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半導体用語集

物理的スパッタリング堆積

英語表記：physical sputtering deposition

　単純に「スパッタ堆積」、あるいは「スパッタ蒸着」と呼ばれる。物理的成膜技術の一つである。
　物理的基礎となる「スパッタ現象」とは、マクロには固体に加速されたイオンを照射した時に、固体を構成する原子が固体表面から飛び出す現象のことをいう。このスパッタ蒸発した原子を基板上に堆積させる成膜技術をスパッタ堆積という。
　今日、「物理的スパッタ現象」は以下のように理解されている。すなわち、固体表面に入射する高エネルギー粒子（ここで高エネルギー粒子とは、イオンまたは固体表面近傍で電子による中性化された原子）は、弾性衝突により固体構成原子にその運動量を与え、さらにこの一時反跳原子は近傍の原子と次々衝突を繰り返し、結果として固体表面原子が放出されると理解されている。ただし、イオン照射によって固体表面から飛び出す粒子は中性原子ばかりではなく、正負のイオン、電子（γ電子）、光子がある。正負のイオンは二次イオンと呼ばれ、この質量分析を行い固体中の微量元素分析に利用される（二次イオン質量分析）。なお、単にスパッタ現象といった時は、ここで説明した「物理的スパッタ現象」のことを指している。
　1個のイオン入射によりスパッタされる原子の数は、スパッタ率と呼ばれる。スパッタ率は、入射イオンエネルギー、質量、入射角度並びにスパッタされる材質に依存する。スパッタに必要なイオンエネルギーにはしきい値が存在し、金属では20～30eV程度である。スパッタ率はイオンエネルギーに対してしきいエネルギー付近ではイオンエネルギーの2乗に比例し、100eVでは比例するようになる。入射イオンエネルギーが10～100keV程度になると、イオンは固体の奥深くまで進入し、スパッタ率は低下する。いわゆるイオン注入になる。入射イオンの質量とスパッタ率はほぼ比例して大きくなる。ただし、不活性原子のところでピークを持つ。スパッタ堆積でアルゴンが利用されるのは、この理由による。d殻電子を持つ固体ほどスパッタ率は大きい傾向にある。スパッタされて放出される原子のエネルギー分布のピークは2～3eVにピークを持つが、全体としては0から40eV程度まで広がっている。加熱蒸着の場合、蒸発原子の平均エネルギーが高々0.1eVであるのに対して大きなエネルギーを持っている。これが、スパッタにより堆積した膜が加熱蒸着による蒸着法で堆積した膜より一般に緻密でかつ密着性に優れるゆえんである。
　500eVのアルゴンイオンを固体に照射した時のスパッタ率は、Alの場合で約1 atom/ion、Ag、Au、Pb、Cu、Pdなどで2～3 atoms/ion程度である。二次イオンも放出されるが、一般にその放出率は10⁻³以下であり、中性原子に比較して非常に少ない。また、原子が数個以上固まったクラスタも放出されるが中性原子に比較して10⁻²～10⁻³程度と少ない。GaAsなどの化合物をスパッタした場合、99％は中性のGaあるいはAsであり、残り1％がGaAs分子であるといわれている。1%Si-Alなどの合金の場合、放出される原子の割合はほぼ固体と同じであると考えてよいが、厳密にはスパッタ率は固体によって異なるので、正確な組成制御を必要とする化合物を堆積させる場合には注意が必要である。イオン入射角によってスパッタ率は変化し、入射角40度程度で最大値になる。スパッタされる原子の放出方向分布は入射角によらずcosine形になる。
　スパッタ堆積の場合、スパッタされる固体をターゲットと称している。スパッタ装置の構成は無数にあるが、代表的なものは2極スパッタと呼ばれるもので、平行平板電極の陰極にターゲットが置かれ、薄膜を堆積したい基板が陽極に置かれる。金属薄膜堆積の場合、Arを導入した10⁻²～10⁻³ Torr程度の圧力でグロー放電させ、陰極シースで加速されたArイオンでターゲット物質がスパッタさせ、スパッタされた原子が、陽極上の基板に堆積される。金属薄膜のスパッタ堆積DCグロー放電が利用されるが、SiO₂などの絶縁物を堆積させる場合はRFグロー放電が利用される。
　今日、配線金属形成で最も広く利用されているプレーナーマグネトロンスパッタ法は、ターゲット表面に平行な磁場を加え、電界とこれに直交する磁場によるγ電子のサイクロイド運動により、ターゲット表面近傍での電子密度増加による高密度プラズマを生成し、スパッタ効率を上げるとともにより低圧でもスパッタできるようにした方式である。単純な2極スパッタ堆積法では、基板へ到達したγ電子による基板加熱の問題があったがこれを減少させる効果もある。
　スパッタ堆積法は、一般的な配線金属Al（場合によっては、SiやCuを含有させる）の最も広く利用されている方法である。しかし、ターゲットから放出された中性原子は、cosine形の放出分布を持ち、ターゲットから直線的運動して基板に到達するため、LSI配線のコンタクトやビア孔に埋め込む際には、微細孔の底面や側面への堆積速度が平坦表面の堆積速度と大きく異なるという欠点がある。近年アスペクト比の大きな微細孔へのTiNなどバリア金属堆積では、ターゲットに対して垂直成分だけを持った原子だけを利用するように、ターゲットと基板間にコリメータを挿入したり、ターゲットと基板間距離を大きくする工夫がなされている。また、放電圧力を低減させ、ターゲット基板間でのスパッタ原子の衝突を減少させる工夫が施されている。ただし、このような方法をとった時、堆積速度とステップカバレッジは一般にトレードオフの関係になる。

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