JP2023156156A

JP2023156156A - 成膜方法及び成膜装置

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Publication number: JP2023156156A
Application number: JP2022065849A
Authority: JP
Inventors: 祐輔氏原; Yusuke Ujihara; 応樹武井; Masaki Takei
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-10-24

Abstract

【課題】マグネトロンスパッタリングにより膜質の制御性に優れた成膜を行うことが可能な成膜方法及び成膜装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る成膜方法は、各ロータリターゲットが中心軸とターゲット面とを有し、中心軸の周りに回転可能な磁石を内部に備え、中心軸が互いに平行である複数のロータリターゲットを用い、複数のロータリターゲットのそれぞれにおいて、ターゲット面の基板側を基板側面とし、ターゲット面の基板側面とは反対側を反基板側面とした場合、反基板側面が面する空間である反基板側空間の圧力を基板側面が面する空間である基板側空間の圧力より高くする。複数のロータリターゲットに放電電力を供給して基板にスパッタリング成膜を行い、放電電力の供給開始から供給停止の間で、磁石を中心軸の周りに回転させ、内部から基板側面に対向する位置と内部から反基板側面に対向する位置の間で移動させる。【選択図】図４

Description

本発明は、ロータリターゲットを用いたマグネトロンスパッタリングによる成膜方法及び成膜装置に関する。

スパッタリングでは、真空中に導入したスパッタリングガスへ放電を行うことによりスパッタリングガスをプラズマ化し、生成したイオンをターゲットに衝突させてスパッタリング粒子を発生させ、基板上にスパッタリング粒子を堆積させる。マグネトロンスパッタリングは、ターゲット近傍に配置した磁石を用いて磁場の中に電子を囲い込むことでターゲット近傍に高密度プラズマ領域を作り、イオンをターゲットに効率的に衝突させることにより成膜の高速化が可能である。

マグネトロンスパッタリング装置には、基板に対向させた円筒状のスパッタリングターゲット（以下、ロータリターゲット）中に磁石を配置し、磁石を回転させることにより、ロータリターゲット表面におけるプラズマ密度を変化させるものが開発されている（例えば特許文献１参照）。この装置では、磁石を回転させることによりロータリターゲット間でのスパッタリング粒子の量を均一化させることが可能となっている。

特開２０２０－２００５２０号公報

しかしながら、マグネトロンスパッタリングでは、放電開始時や放電停止時に膜質の制御が困難となる場合がある。これは、放電開始時にはターゲットの表面状態やプラズマ発生空間の状態が膜質に影響し、放電停止時にはスパッタリング粒子と反応性ガスの比率が変動するためである。特に薄膜トランジスタ等の素子では膜質により素子性能に影響が生じるため、このような素子をマグネトロンスパッタリングにより製造する際には膜質制御が重要となる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、マグネトロンスパッタリングにより膜質の制御性に優れた成膜を行うことが可能な成膜方法及び成膜装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜方法は、各ロータリターゲットが中心軸とターゲット面とを有し、上記中心軸の周りに回転可能な磁石を内部に備え、上記中心軸が互いに平行である複数のロータリターゲットを用いて基板にスパッタリング成膜を行う成膜方法である。
上記成膜方法では、上記複数のロータリターゲットのそれぞれにおいて、上記ターゲット面の上記基板側を基板側面とし、上記ターゲット面の上記基板側面とは反対側を反基板側面とした場合、上記反基板側面が面する空間である反基板側空間の圧力を上記基板側面が面する空間である基板側空間の圧力より高くする。
上記複数のロータリターゲットに放電電力を供給して上記基板にスパッタリング成膜を行い、上記放電電力の供給開始から供給停止の間で、上記磁石を上記中心軸の周りに回転させ、上記内部から上記基板側面に対向する位置と上記内部から上記反基板側面に対向する位置の間で移動させる。

この成膜方法では、磁石を内部から基板側面に対向する位置に移動させると、基板側面から飛散したスパッタリング材料が基板に堆積し、着膜する。一方、磁石を内部から反基板側面に対向する位置に移動させると、反基板側面から飛散したスパッタリング材料が基板に着膜しない。反基板側空間の圧力を基板側空間の圧力より高くしておくことにより、反基板側空間で放電を生じやすくし、基板側空間で成膜に適した条件で成膜することができる。また、放電開始時や放電終了時は膜質の制御性が低下するが、この際に基板への着膜を防止することで膜質の制御性に優れた成膜を行うことが可能となる。

上記スパッタリング成膜を行う工程では、上記磁石が上記内部から上記反基板側面に対向する位置にあるときに上記放電電力の供給を開始し、上記磁石を上記内部から上記基板側面に対向する位置に移動させて上記放電電力の供給を継続してもよい。

上記スパッタリング成膜を行う工程では、上記磁石が上記内部から上記基板側面に対向する位置にあるときに上記放電電力の供給を継続し、上記磁石を上記内部から上記反基板側面に対向する位置に移動させて上記放電電力の供給を停止してもよい。

上記スパッタリング成膜を行う工程では、上記磁石が上記内部から上記反基板側面に対向する位置にあるときに上記放電電力の供給を開始し、上記磁石を上記内部から上記基板側面に対向する位置に移動させて上記放電電力の供給を継続し、上記磁石を上記内部から上記反基板側面に対向する位置に移動させて上記放電電力の供給を停止してもよい。

上記成膜方法では、上記磁石が上記基板に最も接近する位置を基準位置とし、上記基準位置に位置しているときの上記磁石の回転角を０°とし、上記磁石を反時計回り方向に回転させるときの回転角度を正の回転角度とした場合、上記磁石が上記内部から上記反基板側面に対向する位置は上記回転角度が１００°以上２６０°以下の位置であってもよい。

上記反基板側空間の圧力を上記基板側空間の圧力より高くする工程では、上記反基板側空間にガスを供給し、上記反基板側空間の圧力を高くしてもよい。

上記ガスは、スパッタリングガスと反応性ガスを混合したガスであってもよい。

上記基板側空間の圧力は０．３Ｐａ以下であり、上記反基板側空間の圧力は０．４Ｐａ以上であってもよい。

上記複数のロータリターゲット間の距離は８０ｍｍ以下であってもよい。

上記スパッタリング成膜を行う工程では、酸化物半導体材料を上記基板上に成膜してもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る成膜装置は、複数のロータリターゲットと、ガス導入部と、制御部とを具備する。
上記複数のロータリターゲットは、各ロータリターゲットが中心軸とターゲット面とを有し、上記中心軸の周りに回転可能な磁石を内部に備え、上記中心軸が互いに平行である。
上記ガス導入部は、上記複数のロータリターゲットのそれぞれにおいて、上記ターゲット面の上記基板側を基板側面とし、上記ターゲット面の上記基板側面とは反対側を反基板側面とした場合、上記反基板側面が面する空間である反基板側空間に設けられ、ガスを放出して上記反基板側空間の圧力を上記基板側面が面する空間である基板側空間の圧力より高くする。
上記制御部は、上記複数のロータリターゲットに放電電力を供給して上記基板にスパッタリング成膜を行い、上記放電電力の供給開始から供給停止の間で、上記磁石を上記中心軸の周りに回転させ、上記内部から上記基板側面に対向する位置と上記内部から上記反基板側面に対向する位置の間で移動させる。

以上のように、本発明によれば、マグネトロンスパッタリングにより膜質の制御性に優れた成膜を行うことが可能な成膜方法及び成膜装置を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る成膜方法により作成可能なトップゲート型ＴＦＴの模式図である。上記成膜方法により作成可能なダウンゲート型ＴＦＴの模式図である。上記膜方法により作成可能なダブルゲート型ＴＦＴの模式図である。本発明の実施形態に係る成膜装置の模式図である。上記成膜装置の一部構成の模式図である。上記成膜装置が備えるロータリターゲットの斜視図である。上記成膜装置が備えるロータリターゲットの断面図である。上記成膜装置が備えるロータリターゲットのターゲット面と基板の位置関係を示す模式図である。上記成膜装置が備えるロータリターゲットの磁石の配置を示す模式図である。上記成膜装置における磁石ユニットの回転角度を示す模式図である。上記成膜装置における磁石ユニットの回転角度を示す模式図である。上記成膜装置における磁石ユニットの、基板側面と対向する回転角度を示す模式図である。上記成膜装置における磁石ユニットの、反基板側面と対向する回転角度を示す模式図である。上記成膜装置における基板側空間と反基板側空間を示す模式図である。上記成膜装置が備えるロータリターゲットの間隙を示す模式図である。上記成膜装置による成膜方法のガス導入工程の模式図である。上記成膜装置による成膜方法の放電開始時及び放電終了時の模式図である。上記成膜装置による成膜方法の放電継続時の模式図である。本発明及び比較例に係る成膜方法によって成膜された膜の模式図である。上記成膜装置における磁石ユニットの回転角度と成膜速度の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[成膜対象物について]
本実施形態に係る成膜方法により製造することが可能なＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）の構成について説明する。図１はトップゲート型のＴＦＴ５１０を示し、図２はボトムゲート型のＴＦＴ５２０、図３はダブルゲート型のＴＦＴ５３０を示す。

図１乃至図３において各ＴＦＴは基板５０１、チャネル層５０２、ゲート絶縁膜５０３、ゲート電極５０４、ソース電極５０５、ドレイン電極５０６、層間絶縁膜５０７、遮光層５０８及びバッファー層５０９を備える。各層の材料は各層の機能に応じて選択され、例えばチャネル層５０２はＩＧＺＯ（Indium Gallium Ｚinc Ｏxide）等の酸化物半導体材料からなる。

図１乃至図３に示す各ＴＦＴにおいてゲート電極５０４に電圧を印加すると、チャネル層５０２のゲート電極５０４側にチャネル領域Ｃが形成され、ソース電極５０５とドレイン電極５０６の間に電圧を印加すると、チャネル領域Ｃを介して電流が流れる。一方、ゲート電極５０４に電圧を印加しないと、チャネル層５０２にチャネル領域Ｃが形成されず、ソース電極５０５とドレイン電極５０６の間に電圧を印加しても電流が流れない。

図１乃至図３に示すように、各ＴＦＴにおいてチャネル領域Ｃの形成位置は異なり、トップゲート型のＴＦＴ５１０（図１参照）ではチャネル層５０２の最上層に、ボトムゲート型のＴＦＴ５２０（図２参照）ではチャネル層５０２の最下層にチャネル領域Ｃが形成される。また、ダブルゲート型のＴＦＴ５３０（図３参照）ではチャネル層５０２の最上層及び最下層の両方にチャネル領域Ｃが形成される。

各ＴＦＴにおいてチャネル層５０２のうちチャネル領域Ｃが形成される部分では、チャネル層５０２の膜質が電子移動度といったチャネル領域Ｃの性質に影響を与える。したがって、各ＴＦＴのチャネル層５０２を生成する際、チャネル領域Ｃの位置に応じてチャネル層５０２の膜質制御が重要となる。

[成膜装置について]
本実施形態に係る成膜装置について説明する。図４は本実施形態に係る成膜装置１００の模式図であり、図５は成膜装置１００の一部構成を示す断面図である。成膜装置１００はマグネトロンスパッタリング装置である。これらの図に示すように、成膜装置１００は真空チャンバ１１０、複数のロータリターゲット１２０、防着板１３０、ガス導入部１４０、基板ホルダ１５０及び制御部１６０を備える。基板ホルダ１５０には成膜対象物である基板Ｓが装着されている。

真空チャンバ１１０は、内部空間１１１を形成する。真空チャンバ１１０にはガス供給系１１２及び排気系１１３が設けられている。ガス供給系１１２はガス導入部１４０に接続され、後述するスパッタリング用ガスをガス導入部１４０に供給する。排気系１１３は図示しない真空ポンプに接続され、内部空間１１１を真空排気する。

図６はロータリターゲット１２０を示す斜視図である。ロータリターゲット１２０は中心軸１２１の周りに回転可能に構成されている。成膜装置１００が備える複数のロータリターゲット１２０は、それぞれの中心軸１２１が互いに平行となるように配置されている。なお、複数のロータリターゲット１２０は図５に示すように中心軸１２１が同一平面（Ｘ－Ｙ平面）上に位置するように配置されてもよく、複数のロータリターゲット１２０が基板Ｓに対して凹型又は凸型となるように中心軸１２１がずれて配置されてもよい。

図５に示すように複数のロータリターゲット１２０は中心軸１２１に直交する一方向（Ｚ方向)において基板Ｓと対向する。なお、図４では１０本のロータリターゲット１２０を示すが、成膜装置１００が備えるロータリターゲット１２０の数は特に限定されず、基板Ｓのサイズに応じて適宜変更される。

図７は一つのロータリターゲット１２０を示す断面図である。同図に示すようにロータリターゲット１２０はターゲット部１２３及び磁石ユニット１２４を備える。ターゲット部１２３はターゲット材料からなり、中心軸１２１を中心とする円筒形状を有する。成膜装置１００により成膜可能な成膜材料は特に限定されないが、例えばＩＧＺＯ（Indium Gallium Zinc Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、ＩＡＺＯ（Indium Aluminium Zinc Oxide）、ＩＡＴＯ（Indium Aluminium Tin Oxide）等の酸化物半導体であり、ターゲット材料はこれらの成膜材料に応じて選択される。以下、ターゲット部１２３の表面をターゲット面１２５とする。

図８はターゲット面１２５と基板Ｓの位置関係を示す模式図である。同図に示すように、ターゲット面１２５のうち基板Ｓ側の面を基板側面１２５ａとし、ターゲット面１２５のうち基板側面１２５ａとは反対側の面を反基板側面１２５ｂとする。図８では基板側面１２５ａを太線で示す。図８では一つのロータリターゲット１２０を示すが、他のロータリターゲット１２０も同様に基板側面１２５ａと反基板側面１２５ｂを有する。

磁石ユニット１２４は、図７に示すようにロータリターゲット１２０内に配置され、図示しない回転機構により中心軸１２１の周りに回転可能に構成されている。磁石ユニット１２４は、ヨーク１２６、Ｎ極磁石１２７及びＳ極磁石１２８を備え、Ｎ極磁石１２７及びＳ極磁石１２８がロータリターゲット１２０の内部からターゲット部１２３に対向するように配置されている。図９はＮ極磁石１２７及びＳ極磁石１２８のターゲット部１２３に対する配置を示す模式図である。同図に示すようにＮ極磁石１２７はＳ極磁石１２８の周囲を囲み、Ｎ極磁石１２７及びＳ極磁石１２８は中心軸１２１の延伸方向（Ｘ方向）に沿って、ターゲット部１２３と同等の長さを有する。なお、Ｎ極磁石１２７とＳ極磁石１２８の磁極は反対であってもよい。

図１０及び図１１は磁石ユニット１２４の回転角度を示す模式図である。図１０に示すように、磁石ユニット１２４が基板Ｓに最も接近する位置を基準位置とし、磁石ユニット１２４が基準位置に位置しているときの磁石ユニット１２４の回転角度を０°とする。中心軸１２１から基板Ｓに垂線を引いた場合、この垂線と磁石ユニット１２４の中心Ｒとが一致した位置が磁石ユニット１２４の回転角度０°に相当する。また、図１１に実線で示すように、磁石ユニット１２４を、中心軸１２１の周りに反時計回り方向に回転させるときの回転角度を正の回転角度(＋θ）とする。さらに図１１に破線で示すように、磁石ユニット１２４を中心軸１２１の周りに時計回り方向に回転させるときの回転角度を負の回転角度(－θ）とする。

成膜装置１００では、磁石ユニット１２４を中心軸１２１の周りに回転させ、基板側面１２５ａに対向する位置と、反基板側面１２５ｂに対向する位置の間で移動させる。図１２は、磁石ユニット１２４の基板側面１２５ａに対向する位置を示す模式図である。同図に示すように磁石ユニット１２４がロータリターゲット１２０の内側から基板側面１２５ａに対向するときの、磁石ユニット１２４の回転角度範囲を角度範囲Ｈ１とする。角度範囲Ｈ１は０°以上９０°以下及び２７０°以上３６０°以下であり、０°以上３０°以下及び３３０°以上３６０°以下が好適である。

また、図１３は、磁石ユニット１２４の反基板側面１２５ｂに対向する位置を示す模式図である。同図に示すように磁石ユニット１２４がロータリターゲット１２０の内側から反基板側面１２５ｂに対向するときの、磁石ユニット１２４の回転角度範囲を角度範囲Ｈ２とする。角度範囲Ｈ２は９０°以上２７０°以下であり、１００°以上２６０°以下が好適である。

ロータリターゲット１２０は以上のような構成を有する。図１４は内部空間１１１とロータリターゲット１２０の関係を示す模式図である。同図に示すように内部空間１１１は基板側空間１１１ａと反基板側空間１１１ｂを有する。基板側空間１１１ａは、内部空間１１１のうち基板側面１２５ａが面する空間であり、反基板側空間１１１ｂは、内部空間１１１のうち反基板側面１２５ｂが面する空間である。上述した排気系１１３(図４参照）は基板側空間１１１ａに接続されている。

基板側空間１１１ａと反基板側空間１１１ｂは、隣接するロータリターゲット１２０間の間隙を介して連通する。図１５は、ロータリターゲット１２０間の間隙１２９を示す模式図である。間隙１２９の最小の幅を幅Ｌとすると、幅Ｌは８０ｍｍ以下が好適である。

防着板１３０は、反基板側空間１１１ｂに配置され、真空チャンバ１１０への成膜材料の付着を防止する。防着板１３０の材料及び形状は特に限定されない。ガス導入部１４０は反基板側空間１１１ｂに設けられ、ガス供給系１１２（図４参照）から供給されるスパッタリング用ガスを反基板側空間１１１ｂに放出する。このスパッタリング用ガスはスパッタリングガスと反応性ガスを含む。スパッタリングガスは放電によりイオン化されるガスであり、例えばＡｒである。反応性ガスは上記イオンの衝突より生じるターゲット材料の粒子と化学反応を生じるガスであり、例えばＯ_２である。ガス導入部１４０は図４に示すように防着板１３０上に設けられてもよく、反基板側空間１１１ｂ内の他の位置に設けられてもよい。

基板ホルダ１５０は基板側空間１１１ａに設けられ、基板Ｓを保持する。基板ホルダ１５０は基板Ｓの保持が可能なものであればよく、その構成は特に限定されない。制御部１６０は、電源１６１及び回転駆動部１６２を制御する。電源１６１はロータリターゲット１２０に供給される放電電力の電源であり、ＤＣ電源でもよく、ＲＦ、ＶＨＦ等の高周波電源でもよい。回転駆動部１６２は、磁石ユニット１２４の回転機構を駆動し、磁石ユニット１２４の回転角度を制御する。

[成膜方法について]
成膜装置１００による成膜方法について説明する。図１６乃至図１８は、成膜装置１００による成膜方法を示す模式図である。本成膜方法では、まず、排気系１１３(図４参照）により内部空間１１１を真空排気する。内部空間１１１を十分に減圧した後、図１６に示すように、ガス導入部１４０からスパッタリング用ガスＧを放出させる。ガス導入部１４０は反基板側空間１１１ｂに設けられ、排気系１１３は基板側空間１１１ａに接続されているため、スパッタリング用ガスＧは反基板側空間１１１ｂから、間隙１２９（図１３参照）を介して基板側空間１１１ａに流入する。

この際、スパッタリング用ガスＧの流量に応じて反基板側空間１１１ｂの圧力は基板側空間１１１ａの圧力より高くなり、反基板側空間１１１ｂと基板側空間１１１ａの間に差圧が生じる。このため、スパッタリング用ガスＧの流量を調整して、反基板側空間１１１ｂを高圧、基板側空間１１１ａを低圧に維持する。反基板側空間１１１ｂの圧力は０．４Ｐａ以上、基板側空間１１１ａの圧力は０，３Ｐａ以下が好適であり、差圧は０．１Ｐａ以上０．２Ｐａ以下が好適である。

続いて、各ロータリターゲット１２０が備える磁石ユニット１２４の回転角度を角度範囲Ｈ２（図１３参照）の範囲内の角度とし、磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂ（図８参照）に対向する位置とする。磁石ユニット１２４の回転角度が角度範囲Ｈ２の範囲内にない場合、磁石ユニット１２４を回転させ、反基板側面１２５ｂに対向する位置に移動させる。この状態でロータリターゲット１２０に放電電力の供給を開始する。この放電電力によりロータリターゲット１２０と防着板１３０の間に放電が生じ、スパッタリングガスがプラズマ化する。このプラズマはＮ極磁石１２７及びＳ極磁石１２８によって生成された磁場内に閉じ込められ、高密度プラズマを形成する。

図１７は放電により生じる高密度プラズマＰを示す模式図である。磁石ユニット１２４が反基板側面１２５ｂに対向する位置にあるため、高密度プラズマＰは反基板側空間１１１ｂ内において基板Ｓとは反対側の方向に発生する。この状態を例えば１秒間、維持する。

続いて、放電電力の供給を維持しながら、各ロータリターゲット１２０が備える磁石ユニット１２４を回転角度が角度範囲Ｈ１の範囲内となるように回転させ、磁石ユニット１２４を基板側面１２５ａ（図８参照）に対向する位置に移動させる。図１８は、磁石ユニット１２４の回転後の高密度プラズマＰを示す模式図である。磁石ユニット１２４が基板側面１２５ａに対向しているため、高密度プラズマＰは基板側空間１１１ａ内において基板Ｓ側の方向に発生する。

高密度プラズマＰを形成するイオンは基板側面１２５ａに衝突し、ターゲット材料の粒子を飛散させる。飛散したターゲット材料の粒子は反応性ガスと反応しながら基板Ｓ上に堆積し、膜を形成する。このまま放電電力の供給を継続し、膜厚が所望の厚みとなるまで維持する。なお、成膜中では磁石ユニット１２４を角度範囲Ｈ１の範囲内で揺動させてもよく、これにより膜質及び膜厚分布のさらなる均一化が可能である。揺動速度は１．３°/秒以上が好適である。

続いて、放電電力の供給を維持しながら、各ロータリターゲット１２０が備える磁石ユニット１２４を回転角度が角度範囲Ｈ２の範囲内となるように回転させ、磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂ（図８参照）に対向する位置に移動させる。図１７と同様に、高密度プラズマＰは反基板側空間１１１ｂ内において基板Ｓとは反対側の方向に発生する。この状態でロータリターゲット１２０への放電電力の供給を停止する。これにより放電が終了し、高密度プラズマＰが消滅して成膜プロセスが終了する。

成膜装置１００による成膜は以上のようにして行われる。なお、上述した成膜プロセスは、成膜装置１００を用いてユーザが実施してもよく、制御部１６０が電源１６１及び回転駆動部１６２を制御して実施してもよい。

[成膜方法による効果]
成膜装置１００による成膜方法の効果について説明する。成膜装置１００による成膜方法では、上記のように放電電力の供給開始時と供給停止時に磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂに対向する位置とし、放電電力の供給継続中には磁石ユニット１２４を基板側面１２５ａに対向する位置とする。

ここで放電電力の供給開始時には、空間内に存在する初期電子が電界により加速され、スパッタリングガスとの衝突により電離を生じる。これにより生じた電子も連鎖的に電離を生じさせるため、電子のなだれ成長が生じて放電が発生し、スパッタリングガスのプラズマが生成する。この際、空間の気圧が低いと初期電子とスパッタリングガスの衝突確率が小さくなり、電子のなだれ成長が生じにくいため、放電も生じにくい。一方、成膜装置１００では反基板側空間１１１ｂは高圧となっており、放電電力の供給開始時に磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂに対向させることで反基板側空間１１１ｂ内で放電を生じさせる。反基板側空間１１１ｂは高圧のため電子のなだれ成長が生じやすく、放電が発生しやすい。それに伴ってアーク放電の発生リスクも減少し、パーティクル(異物粒子）の発生も抑制することができる。

また、放電開始時には真空チャンバ内におけるターゲットの表面状態やプラズマ発生時の空間の変化等、複数の要因によって膜質の制御が困難となる。成膜装置１００では、放電電力の供給開始時に磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂに対向させることで高密度プラズマＰを基板Ｓとは反対側に生じさせ、反基板側面１２５ｂから放出されたターゲット材料の粒子を基板Ｓとは反対側に飛散させる。これにより、この粒子が基板Ｓ上に堆積することを防止し、膜質の制御性が低い膜の基板Ｓへの着膜を回避することができる。

さらに、放電電力の供給開始から一定時間が経過すると、膜質の制御を困難とする要因が解消するため、磁石ユニット１２４を基板側面１２５ａに対向させることで高密度プラズマＰを基板Ｓ側に生じさせ、成膜を進行させる。また、基板側空間１１１ａは低圧となっているが、低圧で成膜した酸化物半導体は低欠陥かつ緻密な膜となるため、高品質な膜を成膜することが可能である。特に基板側空間１１１ａの圧力は０．３Ｐａ以下が好適である。

放電電力の供給停止時には、プラズマの減少に伴い、飛散するターゲット材料の粒子が減少するため、ターゲット材料と反応性ガスの比率が変動する。このため、再び膜質の制御が困難となる。これに対し成膜装置１００では放電電力の供給停止時に磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂに対向させることで反基板側面１２５ｂから放出されたターゲット材料の粒子が基板Ｓ上に堆積することを防止し、膜質の制御性が低い膜の着膜を回避することができる。

以上のように本実施形態に係る成膜方法では、放電の開始時に高圧の反基板側空間１１１ｂにおいて放電を生じやすくし、放電の発生後には成膜に適した低圧の基板側空間１１１ａにおいて成膜を進行させる。放電の開始時及び終了時には膜質の制御が困難となるが、放電の開始時及び終了時には着膜を防止することで膜質の制御性に優れた成膜を行うことが可能となっている。

図１９は本実施形態に係る成膜方法及び比較例に係る成膜方法によって成膜される膜の模式図である。図１９（ａ）は比較例に係る成膜方法によって基板Ｓ上に成膜される膜３１０を示す模式図である。比較例に係る成膜方法では、磁石ユニットが常に基板側に向けられて成膜が実施されるものとする。比較例に係る成膜方法では上記のように放電開始時と放電停止時に膜質の制御性が低下した膜が着膜されるため、膜３１０は下層に低膜質層３１１、中層に高膜質層３１２、上層に低膜質層３１３が形成される。低膜質層３１１及び低膜質層３１３は例えば高膜質層３１２より酸化度が高い層である。

一方、図１９（ｂ）は本実施形態に係る成膜方法によって成膜される膜３２０を示す模式図である。本実施形態に係る成膜方法では放電電力の供給開始時と供給停止時に着膜が生じないため、下層から上層まで高品質な膜質となる。このため、ダブルゲート型ＴＦＴ５３０（図３参照）のチャネル層５０２を本実施形態に係る成膜方法で成膜することにより、チャネル層５０２の最上層と最下層に形成されるチャネル領域Ｃが高品質な膜質の領域に位置し、特性に優れたＴＦＴ５３０を作製することが可能となる。

[他の成膜方法について]
成膜装置１００による他の成膜方法について説明する。上述した成膜方法では、放電電力の供給開始時と供給停止時に磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂに対向する位置としたが、放電電力の供給開始時のみ、図１７に示すように磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂに対向する位置としてもよい。この場合、放電電力の供給継続中及び供給停止時は、図１８に示すように磁石ユニット１２４を基板側面１２５ａに対向する位置とする。

この場合、放電開始時には着膜が防止されるが、放電停止時には着膜が防止されない。図１９（ｃ）は本成膜方法によって成膜される膜３３０を示す模式図である。本成膜方法では放電停止時に膜質の制御性が低下した膜が着膜されるため、下層及び中層に高膜質層３３１、上層に低膜質層３３２が形成される。このため、ボトムゲート型ＴＦＴ５２０（図２参照）のチャネル層５０２を本実施形態に係る成膜方法で成膜することにより、チャネル層５０２の最下層に形成されるチャネル領域Ｃが高品質な膜質の領域に位置する。一方、ＴＦＴ５２０ではチャネル層５０２の上層にはチャネル領域Ｃが形成されないため、上層の膜質が低くても問題が生じない。したがって、この成膜方法でも特性に優れたＴＦＴ５２０を作製することが可能となる。

さらに、放電電力の供給停止時のみ、図１７に示すように磁石ユニット１２４を反基板側面１２５ｂに対向する位置としてもよい。この場合、放電電力の供給開始時及び供給継続中は、図１８に示すように磁石ユニット１２４を基板側面１２５ａに対向する位置とする。

この場合、放電停止時には着膜が防止されるが、放電開始時には着膜が防止されない。図１９（ｄ）は本成膜方法によって成膜される膜３４０を示す模式図である。本成膜方法では放電開始時に膜質の制御性が低下した膜が着膜されるため、下層に低膜質層３４１、中層及び上層に高膜質層３４２が形成される。このため、トップゲート型ＴＦＴ５１０（図１参照）のチャネル層５０２を本実施形態に係る成膜方法で成膜することにより、チャネル層５０２の最上層に形成されるチャネル領域Ｃが高品質な膜質の領域に位置する。一方、ＴＦＴ５１０ではチャネル層５０２の下層にはチャネル領域Ｃが形成されないため、下層の膜質が低くても問題が生じない。したがって、この成膜方法でも特性に優れたＴＦＴ５１０を作製することが可能となる。

なお、本実施形態に係る成膜方法はＴＦＴのチャネル層以外の成膜にも利用可能である。成膜材料もＩＧＺＯ、ＩＺＯ、ＩＴＯ、ＩＡＺＯ、ＩＡＴＯ等の酸化物半導体材料に限られず、酸化物材料やその他の材料であってもよく、他の材料においても同様の効果が得られる。

[回転角度について]
上記のように磁石ユニット１２４は、回転角度が角度範囲Ｈ２の範囲内のときに反基板側面１２５ｂに対向する。この角度範囲Ｈ２は１００°以上２６０°以下が好適である。図２０は磁石ユニット１２４の回転角度（＋θ）毎に成膜速度を測定したグラフである。同図に示すように、回転角度が１００°以上の場合、成膜速度が０となり、基板Ｓへの着膜が防止されていることがわかる。この成膜速度が０となる回転角度の範囲は、基準位置から負の回転角度(－θ)方向にも同様に考えることができる。したがって角度範囲Ｈ２は１００°以上２６０°以下が好適である。

[ガス流量について]
上記のようにガス導入部１４０から供給されるスパッタリング用ガスの流量により反基板側空間１１１ｂと基板側空間１１１ａの圧力が規定される。スパッタリング用ガスの流量は成膜プロセスの間で一定でもよいが、成膜プロセスの間で変更してもよい。具体的には、放電電力の供給開始時には一時的にスパッタリング用ガスの流量を増加させてもよい。これにより、反基板側空間１１１ｂの圧力が増加するため、磁石ユニット１２４が反基板側面１２５ｂに対向している状態（図１７参照）で放電電力の供給を開始すると放電が発生しやすくなる。放電発生後にはスパッタリング用ガスの流量を減少させて基板側空間１１１ａの圧力を低減させ、低圧で成膜を進行させることができる。

[本発明の実施形態について]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。上述の実施形態において説明した特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を任意に組み合わせることも可能である。

１００…成膜装置
１１０…真空チャンバ
１１１…内部空間
１１１ａ…基板側空間
１１１ｂ…反基板側空間
１２０…ロータリターゲット
１２１…中心軸
１２３…ターゲット部
１２４…磁石ユニット
１２５…ターゲット面
１２５ａ…基板側面
１２５ｂ…反基板側面
１３０…防着板
１４０…ガス導入部
１５０…基板ホルダ
１６０…制御部

Claims

各ロータリターゲットが中心軸とターゲット面とを有し、前記中心軸の周りに回転可能な磁石を内部に備え、前記中心軸が互いに平行である複数のロータリターゲットを用いて基板にスパッタリング成膜を行う成膜方法であって、
前記複数のロータリターゲットのそれぞれにおいて、前記ターゲット面の前記基板側を基板側面とし、前記ターゲット面の前記基板側面とは反対側を反基板側面とした場合、前記反基板側面が面する空間である反基板側空間の圧力を前記基板側面が面する空間である基板側空間の圧力より高くし、
前記複数のロータリターゲットに放電電力を供給して前記基板にスパッタリング成膜を行い、前記放電電力の供給開始から供給停止の間で、前記磁石を前記中心軸の周りに回転させ、前記内部から前記基板側面に対向する位置と前記内部から前記反基板側面に対向する位置の間で移動させる
成膜方法。
請求項１に記載の成膜方法であって、
前記スパッタリング成膜を行う工程では、前記磁石が前記内部から前記反基板側面に対向する位置にあるときに前記放電電力の供給を開始し、前記磁石を前記内部から前記基板側面に対向する位置に移動させて前記放電電力の供給を継続する
成膜方法。
請求項１に記載の成膜方法であって、
前記スパッタリング成膜を行う工程では、前記磁石が前記内部から前記基板側面に対向する位置にあるときに前記放電電力の供給を継続し、前記磁石を前記内部から前記反基板側面に対向する位置に移動させて前記放電電力の供給を停止する
成膜方法。
請求項１に記載の成膜方法であって、
前記スパッタリング成膜を行う工程では、前記磁石が前記内部から前記反基板側面に対向する位置にあるときに前記放電電力の供給を開始し、前記磁石を前記内部から前記基板側面に対向する位置に移動させて前記放電電力の供給を継続し、前記磁石を前記内部から前記反基板側面に対向する位置に移動させて前記放電電力の供給を停止する
成膜方法。
請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の成膜方法であって、
前記磁石が前記基板に最も接近する位置を基準位置とし、前記基準位置に位置しているときの前記磁石の回転角を０°とし、前記磁石を反時計回り方向に回転させるときの回転角度を正の回転角度とした場合、前記磁石が前記内部から前記反基板側面に対向する位置は前記回転角度が１００°以上２６０°以下の位置である
成膜方法。
請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の成膜方法であって、
前記反基板側空間の圧力を前記基板側空間の圧力より高くする工程では、前記反基板側空間にガスを供給し、前記反基板側空間の圧力を高くする
成膜方法。
請求項６に記載の成膜方法であって、
前記ガスは、スパッタリングガスと反応性ガスを混合したガスである
成膜方法。
請求項６又は７に記載の成膜方法であって、
前記基板側空間の圧力は０．３Ｐａ以下であり、
前記反基板側空間の圧力は０．４Ｐａ以上である
成膜方法。
請求項８に記載の成膜方法であって、
前記複数のロータリターゲット間の距離は８０ｍｍ以下である
成膜方法。
請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の成膜方法であって、
前記スパッタリング成膜を行う工程では、酸化物半導体材料を前記基板上に成膜する
成膜方法。
各ロータリターゲットが中心軸とターゲット面とを有し、前記中心軸の周りに回転可能な磁石を内部に備え、前記中心軸が互いに平行である複数のロータリターゲットと、
前記複数のロータリターゲットのそれぞれにおいて、前記ターゲット面の前記基板側を基板側面とし、前記ターゲット面の前記基板側面とは反対側を反基板側面とした場合、前記反基板側面が面する空間である反基板側空間に設けられ、ガスを放出して前記反基板側空間の圧力を前記基板側面が面する空間である基板側空間の圧力より高くするガス導入部と、
前記複数のロータリターゲットに放電電力を供給して前記基板にスパッタリング成膜を行い、前記放電電力の供給開始から供給停止の間で、前記磁石を前記中心軸の周りに回転させ、前記内部から前記基板側面に対向する位置と前記内部から前記反基板側面に対向する位置の間で移動させる制御部と
を具備する成膜装置。