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半導体のCVDとは?ガスの化学反応で薄膜をつくる仕組みをわかりやすく解説【成膜3級・第3講】

半導体のCVDとは?ガスの化学反応で薄膜をつくる仕組みをわかりやすく解説【成膜3級・第3講】 お知らせ
SEMICON CAMPUS 無料講座成膜コース3級 入門 ・ 第3講
反応室(ガスが流れる容器)原料ガス(例:シラン)ウェハ(下から熱する)① ガスがウェハの表面へ② 表面で反応して、固体の膜(黄色)になる副生成物排気される反応でできた余分な気体(副生成物)は、ガスの流れで外へ出ていきます
ガスが流れ込み、熱くしたウェハの表面で反応して膜になります。余ったものは、排気されます。

今回のテーマは、

「CVDでは、ガスから、どうやって固体の膜ができるのか」

答え:原料のガスが、熱やプラズマのエネルギーでウェハの表面に反応・分解して、固体の膜になります。余分な気体は、ガスの流れで外へ出します。

黄色のマーカー = この講座のテストに出す重要ポイント

この記事でわかること

  • ① ガスが表面で膜になる
  • ② 膜ごとの反応の例
  • ③ 圧力による分け方(APCVDとLPCVD)
  • ④ プラズマで低い温度にする(PECVD)
  • ⑤ 付き回りと膜の質

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① CVDは、ガスをウェハの表面で反応させる

大事なポイント:CVDでは、ガスの原料(前駆体)が、ウェハの表面で反応して固体になります。できた余分な気体は、排気されます。

前の講のPVDは、固体を蒸気にして飛ばしました。CVD(化学気相成長)は、ちがいます。原料を最初からガスの形で送り込み、ウェハの表面での化学反応で、固体の膜をつくります。原料のガスを前駆体(ぜんくたい)といいます。

手順は、次のとおりです。

  1. 反応室(ウェハを入れる容器)に、前駆体のガスを流し込みます。
  2. ガスが、ウェハの表面に届きます。
  3. 熱などのエネルギーで、前駆体が分解したり、別のガスと反応したりします。
  4. 反応でできた固体が、ウェハの表面に付いて、膜になります。
  5. 同時にできた気体の余り(副生成物)は、ガスの流れで外へ運び出されます。

PVDでは、飛んでくる向きがほぼ決まっていました。CVDでは、ガスが容器の中に広がるため、ウェハの表面にまわりこみやすく、凹凸に沿って膜が付きやすい特徴があります。

1ガスを流し込む2表面に届く3熱で分解・反応する4固体が付いて膜になる5副生成物を排気する番号の順に進みます
5つの手順で、CVDの膜ができます。
確認クイズ:CVDで、膜になる原料のガスを、何というでしょう?

答え:前駆体です。

くわしく見る:化学反応式の読み方(シランからシリコン)

CVDの代表的な反応を、式で書くと、次のようになります。

SiH4 → Si + 2 H2

SiH4(シラン)は、シリコン1個と水素4個からできたガスです。これが分解して、シリコン1個(固体の膜になる)と、水素の分子2個(H2、気体で排気される)になります。原子の数を数えると、左が「Si 1個・H 4個」、右も「Si 1個・H 2×2=4個」で、一致します。式は、このように左右で原子の数が合います。

② 膜ごとに、反応のしかたが決まっている

大事なポイント:膜の種類ごとに、使うガスと温度が決まっています。ここでは、ポリシリコン、酸化膜、窒化膜の例を見ます。

代表的な3つの膜を見ます。温度や圧力は、例として、資料に出ているものです。

  • ポリシリコン(シリコンの膜):シランが分解して、シリコンの膜になります。600〜650℃、25〜150 Paの条件で、1分間に10〜20nm付く、とされています。
  • 二酸化ケイ素(酸化膜、絶縁膜):シランと酸素を反応させる方法は、300〜500℃です。TEOS(テオス、シリコンを含む液体の原料)を使う方法は、650〜750℃です。
  • 窒化ケイ素(窒化膜、絶縁膜):シランとアンモニア(NH3、窒素と水素の化合物)から、つくります。

膜の種類と原料ガスの組み合わせで、できる膜の質が変わります。たとえば、シランの酸化膜は、TEOSなどからつくる膜より、品質が低めです。また、原料ガスによって、膜に残る不純物も変わり、シランでは水素、ジクロロシラン(塩素を含むガス)では塩素が混ざります。

ポリシリコンSiH₄(シラン) → Si(膜)+ 2 H₂(排気)酸化膜SiH₄(シラン)+ O₂(酸素) → SiO₂(膜)+ 2 H₂(排気)窒化膜3 SiH₄ + 4 NH₃ → Si₃N₄(膜)+ 12 H₂(排気)いずれも、固体は膜になり、水素などの気体は排気されます
3つの反応の例です。左右で原子の数が合っています。
確認クイズ:シランと酸素を反応させると、どんな膜ができるでしょう?

答え:二酸化ケイ素(酸化膜)です。

くわしく見る:反応式の原子の数を、確かめる

窒化膜の式で、左右の原子の数が合うかを、数えます。

3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 H2

左:Si は 3 個、N は 4 個、H は 3×4 + 4×3 = 12 + 12 = 24 個。右:Si は 3 個、N は 4 個、H は 12×2 = 24 個。すべて一致します。

酸化膜の式 SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2 も、左は Si 1・H 4・O 2、右は Si 1・O 2・H 4 で、合っています。

③ 圧力で分ける:大気圧のAPCVDと、低い圧力のLPCVD

大事なポイント:CVDは、反応室の圧力で分けられます。圧力を下げるLPCVDは、ウェハの中のむらが小さくなるため、よく使われます。

反応室の圧力で、CVDは次のように分けられます。

  • APCVD:大気圧(ふだんの空気の圧力)で行います。
  • LPCVD:大気圧より低い圧力で行います。ガスどうしが空中で勝手に反応してしまう(気相反応)のが減り、ウェハ全体で膜が均一になりやすい、とされています。
  • UHVCVD:10−6 Pa以下の、とても高い真空で行います。

現在のCVDの多くは、LPCVDか、UHVCVDだと説明されています。先ほどのポリシリコンの25〜150 Paも、LPCVDの例です。

LPCVDの弱点は、600〜650℃のような高い温度が必要な膜があることです。すでに作った部品や配線が、熱で傷む場合は使えません。この問題を解決するのが、次の節のPECVDです。

10⁻⁶ Pa10⁻⁴ Pa10⁻² Pa1 Pa10² Pa10⁴ Pa10⁵ PaUHVCVDLPCVD(ポリシリコンの例:25〜150 Pa)APCVD右へ行くほど圧力が高い(大気圧は約10⁵ Pa)目盛りは、10の累乗ごとに等間隔です。帯は、本文の数字に合わせた位置です(UHVCVDは10⁻⁶ Pa以下)
左ほど真空に近く、右ほど大気圧に近くなります。
確認クイズ:LPCVDは、大気圧と比べて、圧力が高いでしょうか、低いでしょうか?

答え:低いです(大気圧より低い圧力で行います)。

くわしく見る:25〜150 Paは、大気圧の何分の1か

大気圧を、約101,300 Pa(一般的な値)とします。

101,300 ÷ 150 ≈ 675 〜 101,300 ÷ 25 ≈ 4,050

つまり、大気圧の約1/700〜1/4,000です。かなり空気をぬいた状態ですが、PVDの高真空(前の講の10−4 Paなど)と比べると、まだ圧力は高いことがわかります。

④ プラズマで反応を助け、低い温度にする(PECVD)

大事なポイント:PECVDは、プラズマで前駆体を分解して、熱だけに頼る方法より低い温度で膜を付けます。

PECVD(プラズマCVD)は、ガスに高周波の電気を加えて、プラズマにします。プラズマの中の電子は、とても軽いため、まわりの分子とエネルギーをやりとりしにくく、分子はほぼ室温のままでも、電子だけが高いエネルギーを持てます。この電子が、前駆体の分子にぶつかって、分子を壊し、反応しやすい状態にします。

その結果、熱だけで反応させる方法よりも、低い温度で膜が付きます。このため、温度に弱い部品や金属の層が入ったウェハにも、膜を付けられます。窒化ケイ素や二酸化ケイ素が、この方法で付けられます。

弱点もあります。PECVDの窒化膜には、水素がかなり含まれます。水素の量は、膜の安定さや電気の性質に影響します。また、付く速さは速い方法ですが、そのぶん、均一さが犠牲になることもある、とされています。

熱で分解(熱CVD)ウェハを、高めの温度にするプラズマで分解(PECVD)ウェハは、比較的低い温度でよいプラズマ(電子が分子を壊す)温度の数字は、膜や装置で変わるため、図には書いていません
左は熱で、右はプラズマで、前駆体を分解します。
確認クイズ:PECVDが、熱だけの方法より低い温度で膜を付けられるのは、何のおかげでしょう?

答え:プラズマの電子が、前駆体の分子を壊して、反応しやすくするためです。

⑤ CVDの膜は付き回りが良いが、膜の質には注意

大事なポイント:CVDの膜は、凹凸に沿って付きやすい(付き回りが良い)一方、原料や条件で、膜の質や割れやすさが変わります。

PVDの膜は一方向から付くため、向きがそろった付き方でした。これに対して、CVDなどの化学的な方法は、凹凸に沿った膜(コンフォーマルな膜)になりやすいとされます。コンフォーマルとは「形に沿った」という意味です。

ただし、CVDなら必ず付き回りが良い、というわけではありません。シランを使う酸化膜は、付き回りが良くない(非コンフォーマル)です。これに対して、オゾン(酸素の仲間のガス)とTEOSを350〜500℃で使う酸化膜は、付き回りがとても良い反面、水分を吸いやすい、とされています。

膜の割れやすさにも、注意が必要です。LPCVDの窒化膜は、引っぱる向きの力(応力)が強く、200nmより厚くすると、ひびが入ることがあります。

向きがそろう付き方(PVDなど)上と底は厚く、側面は薄い形に沿う付き方(CVDなど)どこも、ほぼ同じ厚さ
黄色が膜、灰色がウェハです。右は、溝の側面にも、ほぼ同じ厚さで付いています。
確認クイズ:LPCVDの窒化膜を、200nmより厚くすると、どうなることがあるでしょう?

答え:ひびが入ることがあります(引っぱる向きの応力が強いため)。

安全のひとこと:CVDで使うシラン、アンモニア、ジクロロシランは、燃えやすさ、毒性、腐食性などの危険があるガスです。工場では、専用の設備と決まりで厳重に管理されます。取り扱いは、必ず職場の決まりとSDS(安全データシート)に従います。

この講のまとめ

この講のポイント

CVDは、前駆体のガスをウェハの表面で反応させて、固体の膜をつくり、副生成物は排気します。
圧力を下げるLPCVDは均一さがよく、プラズマを使うPECVDは、低い温度で膜を付けられます。
CVDの膜は付き回りが良いとされますが、原料や条件で、膜の質や、割れやすさが変わります。

次の講では、さらに薄く、均一に、穴の中まで膜を付けるALDを見ていきます。

ことばのおさらい

  • 前駆体:CVDやALDで、膜になる原料のガスです。
  • 副生成物:反応でできる、膜にならない余分な気体です。
  • LPCVD:大気圧より低い圧力で行うCVDです。
  • PECVD:プラズマで反応を助けて、低い温度で行うCVDです。
  • コンフォーマル:凹凸に沿って、同じような厚さで付く、という意味です。
  • 応力:膜がもつ、引っぱる力や押す力のことです。強いとひびが入ります。

よくある誤解

Q. CVDなら、必ず付き回りが良いのですか?

いいえ。原料や条件で変わります。シランの酸化膜は付き回りが良くないとされます。

Q. プラズマを使うと、膜の質も必ず良くなりますか?

いいえ。低い温度にできる一方、窒化膜に水素が多く入るなど、質に影響が出ることがあります。

参考にした公式情報

大気圧の値(約101,300 Pa)と、反応式の原子数の確認は、一般的な知識にもとづく目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。

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