回路を作る薄い膜の材料：絶縁膜、金属膜、バリア

ウェーハの上に積む薄い膜の材料を説明する。絶縁膜に使う酸化シリコンと窒化シリコン、ゲートの絶縁膜で誘電率の高い材料が求められる理由、配線の金属と、金属の広がりを防ぐ膜、膜に求められる性質と作り方を扱う。

半導体の回路は、膜の重なり

半導体のチップの断面を、顕微鏡で見ると、非常に薄い膜が何層にも重なっている。膜には、電気を通さない絶縁膜と、電気を通す金属の膜がある。膜を積んで、削り、また積むことで、トランジスタと配線ができる。

膜の材料は、役割によって選ばれる。このページでは、絶縁膜、金属の膜、金属の広がりを防ぐ膜を、順に見ていく。製造に使うガスや薬液を扱った前のページと違い、ここでは、チップの中に残る材料を扱う。

絶縁膜の代表：酸化シリコン

もっとも基本的な絶縁膜は、酸化シリコンである。シリコンを酸素と反応させて作る、ガラスのような膜である。電気を通しにくく、シリコンとの境目の状態がよい。トランジスタのゲートの絶縁や、素子どうしの分離、配線の間の絶縁に、長く使われてきた。

酸化シリコンは、シリコンを高温で酸化して作る方法のほか、ガスから積む方法でも作れる。作り方によって、膜の質が変わる。高温で酸化して作った膜は、質がよい。

窒化シリコン

窒化シリコンは、シリコンと窒素の化合物である。酸化シリコンより硬く、水分や不純物を通しにくい。そのため、チップの表面を守る膜や、エッチングで削られにくい膜として使われる。

製造の途中で、ほかの膜を削るときに、窒化シリコンの膜を、削られないための覆いとして使うことがある。膜の種類によって、薬液やガスに対する削れやすさが違うことを、利用している。

ゲートの絶縁膜と、誘電率

トランジスタの微細化が進むと、ゲートの絶縁膜を、非常に薄くする必要がある。ゲートの電圧で、半導体の中の電気の通り道を制御するには、絶縁膜が薄いほど、効きがよくなる。

ところが、酸化シリコンの膜を薄くしすぎると、電気がしみ出して、ゲートから漏れてしまう。そこで、同じ効きを、より厚い膜で得るために、誘電率の高い絶縁膜が使われるようになった。誘電率は、電気をためやすさを表す値で、高いほど、同じ厚さで、ゲートの効きが強まる。この種類の膜を、高誘電率膜と呼ぶ。

配線の間の絶縁膜では、逆に、誘電率の低い膜を使う。電気をためにくくして、信号の遅れを抑えるためである。同じ絶縁膜でも、役割によって、誘電率の高低が使い分けられる。

配線の金属

配線には、電気をよく通す金属が使われる。長く使われてきたアルミニウムに加えて、微細な配線では、電気抵抗の低い銅が使われる。銅は、エッチングで削りにくいため、先に溝を掘って埋め込む、ダマシンという方法で作る。

層の間をつなぐ穴や、トランジスタとの接続には、タングステンなど、穴に隙間なく詰めやすい金属が使われる。金属ごとに、電気の通りやすさ、作りやすさ、丈夫さが違い、場所ごとに使い分ける。

金属を閉じ込める膜

銅は、シリコンの中や、絶縁膜の中に広がりやすい。広がった銅は、トランジスタの性質を壊してしまう。そこで、銅の配線のまわりを、広がりを防ぐ膜で囲む。この膜を、バリアメタルや、バリア膜と呼ぶ。

バリア膜には、銅を通さず、電気を通し、薄くても均一に覆える性質が求められる。微細な溝の内側を、すき間なく覆う必要があり、膜を作る方法も、それに合わせて選ばれる。

膜を作る方法も、性質を決める

膜の性質は、材料だけでなく、作り方でも変わる。ガスの反応で積む方法、金属の粒を打ち付けて積む方法、一層ずつ原子を重ねる方法がある。微細な形を均一に覆うには、一層ずつ重ねる方法が向く。

膜の厚さが均一か、中に隙間や不純物がないか、下の層とよく密着しているかが、チップの性能と信頼性を決める。そのため、膜の材料と作り方は、セットで決められる。

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