JPH11200032A - 絶縁膜のスパッタ成膜方法 - Google Patents
絶縁膜のスパッタ成膜方法Info
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- JPH11200032A JPH11200032A JP431298A JP431298A JPH11200032A JP H11200032 A JPH11200032 A JP H11200032A JP 431298 A JP431298 A JP 431298A JP 431298 A JP431298 A JP 431298A JP H11200032 A JPH11200032 A JP H11200032A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】従来のスパッタ法では困難であった数十〜数百
Åの極薄で磁気ヘッドのギャップ層やトンネル接合型Ｇ
ＭＲに好都合な絶縁特性の良い化合物絶縁膜を形成する
方法を提案すること 【解決手段】真空室１内に、直流電源５に接続されたメ
タルターゲット６とその背後の磁石７及び該ターゲット
の前方のイオン化率を高めるＲＦコイル８を備えたマグ
ネトロンカソード９を設け、プロセス開始前の到達真空
度を１×１０-6Pa以下とし、プラズマ発生のための該タ
ーゲット及びＲＦコイルへの投入電力と、該真空室内へ
導入するスパッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量と
を制御し、該ターゲットに対向して設けた基板１３にメ
タル膜の成膜と該メタル膜の絶縁化合物化を交互に行
う。
Åの極薄で磁気ヘッドのギャップ層やトンネル接合型Ｇ
ＭＲに好都合な絶縁特性の良い化合物絶縁膜を形成する
方法を提案すること 【解決手段】真空室１内に、直流電源５に接続されたメ
タルターゲット６とその背後の磁石７及び該ターゲット
の前方のイオン化率を高めるＲＦコイル８を備えたマグ
ネトロンカソード９を設け、プロセス開始前の到達真空
度を１×１０-6Pa以下とし、プラズマ発生のための該タ
ーゲット及びＲＦコイルへの投入電力と、該真空室内へ
導入するスパッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量と
を制御し、該ターゲットに対向して設けた基板１３にメ
タル膜の成膜と該メタル膜の絶縁化合物化を交互に行
う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハードディスク磁
気ヘッド等に適用される絶縁膜の形成方法に関する。
気ヘッド等に適用される絶縁膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ハードディスク読み取り用磁気ヘ
ッドとして、薄膜ヘッドや磁気抵抗（ＭＲ：Magneto-Re
sistance）ヘッドが用いられており、これらのヘッドに
は１０００〜２０００ 程度の厚さのＡｌ2Ｏ3膜がギャ
ップ用絶縁膜として設けられている。このＡｌ2Ｏ3膜を
形成するには、ターゲットとしてＡｌ2Ｏ3を使用したＲ
Ｆマグネトロンスパッタ法が一般に採用されているが、
その生産性を重視する場合には、ターゲットにＡｌを用
い、スパッタ中の雰囲気にＯ２ガスを導入し、Ａｌをス
パッタしながらプラズマ酸化を利用してＡｌ2Ｏ3膜を形
成する反応性スパッタ法を採用することも行われてい
る。
ッドとして、薄膜ヘッドや磁気抵抗（ＭＲ：Magneto-Re
sistance）ヘッドが用いられており、これらのヘッドに
は１０００〜２０００ 程度の厚さのＡｌ2Ｏ3膜がギャ
ップ用絶縁膜として設けられている。このＡｌ2Ｏ3膜を
形成するには、ターゲットとしてＡｌ2Ｏ3を使用したＲ
Ｆマグネトロンスパッタ法が一般に採用されているが、
その生産性を重視する場合には、ターゲットにＡｌを用
い、スパッタ中の雰囲気にＯ２ガスを導入し、Ａｌをス
パッタしながらプラズマ酸化を利用してＡｌ2Ｏ3膜を形
成する反応性スパッタ法を採用することも行われてい
る。
【０００３】また、スパッタカソードとして、ターゲッ
トの背後に磁石を設けると共に該ターゲットの前方にＲ
Ｆコイルを設けた誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロ
ンカソードが出願人により提案されている（特開平６−
４１７３９号公報）。このカソードは高真空中でプラズ
マの発生を持続でき、不純物や２次生成物の発生が少な
い利点を持っている。
トの背後に磁石を設けると共に該ターゲットの前方にＲ
Ｆコイルを設けた誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロ
ンカソードが出願人により提案されている（特開平６−
４１７３９号公報）。このカソードは高真空中でプラズ
マの発生を持続でき、不純物や２次生成物の発生が少な
い利点を持っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ハードディスクに関し
て記録密度を向上させることの要求があり、これに伴い
読み取り用磁気ヘッドもスピンバルブ膜、多層膜やトン
ネル効果を用いた巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ヘッドに置き
換わると考えられており、そこに用いられる絶縁膜も数
十〜数百Åの極めて薄いＡｌ2Ｏ3やＡｌＮなどの化合物
絶縁膜が必要になると予想されている。しかし、この程
度の極めて薄い例えばＡｌ2Ｏ3膜を、従来のＡｌ2Ｏ3タ
ーゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタ法や反応性
スパッタ法で作製すると、リーク電流が１０-6Ａ／ｍｍ
2以下で絶縁耐圧が５ＭＶ／ｃｍ以上の電気特性を有す
る良質な絶縁膜は形成出来ない。これは以下の理由に基
づくと考えられている。即ち、下地のメタル膜とＡｌ2
Ｏ3は“濡れ”が悪いため、メタル膜に接する領域のＡ
ｌ2Ｏ3層は欠陥が入り易いが、Ａｌ2Ｏ3膜が堆積してい
くにつれこの欠陥が少なくなり、健全なＡｌ2Ｏ3層とな
っていき、１０００Å程度の厚膜となればその電気特性
も満足なものになると考えられる。そのため、数十〜数
百Åの極めて薄いＡｌ2Ｏ3膜を形成した場合、界面層近
傍の欠陥が多い部分の影響が顕著に現れ、上記電気特性
の良好な絶縁膜が形成出来ない、と考えられている。
て記録密度を向上させることの要求があり、これに伴い
読み取り用磁気ヘッドもスピンバルブ膜、多層膜やトン
ネル効果を用いた巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ヘッドに置き
換わると考えられており、そこに用いられる絶縁膜も数
十〜数百Åの極めて薄いＡｌ2Ｏ3やＡｌＮなどの化合物
絶縁膜が必要になると予想されている。しかし、この程
度の極めて薄い例えばＡｌ2Ｏ3膜を、従来のＡｌ2Ｏ3タ
ーゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタ法や反応性
スパッタ法で作製すると、リーク電流が１０-6Ａ／ｍｍ
2以下で絶縁耐圧が５ＭＶ／ｃｍ以上の電気特性を有す
る良質な絶縁膜は形成出来ない。これは以下の理由に基
づくと考えられている。即ち、下地のメタル膜とＡｌ2
Ｏ3は“濡れ”が悪いため、メタル膜に接する領域のＡ
ｌ2Ｏ3層は欠陥が入り易いが、Ａｌ2Ｏ3膜が堆積してい
くにつれこの欠陥が少なくなり、健全なＡｌ2Ｏ3層とな
っていき、１０００Å程度の厚膜となればその電気特性
も満足なものになると考えられる。そのため、数十〜数
百Åの極めて薄いＡｌ2Ｏ3膜を形成した場合、界面層近
傍の欠陥が多い部分の影響が顕著に現れ、上記電気特性
の良好な絶縁膜が形成出来ない、と考えられている。
【０００５】これに対処するため、プレーナーマグネト
ロンターゲットの前方にRFコイルを取り付けることによ
りスパッタされた粒子やスパッタガスなどのイオン化率
を高くできる誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソ
ードを用い、ターゲットとRFコイルへの投入電力および
スパッタ用Ar（不活性）ガスと酸素などの反応性ガスの
流量を制御することにより、メタル膜を堆積する工程と
その膜をプラズマ酸化などの反応により化合物化する工
程とを交互に行い絶縁膜を形成するメタル堆積／プラズ
マ反応積層法を提案した（特願平９−１３７０４４）。
この方法では、Ａｌターゲットを使用すれば、下地メタ
ル膜の上には、下地メタル膜と“濡れ”の良いＡｌ膜が
形成され、その後プラズマ酸化やプラズマ窒化などによ
り該Ａｌ膜が化合物になるため、界面近傍でも欠陥の少
ない良質な膜が形成可能である。しかしこの方法によっ
ても絶縁特性を大きく改善することはできなかった。こ
の方法の場合、いかに良好なＡｌ膜を下地膜の上に形成
できるかが鍵であり、結晶粒の大きいＡｌ膜を形成する
ことが絶縁特性改善に有効であると考えられる。
ロンターゲットの前方にRFコイルを取り付けることによ
りスパッタされた粒子やスパッタガスなどのイオン化率
を高くできる誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソ
ードを用い、ターゲットとRFコイルへの投入電力および
スパッタ用Ar（不活性）ガスと酸素などの反応性ガスの
流量を制御することにより、メタル膜を堆積する工程と
その膜をプラズマ酸化などの反応により化合物化する工
程とを交互に行い絶縁膜を形成するメタル堆積／プラズ
マ反応積層法を提案した（特願平９−１３７０４４）。
この方法では、Ａｌターゲットを使用すれば、下地メタ
ル膜の上には、下地メタル膜と“濡れ”の良いＡｌ膜が
形成され、その後プラズマ酸化やプラズマ窒化などによ
り該Ａｌ膜が化合物になるため、界面近傍でも欠陥の少
ない良質な膜が形成可能である。しかしこの方法によっ
ても絶縁特性を大きく改善することはできなかった。こ
の方法の場合、いかに良好なＡｌ膜を下地膜の上に形成
できるかが鍵であり、結晶粒の大きいＡｌ膜を形成する
ことが絶縁特性改善に有効であると考えられる。
【０００６】本発明は、従来のスパッタ法では困難であ
った数十〜数百Åの極薄で磁気ヘッドのギャップ層やト
ンネル接合型ＧＭＲに好都合な化合物絶縁膜を形成する
方法を提案することを目的とするものである。
った数十〜数百Åの極薄で磁気ヘッドのギャップ層やト
ンネル接合型ＧＭＲに好都合な化合物絶縁膜を形成する
方法を提案することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、真空室内
に、磁石を背後に備えたメタルターゲットと、イオン化
率を高めるための該ターゲットの前方のＲＦコイルと、
該ターゲットに対向した基板とを有するマグネトロンス
パッタ装置を設け、該真空室内の到達真空度を１×１０
-6Pa以下とした後、該真空室内のスパッタ用不活性ガス
及び反応性ガスの流量を制御しながら該マグネトロンス
パッタ装置を作動させ、該基板にメタル膜の成膜と該メ
タル膜の絶縁化合物化とを交互に行い絶縁膜を形成する
ことにより、上記の目的を達成するようにした。該絶縁
膜は数十〜数百Åの極薄の厚さに形成される。
に、磁石を背後に備えたメタルターゲットと、イオン化
率を高めるための該ターゲットの前方のＲＦコイルと、
該ターゲットに対向した基板とを有するマグネトロンス
パッタ装置を設け、該真空室内の到達真空度を１×１０
-6Pa以下とした後、該真空室内のスパッタ用不活性ガス
及び反応性ガスの流量を制御しながら該マグネトロンス
パッタ装置を作動させ、該基板にメタル膜の成膜と該メ
タル膜の絶縁化合物化とを交互に行い絶縁膜を形成する
ことにより、上記の目的を達成するようにした。該絶縁
膜は数十〜数百Åの極薄の厚さに形成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
き説明すると、図１は磁気ヘッドの絶縁膜の形成に使用
したスパッタリング装置で、同図の符号１はクライオポ
ンプ１５及びターボ分子１６に連なる排気口２と、半導
体グレード（９９．９９９９％）のものをさらに純化器
で精製しガス中不純物を１０ppb以下にしたアルゴンガ
ス等のスパッタ用ガスの導入口３及びＯ2やＮ2等の反応
性ガスを導入する反応性ガス導入口４を設けた真空室を
示す。該真空室１内には、直流電源５に異常放電防止回
路１０を介して接続された直径２インチのＡｌ製等のメ
タルターゲット６とその背後の磁石７及び該ターゲット
６の前方のイオン化率を高めるＲＦコイル８を備えたマ
グネトロンカソード９が設けられる。このカソード９
は、上記した誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカ
ソードとして公知のもので、ＲＦコイル８はメタルター
ゲット６の前方周囲を囲繞して設けられ、これにマッチ
ングボックス１１を介してＲＦ電源１２から電力が供給
される。１３は、表面に極薄の化合物の絶縁膜を形成す
べく該ターゲット６と対向して設けられた例えば直径２
インチの低抵抗シリコンの基板で、薄膜ヘッドやＭＲヘ
ッド用の場合はその表面にメタル膜が下地膜として予め
形成される。該ＲＦコイル８は該メタルターゲット６と
同材質の例えばＡｌにて形成され、必要な場合は、その
内部に冷却水を循環させる。１４はスパッタ中のＨ2Ｏ
分圧を測定するために設けた１０-9Paの到達真空度を測
定できる差動排気付極高真空対応四重極質量分析計であ
る。尚、ＲＦコイル８はメタルターゲット６と同材質の
もので製作することが好ましい。
き説明すると、図１は磁気ヘッドの絶縁膜の形成に使用
したスパッタリング装置で、同図の符号１はクライオポ
ンプ１５及びターボ分子１６に連なる排気口２と、半導
体グレード（９９．９９９９％）のものをさらに純化器
で精製しガス中不純物を１０ppb以下にしたアルゴンガ
ス等のスパッタ用ガスの導入口３及びＯ2やＮ2等の反応
性ガスを導入する反応性ガス導入口４を設けた真空室を
示す。該真空室１内には、直流電源５に異常放電防止回
路１０を介して接続された直径２インチのＡｌ製等のメ
タルターゲット６とその背後の磁石７及び該ターゲット
６の前方のイオン化率を高めるＲＦコイル８を備えたマ
グネトロンカソード９が設けられる。このカソード９
は、上記した誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカ
ソードとして公知のもので、ＲＦコイル８はメタルター
ゲット６の前方周囲を囲繞して設けられ、これにマッチ
ングボックス１１を介してＲＦ電源１２から電力が供給
される。１３は、表面に極薄の化合物の絶縁膜を形成す
べく該ターゲット６と対向して設けられた例えば直径２
インチの低抵抗シリコンの基板で、薄膜ヘッドやＭＲヘ
ッド用の場合はその表面にメタル膜が下地膜として予め
形成される。該ＲＦコイル８は該メタルターゲット６と
同材質の例えばＡｌにて形成され、必要な場合は、その
内部に冷却水を循環させる。１４はスパッタ中のＨ2Ｏ
分圧を測定するために設けた１０-9Paの到達真空度を測
定できる差動排気付極高真空対応四重極質量分析計であ
る。尚、ＲＦコイル８はメタルターゲット６と同材質の
もので製作することが好ましい。
【０００９】図１の装置を使用して反応性スパッタによ
り基板１３に約１００ÅのＡｌ2Ｏ3等の極薄の化合物絶
縁膜を形成するには、まず真空室１内を排気し、スパッ
タ用アルゴンガスをカソード９の近傍の導入口３から適
量導入して圧力を調整したのち、メタルターゲット６に
直流電力と、ＲＦコイル８に高周波電力を夫々投入す
る。これによりターゲット６の前方にプラズマが発生
し、イオンによりターゲット６がスパッタされ、スパッ
タされたメタル粒子が基板１３に堆積する。メタルが例
えば数十 程度の極薄く堆積したところで、ターゲット
６への投入電力を零にし、ＲＦコイル８への高周波電力
のみを投入した状態で反応ガス導入口４から反応ガスを
導入する。これによりターゲット６は殆どスパッタされ
ず、導入された反応性ガスはＲＦコイル８によりプラズ
マ励起・イオン化されるので堆積したメタル膜と速やか
に反応し、化合物絶縁膜となる。堆積した該メタル膜は
極めて薄いので、薄膜内部までほぼ完全に化合した化合
物膜になる。
り基板１３に約１００ÅのＡｌ2Ｏ3等の極薄の化合物絶
縁膜を形成するには、まず真空室１内を排気し、スパッ
タ用アルゴンガスをカソード９の近傍の導入口３から適
量導入して圧力を調整したのち、メタルターゲット６に
直流電力と、ＲＦコイル８に高周波電力を夫々投入す
る。これによりターゲット６の前方にプラズマが発生
し、イオンによりターゲット６がスパッタされ、スパッ
タされたメタル粒子が基板１３に堆積する。メタルが例
えば数十 程度の極薄く堆積したところで、ターゲット
６への投入電力を零にし、ＲＦコイル８への高周波電力
のみを投入した状態で反応ガス導入口４から反応ガスを
導入する。これによりターゲット６は殆どスパッタされ
ず、導入された反応性ガスはＲＦコイル８によりプラズ
マ励起・イオン化されるので堆積したメタル膜と速やか
に反応し、化合物絶縁膜となる。堆積した該メタル膜は
極めて薄いので、薄膜内部までほぼ完全に化合した化合
物膜になる。
【００１０】このあと、前記したターゲット６のスパッ
タ工程と反応ガスの導入による化合物化工程を繰り返
し、基板１３上に例えば１００Å程度の極薄の化合物絶
縁膜を形成する。これにより得られた化合物絶縁膜は、
極薄でありながらリーク電流が小さく絶縁破壊電圧が高
い良好な耐絶縁性をもち、絶縁性にバラつきのない化合
物絶縁膜を形成でき、高密度記録を読み取る磁気ヘッド
に好都合に適用できる。ターゲット６には化合して絶縁
膜を形成する各種のメタルが使用可能であり、例えばＳ
ｉを使用すれば、ＳｉＯ2の極薄絶縁膜を形成でき、タ
ーゲットをＡｌ、反応性ガスにＮ2を使用してＡｌＮの
極薄絶縁膜でき、ターゲットの材料と反応性ガスを適当
に選択することで種々の極薄絶縁膜を形成できる。
タ工程と反応ガスの導入による化合物化工程を繰り返
し、基板１３上に例えば１００Å程度の極薄の化合物絶
縁膜を形成する。これにより得られた化合物絶縁膜は、
極薄でありながらリーク電流が小さく絶縁破壊電圧が高
い良好な耐絶縁性をもち、絶縁性にバラつきのない化合
物絶縁膜を形成でき、高密度記録を読み取る磁気ヘッド
に好都合に適用できる。ターゲット６には化合して絶縁
膜を形成する各種のメタルが使用可能であり、例えばＳ
ｉを使用すれば、ＳｉＯ2の極薄絶縁膜を形成でき、タ
ーゲットをＡｌ、反応性ガスにＮ2を使用してＡｌＮの
極薄絶縁膜でき、ターゲットの材料と反応性ガスを適当
に選択することで種々の極薄絶縁膜を形成できる。
【００１１】該基板１３へのメタルの堆積速度は主にタ
ーゲット６へ投入する直流電力に依存し、スパッタされ
たメタル粒子や反応ガスのイオン化や励起の程度は主に
ＲＦコイル８に投入する高周波電力に依存する。これは
スパッタされた中性メタル粒子がＲＦコイル８のつくる
プラズマゾーンを通過するときにイオン化されるという
イオンプレーティングと同様なポストイオン化機構によ
るためと考えられる。該基板１３上へメタル膜を堆積さ
せる際には、該ターゲット６への直流電力のみならずＲ
Ｆコイル８に高周波電力を同時に投入することにより、
イオン化効率が高まり、基板１３の下地の上に被覆性良
く緻密で結晶性の良い数十Å程度の極薄いメタル膜を堆
積させ得る。そして、ターゲット６への直流電力を零と
し、ＲＦコイル８への高周波電力のみとした状態で反応
性ガスを導入すると、スパッタされるメタルはほとんど
なく、ＲＦコイル８によるプラズマ励起・イオン化で、
堆積した極薄いメタル膜を迅速にしかもほぼ完全に化合
物絶縁膜化させることができる。
ーゲット６へ投入する直流電力に依存し、スパッタされ
たメタル粒子や反応ガスのイオン化や励起の程度は主に
ＲＦコイル８に投入する高周波電力に依存する。これは
スパッタされた中性メタル粒子がＲＦコイル８のつくる
プラズマゾーンを通過するときにイオン化されるという
イオンプレーティングと同様なポストイオン化機構によ
るためと考えられる。該基板１３上へメタル膜を堆積さ
せる際には、該ターゲット６への直流電力のみならずＲ
Ｆコイル８に高周波電力を同時に投入することにより、
イオン化効率が高まり、基板１３の下地の上に被覆性良
く緻密で結晶性の良い数十Å程度の極薄いメタル膜を堆
積させ得る。そして、ターゲット６への直流電力を零と
し、ＲＦコイル８への高周波電力のみとした状態で反応
性ガスを導入すると、スパッタされるメタルはほとんど
なく、ＲＦコイル８によるプラズマ励起・イオン化で、
堆積した極薄いメタル膜を迅速にしかもほぼ完全に化合
物絶縁膜化させることができる。
【００１２】尚、ＲＦコイル８による化合物化工程にお
いては、ターゲット６からのスパッタ粒子によりＲＦコ
イル８表面へのメタル膜のコーティングが行われないた
め、むき出しになったＲＦコイル８の表面が誘導結合プ
ラズマ放電によりスパッタされ、そのコイル材のスパッ
タ粒子が基板１３の表面に付着するという汚染が考えら
れるが、このような汚染はＲＦコイル８をターゲット６
と同材質で作製しておくことで防げる。
いては、ターゲット６からのスパッタ粒子によりＲＦコ
イル８表面へのメタル膜のコーティングが行われないた
め、むき出しになったＲＦコイル８の表面が誘導結合プ
ラズマ放電によりスパッタされ、そのコイル材のスパッ
タ粒子が基板１３の表面に付着するという汚染が考えら
れるが、このような汚染はＲＦコイル８をターゲット６
と同材質で作製しておくことで防げる。
【００１３】また、この反応性ガスのプラズマ励起・イ
オン化の際、ターゲット６の表面も反応してそこに化合
物層が形成され、次のスパッタ工程に於ける直流放電が
不安定になる場合がある。これは電気伝導度の小さい化
合物や絶縁物がターゲット表面に形成されると、直流放
電ではその表面に正電荷が帯電し、カソード（ターゲッ
ト）とアノード（基板）との間の電位差を消失する方向
に働くことが原因で、放電が不安定になったり、放電が
停止する結果になる。この状態を解消するには、ターゲ
ット表面にたまった正電荷をプラズマからの電子で中和
すればよく、そのため該ターゲット６の直流電源５に異
常放電防止回路１０を介在させ、一定の割合で正電位を
発生させるようにし、この正電位となったときにターゲ
ット表面にプラズマからの電子を引き込んでターゲット
表面にたまった正電荷を中和するようにした。
オン化の際、ターゲット６の表面も反応してそこに化合
物層が形成され、次のスパッタ工程に於ける直流放電が
不安定になる場合がある。これは電気伝導度の小さい化
合物や絶縁物がターゲット表面に形成されると、直流放
電ではその表面に正電荷が帯電し、カソード（ターゲッ
ト）とアノード（基板）との間の電位差を消失する方向
に働くことが原因で、放電が不安定になったり、放電が
停止する結果になる。この状態を解消するには、ターゲ
ット表面にたまった正電荷をプラズマからの電子で中和
すればよく、そのため該ターゲット６の直流電源５に異
常放電防止回路１０を介在させ、一定の割合で正電位を
発生させるようにし、この正電位となったときにターゲ
ット表面にプラズマからの電子を引き込んでターゲット
表面にたまった正電荷を中和するようにした。
【００１４】こうした極薄の化合物絶縁膜の成膜方法
は、先に提案した方法とほぼ同様であり、リーク電流が
１０-6Ａ／ｍｍ2以下で絶縁耐圧が５ＭＶ／ｃｍ以上の
電気特性を有する絶縁膜は得られるものの、まだ大幅に
良好な絶縁特性が得られない。これは、従来の到達真空
度が１０-5Pa程度の高真空中の成膜では、Ｈ２Ｏを主と
する残留ガスが下地基板表面に吸着され、基板表面に飛
来するスパッタ粒子の基板表面でのマイグレーションを
抑制するため、基板表面に形成された結晶核の成長が抑
制されて大きな結晶に成長できず、微細な結晶粒が形成
されてしまうものと推定される。そしてこの結晶粒は、
その後のプラズマ酸化などによる化合物化によってもそ
の粒径を維持すると考えられるので、結果として基板表
面上には微細な化合物結晶が堆積することになる。隣り
合う結晶間に存在する結晶粒界には欠陥が集中している
ため、絶縁物膜の場合、主に粒界を経由して電子などの
電荷の移動が起こる。微結晶ほど粒界が多いので、結果
として微細で不完全な絶縁物結晶の膜ほどリーク電流が
多くなり絶縁特性が劣化することになる。
は、先に提案した方法とほぼ同様であり、リーク電流が
１０-6Ａ／ｍｍ2以下で絶縁耐圧が５ＭＶ／ｃｍ以上の
電気特性を有する絶縁膜は得られるものの、まだ大幅に
良好な絶縁特性が得られない。これは、従来の到達真空
度が１０-5Pa程度の高真空中の成膜では、Ｈ２Ｏを主と
する残留ガスが下地基板表面に吸着され、基板表面に飛
来するスパッタ粒子の基板表面でのマイグレーションを
抑制するため、基板表面に形成された結晶核の成長が抑
制されて大きな結晶に成長できず、微細な結晶粒が形成
されてしまうものと推定される。そしてこの結晶粒は、
その後のプラズマ酸化などによる化合物化によってもそ
の粒径を維持すると考えられるので、結果として基板表
面上には微細な化合物結晶が堆積することになる。隣り
合う結晶間に存在する結晶粒界には欠陥が集中している
ため、絶縁物膜の場合、主に粒界を経由して電子などの
電荷の移動が起こる。微結晶ほど粒界が多いので、結果
として微細で不完全な絶縁物結晶の膜ほどリーク電流が
多くなり絶縁特性が劣化することになる。
【００１５】本発明は、こうした観点に基づき、化合物
の結晶粒を大きくすること、そして結晶粒を大きくする
ためプロセス開始前の到達真空度を超高真空領域とし、
上記した極薄の化合物絶縁膜を成膜するという特異な手
法に基づいて絶縁特性の向上を図ったものである。ここ
でいう超高真空領域とは、真空度が１０-6Pa以下であ
り、これ以上の真空度では良好な絶縁特性が得られな
い。真空室１にこの真空度を得るため、排気口２にはク
ライオポンプ１５とターボ分子ポンプ１６を接続し、例
えば、該真空室１を１．３×１０-7Pa以下の真空度まで
排気する。次にＡｒのスパッタガスを一定流量流し、Ｒ
Ｆコイル８に一定電力を投入し、まずメタルターゲット
６にＤＣ電源５から電力を所定時間供給してスパッタを
行い、基板１３に極薄の薄膜を堆積させる。次いでＤＣ
電源５からの電力供給を止め、Ｏ2ガス等の反応性ガス
を一定量所定時間供給し、該薄膜を反応させて絶縁物化
する。この堆積と絶縁物化とを繰り返し、所定の厚さの
極薄の絶縁物膜を形成する。必要な場合、この絶縁物化
された薄膜上に導電膜を形成し、さらに導電膜上に前記
の方法で化合物絶縁膜を形成し、多層の絶縁膜と導電膜
とを成膜することもできる。
の結晶粒を大きくすること、そして結晶粒を大きくする
ためプロセス開始前の到達真空度を超高真空領域とし、
上記した極薄の化合物絶縁膜を成膜するという特異な手
法に基づいて絶縁特性の向上を図ったものである。ここ
でいう超高真空領域とは、真空度が１０-6Pa以下であ
り、これ以上の真空度では良好な絶縁特性が得られな
い。真空室１にこの真空度を得るため、排気口２にはク
ライオポンプ１５とターボ分子ポンプ１６を接続し、例
えば、該真空室１を１．３×１０-7Pa以下の真空度まで
排気する。次にＡｒのスパッタガスを一定流量流し、Ｒ
Ｆコイル８に一定電力を投入し、まずメタルターゲット
６にＤＣ電源５から電力を所定時間供給してスパッタを
行い、基板１３に極薄の薄膜を堆積させる。次いでＤＣ
電源５からの電力供給を止め、Ｏ2ガス等の反応性ガス
を一定量所定時間供給し、該薄膜を反応させて絶縁物化
する。この堆積と絶縁物化とを繰り返し、所定の厚さの
極薄の絶縁物膜を形成する。必要な場合、この絶縁物化
された薄膜上に導電膜を形成し、さらに導電膜上に前記
の方法で化合物絶縁膜を形成し、多層の絶縁膜と導電膜
とを成膜することもできる。
【００１６】
【実施例】図１に示した誘導結合ＲＦプラズマ支援マグ
ネトロンカソードを備えた装置を使用して、低抵抗シリ
コンの基板１３上の約１００Åの極めて薄いＡｌ2Ｏ3の
化合物絶縁膜を形成した。ＲＦコイル８は水冷したＡｌ
製で、Ａｌ製のターゲット６に異常放電防止回路１０を
介して直流電源５を接続した。また、スパッタガスとし
てアルゴンガスを導入口３から導入できるようにし、反
応性ガスとしてＯ2ガスを反応性ガス導入口４から導入
できるようにした。カソード６の直径は２インチであ
る。
ネトロンカソードを備えた装置を使用して、低抵抗シリ
コンの基板１３上の約１００Åの極めて薄いＡｌ2Ｏ3の
化合物絶縁膜を形成した。ＲＦコイル８は水冷したＡｌ
製で、Ａｌ製のターゲット６に異常放電防止回路１０を
介して直流電源５を接続した。また、スパッタガスとし
てアルゴンガスを導入口３から導入できるようにし、反
応性ガスとしてＯ2ガスを反応性ガス導入口４から導入
できるようにした。カソード６の直径は２インチであ
る。
【００１７】該化合物絶縁膜の形成に先立ち、真空室１
を１５０℃でベーキングしながら超高真空ポンプで１×
１０-7Paまで排気した。そしてＲＦコイル８に６０Ｗを
印加し、該真空室１内のプラズマクリーニングを繰り返
すことにより、該真空室１内のＨ2Ｏを除去した。この
状態で図２に示すようにＡｒガスを１５sccm流すと共
に、ＲＦコイル８に５０Ｗ一定電力を投入し、１３０Ｗ
の電力を１８秒間ターゲット６に供給して基板１３にＡ
ｌ膜をスパッタ堆積させる。続いて該ターゲット６への
電力供給を６０秒間止め、この間Ｏ2ガスを３０sccm流
し、該Ａｌ膜を酸化させる。この堆積・酸化を繰り返し
て所定の約１００ÅのＡｌ2Ｏ3膜を作成した。この際Ａ
ｒガス放電中の残留Ｈ2Ｏ分圧が１０-8Pa以下になって
いることを該分析計１４で確認した。尚、スパッタＡｒ
圧力は１×１０-1Pa、基板１３の温度は室温とした。
を１５０℃でベーキングしながら超高真空ポンプで１×
１０-7Paまで排気した。そしてＲＦコイル８に６０Ｗを
印加し、該真空室１内のプラズマクリーニングを繰り返
すことにより、該真空室１内のＨ2Ｏを除去した。この
状態で図２に示すようにＡｒガスを１５sccm流すと共
に、ＲＦコイル８に５０Ｗ一定電力を投入し、１３０Ｗ
の電力を１８秒間ターゲット６に供給して基板１３にＡ
ｌ膜をスパッタ堆積させる。続いて該ターゲット６への
電力供給を６０秒間止め、この間Ｏ2ガスを３０sccm流
し、該Ａｌ膜を酸化させる。この堆積・酸化を繰り返し
て所定の約１００ÅのＡｌ2Ｏ3膜を作成した。この際Ａ
ｒガス放電中の残留Ｈ2Ｏ分圧が１０-8Pa以下になって
いることを該分析計１４で確認した。尚、スパッタＡｒ
圧力は１×１０-1Pa、基板１３の温度は室温とした。
【００１８】こうして得られたＡｌ2Ｏ3膜の電気特性を
測定するため、この膜の上に５００μｍ□のＣｕ電極を
スパッタ法により堆積させた。得られた膜のＶ−Ｉ特性
を図３の曲線Ａに示した。これによれば、膜厚が約１０
０Åと極めて薄いにもかかわらず、絶縁物特有のＶ−Ｉ
特性になっていることが分かる。
測定するため、この膜の上に５００μｍ□のＣｕ電極を
スパッタ法により堆積させた。得られた膜のＶ−Ｉ特性
を図３の曲線Ａに示した。これによれば、膜厚が約１０
０Åと極めて薄いにもかかわらず、絶縁物特有のＶ−Ｉ
特性になっていることが分かる。
【００１９】次に残留Ｈ2Ｏ分圧がＡｌ2Ｏ3膜の絶縁特
性に及ぼす影響を調べるため、真空室１をベーキング排
気・プラズマクリーニング後、大気でリークし真空室１
内を大気に曝し水分を吸着させ、そのあとベーキングな
しで５種類の所定の真空度すなわち１×１０-6Pa、５×
１０-6Pa、１×１０-5Pa、５×１０-5Pa、１×１０-4Pa
まで排気し、直ちに図２に示す手順で約１００ の厚さ
のＡｌ2Ｏ3膜を作成した。このとき残留Ｈ2Ｏ分圧を調
整するため、必要に応じ微量のＨ2Ｏを微小リークバル
ブより真空室に導入してＡｌ2Ｏ3膜を作成した。残留Ｈ
2Ｏ分圧としてはＡｒガス放電中の四重極質量分析計で
測定した値を用いた。このようにして得られた膜のＶ−
Ｉ特性を図３に先の結果と合わせて示した。同図の曲線
Ｂは到達真空度が１×１０-6PaのときのＶ−Ｉ特性、曲
線Ｃは５×１０-6Pa、曲線Ｄは１×１０-5Pa、曲線Ｅは
５×１０-5Pa、曲線Ｆは１×１０-4Paのときのものであ
る。尚、同図にカッコ書きした数値は、それぞれの到達
圧力におけるＡｒガス放電中の残留Ｈ2Ｏ分圧である。
これによれば、残留Ｈ2Ｏ分圧が１×１０-6Pa以上にな
ると絶縁膜のリーク電流が大きくなり、絶縁特性の劣化
が目立つようになることが分かる（曲線Ｅ、Ｆ参照）。
この残留Ｈ2Ｏ分圧の１×１０-6Paは、前述した高真空
中ではＡｌの大きな結晶粒が得られない理由と一致して
いる。この点から、Ａｌ2Ｏ3膜の絶縁特性の劣化は、プ
ラズマ酸化するＡｌ膜の結晶粒径が小さいためプラズマ
酸化した後のＡｌ2Ｏ3膜の結晶粒径も小さくなり、多数
存在する結晶粒界を経由してのリーク電流が増加したも
のと考えられる。
性に及ぼす影響を調べるため、真空室１をベーキング排
気・プラズマクリーニング後、大気でリークし真空室１
内を大気に曝し水分を吸着させ、そのあとベーキングな
しで５種類の所定の真空度すなわち１×１０-6Pa、５×
１０-6Pa、１×１０-5Pa、５×１０-5Pa、１×１０-4Pa
まで排気し、直ちに図２に示す手順で約１００ の厚さ
のＡｌ2Ｏ3膜を作成した。このとき残留Ｈ2Ｏ分圧を調
整するため、必要に応じ微量のＨ2Ｏを微小リークバル
ブより真空室に導入してＡｌ2Ｏ3膜を作成した。残留Ｈ
2Ｏ分圧としてはＡｒガス放電中の四重極質量分析計で
測定した値を用いた。このようにして得られた膜のＶ−
Ｉ特性を図３に先の結果と合わせて示した。同図の曲線
Ｂは到達真空度が１×１０-6PaのときのＶ−Ｉ特性、曲
線Ｃは５×１０-6Pa、曲線Ｄは１×１０-5Pa、曲線Ｅは
５×１０-5Pa、曲線Ｆは１×１０-4Paのときのものであ
る。尚、同図にカッコ書きした数値は、それぞれの到達
圧力におけるＡｒガス放電中の残留Ｈ2Ｏ分圧である。
これによれば、残留Ｈ2Ｏ分圧が１×１０-6Pa以上にな
ると絶縁膜のリーク電流が大きくなり、絶縁特性の劣化
が目立つようになることが分かる（曲線Ｅ、Ｆ参照）。
この残留Ｈ2Ｏ分圧の１×１０-6Paは、前述した高真空
中ではＡｌの大きな結晶粒が得られない理由と一致して
いる。この点から、Ａｌ2Ｏ3膜の絶縁特性の劣化は、プ
ラズマ酸化するＡｌ膜の結晶粒径が小さいためプラズマ
酸化した後のＡｌ2Ｏ3膜の結晶粒径も小さくなり、多数
存在する結晶粒界を経由してのリーク電流が増加したも
のと考えられる。
【００２０】この残留Ｈ２Ｏ分圧が１×１０-6Paが得ら
れた排気時の真空度は約１×１０-5Paであった。従って
良好な絶縁特性の得られる到達真空度として、多少の安
全性を考えると１×１０-6Pa以下とするのが適切であ
る。
れた排気時の真空度は約１×１０-5Paであった。従って
良好な絶縁特性の得られる到達真空度として、多少の安
全性を考えると１×１０-6Pa以下とするのが適切であ
る。
【００２１】以上の説明では、Ａｌ2Ｏ3膜の例を説明し
たが、ＳｉＯ２、ＡｌＮなどの種々の化合物絶縁膜や化
合物材料への適用が可能である。また、ここではハード
ディスク磁気ヘッドの絶縁膜スパッタプロセスについて
述べたが、その他フラットディスプレーをはじめ種々の
電子機器デバイスの薄膜作製プロセスへの適用も可能で
ある。
たが、ＳｉＯ２、ＡｌＮなどの種々の化合物絶縁膜や化
合物材料への適用が可能である。また、ここではハード
ディスク磁気ヘッドの絶縁膜スパッタプロセスについて
述べたが、その他フラットディスプレーをはじめ種々の
電子機器デバイスの薄膜作製プロセスへの適用も可能で
ある。
【００２２】
【発明の効果】以上のように本発明によるときは、プロ
セス開始前の到達真空度を１×１０-6Pa以下とし、ＲＦ
コイルを備えたマグネトロンカソードを設け、ターゲッ
ト及びＲＦコイルへの投入電力と、真空室内へ導入する
スパッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量とを制御
し、基板にメタル膜の成膜と該メタル膜の絶縁化合物化
を交互に行うようにしたので、基板に数十〜数百Å程度
の従来のスパッタ法では困難であった電気特性の良好な
極薄絶縁膜を形成することができ、高密度化されたハー
ドディスク磁気ヘッドの製造に好都合に適用できる等の
効果がある。
セス開始前の到達真空度を１×１０-6Pa以下とし、ＲＦ
コイルを備えたマグネトロンカソードを設け、ターゲッ
ト及びＲＦコイルへの投入電力と、真空室内へ導入する
スパッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量とを制御
し、基板にメタル膜の成膜と該メタル膜の絶縁化合物化
を交互に行うようにしたので、基板に数十〜数百Å程度
の従来のスパッタ法では困難であった電気特性の良好な
極薄絶縁膜を形成することができ、高密度化されたハー
ドディスク磁気ヘッドの製造に好都合に適用できる等の
効果がある。
【図１】本発明の方法の実施に使用した装置の切断側面
図
図
【図２】本発明方法の実施の手順の線図
【図３】本発明の方法で得られた膜のリーク電流と電圧
の関係図
の関係図
１ 真空室、３ スパッタガス導入口、４ 反応性ガス
導入口、５ 直流電源、６ メタルターゲット、７ 磁
石、８ ＲＦコイル、９ マグネトロンカソード、１０
異常放電防止回路、１３ 基板、
導入口、５ 直流電源、６ メタルターゲット、７ 磁
石、８ ＲＦコイル、９ マグネトロンカソード、１０
異常放電防止回路、１３ 基板、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山川 洋幸 茨城県つくば市東光台５−９−７ 日本真 空技術株式会社筑波超材料研究所内
Claims (2)
- 【請求項１】真空室内に、磁石を背後に備えたメタルタ
ーゲットと、イオン化率を高めるための該ターゲットの
前方のＲＦコイルと、該ターゲットに対向した基板とを
有するマグネトロンスパッタ装置を設け、該真空室内の
到達真空度を１×１０-6Pa以下とした後、該真空室内の
スパッタ用不活性ガス及び反応性ガスの流量を制御しな
がら該マグネトロンスパッタ装置を作動させ、該基板に
メタル膜の成膜と該メタル膜の絶縁化合物化とを交互に
行い絶縁膜を形成することを特徴とする絶縁膜のスパッ
タ形成方法。 - 【請求項２】上記絶縁膜の厚みが数十〜数百Åの極薄絶
縁膜であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の
スパッタ成膜方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP431298A JPH11200032A (ja) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | 絶縁膜のスパッタ成膜方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP431298A JPH11200032A (ja) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | 絶縁膜のスパッタ成膜方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11200032A true JPH11200032A (ja) | 1999-07-27 |
| JPH11200032A5 JPH11200032A5 (ja) | 2005-06-16 |
Family
ID=11580976
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP431298A Pending JPH11200032A (ja) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | 絶縁膜のスパッタ成膜方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11200032A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2346155A (en) * | 1999-01-06 | 2000-08-02 | Trikon Holdings Ltd | Sputtering apparatus |
| JP2001342555A (ja) * | 2000-06-01 | 2001-12-14 | Canon Inc | スパッタリングによる成膜方法、及び該成膜方法を用いる光起電力素子の製造方法 |
| WO2011077653A1 (ja) * | 2009-12-25 | 2011-06-30 | キヤノンアネルバ株式会社 | 電子デバイスの製造方法、およびスパッタリング装置 |
| WO2012157202A1 (ja) * | 2011-05-13 | 2012-11-22 | シャープ株式会社 | 薄膜形成方法 |
| WO2017154774A1 (ja) * | 2016-03-08 | 2017-09-14 | 学校法人 芝浦工業大学 | 窒化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜の製造方法、および高耐圧部品 |
-
1998
- 1998-01-12 JP JP431298A patent/JPH11200032A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2346155A (en) * | 1999-01-06 | 2000-08-02 | Trikon Holdings Ltd | Sputtering apparatus |
| GB2346155B (en) * | 1999-01-06 | 2003-06-25 | Trikon Holdings Ltd | Sputtering apparatus |
| JP2001342555A (ja) * | 2000-06-01 | 2001-12-14 | Canon Inc | スパッタリングによる成膜方法、及び該成膜方法を用いる光起電力素子の製造方法 |
| WO2011077653A1 (ja) * | 2009-12-25 | 2011-06-30 | キヤノンアネルバ株式会社 | 電子デバイスの製造方法、およびスパッタリング装置 |
| JP5658170B2 (ja) * | 2009-12-25 | 2015-01-21 | キヤノンアネルバ株式会社 | スパッタリング方法およびスパッタリング装置 |
| US8992743B2 (en) | 2009-12-25 | 2015-03-31 | Canon Anelva Corporation | Sputtering method and sputtering apparatus |
| WO2012157202A1 (ja) * | 2011-05-13 | 2012-11-22 | シャープ株式会社 | 薄膜形成方法 |
| WO2017154774A1 (ja) * | 2016-03-08 | 2017-09-14 | 学校法人 芝浦工業大学 | 窒化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜の製造方法、および高耐圧部品 |
| JPWO2017154774A1 (ja) * | 2016-03-08 | 2019-01-10 | 学校法人 芝浦工業大学 | 窒化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜の製造方法、および高耐圧部品 |
| US11572275B2 (en) | 2016-03-08 | 2023-02-07 | Shibaura Institute Of Technology | Aluminum nitride film, method of manufacturing aluminum nitride film, and high withstand voltage component |
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