JPS61164227A - 薄膜形成方法およびその装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は薄膜の形成方法及びその製造装置に係り、特に
基板表面の選択された領域にのみ、光化学反応を用いた
ＣＶＤ法によって薄膜を形成する方法およびその装置に
関する。

〔発明の背景〕

薄膜の形成においては、従来から、基板表面上の所定の
パターンの領域にのみ薄膜を形成することが望まれるこ
とがしばしばある。この方法の１つとして「リフトオフ
法」が知られている。

リフトオフ法は、 ■基板の表面の、薄膜形成を必要としない領域に、予め
ホトレジストのパターンを形成してから、■その全面に
薄膜を堆積させ、 ■その後、ホトレジスト及びその上の薄膜を一緒に除去
する、 という工程よりなる方法である（例えば、特開昭５７−
７１４１号公報参照）。

この方法では、ホトレジストのパターン端部での、薄膜
の必要領域と不要領域の“切れ”を良くするため、ホト
レジストの膜厚やパターン端部のテーバ角度などの形成
条件、薄膜の堆積条件に種種の制約がある。

そのため、パターン精度や薄膜のパターン端部のテーパ
形状に問題があり、特に基体表面の微細な凹部パターン
内への薄膜の選択的堆積は困難であるという欠点があっ
た。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、基板表面上の良好なパターンの選択的
薄膜形成法を提供するにあり、特に、リフトオフ法を改
良し、基板表面の微細な凹部への充填性の良い薄膜形成
方法及びその製造装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、光化学反応を用いたホトレジストの分解によ
ってホトレジスト上への薄膜堆積を防止し、一方では基
板の露出された領域にのみ、同じく光化学反応を用いた
気相反応により薄膜を堆積させるようにしたものであり
、その際、ホトレジストの分解速度と薄膜堆積速度との
マツチングを良好に保つために、前記両者を、互いには
ゾ独立に制御できるようにした点に特徴がある。

また本発明は、前記のようにホトレジストの分解速度と
薄膜堆積速度とのマツチングを良好に保つように、前記
両者を、互いにほぼ独立に制御できるようにするために
、光化学反応容器内の反応ガスに、前記２種の異なる波
長域の励起光を照射するように構成した点に特徴がある
。

光化学反応によるホトレジストの分解は次のように説明
される（特公昭５８−１５９３９号公報参＠）。

（ａ）酸素ガスに波長２００ｎｍｌ、ｄ下の真空紫外光
を照射するとオゾンが発生する。

（ｂ）オゾンに波長２２０〜２７０　ｎｍの紫外光を照
射すると、励起酸素原子を発生する。

ｏ　、　−＞　ｏ、＋♂ （ｃ）励起酸素原子及びオゾンは極めて強い酸化力を有
し、ホトレジスト等の有機物を分解する。その際の分解
生成物はガスとして飛散する。

０又は０３＋ハイドロカーボン（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏ
ｎ）□Ｃ！０２．　Ｃｏ　、　Ｈ，０等 他方、同様の光化学反応による薄膜の形成は次の様に説
明される。

（ｄ）前記の酸素とシランからシリコン酸化膜が形成さ
れる。

０　＋　Ｓ　ｉＨ＋−一→Ｓ　１０２ Ｑ　＋　Ｓ　ｉ　（ＯＲ）４−ン５１０２（ａ）原料ガ
ス中に水銀蒸気を添加し、紫外光源として水銀灯の共鳴
線（波長１８５ｎｍ及び２ｓ４ｎｍ）を用いた水銀増感
法では、つぎのような各種のガスを反応させることが可
能である。

ｈν　　　＊ Ｈｇ−ンＨｇ 　７一 本発明は、上記の各種の反応速度を適切に制御すること
により、 （１）ホトレジストは光化学反応により分解し、その結
果、その上には薄膜形成が起こるのを阻止しながら、　
　　　　　゛ （２）一方では、基板の露出部のみに、同じく光化学反
応により薄膜を堆積させる、 ようにしたものである。

上記の各種の光化学反応の速度を調整するためには、反
応ガスの流量や圧力制御、励起光の波長及び強度の選定
が重要である。

ホトレジストの分解に対しては２００ｎｍ以下及び２２
０〜２７０　ｎｍの２波長領域の強い紫外光が必要であ
り、水銀−キャノン放電灯のｄｅｅｐ　ＵＶ（遠紫外光
）が適している〇 一方、水銀増感法のためには水銀放電灯からの共鳴線の
ラインスペクトル（１８５ｎｍ及び２５４ｎｍ）が必要
であり、低圧水銀ランプが適している。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第２図は本発明による光化学反応装置を示す。

装置は大別して、反応ガス供給系１０、反応系２０、及
び排気系３０の３つの系から成る。

反応ガス供給系１０では、モノシラン（ＳｉＨ，）、酸
素（Ｏｆ）、テトラエトキシシラン（８１（ＯＣｔＨ５
）４）、ホスフィン（２日、）などの原料ガスが、マス
フローコントローラｌｌａ〜ｌｉｄを通して反応系２０
に供給される。

また、増感剤としての水銀蒸気は、恒温槽（図面では省
略）内の水銀蒸発器１２に、反応ガス又はその他のキャ
リアガスを流すことにより、反応系２０に供給される。

反応系２０は、２種類の紫外線光源２１，２２゜反応容
器２３、基板支持台２４及びその加熱源２５から成る。

反応容器２３には、真空紫外光の透過率のよい合成石英
製の光入射窓２６が設けである。

反応容器２３内のアルミニウム製基板支持台２４の平面
上には、被膜形成基板、例えばホトレジストパターンを
形成したシリコンウェハ２７を載置し、ウェハ２７の表
面に、紫外線光源２１　、２２からの紫外光が照射され
るように構成されている。

第１の紫外線光源２１は低圧水銀灯であり、波長１８５
　ｎｍ　（最大出力１０　ｍＷｌｃｒｄ　）と２５４　
ｎｍ（最大出力８０　ｍＷ／ｆｆｌ　）を発光し、第２
の紫外線光源２２は水銀−キセノン放電灯であり、波長
１８０　ｎｍ以上の連続スペクトル（最大出力２．４Ｗ
／ｆｆ１）を発光する。

なお、水銀−キセノン放電灯２２には熱線フィルタ２２
Ｆを取付け、４００ｎｍＬＪ下の波長のみが照射される
様にした。また、加熱源２５としては、抵抗加熱ヒータ
ーを用いたが、赤外線ランプを用いることもできる。

排気系３０は、反応容器２３内のガスの置換及び反応時
の雰囲気の圧力調整のためロータリーポンプ並びにブー
スタポンプの真空排気ポンプ３１を有している。また、
こ−には未反応ガスや反応生成物のトラップ３２が、反
応容器２３との真空排気ポンプ３１の中間に付加されて
いる。

実施例１ シリコン単結晶ウェハ基板の表面にホトレジストのパタ
ーンを作成した。ホトレジストとしては、合成ゴム系の
ネガタイプレジスト（東京応化製、ＯＭＦＬ−８３）を
用い、膜厚は１，０μｍ　　である。

これは通常のホトレジスト工程と同様に、塗布→プリベ
ーク→露光→現象→リンス→ポストベークの工程により
形成したものである。

この基板を、第２図に示した反応容器２３内の基板支持
台２４に載置し、１５０℃に加熱した。

この場合、加熱温度が高過ぎるとホトレジストが軟化変
形してパターン精度が悪くなるため、温度設定はオーバ
ーシーートしないように制御することが必要である。

次に、反応容器２３内に反応ガスを供給し、光化学反応
を起こさせて前記基板の表面に薄膜を形成した。

このための反応ガスとして、モノシラン（８ｉＨい濃度
２０％、ベースガス窒素）　２５０　ｍｌ／ｍ　（８ｉ
Ｈ４量としては５０ｍ／ｍ）、酸素６００づ／順、及び
窒素２０００ｍｔ／ｍ　　を流入させた。なお、モノシ
ラン及び窒素は、３５℃に保持された水銀蒸発器を経由
させ、水銀蒸気のキャリアとした。

このときの反応容器２３内の圧力は０．２気圧（１５０
Ｔｏｒｒ）である。紫外線光源としては、前述のように
、低圧水銀灯２１及び水銀−キセノン灯２２を用いた。

この発明の方法において重要な点は、膜堆積速度とホト
レジストの分解速度とのマツチングを保つことである。

明らかなように、ホトレジストの分解速度が小さいと、
ホトレジスト上にも反応ガスが吸着して膜形成が行なわ
れるので、完全な選択膜形成とはならない。一方、ホト
レジストの分解速度が太き過ぎると、短時間でホトレジ
ストが除去されて基板が露出し、そこにも膜が堆積し始
めるので、矢張り完全な選択膜形成とはならない。

上記の条件では、シリコン酸化膜の基板上への堆積速度
は５０　ｎ＋ｙ４ｚ−であるため、ホトレジストの分解
速度は、堆積膜厚とホトレジスト膜厚が同等の場合は、
５０内ｍ／ｍ程度であるのが有利である。

ホトレジストの分解速度は、酸素分圧、流速及び紫外光
強度に依存し、これらを大きくすることにより増大でき
る。しかし、酸素分圧や流速はＣＶＤにも大きく影響を
与えるため、紫外光強度で調節することが望ましい。

この実施例では、水銀−キセノン灯２２の最大出力を用
いた結果、ホトレジストの分解速度は４０　ｎｍｌが得
られた。すなわち、１５分間の反応で、ホトレジストは
膜厚６００　ｎｍが分解除去され、一方、基板上には、
膜厚７５０　ｎｍのシリコン酸化膜が選択的に堆積でき
た。

実施例２ シリコン集積回路の多層配線構造用層間絶縁膜への、本
発明の応用例を第１図を用いて詳細に説明する〇 第１図（ａ）は、シリコン半導体基板１に、アルミニウ
ム・シリコン合金の配線パターン２（厚み８００ｎｍ）
をホトエツチング法で形成し、ホトレジスト３を除去す
る前の状態を示す。

第１図（ｂ）は、上記基板１を、第２図の反応容器２３
内に設置し、テトラエトキシシランと酸素を用いた選択
膜形成法により、シリコン酸化膜４を、配線層２の厚み
とほぼ等しく堆積させた状態を示すＯ このときの反応条件は、基板温度は１６０℃とし、酸素
ガス４０　ｍｌ／＝をテトラエトキシシラン及び水銀の
キャリアガスとして供給し、反応圧力は１０〜１５　Ｔ
ｏｒｒであり、励起光源は低圧水銀灯２１（出力８０　
ｍＷ／ｍＡ　）及び水銀−キセノン灯２２（出力ｉ、ｏ
駒）であり、また反応時間は７０分である。

第１図（ｃ）は、上記基板１を４００℃に昇崗し、酸素
気流中で紫外線照射し、残在しているホトレジストを分
解除去するとともに、堆ｆ＊膜４を緻密化させた状態を
示す。

この結果、配線層２とシリコン酸化膜４はほぼ同一の厚
みとなり、表面が平坦化された。

第１図（ｄ）は、上記の配線層２及びシリコン酸化膜４
の表面の全面に、さらに、モノシラン、ホスフィン及び
酸素を原料とした気相反応（ｃＶＤ）により、濃度６ｍ
ｏｌｅ％のリンを含有したシリコン酸化膜５（リンガラ
ス膜、　ＰＳＧ膜）を、厚さ６５０ｎｍ堆積させた状態
を示す。

第１図（ａ）は、リンガラス膜５に、従来の工程と同様
に、スルーホール６を形成し、第２層目の配線層７のパ
ターンを形成した状態を示す。

本発明の実施例によれば、層間絶縁膜を平坦に形成でき
るので、断差部での配線層の断線が防止でき、また第２
配線層のホトエツチングのパターン精度の向上を図るこ
とができる。このため、パターンの微細化、高集積化に
対する歩留り向上、信頼性向上が期待できる。

また、本実施例では、第１図（ｂ）〜（ｄ）の工程が、
同一反応容器内で連続的に行なうことができるという利
点がある。

実施例３ シリコン集積回路装置における素子分離（アイソレーシ
ョン）技術に、本発明を適用した実施例を、第３図を用
いて説明する。

第３図（ａ）は、シリコン単結晶ウェハ、すなわちシリ
コン半導体基板５１の表面に、熱酸化により、膜厚１０
０　ｎｍのシリコン酸化膜５２を形成した状態を示す。

第３図（ｂ）は、上記基板５１上のシリコン酸化膜５２
の上に、ホトレジスト５３のパターンを形成した状態を
示す。ホトレジスト５３は実施例１と同様であり、パタ
ーンは、アイソレーション領域に対応する部分が開口し
たものである。

第３図（ｃ）は、ホトレジスト５３をマスクとして、四
フッ化炭素（ｃＦ４）及び酸素の混合ガスを用いたプラ
ズマエツチングにより、シリコン酸化膜５２をエツチン
グした後、さらに引続いて、シリコン単結晶ウェハすな
わち基板５１の表面に、深さ９００　ｎｍの凹部５４を
形成した状態を示す。

第３図（ｄ）は、光化学反応により、上記シリコン単結
晶ウェハすなわち基板５１の凹部５４に、選折曲にシリ
コン酸化膜５５を堆積させ、充填した状態を示す。

光化学反応によるシリコン酸化膜の選択堆積は、原料と
してテトラエトキシシランを用いた水銀増感法で、実施
例２と同様の反応条件で行なった。

第３図（ａ）は、同図（ｄ）の状態で残在しているホト
レジスト５３を全て分解除去した状態を示す。ホトレジ
スト５３の分解は、１気圧の酸素気流中で、水銀−キセ
ノン灯２２（第２図）を照射して行なった０ ホトレジストを除去した後、該ウェハすなわち基板を反
応容器２３から取出し、１０５０℃で１０分間熱処理し
た。これにより、堆積したシリコン酸化膜５５は、緻密
化されるとともに、熱酸化膜５２と融合し、表面が平坦
化された。

本実施例の方法によれば、シリコン窒化膜マスクを用い
た選択熱酸化法に比べて、パターン精度の良い高集積度
のアイソレーション領域が低飄で形成できる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、基板
の露出部分への薄膜の堆積速度は反応ガスの流量および
圧力制御、ならびに低圧水銀灯からの紫外光強度で調節
し、一方、前記基板上のホトレジストすなわち有機物膜
の分解速度は水銀−キセノン灯からの紫外光強度で調節
することができる、というよう釦、薄膜堆積速度と有機
物膜分解速度とを、それぞれ別個の要素で制御できるの
で、薄膜堆積速度と有機物膜分解速度とのマツチング（
調和）をはかり、完全な選択的薄膜形成を実現すること
が容易になる。

また、この方法を応用して、シリコン半導体集積回路の
多層配線用ｒ−間絶絶縁膜素子分離を平坦に形成するこ
とが可能となり、微細化や高集積にも役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は、それぞれ本発明による選択薄膜形
成法の実施例の工程を示す断面図である。 第２図は、本発明の光化学反応を用いた薄膜形成装置の
一実施例の模式図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板上の所望の領域にのみ選択的に薄膜を堆積す
   る方法において、 （ａ）基板上の薄膜形成を必要としない領域に有機物膜
   を選択的に形成する工程と、 （ｂ）上記基板を光化学反応の容器内に設置して所定の
   温度に保持する工程と、 （ｃ）反応容器内に反応ガスを供給し、第１の励起光を
   照射することによって光化学反応を促進し、基板表面の
   露出部に選択的に薄膜を堆積する工程と、 （ｄ）前記基板表面の有機物膜上への薄膜の堆積を防止
   するため、前記（ｃ）の工程と並行的に、第２の励起光
   を照射することによって光化学反応を促進し、有機物膜
   をエッチング除去する工程と、を含むことを特徴とする
   薄膜形成方法。 （２）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、有
   機物膜はホトレジストであることを特徴とする薄膜形成
   方法。 （３）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、堆
   積膜はシリコン酸化膜であり、反応ガスとして酸素及び
   シランを用いることを特徴とする薄膜形成方法。 （４）特許請求の範囲第１項において、第１の励起光は
   低圧水銀灯からの紫外光であることを特徴とする薄膜形
   成方法。 （５）特許請求の範囲第１項において、第２の励起光は
   水銀−キセノン放電灯からの紫外光であることを特徴と
   する薄膜形成方法。 （６）基板上の所定の露出領域のみに、光化学反応によ
   って選択的に薄膜を形成するための薄膜形成装置であっ
   て、 （ａ）内部に前記基板を収納するための反応容器と、（
   ｂ）反応容器内の前記基板を予定温度に加熱する加熱源
   と、 （ｃ）前記反応容器内に反応ガスを供給する反応ガス供
   給装置と、 （ｄ）反応容器内の前記基板を照射して光化学反応を促
   進するための第１および第２の紫外光照射装置とを具備
   したことを特徴とする薄膜形成装置。（７）特許請求の
   範囲第６項において、第１の紫外光照射装置は、基体上
   の露出領域への薄膜形成を促進するための低圧水銀灯で
   あることを特徴とする薄膜形成装置。 （８）特許請求の範囲第６項において、第２の紫外光照
   射装置は、基体上の有機物膜の分解を促進するための水
   銀−キセノン灯であることを特徴とする薄膜形成装置。