薄膜形成方法
【課題】 反応性スパッタリングにより酸化物膜を形成する際に、次工程においてＣＶＤ法による薄膜形成が行われるような場合でも、基板との界面付近の酸素濃度の低下を防止して基板と酸化物膜との密着強度の低下を招くことのない薄膜形成方法を提供する。
【解決手段】 真空雰囲気中のスパッタ室１１ａ内にスパッタガス及び反応ガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理すべき基板Ｓに対向させて配置したターゲット４１ａ乃至４１ｈに電力投入し、プラズマ雰囲気中のイオンでターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を形成する場合に、薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成する。
【解決手段】 真空雰囲気中のスパッタ室１１ａ内にスパッタガス及び反応ガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理すべき基板Ｓに対向させて配置したターゲット４１ａ乃至４１ｈに電力投入し、プラズマ雰囲気中のイオンでターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を形成する場合に、薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリング法により処理すべき基板表面に所定の薄膜を形成するための薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスやシリコンウェハなどの基板表面に所定の薄膜を形成する方法の一つとしてスパッタリング（以下、「スパッタ」という）法がある。このスパッタ法は、プラズマ雰囲気中のイオンを、基板表面に形成しようする薄膜の組成に応じて作製したターゲットに向けて加速させて衝撃させ、スパッタ粒子（ターゲット原子）を飛散させ、基板表面に付着、堆積させて所定の薄膜を形成するものである。その際、酸素や窒素などの反応ガスを同時に導入し、反応性スパッタにより当該薄膜を得ることがある。
【０００３】
このようなスパッタ法による薄膜形成方法は、近年、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を用いた液晶ディスプレイ（ＦＰＤ）の製造工程において、ガラス基板表面に、例えばゲート電極として電気伝導特性のよいＣｕなどの金属膜を形成することにも利用されている。
【０００４】
ここで、ガラス基板表面にＣｕ膜を直接形成する際、ガラス表面に対する当該Ｃｕ膜の密着性を高めることが大きな課題となっている。このような課題の解決方法の一つとして、基板表面に、焼結助剤たる酸化物を露呈させた後、スパッタリング法などのＰＶＤ法でＣｕ膜を形成し、基板表層に露呈させた焼結助剤からなる酸化物に対する銅の高い密着強度を確保する方法が特許文献１で知られている。
【特許文献１】特開２００３−３８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＴＦＴ基板の製作工程においてガラス基板表面にＣｕからなるゲート電極を形成する場合、上記特許文献１記載の方法に従い、反応性スパッタによりＣｕ含有の酸化物膜及びスパッタによりＣｕ含有の金属膜を形成することになる。然し、上記ゲート電極を得た後、次工程で当該ゲート電極上には一般にプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘからなる絶縁膜が形成される。このプラズマＣＶＤ法による薄膜形成に際しては、処理室内に導入されるプロセスガスとしてＮ２、ＮＨ３及びＳｉＨ４の混合ガスが用いられる。
【０００６】
このようにＣＶＤ法により薄膜形成すると、プラズマの輻射熱等でガラス基板が加熱されることで酸化物膜中の酸素が拡散する一方で、プラズマで分解された水素やＮＨ３、ＳｉＨ４によって還元されて膜外に放出され、その結果、酸化物膜中の酸素濃度（反応性ガス成分の含有濃度）が低下する。その際にガラス基板との界面付近における酸素濃度が所定の閾値まで低下すると、密着強度が著しく低下するという問題がある。この場合、酸化物膜形成時に膜中の酸素濃度を高めておくことが考えられるが、これでは、酸化物膜の比抵抗値が高くなり過ぎる。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、次工程においてＣＶＤ法による薄膜形成が行われるような場合でも、ガラス基板との界面付近の酸素濃度の低下を防止して基板と酸化物膜との密着強度の低下を招くことのない薄膜形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１記載の薄膜形成方法は、真空雰囲気中のスパッタ室内にスパッタガス及び反応ガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理すべき基板に対向させて配置したターゲットに電力投入し、プラズマ雰囲気中のイオンでターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を形成する薄膜形成方法において、前記薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、前記薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成し、当該薄膜中で基板の界面から膜厚増加方向に向かって反応ガス成分の含有濃度に勾配をつけるため、例えば酸化物膜を形成したガラス基板に対し、次工程で拡散と還元反応が起こるような条件下で所定の処理が実施されても、酸化物膜と基板との界面付近での酸素の拡散が抑制されて当該界面付近での酸素濃度の低下が防止される。
【００１０】
本発明においては、前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲットへの投入電力を高電力から低電力に切換えることで行えば、既存のスパッタリング装置の電源の制御を変えるだけで、所定の膜厚で薄膜を形成する途中においてスパッタレートを低下させて膜中の反応ガス成分の含有濃度を高めることが実現できる。
【００１１】
また、前記投入電力の切換えを一定の周期で行うようにすれば、含有濃度が高い領域を局所的に複数形成でき、その上、低電力時のスパッタ時間を短くすれば、所定の膜厚で薄膜を形成するためのスパッタ時間が長くなることを抑制することもできる。
【００１２】
前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、ターゲットへの投入電力を一定に保持しつつ、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を低流量から高流量に切換えることで行う構成を採用してもよい。
【００１３】
この場合、前記反応ガス流量の切換えを一定の周期で行うようにしてもよい。
【００１４】
さらに、本発明においては、面積の大きな基板に対して効率よく所定の薄膜を形成するために、前記ターゲットを、スパッタ室内に所定の間隔を置いて並設した同一組成を有する複数枚のターゲットから構成し、前記反応ガスを、ターゲットの背面側の空間で一旦拡散させた後、各ターゲット相互間の間隙を通って基板に向かって供給することができる。これにより、簡単な構成で、基板に対して反応ガスが偏って導入されることが防止でき、基板面内で反応性にむらが生じて基板面内で比抵抗値などの膜質が不均一になることが防止できる。
【００１５】
尚、反応ガスとして酸素含有のものを用い、上記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の薄膜形成方法により基板表面にＣｕ含有の酸化物膜を形成する工程と、この酸化物膜表面にＰＶＤ法によりＣｕ含有の金属膜を形成する工程と、この金属膜表面に、所定のプロセスガスを用いてＣＶＤ法により絶縁膜を形成する工程とを含む薄膜形成方法に適用できる。
【００１６】
これにより、ＴＦＴ基板の製作工程において、本発明の薄膜形成方法を適用してＣｕ含有の酸化物膜を形成した後、Ｃｕ含有の金属膜を積層してゲート電極を形成し、次工程でプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘからなる絶縁膜を形成する場合に、基板の界面付近での酸素濃度の低下が防止され、基板表面に形成した酸化物に対する銅の高い密着強度を確保できる。それに加えて、薄膜形成の途中で酸素濃度が高い領域を形成しているだけであり、当該酸化物膜の比抵抗値は然程高くなるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１を参照して説明すれば、１は、本発明のマグネトロン方式のスパッタリング装置（以下、「スパッタ装置」という）である。スパッタ装置１は、インライン式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）を介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１１を有する。真空チャンバ１１の上部には基板搬送手段２が設けられている。この基板搬送手段２は、公知の構造を有し、ガラス基板などの基板Ｓが装着されるキャリア２１を有し、図示しない駆動手段を間欠駆動させて、後述するターゲットに対向した位置に基板Ｓを順次搬送できる。
【００１８】
真空チャンバ１１内には、ターゲットに対向した位置に搬送されてきた基板Ｓに対しスパッタにより所定の薄膜を形成する際に、キャリア２１表面や真空チャンバ１１側壁などにスパッタ粒子が付着することを防止するため、基板搬送手段２とターゲットとの間に位置させて基板Ｓが臨む開口３１ａが形成された第１のシールド３１が設けられ、第１のシールド３１の下端は、後述する第２のシールドの近傍まで延出している。そして、真空チャンバ１１の下側には、カソード電極Ｃが配置されている。
【００１９】
カソード電極Ｃは、大面積の基板Ｓに対し効率よく薄膜形成ができるように、基板Ｓに対向させて等間隔で配置した複数枚（本実施の形態では８枚）のターゲット４１ａ乃至４１ｈを有する。各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏまたはこれらの合金やインジウム及び錫の酸化物（ＩＴＯ）など、基板Ｓ表面に形成しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製され、例えば略直方体（上面視において長方形）など同形状に形成されている。各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、スパッタ中、ターゲット４１ａ乃至４１ｈを冷却するバッキングプレート４２に、インジウムやスズなどのボンディング材を介して接合されている。
【００２０】
各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、未使用時のスパッタ面４１１が基板Ｓに平行な同一平面上に位置するように、絶縁部材を介してカソード電極Ｃのフレーム（図示せず）に取付けられている。また、並設したターゲット４１ａ乃至４１ｈの周囲には、第２のシールド３２が配置され、真空チャンバ１１内で第１及び第２のシールド３１、３２で囲繞された空間がスパッタ室１１ａを構成する。
【００２１】
また、カソード電極Ｃは、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの後方（スパッタ面４１１と背向する側）にそれぞれ位置させて磁石組立体５を有する。同一構造の各磁石組立体５は、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈに平行に設けられた支持板（ヨーク）５１を有する。ターゲット４１ａ乃至４１ｈが正面視で長方形であるとき、支持板５１は、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの横幅より小さく、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの長手方向に沿ってその両側に延出するように形成した長方形の平板から構成され、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製である。支持板５１上には、その中央部で長手方向に沿って線状に配置した中央磁石５２と、中央磁石５２の周囲を囲うように支持板５１の外周に沿って配置した周辺磁石５３とがスパッタ面４１１側の極性を変えて設けられている。
【００２２】
中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積は、例えば周辺磁石５３の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中心磁石：周辺磁石＝１：２：１）に等しくなるように設計され、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈのスパッタ面４１１の前方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束がそれぞれ形成される。これにより、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの前方（スパッタ面４１１）側で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈ前方での電子密度を高くしてプラズマ密度が高まり、スパッタレートを高くできる。
【００２３】
各磁石組立体５は、モータやエアーシリンダなどから構成される駆動手段Ｄの駆動軸Ｄ１にそれぞれ連結され、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの並設方向に沿った２箇所の位置の間で平行かつ等速で一体に往復動できる。これにより、スパッタレートが高くなる領域をかえて各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの全面に亘って均等に侵食領域が得られる。
【００２４】
各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、隣り合う２枚で一対のターゲット（４１ａと４１ｂ、４１ｃと４１ｄ、４１ｅと４１ｆ、４１ｇと４１ｈ）を構成し、一対のターゲット毎に割当てて交流電源Ｅ１乃至Ｅ４が設けられ、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４からの出力ケーブルＫ１、Ｋ２が一対のターゲット４１ａ、４１ｂ（４１ｃ及び４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆ、４１ｇ及び４１ｈ）に接続されている。そして、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４によって、各一対のターゲット４１ａ乃至４１ｈに対し交互に極性をかえて交流電圧が印加される。
【００２５】
交流電源Ｅ１乃至Ｅ４は、同一構造であり、電力の供給を可能とする電力供給部６と、所定の周波数で交互に極性をかえて交流電圧を、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ（４１ｃ及び４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆ、４１ｇ及び４１ｈ）に出力する発振部７とから構成される。各ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの出力電圧の波形については、略正弦波であるが、これに限定されるものではなく、例えば略方形波でもよい。以下に、交流電源Ｅ１の構成について図２を参照して説明する。
【００２６】
電力供給部６は、その作動を制御する第１のＣＰＵ回路６１と、商用の交流電力（３相ＡＣ２００Ｖ又は４００V）が入力される入力部６２と、入力された交流電力を整流して直流電力に変換する６個のダイオード６３とを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂを介して直流電力を発振部７に出力する。
【００２７】
また、電力供給部６には、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間に設けたスイッチングトランジスタ６５と、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在に接続され、スイッチングトランジスタ６５の作動を制御して発振部７への出力電圧または出力電流を制御する第１のドライバー回路６６ａ及び第１のＰＭＷ制御回路６６ｂとが設けられ、その出力電圧または出力電流により一対のターゲット４１ａ、４１ｂ間の投入電力が決定される。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間の電流、電圧を検出する検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂが設けられ、検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂを介してＣＰＵ回路６１に入力されるようになっている。
【００２８】
他方、発振部７には、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在に接続された第２のＣＰＵ回路７１と、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間に設けた発振用スイッチ回路７２を構成する４個の第１乃至第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄと、第２のＣＰＵ回路７１に通信自在に接続され、各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動を制御する第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂとが設けられている。
【００２９】
そして、第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂによって、例えば第１及び第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｄと、第２及び第３のスイッチングトランジスタ７２ｂ、７２ｃとのオン、オフのタイミングが反転するように各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動を制御すると、発振用スイッチ回路７２からの交流電力ライン７４ａ、７４ｂを介して正弦波の交流電力が出力できる。発振電圧、発振電流を検出する検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂが設けられ、検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。
【００３０】
交流電力ライン７４ａ、７４ｂは、直列もしくは並列またはこれらを組合わせた共振用ＬＣ回路を経て公知の構造を有する出力トランス７６に接続され、出力トランス７６からの出力ケーブルＫ１、Ｋ２が一対のターゲット４１ａ、４１ｂにそれぞれ接続されている。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、一対のターゲット４１ａ、４１ｂへの出力電圧、出力電流を検出する検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂが設けられ、検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。これにより、スパッタリング中、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４を介して一定の周波数で交互に極性をかえて一対のターゲット４１ａ、４１ｂに、任意に設定した一定の電力が投入できる。
【００３１】
なお、各交流電源Ｅ１乃至Ｅ４の第１のＣＰ回路６１は、相互に通信自在に接続されており、いずれか１個のＣＰＵ回路６１からの出力信号で、各交流電源Ｅ１乃至Ｅ４が同期して運転される。
【００３２】
また、真空チャンバ１１には、Ａｒ等の希ガスからなるスパッタガスと、基板Ｓ表面に形成しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される酸素や窒素などの反応ガスとをスパッタ室内に導入するガス導入手段８が設けられている（図１参照）。ガス導入手段８は、真空チャンバ１１の側壁に取付けられたガス管８１を有し、ガス管８１は、マスフローコントローラ８２ａ、８２ｂを介してスパッタガス及び反応ガスのガス源８３ａ、８３ｂにそれぞれ連通している。
【００３３】
また、ガス管８１のうち反応ガスの供給に用いられる部分は、マスフローコントローラ８２ｂの下流側で分岐され、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈから離間するように各磁石組立体５の背面側に、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの並設方向であって各ターゲットの中心を通って延びる１本のガス供給管８４に接続されている。ガス供給管８４は、並設したターゲット４１ａ乃至４１ｈの全幅と同等またはより長くなるように定寸され、そのターゲット４１ａ乃至４１ｈ側の面には、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈ相互間の間隙の下方に位置させて複数個の噴射口８４ａが形成されている。
【００３４】
そして、マスフローコントローラ８２ａ、８２ｂを作動させると、スパッタガスは、第１及び第２の各シールド１３、４３間並びに第１のシールド１３及び基板搬送手段２の間の間隙を通ってスパッタ室１１ａに導入される。反応ガスは、主に各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの背面側の空間で一旦拡散され、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈ相互間の各間隙を通って基板Ｓに向かって供給されるようになる。これにより、基板Ｓに対して反応ガスが偏って供給されることはなく、基板Ｓのターゲット４１ａ乃至４１ｈ側の空間で反応ガスが略均等に存在し、この反応ガスが基板Ｓに向かってターゲット４１ａ乃至４１ｈから飛散し、プラズマによって活性化されたスパッタ粒子と反応して基板表面に付着、堆積する。その結果、基板面Ｓ内で反応性にむらが生じて基板Ｓ面内で比抵抗値などの膜質が不均一になることが防止できる。
【００３５】
次に、本発明の薄膜形成方法の一例として、ＴＦＴ基板の製作工程において利用されるガラス基板表面へのＣｕ含有の酸化物膜、Ｃｕ含有の金属膜及び、ＳｉＮｘからなる絶縁膜の形成（図３参照）について説明する。
【００３６】
図１に示すスパッタ１装置を用い、先ずガラス基板Ｓ表面にＣｕ含有の酸化物膜を形成する。この場合、ターゲット４１ａ乃至４１ｈとしてＣｕにＭｇを添加したＣｕ合金ターゲットを用いる。
【００３７】
次に、真空チャンバ１１内を所定の真空度（例えば１０−５Ｐａ）まで排気し、基板搬送手段２によってガラス基板Ｓをターゲット４１ａ乃至４１ｈと対向した位置に搬送する。そして、ガス導入手段８を介してＡｒガス及び酸素ガスを一定の流量でスパッタ室１１ａ内に導入し、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４を介してそれぞれ対をなすターゲット４１ａ乃至４１ｈにそれぞれ交流電圧（投入電力は、例えば２０ｋＷ）を印加する。投入電力は、所定の膜厚を得るのに必要なスパッタ時間と量産性とを考慮して適宜設定される。また、酸素ガスのガス流量は、酸化物膜中の酸素濃度に起因する比抵抗値が所定の範囲内の値となるように適宜設定される。
【００３８】
各ターゲット４１ａ乃至４１ｈに電力が投入されると、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈがアノード電極、カソード電極に交互に切替わり、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気が形成される。そして、プラズマ雰囲気中のイオンがカソード電極となった一方のターゲット４１ａ乃至４１ｈに向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子（スパッタ粒子）が飛散され、プラズマによって活性化されたスパッタ粒子と酸素とが反応してガラス基板Ｓ表面に付着、堆積し、ＣｕＭｇＯ膜が所定の膜厚で形成される。
【００３９】
ここで、上記スパッタ装置１では、第１及び第２の各シールド３１、３２並びに基板搬送手段２で囲繞させてスパッタ室１１ａを構成している。このため、スパッタ室１１ａに導入する酸素ガスの流量が一定であると、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力によっては、スパッタ粒子の飛散量に対する酸素の供給が間に合わなくなる虞がある。この場合、ＣｕＭｇＯ膜中の酸素濃度（膜中における反応ガス成分の含有濃度）はその膜厚が厚くなるに従い減少する（このようなＣｕＭｇＯ膜では、ガラス基板Ｓとの界面付近の酸素がＣｕＭｇＯ膜表層に向かって拡散され易くなる）。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、スパッタリング中に、スパッタ室１１ａに導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、各交流電源Ｅ１乃至Ｅ４のＰＷＭ制御回路６６ｂによってスイッチングトランジスタ６５を制御し、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を通常スパッタ時の投入電力（高電力：例えば２０ＫｋＷ）から、通常スパッタ時の投入電力より低い電力（低電力）に切換えるようにした（図４参照）。ここで、低電力時の投入電力は、通常スパッタ時の投入電力の５〜９０％の範囲で、好ましくは、２５％（５ｋＷ）に設定される。また、投入電力の切換え時期は、スパッタ時間の５〜９５％の範囲で適宜設定される。
【００４１】
これにより、ＣｕＭｇＯ膜が所定の膜厚に達するまでの間で、投入電力を低電力に切換えてスパッタ粒子の飛散量を少なくすることで、酸素濃度が通常スパッタ時のものと比較して高くなる領域がＣｕＭｇＯ膜中に形成される。なお、投入電力の９０％を超えた電力では、当該領域が効果的に作製できず、また、５％より小さい電力では、スパッタ時間が長くなり過ぎ、量産に不向きである。他方で、スパッタ時間の９５％を超えた時間で電力を切換えたのでは、当該領域が効果的に作製できず、また、５％より短い時間では、スパッタ時間が長くなり過ぎ、量産に不向きである。
【００４２】
次に、ＣｕＭｇＯ膜が所定の膜厚（設定スパッタ時間）に達すると、酸素ガスの供給を停止すると共に、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を高電力に再度切換える。これにより、ＣｕＭｇＯ膜表面には、飛散したターゲット原子が付着、堆積し、Ｃｕ含有の金属膜たるＣｕＭｇ膜が所定の膜厚で形成される。
【００４３】
次に、ＣｕＭｇＯ膜及びＣｕＭｇ膜が所定の膜厚を形成した後、基板搬送手段２によって、ガラス基板Ｓは、図示しないプラズマＣＶＤ装置に搬送され、ＳｉＮｘからなる絶縁膜が形成される。プラズマＣＶＤ装置は、公知の構造を有し、ガラス基板の処理温度を３００℃に設定し、プロセスガスとしてＮ２、ＮＨ３及びＳｉＨ４の混合ガスが用いて上記絶縁膜が形成される。
【００４４】
ここで、絶縁膜形成の際に、プラズマの輻射熱等でガラス基板Ｓが加熱されることでＣｕＭｇＯ膜中の酸素が拡散する一方で、プラズマで分解された水素やＮＨ３、ＳｉＨ４によって還元されて膜外に放出される。然し、ＣｕＭｇＯ膜に、酸素濃度の高い領域を存在させ、当該薄膜中にガラス基板Ｓとの界面から膜厚増加方向に向かって濃度勾配をつけているため、ＣｕＭｇＯ膜とガラス基板Ｓとの界面付近での酸素の拡散が抑制されて当該界面付近での酸素濃度の低下が防止される。その結果、基板表面に形成した酸化物に対する銅の高い密着強度を確保できる。それに加えて、ＣｕＭｇＯ膜の形成途中で酸素濃度を高めただけであるため、ＣｕＭｇＯ膜の比抵抗値が然程高くなるものではない。
【００４５】
尚、本実施の形態では、スパッタリング中に、スパッタ室１１ａに導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を高電力から低電力に切換えるようにしたが、これに限定されるものではなく、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４からの投入電力を、高電力及び低電力がパルス状に交互に切換わるようにしてもよい（図５参照）。これにより、絶縁膜中に、酸素濃度が局所的に高い領域が所定の周期で形成されてよい。その際、所定の膜厚でＣｕＭｇＯ膜を得るまでのスパッタ時間が長くならないように、低電力時の投入電力とスパッタ時間が適宜設定されるが、ＣｕＭｇＯ膜中において得たい酸素濃度によっては、スパッタ時間が長くならない範囲で低電力時の投入電力を０にしてもよい。
【００４６】
また、本実施の形態では、スパッタリング中に、スパッタ室１１ａに導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を切換えるようにしたが、これに限定されるものではなく、マスフローコントローラ８２ａ、８２ｂを制御して酸素ガスの流量を、通常スパッタ時のガス流量（低流量：１０〜５００ｓｃｃｍ）から、通常スパッタ時の投入電力より多い流量（高流量：５００〜１０００ｓｃｃｍ）に切換えるようにしてもよい（図６参照）。その際、前記反応ガス供給量の増加を一定の周期で行うようにしてもよい。
【００４７】
さらに、本実施の形態では、ＴＦＴ基板の製作工程において利用されるガラス基板表面へのＣｕ含有の酸化物膜、Ｃｕ含有の金属膜及び、ＳｉＮｘからなる絶縁膜の形成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ＴＦＴ基板のソースやドレインとして所定の金属膜を形成するような場合にも適用できる。
【実施例１】
【００４８】
本実施例１では、図１に示すスパッタ装置１を用い、反応性スパッタリングによってガラス基板ＳにＣｕＭｇＯ膜を形成した。この場合、ターゲットとして、組成が０．７ｗｔ％のＣｕＭｇを用い、公知の方法で成形してバッキングプレート３２に接合した。
【００４９】
反応性スパッタ条件として、マスフローコントローラを制御してＡｒガスのガス流量を８９０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量を２４０〜７００ｓｃｃｍの範囲に設定し、真空チャンバ内に導入した。そして、高電力時の投入電力を２０ｋＷ、低電力時の投入電力を５ｋＷに設定し、投入電力を適宜切換えて３００Åの膜厚が得られるようにスパッタ時間を設定した。
【００５０】
ここで、試料＃１及び＃２は、投入電力を高電力で一定に保持し、酸素ガスの流量を変化させたものであり（比較例）、試料＃３は、投入電力を低電力で一定に保持したものである（比較例）。他方で、試料＃４乃至＃６は、投入電力を高電力と低電力とに適宜切換えたときのものである（実施例）。なお、試料＃４では、高電力で１５０Å、低電力で１５０Åの膜厚が得られるように電力切換時期を設定した（図４参照）。
【００５１】
次いで、上記条件でガラス基板表面にＣｕＭｇＯ膜を形成した試料＃１乃至＃６に対し、引き続き、上記スパッタ装置によりＣｕＭｇ膜を形成した。スパッタ条件として、マスフローコントローラを制御してＡｒガスのガス流量を８９０ｓｃｃｍに設定し、真空チャンバ内に導入した。そして、投入電力を７５ｋＷに設定し、３０００Åの膜厚が得られるようにスパッタ時間を設定した。
【００５２】
次いで、ＣｕＭｇＯ膜及びＣｕＭｇ膜を形成した試料＃１乃至＃６に対し、公知の構造のプラズマＣＶＤ装置によりＳｉＮｘ膜を形成した。プラズマＣＶＤの条件としては、基板温度を３００℃に設定し、プロセスガスとしてＮ２、ＮＨ３及びＳｉＨ４の混合ガスが用い、３０００Åの膜厚で形成した。
【００５３】
図７は、上記により作製した試料＃１乃至＃６のＣｕＭｇＯ膜単膜での比抵抗値と、ＣｕＭｇ／ＣｕＭｇＯ積層膜の密着性との関係を示す表である。ここで、密着性は、次のような所謂テープテスト法により評価した。即ち、上記のようにして得た試料＃１乃至＃６に対し、ダイヤモンドカッターにより、水平方向及び垂直方向に一定の間隔でそれぞれ１０本の切り欠き線を設け、次いで、これらの切り欠き線を設けた領域に粘着テープを貼付し、剥離させた。そして、切り欠き線で囲繞された膜のうち、５％以下の面積しかテープに付着しない場合には密着性良好と評価した。他方で、比抵抗値は公知の方法で測定した。
【００５４】
これによれば、反応性スパッタリングの際のガス流量が少ないと、十分な密着性が得られず（試料＃１）、他方で、ガス流量が多くなると、密着性は改良されるが、比抵抗値が高くなることが判る（試料＃２）。また、低電力で反応性スパッタすると、十分な密着性が得られると共に、比抵抗値も低くできるが、スパッタ時間が３２秒となって量産には不向きである。
【００５５】
それに対して、反応性スパッタリングの際の投入電力を切換えると、十分な密着性が得られると共に比抵抗値も低くでき、その上、スパッタ時間も２０秒と短くできた。特に、試料＃４では、試料＃２と比較して約１／６の比抵抗値とすることができたことが判る。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の薄膜形成方法を実施するスパッタ装置の模式的断面図。
【図２】図１に示すスパッタ装置に用いる交流電源の構成を説明する図。
【図３】ＴＦＴ基板作製工程における薄膜形成を説明する図。
【図４】本発明の薄膜形成方法を実施する場合の投入電力と反応ガス流量の制御を説明する図。
【図５】本発明の薄膜形成方法を実施する場合の投入電力と反応ガス流量の制御の変形例を説明する図。
【図６】本発明の薄膜形成方法を実施する場合の投入電力と反応ガス流量の制御の変形例を説明する図。
【図７】実施例１で作製した試料の薄膜形成条件と、比抵抗値及び密着性の試験結果とを示す表。
【符号の説明】
【００５７】
１ スパッタリング装置
１１ａ スパッタ室
３１、３２ シールド
４１ａ乃至４１ｈ ターゲット
６５ スイッチング素子
８ ガス導入手段
Ｅ１乃至Ｅ４ 交流電源
Ｓ 基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリング法により処理すべき基板表面に所定の薄膜を形成するための薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスやシリコンウェハなどの基板表面に所定の薄膜を形成する方法の一つとしてスパッタリング（以下、「スパッタ」という）法がある。このスパッタ法は、プラズマ雰囲気中のイオンを、基板表面に形成しようする薄膜の組成に応じて作製したターゲットに向けて加速させて衝撃させ、スパッタ粒子（ターゲット原子）を飛散させ、基板表面に付着、堆積させて所定の薄膜を形成するものである。その際、酸素や窒素などの反応ガスを同時に導入し、反応性スパッタにより当該薄膜を得ることがある。
【０００３】
このようなスパッタ法による薄膜形成方法は、近年、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を用いた液晶ディスプレイ（ＦＰＤ）の製造工程において、ガラス基板表面に、例えばゲート電極として電気伝導特性のよいＣｕなどの金属膜を形成することにも利用されている。
【０００４】
ここで、ガラス基板表面にＣｕ膜を直接形成する際、ガラス表面に対する当該Ｃｕ膜の密着性を高めることが大きな課題となっている。このような課題の解決方法の一つとして、基板表面に、焼結助剤たる酸化物を露呈させた後、スパッタリング法などのＰＶＤ法でＣｕ膜を形成し、基板表層に露呈させた焼結助剤からなる酸化物に対する銅の高い密着強度を確保する方法が特許文献１で知られている。
【特許文献１】特開２００３−３８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＴＦＴ基板の製作工程においてガラス基板表面にＣｕからなるゲート電極を形成する場合、上記特許文献１記載の方法に従い、反応性スパッタによりＣｕ含有の酸化物膜及びスパッタによりＣｕ含有の金属膜を形成することになる。然し、上記ゲート電極を得た後、次工程で当該ゲート電極上には一般にプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘからなる絶縁膜が形成される。このプラズマＣＶＤ法による薄膜形成に際しては、処理室内に導入されるプロセスガスとしてＮ２、ＮＨ３及びＳｉＨ４の混合ガスが用いられる。
【０００６】
このようにＣＶＤ法により薄膜形成すると、プラズマの輻射熱等でガラス基板が加熱されることで酸化物膜中の酸素が拡散する一方で、プラズマで分解された水素やＮＨ３、ＳｉＨ４によって還元されて膜外に放出され、その結果、酸化物膜中の酸素濃度（反応性ガス成分の含有濃度）が低下する。その際にガラス基板との界面付近における酸素濃度が所定の閾値まで低下すると、密着強度が著しく低下するという問題がある。この場合、酸化物膜形成時に膜中の酸素濃度を高めておくことが考えられるが、これでは、酸化物膜の比抵抗値が高くなり過ぎる。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、次工程においてＣＶＤ法による薄膜形成が行われるような場合でも、ガラス基板との界面付近の酸素濃度の低下を防止して基板と酸化物膜との密着強度の低下を招くことのない薄膜形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１記載の薄膜形成方法は、真空雰囲気中のスパッタ室内にスパッタガス及び反応ガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理すべき基板に対向させて配置したターゲットに電力投入し、プラズマ雰囲気中のイオンでターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を形成する薄膜形成方法において、前記薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、前記薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成し、当該薄膜中で基板の界面から膜厚増加方向に向かって反応ガス成分の含有濃度に勾配をつけるため、例えば酸化物膜を形成したガラス基板に対し、次工程で拡散と還元反応が起こるような条件下で所定の処理が実施されても、酸化物膜と基板との界面付近での酸素の拡散が抑制されて当該界面付近での酸素濃度の低下が防止される。
【００１０】
本発明においては、前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲットへの投入電力を高電力から低電力に切換えることで行えば、既存のスパッタリング装置の電源の制御を変えるだけで、所定の膜厚で薄膜を形成する途中においてスパッタレートを低下させて膜中の反応ガス成分の含有濃度を高めることが実現できる。
【００１１】
また、前記投入電力の切換えを一定の周期で行うようにすれば、含有濃度が高い領域を局所的に複数形成でき、その上、低電力時のスパッタ時間を短くすれば、所定の膜厚で薄膜を形成するためのスパッタ時間が長くなることを抑制することもできる。
【００１２】
前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、ターゲットへの投入電力を一定に保持しつつ、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を低流量から高流量に切換えることで行う構成を採用してもよい。
【００１３】
この場合、前記反応ガス流量の切換えを一定の周期で行うようにしてもよい。
【００１４】
さらに、本発明においては、面積の大きな基板に対して効率よく所定の薄膜を形成するために、前記ターゲットを、スパッタ室内に所定の間隔を置いて並設した同一組成を有する複数枚のターゲットから構成し、前記反応ガスを、ターゲットの背面側の空間で一旦拡散させた後、各ターゲット相互間の間隙を通って基板に向かって供給することができる。これにより、簡単な構成で、基板に対して反応ガスが偏って導入されることが防止でき、基板面内で反応性にむらが生じて基板面内で比抵抗値などの膜質が不均一になることが防止できる。
【００１５】
尚、反応ガスとして酸素含有のものを用い、上記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の薄膜形成方法により基板表面にＣｕ含有の酸化物膜を形成する工程と、この酸化物膜表面にＰＶＤ法によりＣｕ含有の金属膜を形成する工程と、この金属膜表面に、所定のプロセスガスを用いてＣＶＤ法により絶縁膜を形成する工程とを含む薄膜形成方法に適用できる。
【００１６】
これにより、ＴＦＴ基板の製作工程において、本発明の薄膜形成方法を適用してＣｕ含有の酸化物膜を形成した後、Ｃｕ含有の金属膜を積層してゲート電極を形成し、次工程でプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘからなる絶縁膜を形成する場合に、基板の界面付近での酸素濃度の低下が防止され、基板表面に形成した酸化物に対する銅の高い密着強度を確保できる。それに加えて、薄膜形成の途中で酸素濃度が高い領域を形成しているだけであり、当該酸化物膜の比抵抗値は然程高くなるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１を参照して説明すれば、１は、本発明のマグネトロン方式のスパッタリング装置（以下、「スパッタ装置」という）である。スパッタ装置１は、インライン式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）を介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１１を有する。真空チャンバ１１の上部には基板搬送手段２が設けられている。この基板搬送手段２は、公知の構造を有し、ガラス基板などの基板Ｓが装着されるキャリア２１を有し、図示しない駆動手段を間欠駆動させて、後述するターゲットに対向した位置に基板Ｓを順次搬送できる。
【００１８】
真空チャンバ１１内には、ターゲットに対向した位置に搬送されてきた基板Ｓに対しスパッタにより所定の薄膜を形成する際に、キャリア２１表面や真空チャンバ１１側壁などにスパッタ粒子が付着することを防止するため、基板搬送手段２とターゲットとの間に位置させて基板Ｓが臨む開口３１ａが形成された第１のシールド３１が設けられ、第１のシールド３１の下端は、後述する第２のシールドの近傍まで延出している。そして、真空チャンバ１１の下側には、カソード電極Ｃが配置されている。
【００１９】
カソード電極Ｃは、大面積の基板Ｓに対し効率よく薄膜形成ができるように、基板Ｓに対向させて等間隔で配置した複数枚（本実施の形態では８枚）のターゲット４１ａ乃至４１ｈを有する。各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏまたはこれらの合金やインジウム及び錫の酸化物（ＩＴＯ）など、基板Ｓ表面に形成しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製され、例えば略直方体（上面視において長方形）など同形状に形成されている。各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、スパッタ中、ターゲット４１ａ乃至４１ｈを冷却するバッキングプレート４２に、インジウムやスズなどのボンディング材を介して接合されている。
【００２０】
各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、未使用時のスパッタ面４１１が基板Ｓに平行な同一平面上に位置するように、絶縁部材を介してカソード電極Ｃのフレーム（図示せず）に取付けられている。また、並設したターゲット４１ａ乃至４１ｈの周囲には、第２のシールド３２が配置され、真空チャンバ１１内で第１及び第２のシールド３１、３２で囲繞された空間がスパッタ室１１ａを構成する。
【００２１】
また、カソード電極Ｃは、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの後方（スパッタ面４１１と背向する側）にそれぞれ位置させて磁石組立体５を有する。同一構造の各磁石組立体５は、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈに平行に設けられた支持板（ヨーク）５１を有する。ターゲット４１ａ乃至４１ｈが正面視で長方形であるとき、支持板５１は、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの横幅より小さく、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの長手方向に沿ってその両側に延出するように形成した長方形の平板から構成され、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製である。支持板５１上には、その中央部で長手方向に沿って線状に配置した中央磁石５２と、中央磁石５２の周囲を囲うように支持板５１の外周に沿って配置した周辺磁石５３とがスパッタ面４１１側の極性を変えて設けられている。
【００２２】
中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積は、例えば周辺磁石５３の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中心磁石：周辺磁石＝１：２：１）に等しくなるように設計され、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈのスパッタ面４１１の前方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束がそれぞれ形成される。これにより、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの前方（スパッタ面４１１）側で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈ前方での電子密度を高くしてプラズマ密度が高まり、スパッタレートを高くできる。
【００２３】
各磁石組立体５は、モータやエアーシリンダなどから構成される駆動手段Ｄの駆動軸Ｄ１にそれぞれ連結され、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの並設方向に沿った２箇所の位置の間で平行かつ等速で一体に往復動できる。これにより、スパッタレートが高くなる領域をかえて各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの全面に亘って均等に侵食領域が得られる。
【００２４】
各ターゲット４１ａ乃至４１ｈは、隣り合う２枚で一対のターゲット（４１ａと４１ｂ、４１ｃと４１ｄ、４１ｅと４１ｆ、４１ｇと４１ｈ）を構成し、一対のターゲット毎に割当てて交流電源Ｅ１乃至Ｅ４が設けられ、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４からの出力ケーブルＫ１、Ｋ２が一対のターゲット４１ａ、４１ｂ（４１ｃ及び４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆ、４１ｇ及び４１ｈ）に接続されている。そして、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４によって、各一対のターゲット４１ａ乃至４１ｈに対し交互に極性をかえて交流電圧が印加される。
【００２５】
交流電源Ｅ１乃至Ｅ４は、同一構造であり、電力の供給を可能とする電力供給部６と、所定の周波数で交互に極性をかえて交流電圧を、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ（４１ｃ及び４１ｄ、４１ｅ及び４１ｆ、４１ｇ及び４１ｈ）に出力する発振部７とから構成される。各ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの出力電圧の波形については、略正弦波であるが、これに限定されるものではなく、例えば略方形波でもよい。以下に、交流電源Ｅ１の構成について図２を参照して説明する。
【００２６】
電力供給部６は、その作動を制御する第１のＣＰＵ回路６１と、商用の交流電力（３相ＡＣ２００Ｖ又は４００V）が入力される入力部６２と、入力された交流電力を整流して直流電力に変換する６個のダイオード６３とを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂを介して直流電力を発振部７に出力する。
【００２７】
また、電力供給部６には、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間に設けたスイッチングトランジスタ６５と、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在に接続され、スイッチングトランジスタ６５の作動を制御して発振部７への出力電圧または出力電流を制御する第１のドライバー回路６６ａ及び第１のＰＭＷ制御回路６６ｂとが設けられ、その出力電圧または出力電流により一対のターゲット４１ａ、４１ｂ間の投入電力が決定される。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間の電流、電圧を検出する検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂが設けられ、検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂを介してＣＰＵ回路６１に入力されるようになっている。
【００２８】
他方、発振部７には、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在に接続された第２のＣＰＵ回路７１と、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間に設けた発振用スイッチ回路７２を構成する４個の第１乃至第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄと、第２のＣＰＵ回路７１に通信自在に接続され、各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動を制御する第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂとが設けられている。
【００２９】
そして、第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂによって、例えば第１及び第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｄと、第２及び第３のスイッチングトランジスタ７２ｂ、７２ｃとのオン、オフのタイミングが反転するように各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動を制御すると、発振用スイッチ回路７２からの交流電力ライン７４ａ、７４ｂを介して正弦波の交流電力が出力できる。発振電圧、発振電流を検出する検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂが設けられ、検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。
【００３０】
交流電力ライン７４ａ、７４ｂは、直列もしくは並列またはこれらを組合わせた共振用ＬＣ回路を経て公知の構造を有する出力トランス７６に接続され、出力トランス７６からの出力ケーブルＫ１、Ｋ２が一対のターゲット４１ａ、４１ｂにそれぞれ接続されている。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、一対のターゲット４１ａ、４１ｂへの出力電圧、出力電流を検出する検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂが設けられ、検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。これにより、スパッタリング中、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４を介して一定の周波数で交互に極性をかえて一対のターゲット４１ａ、４１ｂに、任意に設定した一定の電力が投入できる。
【００３１】
なお、各交流電源Ｅ１乃至Ｅ４の第１のＣＰ回路６１は、相互に通信自在に接続されており、いずれか１個のＣＰＵ回路６１からの出力信号で、各交流電源Ｅ１乃至Ｅ４が同期して運転される。
【００３２】
また、真空チャンバ１１には、Ａｒ等の希ガスからなるスパッタガスと、基板Ｓ表面に形成しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される酸素や窒素などの反応ガスとをスパッタ室内に導入するガス導入手段８が設けられている（図１参照）。ガス導入手段８は、真空チャンバ１１の側壁に取付けられたガス管８１を有し、ガス管８１は、マスフローコントローラ８２ａ、８２ｂを介してスパッタガス及び反応ガスのガス源８３ａ、８３ｂにそれぞれ連通している。
【００３３】
また、ガス管８１のうち反応ガスの供給に用いられる部分は、マスフローコントローラ８２ｂの下流側で分岐され、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈから離間するように各磁石組立体５の背面側に、ターゲット４１ａ乃至４１ｈの並設方向であって各ターゲットの中心を通って延びる１本のガス供給管８４に接続されている。ガス供給管８４は、並設したターゲット４１ａ乃至４１ｈの全幅と同等またはより長くなるように定寸され、そのターゲット４１ａ乃至４１ｈ側の面には、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈ相互間の間隙の下方に位置させて複数個の噴射口８４ａが形成されている。
【００３４】
そして、マスフローコントローラ８２ａ、８２ｂを作動させると、スパッタガスは、第１及び第２の各シールド１３、４３間並びに第１のシールド１３及び基板搬送手段２の間の間隙を通ってスパッタ室１１ａに導入される。反応ガスは、主に各ターゲット４１ａ乃至４１ｈの背面側の空間で一旦拡散され、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈ相互間の各間隙を通って基板Ｓに向かって供給されるようになる。これにより、基板Ｓに対して反応ガスが偏って供給されることはなく、基板Ｓのターゲット４１ａ乃至４１ｈ側の空間で反応ガスが略均等に存在し、この反応ガスが基板Ｓに向かってターゲット４１ａ乃至４１ｈから飛散し、プラズマによって活性化されたスパッタ粒子と反応して基板表面に付着、堆積する。その結果、基板面Ｓ内で反応性にむらが生じて基板Ｓ面内で比抵抗値などの膜質が不均一になることが防止できる。
【００３５】
次に、本発明の薄膜形成方法の一例として、ＴＦＴ基板の製作工程において利用されるガラス基板表面へのＣｕ含有の酸化物膜、Ｃｕ含有の金属膜及び、ＳｉＮｘからなる絶縁膜の形成（図３参照）について説明する。
【００３６】
図１に示すスパッタ１装置を用い、先ずガラス基板Ｓ表面にＣｕ含有の酸化物膜を形成する。この場合、ターゲット４１ａ乃至４１ｈとしてＣｕにＭｇを添加したＣｕ合金ターゲットを用いる。
【００３７】
次に、真空チャンバ１１内を所定の真空度（例えば１０−５Ｐａ）まで排気し、基板搬送手段２によってガラス基板Ｓをターゲット４１ａ乃至４１ｈと対向した位置に搬送する。そして、ガス導入手段８を介してＡｒガス及び酸素ガスを一定の流量でスパッタ室１１ａ内に導入し、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４を介してそれぞれ対をなすターゲット４１ａ乃至４１ｈにそれぞれ交流電圧（投入電力は、例えば２０ｋＷ）を印加する。投入電力は、所定の膜厚を得るのに必要なスパッタ時間と量産性とを考慮して適宜設定される。また、酸素ガスのガス流量は、酸化物膜中の酸素濃度に起因する比抵抗値が所定の範囲内の値となるように適宜設定される。
【００３８】
各ターゲット４１ａ乃至４１ｈに電力が投入されると、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈがアノード電極、カソード電極に交互に切替わり、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気が形成される。そして、プラズマ雰囲気中のイオンがカソード電極となった一方のターゲット４１ａ乃至４１ｈに向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子（スパッタ粒子）が飛散され、プラズマによって活性化されたスパッタ粒子と酸素とが反応してガラス基板Ｓ表面に付着、堆積し、ＣｕＭｇＯ膜が所定の膜厚で形成される。
【００３９】
ここで、上記スパッタ装置１では、第１及び第２の各シールド３１、３２並びに基板搬送手段２で囲繞させてスパッタ室１１ａを構成している。このため、スパッタ室１１ａに導入する酸素ガスの流量が一定であると、各ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力によっては、スパッタ粒子の飛散量に対する酸素の供給が間に合わなくなる虞がある。この場合、ＣｕＭｇＯ膜中の酸素濃度（膜中における反応ガス成分の含有濃度）はその膜厚が厚くなるに従い減少する（このようなＣｕＭｇＯ膜では、ガラス基板Ｓとの界面付近の酸素がＣｕＭｇＯ膜表層に向かって拡散され易くなる）。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、スパッタリング中に、スパッタ室１１ａに導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、各交流電源Ｅ１乃至Ｅ４のＰＷＭ制御回路６６ｂによってスイッチングトランジスタ６５を制御し、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を通常スパッタ時の投入電力（高電力：例えば２０ＫｋＷ）から、通常スパッタ時の投入電力より低い電力（低電力）に切換えるようにした（図４参照）。ここで、低電力時の投入電力は、通常スパッタ時の投入電力の５〜９０％の範囲で、好ましくは、２５％（５ｋＷ）に設定される。また、投入電力の切換え時期は、スパッタ時間の５〜９５％の範囲で適宜設定される。
【００４１】
これにより、ＣｕＭｇＯ膜が所定の膜厚に達するまでの間で、投入電力を低電力に切換えてスパッタ粒子の飛散量を少なくすることで、酸素濃度が通常スパッタ時のものと比較して高くなる領域がＣｕＭｇＯ膜中に形成される。なお、投入電力の９０％を超えた電力では、当該領域が効果的に作製できず、また、５％より小さい電力では、スパッタ時間が長くなり過ぎ、量産に不向きである。他方で、スパッタ時間の９５％を超えた時間で電力を切換えたのでは、当該領域が効果的に作製できず、また、５％より短い時間では、スパッタ時間が長くなり過ぎ、量産に不向きである。
【００４２】
次に、ＣｕＭｇＯ膜が所定の膜厚（設定スパッタ時間）に達すると、酸素ガスの供給を停止すると共に、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を高電力に再度切換える。これにより、ＣｕＭｇＯ膜表面には、飛散したターゲット原子が付着、堆積し、Ｃｕ含有の金属膜たるＣｕＭｇ膜が所定の膜厚で形成される。
【００４３】
次に、ＣｕＭｇＯ膜及びＣｕＭｇ膜が所定の膜厚を形成した後、基板搬送手段２によって、ガラス基板Ｓは、図示しないプラズマＣＶＤ装置に搬送され、ＳｉＮｘからなる絶縁膜が形成される。プラズマＣＶＤ装置は、公知の構造を有し、ガラス基板の処理温度を３００℃に設定し、プロセスガスとしてＮ２、ＮＨ３及びＳｉＨ４の混合ガスが用いて上記絶縁膜が形成される。
【００４４】
ここで、絶縁膜形成の際に、プラズマの輻射熱等でガラス基板Ｓが加熱されることでＣｕＭｇＯ膜中の酸素が拡散する一方で、プラズマで分解された水素やＮＨ３、ＳｉＨ４によって還元されて膜外に放出される。然し、ＣｕＭｇＯ膜に、酸素濃度の高い領域を存在させ、当該薄膜中にガラス基板Ｓとの界面から膜厚増加方向に向かって濃度勾配をつけているため、ＣｕＭｇＯ膜とガラス基板Ｓとの界面付近での酸素の拡散が抑制されて当該界面付近での酸素濃度の低下が防止される。その結果、基板表面に形成した酸化物に対する銅の高い密着強度を確保できる。それに加えて、ＣｕＭｇＯ膜の形成途中で酸素濃度を高めただけであるため、ＣｕＭｇＯ膜の比抵抗値が然程高くなるものではない。
【００４５】
尚、本実施の形態では、スパッタリング中に、スパッタ室１１ａに導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を高電力から低電力に切換えるようにしたが、これに限定されるものではなく、交流電源Ｅ１乃至Ｅ４からの投入電力を、高電力及び低電力がパルス状に交互に切換わるようにしてもよい（図５参照）。これにより、絶縁膜中に、酸素濃度が局所的に高い領域が所定の周期で形成されてよい。その際、所定の膜厚でＣｕＭｇＯ膜を得るまでのスパッタ時間が長くならないように、低電力時の投入電力とスパッタ時間が適宜設定されるが、ＣｕＭｇＯ膜中において得たい酸素濃度によっては、スパッタ時間が長くならない範囲で低電力時の投入電力を０にしてもよい。
【００４６】
また、本実施の形態では、スパッタリング中に、スパッタ室１１ａに導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲット４１ａ乃至４１ｈへの投入電力を切換えるようにしたが、これに限定されるものではなく、マスフローコントローラ８２ａ、８２ｂを制御して酸素ガスの流量を、通常スパッタ時のガス流量（低流量：１０〜５００ｓｃｃｍ）から、通常スパッタ時の投入電力より多い流量（高流量：５００〜１０００ｓｃｃｍ）に切換えるようにしてもよい（図６参照）。その際、前記反応ガス供給量の増加を一定の周期で行うようにしてもよい。
【００４７】
さらに、本実施の形態では、ＴＦＴ基板の製作工程において利用されるガラス基板表面へのＣｕ含有の酸化物膜、Ｃｕ含有の金属膜及び、ＳｉＮｘからなる絶縁膜の形成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ＴＦＴ基板のソースやドレインとして所定の金属膜を形成するような場合にも適用できる。
【実施例１】
【００４８】
本実施例１では、図１に示すスパッタ装置１を用い、反応性スパッタリングによってガラス基板ＳにＣｕＭｇＯ膜を形成した。この場合、ターゲットとして、組成が０．７ｗｔ％のＣｕＭｇを用い、公知の方法で成形してバッキングプレート３２に接合した。
【００４９】
反応性スパッタ条件として、マスフローコントローラを制御してＡｒガスのガス流量を８９０ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量を２４０〜７００ｓｃｃｍの範囲に設定し、真空チャンバ内に導入した。そして、高電力時の投入電力を２０ｋＷ、低電力時の投入電力を５ｋＷに設定し、投入電力を適宜切換えて３００Åの膜厚が得られるようにスパッタ時間を設定した。
【００５０】
ここで、試料＃１及び＃２は、投入電力を高電力で一定に保持し、酸素ガスの流量を変化させたものであり（比較例）、試料＃３は、投入電力を低電力で一定に保持したものである（比較例）。他方で、試料＃４乃至＃６は、投入電力を高電力と低電力とに適宜切換えたときのものである（実施例）。なお、試料＃４では、高電力で１５０Å、低電力で１５０Åの膜厚が得られるように電力切換時期を設定した（図４参照）。
【００５１】
次いで、上記条件でガラス基板表面にＣｕＭｇＯ膜を形成した試料＃１乃至＃６に対し、引き続き、上記スパッタ装置によりＣｕＭｇ膜を形成した。スパッタ条件として、マスフローコントローラを制御してＡｒガスのガス流量を８９０ｓｃｃｍに設定し、真空チャンバ内に導入した。そして、投入電力を７５ｋＷに設定し、３０００Åの膜厚が得られるようにスパッタ時間を設定した。
【００５２】
次いで、ＣｕＭｇＯ膜及びＣｕＭｇ膜を形成した試料＃１乃至＃６に対し、公知の構造のプラズマＣＶＤ装置によりＳｉＮｘ膜を形成した。プラズマＣＶＤの条件としては、基板温度を３００℃に設定し、プロセスガスとしてＮ２、ＮＨ３及びＳｉＨ４の混合ガスが用い、３０００Åの膜厚で形成した。
【００５３】
図７は、上記により作製した試料＃１乃至＃６のＣｕＭｇＯ膜単膜での比抵抗値と、ＣｕＭｇ／ＣｕＭｇＯ積層膜の密着性との関係を示す表である。ここで、密着性は、次のような所謂テープテスト法により評価した。即ち、上記のようにして得た試料＃１乃至＃６に対し、ダイヤモンドカッターにより、水平方向及び垂直方向に一定の間隔でそれぞれ１０本の切り欠き線を設け、次いで、これらの切り欠き線を設けた領域に粘着テープを貼付し、剥離させた。そして、切り欠き線で囲繞された膜のうち、５％以下の面積しかテープに付着しない場合には密着性良好と評価した。他方で、比抵抗値は公知の方法で測定した。
【００５４】
これによれば、反応性スパッタリングの際のガス流量が少ないと、十分な密着性が得られず（試料＃１）、他方で、ガス流量が多くなると、密着性は改良されるが、比抵抗値が高くなることが判る（試料＃２）。また、低電力で反応性スパッタすると、十分な密着性が得られると共に、比抵抗値も低くできるが、スパッタ時間が３２秒となって量産には不向きである。
【００５５】
それに対して、反応性スパッタリングの際の投入電力を切換えると、十分な密着性が得られると共に比抵抗値も低くでき、その上、スパッタ時間も２０秒と短くできた。特に、試料＃４では、試料＃２と比較して約１／６の比抵抗値とすることができたことが判る。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の薄膜形成方法を実施するスパッタ装置の模式的断面図。
【図２】図１に示すスパッタ装置に用いる交流電源の構成を説明する図。
【図３】ＴＦＴ基板作製工程における薄膜形成を説明する図。
【図４】本発明の薄膜形成方法を実施する場合の投入電力と反応ガス流量の制御を説明する図。
【図５】本発明の薄膜形成方法を実施する場合の投入電力と反応ガス流量の制御の変形例を説明する図。
【図６】本発明の薄膜形成方法を実施する場合の投入電力と反応ガス流量の制御の変形例を説明する図。
【図７】実施例１で作製した試料の薄膜形成条件と、比抵抗値及び密着性の試験結果とを示す表。
【符号の説明】
【００５７】
１ スパッタリング装置
１１ａ スパッタ室
３１、３２ シールド
４１ａ乃至４１ｈ ターゲット
６５ スイッチング素子
８ ガス導入手段
Ｅ１乃至Ｅ４ 交流電源
Ｓ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空雰囲気中のスパッタ室内にスパッタガス及び反応ガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理すべき基板に対向させて配置したターゲットに電力投入し、プラズマ雰囲気中のイオンでターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を形成する薄膜形成方法において、
前記薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲットへの投入電力を高電力から低電力に切換えることで行うことを特徴とする請求１記載のスパッタリング方法。
【請求項３】
前記投入電力の切換えを一定の周期で行うことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング方法。
【請求項４】
前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、ターゲットへの投入電力を一定に保持しつつ、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を低流量から高流量に切換えることで行うことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
【請求項５】
前記反応ガス供給量の増加を一定の周期で行うことを特徴とする請求項４記載のスパッタリング方法。
【請求項６】
前記ターゲットを、スパッタ室内に所定の間隔を置いて並設した同一組成を有する複数枚のターゲットから構成し、前記反応ガスを、ターゲットの背面側の空間で一旦拡散させた後、各ターゲット相互間の間隙を通って基板に向かって供給することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のスパッタリング方法。
【請求項７】
反応ガスとして酸素含有のものを用い、上記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の薄膜形成方法により基板表面にＣｕ含有の酸化物膜を形成する工程と、この酸化物膜表面にＰＶＤ法によりＣｕ含有の金属膜を形成する工程と、この金属膜表面に、所定のプロセスガスを用いてＣＶＤ法により絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項１】
真空雰囲気中のスパッタ室内にスパッタガス及び反応ガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理すべき基板に対向させて配置したターゲットに電力投入し、プラズマ雰囲気中のイオンでターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を形成する薄膜形成方法において、
前記薄膜が所定の膜厚に達するまでの間で反応ガス成分の含有濃度が高い領域を形成することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を一定に保持しつつ、ターゲットへの投入電力を高電力から低電力に切換えることで行うことを特徴とする請求１記載のスパッタリング方法。
【請求項３】
前記投入電力の切換えを一定の周期で行うことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング方法。
【請求項４】
前記含有濃度が高い領域の形成を、スパッタリング中に、ターゲットへの投入電力を一定に保持しつつ、スパッタ室に導入される反応ガスの流量を低流量から高流量に切換えることで行うことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
【請求項５】
前記反応ガス供給量の増加を一定の周期で行うことを特徴とする請求項４記載のスパッタリング方法。
【請求項６】
前記ターゲットを、スパッタ室内に所定の間隔を置いて並設した同一組成を有する複数枚のターゲットから構成し、前記反応ガスを、ターゲットの背面側の空間で一旦拡散させた後、各ターゲット相互間の間隙を通って基板に向かって供給することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のスパッタリング方法。
【請求項７】
反応ガスとして酸素含有のものを用い、上記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の薄膜形成方法により基板表面にＣｕ含有の酸化物膜を形成する工程と、この酸化物膜表面にＰＶＤ法によりＣｕ含有の金属膜を形成する工程と、この金属膜表面に、所定のプロセスガスを用いてＣＶＤ法により絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−４１０８２（Ｐ２００９−４１０８２Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０８７８９（Ｐ２００７−２０８７８９）
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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