JP2709188B2 - 半導体デバイスの微細加工方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体、金属、絶縁体からなる基板上にパ
ターン形成を行なう微細加工方法およびその装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

半導体装置の製造工程における重要な技術の一つに、
所望のパターンにしたがって試料基板上に微細加工を施
し、素子構造を形成するフォトリソグラフィープロセス
がある。

従来、これを実施する技術として、レジスト塗布、パ
ターン露光、現像、エッチング、レジスト剥離等の複雑
で煩雑なプロセスが広く用いられてきた。

近年、半導体記憶素子に代表されるように、素子の大
容量化、機能の高性能化が急速に進み、それに伴い、回
路パターンがより微細化し、また、回路構造もさらに複
雑化してきている。一方、液晶ディスプレイ、プラズマ
ディスプレイ等の表示装置は、ますます大型化し、素子
機能も複雑化しつつある。これらのデバイスを上述のプ
ロセスで製造する場合、プロセスのさらなる複雑化によ
って、コストが上昇し、ごみの発生の増加等によって歩
留りが低下し全体のコストも上昇する。

また、上述のレジストを用いたフォトリソグラフィー
プロセスに代わって、煩雑なプロセスを大幅に短縮して
パターンの形成を行なう光エッチング技術が公知である
（詳細は関根、岡野、堀池、第５回ドライプロセスシン
ポジウム講演予稿集97ページ−1983）。この論文では、
塩素ガスを導入した反応室内に、ポリシリコン（poly−
Si）膜を堆積した基板を設置し、紫外線光を、マスクを
通してSi基板上に選択的に照射し、紫外線が照射された
部分だけエッチングが進行することで、poly−Si膜にパ
ターンを形成するプロセスが報告されている。このプロ
セスを用いることによって、レジスト塗布、現像、レジ
スト剥離等の工程がなくなり、工程が簡略化され、歩留
まりを向上させ大幅にコストを軽減できる。さらに、従
来の反応性イオンエッチングで問題となる。イオン照射
による損傷も発生しないため、損傷がないエッチングが
可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の光エッチングでは、加工溝内部
での光散乱や回折によってパターンを忠実な微細加工が
できず、また、完全な異方性エッチングを行なうために
は、側壁保護膜を形成しなくてはならず、この膜が残渣
として残り、素子に悪影響を及ぼす。

さらに、大面積の表示装置、例えば14″液晶ディスプ
レイを製造する場合、poly−Siのエッチング速度が非常
に低く、高々40Å/min程度（前述の関根等の報告）であ
り、他のエッチング方法に比べ２桁低いものである。こ
のようなエッチング方法に、光源として照射面積が２×
10⁴倍大きく、現在の最高出力のエキシマレーザー（100
W程度）を使ったとしても実用レベルにとても達しな
い。また、エッチングの際、紫外線を通す紫外線照射窓
に、エッチング反応で生成した物質が堆積して紫外線を
吸収してしまい、エッチング速度の低下を招き、度々紫
外線照射窓をクリーニングしなくてはならないという問
題点があった。

本発明は、上記従来の技術の有する問題点に鑑みてな
されたもので、簡単なプロセスで正確に回路パターンを
形成できる、半導体デバイスの微細加工方法およびその
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の、半導体デバイスの微細加工方法は、 基板の表面を改質する改質ガス雰囲気中で、前記基板
表面の温度を、前記改質ガスの圧力が飽和蒸気圧となる
所定の温度範囲内に保ち、前記基板表面に、所望の回路
パターンに沿って選択的に光を照射してパターン構造を
有する表面改質層を形成する工程と、該表面改質層を保
護膜として、表面非改質層をエッチングする工程とから
なるものであり、 表面改質層を形成する工程において、基板表面を酸化
することによって、酸化した表面改質層を形成する場
合、 表面改質層を形成する工程において、基板表面を窒化
することによって、窒化した表面改質層を形成する場
合、 エッチングを行なう工程において、表面非改質層の厚
さと表面改質層の厚さの比よりも大きいエッチング選択
比でエッチングする場合、 さらに、表面改質層を形成する工程の前に基板の表面
をクリーニングする工程を有する場合がある。

また、本発明の、半導体デバイスの微細加工装置は、 光源と、該光源が発する光源光を基板の表面に照射し
て該基板表面に表面改質層を形成する潜像室と、該基板
表面をエッチングするエッチング室とを備えた、半導体
デバイスの微細加工装置であって、 前記潜像室およびエッチング室をそれぞれ真空排気し
て所定の圧力に設定可能な真空排気装置を有し、 前記潜像室は、該潜像室に基板表面を改質する改質ガ
スを供給する改質ガス導入手段と、前記基板を保持する
とともに、該基板の温度を該潜像室内の改質ガス圧力が
該改質ガスの飽和蒸気圧となる温度に調節可能な温度調
節手段が設けられた保持台と、前記光源光を所望の回路
パターンに沿って選択的に前記基板表面に照射するため
の光学系とを備え、 前記エッチング室が、前記表面改質層が形成された基
板を保持する保持台と、該基板表面に、前記表面改質層
を保護膜としてエッチングするエッチングガスを供給す
るエッチングガス導入手段とを備えており、 さらに、前記潜像室とエッチング室とが、前記基板を
移送可能なゲートバルブを介して連結されているもので
あり、 潜像室の光学系が、回路パターンに応じたマスクパタ
ーンが形成されたマスクを備え、光源光を、前記マスク
を通して基板表面に照射して該基板表面にマスクパター
ン像を結像させるもの、 改質ガス導入手段が、改質ガスを励起させてその活性
種を基板表面に供給するガス励起装置を有するもの、 エッチングガス導入手段が、エッチングガスをプラズ
マ化して基板表面に供給するプラズマ発生装置を有する
もの、 エッチングガス導入手段が、エッチングガスを励起さ
せて活性種として基板表面に供給するもの、 さらに、基板を保持する保持台と、該基板の表面を洗
浄するクリーニングガスを励起あるいはプラズマ化して
前記基板表面に供給するクリーニングガス導入手段とを
有するクリーニング室が、前記基板を移送可能なゲート
バルブを介して潜像室に連結されたものがある。

〔作用〕

本発明の、半導体デバイスの微細加工方法では、基板
の温度を、改質ガス雰囲気の圧力が該改質ガスの飽和蒸
気圧となる温度に保って、前記改質ガスを基板の表面で
気化と固化が釣り合った状態とし、該改質ガス分子を効
率よく基板表面に吸着させる。改質ガス分子が吸着した
基板表面に、回路パターンに沿って選択的に光を照射す
ると、光の照射部分で光化学反応が起こり、回路パター
ンに沿った表面改質層が形成される。そして、該表面改
質層を保護膜としてエッチングを行なうことにより、基
板表面で、表面改質層以外の非改質部分が除去されて、
表面改質層がパターンとして残ることとなる。

本発明の、半導体デバイスの微細加工装置は、潜像室
内に改質ガスを供給し、該潜像室内での改質ガスを所定
の圧力に保ち、該圧力が該改質ガスの飽和蒸気圧となる
ように基板の温度を調節して、該改質ガス分子を基板表
面に吸着させる。その基板表面に、回路パターンに沿っ
て選択的に光を照射して光化学反応による、前記回路パ
ターンに沿った表面改質層を形成させる。つづいて、表
面改質層が形成された基板をエッチング室に移して、そ
の基板表面を、励起あるいはプラズマ化したエッチング
ガスに晒すことにより、基板表面で非改質部分が除去さ
れて前記表面改質層がパターンとして残る。上述の潜像
室とエッチング室とはゲートバルブで連結されているの
で、基板を大気に晒すことなく移送することができる。
また、潜像室に連結してクリーニング室を設けたものの
場合、パターンを形成しようとする基板を洗浄すること
ができ、さらに、クリーニング室と潜像室とはゲートバ
ルブを介して連結されるので、洗浄後は、基板に、ゴミ
等が付着することなく清浄な状態で、パターン形成を進
めることができる。

〔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、半導体デバイスの微細加工装置の
一実施例を示す図である。

本実施例の微細加工装置は、試料３をクリーニングす
るための真空気密されたクリーニング室１と、試料３の
表面を改質しパターン潜像を形成するための潜像室８
と、試料３をエッチングするためのエッチング室18とを
備えている。

クリーニング室１は、ゲートバルブ7aを通して搬入さ
れる試料３を載置する試料保持台2aと、クリーニングガ
ス導入口5aから導入されたクリーニングガスを、不図示
のマイクロ波発生装置で発せられたマイクロ波を用いて
励起させ、その励起ガスを、アルミナ製の輸送管6a（全
長20cm、内径40mm）を通してクリーニング室１へ供給す
るマイクロ波ガス励起装置4aとを備えている。

潜像室８は、クリーニング室１からゲートバルブ7bを
通して大気に晒すことなく移送された試料３が載置され
る、後述する温度調節機構を有する試料保持台2bと、改
質ガスである潜像ガスが導入される潜像ガス導入口5b,5
cと、該潜像ガス導入口5bから導入された潜像ガスを、
不図示のマイクロ波発生装置で発せられたマイクロ波を
用いて励起させ、その励起ガスを、アルミナ製の輸送管
6a（全長20cm、内径40mm）を通して潜像室８へ供給する
マイクロ波ガス励起装置4bとを備え、また、光源として
のKrFエキシマレーザ13の光が、照明光学系14を通し
て、石英板にCrでパターニングされたマスク15（または
レチクル）に均一に照射され、該マスク15のパターン潜
像が、投影光学系16および透過窓17を経て、試料保持台
2b上に載置された試料３の表面に結像する構成となって
いる。

上述の試料保持台2bに設けられた温度調節機構は、該
試料保持台2b上に載置された試料３を冷却する冷媒が貯
留される冷媒溜め９と、該試料３を加熱するヒータ12と
を備えたものであり、冷媒溜め９については、該冷媒溜
め９に連通した冷媒供給口10から冷媒が供給され、ま
た、同様に該冷媒溜め９に連通したガス抜きパイプ11を
通して、該冷媒溜め９内で気化した冷媒を外部に放出す
る構成となっている。

エッチング室18は、潜像室８からゲートバルブ7cを通
して大気に晒すことなく移送された試料３が載置される
試料保持台2cを備え、その上方に、エッチング用プラズ
マを発生するプラズマ室19と該プラズマ室19の内部に磁
場を発生させるための電磁コイル21とが設けられてい
る。

プラズマ室19は、マイクロ波透過窓20を通して不図示
のマイクロ波発生装置から供給されるマイクロ波と、エ
ッチングガス導入口5dから導入されるエッチングガス
と、前記電磁コイル21によって発生される磁場とによ
り、エッチング用プラズマを発生させる。また、このプ
ラズマ室19と前記電磁コイル21は、冷却水導入口22から
導入されて冷却水導出口23へ流通する冷却水によって冷
却される構成となっている。

また、本実施例の微細加工装置は、前述のクリーニン
グ室１、潜像室８およびエッチング室18それぞれの真空
排気を行なって、所定の圧力に設定可能な不図示の真空
排気装置を備えている。

上述のような微細加工装置により、Si基板上にSiO₂,2
00Å、その上にn⁺poly−Si,3000Å成膜した試料３を微
細加工する場合について示す。

まず、ゲートバルブ7aを通して試料３であるSi基板
を、クリーニング室１内に搬入して試料保持台2aに載
せ、予め真空排気装置によってクリーニング室１の内部
が10^-8torr以下になるまで真空排気する。クリーニング
ガス導入口5aから、試料３の表面をクリーニングするク
リーニングガス（NF₃,500sccm）をマイクロ波ガス励起
装置4a内に導入し、クリーニング室１の圧力が0.25torr
になるように前記真空排気装置を操作制御する。さら
に、マイクロ波発生装置で発生した2.45GHz,700Wのマイ
クロ波をマイクロ波ガス励起装置4aに供給して、先に該
マイクロ波ガス励起装置4aに導入したクリーニングガス
を励起させ、それによって生ずる活性種である励起分子
NF₃ ^*，NF₂ ^*，NF^*，F^*を輸送管6aを通してクリーニング
室１に供給する。該クリーニング室１内で、試料３であ
るSi基板上に達した前記励起分子とn^*poly−Si表面に形
成された自然酸化膜（SiO₂）とが反応し、揮発性物質で
あるふっ化けい素化合物を生成してn^*poly−Si表面の自
然酸化膜（SiO₂）が取り除かれ、清浄表面が得られる。
処理時間は約20sec程度である。処理終了後、前記クリ
ーニングガスの供給を止め、前記真空排気装置によっ
て、クリーニング室１の内部の圧力が10^-8torr以下にな
るまで真空排気する。

次に、予め潜像室８を、真空排気装置によって10^-8to
rr以下に排気し、ゲートバルブ7bを開けて試料３である
Si基板をクリーニング室１から潜像室８へ移し、試料保
持台2bに載せる。ゲートバルブ7bを閉じた後、再び潜像
室８を10^-8torr以下に真空排気する。そして、潜像ガス
導入口5cより潜像ガスであるNO₂ガスを潜像室８内に導
入し、内部の圧力が1torrとなるように前記真空排気装
置を制御する。NO₂ガスの飽和蒸気圧が1torrとなる温度
は−50℃であるから、冷媒溜め９に、冷媒である液化窒
素を供給し、ヒータ12を調節しながら試料保持台2bの温
度を制御し、試料３であるSi基板の温度を−50℃±10℃
に設定してSi基板上に成膜されたn⁺poly−Si表面に前記
NO₂を80秒間接触させる。このような状態では、NO₂はn⁺
poly−Si表面で気化と固化が釣り合っているため、効率
よくNO₂がn⁺poly−Si表面上に吸着する。

次に、KrFエキシマレーザ13で発振した波長248nmのレ
ーザ光を、照明光学系14によって所望のパターニングを
施したマスク15に均一に照射し、さらに、投影光学系16
によって、試料３の表面にマスク15のパターン像を透過
窓17を通して結像させる。なお、透過窓17の材質として
波長248nmのレーザ光を吸収せずに透過させるため石英
板を使用した。

試料３において、パターン潜像が結像したn⁺poly−Si
表面では、光が当たった部分のみで、吸着したNO₂とSi
が光化学反応を起こし、２分間の露光でn⁺poly−Si表面
に厚さ30Å程度のSiO₂層を形成する。光が当たっていな
い部分ではこの反応は進まないので、結局、マスクのネ
ガパターンがn⁺poly−Si表面に形成される。換言すれば
n⁺poly−SiがSiO₂に改質され潜像が形成される。この反
応は照射光が当たっている表面のみで起こるため、気相
中でNO₂が照射光によって励起、分解されて発生した励
起分子が照射光が当たっていないn⁺poly−Si表面に達し
ても、表面に吸着しているNO₂分子によって、励起分子
とSi表面との反応が阻止されるため、n⁺poly−Si表面に
形成された像パターンがぼやけることがない。

つづいて、n⁺poly−Si表面にSiO₂層で所望の潜像が形
成された試料３を、ヒータ12によって150℃まで加熱
し、n⁺poly−Si表面に吸着しているNO₂分子を離脱さ
せ、潜像室８の内部の圧力が10^-8torr以下になるまで真
空排気する。

次に、予めエッチング室18と該エッチング室18の上部
のプラズマ室19を真空排気装置によって10^-8torr以下に
排気し、ゲートバルブ7cを開けて試料３を潜像室８から
エッチング室18へ移して試料保持台2cに載せる。ゲート
バルブ7cを閉じた後、再びエッチング室18を10^-8torr以
下に真空排気する。そして、エッチングガス導入口5dか
らエッチングガスとして、Cl₂,200sccmをプラズマ室19
に導入し、内部の圧力が３×10^-4torrとなるように真空
排気装置を制御する。また、冷却水導入口22から冷却水
を導入して電磁コイル21およびプラズマ室19を冷却しな
がら、電磁コイル21に電流を流し、プラズマ室19内に磁
場を発生させる。さらに、マイクロ波発生装置で発生し
た2.45GHz,300Wのマイクロ波を導波管を用いて伝送して
マイクロ波透過窓22からプラズマ室19に供給する。プラ
ズマ室19内では、マイクロ波の電場と、電磁コイル21に
より発生した磁場とによって効率よく電子が加速され中
性粒子を電離して濃いプラズマが発生する。このとき、
プラズマ室19内で発生している磁場の大きさを、電子サ
クロトロン共鳴が起こる磁場の大きさ（2.45GHzのマイ
クロ波の場合875Gauss）にしておくと、より効率よくプ
ラズマが発生する。プラズマ室19で発生したプラズマは
磁力線に沿ってプラズマ室19からエッチング室18に拡散
し、試料３の表面に達する。このプラズマによって、潜
像室８で作成したSiO₂層を保護膜として、露出している
n⁺poly−Si膜を３分間エッチングする。SiO₂に対するn⁺
poly−Siのエッチングレート比、すなわち選択比は120
程度得られるので、保護膜であるSiO₂層が消滅すること
なくn⁺poly−Si層をエッチングすることができる。ま
た、ガス圧が３×10^-4torrと低圧であり、イオンは他の
粒子と衝突することなくn⁺poly−Si表面に達するため、
異方性のよいエッチングができ、さらに、イオンエネル
ギーは十数eVであるため損傷の少ないエッチングができ
る。

なお、前述の潜像室８での潜像過程で、試料３である
Si基板を冷却せずに保護膜となるSiO₂層を形成した場
合、その厚さは〜10Å程度となり、SiO₂層が消滅するこ
となくn⁺poly−Si層をエッチングするためには、少なく
とも選択比は300以上必要となり、現実的には不可能で
ある。

本実施例では、クリーニング室１で行なう試料３のク
リーニングを、マイクロ波ガス励起装置4aによりマイク
ロ波を用いて励起させて行なったが、プラズマを用いて
行なうこともできる。

第２図に、プラズマを用いて試料３のクリーニングを
行なう場合のクリーニング室1aの構成を示す。

第２図に示すクリーニング室1aは、クリーニングガス
導入口5eからクリーニングガスが導入されるもので、内
部には、試料保持台2aに対向して対向電極27が設けられ
ており、また、試料保持台2aに、マッチングボックス26
を介して、高周波を印加する高周波電源25を備えたもの
である。さらに、試料保持台2aは、マッチングボックス
26および高周波電源25と直流的に絶縁する絶縁体24が設
けられている。なお、第１図に示したクリーニング室１
の場合と同一のものに対しては、同一符号を付してい
る。

この場合、予め真空排気装置（図示せず）によってク
リーニング室1aの内部が10^-8torr以下になるまで真空排
気しておき、ゲートバルブ7aを通して前述の試料３を試
料保持台2aに載置する。そして、クリーニングガス導入
口5eより試料３の表面をクリーニングするクリーニング
ガス（Ar,50sccm）をクリーニング室1a内に導入し、ク
リーニング室1aの圧力が0.08torrになるように前記真空
排気装置を操作制御する。次に、13.56MHz,100Wの高周
波を、高周波電源25から、マッチングボックス26を調整
しながら、試料保持台2aに印加し、試料保持台2aと対向
電極27の間の空間にプラズマを発生させる。試料保持台
2aは直流的に絶縁されているため、電子とイオンとの易
動度の差から試料保持台2aは−60V程度の負の直流バイ
アス電圧が発生し、この電圧によってArイオンが加速さ
れ、n⁺poly−Si表面に衝突し、表面にある汚れや自然酸
化膜を物理的にスパッタ除去し清浄面が得られる。処理
時間は約60sec程度である。処理終了後、クリーニング
ガスの供給を止め、クリーニング室1aの内部の圧力が10
^-8torr以下になるまで真空排気する。このあとは前述と
同様のプロセスで潜像およびエッチングを行なう。

また、本実施例の潜像室８では、潜像ガスとしてNO₂
を使用した例を示したが、潜像ガスとしてオゾンを励起
させて用いることもできる。

潜像ガスとしてオゾンを使用した場合について説明す
る。

まず、潜像ガス導入口5bより酸素ガスをマイクロ波ガ
ス励起装置4bを通して潜像室８に導入し、潜像室８内の
圧力が1torrとなるように真空排気装置（図示せず）を
操作制御する。オゾンの飽和蒸気圧が1torrとなる温度
は−170℃であるから、冷媒溜め９に冷媒である液化窒
素を供給し、ヒータ12を調節しながら試料保持台2bの温
度を制御して試料３であるSi基板の温度を−170℃±10
℃に設定する。次に、マイクロ波をマイクロ波ガス励起
装置4bに供給し酵素プラズマを発生させてオゾンを励起
させる。そして、励起したオゾンを、輸送管6bを通して
潜像室８に供給し、Si基板上に成膜されたn⁺poly−Si表
面に80秒間吸着させる。−170℃程度の極低温度では、
オゾンはn⁺poly−Si表面で気化と固化が釣り合っている
ため、効率よくオゾンがn⁺poly−Si表面に吸着する。ま
た、酸素のこの温度での飽和蒸気圧は1500mmHgであるた
め、オゾンに比べ吸着量は少なく大部分の吸着物質はオ
ゾンとなる。

その後は、同様に、KrFエキシマレーザ13からの光に
よって、マスク15のパターン像を、試料３の表面に結像
させることにより、該パターン像に沿ったSiO₂層が形成
される。

さらに、前述の潜像室８では、光源としてKrFエキシ
マレーザを使用したが、キセノンランプ、高圧水銀灯等
のランプ光源や、ArFエキシマレーザ、XeClエキシマレ
ーザ、Ar⁺レーザ等の紫外線レーザも同様の効果があ
る。

また、前述のエッチング室18ではマイクロ波プラズマ
を用いて損傷が全くないエッチングを行なった例を示し
たが、その他の例として、マイクロ波プラズマを用いた
場合より、微細加工性が低下する可能性が考えられる
が、化学的なドライエッチングを用いることもできる。

第３図に、化学的なドライエッチングを用いた場合の
エッチング室18aの構成を示す。

このエッチング室18aはエッチングガス導入口5fから
導入されたエッチングガスを不図示のマイクロ波発生装
置からのマイクイロ波によって励起させるマイクロ波ガ
ス励起装置4cを備え、該マイクロ波ガス励起装置4cで励
起したエッチングガスは、アルミナ製の輸送管6c（全長
20cm,内径40mm）を通ってエッチング室18a内に供給され
る。その他の構成で第１図に示したものと同一のものに
ついては、同一符号を付している。

このエッチング室18aを使用してエッチングを行なう
場合、予めエッチング室18aを10^-8torr以下に真空排気
装置（図示せず）によって排気し、ゲートバルブ7cを開
けて、前述と同様にn⁺poly−Si表面に所望の潜像パター
ン（SiO₂層）を施したSi基板を試料３として、エッチン
グ室18a内の試料保持台2c上に載置する。ゲートバルブ7
cを閉じた後、再びエッチング室18aを10^-8torr以下に真
空排気する。そして、エッチングガス導入口5fからエッ
チングガス（Cl₂,500sccm）をマイクロ波ガス励起装置4
c内に導入するとともに、エッチング室18a内の圧力が0.
25torrになるように真空排気装置を制御する。

この状態で、マイクロ波発生装置で発生した2.45GHz,
700Wのマイクロ波をマイクロ波ガス励起装置4cに供給し
て、先にエッチングガス導入口5fから導入されているエ
ッチングガス（Cl₂,500sccm）を励起させ、励起した励
起分子Cl₂ ^*，Cl^*を輸送管6cを通してエッチング18aに供
給する。このとき、Si基板上に達した励起分子Cl₂ ^*，Cl
^*が、n⁺poly−Si表面に形成された潜像パターンのSiO₂
層をマスクにして、n⁺poly−Siと反応し、揮発性物質で
ある塩化ケイ素化合物を発生してn⁺poly−Si層を所望の
潜像パターンにしたがってエッチングする。

また、潜像室において選択的に光を照射する方法とし
て、第１図に示した様なマスクを用いたものの他に第４
図に示すレーザ光による直接描画法によっても行なうこ
とができる。

第４図にレーザ光による直接描画方式の潜像室を示
す。同図において、8aは潜像室、13aは光源であるとこ
ろのAr⁺イオンレーザ28は光変調器、29はコリメータレ
ンズである。30は回転多面鏡、31はｆ−θレンズ、32は
試料保持台2bをレーザ光の走査方向と垂直方向に移動で
きるＸステージであり、その他第１図に示したものと同
一の符号を付したものは同一のものを示す。

次に、本直接描画法を用いて、前述の実施例の場合と
同様に試料３であるSi基板に潜像を形成する実施例を示
す。

前述の場合と同様に、試料３のn⁺poly−Si表面を清浄
し、予め10^-8torr以下に真空排気された潜像室8a内の試
料保持台2bに載せる。つづいて、潜像ガスであるNO₂を
導入し、試料３を冷却する。次に、光源であるAr⁺イオ
ンレーザ13aから発振したレーザ光を光変調器28により
所望のパターンが形成できるように変調し、コリメータ
レンズ29、回転多面体30によって一次元方向に走査させ
た後、ｆ−θレンズ31、透過窓17を介して試料３の表面
に結像させる。また、Ｘステージ32を用いて試料保持台
2bを、レーザ光の走査方向と垂直方向に移動させること
によって全試料表面に選択的に光を照射できる。光源の
レーザとしては、表面上の光化学反応を行なうことがで
きるものであればどんなものでも使用可能であり、GaAs
基板上に酸化膜の潜像を形成する光源としては前述した
レーザの他にArレーザ、クリプトンレーザ、He−Cdレー
ザ等が挙げられる。

上述のようにして照射光が照射されたn⁺poly−Siの表
面部分には、吸着したNO₂と光化学反応が生じ、SiO₂で
構成される潜像が形成される。この後前述の実施例と同
様にエッチングを行なう。

次に、本発明の他の実施例について、石英基板上にAl
電極パターンを形成する場合を例にして説明する。

まず、試料３として、石英基板上に、スパッタ法によ
り厚さ1500ÅのAlを堆積させる。この試料３のAl表面
を、前述の第２図に示したクリーニング室1aを用いてAr
イオンによって、クリーニングする。

つづいて、クリーニングされた試料３を、前述の実施
例と同様に、潜像室８に移して、試料保持台2b上に載置
する。そして、潜像ガス導入口5cからアンモニアガスNH
₃を潜像室８内に導入し、内部の圧力が1torrとなるよう
に真空排気装置（図示せず）を操作制御する。ここで、
NH₃ガスの飽和蒸気圧が1torrとなる温度は−103℃であ
るから、冷媒溜め９に冷媒である液化窒素を供給し、ヒ
ータ12を調節しながら試料保持台2bの温度を制御し、試
料３の温度を−103℃±10℃に設定し、NH₃を試料３のA1
表面に100秒間吸着させる。次に、KrFエキシマレーザ13
で発振させた波長248nmのレーザ光を照明光学系14によ
って所望のパターニングを施したマスク15に均一に照射
し、そのパターン像を、投影光学系16によって試料３の
A1表面に透過窓17と通して結像させる。パターン像が結
像したAl表面では、光が当たった部分のみで、吸着した
NH₃とA1が光化学反応を起こし、２分間の露光でAl表面
に厚さ50μｍ程度のAlN層を形成する。光が当たってい
ない部分ではこの反応は進まないので、結局マスクのネ
ガパターンが試料３のAl表面に形成される。

Al表面にAlN層の所望の潜像が形成された試料３は、
ヒータ12によって150℃で３分間加熱し、Al表面に吸着
している分子を離脱させ、潜像室８の内部の圧力が10^-8
torr以下になるまで真空排気する。

次に、前述の第１図に示したエッチング室18とプラズ
マ室19を、予め10^-8torr以下に真空排気装置（図示せ
ず）によって排気しておき、ゲートバルブ7cを開けて試
料３を潜像室８からエッチング室18へ移し、該エッチン
グ室18の試料保持台2cに載せる。そして、ゲートバルブ
7cを閉じた後、再びエッチング室18を10^-8torr以下に真
空排気する。さらに、エッチングガス導入口5dよりエッ
チングガス（Cl₂20sccm）をプラズマ室19に導入し、エ
ッチング室18内部の圧力が３×10^-4torrとなるように真
空排気装置を制御する。この状態で、電磁コイル21によ
ってプラズマ室19内に875Gaussの磁場を発生させるとと
もに、マイクロ波発生装置（図示せず）から2.45GHz,30
0Wのマイクロ波をプラズマ室19に供給してプラズマを発
生させる。そして、発生したプラズマをエッチング室18
内にある試料３上に供給し、90秒間エッチングした。そ
の結果、試料３の石英基板にはマスク15のネガパターン
のAl電極が形成できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば下記のような効果
を奏する。

（１）潜像室内で、基板の温度を、改質ガスの圧力が飽
和蒸気圧となるように調節することにより、該改質ガス
分子が効率よく基板表面に吸着するので、該基板表面に
形成される表面改質層が厚いものとなり、エッチングの
際の保護効果が高いものとなる。

（２）基板表面に、回路パターンに沿った表面改質層を
形成する際、光と改質ガスとの気相反応によって発生し
た励起状態の改質ガス分子が、光が照射されていない基
板表面に達した場合であっても、該基板表面に吸着して
いる改質ガス分子によって、基板表面と励起状態の改質
ガス分子との反応が阻止されるので、光の照射部分に形
成される、回路パターンに沿った表面改質層がぼやける
ことがなくなり、保護層として他のレジストを使用する
ことなく、高速で正確な微細加工が可能となる。

（３）本発明の、半導体デバイスの微細加工装置によれ
ば、ゲートバルブを通して潜像室からエッチング室へ基
板を移すことができるので、基板表面へのゴミ等が付着
することがなく、パターン形成の正確性が向上する。ま
た、潜像室に、同様にゲートバルブを介してクリーニン
グ室を連結して、基板に表面改質層を形成する以前に、
基板を洗浄することによりその効果を大きなものとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の、半導体デバイスの微細加工装置の一
実施例を示す断面図、第２図はクリーニング室の他の実
施例を示す断面図、第３図はエッチング室の他の実施例
を示す断面図、第４図は潜像室の他の実施例を示す断面
図である。 1,1a…クリーニング室、2a,2b,2c…試料保持台、３…試
料、4a,4b,4c…マイクロ波ガス励起装置、5a,5b,5c,5d,
5e,5f…ガス導入口、6a,6b,6c…輸送管、7a,7b,7c…ゲ
ートバルブ、8,8a…潜像室、９…冷媒溜め、10…冷媒供
給口、11…ガス抜きパイプ、12…ヒータ、13…KrFエキ
シマレーザ、13a…Ar^*レーザ、14…照明光学系、15…マ
スク、16…投影光学系、17…透過窓、18,18a…エッチン
グ室、19…プラズマ室、20…マイクロ波透過窓、21…電
磁コイル、22…冷却水導入口、23…冷却水導出口、24…
絶縁体、25…高周波電源、26…マッチングボックス、27
…対向電極、28…光変調器、29…コリメータレンズ、30
…回転多面体、31…ｆ−θレンズ、32…Ｘステージ。

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板の表面を改質する改質ガス雰囲気中
   で、前記基板表面の温度を、前記改質ガスの圧力が飽和
   蒸気圧となる所定の温度範囲内に保ち、前記基板表面
   に、所望の回路パターンに沿って選択的に光を照射して
   パターン構造を有する表面改質層を形成する工程と、該
   表面改質層を保護膜として、表面非改質層をエッチング
   する工程とを有することを特徴とする、半導体デバイス
   の微細加工方法。
2. 【請求項２】表面改質層を形成する工程において、基板
   表面を酸化することによって、酸化した表面改質層を形
   成することを特徴とする請求項１記載の、半導体デバイ
   スの微細加工方法。
3. 【請求項３】表面改質層を形成する工程において、基板
   表面を窒化することによって、窒化した表面改質層を形
   成することを特徴とする請求項１記載の、半導体デバイ
   スの微細加工方法。
4. 【請求項４】エッチングを行なう工程において、表面非
   改質層の厚さと表面改質層の厚さの比よりも大きいエッ
   チング選択比でエッチングすることを特徴とする請求項
   1,2あるいは３記載の、半導体デバイスの微細加工方
   法。
5. 【請求項５】表面改質層を形成する工程の前に基板の表
   面をクリーニングする工程を有することを特徴とする請
   求項1,2,3あるいは４記載の、半導体デバイスの微細加
   工方法。
6. 【請求項６】光源と、該光源が発する光源光を基板の表
   面に照射して該基板表面に表面改質層を形成する潜像室
   と、該基板表面をエッチングするエッチング室とを備え
   た、半導体デバイスの微細加工装置であって、 前記潜像室およびエッチング室をそれぞれ真空排気して
   所定の圧力に設定可能な真空排気装置を有し、 前記潜像室は、該潜像室に基板表面を改質する改質ガス
   を供給する改質ガス導入手段と、前記基板を保持すると
   ともに、該基板の温度を該潜像室内の改質ガス圧力が該
   改質ガスの飽和蒸気圧となる温度に調節可能な温度調節
   手段が設けられた保持台と、前記光源光を所望の回路パ
   ターンに沿って選択的に前記基板表面に照射するための
   光学系とを備え、 前記エッチング室が、前記表面改質層が形成された基板
   を保持する保持台と、該基板表面に、前記表面改質層を
   保護膜としてエッチングするエッチングガスを供給する
   エッチングガス導入手段とを備えており、 さらに、前記潜像室とエッチング室とが、前記基板を移
   送可能なゲートバルブを介して連結されていることを特
   徴とする、半導体デバイスの微細加工装置。
7. 【請求項７】潜像室の光学系が、回路パターンに応じた
   マスクパターンが形成されたマスクを備え、光源光を、
   前記マスクを通して基板表面に照射して該基板表面にマ
   スクパターン像を結像させることを特徴とする請求項６
   記載の、半導体デバイスの微細加工装置。
8. 【請求項８】改質ガス導入手段が、改質ガスを励起させ
   てその活性種を基板表面に供給するガス励起装置を有す
   ることを特徴とする請求項６あるいは７記載の、半導体
   デバイスの微細加工装置。
9. 【請求項９】エッチングガス導入手段が、エッチングガ
   スをプラズマ化して基板表面に供給するプラズマ発生装
   置を有することを特徴とする請求項6,7あるいは８記載
   の、半導体デバイスの微細加工装置。
10. 【請求項１０】エッチングガス導入手段が、エッチング
    ガスを励起させて活性種として基板表面に供給すること
    をと特徴とする請求項6,7あるいは８記載の、半導体デ
    バイスの微細加工装置。
11. 【請求項１１】基板を保持する保持台と、該基板の表面
    を洗浄するクリーニングガスを励起あるいはプラズマ化
    して前記基板表面に供給するクリーニングガス導入手段
    とを有するクリーニング室が、前記基板を移送可能なゲ
    ートバルブを介して潜像室に連結されたことを特徴とす
    る請求項6,7,8,9あるいは10記載の、半導体デバイスの
    微細加工装置。