JP2013251470A - ZnO膜形成方法及びZnO膜形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ZnO膜を形成するとき、まず、成膜空間内に配置された基板の上方にZnを含む有機金属のガスを原料ガスとして流すことにより、基板に前記有機金属を吸着させる第1ステップと、前記基板に有機金属を吸着させた後、前記成膜空間にガス状の水を導入するとともに、パージガスとして酸素ガスを導入して、前記成膜空間内でプラズマを発生させることにより、ZnO膜を形成する第2ステップと、を有する。前記ZnO膜の厚さが予め設定された厚さになるまで、前記第1ステップ及び前記第2ステップを連続して繰り返す。
【選択図】 図2
Description
成膜空間内に配置された基板の上方にZnを含む有機金属のガスを原料ガスとして流すことにより、基板に前記有機金属を吸着させる第1ステップと、
前記基板に有機金属を吸着させた後、前記成膜空間にガス状の水を導入するとともに、パージガスとして酸素ガスを導入して、前記成膜空間内でプラズマを発生させることにより、ZnO膜を形成する第2ステップと、を有する。
前記ZnO膜の厚さが予め設定された厚さになるまで、前記第1ステップ及び前記第2ステップを連続して繰り返す。
基板が配置される成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜空間内に設けられ、プラズマを生成するプラズマ生成ユニットと、
前記成膜空間に、Znを含む有機金属の原料ガス、ガス状の水、及び酸素ガス、のそれぞれを前記成膜空間に導入するガス供給ユニットと、
前記原料ガス、前記水、及び前記酸素ガスのそれぞれの導入のタイミングと前記プラズマ生成ユニットに給電する電力の給電のタイミングとを制御するコントローラ、とを有する。
前記コントローラは、前記基板が配置された成膜空間に前記原料ガスを導入させるように制御した後、前記水及び前記酸素ガスの前記成膜空間への導入に合わせて、前記プラズマ生成ユニットがプラズマを生成するように制御する。
図1は、本実施形態のZnO膜形成装置10の構成を表す概略図である。同図に示すZnO膜形成装置10は、ALD法を適用して、形成しようとするZnO膜を構成するZnを主成分とする有機金属の原料ガスとガス状の水を成膜空間中の基板上に交互に供給する。その時、ZnO膜形成装置10は、反応活性を高めるためにプラズマを生成して基板上に原子層単位で原料ガスの酸化膜(ZnO膜)を形成する。ZnO膜形成装置10は、上記処理を1サイクルとして、処理を複数サイクル連続して繰り返すことにより予め定められた厚さの膜を形成する。その際、ZnO膜形成装置10は、成膜空間には、プラズマの生成に用いるガス状の水の他に、酸素ガスを同時に導入する。酸素ガスは、ガス状の水をパージするために用いるが、この酸素ガスの導入により、ZnO膜中に不純物として含まれる炭素成分を酸素成分や水素成分に比べて低く抑えることができる。この結果、ZnO膜を半導体として用いたときの、ゲート電圧に対するドレイン電流を表す伝達特性や移動度を高めることができる。すなわち、簡単なプロセスで、優れた特性のZnO膜を形成することができる。
以下の説明では、有機金属の原料ガスとしてZn(C2H5)2を用いるが、原料ガスとして、Zn(C2H5)2の他にZn(CH3)2を用いることもできる。
すなわち、本実施形態のZnO膜形成方法は、成膜空間内に配置された基板の上方にZnを含む有機金属のガスを原料ガスとして流すことにより、基板に有機金属を吸着させる第1ステップと、基板に有機金属を吸着させた後、成膜空間にガス状の水を導入するとともに、パージガスとして酸素ガスを導入して、成膜空間内でプラズマを発生させることにより、ZnO膜を形成する第2ステップと、を有する。ZnO膜の厚さが予め設定された厚さになるまで、第1ステップ及び第2ステップが連続して繰り返される。
ZnO膜形成装置10は、成膜容器12と、平行平板電極14と、ガス供給ユニット16と、コントローラ18と、高周波電源20と、マッチングボックス22と、排気ユニット24と、を有する。
成膜容器12は、排気ユニット24の行う排気により成膜容器12内の成膜空間を一定の減圧雰囲気に維持する。
成膜空間には、平行平板電極14が設けられている。平行平板電極14は、上部電極14a及び下部電極14bを有し、成膜空間内に設けられプラズマを生成する。平行平板電極14の上部電極14aは、成膜空間内に設けられるサセプタ30の基板載置面に対して対向するように設けられている。上部電極14aは、成膜容器12の上方から延びる給電線により、マッチングボックス22を介して高周波電源20と接続されている。マッチングボックス22は、平行平板電極14のインピーダンスに整合するように、マッチングボックス22内のインダクタのインダクタンス及びキャパシタのキャパシタンスを調整する。上部電極14aは、高周波電源20から10m秒〜10秒の間、13.56〜27.12MHzの高周波電力の給電を受ける。
下部電極14bの表面は、サセプタ30の基板載置面となっており、アースされている。サセプタ30は、その内部にヒータ32を有し、ヒータ32により、成膜中の基板は、例えば50℃以上95℃以下に加熱保持される。すなわち、ZNO膜形成装置10のヒータ32は、基板を95℃以下の温度に加熱保持する。好ましくは70℃〜80℃に加熱保持することによりZnO膜を形成することができるので、加熱のために多量のエネルギーを用いる必要がなくなり、より容易にZnO膜を作製することができる。
具体的に、ガス供給ユニット16は、DEZ源16aと、O2源16bと、H2O源16cと、ダイヤフラム式バルブ(以降、バルブという)17a及びマスフローコントローラ17b,17cと、DEZ源16aと成膜容器12内の成膜空間を、バルブ17aを通して接続する管18aと、O2源16bと成膜容器12内の成膜空間をマスフローコントローラ17bを通して接続する管18bと、H2O源16cと成膜容器12内の成膜空間をマスフローコントローラ17cを通して接続する管18cと、を有する。
バルブ17a及びマスフローコントローラ17b,17cはそれぞれ、コントローラ18による制御により作動して、所定のタイミングでDEZの原料ガス、O2ガス、ガス状の水を成膜空間に導入する。
具体的には、コントローラ18は、水の成膜空間への導入に合わせて、平行平板電極14が水を用いたプラズマを生成するように平行平板電極14の上部電極14aへの給電を制御する。
まず、コントローラ18は、基板が基板載置面に載せられている成膜空間内にDEZを所定量投入するようにバルブ17aの開閉時間の制御を行う。この流量の制御により、DEZは例えば0.1秒間、成膜空間に導入される。
コントローラ18は、その後、バルブ17aを用いたDEZの成膜空間への導入を停止すると、その後、マスフローコントローラ17bを用いた酸素ガスの流量の制御を行い、酸素ガスの成膜空間への導入を開始する。酸素ガスの導入は、DEZが再度導入されるまで継続して行われる。さらに、酸素ガスの導入中の一定期間、コントローラ18は、マスフローコントローラ17cを用いたガス状の水の流量の制御を行って、水の成膜空間への導入を開始する。ガス状の水の導入は、例えば2秒間行われる。この間の一定期間、コントローラ18は高周波電源20がマッチングボックス22を通して電力を上部電極14aに供給するように制御する。この給電は例えば0.2秒間行われる。上部電極14aへの給電により、平行平板電極14は、成膜空間において、ガス状の水を用いたプラズマを発生させる。
成膜空間は、圧力を10〜100Paに略維持しつつ、DEZを0.1秒導入した。DEZの導入開始から次のサイクルのDEZの導入開始までの時間T1(図2参照)を5.9秒とした。酸素ガスの導入時間T2(図2参照)を6秒とした。マスフローコントローラ17b,17cによる流量調整では、酸素ガスと、ガス状の水との比率が8:2となるよう流量調整をした。ガス状の水の導入時間T3(図2参照)を2秒とした。平行平板電極14への給電時間T4(図2参照)を0.5秒とした。平行平板電極14へ給電する電力は、13.56MHzの高周波で、200Wとした。これにより、厚さ50nmのZnO膜をSi基板上に形成した。Si基板は、ZnO膜の形成処理中、常に80℃に維持した。
図3(a)の縦軸は、ZnO膜の深さに対する各原子の計数値(CPS(Count per Second))である。計数値が低いほど、対応する原子の量が少ないことを示す。
このような結果は、水を用いたプラズマ生成中、パージガスとして成膜空間に導入した酸素ガスの一部が電離してプラズマが生成され、これによって活性化した酸素ラジカルの原子が、ZnO膜に不純物として含まれる炭素原子と結合して、二酸化炭素ガスあるいは一酸化炭素ガスとなってパージされると考えられる。したがって、炭素原子が不純物として含まれ難い本実施形態の方法で形成されたZnO膜は、不純物の少ない半導体膜として有効に用いることができる。
これより、本実施形態の方法で作製されるZnO膜には、不純物である炭素原子は少なく、優れた半導体素子の伝達特性さらには移動度を示すことがわかる。
本実施形態では、フラットパネルディスプレイに用いるTFT等の半導体素子に好適に用いられ得るが、フラットパネルディスプレイの他に、太陽電池用セルにも適用することができる。
12 成膜容器
12a 突出壁
14 平行平板電極
14a 上部電極
14b 下部電極
16 ガス供給ユニット
16a TMA源
16b N2源
16c O2源
17a ダイヤフラム式バルブ
17b,17c マスフローコントローラ
18 コントローラ
18a,18b,18c 管
20 高周波電源
22 マッチングボックス
24 排気ユニット
26 バルブ
28 排気管
30 サセプタ
30a 昇降軸
30b 昇降機構
32 ヒータ
50 半導体素子
52 絶縁層
54 ゲート電極
56 ゲート絶縁層
58 ZnO膜
60 ソース電極
62 ドレイン電極
64 保護膜
Claims (5)
- ZnO膜形成方法であって、
成膜空間内に配置された基板の上方にZnを含む有機金属のガスを原料ガスとして流すことにより、基板に前記有機金属を吸着させる第1ステップと、
前記基板に有機金属を吸着させた後、前記成膜空間にガス状の水を導入するとともに、パージガスとして酸素ガスを導入して、前記成膜空間内でプラズマを発生させることにより、ZnO膜を形成する第2ステップと、を有し、
前記ZnO膜の厚さが予め設定された厚さになるまで、前記第1ステップ及び前記第2ステップを連続して繰り返すことを特徴とするZnO膜形成方法。 - 前記第1ステップの期間を除き、前記酸素ガスがパージガスとして前記成膜空間に導入される、請求項1に記載のZnO膜形成方法。
- 前記第1ステップ及び前記第2ステップにおいて、前記基板は95℃以下に加熱保持される、請求項1または2に記載のZnO膜形成方法。
- 原子層成長装置であって、
基板が配置される成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜空間内に設けられ、プラズマを生成するプラズマ生成ユニットと、
前記成膜空間に、Znを含む有機金属の原料ガス、ガス状の水、及び酸素ガス、のそれぞれを前記成膜空間に導入するガス供給ユニットと、
前記原料ガス、前記水、及び前記酸素ガスのそれぞれの導入のタイミングと前記プラズマ生成ユニットに給電する電力の給電のタイミングとを制御するコントローラ、とを有し、
前記コントローラは、前記基板が配置された成膜空間に前記原料ガスを導入させるように制御した後、前記水及び前記酸素ガスの前記成膜空間への導入に合わせて、前記プラズマ生成ユニットがプラズマを生成するように制御する、ことを特徴とするZnO膜形成装置。 - さらに、基板を加熱保持するヒータを備え、前記ヒータは95℃以下の温度で基板を加熱する、請求項4に記載のZnO膜形成装置。
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