J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.4 (2007)３１９‐３２４

小特集 材料プロセス用フルオロカーボンプラズマ −現状と展望−２．プラズマエッチング装置技術開発の経緯，課題と展望
関根誠

名古屋大学大学院工学研究科附属プラズマナノ工学研究センター（原稿受付：２００７年１月２４日）

半導体デバイス製造におけるプラズマエッチング技術について，その発展の経緯を技術自体の基本的な要素を踏まえて概説する．また，現在使用されているフルオロカーボンプラズマを使った装置やプロセス技術の課題をあげ，今後の開発のポイントを考察する．
Keywords:
etching, etcher, fluorocarbon, semiconductor device process, reactive ion etching, surface reaction

生し，2〜3 μm レベルのパターン寸法しか実現できなかっ２．
１ はじめに半導体デバイス生産のためのドライエッチング技術は，た．

リソグラフィにより被加工膜の上に形成したフォトレジス

一方，ドライプロセスの開発は，酸素プラズマによるトパターンなどをマスクにして，反応性ガスのプラズマ［１フォトレジスト膜のアッシング技術［１２］から始まる．プラ‐７］に晒すことにより，シリコン（Si）や金属，絶縁物材料ズマで活性化した酸素原子とレジストの有機材料が反応しに溝やホールのパターンを作製する手法である．溶液を使て揮発性の高いガスとなり排気される．従来，強酸を使用用する湿式（ウェット）エッチングに対し，ガスやガスをしたレジスト除去をドライで行うことが可能となった．さ放電で励起して発生した活性な原子・分子さらにイオンをらに，ハロゲンガスのプラズマにより Si をエッチングする利用する．特に反応性 イ オ ン エ ッ チ ン グ（Reactive Ion技術が提案された［１３］．代表的なフルオロカーボンガスでEtching: RIE）が開発されてからは，リソグラフィとともにあ る CF４の プ ラ ズ マ で 発 生 し た 反 応 性 の 高 い F 原 子

半導体デバイスの高集積化を牽引し，半導体デバイスの隆（F ラジカル）が Si と反応して蒸気圧の高い SiF４となり排気盛とともに発展した基盤技術である．デバイスの高集積され，エッチングが可能となる．その後，CF４に O２を添加化，高性能化，さらにコストパフォーマンスの追及には今することで F 原 子 を 大 量 に 供 給 で き る こ と が わ か り，後ともプラズマを利用したドライエッチング技術の開発が不可欠である．
本稿では，その発展の経緯を技術自体の基本的な要素を踏まえて概説する．また，現在使用されているフルオロカーボンプラズマを使った装置やプロセス技術の課題をあげ，今後取り組むべき技術開発の方向を提案する．

２．
２ プラズマエッチング技術開発の経緯
２．
２．
１ プラズマエッチングの黎明
トランジスタの発明［８，９］から，素子をウェハ上に多数形成する集積回路が１９５０年代末に発明され，その製造方法としてプレーナ技術［１０］が提案された．これはシリコン酸化膜（SiO２）をマスクとして，シリコン中に不純物を拡散する工程を繰り返すことにより半導体集積回路を作る方法である．さらに，トランジスタ素子を絶縁膜で被い，その上に Al 等の金属パターンを形成して配線とする構造が開発された［１１］．これらの基本技術によってウェハ上への素子の集積化が実現し，微細化による高性能化が可能となっ
図１た．しかし，当時はウェットエッチングが使われ，図１（a）に示すように，薬液の回り込みによりアンダーカットが発
2. Background and Challenges for Plasma Etching Tool Development
SEKINE Makoto

エッチングした薄膜の断面形状の例，（a）
等方性エッチング形状，（b）
異方性エッチング形状．

author’s e-mail: sekine@plasma.engg.nagoya-u.ac.jp

３１９!2007 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.83, No.4 April 2007

Chemical Dry Etching（CDE）技術［１４］が発明された．拡散で供給される F 原子によるエッチングでは，ウェットプロセスと同様に等方的なエッチング形状となるが，薄膜の除去や表面処理などで現在も利用されている．
プ ラ ズ マ で の 異 方 性 加 工 が 見 出 さ れ た の は，高周波（RF）放電スパッタリングの研究において，RF を印加したカソード電極にイオンを加速する DC バイアスが発生することがわかってからである（図２）［１５］．さらに１９７０年代中期に平行平板型の電極間でフルオロカーボンガスを含むプラズマを発生させ，電極に載せたウェハ表面の加工が可能であること［１，２］から，反応性イオンエッチング（RIE）が開発されるに至った［３，４］．しかし，下地のSiに対するSiO２や Si３N４膜のエッチング速度比（選択比）は低く，フルオロカーボンガスが SiO２や Si３N４膜のエッチングに本格的に使用されるようになったのは，CF４と H２の混合ガスにおいて

図３H２流量を増加させることで下地 Si に対して高い選択比（〜CF４‐H２混合ガスを使用したRIE装置において，H２流量変化に対する SiO２と Si のエッチング速度の変化［５］．

４０）が得られることによる［５］．
図３に CF４−H２混 合 ガ ス を 使 用 し た RIE 装 置 に お い

実際には CF，CF３，さらに C２Fx，CO あるいは SiFx やて，H２流量変化に対する SiO２と Si のエッチング速度の変化

SiCF など多くのラジカル種，反応生成物，イオン種が存在が，H２を示す．CF４だけでは選択比は小さい（SiO２/Si〜1.3）する．また重合膜の組成も厳密に CF２とは限らず，表面でを加えると Si のエッチング速度が低下し選択比が向上す

は反応の中間生成物を含む反応層が形成されながらエッチる．H２の導入により気相のF原子がHFの形で除去され，ラングが進む．デバイス生産の数々の要求から，高性能の装ジカル種の平均の C/F 比が増加し，表面に CFx の重合膜が置，プロセス開発のために，このような反応機構が詳細に形成されやすくなる．SiO２表面ではエッチング反応に伴い検討され続けてきた．その詳細は他の章に譲り，ここでは酸素が供給されるため，重合膜は CO，CO２あるいは COF２

３０年以上前に開発された基本的なスキームが現在の微細加等の形で除去される．一方，Si 表面ではイオン衝撃による工においても利用されているということを理解いただきたい．

エッチング反応以外に重合膜を除く過程はなく，イオンエその後，１９８０年代初めにかけて Coburn や Flamm らによネルギー等の条件を調整することで，Si 表面だけに選択的り RIE における異方性加工の機構が調査され［１６，１７］，ハに重合膜を形成し，エッチング速度を抑制する（選択比をロゲン元素の存在下でイオン衝撃を受けた表面のエッチン向上させる）ことが可能となる．この反応過程を簡略化しグ反応が著しく促進される現象が明らかにされた．図４にて示すと下記のようになる．

RIE における異方性エッチングの機構を図示した．（a）は上述のイオン支援エッチング反応（Ion assisted etch reac-

CF４ ＋ e−→ CF２＋2F＋e−

H２ ＋ 2F→ 2HFtion）であり，エッチング種が吸着した表面（Adsorbed

SiO２＋ 2F＋CF２→SiF４↑＋CO２↑Si

図２＋ nCF２ →（‐CF２‐）n :polymer on Si

プラズマに晒した電極に RF を印加した時に DC バイアスが，イオン電流発生する機構．RF１周期での電子電流（Ie）（Ii）は，（a）
移動度の差から Ie>Ii となり電極が負に帯電し，（b）Ie=Ii となるように DC バイアスが発生する．

図４３２０

RIE による異方性エッチングの機構，（a）
イオン支援エッチング（Ion assisted etch reaction），（b）
側壁保護膜（Sidewall protection film）の形成．

Special Topic Article

2. Background and Challenges for Plasma Etching Tool Development

M. Sekineある．

layer）をイオンが衝撃することで，エッチング種と被エッチング材料の反応が促進される．一方，（b）の側壁保護膜

前節で紹介した基本的な RIE のコンセプトは８０年代初期（Sidewall protection film）の形成は，中性のエッチング種とまでは変わらず，ウェハのロボットアーム搬送，カセッ

容易に反応が進む材料（例えば，リンを高濃度に添加したト・ツー・カセット方式，ロードロック機構などの自動化+

n poly-Si と Cl 原子，Si と F 原子の反応）を加工する場合により，生産性や信頼性の向上がなされた．７０年代まではに有効である．エッチング生成物（図の例では SiClx）やレ電極上に複数のウェハを並べて処理するバッチ処理方式でジストの分解物がパターン側面に堆積し，中性のエッチンあり，チャンバを開放して作業者が専用のピンセットで１グ種との反応を抑制する［１８］．イオンが衝撃するパターン枚ずつウェハを電極上に配置した．その後ウェハをロボッの底面ではこの薄膜が除去されるために，異方性の加工がトアームで搬送する技術が導入され，ウェハ（１ロット〜可能となる［６］．

２５枚）を PTFE 等の耐薬品性のある素材を使ったカセット

その後，ウェハの大口径化と生産性の向上に対応するたに収めて，装置への導入を行った．さらに，プロセスチャめに，ウェハを１枚ごとに高速に加工する新方式（ECRンバを大気に開放することによる不安定性が問題となり，装置やマグネトロン RIE）が提案され，技術開発は新たな真空搬送容器を介してプロセスチャンバへウェハを導入す世代に入る．

るロードロック機構が採用された．

２．
２．
２ プラズマエッチングの発展期

ウェハが６インチ径程度となるとバッチ処理では装置が図５にエッチング装置開発の経緯を，上述した黎明期か大型化するため，８０年代中頃からウェハを１枚ごとにエッら現在までの期間に亘り，年代，ウェハ口径，DRAM の最チングする枚葉処理方式の装置が導入された．バッチから小の加工寸法（最小線幅）および容量等の技術の世代に対枚葉となると１ロットの処理時間が著しく増加するため，して導入されたプラズマ生成方式により示した．重要な装ここでエッチング速度の大幅な向上が検討された．また，置の構成図，プロセス技術上のイノベーション，装置技術

同時に幅 1 μm を下回る寸法の高精度加工が要求され，プとしてウェハ搬送についてもまとめた．括弧内は，A：微ラズマ生成方式に立ち返った検討がなされた．すなわち，細化，S：選択比，E：エッチング速度，D：ダメージ，R：

従来 1 Torr〜数百 mTorr であったガス圧力を下げ，表面を再現性についての性能向上を目的として開発された技術で衝撃するイオンの方向性を良くすると同時に，プラズマ密図５

エッチング装置開発の経緯を黎明期から現在までの期間に亘り，年代，ウェハ口径，DRAM の最小の加工寸法（最小線幅）および容量等の技術の世代に対して導入されたプラズマ生成方式および装置構成図，プロセス技術上のイノベーション，ウェハ搬送の装置技
術．括弧内は，A：微細化，S：選択比，E：エッチング速度，D：ダメージ，R：再現性について，それぞれ性能向上を目的として開発された技術．

３２１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.83, No.4 April 2007度（従来は〜109 cm−３）を高めることで高速の加工を目指しズマでフルオロカーボンガスを高度に解離し F 原子が多くた．

生成されることが低選択比の一因である．構成上チャンバ

その一方式が電子サイクロトロン共鳴（ECR）を利用し体積が大きいことも（ガスの滞在時間が増加して）ガスのて低ガス圧力で高密度プラズマを形成する ECR プラズマ解離度を上げた．さらにチャンバ上面や側面の誘電体は温エッチング装置［７，１９］であり，もう一つが RIE カソード電度調整が困難であり壁の状態が安定せず，また誘電体が極付近に電極と平行な磁場を与えるマグネトロン RIE 装置

エッチングされ放出されるガス（酸素など）も不安定要因［２０］であった．また，プラズマ密度とバイアス電圧を独立となった．に制御する３電極（トライオード：Triode）方式も提案さこの間にマグネトロン RIE は，3 cm 程度の電極間隔（容れた［２１］．詳細は各文献に譲るが，ECR 方式は高精度・低積の小さい）構成と CO あるいは Ar ガスを大流量で導入すダメージの加工方式としてゲート電極や配線の加工に活用る（ガス滞在時間が短い）ことで，フルオロカーボンガスされた．大口径化への対応やフルオロカーボン系ガスでのの分解を抑制，Si３N４膜に対するSiO２の高選択比エッチング制御性低下などの課題から現在の先端 LSI 製造ではほとんプロセスを実現した．その後の ASET
［２８］における解析ど使用されていないが，低ガス圧力での加工や MEMS（Mi-［２９，３０］から，ガスの解離制御の一指針として，ガス分子がcro Electro Mechanical System）あるいは CVD やスパッタ

排気されるまでにプラズマ中で受ける電子衝撃の回数（"･リングの応用などではなお広く活用されている．マグネト，"：ガスの滞在時間，!!：電子密度，!
：電子!!･!
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ロン RIE はプラズマの不均一性に起因する静電ダメージ

衝突解離断面積と電子速度の積分値で衝突解離レートに相［２２］が課題であったが，均一磁界を形成するダイポールリ

当）を制御することの重要性が確認された．このコンセプ

ング磁石［２３］の採用により，特にフルオロカーボン系ガス

トは二周波 CCP（Capacitively Coupled Plasma）型 RIEでのSiO２や高アスペクト比Siトレンチの加工において高いと呼ばれる方式でも実現されている．

プロセス性能を発揮した．

その後，プラズマ励起に従来の 13.56 MHz から VHF帯をこの時期に大きく進歩し た 装 置 技 術 は 静 電 チ ャック

利用する CCP や ICP が提案され発展した．また，誘電体ラ（ESC: Electric Static Chuck）である．プラズマ密度を高めンチャーやスロットアンテナを使用して表面波を励起するて高速エッチングを実現したためエッチング中のウェハのことでプラズマへエネルギーを供給する表面波プラズマ昇温が問題となった．電極上に静電吸着したウェハと電極（Surface Wave Plasma: SWP）
［３１］が開発されている．ICP間に He ガス（圧力〜1 kPa）などの熱伝導率の高いガスをでは特殊な磁場配置を使った NLD（Magnetic Neutral Loop導入することで，ウェハの温調を可能とした．その他，

Discharge）方式［３２］が主に MEMS 加工やリソグラフィでウェハを従来より低い温度（０℃〜液体窒素温度）に維持使用するレチクルの加工において実用化されている．SWPすることで選択比や形状制御を行う低温エッチング技術と NLD は低電子温度の高密度プラズマを実現しやすいプ［２４］，エッチング生成物の再吸着を抑制し高速エッチングラズマ生成方式であることが謳われており，ともに大学のを可能とする高ガス流量（あるいは高速排気）技術［２５］がシーズから発展して装置化された．

提案されている．

その他に，側壁保護膜形成とエッチングを交互に行うこ以上のように，８０年代から９０年代中期にかけては，日本とで異方性の高速エッチングを行う Time-modulated etch-のデバイスメーカを中心にプラズマエッチング装置，プロing 法［３３］がある．堆積性のガス（例えば CCl４や C４F８）とセス技術の開発が極めて活性化した時期である．その背景

エッチングガス（例えば SF６）を短時間（〜数秒ごと）に切には，日本のデバイスメーカが DRAM 生産に集中し，そのり替えて，エッチングガス導入時にバイアス RF を印加す市場の８割以上を占めるまで至った時代であり，共通の材る．Bosch 法［３４］と呼ばれる同様の方法が MEMS 等におけ料やプロセスに各社が同じ目標で開発していたこともある高アスペクト比の Si トレンチの形成に使われている．さる．また，原子・分子・イオンで加工するプラズマプロセらに，プラズマ自体に変調をかけるパルスプラズマ法でスのポテンシャルが極めて高く，現場での擦り合わせで生は，RF 電源を数十 msec で ON/OFF 駆動してプラズマを産の対応ができたためと考える．

生成することで平均の電子温度が低下する［３５，３６］ことが２．
２．
３ プラズマエッチングの高度化と現在知られ，ガス解離の制御や帯電に起因するデバイスへのダメージ低減が検討された．

その後，さらなる微細化，高生産性への対応が求められ，米国の装置メーカを中心に，誘導結合型プラズマ（ICP:以上，エッチング装置とそれに伴うプロセス開発の流れ

Inductively Coupled Plasma）源［２６，２７］が装置化された．こを示した．高性能化と高生産性を追求する半導体デバイス

れは，チャンバの上部や側面の高周波コイルでプラズマを製造の要求が技術を大きく発展させた．９
０年代中頃まで誘導加熱する方式である．高密度プラズマを容易に形成では，デバイスメーカの研究開発陣が新たなハードウェアときることから HDP（High Density Plasma）とも呼ばれた．

プロセス技術を考案することで発展させてきた．しかし，特にトランジスタのゲート電極加工や配線金属加工では良

それ以降は特にハードウェアについて半導体製造装置専業

好な特性を示し，急速に普及した方式である．

メーカが開発能力を高め，デバイスメーカと協力して開発

しかし，フルオロカーボンガスを使用した SiO２膜のエッする傾向にある．最近は，デバイスメーカはプロセス開発

チングでは，特に Si３N４膜に対して選択比が安定せずに，に集中し，基本的な装置技術，プロセス技術の開発は装置

HDP 方式は生産現場に本格採用されなかった．高密度プラメーカに依存している．
３２２

Special Topic Article

2. Background and Challenges for Plasma Etching Tool Development

M. Sekine

一方で，上述のプラズマ源やプロセスにおいて大学のシーズから開発されたものは少ない．しかし，１９８０年代末に科研費重点領域研究「反応性プラズマの制御」［３７］が組織され，反応性プラズマの発生と制御，診断，モデリング等に関する研究が推進されたことにより，その後アカデミアにおいても反応性プラズマ研究の機運が高まり，気相，表面反応機構の理解と計測技術の発展に貢献し，現在に至っている．
図６

２．
３ 装置・プロセス技術の課題と展望
フルオロカーボンガスを使用したSiO２膜や絶縁膜の加工

イオンエネルギーとラジカル密度に対してのマトリクスで示した基本的なエッチング特性の項目．

は，微細化，大口径化の急激な進展に対応し，３０年前からの「古い」課題（形状制御，低ダメージ，高選択比，高エッ御が求められる．

チング速度，均一性）が常に新しい課題として検討され続三番目は均一性の制御である．基本的なエッチング特性

けている．経時変化や機差といった問題も常に存在する．

への要求項目について，イオンエネルギーとラジカル密度さらにデバイス性能の物理限界を拡張するために，多岐にに対して一般的な傾向をマトリクスに配置して図６に示しわたる新材料（ポーラス low-k, high-k，高感度エキシマレジた．例えば，エッチング速度や選択比はラジカルが多い場スト…）や新構造（ダマシン配線，歪みシリコン，Fin 型合に有利になり，ダメージ低減や選択比向上のためには低ゲート…）が次々に考案されたことから，新たな課題が現いイオンエネルギーが好ましい．これらはどれも重要であれてきている［３８］．

るが，それぞれの特性は基本的にトレードオフの関係にあ

しかし，微妙な材料，構造の違いにより発生する現象はる．ところが，均一性は他の特性と強いトレードオフの関多様であり，その解決へのアプローチはエッチングプロセ係にはなく，独立に制御しやすい特性である．しかも，数スだけではすまない．工程の前後でパターン寸法などを計

nm の薄膜や界面層での高い選択比の実現が一層困難と測し直ちに装置へフィードバック（APC: Advanced Proc-なっている状況で均一性向上の効果は大きい．

ess Control），前 後 工 程 を 含 め た 複 数 の プ ロ セ ス を モ

また，パターンの加工寸法（CD: Critical Dimension）のジュールとして最適化を図る，あるいはデバイスの設計ま変換差の制御においても均一性が強く影響することが知らで遡り最適化を図る（DFM: Design for Manufacturing）等れている．これはエッチング生成物［４１］やラジカル，イオの手法が検討されている．

ンの不均一が原因となって側壁保護膜（図４）の厚さがウェ以下では，生産技術開発を見通し良く迅速に進めるためハ面内で不均一となるためである．エッチング種の供給との共通基盤的な装置開発技術について３点に絞り述べる．

反応生成物の排気，温度について一層の均一性が求められまずその一つは，見通しの良いプロセス開発を行うためる状況になっている．の，モニタリングとフィードバック手法の開発である．こもちろんプロセス条件は均一性に影響するが，特にハーれについては本小特集第３章で辰巳氏がモニタリングの技ドウェアによる均一性の制御は高生産性装置開発のポイン術を活用したプロセス開発について詳述している．その実トとなる．プロセス条件に比較的鈍感で均一性制御が容易

現には，試行錯誤を繰り返す経験的な開発手法から，外部な（チャンバ構造や内壁での反応まで考慮した）プラズマパラメータ（ガス種，圧力，RF 電力など設定条件）と内部生成方式が待ち望まれている．これは，半導体デバイスのパラメータ（プラズマ密度，ラジカル組成・密度，イオン

みならずフラットパネルディスプレイ（FPD）や今後のプ種・エネルギー…），エッチング特性（エッチング速度，形ラズマ応用技術すべてに共通の課題であり，基盤技術とし状，…）の相関を科学的に理解することが必要である．まてアカデミアで取り組むべきテーマであると考える．

た同時に基礎反応過程データベースの充実が必要である．

２．
４ まとめ

これによりハードウェアによらず普遍的に活用できる反応

プラズマエッチングは，７０年代にパターン側面にアンデータを蓄積していくことが初めて可能となる［３９］．

ダーカットのない異方性加工の基本原理が発見され，さら二番目は内部パラメータの制御技術の開発であり，上記のフィードバック手法の具体的な手段である．高誘電絶縁にフルオロカーボンプラズマによるSiO２の高選択比エッチ

膜上のメタルゲート加工における選択比，薄い絶縁膜下のングの達成により，半導体デバイスの微細化を推進する強Si 基板のダメージ［４０］などを始めとして，今後は薄い界面力なツールとなった．微細化とウェハの大口径化のためでの反応制御が特に重要であり，それはイオンエネルギーバッチ処理から枚葉処理へ変わり，そこから生じた高速に非常に敏感である．したがって，イオンエネルギー幅のエッチングの要求が，低ガス圧力・高密度プラズマの ECR縮小と制御，特に低エネルギーでの制御が必要となる．さらに，エッチングの進行する表面反応層の高精度制御にやマグネトロン RIE の開発を促した．８０年代から９０年代にかけては，サブミクロンからナノ加工へ，さらには !300

は，特定のラジカル種を選択的に供給したり，プラズマかmm ウェハ加工へ向けて新たなプラズマ源開発が活性化

らの高エネルギー光，ウェハ表面温度まで含めた理解と制し，ICP の台頭，さらに二周波 CCP，あるいは SWP といっ
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プロセス技術の課題には，従来からのエッチング形状制御，エッチング速度，選択比，ダメージと均一性に加えて，デバイスの物理限界を突破しようと検討されている多種多様な新材料や新構造用の効率的な技術開発がある．
見通しの良いプロセス開発を行うためのメカニズムの理解に基づいたモデリング技術の向上とそれを支えるデータベースの充実が必要である．また，高性能プロセスを実現，維持するために，生産装置で使用できるモニターの活用が望まれる．新構造トランジスタや多層配線では薄膜のストッパー層や密着層を考慮したエッチングが求められ，選択比を補い，ナノレベルの寸法均一性を実現するために，プラズマとガス種の均一性をハードウェアやプラズマ生成原理に基づいて追及し，制御するシステムが重要である．

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