(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温および常圧で気体状の酸素の塊状原子集団または分子集団であるガスクラスターのイオンをシリコン基板表面に照射してシリコン基板と反応させ、シリコン基板表面に反応薄膜を形成することを特徴とするガスクラスターイオンビームによる薄膜形成方法。
【請求項２】
構成分子数を選別したクラスターイオンを基板表面に照射して薄膜を形成する請求項１の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ガスクラスターイオンビームによる薄膜形成方法に関するものである。さらに詳しくは、半導体、その他電子デバイス等の製造や機能材の表面改質等に有用な、常温および常圧で気体状の酸素の集団であるガスクラスターイオンによる薄膜形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、単原子または単分子イオンを基板表面に照射することにより薄膜を形成する方法が実用化されている。そしてこの方法においては、低エネルギーイオン照射ではイオン間の空間電荷効果により実用上十分な密度のビームを得ることが困難であるため、数ｋｅＶという高い入射エネルギーを利用している。
【０００３】
しかしながら、この従来の方法の場合には、大きな入射エネルギーを持つイオンを利用することから、対象となる基板表面の損傷を避けることが難しく、半導体素子の特性を劣化することが大きな課題となっていた。
また、従来より、常温で気体状の反応性物質と半導体基板とを反応させることにより薄膜を形成する方法として、常温で気体状の反応性物質の雰囲気中で基板温度を高温に加熱して酸化膜、窒化膜などを形成する熱反応法が開発され、この熱反応法によって形成した薄膜は優れた界面特性、絶縁性を有するため、シリコン半導体素子の絶縁膜、容量絶縁膜の薄膜形成方法として実用化されている。
【０００４】
そして、この反応薄膜の形成方法については、集積回路素子の微細化が進むにつれて不純物の許容拡散距離が小さくなり、より低温で薄膜を形成する方法が要求されていることから、そのための方法として化学気相成長（ＣＶＤ）法が採用されてきている。
しかしながら、この場合においても基板表面を４００℃以上に加熱する必要があり、熱反応法と比較して膜の緻密度が低く、基板と薄膜との界面に不飽和結合手が多く存在するなどの欠点がある。
【０００５】
さらに、低温で薄膜を形成する方法としてプラズマＣＶＤ法が知られているが、この場合には不純物の混入量が多く、イオンによる基板表面の損傷を生じ、極薄の膜厚制御が困難であるなどの欠点があり、高品位性が要求されるトランジスタのゲート絶縁膜、容量絶縁膜には用いることができないという欠点があった。このように、従来の技術によっては薄膜の形成温度を低温化するほど薄膜の膜質は劣化し、超微細半導体回路素子に適用できる極薄の薄膜を得ることは困難であった。
【０００６】
このため、ＵＬＳＩ等の高度エレクトロニクスの発展へと向かうための基盤技術として、より低温で、特には基板を加熱することなく室温で、基板表面を損傷することなく、より高品質の薄膜を形成することのできる新しい方法の実現が強く望まれていた。
この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来の薄膜形成法の欠点を解消し、室温においても基板への損傷がない状態で、平滑な界面を有する極薄の高品質薄膜を形成する方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、常温および常圧で気体状の酸素の塊状原子集団または分子集団であるガスクラスターのイオンをシリコン基板表面に照射してシリコン基板と反応させ、シリコン基板表面に反応薄膜を形成することを特徴とするガスクラスターイオンビームによる薄膜形成方法を提供する。
【０００９】
【作用】
この発明においては、常温および常圧で気体状の酸素の塊状原子集団または分子集団であるガスクラスターを生成させ、これに電子を照射してイオン化し、生成した酸素クラスターイオンを、必要に応じて特定のサイズのビームを選別して基板表面に照射する。
【００１０】
この場合、酸素クラスターイオンは加速電圧により加速して照射する。クラスターは、通常数百個の原子または分子集団により構成されているので、たとえ加速電圧が１０ｅＶでもそれぞれの原子または分子は、数十ｅＶ以下の超低温イオンビームとして照射されるので、極めて損傷程度の低い良質な極薄膜を室温において形成できる。また、酸素クラスターイオンの持つ基板表面の不純物の除去効果により、不純物の極めて少ない薄膜を得ることができる。
【００１１】
照射する酸素クラスターは、基板の種類や所要の薄膜組成等に応じて、その構成分子数を選別して照射することも有効である。
酸素クラスターそのものの生成については、すでにこの発明の発明者が提案しているように、加圧状態の気体を真空装置内に膨張型ノズルを介して噴出させることで生成可能である。このようにして生成した酸素クラスターは、電子を照射してイオン化することができる。
【００１２】
そして、この発明では、常温および常圧で気体状の酸素の塊状原子集団または分子集団であるガスクラスターのイオンを基板表面に照射して反応させ、基板表面に薄膜を形成すると同時に、その表面を平坦化することをも可能としている。
【００１３】
以下、実施例を示してさらに詳しく酸素クラスターイオンビームと基板とを反応させる薄膜形成方法について説明する。
【００１４】
【実施例】
実施例１
まず、酸素のクラスターを生成するための条件について評価した。
図１に示したとおり、ノズル（１）部分に取り付けた配管（２）内に冷却した乾燥窒素ガスを流してノズル（１）部分を冷却した。これにより、室温では形成できなかったガスのクラスターイオン化を可能とした。
図２は、酸素（Ｏ2）ガスのクラスタービーム強度の、ノズル温度を変化させた場合の供給圧力との関係を示した図である。参考のために図３にＡｒガスについてクラスタービーム強度の供給圧力との関係を示す。
これらの結果から、酸素クラスターは、次式に沿うものとして、その生成のしやすさが判定されることがわかる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
実施例２
図４は、構成原子数（クラスターサイズ）２５０以上のＯ2クラスターイオンを、常温で、加速電圧４ｋＶ、ドーズ量１×１０15ions/cm2の条件でＳｉ基板表面に照射することにより形成した薄膜の赤外吸収スペクトルを示したものである。図４から上記条件でのＯ2クラスターイオンの照射で４０Å程度の酸化膜が形成されていることが判る。
実施例３
表１は、ＣＯ2クラスターイオンとＯ2クラスターイオンを同一の照射条件である、加速電圧４ｋＶ、クラスターサイズ２５０以上、ドーズ量１×１０15ions/cm2の条件でＳｉ基板に照射することにより形成した酸化膜を光電子分光法で調べた結果を示している。参考のために、未照射の清浄なＳｉ基板について調べた結果を併せて示す。Ｏ2クラスターイオンを用いることにより、ＣＯ2クラスターイオンを用いた場合と比べて、より厚い酸化膜を形成することができる。また、Ｏ2クラスター照射により形成した酸化膜のＣｌｓコアレベルからの発光スペクトルの相対強度は、最も膜厚が厚いにもかかわらず、未照射基板での値と同程度であり、炭素含有量が殆どないことがわかる。このように、炭素の膜中への残留を好まない場合、より厚い酸化膜を得るためにＯ2クラスターイオンが有効であることが示された。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【発明の効果】
この発明により、以上詳しく説明したとおり、酸素クラスターイオンを基板表面に照射し基板と反応させることによって、室温においても、極めて平滑な界面を有する極薄の、高品質の反応性薄膜を基板損傷無しに形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却手段を有するノズルによる酸素ガスのクラスターを生成するための構成図である。
【図２】酸素ガスについて、ノズル強度を変化させた場合の供給圧力とクラスタービーム強度との関係を例示した図である。
【図３】参考として、アルゴンガスについて、ノズル温度を変化させた場合の供給圧力とクラスタービーム強度との関係を例示した図である。
【図４】酸素（Ｏ2）ガスクラスターをＳｉ基板表面に照射して形成した酸化膜の赤外吸収スペクトル図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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