JPH0559990B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、励起光を用いて絶縁体や半導体等
の試料基板に、金属や絶縁体および半導体の堆積
によるパターニングを行う方法に関する。

（従来技術とその問題点） 薄膜パターニング技術は各種デバイスや装置コ
ンポーネントを製作するために不可欠な技術であ
る。通常は微細なパターニングを行うためにフオ
トリソグラフイ法を用いる。フオトリソグラフイ
法においては試料基板上に物理蒸着や化学堆積
（CVD）によつて形成した薄膜上にさらにフオト
レジストを塗布し、露光、レジストのパターン
化、エツチングによる薄膜のパターン化、レジス
トの除去という非常に煩雑なステツプが必要であ
る。このような煩雑なプロセスによらず薄膜のパ
ターニングを行う方法として最近光照射を利用し
たCVDが注目されている。

光照射CVDの大きな利点は試料基板上におい
て光照射部でのみ化学反応を誘起して薄膜形成が
行える、即ち光照射によつて直接薄膜のパターニ
ングが行える可能性があることである。しかし、
光照射部での大きな温度上昇を伴わない真に光化
学的な反応によつて形成できる良質の薄膜の種類
はそれほど多くなく現在までCd，Zn，Pb，
SiO₂，SiN等が報告されているのみである。ま
た、光照射部での加熱効果による化学反応を利用
する場合では多くの種類の薄膜を形成することが
できる。しかし、この場合には、同じ光強度で照
射しても照射面積の大小により実効的な加熱の大
きさや、気体中における三次元拡散および表面吸
着による原料ガスの供給速度が変化すること等に
よりCVD速度が異なつてくる。従つて、光照射
部での加熱効果を利用した薄膜形成では直接的な
パターニングを行うことが非常に難しい。

上述した光照射による光化学反応を利用した薄
膜形成については、エーリヒ（Ehrlich）とツア
オ（Tsao）による、ジヤーナル・オブ・バキユ
ーム・サイエンス・テクノロジー（J.Vac.Sci.
Technol.）誌の1983年B1巻、４号の969頁から
984頁にわたつて掲載された論文の中で詳しい技
術解説がなされている。また、光照射部の加熱効
果を利用した薄膜パターニングについては、横山
（Yokoyama）らによるアプライド・フイジクス
（Appl.Phys.）誌の1985年A37巻、５号の25頁か
ら30頁にわたつて掲載された論文の中で、実験結
果の詳細な報告がなされている。

また最近になつて、集束紫外レーザ光の走査に
よる極めて薄い薄膜のパターニングを行い、次に
強度の大きな赤外レーザ光により試料基板表面の
比較的大きな面積を加熱することによつて、先に
紫外レーザ光を照射した部分にのみ熱CVD膜を
形成した試みも報告されている。この例では、試
料基板を何度に加熱すれば良いのかについては述
べていないが、通常の熱CVDが生じるよりも低
い温度でCVD反応が生じ得ることが示されてい
る。しかしながら、このような集束紫外レーザ光
による走査を利用する方法では何よりもパターニ
ングに時間がかかることが大きな欠点であり、こ
のため実用的な方法にはなり得ない。この方法に
よる薄膜のパターニングについては、ツアオ
（Tsao）とエーリヒ（Ehrlich）によるアプライ
ド・フイジクス・レターズ（Appl.Phys.Lett）誌
の1984年の第45巻、６号の617頁から619頁にわた
つて掲載された論文中で報告されている。

（発明の目的） この発明の目的は、上述した従来法の欠点を除
去した絶縁体や半導体、金属の薄膜の、光照射を
利用する新しい製作方法を提供することにある。

（発明の構成） 本発明は、化合物気体中に配置された試料基板
を該化合物気体の化学反応によつて薄膜形成が開
始する臨界温度より低い温度に加熱する工程と、
試料基板に空間的にパターン化した励起光を照射
して該化合物気体の化学反応を誘起し、１分子層
から数百分子層の厚さに薄膜を試料基板上に形成
する工程とを組合せて、前記励起光の照射によつ
て形成された前記薄膜の上でのみ該化合物気体の
熱的化学反応による薄膜成長を前記臨界温度以下
で行うことを特徴としている。

また、もう１つの本発明は、化合物気体中に配
置された試料基板を該化合物気体の化学反応によ
つて薄膜形成が開始する臨界温度より低い温度に
加熱する工程と、前記試料基板に一様に第１の励
起光を照射して該化合物気体の化学反応を誘起
し、１分子層から数百分子層の厚さに薄膜を形成
する工程と、第１の励起光よりも照射光強度の大
きい空間的にパターン化された第２の励起光を前
記薄膜に照射することにより照射部分の薄膜を蒸
散させる工程とを組合せて、該化合物気体の熱的
化学反応によるパターン状の薄膜成長を前記臨界
温度以下で行うことを特徴としている。

（発明の作用・原理） 本発明を用いれば、化合物気体中に配置した試
料基板を、熱的化学反応によつて薄膜形成が生じ
るよりも僅かに低い温度まで加熱しておき、空間
的にパターン化した光の照射による化学反応で試
料基板上にごく薄く膜を形成することによつて、
以後は光照射部のみに熱CVDによる薄膜成長を
行わせることができる。しかも、パターンのサイ
ズによらず均一な厚みの薄膜を形成することがで
きる。また、試料基板の加熱は、光照射による薄
膜形成の後に行つても同様の効果が得られる。さ
らに、試料基板全体にまず光を一様に照射して薄
膜を形成し、続いてパターン化した強力な光によ
つて照射部の薄膜を蒸散させる方法と上記の試料
基板加熱を組み合わせることによつてもパターン
化された薄膜形成が可能となる。この場合におい
ても、パターンのサイズによらず均一な厚みの薄
膜を形成することができる。

本発明は、薄膜形成過程においては膜の成長過
程よりも、膜成長の初期過程である安定核の形成
のためにより大きなエネルギーが必要であること
を利用している。膜成長の初期における核形成過
程では膜を形成する原子の試料基板表面からの脱
離の割合が大きく、安定に存在し得る臨界値より
も大きく核を成長させるためには試料基板近傍で
膜を形成する原子を高濃度状態にしてやる必要が
ある。この高濃度状態を作り出すことは、通常の
CVDでは試料基板を高温にして化合物気体の反
応速度を大きくすることに反応する。しかし、一
度安定な核ができてしまえば原子の脱離の割合は
小さくなるので薄膜の成長のためには最初のよう
な原子の高濃度状態は必要でなくなる。

以上のようなメカニズムに対し近似を取入れて
簡単化した計算を行つた結果が第４図である。第
４図は熱CVDにおいて加熱温度が化合物気体の
反応開始温度よりもやや高い程度までの領域につ
いて、反応速度が温度に対して線形に増加すると
した場合に薄膜の堆積温度がどのように変化する
かを示している。試料基板の温度を低い方から
徐々に増大させていつた場合反応開始温度３１１
を過ぎても臨界温度３１２までは安定な核が形成
されず堆積は生じないので堆積速度は０のまま非
安定核曲線３２１をたどる。しかし、臨界温度３
１２に達したとたんに核は安定となり、反応速度
もすでにある程度大きくなつているため堆積速度
は臨界点３３１まで上がり、以後温度の上昇に伴
い臨界点上部曲線３２２に従い線形に増大する。
しかし、臨界温度３１２より高温の領域から温度
を低くしていつた場合には、すでに安定な核の上
に薄膜が堆積した状態からスタートするので臨界
温度３１２より低くなつても連続的に臨界点下部
曲線３２３をたどり、反応開始温度３１１以下で
CVDが生じなくなる。再び温度を増していつた
場合には臨界点下部曲線３２３および臨界点上部
曲線３２２を連続してたどることになる。

本発明では、安定核の形成とそれに続く初期の
薄膜形成とを光の照射によつて行い、試料基板の
加熱温度の範囲を臨界点下部曲線３２３の領域に
設定する。これにより、光照射によつて初期に薄
膜が形成された部分でのみ熱CVDを生じさせる
ことができる。また、試料基板に対して一様に光
照射によつて薄膜を形成した後、強力な光の照射
により部分的に安定核をも蒸散させることにより
その部分に薄膜を成長しないようにすることも可
能となる。これらの薄膜の主たる成長過程である
熱CVDによる成長過程では、光による加熱効果
を利用していないのでパターンサイズによる加熱
の不均一性がなく、どのようなサイズのパターン
においても均一な膜厚が実現できる。各工程の組
合せは、光照射による薄膜の生成工程をＡ、臨界
温度以下の温度で加熱する工程をＢとすると、
Ａ→Ｂ、Ａ＋Ｂ、（Ａ＋Ｂ）→Ｂ、Ｂ→
（Ａ＋Ｂ）→Ｂなどがある（但しＡ→ＢはＡ工程
の後にＢ工程を行うことを意味する。またＡ＋Ｂ
はＡ工程とＢ工程とを同時に行うことを意味す
る）。また第２の発明の組合せも同様に、A₁→
A₂→Ｂ、A₁→（A₂＋Ｂ）→Ｂ、（A₁＋Ｂ）
→（A₂＋Ｂ）→Ｂ、（A₁＋Ｂ）→A₂→Ｂなど
がある（但し、A₁は第１の光照射による薄膜形
成工程、A₂は第２の光照射によるパターン化工
程である）。このように本発明では各工程の組合
せは種々あり、製作条件により適宜選択すればよ
い。

（実施例 １） 次に、この発明の実施例について図を参照しな
がら詳細に説明を行う。

第１図は、本発明を適用した実施例の模式的構
成を示すものである。

第１の発明の実施例では励起光はマスク１２を
通つてレンズ１３で集光され、反応室１４の窓１
５を通つて試料基板１６に照射される。この時マ
スク１２のパターンは試料基板１６の表面に適当
な縮尺で転写されるようになつている。また、試
料基板１６は温度コントローラ２１で温度制御さ
れたヒータ１７によつて設定温度に加熱される。
化合物気体３１は給気口１８より反応室１４に供
給され、排気口１９より排出される。

第２図は第１の発明の一実施例を補足説明する
ための試料基板近傍の反応を示す図である。ま
ず、手順１として第２図Ａのように空間的にパタ
ーン化された励起光１１を試料基板１６に照射し
て化合物気体３１の化学反応を誘起することによ
り、試料基板１６の上に１原子層から数百原子層
程度のごく薄い初期堆積膜５１を形成する。次に
励起光１１の照射を停止して手順２として第２図
Ｂのように試料基板１６にヒータ加熱６１を施す
ことにより初期堆積膜５１がない時のCVD開始
温度よりも僅かに低い温度まで上昇させると初期
堆積膜５１の上にのみ熱CVD膜４１が成長する。
この場合に、最初から試料基板１６を加熱してお
いても良い。

この第１の発明の実施例においては、励起光１
１として波長249nmのKrFエキシマレーザ光を用
い、試料基板１６には石英板を用いた。また化合
物気体３１としてはMo（CO）₆蒸気を用い常圧の
水素をキヤリアとして約1Torrの蒸気圧で反応室
１４内に供給した。なお、この条件においては試
料基板１６の温度を170℃以上にした場合にMo
（CO）₆の分解によるMoのCVDが生じる。KrFエ
キシマレーザ光は160℃に加熱した試料基板１６
の表面において約100kW／cm²のパルスピーク強
度とし、50Hzのパルス繰り返しで30秒間照射し
た。この時点では初期堆積膜５１の膜厚は約
10nmであるが、その後試料基板１６を160℃で10
分間放置しておくことにより光照射部にのみ約
300nm厚の熱CVD膜が成長することが見られた。
この方法により2μm、5μm、10μm幅のMo線を最
小2μm間隔でシヤープにパターニングすることが
できた。2μmという値は転写光学系の分解能の制
限によるものである。またMoの線幅の相違によ
る膜厚の差も見られず、通常の光加熱CVDにお
けるような、パターンサイズによる膜厚の不均一
性は現われないことが確認された。

（実施例 ２） 第２の発明の実施例では、第１図においてまず
マスク１２を用いずに第１の励起光を試料基板１
６に照射する。これは、第２の発明の実施例の補
足説明図である第３図のＡに示すように、第１の
励起光１０１によつて試料基板１６上に初期堆積
膜５１を均一に形成するためである。続いて第１
図に示すマスク１２を通して、第３図のＢに示す
ように強力な第２の励起光１０２を照射すること
によりその照射部において初期堆積膜５１を蒸散
させる。次いで第３図のＣに示すように第１の発
明の実施例と同様に試料基板１６に適当な温度ま
でヒータ加熱６１を施すと蒸散部７１ではCVD
が生じず、残つた初期堆積膜５１の上にのみ熱
CVD膜４１を成長させることができる。この場
合においても、最初から試料基板１６を加熱して
おいても良い。

第２の発明の実施例において、第１の励起光１
０１としてやはり波長249nmのKrFエキシマレー
ザ光を用い、初期堆積膜５１の形成条件は先述の
第１の発明の実施例と同じに選んだ。第２の励起
光１０２としてもKrFエキシマレーザ光を用いた
がこの場合試料基板１６上でのピーク照射光強度
が10MW／cm²になるようにし、単一のパルス光の
みを照射した。続く熱CVDによる薄膜成長の条
件は第１の発明の実施例と同じにした。この第２
の発明の実施例においても第１の発明の実施例と
同等の良好なMo線のパターニングが確認され
た。

（他の実施例） 本実施例では、化合物気体としてMo（CO）₆を
用いたが、このような金属カルボニル化合物に限
らず、金属アルキル化合物や金属半導体の水素化
物、ハロゲン化物等、多くの種類の化合物が使用
できる。また単一の化合物気体のみならず複数の
化合物気体の混合雰囲気中において本実施例と同
様の手続きを踏まえれば、単原子種による薄膜だ
けでなく種々の化合物半導体や酸化物、窒化物の
薄膜のパターニングを行うことが可能となる。ま
た、基板も石英等のような絶縁体に限らず、種々
の半導体や金属が使用できるのは明らかである。
使用する励起光についても、使用する化合物気体
に応じて適当な波長を選べば良いし、パルス光に
限らず連続光であつても良い。なお、本実施例で
は初期堆積膜の形成のために、励起光のピーク照
射強度を比較的小さくして光化学的な反応を利用
したが、この場合に蒸散が生じない範囲で強度の
大きな光の照射による熱的な化学反応を利用して
も良い。初期堆積膜の目的には、瞬間的な加熱に
よつて高い空間分解能の得られるパルス光の方が
有利ではあるが、この場合も特に微細なパターン
形成を目的としなければ連続光が使用できる。

（発明の効果） 以上に述べたように、本発明を用いれば、空間
的にパターン化された励起光による初期堆積膜の
形成と熱CVDの組み合わせ、または一様な励起
光による初期堆積膜の形成と空間的パターン化さ
れた励起光による初期堆積膜の蒸散と熱CVDと
の組み合わせを用いることにより、少ない工程で
しかも通常の熱CVDよりも低温においてパター
ン化された薄膜を形成することができる。さら
に、本発明は従来のパターン化された光による加
熱効果を利用したCVDのように、パターンサイ
ズの違いによるCVD膜厚の不均一性もなく、光
化学反応によるCVDのように堆積膜が少ない種
類に限定されることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した一実施例の模式的
構成を示している。また、第２図Ａ，Ｂは、本発
明における第１の発明を補足説明するための図で
あり、第３図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明における第２の
発明を補足説明するための図である。第４図は、
近似計算に基づく堆積速度の温度依存性を示す図
である。 これらの図において、１１……励起光、１２…
…マスク、１３……レンズ、１４……反応室、１
５……窓、１６……試料基板、１７……ヒータ、
１８……給気口、１９……排気口、２１……温度
コントローラ、３１……化合物気体、４１……熱
CVD膜、５１……初期堆積膜、６１……ヒータ
加熱、７１……蒸散部、１０１……第１の励起
光、１０２……第２の励起光、３１１……反応開
始温度、３１２……臨界温度、３２１……非安定
核曲線、３２２……臨界点上部曲線、３２３……
臨界点下部曲線、３３１……臨界点、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 化合物気体中に配置された試料基板を該化合
   物気体の化学反応が開始する反応開始温度より高
   く、かつ、化学反応によつて基板上に薄膜形成が
   開始する臨界温度より低い温度に加熱する工程
   と、試料基板に空間的にパターン化した励起光を
   照射して該化合物気体の化学反応を誘起し、１分
   子層から数百分子層の厚さに薄膜を形成する工程
   とを組合わせて、該化合物気体の熱的化学反応に
   よるパターン状の薄膜成長を前記反応開始温度よ
   り高く臨界温度以下の温度下で行うことを特徴と
   する光照射薄膜パターニング方法。 ２ 化合物気体中に配置された試料基板を該化合
   物気体の化学反応が開始する反応開始温度より高
   く、かつ、化学反応によつて試料基板上に薄膜形
   成が開始する臨界温度より低い温度に加熱する工
   程と、試料基板に一様に第１の励起光を照射して
   該化合物気体の化学反応を誘起し、１分子層から
   数百分子層の厚さに薄膜を形成させる工程と、第
   １の励起光よりも照射光強度の大きい空間的にパ
   ターン化された第２の励起光を前記薄膜に照射す
   ることにより照射部分の薄膜を蒸散させる工程と
   を組合せて、化合物気体の熱的化学反応によるパ
   ターン状の薄膜成長を前記反応開始温度以上で臨
   界温度以下の温度下で行うことを特徴とする光照
   射薄膜パターニング方法。