パージ時間とは

パージ時間とは、ALDの1サイクルの中で、余剰の原料と副生成物を反応室から運び去るために不活性ガスを流し続ける時間です。 膜が育つ量はゼロで、それでも1サイクルに2回入り、サイクル数を掛けた分が1枚あたりの時間へ積み上がります。

定義・解説

SEAJの半導体製造装置用語集（ウェーハプロセス）は、ALDを、通常2種類のソースガスを交互に反応室に流し、薄膜の成長を1原子層または1分子層ずつ行う方法とし、Al₂O₃膜ではTMAとH₂Oを交互に流すと記述しています。サムコのALD装置のページは、これを原料の供給と余剰原料のパージの繰り返しとして書き、原料ガスが表面反応により1層を形成した時点で成長が止まる自己停止機能を挙げています。昭和真空のALD Seriesは、単原子層ずつ成膜するため膜厚制御性に優れることと、高アスペクト比の基板に対しても付き回りよく成膜できることを特長に挙げています。交互に流す2種類のガスに、それぞれパージが1回ずつ続くため、1サイクルは供給とパージの4ステップになり、パージは1サイクルに2回入ります。

パージが受け持つ仕事は2つです。1つは、次に入る反応剤と気相で出会う前に余剰の前駆体を運び去ることです。東京エレクトロンの半導体用語集はCVDを、必要な材料を含むガスを反応室へ導入して化学反応を誘起し、基板上へ薄膜を堆積させる化学的プロセスとしています。パージを削ったALDは、この気相反応の成分をサイクルの中へ抱え込みます。もう1つは、前のステップの副生成物を運び去り、次のサイクルの吸着サイトを空けることです。

半導体歴史館のALDの記述は、置換吸着が飽和する反応のため、充分な暴露時間のもとでは表面反応が成長速度を支配し、ほぼ完全な表面反応律速の成膜になると述べ、これによってパターンに粗密のある三次元構造上でも均一な成膜へ届くとしています。同じ記述は、従来のLPCVDが反応種の供給律速のためにアスペクト比の増大とともに底部の膜厚が上部より薄くなる問題を抱えていたと述べています。パージ時間は、この充分な暴露時間と対になる量です。供給側で表面を飽和させ、パージ側で気相を空にした時点で、1サイクルが自己停止の条件を満たします。

パージ時間は1サイクルの長さを支配します

1サイクルの中でパージは供給と交互に2回入るため、パージ時間の増減はそのまま2倍で棒の長さへ乗ります。削った側は棒が短くなる代わりに気相反応の成分を抱え、伸ばした側は表面反応律速を確保したうえで棒だけが伸びます。棒の長さの差が、そのままウェーハ1枚あたりの時間差です。

深い孔がパージ時間を伸ばします

KOKUSAI ELECTRICが公開しているIR Day 2024のテキスト版は、3D構造になるとデバイスの構造がより深く複雑になり、成膜が必要な表面積が拡大し、ガスの移動が長くなり、成膜時間が増加して生産性の課題が顕在化すると述べ、これを物理的な構造上の問題としています。同社の技術ページは、反応種を豊富に供給するプロセスによって、200層以上の深孔を持つ3D-NANDでもステップカバレッジに優れた方法を提供し、主要メモリメーカーに採用されていると述べています。2024年から2026年にかけての同社の公表内容です。

孔の底まで前駆体が届く時間と、孔の底から余剰分が抜ける時間は、どちらも同じ距離と表面積の関数です。供給量を増やした分は、同じサイクルのパージが引き受ける量になります。ここがアスペクト比の高い3D NANDでパージ時間が伸びる理由です。

往復の距離が供給とパージの両方を伸ばします

入口から底までの往復距離が伸びると、前駆体が底へ届くまでの時間と余剰分が抜けるまでの時間の両方が伸びます。下段の横棒は、同じ膜を同じ飽和条件で載せるときに供給とパージへ配る時間の比を示します。KOKUSAI ELECTRICが物理的な構造上の問題と呼ぶのは、この距離と表面積の関係です。

何を測るか

測る対象は反応室の残留分圧です。アルバックのULVAC SHOWCASEは、プロセスガスモニタQulee RGM2をCVD、エッチング、ALD向けのガス分析装置とし、反応性と腐食性のガスのもとでも長時間安定した測定を可能とすること、クリーニングのエンドポイントモニタリングに加えてリーク監視、残留水分、その他の不純物の監視に適することを挙げています。同社のよくある質問は、測定できる圧力帯を、スパッタリング装置対応機種で1Pa以下、それ以外の機種で1×10⁻²Pa以下とし、差動排気系付きの機種であれば最大で大気圧までの測定も可能としています。同社製品の公表仕様です。

レシピ側の手順は、パージ時間を段階的に伸ばしながら1サイクルあたりの成長量を測り、成長量が下がりきった点を最短パージ時間として採る作り方です。パージが短い側では、気相反応の成分の分だけ成長量が飽和値より上へ振れます。併せて膜厚測定で面内均一性を追い、入口と底の膜厚比は断面観察で取ります。

つまみと代償

1つ目はパージ時間そのものです。伸ばすと気相反応の成分が減り、成長量が飽和値へ落ち着き、面内分布とステップカバレッジが締まります。代わりに1サイクルが長くなり、サイクル数を掛けた分だけ1枚あたりの時間が伸びます。前掲のIR Day 2024のテキスト版は、ALDの課題としてサイクリックプロセスゆえのスループットの低さとウェーハコストの増加を挙げています。

2つ目は反応種の供給量です。前掲の技術ページが挙げる反応種を豊富に供給するプロセスは、底まで届く時間を縮める方向です。代わりに、増えた供給量はそのままパージが引き受ける量になります。

3つ目はバッチ枚数です。同じIR Day 2024のテキスト版は、バッチ装置が一度に50〜100枚のウェーハを成膜できるとし、複雑な構造への成膜における生産性の解として掲げています。枚数を増やすとパージ時間が枚数で割られ、1枚あたりの時間が下がります。代わりに、膜の種類と用途、成膜エリアのアスペクト比に応じたすみ分けが働き、同社はアスペクト比の低い加工工程の犠牲膜が枚葉側で使われることが多いと述べています。

4つ目は基板温度です。昭和真空はALD Seriesの低温成膜の範囲を室温から120℃と公表しています。同社製品の公表仕様です。低温側へ振ると熱予算に余裕が生まれ、代わりに後段の膜質改善工程が1つ増えます。前掲の技術ページは、低温環境での成膜需要の高まりに合わせ、成膜後にプラズマや熱を加えて膜中の不純物を除去し粒子を安定させるトリートメント技術の需要が拡大していると述べています。

取引

得るものは、表面反応律速による三次元構造上の均一な膜厚です。差し出すものは、サイクルタイムとウェーハコストです。狙う膜厚を1サイクルあたりの成長量で割ればサイクル数になり、これに1サイクルのパージ2回分を掛けた時間が、膜を育てる量ゼロのまま1枚あたりへ積み上がります。KOKUSAI ELECTRICはこの取引を枚数で割る側の解としてバッチALDを掲げ、2023年時点のバッチALD市場での同社シェアを70パーセントとしています。ガートナーリサーチのシェアデータに基づく同社IR資料の記載です。

よくある質問（FAQ）

パージ時間とは何ですか？

ALDの1サイクルの中で、余剰の原料と副生成物を反応室から運び去るために不活性ガスを流し続ける時間です。サムコのALD装置のページはALDを原料の供給と余剰原料のパージの繰り返しとしており、SEAJの用語集が挙げる2種類のソースガスは交互に流れるため、パージは1サイクルに2回入ります。

パージを削ると何が起きますか？

前駆体と反応剤が気相で出会い、気相反応の成分がサイクルへ混ざり込みます。東京エレクトロンの用語集はCVDを、反応室へ導入したガスに化学反応を誘起して基板上へ薄膜を堆積させる化学的プロセスとしており、パージ不足のALDはこの成分を抱えます。

最短のパージ時間はどう求めますか？

パージ時間を段階的に伸ばしながら1サイクルあたりの成長量を測り、成長量が下がりきった点を採ります。半導体歴史館のALDの記述は、置換吸着が飽和する反応のため、充分な暴露時間のもとでは表面反応が成長速度を支配し、ほぼ完全な表面反応律速の成膜になると述べています。

パージの足り具合は何を測ると分かりますか？

反応室の残留分圧です。アルバックはプロセスガスモニタQulee RGM2の用途として、クリーニングのエンドポイントモニタリング、リーク監視、残留水分、その他の不純物の監視を挙げています。同社のよくある質問は測定できる圧力帯を、スパッタリング装置対応機種で1Pa以下、それ以外の機種で1×10⁻²Pa以下とし、差動排気系付きの機種なら大気圧までの測定も可能としています。

深い孔ではパージ時間はどう変わりますか？

伸びます。KOKUSAI ELECTRICのIR Day 2024のテキスト版は、3D構造になると構造がより深く複雑になり、成膜が必要な表面積が拡大し、ガスの移動が長くなり、成膜時間が増加して生産性の課題が顕在化すると述べ、これを物理的な構造上の問題としています。

基板温度はパージ時間の判断へどう絡みますか？

昭和真空はALD Seriesの低温成膜の範囲を室温から120℃と公表しています。同社製品の公表仕様です。低温側へ振ると熱予算に余裕が生まれ、代わりに後段の膜質改善工程が1つ増えます。KOKUSAI ELECTRICは低温環境での成膜需要の高まりに合わせ、成膜後にプラズマや熱を加えて膜中の不純物を除去し粒子を安定させるトリートメント技術の需要が拡大していると述べています。

パージ時間は1枚あたりのコストへどう積み上がりますか？

1サイクルにパージは2回入るため、狙う膜厚を1サイクルあたりの成長量で割ったサイクル数を掛けた分が総時間になります。KOKUSAI ELECTRICはALDの課題としてサイクリックプロセスゆえのスループットの低さとウェーハコストの増加を挙げ、その解として一度に50〜100枚を成膜するバッチ装置を掲げています。

比較・違いを学ぶ

ALD（原子層堆積）とは ── パージを含む4ステップで1サイクルを組む成膜法
ステップカバレッジとは ── パージ時間の足り具合が最終的な膜厚差になる指標
サイクルタイムとは ── 1サイクルの長さが工場側の指標へ積み上がる経路

出典

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KOKUSAI ELECTRIC「KOKUSAI ELECTRICの強み」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── ALDが複数のガスをサイクリックに供給するため成膜に時間がかかること、200層以上の深孔を持つ3D-NANDへ反応種を豊富に供給する方法、低温成膜の需要拡大とトリートメント技術
KOKUSAI ELECTRIC「IR Day 2024 Part2 テキスト版」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 3D構造での表面積拡大とガスの移動距離の増加による成膜時間の増加、バッチ装置の50〜100枚、サイクリックプロセスのスループットとウェーハコスト、バッチALD市場での70パーセントのシェア
アルバック ULVAC SHOWCASE「CVD / ALD / Etchingプロセス（プロセスガスモニタ）」および「よくある質問」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 残留水分と不純物の監視、エンドポイントモニタリング、測定できる圧力帯と差動排気系
SEAJ「半導体製造装置用語集（ウェーハプロセス）」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── ALDの2種類のソースガスの交互供給、Al₂O₃膜でのTMAとH₂O
半導体歴史館（SHMJ）「ALD(原子層成膜)」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 置換吸着の飽和、充分な暴露時間のもとでの表面反応律速、LPCVDの供給律速による底部の膜厚低下
サムコ「ALD装置」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 原料の供給と余剰原料のパージの繰り返し、1層を形成した時点での自己停止機能
昭和真空「ALD Series 原子層堆積装置」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 単原子層ずつの成膜による膜厚制御性、高アスペクト比の基板への付き回り、室温から120℃という低温成膜の範囲
東京エレクトロン「半導体用語集」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── CVDを反応室内の化学反応で薄膜を堆積させる化学的プロセスとする記述