JPH09148248A - 薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜速度が高く、且つレーザーパターンにお
ける転写精度を高くできる薄膜形成方法を提供する。 【解決手段】 基板２を冷却することによりチャンバー
１内のＷＦ₆ ガスを基板２の表面に吸着或いは凝縮させ
ることにより基板２の表面にＷＦ₆ を付着させる工程
と、前記基板２を配置しているチャンバー１内に導入し
た水素（Ｈ₂ ）と前記基板２の表面に付着させたＷＦ₆
とをエキシマレーザービームにて反応させ、Ｗ（タング
ステン）膜を所定パターンに形成する工程とを含むこと
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置や光電
変換装置などのデバイスの製造に用いることができる方
法であって、基板上に金属膜などの薄膜を堆積形成する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】堆積による薄膜形成の方法として、ＣＶ
Ｄ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法が知られている。この方法は、反応室内に反応ガ
スを導入し、化学反応を起こさせ、反応生成物質を基板
上に堆積して薄膜を形成する方法である。このＣＶＤ法
は、ＳｉＯ₂ 膜やポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）膜などの形
成の他に、金属薄膜の形成にも用いられる。ＣＶＤ法を
用いて金属薄膜を形成する方法には、従来より、フッ化
タングステン（ＷＦ₆ ）などの金属フッ化物、或いはタ
ングステンカルボニル（Ｗ（ＣＯ）₆ ）などの金属カル
ボニル化合物などの化合物材料ガスを反応室内に導入す
るとともに、当該化合物材料に反応させて薄膜を形成す
る水素（Ｈ₂ ）などの反応ガスを反応室内に導入し、紫
外線、レーザー光、プラズマ、或いは熱などの励起手段
により励起分解して、金属薄膜を基板上に堆積させる方
法が知られている（特開平２−２２５６７０号公報参
照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
ＣＶＤ法は、材料ガス、即ち、気相から成膜を行うもの
であって気相ゆえに基板上の化合物材料密度が低いた
め、成膜速度が遅いという欠点がある。また、前記のレ
ーザー光等を基板に向けて照射した場合に、基板の上方
に気相として存在している化合物材料が反応ガスと反応
して金属原子ができることになるが、この金属原子が基
板上に落下して堆積するときにある程度分散するため、
前記レーザー光のスポット位置よりも広がりを持って金
属膜が形成されることになり、レーザーパターンにおけ
る転写精度が低いという欠点も有していた。

【０００４】本発明は、上記の事情に鑑み、成膜速度が
高く、且つレーザーパターンにおける転写精度を高くで
きる薄膜形成方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜形成方法
は、上記の課題を解決するために、基板の表面に化合物
材料を付着させる工程と、前記基板を配置している反応
室内に導入させた反応ガスと前記の化合物材料とをエネ
ルギービームにて反応させて薄膜を形成する工程とを含
むことを特徴とする。

【０００６】かかる方法は、前記基板表面に付着した化
合物材料から成膜を行うものであって化合物材料が付着
状態で存在するがゆえに基板上の化合物材料密度が高く
なっているから、成膜速度を速くすることができる。更
に、前記のエネルギービームを基板に向けて照射した場
合に、基板表面に付着している化合物材料が反応ガスと
反応して薄膜形成物ができるわけだが、基板付着状態で
当該薄膜形成物ができることになるから、当該膜形成物
の分散が抑制される。従って、前記エネルギービームの
スポット位置に対して広がりを持たないで薄膜が形成さ
れることになり、ビームパターンにおける転写精度を高
くすることができる。

【０００７】また、本発明の薄膜形成方法は、基板を冷
却することにより反応室内の化合物材料ガスを基板の表
面に吸着或いは凝縮させて基板の表面に化合物材料を付
着させる工程と、前記基板を配置している反応室内に導
入させた反応ガスと前記の化合物材料とをエネルギービ
ームにて反応させて薄膜を形成する工程とを含むことを
特徴とする。

【０００８】かかる方法であれば、前記化合物材料が常
温で気相として存在する場合において、基板の表面に化
合物材料を吸着や凝縮により付着させることができ、前
述の方法と同様に、成膜速度を速くすることができると
ともに、ビームパターンにおける転写精度を高くするこ
とができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）以下、本発明の実施の形態を図に基づ
いて説明する。

【００１０】図１（ａ）は、薄膜製造装置の概略構成を
示した断面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ矢示
部拡大説明図である。チャンバー（反応室）１内には、
図示しないガス導入路によって、化合物材料ガスである
例えばタングステンフッ化物（ＷＦ₆ ）ガス、及び反応
ガスである水素（Ｈ₂ ）ガスがそれぞれ、或いは水素ガ
スを搬送ガスとして導入されるようになっている。

【００１１】チャンバー１内には基板２が配置され、こ
の基板２は基板ホルダー３によって固定されている。基
板ホルダー３内には、水平方向に冷却パイプ４が通され
ている。この冷却パイプ４内に例えば液体窒素を流すこ
とにより、基板ホルダー３上の基板２を冷却することが
できる。冷却温度は、例えば、前述のごとく、化合物材
料ガスとしてタングステンフッ化物（ＷＦ₆ ）を用いる
場合には、−５０℃〜−１５０℃とされるが、この温度
はチャンバー１内の圧力により変わり得るものであり、
要は、化合物材料ガスが基板２の表面上に凝縮（吸着）
されるような温度に設定されればよい。

【００１２】そして、チャンバー１の上方には、エネル
ギービームであるレーザーを照射するエキシマレーザー
照射装置５が配置されている。エキシマレーザー照射装
置は、例えば、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎ
ｍ）から成っている。エキシマレーザー照射装置５にて
照射されたレーザー光は、前記チャンバー１の図示しな
い上面ガラス窓越しにチャンバー１内に至り、前記の基
板２上に到達するようになっている。そして、エキシマ
レーザー照射装置５とチャンバー１との間にはマスク６
が配置され、前記基板２上にレーザー光が所定パターン
で照射されるようにしてある。

【００１３】次に、上記の薄膜製造装置を用いた薄膜形
成方法について説明する。

【００１４】まず、前記チャンバー１内の基板ホルダー
３上に基板２を配置固定し、液体窒素を前記冷却パイプ
４内に通して基板２を約−１００℃の温度に保持する。
そして、化合物材料ガスであるＷＦ₆ ガスと反応ガスで
あるＨ₂ ガスを２００〜３００ｓｃｃｍの流量でチャン
バー１内に導入し、チャンバー１内を１０〜３００ｔｏ
ｒｒに設定する。

【００１５】基板２が前述の如く冷却されることによ
り、基板２の表面付近に存在していたＷＦ₆ ガスは、基
板２の表面上に凝縮（吸着）され、化合物材料であるＷ
Ｆ₆ 液化層１０が形成される。そして、このように基板
２の表面に所定厚み（例えば、２０ｎｍ）のＷＦ₆ 液化
層１０が形成された状態で、或いはＷＦ₆ が基板２に付
着していく過程で、前記エキシマレーザー照射装置５を
作動させ、このエキシマレーザー照射装置５から照射さ
れたエキシマレーザー光を集光し、チャンバー１の前記
上面ガラス窓を介して前記の基板２上に照射する。エキ
シマレーザー光のエネルギーは約４００ｍＪとし、１シ
ョット（２０〜３０ｎｓ）照射を複数回行うようにし
た。

【００１６】前記のエキシマレーザー光が照射される
と、ＷＦ₆ が励起分解されるとともに前記のＨ₂ と反応
し、次式のように、Ｗ（タングステン）がレーザー照射
部にのみ形成され、このＷから成る薄膜が所定パターン
で成膜されていく。

【００１７】

【化１】ＷＦ₆ ＋３Ｈ₂ →Ｗ＋６ＨＦ

【００１８】なお、生成されたフッ化水素（ＨＦ）は、
チャンバー１内から図示しない排気通路を介して排出さ
れる。

【００１９】以上の方法であれば、以下のような利点が
ある。即ち、かかる方法は、前記基板２の表面に付着し
たＷＦ₆ から成膜を行うものであってＷＦ₆ が付着状態
で存在するがゆえに基板２上のＷＦ₆ 密度は高くなって
いるから、Ｗ膜の成膜速度を速くすることができる。具
体的には、前記エキシマレーザーの１ショット当たりの
成膜レートが向上することになり、Ｗ膜の成膜速度が速
くなる。なお、基板２を−１００℃程度に冷却している
状態では、低い温度での反応を強いられることになる
が、励起は必ずしもレーザーの熱エネルギーで起こるも
のではなく、レーザーの光子が直接作用して励起を生じ
させることもあるため、基板冷却が成膜速度に悪影響を
与えることはあまりないものと考えられる。

【００２０】更に、前記のエキシマレーザービームを基
板２に向けて照射した場合に、基板２表面に付着してい
るＷＦ₆ がＨ₂ と反応してＷができることになるが、Ｗ
Ｆ₆が基板２に付着した状態で当該Ｗが生成されること
になるので、当該Ｗの分散が抑制されることになる。従
って、前記エキシマレーザーのスポット位置に対して広
がりを持たないでＷ膜が形成されることになり、ビーム
パターンにおける転写精度を高くすることができる。

【００２１】また、かかる成膜方法は、以上のような利
点を有するため、マイクロマシン用光電変換デバイスの
製造に好適に用いることができる。

【００２２】マイクロマシン用光電変換デバイスは、微
小エリアで高電圧を発生させるものであり、図２に概略
的に示しているように、例えば、結晶質Ｓｉからなる光
起電力素子（上層にｐ層（又はｎ層）を有する）２０…
を微小に分割するとともに、光起電力素子２０の上層の
ｐ層（又はｎ層）とその隣の光起電力素子２０の下層の
ｎ層（又はｐ層）側とをＷ膜２１…にて直列に接続する
必要がある。しかしながら、この光起電力素子２０…同
士のＷ膜２１…による直列接続は平面的に行えるもので
はなく、光起電力素子２０の上層側に接続すべき部分は
上層側部分に、下層側に接続すべき部分は下層側部分に
という具合に、それぞれ空間的に決められた位置にＷ膜
２１を形成する必要がある。

【００２３】本発明の方法を用いると、光起電力素子２
０の表面付近に存在していたＷＦ₆ガスは、冷却される
ことにより、光起電力素子２０の表面の接続すべき部分
に凝縮（吸着）されることになる。このように光起電力
素子２０の表面の接続すべき部分にＷＦ₆ が付着した状
態で、前記のエキシマレーザー光が照射されることによ
り、光起電力素子２０の上層側の接続すべき部分に付着
していたＷＦ₆ は当該上層側においてＷ膜を形成し、下
層側の接続すべき部分に付着していたＷＦ₆ は当該下層
側においてＷ膜を形成することになり、それぞれ空間的
に決められた位置にＷ膜２１が高速且つ高転写精度で形
成されることになる。即ち、成膜の空間選択性が向上す
る。

【００２４】なお、上記のマイクロマシン用光電変換デ
バイスの製造においては、マスクを用いてレーザービー
ムを所定パターンで照射してもよいが、デバイス表面が
平面形状を有しないような場合には、図２に示している
ように、レーザービームの３次元走査を行うようにすれ
ばよい。

【００２５】また、この実施の形態では、エキシマレー
ザー照射装置５としてＫｒＦエキシマレーザーを用いた
が、これに限らず、ＡｒＦエキシマレーザー等を用いる
ようにしてもよく、使用する化合物材料に応じて決定す
るなどしてもよい。このように、エキシマレーザービー
ムを用いて反応材料の励起を行わせることにより、光起
電力素子等が形成される下地層への熱影響も低減され
る。更に、熱に弱い樹脂等を基板として用いることも可
能となる。勿論、エネルギービームとしては、エキシマ
レーザーに限られるものではなく、他のレーザービー
ム、或いは紫外線などの他のエネルギービームを用いて
もよいものである。

【００２６】また、この実施の形態では、水素ガスをチ
ャンバー内に単に導入しただけだがイオンガン等を用
い、イオン化された水素ガスを、凝縮（付着）した化合
物材料内に打ち込むことにより、凝縮状態の化合物材料
の表面上だけでなく凝縮状態の化合物材料中に水素を存
在させて膜の生成反応を高めることができる。更に、こ
の実施の形態では、化合物材料ガスとしてＷＦ₆ を用い
たが、これに限らず、常温では気相であり冷却により凝
縮する他の化合物材料（金属化合物材料に限らない）を
用いてもよいものである。

【００２７】また、エキシマレーザーで描ける最小のス
ポット（或いはライン）は、光の干渉が生じることによ
る解像限界に起因して数μｍ程度に制限される。しか
し、このコヒーレンス性のあるレーザービームの光の干
渉による干渉縞を利用してラインパターン等を形成する
ようにすれば、数μｍ以下でＷ膜配線を行うことが可能
である。

【００２８】また、前述したマイクロマシン用光電変換
デバイスの製造に限らず、電子回路の修正等にも応用す
ることができる。

【００２９】（実施の形態２）次に、本発明の他の実施
の形態について説明する。

【００３０】この実施の形態では、化合物材料として金
属カルボニル化合物であるＷ（ＣＯ）₆ を用いるととも
に、反応ガスとして水素イオンを供給する。Ｗ（ＣＯ）
₆ は常温では固相をなすものである。従って、前述した
実施の形態１の如く、基板に対する冷却は特に必要がな
いものであり、例えば、粉末状のＷ（ＣＯ）₆ をガス化
装置で昇華させ、このガス化されたＷ（ＣＯ）₆ を常温
のチャンバー内に導くことにより、Ｗ（ＣＯ）₆ が凝縮
されて基板表面に付着する。かかる状態で、実施の形態
１と同様、エキシマレーザー光を照射すると、次式のよ
うに、Ｗ（タングステン）がレーザー照射部にのみ形成
され、このＷから成る薄膜が所定パターンで成膜されて
いく。

【００３１】

【化２】 Ｗ（ＣＯ）₆ ＋ｎＨ⁺ →Ｗ＋ｉＨ₂ Ｏ＋ｊＣ_m Ｈ_2m+2

【００３２】この実施の形態における成膜方法において
も、実施の形態１と同様、Ｗ膜の成膜速度を速くできる
とともに、ビームパターンにおける転写精度を高くする
こと等が可能である。なお、上述のごとく、基板冷却は
特に必要ないものの、例えば、常温以下の一定温度に基
板温度を保持する必要がある場合には、基板冷却を行う
ようにしてもよいことは勿論である。

【００３３】また、この実施の形態では、金属カルボニ
ル化合物としてＷ（ＣＯ）₆ を示したが、これに限ら
ず、クロムカルボニル（Ｃｒ（ＣＯ）₆ ）、モリブデン
カルボニル（Ｍｏ（ＣＯ）₆ ）、鉄カルボルニル（Ｆｅ
（ＣＯ）₅ ）などを用い、これらを昇華などによりガス
化して化合物材料ガスとしてチャンバー内に供給するこ
とができる。

【００３４】なお、以上に説明した第１，第２の実施の
形態では、チャンバー１内に化合物材料ガスを導入して
基板の表面に化合物材料を付着させるようにしたが、基
板表面に液状の化合物材料を載せ、例えば、スピンコー
トにより基板表面に液状の化合物材料を付着させるよう
にしてもよいものである。なお、この場合には、先にも
述べたが、イオンガン等を用い、イオン化された水素ガ
スを、凝縮（付着）した化合物材料内に打ち込むことに
より、凝縮状態の化合物材料の表面上だけでなく凝縮状
態の化合物材料中に水素を存在させて成膜の生成反応を
高めることが望ましい。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、基板上
の化合物材料密度を高くして成膜速度を速くすることが
できる。更に、エネルギービームのスポット位置に対し
て広がりを持たないで薄膜が形成されることになるの
で、ビームパターンにおける転写精度を高くできるとい
う効果も併せて奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の薄膜形成方法を実施する
薄膜製造装置の概略構成を示した断面図であり、同図
（ｂ）は同図（ａ）のＡ矢示部拡大説明図である。

【図２】本発明の薄膜形成方法を用いて作成されたマイ
クロマシン用光電変換デバイスを示す断面図である。

【符号の説明】

１ チャンバー ２ 基板 ３ 基板ホルダー ４ 冷却パイプ ５ エキシマレーザー照射装置 ６ マスク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の表面に化合物材料を付着させる工
   程と、前記基板を配置している反応室内に導入させた反
   応ガスと前記の化合物材料とをエネルギービームにて反
   応させて薄膜を形成する工程とを含むことを特徴とする
   薄膜形成方法。
2. 【請求項２】 基板を冷却することにより反応室内の化
   合物材料ガスを基板の表面に吸着或いは凝縮させて基板
   の表面に化合物材料を付着させる工程と、前記基板を配
   置している反応室内に導入させた反応ガスと前記の化合
   物材料とをエネルギービームにて反応させて薄膜を形成
   する工程とを含むことを特徴とする薄膜形成方法。