JPH0812316A - Sputtering film formation of silicon base thin film - Google Patents

Sputtering film formation of silicon base thin film

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JPH0812316A
JPH0812316A JP14825894A JP14825894A JPH0812316A JP H0812316 A JPH0812316 A JP H0812316A JP 14825894 A JP14825894 A JP 14825894A JP 14825894 A JP14825894 A JP 14825894A JP H0812316 A JPH0812316 A JP H0812316A
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JP
Japan
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thin film
film
target
silicon
sputtering
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JP14825894A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuhiko Akao
安彦 赤尾
Kunio Masushige
邦雄 増茂
Makoto Noshiro
誠 能代
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AG Technology Co Ltd
Original Assignee
AG Technology Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable to reduce impurities, form a large area thin film, form a film at high speed, and to form a thin film that has high adhesion strength and is dense. CONSTITUTION:In this sputtering film forming method of a silicon base thin film, silicon having specific resistance of >=500OMEGA.cm is used as a target material 8, and while DC bias is applied to the target 8, plasma 4 formed inside a film forming chamber is made to have the shape of a sheet located almost in parallel to the surface of the target 8 to form a silicon base thin film on the surface of a substrate 10 arranged in the film forming chamber. In this method, since the use of harmful and explosive gas, such as gaseous SiH4 is not required as in the conventional method and a material easy to handle such as Si, Ar, O2 and N2 is able to be used for film formation, safety measure can be reduced and cost-cutting in mass production process is attained. Since gaseous H2 is used at low concentration and is, mixed with gaseous Ar, it is easy to handle.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば液晶表示装置
(LCD)用のシリコン系薄膜、特にTFT(Thin Fil
m Transistor)構成用のシリコン系薄膜を高速に形成す
ることが可能なシリコン系薄膜のスパッタリング成膜方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon-based thin film for a liquid crystal display (LCD), especially a TFT (Thin Film).
The present invention relates to a sputtering method for forming a silicon-based thin film capable of forming a silicon-based thin film for m transistor formation at high speed.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば画像表示分野において、液晶表示
装置(LCD)に使用される機能性薄膜に対しては、以
下の4項目を満たすことが要求されている。但し、
〈 〉内は、LCD用途としての目的を示す。
2. Description of the Related Art For example, in the field of image display, functional thin films used for liquid crystal display devices (LCDs) are required to satisfy the following four items. However,
The purpose in LCD is shown in <>.

【0003】(1)膜中に取り込まれる不純物の低減。
不純物1ppm以下の実現。〈表示素子の高集積化と高
感度化〉 (2)大面積の薄膜形成方法の確立。〈表示画面の大画
面化〉 (3)高速成膜方法の確立。〈表示画面の低コスト化〉 (4)高い付着強度と、緻密な膜構造を有する薄膜形成
方法の確立。〈表示画面の耐久性向上〉 従来、上述の機能性薄膜としては、シリコン系薄膜が多
用されている。このシリコン系薄膜は、例えば次の3種
成膜法で形成される。
(1) Reduction of impurities taken into the film.
Realization of impurities of 1 ppm or less. <High integration and high sensitivity of display element> (2) Establishment of large area thin film formation method. <Enlargement of display screen> (3) Establishment of high-speed film forming method. <Lower cost of display screen> (4) Establishment of thin film forming method having high adhesion strength and dense film structure. <Improvement of Durability of Display Screen> Conventionally, a silicon-based thin film is often used as the functional thin film. This silicon-based thin film is formed by, for example, the following three types of film forming methods.

【0004】(イ)プラズマCVD法:ある気体(常温
以下に沸点のある物質)を一あるいは数種類、容器の中
に入れて高温にすると、気体の種類によって反応が生
じ、蒸気圧の低い物質が生成する。これが気相成長 (Ch
emical Vaper Deposition,CVDと略記される) といわ
れる薄膜成長の過程であり、この成長方法を利用した成
膜法が、CVD法である。さらに、CVD装置に放電を
行わせる装置を組み合わせた装置を用いて、上記の気体
をプラズマ化することにより、低温でも薄膜の形成を可
能とした方法が、プラズマCVD法である。
(A) Plasma CVD method: When one or several kinds of a certain gas (a substance having a boiling point below room temperature) is placed in a container and heated to a high temperature, a reaction occurs depending on the kind of the gas, and a substance having a low vapor pressure is generated. To generate. This is vapor growth (Ch
It is a process of thin film growth called abbreviated as emical vapor deposition (CVD), and a film forming method utilizing this growth method is a CVD method. Further, a plasma CVD method is a method that enables formation of a thin film even at low temperature by converting the above gas into plasma by using an apparatus in which a CVD apparatus is combined with an apparatus for discharging.

【0005】このプラズマCVD法において、シリコン
系薄膜を形成する場合には、例えば気体としてSiH4
ガスを用いる方法が公知である。他の成膜法に比べて、
低温で大面積の薄膜が形成できる反面、次のような短所
がある。
In the plasma CVD method, when a silicon-based thin film is formed, for example, SiH 4 is used as a gas.
Methods using gas are known. Compared with other film forming methods,
Although a large area thin film can be formed at low temperature, it has the following disadvantages.

【0006】(a)SiH4 ガスは、スパッタリング用
のターゲットに比べて2桁以上多い不純物を含むことか
ら、膜中の不純物量が多い。
(A) Since the SiH 4 gas contains two or more orders of magnitude more impurities than the sputtering target, the amount of impurities in the film is large.

【0007】(b)膜の形成速度は10nm/min程
度であるが、量産性という面からさらなる高速化が望ま
れる。
(B) The film formation speed is about 10 nm / min, but a higher speed is desired in terms of mass productivity.

【0008】(c)SiH4 ガスは、有毒かつ爆発性が
あることから、安全対策が必要不可欠でありコスト高の
原因となっている。
Since (c) SiH 4 gas is toxic and explosive, safety measures are indispensable and cause a high cost.

【0009】(ロ)真空蒸着法:真空蒸着とは、真空中
で薄膜にしようとする物質を加熱蒸発させ、これをある
面に付着させて薄膜を成長する過程であり、この成長方
法を利用した成膜法が、真空蒸着法である。
(B) Vacuum evaporation method: Vacuum evaporation is a process of heating and evaporating a substance to be formed into a thin film in a vacuum and adhering it to a certain surface to grow a thin film. This growth method is used. The formed film forming method is a vacuum evaporation method.

【0010】この真空蒸着法において、シリコン系薄膜
を形成する場合には、例えば高純度のSiを加熱蒸発す
る物質として用いる方法が公知である。他の成膜法より
2桁〜3桁超高真空内で成膜可能なため、膜中への不純
物取り込み量が少なく、高純度な薄膜が形成できる反
面、次のような短所がある。
In the vacuum deposition method, when a silicon-based thin film is formed, for example, a method of using high-purity Si as a substance for heating and evaporating is known. Since it is possible to form a film in an ultrahigh vacuum of 2 to 3 orders of magnitude as compared with other film forming methods, the amount of impurities taken into the film is small and a high-purity thin film can be formed, but on the other hand, it has the following disadvantages.

【0011】(a)薄膜形成速度の増加と、大面積でか
つ膜厚分布のよい薄膜の形成との両立が難しい。
(A) It is difficult to simultaneously increase the thin film formation rate and form a thin film having a large area and a good film thickness distribution.

【0012】(b)膜中に構造欠陥(例えば、Si原子
の未結合手であるダングリングボンド)が発生しやす
い。また、化合物の形成が困難なため、この構造欠陥を
修復できない。
(B) Structural defects (for example, dangling bonds which are dangling bonds of Si atoms) are likely to occur in the film. Further, since it is difficult to form a compound, this structural defect cannot be repaired.

【0013】(c)加熱蒸発というエネルギーで物質が
付着するため、膜の付着強度は弱く、かつ緻密な膜を形
成するのが難しい。
(C) Since the substance is attached by the energy of heating and evaporation, the adhesion strength of the film is weak and it is difficult to form a dense film.

【0014】(ハ)スパッタリング法:スパッタリング
とは、固体の表面に高エネルギーの粒子(多くは電場で
加速された正イオンを指す。また、この正イオンを発生
させることを「放電」という)を衝突させると、その固
体の表面の原子・分子が、それらの高エネルギー粒子と
運動量を交換して表面から外へはじき出される現象であ
り、この現象を利用して基板に薄膜を形成する成膜法
が、スパッタリング法である。
(C) Sputtering method: Sputtering refers to high-energy particles (mostly positive ions accelerated by an electric field on the surface of a solid, and generating this positive ion is called "discharge"). This is a phenomenon in which atoms and molecules on the surface of the solid are exchanged with momentum of high-energy particles to be ejected from the surface when they collide, and this phenomenon is used to form a thin film on the substrate. Is the sputtering method.

【0015】スパッタリング法では、上記の固体すなわ
ち薄膜を形成する母材(一般的に「ターゲット」と呼
ぶ)に高電圧を印加して、例えば放電を起こすガスとし
てArガスを用い、電離させた高エネルギー粒子をター
ゲットに衝突させる。その印加電源としては、直流(D
C)と交流(RF)の2種類が用いられる。ここでは、
DC(RF)電源を用いた場合の成膜法は、DC(R
F)スパッタ法と呼称することにする。
In the sputtering method, a high voltage is applied to a base material (generally called a "target") for forming the above-mentioned solid, that is, a thin film, and Ar gas is used as a gas for causing discharge, for example. Energetic particles collide with the target. Direct current (D
Two types are used: C) and alternating current (RF). here,
When a DC (RF) power source is used, the film forming method is DC (R
F) It will be called a sputtering method.

【0016】スパッタリング法は、他の成膜法より、付
着強度が高く、かつ緻密な膜構造の薄膜が形成できる。
特に、DCスパッタ法は、RFスパッタ法に比べて高速
成膜が可能であるが、次のような短所がある。
The sputtering method has a higher adhesion strength than other film forming methods and can form a thin film having a dense film structure.
In particular, the DC sputtering method enables higher speed film formation than the RF sputtering method, but has the following disadvantages.

【0017】(a)絶縁物ターゲット、すなわち比抵抗
の高い高純度なSiターゲットは、ターゲット表面がチ
ャージアップしてしまうため、スパッタリングができな
い。
(A) An insulator target, that is, a high-purity Si target having a high specific resistance, cannot be sputtered because the target surface is charged up.

【0018】(b)膜中の構造欠陥(例えば、Si原子
の未結合手であるダングリングボンド)を減らすため、
純水素(H2 )などの反応性ガスを純アルゴン(Ar)
と混合して用いると、膜の形成速度は大幅に低下する
(例えば、反応性ガスを用いない場合と比較して、1/
2〜1/4の成膜速度)。
(B) To reduce structural defects in the film (for example, dangling bonds which are dangling bonds of Si atoms),
A reactive gas such as pure hydrogen (H 2 ) is added to pure argon (Ar).
When used as a mixture with, the formation rate of the film is significantly reduced (for example, 1/100% compared to the case where no reactive gas is used).
Deposition rate of 2 to 1/4).

【0019】(c)ターゲット表面に異物が不連続に形
成されやすいため、ターゲット表面にて異常放電が発生
しやすい。
(C) Since foreign matter is likely to be formed discontinuously on the target surface, abnormal discharge is likely to occur on the target surface.

【0020】また、RFスパッタ法は、DCスパッタ法
に比べて絶縁物ターゲットのスパッタが可能なため、高
純度なSiターゲット利用することによって、膜中に取
り込まれる不純物の低減が可能であるが、次のような短
所がある。
Further, since the RF sputtering method can sputter an insulator target as compared with the DC sputtering method, it is possible to reduce impurities taken into the film by using a high-purity Si target. It has the following disadvantages.

【0021】(d)放電を起こすガスとしてArガスを
用いた場合でも、DCスパッタ法に比べて膜の形成速度
が1/2程度に低下する。
(D) Even when Ar gas is used as the gas for causing the discharge, the film forming rate is reduced to about 1/2 of that of the DC sputtering method.

【0022】(e)膜中の構造欠陥(例えば、Si原子
の未結合手であるダングリングボンド)を減らすため、
純水素(H2 )などの反応性ガスを純アルゴン(Ar)
と混合して用いると、さらに膜の形成速度が大幅に低下
する(例えば、反応性ガスを用いないRFスパッタ法と
比較して、1/2〜1/4の成膜速度であるが、反応性
ガスを用いないDCスパッタ法と比較すると、1/4〜
1/8に低下してしまう)。
(E) To reduce structural defects in the film (for example, dangling bonds which are dangling bonds of Si atoms),
A reactive gas such as pure hydrogen (H 2 ) is added to pure argon (Ar).
When it is used as a mixture, the film formation rate is further significantly reduced (for example, the film formation rate is 1/2 to 1/4 as compared with the RF sputtering method using no reactive gas, Compared with the DC sputtering method that does not use a reactive gas,
It will be reduced to 1/8).

【0023】以上のとおり、各成膜法とも一長一短あ
り、上述の液晶表示装置(LCD)にも使用可能な機能
性薄膜に対する4項目からなる要求事項を全て満たすこ
とができる成膜法はまだ存在しないため、その確立が望
まれていた。
As described above, each film forming method has advantages and disadvantages, and there is still a film forming method capable of satisfying all the four requirements for the functional thin film that can be used in the liquid crystal display (LCD). Therefore, the establishment was desired.

【0024】[0024]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した液
晶表示装置(LCD)にも使用可能な機能性薄膜に対し
て要求されている以下の4項目を解決することが可能な
シリコン系薄膜のスパッタリング成膜方法を提供するこ
とを目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention can solve the following four items required for a functional thin film that can be used in the above-mentioned liquid crystal display device (LCD). It is an object of the present invention to provide a sputtering film forming method.

【0025】(1)膜中に取り込まれる不純物の低減。
不純物1ppm以下の実現。
(1) Reduction of impurities taken in the film.
Realization of impurities of 1 ppm or less.

【0026】(2)ターゲット利用効率の高い、大面積
な薄膜形成方法の確立。
(2) Establishment of a large area thin film forming method with high target utilization efficiency.

【0027】(3)高速成膜方法の確立。(3) Establishment of high-speed film forming method.

【0028】(4)高い付着強度と、緻密な膜構造を有
する薄膜形成方法の確立。
(4) Establishment of a thin film forming method having high adhesion strength and a dense film structure.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン系薄膜
のスパッタリング成膜方法は、シリコン系薄膜のスパッ
タリング成膜方法において、500Ω・cm以上の比抵
抗を有するシリコン(Si)をターゲット材料に用い、
該シリコンターゲットに直流バイアスを印加しながら、
成膜室の内部に形成されるプラズマを、該シリコンター
ゲットの表面と略平行に位置するシート形状として、該
成膜室内に配置された基体の表面上にシリコン系薄膜を
形成することを特徴とする。
According to the method for forming a thin film of a silicon-based thin film of the present invention, in the method for forming a thin film of a silicon-based thin film by sputtering, silicon (Si) having a specific resistance of 500 Ω · cm or more is used as a target material. ,
While applying a DC bias to the silicon target,
The plasma formed inside the film forming chamber is formed into a sheet shape that is positioned substantially parallel to the surface of the silicon target, and a silicon-based thin film is formed on the surface of the substrate arranged inside the film forming chamber. To do.

【0030】また、本発明のシリコン系薄膜のスパッタ
リング成膜方法は、前記シリコンターゲットの幅を、シ
ート形状をなす前記プラズマの幅よりも小さくすること
を特徴とする。
Further, the sputtering method for forming a silicon-based thin film of the present invention is characterized in that the width of the silicon target is made smaller than the width of the plasma forming a sheet shape.

【0031】さらに、本発明のシリコン系薄膜のスパッ
タリング成膜方法は、前記成膜室に、水素(H2 )ガ
ス、酸素(O2 )ガス、窒素(N2 )ガスのうち少なく
とも1つの反応性ガスを導入し、水素、酸素、窒素のう
ち少なくとも1つを含むシリコン系薄膜を形成すること
を特徴とする。
Further, in the method for forming a silicon-based thin film by sputtering according to the present invention, at least one reaction of hydrogen (H 2 ) gas, oxygen (O 2 ) gas and nitrogen (N 2 ) gas is carried out in the film forming chamber. Characteristic gas is introduced to form a silicon-based thin film containing at least one of hydrogen, oxygen, and nitrogen.

【0032】[0032]

【作用】本発明の作用を、本発明をなすに際して得た知
見とともに説明する。
The operation of the present invention will be described together with the findings obtained in making the present invention.

【0033】上述した液晶表示装置(LCD)にも使用
可能な機能性薄膜を形成する際の課題、すなわち、
(1)膜中に取り込まれる不純物の低減。不純物1pp
m以下の実現、(2)ターゲット利用効率の高い、大面
積な薄膜形成方法の確立、(3)高速成膜方法の確立、
(4)高い付着強度と、緻密な膜構造を有する薄膜形成
方法の確立、のうち、(2)〜(4)に対する解決策
が、特開平2−104663号公報に提案されている。
Problems in forming a functional thin film usable for the above-mentioned liquid crystal display (LCD), that is,
(1) Reduction of impurities taken into the film. Impurity 1pp
realization of m or less, (2) establishment of a large area thin film formation method with high target utilization efficiency, (3) establishment of high speed film formation method,
(4) Among the establishment of a thin film forming method having high adhesion strength and a dense film structure, a solution to (2) to (4) is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-104663.

【0034】本公報には、アーク放電プラズマ流を磁場
によってシート状に変形し、該シートプラズマの中のイ
オンを、シートプラズマに対して負の電位に保たれたタ
ーゲットに加速してスパッタリングを行い、シートプラ
ズマを挟んで該ターゲットと対向して配置した基体上に
被膜を形成する方法およびその装置が記載されている。
In this publication, the arc discharge plasma flow is deformed into a sheet by a magnetic field, and the ions in the sheet plasma are accelerated to a target kept at a negative potential with respect to the sheet plasma to perform sputtering. , A method for forming a coating film on a substrate arranged to face the target with a sheet plasma interposed therebetween, and an apparatus therefor.

【0035】このシートプラズマスパッタリング法は、
従来のDCスパッタ法の欠点、すなわち「ターゲット自
身がプラズマ生成用放電陰極を兼ねていること」が原因
で発生していた以下の問題を解消した。
This sheet plasma sputtering method is
The following problems, which have occurred due to the drawback of the conventional DC sputtering method, that is, "the target itself also serves as the discharge cathode for plasma generation", are solved.

【0036】ア)高い放電電圧が必要で、グロー放電に
限定されるため成膜速度が遅い、 イ)アーク放電に比較して成膜時のガス圧が高い(例え
ばアルゴンガスの場合は3×10-3Torr〜3×10
-2Torr)、 ウ)大面積な薄膜形成と高いターゲット利用効率の両立
が難しい。
A) A high discharge voltage is required, and the film formation rate is slow because it is limited to glow discharge. B) The gas pressure during film formation is higher than that in arc discharge (for example, 3 × in the case of argon gas). 10 -3 Torr ~ 3 x 10
-2 Torr), c) It is difficult to achieve both large area thin film formation and high target utilization efficiency.

【0037】その結果、このシートプラズマスパッタリ
ング法は、従来のDCスパッタ法の欠点、すなわち「タ
ーゲット自身がプラズマ生成用放電陰極を兼ねているこ
と」が原因で発生していた以下の4つの問題点、(a)
大面積な薄膜形成と高いターゲット利用効率の両立が難
しい、(b)高い比抵抗を有する物質をターゲット材料
として使用できない、(c)成膜時のガス圧が高いため
成膜速度が低下する、(d)異常放電が発生しやすい、
のうち、(a)と(c)の問題点を解消することができ
た。
As a result, the sheet plasma sputtering method has the following four problems caused by the drawback of the conventional DC sputtering method, that is, "the target itself also serves as the discharge cathode for plasma generation". , (A)
It is difficult to achieve both large-area thin film formation and high target utilization efficiency, (b) a material having a high specific resistance cannot be used as a target material, (c) a high gas pressure during film formation reduces the film formation rate, (D) Abnormal discharge is likely to occur,
Among them, the problems of (a) and (c) could be solved.

【0038】しかし、上記公報の実施例では、導電性の
ターゲット材料を使った場合のみ報告されており、比抵
抗の高いターゲット材料は未検討である。ところで、ス
パッタリング法における一般的な考え方からすれば、比
抵抗の高いターゲットにDCバイアスをいくら印加して
も、安定したスパッタ現象は生じず、ましてや高速成膜
は望めない。
However, in the examples of the above publications, it is reported only when a conductive target material is used, and a target material having a high specific resistance has not been studied. According to the general idea of the sputtering method, no matter how much the DC bias is applied to the target having a high specific resistance, a stable sputtering phenomenon does not occur, and much faster film formation cannot be expected.

【0039】そこで、本発明者は、上述の高効率シート
プラズマスパッタリング方法に関して、基本的見直しを
行った。その結果、ターゲット材料を比抵抗の高いも
の、例えば高純度のシリコン(Si)とした場合でも、
ターゲットへのDCバイアス印加に加えて、シートプラ
ズマとターゲットの間隔、シートプラズマの厚さ、およ
びシートプラズマ電流値などを最適化することにより、
安定したスパッタリングが可能であることを見いだし
た。
Therefore, the present inventor has made a fundamental review of the above-described high-efficiency sheet plasma sputtering method. As a result, even if the target material has a high specific resistance, for example, high-purity silicon (Si),
By optimizing the distance between the sheet plasma and the target, the thickness of the sheet plasma, and the sheet plasma current value in addition to the DC bias application to the target,
It has been found that stable sputtering is possible.

【0040】この状況をさらに調査したところ、従来ス
パッタリングできなかった比抵抗の高いSiターゲット
を用いた場合でも、シリコン系薄膜の形成速度は、上記
シートプラズマ電流値に比例することがわかった。その
理由は、上述の高効率シートプラズマスパッタリング方
法では、ターゲットの比抵抗の高低の依存せず、上記シ
ートプラズマ電流が増加するにつれて、ターゲットの印
加電流も増加するためではないかと考えられる。
Further investigation of this situation revealed that the formation rate of the silicon-based thin film was proportional to the sheet plasma current value even when a Si target having a high specific resistance, which could not be conventionally sputtered, was used. It is considered that the reason is that in the above-described high-efficiency sheet plasma sputtering method, the applied current to the target also increases as the sheet plasma current increases, without depending on whether the specific resistance of the target is high or low.

【0041】この現象を利用すれば、上述のスパッタリ
ング法における問題点(b)、すなわち「絶縁物ターゲ
ットの使用ができない」という問題は解決できることが
判明した。つまり、比抵抗の高い高純度なSiターゲッ
トを用いた成膜が、可能になったのである。この事は、
上述した液晶表示装置(LCD)に使用される機能性薄
膜を形成する際の課題の(1)、すなわち「膜中に取り
込まれる不純物の低減」を実現できる可能性がでてきた
ことを意味する。
By utilizing this phenomenon, it was found that the problem (b) in the above-mentioned sputtering method, that is, the problem that "the insulator target cannot be used" can be solved. That is, film formation using a high-purity Si target with high specific resistance has become possible. This thing is
This means that there is a possibility that the problem (1) in forming the functional thin film used in the liquid crystal display (LCD) described above, that is, “reduction of impurities taken into the film” can be realized. .

【0042】なお、高い比抵抗のターゲットを用いる
と、ターゲット表面で異常放電が発生する場合もある。
発明者は、この状況をさらに調査したところ、ターゲッ
トの幅を、シートプラズマの幅よりも小さくした場合、
異常放電の発生をほぼ完全に抑えられることを見いだし
た。つまり、Siターゲットの幅とシートプラズマの幅
との比率を1未満とすれば、上述のスパッタリング法に
おける問題点(d)、すなわち「異常放電が発生しやす
い」という問題も解決できることが判明した。その結
果、大電力を安定してターゲットに投入することが可能
となり、量産性の高いプロセスを構築できる。
When a target having a high specific resistance is used, abnormal discharge may occur on the target surface.
The inventor further investigated this situation, and when the width of the target was made smaller than the width of the sheet plasma,
It was found that the occurrence of abnormal discharge can be suppressed almost completely. That is, it has been found that the problem (d) in the above-mentioned sputtering method, that is, the problem that "abnormal discharge easily occurs" can be solved by setting the ratio of the width of the Si target to the width of the sheet plasma to be less than 1. As a result, a large amount of power can be stably applied to the target, and a process with high mass productivity can be constructed.

【0043】また、発明者は、膜中の構造欠陥を低減す
る目的で、成膜室に反応性ガスを導入してシリコン系薄
膜の形成を試みた。その結果、反応性ガスを用いて、水
素、酸素、窒素のうち少なくとも1つを含むシリコン系
薄膜を形成する場合においても、上述の反応性ガスを用
いない場合と同様の作用があることがわかった。従っ
て、ターゲット材料中に含まれていた不純物に影響され
ずに、かつ安定した放電状態の下で、効率的に膜中の構
造欠陥を低減することが可能となるため、電気的特性を
より改善できる。
The inventor also tried to form a silicon-based thin film by introducing a reactive gas into the film forming chamber in order to reduce structural defects in the film. As a result, it was found that even when a reactive gas is used to form a silicon-based thin film containing at least one of hydrogen, oxygen, and nitrogen, the same action as that when the reactive gas is not used is obtained. It was Therefore, it is possible to efficiently reduce the structural defects in the film under the stable discharge condition without being affected by the impurities contained in the target material, and further improve the electrical characteristics. it can.

【0044】さらに、本発明では、従来のCVD法のよ
うに有毒かつ爆発性があるSiH4ガスを使用する必要
はなく、取扱いが容易である原料すなわちSi、Ar、
2、N2 などで成膜ができるため、安全対策を軽減で
き、量産プロセスの低コスト化が達成できる。また、H
2 ガスは、Arガスと混合して低濃度で用いるので取扱
いは容易である。
Further, in the present invention, it is not necessary to use toxic and explosive SiH 4 gas as in the conventional CVD method, and raw materials that are easy to handle, namely Si, Ar,
Since it is possible to form a film with O 2 , N 2, etc., it is possible to reduce safety measures and reduce the cost of the mass production process. Also, H
The 2 gas is easy to handle because it is used in a low concentration by mixing with Ar gas.

【0045】上述したとおり、高効率シートプラズマス
パッタリング方法を用い、かつそのシートプラズマ電流
値と、ターゲット幅に対するシートプラズマ幅の比率と
を、適当に制御することにより、比抵抗の高い、高純度
のシリコン(Si)ターゲットに対しても、安定したD
Cスパッタが可能となった。
As described above, the high-efficiency sheet plasma sputtering method is used, and by appropriately controlling the sheet plasma current value and the ratio of the sheet plasma width to the target width, a high specific resistance and high purity can be obtained. Stable D for silicon (Si) targets
C sputtering is now possible.

【0046】従って、本願のシリコン系薄膜のスパッタ
リング成膜方法によれば、上述した液晶表示装置(LC
D)に使用される機能性薄膜を形成する際の課題、すな
わち、(1)膜中に取り込まれる不純物の低減、(2)
ターゲット利用効率の高い、大面積な薄膜形成方法の確
立、(3)高速成膜方法の確立、(4)高い付着強度
と、緻密な膜構造を有する薄膜形成方法の確立、という
4つの課題は全て解決できたことになる。
Therefore, according to the sputtering film forming method for a silicon-based thin film of the present application, the above-mentioned liquid crystal display device (LC
Problems in forming the functional thin film used in D), that is, (1) reduction of impurities taken into the film, (2)
There are four issues: establishment of a thin film formation method with high target utilization efficiency and large area, (3) establishment of high-speed film formation method, (4) establishment of a thin film formation method having high adhesion strength and a dense film structure. That's all solved.

【0047】Siターゲット材料としては、比抵抗が5
00Ω・cm以上のものが用いられる。成膜速度の高い
DC電源を用いた従来のDCスパッタの場合、比抵抗の
高い高純度Si(500Ω・cm以上)をターゲットに
用いると、ターゲット部での電圧降下が大きく、ターゲ
ット自身がプラズマ生成用の電極を兼ねているため、プ
ラズマは発生しないか発生しても極めて弱いものとな
る。その結果、スパッタリングが起こらないため成膜で
きないか、もしくは成膜できても極めて成膜速度が遅
い。この解決策として、一般には、高純度Si中にリン
(P)やボロン(B)を適当量ドープして、比抵抗を1
-1〜10-2Ω・cm程度に抑えた低純度Siがターゲ
ットとして用いられる。このため、薄膜の電気的な特性
制御にも利用されるリン(P)やボロン(B)が、Si
膜中に不確定な量存在することになり芳しくない。
The Si target material has a specific resistance of 5
A material of 00 Ω · cm or more is used. In the case of conventional DC sputtering using a DC power source with a high film formation rate, if high-purity Si (500 Ω · cm or more) with high specific resistance is used as the target, a large voltage drop occurs in the target section and the target itself generates plasma. Since it also serves as an electrode for plasma, plasma is not generated or becomes extremely weak even if generated. As a result, film formation cannot be performed because sputtering does not occur, or even if film formation is possible, the film formation rate is extremely slow. As a solution to this problem, in general, high-purity Si is doped with an appropriate amount of phosphorus (P) or boron (B) to obtain a specific resistance of 1
Low-purity Si, which is suppressed to about 0 −1 to 10 −2 Ω · cm, is used as a target. Therefore, phosphorus (P) and boron (B), which are also used to control the electrical characteristics of the thin film, are
It is not good because it is present in an indefinite amount in the film.

【0048】一方、RF電源を用いたRFスパッタの場
合、比抵抗の高い高純度Siを利用できるが、DCスパ
ッタの場合と比較して、成膜速度が1/2程度に低下す
るため量産的に好ましくない。それに対し、本発明で
は、後述するシートプラズマ型スパッタリング成膜装置
を、適当な成膜条件下で用いることにより、ターゲット
への印加電源はDC電源のままでも、スパッタリングが
持続できるため、高純度のSiターゲット材料が利用可
能となったのである。
On the other hand, in the case of RF sputtering using an RF power source, high-purity Si having a high specific resistance can be used, but since the film formation rate is reduced to about half that in the case of DC sputtering, mass production is possible. Not good for On the other hand, in the present invention, by using the sheet plasma type sputtering film forming apparatus described below under appropriate film forming conditions, sputtering can be continued even when the DC power source is applied to the target, and therefore high purity is achieved. The Si target material is now available.

【0049】ガス材料としては、例えば高純度のアルゴ
ン(Ar)、水素(H2 )、酸素(O2 )、窒素(N
2 )およびこれらの混合ガスが好ましい。SiH4 ガス
を用いても成膜は可能だが、有毒かつ爆発性があるため
芳しくない。また、Arガスと反応性ガスを用いて、水
素、酸素、窒素のうち少なくとも1つを含むシリコン系
薄膜にすると、シリコン系薄膜中のSi原子のボンドの
うち、結合に授からないボンド、すなわちダングリング
ボンドに、これらの水素、酸素、窒素が結合することに
より、Arガスのみ用いて形成したシリコン系薄膜より
も膜中の構造欠陥を低減させることができるためより好
ましい。
Examples of the gas material include high-purity argon (Ar), hydrogen (H 2 ), oxygen (O 2 ), nitrogen (N
2 ) and mixed gases thereof are preferred. Film formation is possible using SiH 4 gas, but it is not good because it is toxic and explosive. In addition, when a silicon-based thin film containing at least one of hydrogen, oxygen, and nitrogen is formed by using Ar gas and a reactive gas, among bonds of Si atoms in the silicon-based thin film, a bond that cannot be bonded, that is, The bonding of these hydrogen, oxygen, and nitrogen to the dangling bond is more preferable because it can reduce structural defects in the film as compared with a silicon-based thin film formed using only Ar gas.

【0050】なお、Arガスのみ用いて成膜したSi膜
は、一般的に膜中の構造欠陥が多く、非晶質であること
から、非晶質Si、すなわちアモルファスシリコン(以
下、「a−Si」と表記)と呼ばれている。また、上述
のように、膜中に水素、酸素、窒素などをドーピング処
理したa−Si薄膜は、水素化アモルファスシリコン
(以下、「a−Si:H」と表記)、酸化アモルファス
シリコン(以下、「a−Si:O」と表記)および窒化
アモルファスシリコン(以下、「a−Si:N」と表
記)と呼ばれる。
Since a Si film formed by using only Ar gas generally has many structural defects in the film and is amorphous, amorphous Si, that is, amorphous silicon (hereinafter referred to as "a- Si)). In addition, as described above, the a-Si thin film obtained by doping hydrogen, oxygen, nitrogen, etc. in the film is hydrogenated amorphous silicon (hereinafter, referred to as “a-Si: H”), amorphous silicon oxide (hereinafter, referred to as “a-Si: H”). It is referred to as "a-Si: O") and amorphous silicon nitride (hereinafter referred to as "a-Si: N").

【0051】成膜装置としては、例えば図3に示したシ
ートプラズマ型スパッタリング成膜装置(特開平2−1
04663号公報と同じ装置)を用いればよい。以下、
図3に従って本発明の成膜方法を説明する。
As the film forming apparatus, for example, the sheet plasma type sputtering film forming apparatus shown in FIG.
The same device as that of Japanese Patent No. 04663) may be used. Less than,
The film forming method of the present invention will be described with reference to FIG.

【0052】図3は、シートプラズマの厚み方向から見
た図であり、シートプラズマは紙面に垂直な方向に幅を
有している。図3において、1は圧力勾配型プラズマガ
ンであり、2は磁場に沿ったアーク放電円柱状プラズマ
流であり、3はその円柱状プラズマ流をシート状プラズ
マ流に変形する一対の角型永久磁石、4はシート状プラ
ズマ流である。5は、アーク放電のアノードであり、プ
ラズマガンとの間で放電を形成する。6はプラズマ引き
出し用の空芯コイルであり、プラズマガン1からアノー
ド5方向の磁場7を形成し、シート状プラズマ流4を安
定的にアノード5へ導く。8はシートプラズマ面からイ
オン流が入射するスパッタリング用Siターゲット(厚
みで示してある。図面に垂直な方向に大きな幅を有して
いる。)、9はターゲット8に、シートプラズマ4に対
して負のバイアス電圧を印加する直流電源、10はスパ
ッタリング粒子によって表面に薄膜が形成される基体を
それぞれ示している。11はプラズマガン1のカソード
に負の電圧を印加する直流電源であり、プラズマガン1
のカソードがアノード5との間でアーク放電を行い、ガ
ス導入口12から取り込んだArガスをプラズマ化する
のに用いられる。13は反応性スパッタをする時のガス
(H2 ,O2 ,N2 )を取り込むためのガス導入口であ
る。
FIG. 3 is a view seen from the thickness direction of the sheet plasma, and the sheet plasma has a width in the direction perpendicular to the paper surface. In FIG. 3, 1 is a pressure gradient type plasma gun, 2 is an arc discharge columnar plasma flow along a magnetic field, and 3 is a pair of rectangular permanent magnets that transform the columnar plasma flow into a sheet plasma flow. 4 is a sheet-shaped plasma flow. Reference numeral 5 denotes an arc discharge anode, which forms a discharge with the plasma gun. Reference numeral 6 denotes an air-core coil for drawing plasma, which forms a magnetic field 7 in the direction of the anode 5 from the plasma gun 1 and guides the sheet-shaped plasma flow 4 to the anode 5 in a stable manner. Reference numeral 8 denotes a sputtering Si target (shown by the thickness, which has a large width in a direction perpendicular to the drawing) on which an ion stream is incident from the sheet plasma surface, and 9 denotes a target 8 and a sheet plasma 4. A DC power supply 10 for applying a negative bias voltage indicates a substrate on which a thin film is formed on the surface by sputtering particles. Reference numeral 11 denotes a DC power source that applies a negative voltage to the cathode of the plasma gun 1.
The cathode is used for arc discharge between the cathode and the anode 5 to turn the Ar gas taken in through the gas inlet 12 into plasma. Reference numeral 13 is a gas introduction port for taking in gases (H 2 , O 2 , N 2 ) for reactive sputtering.

【0053】成膜室のガス圧、すなわちターゲット8と
基体10で挟まれた空間のガス圧は、背圧に起因するガ
スがSi薄膜中へ混入するのを防ぐため、1×10-4
1×10-3Torrとするのが好ましい。このガス圧範
囲は、ガスの種類や流量に依存しない。
The gas pressure in the film forming chamber, that is, the gas pressure in the space sandwiched between the target 8 and the substrate 10 is 1 × 10 −4 to prevent the gas due to the back pressure from mixing into the Si thin film.
It is preferably 1 × 10 −3 Torr. This gas pressure range does not depend on the type or flow rate of gas.

【0054】また基体10の温度は、Si薄膜に対する所
望の電気的特性や密着性によって選択されるが、通常の
場合は200〜350℃が好ましく、250〜300℃
がより好ましい。
The temperature of the substrate 10 is selected depending on the desired electrical characteristics and adhesion to the Si thin film, but in the usual case, it is preferably 200 to 350 ° C, and 250 to 300 ° C.
Is more preferable.

【0055】薄膜の結晶形態としては、結晶質であって
も非晶質であっても構わない。しかし、シリコン系薄膜
を液晶用の機能性薄膜として利用する場合は、膜中の構
造欠陥すなわちダングリングボンドを低減した非晶質S
i、すなわちアモルファスシリコン(a−Si)が多用
される。
The crystal form of the thin film may be crystalline or amorphous. However, when a silicon-based thin film is used as a functional thin film for liquid crystal, amorphous S in which structural defects in the film, that is, dangling bonds are reduced.
i, that is, amorphous silicon (a-Si) is often used.

【0056】本発明の方法により形成される薄膜の適用
デバイスとしては、例えば液晶表示装置(LCD)や各
種センサーに用いるTFT(Thin Film Transistor)、
太陽電池や感光体に用いる光電変換用の薄膜、あるいは
各種機器における保護膜などがある。
The thin film applied device formed by the method of the present invention is, for example, a TFT (Thin Film Transistor) used in a liquid crystal display (LCD) or various sensors,
There are thin films for photoelectric conversion used in solar cells and photoconductors, and protective films in various devices.

【0057】[0057]

【実施例】【Example】

(実施例1)図1は、本発明のSi薄膜を形成する際に
用いたSiターゲットの比抵抗と、形成されたSi薄膜
中の不純物濃度との関係を示す線図(図中の○印)であ
る。図1の中に記載した従来のDCマグネトロン型スパ
ッタリング成膜装置で形成したSi薄膜中の不純物濃度
の結果(図中の●印)は、放電可能なターゲットを用い
た場合について示してあり、その比抵抗が1×10-3Ω
・cmと1×10-4Ω・cmの場合である。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the specific resistance of the Si target used in forming the Si thin film of the present invention and the impurity concentration in the formed Si thin film (marked with a circle in the figure). ). The result of the impurity concentration in the Si thin film formed by the conventional DC magnetron type sputtering film-forming apparatus shown in FIG. 1 (marked with ● in the figure) is shown for the case where a target capable of discharging is used. Specific resistance is 1 × 10 -3 Ω
・ Cm and 1 × 10 −4 Ω · cm.

【0058】また、図2は、本発明のSi薄膜を形成す
る時の薄膜形成速度を示す線図(図中の○印)である。
比抵抗が1000Ω・cmのターゲットを使用した。
FIG. 2 is a diagram (marked with a circle in the figure) showing the thin film forming rate when the Si thin film of the present invention is formed.
A target having a specific resistance of 1000 Ω · cm was used.

【0059】上記の図1および図2で用いた成膜装置
は、図3に示したシートプラズマ型スパッタリング成膜
装置である。なお、上記のSi薄膜中の不純物濃度と
は、Si薄膜に取り込まれたリン(P)濃度とボロン
(B)濃度との和で示した。
The film forming apparatus used in FIGS. 1 and 2 is the sheet plasma type sputtering film forming apparatus shown in FIG. The impurity concentration in the Si thin film is represented by the sum of the phosphorus (P) concentration and the boron (B) concentration taken into the Si thin film.

【0060】以下、図3に従って本例の成膜手順を説明
する。
The film forming procedure of this example will be described below with reference to FIG.

【0061】ターゲット8としては、比抵抗ρが5×1
3 〜5×10-6Ω・cmの範囲にある各種Siターゲ
ットを用いた(但し、薄膜形成速度を確認する際は、比
抵抗ρが1000Ω・cmのSiターゲットを使用)。
ターゲット8のサイズは、厚さD=5mm(紙面の上下
方向)、幅W=100mm(紙面に垂直方向)、長さL
=350mm(紙面の左右方向)とした。また、基体1
0としては、旭硝子製の液晶用ガラス基板(ANガラ
ス)を配置した。基体10のサイズは、厚さD=1.1m
m(紙面の上下方向)、幅W=100mm(紙面に垂直
方向)、長さL=200mm(紙面の左右方向)とし
た。
The target 8 has a specific resistance ρ of 5 × 1.
Various Si targets in the range of 0 3 to 5 × 10 −6 Ω · cm were used (however, when confirming the thin film formation rate, a Si target with a specific resistance ρ of 1000 Ω · cm was used).
The size of the target 8 is as follows: thickness D = 5 mm (vertical direction of paper), width W = 100 mm (vertical to paper), length L
= 350 mm (left-right direction on paper). Also, the base 1
As 0, a glass substrate for liquid crystal (AN glass) manufactured by Asahi Glass was placed. The size of the substrate 10 has a thickness D = 1.1 m
m (vertical direction of paper surface), width W = 100 mm (vertical direction to paper surface), length L = 200 mm (horizontal direction of paper surface).

【0062】まず、スパッタリング成膜装置の真空槽内
を、真空排気装置(図示せず)で10-7Torr以下ま
で減圧した後、圧力勾配型プラズマガン1にガス導入口
12からArガスを取り込んだ。その時のArガス流量
は、30sccm一定とした。
First, the inside of the vacuum chamber of the sputtering film forming apparatus is decompressed to 10 −7 Torr or less by a vacuum exhaust device (not shown), and then Ar gas is introduced into the pressure gradient plasma gun 1 from the gas inlet 12. It is. The Ar gas flow rate at that time was fixed at 30 sccm.

【0063】次に、直流電源11を用いてプラズマガン
1のカソードに負の電圧Eを印加することにより、アノ
ード5とプラズマガンとの間でアーク放電円柱状プラズ
マ流1を発生させた。ここで、プラズマガン1のカソー
ド電圧Eは、10〜500Voltの範囲で可変とした。
Next, by applying a negative voltage E to the cathode of the plasma gun 1 using the DC power supply 11, the arc discharge columnar plasma flow 1 was generated between the anode 5 and the plasma gun. Here, the cathode voltage E of the plasma gun 1 is variable in the range of 10 to 500 Volt.

【0064】さらに、このアーク放電円柱状プラズマ流
1は、一対の角型永久磁石3を用いて、シート状プラズ
マ流に変形させた。このシート状プラズマ流は、厚さD
=15mm(紙面の上下方向)で、幅W=100mm
(紙面に垂直方向)であった。この時、シート状プラズ
マ流の厚み下端からターゲット8の表面までの距離は、
10mmであり、その厚み上端から基体10の表面まで
の距離は、45mmであった。
Further, the arc discharge columnar plasma flow 1 was transformed into a sheet plasma flow by using a pair of rectangular permanent magnets 3. This sheet-shaped plasma flow has a thickness D
= 15 mm (vertical direction of paper), width W = 100 mm
(Perpendicular to the paper surface). At this time, the distance from the thickness lower end of the sheet-shaped plasma flow to the surface of the target 8 is
The distance from the upper end of the thickness to the surface of the substrate 10 was 45 mm.

【0065】Si薄膜の形成条件は、基体10近傍のガス
圧を1mTorrr 、基体10の温度を270℃、成膜
時間を3分間とした。図1は、作製したSi薄膜に対し
て、膜中の不純物濃度(Si薄膜に取り込まれたリン
(P)濃度とボロン(B)濃度との和)を調べた結果で
ある。この不純物濃度測定は、オージェ電子分光法(Au
ger electron spectroscopy,AES)により行った。ま
た、図2の薄膜形成速度は、膜厚の測定値から求めた。
さらに、本例で作製したSi薄膜に関して、その膜構造
をX線回折法で調べたところ、全ての試料において回折
ピークはブロードであった。このことから、作製した全
てのSi薄膜は、非晶質の結晶構造すなわちアモルファ
ス構造をもつと判断した。従って、これ以降Si薄膜の
ことを、a−Si(amorphous −Si)薄膜と呼ぶこと
にする。
As the conditions for forming the Si thin film, the gas pressure near the substrate 10 was 1 mTorr, the temperature of the substrate 10 was 270 ° C., and the film forming time was 3 minutes. FIG. 1 shows the results of examining the impurity concentration (sum of phosphorus (P) concentration and boron (B) concentration incorporated in the Si thin film) in the produced Si thin film. This impurity concentration measurement is performed by Auger electron spectroscopy (Au
ger electron spectroscopy, AES). The thin film formation rate in FIG. 2 was obtained from the measured film thickness.
Furthermore, when the film structure of the Si thin film produced in this example was examined by an X-ray diffraction method, the diffraction peak was broad in all the samples. From this, it was judged that all the produced Si thin films had an amorphous crystal structure, that is, an amorphous structure. Therefore, hereinafter, the Si thin film will be referred to as an a-Si (amorphous-Si) thin film.

【0066】本例では、a−Si薄膜中の不純物濃度
を、従来例(図中に●印)より1桁小さく(1ppm以
下に)するためには、Siターゲットの比抵抗を500
Ω・cm以上とすることが必要であることがわかった
(図1参照)。従って、この条件を満たすSiターゲッ
トでa−Si薄膜を形成した場合、膜中への不純物取り
込み量を大幅に低減できると判断した。また、本例のa
−Si薄膜は、従来以上に高品位な電気的特性を有する
ことも別途判明した。
In this example, in order to reduce the impurity concentration in the a-Si thin film by an order of magnitude (1 ppm or less) compared with the conventional example (marked with ● in the figure), the resistivity of the Si target was set to 500.
It has been found that it is necessary to set Ω · cm or more (see FIG. 1). Therefore, it was determined that when an a-Si thin film was formed using a Si target that satisfied this condition, the amount of impurities taken into the film could be significantly reduced. In addition, a in this example
It was also separately found that the -Si thin film has higher-grade electrical characteristics than ever before.

【0067】さらに、本例では、ターゲットへのDCバ
イアス印加に加えて、シートプラズマとターゲットの間
隔、シートプラズマの厚さ、およびシートプラズマ電流
iなどを最適化すると、ターゲット8のバイアス電流I
が十分に大きく取れるため、高速スパッタリングが可能
となることを見いだした。そして、このバイアス電流I
は、上述のプラズマ電流iにほぼ比例することも確認で
きた。このプラズマ電流iは、プラズマガン1のカソー
ドに印加する負の電圧を増減することで変えた。
Further, in this example, when the distance between the sheet plasma and the target, the thickness of the sheet plasma, the sheet plasma current i, etc. are optimized in addition to the DC bias application to the target, the bias current I of the target 8 is
It has been found that high-speed sputtering is possible because of a sufficiently large value. Then, this bias current I
It was also confirmed that was substantially proportional to the above plasma current i. The plasma current i was changed by increasing or decreasing the negative voltage applied to the cathode of the plasma gun 1.

【0068】図2は、その測定結果を示す線図である。
この図2の横軸、すなわちスパッタリング電力とは、タ
ーゲット8に印加したバイアス電圧(500V固定)
と、上記のバイアス電流Iとの積である。図2から、本
例のシートプラズマ型スパッタリング成膜装置では、十
分な成膜速度でa−Si薄膜を形成できることが分かっ
た。
FIG. 2 is a diagram showing the measurement results.
The horizontal axis of FIG. 2, that is, the sputtering power is the bias voltage applied to the target 8 (fixed at 500 V).
And the above-mentioned bias current I. From FIG. 2, it was found that the sheet plasma type sputtering film forming apparatus of this example can form an a-Si thin film at a sufficient film forming rate.

【0069】一方、従来のDCマグネトロン型スパッタ
リング成膜装置では、安定な放電が維持できず、比抵抗
が1000Ω・cmと高いSiターゲットでの成膜はで
きなかった。
On the other hand, in the conventional DC magnetron type sputtering film forming apparatus, stable discharge could not be maintained, and film formation could not be performed on a Si target having a high specific resistance of 1000 Ω · cm.

【0070】従って、本例では、従来の成膜法が形成で
きなかった高純度なa−Si薄膜を、高速で作製できる
ため、高品質のa−Si薄膜を低コストで作製できる成
膜方法の提供が可能となった。
Therefore, in this example, a high-purity a-Si thin film, which could not be formed by the conventional film-forming method, can be produced at high speed, so that a high-quality a-Si thin film can be produced at low cost. Can be provided.

【0071】(実施例2)本例では、Siターゲットの
幅をシートプラズマの幅に対して増減させて、成膜時に
Siターゲット表面近傍で観測される異常放電の発生回
数を測定した。図4は、その測定結果を示す線図であ
る。この時、Siターゲットの比抵抗は、1000Ω・
cmに固定した。
Example 2 In this example, the width of the Si target was increased or decreased with respect to the width of the sheet plasma, and the number of occurrences of abnormal discharge observed near the surface of the Si target during film formation was measured. FIG. 4 is a diagram showing the measurement results. At this time, the resistivity of the Si target is 1000 Ω.
fixed to cm.

【0072】他の点は実施例1と同様とした。The other points were the same as in Example 1.

【0073】本例では、Siターゲットの幅とシートプ
ラズマの幅との比率を1未満とする、すなわちSiター
ゲットの幅をシートプラズマの幅よりも小さくすること
が、異常放電の回数を2回/分以下とするために必要で
あることがわかった。この条件を満たすように量産ライ
ンを構築することにより、歩留まりの高いシリコン系薄
膜の成膜方法の提供が可能となった。
In this example, the ratio of the width of the Si target to the width of the sheet plasma is set to less than 1, that is, the width of the Si target is made smaller than the width of the sheet plasma, the number of abnormal discharges is set to 2 times / It turns out that it is necessary to be less than a minute. By constructing a mass production line to satisfy this condition, it has become possible to provide a method for forming a silicon-based thin film with high yield.

【0074】(実施例3)本例では、実施例1のシート
状プラズマ流がArガスのみから形成されているのに代
えて、シート状プラズマ流を、Arガスと反応性ガス
(水素、酸素、窒素のうち少なくとも1つのガス)から
形成した。この時、Siターゲットの比抵抗は1000
Ω・cmに、Siターゲットの幅とシートプラズマの幅
との比率は0.8にそれぞれ固定した。他の点は実施例
1と同様とした。
(Example 3) In this example, instead of the sheet-shaped plasma flow of Example 1 formed only of Ar gas, the sheet-shaped plasma flow is changed to Ar gas and a reactive gas (hydrogen, oxygen). , At least one gas of nitrogen). At this time, the resistivity of the Si target is 1000
The ratio of the width of the Si target to the width of the sheet plasma was fixed at 0.8, respectively, at Ω · cm. The other points were the same as in Example 1.

【0075】図5は、本例の薄膜形成速度を示す線図で
ある。図中の記号は、それぞれ◎印=a−Si:H膜、
□印=a−Si:O膜、△印=a−Si:N膜である。
この時のa−Si薄膜形成速度は、従来例(図中の●
(H2 )印,●(O2 )印,●(N2 )印)の5倍以上
あることが分かった。
FIG. 5 is a diagram showing the thin film formation rate of this example. Symbols in the figure indicate ⊚ = a-Si: H film,
□ mark = a-Si: O film, Δ mark = a-Si: N film.
The a-Si thin film formation rate at this time is the same as that of the conventional example (● in the figure.
It was found that the amount was 5 times or more that of (H 2 ) mark, ● (O 2 ) mark, ● (N 2 ) mark).

【0076】また、本例のa−Si薄膜中の不純物濃度
の測定結果は、実施例1と同じ傾向であった。すなわち
a−Si薄膜中の不純物濃度を、従来より1桁小さく
(1ppm以下に)するためには、Siターゲットの比
抵抗を500Ω・cm以上とすることが必要であること
がわかった。
The measurement results of the impurity concentration in the a-Si thin film of this example showed the same tendency as in Example 1. That is, it has been found that the specific resistance of the Si target needs to be 500 Ω · cm or more in order to reduce the impurity concentration in the a-Si thin film by one order of magnitude (1 ppm or less) as compared with the prior art.

【0077】さらに、本例のa−Si薄膜を形成する場
合でも、上記の範囲の比抵抗を有するSiターゲットを
用いれば、Siターゲットの表面近傍で観測される異常
放電の発生は防止できた。
Further, even when the a-Si thin film of this example was formed, the occurrence of abnormal discharge observed near the surface of the Si target could be prevented by using the Si target having the specific resistance in the above range.

【0078】上述の結果は、作製したSi薄膜が結晶質
の場合、例えばSiOX 膜やSiNX 膜の場合にも同様
であることが確認できた。
It was confirmed that the above results are the same when the produced Si thin film is crystalline, for example, when it is a SiO x film or a SiN x film.

【0079】従って、本例では、Arガスと反応性ガス
を用いてシリコン系薄膜(a−Si薄膜、SiOX 膜、
SiNX 膜など)を形成する場合にも、膜中への不純物
取り込み量を大幅に低減でき、かつ高速形成が可能なこ
とが分かった。その結果、a−Si薄膜の場合は、膜中
の構造欠陥すなわちダングリングボンドを低減させる処
理の高速化が実現でき、上述のa−Si薄膜を利用した
デバイスを低コストで作製できる成膜方法の提供が可能
となった。また、Arガスと反応性ガス(水素、酸素、
窒素のうち少なくとも1つのガス)を用いた場合でも、
異常放電の発生という問題が解決できることから、安定
した成膜方法の提供が可能となった。
Therefore, in this example, a silicon-based thin film (a-Si thin film, SiO x film,
It has been found that even when a SiN x film or the like) is formed, the amount of impurities taken into the film can be significantly reduced and high-speed formation is possible. As a result, in the case of an a-Si thin film, a high-speed processing for reducing structural defects in the film, that is, dangling bonds, can be realized, and a device using the a-Si thin film described above can be manufactured at low cost. Can be provided. In addition, Ar gas and reactive gas (hydrogen, oxygen,
Even when using at least one gas of nitrogen)
Since the problem of occurrence of abnormal discharge can be solved, it is possible to provide a stable film forming method.

【0080】また、本発明では、従来のCVD法のよう
に有毒かつ爆発性があるSiH4 ガスを使用する必要は
なく、取扱いが容易である原料すなわちSi、Ar、O
2 、N2 などで成膜ができるため、各種安全対策に要す
る費用が軽減でき、量産プロセスの低コスト化が達成で
きる。また、H2 ガスは、Arガスと混合して低濃度で
用いるため取扱いは容易となった。
In the present invention, unlike the conventional CVD method, it is not necessary to use toxic and explosive SiH 4 gas, and the raw materials that are easy to handle, namely Si, Ar and O.
Since it is possible to form a film with 2 , N 2, etc., the cost required for various safety measures can be reduced, and the cost of the mass production process can be reduced. Further, since the H 2 gas is mixed with Ar gas and used at a low concentration, the handling becomes easy.

【0081】[0081]

【発明の効果】本発明によれば、高純度なシリコン系薄
膜の高速形成が可能なシリコン系本薄膜のスパッタリン
グ成膜方法が得られる。
According to the present invention, it is possible to obtain a sputtering film forming method for a silicon-based main thin film, which enables high-speed formation of a high-purity silicon-based thin film.

【0082】また、シリコン系薄膜を形成中に発生する
異常放電の回数を大幅に低減でき、歩留まりの高いシリ
コン系薄膜のスパッタリング成膜方法が得られる。さら
に、膜中の構造欠陥を減らすことができる。また、Ar
ガスと反応性ガスを用いてシリコン系薄膜を形成する場
合でも、異常放電の回数を大幅に低減できる。従って、
安全なガスだけ使用し、かつ低コストなプロセスを構築
できるシリコン系薄膜のスパッタリング成膜方法が得ら
れる。
Further, the number of abnormal discharges that occur during the formation of a silicon-based thin film can be significantly reduced, and a sputtering film-forming method for a silicon-based thin film with a high yield can be obtained. Further, structural defects in the film can be reduced. Also, Ar
Even when a silicon-based thin film is formed using a gas and a reactive gas, the number of abnormal discharges can be significantly reduced. Therefore,
It is possible to obtain a sputtering method for forming a silicon-based thin film that can use a safe gas and can construct a low-cost process.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のa−Si薄膜を形成する際に用いたS
iターゲットの比抵抗と、形成されたa−Si薄膜中の
不純物濃度との関係を示す線図である。
FIG. 1 S used in forming an a-Si thin film of the present invention
It is a diagram which shows the relationship between the specific resistance of i target and the impurity concentration in the formed a-Si thin film.

【図2】本発明のa−Si薄膜を形成する際に、Arガ
スのみを用いた時の薄膜形成速度を示す線図である。
FIG. 2 is a diagram showing a thin film formation rate when only Ar gas is used in forming an a-Si thin film of the present invention.

【図3】本発明のa−Si薄膜を形成する際に用いたシ
ートプラズマ型スパッタリング成膜装置である。
FIG. 3 is a sheet plasma type sputtering film forming apparatus used when forming an a-Si thin film of the present invention.

【図4】Siターゲットの幅とシートプラズマの幅の比
率と、成膜時に観測された異常放電の回数との関係を示
す線図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the ratio of the width of the Si target to the width of the sheet plasma and the number of abnormal discharges observed during film formation.

【図5】本発明のa−Si薄膜を形成する際に、Arガ
スと反応性ガスを用いた時の薄膜形成速度を示す線図で
ある。
FIG. 5 is a diagram showing a thin film formation rate when Ar gas and a reactive gas are used in forming an a-Si thin film of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:圧力勾配型プラズマガン 2:アーク放電円柱状プラズマ流 3:一対の角型永久磁石 4:シート状プラズマ流 5:アノード 6:プラズマ引き出し用の空芯コイル 7:コイル磁場 8:Siターゲット 9:スパッタリング電源 10:基体 11:プラズマ発生用電源 12:Arガスの導入口 13:反応性ガスの導入口 1: Pressure gradient type plasma gun 2: Arc discharge cylindrical plasma flow 3: Pair of rectangular permanent magnets 4: Sheet-shaped plasma flow 5: Anode 6: Air core coil for plasma extraction 7: Coil magnetic field 8: Si target 9 : Sputtering power supply 10: Substrate 11: Plasma generation power supply 12: Ar gas inlet 13: Reactive gas inlet

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン系薄膜のスパッタリング成膜方法
において、500Ω・cm以上の比抵抗を有するシリコ
ン(Si)をターゲット材料に用い、該シリコンターゲ
ットに直流バイアスを印加しながら、成膜室の内部に形
成されるプラズマを、該シリコンターゲットの表面と略
平行に位置するシート形状とし、該成膜室内に配置され
た基体の表面上にシリコン系薄膜を形成することを特徴
とするシリコン系薄膜のスパッタリング成膜方法。
1. A sputtering method for forming a silicon-based thin film, wherein silicon (Si) having a specific resistance of 500 Ω · cm or more is used as a target material, and a DC bias is applied to the silicon target while the inside of the film forming chamber is being applied. Of the silicon-based thin film, characterized in that the plasma formed on the substrate is formed into a sheet shape that is positioned substantially parallel to the surface of the silicon target, and the silicon-based thin film is formed on the surface of the substrate placed in the film formation chamber. Sputtering method.
【請求項2】前記シリコンターゲットの幅を、シート形
状をなす前記プラズマの幅よりも小さくすることを特徴
とする請求項1に記載のシリコン系薄膜のスパッタリン
グ成膜方法。
2. The method of sputtering film formation of a silicon-based thin film according to claim 1, wherein the width of the silicon target is smaller than the width of the plasma having a sheet shape.
【請求項3】前記成膜室に、水素(H2 )ガスを導入
し、水素化シリコン膜を形成することを特徴とする請求
項1に記載のシリコン系薄膜のスパッタリング成膜方
法。
3. The method for sputtering film formation of a silicon-based thin film according to claim 1, wherein hydrogen (H 2 ) gas is introduced into the film formation chamber to form a silicon hydride film.
【請求項4】前記成膜室に、酸素(O2 )ガスを導入
し、酸化シリコン膜を形成することを特徴とする請求項
1に記載のシリコン系薄膜のスパッタリング成膜方法。
4. The method for sputtering film formation of a silicon-based thin film according to claim 1, wherein oxygen (O 2 ) gas is introduced into the film formation chamber to form a silicon oxide film.
【請求項5】前記成膜室に、窒素(N2 )ガスを導入
し、窒化シリコン膜を形成することを特徴とする請求項
1に記載のシリコン系薄膜のスパッタリング成膜方法。
5. The method for sputtering film formation of a silicon-based thin film according to claim 1, wherein a nitrogen (N 2 ) gas is introduced into the film formation chamber to form a silicon nitride film.
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