極低温でのHF(フッ化水素)プラズマエッチングは、材料ごとに異なるユニークな反応特性を示します。
Si(シリコン)、SiO2(酸化膜)、および低誘電率(Low-k)膜に対する具体的なメリットとメカニズムを整理しました。
1. シリコン酸化膜 (SiO2) ・窒化膜 (SiN)
現在、この技術が最も熱く議論されているのが3D NANDフラッシュメモリ等の深孔加工です。
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速度の向上: 名古屋大学やキオクシアの研究等により、基板を -70℃ 程度まで冷却しHFプラズマを用いることで、常温比で約4〜5倍のエッチング速度が得られることが報告されています。
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イオン強化型表面自己触媒反応: 極低温下では、HFが表面に多層吸着します。ここにイオンが衝突することで反応が爆発的に進む「自己触媒的な」メカニズムが働き、圧倒的な高速化を実現します。
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選択比の制御: HFプラズマは SiO2 や SiN に対して非常に高い反応性を持ちつつ、マスク材(アモルファスカーボン等)との選択比を維持しやすいのが特徴です。
2. シリコン (Si)
シリコンの深掘り(TSV:シリコン貫通電極など)でも極低温エッチングは有効です。
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SiOxFy 保護膜の形成: 冷却下ではエッチング副生成物が側壁に凝縮し、SiOxFy という薄い保護層を自発的に形成します。
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ボッシュプロセスとの違い: 従来のボッシュプロセス(ガスを切り替えて彫る手法)のような側壁の凹凸(スキャロップ)が発生せず、滑らかな垂直形状を高速に得られます。
3. 低誘電率膜 (Low-k / porous SiCOH)
次世代ロジック配線層で使われるLow-k膜において、極低温プロセスは「ダメージ抑制」の切り札とされています。
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ポア(細孔)への浸入防止: 多孔質(porous)なLow-k膜は、常温だとプラズマ中のラジカルが孔の奥まで入り込み、膜の性質を壊して(誘電率を上昇させて)しまいます。
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凝縮による「蓋」効果: エッチング中にガス成分を孔の中に凝縮させることで一時的に「蓋」をし、膜内部へのダメージを物理的に遮断しながら加工することが可能です。
各材料への効果まとめ
| 対象材料 | 主なメリット | キーワード |
| SiO2/ SiN | 高速エッチング・高アスペクト比 | イオン強化型表面自己触媒反応 |
| シリコン (Si) | 垂直形状・滑らかな側壁 | 自発的側壁保護層 (SiOxFy) |
| 低誘電率膜 (Low-k) | 低ダメージ・誘電率の維持 | 孔内凝縮によるダメージ遮断 |
出典:Google Gemini
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