JPS60236233A - イオンビ−ムによる微細パタ−ン形成法 - 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】 本発明は、励起された反応性粒子とイオンビームとの相
乗効果による物質の変化によシ基板に所要のパターンを
形成する方法に関する。

ここで、励起された反応性粒子とはプラズマ反応中のラ
ジカルなどの反応性粒子、光化学反応によって励起され
た反応性粒子などの広い範囲の気相上の反応性粒子の総
称とする。

従来から報告されているプラズマ酸化チにおいては、レ
ジストパターンを予め形成することによって保護マスク
とし、全面プラズマ反応を行わせることによって、パタ
ーンエノチヲ行っている。

また、減圧した酸素の放電（酸素のプラズマ）内で半導
体や金属の表面に酸化膜を成長させるプラズマ酸化は低
温で形成できるので広い応用の可能性をもつ。

これからのプロセスにおいて、選択的なパターン形成は
マスク用の潰蔽物質がないかぎり不可能であった。光化
学反応はガス状分子を励起して、反応性励起粒子にする
作用をもつが　一方では光パターン照射しながら反応性
ガス捷たは反応性励起粒子を送れば、直接パターンを形
成できる特徴をもっている。しかしながら　イオンビー
ムによるパターン形成と比べると、多くの場合、微細加
工性において劣っている。

一方、イオンビームによるパターン形成はイオンビーム
リソグラフィーにおいて、いくったのイオン源をもちい
て、実験データが出されている。多くは液体金属イオン
源を用いるもので、Ｇａ、　Ａｕ　など報告がある。

また、Ｂ、　Ａｓ、　Ｓｉ、　Ｂｅ等のマスクレスイオ
ン注入に重要なイオン種は、共晶合金を使った液体金属
イオン源から引き出される。このために集束イオンビー
ム装置にＬ質量分離機能が付加される必要があし、ＥＸ
Ｂ質景分離器などが利用されることが多い。気体イオン
源を用いるものけ１１など若干例があるが、未だ技術的
に困難が多いものである。従って、イオンビームによる
パターン形成もイオン源が限られていることやイオン電
流の問題などのため直接パターン形成プロセスを能率よ
く行える＃１どのスループントをあけていない。

一方、上述のプラズマ中の反応性励起粒子や光化学反応
による反応性励起粒子は、直接各種の物質をエッチ、酸
化等の処理が可能である。

本発明は、上記の実情に鑑み、基板上にレジストパター
ンまたは５ｉＯｚ膜などの漉蔽パターンを予め設置しな
いで、イオンビーム自体にパターン情報を付与し、基板
上でのイオンビームと反応性励起粒子雰囲気との作用に
よる物質の変化を、選択した場所にのみ生じさせ、イオ
ンビームの照射のない部分には、そうした変化をわづか
しか起こさせないか、また、適当に選択された条件で殆
ど起こさせないようにすることを主目的としたものであ
り、イオンビームによるパターンの微細化を維持しなが
ら、なおかつ、直接パターン形成をよシ広範囲に能率よ
く行うことができるようにしたものである。

本発明の方法を概説すると、適当に選択された加速エネ
ルギーをもつイオンビームラ用いて、差動排気などで可
能になった反応性励起粒子を含む雰囲気中にある基板上
に、イオン光学系によって結像させることにより二次元
パターンを描画し、もって同−素工程で反応性励起粒子
とイオンビームとの相乗効果による反応を基板上に合理
的に行わせる反応性励起粒子の選択的処理が可能シ・パ
ターン形成方法であると要約することができる。以下本
発明について実施例に基づき詳細に説明する。

第１図は本発明のイオンビームにパターン情報を付与し
、イオン光学系を介して、反応性励起粒子を含む雰囲気
中にある基板上にイオンビームを投−影することにより
、反応室内の基板部においてイオンビームと反応性励起
粒子の雰囲気とが基板物質に作用することによって生じ
る偏質の変化をパターン化した状態で形成し得る装置の
概略構成図でちる。一つの構成例である緒１図において
、パターン情報を付与されたイオンビーム１は、上部の
筐筒より、絞り２を通ってイオン光学系によって集束さ
れたイオンビーム１となって、基板３に到達する。絞り
２より上部のイオンビーム集束制御、偏向系はいろいろ
な種類がありうるが、これについて詳しく規定すること
が本発明の主旨ではない０これらは現在進展の著しいイ
オンビームリソグラフィーと関連がある。

集束イオンビーム制御、偏向のシステムはいくつか報告
されている。基板に近い方から述べると、第１図に示さ
れるように、捷ず、Ｘ−Ｙ偏向用に偏向電極２３がある
。偏向電極２３の前段にアインツエルレンズなどより成
る対物レンズ２４がある。これより以前の前段はイオン
源の種類や質量分離機能があるかどうかによって異なっ
てくる。従って第１図にはイオンビーム制御、偏向系の
詳細を記さないことにする。

単体元素よりなる電界放出液体金属イオン源（Ｇａなど
）の場合は質量分離機能を必要としない。この場合は、
イオン源、引き出し電極、可動絞り、収束レンズ、偏向
器、基板などのような順次が一つの構成例になる。

一方、共晶合金（Ｓｔ　−Ａｕ、　Ｂ−Ｎｉ−Ｐｔなど
）を使った液体金属イオン源の場合Ｌ、イオン源、引出
し電極、コンデンサレンズ、質量分離（ＥＸＢ方式）、
偏向器、絞シ、対物レンズ、主偏向器、基板などのよう
な順次が一つの構成例となる。

また、電子ビームの描画装置と類似の発想で、例えば、
正方形の開口部をもった第１絞シ、第２絞りを用いて可
変成形ビーム方式で描画することも可能である。

電子ビーム転写の技術があるようＫ、イオンビームにも
縮小転写が可能である。

Ｈ，Ｈｅ、　Ｎｅ、　Ａｒなどの気体イオンソースを用
いて、数十ＫｅＶのエネルギーのイオンを１０：１程度
の縮小イオン光学系で転写することが可能である。イオ
ンビームの転写の場合、マスクが一つの問題となるが、
金属膜などからなる自己支持マスクで、１０：１の縮小
転写が高精度で可能であるという報告もある。イオンビ
ームによるパターン形成と電子ビーム、光によるパター
ン形成とは異なる点がある。電子ビーム、光のパターン
形成はエネルギービームの局所的照射と考えてよく、最
終的にそれ自体は基板中に残らない。一方、イオンビー
ムの局所的照射、注入はエネルギービームの照射という
面と物質ビームの局所的注入、照射という二つの異なる
性質をもっている。前記の意味でイオンビームの注入は
基板内にその注入物質が残る場合のプロセスがちシうる
という点で光、電子ビームと大きな差がある。

イオンビームが物質ビームの局所的な輸送、注入、デポ
ジションという面をもつために、−筆書き的々ビームの
描画とイオンビーム一括転写とでは、直接パターン形成
プロセスとして大きな違いがでてくる。

イオンビームの転写マスクの製作問題があるにしても、
同時に複数の個所へ微細物質ビームを注入または導入で
きることは、複雑なパターン構成をもった集積回路々ど
を直接パターン形成方式で、製造する上で重要な概念と
なる。

特にＢ、Ｓｉなどの不純物の注入というプロセスの他、
０やＮの注入が可能になると、ＩＣなどのアイソレーシ
ョン方式や局部的な物質層の改質方法として画期的な方
法をもたらすことになる。

以上でイオンビームによるパターン形成の考えられる方
式について述べた。

次Ｋ、反応室の構成について説明する。基板が設置され
ている反応室とイオン集束光学系とは所要の真空度が大
巾に異なるので、複数の排気系によって差動排気を行い
、イオン光学系への反応性励起粒子などＫよる汚染を防
止する。

また、イオンビームの集束と偏向制御に必要な真空度を
維持することにする。

集束されたイオンビーム１は基板３に照射さ：れ、パタ
ーンが描画される。基板３は基板支持台４の上に設置さ
れ、必要に応じて低温の加熱などの基板部の温度制御が
可能なように、支持台が構成されている。

支持台４はＸ−Ｙ移動機構５．６の上に設置されておシ
、通常のイオンビーム描画装置と同等程度の精密位置合
わせと精密移動ができる。

反応室７内の各種の材料はプラズマなど反応性励起粒子
で腐蝕されない材料で構成される。

第１図の実施例ではイオンビーム光学系の筐筒は排気口
８８など複数個の排気口から必要に応じて排気できる。

反応室７は排気口９によって排気される。反応室内の圧
力は、これらの排気口９．８ａなどの排気能力によって
決められる〇一方、反応性励起粒子の中で一つの重要な
要素である電界励起されたプラズマは輸送管１０を通し
て導入することができる。輸送管の前にはマグネトロン
発振によって発生された２、　４５　ＧＨｚのマイクロ
波が導波管１１ａに導入され、導波管の一部に石英管反
応部１２が挿入されている。導波路の終端は整合器１１
ｂによってインピーダンス整合が保たれている。石英管
の中に導入管１２ａを通してＣＦ４＋０□ガスを０．１
Ｔｏｒｒ程度で導入する。この程度の圧力で導入すると
、発生したプラズマは電力の増大に対しても殆ど広がら
ず、安定な状態となり、ガスの流量の変化に対しても整
合条件はくずれ表い。プラズマの輸送管１０はテフロン
コートにしておけば、放電部で生じた活性種は約１ｍ離
れた反応室においても、あまシ減衰することなしに反応
室７に導入される。

このような２．４５Ｇ１（ｚのマイクロ波励起のプラダ
マエッチ法については　従来から報告されている。この
方法によれば多結晶シリコン、５ｉｌＮ番、５１０２、
Ｎｂ、　Ｗ、　Ｍｏ、フォトレジスト等の各種薄膜がエ
ッチされる。その条件はＣＦ４の圧力０．１２Ｔｏｒｒ
程度でＰｒ　−Ｐｏｔ／　ＰＯＦ４が０〜４程度までで
エッチが可能である。この励起法によるプラズマエッチ
法の利点は反応室７において放電用の電極を必要としな
いことである。上記のプラズマ励起の方法において、導
入ガスとして０２またけＮ！を用いて、プラズマ活性化
された酸素まだは窒素によるプラズマ酸化または窒化も
条件によっては可能となる。

以上の説明においては反応性励起粒子はプラズマ励起さ
れたラジカルを用いていた。しかし、一般的に考えると
、プラズマ励起のみが反応性粒子を形成できる手段では
ない。上記の２６４５ＧＨｚのマイクロ波励起の実験例
の励起ラジカルは現状のところ多数に亘って報告されて
いない。

最近では、赤外光、可視光、紫外線やｄｅｅｐ　Ｕ　Ｖ
光などの光励起反応による反応性ガス粒子の報告も数多
くある。

また、場合によってはｄｅｅｐ　Ｕ　Ｖ光からＸ線に至
る短波長の電磁波によっても気相粒子の励起は起りえる
。光化学反応プロセスとしては、例えば、ＳｉはＣｈや
Ｂｒｔのガスを４ｓｓｏＸや２５７０　Ｘのレーザ光で
光化学励起してドライエンチを行うことが知られている
。また、ＧａＡａやＩｎＰもＣＨｓＢｒのガスのｄｅｅ
ｐ　ＵＶ励起光による反応でエッチが可能である。

光化学反応による反応性ガス粒子の効果もとり入れたイ
オンビーム描画によるパターン形成法は、上記の各種反
応の報告の知見にもとづき、更にイオンビームによる効
果をとり入れて拡張したものである。

第１図において、光ビーム１３は走査可能な光化学反応
励起用の光束である。光源よりの光束１３Ｌはレーザな
どからの光化学反応励起用光源とする。光束１３Ｌを時
間的にスイッチするため、または空間的に光束の方向、
位置などを変化させるため、光束制御系１４を配置する
。光束制御系１４を出射した光束１３Ｍは反射鏡１５と
反射鏡１６、光束透過用窓１７、平面または凹部反射鏡
１８を経て試料近傍へ到達する光束１３ａとなる０光化
学反応用のガスはガス源２０．２１よジノ＜ルブ１９を
経て反応室７へ導入される０ 光化学反応用ガスは減圧した雰囲気の中で光束１３ｂの
位置のような反応室内の光通過空間で光化学励起をうけ
る。

更に、試料面近傍や試料面に直接照射される光束１３ａ
は光化学反応に対してより強力に作用する。特に、試料
面に直接照射されると試料面の光励起による局部加熱、
電子−正孔励起などが加味されるから多要素の反応機構
が付加されることになる。

光束１３を走査可能にして、試料面で光照射の均一性、
制御性を増すことも可能である。機械的にはミラー１５
．１６．１８を微小移動制御機構で駆動してもよい。よ
り高速に行うには電子的光スイッチまたは光路変更ジノ
くイスを光束制御系１４中に設置することによって可能
とｋる。

例えば、通常のＭＩＳ型電界効界デノくイスのゲート電
極の代りにゲートに任意の電位分布をもたせるためにあ
る波長領域で透明な抵抗性膜（例えば、多結晶または結
晶性高融点膜５ｉＣ１またはＳｎｏｗ、ＩＴＯなど）を
ゲート領域絶縁膜上に形成し、例えば、長方形の平面構
造で０１電極をソース側、Ｇ２電極をドレイン側の端に
オーツ（−ラップして、絶縁膜を介して形成する。ソー
ス、ドレインは通常のＭＩＳ）ランジスタと同様に基板
と逆電溝型でＰＮ接合構成となっている。この構造のデ
バイスの名称はＭＲＩＳ）ランジスタと呼ばれているこ
ともあるが、ここでは可変電位分布をゲート領域に形成
できるので、可変電位分布絶縁ゲート電界効果ジノくイ
ス（Ｖａｒ−ｉａｂｌｅ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　
ｏｆ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　Ｉｎ５ｕｌａｔｅｄＧａｔ
ｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｄｅｖｉｃｅ　：　略
してＶａｒｉ　−ＤＰＩＧＦＥＤ　）と呼ぶことにする
。

ＳｉＣなとの分極性化合物半導体で上記の構成を製作す
るＯ場合によってはドレインが基板内部に入っている高
電圧動作が可能なＶａｒｉ−ＤＰＩＣＦＦＤを用いても
よい。

この種のＶａｒｉ　−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤのゲート領域
へ斜めから単色の偏光光束を入射させると基板の裏側へ
透過して出てきた光束は偏光状態の変化をうける。これ
らの偏光の変化はソース電位、ドレイン電位、ゲート領
域電位分布などによって制御できる。

この素子構造をＳｉＣなとの可視域を超える広い範囲で
透明な分極性半導体に適用すると、その表面電界制御領
域の電気光学効果によって、高速の変調、スイッチなど
が可能となる。

上記の説明において、Ｖａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤは
ゲート領域の形状は、例えば、長方形の形状をしている
としよう。このゲート領域に電位分布を形成するために
第１ゲート電極Ｇ１をソース側罠第２ゲート電極Ｇ２を
ドレイン側に設けることになる。この場合、第１ゲート
電極Ｇ１がら第２ゲート電極Ｇ２へ至る透明抵抗層が均
一な構成をもっているとすると、線型に増減するゲート
電位分布しか実現できない。

しかし、第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２の間
に透明電極等でＣＭｌ　′ｆ！る電極を設けてもよい。

この場合は、第１ゲート電ｆｉｊ！Ｇ１から第２ゲート
電極Ｇ２に至る電位分布を電極ＣＭＩの電位によって山
型にしたり、谷型にしたりすることができる。壕だ、電
極ＣＭ１．ＣＭ２など複数にすれば、より複雑なゲート
領域内電位分布を形成することができる。例えば、ゲー
ト領域内電位分布を山型にして、ソース電位とドレイン
電位を同電位で逆バイアスを印加すると、ゲート領域の
中央部で反転層がなく、第１ゲート領域中央部の周辺に
第３ドレインを少（２オーバラツプして導入すれば、中
央部のみ反転層とその下の空乏層が形成されうるように
できる０ このように　Ｖａｒｉ−ＤＰＩＧＦＥＤの偏光デバイス
の場合は電気光学効果を起させる空乏層の形状と電界は
かなり自由に調節できることがゎかるＯ 従って、上記のようなＶａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤ偏
光デバイスに均一な分布のパワーレーザ光束などが斜め
から照射されると、基板の後部から出射してくる光束の
平面的強度分布は位相補正器とアナライザーを通過した
後ではかなり任意な分布に調節することができる。

なお、赤外域ではキャリヤとの相互作用もあるのでＳｉ
のＶａｒｉ−ＤＰＩＧＦＥＤも使える場合がある。

この素子は従来の偏光デバイスと比べて高速で　しかも
電圧能率よく駆動できる。従って、上記Ｖａｒｉ−ＤＰ
　Ｉ　ＧＦＥＤと公知の光学素子の組合せなどにより上
述の光束制御系１４を構成することも可能である。

例えば、このＶａｒｉ−ＤＰ　Ｉ　ＧＦＥＤ偏光デバイ
スを複数個用いる場合を考える。夫々に光ファイバなど
により斜めから光束を入射させる。Ｖａｒｉ−ＤＰＩＧ
ＦＥＤ　を有する基板結晶の板の前後にボラライサ、位
相補正板、アナライザなどの偏光光学系の通常の配置を
設定する。夫々の偏光デバイスの所定の電極へ適当に選
択された電圧を印加すれば、複数個の偏光デバイスは独
自の偏光の消去条件を設定できる。

このような偏光による光スイッチやハーフミラ−、マイ
クロレンズアレー、光ファイバーナどを用いれば、複数
個の光束の同時、並列処理ができる。これによって、複
数の光束の夫々独自の時間的断続、空間的な配置が可能
になる。

第１図に示し７た光束制御系１４、ミラー１５．１６．
１８などの光学系は一つの実施例である。この他にもい
ろいろの光束群制御がありうることがわかる。

第１図のようなイオンビームパターｙ　ｍ　Ｈ系に別途
、複数の光束透過用窓をあけ、各光束透過用窓に複数の
光束群を空間的、時間的に断続させて入射させることも
できる１、またけ、光束は真空と大気中とでその制御に
差違がないという利点がある。従って、上記の各種光束
群制御系を反応室７内へもちこむことも可能である。

反応室内の基板近傍の斜めより上記の光束群を入射させ
れば、基板内の特定の場合に複数個の光束を空間的分布
、時間的断続をもって照射させることも可能である。反
応室内に光束制御系を設置する場合鉱、光束制御系が反
応性励起粒子によって損傷を受けないように石英板、テ
フロンコートの素材など保護できる収納容器などを設け
る必要がある。

以上詳細に説明したようＫ、本発明のイオンビームによ
る微細パターン形成法を利用すれば、プラズマエッチな
どのプラズマ処理、フォトケミカルエッチなどのフォト
ケミカル処理、これを総合した反応性励起粒子によるプ
ロセスにイオンビームによる微細描画機能を付与するこ
とができる。

さらに、本発明の方法によれば、イオンビームが当った
個所は反応性励起粒子とイオンビームによる基板上の励
起反応または基板の局部損傷、イオン注入効果などによ
って反応が促進され、深くエッチされる。プラズマ形成
条件や光化学励起反応条件などの反応の強さを変化させ
るパラメータを、イオンビームを当てない時には、殆ど
反応が基板上で起きない程度にしておき、イオンビーム
が照射されると反応が促進されて、そこだけエッチが起
るようにも調整できる。つま）、このような条件を見つ
けることにより、レジストレスのパターン形成エッチが
可能となる。場合によっては、エッチされたウェーハの
凹凸面は、さらにイオンビームによって反応性ガスの清
新後にマスクレスイオン注入によってパターンが形成で
きる。

また、プラズマ酸化などの反応性励起粒子による酸化プ
ロセスに関していえば、酸化層の深さの制御とパターン
化、酸化後における酸素以外の元素のイオン注入による
膜質の改質とそのパターン化に有効である。

第１図に示したイオンビーム描画系は、走査形のイオン
ビーム制御系の１部を示したものだが、これは公知の他
のイオンビーム描画系へも適用できることは明らかであ
る。

本発明によれば真空排気系の中で、大気に曝すことなく
、基板ウエーハヘレジストレス直接プロセスでサブミク
ロンまでのパターン形成が可能となる。

本発明は今後進展が予想される直接パターン形成プロセ
スの一環として利用することができる０ これによって、各種電子デバイス、集積回路等の製造の
能率向上、性能向上に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の反応性励起粒子を含む雰囲気中におけ
るパターン情報をもったイオンビームによる直接パター
ン形成法の実施例を説明するための図である。 図中、１はパターン情報をもったイオンビーム、２は絞
シ、３は基板、４は基板支持台、５．６はＸ、Ｙ移動台
、７は反応室、８ａは排気口、９は排気口、１０はプラ
ズマ輸送管、ｌｌａはマイクロ波導波管、１２は石英管
反応部、１２ｇはガス導入管、１３は光化学反応用光束
、１４け光束制御系、１５．１６．１８は反射ミラー、
１７は透過窓、２０．２１はガス源、１９はガス導入管
、２２はイオンビーム光学系の一部、２３は偏向器、２
４は対物レンズである。 指定代理人　電子技術総合研究所長　等々力　達（・１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオンビームに所要のパターン情報を付与し、光化学励
   起反応によって形成された反応性励起粒子などを一部に
   含めることができるようになっている反応室において、
   一般的広義の反応性励起粒子を含む雰囲気中で、該イオ
   ンビームを基板に照射することにより、該イオンビーム
   と該反応性励起粒子を含む雰囲気との反応効果による物
   質の変化により、該基板に所要のパター−ンを形成する
   ことを特徴とするパターン形成法。