薄膜成膜とは、半導体の主基板材料上に薄膜層を形成するプロセスです。この薄膜は、絶縁化合物である二酸化ケイ素、半導体であるポリシリコン、金属である銅など、様々な材料で作製できます。成膜に用いられる装置は、薄膜成膜装置と呼ばれます。
半導体チップ製造プロセスの観点から見ると、それはフロントエンドプロセスに位置づけられる。
薄膜作製プロセスは、成膜方法によって物理蒸着（PVD）と化学蒸着の2つのカテゴリーに分類できる。（CVD）その中でもCVDプロセス装置が占める割合は高い。
物理蒸着（PVD）とは、材料源の表面を蒸発させ、低圧ガス／プラズマを介して基板表面に堆積させるプロセスを指し、蒸着、スパッタリング、イオンビームなどが含まれます。
化学気相成長法（CVD）とは、気体混合物の化学反応によってシリコンウェーハ表面に固体膜を堆積させるプロセスを指します。反応条件（圧力、前駆体）に応じて、大気圧とCVD(APCVD)、低圧CVD（LPCVD）、プラズマ強化CVD（PECVD）、高密度プラズマCVD（HDPCVD）、原子層堆積（ALD）。
LPCVD：LPCVDは、優れた段差被覆能力、良好な組成・構造制御、高い成膜速度と生産量、そして粒子汚染源の大幅な低減といった特長を備えています。加熱装置を熱源として反応を維持するため、温度制御とガス圧が非常に重要です。TopConセルの多層膜製造に広く用いられています。
PECVD：PECVDは、高周波誘導によって生成されるプラズマを利用して、薄膜成膜プロセスを低温（450℃未満）で実現します。低温成膜が主な利点であり、エネルギーの節約、コスト削減、生産能力の向上、そして高温によるシリコンウェハ中の少数キャリアの寿命低下の抑制につながります。PERC、TOPCON、HJTなど、様々なセルプロセスに適用可能です。
ALD: 膜の均一性が高く、緻密で穴がなく、段差被覆特性が良好で、低温 (室温～400℃) で実施でき、膜厚を簡単かつ正確に制御でき、さまざまな形状の基板に広く適用でき、反応物の流れの均一性を制御する必要がない。しかし、欠点は、膜形成速度が遅いことである。例えば、ナノ構造絶縁体 (Al2O3/TiO2) や薄膜エレクトロルミネッセンスディスプレイ (TFEL) の製造に使用される硫化亜鉛 (ZnS) 発光層など。
原子層堆積法（ALD）は、基板表面に単原子層の薄膜を層状に形成する真空蒸着プロセスです。フィンランドの材料物理学者トゥオモ・スントラは、1974年には既にこの技術を開発し、100万ユーロのミレニアム技術賞を受賞しています。ALD技術は当初、フラットパネル型エレクトロルミネッセンスディスプレイに用いられていましたが、広く普及することはありませんでした。半導体業界でALD技術が採用され始めたのは、21世紀に入ってからのことです。従来の酸化シリコンに代わる超薄型の高誘電率材料を製造することで、電界効果トランジスタの線幅縮小に伴うリーク電流の問題を解決し、ムーアの法則をさらに線幅縮小へと推し進めることに成功しました。トゥオモ・スントラ博士はかつて、ALDは部品の集積密度を大幅に向上させることができると述べています。
公開されているデータによると、ALD技術は1974年にフィンランドのPICOSUN社のトゥオモ・スントラ博士によって発明され、インテルが開発した45/32ナノメートルチップの高誘電率膜など、海外で既に産業化されています。中国では、ALD技術の導入が海外より30年以上遅れました。2010年10月、フィンランドのPICOSUN社と復旦大学が共同で、国内初のALD学術交流会を開催し、中国にALD技術を初めて紹介しました。
従来の化学気相成長法（CVD）と物理蒸着（PVD）と比較すると、ALDの利点は、優れた三次元コンフォーマル性、大面積の膜の均一性、および精密な厚さ制御であり、複雑な表面形状や高アスペクト比構造上に超薄膜を成長させるのに適しています。
—データソース：清華大学マイクロナノ加工プラットフォーム—
ムーアの法則後の時代において、ウェハ製造の複雑性と処理量は大幅に向上しました。ロジックチップを例にとると、45nm以下のプロセス、特に28nm以下のプロセスを採用する生産ラインの増加に伴い、コーティング厚さと精度制御に対する要求が高まっています。多重露光技術の導入後、ALDプロセス工程数と必要な装置が大幅に増加しました。メモリチップの分野では、主流の製造プロセスが2D NANDから3D NAND構造へと進化し、内部層数が増加し続け、コンポーネントは徐々に高密度・高アスペクト比構造へと変化し、ALDの重要な役割が顕在化し始めています。半導体の将来的な発展という観点から見ると、ALD技術はムーアの法則後の時代においてますます重要な役割を果たすでしょう。
例えば、ALDは、複雑な3D積層構造（3D-NANDなど）の被覆率と膜性能の要件を満たすことができる唯一の成膜技術です。これは下の図で明確に確認できます。CVD A（青色）で成膜された膜は、構造の下部を完全に覆っていません。CVD（CVD B）に何らかのプロセス調整を加えて被覆率を達成したとしても、下部領域の膜性能と化学組成は非常に劣悪です（図中の白色部分）。これに対し、ALD技術を使用すると、膜が完全に被覆され、構造のすべての領域で高品質かつ均一な膜特性が得られます。
――図：CVDと比較したALD技術の利点（出典：ASM）――
CVDは短期的には依然として最大の市場シェアを占めていますが、ALDはウェハ製造装置市場において最も急速に成長している分野の一つとなっています。チップ製造において重要な役割を担い、大きな成長の可能性を秘めたALD市場において、ASMはALD装置分野のリーディングカンパニーです。
投稿日時：2024年6月12日