KR20110041573A

KR20110041573A - 스퍼터링 장치, 박막 형성 방법 및 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110041573A
Application number: KR1020117005631A
Authority: KR
Inventors: 타카오미 쿠라타; 준야 키요타; 마코토 아라이; 야스히코 아카마츠; 사토루 이시바시; 카즈야 사이토
Original assignee: 가부시키가이샤 아루박
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-21
Also published as: WO2010044235A1; CN102187007A; TW201026870A; JPWO2010044235A1; US20110198213A1; KR101279214B1

Abstract

하지층의 데미지를 저감할 수 있는 스퍼터링 장치, 박막 형성 방법 및 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 관한 스퍼터링 장치는, 진공조의 내부에 배열된 복수의 타겟부(Tc1~Tc5)를 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터링 함으로써, 기판(10)의 표면에 박막을 형성한다. 이것에 의해, 스퍼터 입자가 기판의 표면에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 비율을 높일 수 있어, 하지층의 데미지의 저감을 도모하는 것이 가능해진다.

Description

스퍼터링 장치, 박막 형성 방법 및 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법{SPUTTERING APPARATUS, THIN FILM FORMING METHOD AND METHOD FOR MANUFACTURING FIELD EFFECT TRANSISTOR}

본 발명은, 기판 위에 박막을 형성하기 위한 스퍼터링 장치 및 이 장치를 이용한 박막 형성 방법, 및 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 기판 위에 박막을 형성하기 위한 공정에는 스퍼터링 장치가 이용되고 있다. 스퍼터링 장치는, 진공조 내부에 배치된 스퍼터링 타겟(이하 「타겟」이라고 함)과, 타겟의 표면 근방에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 수단을 구비하고 있다. 스퍼터링 장치는, 플라즈마 중의 이온으로 타겟의 표면을 스퍼터하여, 그 타겟으로부터 내쳐진 입자(스퍼터 입자)를 기판상에 퇴적시킴으로써, 박막을 형성한다(예컨대 특허 문헌 1 참조).

특허 문헌 1 : 일본특허공개공보 2007-39712호

스퍼터링법에 의해 형성된 박막(이하 「스퍼터 박막」이라고도 함)은, 타겟으로부터 날아 온 스퍼터 입자가 기판 표면에 고에너지로 입사되기 때문에, 진공 증착법 등으로 형성된 박막에 비해, 기판과의 밀착성이 높다. 따라서, 스퍼터 박막이 형성되는 하지층(하지막 또는 하지 기판)은, 입사되는 스퍼터 입자와의 충돌에 의해 큰 데미지를 받기 쉽다. 예컨대, 박막 트랜지스터의 활성층을 스퍼터링법으로 성막하는 경우, 하지층의 데미지에 의해 원하는 막 특성을 얻을 수 없는 경우가 있다.

이상과 같은 사정에 감안하여, 본 발명의 목적은, 하지층의 데미지를 저감 할 수 있는 스퍼터링 장치, 박막 형성 방법 및 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 형태에 관한 스퍼터링 장치는, 진공 상태를 유지가능한 진공조, 복수의 타겟, 지지부 및 플라즈마 발생 수단을 구비한다.

상기 복수의 타겟은, 피(被)스퍼터면을 갖고 있고, 상기 진공조 내부에 직선적으로 배열되어 있다.

상기 지지부는, 기판을 지지하는 지지 영역을 갖고 있고, 상기 진공조 내부에 고정되어 있다.

상기 플라즈마 발생 수단은, 상기 각 타겟의 피스퍼터면을 스퍼터하기 위한 플라즈마를, 상기 타겟의 배열 방향에 따라 순서대로 발생시킨다.

본 발명의 일 형태에 관한 박막 형성 방법은, 복수의 타겟이 직선적으로 배열된 진공조의 내부에 기판을 정지(靜止)시키는 것을 포함한다. 상기 각 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터 함으로써, 상기 기판의 표면에 박막이 형성된다.

본 발명의 일 형태에 관한 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법은, 기판상에 게이트 절연막을 형성하는 것을 포함한다. 상기 기판은, In-Ga-Zn-O계 조성을 갖는 복수의 타겟이 직선적으로 배열된 진공조의 내부에 정지된다. 상기 각 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터 함으로써, 상기 게이트 절연막 상에 활성층이 형성된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 진공 처리 장치를 나타내는 모식적인 평면도이다.
도 2는 자세 변환실에서 기판의 자세 변환을 하기 위한 기구를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 상기 진공 처리 장치에 있어서의 제1 스퍼터실을 구성하는 스퍼터링 장치의 개략 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4는 상기 스퍼터링 장치의 전형적인 동작예를 설명하는 모식도이다.
도 5는 진공 처리 장치에 있어서의 기판의 처리 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 상기 스퍼터링 장치의 다른 실시 형태를 설명하는 주요부의 모식도이다.
도 7은 도 6의 스퍼터링 장치를 이용하여 형성된 박막의 막두께 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 C점에 대응하는 기판 영역에 입사되는 스퍼터 입자의 입사각을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 6의 스퍼터링 장치를 이용하여 형성된 박막의 성막률을 나타내는 일 실험 결과이다.
도 10은 도 6의 스퍼터링 장치를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터의 각 샘플을 200℃에서 아닐(anneal)했을 때의 온 전류 (ON-CURRENT) 특성 및 오프 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 6의 스퍼터링 장치를 이용하여 제조된 박막 트랜지스터의 각 샘플을 400℃에서 아닐했을 때의 온 전류 특성 및 오프 전류 특성을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 관한 스퍼터링 장치의 변형예를 설명하는 모식도이다.

본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 스퍼터링 장치는, 진공 상태를 유지 가능한 진공조와, 복수의 타겟과, 지지부와 플라즈마 발생 수단을 구비한다.

상기 복수의 타겟은, 피스퍼터면을 갖고 있고, 상기 진공조의 내부에 직선적으로 배열되어 있다. 상기 지지부는, 기판을 지지하는 지지 영역을 갖고 있고 상기 진공조의 내부에 고정되어 있다. 상기 플라즈마 발생 수단은, 상기 각 타겟의 피스퍼터면을 스퍼터하기 위한 플라즈마를, 상기 타겟의 배열 방향에 따라 순서대로 발생시킨다.

상기 스퍼터링 장치는, 진공조의 내부에 배열된 복수의 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터 함으로써, 지지부상의 기판의 표면에 박막을 형성한다. 기판을 횡단하듯이 하여 스퍼터 입자가 기판의 표면에 퇴적되기 때문에, 통과 성막 방식과 유사한 성막 형태를 얻을 수 있다. 이것에 의해, 스퍼터 입자가 기판의 표면에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 비율을 높일 수 있어, 하지층의 데미지의 저감을 도모하는 것이 가능해진다.

여기서, 「직선적으로 배열되었다」라는 것은, 지지부를 횡단하듯이 타겟이 배열되어 있는 것을 의미하는 것이며, 엄밀하게 직선상으로 정렬되는 것에 한정되지 않는다. 또한, 「배열 방향」이라는 것은, 타겟의 배열 방향에 따른 일 방향을 의미한다.

상기 복수의 타겟 중, 상기 배열 방향의 최상류측에 위치하는 타겟부는, 상기 지지 영역의 외측에 위치시켜도 좋다.

이것에 의해, 상기 타겟부를 스퍼터 함으로써 생성되는 스퍼터 입자를 기판에 대하여 경사 방향으로부터 입사시키는 것이 가능해진다.

상기 플라즈마 발생 수단은, 상기 피스퍼터면에 자장을 형성하는 마그넷을 구비해도 좋다. 상기 마그넷은, 상기 배열 방향에 따라 이동가능하게 상기 각 타겟에 각각 배치된다.

마그넷을 이동가능하게 하는 것에 의해, 기판에 대한 스퍼터 입자의 입사각을 용이하게 제어하는 것이 가능해진다.

상기 복수의 타겟은, 각각 동일한 재료로 구성할 수 있다.

이것에 의해, 하지층의 데미지를 저감하면서 소정 재료의 박막을 소망하는 막두께로 형성하는 것이 가능해진다.

본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 박막 형성 방법은, 복수의 타겟이 직선적으로 배열된 진공조의 내부에 기판을 정지(靜止)시키는 것을 포함한다. 상기 각 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터 함으로써, 상기 기판의 표면에 박막이 형성된다.

상기 박막 형성 방법은, 진공조의 내부에 배열된 복수의 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터 함으로써, 기판의 표면에 박막을 형성한다. 기판을 횡단하듯이 하여 스퍼터 입자가 기판의 표면에 퇴적되기 때문에, 통과 성막 방식과 유사한 성막 형태를 얻을 수 있다. 이것에 의해, 스퍼터 입자가 기판의 표면에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 비율을 높일 수 있어, 하지층의 데미지의 저감을 도모하는 것이 가능해진다.

상기 복수의 타겟 중 상기 배열 방향의 최상류측에 위치하는 타겟부를 상기 기판의 주연부 바깥쪽에 위치시켜도 좋다.

상기 피스퍼터면에 자장을 형성하는 마그넷을 상기 각 타겟에 각각 배치하고, 상기 각 타겟을 스퍼터링하고 있는 동안, 스퍼터되고 있는 상기 타겟에 배치된 상기 마그넷을 상기 배열 방향에 따라 이동시키도록 해도 좋다.

이것에 의해, 기판에 대한 스퍼터 입자의 입사각을 용이하게 제어하는 것이 가능해진다.

본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법은, 기판상에 게이트 절연막을 형성하는 것을 포함한다. 상기 기판은, In-Ga-Zn-O계 조성을 갖는 복수의 타겟이 직선적으로 배열된 진공조의 내부에 정지된다. 상기 각 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터링하는 것에 의해, 상기 게이트 절연막 위에 활성층이 형성된다.

상기 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법은, 진공조 내부에 배열된 복수의 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터링하는 것에 의해, 기판의 표면에 활성층을 형성한다. 기판을 횡단하듯이 하여 스퍼터 입자가 기판의 표면에 퇴적되기 때문에, 통과 성막 방식과 유사한 성막 형태를 얻을 수 있다. 이것에 의해, 스퍼터 입자가 기판의 표면에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 비율을 높일 수 있어, 하지층의 데미지의 저감을 도모하는 것이 가능해진다. 또, 원하는 트랜지스터 특성을 갖는, In-Ga-Zn-O계 조성의 활성층을 안정적으로 제조하는 것이 가능해진다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 근거해 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 진공 처리 장치를 나타내는 모식적인 평면도이다.

진공 처리 장치(100)는, 기재로서 예컨대 디스플레이에 이용되는 유리 기판(이하, 단순히 기판이라고 함)(10)을 처리하는 장치이며, 전형적으로는, 이른바 보텀 게이트형(bottom-gate-type) 트랜지스터 구조를 갖는 전계 효과형 트랜지스터의 제조의 일부를 담당하는 장치이다.

진공 처리 장치(100)는, 클러스터형 처리 유닛(50)과, 인라인형 처리 유닛 (60)과 자세 변환실(70)을 구비한다. 이들 각 실은, 단일의 진공조 또는 복수 조합된 진공조의 내부에 형성되어 있다.

클러스터형 처리 유닛(50)은, 기판(10)을 실질적으로 수평으로 한 상태에서 기판(10)을 처리하는, 복수의 횡형 처리실을 구비하고 있다. 전형적으로는, 클러스터형 처리 유닛(50)은, 로드락(load rock)실(51), 반송실(53), 복수의 CVD(Chemical Vapor Deposition)실(52)을 포함한다.

로드락실(51)은, 대기압 및 진공 상태를 전환하여, 진공 처리 장치(100)의 외부로부터 기판(10)을 로드하거나, 또는, 외부로 상기 기판(10)을 언로드한다. 반송실(53)은, 도시하지 않은 반송 로봇을 구비하고 있다. 각 CVD실(52)은, 반송실(53)에 각각 접속되어 있고, 기판(10)에 CVD 처리를 실시한다. 반송실(53)의 반송 로봇은, 로드락실(51), 각 CVD실(52) 및 후술하는 자세 변환실(70)에 기판(10)을 반입하거나, 또는 그들 각 실로부터 기판(10)을 반출한다.

CVD실(52)에서는, 전형적으로는, 전계 효과형 트랜지스터의 게이트 절연막이 형성된다.

이들 반송실(53) 및 CVD실(52) 내부는, 소정의 진공도로 유지하는 것이 가능해지고 있다.

자세 변환실(70)은, 기판(10)의 자세를 수평으로부터 수직 상태, 또는, 수직으로부터 수평 상태로 변환한다. 예컨대, 도 2에 나타난 바와 같이, 자세 변환실(70) 내에는, 기판(10)을 보유 지지하는 보유 지지 기구(71)가 설치되어 있고, 보유 지지 기구(71)는, 회전축(72)을 중심으로 회전 가능하게 구성되어 있다. 보유 지지 기구(71)는, 메커니컬 척(mechanical chuck) 또는 진공척 등에 의해 기판(10)을 보유 지지한다. 자세 변환실(70)은, 반송실(53)과 실질적으로 같은 진공도로 유지되는 것이 가능해지고 있다.

보유 지지 기구(71)의 양단부에 접속된 도시하지 않은 구동 기구의 구동에 의해 보유 지지 기구(71)가 회전해도 좋다.

클러스터형 처리 유닛(50)은, 반송실(53)에 접속된 CVD실(52), 자세 변환실(70) 외에, 가열실이나 그 외의 처리를 행하기 위한 실이 설치되어도 좋다.

인라인형 처리 유닛(60)은, 제1 스퍼터실(61), 제2 스퍼터실(62) 및 버퍼실(63)을 포함하며, 기판(10)을 실질적으로 수직으로 세운 상태에서 기판(10)을 처리한다.

제1 스퍼터실(61)에서는, 전형적으로는, 후술하는 바와 같이, 기판(10)상에 In-Ga-Zn-O계 조성을 갖는 박막(이하, 단순히 IGZO막이라고 함)이 형성된다. 제2 스퍼터실(62)에서는, 그 IGZO막 상에 스토퍼층막이 형성된다. IGZO막은, 전계 효과형 트랜지스터의 활성층을 구성한다. 스토퍼층막은, 소스 전극 및 드레인 전극을 구성하는 금속막의 패터닝 공정 및 IGZO막의 불필요 영역을 에칭 제거하는 공정에 있어서, IGZO막의 채널 영역을 에천트로부터 보호하는 에칭 보호층으로서 기능한다.

제1 스퍼터실(61)은, IGZO막을 형성하기 위한 타겟 재료를 포함하는 복수의 스퍼터링 음극(sputtering cathode)(Tc)을 구비하고 있다. 제2 스퍼터실(62)은, 스토퍼층막을 형성하기 위한 타겟 재료를 포함하는 단일의 스퍼터링 음극(Ts)을 구비하고 있다.

제1 스퍼터실(61)은, 후술하는 바와 같이, 고정 성막 방식의 스퍼터링 장치로서 구성되어 있다. 한편, 제2 스퍼터실(62)은, 고정 성막 방식의 스퍼터링 장치로서 구성되어도 좋고, 통과 성막 방식의 스퍼터링 장치로서 구성되어도 좋다.

제1, 제2 스퍼터실(61, 62) 및 버퍼실(63) 내에는, 예컨대 왕로(往路)(64) 및 복로(復路)(65)로 구성되는 2 경로의 기판(10)의 반송 경로가 준비되고, 기판(10)을 수직으로 한 상태, 또는 수직으로부터 다소 기울어진 상태로 지지하는 도시하지 않은 지지 기구가 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 복로(65)를 기판(10)이 통과할 때 스퍼터링 처리가 행해진다. 상기 지지 기구에 의해 지지된 기판(10)은, 도시하지 않은 반송 롤러, 랙 앤드 피니언(rack-and-pinion) 등의 기구에 의해 반송되도록 되어 있다.

각 실의 사이에는, 게이트 밸브(54)가 설치되고 있고, 이들 게이트 밸브(54)가 개별적으로 독립하여 개폐 제어된다.

버퍼실(63)은, 자세 변환실(70)과 제2 스퍼터실(62) 사이에 접속되고, 자세 변환실(70) 및 제2 스퍼터실(62) 각각의 압력 분위기의 완충 영역이 되도록 기능한다. 예컨대, 자세 변환실(70)과 버퍼실(63) 사이에 설치된 게이트 밸브(54)가 개방될 때는, 자세 변환실(70) 내의 압력과 실질적으로 같은 압력이 되도록, 버퍼실(63)의 진공도가 제어된다. 또한, 버퍼실(63)과 제2 스퍼터실(62) 사이에 설치된 게이트 밸브(54)가 개방될 때는, 제2 스퍼터실(62) 내의 압력과 실질적으로 같은 압력이 되도록, 버퍼실(61)의 진공도가 제어된다.

CVD실(52)에서는, 클리닝 가스 등의 특수 가스가 이용되어 실내가 클리닝 되는 경우가 있다. 예를 들어, CVD실(52)이 종형 장치로 구성되는 경우, 상술한 스퍼터실(62)에 설치되어 있는 것과 같은, 종형의 처리 장치에 특유의 지지 기구나 반송 기구가, 특수 가스에 의해 부식되는 등의 문제가 염려된다. 그러나, 본 실시 형태에서는, CVD실(52)은 횡형의 장치로 구성되기 때문에, 그러한 문제를 해결할 수 있다.

한편, 스퍼터 장치가 횡형의 장치로서 구성되는 경우에 있어서, 예컨대 타겟이 기판의 바로 위에 배치되는 경우, 타겟 주위에 부착된 타겟 재료가 기판상에 떨어져 기판(10)이 오염될 우려가 있다. 반대로, 타겟이 기판 아래에 배치되는 경우, 기판 주위에 배치된 방착판(防着板)에 부착된 타겟 재료가 전극에 떨어져 전극이 오염될 우려가 있다. 이러한 오염에 의해 스퍼터 처리중에 일어나는 이상 방전이 염려된다. 그러나, 스퍼터실(62)이 종형 처리실로서 구성되는 것에 의해, 이러한 문제를 해결할 수 있다.

다음으로, 제1 스퍼터실(61)의 상세에 대하여 설명한다. 도 3은, 제1 스퍼터실(61)을 구성하는 스퍼터링 장치의 구성을 나타내는 개략 평면도이다.

제1 스퍼터실(61)은, 상술한 바와 같이, 복수의 타겟부를 포함하는 스퍼터링 음극(Tc)을 구비하고 있다. 타겟부(Tc1, Tc2, Tc3, Tc4 및 Tc5)는 각각 동일한 구성으로 되어 있고 타겟판(81)과 백킹(backing) 플레이트(82)와 마그넷(83)을 포함한다. 제1 스퍼터실(61)은, 도시하지 않은 가스 도입 라인에 접속되어 있어 상기 가스 도입 라인을 통해 스퍼터실(61) 내에 아르곤 등의 스퍼터용 가스 및 산소 등의 반응성 가스가 도입된다.

타겟판(81)은, 성막 재료의 잉곳(ingot) 또는 소결체로 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, In-Ga-Zn-O조성을 갖는 합금 잉곳 또는 소결체 재료로 형성되어 있다. 백킹 플레이트(82)는, 도시하지 않은 교류 전원(고주파 전원을 포함) 또는 직류 전원과 접속되는 전극으로서 구성된다. 백킹 플레이트(82)는, 내부에 냉각수 등의 냉각 매체가 순환하는 냉각 기구를 구비하고 있어도 좋다. 마그넷(83)은, 전형적으로는, 영구자석과 요크의 조합으로 구성되어 있고, 타겟판(81)의 표면(피스퍼터면) 근방에 소정의 자장(84)을 형성한다.

이상과 같이 구성되는 스퍼터링 음극(Tc)은, 상기 전원, 마그넷(83), 상기 가스 도입 라인 등을 포함하는 플라즈마 발생 수단에 의해, 스퍼터실(61) 내에 플라즈마를 발생시킨다. 즉, 백킹 플레이트(81)에 소정의 교류 전원 또는 직류 전원이 인가되면, 타겟판(81)의 피스퍼터면 근방에, 스퍼터용 가스의 플라즈마가 형성된다. 그리고, 플라즈마 중의 이온에 의해 타겟판(81)이 스퍼터된다. 또한, 마그넷(83)에 의해 타겟 표면에 형성된 자장에 의해 고밀도 플라즈마(마그네트론 방전)가 생성되어 자장 분포에 대응하는 플라즈마의 밀도 분포를 얻는 것이 가능해진다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 타겟판(81)을 스퍼터링 함으로써 생성되는 스퍼터 입자는, 타겟판(81)의 표면으로부터 각도 범위(S)에 걸쳐서 방출된다. 각도 범위(S)는, 플라즈마의 형성 조건 등에 의해 제어된다. 스퍼터 입자는, 타겟판(81)의 표면으로부터 수직 방향으로 튀어나온 입자와 타겟판(81)의 표면으로부터 경사 방향으로 튀어나온 입자를 포함한다. 각 타겟부(Tc1~Tc5)의 타겟판(81)으로부터 튀어나온 스퍼터 입자는, 기판(10) 표면에 퇴적하여, 박막을 형성한다.

본 실시 형태에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 타겟부 Tc1, Tc2, Tc3, Tc4 및 Tc5의 순으로, 각각의 타겟판(81)을 스퍼터하기 위한 플라즈마가 발생된다. 그리고, 각 타겟판(81)으로부터 튀어나온 스퍼터 입자의 방출각 범위(S1~S5)로 정해지는 기판(10)의 성막 영역이, 차례로 성막된다. 이러한 성막 방법을 실현하기 위해서, 상기 스퍼터링 장치는, 각 타겟부(Tc1~Tc5)에의 전력 공급을 제어하는 컨트롤러(미도시)를 구비하고 있다.

각 타겟부(Tc1~Tc5)는, 스퍼터실(61)에 대해, 기판(10)의 표면을 횡단하듯이 직선적으로 배열되어 있다. 기판(10)은, 지지판(91)과 클램프 기구(92)를 갖는 지지 기구(지지부)에 의해 지지되어 있고, 성막시 복로(65) 상의 소정 위치에 정지(고정)된다. 클램프 기구(92)는, 스퍼터링 음극(Tc)과 대향하는 지지판(91)의 지지 영역에 지지된 기판(10)의 주연부를 보유 지지한다. 스퍼터링 음극(Tc)과 지지판(91) 사이의 대향 거리는, 각각 동일하게 설정되어 있다.

타겟부(Tc1~Tc5)의 배열 길이는, 기판(10)의 직경보다 크다. 이 때, 최상류측 및 최하류측에 위치하는 타겟부(Tc1 및 Tc5)는, 지지판(91)의 지지 영역의 외측에 대향하도록 배치되어 있다. 즉, 예컨대 타겟부(Tc1)는, 그것의 타겟판(81)을 스퍼터링하는 것에 의해 생성된 스퍼터 입자(Sp1)가, 기판(10)의 표면에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 위치에 배치되어 있다.

이상과 같이 구성된 진공 처리 장치(100)에 있어서의 기판(10)의 처리 순서에 대해 설명한다. 도 5는, 그 순서를 나타내는 흐름도이다.

반송실(53), CVD실(52), 자세 변환실(70), 버퍼실(63), 제1 스퍼터실(61) 및 제2 스퍼터실(62)은, 각각 소정의 진공 상태로 유지되고 있다. 우선, 로드락실(51)에 기판(10)이 로드된다(스텝 101). 그 다음, 기판(10)은, 반송실(53)을 통해 CVD실(52)에 반입되어 CVD 처리에 의해 소정의 막, 예를 들어 게이트 절연막이 기판(10)상에 형성된다(스텝 102). CVD 처리후, 반송실(53)을 통해 자세 변환실(70)에 반입되어 기판(10)의 자세가 수평 자세로부터 수직 자세로 변환된다(스텝 103).

수직 자세로 된 기판(10)은, 버퍼실(63)을 통해 스퍼터실에 반입되고 왕로(64)를 통과하여 제1 스퍼터실(61)의 단부까지 반송된다. 그 후, 기판(10)은 복로(64)를 지나, 제1 스퍼터실(61)에서 정지(停止)되고, 이하와 같이 하여 스퍼터링 처리된다. 이것에 의해, 기판(10)의 표면에, 예컨대 IGZO막이 형성된다(스텝 104).

도 3을 참조하면, 기판(10)은, 지지 기구에 의해 제1 스퍼터실(61) 내로 반송되고, 제1 타겟부(Tc1)가 기판(10)의 주연부 바깥쪽에 대향하는 위치에서 정지된다. 제1 스퍼터실(61)에는, 소정 유량의 아르곤 가스와 산소 가스가 각각 도입된다. 그리고, 도 4(A)~(E)에 나타내는 바와 같이, 타겟부(Tc1, Tc2, Tc3, Tc4 및 Tc5)의 순서로 각각 플라즈마가 형성됨으로써, 각 타겟이 스퍼터된다. 이것에 의해, 각 타겟부(Tc1~Tc5)로부터 튀어나온 스퍼터 입자의 방출각 범위(S1~S5) 내에 속하는 기판(10)의 성막 영역이 차례로 성막된다.

이 성막 초기 단계에 있어, 기판(10)의 표면에 도달하는 스퍼터 입자의 대부분은, 타겟으로부터 경사 방향으로 방출된 스퍼터 입자이다. 통상, 타겟 표면으로부터 경사 방향으로 방출되는 스퍼터 입자의 수는, 타겟 표면으로부터 수직 방향으로 방출되는 스퍼터 입자의 수에 비해 적다. 따라서, 단위면적당 조사되는 스퍼터 입자의 에너지 밀도는, 타겟 표면으로부터 수직으로 방출되는 스퍼터 입자보다 경사 방향으로 방출되는 스퍼터 입자가 작아서, 그 만큼, 기판 표면에 미치는 데미지를 낮게 할 수가 있다.

따라서, 본 실시 형태의 박막 형성 방법에 의하면, 기판(10)의 표면에 대하여 경사 방향으로부터 입사된 스퍼터 입자로 박막의 초기층이 형성되기 때문에, 기판 표면에 데미지를 주는 일 없이 스퍼터 박막을 형성하는 것이 가능해진다. 특히 본 실시 형태에 의하면, 기판(10)상의 게이트 절연막에 대하여 낮은 데미지로 IGZO막을 형성하는 것이 가능해진다.

타겟으로부터 경사 방향으로 방출되는 스퍼터 입자로 기판(10)의 표면 전역에 박막 초기층을 형성하기 위해서는, 서로 인접하는 2개의 타겟이 이하의 조건을 갖추도록, 각 타겟부를 배치할 수 있다. 즉, 하나의 타겟으로부터 경사 방향으로 방출된 스퍼터 입자가, 다른 하나의 타겟으로부터 수직 방향으로 방출된 스퍼터 입자가 도달하는 성막 영역을 커버할 수 있도록, 타겟간 거리 및 타겟-기판간 거리를 설정한다. 도 4에 나타낸 예로 설명하면, 예를 들어, 상류측에 위치하는 타겟부(Tc1)로부터 경사 방향으로 방출되는 스퍼터 입자에 의한 기판(10)의 성막 영역이, 인접하는 하류측의 타겟부(Tc2)로부터 수직 방향으로 방출되는 스퍼터 입자에 의한 기판(10)의 성막 영역을 커버한다. 이것에 의해, 기판(10)의 표면 전역에 걸쳐서 하지막에 대하여 낮은 데미지로 박막을 형성하는 것이 가능해진다.

또, 본 실시 형태의 박막 형성 방법에 있어서는, 경사 증착막으로 형성된 박막 초기층 위에, 하류측의 타겟부로부터 수직 방향으로 방출된 스퍼터 입자가 퇴적한다. 이것에 의해, 박막의 성막률 저하는 억제되기 때문에, 생산성의 저하를 회피하는 것이 가능해진다.

제1 스퍼터실(61)에 있어서 IGZO막이 성막된 기판(10)은, 지지판(91)과 함께 제2 스퍼터실(62)로 반송된다. 제2 스퍼터실(62)에 있어서, 기판(10)의 표면에, 예컨대 실리콘 산화막으로 이루어지는 스토퍼층이 형성된다(스텝 104).

제2 스퍼터실(62)에 있어서의 성막 처리는, 제1 스퍼터실(61)에 있어서의 성막 처리와 동일하게, 기판(10)을 제2 성막실(62)에서 정지시켜 성막하는 고정 성막 방식이 채용된다. 이것에 한정되지 않고, 기판(10)이 제2 성막실(62)을 통과하는 과정에서 성막하는 통과 성막 방식이 채용되어도 좋다.

스퍼터링 처리 후, 기판(10)은 버퍼실(61)을 통해 자세 변환실(70)에 반입되어, 기판(10)의 자세가 수직 자세로부터 수평 자세로 변환된다(스텝 105). 그 후, 기판(10)은 반송실(53) 및 로드락실(51)을 통해 진공 처리 장치(100)의 외부로 언로드된다(스텝 106).

이상과 같이, 본 실시 형태에 의하면, 하나의 진공 처리 장치(100)의 내부에서, 기판(10)을 대기에 노출하지 않고 CVD 성막과 스퍼터 성막을 일관되게 처리할 수 있다. 이것에 의해, 생산성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 대기중의 수분이나 더스트가 기판(10)에 부착되는 것을 방지할 수 있으므로, 막질 향상도 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에 의하면, 제1 스퍼터실(61)에 있어서의 IGZO막의 형성을 직선적으로 배열된 복수의 타겟부(Tc1~Tc5)를 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터링하는 것에 의해 성막하도록 하고 있다. 기판(10)을 횡단하듯이 하여 스퍼터 입자가 기판(10)의 표면에 퇴적되기 때문에, 통과 성막 방식과 유사한 성막 형태를 얻을 수 있다. 이것에 의해, 스퍼터 입자가 기판(10)의 표면에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 비율을 높일 수 있어, 하지층의 데미지의 저감을 도모하는 것이 가능해진다. 특히, 본 실시 형태에 의하면, IGZO막의 하지층인 게이트 절연막의 데미지를 저감할 수 있으므로, 고특성의 전계 효과형 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.

도 6은, 본 발명자들이 행한 실험을 설명하는 스퍼터링 장치의 개략 구성도이다. 이 스퍼터링 장치는, 2개의 타겟부(T1 및 T2)를 구비하고, 각각이 타겟판(11)과 백킹 플레이트(12)와 마그넷(13)을 갖는다. 각 타겟부(T1 및 T2)의 백킹 플레이트(12)는 교류 전원(14)의 각 전극에 각각 접속되어 있다. 타겟판(11)에는, In-Ga-Zn-O조성의 타겟재를 이용하였다.

이들 타겟부(T1 및 T2)에 대향하여, 표면에 게이트 절연막으로서 실리콘 산화막이 형성된 기판을 배치했다. 타겟부와 기판 사이의 거리(TS거리)는 260 mm로 하였다. 기판의 중심은, 타겟부(T1 및 T2)의 중간 지점(A점)에 맞추었다. 이 A점으로부터 각 타겟판(11)의 중심(B점)까지의 거리는 100 mm이다. 감압 아르곤 분위기(유량 230 sccm, 분압 0.74 Pa)로 유지된 진공조 내부에 산소 가스를 소정 유량 도입해, 각 타겟부(T1 및 T2) 사이에 교류 전력(0.6 kW)를 인가하여 형성된 플라즈마(15)로 각 타겟판(11)을 스퍼터했다.

도 7은, A점을 원점으로 한 기판상의 각 위치에 있어서의 막두께 측정 결과를 나타낸다. 각 점의 막두께는, A점의 막두께를 1로 하여 환산한 상대비로 하였다. 기판 온도는 실온으로 하였다. C점은, A점으로부터 250 mm 떨어진 위치이며, 타겟부(T2)의 마그넷(13)의 외주측으로부터의 거리는 82.5 mm였다. 도면 중 「◇」은 산소 도입량이 1 sccm(분압 0.004 Pa)일 때의 막두께, 「■」은 산소 도입량이 5 sccm(분압 0.02 Pa)일 때의 막두께, 「△」은 산소 도입량이 25 sccm(분압 0.08 Pa)일 때의 막두께, 「●」은 산소 도입량이 50 sccm(분압 0.14 Pa)일 때의 막두께를 각각 나타낸다.

도 7에 도시하는 바와 같이, 2개의 타겟부(T1 및 T2)로부터 방출되는 스퍼터 입자가 도달하는 A점의 막두께가 가장 크고, A점으로부터 멀어짐에 따라 막두께는 감소한다. C점에 대해서는, 타겟부(T2)로부터 경사 방향으로 방출되는 스퍼터 입자의 퇴적 영역이기 때문에, 타겟부(T2)로부터 수직 방향으로 입사되는 스퍼터 입자의 퇴적 영역(B점)에 비해 막두께가 작다. 이 C점에 있어서의 스퍼터 입자의 입사각(θ)은, 도 8에 나타내는 바와 같이 72.39°였다.

도 9는, A점, B점 및 C점에 대해 측정한, 도입 분압과 성막률과의 관계를 나타내는 그래프이다. 성막 위치와 관계없이, 산소 분압(산소 도입량)이 상승할수록 성막률이 저하하는 것이 확인되었다.

상기 A 및 C 각 점에 대해, 산소 분압을 다르게 하여 성막한 IGZO막을 활성층으로 하는 박막 트랜지스터를 각각 제작했다. 각 트랜지스터의 샘플을 대기중, 200℃에서 15분간 가열하는 것으로, 활성층을 아닐했다. 그리고, 각 샘플에 대해 온 전류 특성 및 오프 전류 특성을 측정했다. 그 결과를 도 10에 나타낸다. 도면 중 세로축은 온 전류 또는 오프 전류를 나타내며, 가로축은 IGZO막의 성막시의 산소 분압을 나타낸다. 참조용으로서, IGZO막을 RF스퍼터링법에 의해 통과 성막 방식으로 형성한 샘플의 트랜지스터 특성을 함께 나타낸다. 도면 중 「△」은 C점에 있어서의 오프 전류, 「▲」은 C점에 있어서의 온 전류, 「◇」은 A점에 있어서의 오프 전류, 「◆」은 A점에 있어서의 온 전류, 「○」은 참조용 샘플의 오프 전류, 「●」은 참조용 샘플의 온 전류이다.

도 10의 결과로부터 명백한 바와 같이, 각 샘플 모두 산소 분압이 증가함에 따라 온 전류가 저하한다. 이것은, 막중의 산소 농도가 높아지는 것에 의해 활성층의 도전 특성이 저하되기 때문이라고 생각된다. 또, A점 및 C점의 각 샘플을 비교하면, A점의 샘플은 C점보다 온 전류가 낮다. 이것은, 활성층(IGZO막)의 성막시에 있어서, 스퍼터 입자와의 충돌에 의해 하지막(게이트 절연막)이 받는 데미지가 커서, 하지막의 원하는 막질을 유지할 수 없었기 때문이라고 생각된다. 또, C점의 샘플은, 참조용 샘플과 동일한 정도의 온 전류 특성을 얻을 수 있었다.

한편, 도 11은, 활성층의 아닐 조건을 대기중, 400℃, 15분간으로 했을 때의 상기 박막 트랜지스터의 온 전류 특성 및 오프 전류 특성을 측정한 실험 결과이다. 이 아닐 조건에서는, 각 샘플에 대해 온 전류 특성에 큰 차이는 나타나지 않았다. 그러나, 오프 전류 특성에 관해서는, A점의 샘플이 C점 및 참조용의 각 샘플에 비해 높은 것이 확인되었다. 이것은, 활성층의 성막시에 있어서, 스퍼터 입자와의 충돌에 의해 하지막이 큰 데미지를 받아 원하는 절연 특성을 잃었기 때문이라고 생각된다.

또한, 아닐 온도를 고온화하는 것에 의해, 산소 분압의 영향을 받지 않고 높은 온 전류 특성을 얻을 수 있는 것이 확인되었다.

이상의 결과로부터 명백한 바와 같이, 박막 트랜지스터의 활성층을 스퍼터 성막하는데 있어서, 경사 방향으로부터 기판에 입사되는 스퍼터 입자에 의해 박막의 초기층을 형성함으로써, 온 전류가 높고, 오프 전류가 낮다고 하는 우수한 트랜지스터 특성을 얻을 수 있다. 또한, 원하는 트랜지스터 특성을 갖는, In-Ga-Zn-O계 조성의 활성층을 안정적으로 제조하는 것이 가능해진다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 물론 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상에 근거해 여러 가지 변형이 가능하다.

예컨대 이상의 실시 형태에서는, 제1 스퍼터실(61)을 구성하는 스퍼터링 장치에 있어서, 각 타겟부(Tc1~Tc5)의 마그넷(83)을 타겟(81)(백킹 플레이트(82))에 대하여 고정으로 하였다. 그 대신에, 각 마그넷(83)은, 타겟부(Tc1~Tc5)의 배열 방향에 따라 이동가능하게 배치되어도 좋다.

이 경우, 도 12(A)~(E)에 도시하는 바와 같이, 기판(10)으로부터 보아서 최상류측의 타겟부(Tc1)로부터 최하류측의 타겟부(Tc5)로 향하는 각 타겟부의 배열 방향에 따라, 스퍼터되고 있는 타겟부의 마그넷(83)을 상기 배열 방향으로 이동시킨다. 이것에 의해, 기판(10)에 대하여 경사 방향으로부터 입사되는 스퍼터 입자의 입사각 및 성막 영역을 용이하게 제어하는 것이 가능해진다. 마그넷(83)의 이동 속도는, 타겟판(81) 및 마그넷(83)의 크기, 플라즈마의 형성 범위 등에 따라 임의로 설정하는 것이 가능하다.

또, 이상의 실시 형태에서는, IGZO막을 활성층으로 하는 박막 트랜지스터의 제조 방법을 예로 들어 설명했지만, 금속재료 등의 다른 성막 재료를 스퍼터 성막 하는 경우에도, 본 발명은 적용 가능하다.

10 기판
50 클러스터형 처리 유닛
52 CVD실
53 반송실
61 제1 스퍼터실
62 제2 스퍼터실
63 버퍼실
70 자세 변환실
81 타겟판
82 백킹 플레이트
83 마그넷
100 진공 처리 장치
Tc, Ts 스퍼터링 음극
Tc1~Tc5 타겟부

Claims

기판의 표면에 박막을 형성하기 위한 스퍼터링 장치에 있어서,
진공 상태를 유지 가능한 진공조와,
상기 진공조의 내부에 직선적으로 배열된, 피스퍼터면을 갖는 복수의 타겟과,
상기 기판을 지지하는 지지 영역을 갖고, 상기 진공조의 내부에 고정된 지지부와,
상기 각 타겟의 피스퍼터면을 스퍼터하기 위한 플라즈마를, 상기 타겟의 배열 방향에 따라 순서대로 발생시키는 플라즈마 발생 수단
을 구비하는 스퍼터링 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 타겟 중, 상기 배열 방향의 최상류측에 위치하는 타겟부는,
상기 지지 영역의 외측에 위치하고,
상기 타겟부는,
그 타겟부를 스퍼터링 함으로써 생성되는 스퍼터 입자를 상기 지지부에 대하여 경사 방향으로부터 입사시키는 스퍼터링 장치.
제2항에 있어서,
상기 플라즈마 발생 수단은,
상기 피스퍼터면에 자장을 형성하는 마그넷을 갖고,
상기 마그넷은,
상기 배열 방향에 따라 이동가능하게 상기 각 타겟에 각각 배치되어 있는　스퍼터링 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 타겟은, 각각 동일한 재료로 이루어지는 스퍼터링 장치.
복수의 타겟이 직선적으로 배열된 진공조의 내부에 기판을 정지시키고,
상기 각 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터링 함으로써, 상기 기판의 표면에 박막을 형성하는 박막 형성 방법.
제5항에 있어서,
상기 복수의 타겟 중 상기 배열 방향의 최상류측에 위치하는 타겟부를 상기 기판의 주연부 바깥쪽에 위치시키고, 상기 타겟부를 스퍼터링 함으로써 생성되는 스퍼터 입자를, 상기 기판에 대하여 경사 방향으로부터 입사시키는 박막 형성 방법.
제6항에 있어서,
상기 피스퍼터면에 자장을 형성하는 마그넷을 상기 각 타겟에 각각 배치하고,
상기 각 타겟을 스퍼터링하고 있는 동안, 스퍼터되고 있는 상기 타겟에 배치된 상기 마그넷을 상기 배열 방향에 따라 이동시키는 박막 형성 방법.
기판 위에 게이트 절연막을 형성하고,
In-Ga-Zn-O계 조성을 갖는 복수의 타겟이 직선적으로 배열된 진공조의 내부에 상기 기재를 정지시키고,
상기 각 타겟을 그것의 배열 방향에 따라 순서대로 스퍼터링 함으로써, 상기 게이트 절연막 위에 활성층을 형성하는 전계 효과형 트랜지스터의 제조 방법.