特許 7507632 スパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-20

(45)【発行日】2024-06-28

(54)【発明の名称】スパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/06 20060101AFI20240621BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20240621BHJP

   H01L 21/318 20060101ALI20240621BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

C23C14/06 A

C23C14/34 R

H01L21/318 B

H05H1/46 M

H05H1/46 L

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020137327

(22)【出願日】2020-08-17

(65)【公開番号】P2022033440

(43)【公開日】2022-03-02

【審査請求日】2023-06-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100093056

【弁理士】

【氏名又は名称】杉谷 勉

(74)【代理人】

【識別番号】100142930

【弁理士】

【氏名又は名称】戸高 弘幸

(74)【代理人】

【識別番号】100175020

【弁理士】

【氏名又は名称】杉谷 知彦

(74)【代理人】

【識別番号】100180596

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 要

(74)【代理人】

【識別番号】100195349

【弁理士】

【氏名又は名称】青野 信喜

(72)【発明者】

【氏名】大澤 篤史

【審査官】安齋 美佐子

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１５－５２９００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－３０２５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６９６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３１１６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０１－５０１０７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １４／００－１４／５８

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スパッタリングにより基板に窒化アルミニウム膜を形成するスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法において、
前記基板が載置されたステージを内蔵したチャンバ－を減圧する減圧工程と、
前記チャンバ－内に窒素ガスを供給する供給工程と、
前記チャンバ－内に配置されているアルミニウムターゲットと、前記ステージとの間に電圧を印加してプラズマを生成するプラズマ生成工程と、
を実施して成膜を行う際に、
前記チャンバ内の圧力を４．０Ｐａ～１０．０Ｐａとするとともに、前記プラズマ生成工程における前記チャンバ－内の温度を室温～５０℃として、アモルファス状態である窒化アルミニウム膜を形成させることを特徴とするスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法において、
前記プラズマ生成工程は、正電位と負電位とを交互に印加するパルス電圧であって、その周波数が５０ｋＨｚ以上、デューティ比が９０％以下であることを特徴とするスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法。

【請求項3】

請求項１に記載のスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法において、
前記チャンバは、前記アルミニウムターゲットの近傍に誘導結合型アンテナを備え、
前記誘導結合型アンテナにより、前記プラズマ生成工程におけるプラズマの生成を援助することを特徴とするスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法。

【請求項4】

請求項１に記載のスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法において、
前記供給工程は、窒素ガス以外の不活性ガスも含むことを特徴とするスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体基板、液晶表示器や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置などのＦＰＤ（Flat Panel Display）用基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、セラミック基板、太陽電池用基板などの基板上に、スパッタリング技術を用いて窒化アルミニウム膜を被着させるスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

大電力向けに使用されるパワー半導体モジュール、光記憶や光通信に使用される光半導体デバイス、記憶装置に使用される薄膜磁気ヘッドなどは、近年、高出力が要求されてきている。そのため、デバイスが発熱しやすく、デバイスからの放熱量が従来よりも大きくなってきている。これに対応するため、例えば、デバイスとヒートシンクとの間に形成される被膜の場合には、熱伝導性が高い窒化アルミニウム（AlN）膜が用いられている。また、これらの電子デバイスの基板として被膜を用いるためには、被膜の特性として熱伝導性に加えて、高い絶縁性も要求される。

【0003】

従来、この種のスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法として、スパッタ装置の真空容器内に不活性ガス及び酸素ガスを導入し、真空容器内の圧力を０．０８Ｐａ以上０．１５Ｐａ以下とした状態で、アルミニウム製のターゲットに直流のパルス電圧を印加するものがある（例えば、特許文献１参照）。この製造方法では、窒化アルミニウム膜の絶縁耐圧を向上できることが記載されている。具体的には、窒化アルミニウム膜の絶縁耐圧が４．５ＭＶ／ｃｍが得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－３２５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の方法は、４．５ＭＶ／ｃｍの絶縁耐圧を得ることができるが、昨今の高電力が要求されているデバイスの基板に用いるには絶縁耐圧が不十分であるという問題がある。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、窒化アルミニウム膜の絶縁耐圧を向上できるスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、スパッタリングにより基板に窒化アルミニウム膜を形成するスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法において、前記基板が載置されたステージを内蔵したチャンバ－を減圧する減圧工程と、前記チャンバ－内に窒素ガスを供給する供給工程と、前記チャンバ－内に配置されているアルミニウムターゲットと、前記ステージとの間に電圧を印加してプラズマを生成するプラズマ生成工程と、を実施して成膜を行う際に、前記チャンバ内の圧力を４．０Ｐａ～１０．０Ｐａとするとともに、前記プラズマ生成工程における前記チャンバ－内の温度を室温～５０℃として、アモルファス状態である窒化アルミニウム膜を形成させることを特徴とするものである。

【0008】

［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、発明者は、スパッタリングによる成膜におけるチャンバ内の圧力を一般的ではない４．０Ｐａまで上げて成膜を行った。すると、生成された窒化アルミニウム膜は、結晶化が未熟なアモルファスの状態となった。一般的にアモルファスの膜は、完全に結晶化された膜よりも絶縁耐圧が高くなる。この方法によると、窒化アルミニウム膜の絶縁耐圧が８ＭＶ／ｃｍ以上となり、従来に比較して急激な改善が見られた。したがって、スパッタリングによる成膜が行える一般的な限界値である１０．０Ｐａを上限として、チャンバ内の圧力を４．０Ｐａ～１０．０Ｐａとすることにより、従来に比較して窒化アルミニウム膜の絶縁耐圧を向上できる。

【0009】

また、本発明において、前記プラズマ生成工程は、正電位と負電位とを交互に印加するパルス電圧であって、その周波数が５０ｋＨｚ以上、デューティ比が９０％以下であることが好ましい（請求項２）。

【0010】

プラズマ生成工程では、正電位と負電位とを交互に印加するパルス電圧であって、その周波数が５０ｋＨｚ以上、デューティ比が９０％以下とする上限で電力をターゲットに供給する。これにより、アルミニウムターゲットに非エロ－ジョンエリアが発生して、アルミニウム窒化物が蓄積されることを防止できる。したがって、異常放電が生じてスパッタが継続できなくなる不具合を防止できる。

【0011】

また、本発明において、前記チャンバは、前記アルミニウムターゲットの近傍に誘導結合型アンテナを備え、前記誘導結合型アンテナにより、前記プラズマ生成工程におけるプラズマの生成を援助することが好ましい（請求項３）。

【0012】

誘導結合型アンテナにより、プラズマ生成工程におけるプラズマの生成を援助する。したがって、プラズマ密度を高くできるので、反応性を高くできる。その結果、成膜の効率も向上できる。

【0013】

また、本発明において、前記供給工程は、窒素ガス以外の不活性ガスも含むことが好ましい（請求項４）。

【0014】

例えば、窒素ガス以外の不活性ガスであるアルゴンガスも供給工程で供給する。したがって、プラズマ化したアルゴンイオンを高エネルギーでアルミニウムターゲットに衝突させることができる。その結果、成膜の処理レートを向上できる。

【0015】

また、本発明において、前記プラズマ生成工程は、前記チャンバ内の温度が室温～５０℃であることが好ましい（請求項５）。

【0016】

チャンバ内の温度を室温～５０℃とすることにより、成膜される膜の結晶化を防ぐことができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係るスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法によれば、スパッタリングによる成膜が行える一般的な限界値である１０．０Ｐａを上限として、チャンバ内の圧力を４．０Ｐａ～１０．０Ｐａとする。これにより、生成された窒化アルミニウム膜をアモルファスの状態にできる。したがって、従来に比較して窒化アルミニウム膜の絶縁耐圧を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施例に係るスパッタリング装置の概略構成を示す図である。

【図2】実施例に係るスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法を示すフローチャートである。

【図3】電源の動作例を示す図である。

【図4】絶縁破壊電圧の測定例を示す模式図である。

【図5】絶縁破壊電圧の圧力依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
図１は、実施例に係るスパッタリング装置の概略構成を示す図である。

【0020】

実施例に係るスパッタリング装置１は、チャンバ３を備えている。チャンバ３は、例えば、基板Ｗに対してスパッタリングにより窒化アルミニウム膜（AlN）を被着する。チャンバ３は、図示省略した開閉自在の搬入出口を備えている。処理対象の基板Ｗは、例えば、シリコン半導体からなる基板Ｗである。チャンバ３は、下部にマグネット５を備えている。チャンバ３は、マグネット５の上方にターゲット７を備えている。ターゲット７は、例えば、アルミニウム製である。

【0021】

マグネット５の側方には、誘導結合型アンテナ９が配置されていることが好ましい。誘導結合型アンテナ９は、ターゲット７の近辺において発生するプラズマの生成を援助する。誘導結合型アンテナ９には、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。この誘導結合型アンテナ９は、容量結合型プラズマのプラズマ密度が低いという欠点を補う。つまり、誘導結合型アンテナ９は、容量結合型プラズマの欠点を補うように作用する。

【0022】

チャンバ３は、ターゲット７に対向する天井面にステージ１１を備えている。ステージ１１は、処理対象である基板Ｗを取り付けられる。具体的には、ステージ１１は、基板Ｗの処理面を下方に向けた姿勢で基板Ｗを取り付けられる。

【0023】

チャンバ３には、内部の処理空間に排気管１３の一端側が連通接続されている。排気管１３の他端側には、排気ポンプ１５が接続されている。排気ポンプ１５は、チャンバ３内の気体を排出して、チャンバ３内を減圧する。チャンバ３には、内部の処理空間に第１の供給管１７の一端側が連通接続されている。第１の供給管１７の他端側には、例えば、窒素ガス供給源１９が連通接続されている。第１の供給管１７には、マスフローコントローラ２１が取り付けられている。チャンバ３には、内部の処理空間に第２の供給管２３の一端側が連通接続されている。第２の供給管２３の他端側には、例えば、アルゴンガス供給源２５が連通接続されている。第２の供給管２３には、マスフローコントローラ２７が取り付けられている。マスフローコントローラ２１，２７は、供給対象の流体の流量を計測し、所定の流量となるように制御を行う。

【0024】

チャンバ３は、温度調節が可能に構成されていることが好ましい。具体的には、例えば、チャンバ３の周囲にヒータを備え、チャンバ３内の温度を室温～５０℃に調節しておくことが好ましい。これにより、成膜される膜の結晶化を防ぐことができる。

【0025】

チャンバ３とターゲット７には、電源２９が接続されている。具体的には、電源２９の正極がチャンバ３を介してステージ１１に対して電気的に接続されている。また、電源２９の負極がターゲット７に対して電気的に接続されている。但し、電源２９は、正電位と負電位とを交互に印加するパルス電圧を出力する。したがって、ステージ１１とターゲット７に印加される極性が周期的に入れ替わる。また、電源２９は、パルス電圧の周波数やデューティ比が可変できるように構成されている。

【0026】

次に、図２及び図３を参照して、実施例による製造方法について説明する。なお、図２は、実施例に係るスパッタリングによる窒化アルミニウム膜の製造方法を示すフローチャートである。図３は、電源の動作例を示す図である。

【0027】

ステップＳ１
まず、基板Ｗをチャンバ３内に搬入する。具体的には、図示しない搬入出口を介して、処理対象である基板Ｗをチャンバ３に搬入する。そして、ステージ１１に基板Ｗを取り付ける。なお、基板Ｗは、窒化アルミニウム膜が被着される処理面が下方に向けられた姿勢でステージ１１に取り付けられる。

【0028】

ステップＳ２（減圧工程）
減圧を開始する。具体的には、図示しない搬入出口を閉止した後、排気ポンプ１５を作動させる。これにより、チャンバ３内の気体が排出され、減圧が開始される。

【0029】

ステップＳ３（供給工程）
反応性ガスを導入する。具体的には、マスフローコントローラ２１，２７を操作して、例えば、アルゴンガス及び窒素ガスを合わせて２００SCCM（Standard CC/Min）の流量でチャンバ３内に供給する。なお、マスフローコントローラ２１，２７を操作して、窒素ガスの流量を全体の３０％～１００％とするのが好ましい。窒素ガスが１００％の条件では、窒素イオンだけがターゲット７に衝突する。

【0030】

ステップＳ４
チャンバ３内の圧力が製造方法のうちの成膜圧力に達したか否かに応じて処理を分岐する。なお、圧力は図示しない圧力センサによって計測する。成膜圧力に達した場合には、ステップＳ５に移行する。成膜圧力は、例えば、４．０～１０Ｐａの範囲内である。成膜圧力は、窒化アルミニウム膜に要求される絶縁破壊電圧に応じて決定すればよい。

【0031】

ステップＳ５（プラズマ生成工程）
プラズマを発生させる。具体的には、電源２９によりステージ１１とターゲット７にパルス電圧を印加する。そのパルス電圧は、例えば、図３に示すようなものである。具体的には、ターゲット７側の出力が正電位と負電位とで交互に出力される。ここで、負電位が印加されている時間を負電位印加時間Ｔ１とし、正電位が印加されている時間を正電位印加時間Ｔ２とする。これらの負電位印加時間Ｔ１（スパッタしている時間）と正電位印加時間Ｔ２（スパッタしていない時間）におけるデューティ比（＝Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２））は、例えば、デューティ比が９０％以下であることが好ましい。具体的には、例えば、Ｔ１＝９．５μｓ、Ｔ２＝３μｓであって、デューティ比＝２４％である。周波数で表現すると、８０ｋＨｚである。また、電源２９の電力は、例えば、５ｋＷである。これにより、ターゲット７と基板Ｗとの間に電圧が印加され、アルゴンイオンがターゲット７に衝突してアルミニウムをはじき出す。そして、アルミニウムが基板Ｗの処理面に付着して窒化アルミニウム膜Ｆが成長していく。

【0032】

なお、上述したようにプラズマ生成工程において、正負のパルス電圧を印加する。ターゲット７に負電位だけを印加していると、非エロ－ジョンエリアが発生して、アルミニウム窒化物やアルミニウム酸化物が蓄積する。これらは絶縁物であるので、異常放電につながってスパッタ現象が継続できなくなる恐れがある。このような不都合を解消するために、正負のパルス電圧を電源２９から印加している。

【0033】

ステップＳ６
処理時間に達したか否か応じて処理を分岐する。具体的には、例えば、基板Ｗに２００μｍの窒化アルミニウム膜Ｆが成長した時点である。処理時間は、目標膜厚に達する時間を予め測定しておいて決めることが好ましい。

【0034】

ステップＳ７
基板Ｗをチャンバ３外に搬出する。具体的には、電源２９をオフし、マスフローコントローラ２７の流量を０とした後に、図示しない搬入出口を開放して基板Ｗをチャンバ３の外部へ搬出する。

【0035】

上述した一連の処理により基板Ｗに対して窒化アルミニウム膜Ｆを被着させることができる。

【0036】

次に、図４を参照して、窒化アルミニウム膜Ｆの絶縁破壊電圧の測定条件について説明する。図４は、絶縁破壊電圧の測定例を示す模式図である。

【0037】

試料は、上記の条件で窒素ガスを１００％とした場合におけるシリコンの基板Ｗに被着された窒化アルミニウム膜Ｆである。その上面には、スパッタによってアルミニウム電極３１が複数箇所に形成されている。Ｖ－Ｉテスタ３３は、プローブを介してアルミニウム電極３１と基板Ｗの間に電圧を印加し、徐々に電圧を高くしていった際の電流値の変化を測定するものである。その際に、急激に電流値が上昇する電圧を絶縁破壊電圧とする。

【0038】

次に、図５を参照して、上述した製造方法により成膜した窒化アルミニウム膜Ｆの絶縁破壊電圧に関する測定結果の具体例について説明する。なお、製造条件のうち、チャンバ３内の圧力は、０．５Ｐａ、１Ｐａ、３Ｐａ、４Ｐａ、５Ｐａとした。圧力ごとに７枚の基板Ｗに窒化アルミニウム膜Ｆを被着させ、各基板Ｗの窒化アルミニウム膜Ｆについて絶縁破壊電圧を測定した。その平均値をプロットすると図５のようになった。絶縁破壊電圧の具体的な数値は、３．０ＭＶ／ｃｍ（ａｔ ０．５Ｐａ）、１．３ＭＶ／ｃｍ（ａｔ １Ｐａ）、０．２ＭＶ／ｃｍ（ａｔ ３Ｐａ）、８．１ＭＶ／ｃｍ（ａｔ ４Ｐａ）、２９．７ＭＶ／ｃｍ（ａｔ ５Ｐａ）となる。つまり、チャンバ３内の圧力が４Ｐａ以上になると、絶縁破壊電圧の急激な改善が見られることがわかった。

【0039】

これらの測定結果から、絶縁破壊電圧を従来よりも高くするには、チャンバ３内の圧力を４Ｐａ以上とすればよいことがわかる。なお、スパッタ現象を利用した成膜においては、一般的に、１０Ｐａを越えると実用的な処理レートを得られない。したがって、スパッタリングによる成膜の一般的な限界値である１０．０Ｐａを上限として、チャンバ３内の圧力を４．０Ｐａ～１０．０Ｐａとすることにより、従来に比較して窒化アルミニウム膜Ｆの絶縁耐圧を向上できる。

【0040】

なお、発明者は、Ｘ線回折（ＸＲＤ（X‐ray diffraction））を用いて窒化アルミニウム膜Ｆの結晶化率を測定した。すると、チャンバ３内の圧力を４．０Ｐａと、５．０Ｐａで成膜した窒化アルミニウム膜Ｆでは、３．０Ｐａまでは現れていた窒化アルミニウムの結晶ピークがなくなっていた。つまり、絶縁破壊電圧が高い窒化アルミニウム膜Ｆは、アモルファスの状態であることがわかった。一般的にアモルファスの膜は、完全に結晶化された膜よりも絶縁耐圧が高くなる。したがって、この点からも、上述した絶縁破壊電圧の測定結果が妥当であると言える。

【0041】

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

【0042】

（１）上述した実施例では、スパッタリング装置１が誘導結合型アンテナ９を備えている。しかしながら、本発明は、誘導結合型アンテナ９を必須とするものではない。つまり、容量結合型プラズマだけでスパッタリングを行ってもよい。

【0043】

（２）上述した実施例では、アルゴンガスの供給についても記載しているが、本発明はこれを必須とはしない。つまり、チャンバ３内には窒素ガスだけを供給する構成を備えていればよい。また、上述した窒化アルミニウム膜Ｆの試料の製造時には、窒素ガスだけを供給したが、アルゴンガスも供給するようにしてもよい。これにより、成膜の処理レートを高めることができる。

【0044】

（３）上述した実施例では、電源２９がデューティ比２４％であるとしているが、本発明はこのデューティ比に限定されない。つまり、デューティ比は、異常放電が生じてスパッタが継続できなくなる不具合の生じないデューティ比であればよく、具体的には、９０％以下であればよい。

【0045】

（４）上述した実施例では、プラズマを発生させるために電源２９からパルス電圧を発生させた。しかしながら、これは好ましい例であり、本発明はこれを必須とするものではない。例えば、電源２９は、上述したパルス電圧を発生させる構成に代えて、ＲＦ電圧やＤＣ電圧を発生させるものであってもよい。

【0046】

（５）上述した実施例では、電源２９の出力が５ｋＷであるとしたが、本発明はこのような出力に限定されない。出力は、処理レートを勘案して決定すればよい。

【0047】

（６）上述した実施例では、上方にステージ１１を備え、下方にターゲット７を備えたスパッタリング装置１によって成膜を行っている。しかしながら、本発明はこのような構成のスパッタリング装置１によって成膜することに限定されない。例えば、下方にステージ１１を備え、上方にターゲット７を備えた装置で成膜してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0048】

以上のように、本発明は、スパッタリング技術を用いて窒化アルミニウム膜を被着させる窒化アルミニウム膜の製造方法に適している。

【符号の説明】

【0049】

１ … スパッタリング装置
３ … チャンバ
５ … マグネット
７ … ターゲット
９ … 誘導結合型アンテナ
１１ … ステージ
１３ … 排気管
１５ … 排気ポンプ
１７ … 第１の供給管
１９ … 窒素ガス供給源
２１ … マスフローコントローラ
２３ … 第２の供給管
２５ … アルゴンガス供給源
２７ … マスフローコントローラ
２９ … 電源
Ｗ … 基板
Ｆ … 窒化アルミニウム膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】