回路は光で“描いた”あと、プラズマで“彫って”いた——幅の60倍も深い穴を垂直に開けるエッチング

エッチングとは何か

エッチングとは、レジストに覆われていない部分の膜を削り取り、回路パターンを膜そのものに彫り込む工程です。ここまでのシリーズで、ウェハーの上には酸化膜や配線材料の膜が付き（成膜）、その上のレジストに回路の設計図が焼き付けられました（リソグラフィ）。しかし膜自体はまだ一面ベタのまま、どこも削られていません。そもそも半導体とは何かから知りたい場合は「「半導体とは何か」」が入口です。

版画を思い浮かべてください。板に下絵を写しただけでは、インクを乗せても絵は刷れません。下絵に沿って彫刻刀で彫り、残す所と削る所を分けて初めて「版」になります。

半導体ではレジストが下絵、エッチングが彫刻刀です。彫り終えて型を外せば、膜に刻まれた回路の形だけが残ります。

つまり、成膜で「つけて」、リソグラフィで「描いて」、エッチングで「彫る」。この3点セットを何十回も繰り返して、半導体の多層回路は積み上がっていきます。装置の視点から見たエッチングは「「削って回路を刻む。エッチング装置で世界首位のLam Research」」でも扱っています。

ウェットとドライは何が違うのか

彫り方には大きく2つあります。アイアール技術者教育研究所の工程解説を手がかりに整理すると、違いは「何で削るか」と「どの方向に削れるか」です。

ウェットエッチングは、膜を溶かす薬液にウェハーをひたす方法です。装置が簡単で、何十枚もまとめて処理できるため安くて速い。ただし薬液は液体なので、開いた穴の中であらゆる方向へ均等に溶かします。

これを等方性（とうほうせい）と呼びます。真下だけでなく横にも溶けるため、レジストのふちの下まで丸くえぐれる「アンダーカット」が起き、彫り上がりは型より一回り太ってしまいます。回路が数nm〜数十nmまで細くなった現在、この誤差は致命的です。

そこで主流になったのがドライエッチングです。薬液の代わりに、反応しやすいガスをプラズマ——電気のエネルギーでガスの分子がイオン（電気を帯びた粒）などに分解された状態——に変え、そのイオンを電気の力でウェハーへ垂直に加速してぶつけます。

粒が真上からだけ降ってくるので、削れる方向も真下だけ。壁が垂直に立った溝や穴を、型どおりの寸法で彫れます。これが異方性（いほうせい）です。

なぜプラズマなら「まっすぐ深く」彫れるのか

言葉だけでは違いが伝わりにくいので、断面の3Dモデルで見比べてください。方式Aと方式Bは順番に行う手順ではなく、狙う形に応じてどちらか一方を選ぶ関係です。

ウェット（方式A）では薬液が型の下まで丸く回り込むのに対し、ドライ（方式B）ではイオンの粒が垂直に降り、開口部の真下だけが掘り進みます。ドライエッチングの巧妙なところは、イオンの物理的な「衝突」とガスの化学的な「反応」の合わせ技になっている点です。化学反応だけなら等方的に進んでしまいますが、垂直に打ち込まれるイオンが穴の底だけを叩き続けるため、底では削りが速く、壁ではほとんど進みません。さらに彫っている最中に壁へ保護膜を付けながら進む工夫もあり、深く彫っても壁が崩れない仕組みになっています。

3D NANDの穴は、どれくらい「異常」なのか

この垂直に彫る技術が極限まで試されるのが、スマホやSSDに入る3D NANDです。3D NANDは記憶素子を数百層も積み上げ、その全層を貫く「チャネルホール」という穴を開けて縦につなぎます。

首位メーカーLam Researchの技術解説によると、この穴は直径約100nm・深さ5〜6μmで、深さ対幅の比（アスペクト比）は50〜60倍。先端品では100倍を超えます。直径1mの井戸を、壁を垂直に保ったまま深さ100mまで掘るような比率の穴を、1枚のウェハーに何十億個、すべて同じ形で開けるわけです。

ここで登場したのが、ウェハーを氷点下まで冷やして彫る「クライオ（極低温）エッチング」です。Lam Researchは2019年に量産適用し、従来比2.5倍のエッチング速度と2倍のプロファイル精度を実現しました。追う東京エレクトロンも、400層超に対応し、速度2.5倍・消費電力40%以上減を掲げるクライオエッチング技術を発表し、アスペクト比100倍の工程を組み合わせて将来は200倍を目指すとしています。積層数の競争は、そのまま「どれだけ深く垂直に彫れるか」の競争です。

エッチング装置は誰が握っているのか

エッチング装置の世界市場は2024年に約200億ドルで、Lam Research・東京エレクトロン・Applied Materialsの上位3社が約9割を占める寡占市場です（調査会社集計）。

首位のLam Researchは、エッチングと成膜に絞って世界上位に立った専業型の装置メーカーです。FY2025（2025年6月期）の売上は約184億ドルで、NAND向けがシステム売上の27%を占めます。3D NANDの深穴加工はほぼ独壇場です。詳しくは「「半導体を“削る・盛る”ことに特化して世界上位に立った会社」」で分析しています。

2位の東京エレクトロンは塗布・現像からエッチング・成膜まで前工程を幅広く手がける日本の装置最大手です。クライオエッチングで首位を追っており、詳しくは「「半導体の“塗って・削って・盛る”工程は、この日本企業が握っている」」で解説しています。3位のApplied Materialsは露光以外ほぼ全工程を手がける世界最大の装置メーカーです（「「半導体装置の“何でも屋”にして世界最大。露光以外はほぼ手がける」」参照）。

注目株は中国のAMEC（中微公司）です。Applied Materials元幹部のGerald Yin氏が創業したエッチング専業メーカーで、5nm対応品を開発済み、2024年売上は約82億元。米中の輸出規制で先端装置を買えなくなった中国が、国産化の切り札として育てている会社です。

彫り上がったウェハーには、役目を終えたレジストがまだ残っています。次回は、このレジストを取り除き、ウェハーを徹底的に洗う「除去・洗浄」の工程を歩きます。