原子層エッチング (ALE)

原子層エッチング(ALE)は最先端のエッチング技術であり、浅い形状の深さ制御に優れています。デバイス形状が小さくなるに従い、必要な精度を実現するため、ALEが求められています。

今日の先端的マイクロエレクトロニクス・デバイスの製造では、高精度でパターンを転写すること(エッチング)が重要になっています。形状が10nm以下に小型化し、革新的デバイスへ超薄の2Dレベルの材料が採用されるに従い、原子スケールの高精度さが必要になります。

従来の(連続的)エッチングの限界を超えることのできる、原子層エッチングとして知られる技術に注目が集まるようになりました。プラズマベースの原子層エッチングは、ガス注入とプラズマ照射を繰り返すエッチングプロセスであり、材料を原子層ごとに除去するため、ダメージを非常に少なく抑え単原子層をエッチングする能力を持っています。

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原子層エッチング(ALE)の仕組み

ハイライト

  • 非常に低ダメージ
  • 高い選択性
  • 高精度の深さ制御
  • 低出力での作動
  • ALEによるエッチングまたは通常エッチングモードで切り替えで作動が可能

原子層エッチングプロセス

原子層エッチングは、通常、4つのステップのサイクルで構成され、
要求される深さに達するために必要な回数が繰り返されます。
Cl2/Arを用いたSiのALEの例を、次に示します。

ステップ 1) 基板にエッチングガスを投入する。
ガスが、表面に吸着してエッチング材料と反応する。
エッチングガスは、プラズマ解離されて、
吸着速度を増大させます。適切な注入ガスとパラメーターの
選定により、単原子層が吸着し、化学注入が停止するため、
反応は自己制限的となります。         

ステップ 2) 残っている全てのガスを排出します。

ステップ 3) 低エネルギーの不活性イオンを、
表面にぶつけることによって、反応表面層のみが除去されます。
イオンのエネルギーは、化学的に変化した表面層を除去する分へは充分ですが、
下層のバルク材料をスパッタエッチするには小さいため、この反応は自己制限的となります。

ステップ 4) エッチング生成物ごとチェンバーから排出されます。

  • 原子層エッチングを行う理由
  • 主な特長
  • 原子層エッチングプロセス

原子層エッチングの利点

  • 低イオンエネルギーによる低ダメージエッチング
  • エッチング深さの精密制御
  • 極薄層除去
  • 自己制限的なプロセス
  • マスクガスや下地材料のエッチングを最小限に抑えるためドーズガスとイオンエネルギーを調整できるため、高い選択性を実現
  • ラジカルの供給と表面イオン衝撃が独立した工程に分けられているので、エッチングレートはエッチングされた形体のアスペクト比(すなわち減少したアスペクト依存エッチング)によって影響されない
  • 自己制限的な性質により、均一性が向上
  • 滑らかなエッチング面
  • イオン衝撃に依存しているため、本質的に異方性エッチング

ALE Features

  • エッチングレート2~7Å/サイクル
  • a-Si、Si、SiO2、MoS2、GaN、AlGaN層エッチングの実証結果
  • 10msの高速レシピ制御


ALEによる、幅25nm、深さ100nmのSiトレンチ
HSQマスクが残っていることが確認できます。


MoS2のALEはエッチング後にラマン分光法による欠陥ピークを示さず,ALEの低ダメージエッチング能力を示しています。
200ALEサイクル後のAlGaN表面粗さ,左=エッチング前(Ra=6:00 PM),右=エッチング後(Ra=3:00 PM)。表面はALEによって平坦化されています。

広範囲な材料

ALEは、Si、a-Si、MoS2、SiO2、GaN、AlGaN、III-V化合物、Si3N4、グラフェン、HfO2、ZrO2、Al2O3を含む、広範な材料に適用できます。

エッチング 注入ガス エッチングガス
MoS2 Cl2 Ar
Si or a-Si Cl2 Ar
SiO2 CHF3 or C4F8 Ar or O2
AlGaN or GaN Cl2, BCl3 Ar
AlGaN or GaN N2O BCl3
GaAs or AlGaAs Cl2, BCl3 Ar
InP or InGaAsP etc. CH4, Cl2 Ar
SiN H2 Ar
Al2O3 BCl3 Ar
Graphene O2 Ar
HfO2, ZrO2 Cl2, BCl3 Ar

AlGaN ALE Process Cycle

塩素使用有無によるサイクルごとのALGANエッチング