ウエハの成膜工程　成膜工程とは何か？様々な機能をもつ薄膜を形成する理由は？

この記事で分かること

ウエハの成膜工程

　半導体が重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回は成膜工程についての解説となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

成膜工程とは

　半導体の前工程における成膜とは、シリコンウェーハの表面に、様々な薄い膜を形成する重要な工程です。

　これらの薄膜は、後の工程で回路パターンを形成するための土台となったり、電気的な特性（絶縁性、導電性、半導体性など）をウェーハに与えたりする役割を担います。

　半導体デバイスは、トランジスタや配線、絶縁層など、異なる機能を持つ複数の薄膜が積み重なって構成されています。成膜工程は、これらの層を一つ一つ、原子レベルの精度で形成していくために不可欠です。

成膜の主な目的

• 絶縁膜の形成: デバイス内の異なる部分を電気的に絶縁します（例：酸化シリコン膜）。
• 導電膜の形成: 配線や電極となる金属膜を形成します（例：アルミニウム、銅）。
• 半導体膜の形成: トランジスタのチャネルとなるシリコン膜などを形成します（例：ポリシリコン膜）。
• 保護膜の形成: 完成した回路を外部環境から保護する膜を形成します（例：窒化シリコン膜）。

異なる機能を持つ複数の薄膜を積み重ねる理由は何か

　異なる機能を持つ複数の薄膜をシリコンウェーハ上に積み重ねるのは、現代の高度な半導体デバイス（集積回路）が、単一の材料や構造だけでは実現できない複雑な電気的機能を発揮するためです。

　それぞれの薄膜が特定の役割を担い、それらが相互に連携することで、トランジスタとしてのスイッチング機能、配線としての信号伝達機能、絶縁体としての電気的分離機能などを実現しています。

トランジスタの形成

• トランジスタは、半導体デバイスの基本的なスイッチング素子です。これを作るためには、少なくとも半導体層（チャネル）、絶縁層（ゲート絶縁膜）、導電層（ゲート電極、ソース・ドレイン電極）といった異なる機能を持つ薄膜を精密に積層する必要があります。
• 半導体層で電流の流れを制御し、絶縁層でゲート電極からの電界を効率的に伝え、導電層で電気信号を供給・出力します。

配線の形成

• 集積回路内には、数百万から数十億ものトランジスタが存在し、それらを電気的に接続する必要があります。この役割を担うのが導電膜（金属膜）です。
• 複数の配線層を異なる高さに形成し、絶縁膜（層間絶縁膜）で層間を絶縁することで、複雑な配線ネットワークを効率的に実現します。これにより、信号が意図した経路を通って各素子に伝達されます。

絶縁と分離

• デバイス内の異なる素子や配線間を電気的に絶縁することで、意図しない電流の流れ（リーク電流）を防ぎ、デバイスが正常に動作するようにします。絶縁膜（酸化シリコン、窒化シリコンなど）がこの役割を果たします。

保護

• 完成した微細な回路を、外部の環境要因（水分、不純物、物理的な衝撃など）から保護するために、保護膜（パッシベーション膜）が最上層に形成されます。

特性の最適化

• デバイスの性能を向上させるために、特定の機能に特化した薄膜材料が用いられます。例えば、低抵抗の配線材料、高誘電率の絶縁膜、キャリア移動度の高い半導体材料などが、それぞれの層に最適化されて積層されます。

酸化膜はなぜ絶縁膜となるのか

　酸化膜、特に半導体製造でよく用いられる酸化シリコン（SiO₂）膜が絶縁膜となる主な理由は、その電気伝導性の低さにあります。これは、SiO₂の原子構造と化学結合に起因します。

強い共有結合

• シリコン原子（Si）と酸素原子（O）は、強い共有結合によって結びついています。この共有結合は非常に安定しており、外部からの電界や熱エネルギーによって容易に切断されることはありません。
• 電気伝導を担う自由電子は、原子間の結合が弱く、わずかなエネルギーで移動できる場合に存在します。SiO₂の強固な共有結合は、自由電子の生成を非常に抑制します。

価電子帯と伝導帯の大きなエネルギーギャップ

• 物質の電気伝導性を理解する上で重要な概念が、価電子帯と伝導帯です。価電子帯は電子が通常存在するエネルギー帯であり、伝導帯は電子が自由に移動して電流を流すことができるエネルギー帯です。
• 絶縁体では、この二つのエネルギー帯の間に大きなエネルギーギャップが存在します。電子が価電子帯から伝導帯に遷移するためには、この大きなエネルギーギャップを飛び越えるだけのエネルギーが必要となります。
• 酸化シリコンのエネルギーギャップは約9 eV（電子ボルト）と非常に大きく、室温程度のエネルギーでは電子が伝導帯に遷移することがほとんどありません。そのため、電流が流れにくいのです。

イオン結合の性質も持つ

• Si-O結合は完全な共有結合ではなく、部分的にイオン結合の性質も持っています。酸素原子は電気陰性度がシリコン原子よりも高いため、結合電子を強く引きつけ、酸素原子がわずかに負の電荷を、シリコン原子がわずかに正の電荷を帯びます。
• この電荷の偏りによって、内部に強い静電場が生じ、外部からの電界による自由電子の移動を妨げる効果もあります。

結晶構造の安定性

• アモルファス（非晶質）または結晶質の酸化シリコン膜は、その構造が安定しており、欠陥が少ない場合、電子の移動を妨げる要因が少なくなります。欠陥が多いと、その部分が電荷のトラップとなり、わずかながら電流が流れる可能性が出てきますが、高品質な酸化膜は欠陥が抑制されています。