JP2011105974A - スパッタリング膜の成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低スパッタリング圧力にすることなく、簡便に平坦性の高い膜が得られるスパッタリング膜の成膜方法を提供すること。
【解決手段】本発明のスパッタリング膜の成膜方法は、基材上へのスパッタリング膜の成膜方法であって、スパッタリングターゲットのエロージョン位置における前記スパッタリング表面に対して垂直な方向の磁場強度（単位；ガウス［Ｇ］）が下記関係式（１）を満足することを特徴とする。
磁場強度［Ｇ］≧スパッタリングターゲット表面の面積［ｃｍ^２]×１４…式（１）
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリング法による平坦性が高いスパッタリング膜の成膜方法に関する。

近年、半導体、光学・磁気記録等の分野において高密度化、高集積化等の要求が高まるにつれ、数百ｎｍ〜数十ｎｍ程度以下の加工技術が要求されている。例えばＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistive）やＧＭＲ(Giant Magneto-Resistive)に代表される磁気抵抗を利用した磁気記録の分野では、ナノレベルで高度に制御された多層膜が要求される。これらの多層膜の厚みは、数ｎｍレベル〜数十ｎｍレベルで、膜の表面形態が境界や他の膜の形態に影響を及ぼすため、平坦性の高い膜が各層に要求される。さらにデータを読み・書きするためのナノレベルの微小なトラックピッチ加工、またそれに対応してディスクとヘッドのクリアランスの精度維持などの面でも、数ｎｍレベルオーダーでの平坦性の高い膜が必須になる（非特許文献１）。

これまでに、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、物理蒸着（ＰＶＤ）またはイオンビーム蒸着（ＩＢＤ）など、いくつかの技術によって平坦な膜の成膜が検討されている。物理蒸着の一種であるスパッタリング法は、大面積かつ成膜スピードが速く、工業生産に好適な手法である。スパッタリング法での平坦性の高いスパッタリング膜の製造は、低スパッタリング圧力下での試みがなされている。しかしながら、低いスパッタリング圧力で成膜する場合は、プラズマの生成が不安定になり、安定なスパッタリング膜の成膜が困難であった。

「ＭＲＡＭ技術 基礎からＬＳＩ応用まで」 猪俣浩一郎 リアライズ理工センター出版（２００２）

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、スパッタリング法において、低スパッタリング圧力にすることなく、簡便に平坦性の高い膜が得られるスパッタリング膜の成膜方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、かかる課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、スパッタリングターゲット表面のエロージョン位置の垂直方向の磁場強度が下記式を満足する磁場強度で成膜することで平坦性の高いスパッタリング膜を得ることが可能であることを発見し、本発明を完成するに至った。本発明は、具体的には、以下のとおりである。

本発明のスパッタリング膜の成膜方法は、基材上へのスパッタリング膜の成膜方法であって、スパッタリングターゲットのエロージョン位置における前記スパッタリング表面に対して垂直な方向の磁場強度（単位；ガウス［Ｇ］）が下記関係式（１）を満足することを特徴とする。
磁場強度［Ｇ］≧スパッタリングターゲット１３表面の面積［ｃｍ^２］×１４…式（１）

本発明のスパッタリング膜の成膜方法においては、スパッタリング圧力が０．２Ｐａ以下であることが好ましい。

本発明のスパッタリング膜の成膜方法においては、前記スパッタリング膜が熱反応型レジスト層又はエッチング層であることが好ましい。

本発明のスパッタリング膜の成膜方法においては、前記エッチング層が、Ｓｉ、及びＴａ並びにそれらの酸化物、窒化物、及び炭化物からなる群より選ばれた材料で構成されることが好ましい。

本発明のスパッタリング膜の成膜方法においては、前記基材が、ロール状であることが好ましい。

本発明によれば、スパッタリング法において、低スパッタリング圧力にすることなく、簡便に平坦性の高い膜が得られるスパッタリング膜の成膜方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るスパッタリング装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスパッタリング装置において、ロール状基材を用いた場合におけるロール状基材とスパッタリングターゲットとの相対的な位置関係を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態にスパッタリング膜の成膜に用いられるスパッタリング装置の概略構成の一例を示す図である。図１に示すスパッタリング装置は、箱状に形成された真空チャンバ１１内の下面にはマグネット１２が設けられ、このマグネット１２の上面には、スパッタリングターゲット１３が載置されている。真空チャンバ１１の上面には基材設置台１４が設けられており、この基材設置台１４下面に基材１５が設置されている。真空チャンバ１１内のスパッタリングターゲット１３と基材１５とは所定の間隔Ｌをとって対向するように配置されている。

真空チャンバ１１の一方の側面には、ガス供給管１６が取り付けられており、真空チャンバ１１内へプラズマガス成分や反応ガス成分を供給可能に構成されている。また、真空チャンバ１１の他方の側面には、ガス排気管１７が取り付けられており、真空チャンバ内１１を減圧可能に構成されている。マグネット１２には、高周波電源１８が接続され、真空チャンバ１１内のスパッタリングターゲット１３−基材１５間への電圧印加可能に構成されている。

次に、スパッタリング装置を用いたスパッタリング膜の成膜について説明する。
まず真空チャンバ１１内を所定の圧力（以下、所定の圧力をスパッタリング圧力という）に減圧し、スパッタリング圧を維持した状態でプラズマガス成分（例えば、アルゴン）をガス供給管１６より導入する。次いで、高周波電源１８よりスパッタリングターゲット１３−基材１５間に電圧を印加し、真空放電する。この真空放電により、真空チャンバ内のプラズマガス成分の一部がイオン化し、イオン化したプラズマガス成分がスパッタリングターゲット１３に向けて衝突する。この衝突により、スパッタリングターゲット１３表面を構成する原子及び分子などの粒子がスパッタリングターゲット１３の表面より基材１５に向けて放出される（以下、エロージョンともいう）。スパッタリングターゲット１３表面から放出された粒子は、基材１５の表面に堆積してスパッタリング膜が形成される。

通常、スパッタリングターゲット１３表面の粒子は、スパッタリング条件により、一定の放出角度θの範囲をとってスパッタリングターゲット１３表面から基材１５に向けて放出される。このため、基材１５の表面には、スパッタリングターゲット１３表面から垂直方向Ｄ１に放出され、基材１５に対して垂直に堆積する粒子と、スパッタリングターゲット１３表面から斜め方向Ｄ２に放出され、基材１５表面に対して斜め方向Ｄ２から堆積する粒子と、が混在する。このように、垂直方向Ｄ１から堆積する粒子と、斜め方向Ｄ２から堆積する粒子と、が混在した場合、基材１５表面上での粒子の成長速度にバラつきが生じるので、粒子の堆積等が不均一になる。そのため、成膜されたスパッタリング膜の表面粗さが低下する。また、スパッタリングターゲット１３及び基材１５は、所定の間隔Ｌをとって配置されているので、スパッタリングターゲット１３から放出された粒子が、スパッタリングターゲット１３から基材１５に到達するまでに散乱した場合、さらに斜め方向から堆積する粒子が増加し、表面粗さが低下する。

本発明者らは、スパッタリング膜の成膜工程において、低スパッタリング圧力下においても平坦な膜を成膜できるスパッタリング方法について検討した。まず、スパッタリング成膜工程において、スパッタリングターゲット１３の表面から放出される粒子に着眼し、その放出角度θの範囲の制御について種々検討した。その結果、スパッタリングターゲット１３のエロージョン位置において、スパッタリングターゲット１３表面の垂直方向の磁場強度とスパッタリングターゲット１３の表面積とを所定の関係式で表わされる範囲に制御することにより、スパッタリングターゲット１３表面から放出される粒子の放出角度θの範囲を制御できることを見出した。また、磁場強度を所定の関係式で表わされる範囲に制御することにより、低スパッタリング圧力下においても簡便にスパッタリング膜を成膜できることを見出した。

すなわち、本実施の形態に係るスパッタリング膜の成膜方法は、スパッタリングターゲット１３のエロージョン位置における前記スパッタリング表面に対して垂直な方向Ｄ１の磁場強度（単位；ガウス[Ｇ]）が下記関係式（１）を満足する磁場強度となる条件でスパッタリング膜を成膜することにより、低スパッタリング圧力にすることなく、簡便に平坦性の高い膜が得られるスパッタリング膜を成膜するものである。
磁場強度［Ｇ］≧スパッタリングターゲット１３表面の面積［ｃｍ^２］×１４…式（１）

上記関係式（１）に表される範囲で成膜することで、スパッタリングターゲット１３表面での磁界によるプラズマの封じ込め効果が高くなり、スパッタリングターゲット１３表面から放出される粒子の放出角度θを制御できる。このため、基材１５の表面に対して、斜め方向から堆積するスパッタリングターゲット１３の粒子成分を低減することができ、スパッタリングターゲット１３表面から基材１５表面へ直進するスパッタリングターゲットの１３粒子成分（以下、直進成分ともいう）を多くすることができる。このようにして、スパッタリングターゲット１３粒子の直進成分を多くすることで、所謂シャドー効果による基材１５の表面に対する斜め方向の粒子成長が抑制できるので、高い平坦性を有するスパッタリング膜を形成することが可能になる。

なお、エロージョン位置における磁場強度の算出方法は、シミュレーションによる算出方法や、直接ターゲットのエロージョン位置を磁場強度測定装置（例えば東陽テクニカ社製のガウスメーターMODEL4080等）を用いて測定して算出する方法などを挙げることができる。また、磁場強度は、磁石の配置、磁石のサイズ、磁石の種類等で制御することが可能である。

ここで、高い平坦性のスパッタリング膜とは、用いられる分野によって異なるが、表面粗さの単位であるＲａ（算術平均粗さ）及びＲｚ（十点平均粗さ）を用いて表すと、例えば、Ｒａが０．１ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であり、Ｒｚが０．１ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。

Ｒａとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）に規定される値であり、粗さ曲線を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を長さＬで割った値である。Ｒｚとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１）に規定される値である。正式にはＲｚ／ＪＩＳと表記され（本文中では便宜上Ｒｚと記載する）、断面曲線から基準長さだけを抜き取った部分において、最高から５番目までの山頂の標高の平均値と、最深から５番目までの谷底の標高の平均値との差の値である。

本発明において、上記関係式（１）中のスパッタリングターゲット１３の表面積は、特に制限はないが、２０ｃｍ^２以上であることが好ましい。一方、上限は、１００００ｃｍ^２以下が好ましく、さらに好ましくは、５０００ｃｍ^２以下、最も好ましくは１５００ｃｍ^２以下である。

さらに、本実施の形態に係るスパッタリング膜の成膜方法においては、スパッタリング圧力０．２Ｐａ以下で成膜することが好ましい。スパッタリング圧力が０．２Ｐａ以下の条件で成膜することにより、スパッタリングターゲット１３から放出された粒子の散乱回数が減少し、上述したスパッタリングターゲット１３粒子の直進成分を増大させることができる。これにより、スパッタリング膜の成膜速度を促進することができる。

一方、一般的にはスパッタリング膜の表面粗さを向上させるため（平坦性が高い膜とするため）にスパッタリング圧力を下げることが有効であることは上述した通りである。従来有効とされてきたスパッタリング圧力としては、０．０５Ｐａ未満であった。しかしながら、スパッタリング圧力が０．０５Ｐａ未満の場合、プラズマ生成が不安定となり成膜自体が困難となる。これに対し、本実施の形態においては、特定の磁場強度の下において、安定にプラズマを放電できる０．０５Ｐａ以上であっても平坦性の高い膜を得ることを可能にせしめた。このため、低いスパッタリング圧力が必要なく、簡便にスパッタリング膜を成膜することができる。

このように、本実施の形態に係るスパッタリング膜の成膜方法においては、上記関係式（１）に則った磁場強度の下で、０．０５Ｐａ以上０．２Ｐａ以下のスパッタリング圧力で成膜することがより好ましい。さらに好ましくは、０．０５Ｐａ以上０．１Ｐａ以下であり、特に好ましくは０．０５Ｐａ以上０．０８Ｐａ以下である。

本実施の形態に係るスパッタリング膜の成膜方法においては、特に材料に制限があるわけではない。用いられる材料としては、例えば、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどやその酸化物、窒化物、炭化物など、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物：Indium Tin Oxide）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＢｉＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）などの複合酸化物、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａのシリサイド、ＰｔＭｎ、ＣｏＦｅ、ＩｒＭｎ、ＮｉＦｅなどの合金など数多く挙げられる。

また、本実施の形態に係るスパッタリング膜の成膜方法は、微細なパターン形状の付与に用いられる熱反応型レジスト層及び／又はエッチング層の形成に好適に用いることができる。特にエッチング層が、Ｓｉ、及びＴａ並びにそれらの酸化物、窒化物、及び炭化物からなる群より選ばれた材料で構成されることが、高いエッチング速度が達成でき且つ平坦性の高いスパッタリング膜を達成するために好適である。平坦性の高いスパッタリング膜を用いることで、数十ｎｍレベルで微細パターンを加工するときの、微細パターン形状への影響を大幅に低減することができる。

さらに、本実施の形態に係るスパッタリング膜の成膜方法は、生産性を向上させる観点から、ロール状の基材上に成膜される熱反応型レジスト層及び／又はエッチング層の形成に用いることもできる。図２は、ロール状基材を用いた場合におけるロール状基材とスパッタリングターゲットとの相対的な位置関係を模式的に示した図である。図２に示すように、ロール状に形成された基材２２を用いる場合、真空チャンバ１１内に配置されたスパッタリングターゲット２１の表面に対し、回転軸が略平行になるようにロール状の基材２２を真空チャンバ１１内に配置する。その他の、構成については、図１と同一であるため、同一の符号を付して説明を省略する。

スパッタリングによる成膜の際には、ロール状の基材２２の回転軸を中心に周方向に回転させながら、ロール状の基材２２の外周面上にスパッタリング膜を形成する。このようにすることで、ロール状の基材２２上に熱反応型レジスト層及び／又はエッチング層の形成が可能であり、さらに該熱反応型レジスト層及び／又はエッチング層を用いて微細パターンをロール状の基材２２の上に形成できる。微細パターンが付与されたロール状の基材２２をスタンパとして用いることで、平板スタンパに比べて転写の効率が飛躍的に向上するとともに、平板スタンパで問題になっている大面積化が可能になる。以上のように、本実施の形態に係るスパッタリング膜の成膜方法によれば、平坦性が高いスパッタリング膜が得られるので、これらの用途に好適に用いることができる。

以下、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
スパッタリングターゲットとして４ｉｎΦのＳｉＯ_２、基材としてガラス平板を用いて、スパッタリング法によりＳｉＯ_２の成膜をガラス平板上に実施した。スパッタリングターゲット表面のエロージョン位置の垂直方向の磁場強度は１５５０Ｇで、スパッタリング圧力０．１Ｐａで３００ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜した。得られたＳｉＯ_２膜の表面粗さを測定した結果、Ｒａ＝０．８ｎｍ、Ｒｚ＝８ｎｍであった。

なお、表面粗さの測定は、キーエンス社製のＡＦＭ（型番ＶＮ−８０００）で測定して、付属の解析ソフト（ＶＮ−ＨＩＶ８）を用いて表面粗さＲａ及び表面粗さＲｚを算出した。以下の実施例及び比較例も同様の測定を実施した。

（実施例２）
スパッタリングターゲットとして８ｉｎΦのＴａ_２Ｏ_５を用いて、基材としてガラス平板を用いて、スパッタリング法によりＴａ_２Ｏ_５の成膜をガラス平板上に実施した。スパッタリングターゲット表面のエロージョン位置の垂直方向の磁場強度は４８００Ｇで、スパッタリング圧力０．２Ｐａで３００ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜を成膜した。得られたＴａ_２Ｏ_５膜の表面粗さを測定した結果、Ｒａ＝１．２ｎｍ、Ｒｚ＝１２ｎｍであった。

（実施例３）
スパッタリングターゲットとして４ｉｎΦのＳｉ、基材としてガラス平板を用い、プロセスガスとしてＯ_２を２０体積％導入して、スパッタリング法により、ＳｉＯ_２の成膜をガラス平板上に実施した。スパッタリングターゲット表面のエロージョン位置の垂直方向の磁場強度は１５５０Ｇで、スパッタリング圧力０．１Ｐａで３００ｎｍのＳｉＯ_２膜を成膜した。得られたＳｉＯ_２膜の表面粗さを測定した結果、Ｒａ＝１．１ｎｍ、Ｒｚ＝１１ｎｍであった。

（実施例４）
スパッタリングターゲットとして６ｉｎΦのＮｉＦｅ、基材としてガラス平板を用いて、スパッタリング法により、ＮｉＦｅの成膜をガラス平板上に実施した。スパッタリングターゲット表面のエロージョン位置の垂直方向の磁場強度は３０００Ｇで、スパッタリング圧力０．０５Ｐａで３００ｎｍのＮｉＦｅ膜を成膜した。得られたＮｉＦｅ膜の表面粗さを測定した結果、Ｒａ＝０．８ｎｍ、Ｒｚ＝９ｎｍであった。

（実施例５）
基材をガラス平板からΦ８０ｍｍのガラスロールに変更した以外は全て、実施例１と同じ条件で成膜を実施した。得られたＳｉＯ_２膜の表面をアメテック社製のタリサーフ（光干渉方式の非接触表面性状測定装置）で測定した結果、Ｒａ＝１．０ｎｍ、Ｒｚ＝１０ｎｍであった。

（比較例１）
スパッタリングターゲット表面のエロージョン位置の垂直方向の磁場強度を８５０Ｇにした以外は実施例１で実施した製造方法で３００ｎｍのＳｉＯ_２膜をガラス平板上に成膜した。得られたＳｉＯ_２膜の表面粗さを測定した結果、Ｒａ＝２．３ｎｍ、Ｒｚ＝２５ｎｍであった。

以上の実施例１〜実施例５及び比較例１の結果を下記表１に示す。

表１に示すように、スパッタリングターゲット１３表面の磁場強度（Ｇ）が上記関係式（１）を満たす条件で成膜した実施例１から実施例５に関しては、何れの条件においても表面粗さ（Ｒａ及びＲｚ）が良好であることが分かる。また、上記関係式（１）を満たす条件で成膜した場合、異なるターゲット材料を用い、垂直磁場強度が変化した場合においても表面粗さが良好であることが分かる（実施例１、実施例４及び実施例５）。さらに、スパッタリングでプロセスガスとしてのＯ_２を併用した場合にも表面粗さが良好であることが分かる（実施例１及び実施例４）。また、平板形状の基材でなく、ロール形状の基材を用いた場合にも、表面粗さが良好であることが分かる。一方、比較例１に示すように、磁場強度（Ｇ）以外に関して、実施例１と同様に成膜した場合でも、磁場強度（Ｇ）が上記範囲を満たさない場合には表面粗さが増大することが分かる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明のスパッタリング膜の成膜方法をもちいることで、平坦性の高いスパッタリング膜を製造することが可能になる。これにより、高密度化、高集積化等の要求から、平坦性の高い膜の要求がある半導体、光学・磁気記録等の分野への応用が可能である。

１１ 真空チャンバ
１２ マグネット
１３、２１ スパッタリングターゲット
１４ 基材設置台
１５、２２ 基材
１６ ガス供給管
１７ ガス排気管
１８ 高周波電源

Claims (5)

1. 基材上へのスパッタリング膜の成膜方法であって、スパッタリングターゲットのエロージョン位置における前記スパッタリング表面に対して垂直な方向の磁場強度（単位；ガウス［Ｇ］）が下記関係式（１）を満足することを特徴とするスパッタリング膜の成膜方法。
   磁場強度［Ｇ］≧スパッタリングターゲット表面の面積［ｃｍ^２]×１４…式（１）
2. スパッタリング圧力が０．２Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング膜の成膜方法。
3. 前記スパッタリング膜が熱反応型レジスト層又はエッチング層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスパッタリング膜の成膜方法。
4. 前記エッチング層が、Ｓｉ、及びＴａ並びにそれらの酸化物、窒化物、及び炭化物からなる群より選ばれた材料で構成されることを特徴とする請求項３に記載のスパッタリング膜の成膜方法。
5. 前記基材が、ロール状であることを特徴とする請求項１から請求項４いずれかに記載のスパッタリング膜の成膜方法。

Images