プラズマエッチングの物理（イオン・ラジカル・選択比）

エッチングを物理から見る

ドライエッチが「なぜ縦に掘れるか」の概略は /semiconductor/etching-deposition/ で扱いました。本稿はその一歩奥、反応性イオンエッチング（RIE）の内部で何が起きているかを物理レベルで掘り下げます。鍵はプラズマが供給する2種類の粒子——中性ラジカルと正イオン——の役割分担です。この分業を理解すると、異方性・選択比・ARDE・ボーイングといった現象が一本の筋で説明できます。エッチは前工程サイクルの中で形状を彫る工程です（全体像は /semiconductor/wafer-fab-process-flow/）。

ラジカルとイオン：等方の化学と異方の物理

低圧プラズマに高周波電力を加えると、エッチガス（Siなら {CF4, SF6, Cl2} 系など）が解離・電離し、2種類の活性種が生じます。

• 中性ラジカル（例：F、Cl）：電荷を持たず、熱運動であらゆる方向から等方的に表面へ降り注ぐ。膜と化学反応し、揮発性の生成物（SiをFで削れば SiF4）に変えて排気する。反応自体に方向性はなく、本来は横も縦も同じ速度で削る。
• 正イオン（例 CF3+、Cl+）：プラズマと電極の境界にできる シース（鞘） の直流電界で、ウェハ面にほぼ垂直に加速される。数十〜数百eVの運動エネルギーを持って底面に垂直入射する。

RIEの異方性は、この等方的な化学反応に、垂直なイオン照射を重ねた協奏から生まれます。

シース電界（鉛直）
  ↓ ↓ ↓ ↓   正イオン：垂直加速・指向性あり
ラジカル：等方的にランダム入射
  ┌──┐
  │底│ ← イオンが垂直に当たり反応を強く促進（速い）
  │  │ 側壁 ← イオンほぼ来ず＋保護膜で守られる（遅い）

底面ではイオン衝撃が表面の結合を切り、ラジカルとの反応点を作り、生成物の脱離も助けます（イオンアシスト反応）。一方、側壁にはイオンがほとんど当たらないため、純粋な化学反応だけが残ります。

側壁パッシベーションが異方性を決める

イオンの指向性だけでは異方性は完成しません。側壁にラジカルが来る以上、放っておけば横にも削れます。これを止めるのが 側壁パッシベーション（保護膜） です。

反応生成物や、フルオロカーボン系ガス由来のポリマー（CxFy）が側壁に再付着し、薄い保護膜を作ります。この膜が側壁の化学エッチを物理的にブロックします。底面では同じ膜が積もっても、垂直入射するイオンが保護膜を叩き割って下地を露出させ続けるため、反応は底だけで進みます。

異方性 = 等方的ラジカル反応
       + 垂直イオン照射（底の保護膜を破壊し反応を駆動）
       + 側壁パッシベーション（側壁の化学反応を停止）

つまり異方性とは「底を削る力」と「側壁を守る力」のバランスです。保護膜が薄すぎれば側壁が削れてアンダーカットやボーイング、厚すぎれば底まで止まってエッチストップやテーパ（先細り）になります。レシピ調整とは、このバランスをガス組成・圧力・バイアスで作り込む作業に他なりません。深掘りでこの堆積（パッシベーション）とエッチを意図的に交互に切り替えるのがボッシュ法です（/semiconductor/advanced-packaging-principles/ のTSVが応用例）。

選択比：ラジカル束とイオン束の比で支配する

選択比（selectivity）は「削りたい膜」対「マスクや下地（エッチストップ層）」のエッチ速度比です。これもラジカル束 対 イオン束の比という物理量で理解できます。

• ラジカル過多（化学優勢）：化学反応の材料差で速度差が出るため、膜種間の選択比は高くなりやすい。半面、化学反応は等方的なので異方性は崩れる。例：SiO2 と Si の選択比は、フルオロカーボンが SiO2 上では酸素と反応してポリマーが付きにくく、Si 上では C リッチな保護膜が育つ、という化学差で稼ぐ。
• イオン過多（物理優勢／高バイアス）：物理スパッタは材料に鈍感（どんな膜もイオンエネルギー次第で削れる）なので、対マスク・対下地の選択比は低下する。半面、指向性が強く異方性は良くなる。

                 異方性 ↑          選択比 ↑
高バイアス ──────────────●──────────────── 低バイアス
（イオン主体）      物理↔化学のバランス     （ラジカル主体）
スパッタで                              化学反応で
選択比が落ちる                      異方性が崩れる

ARDE：深い溝ほど遅くなる

微細・深溝のエッチで顕著になるのが ARDE（Aspect Ratio Dependent Etching、アスペクト比依存エッチング）、別名 RIE ラグです。同じ条件でも、幅が狭く深い（高アスペクト比の）パターンほどエッチ速度が遅くなる現象を指します。

原因は、溝の底へ活性種が届きにくくなることです。

• イオンの陰り（シャドーイング）：イオンは完全に平行ではなく入射角に分布を持つため、斜め成分は深い溝の入口や側壁に当たって底まで届かず、底のイオン束が減る。
• 中性ラジカルの輸送律速（クヌーセン輸送）：低圧では分子の平均自由行程が溝より長く、ラジカルは壁に何度も衝突しながら拡散する。アスペクト比が高いほどコンダクタンスが落ち、底への供給が律速する。
• 生成物の排出律速：揮発生成物が深い溝から抜けにくく、底の反応点を塞ぐ。

結果として、設計上同じ深さを狙っても、太い溝が掘り切れた時に細い溝はまだ浅い、という深さばらつきが生じます。DRAMの深いキャパシタ孔やTSVのように極端な高アスペクト比では、ARDEを見越したレイアウト・レシピ補正が必須です。

ボーイング・ノッチング・マイクロローディング

ARDE以外にも、深さ方向で形状が理想の矩形から崩れる典型パターンがあります。

• ボーイングは、入射イオンが溝入口や側壁で散乱・中性化して斜め成分となり、側壁中腹を削ることで起きます。垂直性を上げる（イオンの角度分布を絞る）、側壁保護を強める対策が要ります。
• ノッチングは、下地が絶縁膜のとき側壁底部に電荷が溜まり、後続イオンの軌道を曲げて界面付近の側壁を抉る現象です。チャージング効果が根本原因で、パルスプラズマ（電子も底に届かせて電荷を中和する）などで緩和します。
• マイクロローディングは、パターンが密な領域で活性種が局所的に消費し尽くされ、疎な領域より遅くなる供給律速の現象です。ARDEがアスペクト比依存なのに対し、こちらはパターン密度依存である点が区別の勘所です。

まとめ

• RIEの異方性は、等方的なラジカル化学反応に、シース電界で垂直加速したイオンのイオンアシスト反応と側壁パッシベーション膜を重ねた協奏で生まれる。底だけ進み側壁は止まる。
• イオンアシストは1＋1が2を超える相乗効果で、純化学エッチでも純スパッタでもない点がRIEの本質。
• 選択比はラジカル束／イオン束の比で支配でき、ラジカル過多で膜種選択性は上がるが等方化、イオン過多で異方性は上がるが対マスク・対下地の選択比が落ちる。
• 高アスペクト比ではARDE（イオン陰り・ラジカル輸送律速・生成物排出律速で深いほど遅い）が生じ、深さばらつきを招く。
• 深さ方向の形状崩れは**ボーイング（散乱イオン）・テーパ（保護膜過多）・ノッチング（チャージング）・マイクロローディング（密度依存供給律速）**として現れ、それぞれ原因が異なる。
• 工程の位置づけは /semiconductor/etching-deposition/ と /semiconductor/wafer-fab-process-flow/ も参照。