薄膜堆積は、半導体の主基板材料上に膜の層をコーティングすることです。この膜には絶縁性化合物二酸化ケイ素、半導体ポリシリコン、金属銅などさまざまな材料が使用できます。このコーティングに使用される装置を薄膜形成装置と呼びます。
半導体チップの製造工程から見ると前工程に位置します。
薄膜作製プロセスは、成膜方法に応じて物理蒸着法（PVD）と化学蒸着法の 2 つに分類できます。(CVD)そのうちCVDプロセス装置の占める割合が高くなります。
物理蒸着 (PVD) とは、蒸着、スパッタリング、イオン ビームなどを含む、低圧ガス/プラズマによる材料ソースの表面の気化と基板の表面への蒸着を指します。
化学蒸着 (CVD) 混合ガスの化学反応によってシリコンウェーハの表面に固体膜を堆積するプロセスを指します。反応条件（圧力、前駆体）により大気圧と大気圧に分けられます。CVD(APCVD)、低圧CVD(LPCVD)、プラズマ強化 CVD (PECVD)、高密度プラズマ CVD (HDPCVD)、および原子層堆積 (ALD)。
LPCVD: LPCVD は、より優れたステップ カバレッジ能力、優れた組成と構造制御、高い堆積速度と生産量を備え、粒子汚染源を大幅に削減します。反応を維持するための熱源として加熱装置を使用するため、温度管理とガス圧力が非常に重要です。 TopCon セルのポリ層製造に広く使用されています。
PECVD: PECVD は、高周波誘導によって生成されたプラズマを利用して、薄膜堆積プロセスの低温 (450 度未満) を実現します。低温堆積がその主な利点であり、それによってエネルギーを節約し、コストを削減し、生産能力を向上させ、高温によって引き起こされるシリコンウェーハ内の少数キャリアの寿命減衰を低減します。 PERC、TOPCON、HJTなどの各種セルのプロセスに適用可能です。
ALD：膜の均一性が良く、緻密で穴がなく、ステップカバレッジ特性が良く、低温（室温～400℃）で実行可能、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可能、反応物の流れの均一性を制御する必要がありません。ただし、成膜速度が遅いという欠点があります。ナノ構造絶縁体 (Al2O3/TiO2) や薄膜エレクトロルミネセンス ディスプレイ (TFEL) の製造に使用される硫化亜鉛 (ZnS) 発光層などです。
原子層堆積 (ALD) は、単一原子層の形で基板の表面に薄膜を層ごとに形成する真空コーティング プロセスです。 1974 年にはフィンランドの材料物理学者 Tuomo Suntola がこの技術を開発し、100 万ユーロのミレニアム技術賞を受賞しました。 ALD 技術はもともとフラット パネルのエレクトロルミネッセンス ディスプレイに使用されていましたが、広く使用されることはありませんでした。 ALD 技術が半導体産業に採用され始めたのは 21 世紀初頭になってからです。従来の酸化シリコンに代わる極薄の高誘電体材料を製造することで、電界効果トランジスタの線幅の縮小によって引き起こされるリーク電流の問題を解決することに成功し、ムーアの法則が線幅の縮小に向けてさらに発展することを促しました。 Tuomo Suntola 博士は、ALD によりコンポーネントの集積密度を大幅に向上できるとかつて述べました。
公開データによると、ALD 技術は 1974 年にフィンランドの PICOSUN の Tuomo Suntola 博士によって発明され、Intel が開発した 45/32 ナノメートル チップの高誘電体膜など海外で工業化されています。中国では、私の国は外国より 30 年以上遅れて ALD 技術を導入しました。 2010年10月、フィンランドのPICOSUNと復旦大学は国内初のALD学術交流会を主催し、ALD技術を初めて中国に紹介した。
従来の化学気相成長法と比較して (CVD) や物理蒸着 (PVD) と同様に、ALD の利点は、優れた三次元共形性、大面積の膜の均一性、および正確な厚さ制御であり、複雑な表面形状や高アスペクト比の構造上での超薄膜の成長に適しています。
―データ出典：清華大学マイクロ・ナノ加工プラットフォーム―
ムーア以降の時代では、ウェーハ製造の複雑さとプロセス量は大幅に改善されました。ロジックチップを例にとると、45nm以下のプロセスの生産ライン、特に28nm以下のプロセスの生産ラインの増加に伴い、膜厚や精度管理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 プロセスのステップ数と必要な装置の数は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構造に進化し、内部層の数が増加し続け、コンポーネントが徐々に高密度、高アスペクト比の構造を呈し、重要な役割を果たしています。 ALD の症状が現れ始めています。半導体の将来の発展という観点から見ると、ALD技術はポストムーア時代においてますます重要な役割を果たすことになるでしょう。
たとえば、ALD は、複雑な 3D 積層構造 (3D-NAND など) の被覆率と膜性能要件を満たすことができる唯一の堆積技術です。これは下の図ではっきりとわかります。 CVD A (青) で堆積された膜は、構造の下部を完全には覆っていません。たとえカバレッジを達成するために CVD (CVD B) にプロセス調整が行われたとしても、膜の性能と底部領域の化学組成は非常に劣っています (図の白い領域)。対照的に、ALD テクノロジーを使用すると、膜が完全に被覆され、構造のすべての領域で高品質で均一な膜特性が達成されます。
—-図 CVD と比較した ALD 技術の利点 (出典: ASM)—-
短期的には CVD が依然として最大の市場シェアを占めていますが、ALD はウェーハ製造装置市場で最も急速に成長している部分の 1 つとなっています。大きな成長の可能性があり、チップ製造において重要な役割を果たしているこの 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