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特開2024-80931成膜装置および成膜方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024080931

(43)【公開日】2024-06-17

(54)【発明の名称】成膜装置および成膜方法

(51)【国際特許分類】

C23C 14/34 20060101AFI20240610BHJP

H01L 21/363 20060101ALI20240610BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 T

C23C14/34 U

H01L21/363

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022194298

(22)【出願日】2022-12-05

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯＷＯＲＬＤＰＡＴＥＮＴ＆ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】岸田茂明

【テーマコード（参考）】

4K029

5F103

【Ｆターム（参考）】

4K029BA50

4K029BD01

4K029CA06

4K029DA03

4K029DC09

4K029DC27

4K029DC35

4K029EA03

5F103AA08

5F103BB22

5F103BB51

5F103BB56

5F103DD30

5F103GG03

5F103LL13

5F103NN06

(57)【要約】

【課題】膜密度と成膜速度とを適切に管理する。
【解決手段】真空容器（２０）と、供給される高周波電力によりプラズマ（Ｐ）を発生させるアンテナ（５０）と、電圧が印加されプラズマによりスパッタリングされるターゲット（Ｔ）と、真空容器内にスパッタリングガスとして反応性ガスを導入するガス導入部（９０）と、ターゲットに流れる電流を計測する電流モニタ（１２）と、ターゲットに流れる電流の計測値に基づき、アンテナに供給する高周波電力を調整する制御部（７０）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器と、
供給される高周波電力によりプラズマを発生させるアンテナと、
電圧が印加され、前記プラズマによりスパッタリングされるターゲットと、
前記真空容器内にスパッタリングガスとして反応性ガスを導入するガス導入部と、
前記ターゲットに流れる電流を計測する電流モニタと、
前記ターゲットに流れる電流の計測値に基づき、前記アンテナに供給する前記高周波電力を調整する制御部と、を備える、成膜装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記電流の制御目標値を所定値に制御する、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記電流の制御目標値と、成膜速度との関係を記憶している、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項4】

前記スパッタリングガスにおける前記反応性ガスの分圧を、成膜速度で除した値が０．００１［Ｐａ・ｍｉｎ／ｎｍ］以上である、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項5】

前記スパッタリングガスにおける前記反応性ガスの分圧を、成膜速度で除した値が０．００１５［Ｐａ・ｍｉｎ／ｎｍ］以上である、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項6】

前記反応性ガスが酸素である、請求項１から５のいずれか１項に記載の成膜装置。

【請求項7】

前記ターゲットは、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む、請求項６に記載の成膜装置。

【請求項8】

前記反応性ガスが窒素である、請求項１から５のいずれか１項に記載の成膜装置。

【請求項9】

前記反応性ガスが有機ガスである、請求項１から５のいずれか１項に記載の成膜装置。

【請求項10】

不活性ガスと反応性ガスとの混合ガスを真空容器に導入するステップと、
前記真空容器内に配置したアンテナに高周波電力を供給してプラズマを発生させ、当該プラズマを用いてターゲットをスパッタリングするステップと、
前記ターゲットに流れる電流を計測するステップと、
前記電流の計測値に基づき、前記高周波電力を調整するステップと、を含む成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は成膜装置に関する。

【背景技術】

【0002】

酸化物半導体層をチャネル層に用いた薄膜トランジスタがある。このような薄膜トランジスタの製造工程においては、酸素を反応性ガスとして導入することで酸化物半導体層を形成する。当該酸化物半導体層中における酸素の割合によって変化する膜密度に応じて、半導体層における電気伝導度が変化し、膜密度が小さすぎると半導体層としての十分な電気的特性が得られないことが知られている。しかしながら、膜密度を担保すると成膜速度を上げることが困難である。

【0003】

ここで、反応性ガスを用いた反応性スパッタの一例として、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、ガスの導入量を調整することによって、膜密度と成膜速度とを両立する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－１８９８２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述のような従来技術はガスの導入量を用いて成膜速度を調整するために、バルブの応答性およびガスの拡散速度に依存してしまう。そのために、十分な応答性が得られず、適切な膜密度と成膜速度とを両立することが困難である。

【0006】

本発明の一態様は、膜密度と成膜速度とを適切に管理することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る成膜装置は、真空容器と、供給される高周波電力によりプラズマを発生させるアンテナと、電圧が印加され、前記プラズマによりスパッタリングされるターゲットと、前記真空容器内にスパッタリングガスとして反応性ガスを導入するガス導入部と、前記ターゲットに流れる電流を計測する電流モニタと、前記ターゲットに流れる電流の計測値に基づき、前記アンテナに供給する前記高周波電力を調整する制御部と、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、膜密度と成膜速度とを適切に管理することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】成膜装置の要部の構成を示す図である。

【図2】スパッタリングガスにおける反応性ガスの割合と、膜密度［ｇ／ｃｍ^３］との関係を示す図である。

【図3】スパッタリングガスにおける反応性ガスの割合と、成膜速度［ｎｍ／ｍｉｎ］との関係を示す図である。

【図4】成膜速度［ｎｍ／ｍｉｎ］と膜密度［ｇ／ｃｍ^３］との関係を示す図である。

【図5】ターゲットバイアス電圧［Ｖ］と成膜速度との関係を示した図である。

【図6】ターゲットバイアス電圧と膜密度との関係を示した図である。

【図7】成膜装置の要部の構成を示すブロック図である。

【図8】高周波電力とターゲット電流との関係を示した図である。

【図9】ターゲット電流と成膜速度との関係を示した図である。

【図10】酸素の分圧を成膜速度で除した値［Ｐａ・ｍｉｎ／ｎｍ］と、膜密度との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

【0011】

（成膜装置１００の構造）
図１は、成膜装置１００の要部の構成を示す図である。成膜装置１００は、真空容器２０と、基板保持部３０と、ターゲット保持部４０と、アンテナ５０と、高周波電源６０と、ターゲットバイアス電源１１と、電流モニタ１２と、ガス導入部９０と、制御部７０と、を備える。

【0012】

真空容器２０は、内部が真空にされたチャンバーである。真空容器２０は、接地されている。

【0013】

基板保持部３０は、真空容器２０内において基板２を保持する。基板２は、一枚であっても、複数枚であってもよい。

【0014】

ターゲット保持部４０は、真空容器２０内において基板２と対向してターゲットＴを保持する。ターゲット保持部４０とターゲットＴとは導通しており、ターゲットバイアス電源１１によって、ターゲットＴはターゲットバイアス電圧が印加される。ターゲットバイアス電圧は負の電圧であってもよい。また、ターゲットＴに流れた電流を電流モニタ１２によって計測し、ターゲット電流として制御部７０に出力する。

【0015】

アンテナ５０は、高周波電源６０によって高周波電力を供給されて、真空容器２０内のスパッタリングガスをプラズマＰにする。当該プラズマＰによって、ターゲットＴをスパッタリングし、基板２を成膜する。

【0016】

ガス導入部９０は、真空容器２０内に、不活性ガスと反応性ガスとを混合したスパッタリングガスを導入する。スパッタリングされたターゲットＴは、基板２を成膜する際に、反応性ガスと反応する。その結果、成膜された膜は、反応性ガスの少なくとも一部の原子と、ターゲットＴの少なくとも一部の原子と、を含む。

【0017】

例えば、不活性ガスとしては、アルゴンが挙げられ、反応性ガスとしては、酸素、窒素、およびメタン・アセチレン・ベンゼンなどの有機ガスが挙げられる。ターゲットＴとしては、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含み焼結したものである。

【0018】

制御部７０は、成膜装置１００の各部を統括的に制御する。具体的には、制御部７０は、ターゲットバイアス電源１１の電圧を設定し、電流モニタ１２で計測したターゲット電流に基づき、高周波電源６０の高周波電力を設定する。なお、制御部７０の詳細は後述する。

【0019】

（反応性ガスの分圧による傾向）
図２は、スパッタリングガスにおける反応性ガスの割合（圧力比）と、膜密度［ｇ／ｃｍ^３］との関係を示す図である。図２においては、不活性ガスとしてはアルゴンを用い、反応性ガスとしては酸素を用いたものを示す。なお、以降の図においても、不活性ガスにはアルゴンを用い、反応性ガスには酸素を用いるものとする。

【0020】

図２に示すように、酸素の割合が増えることによって、膜密度は大きくなることがわかる。これは、スパッタリングガスにおける酸素濃度の比率が大きくなることで、酸化物が形成されやすくなるためである。なお、ターゲットにおけるＩｎ、Ｇａ、およびＺｎのモル比は１対１対１である。

【0021】

図３は、スパッタリングガスにおける反応性ガスの割合と、成膜速度［ｎｍ／ｍｉｎ］との関係を示す図である。図３に示すように、酸素の割合が増えることによって、成膜速度は遅くなる。これは、スパッタリングガスにおけるアルゴンの割合が低下し、ターゲットＴをスパッタリングし辛くなるためである。

【0022】

したがって、スパッタリングガスにおける酸素の割合によって、膜密度と成膜速度はトレードオフの関係があるといえる。これを表す図が図４である。

【0023】

（ターゲットバイアス電圧による傾向）
図２～４は、ターゲットバイアス電圧が一定の条件のもと、スパッタリングガスにおける酸素の割合を調整した結果であった。対して、図５および６は、スパッタリングガスにおける酸素の割合を一定にした条件のもとで、ターゲットバイアス電圧を変化させたものである。

【0024】

図５は、ターゲットバイアス電圧［Ｖ］と成膜速度との関係を示した図である。図６は、ターゲットバイアス電圧と膜密度との関係を示した図である。

【0025】

図５に示すように、ターゲットバイアス電圧の絶対値を大きくすることによって、成膜速度は向上する。これは、大きなエネルギーを持ったアルゴンがターゲットＴに衝突することになり、多くのスパッタ粒子がターゲットＴより真空中に飛び出すためである。

【0026】

図６に示すように、ターゲットバイアス電圧の絶対値を大きくすることによって、膜密度は低下する。これは、ターゲットバイアス電圧の絶対値を大きくすることによって、大きいエネルギーを持ったアルゴンによってターゲットＴがスパッタされるので、スパッタ粒子のエネルギーが大きくなり、基板２上で結合するよりも切断する効果が強くなっているためと考えられる。

【0027】

したがって、ターゲットバイアス電圧に対しても、膜密度と成膜速度はトレードオフの関係があることがわかる。

【0028】

（制御部７０について）
ここで、制御部７０の詳細に関して示す。図７は、成膜装置１００の要部の構成を示すブロック図である。制御部７０は、取得部７１と、演算部７２と、記憶部７３と、入力部７４と、を備える。

【0029】

取得部７１は、電流モニタ１２より、ターゲット電流を取得し、演算部７２に出力する。記憶部７３は、後述するターゲット電流と成膜速度との関係を記憶する。入力部７４は、ユーザ入力装置によって、ユーザの所望の成膜速度を演算部７２に出力する。

【0030】

演算部７２は、取得したターゲット電流に基づき、アンテナ５０に供給する高周波電力を決定し、当該高周波電力の設定値を高周波電源６０に出力する。なお、ターゲット電流は、入力部７４で取得した所望の成膜速度に対応した値とする。

【0031】

（ターゲット電流による傾向）
図８は、高周波電力とターゲット電流との関係を示した図である。なお、スパッタリングガスにおける酸素の割合を２．５％にした際に高周波電力を変化させたグラフ（実線）と、高周波電力を２０ｋＷで一定にしたうえでスパッタリングガスにおける酸素の割合を変化させたグラフの２つが合わせてプロットされている。

【0032】

図８に示すように、スパッタリングガスにおける酸素の割合を一定にした条件において、高周波電力とターゲット電流との間には、ほぼ線形な正の相関関係があることがわかる。また、スパッタリングガスにおける酸素の割合を変化させることで、当該相関関係における切片が変化することがわかる。そのため、高周波電力を調整することによって、ターゲット電流を調整することができる。

【0033】

図９は、ターゲット電流と成膜速度との関係を示した図である。なお、スパッタリングガスにおける酸素の割合を２．５％にした際に高周波電力を変化させたグラフ（実線）と、高周波電力を２０ｋＷで一定にしたうえでスパッタリングガスにおける酸素の割合を変化させたグラフ（破線）の２つが合わせてプロットされている。また、ターゲット電流を調整するために、図８の関係から高周波電力を調整している。

【0034】

図９に示すように、スパッタリングガスにおける酸素の割合を一定にした条件において、ターゲット電流と成膜速度との間には、ほぼ線形な正の相関関係があることがわかる。また、スパッタリングガスにおける酸素の割合を変化させることで、当該相関関係における切片が変化することがわかる。そのため、ターゲット電流を調整することによって、成膜速度を調整することができることがわかる。

【0035】

したがって、高周波電力を調整することで、ターゲット電流を調整し、その結果、成膜速度を制御できることがわかる。この関係にはトレードオフの関係がないため、上述した２つの傾向と異なり、複数の条件を同時に満たし易い特徴がある。

【0036】

したがって、入力部７４によって、ユーザの所望の成膜速度を取得し、当該成膜速度に対応したターゲット電流の制御目標値を記憶部７３によって導出する。その後、演算部７２は、取得部７１によって取得したターゲット電流の計測値を、ターゲット電流の制御目標値となるように、演算を行い、高周波電源６０を介してアンテナ５０に供給する高周波電力を調整する。

【0037】

（成膜に伴う状態変化）
成膜を行っていると、真空容器２０およびアンテナ５０などに膜が付着することがある。また、スパッタリングガスの微小変動等が起こる。成膜速度を一定に保つために高周波電力を一定に制御していても、これらの影響によりプラズマ密度は経時的または瞬間的に変動し、成膜速度が変動する。それに伴い、ターゲット電流も変動する。

【0038】

そこで、制御部７０は、電流モニタ１２によって計測したターゲット電流の制御目標値を一定の値（所定値）に保つように、高周波電力を調整する。これにより、プラズマ密度が変動している状況下においても、成膜速度を一定に保つことができるようになる。

【0039】

（変形例）
なお、ここではＩｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体の成膜装置について説明したが、これに限らない。ターゲットは他の金属を含み、成膜装置は他の酸化物半導体または金属酸化物を成膜してもよい。また、反応性ガスとして、窒素またはメタン・アセチレン・ベンゼンなどの有機ガスを用いてもよい。これにより、成膜装置は、金属窒化物または金属炭化物を成膜することができる。他の金属としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、およびＳｎなどが挙げられる。

【0040】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0041】

図１０は、酸素の分圧を成膜速度で除した値［Ｐａ・ｍｉｎ／ｎｍ］と、膜密度との関係を示す図である。

【0042】

Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物は、成膜された膜が十分な半導体特性を示すためには、膜密度が６．２［ｇ／ｃｍ^３］以上必要である。実施形態１で述べたように酸素の割合と成膜速度との関係にはトレードオフの関係がある。そのため、この関係と膜密度との関係を、酸素の分圧を成膜速度で除した値（以降、成膜係数と呼称する）で整理したものが図１０である。なお、ＤＲは、ＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＲａｔｅ（成膜速度）の略である。

【0043】

成膜係数が０．００１より大きくかつ膜密度が６．２以上の状態から、酸素の割合を減らすこと、または高周波電力を増やすこと、によって成膜速度を増すと、成膜係数が低下し、成膜速度に対して十分な酸素が供給されなくなり、膜密度が低下する。この状態を表すものが、図１０における符号１０１のグラフである。この状態としては、例えば酸素の割合は０．５～２．５％であり、スパッタリングガスの圧力が１～５Ｐａであり、高周波電力が１０～３０ｋＷになる。

【0044】

ここで、図１０に示すように、成膜係数は０．００１以上が好ましく、特に０．００１５以上が好ましい。特に０．００１５以上が好ましい理由は、成膜速度に対して既に十分な酸素が供給されており、飽和しているためである。

【0045】

原価を抑えるためにスパッタリングガスの消費を抑えた際（酸素の割合が２．５％であり、スパッタリングガスの圧力が１Ｐａの場合）において、成膜すると、高周波電力が１５～３０ｋＷと高出力になる。この条件では、図１０における符号１０２のグラフになる。この場合、成膜係数が小さい場合であっても、十分な膜密度を得ることができる。これは、スパッタリングガスの圧力が低いために、プラズマＰが他の粒子に衝突してエネルギーを消失することなく、ターゲットＴおよび基板２に到達することができるために、反応が促進されて高密度になる条件があるためだと推測できる。

【0046】

ただしこの場合は、圧力が低いために、電子と粒子が衝突し難くなるため、電離が継続され辛い。そのために、プラズマ状態を維持することが難しく、プラズマが不安定で安定した成膜が困難な状態にある。したがって、高品質な成膜を容易に維持するために、成膜係数を０．００１以上とすることが好ましい。

【0047】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る成膜装置は、真空容器と、供給される高周波電力によりプラズマを発生させるアンテナと、電圧が印加され、前記プラズマによりスパッタリングされるターゲットと、前記真空容器内にスパッタリングガスとして反応性ガスを導入するガス導入部と、前記ターゲットに流れる電流を計測する電流モニタと、前記ターゲットに流れる電流の計測値に基づき、前記アンテナに供給する前記高周波電力を調整する制御部と、を備える。

【0048】

上記の構成によれば、成膜速度をターゲットに流れる電流を介して管理することができる。そのため、良質な膜を形成することができる。よって、膜密度と成膜速度とを適切に管理することができる。

【0049】

本発明の態様２に係る成膜装置は、上記態様１において、前記制御部は、前記電流の制御目標値を所定値に制御してもよい。

【0050】

上記の構成によれば、ターゲットに流れる電流を所定値に制御することによって、成膜速度を一定に保つことができる。

【0051】

本発明の態様３に係る成膜装置は、上記態様１または２において、前記制御部は、前記電流の制御目標値と、成膜速度との関係を記憶してもよい。

【0052】

上記の構成によれば、ターゲットに流れる電流の制御目標値と成膜速度との関係を記憶することができる。そのため、ユーザが所望の成膜速度を選択することによって、ターゲットに流れる電流の制御目標値が自動的に決定される。

【0053】

本発明の態様４に係る成膜装置は、上記態様１から３のいずれかにおいて、前記スパッタリングガスにおける前記反応性ガスの分圧を、成膜速度で除した値が０．００１［Ｐａ・ｍｉｎ／ｎｍ］以上、特に０．００１５［Ｐａ・ｍｉｎ／ｎｍ］以上であってよい。