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デジタルスパッタ法によるTa

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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.
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