(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体のβ−ＦｅＳｉ2 薄膜または平面板上に素子を構成するための電極を形成する方法であって、
大気中または不活性ガス雰囲気において前記β−ＦｅＳｉ2 材料表面をあらかじめ６００℃近傍まで加熱しながら、前記β−ＦｅＳｉ2 材料表面部分を少なくとも９８２℃から１２１２℃までの間で加熱することによってその一部をα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相に相転換させ、該相転換させた部分を導電性の良好な電極として用いることを特徴とするβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法において、前記材料表面の一部分を加熱する熱源をレーザ光とし、該レーザ光を絞った焦点近傍で前記材料表面を照射することによって加熱昇温し、導電性のある金属結晶相への変換を引き起こし、その後、前記レーザ光を遮断して前記材料を急激に室温付近まで冷却することによってその部分を前記金属結晶相のまま導電部とし、該導電部を所定の形状にした電極を形成することを特徴とするβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法。
【請求項３】
請求項２記載のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法において、前記レーザ光による前記材料表面の加熱温度を９８２℃から１２１２℃までの間とし、前記α−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相になった前記レーザ光の照射部分を加熱後に前記レーザ光を遮断して室温付近まで急冷することによってα−相のまま残し、この工程の繰り返しによって電極パターンを形成することを特徴とするβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法。
【請求項４】
請求項２記載のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法において、前記レーザ光源としてＮｄ添加ＹＡＧレーザを用いることを特徴とするβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロニクス分野における半導体素子デバイスの製造方法のうち、素子材料板や薄膜基板上へ電流を導通する電極を、外部から金属材料を堆積したり塗布結合することなく形成するための電極の形成方法に係り、詳細にはβ−ＦｅＳｉ2 の一部分を加熱して金属相に転換して電極とする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体デバイスは、シリコン（Ｓｉ）基板や平面基板材の上に機能性の材料薄膜を形成し、その上に信号の入出力を行う電極が施されているものである。セラミックや機能材料の比較的大きな試料片の電極の場合は、試料端に電極線を巻きつけたり表面の一部分に金属ペーストや各種の半田を用いて電極線を固定する。
【０００３】
一方、ＳｉやIII −Ｖ属化合物半導体材料を用いた発光・受光・メモリ・ＩＣ回路デバイスなどの微細な配線を行うために、従来から多様な電極形成方法が開発されてきた。
【０００４】
一般的には、金属導電体の蒸着膜・スパッタ膜・イオンプレーティング膜を素子表面に堆積し、ホトリソグラフィー技術を用いて微細なパターンに加工して素子が形成されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体の素子には半導体材料と電極材料が必要である。その電極の機能は機能性半導体材料に電流を導入したり引き出すものであるから、両者の界面が機械的に密着し、電気的にも正常な導通を示すいわゆるオーミックコンタクトが取れなければならない。
【０００６】
そのためには、（１）良い導電体である金属を電極材料に選ぶ。一般的にはアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などが用いられる。伝導率が高いものが望ましいが、使用される雰囲気や温度による電位差、半導体材料との組み合わせによっては、長期間使用後の腐食などの問題が発生することがある。これらの現象による変化は避けなければならないので、どのような電極材料を選択するかが問題である。
【０００７】
また、半導体材料と電極材料間を良好な接合状態に保つためには、少なくとも機械的な接触を阻む異物は除去されなければならない。例えば、（２）両者の表面を良く洗浄して有機性不純物を除去したり、（３）酸化物や塵埃を取り除いて機械的密着度を増すようにする。こうして清浄になった表面に電極材料を接触させる方法として、真空中での金属膜蒸着やスパッタリング法での膜形成を行ってきた。
【０００８】
しかしながら、この表面を清浄に保つ作業は、工程を増やし価格を高める要因となる。
【０００９】
さらに、積層した導電膜を任意の電極パターン形状に加工するために、（４）高価なホトリソグラフ装置を用い、パターン原画マスク作製→半導体膜面にレジスト塗布→露光→エッチングでレジスト膜除去→酸やアルカリ液で金属膜エッチング加工→電極パターンの完成、という工程を施してきた。
【００１０】
しかし、このホトリソグラフィー法で微細な金属パターンを形成した後、（５）さらにその上にもう一層の金属膜電極を形成する際には、前処理で出来たエッチング段差を跨いで、積層金属薄膜を成膜する。その際に、段の下面と上面間をつなぐ膜が十分につながらない、いわゆるステップカバレージが悪いという現象が起こり、電極膜剥離や断線を発生させる原因となっていた。
【００１１】
上記したように、これら従来の形成方法では、製作歩留りを高め、製品の高品質・低コスト目標を達成するためには、高価な設備を用いたり、何度も工程検査を行うなど、多くの時間と労力をかけなければならないという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記問題点を除去し、製造工程を著しく簡素化し、製造コストの低減化を図ることができるβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕半導体のβ−ＦｅＳｉ2 薄膜または平面板上に素子を構成するための電極を形成する方法であって、大気中または不活性ガス雰囲気において前記β−ＦｅＳｉ2 材料表面をあらかじめ６００℃近傍まで加熱しながら、前記β−ＦｅＳｉ2 材料表面部分を少なくとも９８２℃から１２１２℃までの間で加熱することによってその一部をα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相に相転換させ、該相転換させた部分を導電性の良好な電極として用いることを特徴とする。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法において、前記材料表面の一部分を加熱する熱源をレーザ光とし、このレーザ光を絞った焦点近傍で前記材料表面を照射することによって加熱昇温し、導電性のある金属結晶相への変換を引き起こし、その後、レーザ光を遮断して前記材料を急激に室温付近まで冷却することによってその部分を前記金属結晶相のまま導電部とし、この導電部を所定の形状にした電極を形成することを特徴とする。
【００１５】
〔３〕上記〔２〕記載のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法において、前記レーザ光による前記材料表面の加熱温度を９８２℃から１２１２℃までの間とし、α−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相になった前記レーザ光の照射部分を加熱後に前記レーザ光を遮断して室温付近まで急冷することによってα−相のまま残し、この工程の繰り返しによって電極パターンを形成することを特徴とする。
【００１６】
〔４〕上記〔２〕記載のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法において、前記レーザ光源としてＮｄ添加ＹＡＧレーザを用いることを特徴とする。
【００１７】
本発明では、半導体材料表面に電極を構成して素子とする場合に、特別な電極材料を選んで使用することなく、オーミックコンタクトを取るための特別な洗浄や密着後のベーキング加熱、及び蒸着やスパッタリング膜形成工程を省き、電極以外の成膜が必要なときもステップカバレージ問題を生じさせずに済み、マスクや光露光などの工程をなくし、空気中または不活性ガス雰囲気で良質なβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極を形成する手段を与えるものである。
【００１８】
すなわち、試料材料の一部をレーザ照射することによって半導体結晶相の変態温度以上に加熱し、その部分を金属の結晶相に変換させて導電体とし、それを電極として用いるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施例を示すレーザ加熱によってβ−ＦｅＳｉ2 相の一部分をα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相に変換する装置の模式図、図２は本発明の実施例を示すβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成工程断面図である。
【００２１】
図１に示すように、あらかじめＳｉ結晶基板上にβ−ＦｅＳｉ2 膜が成長している試料板（シリコン基板）１は、コンピュータ９で制御されて電極パターンを描画するように可動するステージ１０上に置かれている。
【００２２】
同様にコンピュータ９によって制御されるＮｄ：ＹＡＧレーザ８から射出されるレーザビーム６は、装置の光路を最適に構築するミラー５や、同じくコンピュータ制御されるビームスイッチ７を通過し、さらに集光レンズ４によって縮められ、試料面の加熱点３に焦点を結ぶ。この加熱によって金属膜化した部分をパターン化して出来るのが電極２である。試料面から反射される散乱光はアブソーバ１１によって吸収される。
【００２３】
本発明の特徴は、デバイス材料のβ−ＦｅＳｉ2 薄膜が、加熱操作によって結晶変体を引き起こし、金属体のα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 に変換することを利用しているところにある。
【００２４】
以下、本発明のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法について図２を用いて詳細に説明する。
【００２５】
（１）まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板２１上に半導体のβ−ＦｅＳｉ2 薄膜２２を形成する。
【００２６】
（２）次いで、図２（ｂ）に示すように、そのβ−ＦｅＳｉ2 薄膜２２の所定の個所にレーザビーム２３を照射して、９８２℃以上に加熱して、金属体のα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 ２４に変換する。
【００２７】
（３）次に、図２（ｃ）に示すように、金属体のα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 ２４を急激に室温近傍まで冷却して、恒久的な電極２５を形成する。
【００２８】
図３は鉄とシリコンの２元状態図と加熱により金属化する際の現象を説明する原理図である。
【００２９】
ＦｅとＳｉ元素の構成比１：２でできる金属間化合物β−ＦｅＳｉ2 相は半導体であり、この組成は２元状態図上のＡ点に存在する。この材料をレーザアニール法などで加熱するとβ相分解温度（９８２℃）Ｂ点に到達し、この温度まではβ−ＦｅＳｉ2 相構造を保つ。さらに温度が上昇してＢ点を越えてＣ点に至ると、加熱された部分のβ−ＦｅＳｉ2 相構造は分解し、わずかのε−ＦｅＳｉ相Ｄ点物質と、大部分がα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相Ｅ点物質に分離した混合結晶相になる。ここで変換されてできたα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相は金属相であり、これを電極材料として利用する。
【００３０】
加熱点の大部分がα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相に転換した材料の状態図中の位置は、Ｅ点となる。次いで、Ｅ点であるα相に転換した材料をそのまま急冷して室温付近のＦ点まで下げると、本来、安定熱平衡相であるβ−ＦｅＳｉ2 とＳｉの混合結晶相に分離せずに、α−Ｆｅ2 Ｓｉ5 のままで残る。この結晶相は金属なので電気の良導体となり電極材料として機能するわけである。
【００３１】
Ｅ点にある材料を室温近傍まで急冷しないで９００℃〜６５０℃近傍に良時間放置すると、α−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相は再びβ−ＦｅＳｉ2 半導体相とＳｉに分離析出されるので、電極としての金属特性を持たなくなる。β−ＦｅＳｉ2 相を加熱してα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相に転換した部分を電極として利用するためには、急速に室温付近Ｆ点まで冷却することが肝要である。
【００３２】
本発明の特徴は、試料膜の一部分を加熱操作によって結晶変態を引き起こして金属とするものであるから、半導体素子に電極を形成するデバイスを作製する場合に、外部から電極用金属を付着堆積しなくて良い。試料材料表面に何もない状態で平坦面のまま試料材料の一部が電極になるのであるから、従来の電極形成の際、発生していた材料と電極間の汚染は原理的になくなり、材料表面の過度の清浄化作業は不必要となる。また材料の接点表面は平坦な連続面であるために、オーミックコンタクトが完全に得られた電極が形成されることになる。
【００３３】
本発明のβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法は、必要な部分を加熱して金属相に変換することが特徴なので、加熱方法はレーザーアニール法に限らず、高熱の火炎や高熱金属片先端を圧着させるなどの方法でも可能である。
【００３４】
一般に半導体デバイスの電極は、その幅が１ｍｍ以下で数１００μｍ〜数１０μｍという微細なパターンで構成されるため、このような微細な部分を加熱して金属化する際の加熱方法としては、熱源を微小にすることが可能なレーザビームを用いるのが望ましい。レーザビームをレンズを用いて絞り込むと、その焦点に照射されるビーム径は数μｍ〜数１０μｍとなり、この部分が金属化するので光線や試料位置を移動させて加熱点を連続に繋げることによって自在な電極パターンが形成される。
【００３５】
加熱に用いられるレーザ光線はいろいろの波長のものがある。例えば、エキシマレーザのような紫外波長領域で強力な出力を持つもの、緑や赤の可視光領域で容易に得られる半導体やＨｅ、Ｎｅガスレーザ、ＣｄやＮｅ：ＹＡＧの固体レーザ、さらに１０μｍ長波長のＣＯ2 ガスレーザなどがある。それぞれ特徴があって、加熱することはできるが、効率よく光を吸収して加熱を速くするには、材料の光吸収係数と反射係数を選ばねばならない。すなわち、β−ＦｅＳｉ2 膜にとって吸収係数の高いのは波長０．９μｍから２μｍの光である。この点でＮｄ：ＹＡＧレーザは本発明の実施光源として最適である。紫外レーザはエネルギーパワーを大きくとれるが、エネルギーが高いので材料の原子分子を衝突飛散させてしまうため、加熱光源としては相応しくない。
【００３６】
また、可視光は反射が多く、熱源として効率的でない。長波長レーザは焦点面積が広がってしまい、微細な電極パターンに適さないし、光の吸収も少ない。
【００３７】
加熱に必要なエネルギーは、被照射材料の光吸収率、熱伝導率、融点、比熱などによって異なるが、半径数１０μｍ領域を１０００℃近傍に加熱するためには、１０+6Ｗ／ｃｍ2 のエネルギー密度が必要で、秒単位の短時間で良い。ビーム径が１〜２ｍｍの通常のレーザなら数Ｗの出力があれば、焦点に絞ったときには十分なエネルギー密度が得られる。
【００３８】
β−ＦｅＳｉ2 に対して、波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた場合、その光吸収率は１０5 と吸収効率がよく、この材料の熱伝導率は熱発電材料に用いられているように大変低いので、５０μｍ径の微小領域を１０００℃近傍に加熱するのは１０Ｗ出力光を絞り込んで数秒間照射すればよい。
【００３９】
レーザ光を絞って試料面を照射する部分の断面を拡大して示したのが図４である。
【００４０】
この図に示すように、試料板（シリコン基板）３１の上に積層成長されたβ−ＦｅＳｉ2 相３２の表面にレーザビーム３３が部位（加熱点）３４に集光照射されると、材料の光吸収によって加熱される。加熱点３４の温度は中心部が高く、熱伝導によって加熱部分が広がるが、中心部より遠ざかるにつれて温度は低くなっている。線３５はこの時の熱の拡散方向に沿った等温線である。なお、３６は電極、３７はレーザビーム３３の走査方向、３８はレーザビーム３３の走査による軌跡である。
【００４１】
ここで、β−ＦｅＳｉ2 →α−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相変換を引き起こすまで十分に加熱させた部分は金属相に変換する。この転換した部分を電極線とするにはビームの当たる位置を直線又は曲線状に動かすと、その軌跡３８に転換されたα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相が残る。一回の掃引では電極として十分に必要な幅を持たない場合は、ビームの当たる位置をα相に転換する幅だけ前の軌跡３８からずらして方向３７に隣り合わせて掃引していけば太い幅の電極パターンが得られることになる。
【００４２】
この操作を繰り返して望みの形状パターンを形成すれば、デバイス電極が得られることになる。
【００４３】
レーザビームは絞り込むことによってエネルギー密度を高められるので、微小領域加熱に適した方法であるが、例えば白熱灯のイメージ照射加熱の場合のようにエネルギー密度が上げられない場合には、被照射試料片にあらかじめ加熱バイアスをかけておく方法が有効である。すなわち、試料板（シリコン基板）と可動ステージの間に加熱ヒータを置いたり、または試料面全体にランプヒータ光を照射して、試料温度を５００℃を越えない程度に高めておく。
【００４４】
この温度範囲では試料のβ−ＦｅＳｉ2 相は変化せず、もちろんα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相にもε−ＦｅＳｉ相にも転換することはない。この状態の試料面に光源を照射すれば、パワーが少ない光源でも短時間に十分に９８２℃以上の温度に到達し、α−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相に変換することが出来る。金属相に転換したら急速に光源を消し急冷すれば５００℃近傍になるので、α相の金属のままでパターン化された電極が形成される。
【００４５】
以上、レーザ光の焦点位置を金属相化して、この連続繰り返し掃引で希望する電極パターンを得る方法について説明したが、材料の面全体に電極パターンの投影像を照射し、一度に全体の電極パターンを得る方法も考えられる。しかし、電極部分全体の大面積を加熱するレーザの光源には、非常に大きなパワーが必要とされるし、また、原図パターンに印加される熱量が大きくパターンを焼損しかねない。前述の予備加熱法は、もとのレーザのパワーを抑える効果を生むので、電極パターンの一部分を一度の照射で加熱照射して得るには、有効な方法であろう。
【００４６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、β−ＦｅＳｉ2 薄膜の一部分を９８２℃以上に加熱することにより、その部分をα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 相に相転換してその部分を導電電極とするようにしたので、従来は金属膜を蒸着してホトリソグラフィー法で形成していたデバイス電極を形成することなく、平坦表面のままで製造工程を著しく省略することができ、製造コストの廉価なデバイスが構成できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成方法を実施する装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すβ−ＦｅＳｉ2 素子の電極形成工程断面図である。
【図３】鉄とシリコンの２元状態図と加熱により金属化する際の現象を説明する原理図である。
【図４】レーザ焦点で照射する電極形成付近の拡大図である。
【符号の説明】
１，３１    試料板（シリコン基板）
２，３６    電極
３    加熱点
４    集光レンズ
５    ミラー
６，２３，３３    レーザビーム
７    ビームスイッチ
８    Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
９    コンピュータ
１０    ステージ
１１    アブソーバ
２１    シリコン基板
２２    半導体のβ−ＦｅＳｉ2 薄膜
２４    金属体のα−Ｆｅ2 Ｓｉ5 
２５    恒久的な電極
３２    β−ＦｅＳｉ2 相
３４    部位（加熱点）
３５    等温線
３７    レーザビームの走査方向
３８    レーザビームの走査による軌跡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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