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第6弾、半導体に電気的特性を与える！ 蒸着&イオン注入工程

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반도체-8대-공정-6탄-반도체에-전기적-특성을-입히다
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半導体に電気的特性を与える！ 蒸着&イオン注入工程
半導体に電気的特性を与える！ 蒸着&イオン注入工程

人の爪より小さく紙ほど薄い半導体チップには、数多くの細かい層(layer)が存在します。 まるで高層ビルのように高く堅固に積まれた複雑な構造になっています。 このような構造をつくるには、半導体の原材料となる単結晶シリコン(Si)ウェハの上に、段階的に薄膜を形成し、回路を描くフォト工程を経て、不要な部分を選択的に除去するエッチング工程と洗浄の過程を何度も繰り返します。 この時、それぞれの回路を区分、連結、保護する役割を担う薄い膜を薄膜(Thin film)といいます。 今回は、この薄膜を作る蒸着工程と半導体に電気的特性を持たせる一連の過程について見ていきます。

ウェハに薄い膜を付着させる蒸着工程(deposition)

「薄膜(thin film)」の定義は、「単純な機械加工では作ることができない1マイクロメートル(μm、100万分の1メートル)以下の薄膜」となっています。 ウェハ上に必要な分子または原子単位の薄膜を付着させる一連の過程を蒸着(Deposition)といいます。 あまりにも薄いため、ウェハ上に均一に薄膜を形成するには、正確で細やかな技術力が必要です。
半導体の蒸着構造
半導体の蒸着構造

▲半導体の蒸着構造

蒸着の方法は、大きく二つに分けることができます。 物理気相成長法(PVD, Physical Vapor Deposition)と化学気相成長法(CVD, Chemical Vapor Deposition)です。 物理気相成長法(PVD)は、金属薄膜の蒸着に主に使用され、化学反応は伴いません。 一方、化学気相成長法(CVD)は、ガスの化学反応によって形成された粒子を、外部エネルギーが加えられた水蒸気の形で蒸着する方法です。 導体、不導体、半導体の薄膜蒸着にすべて使用できる技術です。 現在、半導体工程では、化学気相成長法(CVD)を主に使用しています。 化学気相成長法(CVD)は、使用する外部エネルギーによって、熱CVD、プラズマCVD、光CVDに細分化できます。 とりわけプラズマCVDは、低温で形成できるほか、厚さの均一度の調整や大量の処理が可能という長所があり、最も多く利用されています。 蒸着工程を通じて形成された薄膜には、大きく分けて、回路間の電気的信号をつなぐ金属膜(導電)層と、内部の層を電気的に分離したり汚染源から遮断する絶縁膜層があります。

ウェハを半導体にするイオン注入工程(Ion Implantation)

ウェハを半導体にするイオン注入工程(Ion Implantation)
ウェハを半導体にするイオン注入工程(Ion Implantation)

このとき、半導体が電気的な性質を持つようにする工程が必要になります。 電気を通す導体と通さない不導体の性質を兼ね備えた半導体となるよう、イオン注入工程(Ion Implantation)を通じてシリコンウェハに半導体の生命を吹き込みます。 純粋な半導体はケイ素でできているため電気が通りませんが、不純物を入れると電流を通す導電性を持つようになります。 このときの不純物をイオン(Ion)といい、細かいガス粒子の形にしたイオンを狙った深さでウェハ全面に均一に注入します。 ここで不純物として第15族元素のリン(P)、ヒ素(As)、第13族元素のホウ素(B)などを使用します。 第15族元素を注入するとn型半導体に、第13族元素を注入するとp型半導体になります。 薄膜をどれほど薄く均一に形成できたかが半導体の品質を左右するほど、蒸着工程は重要です。 将来的には、髪の毛の数百万分の1のサイズの半導体回路に電気的性質を付与できるように、より一層薄く均一な薄膜が形成できる蒸着技術が求められるでしょう。 次回は、酸化、フォト、エッチング、蒸着工程を経て作った素子をつないで回路の機能を持たせる過程、金属配線工程についてご紹介します。
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