JPH0748496B2 - レーザ利用配線形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザCVDを用いる直接描画に於て、異種材
料がパターン化されている基板上に、所望の形状で薄膜
を堆積させる方法に関するものである。

（従来の技術） 従来のレーザCVDを用いる直接描画の方法では、第３図
に示してあるように、X-Yステージ14上に設置され、CVD
用原料ガスを流しているCVD用セル12に基板11を設置
し、レーザ光23をCVD用セル12の窓13を介して基板11上
に集光照射しつつ走査することによって行っている。

例えば、エーリッヒ（D.J.Ehrlich）らによりアプライ
ド・フィジクス・レターズ誌（Appl.Phys.Lett.）第39
巻（1981）の957ページから959ページに掲載された論文
では、SiO₂熱酸化膜を一部取り除いたSiウエハをSiH₄雰
囲気に設置し、Arイオンレーザ光をこのウエハ上で走査
してウエハ上の照射部を加熱し、SiH₄を熱分解すること
によってSiの直接描画を行っていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来のレーザCVDを用いて直
接描画されたSiの線幅は、熱伝導率の大きなSi上よりも
熱伝導率の小さなSiO₂上の方が広がるので、熱伝導率の
異なる相隣り合う下地材料の間では、一般に同じになら
ない。そのため、このSiの線幅の広がりを見込んで配線
間隔を大きくとらねばならず、これがLSI等の半導体デ
バイスに直接描画を適用する場合の高集積化にとって大
きな問題点であった。

また、描画Si線をLSIのAl配線にコンタクトさせる場
合、Arイオンレーザ光をAl配線に集光照射して加熱して
も、Alの熱伝導率はSiO₂やSiNなどの絶縁膜の熱伝導率
よりも１桁以上大きいので、SiのCVDに必要な温度にま
で加熱できず、SiとAlとの良好なコンタクトを形成でき
ないという問題があった。

このような熱伝導率の異なる相隣り合う下地材料の上で
均一幅の直接描画がレーザCVDではできないという問題
点や、Al配線と良好なコンタクトを形成できないという
問題点はSiだけでなく、Mo(CO)₆からのMoのCVDや、W(C
O)₆からのＷのCVDや、WF₆からのＷのCVDを用いる場合に
おいても同様に存在していた。

（問題点を解決するための手段） 本発明はCVD原料ガス中に設置されている異種材料で構
成された基板上へレーザ光を選択的に照射して、この照
射領域に薄膜を堆積させるレーザCVDを用い、前記レー
ザ光を前記基板上で走査することによって線状に薄膜を
堆積させるレーザ利用配線形成方法において、前記レー
ザ光としてCWレーザ光、パルス変調したCWレーザ光もし
くはパルスレーザ光のうち少くとも一つを用い、前記異
種材料の熱伝導率の違いに応じてレーザ光の光強度、走
査速度、パルス幅もしくはパルスの繰り返し周波数の少
くとも一つを変えて照射することを特徴とするレーザ利
用配線形成方法を提供するものである。

（発明の作用・原理） 本発明の特徴は、熱伝導率の異なる下地材料がパターン
化されている基板上にCVDさせる物質を同じ線幅で直接
描画するために、また、熱伝導率の大きな下地上でも良
好なCVDを生じさせるために、レーザ光の強度変調、レ
ーザ光のパルス変調、レーザ光の走査速度の制御のうち
少なくとも１つを行うことによって、CVD領域の熱の拡
がり及びこの領域の加熱温度を制御することにある。

レーザ光を熱伝導率の小さな領域から大きな領域へと走
査して、CVDさせる物質を直接描画させる場合について
述べる。これと逆の場合、つまり熱伝導率の大きな領域
から小さな領域へとレーザ光を走査する場合は、以下に
述べるレーザ光の強度変調、レーザ光のパルス変調、レ
ーザ光の走査速度の制御の仕方を逆にすればよい。

まず、CWレーザを使用する場合について述べる。レーザ
光強度変調もパルス変調も行わず、しかも走査速度を変
えずに、レーザ光を熱伝導率の小さな領域から大きな領
域へと走査すると、熱伝導率の大きな領域では熱が拡散
するためCVDが可能な温度を持つ領域が小さくなると同
時にこの温度も低くなるので、直接描画させたCVDさせ
る物質の線幅は細くなり、質も低下する。この線幅の細
りと質の低下をなくし、均一な線幅で良質な線を直接描
画させるには、レーザ光が熱伝導率の大きな領域に走査
されてきたときに、レーザ光の強度変調、レーザ光のパ
ルス変調、レーザ光の走査速度の制御の３方法のうちの
少なくとも１つを行って、CVDが可能な温度を持つ領域
を大きくし、このCVD領域の温度を高くすればよい。こ
の点を解決するための３種類の方法を以下に述べる。

まず、レーザ光のパルス変調を行わず、走査速度を一定
にしてレーザ光の強度を変調する方法について述べる。
レーザ光が熱伝導率の大きな領域へと走査されてきたと
き、この領域での大きな熱拡散による熱の散逸を補っ
て、CVDが可能な温度を示す部分の大きさと温度を熱伝
導率の小さな領域と同一にするためには、レーザ光強度
を増せばよい。その結果、異なった熱伝導率をもつ領域
にわたって、CVDさせる物質を同一幅で、しかも良質の
線を直接描画できる。

次に、CWレーザからのレーザ光の強度、走査速度を一定
にしてCWレーザ光をパルス変調する方法について述べ
る。CWレーザ光をパルス化した後のパルスの繰り返し周
波数の高低にかかわらず、パルス化したレーザ光のピー
ク強度を一定になるようにすると、繰り返し周波数が高
いほど、また、パルス幅が広いほど平均レーザ光強度は
大きくなる。したがって、パルス化されたレーザ光が熱
伝導率の小さな領域から大きな領域へと走査されてきた
ときに、繰り返し周波数を高くするか、またはパルス幅
を広くして平均レーザ光パワーを大きくすることによっ
て、熱伝導率の大きな領域での熱の散逸を補うことがで
き、CVD温度を高くすることができる。その結果、異な
った熱伝導率をもつ領域にわたって、CVDさせる物質を
同一幅で、しかも良質の線を直接描画できる。

次に、CWレーザ光の強度変調及びパルス変調のどちらも
行わず、CWレーザ光の走査速度を制御する方法について
述べる。CWレーザ光の走査速度が遅くなると、基板の単
位面積当たりのレーザ光による加熱時間が増すことにな
る。したがって、CWレーザ光が熱伝導率の小さな領域か
ら大きな領域へと走査されてきたときに、CWレーザ光の
走査速度を遅くして基板の単位面積当たりの加熱時間を
増すことによって、熱伝導率の大きな領域での熱の散逸
を補い、この領域でのCVD温度を高くすることができ
る。その結果、異なった熱伝導率をもつ領域にわたって
CVDさせる物質を同一幅で、しかも良質の線を直接描画
できる。

以上では、CWレーザ光の強度変調、パルス変調、及びレ
ーザ光の走査速度の制御の３方法を各々独立に行うこと
によって、熱伝導率の異なる下地材料が隣り合っている
基板で、CVDさせる物質を同一幅で直接描画させる方法
について述べた。これら上述の３方法のうち、いずれか
２方法を組み合わせて、熱伝導率の異なる下地材料が隣
り合っていても、その境界でCVDが行える温度を持つ部
分の大きさを同一にし、CVDさせる物質を同じ線幅で、
しかも良質の線を直接描画させることもできる。この組
み合わせる２方法として、特にCWレーザ光の強度変調と
パルス変調とを組み合わせる場合について述べる。

この方法によれば、平均レーザ光強度が一定になるよう
に、パルス化されたレーザ光強度とパルス幅と繰り返し
周波数とを制御する。この場合、パルス変調の繰り返し
周波数を高くするほど、各々のレーザ光パルスのピーク
強度は大きくなり、また各パルスの時間幅は短くなる。
したがって、チョッピング周波数が高いほど、ピーク強
度が高く、パルス幅の短いレーザ光パルスによって瞬時
に加熱された基板の照射領域の温度が下がった後に次の
レーザ光パルスによって再び基板が瞬時に加熱されるこ
とになる。その結果、CWレーザ光をパルス変調しない場
合よりも、CVDを生じさせるのに必要な加熱領域が狭く
なる。

上述の平均レーザ光強度が一定となるようにCWレーザ光
の強度変調とパルス変調とを同時に行う方法は、熱伝導
率の差が大きな異種材料が相隣り合っているとき、その
両方の上で以下に述べる原理により、CVDさせる物質を
同一幅でしかも良質の線を直接描画できる。熱伝導率の
差が大きな場合、CWレーザ光が熱伝導率の小さな領域か
ら大きな領域へと走査されてきたとき、この熱伝導率の
大きな領域では速やかに熱が拡散してしまい、広い範囲
にわたってわずかに温度の高い領域が生じる。そこでこ
の領域でCVDを生じさせるのに必要な温度を得る為にCW
レーザ光強度を強くしたり、またCWレーザ光の走査速度
を遅くすると、CVDが可能な温度を持つ部分の大きさ
は、熱伝導率の小さな領域において得られたCVDが可能
な温度を持つ部分よりも大きくなる。そのため、熱伝導
率の差が大きな異種材料が相隣り合っている場合は、熱
伝導率の差が小さな場合とは逆に、熱伝導率の大きな領
域の方で直接描画させた物質の線幅が広くなる。そこで
平均レーザ光強度を一定とする条件のもとでCWレーザ光
の強度変調とパルス変調の両方を行う方法を用いると、
前述のようにチョッピング周波数を高くすればCVDを生
じさせるのに必要な、加熱領域は狭くなる。したがって
レーザ光が熱伝導率の大きな領域に走査されてきたとき
に、平均レーザ光強度を同一にしてパルス変調の繰り返
し周波数を高くすることで、CVDさせる物質を同じ線幅
でしかも良質の線を直接描画できる。以上では、CWレー
ザを基にし、CWレーザ光の各種変調を用いたが、CWレー
ザに替えてパルスレーザを用いると、CWレーザ光のパル
ス変調を用いるよりもパルス幅を短くできるため、一層
局所的で過渡的な加熱によるCVDを生じさせることがで
きる。したがって、特に熱伝導率の大きな領域でも良質
な線を描画できる。また、パルスレーザ光のパルス幅を
短くするにつれて、レーザ光照射部のごく表層のみの加
熱が可能になるので、加熱効果の助長により一層良質の
線を描画できる。

（実施例） 以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。第
１図は本発明を実施するのに用いる描画装置の一例を示
すものである。まず、この描画装置の構成を簡単に説明
しておく。この描画装置は、窓13を有するCVD用セル12
と、このCVD用セルを載置するX-Yステージ14と、このX-
Yステージの駆動を制御するコントローラ15と、Arイオ
ンレーザ17と、このArイオンレーザからのArイオンレー
ザ光の光路上に挿入された、レーザ光のパルス変調を行
うためのパルス変調器18およびレーザ光強度を変調する
ための強度変調器19と、ダイクロイックミラー20と、集
光用レンズ16と、モニタ用カメラ21と、モニタ用テレビ
22とを備えている。

（実施例１） 本実施例では、Arイオンレーザ光を強度変調する場合に
ついて述べる。まず、熱酸化によって形成されたSiO₂膜
で覆われているSi基板上にAl細線がパターニングされて
いる基板11をCVD用セル12に装着する。このCVD用セル12
にArガスをキャリアガスとしてCVD用の原料Mo(CO)₆蒸気
を導入する。基板11にArイオンレーザ17からのArイオン
レーザ光23を窓13を通して集光用レンズ16で絞って集光
照射し、基板11を局所的に加熱することによってMoを堆
積させる。この基板11が装着されているCVD用セル12はX
-Yステージ14に固定されており、コントローラ15を用い
てX-Yステージ14を駆動させ、基板11をArイオンレーザ
光23に対して垂直に移動させることによってMoを直接描
画する。基板11上のMoの描画部はダイクロイックミラー
20を通してモニタ用カメラ21とモニタ用テレビ22を用い
て直接観察する。モニタ用カメラ21とモニタ用テレビ22
によって基板11上のMoの描画部を観察しながら、パルス
変調器18を用いてレーザ光の周波数変調を、また強度変
調器19を用いてレーザ光強度の変調を、またコントロー
ラ15を用いてレーザ光の走査速度の制御を行う。

基板11には、前述したようにSiO₂熱酸化膜で覆われてい
るSi基板上にAl配線がパターン化されているものを使用
しており、したがって、この基板の表面は熱伝導率の小
さなSiO₂と、熱伝導率の大きなAl配線とで構成されてい
る。Alの熱伝導率はSiO₂の約150倍と大きいので、Arイ
オンレーザ光23を、走査速度を一定にした条件でSiO₂上
でのレーザ光強度と同じ強度でAl配線上を走査すると、
MoのCVDを生じさせるのに必要な熱がAl配線へ散逸して
しまのでMoを直接描画できなくなり、Al配線と描画Mo線
との電気的コンタクトの形成ができず、また、Al配線上
を越えてMoを直接描画できなくなる。

そこで本実施例では、走査速度を一定にした場合、Al配
線上でのレーザ光パワーをSiO₂上でのレーザ光パワーよ
りも大きくする。具体的には、Arイオンレーザ光23の走
査速度を４μm/sと一定にした場合、SiO₂上でのレーザ
光パワーを約300mWにして幅約７μｍ、厚さ約150nmのMo
線を直接描画できるように設定した。この条件のもと
で、SiO₂上でMoを直接描画してきたArイオンレーザ光23
がSiO₂からAl配線上へと走査されてきたときに、強度変
調器19によりレーザ光強度を約700mWへと高くすること
によって、Al配線上でも幅約７μｍ、厚さ約120nmのMo
を直接描画することができた。その結果、描画Mo線とAl
配線との間で良好な電気的コンタクトを形成できた。

（実施例２） 本実施例では、Arイオンレーザ光23をパルス変調する場
合について延べる。基板11には、実施例１で述べたもの
と同じ構成で、SiO₂上にAl配線がパターン化されている
基板を使用した。Arイオンレーザ光23の走査速度を４μ
m/s、パルス変調してないときのレーザ光強度を700mWと
一定にして、パルス変調前後でピーク強度が代わらない
ようにし、SiO₂上でのレーザ光のパルス幅を５μｓ、繰
り返し周波数を10kHzとパルス変調することで、幅約６
μｍ、厚さ約250nmのMo線を直接描画できるように設定
した。この条件のもとで、SiO₂上でMoを直接描画してき
たArイオンレーザ光23がSiO₂からAl配線上へと走査され
てきたときに、パルス変調器18により繰り返し周波数を
100kHzと高くし、平均レーザ光強度を高くすることによ
ってAl配線上でも幅約６μｍ、厚さ約200nmのMoを直接
描画できた。

また、Arイオンレーザ光23がAl配線上へ走査されてきた
ときに、繰り返し周波数は10kHzのまま変えず、パルス
変調器18によりパルス幅を50μｓと長くしてレーザ光強
度を高くすることによっても、Al配線上で幅約６μｍ、
厚さ約200nmのMoを直接描画できた。

（実施例３） 本実施例では、Arイオンレーザ光23の走査速度を制御す
る場合について述べる。基板11には、実施例１及び実施
例２で述べたものと同じ構成で、SiO₂上にAl配線がパタ
ーン化されている基板を使用した。Arイオンレーザ光強
度を約300mWと一定にした場合、SiO₂上での走査速度を
４μm/sとすることで、幅約７μｍ、厚さ約150nmのMo線
を直接描画できた。この形状のMoを直接描画してきたAr
イオンレーザ光23がSiO₂からAl配線上へと走査されてき
たときに、コントローラ15によりX-Yステージ14を制御
し、走査速度を１μm/sと遅くすることでAl配線上でも
幅約７μｍ、厚さ約120nmのMoを直接描画できた。

（実施例４） 実施例２では、パルス幅と繰り返し周波数とを独立に制
御するパルス変調について述べたが、本実施例では平均
レーザ光強度が一定となるようにパルス幅と繰り返し周
波数とを同時に制御するパルス変調を用いる方法につい
て述べる。

基板11として、ポリイミド膜で覆われているセラミック
ス基板上にAu配線がパターン化されているものを使用し
た。したがって、この基板の表面は熱伝導率の小さなポ
リイミドと熱伝導率の大きなAu配線とで構成されてい
る。Auの熱伝導率はポリイミドの約2000倍も大きく、ま
たAlの約1.5倍と大きい。Arイオンレーザ光23をパルス
変調した後の平均レーザ光強度を50mW、走査速度を４μ
m/sと一定にした条件のもとで、10kHzの繰り返し周波数
でポリイミド上に幅約10μｍ、厚さ約500nmのMo線を直
接描画できた。この形状のMo線を直接描画してきたArイ
オンレーザ光がポリイミドからAu配線上へと走査されて
きたときに、平均レーザ光強度を保ちつつパルス変調器
18により、繰り返し周波数を200kHzに高めて、パルス変
調された各レーザ光ピーク強度を高めて、また各レーザ
光パルス幅を狭くすることによってAu配線上でも、ポリ
イミド上での描画Mo線とほぼ同じ幅の約10μｍでMoを直
接描画することができた。

以上、実施例１〜４ではレーザとしてCWレーザを用いた
場合について述べた。次に述べる実施例５ではCWレーザ
に加えて、パルスレーザを用いた場合について示す。

（実施例５） 第２図は光源にCWレーザとパルスレーザとして各々Arイ
オンレーザとYAGレーザを用いた場合の装置構成図であ
る。SiO₂熱酸化膜上にArイオンレーザ光をもちいてMoを
描画する条件は実施例１と同様である。SiO₂熱酸化膜上
の描画Mo線と10μｍの線幅でパターン化されたAl膜とを
電気的に接続する方法を以下に述べる。

可動ミラー23をArイオンレーザの光路上に挿入しYAGレ
ーザ光をCVDセルに導入する。YAGレーザの繰り返し周波
数を1kHz、パルス幅を約20ns、ピークでの照射強度を1M
Wにそれぞれ設定する。ArイオンレーザでSiO₂酸化膜上
にMoを描画する。この描画Mo線と熱伝導率の大きなAl線
と良好なコンタクトを形成するために、YAGレーザを用
いた。このレーザは、上述のようにピークパワーが大き
く、またパルス幅が短いので、熱伝導率の大きなAl線上
でも、局所的に過渡的な加熱を可能にする。したがっ
て、Al線上へも良質のMoのCVDができるので、良好なMo
とAlのコンタクトを形成できた。このコンタクトの抵抗
値は約200Ωであった。

また、パルス幅を20nsから2nsへと短くすると、熱拡散
長の短縮によりAlの加熱部を最表層部に限定できるの
で、Al表面の損傷を抑えて、Moとの良好なコンタクトを
形成できた。この場合のコンタクト抵抗値は約100Ωと
更に低くなった。

以上の各実施例では、Moを直接描画させたが、Mo以外に
も、W(CO)₆やWF₆を原料ガスとしてＷを直接描画させる
ことができる。さらに、これら金属だけでなく、SiH₄や
SiH₂Cl₂などからSiを直接描画させることもできる。

（発明の効果） 以上、本発明の方法を用いて、熱伝導率の異なる各種下
地材料が錯綜している基板上に、各種薄膜を所望の形状
で精度よく、しかも良質の線を直接描画させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図は本発明の実施例に用いる描画装置
の模式的断面図、第３図は従来方法を説明するための描
画装置の一部の模式的断面図である。 11…基板 12…CVD用セル 13…窓 14…X-Yステージ 15…コントローラ 16…集光用レンズ 17…Arイオンレーザ 18…パルス変調器 19…強度変調器 20…ダイクロイックミラー 21…モニタ用カメラ 22…モニタ用テレビ 23…レーザ光 24…可動ミラー 25…ミラー 26…YAGレーザ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】CVD原料ガス中に設置されている異種材料
   で構成された基板上へレーザ光を選択的に照射して、こ
   の照射領域に薄膜を堆積させるレーザCVDを用い、前記
   レーザ光を前記基板上で相対的に走査することによって
   線状に薄膜を堆積させるレーザ利用配線形成方法におい
   て、前記レーザ光としてCWレーザ光、パルス変調したCW
   レーザ光もしくはパルスレーザ光のうち少くとも一つを
   用い、前記異種材料の熱伝導率の違いに応じてレーザ光
   の光強度、走査速度、パルス幅もしくはパルスの繰り返
   し周波数の少くとも一つを変えて照射することを特徴と
   するレーザ利用配線形成方法。