この記事で分かること
- ターゲット材の種類：アルミニウム、銅が金属配線に、チタン、白金は電極に、酸化シリコン、窒化シリコンは絶縁膜に利用されています。
- 酸化膜の形成方法：酸化物を直接ターゲット材にする手法と単体金属のターゲット材と酸素ガスなどの反応性ガスを導入して酸化膜を形成する手法があります。
- 反応性ガスを導入するメリット：化合物薄膜の形成が容易、膜組成の制御の自由度が高い、単体のターゲット材のほうがコストが安いなどの利点があります。
スパッタリングによる成膜
半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。
https://optronics-media.com/news/20250414/99245/
特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。
今回は前工程の成膜工程の方法のひとつであるスパッタリング、特にどのようなターゲット材があるのかについての解説となります。
スパッタリング（物理気相成長法）とは何か
スパッタリングは、真空中で行われる物理気相成長（PVD）法の一種であり、半導体デバイスの製造において、薄膜を形成するための重要な技術の一つです。
スパッタリングの原理
- 真空チャンバー: 装置内は高真空状態に保たれます。
- プラズマ生成: アルゴンなどの不活性ガスを導入し、ターゲット（成膜材料）と基板（シリコンウェハなど）の間に電圧を印加します。これにより、ガスがイオン化されプラズマが発生します。
- ターゲットへのイオン衝突: プラズマ中のイオンがターゲットに高速で衝突します。
- スパッタリング現象: 衝突のエネルギーにより、ターゲットを構成する原子や分子が弾き飛ばされます。この現象がスパッタリングと呼ばれます。
- 薄膜形成: 弾き飛ばされたターゲット原子や分子が基板表面に堆積し、薄い膜を形成します。
例えるなら、真空の部屋の中で、ボール（イオン）を壁（ターゲット）に勢いよくぶつけると、壁の塗料（ターゲット原子）が剥がれ落ちて、近くにある板（基板）に付着するようなイメージです。
スパッタリングの特徴と半導体製造における利点
- 高い密着性: ターゲットから弾き出された粒子は高いエネルギーを持っているため、基板に強固に密着した膜を形成できます。
- 緻密な膜質: 形成される膜は密度が高く、均一性に優れています。ナノスケールの薄膜を精密に制御できるため、微細化が進む半導体デバイスの製造に不可欠です。
- 多様な材料に対応: 金属だけでなく、合金、酸化物、窒化物など、様々な材料の薄膜を形成できます。融点の高い材料や、複数の元素からなる化合物でも組成を維持したまま成膜が可能です。
- 成膜プロセスの安定性: プロセスパラメータを精密に制御することで、膜厚や膜質を高い精度で再現できます。
- 基板へのダメージが少ない: ターゲットを加熱する必要がないため、熱に弱い材料を基板に使用する場合にも適しています。
半導体製造でのスパッタリングの用途
- 金属配線: アルミニウム（Al）、銅（Cu）などの金属薄膜を形成し、デバイス内の電気信号の通り道を作ります。
- 電極形成: チタン（Ti）、白金（Pt）などの金属薄膜を用いて、トランジスタなどの電極を形成します。
- バリア膜: タンタル（Ta）、窒化チタン（TiN）などの薄膜を形成し、金属配線の拡散を防いだり、デバイスの信頼性を向上させたりします。
- 絶縁膜: 酸化シリコン（SiO₂）、窒化シリコン（Si₃N₄）などの薄膜を形成し、素子間の電気的な絶縁を行います。
- 透明導電膜: 酸化インジウムスズ（ITO）などの透明な導電性薄膜を形成し、タッチパネルやディスプレイなどに利用されます。
スパッタリングは真空中で不活性ガス（主にアルゴン）をイオン化させ、生成したイオンをターゲット（成膜材料）に衝突させます。この衝突エネルギーにより、ターゲット原子が弾き飛ばされ（スパッタリング現象）、基板上に堆積して薄膜を形成する技術です。
酸化物のスパッタリングの方法は
- 酸化シリコン（SiO₂）またはシリコン（Si）のターゲットにアルゴンなどの不活性イオンを衝突させ、弾き飛ばされた原子や分子を基板上に堆積させて酸化シリコン膜を形成します。
- シリコンターゲットを用いる場合は、酸素ガスなどの反応性ガスを導入して酸化膜を形成する（反応性スパッタリング）こともあります。
- 特徴:
- 物理的なプロセスであるため、ターゲットの組成に近い膜が得られます。
- 比較的高い成膜レートが可能です。
- 密着性の高い膜が得られます。
- 膜厚制御が比較的容易です。
- 段差被覆性はCVDに比べて劣る場合があります。
- RFスパッタリングを用いることで、絶縁性の高い酸化シリコンターゲットからの成膜も可能です。
酸化物を直接ターゲット材にする手法と単体金属のターゲット材と酸素ガスなどの反応性ガスを導入して酸化膜を形成する手法があります。
反応性スパッタリングの利点は何か
反応性スパッタリングは、通常のスパッタリングに反応性ガスを導入することで、ターゲット材と反応性ガスを反応させながら薄膜を形成する方法です。
この手法には、通常のスパッタリングと比較して以下のような利点があります。
1. 化合物薄膜の形成が容易
- 酸化物、窒化物、炭化物など、ターゲット材の元素と反応性ガスの元素からなる化合物薄膜を、単一のターゲットを用いて直接的に形成できます。
- 例えば、シリコン（Si）ターゲットと酸素ガス（O₂）を用いることで酸化シリコン（SiO₂）膜を、チタン（Ti）ターゲットと窒素ガス（N₂）を用いることで窒化チタン（TiN）膜を形成できます。
2. ターゲット材の選択肢が広がる
- 化合物ターゲットを用意する必要がないため、単体金属などの入手しやすいターゲット材を利用できます。
- 複雑な組成の化合物ターゲットの製造が難しい場合でも、反応性スパッタリングを利用することで所望の組成に近い薄膜を得られる可能性があります。
3. 薄膜の組成制御
- 反応性ガスの流量や分圧を調整することで、成膜される薄膜の組成比を制御できます。これにより、膜の電気的特性、光学特性、機械的特性などを細かく調整することが可能です。
4. 高純度な化合物薄膜
- 原料となるターゲット材の純度が高ければ、比較的純度の高い化合物薄膜を形成できます。
5. 成膜レートの向上
- 特定の反応条件下では、通常のスパッタリングよりも高い成膜レートが得られる場合があります。
6. コスト効率
- 化合物ターゲットは一般的に高価であるため、単体ターゲットと反応性ガスを用いることでコストを削減できる場合があります。
7. 多様な材料への応用
- 金属だけでなく、半導体や絶縁体など、様々な材料のターゲットと反応性ガスを組み合わせることで、多様な機能性薄膜を形成できます。
反応性スパッタリング課題
- プロセス制御の複雑さ: 反応性ガスの導入により、プラズマの状態やターゲット表面の状態が変化しやすく、安定した成膜を行うためには高度なプロセス制御が必要です。
- ターゲットポイズニング: ターゲット表面が反応生成物で覆われる（ポイズニング）と、スパッタリングレートが低下したり、膜質が変化したりする可能性があります。
- ヒステリシス現象: 反応性ガスの流量と成膜レートや膜特性の関係が非線形になることがあり、安定したプロセスウィンドウを見つけるのが難しい場合があります。
化合物薄膜の形成が容易、膜組成の制御の自由度が高い、単体のターゲット材のほうがコストが安いなどの利点があります。
ターゲット材のメーカーはどのような企業か
半導体製造におけるスパッタリングターゲット材の有名なメーカーはいくつかあり、世界的に高いシェアを持つ企業も存在します。具体的なメーカーとしては、以下の企業が挙げられます。
高いシェアを持つ主要メーカー
- JX金属 (JX Nippon Mining & Metals)：日本の大手非鉄金属メーカーであり、スパッタリングターゲット材においても世界的に高いシェアを誇ります。特に、銅（Cu）やタンタル（Ta）などの高純度ターゲット材で強みを持っています。
- Materion (旧Heraeus)：アメリカの特殊材料メーカーであり、高純度スパッタリングターゲット材で世界的なシェアを持っています。幅広い材料に対応しており、技術力に定評があります。
- ULVAC (アルバック)：日本の総合真空機器メーカーであり、スパッタリング装置だけでなく、ターゲット材も幅広く手掛けています。多様な用途に対応できるラインナップが強みです。
その他の主要メーカー
- Plansee SE: オーストリアの粉末冶金メーカーで、タングステン（W）やモリブデン（Mo）などの高融点金属ターゲット材で高い技術力を持っています。
- Honeywell: アメリカの多角的なテクノロジー企業であり、スパッタリングターゲット材も提供しています。
- TOSOH (東ソー)：日本の化学メーカーであり、近年GaN（窒化ガリウム）などの新しいターゲット材の開発にも力を入れています。
- 住友化学: 日本の総合化学メーカーであり、アルミニウム（Al）ターゲット材などで実績があります。
- 田中貴金属工業: 貴金属材料に強みがあり、金（Au）や白金（Pt）などのターゲット材を提供しています。
JX金属やMaterion、アルバックなどの企業が特に有名なメーカーとなっています。
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