成膜とは？半導体チップの薄膜をつくる工程の役割をわかりやすく解説【成膜3級・第1講】

この記事でわかること

• ① チップは膜の積み重ね
• ② 膜の4つの役目
• ③ 膜はどれほど薄いか
• ④ 成膜の大きな分け方（飛ばして付ける方法・ガスの反応でつくる方法）
• ⑤ 成膜に求められる条件

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① チップは、薄い膜の積み重ねでできている

大事なポイント：成膜とは、ウェハの上に、薄い膜を付ける工程です。チップは、この膜を何層も重ねてできています。

まず、言葉の確認です。ウェハとは、半導体チップの土台になる、シリコンの薄い円盤です。直径は最大300mm（約12インチ）のものが使われています。このウェハの上に、材料をごく薄く付けたものが膜です。膜を付ける工程を成膜といいます。

チップの中には、電気を通さない材料（絶縁体）、電気を少し通す材料（半導体）、電気をよく通す材料（導体）の層が重なっています。この層の1枚1枚が、成膜でつくる膜です。たとえば、建物に床や壁や配管があるように、チップにも「隔てる膜」と「電気の通り道になる膜」があります。

最新のチップでは、金属の配線の階が11以上あり、全体で300以上の工程を順に行う、と説明されています。成膜は、その途中で何度もくり返されます。つまり、成膜は半導体づくりの中で、とても出番の多い工程です。

② 膜には、4つの役目がある

大事なポイント：膜の役目は、おもに「隔てる」「電気を通す」「スイッチ部分の絶縁」「金属の広がりを防ぐ」の4つです。

1つめは、隔てる膜です。電気を通さない絶縁膜は、配線どうしや、トランジスタ（電気を流したり止めたりするスイッチの部品）どうしを、電気的に分けます。昔から二酸化ケイ素（シリコンと酸素の化合物）などが使われてきました。なぜ必要か：隔てる膜がないと、となりあう配線どうしで電気が行き来して、回路がショートし、チップが動かなくなるからです。

2つめは、電気を通す膜です。チップの中の電気の通り道（配線）は、金属の膜でつくります。かつてはアルミニウムが、いまは銅が主役です。なぜ必要か：配線がないと、たくさんのトランジスタを回路としてつなげず、1つ1つの部品が役に立たないからです。また、上下の配線をつなぐ縦の柱（プラグ）にタングステンが使われ、これはCVDという方法で付けます。

3つめは、ゲート絶縁膜です。トランジスタのスイッチ部分（ゲート）の下に敷く、とても薄い絶縁膜です。なぜ必要か：ゲートの電圧でシリコンの中の電気の流れを操作するには、ゲートとシリコンのあいだを、電気が直接流れない状態にしておく必要があるからです。薄くしすぎると、電気がしみ出してしまうため（トンネル電流といいます）、いまは酸化ハフニウムのような、電気をためやすい材料に置きかえる工夫がされています。 ▶ 2級でくわしく

4つめは、バリア膜です。銅は、まわりの材料やシリコンの中へ広がると、部品の性能を悪くします。そこで、銅を窒化タンタルなどの膜で包んで、広がらないようにします。なぜ必要か：銅が広がると部品の性能が悪くなり、せっかくつくった配線が、チップを傷める原因になるからです。

つまり、4つの役目は、チップを「ショートさせず」「電気をつなぎ」「スイッチを動かし」「汚さない」ために、どれも欠かせません。

③ 膜は、とても薄い（ナノメートルの世界）

大事なポイント：薄膜の厚さは、原子1層に満たない厚さから、数マイクロメートルまでです。作業時間は、「厚さ÷付く速さ」で見積もれます。

単位の確認です。1マイクロメートル（μm）は、1ミリメートルの1000分の1です。1ナノメートル（nm）は、1μmのさらに1000分の1です。つまり、1μm ＝ 1000nmです。

薄膜は、「原子1層に満たない厚さ（1nmより薄い）から、数μmまで」の層をさします。チップの中の膜の多くは、数nmから数百nmです。髪の毛の太さは、約80μm（一般的な目安）なので、100nmの膜は、髪の毛の約800分の1の厚さになります。

膜を付ける時間は、厚さを付く速さで割れば、おおよそわかります。速さは、方法や条件で大きく変わります。

④ 成膜の大きな分け方：PVDとCVD（とALD）

大事なポイント：成膜は、材料を「物理的に運ぶ」PVDと、「化学反応でつくる」CVD、ALDに分かれます。

PVD（物理気相成長）は、固体の材料を蒸気（バラバラの原子）にして、ウェハの上で再び固体に戻す方法です。空気を抜いた真空の容器の中で行います。水蒸気が冷たいガラスに水滴として付くのと、似たイメージです。材料は、ほぼ一方向から飛んでくるため、膜は向きのそろった付き方になります。

CVD（化学気相成長）は、ガスどうしを反応させて、ウェハの表面で固体の膜をつくる方法です。原料のガス（前駆体）が、ウェハの表面で反応して分解し、膜になります。ガスは、表面に沿って広がるため、凹凸にも沿って膜が付きやすい特徴があります。反応でできる余分なもの（副生成物）は、ガスの流れで外へ運び出します。

反応させるガスは、1種類のことも、数種類のこともあります。たとえば、シリコンの膜は、シランというガス1種類を熱で分解してつくります（SiH₄ → Si ＋ 2H₂）。二酸化ケイ素の膜は、シランと酸素の2種類を反応させてつくります。

反応すると固体の膜ができるのは、反応でできる物質のうち、膜になる物質（シリコンなど）が、その温度では気体にならず、固体のまま表面に残るからです。膜にならない物質（水素など）は気体のままなので、ガスの流れで外へ出ていきます。 ▶ 2級でくわしく

ALD（原子層堆積）は、CVDの仲間で、ガスを1種類ずつ入れて、原子の層を1枚ずつ重ねる方法です。とても薄く、均一な膜に向きます。これらのほかに、銅の配線の埋め込みには、電気を使った「めっき」も使われます。

⑤ 成膜に求められる5つの条件

大事なポイント：膜は、付けば良いわけではありません。厚さ、むら、付き方、きれいさ、温度の5つを満たす必要があります。

成膜の方法を選ぶとき、次の5つを見ます。

1. 厚さ：狙いの厚さに、きちんと合わせます。
2. 均一さ：ウェハの全面で、厚さが同じになるようにします。
3. 付き回り：段差や、穴の側面や底にも、膜が付くようにします。
4. 純度：余計な原子（不純物）が、少ない膜にします。
5. 温度：すでに作ってある下の部品を、傷めない温度で付けます。

たとえば、PVDは低い温度でも付けられるのが利点です。一方、CVDは凹凸に沿って付きやすいのが利点です。ALDは最も薄く均一に付けられますが、時間がかかります。どれか1つが万能なのではなく、膜の目的に合わせて使い分けます。次の講から、方法ごとに順に見ていきます。

安全のひとこと：成膜に使うシランなどのガスは、空気に触れると燃えたり、毒性があったりします。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、PVDのうち、真空蒸着とスパッタについて、どのように膜を付けるのかを見ていきます。

ことばのおさらい

• ウェハ：チップの土台になる、シリコンの薄い円盤です。
• 成膜：ウェハの上に、薄い膜を付ける工程です。
• PVD：固体の材料を蒸気にして、ウェハの上で固体に戻す方法です。
• CVD：ガスの化学反応で、ウェハの表面に固体の膜をつくる方法です。
• ALD：ガスを1種類ずつ入れて、原子の層を1枚ずつ重ねる方法です。
• バリア膜：銅などが、まわりへ広がるのを防ぐ膜です。

よくある誤解

Q. 成膜は、ペンキを塗るようなものですか？

似ている点もありますが、ちがいます。膜の厚さをnm単位で合わせ、ウェハ全面でむらなく付ける必要があります。

Q. 膜は、厚ければ厚いほど良いのですか？

いいえ。膜が厚すぎると、割れたり、時間がかかったりします。目的に合う厚さがあります。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Thin film」（薄膜の厚さの範囲、PVDとCVDの分類）
• Wikipedia「Semiconductor device fabrication」（成膜の役割、配線の階数、ウェハの直径、膜の種類）
• Wikipedia「Copper interconnects」（銅のバリア膜）
• Wikipedia「Chemical vapor deposition」（CVDのしくみ、ポリシリコンの成膜速度）
• Wikipedia「Physical vapor deposition」（PVDの定義）
• Wikipedia「Atomic layer deposition」（ALDの定義、酸化ハフニウム）
• Wikipedia「High-κ dielectric」（ゲート絶縁膜が薄いと電気がしみ出すこと）

髪の毛の太さ、小さじの量、単位の換算、図の層構成は、一般的な知識や記事用の簡易な目安です。図は、記事用に描いた簡易の図です。