Name: スタンフォード・ナノファブリケーション・ファシリティドライエッチング - ドライエッチングのメカニズム (全4回中第3回) (Stanford Nanofabrication Facility: Dry Etching - Dry Etching Mechanisms (Part 3 of 4))
Uploaded: 2025-06-07T15:31:59.000Z
Duration: 18 min 38 s
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Hi, I'm Derek Bitty of the Stanford Nanofabrication Facility here at Stanford University.

こんにちは、私はここスタンフォード大学のスタンフォード・ナノファブリケーション・ファシリティのデレク・ビッティです。

This is part three of a four-part lecture series on dry etching.

これはドライエッチングに関する4部構成のレクチャーシリーズのパート3である。

In this presentation, I'm going to cover dry etching mechanisms.

このプレゼンテーションでは、ドライエッチングのメカニズムについて説明する。

Previously, the first lecture was on introduction to dry etching.

前回は、ドライエッチング入門の講義だった。

The second was on the basics of plasmids and the types of dry etch tools.

つ目はプラスミドの基礎とドライエッチングの道具の種類について。

And the next lecture after this one will be on choosing a dry etching processing tool.

そしてこの後の次の講義は、ドライエッチング加工ツールの選択についてだ。

In this presentation, I'm going to cover the following areas.

このプレゼンテーションでは、以下の分野をカバーするつもりだ。

まず、フィジカル・スポッティングだ。

次に、純粋な化学エッチング。

Followed by ion-enhanced chemical etching.

続いてイオン強化化学エッチング。

次に、イオン増強インヒビターエッチング。

I'm then going to talk about x-configuration and x-mechanism comparisons.

それから、XコンフィギュレーションとXメカニズムの比較について話すつもりだ。

And finally, non-ideal pattern transfer issues in dry etching.

そして最後に、ドライエッチングにおける理想的でないパターン転写の問題である。

I'm going to start with physical spotting.

まずはフィジカル・スポッティングから始めようと思う。

Which is, I think, well, an ion knocking atoms off a surface, or can be thought of as atomic sandblasting.

つまり、イオンが原子を表面から叩き落とす、あるいは原子のサンドブラストと考えることができるだろう。

The diagram here shows an ion coming in and material coming off the surface.

この図は、イオンが入ってきて、表面から物質が出てくる様子を示している。

Now, the sputtering tools, I'm going to say, typically use argon, but any ion can cause sputtering.

さて、スパッタリング・ツールだが、通常はアルゴンを使うが、どんなイオンでもスパッタリングを起こす可能性がある。

We like argon because it has no chemistry and all that, and we tend to get it for the same power condition, we get higher ion fluxes with argon and other things.

私たちがアルゴンを好むのは、アルゴンには化学的な性質などがないからで、同じ出力条件でもアルゴンの方が高いイオンフラックスを得ることができる。

Physical sputtering tends to be used for anisotropic etching, but it has issues of damage, low selectivity, redeposition.

物理的スパッタリングは異方性エッチングに使われる傾向があるが、ダメージ、選択性の低さ、再堆積の問題がある。

And we typically use physical sputtering when there's no volatile byproducts.

また、揮発性の副産物がない場合は、通常、物理的スパッタリングを使用する。

So we prefer using chemistry because chemistry, I'll go along and show you, gives you a lot of advantages in terms of rate and profile control.

だから私たちはケミストリーを使うことを好む。ケミストリーを使えば、レートとプロファイルのコントロールという点で多くの利点があるからだ。

But sometimes there's no byproduct that comes off the surface, so it has to be all physical.

しかし、副産物が表面から出ないこともある。

I want to show you some typical rates for sputtering.

スパッタリングの典型的なレートをお見せしたい。

So here's a case of rates dependent on ion current, energy, and the material.

つまり、イオン電流、エネルギー、素材によってレートが異なるケースである。

So I'm going to show you a case of 500 eV argon at 1 milliamp per square centimeter. 1 milliamp per square centimeter corresponds to 10 to the 15th ions per centimeter squared per second.

そこで、500eVのアルゴンを1平方センチメートルあたり1ミリアンペアで照射した場合をお見せしよう。1平方センチメートル当たり1ミリアンペアは、1平方センチメートル当たり毎秒10から15個目のイオンに相当する。

So here I have a list of materials and x-rays of sputter rates.

というわけで、ここにスパッタ率の材料とX線写真のリストがある。

The first thing we see is that the numbers are relatively low in terms of rates.

まず目につくのは、数字が比較的低率であることだ。

単位はすべてナノメートル毎分。

The second thing I want to show you is that when you talk about the comparison of a sputter rate of metal versus metal oxides, you tend to have big differences.

つ目にお見せしたいのは、金属と金属酸化物のスパッタレートを比較した場合、大きな違いが生じる傾向があるということです。

金属酸化物のスパッタリングはもっと遅い。

In the case of aluminum, the ratio between the oxide and aluminum, all are 10 to 1.

アルミニウムの場合、酸化物とアルミニウムの比率はすべて10対1である。

So aluminum sputters 10 times faster than the oxide.

だからアルミニウムは酸化物の10倍の速さでスパッタリングする。

The other point to look at here is the low selectivity.

ここでもうひとつ注目すべき点は、選択性の低さだ。

For the most part, they're not that different.

ほとんどの場合、それほど違いはない。

Silicon and silicon oxide sputter rates are not that much different from photoresist.

シリコンと酸化シリコンのスパッタレートは、フォトレジストとそれほど変わらない。

Let's go on here and talk about the next case of pure chemical etching.

ここで、純粋な化学エッチングの次のケースについて話そう。

Here we have radicals reacting spontaneously with terrific atoms.

ここでは、ラジカルが恐ろしい原子と自発的に反応している。

The typical case we use a lot is fluorine, CF4 from fluorine, basically etching silicon.

私たちがよく使う典型的なケースは、フッ素のCF4で、基本的にシリコンをエッチングする。

Fluorine will spontaneously etch with silicon.

フッ素はシリコンと自然にエッチングする。

So you don't need any ion bombardment with this.

だから、これでイオン砲撃は必要ない。

In this process, we're basically getting a neutral coming down and forming a byproduct.

このプロセスでは、基本的に中性が降りてきて副産物を形成する。

We typically use it with free fluorine for silicon etching and free oxygen for polymer etching.

通常、シリコンエッチングには遊離フッ素、ポリマーエッチングには遊離酸素を使用する。

They tend to show strong temperature and loading dependence.

これらは強い温度依存性と負荷依存性を示す傾向がある。

By this, I mean as the rate increases significantly with temperature, typically an activation energy of about 1 eV, and the rate decrease which increases both areas.

これは、温度によってレートが大幅に増加することを意味し、通常、約1eVの活性化エネルギーと、両方の面積を増加させるレートの低下を意味する。

So basically, as your larger area, your radical density has to be used, your source of radicals have to be used over a larger area, so the rate goes down.

つまり、基本的には、面積が大きくなればなるほど、ラジカル密度を使用しなければならず、ラジカルの供給源はより広い面積で使用されなければならない。

It can be a lot faster in the etching than sputtering, but a lot of times we need something more than isotropic.

エッチングはスパッタリングよりずっと速くできるが、多くの場合、等方性以上のものが必要だ。

So that's where some of the next mechanisms will come into play.

そこで、次のメカニズムが登場することになる。

And the characteristics of the pure etching is it's stopped by any surface deposition or any formation of non-volatile products.

そして、ピュアエッチングの特徴は、表面析出物や不揮発性生成物の形成が一切ないことである。

Say you have a contaminate in the material you're etching, and that contaminate can build up to the surface and finally stop the etching.

エッチングしている材料に汚染物質があり、その汚染物質が表面まで蓄積し、最終的にエッチングが止まってしまうとします。

Here's an example of near-pure chemical etching.

これは、ほぼ純粋な化学エッチングの例である。

This was done on our LAM ICP etcher using SFC and fluorine, but it was set up to be a very isotropic etching, so we see here that the lateral etch rate is almost equal to the vertical etch rate.

これは、SFCとフッ素を使用したLAM ICPエッチャーで行われたが、非常に等方的なエッチングになるように設定されていたため、横方向のエッチング速度と縦方向のエッチング速度がほぼ等しいことがわかる。

Now I'm going to talk about the next two mechanisms I'm calling mixed mechanisms.

では次に、ミックスド・メカニズムと呼んでいる2つのメカニズムについて話そう。

The first one is going to be the ion-enhanced chemical etching, and then I'm going to talk about inhibitor or deposition-controlled etching.

最初にイオン強化化学エッチング、次にインヒビターまたは蒸着制御エッチングについてお話しします。

So here I show that I have a nucleus coming in, the ions coming down, activating.

核が入ってきて、イオンが降りてきて、活性化する。

I've talked about this in some of the earlier lectures.

このことについては、以前の講義でも話したことがある。

So the ion activates or gets the process going, and then we form the volatile byproduct coming off.

イオンはプロセスを活性化させ、揮発性の副産物を生成する。

Radicals, so we basically talk about radicals going down to the surface, but the reactant can be blocked.

ラジカルというのは、基本的にはラジカルが表面に降りてくるという話だが、反応物質をブロックすることもできる。

Maybe it can't break, let's say, a silicon and chlorine.

多分、シリコンと塩素を壊すことはできないだろう。

The chlorine cannot break the silicon-silicon bond, so it gets stopped, or it can be a deposition going on.

塩素がシリコンとシリコンの結合を切断することができないため、シリコンとシリコンの結合が止まってしまう。

So the ions break the reaction-blocking bonds and help the byproduct get off the surface.

そこでイオンは反応を阻害する結合を切断し、副生成物が表面から離れるのを助ける。

So here I'm saying chlorine, silicon with chlorine, and the ion coming in, basically forming silicon dichloride, or silicon tetrachloride, coming off the surface.

つまり、ここでは塩素、塩素を含むケイ素、そしてイオンが入ってきて、基本的には二塩化ケイ素、あるいは四塩化ケイ素を形成し、表面から剥がれ落ちてくると言っているのだ。

The process tends to be less dependent on temperature, less loading-dependent, and less dependent on surfactant oxides than the pure chemical case.

このプロセスは、純粋な化学的なケースに比べ、温度依存性、負荷依存性、界面活性剤酸化物依存性が低い傾向にある。

You can get good selectivity, good anisotropic, but it is subject to some secondary effect, and I'll show that later on.

優れた選択性、優れた異方性を得ることはできるが、二次的な影響を受ける。

The second mechanism is ion-enhanced inhibitor etching.

第二のメカニズムは、イオンによるインヒビター・エッチングである。

And this is where we have simultaneous deposition and etching going on at the same time.

そしてここで、蒸着とエッチングを同時に行っている。

The diagram here I'm showing, here I have ions coming in, I have a neutral coming down, and I'm showing here a little inhibitor layer here, where the ions are coming in, breaking through the inhibitor layer, allowing the radical to come down and react with the material we want to etch, and then the radical product coming off.

この図では、イオンが入ってきて、ニュートラルなものが下に降りてきて、少しインヒビター層があるところを示しています。イオンが入ってきて、インヒビター層を破って、ラジカルが下に降りてきて、エッチングしたい材料と反応し、ラジカル生成物が外に出てきます。

So typically what we do, let's say chlorine chemistry or something, we add another gas element to promote deposition, and that can be hydrogen, it can be carbon fluoride, CHF3, O2, nitrogen, and boron trichloride can help us.

例えば塩素化学か何かで、蒸着促進のために別のガス元素を加える。水素でもいいし、フッ化炭素CHF3、O2、窒素、三塩化ホウ素でもいい。

I'll tell you there are cases where boron trichloride is helpful in etching.

三塩化ホウ素がエッチングに役立つケースがあると言っておこう。

So we basically use local deposition to block or slow etching, and then we use ion bombardment to remove the deposition on the horizontal surfaces.

そのため、基本的には局所的な成膜でエッチングをブロックしたり遅らせたりし、次にイオンボンバードメントで水平面の成膜を除去する。

Temperature, the process tends to show temperature and loading dependencies, not as bad as a pure chemical case, but the typical is temperature dependence.

温度、プロセスは温度依存性と負荷依存性を示す傾向があり、純粋な化学的ケースほどひどくはないが、典型的な温度依存性である。

You can get good selectivity, good anisotropy, and the process is somewhat tunable by how much deposition we put in.

優れた選択性、優れた異方性を得ることができ、プロセスは蒸着量によってある程度調整できる。

Here in the diagram I'm showing a case where we have a low amount of deposition, so we're not quite isocropic, but we still have a certain amount undercut.

この図では、沈着量が少なく、等方性とは言えないが、ある程度のアンダーカットがある場合を示している。

As we increase the deposition, we can go from this case to a pure anisotropic, and if we keep on increasing deposition, then we get sloped walls.

蒸着量を増やすと、このケースから純粋な異方性へと変化し、さらに蒸着量を増やし続けると、傾斜した壁ができる。

Sometimes we want sloped walls, but a lot of times we want the anisotropic behavior.

傾斜した壁が必要な場合もあるが、異方性挙動が必要な場合も多い。

And here's some SEMs of a case of silicon etching using HBR, so it's a bromine-NF3-fluorine-oxygen combination, and we had an oxide mask, and this was done in our P5000 etching tool.

これはHBRを使ったシリコンエッチングのSEM写真で、臭素-NF3-フッ素-酸素の組み合わせで、酸化膜マスクを用い、P5000エッチングツールで行った。

And we show here ag-etched, you see the wall closer, so basically in the process we actually form the oxide, so we go in and with a 51-HF dip, it removes this oxide-like material on the side, and so here it's down to the mask material, and you see we get a fairly anisotropic, and this process, if we tune it right, we can get all the vertical sidewalls, very anisotropic behavior.

このプロセスでは、基本的に酸化物を形成します。51-HFディップで、サイドの酸化物のような材料を除去します。

But it's a combination of fluorine and bromine chemistry with oxide formation.

しかし、それはフッ素と臭素の化学反応と酸化物の形成の組み合わせだ。

And the oxide formation, we have oxygen reacting with the silicon coming off to form this silicon dioxide-like material on the sidewall.

酸化物の形成では、酸素がシリコンと反応して、サイドウォール上に二酸化シリコンのような物質を形成する。

So here I want to show mechanisms and configuration comparisons.

そこで、ここではメカニズムやコンフィギュレーションの比較を示したい。

So here I'm talking about we have physical processes versus chemical processes.

つまり、物理的なプロセスと化学的なプロセスがあるということだ。

At higher pressures, we tend to show much more chemical processes, higher energy, if not more physical processes.

より高い圧力では、より多くの物理的プロセスではないにしても、より多くの化学的プロセス、より高いエネルギーを示す傾向がある。

The chemical processes give a better selectivity.

化学プロセスはより優れた選択性を与える。

The physical processes, as we go more to ion-driven processes, we get the anisotropic behavior.

物理的なプロセスは、イオン駆動プロセスに進むにつれて、異方的な挙動を示すようになる。

And so here, I mentioned sputtering on the more physical end, pure chemical, and then the mixed region where we have a lot to control.

ここでは、より物理的なスパッタリング、純粋な化学的スパッタリング、そして我々が多くのことをコントロールできる混合領域について述べた。

This is where we like to operate with the chemistry and the ion bombardment to give a control of what we selectively, high selectivity, good profile control.

そこで私たちは、化学反応とイオンボンバードメントを駆使して、高い選択性と優れたプロファイル制御を実現したいのです。

And here I show the different configurations.

そして、ここではさまざまなコンフィギュレーションを示している。

So I'm saying downstream action is mainly for chemical processes.

つまり、川下は主に化学的なプロセスのためにあると言っているんだ。

And ICP, well, ICP allows us to give a very broad range.

そしてICPは、まあ、ICPのおかげで非常に広い範囲をカバーできる。

We can go in and tune the amount of ion energy, and we can run...

イオンのエネルギー量を調整することができる。

ICP can actually run from low pressures down to a few millitor, all the way up to 100 millitor.

ICPは、実際には数ミリリットルの低圧から100ミリリットルまで作動させることができる。

And then in between, we have the CCP modes, the plasma and the RIE, where the plasma mode tends to be lower ion energies, where the RIE mode tends to be the higher ion energies.

プラズマモードはイオンエネルギーが低く、RIEモードはイオンエネルギーが高くなる傾向がある。

So I want to talk about some of the non-ideal pattern cramp for issues.

そこで、理想的でないパターンの痙攣についていくつか話したい。