JP5918631B2 - ZnO film forming method and ZnO film forming apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、ZnO膜形成方法及びZnO膜形成装置に関する。 The present invention relates to a ZnO film forming method and a ZnO film forming apparatus.
基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長方法(以下、省略してALD(Atomic Layer Deposition)法ともいう)は、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする2種類のガスを成膜対象基板上に交互に供給し、基板上に原子層単位で薄膜を形成することを複数回繰り返して所望厚さの膜を形成する薄膜形成技術である。例えば、基板上にZnO膜を形成する場合、ジエチルジンクやジメチルジンクからなる原料ガスとOを含む酸化ガスが用いられる。 An atomic layer growth method (hereinafter also referred to as ALD (Atomic Layer Deposition) method, which is abbreviated as an atomic layer deposition method) for forming a thin film in units of atomic layers on a substrate has two kinds of elements mainly composed of elements constituting the film to be formed. In this thin film formation technique, a gas having a desired thickness is formed by repeatedly supplying a gas onto a film formation target substrate and forming a thin film in units of atomic layers on the substrate a plurality of times. For example, when a ZnO film is formed on a substrate, a source gas composed of diethyl zinc or dimethyl zinc and an oxidizing gas containing O are used.
近年、ZnO膜は、そのバンドギャップが約3.37eVと広いため、可視光において透明性を有し、さらに、従来用いられてきたアモルファスSiに比べて移動度が高いことから、ZnO膜を、TFT(Thin Film Transistor)のアクティブチャネルとしてフラットパネルディスプレイに用いることが種々提案されている。 In recent years, the ZnO film has a wide band gap of about 3.37 eV, and thus has transparency in visible light, and has a higher mobility than the conventionally used amorphous Si. Various proposals have been made to use a flat panel display as an active channel of a TFT (Thin Film Transistor).
このような状況下、原子層蒸着法を用いて結晶性の増加時に随伴するキャリア量の増加による漏洩電流の増加を抑制することによって、薄膜トランジスタの電流点滅比(on/off ratio)を向上させるZnO膜の形成方法が知られている(特許文献1)。 Under such circumstances, ZnO improves the on / off ratio of the thin film transistor by suppressing an increase in leakage current due to an increase in the amount of carriers accompanying the increase in crystallinity using atomic layer deposition. A film forming method is known (Patent Document 1).
当該形成方法は、チャンバー内に亜鉛前駆体を注入し、基板上に亜鉛前駆体を吸着させる段階と、チャンバー内に窒素または不活性気体を注入し、残余の亜鉛前駆体を除去する段階と、基板上に形成された亜鉛前駆体と反応するようにチャンバー内に、例えば水プラズマを用いた酸素前駆体を注入し、ZnO半導体膜を形成する段階と、チャンバー内に窒素または不活性気体を注入し、残余の酸素前駆体を除去する段階と、を反復して行う。この後、酸素プラズマまたはオゾンを用いて形成したZnO半導体膜の表面処理を反復して行う。これにより、半導体膜の結晶を増加させて移動度を向上させることができ、キャリア量を調節して漏洩電流を減少させることができ、優れた特性の透明ZnO半導体膜を形成することができる、とされている。 The forming method includes the steps of injecting a zinc precursor into the chamber and adsorbing the zinc precursor on the substrate, injecting nitrogen or an inert gas into the chamber, and removing the remaining zinc precursor, For example, an oxygen precursor using water plasma is injected into the chamber so as to react with the zinc precursor formed on the substrate to form a ZnO semiconductor film, and nitrogen or an inert gas is injected into the chamber. And removing the remaining oxygen precursor. Thereafter, the surface treatment of the ZnO semiconductor film formed using oxygen plasma or ozone is repeatedly performed. Thereby, the mobility of the semiconductor film can be increased by increasing the crystal of the semiconductor film, the leakage current can be reduced by adjusting the amount of carriers, and a transparent ZnO semiconductor film having excellent characteristics can be formed. It is said that.
上記ZnO膜の形成方法では、優れた特性の透明ZnO半導体膜を形成することができるが、水プラズマの生成と酸素プラズマの生成を行う必要があり、プロセスが複雑である。このため、短時間に効率よくZnO膜を形成することができない、といった問題がある。 In the above ZnO film formation method, a transparent ZnO semiconductor film having excellent characteristics can be formed, but it is necessary to generate water plasma and oxygen plasma, and the process is complicated. For this reason, there exists a problem that a ZnO film cannot be formed efficiently in a short time.
そこで、本発明は、従来の問題を解決するために、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ZnO膜形成方法及びZnO膜形成装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a ZnO film forming method and a ZnO film forming apparatus capable of forming a ZnO film having excellent characteristics by a simple process in order to solve the conventional problems.
本発明の一態様は、ZnO膜形成方法である。当該方法は、
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。
One embodiment of the present invention is a ZnO film formation method. The method is
A first step of adsorbing the organic metal on the substrate by flowing an organic metal gas containing Zn as a source gas above the substrate disposed in the film formation space;
After the organic metal is adsorbed on the substrate, gaseous water is introduced into the deposition space and oxygen gas is introduced as a purge gas to generate plasma in the deposition space, thereby forming a ZnO film. Forming a second step.
The first step and the second step are continuously repeated until the thickness of the ZnO film reaches a preset thickness.
その際、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ことが好ましい。 At this time, it is preferable that the oxygen gas is introduced into the film formation space as a purge gas except for the period of the first step.
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ことが好ましい。 In the first step and the second step, the substrate is preferably heated and held at 95 ° C. or lower.
また、本発明の一態様は、ZnO膜形成装置である。当該装置は、
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前記成膜空間に前記原料ガスを導入させるように制御し、前記原料ガスの導入を停止した後、前記成膜空間に前記ガス状の水を導入するとともにパージガスとして前記酸素ガスを導入して前記成膜空間内で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。
Another embodiment of the present invention is a ZnO film forming apparatus. The device is
A film formation container having a film formation space in which a substrate is disposed;
A plasma generation unit that is provided in the film formation space and generates plasma;
A gas supply unit for introducing each of an organic metal source gas containing Zn, gaseous water, and oxygen gas into the film formation space;
A controller that controls the timing of introduction of each of the source gas, the water, and the oxygen gas and the timing of feeding power to the plasma generation unit.
Wherein the controller, the substrate is controlled so as to introduce the raw material gas to arranged the film forming space, after stopping the introduction of the raw material gas, together with introducing the gaseous water in the film forming space The oxygen gas is introduced as a purge gas, and the plasma generation unit is controlled to generate plasma in the film formation space .
また、当該装置は、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ことが好ましい。 The apparatus further includes a heater for heating and holding the substrate, and the heater preferably heats the substrate at a temperature of 95 ° C. or lower.
上述のZnO膜形成方法及びZnO膜形成装置では、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。 With the above-described ZnO film forming method and ZnO film forming apparatus, a ZnO film having excellent characteristics can be formed by a simple process.
以下、本発明のZnO膜形成方法及びZnO膜形成装置について詳細に説明する。
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。
Hereinafter, the ZnO film forming method and the ZnO film forming apparatus of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a ZnO
In the following description, Zn (C 2 H 5 ) 2 is used as the organic metal source gas, but Zn (CH 3 ) 2 can also be used in addition to Zn (C 2 H 5 ) 2 as the source gas.
That is, the ZnO film forming method of the present embodiment includes a first step of adsorbing an organic metal on a substrate by flowing an organic metal gas containing Zn as a source gas above the substrate disposed in the film formation space. Then, after adsorbing the organic metal to the substrate, gaseous water is introduced into the film formation space, and oxygen gas is introduced as a purge gas to generate plasma in the film formation space, thereby forming a ZnO film. And a second step. The first step and the second step are continuously repeated until the thickness of the ZnO film reaches a preset thickness.
また、本実施形態のZnO膜形成装置10は、平行平板電極をプラズマ生成ユニットとして用いる容量結合型プラズマ生成装置であるが、この他に、複数のアンテナ電極を用いた電磁結合型プラズマ生成装置、電子サイクロトロン共鳴を利用したECR型プラズマ生成装置、あるいは誘導結合型プラズマ生成装置を用いることもできる。
Further, the ZnO
(ZnO膜形成装置)
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。
(ZnO film forming apparatus)
The ZnO
The
A
The surface of the lower electrode 14b is a substrate mounting surface of the
サセプタ30は、サセプタ30の下部に設けられた昇降軸30aが昇降機構30bを通して図中の上下方向に昇降自在に移動するように構成されている。サセプタ30の基板載置面は、成膜処理時、成膜容器12に設けられた突出壁12aの上面と面一になるように上方位置に移動する。成膜処理前あるいは成膜処理後、サセプタ30は下方位置に移動し、成膜容器12に設けられた図示されないシャッターが開放されて、基板が成膜容器12の外部から搬入され、あるいは成膜容器12の外部に搬出される。
The
ガス供給ユニット16は、原料ガスであるZn(C2H5)2、(以降、DEZという)、酸素ガス、及びガス状の水それぞれを成膜空間に導入する。
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。
The
Specifically, the
Each of the
排気ユニット24は、成膜容器12の左壁から成膜空間内に導入されたDEZ、酸素ガス及びガス状の水を排気管28を通して水平方向に排気する。排気管28の途中にはバルブ26が設けられ、コントローラ18の指示によって適宜開閉される。
The
コントローラ18は、原料ガスであるDEZ、酸素ガス及びガス状の水のそれぞれの導入のタイミングと平行平板電極14に給電する電力の給電のタイミングとを制御する。さらに、コントローラ18は、バルブ26の開閉を制御する。
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。
The
Specifically, the
より具体的には、コントローラ18は、DEZを成膜空間に導入するとき、バルブ17aの開閉時間によってガス投入量を制御し、また、酸素ガスを成膜空間に導入するとき、マスフローコントローラ17bによるガス流量を制御し、さらに、ガス状の水を成膜空間に導入するとき、マスフローコントローラ17cによるガス流量を制御する。
More specifically, the
図2は、コントローラ18が行うガスの流量制御と平行平板電極14への給電のタイミングを説明するタイミングチャートである。
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。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the gas flow rate control performed by the
First, the
Thereafter, when the
上部電極14aへの給電が停止し、マスフローコントローラ17bによる水の成膜空間への導入が停止した後、継続して導入される酸素ガスによって水や反応生成物等のパージが行われる。この後、コントローラ18は、マスフローコントローラ17cを用いた酸素ガスの流量を停止する。さらに、再度、コントローラ18は、DEZを成膜空間に導入するようにバルブ17aの流量の制御を行う。こうして、DEZの成膜空間の導入と、酸素ガスの成膜空間への導入と、ガス状の水の成膜空間への導入と、水を用いたプラズマの生成を1サイクルとして、複数サイクルを連続的に繰り返すことにより、基板に所定の厚さを有するZnO膜を形成することができる。
After the power supply to the upper electrode 14a is stopped and the introduction of water into the film formation space by the
このように、酸素ガスは、DEZの導入期間を除いた期間中、継続して成膜空間に導入され、成膜空間内にあるガスをパージするパージガスとして機能する。酸素ガスが、DEZの導入期間中、成膜空間に導入されないのは、DEZと酸素ガスが気相中で反応しないようにするためである。一方、酸素ガスは、水を用いたプラズマ生成中も成膜空間に導入されるので、導入された酸素ガスの一部が電離してプラズマが生成されると考えられる。この酸素によるプラズマが後述するように、ZnO膜に不純物として含まれる炭素成分の含有量を低減することができると考えられる。 As described above, the oxygen gas is continuously introduced into the film formation space during the period excluding the DEZ introduction period, and functions as a purge gas for purging the gas in the film formation space. The reason why the oxygen gas is not introduced into the film formation space during the DEZ introduction period is to prevent the DEZ and oxygen gas from reacting in the gas phase. On the other hand, since oxygen gas is introduced into the film formation space even during plasma generation using water, it is considered that a part of the introduced oxygen gas is ionized to generate plasma. As will be described later, it is considered that the content of carbon components contained as impurities in the ZnO film can be reduced, as will be described later.
図3(a)は、図2に示す方法により形成されたZnO膜を形成したときにZnO膜内に含まれる炭素原子(C)、酸素原子(O)、及び水素原子(H)の含まれる量を、深さ方向の分布として計測したものである。この計測には、幅20μm、長さ10μmで、厚さ50nmのZnO膜を用いた。ZnO膜形成装置10における条件として、以下の内容を挙げることができる。
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。
FIG. 3A shows the carbon atoms (C), oxygen atoms (O), and hydrogen atoms (H) contained in the ZnO film when the ZnO film formed by the method shown in FIG. 2 is formed. The quantity is measured as a distribution in the depth direction. For this measurement, a ZnO film having a width of 20 μm, a length of 10 μm, and a thickness of 50 nm was used. Examples of the conditions in the ZnO
In the film formation space, DEZ was introduced for 0.1 second while maintaining the pressure substantially at 10 to 100 Pa. The time T 1 (see FIG. 2) from the start of DEZ introduction to the start of DEZ introduction in the next cycle was 5.9 seconds. The oxygen gas introduction time T 2 (see FIG. 2) was 6 seconds. In the flow rate adjustment by the
炭素原子(C)、酸素原子(O)、及び水素原子(H)の計測は、ZnO膜の表面にビーム状の一次イオン(Csイオン)を照射し、その一次イオンとZnO膜の分子、原子レベルでの衝突によって発生する二次イオンを質量分析計で検出する方法、すなわち二次イオン質量分析法を用いた。計測では、炭素原子(C)、酸素原子(O)、及び水素原子(H)の質量に対応する粒子を検出し計数した。
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。
Carbon atoms (C), oxygen atoms (O), and hydrogen atoms (H) are measured by irradiating the surface of the ZnO film with beam-form primary ions (Cs ions), and the primary ions and molecules and atoms of the ZnO film. A method of detecting secondary ions generated by collision at the level with a mass spectrometer, that is, secondary ion mass spectrometry was used. In the measurement, particles corresponding to the masses of carbon atoms (C), oxygen atoms (O), and hydrogen atoms (H) were detected and counted.
The vertical axis in FIG. 3A is the count value (CPS (Count per Second)) of each atom with respect to the depth of the ZnO film. A lower count value indicates a smaller amount of the corresponding atom.
一方、図3(b)は、図2に示す方法のうち、ガス状の水に代えて酸素ガスを用いてZnO膜を形成したときの図3(a)と同じ方法で計測された計数値の結果である。このZnO膜は、ガス状の水を用いたプラズマではなく、酸素ガスによるプラズマとDEZとのみとを用いて形成されたZnO膜である。 On the other hand, FIG. 3B shows a count value measured by the same method as FIG. 3A when a ZnO film is formed using oxygen gas instead of gaseous water in the method shown in FIG. Is the result of This ZnO film is not a plasma using gaseous water, but a ZnO film formed using only oxygen plasma and DEZ.
図3(a),(b)の結果からわかるように、図3(a)に示す結果では炭素原子の計数値が低いことから、本実施形態の方法で形成されたZnO膜には、不純物である炭素原子の含有量が低いことを示す。
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。
As can be seen from the results shown in FIGS. 3A and 3B, since the count value of carbon atoms is low in the results shown in FIG. 3A, the ZnO film formed by the method of the present embodiment contains impurities. It shows that the content of carbon atoms is low.
As a result, during the plasma generation using water, a part of the oxygen gas introduced into the deposition space as a purge gas is ionized to generate a plasma, and the oxygen radical atoms activated by this are generated in the ZnO film. It is considered that the carbon atoms contained as impurities are purged as carbon dioxide gas or carbon monoxide gas. Therefore, the ZnO film formed by the method of this embodiment, in which carbon atoms are hardly contained as impurities, can be effectively used as a semiconductor film with few impurities.
図4は、図3(a),(b)で用いたZnO膜の形成方法を用いて形成したボトムゲート型の半導体素子50の概略の構成を示す図である。半導体素子50は、ガラス基板上に形成された絶縁層52の上層にゲート電極54を形成し、さらに、ゲート電極54をゲート絶縁層56で覆い、その上層にZnO膜58を形成し、その上層に、ソース電極60及びドレイン電極62を形成し、さらに最上層に保護膜64を形成して構成されている。
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a bottom gate
この半導体素子50について、ゲート電圧Vgに対するドレイン電流Idの変化を示す伝達特性を計測した。ZnO膜58の幅W(図4中の紙面垂直方向の寸法)は20μm、長さL(ソース電極とドレイン電極との間の寸法)は10μmとした。ドレイン電圧Vdを5Vとしてドレイン電流Idを計測した。したがって、ドレイン電流Idが高いほどZnO膜の移動度が高い傾向を示す。図3(a)に示す本実施形態の方法で作製されたZnO膜からなる半導体素子のドレイン電流Idは、図3(b)に示す形態の方法で作製されたZnO膜からなる半導体素子のドレイン電流Idに比べて高く、移動度が高いことを示す。
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。
With respect to this
From this, it can be seen that the ZnO film manufactured by the method of this embodiment has few carbon atoms as impurities and exhibits excellent transfer characteristics and mobility of the semiconductor element.
上述した特許文献1のZnO膜の形成では、ガス状の水を用いたプラズマ(水プラズマ)を用いて結晶粒のサイズが大きいZnO膜を形成し、その後、酸素プラズマを用いてZnO膜のキャリア量を低減させて、半導体素子における移動度を向上させる。このため、水プラズマの他に酸素ガスを用いたプラズマを生成するといった煩雑なプロセスを用いる。しかし、本実施形態では、水を用いたプラズマを生成してZnO膜を形成するとき、成膜空間に酸素ガスを同時に導入することにより、図3(a)に示すように、ZnO膜に含まれる炭素原子の量を低減することができる。このため、従来のような煩雑なプロセスを用いることなく、移動度の高い半導体素子を実現するZnO膜を簡単なプロセスで容易に形成することができる。
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。
In the formation of the ZnO film of Patent Document 1 described above, a ZnO film having a large crystal grain size is formed using plasma (water plasma) using gaseous water, and then the carrier of the ZnO film using oxygen plasma. The amount is reduced and the mobility in the semiconductor element is improved. For this reason, a complicated process of generating plasma using oxygen gas in addition to water plasma is used. However, in this embodiment, when a ZnO film is formed by generating plasma using water, oxygen gas is simultaneously introduced into the film formation space, so that it is contained in the ZnO film as shown in FIG. The amount of carbon atoms generated can be reduced. Therefore, a ZnO film that realizes a semiconductor device with high mobility can be easily formed by a simple process without using a conventional complicated process.
In this embodiment, although it can be used suitably for semiconductor elements, such as TFT used for a flat panel display, it can apply also to the cell for solar cells besides a flat panel display.
以上、本発明のZnO膜形成方法及びZnO膜形成装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および変形例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 As described above, the ZnO film forming method and the ZnO film forming apparatus of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course, you may do it.
10 ZnO膜形成装置
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
10 ZnO
Claims (5)
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。 A method for forming a ZnO film, comprising:
A first step of adsorbing the organic metal on the substrate by flowing an organic metal gas containing Zn as a source gas above the substrate disposed in the film formation space;
After the organic metal is adsorbed on the substrate, gaseous water is introduced into the deposition space and oxygen gas is introduced as a purge gas to generate plasma in the deposition space, thereby forming a ZnO film. A second step of forming,
The ZnO film forming method, wherein the first step and the second step are continuously repeated until the thickness of the ZnO film reaches a predetermined thickness.
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前記成膜空間に前記原料ガスを導入させるように制御し、前記原料ガスの導入を停止した後、前記成膜空間に前記ガス状の水を導入するとともにパージガスとして前記酸素ガスを導入して前記成膜空間内で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。 An atomic layer growth apparatus,
A film formation container having a film formation space in which a substrate is disposed;
A plasma generation unit that is provided in the film formation space and generates plasma;
A gas supply unit for introducing each of an organic metal source gas containing Zn, gaseous water, and oxygen gas into the film formation space;
A controller that controls the timing of introduction of each of the source gas, the water, and the oxygen gas and the timing of feeding power to the plasma generation unit, and the controller includes the substrate. the controlled so as to introduce the raw material gas into the film forming space was the after stopping the introduction of the raw material gas, and introducing the oxygen gas as the purge gas is introduced to the gaseous water in the film forming space A ZnO film forming apparatus , wherein the plasma generating unit is controlled to generate plasma in the film forming space .
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