テクニカルレポート

2019/07/05 / テクニカルレポート

ALD(原子層堆積)超薄膜による絶縁コーティング及びウィスカ防止への展開

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PICOSUN JAPAN(株)  八尋 大輔 氏

 

1. 緒言

 

 半導体製造工程は実装工程とは異なると一般的に考えられている。

 たとえば要求されるクリーン度、品質、歩留まりは確 かに別世界であり、そのため使われる装置や薬品なども異なるスペックのものが必要となる。

 しかし回路の微細化・部品の小型化が進展し、またいっぽうではデバイスのモジュール化が進むにつれ、一部ではその境界はかつてほど明瞭ではなくなりつつある。

 半導体製造工程の技術であるALD(原子層堆積)も、実装工程に近いところでも応用可能なことが知られて おり、本稿では特に、絶縁性、並びに、ウィスカ(図1)の防止に 焦点を当てて詳述する。

 

図1  種々のウィスカSEM像(: a)フィラメント状、(b)ノジュール状、(c)特殊形状、(d)らせん状、(e)よじれ状

 

 

2. ALD技術の概略

 

 ALD 成膜(図2)の特徴については本誌でも何度か述べているが、以下の通り再掲する。

 

•膜質が化学量論比に近く非常に緻密であり、ピンホールフリー

•素地への密着性が高い

•複雑な 3D形状物やナノスケール表面(高ARトレンチ・ナノポアなど)へも均一に成膜できる

•再現性の高いプロセスとして膜厚を厳密にコントロールできる

•比較的低温での成膜が可能で、基板へのダメージを低減できる

 

 スパッタや CVDと同様にドライプロセスであるが、上記の特徴により、アプリケーションによっては他の成膜方法では代替できない。

 たとえば今日のAR100を超えるDRAMセルキャパシタ表面への成膜や、MEMSなどの複雑構造内部壁面へのコンフォーマルな成膜はALD以外の技術では事実上不可能である。

 ALDプロセス装置は大きく、原料ライン・反応室・排気ラインに分けられる。

 成膜反応は以下のように進む。

 

①プリカーサ(前駆体)と呼ばれるガス原料の一種目(通常 2 種使われる)をソースラインから反応チャンバへ移送

②反応チャンバにて、プリカーサ①が基板表面に吸着。

吸着エネルギーは一般的に熱だが、成膜材料によってはプラズマも使われる

③吸着反応での副生成物と余剰のプリカーサを排気

④二種目のプリカーサをソースラインから反応チャンバへ移送

⑤プリカーサ②が、プロセス②で基板表面に吸着したプリカーサ①に吸着し化合物を作る

⑥吸着反応での副生成物と余剰のプリカーサを排気

 

 上記①〜⑥を繰り返すことで膜厚を増やしていくことができる。

 

図2 ALDプロセス図解

 

 ALDに使用されるプリカーサ分子は基板表面のみ、または対応するプリカーサとのみ反応するため、厳密に分子層一層ずつを積み上げていくことが可能となる。

 またプリカーサを交互にチャンバ内に入れることで余分な反応をさせず、化学量論比に近い膜が成膜される。

 そのため絶縁性・バリア性などの膜性能が他の成膜方法と比較して高いのが特徴である。

 

 

3. ALD膜の絶縁性

 

 ALD技術は1974年に発明されたが、他の成膜方法と比較するとスループットが見劣りするため、長らく生産用途には不向きとされてきた。

 ブレイクスルーは発明から30年以上たった2007年にインテルが high-k 絶縁膜にALDを採用してからである。

 従って、ALDの生産用アプリケーションとしては、絶縁膜は比較的歴史があるといえる。

 今日、絶縁膜としては浸漬・スプレーコーターやエアゾールなどのウェット処理が多い。

 しかし[表1]に示す通り、ALDはそれらの膜を絶縁性(破壊電圧)においてはるかにしのぐ。

 

表1 一般的な絶縁膜とALDの比較

 

 また重要なのは、膜厚をナノメーターレベルまで薄くしても均一に成膜できるということである。

 ウェットではミクロンレベルでないと性能が発揮できない、もしくはそもそも膜厚のコントロールがほとんどできない。

 微細化されたパッケージ内の占有面積を極限まで切り詰める必要のある最先端のエレクトロニクスモジュールでは致命的になり得る。

 ALDは成膜に時間がかかり、そのためスループットが制限されることがデメリットとしてしばしば言及される。

 しかし、ここで述べているような極小モジュールの場合、要求される絶縁性はそれほど高くなく、数Vで十分というケースも多い。

 その場合、ALD膜では10nm 程度の膜厚で性能を満たす。

 ALDプロセスでは、成膜時間は単純に膜厚に比例するため、材料にもよるが10nmであれば数分で成膜を終えることも可能である。

 また、複雑形状物表面へもコンフォーマルかつ均一に成膜できることも強みである。

 このため、ある程度実装した後にモジュール全体を絶縁することも可能である。

 一般的な酸化物ALD膜材料はセラミックであるため耐熱性も高いが、はんだ付け工程においてはフラックスで除去されるため、実装前のデバイスへの成膜にも適用可能と考えられる。

 なお、膜特性は同じ材質でも成膜条件(温度、プリカーサなど)によって変わる。

 参考までに、酸化剤と成膜温度の違いで電気特性がどのように変動するかを(図3)に示す。

 

図3 酸化剤による成膜温度ごとの電気特性

 

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