電子デバイス/絶縁ゲート電界効果トランジスタ

16.CMOS素子の作り方(その4、金属電極の作製)

 IGFETに限らず半導体デバイスでは金属電極はデバイスを動かすためにどうしても必要ですから電極付けは重要な工程です。電極にはアルミニウムや銅などの金属の薄膜が使われます。このため、金属の薄膜を作る技術が必要になります。

 また電極付けとは言いますがゲート、ソース、ドレインに島のような電極を付け、後は電線で結んでくれというわけにはいきません。半導体チップ上でできる配線も全部同時に作製します。例えばCMOSでしたら2つのIGFETのソースとドレインをつなぐ配線などは電極と一緒に作ります。トランジスタをたくさん使った集積回路では、1つのチップ上の多数のトランジスタの間の複雑な配線をすべて金属薄膜で作ります。ここでもフォトリソグラフィをフルに使って予め設計された配線パターンを作ります。

 まず金属薄膜の作り方ですが、もっともよく使われるのは真空蒸着法です。原理は図16-1にように真空にした容器内で金属を加熱し蒸発させます。その金属蒸気が飛んでくるところに基板を置いておけば表面に金属の薄膜が付きます。金属を融かして蒸発させるのですから、比較的低い温度で融ける(融点の低い)金属に向いています。アルミニウムなどは楽に蒸着ができます。銅や金なども蒸着することができます。

 タングステンやモリブデンなど非常に高い温度でないと融けない(融点の高い)金属をヒータにしてこれに電流を流すのが一番簡単な加熱の方法です。このヒータの上にアルミニウムなどの薄膜にしたい金属の小片を載せておけば、融けて蒸発します。アルミニウムは酸素があると簡単に酸化されて絶縁体になってしまいますから、酸素(空気)のない真空中で行う必要があります。例え酸素がなくても他のガスが詰まっていると、加熱した熱が気体中に逃げてしまいますし、蒸発した金属がガスにじゃまされてしまうこともあるので、真空にすることが必要です。

 IGFETの場合はSiO膜中にNaなどの不純物があると特性が不安定になることは前に説明しました。金属薄膜を付ける工程でこのような不純物を混入させないように蒸着する金属やヒータなどは純度の高いものを使い、不純物で汚れないように十分洗浄しておく必要があります。人が指でつまむなどは絶対にだめです。

 このようなヒータによる加熱以外にもいろいろな原理で加熱ができます。電子ビームを当てる加熱法も真空蒸着にはよく使われます。この加熱方法は融点の高い金属に適しています。

 真空蒸着法の他にスパッタリング(sputtering)法という方法があります。スパッタリング法では薄膜を作りたい金属の板を用意します。図16-2のようにアルゴンなどのガスを少し入れた容器の中で放電を起こさせます。放電はガスが少し入った容器のなかで2つの電極に高い電圧をかけると起こります。放電が起こると電極の間が光り、電極に電流が流れます。身近なところでは蛍光灯の管のなかでは放電が起こっています。これは中に入っているガスの分子がイオンと電子に分かれ、空中で加速されることによって起こります。マイナス電極に先程の金属板(ターゲットと言います)を取り付けておきます。放電によってできたガスの陽イオンはこの金属板にたたきつけられ、金属板から金属原子を弾き出します。sputterという後は辞書で引くと「ブツブツ飛ばす」などという意味が出てくるはずです。

 真空蒸着法とスパッタリング法を比べると、真空蒸着法の方が早く膜を付けることができるという特徴があります。融けた金属を一気に蒸発させることができるからです。スパッタリング法はどうしても膜が成長するのが遅いという欠点があります。しかし膜の成長が遅いということはそれだけ膜の厚さを正確にコントロールすることができるという長所にもなります。

 真空蒸着法とスパッタリング法ではできる金属薄膜にも違いがあります。とくにIGFETの場合のようにソース、ドレイン領域はSiO膜に穴が開けてありますから、その部分はへこんでいます。基板に凹凸がある場合に2つの方法では膜の付き方が違ってきます。真空蒸着法ではヒータのところから基板に向かって金属は真っ直ぐに飛んできます。基板に凹凸があると陰になる部分には膜が付きにくくなります。

 スパッタリング法ではターゲットから飛び出した金属は放電しているガスと衝突しながら基板のところにやって来ますので、様々な方向から飛んで来ることになり、ターゲットから見て陰になる部分にも膜が付きやすくなります。

 このようにそれぞれの方法には長所と欠点がありどちらが優れていると一概には言えません。目的に一番適した方法を選ぶことになります。このような方法で金属の薄膜を基板上に付けることができますが、IGFETなど半導体デバイスの電極や配線を作るためには必要な場所だけに金属薄膜を付けなければいけません。これについては次項で説明することにします。