半導体前工程：タンタルによるバリア層　バリア層が必要な理由は何か？なぜ、タンタルは拡散しにくいのか？

この記事で分かること

タンタルによるバリア層

　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。

　今回はバリア層として使用されるタンタル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。

銅がシリコンに拡散しやすい理由は何か

　銅（Cu）がシリコン（Si）中に拡散しやすいのは、主に以下の二つの特性が大きく影響しています。

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1. シリコン中での高い拡散係数と高い固溶度

　銅は、シリコンの結晶格子内で非常に高い拡散係数を持ち、さらにシリコンに対する固溶度も高いという性質があります。

• 高い拡散係数: 拡散係数が高いとは、原子が物質中を移動する速度が速いことを意味します。銅原子はシリコンの結晶格子の中を比較的容易に動き回ることができるため、製造プロセス中の熱処理などで温度が上昇すると、すぐに拡散が促進されます。
• 高い固溶度: 固溶度が高いとは、他の原子（ここでは銅原子）が溶け込んで固体となることができる最大量が多いことを意味します。シリコンが銅を比較的多く受け入れることができるため、一度拡散が始まると、多くの銅原子がシリコン中に浸入してしまいます。

これらの特性により、銅原子はシリコン基板の表面から内部へと効率的に拡散し、冷却されると欠陥の周りやウェーハ表面に集積してシリサイドなどを形成することが知られています。

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2. シリコンの電気的特性への悪影響

　銅原子がシリコン中に拡散すると、以下のような深刻な問題を引き起こします。

• キャリアライフタイムの短縮: 銅原子はシリコンのバンドギャップ中に深い準位（トラップ準位）を形成し、半導体デバイスの重要な電気的特性である少数キャリアのライフタイム（寿命）を著しく短縮させます。キャリアライフタイムの短縮は、トランジスタのスイッチング特性の悪化や、リーク電流の増大に直結します。
• PN接合の特性劣化: 拡散した銅はPN接合の空乏層に存在し、接合の逆方向リーク電流を増加させたり、耐圧を低下させたりします。これにより、デバイスが正常に機能しなくなったり、信頼性が低下したりします。
• シリサイド形成: 特定の条件下で銅とシリコンが反応してシリサイドを形成することがあります。これが意図しない場所で発生すると、短絡の原因となったり、電気特性を不安定にしたりします。

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タンタルはなぜ拡散しにくいのか

　タンタル（Ta）が銅（Cu）の拡散を防ぐためのバリアメタル層として優れている理由は、その低い拡散係数、シリコンや銅との低い反応性、そして緻密な膜を形成できる特性にあります。

低い拡散係数（特に銅に対する）

• タンタル原子自体が、他の金属（特に銅）やシリコンの結晶格子中を移動しにくい性質を持っています。つまり、銅がタンタル層を透過してシリコンに達する速度が非常に遅いのです。
• これは、タンタルの原子構造や結合エネルギーに関連しており、銅原子がタンタルの結晶格子に入り込んだり、その中を動き回ったりするためには、より大きなエネルギーが必要となるためです。

化学的な安定性・低い反応性

• タンタルは、化学的に非常に安定しており、特にシリコンや二酸化シリコン（層間絶縁膜）と容易に反応しません。
• 銅がシリコンと反応してシリサイドを形成したり、シリコン中に深く拡散したりするのに対し、タンタルは安定な状態を保ちます。
• また、タンタルは空気中で酸化されにくく、強酸にも高い耐性を持つなど、一般的な腐食性物質に対しても非常に強い安定性を示します。

緻密な膜形成能力

• タンタルやその窒化物（TaN）は、PVD（物理気相成長）やALD（原子層堆積）といった成膜技術を用いて、非常に薄く、均一で、かつボイド（空隙）の少ない緻密な膜を形成することができます。
• バリア層は、銅の拡散を物理的に遮断する役割を果たすため、ピンホールや欠陥のない緻密な構造であることが極めて重要です。タンタルは、この要求を満たす優れた成膜特性を持っています。

• 特にALDを用いることで、極めて薄いながらも連続したバリア層を形成でき、微細なビアホールやトレンチの側壁にも均一に成膜することが可能です。

　これらの特性により、タンタルまたはその窒化物（TaN）は、銅配線とシリコン基板/層間絶縁膜との間に強固なバリアを形成し、銅の拡散を効果的に防ぎ、半導体デバイスの電気的特性の劣化や信頼性の低下を抑制する役割を担っています。

タンタル原子が銅やシリコンの結晶格子中を移動しにくい理由は

　タンタル原子が銅やシリコンの結晶格子中を移動しにくい（つまり拡散しにくい）理由は、その原子自体の性質と、それぞれの結晶構造との適合性の低さに起因します。

原子半径と結晶構造の不適合

• タンタルの原子半径: タンタル原子は比較的大きく（原子半径約143 pm）、体心立方（BCC）構造を持っています。
• シリコンの結晶構造: シリコンはダイヤモンド構造（立方晶）を持ち、原子間の結合が非常に強く、比較的開いた構造をしています。
• 銅の結晶構造: 銅は面心立方（FCC）構造を持ち、シリコンよりは原子が密に詰まっていますが、タンタルより原子半径が小さい（約128 pm）です。
• タンタル原子がシリコンや銅の結晶格子中を動き回るためには、格子間に侵入したり、既存の原子と置き換わったりする必要があります。しかし、タンタル原子が比較的大きいため、シリコンや銅の原子が形成する「隙間」を通り抜けにくく、また既存の原子と置き換わる際にも大きなエネルギーが必要となります。これにより、拡散が物理的に制限されます。

高い結合エネルギーと凝集エネルギー

• タンタルは金属結合のエネルギーが非常に高く、原子同士が強く結合しています。これはタンタルの高い融点（約3017℃）からも伺えます。
• そのため、タンタル原子が自身の結晶格子から離れて他の物質の格子に移動するためには、非常に大きなエネルギーを必要とします。この原子間の結合の強さが、タンタル自身の移動を抑制する要因となります。
• 同様に、タンタルが銅やシリコンの結晶格子内で安定した位置を見つけにくく、結合しにくい（つまり固溶しにくい）ことも、拡散の障壁となります。

化学的な不活性性

• タンタルは化学的に非常に安定しており、シリコンや銅と容易に反応して安定な化合物を形成しにくい性質があります。
• 銅がシリコンと容易に反応してシリサイドを形成し、拡散を加速させるのとは対照的です。タンタルのこの不活性性が、銅やシリコンとの界面で不要な反応層を形成せず、純粋なバリアとして機能することを可能にしています。

　これらの要因の組み合わせにより、タンタル原子は銅やシリコンの結晶格子中を移動しにくく、結果として効果的な拡散バリアとして機能するのです。