JP5142849B2 - Film forming apparatus and film forming method - Google Patents
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Description
本発明は、電気回路を有する半導体装置等を構成する基板に、はんだ等の低融点金属を含有する合金膜をスパッタ法により形成する成膜装置および成膜方法に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method for forming an alloy film containing a low melting point metal such as solder on a substrate constituting a semiconductor device having an electric circuit by a sputtering method.
従来、電気回路を有する半導体装置において、錫(Sn)と鉛(Pb)を主成分として銀(Ag)を含有した合金(Ag−Sn−Pb合金)のはんだ層を形成する場合には、真空蒸着装置が使用されていた(例えば特許文献1,2参照)。
Conventionally, when a solder layer of an alloy (Ag—Sn—Pb alloy) containing tin (Sn) and lead (Pb) as a main component and containing silver (Ag) is formed in a semiconductor device having an electric circuit, a vacuum is used. A vapor deposition apparatus has been used (see, for example,
例えば、基板の厚み方向にも通電路(電気回路)を有するパワーデバイスでは、基板の裏面に裏面電極を設ける。この裏面電極は、例えば、Si基板裏面上に、第1導電膜としてAl膜、第2導電膜としてTi膜、第3導電膜としてNi膜、第4導電膜としてAu膜またはAg膜を形成し、この第4導電膜上に、はんだ層としてAg−Sn−Pb合金膜を形成する。 For example, in a power device having an energization path (electric circuit) in the thickness direction of the substrate, a back electrode is provided on the back surface of the substrate. For example, an Al film as a first conductive film, a Ti film as a second conductive film, a Ni film as a third conductive film, and an Au film or an Ag film as a fourth conductive film are formed on the back surface of the Si substrate. Then, an Ag—Sn—Pb alloy film is formed as a solder layer on the fourth conductive film.
上記裏面電極の形成では、マグネトロンスパッタ装置において第1〜第4導電膜を積層形成した基板を、一度大気中に取り出し、真空蒸着装置に移載して、はんだ層を形成する。なお、第4導電膜(Au膜またはAg膜)は、スパッタ装置から真空蒸着装置に基板を移送する際の大気による酸化を防止する酸化防止膜して設けられる。 In the formation of the back electrode, the substrate on which the first to fourth conductive films are laminated in a magnetron sputtering apparatus is once taken out into the atmosphere and transferred to a vacuum evaporation apparatus to form a solder layer. Note that the fourth conductive film (Au film or Ag film) is provided as an antioxidant film that prevents oxidation by the atmosphere when the substrate is transferred from the sputtering apparatus to the vacuum evaporation apparatus.
[はんだ層の成膜に真空蒸着を使用する理由]
このような従来技術において、はんだ層を真空蒸着装置によって形成していたのは、以下の理由による。まず、Ag−Sn−Pb合金のはんだ層のように、Pb等の低融点金属を含有する合金を、DCスパッタ装置によって形成しようとすると、基板温度の上昇に起因して蒸気圧の高い低融点金属が蒸発してしまう。はんだ層およびその成膜に使用するターゲットは、SnおよびPbを主成分とするが、Pbが低融点金属であるために、基板にスパッタされたPbの遊離の度合がSnのそれよりも高い。このため、低融点金属のスパッタレートがその他の金属のそれよりも低くなり、合金ターゲットの含有金属組成(ターゲット組成)と成膜された合金膜の含有金属組成(膜組成)との間に組成ずれが発生する。なお、このような組成比のずれは、真空蒸着装置では生じない。
[Reason for using vacuum deposition to form a solder layer]
In such a conventional technique, the solder layer is formed by the vacuum evaporation apparatus for the following reason. First, when an alloy containing a low melting point metal such as Pb, such as a solder layer of an Ag—Sn—Pb alloy, is to be formed by a DC sputtering apparatus, a low melting point having a high vapor pressure due to an increase in substrate temperature. The metal will evaporate. The solder layer and the target used for film formation are mainly composed of Sn and Pb, but since Pb is a low melting point metal, the degree of liberation of Pb sputtered on the substrate is higher than that of Sn. Therefore, the sputtering rate of the low melting point metal is lower than that of the other metals, and the composition is between the metal composition (target composition) of the alloy target and the metal composition (film composition) of the formed alloy film. Deviation occurs. Such a composition ratio shift does not occur in a vacuum deposition apparatus.
さらに、はんだ層は一般に厚く(例えば10μm以上)形成されるため、はんだ層の成膜には、成膜レートの高い成膜法を使用する必要がある。しかし、このような厚い膜をDCスパッタ装置で形成しようとすると、基板の温度上昇を生じ、基板にスパッタリングされたPbやSnが遊離してしまうため、成膜レートが低下する。このようなレートの低下は、真空蒸着では生じない。なお、RFスパッタ装置で形成する場合には、はんだ層の成膜レートは、一般に真空蒸着装置のそれよりも低い。 Furthermore, since the solder layer is generally formed thick (for example, 10 μm or more), it is necessary to use a film forming method having a high film forming rate for forming the solder layer. However, if an attempt is made to form such a thick film with a DC sputtering apparatus, the temperature of the substrate rises, and Pb and Sn sputtered on the substrate are liberated, resulting in a decrease in the deposition rate. Such rate reduction does not occur in vacuum deposition. In addition, when forming with an RF sputtering apparatus, the film-forming rate of a solder layer is generally lower than that of a vacuum evaporation apparatus.
DCスパッタ装置において、静電チャックを使用して基板を冷却すれば、成膜レートを改善することはできるが、PbのスパッタレートがSnのそれよりも低いことに起因するはんだ層の組成比のずれを改善することはできない。
上記従来の技術では、電極の積層構造を形成するにあたり、スパッタ装置から真空蒸着装置に基板を移動しなければならないため、本来不要である、酸化防止膜としての第4の導電膜を形成している。この酸化防止膜の材料には、AuまたはAgを使用するため、最近の貴金属値段の高騰によってコストが大変かかっていた。また、はんだ層を真空蒸着法によって成膜するため、人が専用のホルダーに1枚ずつセットする。このとき、近年では薄ウエハー化が進んでいるため、ハンドリングのミスによって基板の破損の問題が起きていた。 In the above conventional technique, since the substrate must be moved from the sputtering apparatus to the vacuum evaporation apparatus when forming the laminated structure of the electrodes, a fourth conductive film as an antioxidant film, which is originally unnecessary, is formed. Yes. Since Au or Ag is used as the material of the antioxidant film, the cost has been very high due to the recent increase in the price of precious metals. In addition, since the solder layers are formed by vacuum deposition, a person sets them one by one in a dedicated holder. At this time, since thin wafers have been developed in recent years, there has been a problem of substrate damage due to handling mistakes.
このため、はんだ層のような低融点金属を含有する合金膜についても、第1導電膜〜第3導電膜と同様に、スパッタ装置によって組成ずれを生じることなく、高い成膜レートで成膜できるようにすることが望まれる。 For this reason, an alloy film containing a low-melting-point metal such as a solder layer can be formed at a high film formation rate without causing a composition shift by a sputtering apparatus, like the first conductive film to the third conductive film. It is desirable to do so.
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、はんだ等の低融点金属を含有する合金膜を、含有金属組成のずれを生じることなく、かつ成膜レートを低下させることなく成膜できる成膜装置および成膜方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and an alloy film containing a low-melting-point metal such as solder can be formed without causing a shift in the contained metal composition and reducing the film formation rate. It is an object of the present invention to provide a film forming apparatus and a film forming method that can form a film without causing the film to form.
本発明の成膜装置は、減圧雰囲気とした空間内に、鉛(Pb)又は錫(Sn)を含有する合金ターゲットを設けたカソード電極と基板を設けたアノード電極とを対向して配置し、前記基板の一方の面に、前記Pb又はSnを含有する合金膜をスパッタ法により形成する成膜装置であって、
前記カソード電極にDCパルス電圧を印加する電源手段と、
前記基板を前記合金膜の融点以下に冷却する温度制御手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とする。
本発明は、減圧雰囲気とした空間内に、低融点金属(Pb又はSn)を含有する合金ターゲットを設けたカソード電極と基板を設けたアノード電極とを対向して配置し、前記基板の一方の面に、前記低融点金属を含有する合金膜をスパッタ法により形成する成膜装置であって、前記カソード電極にDCパルス電圧を印加する電源手段を少なくとも備えたことができる。
In the film forming apparatus of the present invention, a cathode electrode provided with an alloy target containing lead (Pb) or tin (Sn) and an anode electrode provided with a substrate are arranged opposite to each other in a space having a reduced pressure atmosphere. A film forming apparatus for forming an alloy film containing the Pb or Sn on one surface of the substrate by a sputtering method,
Power supply means for applying a DC pulse voltage to the cathode electrode;
Temperature control means for cooling the substrate below the melting point of the alloy film;
At least.
In the present invention, a cathode electrode provided with an alloy target containing a low-melting point metal (Pb or Sn) and an anode electrode provided with a substrate are disposed opposite to each other in a reduced-pressure atmosphere. A film forming apparatus for forming an alloy film containing the low-melting-point metal on the surface by a sputtering method, comprising at least power supply means for applying a DC pulse voltage to the cathode electrode.
また、本発明の成膜方法は、減圧雰囲気とした空間内に、鉛(Pb)又は錫(Sn)を含有する合金ターゲットを設けたカソード電極と基板を設けたアノード電極とを対向して配置し、前記基板の一方の面に、Pb又はSnを含有する合金膜をスパッタ法により形成する成膜装置を用いた成膜方法であって、
前記カソード電極にDCパルス電圧を印加するとともに、
成膜時の前記基板の温度を前記合金膜の融点以下に保持することを特徴とする。
本発明は、減圧雰囲気とした空間内に、銀(Ag)と錫(Sn)と鉛(Pb)とを含有する合金ターゲットを設けたカソード電極と基板を設けたアノード電極とを対向して配置し、前記基板の一方の面に、AgとSnとPbとを含有する合金膜をスパッタ法により形成する成膜装置を用いた成膜方法であって、前記カソード電極にDCパルス電圧を印加することができる。
Further, in the film forming method of the present invention, a cathode electrode provided with an alloy target containing lead (Pb) or tin (Sn) and an anode electrode provided with a substrate are arranged opposite to each other in a space having a reduced pressure atmosphere. A film forming method using a film forming apparatus for forming an alloy film containing Pb or Sn on one surface of the substrate by a sputtering method,
Applying a DC pulse voltage to the cathode electrode;
The temperature of the substrate during film formation is maintained below the melting point of the alloy film.
According to the present invention, a cathode electrode provided with an alloy target containing silver (Ag), tin (Sn), and lead (Pb) and an anode electrode provided with a substrate are arranged opposite to each other in a reduced-pressure atmosphere. A film forming method using a film forming apparatus for forming an alloy film containing Ag, Sn, and Pb on one surface of the substrate by a sputtering method, wherein a DC pulse voltage is applied to the cathode electrode. Can
本発明によれば、カソード電極にDCパルス電圧を印加するDCパルススパッタによって、低融点金属を含有する合金膜を成膜することにより、含有金属組成のずれを生じることなく、かつ成膜レートを低下させることなく低融点金属を含有する合金膜を成膜することができるという効果がある。これにより、1つの成膜装置内において、基板を大気に一度も暴露させることなく、例えば、第1導電膜、第2導電膜、第3導電膜、はんだ層を積層形成することが可能となるので、従来酸化防止膜として設けていた第4導電膜を設ける必要がなくなり、第4導電膜として使用していた貴金属(AuまたはAg)のコストを低減できるとともに、第4導電膜を成膜する際の手間や基板の破損などを低減できる。 According to the present invention, an alloy film containing a low-melting-point metal is formed by DC pulse sputtering in which a DC pulse voltage is applied to the cathode electrode. There is an effect that an alloy film containing a low melting point metal can be formed without lowering. Thus, for example, the first conductive film, the second conductive film, the third conductive film, and the solder layer can be stacked without exposing the substrate to the atmosphere even once. Therefore, it is not necessary to provide the fourth conductive film which has been conventionally provided as the antioxidant film, the cost of the noble metal (Au or Ag) used as the fourth conductive film can be reduced, and the fourth conductive film is formed. It is possible to reduce trouble and damage of the substrate.
以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
実施の形態1
図1は本発明の実施の形態1のスパッタ装置によって裏面電極を形成した半導体装置の模式断面図である。図1において、半導体装置10は、基板11と、電気回路12と、第1導電膜13と、第2導電膜14と、第3導電膜15と、はんだ層16とを備えている。この半導体10において、第1導電膜13と、第2導電膜14と、第3導電膜15と、はんだ層16とは、裏面電極17を構成している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in which a back electrode is formed by the sputtering apparatus of
図1の半導体装置10は、基板11の一方の面(表面)および基板11の内部に電気回路12を有しており、基板11の他方の面(裏面、被製膜面)に裏面電極17を有している。この裏面電極17は、第1導電膜13、第2導電膜14、第3導電膜15、およびはんだ層16を、この順に基板11の裏面に積層形成したものである。このように、基板裏面に電極を設ける構成の半導体装置には、例えばパワーデバイスがある。
A
基板11は、例えばシリコン(Si)基板である。第1導電膜13は、例えば、アルミ(Al)膜、またはSiを含有するAl膜(Si−Al膜)であり、基板裏面のp型Siの拡散層として機能する。第2導電膜14は、例えばチタン(Ti)膜であり、第3導電膜金属の拡散を防止するバリア層として機能する。第3導電膜15は、例えば、ニッケル(Ni)膜、またはバナジウム(V)を含有するNi膜(V−Ni膜)であり、はんだ層16との密着性を向上させる膜として機能する。はんだ層16は、錫(Sn)および鉛(Pb)を主成分として銀(Ag)を含有する合金ターゲット(Ag−Sn−Pb合金ターゲット)を使用して成膜されたものである。
The
図2は本発明の実施の形態1のスパッタ装置の構成を示す模式平面図であり、半導体装置10に裏面電極17を積層形成するためのものである。図2において、スパッタ装置100は、基板(ウエハー)の搬送室T0と、それぞれスパッタ処理をする4つのスパッタ室S0,S1,S2,S3と、ロードロック室L/ULと、基板の移載機T1とを備えている。ここで、スパッタ室S3は、はんだ層16を形成するスパッタ室である。このスパッタ装置100は、例えばマグネトロンスパッタ装置である。
FIG. 2 is a schematic plan view showing the configuration of the sputtering apparatus according to the first embodiment of the present invention, which is for stacking the
図2のスパッタ装置100において、搬送室T0は、ハンドラH0を有している。ハンドラH0は、基板を保持したまま移動し、スパッタ室間あるいはスパッタ室とロードロック室L/ULの間で、基板を搬送する。また、移載機T1は、ハンドラH1と、基板(ウエハー)のカセットC1,C2とを有している。ハンドラH1は、基板を保持したまま移動し、カセットにセットされた基板をロードロック室L/ULに搬入し、スパッタ処理された基板をロードロック室L/ULから搬出してカセットに戻す。
In the
なお、スパッタ装置100では、搬送室T0とスパッタ室S0,S1,S2,S3の間、搬送室T0とロードロック室L/ULの間、およびロードロック室L/ULと移載機T1の間に、それぞれバルブ機構が設けられており、室間の真空度・雰囲気を遮断できる構成となっている。
In the
[スパッタ装置100においてのDCパルススパッタおよび静電チャックによるはんだ層の形成]
このようなスパッタ装置100において、スパッタ室S3では、電極に、DC電圧(直流電圧)ではなく、DCパルス電圧を印加するDCパルススパッタによって、はんだ層16を基板11の上に形成する。また、スパッタ室S3では、基板11をセットする静電チャックに温度制御部が設けられており、この静電チャックによって、基板11の温度上昇を抑えつつ、はんだ層16を形成する。静電チャックに設けられた温度制御部は、基板11の温度を調整制御可能であり、スパッタ処理時には基板11を冷却して所定の温度に保持する。
[Formation of solder layer by DC pulse sputtering and electrostatic chuck in sputtering apparatus 100]
In such a
[DCスパッタ電源ユニット]
図3はスパッタ室S3内に配置されている電極にDCパルス電圧を印加するDCパルス電源ユニットの構成を示す模式ブロック図である。図3において、DCパルス電源ユニット50は、DC電源51と、OFFパルス電源52と、印加電圧生成部53と、制御部54とを備えている。なお、DCパルス電源ユニット50は、DC電源ユニットとしても使用可能であるため、他のスパッタ室S0,S1,S2内の電極に電圧を印加する電源ユニットして使用することもできる。
[DC sputtering power supply unit]
FIG. 3 is a schematic block diagram showing the configuration of a DC pulse power supply unit that applies a DC pulse voltage to the electrodes arranged in the sputtering chamber S3. In FIG. 3, the DC pulse
このDCパルス電源ユニット50の出力電圧は、スパッタ室S3内のカソード電極60に印加される。また、スパッタ室S3内のアノード電極70は接地されている。従って、アノード電極70の電位Eaは基準電位(0電位)であり、カソード電極60の電位EkはDCパルス電源ユニット50の出力電位である。
The output voltage of the DC pulse
[DCパルス]
図4はDCパルス電源ユニット50の出力電圧波形を説明するタイムチャートであり、(a)はDCパルススパッタ時に電極に印加するDCパルス電圧、(b)はDCスパッタ時に電極に印加するDC電圧である。
[DC pulse]
FIG. 4 is a time chart for explaining the output voltage waveform of the DC pulse
図4(a)に示すように、DCパルス電源ユニット50によって生成されるDCパルスの周期はt0であり、この周期t0の内、期間t1がDCパルスのOFF期間であり、残りの期間t2がDCパルスのON期間である。ON期間t2ではカソード電位Ekは負の電位Ek1であるが、OFF期間t1ではカソード電位Ekは正または0のOFFパルス電位Ek0(図4(a)では電位Ek0は正電位)である。一方、図4(b)に示すように、DCパルス電源ユニット50をDC電源として機能させた場合には、カソード電位Ekは負の固定電位Ek2となる。
As shown in FIG. 4A, the cycle of the DC pulse generated by the DC pulse
図3のDCパルス電源ユニット50の動作について説明する。DC電源51は、制御部54から送信される波高値制御信号に従って、負電位Ek1を生成し、OFFパルス電源52は、制御部54から送信される波高値制御信号に従って、OFFパルス電位(正電位または0電位)Ek0を生成し、これらの電位Ek1,Ek0をそれぞれ印加電圧生成部53に出力する。なお、電位Ek1,Ek0の値は、上記波高値制御信号によって可変設定可能である。
The operation of the DC pulse
印加電圧生成部53は、制御部54から送信される切換制御信号に従って、ON期間t2では電位Ek1を、OFF期間t1では電位Ek0を、切り換えて出力する。これにより、カソード電極60には、DCパルスEk(図4(a)参照)が印加される。なお、DCパルスEkのOFFデューティー比t1/t0は、上記切換制御信号によって、例えば0%〜50%の間で可変設定可能である。図4(a)ではOFFデューティー比t1/t0を20%に設定しているが、このOFFデューティー比t1/t0は10%〜30%の範囲内に設定することが望ましい。また、DCパルスEkの周波数(1/t0)も、上記切換制御信号によって、例えば50Hz〜250Hzの間で可変設定可能である
The applied
一方、DCパルス電源ユニット50をDC電源として使用するときは、印加電圧生成部53は、DC電源51で生成された電位Ek2(図4(b)参照)のみを継続して、カソード印加電位Ekとして出力する。
On the other hand, when the DC pulse
[スパッタ装置100においての裏面電極17の形成手順]
(基板の搬入)
まず、電気回路12を有するSi基板(ウエハー)11を移載機T1内のカセットC1にセットする。そして、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、上記カセットC1にセットした基板11をハンドラH1によってカセットC1からロードロック室L/UL内に移送する。
[Procedure for Forming
(Board loading)
First, the Si substrate (wafer) 11 having the
次に、ロードロック室L/ULと移載機T1の間のバルブ機構を閉じ、ロードロック室L/ULを10e−3Paまで真空排気する。そして、ロードロック室L/ULと搬送室T0の間のバルブ機構を開き、搬送室T0内のハンドラH0によって基板11を搬送室T0内に搬入し、ロードロック室L/ULとの間のバルブ機構を閉じる。
Next, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL and the transfer machine T1 is closed, and the load lock chamber L / UL is evacuated to 10e-3 Pa. Then, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL and the transfer chamber T0 is opened, and the
(第1導電膜13の成膜、スパッタ室S0)
次に、搬送室T0とスパッタ室S0との間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によって基板11を搬送室T0からスパッタ室S0内に搬送する。そして、スパッタ室S0において、第1導電膜13となるAl膜もしくはSi−Al膜を成膜する。スパッタ室S0の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、アルゴン(Ar)流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、AlターゲットまたはSi−Al合金ターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚200nm〜1μmのAl膜またはSi−Al膜を形成する。そして、成膜終了後、搬送室T0との間のバルブ機構を開き、裏面(被成膜面)に第1導電膜13を成膜したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S0より搬送室T0に戻し、スパッタ室S0との間のバルブ機構を閉じる。
(Deposition of first
Next, the valve mechanism between the transfer chamber T0 and the sputtering chamber S0 is opened, and the
(第2導電膜14の成膜、スパッタ室S1)
次に、搬送室T0とスパッタ室S1との間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によってSi基板11を搬送室T0からスパッタ室S1内に搬送する。そして、スパッタ室S1において、第2導電膜14となるTi膜を成膜する。スパッタ室S1の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Tiターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚20nm〜200nmのTi膜を成膜する。そして、成膜終了後、搬送室T0との間のバルブ機構を開き、裏面(被成膜面)に第1導電膜13および第2導電膜14を積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S1より搬送室T0に戻し、スパッタ室S1との間のバルブ機構を閉じる。
(Deposition of second
Next, the valve mechanism between the transfer chamber T0 and the sputtering chamber S1 is opened, and the
(第3導電膜15の成膜、スパッタ室S2)
次に、搬送室T0とスパッタ室S2との間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によってSi基板11を搬送室T0からスパッタ室S2内に搬送する。そして、スパッタ室S2において、第3導電膜15となるNi膜もしくはV−Ni膜を成膜する。スパッタ室S2の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、NiターゲットまたはV−Ni合金ターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚200nm〜800nmのNi膜もしくはV−Ni膜を形成する。そして、成膜終了後、搬送室T0との間のバルブ機構を開き、裏面(被成膜面)に第1導電膜13と第2導電膜14と第3導電膜15とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S2より搬送室T0に戻し、スパッタ室S2との間のバルブ機構を閉じる。
(Deposition of third
Next, the valve mechanism between the transfer chamber T0 and the sputtering chamber S2 is opened, and the
(はんだ層16の成膜、スパッタ室S3)
次に、搬送室T0とスパッタ室S3との間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によってSi基板11を搬送室T0からスパッタ室S3内に搬送する。そして、スパッタ室S3において、SnおよびPbを主成分としてAgを含有するはんだ層16を成膜する。スパッタ室S3の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Ag−Sn−Pb合金のはんだターゲット(Ag−Sn−Pb合金ターゲット)を使用して、DCパルススパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚10μm〜15μmのはんだ層を成膜する。そして、成膜終了後、搬送室T0との間のバルブ機構を開き、裏面(被成膜面)に第1導電膜13と第2導電膜14と第3導電膜15とはんだ層16とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S3より搬送室T0に戻し、スパッタ室S3との間のバルブ機構を閉じる。以上で、半導体装置10の裏面電極17(図1参照)のスパッタ成膜を終了する。
(Deposition of
Next, the valve mechanism between the transfer chamber T0 and the sputtering chamber S3 is opened, and the
上記はんだ層16を成膜するDCパルススパッタでは、DCパルスのOFFデューティーt1/t0(図4参照)は20%に設定し、DCパルスの周波数1/t0は250kHzに設定した。また、静電チャックの温度制御部によってSi基板11を冷却することにより、Si基板11の温度を150℃以下に保持しつつ、はんだ層を成膜した。Ag−Sn−Pb合金ターゲットには、主成分となるSnとPbのwt%比率がSn:Pb=60:40であり、これにAgが3w%添加された合金ターゲット(Sn−Pb(60:40)−Ag(97:3)wt%ターゲット)を使用した。Ag−Sn−Pb合金ターゲットは、スパッタ室S3内のカソード電極60(図3参照)のアノード電極70側の面の上に設けられる。また、Si基板11は、アノード電極70(図3参照)のカソード電極60側の面の上に、被成膜面である裏面をカソード電極60側に向けて設けられる。
In the DC pulse sputtering for forming the
(成膜された基板の搬出)
その後、ロードロック室L/ULとの間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によって、裏面電極17を形成したSi基板11を搬送室T0から搬出し、搬送室T0とロードロック室L/ULの間のバルブ機構を閉じる。そして、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、移載機T1のハンドラH1によって、ロードロック室L/UL内の上記Si基板11を、カセットC2に戻す。
(Unloading the deposited substrate)
Thereafter, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL is opened, the
[はんだ層の特性]
図5はAg−Sn−Pb合金ターゲットを使用して実施の形態1のスパッタ装置100によって成膜したはんだ層(静電チャックの温度制御部で基板を冷却しつつDCパルススパッタで成膜したはんだ層)の膜厚方向の金属組成分を示す図である。また、図6はAg−Sn−Pb合金ターゲットを使用して実施の形態1のスパッタ装置100によって成膜したはんだ層(静電チャックの温度制御部で基板を冷却しつつDCパルススパッタで成膜したはんだ層)の断面SEM写真である。この図6のSEM写真は、下層の第3導電膜15表面から3μm程度の膜厚位置でのはんだ層16の写真である。また、図6のSEM写真の倍率は5000倍である。従って、はんだ層16の粒径のサイズは1μm程度である。
[Characteristics of solder layer]
FIG. 5 shows a solder layer formed by the
図5および図6において、はんだ層となるAg−Sn−Pb合金ターゲットには、Sn−Pb(60:40)−Ag(97:3)wt%ターゲットを使用した。また、DCパルスのOFFデューティーt1/t0(図4参照)は20%に設定し、DCパルスの周波数1/t0は250kHzに設定し、DCパルスパワー(ON期間t2のパワー)は350Wに設定した。また、Ar流量は、20sccmに設定した。
5 and 6, a Sn-Pb (60:40) -Ag (97: 3) wt% target was used as an Ag-Sn-Pb alloy target serving as a solder layer. The DC pulse OFF duty t1 / t0 (see FIG. 4) was set to 20%, the
また、図7はSn−Pb−Ag合金ターゲットを使用してはんだ層を実施の形態1のDCパルススパッタおよび従来のDCスパッタで形成した場合のはんだ層の金属組成の比較を示す図であり、(a)はDCパルススパッタ成膜の場合、(b)はDCスパッタ成膜の場合である。この図7の金属組成は、下層の第3導電膜15表面から10μm程度の膜厚位置でのはんだ層の組成である。
FIG. 7 is a diagram showing a comparison of the metal composition of the solder layer when the solder layer is formed by the DC pulse sputtering of the first embodiment and the conventional DC sputtering using a Sn—Pb—Ag alloy target. (A) is the case of DC pulse sputtering film formation, and (b) is the case of DC sputtering film formation. The metal composition in FIG. 7 is the composition of the solder layer at a film thickness position of about 10 μm from the surface of the lower third
図7(a)のDCパルススパッタ成膜の成膜条件は、静電チャック使用のマグネトロンスパッタ、Sn−Pb(60:40)−Ag(97:3)wt%ターゲット使用、Ar流量:20sccm、DCパルスOFFデューティーt1/t0:20%、DCパルス周波数1/t0:250kHz、DCパルスパワー(ON期間t2のパワー):350Wである。また、図7(b)のDCスパッタ成膜の成膜条件は、静電チャック使用のマグネトロンスパッタ、Sn−Pb(60:40)−Ag(97:3)wt%ターゲット使用、Ar流量:20sccm、DCパワー:300Wである。つまり、成膜条件の違いは、電源(DCパルス電源であるか、定常的なDC電源であるか、および電源パワー)のみである。
The film formation conditions for DC pulse sputtering film formation in FIG. 7A are magnetron sputtering using an electrostatic chuck, Sn—Pb (60:40) -Ag (97: 3) wt% target, Ar flow rate: 20 sccm, DC pulse OFF duty t1 / t0: 20%,
(金属組成)
まず、図7(a)と(b)を比較する。Snを58.2wt%、Pbを38.8wt%含有するSn−Pb−Ag合金ターゲットについて、従来のDCスパッタによるはんだ層では、Snを81.8wt%含有しているのに、Pbは15.0wt%しか含有していない。従って、静電チャックの温度制御部によって基板を冷却しても、低融点金属であるPbのスパッタレートの低下は著しい(図7(b)参照)。
(Metal composition)
First, FIGS. 7A and 7B are compared. For a Sn—Pb—Ag alloy target containing 58.2 wt% Sn and 38.8 wt% Pb, the solder layer formed by the conventional DC sputtering contains 81.8 wt% Sn, but 15% Pb. It contains only 0 wt%. Therefore, even if the substrate is cooled by the temperature control unit of the electrostatic chuck, the sputter rate of Pb, which is a low melting point metal, is significantly reduced (see FIG. 7B).
これに対し、DCパルススパッタによるはんだ層では、Snを66.7wt%、Pbを32.1wt%それぞれ含有している。従って、上記Sn−Pb−Ag合金ターゲットと比較すれば、低融点金属であるPbの含有率がやや低下しており、PbスパッタレートがSnのそれに比較してやや低下している(図7(a)参照)。しかしながら、DCパルススパッタによるはんだ層では、低融点金属であるPbの含有率が従来のDCスパッタのおよそ2倍になっており、低融点金属であるPbのスパッタレートの低下を飛躍的に抑えることができている。このように、定常的なDC放電ではなく、DCパルス放電を用いることにより、SnとPbの組成比率をターゲットの組成比率に近くできることが判る。 On the other hand, the solder layer formed by DC pulse sputtering contains 66.7 wt% Sn and 32.1 wt% Pb. Therefore, when compared with the Sn—Pb—Ag alloy target, the content of Pb, which is a low melting point metal, is slightly decreased, and the Pb sputtering rate is slightly decreased as compared with that of Sn (FIG. 7A). )reference). However, in the solder layer formed by DC pulse sputtering, the content of Pb, which is a low melting point metal, is about twice that of conventional DC sputtering, and the decrease in the sputtering rate of Pb, which is a low melting point metal, can be drastically suppressed. Is done. Thus, it can be seen that the composition ratio of Sn and Pb can be close to the composition ratio of the target by using DC pulse discharge instead of steady DC discharge.
また、図5に示すように、Snを58.2wt%、Pbを38.8wt%含有するSn−Pb−Ag合金ターゲットについて、DCパルススパッタによるはんだ層では、下地膜(第3導電膜)の表面を基準とした膜厚1μm,5μm,9μmの位置で、ほぼ一定のSn,Pb組成を示しており、Snをおよそ65wt%〜68wt%、Pbを32wt%〜35wt%それぞれ含有している。従って、上記Sn−Pb−Ag合金ターゲットよりも低融点金属であるPbの含有率がやや低下しているが、Pbスパッタレートの膜厚依存性はほとんどないと考えられる。なお、従来のDCスパッタでは、膜厚が厚くなるに従って低融点金属であるPbの組成比率が低下する。このように、定常的なDC放電ではなく、DCパルス放電を用いることにより、SnとPbの組成比率を、膜厚に依存することなく、ターゲットの組成比率に近くできることが判る。 Further, as shown in FIG. 5, with respect to a Sn—Pb—Ag alloy target containing 58.2 wt% Sn and 38.8 wt% Pb, in the solder layer by DC pulse sputtering, the base film (third conductive film) Almost constant Sn and Pb compositions are shown at positions of film thicknesses of 1 μm, 5 μm, and 9 μm with respect to the surface. Therefore, although the content of Pb, which is a low melting point metal, is slightly lower than that of the Sn—Pb—Ag alloy target, it is considered that the Pb sputtering rate has little film thickness dependency. In conventional DC sputtering, the composition ratio of Pb, which is a low melting point metal, decreases as the film thickness increases. Thus, it can be understood that the composition ratio of Sn and Pb can be made close to the composition ratio of the target without depending on the film thickness by using the DC pulse discharge instead of the steady DC discharge.
(抵抗)
図6では、DCパルススパッタによって成膜したはんだ層には、Sn,Pb(,Ag)が高密度に空隙なくスパッタリングされている様子が判る。従って、DCパルススパッタによるはんだ層の抵抗値は、真空蒸着によって成膜したはんだ層と同等またはこれよりも低抵抗であると考えられる。
(resistance)
In FIG. 6, it can be seen that Sn, Pb (, Ag) is sputtered at a high density without a gap in the solder layer formed by DC pulse sputtering. Therefore, the resistance value of the solder layer by DC pulse sputtering is considered to be equal to or lower than that of the solder layer formed by vacuum deposition.
DCパルススパッタによって成膜したはんだ層は、DCスパッタによって成膜した組成のずれたはんだ層よりも、抵抗率を低くすることができる。DCスパッタで成膜した膜厚365nmのはんだ層では、シート抵抗が0.596Ω/□、比抵抗(抵抗率)が22μΩ・cmであった。これに対し、DCパルススパッタで成膜した膜厚393nmのはんだ層では、シート抵抗が0.466Ω/□、比抵抗(抵抗率)が18μΩ・cmであった。 A solder layer formed by DC pulse sputtering can have a lower resistivity than a solder layer having a composition shifted by DC sputtering. In a 365 nm thick solder layer formed by DC sputtering, the sheet resistance was 0.596 Ω / □ and the specific resistance (resistivity) was 22 μΩ · cm. On the other hand, in a solder layer having a film thickness of 393 nm formed by DC pulse sputtering, the sheet resistance was 0.466Ω / □ and the specific resistance (resistivity) was 18 μΩ · cm.
(面内均一性)
スパッタ装置は、一般に、真空蒸着装置よりも大面積の基板に成膜することに適しており、膜厚均一性の高い成膜が可能である。そして、現在主流となっているSiウエハーの口径は8インチであって、大口径である。このため、はんだ層をDCスパッタによって成膜すると、真空蒸着によって成膜した場合よりも、膜厚の面内均一性を高くすることができる。本発明のスパッタ装置100のDCパルススパッタについても、真空蒸着装置よりも膜厚均一性の高いはんだ層を形成できると考えられる。
(In-plane uniformity)
A sputtering apparatus is generally suitable for forming a film on a substrate having a larger area than a vacuum evaporation apparatus, and can form a film with high film thickness uniformity. The diameter of Si wafers that are currently mainstream is 8 inches, which is a large diameter. For this reason, when the solder layer is formed by DC sputtering, the in-plane uniformity of the film thickness can be made higher than when the film is formed by vacuum deposition. Also for the DC pulse sputtering of the
(密着性)
スパッタ成膜では、一般に、真空蒸着成膜よりも下層の金属膜や基板との密着性が高い膜を形成することが可能である。そして、DCスパッタによって成膜したはんだ層は、真空蒸着によって成膜したはんだ層よりも下地膜との密着性が高い。このため、DCパルススパッタによって成膜したはんだ層でも、真空蒸着で成膜した場合と同等またはそれ以上の密着性が得られると考えられる。
(Adhesion)
In sputter deposition, it is generally possible to form a lower layer metal film or a film having higher adhesion to the substrate than vacuum deposition deposition. And the solder layer formed by DC sputtering has higher adhesion to the base film than the solder layer formed by vacuum deposition. For this reason, it is considered that even a solder layer formed by DC pulse sputtering can have an adhesiveness equal to or higher than that formed by vacuum deposition.
[基板の冷却]
DCスパッタは、一般に、RFスパッタよりもスパッタレートが高いが、基板の温度が上昇すると、基板に付着した金属が遊離し易くなるので、スパッタレートが低下する。そこで、基板を冷却すれば、基板に付着した金属が遊離し難くなるので、スパッタレートの低下を抑えることができる。この実施の形態1のはんだ層のDCパルススパッタでは、DCパルスのOFF期間t1(図4参照)において基板が冷却され、基板の温度上昇を抑えることができるので、スパッタレートの低下を抑えることができ、RFスパッタよりも高いスパッタレートを確保できる。
[Cooling the substrate]
In general, DC sputtering has a higher sputtering rate than RF sputtering, but when the temperature of the substrate rises, the metal adhering to the substrate is easily released, so the sputtering rate is lowered. Therefore, if the substrate is cooled, the metal adhering to the substrate becomes difficult to be released, so that a decrease in the sputtering rate can be suppressed. In the DC pulse sputtering of the solder layer according to the first embodiment, since the substrate is cooled during the DC pulse OFF period t1 (see FIG. 4) and the temperature rise of the substrate can be suppressed, the decrease in the sputtering rate can be suppressed. It is possible to secure a higher sputtering rate than RF sputtering.
さらに、この実施の形態1のはんだ層のDCパルススパッタでは、静電チャックの温度制御部によって基板を冷却し、基板温度を150℃以下の所定温度に保持しているので、スパッタレートの低下を効果的に抑えることができる。ここで、基板温度を150℃以下としているのは、一般的なはんだの融点が150℃であり、150℃以上の温度になると、薄膜のはんだが蒸発してしまうためである。 Furthermore, in the DC pulse sputtering of the solder layer of the first embodiment, the substrate is cooled by the temperature control unit of the electrostatic chuck, and the substrate temperature is maintained at a predetermined temperature of 150 ° C. or lower, so that the sputtering rate is reduced. It can be effectively suppressed. Here, the reason why the substrate temperature is set to 150 ° C. or less is that the melting point of general solder is 150 ° C., and the solder of the thin film evaporates when the temperature reaches 150 ° C. or more.
以上のように本発明の実施の形態1によれば、カソード電極にDCパルス電圧を印加するDCパルススパッタによって、低融点金属Pbを含有するはんだ層16を成膜することにより、はんだ層16の含有金属組成のずれを生じることなく、かつ成膜レートを低下させることなく成膜することができるので、1つのスパッタ装置内において、基板11を大気に一度も暴露させることなく、裏面電極17を構成する第1導電膜13、第2導電膜14、第3導電膜15、はんだ層16を積層形成することが可能となるとともに、従来技術においてはんだ層成膜のための基板の大気暴露時の酸化防止膜として必要であった第4導電膜を設ける必要がない。これにより、はんだ層を成膜するために基板をスパッタ装置から取り出して真空蒸着装置にセットする際の手間や基板の破損などを低減できるとともに、第4導電膜の金属材料として使用していた貴金属(AuまたはAg)のコストを低減できる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the
実施の形態2
図8は本発明の実施の形態2のスパッタ装置によって裏面電極を形成した半導体装置の模式断面図である。図8において、半導体装置20は、基板11と、電気回路12と、第2導電膜14と、第3導電膜15と、はんだ層16とを備えている。この半導体20において、第2導電膜14と、第3導電膜15と、はんだ層16とは、裏面電極27を構成している。なお、図8において、図1と同様のものには同じ符号を付してある。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in which a back electrode is formed by the sputtering apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 8, the
半導体装置によっては、裏面電極にp型Si等の拡散層を設ける必要がないものもある。図8の半導体装置20は、上記図1の半導体装置10において、p型Si等の拡散層として機能する第1導電膜13を、裏面電極に設けない構成としたものである。
Some semiconductor devices do not require a diffusion layer such as p-type Si on the back electrode. The
図9は本発明の実施の形態2のスパッタ装置の構成を示す模式平面図であり、半導体装置20に裏面電極27を積層形成するためのものである。図9において、スパッタ装置100は、基板(ウエハー)の搬送室T0と、それぞれスパッタ処理をする3つのスパッタ室S1,S2,S3と、ロードロック室L/ULと、基板の移載機T1とを備えている。ここで、スパッタ室S3は、はんだ層16を形成するスパッタ室である。このスパッタ装置200は、例えばマグネトロンスパッタ装置である。なお、図9において、図2と同様のものには同じ符号を付してある。
FIG. 9 is a schematic plan view showing the configuration of the sputtering apparatus according to the second embodiment of the present invention, which is for laminating the
つまり、図9のスパッタ装置200は、上記実施の形態1のスパッタ装置100(図2参照)において、第1導電膜をスパッタ成膜するスパッタ室S0を設けない構成としたものである。
That is, the
[スパッタ装置200においての裏面電極27の形成手順]
(基板の搬入)
まず、電気回路12を有するSi基板(ウエハー)11を移載機T1内のカセットC1にセットする。そして、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、上記カセットC1にセットした基板11をハンドラH1によってカセットC1からロードロック室L/UL内に移送する。
[Procedure for Forming
(Board loading)
First, the Si substrate (wafer) 11 having the
次に、ロードロック室L/ULと移載機T1の間のバルブ機構を閉じ、ロードロック室L/ULを10e−3Paまで真空排気する。そして、ロードロック室L/ULと搬送室T0の間のバルブ機構を開き、搬送室T0内のハンドラH0によって基板11を搬送室T0内に搬入し、ロードロック室L/ULとの間のバルブ機構を閉じる。
Next, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL and the transfer machine T1 is closed, and the load lock chamber L / UL is evacuated to 10e-3 Pa. Then, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL and the transfer chamber T0 is opened, and the
(第2導電膜14の成膜、スパッタ室S1)
次に、搬送室T0とスパッタ室S1との間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によってSi基板11を搬送室T0からスパッタ室S1内に搬送する。そして、スパッタ室S1において、第2導電膜14となるTi膜を成膜する。スパッタ室S1の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Tiターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚20nm〜200nmのTi膜を成膜する。そして、成膜終了後、搬送室T0との間のバルブ機構を開き、裏面(被成膜面)に第1導電膜13および第2導電膜14を積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S1より搬送室T0に戻し、スパッタ室S1との間のバルブ機構を閉じる。
(Deposition of second
Next, the valve mechanism between the transfer chamber T0 and the sputtering chamber S1 is opened, and the
(第3導電膜15の成膜、スパッタ室S2)
次に、搬送室T0とスパッタ室S2との間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によってSi基板11を搬送室T0からスパッタ室S2内に搬送する。そして、スパッタ室S2において、第3導電膜15となるNi膜もしくはV−Ni膜を成膜する。スパッタ室S2の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、NiターゲットまたはV−Ni合金ターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚200nm〜800nmのNi膜もしくはV−Ni膜を形成する。そして、成膜終了後、搬送室T0との間のバルブ機構を開き、裏面(被成膜面)に第1導電膜13と第2導電膜14と第3導電膜15とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S2より搬送室T0に戻し、スパッタ室S2との間のバルブ機構を閉じる。
(Deposition of third
Next, the valve mechanism between the transfer chamber T0 and the sputtering chamber S2 is opened, and the
(はんだ層16の成膜、スパッタ室S3)
次に、搬送室T0とスパッタ室S3との間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によってSi基板11を搬送室T0からスパッタ室S3内に搬送する。そして、スパッタ室S3において、SnおよびPbを主成分としてAgを含有するはんだ層16を成膜する。スパッタ室S3の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Ag−Sn−Pb合金ターゲットを使用して、DCパルススパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚10μm〜15μmのはんだ層を成膜する。そして、成膜終了後、搬送室T0との間のバルブ機構を開き、裏面(被成膜面)に第1導電膜13と第2導電膜14と第3導電膜15とはんだ層16とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S3より搬送室T0に戻し、スパッタ室S3との間のバルブ機構を閉じる。以上で、半導体装置20の裏面電極27(図8参照)のスパッタ成膜を終了する。
(Deposition of
Next, the valve mechanism between the transfer chamber T0 and the sputtering chamber S3 is opened, and the
上記はんだ層16を成膜するDCパルススパッタでは、DCパルスのOFFデューティーt1/t0(図4参照)は20%に設定し、DCパルスの周波数1/t0は250kHzに設定した。また、静電チャックの温度制御部によってSi基板11を冷却することにより、Si基板11の温度を150℃以下に保持しつつ、はんだ層を成膜した。Ag−Sn−Pb合金ターゲットには、Sn−Pb(60:40)−Ag(97:3)wt%ターゲットを使用した。
In the DC pulse sputtering for forming the
(成膜された基板の搬出)
その後、ロードロック室L/ULとの間のバルブ機構を開き、ハンドラH0によって、裏面電極17を形成したSi基板11を搬送室T0から搬出し、搬送室T0とロードロック室L/ULの間のバルブ機構を閉じる。そして、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、移載機T1のハンドラH1によって、ロードロック室L/UL内の上記Si基板11を、カセットC2に戻す。
(Unloading the deposited substrate)
Thereafter, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL is opened, the
以上のように本発明の実施の形態2によれば、カソード電極にDCパルス電圧を印加するDCパルススパッタによって、低融点金属Pbを含有するはんだ層16を成膜することにより、上記実施の形態1と同様の効果を得られ、はんだ層16の含有金属組成のずれを生じることなく、かつ成膜レートを低下させることなく成膜することができるので、1つのスパッタ装置内において、基板11を大気に一度も暴露させることなく、裏面電極27を構成する第2導電膜14、第3導電膜15、はんだ層16を積層形成することが可能となるとともに、従来技術においてはんだ層成膜のための基板の大気暴露時の酸化防止膜として必要であった第4導電膜を設ける必要がない。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, the
実施の形態3
図10は本発明の実施の形態3のスパッタ装置の構成を示す模式平面図であり、上記図1の半導体装置10に裏面電極17を積層形成するためのものである。図10において、スパッタ装置300は、基板(ウエハー)の搬送室T0と、それぞれスパッタ処理をする3つのスパッタ室S1,S2,S3と、ロードロック室L/ULと、基板の移載機T1とを備えている。ここで、スパッタ室S1は、3つのスパッタ分室S1−0,S1−1,S1−2を有しており、それぞれのスパッタ分室には異なるターゲットを設けることができる。従って、スパッタ室S1には、最大3つの異なるターゲットを設けることができる。ただし、いずれか1つの分室でスパッタしているときには、他の2つの分室ではスパッタをすることができない。スパッタ分室S1−0は第1導電膜13を形成するスパッタ室であり、スパッタ分室S1−1は第2導電膜14を形成するスパッタ室である。また、スパッタ室S3は、はんだ層16を形成するスパッタ室である。このスパッタ装置300は、例えばマグネトロンスパッタ装置である。
FIG. 10 is a schematic plan view showing the configuration of the sputtering apparatus according to the third embodiment of the present invention, which is used for laminating the
図10のスパッタ装置300は、上記図2のスパッタ装置100および上記図9のスパッタ装置200のような、搬送室T0とスパッタ室,ロードロック室L/ULの間がバルブ機構で分離されているクラスタータイプのスパッタ装置とは異なり、搬送室T0とスパッタ室,ロードロック室L/UL間、スパッタ室間、およびスパッタ室とロードロック室L/ULの間が、それぞれ所定のコンダクタンスを持ってつながった構成になっている。同様に、スパッタ室S1についても、スパッタ分室間がそれぞれ所定のコンダクタンスを持ってつながった構成になっている。ただし、はんだ層16を成膜するスパッタ室S3は、そのスパッタ時には、搬送室T0および他のスパッタ室と仕切られた個室になる。
In the sputtering apparatus 300 of FIG. 10, the transfer chamber T0, the sputtering chamber, and the load lock chamber L / UL are separated by a valve mechanism like the
図10のスパッタ装置300において、搬送室T0は、ハンドラH0を有している。ハンドラH0は、基板を保持したまま回動し、スパッタ室間あるいはスパッタ室と搬入搬出室L/ULの間で、基板を搬送する。また、移載機T1は、ハンドラH1と、基板(ウエハー)のカセットC1,C2とを有している。ハンドラH1は、基板を保持したまま移動し、カセットにセットされた基板をロードロック室L/ULに搬入し、スパッタ処理された基板をロードロック室L/ULから搬出してカセットに戻す。 In the sputtering apparatus 300 of FIG. 10, the transfer chamber T0 has a handler H0. The handler H0 rotates while holding the substrate, and conveys the substrate between the sputtering chambers or between the sputtering chamber and the loading / unloading chamber L / UL. The transfer machine T1 includes a handler H1 and substrate (wafer) cassettes C1 and C2. The handler H1 moves while holding the substrate, carries the substrate set in the cassette into the load lock chamber L / UL, carries out the sputtered substrate from the load lock chamber L / UL, and returns it to the cassette.
[スパッタ装置300においてのDCパルススパッタおよび静電チャックによるはんだ層の形成]
このようなスパッタ装置300において、スパッタ室S3では、電極に、DC電圧(直流電圧)ではなく、DCパルス電圧を印加するDCパルススパッタによって、はんだ層16を基板11の上に形成する。また、スパッタ室S3では、基板11をセットする静電チャックに温度制御部が設けられており、この静電チャックによって、基板11の温度上昇を抑えつつ、はんだ層16を形成する。静電チャックに設けられた温度制御部は、基板11の温度を調整制御可能であり、スパッタ処理時には基板11を冷却して所定の温度に保持する。なお、スパッタ室S3のカソード電極にDCパルス電圧を印加するDCパルス電源ユニットの構成は、図3のDCパルス電源ユニット50と同様である。
[Formation of solder layer by DC pulse sputtering and electrostatic chuck in sputtering apparatus 300]
In such a sputtering apparatus 300, in the sputtering chamber S3, the
[スパッタ装置300においての裏面電極17の形成手順]
(基板の搬入)
まず、電気回路12を有するSi基板(ウエハー)11を移載機T1内のカセットC1にセットする。そして、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、上記カセットC1にセットした基板11をハンドラH1によってカセットC1からロードロック室L/UL内に移送する。
[Procedure for Forming
(Board loading)
First, the Si substrate (wafer) 11 having the
次に、ロードロック室L/ULと移載機T1の間のバルブ機構を閉じ、ロードロック室L/ULを10e−3Paまで真空排気する。そして、搬送室T0のハンドラH0によって、基板11をロードロック室L/ULよりスパッタ室S1内のスパッタ分室S1−0に搬送する。
Next, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL and the transfer machine T1 is closed, and the load lock chamber L / UL is evacuated to 10e-3 Pa. The
(第1導電膜13の成膜、スパッタ室S0)
次に、スパッタ分室S1−0において、第1導電膜13となるAl膜もしくはSi−Al膜を成膜する。スパッタ分室S1−0の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、AlターゲットまたはSi−Al合金ターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚200nm〜1μmのAl膜またはSi−Al膜を形成する。そして、成膜終了後、裏面(被成膜面)に第1導電膜13を成膜したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ分室S1−0より同じスパッタ室S1内のスパッタ分室S1−1に搬送する。
(Deposition of first
Next, an Al film or Si—Al film to be the first
(第2導電膜14の成膜、スパッタ室S1)
次に、スパッタ分室S1−1において、第2導電膜14となるTi膜を成膜する。スパッタ室S1の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Tiターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚20nm〜200nmのTi膜を成膜する。そして、成膜終了後、裏面(被成膜面)に第1導電膜13および第2導電膜14を積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ分室S1−1よりスパッタ室S2に搬送する。
(Deposition of second
Next, a Ti film to be the second
(第3導電膜15の成膜、スパッタ室S2)
次に、スパッタ室S2において、第3導電膜15となるNi膜もしくはV−Ni膜を成膜する。スパッタ室S2の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、NiターゲットまたはV−Ni合金ターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚200nm〜800nmのNi膜もしくはV−Ni膜を形成する。そして、成膜終了後、裏面(被成膜面)に第1導電膜13と第2導電膜14と第3導電膜15とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S2よりスパッタ室S3に搬送する。
(Deposition of third
Next, a Ni film or a V-Ni film to be the third
(はんだ層16の成膜、スパッタ室S3)
次に、スパッタ室S3を搬送室T0および他のスパッタ室と仕切って個室にする。そして、スパッタ室S3において、SnおよびPbを主成分としてAgを含有するはんだ層16を成膜する。スパッタ室S3の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Ag−Sn−Pb合金ターゲットを使用して、DCパルススパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚10μm〜15μmのはんだ層を成膜する。成膜終了後、スパッタ室S3と搬送室T0および他のスパッタ室との仕切りを解除し、裏面(被成膜面)に第1導電膜13と第2導電膜14と第3導電膜15とはんだ層16とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S3よりロードロック室L/ULに搬送する。以上で、半導体装置10の裏面電極17(図1参照)のスパッタ成膜を終了する。
(Deposition of
Next, the sputtering chamber S3 is partitioned from the transfer chamber T0 and other sputtering chambers to become a private chamber. Then, in the sputtering chamber S3, the
上記はんだ層16を成膜するDCパルススパッタでは、DCパルスのOFFデューティーt1/t0(図4参照)は20%に設定し、DCパルスの周波数1/t0は250kHzに設定した。また、静電チャックの温度制御部によってSi基板11を冷却することにより、Si基板11の温度を150℃以下に保持しつつ、はんだ層を成膜した。Ag−Sn−Pb合金ターゲットには、Sn−Pb(60:40)−Ag(97:3)wt%ターゲットを使用した。Ag−Sn−Pb合金ターゲットは、スパッタ室S3内のカソード電極60(図3参照)のアノード電極70側の面の上に設けられる。また、Si基板11は、アノード電極70(図3参照)のカソード電極60側の面の上に、被成膜面である裏面をカソード電極60側に向けて設けられる。
In the DC pulse sputtering for forming the
(成膜された基板の搬出)
その後、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、移載機T1のハンドラH1によって、ロードロック室L/UL内の上記Si基板11を、カセットC2に戻す。
(Unloading the deposited substrate)
Thereafter, the load lock chamber L / UL is vented to open the valve mechanism with the transfer machine T1, and then the
以上のように本発明の実施の形態3によれば、カソード電極にDCパルス電圧を印加するDCパルススパッタによって、低融点金属Pbを含有するはんだ層16を成膜することにより、上記実施の形態1と同様の効果を得られ、はんだ層16の含有金属組成のずれを生じることなく、かつ成膜レートを低下させることなく成膜することができるので、1つのスパッタ装置内において、基板11を大気に一度も暴露させることなく、裏面電極17を構成する第1導電膜13、第2導電膜14、第3導電膜15、はんだ層16を積層形成することが可能となるとともに、従来技術においてはんだ層成膜のための基板の大気暴露時の酸化防止膜として必要であった第4導電膜を設ける必要がない。
As described above, according to the third embodiment of the present invention, the
さらに、複数のスパッタ室間が所定のコンダクタンスを持ってつながったスパッタ装置300を使用することにより、クラスタータイプのスパッタ装置にようにバルブ機構の開閉を必要としないので、短い時間で裏面電極を積層形成することができる。 Furthermore, by using the sputtering apparatus 300 in which a plurality of sputtering chambers are connected with a predetermined conductance, it is not necessary to open and close the valve mechanism as in the case of the cluster type sputtering apparatus. Can be formed.
実施の形態4
図11は本発明の実施の形態4のスパッタ装置の構成を示す模式平面図であり、上記図8の半導体装置20に裏面電極27を積層形成するためのものである。図11において、スパッタ装置400は、基板(ウェハ)の搬送室T0と、それぞれスパッタ処理をする3つのスパッタ室S1,S2,S3と、ロードロック室L/ULと、基板の移載機T1とを備えている。ここで、スパッタ室S3は、はんだ層16を形成するスパッタ室である。このスパッタ装置400は、例えばマグネトロンスパッタ装置である。なお、図11において、図10と同様のものには同じ符号を付してある。
Embodiment 4
FIG. 11 is a schematic plan view showing the configuration of the sputtering apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, which is used for laminating the
このスパッタ装置400のスパッタ室S1は、上記実施の形態3のスパッタ装置300のスパッタ室S1(図10参照)のようなスパッタ分室S1−0,S1−1,S1−2を備えていない。つまり、図11のスパッタ装置400は、上記実施の形態3のスパッタ装置300(図10参照)において、スパッタ室S1に第1導電膜13をスパッタ成膜するスパッタ分室S1−0を設けず、スパッタ室S1を、第2導電膜14をスパッタ成膜するための単室構成としたものである。
The sputtering chamber S1 of the sputtering apparatus 400 does not include the sputtering compartments S1-0, S1-1, and S1-2 like the sputtering chamber S1 (see FIG. 10) of the sputtering apparatus 300 of the third embodiment. In other words, the sputtering apparatus 400 of FIG. 11 does not include the sputtering compartment S1-0 in which the first
[スパッタ装置400においての裏面電極27の形成手順]
(基板の搬入)
まず、電気回路12を有するSi基板(ウエハー)11を移載機T1内のカセットC1にセットする。そして、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、上記カセットC1にセットした基板11をハンドラH1によってカセットC1からロードロック室L/UL内に移送する。
[Procedure for Forming
(Board loading)
First, the Si substrate (wafer) 11 having the
次に、ロードロック室L/ULと移載機T1の間のバルブ機構を閉じ、ロードロック室L/ULを10e−3Paまで真空排気する。そして、搬送室T0のハンドラH0によって、基板11をロードロック室L/ULよりスパッタ室S1に搬送する。
Next, the valve mechanism between the load lock chamber L / UL and the transfer machine T1 is closed, and the load lock chamber L / UL is evacuated to 10e-3 Pa. Then, the
(第2導電膜14の成膜、スパッタ室S1)
次に、スパッタ室S1において、第2導電膜14となるTi膜を成膜する。スパッタ室S1の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Tiターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚20nm〜200nmのTi膜を成膜する。そして、成膜終了後、裏面(被成膜面)に第2導電膜14を積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S1よりスパッタ室S2に搬送する。
(Deposition of second
Next, a Ti film to be the second
(第3導電膜15の成膜、スパッタ室S2)
次に、スパッタ室S2において、第3導電膜15となるNi膜もしくはV−Ni膜を成膜する。スパッタ室S2の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、NiターゲットまたはV−Ni合金ターゲットを使用して、DCスパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚200nm〜800nmのNi膜もしくはV−Ni膜を形成する。そして、成膜終了後、裏面(被成膜面)に第1導電膜13と第2導電膜14と第3導電膜15とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S2よりスパッタ室S3に搬送する。
(Deposition of third
Next, a Ni film or a V-Ni film to be the third
(はんだ層16の成膜、スパッタ室S3)
次に、スパッタ室S3を搬送室T0および他のスパッタ室と仕切って個室にする。そして、スパッタ室S3において、SnおよびPbを主成分としてAgを含有するはんだ層16を成膜する。スパッタ室S3の成膜圧力を0.1Pa〜1.0Paとし、Ar流量を5sccm〜50sccmとした減圧雰囲気中において、Ag−Sn−Pb合金ターゲットを使用して、DCパルススパッタ(マグネトロンスパッタ)によって膜厚10μm〜15μmのはんだ層を成膜する。成膜終了後、スパッタ室S3と搬送室T0および他のスパッタ室との仕切りを解除し、裏面(被成膜面)に第2導電膜14と第3導電膜15とはんだ層16とを積層形成したSi基板11を、ハンドラH0によってスパッタ室S3よりロードロック室L/ULに搬送する。以上で、半導体装置20の裏面電極27(図8参照)のスパッタ成膜を終了する。
(Deposition of
Next, the sputtering chamber S3 is partitioned from the transfer chamber T0 and other sputtering chambers to become a private chamber. Then, in the sputtering chamber S3, the
上記はんだ層16を成膜するDCパルススパッタでは、DCパルスのOFFデューティーt1/t0(図4参照)は20%に設定し、DCパルスの周波数1/t0は250kHzに設定した。また、静電チャックの温度制御部によってSi基板11を冷却することにより、Si基板11の温度を150℃以下に保持しつつ、はんだ層を成膜した。Ag−Sn−Pb合金ターゲットには、Sn−Pb(60:40)−Ag(97:3)wt%ターゲットを使用した。Ag−Sn−Pb合金ターゲットは、スパッタ室S3内のカソード電極60(図3参照)のアノード電極70側の面の上に設けられる。また、Si基板11は、アノード電極70(図3参照)のカソード電極60側の面の上に、被成膜面である裏面をカソード電極60側に向けて設けられる。
In the DC pulse sputtering for forming the
(成膜された基板の搬出)
その後、ロードロック室L/ULをベントして、移載機T1との間のバルブ機構を開いたあと、移載機T1のハンドラH1によって、ロードロック室L/UL内の上記Si基板11を、カセットC2に戻す。
(Unloading the deposited substrate)
Thereafter, the load lock chamber L / UL is vented to open the valve mechanism with the transfer machine T1, and then the
以上のように本発明の実施の形態4によれば、カソード電極にDCパルス電圧を印加するDCパルススパッタによって、低融点金属Pbを含有するはんだ層16を成膜することにより、上記実施の形態1と同様の効果が得られ、はんだ層16の含有金属組成のずれを生じることなく、かつ成膜レートを低下させることなく成膜することができるので、1つのスパッタ装置内において、基板11を大気に一度も暴露させることなく、裏面電極27を構成する第2導電膜14、第3導電膜15、はんだ層16を積層形成することが可能となるとともに、従来技術においてはんだ層成膜のための基板の大気暴露時の酸化防止膜として必要であった第4導電膜を設ける必要がない。
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, the
さらに、複数のスパッタ室間が所定のコンダクタンスを持ってつながったスパッタ装置300を使用することにより、上記実施の形態3と同様の効果を得られ、クラスタータイプのスパッタ装置にようにバルブ機構の開閉を必要としないので、短い時間で裏面電極を積層形成することができる。 Further, by using the sputtering apparatus 300 in which a plurality of sputtering chambers are connected with a predetermined conductance, the same effect as that of the third embodiment can be obtained. Therefore, the back electrode can be laminated and formed in a short time.
[下地膜・下地基板]
なお、上記実施の形態1〜4では、Ni膜またはV−Ni膜上にはんだ層を形成したが、Si基板上やガラス基板上にも、組成ずれがなく密着性の高いはんだ層を形成することができる。
[Underlayer / Substrate]
In the first to fourth embodiments, the solder layer is formed on the Ni film or the V-Ni film. However, a solder layer having high adhesion and no composition shift is formed on the Si substrate or the glass substrate. be able to.
実施の形態5
図12は本発明のスパッタ装置によって裏面電極を形成した半導体装置の模式断面図である。図12において、半導体装置30は、基板11と、電気回路12と、はんだ層16とを備えている。この半導体装置30では、はんだ層16のみが、裏面電極37を構成している。なお、図12において、図1と同様のものには同じ符号を付してある。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in which a back electrode is formed by the sputtering apparatus of the present invention. In FIG. 12, the
図12の半導体装置30は、基板11の一方の面(表面)に電気回路12を有しており、基板11の他方の面(裏面、被製膜面)に、はんだ層16のみによる裏面電極37を有している。このように、基板裏面に電極を設ける構成の半導体装置には、例えばパワーデバイスがある。
A
半導体装置30の裏面電極37(はんだ層16)は、例えば、上記実施の形態1のスパッタ装置100(図2参照)、上記実施の形態1のスパッタ装置200(図9参照)、上記実施の形態3のスパッタ装置300(図10参照)、あるいは上記実施の形態4のスパッタ装置400(図11参照)のいずれかのスパッタ装置において、図3のDCパルス電源ユニット50によってカソード電極にDCパルス電圧(図4(a)参照)を印加してはんだ層16を形成するスパッタ室S3と、ロードロック室L/ULと、基板の移載機T1とを備えた構成としたスパッタ装置を使用して、成膜することができる。はんだ層16の成膜手順は、上記実施の形態1〜4で説明した手順と同様である。
The back surface electrode 37 (solder layer 16) of the
[基板]
なお、上記実施の形態1〜5では、基板としてSi基板を使用したが、本発明の基板としては、シリコン基板の他に、ガラス基板やNi基板を使用することも可能である。また、上記実施の形態1〜5では、基板の裏面を被成膜面として、低融点金属を含有する合金膜であるはんだ層を成膜する場合について説明したが、本発明は、電気回路を有する基板表面を被成膜面として、この基板表面に低融点金属を含有する合金膜を成膜する場合にも適用可能である。
[substrate]
In the first to fifth embodiments, the Si substrate is used as the substrate. However, as the substrate of the present invention, a glass substrate or Ni substrate can be used in addition to the silicon substrate. In the first to fifth embodiments, the case where the solder layer, which is an alloy film containing a low melting point metal, is formed using the back surface of the substrate as the film formation surface has been described. The present invention is also applicable when an alloy film containing a low-melting-point metal is formed on the surface of the substrate having the surface to be formed as a film formation surface.
10,20,30 半導体装置、 11 基板、 12 電気回路、 13 第1導電膜、 14 第2導電膜、 15 第3導電膜、 16 はんだ層、 17,27,37 裏面電極、 50 電源部、 51 DC電源、 52 OFFパルス電源、 53 印加電圧生成部、 54 制御部、 60 カソード電極、 70 アノード電極、 100,200,300,400 スパッタ装置、 C1,C2 カセット、 H0,H1 ハンドラ、 L/UL ロードロック室、 S0,S1,S2,S3 スパッタ室、 S1−0,S1−1,S1−2 スパッタ分室。 10, 20, 30 Semiconductor device, 11 substrate, 12 electric circuit, 13 first conductive film, 14 second conductive film, 15 third conductive film, 16 solder layer, 17, 27, 37 back electrode, 50 power supply unit, 51 DC power source, 52 OFF pulse power source, 53 applied voltage generation unit, 54 control unit, 60 cathode electrode, 70 anode electrode, 100, 200, 300, 400 sputtering device, C1, C2 cassette, H0, H1 handler, L / UL load Lock chamber, S0, S1, S2, S3 sputtering chamber, S1-0, S1-1, S1-2 sputtering chamber.
Claims (5)
前記カソード電極にDCパルス電圧を印加する電源手段と、
前記基板を前記合金膜の融点以下に冷却する温度制御手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とする成膜装置。 A cathode electrode provided with an alloy target containing lead (Pb) or tin (Sn) and an anode electrode provided with a substrate are arranged opposite to each other in a reduced-pressure atmosphere, and on one surface of the substrate, A film forming apparatus for forming an alloy film containing Pb or Sn by a sputtering method,
Power supply means for applying a DC pulse voltage to the cathode electrode;
Temperature control means for cooling the substrate below the melting point of the alloy film;
A film forming apparatus comprising at least
前記カソード電極にDCパルス電圧を印加するとともに、
成膜時の前記基板の温度を前記合金膜の融点以下に保持することを特徴とする成膜方法。 A cathode electrode provided with an alloy target containing lead (Pb) or tin (Sn) and an anode electrode provided with a substrate are arranged opposite to each other in a reduced-pressure atmosphere, and on one surface of the substrate, A film forming method using a film forming apparatus for forming an alloy film containing Pb or Sn by a sputtering method,
Applying a DC pulse voltage to the cathode electrode;
A film forming method characterized in that the temperature of the substrate during film formation is kept below the melting point of the alloy film.
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