熱拡散法とは何か？どのような装置が使用されるのか？

この記事で分かること

熱拡散法

　半導体の重要性が増す中で、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。

　今回はドーピング工程の一つである熱拡散法についての記事となります。

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。

熱拡散法とはなにか　　

　熱拡散法は、古くから使われているドーピング方法で、高温の環境下でドーパント（不純物）を半導体材料（主にシリコンウェハー）中に拡散させる方法です。

• 用途: 比較的厚い層のドーピングや、比較的広い面積へのドーピング、古い世代の半導体デバイスの製造などに用いられます。
• 原理: 半導体ウェハーを高温（通常、900℃～1200℃）の炉に入れ、ドーパントを含むガス（例：リンの場合はPH₃、ホウ素の場合はB₂H₆）や固体、液体をウェハー表面に接触させます。高温によってドーパント原子の熱運動が活発になり、シリコンの結晶格子中に原子が入り込み、濃度勾配に従って内部へ拡散していきます。

特徴

• 大面積へのドーピング: 大量のウェハーを一度に処理できるため、大量生産に適しています。
• コスト効率: 装置が比較的シンプルで、運用コストも低い傾向にあります。
• 制御性: ドーピングの深さや濃度の制御は、イオン注入法に比べて劣ります。濃度は表面から深くなるにつれて徐々に減少するプロファイルになります。
• 熱ダメージ: 高温プロセスであるため、ウェハーに熱的なダメージを与える可能性があります。また、すでに形成された微細な構造が熱によって変形するリスクもあります。
• 選択性: マスクを用いて特定の領域のみにドーピングを行うことも可能ですが、マスクの下にもドーパントが横方向に拡散してしまう「横方向拡散」が生じやすく、微細なパターン形成には不向きです。

熱拡散法はどんな装置が使われるのか

　半導体の熱拡散法で主に使われる装置は、その名の通り「拡散炉（Diffusion Furnace）」と呼ばれるものです。

　拡散炉は、半導体ウェハーを高温に加熱し、その中でドーパント（不純物）をウェハー表面から内部に拡散させるための装置です。その主要な構成要素と仕組みは以下の通りです。

拡散炉の主要な構成要素

1. 炉室（プロセスチューブ）:
   • 半導体ウェハーを収容するチャンバーです。通常、石英（クォーツ）製のチューブが用いられます。石英は高温に耐え、化学的に安定しているため、半導体プロセスに適しています。
   • このチューブの中に、ウェハーを立てて置くための「ボート」と呼ばれる石英製の治具が挿入されます。
2. 発熱体（ヒーター）:
   • 炉室全体を均一に加熱するためのヒーターです。抵抗加熱方式が一般的で、炉室の外側にらせん状に配置され、非常に高温（通常900℃～1200℃、時にはそれ以上）まで昇温させます。
   • 炉内の温度分布を均一に保つことが非常に重要で、複数のゾーンに分けて温度制御を行うこともあります。
3. ガス導入・排出機構:
   • ドーパントを含むガス（例：リンの場合はPH₃、ホウ素の場合はB₂H₆など）を炉室内に供給するためのシステムです。
   • キャリアガス（通常は窒素や酸素など）を用いてドーパントガスを炉内に運び、反応後のガスを排出する機構も備えています。
   • ガスの流量や混合比を精密に制御することで、ドーパントの供給量を調整します。
4. 温度制御システム:
   • 炉内の温度を正確に監視し、設定された温度に維持するためのシステムです。PID制御などが用いられ、プロセスの均一性と再現性を確保します。
5. 真空システム（オプション）:
   • プロセスの種類によっては、炉内を真空または減圧状態に保つための真空ポンプなどが組み込まれることもあります。これは、不純物の混入を防ぎ、より均一な拡散を促進するためです。
6. 制御システム:
   • 炉全体の動作（温度、ガス流量、プロセス時間、ウェハーの出し入れなど）を自動で管理するコンピュータ制御システムです。

拡散炉の種類

　拡散炉には、ウェハーの挿入方向によって主に2つのタイプがあります。

• 横型拡散炉:
  • 初期の拡散炉で主流でした。石英管が水平に設置され、ウェハーを立てたボートを水平に挿入・引き出す方式です。
  • メリットは構造が比較的シンプルであることですが、大口径ウェハーでは炉内の温度均一性が課題となることや、ウェハーの出し入れ時にパーティクル（ごみ）が発生しやすいという課題がありました。
• 縦型拡散炉:
  • 現代の半導体製造で主流となっているタイプです。石英管が垂直に設置され、ウェハーを積載したボートを上から（または下から）垂直に挿入・引き出す方式です。
  • ウェハーを垂直に配置することで、炉内の温度分布が均一になりやすく、大口径ウェハーへの対応や、パーティクルの発生を抑えることが可能です。また、設置スペースも有効活用できます。

　拡散炉は、ドーピングだけでなく、シリコンウェハーの酸化膜形成（熱酸化）や、その後のアニーリング（熱処理）など、様々な高温プロセスにも利用される多機能な装置です。

どのような企業が拡散炉で有名か

　拡散炉は半導体製造の基盤となる装置であり、多くの企業が製造・供給しています。特に、以下の企業が拡散炉の分野で有名です。

主要な拡散炉メーカー（熱処理装置全般を含む）:

• 東京エレクトロン（Tokyo Electron Ltd. / TEL）:
  • 日本の半導体製造装置大手であり、拡散炉を含む様々な熱処理装置を提供しています。長年にわたり半導体産業を支えてきた実績があり、特に縦型拡散炉で高いシェアを持っています。関連会社を通じて拡散炉の製造も行っています。
• KOKUSAI ELECTRIC（国際電気）:
  • 日本の半導体製造装置メーカーで、縦型拡散炉、LPCVD装置（低圧化学気相成長装置）などで高い技術力と実績を誇ります。熱処理装置の分野では世界的に主要なプレイヤーの一つです。
• ASM International:
  • オランダに本社を置く半導体製造装置メーカーで、特に薄膜形成技術に強みを持っていますが、縦型炉も提供しており、拡散や酸化プロセスにも対応しています。
• JTEKT Thermo Systems (ジェイテクトサーモシステム):
  • 日本の企業で、半導体製造向けの熱処理装置を幅広く手掛けています。拡散炉やアニーリング炉など、様々なニーズに対応した装置を提供しています。
• Thermco Systems:
  • イギリスに本社を置く企業で、水平型および縦型拡散炉、LPCVD炉などを製造しています。長年の経験と実績があります。
• 大倉電気（Ohkura Electric Co., Ltd.）:
  • 日本の企業で、横型および縦型拡散炉システムを提供しています。

　これらの企業は、半導体製造プロセスの進化に対応するため、より精密な温度制御、高スループット、省スペース化などを実現する拡散炉の開発を続けています。

熱拡散に使われるガスにもとめられる特性はなにか

　熱拡散法において使用されるガス（ドーパントガス、キャリアガス、雰囲気ガスなど）には、プロセスの成功と半導体デバイスの品質確保のために、いくつかの重要な特性が求められます。

1. ドーパントガス（不純物源となるガス）に求められる特性

• 適切な分解温度: 半導体ウェハーの拡散温度（通常900℃～1200℃）で安定的に分解し、ドーパント原子を放出できる必要があります。分解温度が低すぎると制御が難しく、高すぎると拡散が効率的に行われません。
• 高純度であること: 半導体デバイスの性能に悪影響を与える他の不純物（特に金属汚染源）が極めて少ないことが必須です。微量でも不純物が混入すると、デバイス特性が劣化したり、欠陥の原因となります。
• 揮発性（蒸気圧）が高いこと: ガスの状態で安定供給できることが重要です。液体や固体から蒸発させて使用する場合でも、十分な蒸気圧が必要です。
• 反応性（選択性）: ウェハー表面で目的のドーパント原子が効率的にシリコンと反応し、結晶格子内に取り込まれる必要があります。同時に、不必要な副反応（例：不純物粒子の生成）は避けるべきです。
• 安全性と取り扱いやすさ:
  • 毒性、腐食性、可燃性などが低いことが望ましいですが、ドーパントガスは毒性を持つもの（例：PH₃、B₂H₆、AsH₃）が多いため、厳重な安全対策と管理が求められます。
  • 貯蔵、輸送、供給システムにおいて安定して取り扱えること。

代表的なドーパントガス:

• N型ドーピング: ホスフィン (PH₃)、アルシン (AsH₃)
• P型ドーピング: ジボラン (B₂H₆)

2. キャリアガス（ドーパントガスを運ぶガス）に求められる特性

• 不活性であること: ドーパントガスやウェハーと反応しないことが重要です。反応してしまうと、不純物が生成されたり、ドーピング効率が低下したりします。
• 高純度であること: ドーパントガスと同様に、不純物を含まないことが必須です。
• 安定供給性: プロセス中に安定した流量で供給できる必要があります。

代表的なキャリアガス:

• 窒素 (N₂)
• 酸素 (O₂) (酸化プロセスを兼ねる場合や、特定の反応を促進する場合に使用)

3. 雰囲気ガス（炉内の環境を制御するガス）に求められる特性

• 不活性または特定の反応性: ドーピングプロセス自体を阻害しない不活性ガス（N₂）が一般的ですが、酸化膜形成を伴う拡散では酸素（O₂）が用いられることもあります。
• 高純度であること: プロセスへの悪影響を防ぐため、非常に高い純度が求められます。

　これらのガスの特性は、ドーピングの均一性、深さ、濃度プロファイルの制御、そして最終的な半導体デバイスの性能と信頼性に直接影響を与えます。そのため、ガスメーカーは半導体製造プロセス向けに、極めて高純度で安定した特性を持つ特殊ガスを供給しています。

熱拡散に使われるガスのメーカーはどこか

　熱拡散に使われるガス、特にドーパントガスや高純度キャリアガス、雰囲気ガスは、産業ガスメーカーが主要な供給元となります。これらのメーカーは、半導体製造プロセスに求められる極めて高い純度と安定性を持つ特殊ガスを提供しています。

　主なメーカーとしては、以下の企業が挙げられます。

世界的な大手産業ガスメーカー

• Air Liquide (エア・リキード)（フランス）: 半導体製造を含む幅広い産業向けに、各種特殊ガス、高純度ガス、ガス供給システムを提供しています。
• Linde (リンデ)（ドイツ/アメリカ）: かつてはプラクスエア（Praxair）と合併し、世界最大の産業ガス会社の一つです。半導体プロセス用のドーパントガス、キャリアガスなどを供給しています。
• Air Products (エア・プロダクツ)（アメリカ）: 半導体を含むエレクトロニクス産業向けに、高純度ガスや特殊化学品、関連サービスを幅広く提供しています。

日本の主要な産業ガスメーカー

• 大陽日酸（Taiyo Nippon Sanso Corporation）: 日本を代表する産業ガスメーカーであり、半導体分野向けの特殊ガス、高純度ガスで高いシェアを持っています。
• エア・ウォーター: 各種産業ガス、特にエレクトロニクス向け特殊ガスも手掛けています。
• 岩谷産業: 産業ガス全般を取り扱っており、半導体関連のガスも供給しています。
• 住友精化: 半導体用ガス、特に特殊材料ガスの製造に強みを持っています。
• 関東電化工業: 特定の特殊ガス（フッ素系ガスなど）で実績があります。
• レゾナック（旧昭和電工）: 高純度ガスを含む電子材料用製品を提供しています。
• ジャパンマテリアル: 特殊ガスの供給管理や販売を行っており、ガスメーカーと顧客の間に立つ役割も果たします。

　これらの企業は、ドーパントガス（PH₃、AsH₃、B₂H₆など）だけでなく、N₂、O₂、H₂などのキャリアガスや雰囲気ガス、さらには半導体製造に必要な様々な特殊ガスや化学品を製造・供給しています。

　半導体プロセスの微細化・高度化に伴い、ガスの純度や供給安定性に対する要求もますます厳しくなっており、これらのメーカーはその技術力で応えています。