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】

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。

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。

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。

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。

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。

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

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

• Wikipedia「Chemical vapor deposition」（CVDのしくみ、APCVD・LPCVD・UHVCVD、ポリシリコン・酸化膜・窒化膜の反応と条件、付き回り、応力）
• Wikipedia「Plasma-enhanced chemical vapor deposition」（PECVDのしくみ、低温でできる理由、水素の含有、速さと均一さ）
• Wikipedia「Thin film」（化学的な方法は付き回りが良くなりやすい、という説明）

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。