絶縁膜は塗らない。1,000℃の炉でシリコンを“焦がして”育てる——シリコンが王者になれた理由「熱酸化」

熱酸化とは何か——なぜ「塗る」のではなく「育てる」のか

熱酸化とは、シリコンの表面を高温で酸素と反応させ、二酸化ケイ素（SiO2）の膜に変えてしまう工程です。二酸化ケイ素は窓ガラスや石英と同じ成分で、電気をほとんど通さない優れた絶縁体。つまり熱酸化は、導体と絶縁体を仕切る「壁」の材料を、ウェハーの表面そのものから作り出す処理です。

ふつう、何かの表面に膜を付けたければ、ペンキのように上から塗るか、蒸着のように上から積もらせます。しかし熱酸化は違います。炉の中で約800〜1,200℃に熱したウェハーの表面に酸素や水蒸気を流すと、表面のシリコン原子自身が酸素と結びついて、その場で膜に変わっていくのです。パンをトーストすると、何も塗っていないのに表面だけがきつね色の層に変わる——イメージはあれに近いものです。

この「自分の体から膜を育てる」方式には、決定的な利点があります。塗った膜なら、土台との境目にゴミや隙間が入り込む余地があります。ところが育てた膜は、シリコンと膜が原子レベルで連続的につながっており、境目が驚くほどきれいです。トランジスタの性能はまさにこの境目の品質で決まるため、この差は決定的でした。

なぜ良質な酸化膜が、シリコンを半導体の王者にしたのか

半導体の材料になれる物質は、シリコンだけではありません。むしろ電子の走りやすさだけを比べれば、ゲルマニウムなどシリコンより優れた材料もあります。それでも半導体の主役がシリコンであり続けるのは、高品質のSiO2膜を表面に作れるという性質を持つ、ほぼ唯一の実用材料だからです。

鉄を思い浮かべてください。鉄も空気中で酸化しますが、できるのはボロボロと剥がれる錆で、内部を守るどころか腐食を進めてしまいます。一方シリコンの「錆」である二酸化ケイ素は、緻密で安定したガラスの膜になり、内部のシリコンをぴったり覆って守ります。同じ「酸化」でも、できあがる膜の性格がまるで違うのです。

この膜の最重要の使い道が、ゲート絶縁膜です。トランジスタは電気の流れをオン・オフするスイッチですが、スイッチを操作する「指」と電気の通り道の間には、極薄の絶縁の仕切りが必要です。熱酸化で作ったSiO2はこのゲート絶縁膜や、表面を保護する膜として使われ、不純物からウェハーを守り、電流が回路の間で漏れるのを防ぐ役割も担います。トランジスタというスイッチの仕組みそのものは「「半導体とは何か」」で、スイッチの形が平面から立体へ進化していく話は「「小さくしたら電気が漏れ始めた。トランジスタが平面から立体へ変わった理由」」で解説しています。

炉の中で何が起きているのか——膜はシリコンを食いながら育つ

それでは、炉の中の様子を見てみましょう。熱酸化に使われる代表的な装置が縦型炉です。ウェハーを何十枚も棚のように並べた「ボート」ごと縦長の炉に差し込み、一度にまとめて処理します。まずは3Dモデルで、ウェハーが炉に入ってから膜が育つまでを追ってください。

面白いのは断面図です。酸化膜は、表面に上から積もるのではありません。酸素の分子は、すでにできた膜の中を通り抜けて、膜とシリコンの境目まで潜り込み、そこで新しいシリコンと反応します。つまり膜は、シリコンを食いながら下へ下へと成長していくのです。計算上、育った酸化膜の全厚さのうち約45%は、もともとシリコンだった部分にあたります。

この「食いながら育つ」性質こそ、品質の秘密です。反応が起きる境目は、常にシリコンの内部から新しく現れた、汚れを知らない清浄な面になります。空気に触れたことのある表面ではなく、たった今生まれた面の上で膜が育つ。境目が原子レベルできれいなのは、この仕組みのおかげです。ちなみに、この土台のウェハー自体がどれほど途方もない純度で作られているかは、前回の「「半導体は砂から始まっていた——純度99.999999999%の円盤「シリコンウェハー」ができるまで」」をどうぞ。

ドライ酸化とウェット酸化は何が違うのか

熱酸化の作り方は、大きく2通りあります。炉に流すガスが酸素だけならドライ酸化、水蒸気を使うならウェット酸化です。マイナビの工程解説とSemi Journalの技術解説をもとに整理すると、性格の違いはこうなります。

水の分子は酸素の分子より膜の中を通り抜けやすいため、ウェット酸化は成長が速く、厚い膜を短時間で作れます。その代わり、膜の緻密さではドライ酸化に一歩譲ります。じっくり弱火で仕上げる料理と、強火で一気に仕上げる料理のようなもので、どちらが優れているかではなく、膜の用途で使い分けます。トランジスタの心臓部には遅くても緻密なドライ酸化、面積の広い仕切り壁には速いウェット酸化、という具合です。

なお、熱酸化はウェハーが受ける数百の工程の入口にすぎません。このあと回路を描き、削り、埋めていく前工程の全体像は「「1枚のシリコンが、チップになるまでの数百工程をたどる」」で見渡せます。

この工程に強い企業はどこか

熱酸化を含むバッチ式の熱処理・成膜装置——つまり縦型炉の市場は、東京エレクトロンとKOKUSAI ELECTRICの日本勢2社が中心の寡占市場です。何十枚のウェハーを1,000℃前後で均一に焼き上げるには、炉内の温度とガスの流れをミリ単位・コンマ数℃単位で作り込む必要があり、この地道なノウハウの蓄積で両社が世界をリードしてきました。

東京エレクトロンの縦型熱処理装置TELINDYシリーズは、酸化・アニール（熱による性質の調整）・成膜を1台でこなすバッチ式装置で、累計1万台を超える実績を持ちます。最新機は300mmウェハーを一度に百枚以上処理できます。同社が装置市場全体でどんな位置にいるかは「「半導体の“塗って・削って・盛る”工程は、この日本企業が握っている」」で分析しています。

もう1社のKOKUSAI ELECTRICは、旧・日立国際電気の半導体装置部門から生まれた縦型炉の名門です。縦型炉の技術を発展させたバッチ式のALD（原子の層を1枚ずつ重ねる成膜法）装置では、世界シェア約7割を握ります。派手さはないものの、「炉でウェハーを均一に処理する」という一点を数十年磨き続けた、典型的な日本型のチャンピオン企業です。

熱酸化は、シリコン自身を材料にした「育てる膜」でした。しかし回路を積み上げていくには、シリコン以外の材料の膜——金属や窒化膜——を上から重ねる技術も必要になります。次回は、その「成膜」の工程を歩きます。