半導体チップは、爪よりも小さく、紙よりも薄い多数のマイクロスケールの層で構成されています。半導体は高く高密度に積み上げられ、高層ビルのような複雑な構造を形成しています。

このような構造を作るには、半導体の原料である単結晶シリコンウェハーの上に薄膜をコーティングして回路をパターニングするリソグラフィー、不要な材料を選択的に除去するエッチング、そして、次に表面の不純物を除去します。

エッチングと洗浄プロセスの後、薄膜は回路を分離、接続、保護する役割を果たします。次に、薄膜を製造するための成膜プロセスと、半導体に電気的特性を付与するためのイオン注入プロセスを紹介します。

蒸着プロセス: ウェハに薄膜を貼り付ける

「薄膜」とは、単純な機械加工では実現できない1ミクロン（μm）以下の膜のことを指します。堆積は、ウェーハを目的の分子レベルまたは原子レベルの薄膜でコーティングする一連のプロセスです。フィルムは非常に薄いため、ウエハ上にフィルムを均一に塗布するには精密な技術が必要です。

堆積は一般に 2 つのタイプに分類できます。これら 2 つのタイプは、物理蒸着 (PVD) と化学蒸着 (CVD) です。

物理蒸着は、主に化学反応を伴わずに金属膜を蒸着するために使用されます。一方、化学気相成長法では、ガスの化学反応によって生成した粒子蒸気に外部エネルギーを加え、その蒸気を表面に吹き付けて蒸着します。この技術は、導体、絶縁体、半導体上に薄膜を堆積するために使用できます。

化学蒸着は、現在の半導体プロセスで最も広く使用されている堆積方法です。さらに、使用する外部エネルギー源に応じて、熱CVD、プラズマCVD、光誘起CVDに分類できます。中でもプラズマ CVD は、低温での成膜、膜厚均一性の制御、大量生産が可能なため、最も一般的な用途です。

蒸着プロセスによって形成される薄膜は、回路間の電気信号を接続する金属（導電）層と、内部配線層間の電気的絶縁や汚染物質の侵入を防ぐ絶縁層の2層で構成されます。

イオン注入: ウェーハを半導体に変換します。

この時点では、半導体に電気的特性を付与するプロセスがまだ必要です。半導体は導体と絶縁体の両方の特性を備えており、イオン注入は本質的にシリコンウェーハを半導体に変えるプロセスです。純粋なシリコンは絶縁体で電気を通しませんが、不純物を加えることで導電性が付与され、電流を流すことが可能になります。

これらの不純物はイオンとして知られています。これらのイオンは小さなガス状粒子に変換され、ウェーハの前面に所望の深さまで注入されます。使用される不純物は、周期表の第 15 族 (P、リン、As、ヒ素) または第 13 族 (B、ホウ素) に由来します。第 15 グループの元素を注入すると n 型半導体 (電子型) が得られ、第 13 グループの元素を注入すると p 型半導体 (正孔型) が得られます。

堆積膜の厚さと均一性が半導体の品質を決定するため、堆積プロセスは非常に重要です。将来の半導体回路構造の厚さは、人間の髪の毛の数百万分の１になるでしょう。これらの回路に電気的特性を持たせるためには、より薄く均一な薄膜を生成するためのより高度な蒸着技術が必要です。

次回は、酸化、フォトリソグラフィー、エッチング、蒸着プロセスによって生成された要素を接続し、回路を形成することを目的とした金属配線について学びます。