チップ製造におけるフロントエンドプロセス:薄膜堆積

チップ製造におけるフロントエンドプロセス：薄膜堆積

集積回路は、多くの複雑で洗練された製造工程で構成されており、その中でも薄膜堆積は最も重要な技術の一つです。薄膜堆積の目的は、半導体デバイスに多層スタックを構築し、金属層間の絶縁を確保することです。複数の導電性金属層と誘電性絶縁層が、ウェーハ表面に交互に積層されます。その後、繰り返しエッチングプロセスによって選択的に除去され、3D構造が形成されます。

薄膜という用語は、通常、従来の機械加工では製造できない1ミクロン以下の厚さの膜を指します。これらの分子または原子膜をウェーハ表面に付着させるプロセスを堆積と呼びます。

 

基本的な原理に応じて、薄膜堆積技術は一般的に以下のように分類されます。

• 化学気相成長法（CVD）

• 物理気相成長法（PVD）

• 原子層堆積法（ALD）

薄膜技術が進化するにつれて、ウェーハ製造のさまざまな工程に対応するために、さまざまな堆積システムが登場しました。

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□物理気相成長法（PVD）

PVDは、物理的な手段を用いてターゲット材料（固体または液体）を原子または分子に気化させ、または部分的にイオン化し、低圧ガスまたはプラズマを介して輸送して、機能性膜を基板上に堆積させる真空ベースのプロセスのグループを指します。

一般的なPVD方法には以下が含まれます。

• 蒸着

• スパッタリング

• アークプラズマ堆積

• イオンプレーティング

• 分子線エピタキシー（MBE）

PVDの特徴は次のとおりです。

• 高い膜純度

• 安定した膜質

• 低い処理温度

• 高い堆積速度

• 比較的低い製造コスト

PVDは主に金属膜の堆積に使用され、絶縁膜には適していません。その理由は、正イオンが絶縁ターゲットを衝突させると、運動エネルギーをターゲット表面に伝達しますが、正イオン自体は表面に蓄積するからです。この電荷蓄積は電界を発生させ、入射イオンを反発させ、最終的にスパッタリングプロセスを停止させます。

○ 真空蒸着

真空環境下で、ターゲット材料を加熱して蒸発させます。原子または分子は表面から気化し、真空中で最小限の衝突で移動して基板上に堆積します。一般的な加熱方法には以下が含まれます。

• 抵抗加熱

• 高周波誘導

• 電子ビーム、レーザービーム、またはイオンビーム照射

○ スパッタリング

真空中で、高エネルギー粒子（通常はAr⁺イオン）がターゲット表面に衝突し、原子が放出されて基板上に堆積します。

○ イオンプレーティング

イオンプレーティングは、プラズマを使用してコーティング材料をイオンと高エネルギー中性原子にイオン化します。基板に負のバイアスを印加し、イオンを引き付けて堆積させ、薄膜を形成します。

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□化学気相成長法（CVD）

CVDは、化学反応を利用して薄膜を堆積させます。反応ガスを反応チャンバーに導入し、熱、プラズマ、または光を使用して活性化します。これらのガスは化学的に反応して、基板上に所望の固体膜を形成し、副生成物はチャンバーから排出されます。

CVDには、条件に応じて多くのバリアントが含まれます。

• 大気圧CVD（APCVD）

• 低圧CVD（LPCVD）

• プラズマCVD（PECVD）

• 高密度PECVD（HDPECVD）

• 有機金属CVD（MOCVD）

• 原子層堆積法（ALD）

CVD膜は一般的に以下を示します。

• 高純度

• 優れた性能
  チップ製造における金属、誘電体、半導体膜の製造における主流の方法です。

○ APCVD

大気圧および400～800℃で実行され、以下のような膜の製造に使用されます。

• 単結晶シリコン

• 多結晶シリコン

• 二酸化ケイ素（SiO₂）

• ドープSiO₂

○ LPCVD

>90nmプロセスで適用され、以下を製造します。

• SiO₂、PSG/BPSG

• 窒化ケイ素（Si₃N₄）

• ポリシリコン

○ PECVD

28～90nmノードで広く使用され、誘電体および半導体材料を堆積します。
利点：

• 低い堆積温度

• 高い膜密度と純度

• 速い堆積速度
  PECVDシステムは、APCVDおよびLPCVDと比較して、ファブで最も広く使用されている薄膜ツールとなっています。

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□原子層堆積法（ALD）

ALDは、自己制限的な表面反応を介して一度に1つの原子層を堆積することにより、超薄膜成長を可能にする特殊なタイプのCVDです。

従来のCVDとは異なり、ALDは前駆体パルスを交互に繰り返します。各層は、以前に堆積された層との逐次的な表面反応によって形成されます。これにより、以下が可能になります。

• 原子レベルの厚さ制御

• コンフォーマル被覆

• ピンホールフリー膜

ALDは、以下の堆積をサポートしています。

• 金属

• 酸化物

• 炭化物、窒化物、硫化物、シリサイド

• 半導体および超伝導体

集積密度が向上し、デバイスサイズが縮小するにつれて、高k誘電体がトランジスタゲートのSiO₂に取って代わっています。ALDの優れたステップカバレッジと正確な厚さ制御により、高度なデバイス製造に最適であり、最先端のチップ製造でますます採用されています。

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□堆積技術の比較

○膜堆積性能

(ここでは、コンフォーマリティ、厚さ制御、ステップカバレッジなどの比較表を挿入できます。)

 

○ 技術と用途

(PVD vs. CVD vs. ALDの使用例を示す表を挿入します。)

 

○ 装置と機能

(堆積速度、温度、均一性、コストを比較する表を挿入します。)

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結論

薄膜堆積技術の進歩は、半導体産業の継続的な発展に不可欠です。これらのプロセスはますます多様化し、専門化しており、集積回路製造におけるさらなる革新と洗練を可能にしています。