？

速度が下がります。ガラスのエッチングではイオンが基板に届く効率の良い0.2〜2パスカルが使われ、圧力が高いとイオンが基板に着くまでに他の原子や分子と衝突してエネルギーを失い、エッチング速度が下がります。

何を測ると捉えられますか？

断面です。断面SEM観察とトレンチ深さ測定を使います。サムコは、Φ6インチウエハのSiCトレンチ加工で面内均一性±3パーセント以下を挙げています。

アニールで丸めるのとエッチングで丸めるのは何が違いますか？

熱処理の負担（熱バジェット）が増えます。掘ったあとに1500℃前後のアニールで底を丸める場合があり、サムコはそのアニールなしで底面のエッジを丸めるトレンチエッチングのプロセスを開発しています。

比較・違いを学ぶ

側壁パッシベーションとは── 側壁を守る膜。その付き方が底の角の形に影響する
アスペクト比とは── 深さと幅の比です。散乱したイオンの当たり方はこの比で変わります
DRIE（深堀り反応性イオンエッチング）とは── 掘る段と守る段を時分割にするやり方です

出典

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