JP2009249655A - METHOD FOR FORMING Zn-CONTAINING COMPOSITE OXIDE FILM - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スパッタ法によるZn含有複合酸化物膜の成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a Zn-containing composite oxide film by sputtering.
有機ELディスプレイ等の各種ディスプレイや薄膜太陽電池、あるいは紫外線遮断特性、赤外線反射特性に優れたコーティング材料として、可視光透過率が高く、低抵抗な特性を有する透明導電膜が欠かせない。現在最も広く利用されている透明導電膜としては、金属酸化物膜が主であり、高い化学的安定性を有する酸化錫(SnO2)系、優れた電気的・光学的特性を誇る錫添加酸化インジウム(SnO2−In2O3、いわゆるITO)、最近ではITOに匹敵する優れた電気的・光学的特性を有し、かつ低コストで資源的にも豊富な酸化亜鉛(ZnO)系等の透明導電膜が知られている。 A transparent conductive film having high visible light transmittance and low resistance is indispensable as a coating material having various displays such as organic EL displays and thin film solar cells, or an ultraviolet blocking property and an infrared reflection property. Currently, the most widely used transparent conductive film is a metal oxide film, tin oxide (SnO2) having high chemical stability, and tin-doped indium oxide with excellent electrical and optical characteristics. (SnO2-In2O3, so-called ITO), recently, transparent conductive films such as zinc oxide (ZnO) based on excellent electrical and optical properties comparable to ITO, low cost and abundant resources It has been.
透明導電膜の成膜法としては、スパッタ法、スプレー法、常圧または減圧CVD法、蒸着法、電着法等種々の方法が知られている。中でもスパッタ法は、高真空中でプラズマ放電により生成される高エネルギーのプラズマイオンをターゲットに衝突させて、これにより放出させたターゲットの構成原子或いは粒子(以下、スパッタ粒子という。)を成膜基板の表面に堆積させることにより成膜する方法であり、密着性の高い成膜が可能、膜厚が成膜時間だけで高精度に制御可能、高融点原料でも成膜が可能、ターゲット原料の組成比を変えずに成膜が可能といった利点を有し、広く使用されている。 As a method for forming a transparent conductive film, various methods such as a sputtering method, a spray method, a normal pressure or reduced pressure CVD method, a vapor deposition method, and an electrodeposition method are known. In particular, in the sputtering method, high energy plasma ions generated by plasma discharge in a high vacuum are collided with a target, and the constituent atoms or particles (hereinafter referred to as sputtered particles) of the target released thereby are formed on the film formation substrate. The film can be deposited by depositing on the surface of the film, can be formed with high adhesion, the film thickness can be controlled with high precision only by the film formation time, can be formed even with a high melting point material, and the composition of the target material It has the advantage that it can be formed without changing the ratio, and is widely used.
しかしながら、上記の様な金属酸化物膜からなる透明導電膜を成膜する場合には、組成の制御が非常に難しいため、良質な透明導電膜を成膜する方法が望まれている。例えば、特許文献1および2では、透明導電膜の酸素欠損量を上手く制御することにより、良好な導電性、透明性、平滑性を有する透明導電膜が得られることが記載されている。
しかしながら、ZnO系透明導電膜のようなZn含有複合酸化物膜をスパッタ法により成膜する場合には、成膜された膜の組成比のうち蒸気圧が高くスパッタされやすいZnの割合が、ターゲット原料の組成比よりも低下してしまう(いわゆる、Zn抜け)という特有の問題がある。この現象は成膜基板の温度が高い場合には顕著に現れる。 However, when a Zn-containing composite oxide film such as a ZnO-based transparent conductive film is formed by sputtering, the ratio of Zn that has a high vapor pressure and is easily sputtered out of the composition ratio of the formed film is the target. There is a peculiar problem that the composition ratio of the raw material is lowered (so-called Zn loss). This phenomenon is prominent when the temperature of the deposition substrate is high.
これは、異なる成膜基板の温度で成膜した場合に、Zn含有複合酸化物膜の構造をばらつかせるだけでなく、膜質の低下をもたらす要因となる。 This causes not only the variation of the structure of the Zn-containing composite oxide film but also the deterioration of the film quality when films are formed at different film formation substrate temperatures.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、上記のようなZn抜けを抑制し、所望の組成比を有し良質なZn含有複合酸化物膜を成膜することが可能なZn含有複合酸化物膜の成膜方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and can suppress the above-described Zn loss and can form a high-quality Zn-containing composite oxide film having a desired composition ratio. An object of the present invention is to provide a method for forming an oxide film.
プラズマを用いる気相成長スパッタ法において、成膜される膜の特性を左右するファクターとしては、基板温度、基板の種類(基板の構造や表面エネルギー等が影響)、基板に先に成膜された膜があれば下地の組成、成膜圧力、雰囲気ガス中の酸素量、投入電力、基板/ターゲット間距離、プラズマ中の電子温度及び電子密度、プラズマ中の活性種密度及び活性種の寿命等が考えられる。本発明者は多々ある成膜ファクターの中で、成膜される膜の特性は、基板温度、およびプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)の2つのファクターに大きく依存することを見出し、これらのファクターを好適化することにより、良質な膜を成膜できることに注目し、本発明に至った。 In the vapor phase growth sputtering method using plasma, the factors that influence the characteristics of the film to be formed include the substrate temperature, the type of substrate (influenced by the structure and surface energy of the substrate), and the film formed on the substrate first. If there is a film, the composition of the substrate, the deposition pressure, the amount of oxygen in the atmospheric gas, the input power, the substrate / target distance, the electron temperature and electron density in the plasma, the active species density in the plasma and the lifetime of the active species, etc. Conceivable. Among the many film formation factors, the inventor of the present invention has characteristics of a film to be formed such that the substrate temperature and the potential difference Vs−Vf (V) between the plasma potential Vs (V) and the floating potential Vf (V) are two. The inventors have found that it depends greatly on two factors, and by focusing on these factors, attention has been paid to the fact that a high-quality film can be formed, leading to the present invention.
つまり、本発明のZn含有複合酸化物膜の成膜方法は、
プラズマを用いるスパッタ法により、ターゲットホルダ上のターゲットの構成材料を、ターゲットと離隔した位置にある成膜基板に成膜するZn含有複合酸化物膜の成膜方法において、
成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)を、成膜された膜中のZnが逆スパッタされる閾値以下となるように制御して膜を形成することを特徴とするものである。
That is, the method for forming a Zn-containing composite oxide film of the present invention is as follows.
In a method for forming a Zn-containing composite oxide film, in which a constituent material of a target on a target holder is formed on a deposition substrate located at a position separated from the target by sputtering using plasma,
The potential difference Vs−Vf (V) between the plasma potential Vs (V) in the plasma during film formation and the floating potential Vf (V) is set to be equal to or less than a threshold value at which Zn in the formed film is reverse sputtered. The film is formed by controlling.
また、成膜時のプラズマ中の「プラズマ電位Vs」および「フローティング電位Vf」とは、ラングミュアプローブを用い、シングルプローブ法により測定されたものを意味するものとする。フローティング電位Vfの測定は、プローブに成膜中の膜等が付着して誤差を含まないように、プローブの先端を成膜基板近傍(基板から約10mm)に配し、できる限り短時間で行うものとする。プラズマ電位Vsとフローティング電位Vfとの電位差Vs−Vf(V)は、そのまま電子温度(eV)に相互に変換することができる。電子温度1eV=11600K(Kは絶対温度)に相当する。 Further, “plasma potential Vs” and “floating potential Vf” in the plasma during film formation mean those measured by a single probe method using a Langmuir probe. The floating potential Vf is measured in the shortest possible time by placing the tip of the probe in the vicinity of the film formation substrate (about 10 mm from the substrate) so as not to include an error due to the film being deposited on the probe. Shall. The potential difference Vs−Vf (V) between the plasma potential Vs and the floating potential Vf can be directly converted into the electron temperature (eV). This corresponds to an electron temperature of 1 eV = 11600 K (K is an absolute temperature).
さらに、本発明によるZn含有複合酸化物膜の成膜方法において、ターゲットと略同一組成の膜を成膜することが好ましく、電位差Vs−Vfの制御は、成膜ガスの通過のための間隙を空けて積層され、かつ数の変更が可能な複数のシールド層からなるシールドによって、ターゲットホルダの成膜基板側の外周を取囲み、複数のシールド層の数を変更することにより行うことが好ましい。 Furthermore, in the method for forming a Zn-containing composite oxide film according to the present invention, it is preferable to form a film having substantially the same composition as the target, and the potential difference Vs−Vf is controlled by setting a gap for the passage of the film forming gas. It is preferable to surround the outer periphery of the target holder on the film formation substrate side with a shield composed of a plurality of shield layers that are stacked and change in number, and the number of the plurality of shield layers is changed.
ここで、「略同一組成」とは、最もスパッタされにくいZn以外の金属元素に対するZnの成膜された膜中の組成比と、ターゲット中のこの組成比との差が、3%以内であることを意味する。 Here, “substantially the same composition” means that the difference between the composition ratio in the film of Zn with respect to the metal element other than Zn that is most difficult to be sputtered and the composition ratio in the target is within 3%. Means that.
そして、電位差Vs−Vfは30V以下に制御することが好ましく、この場合20V以下に制御することがより好ましい。 The potential difference Vs−Vf is preferably controlled to 30 V or less, and more preferably 20 V or less in this case.
また、Zn含有複合酸化物膜を成膜する際の成膜基板の基板温度は、100℃以上500℃以下であっても適用することが可能である。 Further, the present invention can be applied even when the substrate temperature of the deposition substrate in forming the Zn-containing composite oxide film is 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
さらに、Zn含有複合酸化物膜は、In及び/又はGaを含むものであることが好ましく、透明導電膜であることがより好ましい。 Furthermore, the Zn-containing composite oxide film preferably contains In and / or Ga, and more preferably a transparent conductive film.
ここで、「基板温度」とは、成膜基板の中心の表面温度を意味するものとする。 Here, the “substrate temperature” means the surface temperature at the center of the film formation substrate.
また、「透明導電膜」とは、表面反射率を抜いた光の透過率が70%以上で、かつ抵抗率が1Ω・cm以下の膜を意味するものとする。 The “transparent conductive film” means a film having a light transmittance of 70% or more and a resistivity of 1 Ω · cm or less excluding the surface reflectance.
特開2004−197178号公報には、スパッタリング法にて、プラズマ電位Vsとフローティング電位Vfとの電位差を0V超20V以下に制御して透明導電膜をプラスチックフィルム上に成膜する透明導電性フィルムの製造方法が開示されており、透明導電膜としてZn含有複合酸化物膜が挙げられている。従って、Vs−Vf値を制御してZn複合酸化物膜を成膜することは公知である。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-197178 discloses a transparent conductive film in which a transparent conductive film is formed on a plastic film by controlling a potential difference between a plasma potential Vs and a floating potential Vf to more than 0 V and not more than 20 V by a sputtering method. A manufacturing method is disclosed, and a Zn-containing composite oxide film is cited as a transparent conductive film. Therefore, it is known to form a Zn composite oxide film by controlling the Vs−Vf value.
しかしながら、特開2004−197178では、一般的な透明導電膜の耐摩耗性を向上させることを目的としており、耐摩耗性を向上させるために結晶成長を阻害しないVs−Vf値を見いだしたものである。これに対し、本発明では、成膜された膜のZn抜けを抑制して、所望の組成のZn含有複合酸化物膜を再現性よく成膜することを可能としたものである。特開2004−197178では、Zn含有複合酸化物膜以外の透明導電膜を対象としているため、Zn含有複合酸化物膜特有のZn抜けの抑制については課題として存在し得ないものであり、記載も示唆も一切ない。従って、本発明のZn含有複合酸化物膜の製造方法は、特開2004−197178号公報から容易に発明し得たものではない。 However, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-197178 aims to improve the wear resistance of a general transparent conductive film, and has found a Vs-Vf value that does not inhibit crystal growth in order to improve the wear resistance. is there. In contrast, according to the present invention, it is possible to form a Zn-containing composite oxide film having a desired composition with good reproducibility by suppressing Zn loss from the formed film. In JP-A-2004-197178, since a transparent conductive film other than a Zn-containing composite oxide film is targeted, suppression of Zn loss peculiar to a Zn-containing composite oxide film cannot exist as a problem, and is also described There is no suggestion. Therefore, the method for producing a Zn-containing composite oxide film of the present invention has not been easily invented from Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-197178.
本発明のZn含有複合酸化物膜の成膜方法では、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)を、成膜された膜中のZnが逆スパッタされる閾値以下に制御している。これにより、プラズマイオンおよびスパッタ粒子の運動エネルギーを制御することができ、蒸気圧が高くスパッタされやすいZnの逆スパッタを抑制することができる。この結果、Zn抜けを抑えて所望の組成比を有し良質なZn含有複合酸化物膜を成膜することが可能となる。 In the method for forming a Zn-containing composite oxide film according to the present invention, a potential difference Vs−Vf (V) between a plasma potential Vs (V) and a floating potential Vf (V) in plasma during film formation was formed. It is controlled below the threshold at which Zn in the film is reverse sputtered. Thereby, the kinetic energy of plasma ions and sputtered particles can be controlled, and reverse sputtering of Zn that has a high vapor pressure and is easily sputtered can be suppressed. As a result, it is possible to form a high-quality Zn-containing composite oxide film having a desired composition ratio while suppressing the loss of Zn.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。 Hereinafter, although an embodiment of the present invention is described using a drawing, the present invention is not limited to this.
「Zn含有複合酸化物膜の成膜方法」
本発明のZn含有複合酸化物膜の成膜方法は、プラズマを用いるスパッタ法により、ターゲットホルダ上のターゲットの構成材料を、ターゲットと離隔した位置にある成膜基板に成膜するZn含有複合酸化物膜の成膜方法において、
成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)を、成膜された膜中のZnが逆スパッタされる閾値以下に制御して膜を形成することを特徴とするものである。
"Method for forming Zn-containing composite oxide film"
The Zn-containing composite oxide film forming method of the present invention is a Zn-containing composite oxide film in which a constituent material of a target on a target holder is formed on a deposition substrate at a position separated from the target by sputtering using plasma. In the method of forming a physical film,
The potential difference Vs−Vf (V) between the plasma potential Vs (V) in the plasma during film formation and the floating potential Vf (V) is controlled to be equal to or lower than the threshold value at which Zn in the formed film is reverse sputtered. A film is formed.
「背景技術」の項目において、Zn含有複合酸化物膜をスパッタ法により成膜する場合には、成膜された膜の組成比のうちZnの割合が、ターゲットの組成比よりも低下する、いわゆるZn抜けを生じ易いことを述べた。これは、蒸気圧が高くスパッタされやすいZnが、成膜された膜表面においてスパッタされること(逆スパッタ)によるものである。成膜された膜表面においてZnが抜けることにより、膜組成及び膜表面状態が変化するため、良質な膜を得ることが難しくなり、従って良好な膜特性を得ることが難しくなる。本発明では、Vs−Vf(V)を、成膜された膜中のZnが逆スパッタされる閾値以下に制御することにより、Zn抜けを抑制してZn含有複合酸化物膜を成膜する。 In the case of “Background Art”, when a Zn-containing composite oxide film is formed by sputtering, the proportion of Zn in the composition ratio of the formed film is lower than the composition ratio of the target. It has been stated that Zn loss is likely to occur. This is because Zn which has a high vapor pressure and is easily sputtered is sputtered on the surface of the formed film (reverse sputtering). When Zn is released on the film surface, the film composition and the film surface state change, so that it is difficult to obtain a good film, and therefore, it is difficult to obtain good film characteristics. In the present invention, by controlling Vs−Vf (V) to be equal to or less than a threshold value at which Zn in the formed film is reversely sputtered, a Zn-containing composite oxide film is formed while suppressing Zn loss.
スパッタ法により成膜する場合、逆スパッタの閾値は物質によって異なるが、概ね15V〜30V程度である。Zn含有複合酸化物膜が逆スパッタされる電位差Vs−Vf(V)を考慮すると、Vs−Vfは30V以下であることが好ましく、20V以下であることがより好ましい。Vs−Vf値を20V以下とした場合は、Zn抜けがほとんどない、ターゲットと略同一組成の膜を得ることができる。 When the film is formed by the sputtering method, the threshold value for reverse sputtering varies depending on the substance, but is about 15V to 30V. Considering the potential difference Vs−Vf (V) at which the Zn-containing composite oxide film is reverse sputtered, Vs−Vf is preferably 30 V or less, and more preferably 20 V or less. When the Vs-Vf value is 20 V or less, a film having almost the same composition as the target with almost no Zn loss can be obtained.
また、本発明の成膜方法において、基板温度は特に制限されず、Znがより抜けやすい高温での成膜においてもZn抜けを効果的に抑制することができる。例えば、基板温度が100℃以上500℃以下の高温成膜にも適用することができる。デバイスとしての製造プロセスを考慮した場合、基板温度は他の膜を成膜するときの成膜温度(成膜炉内の温度、基板温度等)と近い方が好ましいとされている。そのため、例えば300℃程度の高温成膜が必要な膜を同時に備えるデバイスにZn複合酸化物膜を成膜する場合にも、Zn抜けを抑制して成膜することが可能である。 Further, in the film forming method of the present invention, the substrate temperature is not particularly limited, and Zn can be effectively suppressed even in film formation at a high temperature at which Zn is more easily released. For example, the present invention can be applied to high-temperature film formation where the substrate temperature is 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. In consideration of the manufacturing process as a device, the substrate temperature is preferably close to the film formation temperature (temperature in the film formation furnace, substrate temperature, etc.) when forming another film. Therefore, for example, when a Zn composite oxide film is formed on a device that simultaneously includes a film that needs to be formed at a high temperature of about 300 ° C., it is possible to form the film while suppressing the loss of Zn.
本発明の成膜方法は、Zn含有複合酸化物膜において、成膜時のZn抜けを抑制して良質な膜を成膜するものであるので、Znを含む複合酸化物からなる全ての膜(不可避不純物を含んでもよい)に適用可能である。例えば、Zn含有複合酸化物膜としては、下記一般式で表されるZnIn2O4やInGaZnO4(IGZO)等のホモロガス化合物等が挙げられる。
一般式: ZnxMyInzO(x+3y/2+3z/2−d)
(式中、M はIn,Fe,Ga,Alからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、x,y,zは0超の実数、dは酸素欠損量であり0≦d≦(x+3y/2+3z/2)/10を満たすものである。)
Since the film-forming method of the present invention forms a high-quality film by suppressing the loss of Zn during film formation in the Zn-containing composite oxide film, all films made of composite oxide containing Zn ( (It may contain inevitable impurities). For example, examples of the Zn-containing composite oxide film include homologous compounds such as ZnIn 2 O 4 and InGaZnO 4 (IGZO) represented by the following general formula.
General formula: Zn x M y In z O (x + 3y / 2 + 3z / 2-d)
(Wherein M is at least one element selected from the group consisting of In, Fe, Ga, and Al, x, y, and z are real numbers greater than 0, d is the amount of oxygen deficiency, and 0 ≦ d ≦ (x + 3y / (2 + 3z / 2) / 10)
また、Zn含有複合酸化物膜は、透明導電膜であることが好ましく、これにより透明薄膜トランジスタ等の透明電子デバイスへの応用が可能となる。 The Zn-containing composite oxide film is preferably a transparent conductive film, which enables application to transparent electronic devices such as transparent thin film transistors.
本発明において、上記の成膜条件となるようにプラズマ空間電位を調整できればスパッタリング装置は特に制限されないが、本出願人が先に出願している特願2006-263981号(本件出願時において未公開)に記載のスパッタ成膜装置を用いることにより、簡易な方法でプラズマ空間電位を調整することができる。このスパッタ成膜装置は、ターゲットを保持するターゲットホルダの成膜基板側の外周を取囲むシールドを備え、シールドの存在によって、プラズマ空間の電位状態を調整するものである。 In the present invention, the sputtering apparatus is not particularly limited as long as the plasma space potential can be adjusted so as to satisfy the above film forming conditions. However, Japanese Patent Application No. 2006-263881 filed earlier by the present applicant (not disclosed at the time of the present application). ), The plasma space potential can be adjusted by a simple method. This sputtering film forming apparatus includes a shield that surrounds the outer periphery of the target holder that holds the target on the film forming substrate side, and adjusts the potential state of the plasma space by the presence of the shield.
以下に、特願2006-263981号に記載の成膜装置を用いる場合を例に本発明によるZn含有複合酸化物膜の成膜方法の実施形態について説明する。
図1Aは、本実施形態のZn含有複合酸化物膜の成膜方法に用いるスパッタ成膜装置の概略断面図であり、図1Bは成膜中の様子を模式的に示す図である。
Hereinafter, an embodiment of a method for forming a Zn-containing composite oxide film according to the present invention will be described by taking as an example the case of using the film forming apparatus described in Japanese Patent Application No. 2006-263881.
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a sputtering film forming apparatus used in the method for forming a Zn-containing composite oxide film of the present embodiment, and FIG. 1B is a diagram schematically showing a state during film formation.
図1Aに示すように、スパッタ成膜装置200は、成膜基板Bを保持すると共に成膜基板Bを所定温度に加熱することができる静電チャック等の基板ホルダ11と、プラズマを発生させるプラズマ電極(カソード電極)12とが内部に備えられた真空容器210から概略構成されている。なお、このプラズマ電極12は、ターゲットTを保持するターゲットホルダに相当する。
As shown in FIG. 1A, a
基板ホルダ11とプラズマ電極12とは互いに対向するように離間配置され、プラズマ電極12上に成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットTが装着されるようになっている。プラズマ電極12は高周波電源13に接続されている。なお、プラズマ電極12と高周波電源13をプラズマ生成部という。本実施形態におけるスパッタ成膜装置には、ターゲットTの成膜基板B側の外周を取囲むシールド250が備えられている。なお、この構成は、ターゲットTを保持するプラズマ電極12すなわちターゲットホルダの成膜基板側の外周を取囲むシールド250が備えられているということもできる。
The
本実施形態において、成膜基板Bは特に制限されず、Si基板、ガラス基板、各種フレキシブル基板等、用途に応じて選択すればよい。フレキシブル基板の場合は、成膜温度を基板の耐熱温度以下とする必要がある。例えばフレキシブル基板として、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリカーボネート誘導体(帝人(株):WRF)、セルロース誘導体(セルローストリアセテート、セルロースジアセテート)、ポリオレフィン系樹脂(日本ゼオン(株):ゼオノア、ゼオネックス)、ポリサルホン系樹脂(ポリエーテルサルホン)ノルボルネン系樹脂(JSR(株): アートン)、ポリエステル系樹脂(PET、PEN)、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアリレート系樹、ポリエーテルケトン等を挙げることができる。 In the present embodiment, the film formation substrate B is not particularly limited, and may be selected according to applications such as a Si substrate, a glass substrate, and various flexible substrates. In the case of a flexible substrate, the film forming temperature needs to be lower than the heat resistant temperature of the substrate. For example, as a flexible substrate, polyvinyl alcohol resin, polycarbonate derivative (Teijin Limited: WRF), cellulose derivative (cellulose triacetate, cellulose diacetate), polyolefin resin (Nippon Zeon Co., Ltd .: ZEONOR, ZEONEX), polysulfone resin (Polyethersulfone) Norbornene resin (JSR Co., Ltd .: Arton), polyester resin (PET, PEN), polyimide resin, polyamide resin, polyarylate tree, polyether ketone and the like.
ターゲットTは、成膜するZn含有複合酸化物膜の全ての構成元素を含むものであれば特に制限されず、複合酸化物を構成するそれぞれの酸化物を混合して焼成したターゲット等を用いればよい。例えば、IGZOを成膜する場合は、ZnO、Ga2O3、In2O3の粉末を混合し、1250℃で焼成したもの等を用いることができる。 The target T is not particularly limited as long as it includes all the constituent elements of the Zn-containing composite oxide film to be formed. If a target obtained by mixing and firing each oxide constituting the composite oxide is used. Good. For example, in the case of forming an IGZO film, ZnO, Ga 2 O 3 , In 2 O 3 powder mixed and baked at 1250 ° C. can be used.
真空容器210には、真空容器210内に成膜に必要な成膜ガスGを導入するガス導入管214と、真空容器210内の成膜ガスGの排気Vを行うガス排出管15とが取り付けられている。また、成膜ガスGを導入するガス導入口214は、ガス排出管15と反対側に、シールド250と同じ位の高さに設けられている。
The
成膜ガスGとしては、Ar、又はAr/O2混合ガス等が使用される。図1Bに模式的に示すように、プラズマ電極12の放電により真空容器210内に導入された成膜ガスGがプラズマ化され、Arイオン等のプラスイオンIpが生成する。生成したプラスイオンIpはターゲットTをスパッタする。プラスイオンIpにスパッタされたターゲットTの構成原子或いは粒子(スパッタ粒子)Tpは、ターゲットから放出され中性あるいはイオン化された状態で成膜基板Bに蒸着される。図中、符号Pがプラズマ空間を示している。
As the film forming gas G, Ar, Ar / O 2 mixed gas, or the like is used. As schematically shown in FIG. 1B, the film-forming gas G introduced into the
プラズマ空間Pの電位は、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)となる。通常、成膜基板Bは絶縁体であり、かつ、電気的にアースから絶縁されている。したがって、成膜基板Bはフローティング状態にあり、その電位はフローティング電位Vf(V)となる。このプラズマ空間Pの電位と成膜基板Bの電位との電位差Vs−Vf(V)の加速電圧により、ターゲットTと成膜基板Bとの間にあるスパッタ粒子Tpは、運動エネルギーを得て成膜中の成膜基板Bに衝突し、Zn含有複合酸化物膜として堆積する。下記式に示すように、一般に運動エネルギーEは温度Tの関数で表されるので、成膜基板Bに対して、Vs−Vfは温度と同様の効果を持つと考えられる。
E=1/2mv2=3/2kT
(式中、mは質量、vは速度、kは定数、Tは絶対温度である。)
さらにVs−Vfは、温度と同様の効果以外にも、表面マイグレーションの促進効果、弱結合部分のエッチング効果などの効果を持つと考えられる。
The potential of the plasma space P becomes the plasma potential Vs (V) in the plasma during film formation. Usually, the film formation substrate B is an insulator and is electrically insulated from the ground. Therefore, the film formation substrate B is in a floating state, and the potential thereof is a floating potential Vf (V). Due to the acceleration voltage of the potential difference Vs−Vf (V) between the potential of the plasma space P and the film formation substrate B, the sputtered particles Tp between the target T and the film formation substrate B obtain kinetic energy and form. It collides with the film formation substrate B in the film, and is deposited as a Zn-containing composite oxide film. Since the kinetic energy E is generally expressed as a function of the temperature T as shown in the following equation, Vs−Vf is considered to have the same effect as the temperature on the film formation substrate B.
E = 1 / 2mv 2 = 3 / 2kT
(Where m is mass, v is velocity, k is a constant, and T is absolute temperature.)
Further, Vs−Vf is considered to have effects such as the effect of promoting surface migration and the effect of etching weakly bonded portions in addition to the same effect as temperature.
プラズマ電位Vsおよびフローティング電位Vfは、ラングミュアプローブを用いて測定することができる。プラズマP中にラングミュアプローブの先端を挿入し、プローブに印加する電圧を変化させると、例えば図3に示すような電流電圧特性が得られる(小沼光晴著、「プラズマと成膜の基礎」p.90、日刊工業新聞社発行)。この図で電流値が0となるプローブ電位がフローティング電位Vfである。この状態は、プローブ表面へのイオン電流と電子電流の流入量が等しくなる点である。絶縁状態にある金属の表面や成膜基板B表面はこの電位になっている。プローブ電圧をフローティング電位Vfより高くしていくと、イオン電流は次第に減少し、プローブに到達するのは電子電流だけとなる。この境界の電圧がプラズマ電位Vsである。 The plasma potential Vs and the floating potential Vf can be measured using a Langmuir probe. When the tip of a Langmuir probe is inserted into the plasma P and the voltage applied to the probe is changed, for example, current-voltage characteristics as shown in FIG. 3 can be obtained (Mitsuharu Onuma, “Plasma and Film Formation Fundamentals” p. 90, published by Nikkan Kogyo Shimbun). In this figure, the probe potential at which the current value is 0 is the floating potential Vf. This state is that the ion current and the electron current flow into the probe surface become equal. The surface of the metal in an insulating state and the surface of the film formation substrate B are at this potential. As the probe voltage is made higher than the floating potential Vf, the ionic current gradually decreases, and only the electron current reaches the probe. The voltage at this boundary is the plasma potential Vs.
図1Aの真空容器210は、さらにターゲットTの成膜基板B側の外周を取囲むシールド250が配置されている。
1A is further provided with a
このシールド250は、真空容器210の底面210aに、プラズマ電極12を囲むように立設されたアースシールドすなわち接地部材202上に、ターゲットTの成膜基板B側の外周を取り囲むように配置されている。これにより、シールド250は接地部材202に導通されてアースされ、接地電位が形成される。
The
接地部材202は、プラズマ電極12から側方或いは下方に向けて真空容器210に放電しないようにするためのものである。
The
シールド250は、一例として図1Aおよび図2に示すような複数の円環状金属板すなわちリング(シールド層)250aから構成されている。これらのリング250aは、図示する例では4枚使用されており、各リング250aの間に導電性のスペーサ250bが配置されている(図2)。
As an example, the
リング250aは、単にスペーサ250bを介して、シールド層として積み重ねているので、リング250aを取り外して枚数を変更することができる。また、シールド250の最下端のリング250aは、ターゲットTの外周から離隔しているが、このターゲットTとシールド250との間の離隔した直線距離は、ゼロであると、放電が生じなくなり、遠すぎるとシールドの効果が少なくなるため、効率よく効果を得るためには1mmから30mm程度離隔していることが望ましい。
Since the
スペーサ250bは、リング250aの円周方向に間隔をおいて複数個配置され、スペーサ250b同士の間に成膜ガスGが流れ易くなるように間隙204を形成している。スペーサ250bは、この観点から接地部材202とその直上に載置されるリング250aとの間にも配置されることが望ましい。
A plurality of
リング250aおよびスペーサ250bの材質は、特に制限なくSUS(ステンレス)等が好ましい。
The material of the
シールド250の外周側に、複数のリング250aを電気的に導通させる導通部材を取り付ける構成としてもよい。シールド250のリング250a同士は、導電性のスペーサ250bにより導通されており、それだけでもアースを取ることができるが、外周側に別途導通部材を取り付けることで、複数のリング250aのアースを取りやすくなる。
It is good also as a structure which attaches the conduction | electrical_connection member which electrically connects the some
なお、上記のシールド250は、スペーサ250bにより間隙204を形成するように、上下方向に配置された複数のリング250aにより構成されているが、これは以下のような2つの利点がある。
The
1つはシールド250のシールド機能を長時間維持することができる点である。
One is that the shield function of the
ターゲットTから放出されたスパッタ粒子Tpは、成膜基板Bに付着するとともに、ターゲットTの周囲にあるシールド250のリング250aにも付着する。最も付着する量が多いのは、リング250aのターゲットTに面した内周のエッジ251とその近傍である。この状態を図2に示してある。図2に示すように、リング250aの内周のエッジ251と、その近傍のリング250aの上面および下面にはスパッタ粒子Tpが付着して膜253が形成される。この膜253が、各リング250aの全面に形成されると、シールド250の接地電位としての機能が損なわれるので、シールド250はできるだけ膜253が付着しにくいように構成することが好ましい。
The sputtered particles Tp emitted from the target T adhere to the deposition substrate B and also to the
そこで、シールド250に間隙204を形成することにより、スパッタ粒子Tpが、シールド250全体に付着して、その電位状態が変わることが防止される。従って、シールド250は、繰り返し成膜を行っても安定的に機能し、プラズマ電位Vsとフローティング電位Vfとの電位差Vs-Vfが安定して維持される。
Therefore, by forming the
特に、シールド層である各リング250aの幅(すなわち、リング250aの外径から内径を引いた長さであり、これが積層方向と直交するシールド250の壁材の厚さとなる。)Lと、シールド層間の距離(すなわち、積層方向に互いに隣接するリング250a間の距離)Sが、L>Sの関係にあることが好ましい。これにより、リング250a間の距離Sに対して厚みLを所定の範囲内に広がり、膜253がリング250a全体に付着しにくいようにする効果がある。すなわち、リング250aの奥行きを広くすることにより、スパッタ粒子Tpが間隙204の外周側まで進入しにくくなり、シールド250が短期間で機能しなくなるということを防止できる。
In particular, the width of each
そしてもう1つは、間隙204が成膜ガスGの通路としての役割を果たす点である。これにより、成膜ガスGがシールド250の間隙204を通過してターゲットT近傍のプラズマ空間P内に到達しやすくなる。したがって、ターゲットT近傍でプラズマ化されたガスイオンがターゲットTに容易に到達でき、スパッタ粒子Tpを効果的に放出させることができる。その結果、所望の特性を有する良質な膜を安定的に成膜することができる。
The other is that the
上記のスパッタ成膜装置200を用いる場合、本発明のZn含有複合酸化物膜の成膜方法は、真空容器210の内部を真空排気した後成膜ガスGを導入し、真空容器210の内部に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)を、成膜された膜中のZnが逆スパッタされる閾値以下となるように制御しながら、プラズマによってイオン化された成膜ガスG(プラズマイオン)を電位差Vs−Vfの高電圧により加速させてターゲットTをスパッタし、そしてターゲットTからたたき出されたスパッタ粒子Tpを成膜基板Bに堆積させることにより膜を形成するものである。
In the case of using the
本実施形態では、ターゲットホルダ12の成膜基板B側の外周を取囲み、成膜ガスGが通過する間隙204を有する上記構成のシールド250によって、プラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差であるVs−Vf(V)を調整および好適化している。これは、リング250aの枚数が多くなり、シールド250全体の高さが高くなる程、電位差Vs−Vfが低下する傾向にあることを利用している。
In the present embodiment, the plasma potential Vs (V) and the floating potential Vf (V) are surrounded by the
詳細は後述するが、その傾向を示す図が図4である(後記実施例1を参照)。これより、リング250aの枚数が増えるにつれ電位差Vs−Vfが低下していることがわかる。これは、シールド250全体の高さが高くなる程、シールド250とターゲットT間の放電が強くなるため、電位差Vs−Vfが低下するものと考えられる。さらには、これは、シールド250がアースされているので、シールド250によりプラズマの広がりが抑えられ、結果的にプラズマ電位Vsとフローティング電位Vfの電位差Vs−Vfを低下させることができると考えられる。
Although details will be described later, FIG. 4 shows the tendency (see Example 1 described later). This shows that the potential difference Vs−Vf decreases as the number of
図4より、リング250aの枚数を0〜8枚の間で変更することにより、電位差Vs−Vfを約45〜20Vの間で制御可能であることがわかる。上記したように、本発明では、Vs−Vf値をZnが逆スパッタされる閾値以下に制御する。従って、Vs−Vf値がZnの逆スパッタされる閾値以下となるようにリング250aの枚数を変化させればよい。
FIG. 4 shows that the potential difference Vs−Vf can be controlled between about 45 and 20 V by changing the number of
成膜基板Bに成膜するために、プラズマ電極12に高周波電源13の電圧を印加すると、プラズマがターゲットTの上方に生成されるとともに、シールド250とターゲットTの間にも放電が生じる。この放電によって、プラズマが、シールド250内に閉じ込められて、プラズマ電位Vsが低下し、電位差Vs−Vf(V)が低下すると考えられる。
When a voltage of the high
そして上記の結果によって、電位差Vs−Vfを低下させることによりZn抜けを抑制することができる。 And according to said result, Zn omission can be suppressed by reducing potential difference Vs-Vf.
例えば、IGZOの膜を成膜する場合を考える。ある条件でのInとZnのスパッタ率は、Inが0.8、Znが2.0である。ここでスパッタ率とは、入射イオンの数とそれによってスパッタされた原子数との比で定義されるものであり、その単位は(atoms/ion)である。つまり、Inに比してZnは2倍以上スパッタされやすいということを意味している。 For example, consider a case where an IGZO film is formed. The sputtering rate of In and Zn under certain conditions is 0.8 for In and 2.0 for Zn. Here, the sputtering rate is defined by the ratio of the number of incident ions and the number of atoms sputtered thereby, and the unit is (atoms / ion). In other words, Zn is more likely to be sputtered twice or more than In.
IGZOを成膜する際に、ターゲットとしてInZnGaO4を用いたときには、均質なターゲットであれば、ターゲットにおいてはZnのみが優先的にスパッタされることなく、ほぼ同じ組成でスパッタされる。これは、仮にある瞬間ではZnが優先的にスパッタされたとしても、このときターゲット表面ではZnが欠乏してしまうため、次の瞬間にはその他のターゲット組成のものがスパッタされるためである。一方膜表面では、膜の堆積と既に堆積した膜中の構成材料の逆スパッタとが同時に起こり得る。このとき、電位差Vs−Vfが高い、すなわちスパッタ粒子の成膜基板に衝突する運動エネルギーが大きければ、スパッタ率の高いZnがスパッタ粒子の衝突により逆スパッタされ成膜基板表面からたたき出されてしまう。つまり、これがZn抜けの要因となる。したがって、電位差Vs−Vfを低下させることにより、スパッタ粒子の成膜基板に衝突する際の運動エネルギーを減少させ、成膜基板表面におけるZnの逆スパッタを抑制することにより、Zn抜けを抑制することができるのである。 When InZnGaO 4 is used as a target when depositing IGZO, if the target is a homogeneous target, only Zn is sputtered with substantially the same composition without being preferentially sputtered on the target. This is because even if Zn is preferentially sputtered at a certain moment, Zn is deficient on the target surface at this time, and the other target composition is sputtered at the next moment. On the other hand, on the film surface, film deposition and reverse sputtering of constituent materials in the already deposited film can occur simultaneously. At this time, if the potential difference Vs−Vf is high, that is, if the kinetic energy of the sputtered particles colliding with the film formation substrate is large, Zn having a high sputtering rate is reverse sputtered by the collision of the sputtered particles and knocked out from the surface of the film formation substrate. . That is, this becomes a factor of Zn loss. Therefore, by reducing the potential difference Vs−Vf, the kinetic energy when the sputtered particles collide with the film formation substrate is reduced, and by suppressing the reverse sputtering of Zn on the film formation substrate surface, Zn escape is suppressed. Can do it.
なお、電位差Vs−Vfは、ターゲット投入電力や成膜圧力等を変えることでも調整できる。しかしながら、ターゲット投入電力や成膜圧力等を変えて電位差Vs−Vfを制御する場合には、成膜速度等の他のパラメータまで変わってしまい、所望の膜質が得られなくなるおそれがある。本発明者がある条件で実験したところ、ターゲット投入電力を700Wから300Wに変えると、電位差Vs−Vfを38Vから25Vに低減できることができるが、成膜速度が4μm/hから2μm/hに低下してしまった。本実施形態のスパッタ成膜装置200では、成膜速度等の他のパラメータを変えることなく、電位差Vs−Vfを調整することができるので、成膜条件を好適化しやすく、良質な膜を安定的に成膜することができる。
The potential difference Vs−Vf can also be adjusted by changing the target input power, the film forming pressure, and the like. However, when the potential difference Vs−Vf is controlled by changing the target input power, the film forming pressure, or the like, other parameters such as the film forming speed may change, and the desired film quality may not be obtained. When the present inventor conducted an experiment under certain conditions, the potential difference Vs−Vf can be reduced from 38 V to 25 V when the target input power is changed from 700 W to 300 W, but the film formation speed is reduced from 4 μm / h to 2 μm / h. have done. In the
以上により、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)を、成膜された膜中のZnが逆スパッタされる閾値以下となるように制御し、プラズマイオンおよびスパッタ粒子の運動エネルギーを制御することで、スパッタ率の高いZnの逆スパッタを抑制することができる。この結果、Zn抜けを抑えて所望の組成比を有し良質なZn含有複合酸化物膜を成膜することが可能となる。 As described above, the potential difference Vs−Vf (V) between the plasma potential Vs (V) in the plasma at the time of film formation and the floating potential Vf (V) is set to be equal to or lower than the threshold value at which Zn in the formed film is reverse sputtered. By controlling so that the kinetic energy of plasma ions and sputtered particles is controlled, reverse sputtering of Zn having a high sputtering rate can be suppressed. As a result, it is possible to form a high-quality Zn-containing composite oxide film having a desired composition ratio while suppressing the loss of Zn.
<実施例1>
図1Aのように市販のスパッタ成膜装置200を用意し、120mmφのターゲットTの側方に、内径130mmφ、外径180mmφ、厚さ1mmのステンレス鋼(SUS)製のリング250aを0、1、2、5、8枚とそれぞれ接地電位にして設置し、リング250aの各枚数に対するプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)の値を測定した。
<Example 1>
As shown in FIG. 1A, a commercially available
各リング250aは、直径10mmφ、厚さ5mmの柱状の導電性のスペーサ250bを介して積層した。スペーサ250bは、リング250aのサイズに比して十分小さいので、真空容器210内に導入された成膜ガスGが、スペーサ250bに影響されずに、リング250aの間隙204を通過してターゲットTに容易に到達することができる。
Each
ターゲットTとして、In:Zn:Ga(モル比)=1.0:1.0:1.0の酸化物焼結体を用い、成膜基板Bは熱酸化膜付のSiウェハを用いた。成膜基板BとターゲットTの間の距離は12mmとし、真空度0.4Pa、Ar/O2混合雰囲気(O2体積分率2.5%)の条件下で、高周波電源に700Wを印加した。以上の条件で電位差Vs−Vfを測定したところ、図4のようになった。
An oxide sintered body of In: Zn: Ga (molar ratio) = 1.0: 1.0: 1.0 was used as the target T, and a Si wafer with a thermal oxide film was used as the deposition substrate B. The distance between the film formation substrate B and the target T was 12 mm, and 700 W was applied to the high-frequency power source under the conditions of a vacuum degree of 0.4 Pa and an Ar /
リング250aがない状態では電位差Vs−Vf=43Vであった。しかしながら、リング250aの枚数を、1枚、2枚と増やすに従い電位差が低下し、2枚ではVs−Vf=33V、5枚ではVs−Vf=22V、8枚ではVs−Vf=20Vとなった。このようにリング250aの枚数を増加させると電位差Vs−Vfは低下し、リング250aの枚数を変えることで電位差Vs−Vfを制御できることが示された。
In the state without the
そこで、リング250aの枚数を8枚として電位差Vs−Vf=20Vとし、常温から300℃まで基板温度を変化させ、それぞれの基板温度で成膜したときに得られたZn含有複合酸化物膜の組成比を調べた。その結果が図5であり、組成比はIn2O3に対するZnOの割合で表している。なお、組成比は蛍光X線分析(XRF)装置によって測定したものである。
Therefore, the composition of the Zn-containing composite oxide film obtained when the number of
図5より、得られた膜中のIn2O3に対するZnOの組成が、基板温度に関わらず1.00〜1.03の範囲であるため、Zn抜けがほとんどない、すなわちターゲットと略同一組成のZn含有複合酸化物膜が形成されていることがわかる。 From FIG. 5, since the composition of ZnO with respect to In 2 O 3 in the obtained film is in the range of 1.00 to 1.03 regardless of the substrate temperature, there is almost no loss of Zn, that is, almost the same composition as the target. It can be seen that a Zn-containing composite oxide film is formed.
また、リングを用いずVs−Vf=43Vの場合のデータも同時に載せている。なお、このときのGaの組成比は一定であった。 In addition, data in the case of Vs−Vf = 43V without using a ring is also shown. At this time, the composition ratio of Ga was constant.
<実施例2>
リング250aの枚数を2枚としてVs−Vf=33Vとした以外は実施例1と同じ条件で測定を行った。その結果が図6であり、組成比はIn2O3に対するZnOの割合で表している。また、リングを用いずVs−Vf=43Vの場合のデータも同時に載せている。なお、このときのGaの組成比は一定であった。
<Example 2>
Measurement was performed under the same conditions as in Example 1 except that the number of
これらの実施例より、Vs−Vf=20Vの場合は、Vs−Vf=43Vの場合に比べてIn2O3に対するZnOの割合が変化せず、Zn抜けが抑制されていることがわかる。さらに、その割合がほぼ安定して1.0であることから、ターゲット原料の組成比を変えずに成膜できていることもわかる。また図7は、この場合の基板温度とZn含有複合酸化物膜の表面抵抗の関係を示すものである。これから、リング250aを用いて電位差Vs−Vfを制御することにより、膜の特性のばらつきも抑えることができるとわかる。
From these examples, it can be seen that in the case of Vs−Vf = 20V, the ratio of ZnO to In 2 O 3 does not change compared to the case of Vs−Vf = 43V, and Zn loss is suppressed. Furthermore, since the ratio is almost stably 1.0, it can be seen that the film can be formed without changing the composition ratio of the target raw material. FIG. 7 shows the relationship between the substrate temperature and the surface resistance of the Zn-containing composite oxide film in this case. From this, it can be seen that variations in film characteristics can be suppressed by controlling the potential difference Vs−Vf using the
一方、Vs−Vf=33Vの場合も、実施例1程ではないがIn2O3に対するZnOの割合がほとんど変化せず、Zn抜けが抑制されていることがわかる。 On the other hand, in the case of Vs−Vf = 33V, the ratio of ZnO to In 2 O 3 is hardly changed although it is not as much as in Example 1, and it can be seen that Zn loss is suppressed.
以上により、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)を制御することで、Zn抜けを抑え所望の組成比を有し良質なZn含有複合酸化物膜を成膜することが可能であることが実証された。 As described above, by controlling the potential difference Vs−Vf (V) between the plasma potential Vs (V) and the floating potential Vf (V) in the plasma during film formation, Zn loss can be suppressed and a desired composition ratio can be obtained. It was proved that it was possible to form a Zn-containing composite oxide film.
11 基板ホルダ
12 プラズマ電極(ターゲットホルダ)
13 高周波電源
15 ガス排出管
200 スパッタ成膜装置
202 接地部材
204 間隙
210 真空容器
210a 真空容器の底面
214 ガス導入口
250 シールド
250a リング(シールド層)
250b スペーサ
330 制御電源
B 成膜基板
G 成膜ガス
Ip プラスイオン
L 厚み
P プラズマ空間
T ターゲット
Tp スパッタ粒子
Vf フローティング電位
Vs プラズマ電位
V ガス排気
S 距離
11
13 High-
250b Spacer 330 Control power source B Film formation substrate G Film formation gas Ip Plus ion L Thickness P Plasma space T Target Tp Sputtered particle Vf Floating potential Vs Plasma potential V Gas exhaust S Distance
Claims (8)
成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Vs(V)とフローティング電位Vf(V)との電位差Vs−Vf(V)を、成膜された膜中のZnが逆スパッタされる閾値以下となるように制御して膜を形成することを特徴とするZn含有複合酸化物膜の成膜方法。 In a method for forming a Zn-containing composite oxide film, in which a constituent material of a target on a target holder is formed on a deposition substrate at a position separated from the target by sputtering using plasma,
The potential difference Vs−Vf (V) between the plasma potential Vs (V) in the plasma during film formation and the floating potential Vf (V) is set to be equal to or less than a threshold value at which Zn in the formed film is reverse sputtered. A method for forming a Zn-containing composite oxide film, comprising forming a film under control.
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