クライオジェニックエッチング - 東京エレクトロンが挑む、半導体製造装置の「デジタル＆グリーン化」

さまざまな産業が発展するために今後も欠かせない、半導体の進化。いまそれを支えているのは「大容量・高速・高信頼性・低消費電力」を叶える「3D NAND型フラッシュメモリ」です。

東京エレクトロン（以下：TEL）では、3D NAND型フラッシュメモリの加工において、高アスペクト比のエッチングを実現する新技術「クライオジェニックエッチング」を開発。生産性を上げるだけでなく、CO₂排出量を従来比で8割以上も抑えられるその技術は、これからの産業発展に大きな貢献が期待されています。

本記事では、半導体市場を取り巻く現状や求められる技術革新、クライオジェニックエッチングのメリットについて解説します。

テクノロジー発展の「カギ」を握るのは、半導体の進化

めまぐるしい進化を遂げていく昨今のテクノロジー。パソコンやスマートフォン、自動車、IoT家電など、便利なデジタル機器は枚挙にいとまがありません。

そうしたインターネットサービスやプラットフォームの成長をけん引してきたのは、絶え間ない半導体の進化です。半導体は「産業のコメ」とまで呼ばれ、多数の産業や世界経済を支える重要な役割を担ってきました。

膨大な量のデータを高速処理できるコンピュータ技術の発展は、まさに半導体がもたらした成果でしょう。その傾向は、さらに増すばかり。ChatGPTに代表される生成AI、オンデバイスAI、バーチャルリアリティに自動運転……今後の社会を動かしていくであろう多様なサービスにも、すでに半導体は大きな貢献を果たしています。

このような流れを受けて、半導体市場は2030年に1兆ドル規模まで拡大する見込みです。トランジスタの登場から75年以上をかけてじわじわと成長してきた現在の市場と同等の市場が、もう1つ立ち上がるほどの急成長を意味しています。

この状況は、TELにとっても、技術革新を通じて社会に貢献できる大きな機会です。そのマイルストーンとして掲げている中期経営計画の達成とさらなる成長に向けて、今後5年間で1兆5,000億円以上の研究開発投資や7,000億円以上の設備投資を予定しています。

一方で、社会全体のデジタルシフトが進む中、現在のペースで消費電力が増え続けると、20～30年後には世界的な電力不足に陥る可能性も否めません。グローバル規模でデジタル化とグリーン化を両立しながら、「大容量・高速・高信頼性・低消費電力」の条件を満たす半導体を開発することは、産業発展を維持していくために欠かせない課題でした。

半導体の大容量化・高速化を叶える「3D NAND」の登場

スマートフォンなどの身の回りの電子機器のみならず、データセンターなどにおいて大量に使用されているのが、データを保存するために用いられる「NAND型フラッシュメモリ」と呼ばれる半導体です。当初は記憶素子を平面方向に配置する構造でした。その後、大容量等の要求にこたえるため微細化が進められてきましたが、その限界を迎え、新しく発明されたのが記憶素子を垂直方向に積み上げる3D NANDです。

3D NANDはとても画期的な構造で、積層数を増やすことで、デバイスあたりの記憶密度をアップすることができます。しかし、積層数を増やした分、製造コストが増加するという課題も顕在化してきました。そこで求められているのが、短時間で生産性高く、高アスペクト比^*のコンタクトホールを加工するエッチング技術です。例えば、今まで3回に分けて加工していたものを2回に減らすことができれば、そのぶん製造コストを抑制できます。

• アスペクト比: ウェーハ上に形成されたパターンの深さと幅の比

3D NANDが求める高アスペクト比のエッチング技術。東京ドームの大きさの場所に、髪の毛の太さほどの深さ8mmの穴を、33分で約2兆個、同時に、均一に開けるような技術です。

こうした潮流を踏まえ、TELが新たな技術の開発に着手したのは2014年ごろのこと。そして2023年、積層化が進む3D NANDにおいて、400層を超える積層構造にコンタクトホールを形成するための「クライオジェニックエッチング」技術をリリースしました。

3D NANDの進化を支え、未来をつくる東京エレクトロンの新技術

TELが提供する「クライオジェニックエッチング」は、マイナス数十度にも至る極低温のプロセスで、機械学習による最適化もおこないながら、高速のエッチングを実現する新技術です。

高アスペクト比のエッチングをおこなうときには、加工に使うプラズマのエネルギーでウェーハが熱くなりすぎないよう、機械の中に低温のブライン（不凍液）を流しています。現行機のブラインの温度は0度から用途によっては高いもので80度となります。しかし、クライオジェニックエッチング技術では、マイナス数十度にも達する極低温のブラインが流せるため、プロセス中のウェーハ温度をこれまでよりもずっと低く保つことが可能です。これにより、深さ10µm以上の穴を、従来比2.5倍の速度でまっすぐにエッチング加工できるようになりました。また、高速のエッチングレートが維持されるため、従来に比べて40％以上の低消費電力化も実現します。

クライオジェニックエッチングのもう1つの大きな特徴は、CF系（フロロカーボン系）のガスを使わずにエッチングを実現することです。

これまで高アスペクト比のエッチング加工をおこなう際には、炭素とフッ素を含むCF系ガスが一般的に使われてきました。ただし、そこで使用する主なガスはGWP（温暖化係数）が高いものが多い点が課題。特に、主に使われているC4F8やCF3などのガスはその影響が大きく、全世界的に別のエネルギーに代替しようという流れが生まれています。

極低温のクライオジェニックエッチングでは、CF系ガスではなくHFガス（フッ化水素ガス）の利用が可能。今では91％のCF系ガスをHFガスに置き換えることに成功しており、クライオジェニックエッチング第一世代機と比べ、80％以上のカーボンフットプリント削減を果たしています。それでいて、加工の性能は同等以上です。デジタル化とグリーン化を両立していくために、欠かせない特長だといえるでしょう。

TELがこうした新技術を獲得した背景には、開発に対して投資を継続し、挑戦し続ける社風があります。一人ひとりのエンジニアも、数多くの試行錯誤を重ねながら、決してあきらめずに歩みを重ねてきました。10年がかりの新技術誕生は、チャレンジを奨励する環境における「粘り勝ち」の結晶なのです。

高速かつ低電力でデバイスを生産できるクライオジェニックエッチング技術は、半導体のさらなる進化をもたらし、社会のデジタルシフトを後押しすることでしょう。すでに現場採用に向けた評価が進んでおり、2025年からは少量生産、2026年からは量産を予定しています^*。学会での発表を経て、3D NAND以外のデバイスにも適用したいというお客さまからの要望も増えてきました。本技術は、エッチングが必要なすべてのデバイスに貢献できる、大きな可能性を秘めているのです。

• 2024年8月時点

さらなるデジタル＆グリーン化のために

TELのコーポレートメッセージは「Technology Enabling Life」。世界的な企業が次々に「ゼロ・エミッション」を掲げる中、そのブレーンとしてデバイスを生産するメーカーにとっても、環境性能アップは見過ごせないポイントです。市場拡大が続く半導体のエッチング領域はTELの成長をリードしていくセグメントでもあり、ここでのパフォーマンスが、当社の評価にも直結するといえるでしょう。

社会のさらなるデジタル化とグリーン化に向けて、今回取り上げたクライオジェニックエッチング技術は、次のステップに踏み出しています。現状はアスペクト比1：100の工程を複数組み合わせてより微細な加工を施していますが、これから目指していくのは工程を分割せず、一度に1：200のエッチングができる環境です。この目標が実現すれば、生産性や消費電力を取り巻く状況がさらなる好転を見せるでしょう。

グリーン化の観点では、機械内の循環液に使われるPFAS（有機フッ素化合物）や冷凍機のフロンなどは、今後置き換えを進めていかなければならない素材です。低温で安定した工程を保ちつつ、環境にも優しい技術を開発することは、一朝一夕で成し遂げられるものではありません。だからこそTELは努力を積み重ね、お客さまに価値として提供できるように、日々の研究を続けていくのです。