最終更新日: 2007-03-01

反応性スパッタリングのモード遷移に及ぼすターゲット金属の効果
薄膜･表面物性研究室

M053503
1. 目的飯村 靖夫

Yasuo Iimura

2. 実験

金属酸化物の薄膜を反応性スパッタで堆積させる

製膜チャンバーは直径 210mm，高さ 250mm の場合，導入する O2 流量に依存して，ターゲットの状円筒形である．このチャンバーに，放電ガスとして Ar態を反映した 2 つのモードが存在する．流量が小さと O2 を導入し，DC マグネトロン方式でスパッタリング

いときは金属モードとなり，大きいときは酸化物モーを行った．ターゲット（直径 50mm）材料としては，Siドとなる．表面の酸化状態によってスパッタ率が大きおよび Nb を用いた．基板ホルダは直径 80mm の円く異なるために，この両者間の遷移は一般に急激に板形で，ターゲットの 50mm 上方に置いた．まず，生じ，また流量を増やすときと減らすときとでヒステリAr を流量 20sccm で導入し，このときの圧力が所定シスを示すことも多い．の値（0.6～2.0Pa）になるように排気コンダクタンスを当研究室での SiOX 製膜実験でこのモード遷移を調整した．以後，排気コンダクタンスを一定に保った

詳細に観察したところ，いくつかの興味深い挙動[1，まま，O2 を 0.7～6.0 sccm 追加した．DC 電源2]が観測された．まず，遷移の起こる O2 流量はガス（ Advanced Energy: MDK−1.5K ） を 定 電 力圧を高くするほど低流量側へシフトした．さらに，金（100W）で運転した．O2 流量を徐々に変化させ，放属モードのスパッタでも酸化の進んだ（ x が 2 に近電電圧をモニタすることでモード遷移を観察した．まい）SiOX 膜が得られた．単純な予想としては，酸化た，Si 基板上に堆積した膜の組成を XPS により測定物モードへの遷移が起こる O2 流量は，基板側に届した．

いたスパッタ金属原子によるゲッタリングによって支配され，ポンプの排気速度には大きく依存しないはずである．また，反応性スパッタを説明するとされるBerg モデルではガス圧は陽に現れない．さらに，金属モードでは x の小さな膜が堆積するはずである[3]．
今回の研究では，上述した観察結果の原因を探ることを目的として，ターゲットの金属材料を変えて，効果の現れ方を比較することにした．

3. 結果および考察
Fig. 1 はターゲットを Si として定電力で運転した
場合の O2 流量変化に対する放電電圧の変化である．
O2 流量が小さいときは放電電圧が高く，O2 流量の増加に伴い放電電圧は低下した．これより SiOX 膜の反応性スパッタでは，放電電圧の高い状態が金属モードに，低い領域が酸化物モードに対応していると考えられる．この条件では，O2 流量の増減に伴っTarget Voltage [V]Target Voltage [V]

600

500

40000.6Pa(up)0.6Pa(down)
1.0Pa(up)1.0Pa(down)
2.0Pa(up)2.0Pa(down)1.0

2.0 3.0 4.0 5.0
O2 Flow Rate [sccm]

500

400

300
6.0

Fig. 1 モード遷移の圧力依存性（Siターゲット）

00.6Pa(up)0.6Pa(down)
1.0Pa(up)1.0Pa(down)
2.0Pa(up)2.0Pa(down)

1.0
2.0
3.0
O2 Flow Rate [sccm]

4.0

Fig. 2 モード遷移の圧力依存性（Nbターゲット）最終更新日: 2007-03-01

Composition (O/Nb)

Composition (O/Si)

2.0
1.5
1.0
0.6Pa
1.0Pa
2.0Pa

0.5
00

1.0

2.0 3.0 4.0 5.0
O2 Flow Rate [sccm]

6.0

1.5

1.0
0.6Pa(center)
1.0Pa(center)
1.0Pa(edge)
2.0Pa(center)

0.500Fig. 3 堆積した SiOX 膜の組成変化

1.02.03.0
O2 Flow Rate [sccm]

4.0Fig. 4 堆積した NbOX 膜の組成変化て放電電圧はほぼ同じ軌跡を描き，ヒステリシスは観成の O2 流量依存性を示す．O2 流量の増加とともに測されていない．また，モード遷移の圧力依存性とし酸化はより進行し，O/Si 比が約 2.0 となって酸化はては， 圧力が高くなるほど，O2 流量の小さい側へモ飽和している．ここで Fig. 1 と見比べると，全ての圧ード遷移がシフトしている．

力において，金属モードの領域ですでに SiO2 膜がFig. 2 には Nb ターゲットにおける O2 流量に対す堆積されていることが分かる．

る放電電圧の変化を示す．Si の場合とは異なり，O2Fig. 4 は Nb ターゲットから作製した NbOX 膜の流量が小さいときは放電電圧が低く，O2 流量の増加組成比を示す．O2 流量の増加に伴い O/Nb 比は増に伴って放電電圧が上昇している．このことから，加し，その比が約 1.5 となり酸化は飽和した．Fig. 2NbOX 膜では，放電電圧の低い領域が酸化物モーと比較して，金属モードでは O/Nb 比の小さい金属ドに，高い領域が金属モードに対応していると考えら性の高い膜が堆積され，酸化物モードになって，はれる．O2 流量を増加させる過程での金属モードからじめて膜の酸化が飽和している．

酸化物モードへの遷移は，全ての圧力においてほSiOX と NbOX で酸化度に違いが生じた理由とし

ぼ同じ O2 流量（1.0sccm 付近）で起こっている．一て，遷移流量の圧力依存性と同様，基板に堆積する方，酸化物モードから金属モードへの遷移ではヒス原子流束がターゲットの酸化モードを反映していなテリシスが見られ，遷移の起こる O2 流量は高圧側でいと推測される．つまり，Si 原子はターゲットからスパ小さい方へシフトしている．

ッタされても途中で散乱され，基板に届かない．基板

これらの結果を考察すると，Fig. 1 で見られたモード遷移の圧力依存性の違いがターゲット原子の質量によるのではないかと考えられる．つまり，スパッタ原子が気相中を飛行する際，Si 原子は Ar 原子よりも軽いために，後方散乱を受ける．高い圧力のもとではスパッタ粒子のこの後方散乱がより顕著となる．
したがって前方へ飛びにくいという意味で実効的なスパッタ率が減少すると考えられる．このために高圧上での成膜速度は小さいために，低い O2 分圧でも膜の酸化が進行したのであろう．

4. まとめ
酸化物薄膜の反応性スパッタにおいて，モード遷移の起こる O2 流量および膜の組成に対して，ターゲット原子の質量が重要な因子となることが明らかになった．

力下では，チャンバー壁に Si 原子はあまり届かない

参考文献（すなわち，成膜速度が低下する）結果としてゲッタリ[1] 多久島和弘:2004 年度 成蹊大学院修士論文

ング作用も小さくなったのであろう．一方，Nb 原子は[2] 飯村・多久島・中野・馬場： 真空 49 (2006)

Ar 原子より重く，衝突しても前方に飛ぶ．したがって圧力による散乱の影響は小さかったと考えられる．
Fig. 3 は，Si ターゲットから作製した SiOX 膜の組

171[3] S. Berg et al.: J. Vac. Sci. Technol. A 5(1986) 202