JPH04129159A - 紫外光発光源及びこれを用いた光ｃｖｄ法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
（ケミカルベーバーデボジッション：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２５４　ｎｓ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
−８ｉ）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、１
５０ｒｖ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す、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
係数か小さいので分解効率か著しく低く、基板上に形成
される薄膜の成長速度か遅くなるため、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、発光強度か小さいため
、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、１２１．６ｎ＊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９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１２１．６ｎ＠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　、
４　Ｔｏｒｒ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、１２
１．６ｎｓ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１２１．６ｎ■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゜６ｎｓ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、線り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Ｏ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（）ｌ　　）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１３０〜１７Ｏｎｓ＋
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
ＣＶＤ装置の一例を示すもので、上部の発光室１と下部
の反応室２とがメツ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５
ａ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だめの冷却用配管７か巻回さ
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か設けられ
、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］−０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か連設されている。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
ＣＶＤ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］３上に載置した基板Ｐを必
要に応して加熱し、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か照射され、原料ガスが励起
されて分解し、基板Ｐ上に薄膜か形成される。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に載置したンリコン
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（ま
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（７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、線り
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［ｓｃｃｍｌ　　
（標準状態でのｃｌＩ＋３／１ｎ）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４■の位置て８７５ガウスてあった。

第５図から明らかなように、磁界中でプラズマを形成す
ると発光強度か高まることがわがる。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
電子の動きが螺旋状となり、水素原子、水素分子、ヘリ
ウム原子等の粒子に対する衝突か増加して、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、］、２０〜２００ｎａ＋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
光室からの紫外光か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（リックラフ）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−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−の波長は２４８．
８ｎｍ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１２１．６ｎｌＩｌて、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１５４ｎｉ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１２１．６ｎ園の
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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．水素、重水素のいずれか一方もしくは双方を１〜４
   ５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. 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. 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. 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。