エッチングと成膜の原理（ドライエッチ・CVD/ALD）

エッチと成膜が担う役割

ウェハ製造の前工程は、成膜→リソ→エッチを軸にしたサイクルの繰り返しです（全体像は /semiconductor/wafer-fab-process-flow/）。このうちリソグラフィはレジストに設計図を写すだけで、実体は作りません（/semiconductor/photolithography/）。膜という素材を用意するのが成膜、その膜を選択的に削って立体形状を彫るのがエッチングです。本稿はこの2工程の原理、特になぜドライエッチが縦に掘れるのか、なぜ先端ノードでALDが要るのかを掘り下げます。

エッチング：等方から異方性へ

エッチングの肝は 異方性（anisotropy） です。薬液に浸す古典的なウェットエッチングは、反応が方向に依存しないため横にも同じ速度で削れます（等方性）。マスク端の下にまで削れ込む「アンダーカット」が生じ、これでは数十nmの線を縦に転写できません。

等方性エッチ:           異方性エッチ:
  マスク                  マスク
  ┌──┐                    ┌──┐
 ╱    ╲  ← 横に逃げる    │    │  ← 横は削れず
（アンダーカット）        │    │     垂直に掘る

そこで微細パターンには、横方向をほぼ削らず垂直にだけ掘るドライエッチング（反応性イオンエッチング, RIE）が使われます。横に広がらないので、リソで描いた線幅をそのまま下層へ刻めます。

なぜプラズマで縦に掘れるのか

ドライエッチの異方性は、化学反応と物理スパッタの二刀流から生まれます。これがRIEの本質です。

1. プラズマでラジカルとイオンを作る。エッチガス（Siなら {CF4, SF6, Cl2} 系など）に高周波電力を加えて放電させ、化学的に活性なラジカルと、正イオンを大量に生成します。
2. ラジカルが化学反応する。中性のラジカルは膜表面と反応し、揮発しやすい生成物（例：SiをFで削るとSiF4ガス）に変えて排気します。この反応自体は方向を持たず、本来は等方的です。
3. イオンが垂直入射して反応を加速する。ここが要点です。プラズマと電極の境界には 鞘（シース, sheath） と呼ばれる電界層ができ、正イオンはこの電界でウェハ面に対しほぼ垂直に加速されます。底面にはイオンが垂直に当たって反応を強く促進する一方、側壁にはイオンがほとんど当たりません。

異方性 = 等方的な化学反応 + 垂直イオン照射の方向性

  プラズマ
  ─────────── シース（鉛直電界）
   ↓ ↓ ↓ ↓   ← 正イオンが垂直加速
  ┌──┐
  │底│ ← イオン衝撃で反応促進（速い）
  │  │ 側壁 ← イオン来ず・側壁保護膜で守られ（遅い）

さらに、反応生成物が側壁に再付着して 保護膜（パッシベーション膜） を形成し、側壁の化学エッチを止めます。底面は垂直イオンが保護膜を叩き壊して反応を進めるため、結果として「底だけ掘れ、側壁は守られる」。イオンの方向性と側壁保護の合わせ技が、垂直プロファイルの正体です。

成膜：CVD・PVD・ALDの原理

エッチで削る前提として、削られる側の膜を用意するのが成膜です。原理の異なる3方式を、膜質・段差被覆性（カバレッジ）・厚み制御の観点で使い分けます。

• CVD（化学気相成長）：前駆体ガスを加熱・プラズマ励起した表面で反応・分解させ膜を析出します。比較的速く厚膜も付けやすい一方、深い溝では入口に多く付き奥が薄くなりがちで、カバレッジは方式次第です。
• PVD（物理気相成長／スパッタ）：ターゲットにイオンを当てて弾き出した原子を、視線方向（line-of-sight）でウェハに堆積します。金属向きですが指向性が強く、側壁や深穴の底は付きにくいのが弱点です。
• ALD（原子層堆積）：次節の通り、化学反応を自己制限的に1原子層ずつ進める方式です。

ALD：自己制限で1原子層ずつ積む

ALDの核心は 自己制限反応（self-limiting reaction） です。CVDのように2種のガスを同時に流して連続反応させるのではなく、前駆体Aと前駆体Bを時間的に分離し、間をパージで仕切って交互供給します。

ALDの1サイクル:

  1. 前駆体A供給 : Aが表面の反応点に化学吸着、点が埋まると止まる（自己制限）
  2. パージ      : 余分なAを不活性ガスで排気（気相反応を防ぐ）
  3. 前駆体B供給 : BがAと反応し1原子層を形成、反応点が尽きると止まる
  4. パージ      : 副生成物と余分なBを排気
  → 1サイクル＝ほぼ1原子層。サイクル数で膜厚を決める

ステップ1も3も、表面の反応点が埋まり尽くすとそれ以上は進みません。これが自己制限です。だから1サイクルあたりの増分はおよそ一定（典型的に0.1nm前後）で、膜厚はサイクル回数で原子層精度に制御できます。さらに、表面が反応点で飽和するまで吸着が続くため、平面でも溝の奥でも側壁でも同じだけ積もる——すなわち極めて高い**等角性（コンフォーマリティ）**が得られます。

なぜ先端ノードでALDが要るのか

微細化が進むほど、膜に求められるのは「速く厚く」ではなく「薄く・均一に・あらゆる面へ等角に」です。先端ノードで成り立つ3つの理由を整理します。

• high-k絶縁膜の極薄・精密制御：ゲート絶縁膜はリーク抑制のためSiO2からHfO2などhigh-k材料へ移りました（背景は /semiconductor/finfet-gaa/）。膜厚は1nm前後で、ばらつきが直接しきい値電圧と特性に響きます。サイクルで原子層単位に決められるALDが事実上の標準です。
• 3D構造の等角被覆：FinFETの立体フィン、さらにGAA（ゲートオールアラウンド）ではチャネルの全周をゲートが取り囲みます。回り込んだ裏側や、ナノシート間の狭い隙間まで同じ厚みで膜を付けるには、視線依存のPVDや均一性の劣るCVDでは不足で、自己制限のALDが要ります。
• 高アスペクト比の溝・孔：DRAMの深いキャパシタや、BEOLの細いビアのバリア膜では、深さに対し幅が極端に狭い穴の側壁・底まで切れ目なく薄く被覆する必要があります。入口で詰まらせず奥まで等角に積めるのはALDの独壇場です。

まとめ

• エッチングの本質は 異方性。ドライエッチ（RIE）は等方的な化学反応に、シース電界で垂直加速したイオン照射と側壁保護膜を重ね、横を削らず縦に掘る。
• エッチには異方性に加え 選択比（対マスク・対下地のエッチ速度比）が要り、深さ方向の止まりを担保する。
• 成膜は CVD（ガス反応）・PVD（物理スパッタ・指向性）・ALD（自己制限・等角） を膜質・カバレッジ・厚み制御で使い分ける。
• ALDは前駆体を交互供給＋パージで自己制限反応させ、サイクル数で原子層単位の厚みと高い等角性を実現する。
• 先端ノードでALDが不可欠なのは、high-kの極薄精密制御・GAAなど3D構造の全周等角被覆・高アスペクト比の溝被覆という、均一性と等角性が決定打になる場面が増えるため。