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原子層エッチング (ALE)

原子層エッチング(ALE)は先端的なエッチング技術であり、浅い形状で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って、性能最大化に必要な精度を実現するために、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、革新的デバイスが超薄い2D材料を使用するのに従って、原子スケールの高精度が益々必要になっています。

この結果、原子スケールでの従来の(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、ガス注入とイオン照射を繰り返すエッチングプロセスであり、材料を層ごとに除去するので、損傷を非常に少なく抑えて単原子層を除去する能力を持っています。

ハイライト

  • 非常に損傷が少ない
  • 高い選択性
  • 非常に高精度の深さ制御
  • 非常に低出力の作動
  • ALEによるエッチングまたは通常エッチングモードでの作動が可能
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原子層エッチングプロセス

原子層エッチングは、通常、4ステップのサイクルから構成され、要求されるエッチング厚さを得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。ガスは、表面を吸収してエッチング材料と反応する。エッチングガスは、しばしばプラズマ解離されて、吸収速度を増大する。注入ガスと条件の正しい選定により、単原子層が吸収された後、化学注入が停止すれば、反応は自己制限的になる。

ステップ 2) 全ての残存注入ガスを排出する。

ステップ 3) 低エネルギーの不活性イオンにより、表面を照射することによって、反応表面層が除去される。イオンのエネルギーが、化学的に変化した表面層を除去するに充分である一方、下層のバルク材料をエッチング(スパッター)するには小さければ、この反応は自己制限的になる。

ステップ 4) エッチング生成物が、チェンバーから排出される。

ALE Process of Si With Cl2 Ar

 原子層エッチングの利点

  • 低イオンエネルギーの使用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
  • 自己制限的な行動
  • 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に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
  • 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、エッチング速度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ARDE)によってあまり影響されない。
  • 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

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原子層エッチング:何のために?

化合物半導体の記事を読む

原子層エッチングは、GaNベースのHEMTの品質を改善し、高いエッチング速度に関連する損傷を根絶することを約束する。

化合物半導体誌のマイククック博士とアンディグッドイヤー博士によって書かれました。

ALE Features

  • Etch rates 2 to 7Å/cycle
  • Demonstrated results in a-Si, Si, SiO2, MoS2, GaN, AlGaN layer etching
  • Fast recipe control down to 10ms
  • Atomic Layer Deposition-style gas dose delivery with 10ms open-close response 
25nm wide Si trenches etched to 110nm depth by ALE, HSQ mask still in place

25nm wide Si trenches etched to 110nm depth by ALE, HSQ mask still in place.

ALE of MoS2 shows no Raman defect

ALE of MoS2 shows no Raman defect peak after etching, highlighting the low damage etching capabilities of ALE.

 

AlGaN surface roughness after 200 ALE cycles

AlGaN surface roughness after 200 ALE cycles, left = before etching (Ra = 600pm), right = after etching (Ra = 300pm). The surface has been smoothed by ALE.

広範な材料

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

エッチングされる材料 注入ガス エッチングガス
MoS<sub>2 Cl<sub>2 Ar
Si or a-Si Cl<sub>2 Ar
SiO<sub>2 CHF<sub>3</sub> or C<sub>4</sub>F<sub>8 Ar or O<sub>2
AlGaN or GaN Cl<sub>2</sub>, BCl<sub>3 Ar
AlGaN or GaN N<sub>2</sub>O BCl<sub>3
GaAs or AlGaAs Cl<sub>2</sub>, BCl<sub>3 Ar
InP or InGaAsP etc. CH<sub>4</sub>, Cl<sub>2 Ar
SiN H<sub>2 Ar
Al<sub>2</sub>O<sub>3 BCl<sub>3 Ar
Graphene O<sub>2 Ar
HfO<sub>2</sub>, ZrO<sub>2 Cl<sub>2</sub>, BCl<sub>3 Ar
ALE AlGaN cycle

AlGaN のALEプロセスサイクル

AlGaN EPC

塩素の有無による、サイクルあたりのAlGaNのエッチング

オックスフォード・インストゥルメンツ・プラズマテクノロジー:ALE装置のメリット

当社の原子層エッチング装置は、13年以上のALDの経験に基づいて開発されました。主な特長は、以下のとおりです。

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