Quartz photo mask

Cryo pump Wafer

Laser beam XeCl : 308nm Excimer laser

Fused quartz window

Cl

₂

図2.5.1(a)エキシマレーザパターン転写実験装置構成

図2.5.1(b)チャンバ部外観

図2.5.2(b) (a)の拡大断面写真

10µm 10µm

図2.5.2(a) レジストマスクを使わずにパターンを転写したundoped poly-Si 表面の写真

実際に大きなウェハで使用することを考えると、ウェハへのエッチングガスの均一な供給、エッチング生成物の排気が必要なため、近接マスクは使用できない。そこで、図2.5.3に示す投影光学系を持つ露光実験装置を試作し評価した。

照明光学系は合成石英製のシリンドリカルレンズとハエの目レンズで構成し、レーザを整形すると同時に空間的コヒーレンスを低下させ、IC マスクを照明する。マスクを通過した光は反射光学系によりウェハ表面に結像される。ウェハは真空チャンバ内の定位置に固定し、焦点合わせはチャンバ全体を前後して調整した。

図2.5.4はこの投影光学系によりCl₂雰囲気中でundoped poly-Siに光照射し、エッチングにより形成したパターンの写真である。

Pump Wafer

Illumination optics

Cl₂

Photo mask

Excimer Laser Reflecting optical system

Pump Wafer

Illumination optics

Cl₂

Photo mask

Excimer Laser Reflecting optical system

図2.5.3 投影光学系を使用したマスクレスエッチングシステムの構成図

200µm 200µm

図2.5.4投影光学系により光照射してエッチングしたパターン写真

結果は解像度が低く、断面形状も観察できないほどであった。この原因として図 2.5.5のことが考えられる。すなわち、投影光学系により投射された像の明暗部での光強度の差（コントラスト）はフォトマスクを密着させた近接露光方式に比べかなり低く、暗部においても一定量の光が照射される。本実験に用いた光学系のコントラストは高々0.5 程度であった。したがって、本来パターンを残したい部分もエッチングが進むこととなる。フォトレジストの露光においては、露光特性が非線形でありコントラストを高める効果がある。さらに現像工程においてもコントラストが補われ、その結果として良好な断面形状を持つパターンが得られる。

Poly-Si IC pattern

Ph ot o i nt ensi ty (a .u .)

1 0.5 0

Poly-Si Poly-Si IC pattern

Ph ot o i nt ensi ty (a .u .)

1 0.5 0

図2.5.5 投影光学系により投射された像の明暗部の光強度の概念図

一方、エッチングにおいては図2.5.6 のようにエッチングされる堆積は照射した光エネルギーに線形関係であることから、像の明暗に対応した光強度でウェハ全面でエッチングが進行する。

したがって、像の暗い部分でも本質的に膜減りを生じ、エッチング時間の経過とともにパターンは消失する。

パターン形成のためには光強度に対して非線形の反応系が必要である。ウェハ表面に堆積膜を形成しながらエッチングする異方性エッチングの手法は、光強度が弱い場合は堆積膜を除去できずにエッチングが進まない。つまり、非線形の反応系であると考えられる。実際に、チャンバに Cl2（の放電によるCl原子）だけを導入した場合とMMAを加えた場合で、n⁺poly-Siのエッチングに与える照射光強度の影響を調べた結果を図2.5.7に示す。

0 100 200 300 400

Laser fluence (J/cm

)

Etched de pth ( µ m)

0.1 0.2

0.3 _Cl

2pressure : 30 Torr

n⁺ poly-Si

Undoped poly-Si

0 100 200 300 400

Laser fluence (J/cm

)

Etched de pth ( µ m)

0.1 0.2

0.3 _Cl

2pressure : 30 Torr

n⁺ poly-Si

Undoped poly-Si

図2.5.6 光エネルギーとエッチング深さの関係

10 20 Laser fluence (mJ/cm²)

Etch rate (nm/min)

50 100 1500

Cl₂

Cl₂+ MMA

Darkarea Bright area

10 20 Laser fluence (mJ/cm²)

Etch rate (nm/min)

50 100 1500

Cl₂

Cl₂+ MMA

Darkarea Bright area

図2.5.7 Cl2だけとMMAを加えた場合のn⁺poly-Siエッチングへの影響

Cl2だけの導入では光照射の効果は認められない。しかし、MMAを添加し堆積をおこすことにより、光強度が低い場合にはエッチングが停止し、ある閾値付近からエッチング反応が起こり始めることがわかる。図2.5.7の中に矢印で記したように暗部（Dark area）と明部（Bright area）

の光強度が調整できれば、暗部では堆積、明部でエッチングを進めることが可能となると考えられる。

図2.5.8 に実際にCl2ガスにMMAを導入しながらマスクパターンを投影することで得たパター

ン転写の写真を示す。図2.5.4に比べ解像度は向上し、(b)の拡大写真からわかるように数µmレベルのパターンが形成されている。しかし、コントラスト向上の効果は認められるものの不十分である。これらの光プロセスの課題に関しては2.6節で再度議論する。

最後に、光励起化学反応を利用したパターン転写の応用として薄膜堆積を試みた。図 2.5.9 に示すのは、Si基板表面からマスクを約 1cm離して設置し、C2F4ガス圧力 30Torr の雰囲気中で、

(a)

(b)

図2.5.8 (a)投影光学系による光照射でエッチング転写したパターン

(b)試料を斜め上方より観察した様子

マスクを通してKrFエキシマレーザを照射して形成した薄膜である。テフロン系の薄膜が光照射部に選択的に堆積している。光照射部全体で堆積を生じているが、写真で白く筋状に見える部分がテフロン系重合膜が厚く形成された部分である。マスク端部に対応する部分とマスク開口部中央あたりに黒く見える部分は、回折により照射された領域であり光強度が弱く、重合が不十分な脆弱な膜が形成されている。この現象の説明には、気相あるいは表面での堆積種生成と膜成長、

光照射による膜組成、構造変化などの堆積機構の理解が必要である。その上でパターン形成のためには、光強度分布の制御が重要となることが示唆される。

Si substrate

Deposited film

C

₂

F

₄

KrF excimer laser 249 nm

Quartz plate Al

Si substrate

Deposited film

C

₂

F

₄

KrF excimer laser 249 nm

Quartz plate Al

図2.5.9 C2F4ガス(30Torr) 雰囲気でマスクを通してKrFエキシマレーザを照射して形成した薄膜

2-6 照射損傷の評価

ゲートや容量となる MOS 構造を加工した時に発生する損傷について、RIE と光励起エッチングの比較評価を行った。

2-6-1 評価素子の構造と作製方法

使用した試料の構造を図2.6.1に示す。試料は2種類用意し、その主な差異は薄いゲート酸化膜の領域の表面がエッチング後もpoly-Siで覆われているか否かである。すなわち、図2.6.1の(I)の構造では、poly-Siのエッチングが終了すると薄いゲート酸化膜が直接プラズマやレーザに晒される

が、(II)の構造ではエッチング終了後も薄いゲート酸化膜部分はpoly-Si膜に覆われて直接レーザや

プラズマの荷電粒子に晒されない。

基板はp型（9-11Ω･cm）のSi (100)ウェハを使用した。MOS容量はLOCOS技術で分離した。素子分離領域にはB⁺（50keV, 1x10¹³cm^－²）をイオン注入した。薄いゲートSiO₂膜は1000℃のドライ酸素雰囲気で作製した。絶縁耐圧測定にはn型基板（6～8 Ω･cm）を使用し、ゲートSiO₂膜厚は4.2nm である。また、C-t 特性、C- V 特性および電子捕獲中心の評価にはp型基板（0.08～0.12Ω･cm）

を用い、ゲートSiO₂膜厚は70nmとした。poly-SiはLPCVDで作製し、高濃度にPを添加した。n⁺ poly-Siの厚さは400nmとしてフォトレジストのマスクを形成した。

2-6-2 エッチングおよび光照射方法

RIE、CDEおよびXeClエキシマレーザを使用した光励起エッチングの3方法の評価を行った。

P type Si (100) Sub.

n⁺poly-Si SiO₂ P type Si (100) Sub.

n⁺poly-Si SiO₂ Resist Mask

Resist Mask ( I )

( II ) P type Si (100) Sub.

n⁺poly-Si SiO₂ P type Si (100) Sub.

n⁺poly-Si SiO₂ Resist Mask

Resist Mask ( I )

( II )

図2.6.1 絶縁耐圧評価に使用するMOS容量の断面構造

CDE（Chemical Dry Etching）は、放電領域とエッチングチャンバが分離されており、F原子の中性ラジカルのみでエッチングする方式である[1]。したがって、異方性の加工はできないが、照射損傷はなく、レファレンスとして使用した。RIEは平行平板型で、ウェハを配置した電極側に

RF電力を印加するカソード結合方式である。励起周波数は13.56MHz、エッチングガスにはH2と

Cl2の混合ガスを使用した。なお、この評価ではレーザ励起エッチングにCl2ガス（100Torr）のみを使用したため、エッチングの断面形状は等方的でありアンダーカットが生じている。

さらに照射光の波長依存性を調べるため波長の異なる3種類のレーザ、XeCl:308nm、 KrF:249nm、ArF:193nmを使用した。それぞれのレーザの平均出力および繰り返し速度（pps : pulse per second）は XeCl : 6W・160pps、KrF : 10W･140pps、ArF : 5W･100pps に設定した。ビーム形状は10mm x 20mmのシート状であり、石英凹レンズで拡大しウェハに照射した。

ウェハ上での光強度はすべて0.5W/cm²に調整した。

2-6-3 照射損傷の評価方法

MOS容量に印加する電界はステップ高0.5MV/cm、保持時間0.2秒の階段状に昇圧し、同時にモニターしたリーク電流が1µAに達したときの電界を絶縁耐圧電界とした。C-V特性は１MHzの容量計を用いゲート電極に－10Vから10Vまで印加電圧を変化させて測定した。C-t特性はゲート電極に－20Vから20Vのステップ電圧を印加し容量の変化を測定した。

図2.6.2に電子捕獲中心を測定する装置の構成図を示す。SiO₂膜へのホットエレクトロンの注入はアバランシェ注入法[44]によりSi基板側にパルス幅10µs、パルス間隔20µsのパルス電圧を印加して行った。印加電圧はSiO₂膜のリーク電流（Ig）－ゲート電圧（Vg）特性を測定し、アバランシェ増倍の起こる電圧値に設定した。測定はまず図2.6.2の1.Injection modeの回路でパルス電圧を印加しながらリーク電流（注入電流）を測定し、これを時間積算して注入電荷量を求めた。一方、一定の設定された時間間隔で回路は2のSampling modeに切り換わりC-V特性を測定するこ

V_FBmeasuing

1.Injection mode 2.Sampling mode Pulse generator

1MHz

∆V_FB

Recorder

Ig

∫ Ig

Capcitance meter

～

1 1 2

Sub Gate

Ig

　meter