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単層エッチングは、原子層または分子層を一つずつ除去する化学処理技術です。半導体製造において、デバイスのサイズが10nm以下に縮小するにつれて、デバイス特性を精密に制御するために、この技術が用いられています。原子層エッチング（ALE）は個々の原子層を対象とし、分子層エッチング（MLE）は分子層を対象とします。分子層エッチングは、有機膜や無機・有機ハイブリッド膜などでよく用いられます。これらの自己限定的な手法により、ナノスケールの精度と滑らかな表面が得られます。
単層エッチングは、原子または分子レベルで材料を一層ずつ除去する技術です。半導体製造において、デバイスの特性を精密に制御するために、メーカーはこの技術を利用しています。原子層エッチング（ALE）は原子層を対象とし、分子層エッチング（MLE）は分子層を対象とします。分子層エッチングは、有機膜やハイブリッド膜などでよく用いられます。
ALEは、連続的で自己制限的な反応を利用します。サイクルは、表面改質とその後の除去から構成されます。改質では、表面を化学物質またはプラズマにさらし、それが最上層の原子層と反応して反応性種を形成します。除去では、低エネルギーイオンまたはその他の薬剤を使用して、改質された層を脱着します。このプロセスが繰り返され、エッチング深さはサイクル数によって決まります。シリコンの場合、塩素ガスまたはプラズマが表面を塩素化し、厚さ約0.5 nmの塩化ケイ素層を形成します。次に、約50 eVのアルゴンイオンが改質された層をスパッタリングします。プラズマアシストにより反応が加速され、低温処理が可能になります。1サイクルあたりのエッチング深さは通常0.7 nmに達し、滑らかで均一な表面が維持されます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
自己制限は飽和から生じます。最上層を覆った後に改質が停止し、除去は改質された部分のみに影響します。ステップ間の相乗効果により、単独露光中のエッチングが防止されます。方向性ALEは、高アスペクト比構造の異方性制御にイオンを使用します。等方性ALEは、すべての方向に均一にエッチングします。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
MLEは、アルコーン（アルミニウムベースのメタルコーン、すなわち有機無機ハイブリッド薄膜材料）などの分子層堆積（MLD）で成長させた膜の分子層にアプローチを適用します。[ 7 ]リチウム有機塩とトリメチルアルミニウムに順次曝露することで、これらのハイブリッド材料をエッチングします。リチウム塩はアルミニウム-酸素結合を切断し、トリメチルアルミニウムは表面をメチル化して揮発性生成物を生成します。エッチング速度は温度依存性を示し、160 °Cではサイクルあたり約0.4 nm、266 °Cではサイクルあたり約3.6 nmです。[ 8 ]
研究者たちは1980年代後半からALEの概念を探求し始めた。1988年の研究ではダイヤモンドエッチングが取り上げられた。1989年にはガリウムヒ素の二層エッチングが実証された。1990年代は、四フッ化炭素などを用いた反応性イオンエッチングの代替として、シリコンとIII-V族化合物の方向性ALEに焦点が当てられた。2000年代には、酸化物とIII-V族材料に重点が移った。10 nm以下のデバイス要件を満たすため、2010年頃に関心が急激に高まった。ラムリサーチは2013年に商用リアクター上でプラズマ支援シリコンALEを実証した。製造工場の評価は2014年に開始された。セマテックはその年にALEワークショップを開始した。[ 1 ]
MLEは後に開発された。金属コーン膜のエッチングに関する研究は2020年頃に現れた。[ 8 ]その後、分子層エッチングに関する関連特許が出現した。[ 9 ]
単層エッチングは、原子レベルの精度が要求される半導体製造をサポートします。ALEは、3Dロジックデバイスの形状を整形します。高アスペクト比構造の材料を最小限の損傷で除去します。二酸化ケイ素は、フッ素系アプローチを使用して窒化ケイ素上で選択的にエッチングされます。ガリウムヒ素やリン化インジウムなどのIII-V族材料は、塩素化または酸化後に除去することで化学量論を維持します。 [ 1 ]銅などの金属は、塩素化と水素プラズマ除去を受けます。グラフェンなどの2次元材料は、酸素プラズマと中性ビームを使用します。この技術は、10 nm以下のノードでの相互接続と新素材に役立ちます。[ 1 ]
MLEはMLDでコーティングされたナノスケールデバイスの形状を制御します。これにより、微細構造のためのハイブリッド薄膜の精密なパターニングが可能になります。[ 8 ]
ALEは、熱またはプラズマ強化反応を使用して原子層堆積の原理を逆転させます。[ 6 ]プラズマはラジカルを生成し、方向性エッチングを可能にします。1サイクルあたりのエッチング量はオングストロームスケールに達します。コバルトの熱ドライエッチングは、塩素とジケトンの連続的な曝露を使用します。[ 10 ]
MLEの研究では、自己制限的でハロゲンフリーのプロセスが重視されている。水晶振動子マイクロバランスと赤外分光法によってメカニズムが検証される。[ 8 ]
レビューでは、100件以上の研究で20種類以上の材料に対するALEが文書化されている。[ 1 ]