半導体の回路は、材料を積み重ねるだけでは完成しません。電気を流す配線、電気を制御するトランジスタ、上下の層をつなぐ穴などを、決められた形に加工する必要があります。
そこで使われるのが、不要な材料を取り除く「エッチング」です。薬液やプラズマを利用し、目では見えない小さな形を作ります。
ただし、速く削るだけでは、必要な部分まで失われてしまいます。重要なのは、狙った材料を、狙った形に、必要な量だけ取り除くことです。この記事では、工程の流れから装置の働き、品質管理、先端半導体での使われ方までを順に解説します。
エッチングの役割
半導体エッチングとは、化学反応やイオンの作用などを使って、薄膜やシリコン基板などの材料を取り除く加工です。代表的な目的は、回路の模様を実際の材料へ写すことです。［1］
例えば、絶縁膜に穴を開ければ、その穴へ後の工程で金属を埋め込み、上下の配線を接続できます。シリコンに溝を作れば、トランジスタを分離する構造などを形成できます。何を削り、何を残すかによって、同じエッチングでも役割は変わります。
身近な工作では、刃物で材料を切ったり、やすりで表面を削ったりします。一方、半導体では、表面で化学反応を起こすなどして材料を少しずつ取り除きます。回路の形を作るほか、立体構造の中で不要になった特定の材料を除去する用途もあります。［1］
なお、CMPも材料を取り除く工程ですが、主な目的は表面の凹凸をならして平らにすることです。回路の模様や穴・溝を作る代表的なエッチングとは、加工の狙いが異なります。
工程とマスク
現像と加工を分ける
回路の模様を作るときは、まず「フォトレジスト」という光に反応する材料を使います。レジストに光を当てる露光と、溶けやすさの違いを利用する現像によって、加工する場所と残す場所を決めます。
ここで完成するのは、レジストの模様です。通常、この段階では下にある加工膜に同じ形の穴は開いていません。その模様を下の材料へ写す工程がエッチングです。［2］
| 工程 | 何をするか | 主に変わるもの |
|---|---|---|
| 成膜 | 加工する薄膜を作る | ウエハー上の膜構成 |
| レジスト塗布 | 光に反応する材料を載せる | 表面のレジスト層 |
| 露光・現像 | 加工位置を示す模様を作る | レジスト |
| エッチング | 露出した材料を取り除く | 加工膜や基板 |
| 除去・洗浄 | 不要なマスクや残渣を除く | 加工後の表面 |
現像が「加工位置を決める工程」、エッチングが「材料を加工する工程」と考えると、両者の違いを整理できます。この流れを材料や層ごとに繰り返し、複雑な回路を作ります。
マスクも少し削れる
加工中、残す部分を覆うものを「マスク」と呼びます。レジストはその一種ですが、完全に削れない保護材ではありません。深い穴を作る途中でマスクが薄くなると、残したい部分まで露出することがあります。［3］
そこで使われるのが、酸化膜、窒化膜、金属膜などの「ハードマスク」です。まずレジストの模様をハードマスクへ写し、それを使って目的の材料を加工します。レジストだけでは加工に耐えにくい場合に役立ちます。［4］
ハードマスクも材料や条件によって消耗します。加工深さに耐えられるか、最後に除去できるかまで含めて、膜の種類と厚さを選ぶ必要があります。
ウェットとドライ
薬液を使うウェット
ウェットエッチングは、薬液との化学反応などで材料を溶かして取り除く方法です。薬液槽に浸す方式のほか、ウエハーへ薬液を供給して一枚ずつ処理する方式もあります。
適切な薬液を選べば、周囲の材料を残しながら特定の材料を除去できます。一方、縦だけでなく横にも反応が進むと、マスクの下へ回り込んで削れる「アンダーカット」が生じます。［5］
ガスなどを使うドライ
ドライエッチングは、液体の薬液に浸す方法に対し、ガスやイオンなどを利用する加工です。微細な回路の形成では、低圧の装置内でプラズマを作り、化学反応とイオンの作用を組み合わせる方法が代表的です。プラズマを使わない気相反応の方式もあります。［1・4］
特定方向へ加工を進めることを「異方性」、方向による差が小さく広がる加工を「等方性」と呼びます。縦に細い穴を掘る場合は異方性が重要ですが、材料を横から取り除きたい場合には等方性が役立ちます。
| 比較する点 | ウェット | ドライ |
|---|---|---|
| 利用するもの | 薬液 | ガス、プラズマ、イオンなど |
| 形状の特徴 | 横にも反応が進む方式が多い | 縦方向を制御する方式が多い |
| 主な使い分け | 特定材料の除去、不要膜の除去など | 微細な模様、深い穴・溝など |
| 気を付ける点 | 横方向の削れ、液の供給や乾燥 | イオンによる損傷、形状や反応の制御 |
「ウェットは必ず等方性」「ドライは必ず垂直」とは限りません。単結晶シリコンのように結晶の向きによって薬液への反応性が違う場合や、ドライでも等方的に除去する場合があります。必要な形と材料の組み合わせで選ぶ技術です。［5・15］
プラズマで削る仕組み
イオンとラジカル
プラズマは、気体にエネルギーを与え、電子やイオンなどが存在する状態です。エッチング装置では、高周波電力を使って電子を動かし、ガス分子との衝突によって反応に役立つ粒子を作ります。［6］
イオンは電荷を持つ粒子です。ウエハーの近くにできる電界によって、主に正のイオンが表面へ向かって加速されます。これが、加工に方向性を与える重要な働きです。
ラジカルは、対になっていない電子を持つ原子や分子などです。ここでは主に、電荷を持たず、材料表面の化学反応に関わるラジカルを考えます。「イオン」は電荷の有無、「ラジカル」は電子の状態による呼び方なので、厳密には別の分類です。［7］
反応と衝突を組み合わせる
両者を組み合わせる代表的な方式が、RIE（反応性イオンエッチング）です。ラジカルなどが表面と反応し、イオンの衝突が結合の切断や反応生成物の除去を助けます。材料を気体として離れやすい物質へ変え、排気することで加工が進みます。［1・6］
例えば、フッ素を含む反応種がシリコンと反応すると、気体として排出しやすいフッ化物を作れます。ただし、化学反応だけで横にも削れる条件では、細く垂直な形を保てません。反応を起こす場所と方向を制御することが必要です。
その方法の一つが、側壁を保護する膜を利用する加工です。底面では上から来るイオンによって保護膜の除去や反応が進み、側壁は保護されやすい状態にします。結果として、横方向の削れを抑えながら下へ掘り進められます。［8］
これは代表的な仕組みの一つで、すべてのエッチングが同じ保護膜を使うわけではありません。加工したい材料や形に合わせ、表面反応、イオンの作用、保護作用のバランスを調整します。
装置と条件の役割
プラズマエッチング装置は、単にプラズマを発生させる箱ではありません。ガスの供給から温度、圧力、排気までを管理し、毎回同じ加工に近づける装置です。
| 装置の部分 | 主な役割 |
|---|---|
| チャンバー | ガスや圧力を管理する処理室 |
| ガス供給系 | ガスの種類と流量を調整する |
| 高周波電源 | プラズマの生成やイオンの加速に関わる |
| ウエハーステージ | ウエハーの保持と温度管理を行う |
| 真空ポンプ・圧力調整系 | ガスや生成物を排出し、処理圧力を保つ |
| 終点検出系 | 発光や光の反射などから加工状態を調べる |
高周波はRFとも呼ばれます。ICP-RIEという方式では、コイルによるプラズマ生成と、ウエハー側の電力によるイオンの加速を分けて調整できます。反応に関わる粒子の量と、表面へ届くイオンのエネルギーを調整しやすい構成です。［9］
ただし、各条件の影響は完全に独立しているわけではありません。例えば圧力を変えると、粒子同士の衝突、表面へ届く粒子の向き、反応生成物の排出なども変わります。「低圧ほどよい」と一つの条件だけで判断はできません。
温度も重要です。プラズマから熱を受けると、表面反応の速さや保護膜の残り方が変わります。ステージで冷却・加熱し、装置によってはウエハー裏面へヘリウムガスを供給して熱を伝えやすくします。［9］
ガス、圧力、電力、温度、時間などを組み合わせた加工条件を「レシピ」と呼びます。同じガスでも、レシピが違えば速度、形、損傷の程度が変わります。
なお、真空で処理するといっても、加工中の装置内にガスがないわけではありません。ポンプで排気しながら必要なガスを流し、狙った低い圧力を保ちます。ガスを入れる量と排出する量の管理が、反応を安定させることにつながります。
また、処理室の壁に付着する物質も、反応種の状態へ影響します。装置を清掃した直後と処理を重ねた後で状態が違えば、加工結果が変わることもあります。そのため、壁面の状態を整える処理なども、再現性を保つうえで大切です。［6］
材料とガスの選び方
半導体には、シリコン、酸化膜、窒化膜、金属など、性質の異なる材料が使われます。どの材料も同じ反応で削れるわけではないため、加工対象に合うガスや薬液を選びます。
| 加工する材料の例 | 使われるガス・薬液の例 | 選ぶ際の視点 |
|---|---|---|
| シリコン | SF6などのフッ素を含むガス | 除去速度と側壁保護の両立 |
| シリコン酸化膜 | CHF3などのフッ素・炭素を含むガス、HF系薬液 | 下地やマスクを残せる条件 |
| 金属膜 | 材料によって塩素を含むガスなど | 反応生成物の排出と残留物 |
これらは代表例であり、各材料に使うガスが一種類に決まっているわけではありません。複数のガスを混ぜたり、途中で条件を変えたりします。［4・5］
選定では「よく反応するか」に加え、「反応後の物質を取り除けるか」も重要です。生成物が表面に残りやすければ、加工が進まなかったり、残渣の原因になったりします。
さらに、加工膜の下に何があるか、マスクは何かも確認します。ある膜を速く削れても、残したい材料まで同じ速さで削れてしまえば、目的の構造は作れません。材料選びと条件設計は、削る対象と残す対象を一組で考えます。［3］
加工品質と削り終わり
速さ以外の評価軸
エッチングレートは、単位時間あたりに削れる厚さで、nm/分などで表します。nmはナノメートルで、1mmの100万分の1です。しかし、加工が速くても、線が細くなりすぎたり、下地を傷めたりすれば良品になりません。
| 指標 | 確認すること |
|---|---|
| エッチングレート | 必要な深さまで何分で加工できるか |
| 選択比 | 残したい材料に比べ、加工膜をどれだけ速く削れるか |
| 加工形状 | 側壁の角度や穴の形が設計に合うか |
| 面内均一性 | ウエハーの中央と外周などで結果がそろうか |
| CD | 重要な線幅や穴径が狙いの寸法になるか |
| 損傷・残渣 | 表面や電気特性に悪影響を残していないか |
CDはCritical Dimensionの略で、回路の重要な寸法を指します。マスクに正しい寸法の模様があっても、その模様を材料へ写す間に幅が変われば、最終的な回路の性能へ影響します。［3・6］
選択比を数字で見る
選択比は、二つの材料のエッチングレートの比です。例えば、加工膜が100nm/分、レジストが10nm/分の速度で削れるとします。
加工膜のレジストに対する選択比＝100÷10＝10です。これは説明用の数値で、実際の加工条件を示したものではありません。
マスクを守りたいときはマスクに対する選択比、下地で止めたいときは下地に対する選択比を考えます。同じ加工でも、何と何を比較するかによって値が変わります。［3］
終点と追加の加工
膜を削り終えたタイミングを「エンドポイント」、または終点と呼びます。早く止めれば膜が残り、必要以上に続ければ下地まで削れるため、加工の終了を判断する必要があります。
代表的な検出方法は、プラズマが出す光を調べる発光分光です。削る材料が下地へ切り替わると、反応生成物などが変わり、特定の波長の光も変化することがあります。その変化を終点の手掛かりにします。レーザー光の反射を利用する方法や、事前に調べた速度と時間で管理する方法もあります。
発光の変化が十分に大きいかは、材料や実際に削る面積などにもよります。小さな穴だけを加工する場合などは信号が弱くなることもあるため、どの膜でも同じ検出方法で確実に止められるとは限りません。［10］
ただし、装置が終点を検出しても、ウエハーの全領域で同時に膜がなくなるとは限りません。膜厚や速度にばらつきがあるため、取り残しを防ぐ追加加工として「オーバーエッチング」を行う場合があります。［11］
適切な追加加工は工程上の工夫です。追加時間が長すぎたり、下地を守れない条件だったりすると、削りすぎや損傷につながります。終点の検出と、終点後の加工条件をセットで設計します。
形と場所で変わる結果
代表的な不具合には、膜の取り残し、アンダーカット、マスクの消耗、反応生成物の残渣があります。深い穴では、側壁が途中で膨らむ「ボーイング」や、底まで加工が進みにくくなる現象も問題になります。
斜めの側壁を「テーパー」と呼びますが、テーパー自体が必ず不良というわけではありません。後工程で材料を埋めやすくするなどの目的で傾斜を設ける場合もあり、設計した形から外れることが問題です。［8］
また、模様が密集する場所と少ない場所では、反応種の供給・消費などが変わり、加工速度に差が出ることがあります。これはマイクロローディングと呼ばれる現象の一つです。細く深い穴では、底へ粒子が届きにくいことや、生成物が出にくいことも加工へ影響します。
穴の深さと幅の比に応じて速度などが変わる現象は、ARDE（アスペクト比依存エッチング）と呼ばれます。模様の密度による影響と、個々の穴の形による影響を区別して考えると、原因を整理しやすくなります。［17］
形が整って見えても、イオンの衝突や電荷の蓄積によって、電気的な特性が変化する可能性があります。加工後の観察や寸法測定に加え、膜や回路の特性も確認し、次の条件調整へつなげます。［9］
先端技術への広がり
深く掘るNANDとTSV
3D NANDは、情報を記憶する構造を縦に積み重ねたメモリです。積層した膜へ深いメモリホールを開けるため、入口の細さに対して大きな深さを加工する必要があります。この深さと幅の比を「アスペクト比」と呼びます。例えば深さが幅の10倍なら、アスペクト比は10です。穴の絶対的な大きさだけでなく、幅に対してどれだけ深いかが、加工の難しさを考える手掛かりになります。［12］
深くなるほど、底まで反応種を届け、生成物を外へ出しながら、途中の側壁を狙った形に保つことが難しくなります。高いアスペクト比の加工では、速さだけでなく、深さ方向の形状管理が重要です。
TSVは、シリコンを貫く電極です。まずシリコンに深い穴を開け、その後に絶縁膜などを形成し、導電材料を入れて接続を作ります。穴を掘るだけで電極が完成するわけではありません。
深いシリコン加工には、削る処理と側壁を保護する処理を交互に繰り返す「ボッシュプロセス」などがあります。積層膜を加工する3D NANDと、シリコンを深く掘るTSVでは、加工対象も必要な条件も異なります。［8］
選んで除くGAA
GAAは、電流の通り道をゲートが周囲から囲むトランジスタ構造です。シリコンとシリコンゲルマニウムなどの層を交互に作り、後でシリコンを残してシリコンゲルマニウムの層を選択的に除去することで、シート状の通り道の周囲に空間を設けます。［13］
ここでは、縦にまっすぐ削る能力だけでなく、残すシリコンを傷めず、特定の材料を横方向にも除去する能力が重要です。その空間へゲートを構成する膜を形成し、通り道を囲みます。
少量ずつ削るALE
ALEは原子層エッチングの略です。表面を反応しやすい状態へ変える処理と、その表面層を取り除く処理などを繰り返し、除去量を細かく制御します。
プラズマを使う方式では、表面の改質、余分なガスの排出、低エネルギーのイオンによる改質層の除去、再びガスの排出という周期が代表例です。
ALEでは、表面を一定の状態まで変えるとそれ以上は反応しにくくなる「自己停止的な反応」を利用します。連続して削り続ける加工とは異なり、一周期ごとの除去量をそろえやすくする考え方です。［14］
名前から「必ず一回で原子一層だけ削る」と考えがちですが、実際の除去量は材料や条件によります。また、熱を利用するALEもあり、すべてのALEがプラズマを使うわけではありません。［16］微細な構造を守りながら加工量を制御する技術であり、繰り返し処理の時間と必要な精度を考えて使います。
エッチングのまとめ
半導体エッチングは、薄膜や基板の一部を取り除き、配線、穴、溝、立体構造などを作る技術です。
- 現像でレジストの模様を作り、エッチングで材料へ写します。
- マスクにも寿命があり、深い加工ではハードマスクを使う場合があります。
- ウェットとドライは、材料と必要な形に合わせて使い分けます。
- プラズマ加工では、化学反応とイオンの作用などを組み合わせます。
- 速さ、選択比、形状、寸法、終点をまとめて管理します。
- 立体化が進むほど、深く掘る技術と、特定材料だけを除く技術の両方が重要になります。
「削る工程」と覚えるだけでなく、何を残すために、どこを、どのように取り除くのかに注目すると、エッチングの仕組みと装置の役割を理解しやすくなります。
参考資料
参照日：2026年11月3日。本文は各資料の技術説明を照合し、初心者向けに独自の表現で整理しています。個別装置の性能値や加工レシピを一般的な条件として転載していません。
- ［1］Lam Research：Etch — エッチングの役割、反応性イオン加工、選択的除去。
- ［2］日本半導体製造装置協会：半導体の製造工程・前工程 — レジスト形成、現像、エッチングの関係。
- ［3］CORIAL / Plasma-Therm：Etch Selectivity FAQ — 選択比の定義、マスクと下地の保護。
- ［4］DTU Nanolab：Etching of Silicon Oxide — 酸化膜のウェット・ドライ加工、ハードマスク、気相HF。
- ［5］University of Southampton：Etching Capabilities — ウェット加工、材料に応じたガス、深掘り加工。
- ［6］Purdue University, Birck Nanotechnology Center：Tutorial on Etching — プラズマ、RIE、表面反応、加工形状、装置壁面の影響。
- ［7］IUPAC Gold Book：radical — ラジカルの定義。
- ［8］Oxford Instruments：Deep Reactive Ion Etching — ボッシュプロセス、側壁保護、TSV、目的に応じた加工形状。
- ［9］Oxford Instruments：ICP RIE — プラズマ生成とバイアスの調整、圧力・温度管理。
- ［10］Oxford Instruments：Endpoint Detectors／Automatic Endpoint Detection — 発光分光とレーザー干渉による終点検出。
- ［11］Oxford Instruments装置の旧操作資料（KTH掲載）：Endpoint Detection — 終点検出後の追加加工の基本原理のみ参照。
- ［12］Lam Research：How Deposition and Etch Are Reshaping Chips for the AI Era — 3D NANDなどの立体構造とエッチング。
- ［13］Lam Research：FinFETs Give Way to Gate-All-Around — ナノシート構造と犠牲層の選択的除去。構造と加工原理のみ参照。
- ［14］Oxford Instruments：Atomic Layer Etching — 周期的な表面改質と除去、自己停止的な反応の利用。
- ［15］NIST：Reynolds Tech Silicon Etch Wet Bench — 結晶面によって反応が異なるシリコンのウェット加工。
- ［16］Chemistry of Materials：Self-Limiting Temperature Window for Thermal Atomic Layer Etching of HfO2 and ZrO2 Based on the Atomic-Scale Mechanism — 自己停止的な熱反応を用いるALEの研究例。公開されている要旨を参照。
- ［17］Jyrki Kiihamäki / VTT：Fabrication of SOI Micromechanical Devices — 深いシリコン加工におけるパターン密度とアスペクト比の影響。
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