JPH0616494B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

薄膜形成装置

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JPH0616494B2
JPH0616494B2 JP14437786A JP14437786A JPH0616494B2 JP H0616494 B2 JPH0616494 B2 JP H0616494B2 JP 14437786 A JP14437786 A JP 14437786A JP 14437786 A JP14437786 A JP 14437786A JP H0616494 B2 JPH0616494 B2 JP H0616494B2
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幸雄 森重
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光励起することにより薄膜を形成する薄膜形
成装置に関する。
〔従来の技術とその問題点〕
近年、半導体デバイス製造プロセスにおいては、光CV
Dなどの光励起プロセス技術が、プロセスの低温化、工
程短縮などをもたらすものとして盛んに研究開発されて
いる。光CVDは、従来のプラズマプロセスに比べ、基
板やその上のデバイス層へ与えるダメージが少なく、よ
り低温で良質な膜形成を可能とするものとして期待が大
きい。既に光CVDの手法を用い、将来の配線材料とし
て有望なタングステンやモリブデンなどの金属材料や、
MOS ICのゲート絶縁膜に使用されるSiO2などの絶
縁体などの堆積が実現されている。たとえば、アプライ
ド・フィジックス・レター(Applied Physics letter
s)誌の第40巻、第716〜719ページに、ボイヤ
ー(Boyer)氏等により、ArFエキシマーレーザを光源と
して、SiH4とN2O気体を原料気体として、SiO2膜を堆積
できることが報告されている。この文献によれば、得ら
れた堆積膜は、付着力やブレークダウン電圧などの特性
では熱酸化SiO2膜と同程度に優れた値を持つことが示さ
れている。しかし、界面準位密度が、熱酸化SiO2膜の1
0倍から100倍程度と高く、また不純物として、炭化
水素や窒素がかなり含まれていることが記述されてい
る。界面準位は、MOS ICなどのゲート絶縁膜など
に使う場合に悪影響を与えるため、できるだけ低いこと
が望まれる。この論文では、この界面準位の増加の原因
には特に触れていないが、明らかに上記の窒素や炭化水
素などの不純物が悪影響を与えている。また、第32回
春季応用物理学会予稿集(1985年)の講演番号30
p−K2の第340ページで関根等により示されている
ように、SiO2中の不純物のOH基がArFレーザ光の照射の
ためにトラップを形成し、界面準位の増加に招いている
例もある。これらの界面準位増加の原因を取り除くに
は、CVD膜中の窒素や炭化水素、水素などの不純物の
含有を極力低減することが有効である。しかしながら、
従来の光CVDの装置では、効果的にこれらの不純物の
混入を低減することができないという問題があった。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の薄膜形成装置は、第1の波長の光を発生する第
1のパルスレーザ光源と、窓を備えたCVDセルと、該
第1のパルスレーザ光源の出射光を該CVDセル内の基
板に導く第1の光学系と、該第1の波長の光の照射によ
って堆積反応を生ずる第1の気体成分を含む気体を該C
VDセルに供給するCVD用原料気体供給系と、該CV
Dセル内に該基板を保持する機構とを具備する薄膜形成
装置において、該堆積反応により生成された薄膜の不純
物成分を第2の波長の光の照射によりエッチングする第
2の気体成分を該CVDセルに供給するエッチング用気
体供給系と、該第2の波長の光を発生する第2のパルス
レーザ光源と、該第2のパルスレーザ光源の出射光を該
CVDセル内の該基板に導く第2の光学系と、該薄膜の
一分子層成長に要する時間よりも短い所定の繰返し周期
でかつ第1のパルスレーザ光源と位相をずらして第2の
パルスレーザ光源の出射タイミングを制御する繰返し周
期制御ユニットとを備えてなるものである。
〔発明の原理及び作用〕
パルスレーザ光を用いるCVD反応では、各レーザパル
スの照射ごとにCVD原料気体が分解もしくは反応し
て、生成された分子が基板上に堆積するステップを繰り
返し、薄膜が形成されていくと考えられる。この時1パ
ルス当りの堆積厚は、緻密な膜が得られる条件のもとで
は、多くとも1Å/パルス程度である。つまり各パルス
の照射により、新たに堆積する膜の平均的な厚みは、一
原子層よりも十分に薄いことになる。このため、各パル
ス照射御、不純物となる原子もしくは分子は、膜の最表
面に露出している状態にあると考えられる。本発明は、
この点に着目し、CVD用の各レーザパルスの照射直後
に、堆積した原子層オーダーの薄い膜の中の不純物原子
もしくは分子に対して、別の波長の光を照射してエッチ
ング反応を起こし、この不純物成分を除去すれば、CV
D膜中への不純物の混入を抑えることができるとの考え
に基づいている。この方法によれば、CVD反応単独で
は不純物の発生・混入が避けられない場合でも、CVD
膜中に不純物が取り込まれる前にエッチング反応で不純
物を取り除くことができ、その結果として高純度のCV
D膜を得ることができる。また、このエッチング反応を
起こさせるレーザ光には、エッチング反応による不純物
の除去の効果のほかにも、光脱離効果があり、この効果
によって表面に吸着している窒素や酸素などの揮発性分
子の除去を行うことができる。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
第1図は本発明の第1の実施例の主要部のブロック図で
ある。
この実施例は、SiO2のCVDに本発明を適用した例であ
る。CVD用原料気体供給系9はSiH2Cl2N2、N2O気体の
混合気体をCVDセル8に供給する。またエッチング用
気体供給系10は、エッチング用のCl2気体を供給す
る。ArFエキシマーレーザで構成される第1のパルスレ
ーザ光源1はCVD用原料気体を励起するために用いら
れ、その出射光は第2のミラー4、第3のミラー5、お
よび第2の窓7を通してCVDセル8内に導かれる。Xe
Clエキシマーレーザで構成される第2のパルスレーザ光
源2は、エッチング用気体のCl2を励起するために用い
られ、出射光は、第1のミラー3および第1の窓6を通
してCVDセル内の基板に照射される構成となってい
る。ヒータ12は基板13を良好な膜形成のできる温度
に昇温するために用いる。CVDセル8の内部圧力は、
排気ポンプ11の排気速度とCVD用原料気体供給系9
及びエッチング用気体供給系10からの供給量を調整す
ることにより、CVD中所定の値になるよう制御され
る。繰返し周期制御ユニット14は、第1のパルスレー
ザ光源1の出射信号を受け取り、遅延回路を通してこの
出射信号より第1のパルスレーザ光源1の繰返し周期よ
りも短い所定の遅れを持つトリガ信号を第2のパルスレ
ーザ光源2に与える構成になっている。
第2図は繰返し周期制御ユニットの第1の具体例のブロ
ック図である。
第1のパルスレーザ光源1の第1のトリガ信号に遅延回
路22で遅れを与え、この遅延した信号を受けて繰返し
パルスの発生を開始するクロック発生回路23の出力信
号をカウンタ回路18の出力により開閉されるゲート回
路19を通して第2のパルスレーザ光源2を制御する第
2のトリガ信号として出力する。このとき、カウンタ回
路18は遅延回路22の出力を受けてから、所定の数だ
けクロック信号を係数するまでの間だけゲート回路19
を開くよう動作する。この場合、遅延時間、クロック周
期、カウンタのカウント数は、繰返し周期制御ユニット
14が第1のトリガ信号を受けてから第2のトリガ信号
の出力が終了するまでの一連の時間が、第1のパルスレ
ーザ光源1の繰返し周期より短くなるよう設定してお
く。こうすることにより第1のパルスレーザ光源1と第
2のパルスレーザ光源2との出射タイミングの重なりを
避けることができる。こうして、第1のパルスレーザ光
源1からの照射1回につき複数回宛第2のパルスレーザ
光源2から照射を行うことができる。
第3図は繰返し周期制御ユニットの第2の具体例のブロ
ック図である。
カウンタ回路20は第1のパルスレーザ光源1からの第
1のトリガ信号を計数し、所定の数を計数したときパル
ス信号を出力し、出射タイミングをずらすための遅延回
路21を通して第2のトリガ信号としてパルス信号を出
力する構成となっている。この場合には、第1のパルス
レーザ光源からの複数回の照射につき1回宛第2のパル
スレーザ光源2から照射を行うことができる。
いずれの場合にも、第1のパルスレーザ光源と、第2の
パルスレーザ光源の出射タイミングは重なることがな
く、堆積速度に応じて適切な周期でエッチング用気体励
起用の光パルスを照射することができる。
次に、この実施例を用いた薄膜形成方法について説明す
る。用いた気体の組成は、SiH2Cl1%、N10%、N
2O86%、Cl3%とし、CVDセル8内の圧力は10
66Pa、基板温度は300℃としてSiO2膜を形成した。
第4図は、照射レーザを制御するトリガ信号波形図であ
る。
実線CVD用のArFレーザを制御する第1のトリガ信
号、一点鎖線はエッチング用のXeClレーザを制御する第
2のトリガ信号を示す。このタイミングの照射によれ
ば、CVD用のArFレーザ光の照射により不純物を含むS
iO2膜が堆積しても、次のエッチング用のXeClレーザ光
の照射により、基板表面の炭化水素やH2は、CClやHCl
などの揮発性の塩化物となって気相に離脱する。N2は、
光脱離効果によりN2気体として表面から除去されると考
えられる。なお、Clは、ArFレーザの発振波長19
3nmには吸収がなく、逆に、CVD用原料気体成分
は、XeClレーザの発振波長308nmには吸収がないの
で、CVDおよび、エッチングの各反応は、それぞれ照
射するレーザ光の波長により選択的に起こすことがで
き、堆積反応などの目的とする以外の不用な反応は起こ
らない。このようにして得られた光CVDSiO2膜の界面
準位密度は、熱酸化SiO2膜の1.5倍程度と熱酸化法に
比べても殆んど遜色のないほど十分低くでき、MOS
ICのゲート絶縁膜として十分使い得る値であることが
わかった。一方、上述の光エッチング処理を行わない通
常の光CVDの場合の界面準位密度は、本発明によるも
のに対し20倍以上高くなり、本発明が不純物などの影
響を受けやすい界面準位密度の改善に有効であることが
わかった。
なお上述の例では、エッチング用気体を励起するパルス
レーザ光の照射回数は、1回のCVD用原料気体励起用
パルス照射につき、1回の場合について説明したが、1
回のCVD用原料気体励起用の光パルス照射につき、複
数回のエッチング用気体励起用の光パルスを照射すれ
ば、不純物成分を除去する効果がより顕著になることは
自明である。また逆に、CVD速度が極めて小さい場合
には、複数回のCVD用原料気体励起用の光パルス照射
ごとに1回のエッチング用気体励起用の光パルスを照射
してもよい。
以上の例ではSiO2膜のCVDを例にとって説明したが、
他の絶縁体や半導体、金属などのCVDにおいても、C
VD用原料気体、エッチング用気体、及びこれらの気体
を励起できるパルスレーザ光源を組み合わせれば本発明
の薄膜形成装置を用いて、不純物の少ない良質なCVD
膜を形成できる。
第5図は本発明の第2の実施例を示すブロック図であ
る。
第1の実施例と異なる点は、第1のパルスレーザ光源1
の出射光が、基板に垂直に入射されることであり、ダイ
クロイックミラー15を用いて、第2のパルスレーザ光
源2の第1のパルスレーザ光源1からの出射光を合成し
て基板13に照射する点が異なっている。この構成は、
基板表面に吸着したCVD用の原料気体分子が光CVD
反応に与る場合に有効となる。このような原料気体とし
ては、金属カルボニルなどの有機金属化合物が挙げられ
る。
第6図は、本発明の第3の実施例を示すブロック図で、
第2の実施例に光路上に照射パターンを定めるマスク1
6とそのパターンを基板上に転写するレンズ17を配置
したことが構成上の違いである。この構成によれば、基
板上の所要の位置にのみ選択的にCVD膜を形成するこ
とができる利点がある。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明の薄膜形成装置は不純物をエ
ッチングする気体を励起する第2のパルスレーザ光源を
備えているので、従来装置に比べ、不純物濃度を大幅に
低減した薄膜の形成が可能となり広い範囲の半導体製造
プロセスに光CVDの手法を適用することが可能とな
る。また、従来装置では膜への不純物の含有率が高くな
りすぎて、実用的に使うことの困難なCVD用原料気体
と光源の組み合せに対しても、本発明の装置を用いれ
ば、高純度のCVD膜の形成が可能となり、実用的に使
いうるCVD材料の選択の幅を大きく増やすことができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例の主要部のブロック図、
第2,3図はれぞれ繰返し周期制御ユニットの第1,第
2の具体例のブロック図、第4図はトリガ信号波形図、
第5図、第6図はそれぞれ本発明の第2,第3の実施例
の主要部のブロック図である。 1……第1のパルスレーザ光源、2……第2のパルスレ
ーザ光源、3……第1のミラー、4……第2のミラー、
5……第3のミラー、6……第1の窓、7……第2の
窓、8……CVDセル、9……CVD用原料気体供給
系、10……エッチング用気体供給系、11……排気ポ
ンプ、12……ヒータ、13……基板、14……繰返し
周期制御ユニット、15……ダイクロイックミラー、1
6……マスク、17……レンズ、18……カウンタ回
路、19……ゲート回路、20……カウンタ回路、2
1,22……遅延回路、23……クロック発生回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の波長の光を発生する第1のパルスレ
    ーザ光源と、窓を備えたCVDセルと、該第1のパルス
    レーザ光源の出射光を該CVDセル内の基板に導く第1
    の光学系と、該第1の波長の光の照射によって堆積反応
    を生ずる第1の気体成分を含む気体を該CVDセルに供
    給するCVD用原料気体供給系と、該CVDセル内に該
    基板を保持する機構とを具備する薄膜形成装置におい
    て、該堆積反応により生成された薄膜の不純物成分を第
    2の波長の光の照射によりエッチングする第2の気体成
    分を該CVDセルに供給するエッチング用気体供給系
    と、該第2の波長の光を発生する第2のパルスレーザ光
    源と、該第2のパルスレーザ光源の出射光を該CVDセ
    ル内の該基板に導く第2の光学系と、該薄膜の一分子層
    成長に要する時間よりも短い所定の繰返し周期でかつ第
    1のパルスレーザ光源と位相をずらして第2のパルスレ
    ーザ光源の出射タイミングを制御する繰返し周期制御ユ
    ニットとを備えることを特徴とする薄膜形成装置。
JP14437786A 1986-06-19 1986-06-19 薄膜形成装置 Expired - Lifetime JPH0616494B2 (ja)

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