このnoteはオリジナル動画を視聴した上でのまとめ・補足ですので、オリジナル動画を視聴することをお勧めします、アドレスはこちらに貼ってあります。
チップの彫り方：エッチングの原理｜チップ製造の詳しい解説05
チップ製造の詳しい説明 エッチング原理 考察メモ5
1. エッチング技術の分類
エッチング技術は 2 つのカテゴリに分類されます。1
つは、強酸や強アルカリを使用した浴槽やシャワーでシリコン ウェーハを定量的に減量させるための薬液を使用したウェット エッチング (ウェット エッチング) です。
もう 1 つのタイプは、ガスプラズマを使用したドライエッチングで、化学ガスのイオン衝撃下でシリコンウェーハを部分的に薄くすることができます。
その中で最初に誕生したのがウェットエッチングです。
ウェットエッチング：
シリコンは半導体として性質が安定しており、一般的な強酸では反応しませんが、シリコンを腐食させたい場合は、濃硝酸やフッ酸などの酸を加えるしかありません。シリコンは硝酸により二フッ化水素酸に酸化され、酸化ケイ素はフッ酸により溶解除去されます。
同時に、硝酸の酸化分解を防ぐために、溶液にいくらかの酢酸（酢酸）が添加されます。この 3 つの酸の混合物 (フッ化水素酸、硝酸、アエチン酸、HNA と呼ばれます) のうち、フッ化水素酸は一般に華谷水として知られています。
誤って人体に触れてしまった場合は、大量に洗浄した後、病院で応急処置をしなければならず、軽症の場合は爪が抜かれ、重症の場合は手足が切断されることもあります。そして命を救います。
2. エッチングにおける 3 つの重要な指標
2.1 エッチングレート
定義: 物質が溶解する速度。
単位：1分間に何ミクロンの厚さが失われるか。エッチング厚さ (μm) / エッチング時間 (分)
たとえば、三酸性骨水の場合、エッチング速度は 480μm/分であり、シリコン ウェーハは 2 分後に溶解します。
したがって、三酸の割合は非常に重要で、例えば硝酸の割合を増やすと、表面が腐食する前に完全に酸化され、シリコンウェーハの表面がより滑らかになります。
また、フッ酸の割合を増やすとエッチング速度が速くなり、シリコンウェーハの表面が粗くなります。
第二に、温度と撹拌もエッチング速度に影響します。場合によっては物理的手段が使用されることもあります。
たとえば、超音波装置を追加して機械波を発生させてエッチング液を揺さぶると、途切れることのない高周波振動で液体が連続的に圧縮および解放され、その結果、多数の小さな空隙が発生します。これがキャビテーション現象です（キャビテーション）。私たちの一般的な船舶用プロペラのようなブレードは、船の下で高速回転すると、気泡の発生と崩壊がエネルギーの放出を伴うため、気泡に攻撃されて摩耗します。
チップ製造工程において、超音波の振幅と周波数を適切に制御すると、エッチング中にシリコンウェーハ表面の不純物を適切な直径のキャビテーションによって除去することができる。たとえば、より精密なチップを洗浄するためにエッチング溶液を使用する場合、高周波超音波をより小さな振幅のメガソニック( Megasonic ) に置き換えることで、穴の共振効果を弱め、小さなデバイス構造への損傷を避けることができます。ここでの洗浄により、シリコンウェーハ表面の不純物が洗い流され、表面欠陥が明らかになります。
2.2 選択率
定義: さまざまな物質のエッチング速度の比。
シリコンとフォトレジストの選択比が 10:1 であると仮定すると、シリコンが 10um エッチングされるたびに、フォトレジストが 1um 失われます。したがって、選択比が高いほど安心・安全なエッチングとなりますが、例えば後工程のメタルエッチングでは、できるだけ選択比を高くし、過度に金属を腐食させないようにしたいと考えています。下層までエッチングします。すでに作成されているシリコンまたは酸化物の構造に影響を与えます。
2.3 方向性
一般的なウェットエッチングでは方向性がなく、全方向に均一に腐食します。これは等方性と呼ばれます。等方性とは、ピットのみを掘ることができること、またはアンダーカットが発生してフォトレジストで保護されるべき領域を掘ることができ、その結果、デバイスの短絡または開回路が発生することを意味します。
チップを設計するとき、理想的な状況は、横方向の腐食がなく、異方性と呼ばれる縦方向の腐食のみである必要があります。
異方性を達成するために、現時点では、あらゆる種類の酸性骨水を使用するのは簡単ではありません。エンジニアは、側面腐食を大幅に軽減し、ある程度の異方性を達成できる水酸化カリウムなどのアルカリ金属溶媒を選択します。原理は、単結晶シリコンを使用して、異なる結晶方位で水酸化カリウムとは異なる耐食性を持たせることです。腐食
速度側面や斜面よりも底面の方が何百倍も強度があります。
そのため、半導体製造の初期には、パワートランジスタのV字溝を垂直に彫るなどのデバイスモデリングにアルカリ金属溶剤が使用されていましたが、アルカリ金属溶剤の欠点は明らかです。デバイスのしきい値電圧に影響を与えます。より複雑なチップは、数回彫刻すると故障します。
そこでエンジニアは、TMAH 溶剤、EDP 溶剤、ヒドラジン溶剤などのメタルフリー エッチング ソリューションを開発しました。これらの溶剤はチップには安全ですが、いずれも人体にとってはより有害です。
3. 古いエッチング溶剤
3.1 TMAH溶媒
水酸化テトラメチルアンモニウムは非常に有毒です。主成分：テトラメチルアンモニウムヒドロキシド N(CH 3 ) 4 OH は神経毒であり、人間が接触すると死に至る可能性があり、皮膚や粘膜に灼熱感を与える作用があり、エッチング以外にも TMAH がよく使用されます。ポストリソグラフィー 現像液は工場や研究室で広く使用されています。
3.2 EDP溶剤
エチレンジアミンピロカテコール、学名はエチレンジアミンピロカテコールです。このうちエチレンジアミンは毒の一種であり、フタル酸エステルも毒の一種です。どちらも殺虫剤の一般的な成分であり、この夢のような組み合わせは EDP と呼ばれ、非常に有毒で揮発性があり、発がん性があります。
3.3 ヒドラジン溶媒
ヒドラジン、N 2 H 4
は毒性が強いだけでなく、可燃性、爆発性もあり、チップのエッチングに使用される前は、ロケットの打ち上げ燃料としてよく使用されます。
4. ドライエッチング
ドライエッチングではガスを使用します。
チップ工場は毎日大量の特殊ガスを消費します。ガスの大部分はエッチングに使用され、これらのガスは正確に配分された後、反応チャンバーに送られ、容量結合または誘導結合によって完全または部分的にイオン化されます。プラズマまたはイオン ビームが形成され、電場によって加速され、シリコン ウェーハに照射されてエッチングが行われます。これは、物理的特性と化学的特性の両方を備えたエッチングです。
化学的攻撃に重点を置く場合は、より多くのフルオロカーボン ガスを導入し、方向性をある程度犠牲にして、より良い選択比を達成できます。
物理的攻撃に焦点を当てる場合は、主に高エネルギー粒子やシリコン ウェーハのスパッタリングに使用されるアルゴンなどの不活性ガスがさらに導入されます。縦方向のエッチングは保証されているが、選択比が比較的低く、敵味方関係なく上下層を一緒に貫通しやすいのが欠点である。このため、ドライエッチング装置には終点検出機能が搭載されているのが一般的です。
5. 堆積
過剰なエッチングを避けるよう努めるか、より安全を期すために、チップ上に停止層として炭化ケイ素などの追加層を堆積します。
ここで言う成膜は、リソグラフィーとエッチングに次いでチップ製造の 3 番目に重要なプロセスであり、通常、この 3 つは互いに関連しています。
6. ドライエッチングとウェットエッチングの概要
ドライエッチング: 非常に粗いプロセスにのみ適していますが、その利点は安価でバッチ処理に適していることです; 25 枚のシリコンウェーハを酸タンクに浸すことができるため、一部の大学や研究室では今でもデバイスの製造に湿式法を使用しています。チップ工場では、ウェット エッチングを使用して表面欠陥を露出したり、ポリシリコンをエッチバックしたり、リバース エンジニアリングのために反対側の製品を分解したりすることもあります。
ウェットエッチング：主流のチップ製造プロセスでは、方向性が良く、ガス比やRF電源もより精密に制御できるため、チップエッチングの90％以上がドライ方式です。欠点としては、テクノロジーの複雑さのほかに、主に 2 つあります。1 つは高価で、もう 1 つは遅いです。輸入エッチングマシンの価格は数百万ドルです。
7. 家庭用エッチング機
リソグラフィー、蒸着、エッチングの分野では、エッチング部分の局在性が非常に優れています。
一つ目は、エッチングに必要な材料であり、ウェットエッチング用の各種ウェットケミカルやドライエッチング用の各種特殊ガスなど、市場は依然としてヨーロッパ、アメリカ、日本からのサプライヤーによって独占されているが、我が国にはそのようなケミカルの生産能力はない。が不足しており、精製技術も急速に進歩しており、現在電子グレードのウェットケミカルの国内生産率は25％となっている。生産効率を高めることで、将来的には大幅に改善されるでしょう。
電子グレード特殊ガスの国内生産率は現状15％未満と低いが、国内サプライヤーもマイクロン、インテル、テキサス・インスツルメンツなどの大手メーカーへの参入に成功しており、将来が期待できる。
エッチング装置だけでなく、中国マイクロエレクトロニクス社のドライエッチング装置がTSMC社の5nm生産ラインの認証を通過するなど、国内有力メーカーの技術力も高い。NAURAでは14nm対応のエッチング装置も保有しております。もちろん、数ナノメートルのような数字は、業界にとってはあまりにも想像上のものです。さらに現実的なのは購買量で、国産エッチングマシンは購買量の20％に達している。
現在、エッチング装置は海外メーカー上位3社、パンリン、アプライドマテリアルズ、東京エレクトロニクスの9割以上を占めている。
しかし、半導体分野にとって国産化の目的は市場競争ではなく、基幹技術を習得し発言力を高めることにある。もはや他者に依存したり他者に制御されたりすることのない将来のエッチング技術は、リソグラフィーと同じくらい重要であり、特にトランジスタ製造プロセスがナノメートルレベルに入り、量子トンネルの物理的限界に直面している場合には、これらの技術が共に彫刻チップの精度を決定します。平面上でサイズを縮小し続けるだけでは意味がなく、チップはますます立体的になり始めます。