JP3000382B2 - 紫外光発光源及びこれを用いた光ｃｖｄ法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、紫外光発光源及びこれを用いた光CVD法
（ケミカルベーパーデポジッション：化学蒸着法）に関
する。

〔従来の技術〕

近時、半導体製造分野では、光CVD装置や各種露光装
置等に種々の紫外光（紫外線）が用いられている。

例えば、光CVD法は、反応室内の基板上に供給される
原料ガスを、紫外光により励起して分解させ、分解生成
物を前記基板上に堆積させて薄膜を形成するものである
が、原料ガス励起用の紫外光としては、通常、低圧水銀
ランプにより得られる紫外光を用いている。

しかし、上記低圧水銀ランプにより得られる紫外光
は、185nmまたは254nmの波長を中心とするものであるた
め、例えば基板上にアモルファスシリコン（ａ−Si）の
薄膜を形成する場合のように、シランもしくはジシラ
ン，トリシラン等の高次水素化シリコンを原料ガスとし
て用いる光CVD法には適用できないか、または適用して
も著しく生産性が低下する不都合があった。

即ち、前記シラン等は紫外光の波長と吸収係数におい
て、第６図に示すような特性を有し、シランの場合は、
150nm以下の波長に光吸収領域を有するため、前記低圧
水銀ランプからの紫外光では分解できず、またジシラン
等の高次水素化シリコンの場合は、分解できても吸収係
数が小さいので分解効率が著しく低く、基板上に形成さ
れる薄膜の成長速度が遅くなるため、実用的な薄膜成長
に利用し難いのである。

そこで、水素もしくは重水素をプラズマ化して得られ
る紫外光を用いた直接励起法（特開昭61−56278号公報
参照）が提案されている。この方法により得られる紫外
光は、120〜170nmの波長を有し、シラン等の光吸収域に
略一致するので、低圧水銀ランプを用いた場合よりも効
率的に薄膜を形成することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記水素もしくは重水素のプラズマに
より得られる紫外光は、アモルファスシリコンの薄膜形
成に有利な波長は得られるものの、発光強度が小さいた
め、薄膜形成に依然として長時間を要する不都合があっ
た。

そこで、本発明者らは、前記プラズマにより得られる
紫外光の発光強度を高めるべく鋭意研究を重ねた。

〔課題を解決するための手段〕

その結果、水素及び重水素のいずれか一方もしくは双
方を１〜45体積％含むヘリウムガスでなる光源ガスのプ
ラズマにより得られる紫外光が、121.6nmの波長に著し
く大きなピークを有することを見出だした。本発明は、
かかる知見に基づいて成されたものである。

即ち、本発明の紫外光発光源は、水素，重水素のいず
れか一方もしくは双方を１〜45体積％含むヘリウムガス
でなる光源ガスと、該光源ガスをプラズマ化させるプラ
ズマ化手段とを備えたことを特徴とし、さらに、前記光
源ガスが、紫外光透過材で形成された管内に封入されて
いること、及び／又は前記光源ガスのプラズマ化を磁界
中で行うことを特徴としている。

また、本発明の光CVD法は、反応室内の基板上に供給
される原料ガスを、上記紫外光発光源により得られる紫
外光で励起することを特徴としている。

〔作 用〕

前記組成の光源ガスとプラズマ化手段とからなる紫外
光発光源は、水素又は重水素単独のプラズマにより得ら
れる紫外光と略似たような波長分布の紫外光を発生し、
特に121.6nmの波長で大きなピークを有し発光強度が大
きいので、水素又は重水素単独のプラズマにより得られ
る紫外光で分解可能な任意の原料ガスを従来より効率良
く分解することができる。さらに、前記組成の光源ガス
を紫外光透過材で形成された管内に封入したもの、即ち
ランプは、該ランプにマイクロ波の照射又は電圧の印加
等、周知のプラズマ化手段を施すことにより、前記ピー
クを有する紫外光を容易に得ることができる。また、前
記組成の光源ガスのプラズマ化を磁界中で行うことによ
り、得られる紫外光の発光強度をさらに高めることがで
きる。

そして、前記組成の光源ガスのプラズマにより得られ
る紫外光のピークは、シラン等の最大光吸収波長に略一
致するので、特にシラン等の原料ガスを用いる光CVD法
に用いることにより、その成膜速度を向上させることが
でき、著しく生産性を高めることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面を参照しながら、さらに詳細に説
明する。

まず、第１図はパイプ状の発光室内に光源ガスを0.4T
orrの減圧状態で流し、この光源ガスに周波数2.45GHz、
電力200Wのマイクロ波を照射して形成したプラズマから
得た紫外光のスペクトル分析の結果を示すもので、図
中、線Ａは本発明により得られる紫外光であって、光源
ガスとして水素を５体積％含むヘリウムを用いたもの、
線Ｂ及び線Ｃは比較例を示すもので、線Ｂは光源ガスと
して水素単体を用いたもの、線Ｃは低圧水銀ランプから
得られる紫外光のスペクトルを示す。尚、横軸は波長を
表し、縦軸は光強度の相対値を表している。

第１図から明らかなように、線Ａで示される紫外光
は、線Ｂで示される紫外光と似た波長分布を有するが、
121.6nmの波長の強度が著しく高い。このことから、光
源ガスとして水素を５体積％含むヘリウムを用いると、
線Ａの波長分布で光分解可能な任意の原料ガスを分解で
き、特に121.6nmの波長に吸収域を有する原料ガスを極
めて効率良く分解できることがわかる。

次に第２図は、光源ガス中の水素または重水素の濃度
を変化させて、得られる紫外光中の121.6nmの波長の発
光強度を測定した結果を示すものである。図中、線Ａは
光源ガスとして水素とヘリウムの混合ガスを用いたも
の、線Ｂは光源ガスとして重水素とヘリウムの混合ガス
を用いたもの、また比較として線Ｃに水素単体の場合
を、線Ｄに重水素単体の場合を示す。尚、横軸は光源ガ
ス中の水素または重水素の濃度を表し、縦軸は水素単体
での発光強度を１としたときの相対的な光強度を表して
いる。

第２図の線Ａから明らかなように、光源ガス中の水素
の濃度が０の場合、即ち光源ガスがヘリウムのみの場合
は発光強度がほとんど０であるが、水素を添加していく
につれて励起される水素原子が増加し、発光強度が次第
に高まり、ヘリウム中の水素濃度が１体積％のときに水
素単体の場合（線Ｃ）の発光強度の2.5倍、同じく水素
濃度が５〜10体積％で10倍以上の発光強度となり、その
ピークとなる。その後は水素濃度の上昇と共に発光強度
が低下し、水素濃度45体積％で、水素単体の場合の発光
強度の2.5倍になる。

このようなピークが得られるのは、プラズマ中で発生
した電子によって励起された励起ヘリウム（He^＊）が水
素分子の解離エネルギーよりも著しく高いため、水素分
子を分解して多量の励起水素原子（Ｈ^＊）を発生させ、
これらが基底状態に戻る際に121.6nmの波長の紫外光を
放射するためと考えられる。尚、従来の水素単体のプラ
ズマのときには、励起水素原子の他、励起水素分子（H₂
^＊）の割合が多く、これらが130〜170nmの波長の紫外光
を発生している。そして、ヘリウム中の水素濃度が増加
するほど励起される水素原子が増加して発光強度が高ま
るが、ある程度以上に水素濃度が増加すると、プラズマ
中の励起水素原子から放射された紫外光が他の非励起の
水素原子に吸収されてしまい、外部に放射される量が減
少して発光強度が低下するものと思われる。

以上のように、光源ガスのプラズマによって得られる
紫外光の中のピーク波長の発光強度は、光源ガス中の水
素濃度によって変化するが、実用的見地からは水素濃度
を１〜45体積％とすることが望ましい。また、図中線Ｂ
で示した重水素とヘリウムとを混合した光源ガスについ
ても同様の濃度範囲が適当であり、さらにヘリウムに水
素と重水素とを混合して光源ガスとした場合には、水素
と重水素との合計量を前記範囲とすることが望ましい。

また、前記組成の光源ガスを紫外光透過材で形成した
管内に封入したもの、即ちランプは、該ランプにマイク
ロ波の照射又は電圧の印加等、周知のプラズマ化手段を
施すことにより、前記ピークを有する紫外光を得ること
ができる。前記紫外光透過材としては、フッ化マグネシ
ウム，フッ化リチウム，フッ化カルシウムが紫外光透過
時の減衰が少なく好ましい。

次に、本発明の紫外光発光源を用いた光CVD法の一実
施例を説明する。

まず、第３図は本発明の光CVD法を実施するための光C
VD装置一例を示すもので、上部の発光室１と下部の反応
室２とがメッシュ等の通気性の区画部材３を介して連設
され、発光室１には、側部に光源ガス導入管４が、上部
にマイクロ波導波管５がそれぞれ連設されている。マイ
クロ波導波管５は、石英ガラスを用いた有底筒状の中空
管5aを介して発光室１に連設され、該中空管5aの下端部
にはリング状の永久磁石６が設けられており、該永久磁
石６により発光室１内にマイクロ波導波管５の軸方向の
磁界が形成されている。また、発光室１の外周には、該
発光室１内で形成されるプラズマからの発熱による温度
上昇を抑制するための冷却用配管７が巻回されている。

さらに前記発光室１の外部には、該発光室１内で形成
されたプラズマを分析するための分光光度計８が設けら
れ、光路管９を介して発光室１に接続されている。該分
光光度計８には真空ポンプ8aが付設されるとともに、光
路管９には、常時分光光度計８の内部を発光室１内より
高真空に保持するための差動排気用真空ポンプ10が連設
されている。

一方、前記反応室２の側部には、原料ガス導入管11が
連設され、底部には、図示しない排気用真空ポンプに接
続される排気ガス排出管12が連設されている。また、反
応室２の内部には、基板載置用の支持台13が設けられて
いる。

次に、上記のように構成された光CVD装置を用いて光C
VD法を行う手順を説明する。

まず、排気ガス排出管12に連設された排気用真空ポン
プを作動させて反応室２内及び該反応室２に通気性の区
画部材３を介して連設する発光室１内を所定の真空度に
排気する。次いで、支持台13上に載置した基板Ｐを必要
に応じて加熱し、反応室２内に原料ガス導入管11を介し
て原料ガスを導入する。また、発光室１内に光源ガス導
入管４を介して光源ガスを導入するとともに、マイクロ
波導波管５から2.45GHzのマイクロ波を照射して前記光
源ガスをプラズマ化する。これによって、前記基板Ｐ上
に供給された原料ガスに発光室１内で形成されたプラズ
マからの紫外光が照射され、原料ガスが励起されて分解
し、基板Ｐ上に薄膜が形成される。この場合、原料ガス
としてシランもしくは高次水素化シリコンを用いると基
板Ｐ上にアモルファスシリコンの薄膜が形成される。

反応室２内に導入された原料ガスは薄膜形成に使用さ
れた後、また、発光室１に導入された光源ガスはプラズ
マ化に使用された後に区画部材3,反応室２を通過して、
それぞれ排気ガス排出管12から排出される。

第４図は、反応室２内の支持台13に載置したシリコン
基板上に原料ガスとしてシランからなる原料ガスを原料
ガス導入管11から供給し、光源ガスの組成と原料ガスの
流量を変化させて基板上の成膜速度の変化を測定した結
果を示すものである。図中、線Ａは光源ガスとして水素
濃度５体積％のヘリウムを用いたもの、線Ｂは光源ガス
として重水素濃度５体積％のヘリウムを用いたもの、線
Ｃは光源ガスとして水素単体を用いたもの、線Ｄは光源
ガスとして重水素単体を用いたものの場合を示してい
る。尚、横軸は原料ガスの供給量［sccm］（標準状態で
のcm³/min）を表し、縦軸は薄膜の堆積速度を表してい
る。

第４図から明らかなように、原料ガスであるシランの
流量を増加させるほど薄膜の堆積速度は上昇するが、光
源ガスとして、水素または重水素とヘリウムの混合ガス
を用いることにより、薄膜の堆積速度を大幅に向上でき
ることがわかる。

次に第５図は、前記第３図に示すように、マイクロ波
導波管５内にリング状の永久磁石６を設けて発光室１内
に磁界を形成した場合と、磁界の無い場合とにおいて、
マイクロ波の強度に対する発光強度の変化を測定した結
果を示している。図中、線Ａは磁界を形成した場合、線
Ｂは磁界無しでの場合の発光強度を表しており、図の横
軸はマイクロ波の強度を表し、縦軸は光強度の相対値を
表している。尚、発光室１内での磁界強度は、区画部材
３の下方4mmの位置で875ガウスであった。

第５図から明らかなように、磁界中でプラズマを形成
すると発光強度が高まることがわかる。この現象は、磁
界が無い状態でのプラズマ内の電子の動きが直進運動で
あるのに対し、プラズマに磁界をかけると、プラズマ内
の電子の動きが螺往状となり、水素原子，水素分子，ヘ
リウム原子等の粒子に対する衝突が増加して、これらの
粒子の励起が効率良く行われるようになり、これによっ
て励起された原子の密度が高くなるため、ピーク部分だ
けでなく全体に発光強度が増すものと思われる。

尚、以上の説明は、シランまたは高次水素化シリコン
を原料ガスとする光CVD法の場合で説明したが、本発明
で得られる紫外光は、120〜200nm程度の幅の波長を有す
るので、シラン等以外の原料ガスを用いた光CVD法にも
有効に利用することができる。また、上記実施例に示し
た光CVD装置では、発光室と反応室との間に通気性の区
画部材を設けて発光室内に導入した光源ガスを反応室内
に流し、これによって原料ガスの分解による反応生成物
が区画部材に付着しないようにし、発光室からの紫外光
が減衰しないようにしているが、発光室と反応室との間
を前記紫外光透過材で気密に仕切ってもよく、さらに
は、発光室内に前記組成の光源ガスを封入したランプを
設けてプラズマ化させてもよい。

また、上記説明では、光源ガスをマイクロ波の照射に
よりプラズマ化したが、プラズマ化する手段としては、
光源ガスに電圧をかけて気体放電させる方法や、高周波
容量結合型プラズマ発生器，誘導結合型プラズマ発生器
等、適宜なプラズマ発生手段を用いることが可能であ
る。

さらに、発光室内に磁界を形成する手段としては、上
記永久磁石だけではなく、例えば、発光室内あるいはそ
の近傍にコイルを配置し、該コイルに通電することによ
っても磁界を形成することができる。

以上のように、本発明に係る紫外光発光源は、光CVD
に用いて実施効果が大きいが、この他にも、LSIに対す
る露光法（リソグラフ）用の光源として有効に利用でき
る。即ち、露光用光源としては、従来から紫外光,X線，
電子線が研究開発されているが、技術の連続性から、集
積度の向上に伴って短い波長の紫外光を光源とする研究
が重要になってきている。

紫外光を光源とする露光法では、光をマスクに照射
し、マスクを透過したパターンをレンズによって基板上
に照射するが、解像度を上げるためには波長が短いこと
が望ましく、また、波長の分布域が広いとレンズ通過時
に色収差を生じ、色消しが必要になるので波長の分布域
が狭いほど良い。

この点でエキシマレーザーが注目されているが、フッ
化クリプトンを用いたエキシマレーザーの波長は248.8n
mである。そして現在よりも短波長の光源が研究されて
いるが、本発明の紫外光発光源から得られる紫外光の波
長は121.6nmで、前記フッ化クリプトンで得られる波長
及び研究が進められているフッ素で得られる波長154nm
よりも短波長であり、かつピークの幅も狭いので露光用
光源として極めて利用価値が高いものである。さらに、
本発明の紫外光発光源は、従来の露光装置にそのまま使
用することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の紫外光発光源は、該紫
外光発光源のプラズマにより得られる紫外光が、水素又
は重水素単独のプラズマにより得られる紫外光と略似た
ような波長分布の紫外光を発生し、特に121.6nmの波長
で大きなピークを有し、その発光強度が大きいので、該
ピークを吸収域に持つ任意の原料ガスを効率よく分解す
ることができる。特にシラン，高次水素化シリコンを原
料とする光CVD法あるいは露光方法に用いて実施効果が
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の紫外光発光源により得られる紫外光の
スペクトル分析の結果を示す図、第２図は光源ガスの組
成と紫外光中の最適波長の発光強度の関係を示す図、第
３図は本発明方法を実施するための光CVD装置の一例を
示す断面図、第４図は光源ガスの組成と原料ガスの流量
による基板上の成膜速度の関係を示す図、第５図は磁界
の有無による発光強度の差を示す図、第６図はシラン等
における紫外光の吸収係数を示す図である。 １……発光室、２……反応室、３……区画部材、４……
光源ガス導入管、５……マイクロ波導波管、６……永久
磁石、11……原料ガス導入管、13……支持台、Ｐ……基
板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−224043（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−56278（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 61/16 H01J 65/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素，重水素のいずれか一方もしくは双方
   を１〜45体積％含むヘリウムガスでなる光源ガスと、該
   光源ガスをプラズマ化させるプラズマ化手段とを備えた
   ことを特徴とする紫外光発光源。
2. 【請求項２】前記光源ガスが、紫外光透過材で形成され
   た管内に封入されていることを特徴とする請求項１記載
   の紫外光発光源。
3. 【請求項３】前記光源ガスのプラズマ化を磁界中で行う
   ことを特徴とする請求項１記載の紫外光発光源。
4. 【請求項４】反応室内の基板上に供給される原料ガス
   を、請求項1,2又は３記載の紫外光発光源により得られ
   る紫外光で励起することを特徴とする光CVD法。