(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に成長させるべき層の種類に対応した原料ガスをそれぞれ個別に単一の真空容器内に順次に導入して前記真空容器内の半導体基板に暴露すると共に、加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を特定領域に走査して照射することにより、前記電子線による気相及び表面の励起作用を利用して前記半導体基板上に半導体層、絶縁層、金属層を積層状態で各層の成長と成形とをそれぞれ同時に行い、これにより前記半導体基板上に順次に形成される層を積層させて半導体素子を製造するようにしたことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記半導体層、絶縁層、金属層をそれぞれ形成するための各プロセスにおける前記半導体基板の加熱温度を、５００℃以下に設定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
（ａ）  単一の真空容器、
（ｂ）  前記真空容器内に配置された加熱ヒータ内蔵の基板載置台、
（ｃ）  前記真空容器の外部から内部へ複数種類の原料ガスをそれぞれ個別に導入するための原料ガス導入管、及び
（ｄ）  前記真空容器内に設置された半導体基板に向けて、加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を放射する電子線源、
から構成された層形成装置と、
（ｅ）  前記電子線源の走査制御を行なう制御用コンピュータ、
（ｆ）  前記電子線源からの電子線の放射時に前記半導体基板の表面から発生する２次電子を検出する２次電子検出器、及び
（ｇ）  前記２次電子検出器から得られる検出信号に基づいた２次電子画像を表示する画像表示装置、
から構成された制御・監視装置と、
をそれぞれ具備し、
前記加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を特定領域に走査して照射することにより、前記電子線による気相及び表面の励起作用を利用して前記半導体基板上に半導体層、絶縁層、金属層を積層状態で各層の成長と成形とをそれぞれ同時に行い、これにより前記半導体基板上に順次に形成される複数種類の層を積層させて半導体素子を製造する際に、前記画像表示装置に表示される２次電子画像にて前記層の成長及び成形の状態を監視し得るようにしたことを特徴とする半導体素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に例えば半導体層、絶縁層、金属層等を形成して半導体素子の製造を行なうための方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばＭＯＳ（Ｍetal- Ｏxide- Ｓemiconductor, 金属・酸化物・半導体）トランジスタ等の半導体素子の製造にあたっては、半導体基板上に半導体層、絶縁層、金属層を積層状態で形成する必要がある。従来においては、これらの絶縁層、半導体層、金属層を形成するためにそれぞれ個別の反応装置が必要である上にそれぞれの層を所要形状に加工するために写真蝕刻技術を応用したリソグラフィという工程を別途必要としていた。
【０００３】
また、成長させた層（膜）を形状加工する際には、通常、層表面に感光剤を塗布し、それをパターン化されたマスクを通して露光することにより感光剤自身をパターン化し、感光剤開口部分をプラズマや薬品によってエッチングすることにより最終的に所望の層形状を得るようにしているのが実状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の製造方法では、それぞれのプロセス毎（絶縁層、半導体層、金属層を順次形成するためのプロセス毎）に各装置から半導体基板を出し入れする必要があり、操作が非常に煩雑であるという問題点がある。このような煩雑さは、半導体素子中に汚染物を混入させる危険性があり、歩留まり低下の要因となる。また、製造装置のために莫大な初期投資が必要となる上に、それぞれの装置を正常に維持しなければならないため、かなりの維持管理費用（メンテナンス費用）が必要である。
【０００５】
また、半導体層、絶縁層、金属層の形状加工の際に層表面に塗布する感光剤は有機物であるため、この感光剤が汚染の原因となる可能性がある上に、位置合わせ精度の高い露光装置並びに熟練した露光技術が必要である。このため、歩留まり低下並びに製造作業能率の低下の大きな要因となっている。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みて提案されたものであって、その目的は、半導体基板を一度も真空容器から取り出すことなく、比較的に低い温度で各半導体層をそれぞれ形成することができ、汚染の少ない高品質の半導体素子を能率良く製造することができるような半導体素子の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る半導体素子の製造方法では、半導体基板上に成長させるべき層の種類に対応した原料ガスをそれぞれ個別に単一の真空容器内に順次に導入して前記真空容器内の半導体基板に暴露すると共に、加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を特定領域に走査して照射することにより、前記電子線による気相及び表面の励起作用を利用して前記半導体基板上に半導体層、絶縁層、金属層を積層状態で各層の成長と成形とをそれぞれ同時に行い、これにより前記半導体基板上に順次に形成される層を積層させて半導体素子を製造するようにしている。
【０００９】
また、本発明に係る半導体素子の製造方法では、前記半導体層、絶縁層、金属層をそれぞれ形成するための各プロセスにおける前記半導体基板の加熱温度を５００℃以下に設定するようにしている。
【００１０】
また、本発明に係る半導体素子の製造装置では、
（ａ）  単一の真空容器、
（ｂ）  前記真空容器内に配置された加熱ヒータ内蔵の基板載置台、
（ｃ）  前記真空容器の外部から内部へ複数種類の原料ガスをそれぞれ個別に導入するための原料ガス導入管、及び
（ｄ）  前記真空容器内に設置された半導体基板に向けて、加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を放射する電子線源、
から構成された層形成装置と、
（ｅ）  前記電子線源の走査制御を行なう制御用コンピュータ、
（ｆ）  前記電子線源からの電子線の放射時に前記半導体基板の表面から発生する２次電子を検出する２次電子検出器、及び
（ｇ）  前記２次電子検出器から得られる検出信号に基づいた２次電子画像を表示する画像表示装置、
から構成された制御・監視装置と、
をそれぞれ具備し、
前記加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を特定領域に走査して照射することにより、前記電子線による気相及び表面の励起作用を利用して前記半導体基板上に半導体層、絶縁層、金属層を積層状態で各層の成長と成形とをそれぞれ同時に行い、これにより前記半導体基板上に順次に形成される複数種類の層を積層させて半導体素子を製造する際に、前記画像表示装置に表示される２次電子画像にて前記層の成長及び成形の状態を監視し得るようにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例につき図１及び図２を参照して説明する。なお、図１は本発明に係る半導体素子の製造方法を施行するために使用される半導体素子製造装置１の構成を概念的に示す説明図、図２はこの半導体素子製造装置１を用いて半導体素子を製造する際の手順（プロセス）を示す工程図である。
【００１２】
本例の半導体素子製造装置１は、図１に示すように、半導体基板１３上に層を形成する層形成装置２と、この層形成装置２の動作を制御すると共に層形成装置２における層成形状態を監視する制御・監視装置３とをそれぞれ具備している。上述の層形成装置２は、真空容器４と、この真空容器４に取付けられた電子線源（電子銃）５と、真空容器４内に配置された基板載置台（ステージ）６と、この基板載置台６に内蔵された加熱ヒータ７と、所定の種類の原料ガスを真空容器４内に導入する原料ガス導入管８とで構成されている。また、上述の制御・監視装置３は、前記電子線源５から放出される電子線を所定の経路に沿って走査するための制御用コンピュータ９を備えており、この制御用コンピュータ９にはモニター用の画像表示装置１０が備えられている。そして、真空容器４内に配置された２次電子検出器１１から得られる検出信号に基づいて、層形成状態の画像が画像表示装置１０にて表示されるように構成されている。
【００１３】
上述の半導体素子製造装置１を用いて半導体素子を製造するに際しては、まず、真空容器４内の基板載置台６上に半導体基板（ウェーハ）１３を載置し、この半導体基板１３を加熱ヒータ７にて所定温度に加熱する。しかる後に、原料ガス導入管８を通して真空容器４内に所要の原料ガス（例えば、半導体層の形成の場合にはＳｉ2 Ｈ6 及びＢ2 Ｈ6 、或いはＳｉ2 Ｈ6 及びＰＨ3 、絶縁層の形成の場合にはＳｉ2 Ｈ6 及びＯ2 、金属層の形成の場合にはＷＦ6 ）を導入して半導体基板１３の表面に暴露すると共に、電子線源６から加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線（反応の励起源）を制御用コンピュータ７で走査制御しながら照射する。これに伴い、電子線による気相及び表面の励起作用によって原料ガスに応じた層がその照射箇所において成長する。このとき半導体基板１３の表面から発生する２次電子は、２次電子検出器１１によって検出されて制御用コンピュータ９に取り込まれ、これに応じて画像表示装置１０に画像表示される。なお、電子線源５は、原料ガスの影響を受けないように差動排気される。
【００１４】
次に、例えばｐ型ＭＯＳトランジスタを製造する場合の具体的な手順及び作用について述べると、以下の通りである。まず、図２（Ａ）に示すように半導体基板１３の表面を清浄化した後に、原料ガスＳｉ2 Ｈ6 とＰＨ3 とを所定の割合で混合して得られる混合ガスを原料ガス導入管８を通して真空容器４内に導入して加熱状態（５００℃以下）の半導体基板１３の表面上に暴露する。これにより、半導体基板１３の表面１３ａの全体に図２（Ｂ）に示す如くｎ型領域層１４を気相成長（エピタキシャル成長）にて形成する。但し、成長時間、原料ガスＳｉ2 Ｈ6 及びＰＨ3 の混合の割合、及び加熱の温度は設計された半導体の仕様によりそれぞれ異なるため、ここでは規程しない。
【００１５】
次に、原料ガスＳｉ2 Ｈ6 とＰＨ3 とを所定の割合で混合して５００℃以下に加熱された半導体基板１３上に導入すると同時に、加速電子１ＫＶ以下の収束電子線を電子線源５からｎ型領域層１４の表面１４ａ上に所定の形状に沿って走査しながら照射することにより、画像表示装置１０の表示画面に映し出された２次電子像でその形状を確かめながら図２（Ｃ）に示すようなステップ様の形状のｎ型ステップ層１５をｎ型領域層１４上に積層状態で形成する。しかる後に、Ｓｉ2 Ｈ6 とＰＨ3 との混合ガスを真空容器４内から排出すると共に原料ガスＳｉ2 Ｈ6 とＢ2 Ｈ6 とを所定の割合で混合して成る混合ガスを真空容器４内に原料ガス導入管８を通して導入し、電子線源５から加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を前記ｎ型領域層１４の表面の一部分であってかつ前記ｎ型ステップ層１５の間の部分の領域を埋めるように走査しながら照射することにより、図２（Ｄ）に示す如くｐ型領域層１６を形成する。このとき、ｐ型領域層１６とｎ型領域層１４との表面高さが等しくなるように（図２（Ｄ）参照）、画像表示装置１０の表示画面に映し出された２次電子像で確かめながら成層を行う。
【００１６】
次いで、加熱ヒータ７による加熱を停止し、上述の如くｎ型領域層１４，ｎ型ステップ層１５及びｐ型領域層１６から成る半導体積層層が形成された半導体基板１３を室温に設定する。そして、原料ガスＳｉ2 Ｈ6 とＢ2 Ｈ6 との混合ガスを真空容器４内から排出すると共にＳｉ2 Ｈ6 とＯ2 とを所定の割合で混合した混合ガスを原料ガス導入管８を通して真空容器４内に導入し、この混合ガスを室温に設定された前記ｎ型ステップ層１５及びｐ型領域層１６の表面１５ａ及び１６ａに暴露すると同時に、電子線源５から加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線をこれらの表面１５ａ及び１６ａに所定の形状に沿って走査しながら照射することにより、図２（Ｅ）に示す如くｎ型ステップ層１５の表面１５ａの全部分を覆うステップ様のＳｉＯ2 ステップ層（絶縁層）１７を形成する。
【００１７】
その後に、Ｓｉ2 Ｈ6 とＯ2 との混合ガスを真空容器４内から排出すると共にＷＦ6 原料ガス導入管８を通して真空容器４内に導入し、これと同時に、電子線源５から加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線をＳｉＯ2 ステップ層１７の間の部分すなわちｐ型領域層１６の表面１６ａの一部分に対応して形成された開口部１８の全部分を埋めるように走査しながら照射することにより、図２（Ｆ）に示す如くタングステン製の電極１９を形成する。なお、図２（Ｆ）において左右両箇所のものがソース電極及びドレイン電極となり、中間箇所のものがゲート電極となる。
【００１８】
このような一連の手順により、ｐ型ＭＯＳトランジスタ２０が製造され、半導体素子製造プロセスが完了する。なお、上記の手順においてｎ型領域層とｐ型領域層との入れ替え、すなわちＰＨ3 とＢ2 Ｈ6 との入れ替えにより、ｎ型ＭＯＳトランジスタの製造にも同様に対応することができる。
【００１９】
なお、上述の場合において、反応の励起源として照射する電子線の加速電圧を１ＫＶ以下に設定した理由は、反応に寄与する二次電子の発生を促進して反応効率を高めるため、及び、高エネルギーによる表面損傷を抑制するためである。また、本例においては半導体基板１３の加熱温度を比較的に低い加熱温度である５００℃以下に設定しているが、このような低温に設定しても各層の形成が可能なのは、電子線の励起効果により成長反応が充分に促進されるからである。
【００２０】
以上述べたような本例の方法及び装置によれば、半導体基板１３の表面の所望の位置に所望の形状で、原料ガスの種類によらず所要の層を低温で形成することが容易に可能となる。さらに、個々の層を単一の真空容器４から一度も取り出すことなくこの真空容器４内で順次に積層成形することにより、半導体素子の製造を単一の真空容器４内にみにて能率的に行なうことが可能となる。しかも、層の成長及び成形時にその状態を逐次モニターできるため、品質の良い半導体素子を得ることができ、非常に実用的である。
【００２１】
【発明の効果】
以上の如き本発明によれば、下記のような効果が得られるので、半導体素子製造方法及び装置として好適である。
（１）  電子線を反応の励起源として使用しているので、全てのプロセス温度（半導体基板の加熱温度）を５００℃以下の比較的に低い温度にできる。
（２）  電子線を反応の励起源として使用しているので、電子線照射による反応選択性及び空間選択性により、電子線を照射したところにのみ所望形状の半導体層，絶縁層及び金属層を選択的に形成することができる。
（３）  原料ガスの種類を変えるだけで、半導体素子を構成する全ての層の成長・形成に対応できる。
（４）   全てのプロセスが同一の真空容器内で連続的に行えるので、半導体基板を一度も真空容器から取り出す必要がなく、従って、半導体素子中に汚染物が混入することがない。このため、高品質の半導体素子を能率良く製造することができる。
（５）  本発明においては、加速電圧１ＫＶ以下の収束電子線を用いるようにしているので、反応に寄与する二次電子の発生を促進して反応効率を高めることができると共に、高エネルギーによる表面損傷を抑制することができる。
（６） 本発明の一実施形態においては半導体基板の加熱温度を比較的に低い加熱温度である５００℃以下に設定しているが、このような低温に設定しても、電子線の励起効果により成長反応が充分に促進されるので、各層の形成が可能である。
【００２２】
要するに、本発明によれば、単一の真空容器中で半導体素子の製造に必要な全プロセスを比較的低温で行うことが可能となり、製造される半導体素子も汚染の少ない高品質なものにすることができる。このことから、本発明は産業上極めて有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子の製造方法を実施するために用いられる半導体素子製造装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１の装置を用いて半導体素子を製造するための手順を説明するためのプロセスチャートである。
【符号の説明】
１  半導体素子製造装置
２  層形成装置
３  制御・監視装置
４  真空容器
５  電子線源（電子銃）
６  基板載置台
７  加熱ヒータ
８  原料ガス導入口
９  制御用コンピュータ
１０  画像表示装置
１１  ２次電子検出器
１３  半導体基板
１４  ｎ型領域層
１５  ｎ型ステップ層
１６  ｐ型領域層
１７  ＳｉＯ2 ステップ層
１８  開口部
１９  電極
２０  ｐ型ＭＯＳトランジスタ
【図１】
0003876025.tif 000002
【図２】
0003876025.tif 000003