ハロゲンフリーで酸化ハフニウムの異方性原子層エッチングに成功：研究開発の最前線

名古屋大学は、ハロゲンフリーのプラズマプロセスで、酸化ハフニウムの異方性原子層エッチングに成功した。難エッチング材料の酸化ハフニウムを原子レベルで微細に加工、制御可能になる。

[MONOist]

　名古屋大学は2025年8月19日、ハロゲンフリーのプラズマプロセスで、酸化ハフニウム（HfO₂）の異方性原子層エッチング（Atomic Layer Etching：ALE）に成功したと発表した。明志科技大学との共同研究によるもので、HfO₂を原子レベルで微細に加工し、制御可能になる。

　強誘電性のHfO₂は、超微細トランジスターのゲート絶縁膜として広く使用され、次世代の非揮発強誘電体メモリへの応用が期待される材料だ。しかし、HfとOの結合エネルギーが高く、ハロゲン化合物の揮発性が低いため、難エッチング材料とされている。

　今回の研究では、低圧高密度プラズマ生成装置を用いて、窒素プラズマと酸素プラズマを交互に照射することで、室温でHfO₂のALEに成功した。具体的には、HfO₂膜表面の酸素原子（O）を窒素原子（N）に置換し、窒化ハフニウム（HfN₄）の表面層を形成。これを酸素プラズマ照射すると、室温で揮発性の高い反応生成物となり、除去できる。

酸化ハフニウムのALEの概念［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　また、独自開発のリアルタイム表面構造分析装置を用いて、反応生成物の構造解明と反応モデルの構築を実施。さらに、窒素イオンのエネルギー低く制御したところ、ALE処理前よりも表面の粗さが低下した。

酸化ハフニウムのALEプロセス処理の膜厚変化と表面反応モデル。中央のグラフは、エッジプロセス時間（横軸）経過に伴う膜厚（縦軸）の変化［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

原子間力顕微鏡による表面粗さ。（a）ALE前、（b）ALE後［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　フッ素や塩素などのハロゲンを使用しないハロゲンフリーのプラズマにより、HfO₂の実用的な微細加工技術を確立できたことは、次世代半導体デバイスの実用化に向けた重要な布石となる。有害なエッチングガスを使用しないため、SDGs（持続可能な開発目標）の達成にも貢献する。

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