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[[Book]] *高アスペクト比エッチングにおけるプラズマの挙動と表面反応... **第５章　ドライエッチング技術の開発動向とプロセス制御 石川健治（名古屋大学） 2023年5月 ***１．はじめに　高アスペクト比エッチングの目的 　半導体製造プロセスの工程フローでは，最初に基板の上に機... 　微細化の限界となる最小寸法をクリティカルディメンジョン(... 　本節では，加工形状のアスペクト比を高めるためにプラズマ... ***２．先進半導体デバイスの対象 　まず，高アスペクト比エッチングが利用される先進半導体デ... ２－１．相補型電界効果トランジスタ（CMOS-FET） 　MOSFETの作製は，シリコン半導体（Si）上にゲート絶縁膜と... 　技術開発のポイントとして，デナードの比例縮小（スケーリ... 　2010年代になると，プレーナートランジスタからフィン型ト... 　また，リソグラフィー技術がArFエキシマレーザー以降，その... ２－２．ダイナミックメモリのキャパシタセル 　集積回路で重要なデバイスの一つにダイナミックランダムア... 　この作製では，トランジスタのチャネルを基板側に掘りこみ... ２－３．フラッシュメモリ 　フラッシュメモリは，電源を切ってもメモリ内容を保持でき... 　更に，このトランジスタで多ビットのメモリの回路を構成す... 　BiCSの方法では，多ビットのトランジスタを共通のメモリホ... 　BiCSの発想から製造コストが工程数と考えれば，なるべく多... ２－４．イメージセンサ，マイクロ電気機械システム（MEMS） 　スマートフォンの台頭で世界的な電子デバイスのマーケット... 　イメージセンサは，現在CMOS型となっており，Siのフォトダ... ２－５．配線 　配線が微細化されると電気抵抗が高くなるために，その断面... ***３．高アスペクト比エッチングが生まれる歴史 　前述のデバイスの歴史に沿って，高アスペクト比エッチング... 　具体的な技術には二つの方向性があって，一つは上記したド... ***４．高アスペクト比エッチングの手法（１）サイクルエッチ... 　高アスペクト比をもつ構造を作製するために考案された方法... 　以上サイクルエッチングでは，側壁を保護するステップと底... ***５．高アスペクト比エッチングの手法（２）反応性イオンエ... 　ドライプロセスでは，プラズマで発生させたラジカルやイオ... 　イオンの有無によって反応差を大きく生じる現象には，スパ... 　同じようにイオンが入射する場合でも，化学的な作用が考え... 　その後1980年代に米国のWinterとCoburnが実験で，シリコン... 　他の観点で，アルミニウムのエッチングでは，アルミニウム... 　異方性のエッチングで形状を制御するためには，イオンの照... 　さらに，研究が進むと1990年から2000年代に掛けて，シリコ... 　ここまで述べた反応性イオンエッチングについての要点は，... 　詳細を理解していただくためにも，簡単にプラズマエッチン... ***６．プラズマエッチングの原理 ６－１．プラズマが使われる理由 　プラズマエッチングでは，まず，励起電力を低圧ガスに投入... 　プラズマを生成する反応容器の中に，被加工基板を設置する... 　エッチング表面には，ラジカルとイオンが供給されており，... ６－２．物理的スパッタリング 　一番単純な系では，イオンの照射によってエッチングを生じ... ６－３．化学的反応性イオンエッチング 　この時，ラジカルフラックスとイオンフラックスの両フラッ... 　次に，ラジカルは保護膜を形成し，イオンの入射エネルギー... ***７．容器内のラジカル輸送とその付着・反応 　ラジカルの輸送は，熱速度での拡散現象である．低圧のプラ... 　ガスは常に導入され，排気されているので，圧力域に応じて... 　微細構造内にもラジカルは侵入し，その内部を輸送していく... 　もう少し詳細を説明すれば，表面の反応は入射を１に規格化... 　要約すれば，この節ではラジカルとイオンの相乗効果を狙っ... ***８．イオンシース 　前述，プラズマと接した表面近傍には，イオンシースが発生... 　まず，プラズマを生成するために電力を印加して，プラズマ... 　統計加熱が生じる条件は，圧力が低く，抵抗加熱の効果が近... 　被加工ウェハの設置する電極に基板バイアスとなる電力を合... 　また，高電圧が掛かったシースでは，イオン電流は空間電荷... 　シンプルな非対称平行平板電極をもつ容量性結合プラズマで... 　フラッシュメモリの3D-NANDの量産がはじめって以来，バイア... 　イオンの角度分布は，シース中で加速される基板垂直方向の... ***９．プラズマ中のイオン・ラジカルの生成過程 ９－１．エッチャントが生まれる仕組み～電子衝突反応 　プラズマ中の電子は原料ガスとの衝突によって，イオンやラ... 　電子衝突反応について，個々の反応が生じる現象は，対象と... 　高アスペクト比エッチングに適した，ラジカルとイオンの組... ９－２．エッチャントの生成の制御～ガス分子デザイン 　前節で述べたように，所望のラジカルやイオン，また思いが... 　他にも，異種元素の結合を分子内に導入することも一例であ... ***１０．チャージング現象 １０－１．パルス放電と負イオン 　これまでイオンの表面反応の重要性を述べてきた．微細構造... 　チャージングの解決を目的として，パルス放電が良く使用さ... 　我々の調べた例では，パルス放電のオフ時にDCのバイアスを... 　他にも，例えば，ゲートの加工では，絶縁膜の上にゲートが... ***１１．クライオ（低温）エッチング 　プロセス中の基板を-５０℃以下ほどに冷やしてエッチングす... 　シリコンのエッチングでフッ素原子が反応する場合，SiF4を... ***１２．高アスペクト比エッチングを実現するためには １２－１．微細構造（孔や溝，ピラーやフィン）の側壁と底部... 　これまでに述べてきたことを元に，改めて微細構造の側壁と... 　プラズマからイオンシースを介して，正イオンが表面に照射... １２－２．微細構造内の活性種の輸送と付着反応 　前節でイオン照射の有無により，微細加工の側壁と底部の保... 　ラジカルの輸送は，ランダムに間口に入射する粒子に対して... 　さらに具体的な状況では，付着確率の高いラジカルは間口近... 　今後は，試行錯誤による最適化では効率がわるいこと，また... ***１３．計測と計算，そして理論 　プラズマプロセスを制御する上で，系が複雑なため，理論的... 　1989年にCoburnとWinterが報告し，それに引き続き1992年にG... 　サイクルエッチングでの具体例を紹介する．C4F8とSF6の交互... 　エッチングによって凸や凹の微細構造を作製する時の側壁の... ***１４．おわりに　 　高アスペクト比エッチングについて説明をしてきた．エッチ... 　他の観点でも，サイクルプロセスは高圧の方が，反応活性種... 　高アスペクト比エッチングには，ウェットプロセスでもメタ... 謝辞 　本稿をまとめるにあたり，情報提供などでドライプロセス国...   参考文献 [1] T. Iwase, et al. Progress and perspectives in dry pro... [2] K. Ishikawa, et al. Progress in nanoscale dry process... [3] 渡辺重佳, 新型メモリの将来展望とそのBiCS 型積層化に関... [4] H. Tanaka, et al. Bit Cost Scalable Technology with p... [5] N. Hosokawa, et al. RF sputter-etching by fluoro-chlo... [6] J. W. Courn, H. F. Winter. Ion‐ and electron‐assisted... [7] M. Sekine. Dielectric film etching in semiconductor d... [8] K. Karahashi, et al. Etching yield of SiO2 irradiated... [9] 例えば，M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principle... [10] Sigmund 理論などを参照．例えば，プラズマ核融合学会編... [11] Y. Kondo, et al. Hydrofluorocarbon ion density of ar... [12] S. N. Hsiao, et al. Selective etching of SiN against... [13] Y. Kondo, et al. Electro impact ionization of perflu... [14] H. Hashimoto, et al. Charge damage caused by electro... [15] T. Ueyama, et al. Electron behaviors in afterglow of... [16] K. Tsujimoto, et al. Low temperature microwave plasm... [17] Ohiwa, et al. SiO2 tapered etching employing magnetr... [18] J. W. Coburn, H. F. Winter, Conductance consideratio... [19] J. Yeom, et al. Maximum achievable aspect ratio in d... 図１　（上）パターン転写における異方性エッチングの重要性... 図２　ダブルパターニングの方法（左上から） 図３　DRAMの回路と構造　シリンダー型やピラー型のキャパシタ 図４　3D-NANDフラッシュメモリ　パンチ・アンド・プラグによ... 図５　ドライエッチングの原理 図６　サイクルエッチングによる方法 図７　スパッタリング現象の特徴 図８　フルオロカーボンイオン種の違いによる入射エネルギー... 図９　表面吸着確率，反応確率 図１０　イオンシースにバイアスを掛けたときのイオンエネル... 図１１　高アスペクト比エッチングでの反応過程 図１２　プラズマエッチング 図１３　プラズマエッチング反応を理解するための階層

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[[Book]] *高アスペクト比エッチングにおけるプラズマの挙動と表面反応... **第５章　ドライエッチング技術の開発動向とプロセス制御 石川健治（名古屋大学） 2023年5月 ***１．はじめに　高アスペクト比エッチングの目的 　半導体製造プロセスの工程フローでは，最初に基板の上に機... 　微細化の限界となる最小寸法をクリティカルディメンジョン(... 　本節では，加工形状のアスペクト比を高めるためにプラズマ... ***２．先進半導体デバイスの対象 　まず，高アスペクト比エッチングが利用される先進半導体デ... ２－１．相補型電界効果トランジスタ（CMOS-FET） 　MOSFETの作製は，シリコン半導体（Si）上にゲート絶縁膜と... 　技術開発のポイントとして，デナードの比例縮小（スケーリ... 　2010年代になると，プレーナートランジスタからフィン型ト... 　また，リソグラフィー技術がArFエキシマレーザー以降，その... ２－２．ダイナミックメモリのキャパシタセル 　集積回路で重要なデバイスの一つにダイナミックランダムア... 　この作製では，トランジスタのチャネルを基板側に掘りこみ... ２－３．フラッシュメモリ 　フラッシュメモリは，電源を切ってもメモリ内容を保持でき... 　更に，このトランジスタで多ビットのメモリの回路を構成す... 　BiCSの方法では，多ビットのトランジスタを共通のメモリホ... 　BiCSの発想から製造コストが工程数と考えれば，なるべく多... ２－４．イメージセンサ，マイクロ電気機械システム（MEMS） 　スマートフォンの台頭で世界的な電子デバイスのマーケット... 　イメージセンサは，現在CMOS型となっており，Siのフォトダ... ２－５．配線 　配線が微細化されると電気抵抗が高くなるために，その断面... ***３．高アスペクト比エッチングが生まれる歴史 　前述のデバイスの歴史に沿って，高アスペクト比エッチング... 　具体的な技術には二つの方向性があって，一つは上記したド... ***４．高アスペクト比エッチングの手法（１）サイクルエッチ... 　高アスペクト比をもつ構造を作製するために考案された方法... 　以上サイクルエッチングでは，側壁を保護するステップと底... ***５．高アスペクト比エッチングの手法（２）反応性イオンエ... 　ドライプロセスでは，プラズマで発生させたラジカルやイオ... 　イオンの有無によって反応差を大きく生じる現象には，スパ... 　同じようにイオンが入射する場合でも，化学的な作用が考え... 　その後1980年代に米国のWinterとCoburnが実験で，シリコン... 　他の観点で，アルミニウムのエッチングでは，アルミニウム... 　異方性のエッチングで形状を制御するためには，イオンの照... 　さらに，研究が進むと1990年から2000年代に掛けて，シリコ... 　ここまで述べた反応性イオンエッチングについての要点は，... 　詳細を理解していただくためにも，簡単にプラズマエッチン... ***６．プラズマエッチングの原理 ６－１．プラズマが使われる理由 　プラズマエッチングでは，まず，励起電力を低圧ガスに投入... 　プラズマを生成する反応容器の中に，被加工基板を設置する... 　エッチング表面には，ラジカルとイオンが供給されており，... ６－２．物理的スパッタリング 　一番単純な系では，イオンの照射によってエッチングを生じ... ６－３．化学的反応性イオンエッチング 　この時，ラジカルフラックスとイオンフラックスの両フラッ... 　次に，ラジカルは保護膜を形成し，イオンの入射エネルギー... ***７．容器内のラジカル輸送とその付着・反応 　ラジカルの輸送は，熱速度での拡散現象である．低圧のプラ... 　ガスは常に導入され，排気されているので，圧力域に応じて... 　微細構造内にもラジカルは侵入し，その内部を輸送していく... 　もう少し詳細を説明すれば，表面の反応は入射を１に規格化... 　要約すれば，この節ではラジカルとイオンの相乗効果を狙っ... ***８．イオンシース 　前述，プラズマと接した表面近傍には，イオンシースが発生... 　まず，プラズマを生成するために電力を印加して，プラズマ... 　統計加熱が生じる条件は，圧力が低く，抵抗加熱の効果が近... 　被加工ウェハの設置する電極に基板バイアスとなる電力を合... 　また，高電圧が掛かったシースでは，イオン電流は空間電荷... 　シンプルな非対称平行平板電極をもつ容量性結合プラズマで... 　フラッシュメモリの3D-NANDの量産がはじめって以来，バイア... 　イオンの角度分布は，シース中で加速される基板垂直方向の... ***９．プラズマ中のイオン・ラジカルの生成過程 ９－１．エッチャントが生まれる仕組み～電子衝突反応 　プラズマ中の電子は原料ガスとの衝突によって，イオンやラ... 　電子衝突反応について，個々の反応が生じる現象は，対象と... 　高アスペクト比エッチングに適した，ラジカルとイオンの組... ９－２．エッチャントの生成の制御～ガス分子デザイン 　前節で述べたように，所望のラジカルやイオン，また思いが... 　他にも，異種元素の結合を分子内に導入することも一例であ... ***１０．チャージング現象 １０－１．パルス放電と負イオン 　これまでイオンの表面反応の重要性を述べてきた．微細構造... 　チャージングの解決を目的として，パルス放電が良く使用さ... 　我々の調べた例では，パルス放電のオフ時にDCのバイアスを... 　他にも，例えば，ゲートの加工では，絶縁膜の上にゲートが... ***１１．クライオ（低温）エッチング 　プロセス中の基板を-５０℃以下ほどに冷やしてエッチングす... 　シリコンのエッチングでフッ素原子が反応する場合，SiF4を... ***１２．高アスペクト比エッチングを実現するためには １２－１．微細構造（孔や溝，ピラーやフィン）の側壁と底部... 　これまでに述べてきたことを元に，改めて微細構造の側壁と... 　プラズマからイオンシースを介して，正イオンが表面に照射... １２－２．微細構造内の活性種の輸送と付着反応 　前節でイオン照射の有無により，微細加工の側壁と底部の保... 　ラジカルの輸送は，ランダムに間口に入射する粒子に対して... 　さらに具体的な状況では，付着確率の高いラジカルは間口近... 　今後は，試行錯誤による最適化では効率がわるいこと，また... ***１３．計測と計算，そして理論 　プラズマプロセスを制御する上で，系が複雑なため，理論的... 　1989年にCoburnとWinterが報告し，それに引き続き1992年にG... 　サイクルエッチングでの具体例を紹介する．C4F8とSF6の交互... 　エッチングによって凸や凹の微細構造を作製する時の側壁の... ***１４．おわりに　 　高アスペクト比エッチングについて説明をしてきた．エッチ... 　他の観点でも，サイクルプロセスは高圧の方が，反応活性種... 　高アスペクト比エッチングには，ウェットプロセスでもメタ... 謝辞 　本稿をまとめるにあたり，情報提供などでドライプロセス国...   参考文献 [1] T. Iwase, et al. Progress and perspectives in dry pro... [2] K. Ishikawa, et al. Progress in nanoscale dry process... [3] 渡辺重佳, 新型メモリの将来展望とそのBiCS 型積層化に関... [4] H. Tanaka, et al. Bit Cost Scalable Technology with p... [5] N. Hosokawa, et al. RF sputter-etching by fluoro-chlo... [6] J. W. Courn, H. F. Winter. Ion‐ and electron‐assisted... [7] M. Sekine. Dielectric film etching in semiconductor d... [8] K. Karahashi, et al. Etching yield of SiO2 irradiated... [9] 例えば，M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principle... [10] Sigmund 理論などを参照．例えば，プラズマ核融合学会編... [11] Y. Kondo, et al. Hydrofluorocarbon ion density of ar... [12] S. N. Hsiao, et al. Selective etching of SiN against... [13] Y. Kondo, et al. Electro impact ionization of perflu... [14] H. Hashimoto, et al. Charge damage caused by electro... [15] T. Ueyama, et al. Electron behaviors in afterglow of... [16] K. Tsujimoto, et al. Low temperature microwave plasm... [17] Ohiwa, et al. SiO2 tapered etching employing magnetr... [18] J. W. Coburn, H. F. Winter, Conductance consideratio... [19] J. Yeom, et al. Maximum achievable aspect ratio in d... 図１　（上）パターン転写における異方性エッチングの重要性... 図２　ダブルパターニングの方法（左上から） 図３　DRAMの回路と構造　シリンダー型やピラー型のキャパシタ 図４　3D-NANDフラッシュメモリ　パンチ・アンド・プラグによ... 図５　ドライエッチングの原理 図６　サイクルエッチングによる方法 図７　スパッタリング現象の特徴 図８　フルオロカーボンイオン種の違いによる入射エネルギー... 図９　表面吸着確率，反応確率 図１０　イオンシースにバイアスを掛けたときのイオンエネル... 図１１　高アスペクト比エッチングでの反応過程 図１２　プラズマエッチング 図１３　プラズマエッチング反応を理解するための階層

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