成膜プロセスについてメモ

半導体・ストレージ・NAS

半導体プロセスの入門書『図解入門 よくわかる半導体プロセスの基本と仕組み[第3版]』の第7章(成膜プロセス)の勉強メモ

参考)『シリコン酸化膜の成膜について』, 神奈川県産業技術センター研究報告 No.21, 2015

成膜プロセスとは

LSIプロセスは基本的にシリコン基板上に不純物領域、配線、絶縁膜を作成していくプロセスから成り、その役目を果たすのが成膜プロセス(技術)である。

機能からの分類

LSIは基本的に、(シリコンウェーハを含む)半導体膜と、電気を流すための配線膜(金属メタル膜)および、それらの電気的絶縁を図る絶縁膜から成る。

  • 半導体膜:スイッチ機能(トランジスタ)
  • 配線膜:素子を電気的に繋ぐ。垂直方向はプラグと呼ぶ(Al、Cu、Wなどの材料を用いる)
  • 絶縁膜:配線や素子を電気的に絶縁する
テキストによると、Siエピタキシャル膜の用途は拡散層であり、多結晶シリコン膜の用途は抵抗膜・ゲート電極・配線・プラグである。単結晶と多結晶の違いが機能にどう影響するのかだろうか?

成膜手段

半導体プロセスの場合は、一般的に気相で成膜する。
【気相で成膜する特徴】

  1. 化学反応を利用し、精密に膜厚、膜質を制御可能
  2. ドライな雰囲気で制御可能
  3. クリーンな環境を維持できる(材料・雰囲気)
  4. 大面積にも均一に成長できる
  5. ひとつのロットで大量のウェーハを処理できるケースもある

成膜方法の分類

シリコン酸化法

  • フロントエンドのトランジスタ形成プロセスでは、シリコンの熱酸化膜を用いる
  • 900~1100℃程度に加熱した石英管の炉の中にシリコン基板を入れ、酸素・水素などのガスを導入して酸化させることで膜を作成する。
  • 熱酸化には酸化に用いるガスの種類によりドライ酸化、ウェット酸化、スチーム酸化の3方式がある。ドライ酸化は酸素ガスを使い、ウェット酸化は酸素ガスに脱イオン水蒸気を加えて使い、スチーム酸化は脱イオン水蒸気のみ使う。水素燃焼スチーム酸化方式では炉内に酸素ガスと水素ガスを流して自然燃焼して発生するH2Oを使う。

CVD法

  • 原料ガスを熱で分解し、成膜種を作り、ウェーハ上まで輸送し、成膜を行う
  • ホットウォール方式とコールドウォール方式がある

ホットウォール方式
・酸化拡散炉内のSi酸化もこの方式
・圧力を減圧で調整するので、減圧CVDとも呼ばれる。
・500℃以上の高温成膜で用いられる
・石英炉を外側から加熱する
・ガスをウェーハと垂直方向に流すので、ガスは上流側から消費される。
ー>炉の長さ方向で温度分布を調整する必要がある
・大量処理が可能だが、温度を上げるのに時間がかかるので、処理時間も長くなる
・反応炉に膜が付くのも課題

コールドウォール方式
・ウェーハを載置するステージ(サセプター)を加熱して温度を上げる
・ステージの耐熱性上、500℃以下の低温成膜で用いられる
・反応チャンバーへの膜付着は少ない
・枝葉式のシステムによく見られ、1枚当たりの処理時間が短い。
・常圧CVDやプラズマCVDもこの方式

 

もうちょっと書こうと思っていたけれど時間切れ。続きはまた今度。