ノッチングとは
ノッチングとは、エッチングが下地の絶縁膜へ届いた後に、溝や柱の足元だけが横へ削れて食い込む形状異常です。 深さよりも、下地に届いてからの時間で量が変わります。
同じレシピで同じ溝を掘っていても、下地がシリコンや金属のうちは側壁がまっすぐ立ちます。ところが下地の酸化膜が顔を出したところから、足元が横へ食われはじめます。境目で変わったのは、溝底に飛び込んだ正電荷の逃げ場です。
SEAJ（日本半導体製造装置協会）の用語集は、電子シェーディング効果を、イオンが試料へ垂直に入射するのに対して電子はランダムな方向から入射するため、レジストパターンに遮蔽される狭いスペースの底部で入射電子量が減る現象としています。同用語集は、その結果としてレジスト側壁が負に、高アスペクト比パターンの底部が正に帯電するとしています。シースで加速されたイオンは垂直に落ちてきますが、電子はあらゆる向きから入ります。だから開口が狭くなるほど、底に届く電子だけが減ります。
正に振れた底の電荷は、下地が導体ならそのまま下へ抜けます。絶縁膜が出ると抜け道が消えます。SEAJの2012年度版 半導体製造装置技術ロードマップは、裏面から掘ってエッチストップ層に届いたところでエッチングを終える場合に、シリコンとエッチストップ層の界面でノッチが出ると述べ、その原因をゲートエッチングやメタルエッチングの電子シェーディング効果と同じ現象としています。同ロードマップによれば、高密度プラズマの電子は電子温度が高いため底部に入りにくく、底部のエッチストップ層に正イオンが多く存在し、そこに溜まった正電荷がパターン底部でイオンを曲げてノッチを作ります。
同じ帯電が、形の崩れと絶縁膜の破壊という2つの出口を持ちます
Section titled “同じ帯電が、形の崩れと絶縁膜の破壊という2つの出口を持ちます”電子情報通信学会の知識ベースは、電気的な損傷をチャージダメージと呼び、ゲート酸化膜を破壊するか信頼性を下げるものとし、プラズマの不均一や電子シェーディング効果によって起きると述べています。SEAJの用語集も、電子シェーディングダメージを、荷電粒子の蓄積によってゲート絶縁膜が静電破壊を起こすこととしています。つまり同じ帯電が、形としてはノッチ、電気としては絶縁膜の破壊という2つの出口を持ちます。
形の側にどれだけ響くかは、同じ知識ベースが数字で示しています。ゲート加工で側壁の角度が89度になると、物理的なゲート長が7パーセント増えるという記述です。1度の傾きが寸法の数パーセントに化ける世界なので、足元が数ナノメートル横へ食われた分は、そのまま素子ごとのばらつきへ移ります。この7パーセントは、特定の膜厚のゲートを前提とした値です。
立ち上がる条件は、開口の狭さと下地の絶縁性です
Section titled “立ち上がる条件は、開口の狭さと下地の絶縁性です”条件は2つ重なったときに揃います。1つは開口が狭いこと、もう1つは下地が絶縁膜であることです。SEAJの用語集が電子シェーディング効果を狭いスペースパターンの現象として書いているのは前者に対応し、同ロードマップがエッチストップ層の界面を挙げているのは後者に対応します。
したがってノッチングは、アスペクト比の高い深掘りで最初に問題になります。SEAJの同ロードマップは、シリコン貫通ビアのエッチングが対象とするビア径を1マイクロメートルから100マイクロメートル、深さを10マイクロメートルから100マイクロメートル以上、アスペクト比を高い場合に10以上とし、高いエッチング速度と高い選択性と異方性が要求されるとしています。ここに挙げた数値は同ロードマップの記載です。深く掘るほど下地に届くまでの面内のばらつきが広がるため、抜け残り、つまり面内のどこかで対象の膜が残る状態を消すためのオーバーエッチを長く取ることになり、帯電の時間も伸びます。
追う量は、テーパ角とアンダーカット量です
Section titled “追う量は、テーパ角とアンダーカット量です”住友精密工業は公式ページで、幅3マイクロメートル・深さ100マイクロメートルの条件において30パーセントのオーバーエッチを加えても、酸化膜界面のサイドエッチングを生じずにシリコンを深掘りできると述べています。ここで幅と深さとオーバーエッチ量が3つ並んで書かれているところが、この現象の見方そのものです。幅は電子の届きにくさ、深さは面内ばらつきの幅、オーバーエッチ量は帯電の持続時間に対応します。
SEAJの同ロードマップがシリコン貫通ビアエッチング装置の要求性能として挙げるのは、レジストに対する選択比100以上、テーパ角制御90度プラスマイナス1度、アンダーカットの最小化です。開発レベルのエッチング速度は30から50マイクロメートル毎分としています。テーパ角もアンダーカット量も、断面観察で取る量です。住友精密工業は同じ公式ページで、200ミリメートルウェーハのエッジ3ミリメートルまで傾き0.1度以下を安定に再現すること、深さ40マイクロメートルで側壁粗さ16ナノメートルを維持することも示しています。いずれも同社装置での公表値です。
現場で回すつまみは、時間と電子温度と印加の波形です
Section titled “現場で回すつまみは、時間と電子温度と印加の波形です”1つ目のつまみは、オーバーエッチ量です。短く切れば帯電の時間が縮みますが、面内の遅い場所で抜け残りが出ます。深掘りでは下地に届く時刻が場所ごとにずれるため、均一性の要求とまっすぐ衝突します。
2つ目は、基板バイアスの与え方です。SEAJの同ロードマップは、対策としてエッチングレシピの最適化を挙げ、パルス印加など基板バイアスの印加方法を工夫すると述べています。名古屋大学の関根誠氏は、プラズマ核融合学会誌の解説で、パルスプラズマ法が高周波電源を数十ミリ秒でオンオフ駆動してプラズマを生成することで平均の電子温度が低下することを述べ、ガス解離の制御と帯電に起因するデバイスへのダメージ低減が検討されてきたとしています。連続で与えるのをやめると、休みの間に電子温度が落ちて電荷が緩みます。代わりに、バイアス電力の大きさだけでなく波形の側までレシピの変数になります。
3つ目は、電子温度とプラズマ密度、つまりプラズマ源の選び方です。SEAJの同ロードマップのゲートエッチングの節は、低電子温度で中密度のプラズマが電子シェーディング効果によるチャージングダメージを抑え、加えて疎密の形状差やデュアルゲートのPチャネルとNチャネルの形状差を下げる効果も期待できるとしています。同節は、ゲート絶縁膜へhigh-k膜が入ると物理膜厚がSiON系より厚くなるためチャージングダメージが再び顕著になる可能性があるとし、ダメージに敏感なジャストエッチング直前からオーバーエッチングにかけて、さらに低電子温度で中から低密度のプラズマへ向かうと予想しています。差し出すものは制御範囲です。同ロードマップは、低中密度プラズマで継続的に必要な改良点として、エッチングに必要なイオンエネルギーの制御範囲を広く保つことを挙げています。
抑え込んだ側の実力値も、条件つきで公開されています
Section titled “抑え込んだ側の実力値も、条件つきで公開されています”住友精密工業の公式ページは、パラメータランピング技術によって幅5マイクロメートル・深さ200マイクロメートル、アスペクト比40の加工でも角度のずれや蛇行を抑えた深掘りに対応するとしています。同ページのノッチに関する条件は、幅3マイクロメートル・深さ100マイクロメートルで30パーセントのオーバーエッチという組でした。いずれも同社装置での公表値です。抜け残りを消すためのオーバーエッチを3割積んだ状態でも、足元の形が保たれるところまで来ている、と読めます。
Bosch法を使うDRIEでは、別の代償も並びます。SEAJの同ロードマップは、SF₆によるエッチングが等方性であるためスキャロップと呼ばれる段差が側壁に沿って形成されることを課題として挙げ、対策としてイオン量を制御できる機能の追加やBosch法に代わる低温プロセスが試みられているとしています。ノッチを消す向きの操作は、選択比や側壁の粗さと同じ予算の中で取り合います。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”ノッチングとは何ですか？
エッチングが下地の絶縁膜へ届いた後に、溝や柱の足元だけが横へ削れて食い込む形状異常です。SEAJの2012年度版技術ロードマップは、裏面からのエッチングがエッチストップ層に達する場合に、シリコンとエッチストップ層の界面でノッチが出ると述べています。
なぜ下地に届いた瞬間から出るのですか？
溝底に飛び込んだ正電荷の逃げ場が消えるためです。SEAJの同ロードマップは、高密度プラズマの電子は電子温度が高いため底部に入りにくく、底部のエッチストップ層に正イオンが多く存在し、その正電荷がパターン底部でイオンを曲げてノッチを作るとしています。
電子シェーディング効果とは何ですか？
SEAJの用語集は、イオンが試料へ垂直に入射するのに対して電子はランダムな方向から入射するため、レジストパターンに遮蔽される狭いスペースの底部で入射電子量が減る現象としています。同用語集は、その結果としてレジスト側壁が負に、高アスペクト比パターンの底部が正に帯電するとしています。
形が少し崩れるだけで、何が困るのですか？
電子情報通信学会の知識ベースは、ゲート加工で側壁の角度が89度になると物理的なゲート長が7パーセント増えると述べています。1度の傾きが寸法の数パーセントになる世界なので、足元が横へ食われた分はそのまま電気特性のばらつきへ移ります。
ノッチングとチャージダメージは同じものですか？
原因が同じで、出方が違います。電子情報通信学会の知識ベースは、電気的な損傷をチャージダメージと呼び、ゲート酸化膜を破壊するか信頼性を下げるものとし、プラズマの不均一や電子シェーディング効果で起きると述べています。ノッチングは同じ帯電が形として出た結果です。
現場ではどのつまみで動きますか？
SEAJの同ロードマップは、対策としてエッチングレシピの最適化を挙げ、パルス印加など基板バイアスの印加方法を工夫すると述べています。同ロードマップのゲートエッチングの節では、低電子温度で中密度のプラズマが電子シェーディング効果によるチャージングダメージを抑えるとしています。
どこまで抑えられていますか？
住友精密工業は公式ページで、幅3マイクロメートル・深さ100マイクロメートルの条件で30パーセントのオーバーエッチを加えても、酸化膜界面のサイドエッチングを生じずにシリコンを深掘りできると述べています。同社装置での公表条件です。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- ボーイングとは ── 中腹が横へ広がる形状異常で、位置がアスペクト比で決まります
- シースとは ── イオンを垂直にそろえる層で、そのそろい方を崩すのが局所の帯電です
- バイアス電力とは ── 大きさだけでなく波形の側が、帯電の緩み方を決めます
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- SEAJ「2012年度版 半導体製造装置技術ロードマップ報告書 ウェーハプロセス」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── エッチストップ層界面でのノッチ発生と電子シェーディング効果による機構、パルス印加を含む基板バイアスの工夫、ゲートエッチングでの低電子温度・中密度プラズマとhigh-k導入時のチャージングダメージ、低中密度プラズマでのイオンエネルギー制御範囲、シリコン貫通ビアのビア径・深さ・アスペクト比・エッチング速度30から50マイクロメートル毎分・選択比100以上・テーパ角90度プラスマイナス1度、Bosch法のスキャロップ
- SEAJ「半導体製造装置用語集（ウェーハプロセス）」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 電子シェーディング効果の記述と、レジスト側壁が負・高アスペクト比パターン底部が正に帯電すること、電子シェーディングダメージによるゲート絶縁膜の静電破壊
- 電子情報通信学会 知識ベース「10群2編3章 半導体プロセス技術」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── チャージダメージがゲート酸化膜を破壊または信頼性を下げること、プラズマの不均一と電子シェーディング効果が原因であること、側壁角度89度でゲート長が7パーセント増えること
- 住友精密工業 MEMS∞「Si深掘り加工技術」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 幅3マイクロメートル・深さ100マイクロメートルで30パーセントのオーバーエッチ後も酸化膜界面のサイドエッチングを抑えること、深さ40マイクロメートルでの側壁粗さ16ナノメートル、200ミリメートルウェーハのエッジ3ミリメートルまで傾き0.1度以下、パラメータランピングによる幅5マイクロメートル・深さ200マイクロメートル・アスペクト比40の加工
- プラズマ核融合学会誌83巻4号 関根誠「プラズマエッチング装置技術開発の経緯、課題と展望」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── パルスプラズマ法が高周波電源を数十ミリ秒でオンオフ駆動して平均の電子温度を下げること、ガス解離の制御と帯電に起因するダメージ低減が検討されてきたこと