JP2018193580A - Method for forming carbon electrode film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素電極膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a carbon electrode film.
メモリ素子、有機ＥＬ素子等のデバイスには、電極として炭素膜が用いられる場合がある。炭素膜の成膜には、量産性などを考慮してスパッタリング装置が用いられる。スパッタリング装置では、ターゲットが基板ステージに対向するように配置される。ターゲットとしては、グラファイト、パイロカーボン等の炭素製ターゲットが用いられる。 In devices such as memory elements and organic EL elements, a carbon film may be used as an electrode. A sputtering apparatus is used for forming the carbon film in consideration of mass productivity. In the sputtering apparatus, the target is disposed so as to face the substrate stage. As the target, a carbon target such as graphite or pyrocarbon is used.
炭素膜の成膜は、真空容器内に放電用のスパッタリングガスを導入し、炭素製ターゲットと基板ステージに支持された基板との間にプラズマを発生させ、炭素製ターゲットをスパッタリングする。これにより、基板上に炭素膜が形成される（例えば、特許文献１参照）。 The carbon film is formed by introducing a sputtering gas for discharge into the vacuum vessel, generating plasma between the carbon target and the substrate supported by the substrate stage, and sputtering the carbon target. Thereby, a carbon film is formed on the substrate (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、このような炭素膜は、成膜条件によって抵抗が大きく変わり、目的とする膜質が得られなくなる場合がある。例えば、炭素膜の比抵抗が高くなると、デバイスの動作電圧の上昇を招き、さらに発熱量の増加によりデバイスが劣化するおそれがある。これにより、より抵抗が低い炭素膜を安定して形成する技術が求められている。 However, the resistance of such a carbon film varies greatly depending on the film formation conditions, and the desired film quality may not be obtained. For example, if the specific resistance of the carbon film increases, the operating voltage of the device increases, and the device may deteriorate due to an increase in the amount of heat generated. Accordingly, a technique for stably forming a carbon film having lower resistance is demanded.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、より抵抗が低い炭素電極膜を形成することができる炭素電極膜の形成方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a carbon electrode film forming method capable of forming a carbon electrode film having a lower resistance.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る炭素電極膜の形成方法は、真空容器内を０．０１Ｐａ以上１．２Ｐａ以下のヘリウムガスの雰囲気に維持することを含む。上記真空容器内に配置された炭素製ターゲットに０．１Ｗ／ｃｍ２以上３．５Ｗ／ｃｍ２以下の電力が投入されて、上記炭素製ターゲットがスパッタリングされて、上記炭素製ターゲットに対向して配置された基板上に炭素膜が堆積する。
このような炭素電極膜の形成方法によれば、ヘリウムイオンによって上記炭素製ターゲットがスパッタリングされて、より抵抗が低い炭素電極膜が形成される。
In order to achieve the above object, a method for forming a carbon electrode film according to an embodiment of the present invention includes maintaining a vacuum vessel in a helium gas atmosphere of 0.01 Pa to 1.2 Pa. Above in the arrangement carbon steel target into the vacuum chamber 0.1 W / cm 2 or more 3.5 W / cm 2 or less power is turned, the carbon steel target is sputtered, facing to the carbon steel target A carbon film is deposited on the placed substrate.
According to such a method of forming a carbon electrode film, the carbon target is sputtered by helium ions to form a carbon electrode film having a lower resistance.
上記の炭素電極膜の形成方法においては、上記ヘリウムガスにアルゴンガスを添加させ、上記ヘリウムガス及び上記アルゴンガスによる混合ガスの全圧に対する上記ヘリウムガスの圧力の割合を８０％以上１００％以下に制御してもよい。
このような炭素電極膜の形成方法によれば、上記混合ガスの全圧に対する上記ヘリウムガスの圧力の割合が８０％以上１００％以下に制御されて、より抵抗が低い炭素電極膜が形成される。
In the carbon electrode film forming method, argon gas is added to the helium gas, and the ratio of the pressure of the helium gas to the total pressure of the mixed gas of the helium gas and the argon gas is 80% or more and 100% or less. You may control.
According to such a method for forming a carbon electrode film, the ratio of the pressure of the helium gas to the total pressure of the mixed gas is controlled to 80% or more and 100% or less, and a carbon electrode film having a lower resistance is formed. .
上記の炭素電極膜の形成方法においては、上記基板の温度を８０℃以上３００℃以下に制御してもよい。
このような炭素電極膜の形成方法によれば、上記基板の温度が８０℃以上３００℃以下に制御されて、より抵抗が低い炭素電極膜が形成される。
In the carbon electrode film forming method, the temperature of the substrate may be controlled to 80 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
According to such a method for forming a carbon electrode film, the temperature of the substrate is controlled to be 80 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, and a carbon electrode film having lower resistance is formed.
以上述べたように、本発明によれば、より抵抗が低い炭素膜が形成される。 As described above, according to the present invention, a carbon film having lower resistance is formed.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。まず、炭素電極膜を形成するスパッタリング装置の概要について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, XYZ axis coordinates may be introduced. First, an outline of a sputtering apparatus for forming a carbon electrode film will be described.
図１は、本実施形態に係るスパッタリング装置の概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a sputtering apparatus according to this embodiment.
本実施形態に係る炭素電極膜を形成する成膜装置は、例えば、図１に示すマグネトロン方式のスパッタリング装置１００である。スパッタリング装置１００は、真空容器１０、電源１４、ガス導入配管１５、ステージ１６、カソードユニット２０、及び真空排気ポンプ２１等を具備する。 The film forming apparatus for forming the carbon electrode film according to the present embodiment is, for example, a magnetron type sputtering apparatus 100 shown in FIG. The sputtering apparatus 100 includes a vacuum vessel 10, a power supply 14, a gas introduction pipe 15, a stage 16, a cathode unit 20, a vacuum exhaust pump 21, and the like.
真空容器１０は、上端が開口した真空容器本体１１と、真空容器本体１１の上端を覆う蓋体１２と、真空容器本体１１と蓋体１２との間を絶縁する絶縁部材１３とを有する。真空容器本体１１はグランド電位に接続されている。蓋体１２は、ケーブル１４ｃを介して電源１４に接続されている。ケーブル１４ｃの中途には、整合回路が設けられてもよい。電源１４は、例えば、ＲＦ電源（周波数１３．５６ＭＨｚ）、またはＤＣパルス電源（パルス周波数５ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下）である。 The vacuum vessel 10 includes a vacuum vessel body 11 having an upper end opened, a lid body 12 that covers the upper end of the vacuum vessel body 11, and an insulating member 13 that insulates the vacuum vessel body 11 and the lid body 12. The vacuum vessel body 11 is connected to the ground potential. The lid body 12 is connected to the power source 14 via the cable 14c. A matching circuit may be provided in the middle of the cable 14c. The power source 14 is, for example, an RF power source (frequency 13.56 MHz) or a DC pulse power source (pulse frequency 5 kHz to 400 kHz).
真空容器１０は内部に処理室１０１を画成しており、処理室１０１は、真空排気ポンプ２１によって所定の真空度（例えば、１×１０−５Ｐａ以下）に減圧される。真空排気ポンプ２１は、例えば、ターボ分子ポンプと、その排圧側に接続されたロータリーポンプとにより構成される。また、真空容器１０には、処理室１０１内に放電ガスを導入するためのガス導入配管１５が真空容器１０に設けられている。放電ガスは、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、またはＨｅガスとＡｒ（アルゴン）ガスとの混合ガスである。 The vacuum chamber 10 defines a processing chamber 101 therein, and the processing chamber 101 is decompressed to a predetermined degree of vacuum (for example, 1 × 10 −5 Pa or less) by the vacuum exhaust pump 21. The vacuum exhaust pump 21 is composed of, for example, a turbo molecular pump and a rotary pump connected to the exhaust pressure side. The vacuum vessel 10 is provided with a gas introduction pipe 15 for introducing a discharge gas into the processing chamber 101. The discharge gas is He (helium) gas or a mixed gas of He gas and Ar (argon) gas.
処理室１０１には、基板１０２を支持するためのステージ１６が設置されている。ステージ１６には、静電チャック用電極や温度調整器（例えばヒータ、冷媒循環通路など）が設けられてもよい。ステージ１６は、絶縁部材１７を介して真空容器本体１１の底部に固定されている。ステージ１６は、例えば、ブロッキングコンデンサを介してグランド電位に接続される。 A stage 16 for supporting the substrate 102 is installed in the processing chamber 101. The stage 16 may be provided with an electrostatic chuck electrode and a temperature regulator (for example, a heater, a refrigerant circulation passage, etc.). The stage 16 is fixed to the bottom of the vacuum vessel body 11 via an insulating member 17. The stage 16 is connected to the ground potential via a blocking capacitor, for example.
ステージ１６上には、カソードユニット２０が配置されている。カソードユニット２０は、ステージ１６に対向している。カソードユニット２０は、ターゲット１８、マグネット１９、及び回転軸１９ｒを有する。 A cathode unit 20 is disposed on the stage 16. The cathode unit 20 faces the stage 16. The cathode unit 20 includes a target 18, a magnet 19, and a rotating shaft 19r.
ターゲット１８は、成膜源であるとともに、カソード電極でもある。ターゲット１８は、基板１０２に対向している。ターゲット１８は、グラファイトなどの炭素系導電性材料で構成されている。ターゲット１８の平面形状は、例えば、円形である。例えば、その直径は、４４０ｍｍである。ターゲット１８は、真空容器１０内に配置されている。すなわち、ターゲット１８は、蓋体１２の内面側に固定される。ターゲット１８には、スパッタリング時に、電源１４から、０．２ｋＷ以上５．０ｋＷ以下（０．１Ｗ／ｃｍ２以上３．５Ｗ／ｃｍ２以下）の電力が供給される。 The target 18 is not only a film forming source but also a cathode electrode. The target 18 faces the substrate 102. The target 18 is made of a carbon-based conductive material such as graphite. The planar shape of the target 18 is, for example, a circle. For example, the diameter is 440 mm. The target 18 is disposed in the vacuum vessel 10. That is, the target 18 is fixed to the inner surface side of the lid body 12. The target 18, during sputtering, the power supply 14, the power of more than 0.2 kW 5.0 kW or less (0.1 W / cm 2 or more 3.5 W / cm 2 or less) is supplied.
マグネット１９は、蓋体１２上に蓋体１２に対向するように配置される。マグネット１９は、蓋体１２の背面側に設置される。マグネット１９は、回転軸１９ｒに支持されている。回転軸１９ｒは、ターゲット１８に直交し、ターゲット１８の中心に配置されている。マグネット１９は、回転軸１９ｒを中心に回転可能になっている。 The magnet 19 is disposed on the lid 12 so as to face the lid 12. The magnet 19 is installed on the back side of the lid 12. The magnet 19 is supported on the rotating shaft 19r. The rotation shaft 19r is orthogonal to the target 18 and is disposed at the center of the target 18. The magnet 19 is rotatable around a rotation shaft 19r.
マグネット１９から発せられる磁場は、蓋体１２を介して、ターゲット１８の表面に漏洩する。また、これにより、マグネット１９が回転軸１９ｒを中心に回転することにより、ターゲット１８の表面全域にマグネット１９からの漏洩磁場が行き渡る。 A magnetic field generated from the magnet 19 leaks to the surface of the target 18 through the lid 12. As a result, the magnet 19 rotates around the rotation shaft 19r, and the leakage magnetic field from the magnet 19 spreads over the entire surface of the target 18.
スパッタリング装置１００では、処理室１０１を所定圧力のヘリウムガス、またはヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスの雰囲気に維持された状態で、所定周波数及び所定パワーの電力が電源１４からターゲット１８に印加される。これにより、処理室１０１には、プラズマが発生して、プラズマ中のイオンがターゲット１８をスパッタリングする。この結果、ターゲット１８から放出されたスパッタリング粒子（炭素粒子）が基板１０２上に堆積する。つまり、基板１０２の表面に炭素電極膜が形成される。 In the sputtering apparatus 100, power having a predetermined frequency and a predetermined power is applied from the power source 14 to the target 18 in a state where the processing chamber 101 is maintained in an atmosphere of helium gas having a predetermined pressure or a mixed gas of helium gas and argon gas. The Thereby, plasma is generated in the processing chamber 101, and ions in the plasma sputter the target 18. As a result, sputtered particles (carbon particles) emitted from the target 18 are deposited on the substrate 102. That is, a carbon electrode film is formed on the surface of the substrate 102.
また、本実施形態では、マグネトロン方式のスパッタリング装置１００を採用している。これにより、アルゴンよりもイオン化エネルギーの高いヘリウムを用いても、ターゲット１８近傍では、電子のトラッピング効果が促進して、ヘリウムガスが効率よく電離する。これにより、ヘリウムガス中のヘリウムイオンが高い頻度でターゲット１８に衝突し、スパッタリング粒子（炭素粒子）がターゲット１８から効率よく放出される。スパッタリング時における真空容器１０内のガス雰囲気は、０．０１Ｐａ以上１．２Ｐａ以下である。 In the present embodiment, a magnetron type sputtering apparatus 100 is employed. As a result, even when helium having a higher ionization energy than argon is used, the electron trapping effect is promoted near the target 18 and the helium gas is efficiently ionized. As a result, helium ions in the helium gas collide with the target 18 at a high frequency, and sputtering particles (carbon particles) are efficiently released from the target 18. The gas atmosphere in the vacuum vessel 10 at the time of sputtering is 0.01 Pa or more and 1.2 Pa or less.
基板１０２としては、典型的にはシリコン基板が用いられるが、これに限られず、ガラス基板等の絶縁性セラミックス基板が用いられてもよい。基板１０２の温度は、例えば、８０℃以上３００℃以下に制御される。基板１０２−ターゲット１８間の距離は、例えば、３０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。 The substrate 102 is typically a silicon substrate, but is not limited thereto, and an insulating ceramic substrate such as a glass substrate may be used. The temperature of the substrate 102 is controlled to, for example, 80 ° C. or more and 300 ° C. or less. The distance between the substrate 102 and the target 18 is, for example, not less than 30 mm and not more than 300 mm.
本実施形態において、基板１０２上に形成される炭素電極膜は、一例として、相変化型メモリ素子の電極膜に適用される。この場合、相変化型メモリ素子は、相変化記録層が２つの炭素電極膜によって挟まれた構造を有する。 In the present embodiment, the carbon electrode film formed on the substrate 102 is applied to an electrode film of a phase change memory element as an example. In this case, the phase change memory element has a structure in which a phase change recording layer is sandwiched between two carbon electrode films.
相変化型メモリ素子の動作電圧は、炭素電極膜の抵抗率に大きく影響される。例えば、相変化型メモリ素子の動作電圧をより低く設定するには、炭素電極膜の抵抗率がより低いことが好ましい。例えば、炭素電極膜の抵抗率は、２０（ｍΩ・ｃｍ）以下であることが好ましい。また、相変化型メモリ素子を構成する相変化記録層の結晶特性は、下地側の炭素電極膜の表面粗さに強く依存するため、炭素電極膜の表面粗さは、より小さい方が好ましい。 The operating voltage of the phase change memory element is greatly influenced by the resistivity of the carbon electrode film. For example, in order to set the operating voltage of the phase change memory element to be lower, it is preferable that the resistivity of the carbon electrode film is lower. For example, the resistivity of the carbon electrode film is preferably 20 (mΩ · cm) or less. In addition, since the crystal characteristics of the phase change recording layer constituting the phase change memory element strongly depend on the surface roughness of the carbon electrode film on the base side, the surface roughness of the carbon electrode film is preferably smaller.
基板１０２に形成される炭素電極膜の抵抗率は、一要因として、スパッタリング成膜時における炭素電極膜に入射するスパッタリグガスのエネルギーによって左右される。例えば、プラズマ発生時におけるプラズマ電位と基板１０２表面のＤＣセルフバイアス（Ｖｄｃ）との差が大きいと、基板１０２に向かうプラズマ中のイオンのエネルギーが大きくなり、基板１０２上の炭素電極膜の抵抗率が変動する。 As one factor, the resistivity of the carbon electrode film formed on the substrate 102 depends on the energy of the sputtering gas incident on the carbon electrode film during sputtering film formation. For example, if the difference between the plasma potential at the time of plasma generation and the DC self-bias (Vdc) on the surface of the substrate 102 is large, the energy of ions in the plasma toward the substrate 102 increases, and the resistivity of the carbon electrode film on the substrate 102 is increased. Fluctuates.
例えば、カーボン電極膜のスパッタリング成膜では、プラズマ電位とＤＣセルフバイアスとの差が大きくなるほど、成膜中の炭素電極膜の表面に入射するプラズマイオンのエネルギーが増加し、炭素電極膜の抵抗率が上昇する場合がある。これは、炭素電極膜におけるｓｐ２軌道の割合が減り、ｓｐ３軌道の割合が増えるためであると考えられる。 For example, in sputtering of a carbon electrode film, as the difference between the plasma potential and the DC self-bias increases, the energy of plasma ions incident on the surface of the carbon electrode film being formed increases, and the resistivity of the carbon electrode film May rise. This is presumably because the ratio of sp 2 orbits in the carbon electrode film decreases and the ratio of sp 3 orbits increases.
しかしながら、スパッタリング法によりカーボン電極膜を形成する以上、プラズマ電位とＤＣセルフバイアスとによる電位差は必然的に形成されてしまう。 However, as long as the carbon electrode film is formed by sputtering, a potential difference between the plasma potential and the DC self-bias is inevitably formed.
さらに、スパッタリング成膜中に、真空容器１０内に水分子等の残留ガスが存在する場合、水分子がプラズマによって分解され、生成した水素原子が炭素粒子と反応する場合がある。このような場合、炭素電極膜中にＣＨ基が形成される可能性がある。ＣＨ基が炭素膜中に形成すると、炭素電極膜の抵抗率が上昇してしまう。 Further, when a residual gas such as water molecules is present in the vacuum vessel 10 during sputtering film formation, the water molecules may be decomposed by the plasma and the generated hydrogen atoms may react with the carbon particles. In such a case, a CH group may be formed in the carbon electrode film. When CH groups are formed in the carbon film, the resistivity of the carbon electrode film is increased.
これに対し、本実施形態によれば、スパッタリングガスとしてヘリウムガスが用いられている。ここで、ヘリウムの原子量は、アルゴンの原子量の１／１０程度である。従って、プラズマ電位とＤＣセルフバイアスとによる電位差が形成されたとしても、ヘリウムイオン粒子自体の運動エネルギーがアルゴンイオン粒子の運動エネルギーが１／１０程度に抑えられる。 On the other hand, according to the present embodiment, helium gas is used as the sputtering gas. Here, the atomic weight of helium is about 1/10 of the atomic weight of argon. Therefore, even if a potential difference is formed between the plasma potential and the DC self-bias, the kinetic energy of the helium ion particles itself can be suppressed to about 1/10 of the kinetic energy of the argon ion particles.
さらに、ヘリウムガスが放電によって活性化すると、活性化したヘリウムが真空容器１０内の水分子及び炭素電極膜中の水素原子と反応し、例えば、水素化ヘリウムイオンが生成する。真空容器１０内の水素化ヘリウムイオンは、気相状態であり、真空排気ポンプ２１によって容易に真空容器１０外に排出される。すなわち、真空容器１０内及び炭素電極膜中に存在する水素原子をヘリウムプラズマによって真空容器１０外に除去することができる。すなわち、放電ガスとしてヘリウムを用いれば、炭素電極膜中に、ＣＨ基が形成されにくくなり、炭素電極膜の抵抗率がより減少する。 Further, when the helium gas is activated by the discharge, the activated helium reacts with water molecules in the vacuum vessel 10 and hydrogen atoms in the carbon electrode film, for example, generating helium hydride ions. The helium hydride ions in the vacuum vessel 10 are in a gas phase and are easily discharged out of the vacuum vessel 10 by the vacuum exhaust pump 21. That is, hydrogen atoms existing in the vacuum vessel 10 and in the carbon electrode film can be removed out of the vacuum vessel 10 by helium plasma. That is, if helium is used as the discharge gas, CH groups are hardly formed in the carbon electrode film, and the resistivity of the carbon electrode film is further reduced.
このように、本実施形態によれば、スパッタリングガスとしてヘリウムガスを用い、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いた場合に比べて、より低抵抗率の炭素電極膜を形成することができる。 Thus, according to this embodiment, a carbon electrode film having a lower resistivity can be formed as compared with the case where helium gas is used as the sputtering gas and argon gas is used as the sputtering gas.
以下に、本実施形態の具体的な効果について説明する。 Below, the specific effect of this embodiment is demonstrated.
図２は、スパッタリング成膜時の圧力と抵抗率との関係を示すグラフ図である。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between pressure and resistivity during sputtering film formation.
図２の横軸は、真空容器１０内のガス圧であり、縦軸は、炭素電極膜の抵抗率である。図２には、放電ガスとしてヘリウムを用いた場合のほか、アルゴンを用いた場合の例も示されている。ターゲット１８への投入電力は、１．６Ｗ／ｃｍ２である。 The horizontal axis in FIG. 2 is the gas pressure in the vacuum vessel 10, and the vertical axis is the resistivity of the carbon electrode film. FIG. 2 shows an example of using argon as well as helium as the discharge gas. The input power to the target 18 is 1.6 W / cm 2 .
まず、放電ガスとして、アルゴンガスを用いた場合、圧力が１．２Ｐａで、６０．７（ｍΩ・ｃｍ）の抵抗率が得られている。さらに、アルゴン圧力を０．１Ｐａに下げた場合、抵抗率が２９．９（ｍΩ・ｃｍ）にまで下がる傾向にあった。これは、放電ガスの圧力が低くなると、真空容器１０内のアルゴン原子量が減り、アルゴンイオンの炭素電極膜への衝突が緩和されるからである。 First, when argon gas is used as the discharge gas, the pressure is 1.2 Pa and a resistivity of 60.7 (mΩ · cm) is obtained. Furthermore, when the argon pressure was lowered to 0.1 Pa, the resistivity tended to drop to 29.9 (mΩ · cm). This is because when the pressure of the discharge gas is lowered, the amount of argon atoms in the vacuum vessel 10 is reduced and the collision of argon ions with the carbon electrode film is alleviated.
但し、アルゴンガスの圧力を１．２Ｐａから０．１Ｐａにまで下げたとしても、炭素電極膜の抵抗率は、圧力が１．２Ｐａのときのおよそ半分になる程度であった。 However, even if the pressure of the argon gas was lowered from 1.2 Pa to 0.1 Pa, the resistivity of the carbon electrode film was about half that when the pressure was 1.2 Pa.
一方、放電ガスとして、ヘリウムガスを用いた場合、アルゴンガスと同じ圧力である１．２Ｐａでは、抵抗率が７．１（ｍΩ・ｃｍ）となっている。すなわち、放電ガスとして、ヘリウムガスを用いた場合には、アルゴンガスに比べて、炭素電極膜の抵抗率が１０分の１程度に減少している。 On the other hand, when helium gas is used as the discharge gas, the resistivity is 7.1 (mΩ · cm) at 1.2 Pa, which is the same pressure as the argon gas. That is, when helium gas is used as the discharge gas, the resistivity of the carbon electrode film is reduced to about 1/10 compared to argon gas.
この理由は、上述したように、ヘリウムイオン粒子の運動エネルギーがアルゴンイオン粒子の運動エネルギーが１／１０程度に抑えられていること、活性化したヘリウムガスが真空容器１０内の水及び炭素電極膜中の水素原子と反応し、生成した水素化ヘリウムイオンが真空排気ポンプ２１によって真空容器１０外に排出されること、等によると推察される。 The reason for this is that, as described above, the kinetic energy of the helium ion particles is suppressed to about 1/10 of the kinetic energy of the argon ion particles, and the activated helium gas is the water and carbon electrode film in the vacuum vessel 10. It is presumed that helium hydride ions generated by reacting with the hydrogen atoms therein are discharged out of the vacuum vessel 10 by the vacuum exhaust pump 21.
図３は、ヘリウムガス及びアルゴンガスの混合ガスにおけるヘリウムガスの分圧と、抵抗率との関係を示すグラフ図である。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the partial pressure of helium gas and the resistivity in a mixed gas of helium gas and argon gas.
図３の横軸には、混合ガスにおけるヘリウムガス圧力の割合が示されている。ここで、混合ガスの全圧は、１．２Ｐａである。ターゲット１８への投入電力は、１．６Ｗ／ｃｍ２である。 The horizontal axis of FIG. 3 shows the ratio of the helium gas pressure in the mixed gas. Here, the total pressure of the mixed gas is 1.2 Pa. The input power to the target 18 is 1.6 W / cm 2 .
ヘリウムガスのイオン化エネルギーは、希ガスの中でも比較的高い。例えば、ヘリウムのイオン化エネルギーは、およそ２５ｅＶであり、アルゴンのイオン化エネルギーは、およそ１６ｅＶである。従って、同一の投入電力の場合、ヘリウムガスではアルゴンガスに比べて放電が起きにくくなる。さらに、１．２Ｐａ以下という低圧条件でのヘリウムスパッタリング成膜が要求された場合、ヘリウム原子量の減少により、装置構成によっては、トリガ電圧が高くなったり、ヘリウムプラズマが不安定になったりする場合もある。 The ionization energy of helium gas is relatively high among noble gases. For example, the ionization energy of helium is approximately 25 eV, and the ionization energy of argon is approximately 16 eV. Therefore, for the same input power, the helium gas is less likely to cause a discharge than the argon gas. Furthermore, when helium sputtering film formation is required under a low pressure condition of 1.2 Pa or less, the trigger voltage may increase or the helium plasma may become unstable depending on the apparatus configuration due to the decrease in the amount of helium atoms. is there.
このような場合、ヘリウムガスには、補助ガスとしてアルゴンガスが添加されてもよい。これにより、アルゴンガスによるペニング効果が増し、ヘリウムガスの放電がより安定する。 In such a case, argon gas may be added to the helium gas as an auxiliary gas. Thereby, the Penning effect by argon gas increases and the discharge of helium gas becomes more stable.
ここで、混合ガスにはヘリウムが混在しているので、アルゴンガス１００％の放電ガスを用いた場合に比べて低抵抗の炭素電極膜が形成される。例えば、混合ガスの全圧に対するヘリウムガスの圧力の割合を８０％以上１００％以下に制御することで、２０（ｍΩ・ｃｍ）以下の炭素電極膜が形成されている（図３）。 Here, since helium is mixed in the mixed gas, a carbon electrode film having a low resistance is formed as compared with a case where a discharge gas of 100% argon gas is used. For example, a carbon electrode film of 20 (mΩ · cm) or less is formed by controlling the ratio of the pressure of helium gas with respect to the total pressure of the mixed gas to 80% or more and 100% or less (FIG. 3).
図４は、基板温度と抵抗率との関係を示すグラフ図である。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the substrate temperature and the resistivity.
ここで、放電ガスとしては、ヘリウムガスを用いている。ヘリウムガスの圧力は、１．２Ｐａである。ターゲット１８への投入電力は、１．６Ｗ／ｃｍ２である。 Here, helium gas is used as the discharge gas. The pressure of helium gas is 1.2 Pa. The input power to the target 18 is 1.6 W / cm 2 .
図４に示すように、基板１０２の温度を８０℃以上に制御することで、２０（ｍΩ・ｃｍ）以下の炭素電極膜が形成されることが分かった。例えば、基板１０２の温度が１６０℃で、抵抗率が７．１（ｍΩ・ｃｍ）になっている。但し、基板１０２の温度が３００℃を超えると、炭素電極膜の表面粗さ（Ｒａ）が目的とする粗さ以上になった。炭素電極膜の表面粗さが目的とする粗さ以上になると、例えば、炭素電極膜の表面が炭素電極膜上に形成する層の表面粗さに影響を与えてしまう。これにより、基板１０２の温度は、８０℃以上３００℃以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 4, it was found that a carbon electrode film of 20 (mΩ · cm) or less was formed by controlling the temperature of the substrate 102 to 80 ° C. or higher. For example, the temperature of the substrate 102 is 160 ° C., and the resistivity is 7.1 (mΩ · cm). However, when the temperature of the substrate 102 exceeded 300 ° C., the surface roughness (Ra) of the carbon electrode film became equal to or higher than the target roughness. When the surface roughness of the carbon electrode film is equal to or greater than the target roughness, for example, the surface of the carbon electrode film affects the surface roughness of the layer formed on the carbon electrode film. Thereby, the temperature of the substrate 102 is preferably 80 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
特に、基板１０２の温度を２５℃以上１６０℃以下に制御すると、炭素電極膜は非晶質となり、その平坦性がより良好になる。従って、平坦性が良好で、低抵抗率の炭素電極膜を形成するには、基板１０２の温度をより好ましくは８０℃以上１６０℃以下に制御することが好ましい。 In particular, when the temperature of the substrate 102 is controlled to 25 ° C. or more and 160 ° C. or less, the carbon electrode film becomes amorphous and the flatness thereof becomes better. Therefore, in order to form a carbon electrode film having good flatness and low resistivity, it is preferable to control the temperature of the substrate 102 to 80 ° C. or higher and 160 ° C. or lower.
以上説明したように、本実施形態によれば、スパッタリング成膜の放電ガスとしてヘリウムガスが用いられ、２０（ｍΩ・ｃｍ）以下の低抵抗率の炭素電極膜が再現性よく形成される。 As described above, according to the present embodiment, helium gas is used as a discharge gas for sputtering film formation, and a carbon electrode film having a low resistivity of 20 (mΩ · cm) or less is formed with good reproducibility.
なお、本実施形態においては、ステージ１６に、基板１０２に正バイアスを印加するバイアス電源（高周波電源）が接続されてもよい。この場合、バイアス電源によって、ＤＣセルフバイアスを相殺するバイアス（ＤＣセルフバイアスの絶対値と同じ絶対値の正バイアス）、または、ＤＣセルフバイアスの絶対値以上の絶対値の正バイアスを基板１０２に印加することができる。これにより、基板１０２に入射するヘリウムイオンの運動エネルギーをさらに抑えることができる。これにより、炭素電極膜の抵抗率がさらに減少する。 In the present embodiment, a bias power source (high frequency power source) that applies a positive bias to the substrate 102 may be connected to the stage 16. In this case, the bias power supply applies a bias that cancels the DC self-bias (a positive bias that has the same absolute value as the absolute value of the DC self-bias) or a positive bias that has an absolute value that is greater than or equal to the absolute value of the DC self-bias can do. Thereby, the kinetic energy of helium ions incident on the substrate 102 can be further suppressed. This further reduces the resistivity of the carbon electrode film.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited only to the above-mentioned embodiment, Of course, a various change can be added.
１０…真空容器
１１…真空容器本体
１２…蓋体
１３…絶縁部材
１４…電源
１４ｃ…ケーブル
１５…ガス導入配管
１６…ステージ
１７…絶縁部材
１８…ターゲット
１９…マグネット
１９ｒ…回転軸
２０…カソードユニット
２１…真空排気ポンプ
１００…スパッタリング装置
１０１…処理室
１０２…基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Vacuum container 11 ... Vacuum container main body 12 ... Cover body 13 ... Insulating member 14 ... Power supply 14c ... Cable 15 ... Gas introduction piping 16 ... Stage 17 ... Insulating member 18 ... Target 19 ... Magnet 19r ... Rotating shaft 20 ... Cathode unit 21 ... Vacuum pump 100 ... Sputtering apparatus 101 ... Processing chamber 102 ... Substrate
Claims (3)
前記真空容器内に配置された炭素製ターゲットに０．１Ｗ／ｃｍ２以上３．５Ｗ／ｃｍ２以下の電力を投入して前記炭素製ターゲットをスパッタリングし、前記炭素製ターゲットに対向して配置された基板上に炭素膜を堆積させる
炭素電極膜の形成方法。 Maintain the inside of the vacuum vessel in an atmosphere of helium gas of 0.01 Pa to 1.2 Pa,
Said vacuum placement carbon steel target vessel 0.1 W / cm 2 or more 3.5 W / cm 2 by the following power-up and sputtering the carbon steel target, is arranged to face the carbon steel target A method for forming a carbon electrode film by depositing a carbon film on a substrate.
前記ヘリウムガスにアルゴンガスを添加させ、前記ヘリウムガス及び前記アルゴンガスによる混合ガスの全圧に対する前記ヘリウムガスの圧力の割合を８０％以上１００％以下に制御する
炭素電極膜の形成方法。 It is a formation method of the carbon electrode film according to claim 1,
A method for forming a carbon electrode film, wherein argon gas is added to the helium gas, and the ratio of the pressure of the helium gas to the total pressure of the mixed gas of the helium gas and the argon gas is controlled to 80% to 100%.
前記基板の温度を８０℃以上３００℃以下に制御する
炭素電極膜の形成方法。 A method of forming a carbon electrode film according to claim 1 or 2,
A method for forming a carbon electrode film, wherein the temperature of the substrate is controlled to 80 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
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