最終更新日: 2005-02-25

ナノ結晶 Si 製膜のための Si の反応性スパッタリングにおけるモード遷移
薄膜・表面物性研究室
M033504

多久島 和弘Kazuhiro TAKUSHIMA

2. 実験

1. はじめにナノクリスタルシリコン（nc-Si）は、表面が酸素によって終端されている直径 3〜4 nmのシリコン結晶の集合体である。このnc-Siは、バルク結晶では困難な発光デバイスへの応用が考えられる。
近年、Si-SiO2混合ターゲットをスパッタすることによってPL発光するnc-Siを形成した例が報告されている。我々は酸素（O2）を用いたSiの反応性スパッタリングでも、O2流量の制御によりnc-Siが作製できるのではないかと考え、本研究を始めた。
金属酸化物の薄膜を形成する反応性スパッタにArを一定量(20 sccm)として、O2を 0.6〜10sccmの範囲で導入し、SiをターゲットとしてDCマグネトロンスパッタを行った。スパッタガスであるAr圧力は 1〜10 Paとし、その後O2の導入量を制御した。電源はADVANCED ENERGY社のMDX-1.5Kを用い、定電流（0.20〜0.24 A)と定電力（40〜160 W)の条件下で運転した。また、プラズマからの発光は、220 nm〜871 nmの波長範囲で発光の分光測定を行った。
3. 結果・考察

おいては、反応ガスの流量に依存して、二つの安Fig.1 に定電流で放電させた場合のO2ガス流量定なスパッタ状態（モード）が現れる。金属のタと放電電圧との関係を示す。この特性が放電電流ーゲットがそのままスパッタされるメタルモードによってどのように変わるかも示してある。あると、ターゲット表面が酸化された状態でスパッタO2ガス流量で、電圧値が急激に変化する現象が見される酸化物モードである。
メタルモードに比べ、られ、さらに流量の増加時と減少時でヒステリシ

酸化物モードでは膜形成速度が極端に低い。このスが生じた。放電電圧は、O2増加にともなうプラため、反応ガス流量を変えると、ある流量を境にズマインピーダンスの変化、酸化によるターゲッ

メタルモード・酸化物モード間の遷移が急激に起トインピーダンスの上昇、ターゲット表面の酸化こる。さらに、この流量値は、ガス流量の増加時による 2 次電子放出係数の増加などによって変わと減少時とで異なり、ガス流量と成膜速度などのる。
電流制御時は、放電電流を増やしても電圧はほ関係を表すグラフにはヒステリシスが現れる。
本研究では、nc-Si膜の形成という最終目標を目

とんど変わらず、ヒステリシスの幅もほとんど変指す中で、Ar/O2混合ガスを用いたSiの反応性ス化していない。しかし、遷移の起こるガス流量はパッタリングにおけるモード遷移の特徴を明らか

電流増加によって高流量側に移行した。これは、にする。具体的には、DC放電の制御方式を定電電流値が上がって、ターゲットからスパッタされ流と定電力で行った場合で、放電電圧、分圧、成る Si が増加したため、遷移領域が移行したのだと

膜速度、プラズマの発光強度などの特性を調べた。

考えられる。

さらに、定電力で製膜した膜の物性を測定した。

Target Voltage (V)600

Target Voltage (V)60050040030020040.20A Up
0.20A Down
0.22A Up
0.22A Down
0.24A Up
0.24A Down
4.55003002005O2 Gas Flow (sccm)

Fig.1 放電電圧の電流依存性 (1Pa)

5.5

1Pa Up1Pa Down
2Pa Up2Pa Down
3Pa Up3Pa Down

400

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

O2 Gas Flow (sccm)

Fig.2 放電電圧の圧力依存性（0.24A）

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最終更新日: 2005-02-25
このヒステリシス特性が、放電圧力を変えたと

さらに、放電電圧は成膜速度と Fig.4 に示すよ

きにどのように変わるかを Fig.2 に示す。圧力がうに強い相関があった。以上より、電力一定で運増加するとメタルモード時の放電電圧は若干減少

転した場合の成膜速度は、ガス流量でコントローする傾向にある。また、高圧の方がより低流量側ルできることがわかる。これは、同時にSiOxの組で遷移が起き、ヒステリシス領域も小さくなって成xを制御できる可能性を示唆する。そこで、実いる。この圧力依存性は、排気速度を絞って高圧際に製膜を行い、物性を比較した。1 Pa、100 W、環境を作っているためとも考えられるが、基板へ5.4、4.5、Ar:20 sccmの条件を固定し、O2流量を、到達して酸素トラップとして機能する活性な Si3.0、1.4 、1.0 sccmと変化させ、ガラス基板上に原子が減少することも影響していると考えている。

それぞれ 5 分間製膜した。

次に、電力制御で放電を行った結果を示す。電O2 流量を 3.0 sccm以上にすると、透明な膜と力一定で放電させると、電圧値の変化はなだらかなった。これは、SiO2膜と考えられる。注目したとなり、O2ガス流量増加時と減少時で同じ軌跡をいのはO2 3.0 sccmの条件（放電電圧ではメタルモ描いた。SiをArガスでスパッタする場合に比べ、ード）で、透明な膜ができたということは、基板O2ガスを導入すると、放電電圧は徐々に増加する。

上のSiOx膜の酸化速度がかなり大きいことを示

さらにガス流量を増加させると電圧値はゆっくりしている。この結果は、本来、成膜速度の遅い酸下がっていき、最後は酸化物モードで一定になる。

化物を高速で製膜可能であることも示している。

電力を一定にしていると、ターゲットの酸化に1.4 sccmでは、透明ではあるがオレンジの着色がよる 2 次電子放出係数の増加やガスのイオン化エ認められるようになり、さらに 1.0 sccmまで流量ネルギーの低下によって放電電流が増加する。こを下げると、はっきりとオレンジ色になった。それが、酸化によるスパッタ率の減少と逆に作用すこで、この 1.0 sccmの試料の透過スペクトルの測るため、酸化物モードへの移行が緩やかになりヒ定を行い、吸収端を見積もったところ、1.6 eV付ステリシスも生じなかったのだと考えられる。

近の値が得られ（ Fig.5 ）、間接遷移型の半導体であることがわかった。
4. 結論

500

電流一定モードの実験から、ヒステリシスの基本的な特性を知ることができた。
電力一定により、400

メタルモードと酸化物モードへの移行をゆるやか

UpDownにし、電圧値や成膜速度をコントロールすること300ができた。
それらを元に、実際に製膜したところ、

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5

O2 Gas Flow (sccm)

吸収端が 1.6 eV の間接遷移型の膜を作ることがFig.3 電力制御モードでの電圧特性 (1Pa 100W)

600

15500
400

10300
200

50Deposition RateVoltage

01231004567O2 Gas Flow (sccm)
Fig.4 成膜速度と電圧の関係（1Pa 100W）

0(Absorption coefficient)0.5 (a.u.)

できた。

Voltage (V)Deposition Rate (Å/s）

Target Voltage (V)

600

計算値
近似値

210

11.5

22.5

33.5

Photon Energy (eV)Fig.5 吸収端測定 (1Pa 100W O2:1sccm 5min)

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