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デジタルスパッタ法によるTa
ULVAC TECHNICAL JOURNAL No.66 2007 デジタルスパッタ法によるTa-SiO2 薄膜抵抗体成膜 中牟田 雄＊，三村寿文＊，井堀敦仁＊， 鈴木寿弘＊，松本昌弘＊，谷 典明＊ とし，すでに光学膜など金属酸化膜の高速スパッタ技術 １．はじめに として実績のあるデジタルスパッタ法を検討し，Ta の メタルスパッタと SiO 2 の反応性スパッタとの同時成膜 感熱記録方式は，抵抗体にパルス電流を通電し発生す るジュール熱により，感熱紙を介して文字や画像を記録 について評価した。 するものである。 ２．実験方法 従来，感熱記録素子のサーマルヘッドや，実装部品の 抵抗膜として使用されている薄膜抵抗体には，NiCr， Ta などの高抵抗金属，TaN などの窒化物，そして Ta- 今回実験に使用したデジタルスパッタロードロック装 SiO 2 などのサーメット材料が使用されている。とくに， 置： ULDiS-903CHL の概略図を図１に示す。装置構成は サーメット材料は体積抵抗率が高いため，高精細形状で 基板を設置した回転ドラム，およびその周囲に配置した の高抵抗素子や，発熱体の形成が可能である。 第１の Ta スパッタ，第２の Si スパッタ，第３の酸素プ 薄膜抵抗体に使用されるサーメット材料としては， ラズマを使用した酸化源からなる。 Ta-SiO 2 のほか，Cr-SiO 2 ，Nb-SiO 2 などがあり，これら スパッタカソードは，AC ダブルカソードを採用し， は一般的に，金属と SiO 2 との焼結体からなるターゲッ ターゲットは 145 × 640 ×８ mmt サイズの Ta，Si（B ド トを使用した RF スパッタにより成膜されている。スパ ープ）を使用した。成膜圧力は 0.15Pa 程度とし，スパ ッタは，一般的に高速かつ安定な成膜が可能で，大型基 ッタ室からの Ar 流量を 150sccm，酸化源から O 2 流量を 板での膜厚，膜質分布の確保に有利であるが，現状，一 50 ∼ 200sccm，Si スパッタ Power6.0 ∼ 12.0kW，Ta ス 般的な Ta-SiO 2 をはじめとするインライン装置のスパッ パッタ Power 10.0kW ∼ 12.0kW とし，ドラムの回転数 タにおいては，基板搬送に伴うプラズマ密度変動により， は 200rpm とした。基板には熱酸化膜付き Si Wafer，お 膜組成，比抵抗の面内分布が発生し，高速かつ安定な成 よびアルミナ基板を用いた。成膜は，単原子層の Ta， 膜を行うことは困難であった。とくに，搬送方向のシー Si メタルを成膜し，その後酸素プラズマにてSi を酸化さ ト抵抗分布を改善する従来技術として，搬送キャリアが せ基板上にTa-SiOx 膜を形成した。 通過する過程のなかで，基板の前部および後部の成膜中 評価方法は，膜厚：触針式段差計，シート抵抗：四端 子法，組成分析： AES（オージェ分光法）を用いた。 において，搬送速度やスパッタパワーコントロールでの 膜厚補正し，見かけ上のシート抵抗の均一性を確保して いた。 TMP このような方法は，複雑なプログラミングが必要であ O2 O2 酸化源 TMP り，さらに膜組成や比抵抗は，このほかにも Ar 圧力や Ar 残留不純物ガスレベルの変動により顕著に変化するた Ar め，再現性よく常に均一な面抵抗，および面抵抗分布を Si 確保することは困難であった。 Ta 今回我々は成膜速度の向上（成膜速度７Å/sec 以 上），抵抗値分布の均一性（抵抗値分布± 3.0 ％以下）に 加え，同一ターゲットによる組成比，抵抗値制御（比抵 抗値の目標値としては 10000 μΩ･cm とした。）を目的 図１ デジタルスパッタ装置： ULDiS-903 ＊ （株）アルバック 千葉超材料研究所 5 が下がり（膜中への O 2 の取り込み量減少）O 2 による膜 ３．実験結果 膨れが少なくなったためだと考えられる。また図３に Ta スパッタPower10.0kW 条件でのAES 深さ方向のプロ （１）Ta スパッタPower と比抵抗の関係 図２に Si スパッタ Power 8.0kW，酸化源より導入す ファイルを示す。各元素は深さ方向に対してほぼ均一で る O 2 流量を 200sccm 固定して，Ta スパッタ Power を あることがわかった。 10.0kW ∼ 12.0kW まで変化させた場合の比抵抗値，なら びに Rate の関係を示す。Ta スパッタ Power を増加させ （２）酸化源導入酸素流量と比抵抗値の関係 た場合，比抵抗値は 14000 μΩ･cm ∼ 4970 μΩ･cm まで 図４に Si スパッタPower 8.0kW，Ta スパッタPower 変化した。これは Ta スパッタ Power を増加させること 10.0kW 固定にて，酸化源より導入する O2 流量を で，膜中の Ta メタル成分が増加し比抵抗値が下がった 150sccm ∼ 200sccm まで変化させた場合の比抵抗値を示 と考えられる。 す。比抵抗値は 3000 μΩ･cm ∼ 14000 μΩ･cm まで増加 また Rate に関しては９Å/sec にてほぼ一定であった。 した。これは酸化源の O 2 流量を増加したことによって これは Ta メタル成分が増加する一方で，SiOx の酸化度 SiOx の酸化度があがり抵抗値が上昇したと考えられる。 （３）シート抵抗値分布 比抵抗 Rate 図５にドラム長手方向，膜厚 1000 Åでのシート抵抗 12 1.0E＋06 9 1.0E＋05 6 1.0E＋04 3 値の分布を示す。Ta メタルの膜厚分布をトリムタブに よって修正することによって幅 300mm の基板面内にお Rate（Å/sec） 比抵抗（μΩ･cm） 1.0E＋07 いて± 1.5 ％の均一なシート抵抗値分布を得ることがで きた。 4．まとめ 今回，従来法のインライン装置による RF スパッタと 1.0E＋03 7 8 9 10 11 0 13 12 比較して，デジタルスパッタ法にて成膜速度の向上（７ Å/sec 以上），抵抗値の均一性（± 3.0 ％以下），同一タ Ta CA Power（kW） ーゲットによる組成比，抵抗値制御を目的としてデジタ 図２ Ta CA Power と比抵抗，Rate の関係 ルスパッタ法を検討し，Ta のメタルスパッタと SiO 2 の 反応性スパッタとの同時成膜について評価した。 Ta スパッタ Power や酸化源の酸素流量調整により， Ta Power 10.0kW 比抵抗：14000μΩ･cm 100 抵抗値を任意の値に制御することが確認された。また， 90 300mm 幅基板内のシート抵抗値分布は，±２％以内の 1.0E＋06 70 60 Ta：56at％ 比抵抗（μΩ･cm） Atomic Concentration（％） 80 1.0E＋05 50 O2：36at％ 40 1.0E＋04 30 1.0E＋03 20 Si：８at％ 10 0 −1 0 1 2 3 4 5 6 7 Sputter Time（min） 8 9 1.0E＋02 0 10 50 100 150 200 導入酸素流量（sccm） 図３ AES 深さ方向プロファイル 図４ 酸化源導入酸素流量と比抵抗値の関係 6 250 シート抵抗値（Ω/□) 1250 1000 ±1.5％ 750 500 200 0 −200 −150 −100 −50 0 50 100 150 200 Position（mm） 図５ シート抵抗値分布 均一な値が得られた。Ta，Si のメタルスパッタ，およ 参考文献 び酸素プラズマによる酸化力分布が，ドラム面内の基板 １）池田，他：第 55 回応用物理学会学術講演会 P404 エリアにおいてほぼ均一であり，安定な成膜が可能であ 20PN-16． ることが確認された。 ２）鈴木，他：月刊ディスプレイ ’ 05 ３月号 P56-62． ３）中牟田，他：第 53 回応用物理学関係連合講演会 P678 22a-R-10． 7