SCD（SemiConductor Devices）は、高度な赤外線検出器およびシステムの設計・製造における世界的リーダーであり、電気光学ソリューションにおける最先端技術と革新性で高く評価されています。急成長を続けるSCDは、競争力を維持するために新製品をいち早く発表することが不可欠であるため、開発期間の短縮が求められる環境で事業を展開しています。こうした要求に応えるため、SCDは実験計画法（DOE）などの革新的なアプローチを採用し、プロセス最適化と製品開発を加速させています。
本研究では、2段階反応性イオンエッチング（RIE）プロセスで製造されたデバイスの性能向上に、DOEを柔軟に適用できることを実証します。当初はJMP DOEを用いて一連の実験を計画していましたが、プロセス挙動に関する初期の知見から、設計空間の調整が必要であることが示されました。DOEの進展に伴い、その根底にあるメカニズムへの理解が深まり、プロセス化学の改良に至りました。
本研究は、DOEアプローチにおける柔軟性の重要性を強調し、現実世界の実験では実験計画の進化が必要となる場合があることを示しています。最終的に、本研究は、DOEが必ずしも最終的な予測モデルを生み出すとは限らないものの、プロセスメカニズムに関する貴重な知見をもたらし、より良い意思決定とプロセス制御に貢献できることを強調しています。
こんにちは。ガイ・バースタインです。SCDのプロセス開発グループで研究開発エンジニアを務めています。SCDは赤外線検出器の製造を専門としており、製造プロセスにおける重要な工程の一つに反応性イオンエッチング（RIE）があります。
RIEには、デバイスの性能に影響を与える可能性のあるパラメータが数多くあります。ICPやRFの出力、温度、エッチング時間など、他にも多くのパラメータがあります。赤外線検出器の重要な特性の一つは暗電流です。
本研究では、暗電流を低減し性能を向上させるためにRIEパラメータの最適化に重点を置きました。RIEプロセスは2つのステップから構成されています。これまでの知識と経験に基づき、DOEをステージ1とステージ2のエッチング時間という2つの要素に絞り込みました。DOEは9枚のウェーハに制限され、非線形応答の試験も求められました。
まず、JMP のカスタム DOE 設計プラットフォームで設計空間を作成し、その後、手動でニーズに合わせて変更しました。
2つの連続因子と3つの水準から、因子の水準が高い場合と低い場合、そしてその組み合わせが角で実験されていることがわかります。4つの中間点と1つの中心点があります。
しかし、第1ステージが短すぎて第2ステージが長すぎると、暗電流が増加する可能性が高くなることが分かっています。そこで、左上隅の実験を別の中心点として利用することにしました。
応答特性については、当社のウェハからテストデバイスを作製しました。そして、その暗電流を測定し、各テストデバイスの特性を表すIV曲線を作成しました。ここで注目するのは、プラトーと呼ばれる安定領域における暗電流の値です。この領域では、暗電流は大きく変化しません。私たちの目標は、このプラトーにおける暗電流値を可能な限り低くし、プラトーを可能な限り長くすることです。
DOE を完了した後、DOE から得られる最良の条件で実際の赤外線検出器を作成できる 3 枚のウェハを用意する検証段階を計画しました。
私たちは実験を開始し、最初の結果では、第 2 段階の 15 分間の実験では暗電流が 10 分間の実験よりも大幅に高かったことがわかりました。
この時点で、当初の計画である20分間の実験を続けるのではなく、エッチング時間のより短い範囲を探索することにしました。ここで、新たな情報によって設計空間がどのように進化したかを確認できます。実験を継続し、より多くの結果を得ることで、この時点で、各要因が私たちの反応にどのように影響するかを確認することができました。
第一段階では、プラトーが最も長くなる最適な時間があることがわかります。しかし、第二段階では、エッチング時間を短縮するにつれて、暗電流が減少し続けていることがわかります。
しかし、この段階を完全に排除することはできないため、このエッチング段階が暗電流にどのような影響を与えるかをより深く検討する必要がありました。そして、エッチングの性質を変える必要があるという結論に至りました。
RIEでは、同時に2つの要素が存在します。パラメータを変化させ調整することで、エッチングをどちらか一方に傾けることができます。化学エッチング要素では、プラズマから発生したラジカルが基板に到達します。ラジカルは基板表面で反応し、生成物は蒸発してチャンバーから排出されます。一方、物理エッチング要素では、イオンが基板に向かって加速され、この衝撃によってエッチングが進行します。
そのため、私たちの場合は、化学的な要素よりも物理的なエッチングに重点を置くことにしました。この段階で、DOEからもう1枚のウエハが残っていたので、それを用いて上記の条件下でテストデバイスを作成しました。実際、このテストデバイスでは、DOE全体を通して最高の結果が得られました。
検証段階に移ります。第1段階では、最適なエッチング時間を採用することにしました。第2段階では、3枚のウェーハを使用し、1枚目は10分、2枚目は5分、そして3枚目は新しい条件でより物理的なエッチングを施しました。第2段階のエッチング時間を短縮することで暗電流が減少する様子が分かります。しかし、新しい条件でより物理的なエッチングを施すことで、暗電流がさらに減少することがわかります。
結論として、本研究を通して、DOEにおける適切な因子とその水準を選択するには、エンジニアリングの経験と知識が非常に重要であることがわかりました。また、新しい情報が得られれば、柔軟に対応し、計画を変更する用意も必要です。DOEは、プロセスの最適化だけでなく、知識を増やし、プロセスへの理解を深めるための強力なツールであることもわかりました。最後に、あらゆるDOEや実験の焦点は、単にデータをプロットに当てはめるのではなく、より深い理解を得ることにあるべきです。
これらの実験の実施にご協力いただいた同僚の皆様、そして本研究の発表を許可してくださったSCDに感謝申し上げます。ご質問等ございましたら、会議場でお気軽にお尋ねください。ありがとうございます。
