JP2021088727A - 成膜方法 - Google Patents

成膜方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2021088727A
JP2021088727A JP2018052230A JP2018052230A JP2021088727A JP 2021088727 A JP2021088727 A JP 2021088727A JP 2018052230 A JP2018052230 A JP 2018052230A JP 2018052230 A JP2018052230 A JP 2018052230A JP 2021088727 A JP2021088727 A JP 2021088727A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
target
electrode
plasma
antenna
coolant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018052230A
Other languages
English (en)
Inventor
松尾　大輔
Daisuke Matsuo
大輔 松尾
靖典 安東
Yasunori Ando
靖典 安東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissin Electric Co Ltd filed Critical Nissin Electric Co Ltd
Priority to JP2018052230A priority Critical patent/JP2021088727A/ja
Priority to PCT/JP2018/045051 priority patent/WO2019181095A1/ja
Priority to TW107144343A priority patent/TWI699442B/zh
Publication of JP2021088727A publication Critical patent/JP2021088727A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02422—Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02469—Group 12/16 materials
    • H01L21/02472—Oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02483—Oxide semiconducting materials not being Group 12/16 materials, e.g. ternary compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02488—Insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02505—Layer structure consisting of more than two layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02551—Group 12/16 materials
    • H01L21/02554—Oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02565—Oxide semiconducting materials not being Group 12/16 materials, e.g. ternary compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02491—Conductive materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

【課題】結晶性の高い酸化物半導体層を成膜する。【解決手段】プラズマＰを用いて酸化物半導体材料からなるターゲットＴをスパッタリングし、基板Ｗに酸化物半導体層を成膜する成膜方法であって、ターゲットＴに印加するターゲットバイアス電圧を、プラズマＰを発生させるためのアンテナ５に供給する高周波電力とは独立に制御して、−１ｋＶ以上の負電圧とし、プラズマＰを発生させる真空容器２内に、体積分率が５ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下の酸素ガスを含むスパッタ用ガス９を供給するようにした。【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマを用いてターゲットをスパッタリングして基板に成膜する成膜方法に関するものである。
この種のスパッタリング装置としては、マグネトロンスパッタリング装置が知られている。このマグネトロンスパッタリング装置は、特許文献１に示すように、ターゲットの裏面に設けた磁石によってターゲットの表面に磁界を形成してプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンをターゲットに衝突させることで、ターゲットからスパッタ粒子が飛び出すように構成されている。
具体的な成膜方法は、ターゲットを保持するターゲットホルダに負のバイアス電圧を印加することで、ターゲットと基板との間にプラズマを生成し、このバイアス電圧によってプラズマ中の陽イオンをターゲットに衝突させ、これにより生じるスパッタ粒子を基板に堆積させている。
しかしながら、プラズマを生成させるためのバイアス電圧によってプラズマ中の陽イオンをターゲットに衝突させると、陽イオンのエネルギーが大きくなり過ぎてしまい、酸化物半導体材料をターゲットとした場合には、金属元素と酸素との結合が切断される。
その結果、金属酸化物から酸素が脱離したスパッタ粒子が成膜されてしまい、膜中の酸素が不足して、結晶性の低下を招来する。
特開２０１６−１８０１７８号公報
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、結晶性の高い酸化物半導体層を成膜することをその主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係る成膜方法は、プラズマを用いて酸化物半導体材料からなるターゲットをスパッタリングし、基板に酸化物半導体層を成膜する方法であって、前記ターゲットに印加するターゲットバイアス電圧を、前記プラズマを発生させるためのアンテナに供給する高周波電力とは独立に制御して、−１ｋＶ以上の負電圧とし、前記プラズマを発生させる真空容器内に、体積分率が５ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下の酸素ガスを含むスパッタ用ガスを供給することを特徴とする方法である。
このような成膜方法であれば、ターゲットバイアス電圧をアンテナに供給する高周波電力とは独立に制御して、ターゲットバイアス電圧の大きさを従来（例えば−１ｋＶ〜−２ｋＶ）よりも低く保ちつつ、体積分率が５ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下の酸素ガスを含むスパッタ用ガスを供給するので、ターゲットの酸化状態を維持したまま成膜することができる。これにより、酸素が脱離したスパッタ粒子の生成を抑えることができるので、膜中の酸素欠陥が生じ難く、結晶性の高い酸化半導体層を成膜することができる。
さらに、以下のような作用効果をも奏し得る。
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いた場合、ターゲットの表面近傍に生成されるプラズマに粗密が生じてしまい、ターゲット表面にエロージョンが発生する。その結果、このエロージョンによってスパッタ粒子の飛散方向やエネルギーが不均一となり、成膜された酸化半導体層の結晶性の低下を招来する。
これに対して、本発明によれば、アンテナを用いてスパッタリング用のプラズマを生成しているので、プラズマを真空容器内に均一に発生させやすく、エロージョンを抑制することができる。これにより、スパッタ粒子の飛散方向やエネルギーを均一化することができ、結晶性の高い酸化半導体層を得られる。
ターゲットバイアス電圧が高すぎるとターゲットの酸化状態が維持されず、一方でターゲットバイアス電圧が低すぎると成膜速度が低下することから、成膜速度を担保しつつも、結晶性の高い酸化半導体層を得るためには、前記ターゲットバイアス電圧を−４００Ｖ以上−１００Ｖ以下にすることが好ましい。
ところで、近年の基板の大型化に対応する等のためにアンテナを長くすると、当該アンテナのインピーダンスが大きくなり、それによってアンテナの両端間に大きな電位差が発生する。その結果、この大きな電位差の影響を受けてプラズマの密度分布、電位分布、電子温度分布等のプラズマの均一性が悪くなり、ひいてはターゲットから出るスパッタ粒子の分布に濃淡が生じて、生成される膜厚が不均一となってしまう。
そこで、前記アンテナが、内部に冷却液が流通する流路を有するものであり、少なくとも２つの管状をなす導体要素と、互いに隣り合う前記導体要素の間に設けられて、それら導体要素を絶縁する管状をなす絶縁要素と、前記流路に設けられて、互いに隣り合う前記導体要素と電気的に直列接続された容量素子とを有し、前記容量素子は、互いに隣り合う前記導体要素の一方と電気的に接続された第１の電極と、互いに隣り合う前記導体要素の他方と電気的に接続されるとともに、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の空間を満たす誘電体とからなり、前記冷却液を前記誘電体として用いることが好ましい。
このようなアンテナを用いれば、絶縁要素を介して互いに隣り合う導体要素に容量素子を電気的に直列接続しているので、アンテナの合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になり、アンテナのインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができ、アンテナに高周波電流が流れやすくなり、プラズマを効率良く発生させることができる。これにより、プラズマの密度を上げることができ、成膜速度を上げることもできる。
特に本発明によれば、第１の電極及び第２の電極の間の空間を冷却液で満たして誘電体としているので、容量素子を構成する電極及び誘電体の間に生じる隙間を無くすことができる。その結果、プラズマの均一性を向上させることができ、成膜の均一性を向上させることができる。また、冷却液を誘電体として用いることで、冷却液とは別の液体の誘電体を準備する必要が無く、また、第１の電極及び第２の電極を冷却することができる。通常、冷却液は温調機構により一定温度に調整されており、この冷却液を誘電体として用いることによって、温度変化による比誘電率の変化を抑えて、キャパシタンス値の変化を抑えることができ、これによってもプラズマの均一性を向上させることができる。さらに、冷却液として水を用いた場合には、水の比誘電率は約８０（２０℃）であり樹脂製の誘電体シートよりも大きいため、高電圧に耐えうる容量素子を構成することができる。
その他、電極及び誘電体の間の隙間に発生しうるアーク放電を無くし、アーク放電に起因する容量素子の破損を無くすことができる。また、隙間を考慮することなく、第１の電極及び第２の電極の距離、対向面積及び冷却液の比誘電率からキャパシタンス値を精度良く設定することができる。さらに、隙間を埋めるための電極及び誘電体を押圧する構造も不要にすることができ、当該押圧構造によるアンテナ周辺の構造の複雑化及びそれにより生じるプラズマの均一性の悪化を防ぐことができる。
このように構成した本発明によれば、結晶性の高い酸化物半導体層を成膜することができる。
本実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に直交する縦断面図である。 同実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に沿った縦断面図である。 同実施形態のアンテナにおけるコンデンサ部分を示す部分拡大断面図である。 同実施形態のスパッタリング装置により成膜されたＩＧＺＯ膜をＸ線回折した結果を示すグラフである。
以下に、本発明に係るスパッタリング装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
＜装置構成＞
本実施形態のスパッタリング装置１００は、誘導結合型のプラズマＰを用いてターゲットＴをスパッタリングして基板Ｗに成膜するものである。ここで、基板Ｗは、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板等である。
具体的にスパッタリング装置１００は、図１及び図２に示すように、真空排気され且つガスが導入される真空容器２と、真空容器２内において基板Ｗを保持する基板保持部３と、真空容器２内においてターゲットＴを保持するターゲット保持部４と、真空容器２内に配置された直線状をなす複数のアンテナ５と、真空容器２内に誘導結合型のプラズマＰを生成するための高周波を複数のアンテナ５に印加する高周波電源６とを備えている。なお、複数のアンテナ５に高周波電源６から高周波を印加することにより複数のアンテナ５には高周波電流ＩＲが流れて、真空容器２内に誘導電界が発生して誘導結合型のプラズマＰが生成される。
真空容器２は、例えば金属製の容器であり、その内部は真空排気装置７によって真空排気される。真空容器２はこの例では電気的に接地されている。
真空容器２内に、例えば流量調整器（図示省略）等を有するスパッタ用ガス供給機構８及びガス導入口２１を経由して、スパッタ用ガス９が導入される。具体的にスパッタ用ガス供給機構８は、例えばアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスや、酸素ガスのみをスパッタ用ガスとして供給するものである。
基板保持部３は、真空容器２内において平板状をなす基板Ｗを例えば水平状態となるように保持するホルダである。このホルダはこの例では電気的に接地されている。なお、このホルダ内に、基板Ｗを加熱する図示しないヒータを設けておいても良い。
ターゲット保持部４は、基板保持部３に保持された基板Ｗと対向してターゲットＴを保持するものである。本実施形態のターゲットＴは、平面視において矩形状をなす平板状のものであり、例えばＩｎＧａＺｎＯ等の酸化物半導体材料である。このターゲット保持部４は、真空容器２を形成する側壁２ａ（例えば上側壁）に設けられている。また、ターゲット保持部４と真空容器２の上側壁２ａとの間には、真空シール機能を有する絶縁部１０が設けられている。ターゲットＴには、それにターゲットバイアス電圧を印加するターゲットバイアス電源１１が、この例ではターゲット保持部４を介して接続されている。ターゲットバイアス電源１１は、直流電源、直流パルス電源、交流電源、又はこれらを組み合わせた電源などである。
ターゲットバイアス電圧は、プラズマＰ中のイオン（Ａｒ＋）をターゲットＴに引き込んでスパッタさせる電圧である。本実施形態のターゲットバイアス電圧は、−１ｋＶ以上の負電圧であり、より好ましくは、−４００Ｖ以上−１００Ｖ以下である。何故ならば、ターゲットバイアス電圧が−１００Ｖよりも高いとターゲットに衝突するイオンのエネルギーが大き過ぎてターゲットの金属元素と酸素との結合が切断されてしまうし、一方でターゲットバイアス電圧が−４００Ｖよりも低いと成膜速度が低下するからである。
本実施形態では、ターゲット保持部４は複数設けられている。複数のターゲット保持部４は、真空容器２内における基板Ｗの表面側に、基板Ｗの表面に沿うように（例えば、基板Ｗの裏面と実質的に平行に）同一平面上に並列に配置されている。複数のターゲット保持部４は、その長手方向が互いに平行となるように等間隔に配置されている。これにより、真空容器２内に配置された複数のターゲットＴは、図１に示すように、基板Ｗの表面と実質的に平行であり、且つ、長手方向が互いに平行となるように等間隔に配置されることになる。なお、各ターゲット保持部４は同一構成である。
複数のアンテナ５は、真空容器２内における基板Ｗの表面側に、基板Ｗの表面に沿うように（例えば、基板Ｗの表面と実質的に平行に）同一平面上に並列に配置されている。複数のアンテナ５は、その長手方向が互いに平行となるように等間隔に配置されている。なお、各アンテナ５は平面視において直線状で同一構成であり、その長さは数十ｃｍ以上である。
本実施形態のアンテナ５は、図１に示すように、各ターゲット保持部４に保持されたターゲットＴの両側にそれぞれ配置されている。つまり、アンテナ５とターゲットＴとが交互に配置されており、１つのターゲットＴは、２本のアンテナ５により挟まれた構成となる。ここで、各アンテナ５の長手方向と各ターゲット保持部４に保持されたターゲットＴの長手方向とは同一方向である。
また、各アンテナ５の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等であるが、これに限られるものではない。なお、アンテナ５を中空にして、その中に冷却水等の冷媒を流し、アンテナ５を冷却するようにしても良い。
なお、アンテナ５の両端部付近は、図２に示すように、真空容器２の相対向する側壁２ｂ、２ｃをそれぞれ貫通している。アンテナ５の両端部を真空容器２外へ貫通させる部分には、絶縁部材１２がそれぞれ設けられている。この各絶縁部材１２を、アンテナ５の両端部が貫通しており、その貫通部は例えばパッキンによって真空シールされている。各絶縁部材１２と真空容器２との間も、例えばパッキンによって真空シールされている。なお、絶縁部材１２の材質は、例えば、アルミナ等のセラミックス、石英、又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチック等である。
さらに、各アンテナ５において、真空容器２内に位置する部分は、絶縁物製で直管状の絶縁カバー１３により覆われている。この絶縁カバー１３の両端部と真空容器２との間はシールしなくても良い。絶縁カバー１３内の空間にガス９が入っても、当該空間は小さくて電子の移動距離は短いので、通常は当該空間にプラズマＰは発生しないからである。なお、絶縁カバー１３の材質は、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等であるが、これらに限られるものではない。
アンテナ５の一端部である給電端部５ａには、整合回路６１を介して高周波電源６が接続されており、他端部である終端部５ｂは直接接地されている。なお、給電端部５ａ又は終端部５ｂに、可変コンデンサ又は可変リアクトル等のインピーダンス調整回路を設けて、各アンテナ５のインピーダンスを調整するように構成しても良い。このように各アンテナ５のインピーダンスを調整することによって、アンテナ５の長手方向におけるプラズマＰの密度分布を均一化することができ、アンテナ５の長手方向の膜厚を均一化することができる。
上記構成によって、高周波電源６から、整合回路６１を介して、アンテナ５に高周波電流ＩＲを流すことができる。高周波の周波数は、例えば、一般的な１３．５６ＭＨｚであるが、これに限られるものではない。
然して、本実施形態のアンテナ５は、内部に冷却液ＣＬが流通する流路を有する中空構造のものである。具体的にアンテナ５は、図３に示すように、少なくとも２つの管状をなす金属製の導体要素５１（以下、「金属パイプ５１」という。）と、互いに隣り合う金属パイプ５１の間に設けられて、それら金属パイプ５１を絶縁する管状の絶縁要素５２（以下、「絶縁パイプ５２」という。）と、互いに隣り合う金属パイプ５１と電気的に直列接続された容量素子であるコンデンサ５３とを備えている。
本実施形態では金属パイプ５１の数は２つであり、絶縁パイプ５２及びコンデンサ５３の数は各１つである。以下の説明において、一方の金属パイプ５１を「第１の金属パイプ５１Ａ」、他方の金属パイプを「第２の金属パイプ５１Ｂ」ともいう。なお、アンテナ５は、３つ以上の金属パイプ５１を有する構成であってもしても良く、この場合、絶縁パイプ５２及びコンデンサ５３の数はいずれも金属パイプ５１の数よりも１つ少ないものになる。
なお、冷却液ＣＬは、真空容器２の外部に設けられた循環流路１４によりアンテナ５を流通するものであり、前記循環流路１４には、冷却液ＣＬを一定温度に調整するための熱交換器などの温調機構１４１と、循環流路１４において冷却液ＣＬを循環させるためのポンプなどの循環機構１４２とが設けられている。冷却液ＣＬとしては、電気絶縁の観点から、高抵抗の水が好ましく、例えば純水またはそれに近い水が好ましい。その他、例えばフッ素系不活性液体などの水以外の液冷媒を用いても良い。
金属パイプ５１は、内部に冷却液ＣＬが流れる直線状の流路５１ｘが形成された直管状をなすものである。そして、金属パイプ５１の少なくとも長手方向一端部の外周部には、雄ねじ部５１ａが形成されている。本実施形態の金属パイプ５１は、雄ねじ部５１ａが形成された端部とそれ以外の部材とを別部品により形成してそれらを接合しているが、単一の部材から形成しても良い。なお、複数の金属パイプ５１を接続する構成との部品の共通化を図るべく、金属パイプ５１の長手方向両端部に雄ねじ部５１ａを形成して互換性を持たせておくことが望ましい。金属パイプ５１の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等である。
絶縁パイプ５２は、内部に冷却液ＣＬが流れる直線状の流路５２ｘが形成された直管状をなすものである。そして、絶縁パイプ５２の軸方向両端部の側周壁には、金属パイプ５１の雄ねじ部５１ａと螺合して接続される雌ねじ部５２ａが形成されている。また、絶縁パイプ５２の軸方向両端部の側周壁には、雌ねじ部５２ａよりも軸方向中央側に、コンデンサ５３の各電極５３Ａ、５３Ｂを嵌合させるための凹部５２ｂが周方向全体に亘って形成されている。本実施形態の絶縁パイプ５２は、単一の部材から形成しているが、これに限られない。なお、絶縁パイプ５２の材質は、例えば、アルミナ、フッ素樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、エンジニアリングプラスチック（例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）など）等である。
コンデンサ５３は、絶縁パイプ５２の内部に設けられており、具体的には、絶縁パイプ５２の冷却液ＣＬが流れる流路５２ｘに設けられている。
具体的にコンデンサ５３は、互いに隣り合う金属パイプ５１の一方（第１の金属パイプ５１Ａ）と電気的に接続された第１の電極５３Ａと、互いに隣り合う金属パイプ５１の他方（第２の金属パイプ５１Ｂ）と電気的に接続されるとともに、第１の電極５３Ａに対向して配置された第２の電極５３Ｂとを備えており、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの間の空間を冷却液ＣＬが満たすように構成されている。つまり、この第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの間の空間を流れる冷却液ＣＬが、コンデンサ５３を構成する誘電体となる。
各電極５３Ａ、５３Ｂは、概略回転体形状をなすとともに、その中心軸に沿って中央部に主流路５３ｘが形成されている。具体的に各電極５３Ａ、５３Ｂは、金属パイプ５１における絶縁パイプ５２側の端部に電気的に接触するフランジ部５３１と、当該フランジ部５３１から絶縁パイプ５２側に延出した延出部５３２とを有している。本実施形態の各電極５３Ａ、５３Ｂは、フランジ部５３１及び延出部５３２を単一の部材から形成しても良いし、別部品により形成してそれらを接合しても良い。電極５３Ａ、５３Ｂの材質は、例えば、アルミニウム、銅、これらの合金等である。
フランジ部５３１は、金属パイプ５１における絶縁パイプ５２側の端部に周方向全体に亘って接触している。具体的には、フランジ部５３１の軸方向端面は、金属パイプ５１の端部に形成された円筒状の接触部５１１の先端面に周方向全体に亘って接触するとともに、金属パイプ５１の接触部５１１の外周に設けられたリング状多面接触子１５を介して金属パイプ５１の端面に電気的に接触する。なお、フランジ部５３１は、それらの何れか一方により、金属パイプ５１に電気的に接触するものであっても良い。
また、フランジ部５３１には、厚み方向に複数の貫通孔５３１ｈが形成されている。このフランジ部５３１に貫通孔５３１ｈを設けることによって、フランジ部５３１による冷却液ＣＬの流路抵抗を小さくするとともに、絶縁パイプ５２内での冷却液ＣＬの滞留、及び、絶縁パイプ５２内に気泡が溜まることを防ぐことができる。
延出部５３２は、円筒形状をなすものであり、その内部に主流路５３ｘが形成されている。第１の電極５３Ａの延出部５３２及び第２の電極５３Ｂの延出部５３２は、互いに同軸上に配置されている。つまり、第１の電極５３Ａの延出部５３２の内部に第２の電極５３Ｂの延出部５３２が挿し込まれた状態で設けられている。これにより、第１の電極５３Ａの延出部５３２と第２の電極５３Ｂの延出部５３２との間に、流路方向に沿った円筒状の空間が形成される。
このように構成された各電極５３Ａ、５３Ｂは、絶縁パイプ５２の側周壁に形成された凹部５２ｂに嵌合されている。具体的には、絶縁パイプ５２の軸方向一端側に形成された凹部５２ｂに第１の電極５３Ａが嵌合され、絶縁パイプ５２の軸方向他端側に形成された凹部５２ｂに第２の電極５３Ｂが嵌合されている。このように各凹部５２ｂに各電極５３Ａ、５３Ｂを嵌合させることによって、第１の電極５３Ａの延出部５３２及び第２の電極５３Ｂの延出部５３２は、互いに同軸上に配置される。また、各凹部５２ｂの軸方向外側を向く面に各電極５３Ａ、５３Ｂのフランジ部５３１の端面が接触することによって、第１の電極５３Ａの延出部５３２に対する第２の電極５３Ｂの延出部５３２の挿入寸法が規定される。
また、絶縁パイプ５２の各凹部５２ｂに各電極５３Ａ、５３Ｂを嵌合させるとともに、当該絶縁パイプ５２の雌ねじ部５２ａに金属パイプ５１の雄ねじ部５１ａを螺合させることによって、金属パイプ５１の接触部５１１の先端面が電極５３Ａ、５３Ｂのフランジ部５３１に接触して各電極５３Ａ、５３Ｂが、絶縁パイプ５２と金属パイプ５１との間に挟まれて固定される。このように本実施形態のアンテナ５は、金属パイプ５１、絶縁パイプ５２、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂが同軸上に配置された構造となる。なお、金属パイプ５１及び絶縁パイプ５２の接続部は、真空及び冷却液ＣＬに対するシール構造を有している。本実施形態のシール構造は、雄ねじ部５１ａの基端部に設けられたパッキン等のシール部材１６により実現されている。なお、管用テーパねじ構造を用いても良い。
このように、金属パイプ５１及び絶縁パイプ５２の間のシール、及び、金属パイプ５１と各電極５３Ａ、５３Ｂとの電気的接触が、雄ねじ部５１ａ及び雌ねじ部５２ａの締結と共に行われるので、組み立て作業が非常に簡便となる。
この構成において、第１の金属パイプ５１Ａから冷却液ＣＬが流れてくると、冷却液ＣＬは、第１の電極５３Ａの主流路５３ｘ及び貫通孔５３１ｈを通じて、第２の電極５３Ｂ側に流れる。第２の電極５３Ｂ側に流れた冷却液ＣＬは、第２の電極５３Ｂの主流路５３ｘ及び貫通孔５３１ｈを通じて第２の金属パイプ５１Ｂに流れる。このとき、第１の電極５３Ａの延出部５３２と第２の電極５３Ｂの延出部５３２との間の円筒状の空間が冷却液ＣＬに満たされて、当該冷却液ＣＬが誘電体となりコンデンサ５３が構成される。
＜酸素ガスの体積分率と結晶性との関係性評価＞
本実施形態のスパッタリング装置１００において、スパッタ用ガス９に含まれる酸素ガスの体積分率と成膜されたＩＧＺＯ膜の結晶性との関係性を評価した。なお、使用した基板２はガラス基板であり、使用したターゲットＴはＩＧＺＯ１１１４である。
真空容器２を４．０Ｅ−４Ｐａ以下に真空排気した後に、１００ｓｃｃｍのスパッタ用ガス９を供給圧０．９Ｐａで導入した。その後、複数のアンテナ５に７ｋＷの高周波電力を供給して、誘導結合型のプラズマＰを生成・維持した。そして、ターゲットＴに直流電圧パルス（−２００Ｖ、７５ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ９５．７％）を印加して、ターゲットＴのスパッタリングを行い、膜厚１５０ｎｍのＩＧＺＯ膜を成膜した。なお、「Ｅ」は、１０を基数（底）とする指数表記を意味する。
かかる成膜条件のもと、スパッタ用ガス９に含まれる酸素ガスの体積分率を０ｖｏｌ％、５ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、１００ｖｏｌ％とした場合のＩＧＺＯ膜をそれぞれ、ＣｕＫα線を用いてＸ線回折（ＸＲＤ）した結果を図４に示す。
図４に示すスペクトルに現れている回折ピークは、ＩＧＺＯ膜中のＩｎに由来するものである。回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、半導体層の結晶構造の結晶性に関係しており、結晶性が悪い場合には半値全幅が広く、結晶性が良い場合には半値全幅が狭くなる。
このことに鑑みれば、スパッタ用ガス９に含まれる酸素ガスの体積分率が高いほど、ＩＧＺＯ膜の結晶性が高くなることが分かる。具体的に、結晶性の高いＩＧＺＯ膜を得るためには、スパッタ用ガス９に含まれる酸素ガスの体積分率が５ｖｏｌ％以上であることが好ましく、より好ましくは５０ｖｏｌ％以上である。
＜本実施形態の効果＞
このような本実施形態に係る成膜方法によれば、ターゲットバイアス電圧の大きさを従来よりも低く保ちつつ、体積分率が５ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下の酸素ガスを含むスパッタ用ガスを供給するので、ターゲットの酸化状態を維持したまま成膜することができる。これにより、酸素が脱離したスパッタ粒子の生成を抑えることができるので、膜中の酸素欠陥が生じ難く、結晶性の高い酸化半導体層を成膜することができる。さらに、結晶性の高い酸化半導体層を成膜できるようになることで、成膜時における基板Ｗの加熱を不要にすることができ、安価な低融点フィルムへの成膜が可能となる。
また、アンテナを用いてスパッタリング用のプラズマを生成しているので、プラズマを真空容器内に均一に発生させやすく、エロージョンを抑制することができる。これにより、スパッタ粒子の飛散方向やエネルギーを均一化することができ、結晶性の高い酸化半導体層を得られる。
そのうえ、プラズマを真空容器内に均一に発生させやすいので、マグネトロンスパッタリング装置に比べて、ターゲットＴを一様に消費することができ、ターゲットＴの使用効率を向上させることができる。加えて、本実施形態ではターゲット表面近傍に直流磁場を有さない構成であり、磁性材料への適用が容易となる。
さらに、絶縁パイプ５２を介して互いに隣り合う金属パイプ５１にコンデンサ５３を電気的に直列接続しているので、アンテナ５の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になり、アンテナ５のインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナ５を長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができ、アンテナ５に高周波電流が流れやすくなり、プラズマＰを効率良く発生させることができる。これにより、プラズマＰの密度を上げることができ、成膜速度を上げることもできる。
特に本実施形態によれば、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの間の空間を冷却液ＣＬで満たして誘電体としているので、コンデンサ５３を構成する電極５３Ａ、５３Ｂ及び誘電体の間に生じる隙間を無くすことができる。その結果、プラズマＰの均一性を向上させることができ、成膜の均一性を向上させることができる。また、冷却液ＣＬを誘電体として用いることで、冷却液ＣＬとは別の液体の誘電体を準備する必要が無く、また、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂを冷却することができる。冷却液ＣＬは温調機構により一定温度に調整されており、この冷却液ＣＬを誘電体として用いることによって、温度変化による比誘電率の変化を抑えて、キャパシタンス値の変化を抑えることができ、これによってもプラズマＰの均一性を向上させることができる。さらに、冷却液ＣＬとして水を用いた場合には、水の比誘電率は約８０（２０℃）であり樹脂製の誘電体シートよりも大きいため、高電圧に耐えうるコンデンサ５３を構成することができる。
その他、電極５３Ａ、５３Ｂ及び誘電体の間の隙間に発生しうるアーク放電を無くし、アーク放電に起因するコンデンサ５３の破損を無くすことができる。また、隙間を考慮することなく、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの距離、対向面積及び冷却液ＣＬの比誘電率からキャパシタンス値を精度良く設定することができる。さらに、隙間を埋めるための電極５３Ａ、５３Ｂ及び誘電体を押圧する構造も不要にすることができ、当該押圧構造によるアンテナ周辺の構造の複雑化及びそれにより生じるプラズマＰの均一性の悪化を防ぐことができる。
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、ターゲットＴとしてＩｎＧａＺｎＯを用いていたが、例えばＩｎＳｎＯやＩｎＷＺｎＯ等の酸化物半導体材料をターゲットＴとして用いても良い。
さらに、窒化物半導体材料やホウ化物半導体材料のターゲットＴを用いても良い。この場合の成膜方法としては、プラズマを用いて半導体材料からなるターゲットをスパッタリングし、基板に半導体層を成膜する成膜方法であって、前記ターゲットに印加するターゲットバイアス電圧を、前記プラズマを発生させるためのアンテナに供給する高周波電力とは独立に制御して、−１ｋＶ以上の負電圧とし、前記プラズマを発生させる真空容器内に、体積分率が５ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下の窒素ガス又はホウ素ガスを含むスパッタ用ガスを供給する方法が挙げられる。
前記実施形態では、アンテナは直線状をなすものであったが、湾曲又は屈曲した形状であっても良い。この場合、金属パイプが湾曲又は屈曲した形状であっても良いし、絶縁パイプが湾曲又は屈曲した形状であっても良い。
前記実施形態の電極において延出部は、円筒状であったが、その他の角筒状であっても良いし、平板状又は湾曲又は屈曲した板状であっても良い。
前記実施形態では、複数のターゲット保持部を有する構成であったが、１つのターゲット保持部を有する構成であってもよい。この場合であっても、複数のアンテナを有する構成が望ましいが、１つのアンテナを有する構成であってもよい。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・スパッタリング装置
Ｗ ・・・基板
Ｐ ・・・プラズマ
Ｔ ・・・ターゲット
２ ・・・真空容器
３ ・・・基板保持部
４ ・・・ターゲット保持部
５ ・・・アンテナ
５１ ・・・導体要素
５２ ・・・絶縁要素
５３ ・・・容量素子

Claims (3)

  1. プラズマを用いて酸化物半導体材料からなるターゲットをスパッタリングし、基板に酸化物半導体層を成膜する成膜方法であって、
    前記ターゲットに印加するターゲットバイアス電圧を、前記プラズマを発生させるためのアンテナに供給する高周波電力とは独立に制御して、−１ｋＶ以上の負電圧とし、
    前記プラズマを発生させる真空容器内に、体積分率が５ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％以下の酸素ガスを含むスパッタ用ガスを供給する、成膜方法。
  2. 前記ターゲットバイアス電圧を−４００Ｖ以上−１００Ｖ以下にする、請求項１記載の成膜方法。
  3. 前記アンテナが、内部に冷却液が流通する流路を有するものであり、少なくとも２つの管状をなす導体要素と、互いに隣り合う前記導体要素の間に設けられて、それら導体要素を絶縁する管状をなす絶縁要素と、前記流路に設けられて、互いに隣り合う前記導体要素と電気的に直列接続された容量素子とを有し、
    前記容量素子は、互いに隣り合う前記導体要素の一方と電気的に接続された第１の電極と、互いに隣り合う前記導体要素の他方と電気的に接続されるとともに、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の空間を満たす誘電体とからなり、
    前記冷却液を前記誘電体として用いる、請求項１又は２記載の成膜方法。

JP2018052230A 2018-03-20 2018-03-20 成膜方法 Pending JP2021088727A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018052230A JP2021088727A (ja) 2018-03-20 2018-03-20 成膜方法
PCT/JP2018/045051 WO2019181095A1 (ja) 2018-03-20 2018-12-07 成膜方法、薄膜トランジスタの製造方法および薄膜トランジスタ
TW107144343A TWI699442B (zh) 2018-03-20 2018-12-10 成膜方法、薄膜電晶體的製造方法以及薄膜電晶體

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018052230A JP2021088727A (ja) 2018-03-20 2018-03-20 成膜方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2021088727A true JP2021088727A (ja) 2021-06-10

Family

ID=67986920

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018052230A Pending JP2021088727A (ja) 2018-03-20 2018-03-20 成膜方法

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP2021088727A (ja)
TW (1) TWI699442B (ja)
WO (1) WO2019181095A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2588941B (en) * 2019-11-15 2022-08-17 Dyson Technology Ltd Method of depositing a material
GB2588943A (en) * 2019-11-15 2021-05-19 Dyson Technology Ltd Method of manufacturing a thin crystalline layer of material on a surface
WO2021181531A1 (ja) * 2020-03-10 2021-09-16 日新電機株式会社 アンテナ機構及びプラズマ処理装置
JP2021190590A (ja) * 2020-06-01 2021-12-13 日新電機株式会社 酸化物半導体の成膜方法及び薄膜トランジスタの製造方法
JP2022097013A (ja) 2020-12-18 2022-06-30 日新電機株式会社 酸化物半導体の成膜方法及び薄膜トランジスタの製造方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005163151A (ja) * 2003-12-04 2005-06-23 Seinan Kogyo Kk 三次元スパッタ成膜装置並びに方法
JP2010135771A (ja) * 2008-11-07 2010-06-17 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置及び当該半導体装置の作製方法
JP6264248B2 (ja) * 2014-09-26 2018-01-24 日新電機株式会社 成膜方法およびスパッタリング装置
US20160268127A1 (en) * 2015-03-13 2016-09-15 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Oxide and Manufacturing Method Thereof
TWI542715B (zh) * 2015-09-21 2016-07-21 友達光電股份有限公司 一種結晶氧化銦鎵鋅半導體層及薄膜電晶體的製造方法
KR20240145076A (ko) * 2016-05-19 2024-10-04 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 복합 산화물 반도체 및 트랜지스터
KR20180011713A (ko) * 2016-07-25 2018-02-02 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 반도체 장치 및 상기 반도체 장치의 제작 방법

Also Published As

Publication number Publication date
TW201940718A (zh) 2019-10-16
WO2019181095A1 (ja) 2019-09-26
TWI699442B (zh) 2020-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2021088727A (ja) 成膜方法
KR102325544B1 (ko) 스퍼터링 장치
US9947511B2 (en) Antenna for plasma generation and plasma processing device having the same
TWI699812B (zh) 線性化高能射頻電漿離子源及用於產生線性化高能電漿離子束之方法
JP6928884B2 (ja) 薄膜トランジスタの製造方法
JPWO2009142016A1 (ja) プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置
JP6341329B1 (ja) プラズマ発生用のアンテナ及びそれを備えるプラズマ処理装置
JP2007149639A (ja) プラズマ生成方法及び装置並びにプラズマ処理装置
JP2013206652A (ja) アンテナ装置、それを備えるプラズマ処理装置およびスパッタリング装置
US11217429B2 (en) Plasma processing device
TW201903819A (zh) 具有電極燈絲的電漿反應器
JP7335495B2 (ja) スパッタリング装置
JP7028001B2 (ja) 成膜方法
US20220277930A1 (en) Plasma control system and plasma control program
JP7290080B2 (ja) プラズマ処理装置
JP2018156763A (ja) プラズマ発生用のアンテナ及びそれを備えるプラズマ処理装置
JP2017228422A (ja) プラズマ生成装置