JPH0131660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、電子ビームアニール装置の改良に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕 近時、試料上に電子ビームを照射し、該ビーム
を走査して試料をアニールする電子ビームアニー
ル装置が開発されている。そして、この装置を用
いて絶縁物上の半導体膜をアニールすることによ
り、半導体膜上に形成したMOSトランジスタ等
の素子特性がバルク半導体上に形成したデバイス
の素子特性に近くなることが判り、電子ビームア
ニール装置の有用性が注目を集めている。

絶縁物、例えばSiO₂膜はアモルフアスであり、
通常の方法でこのSiO₂膜上に堆積した多結晶Si
膜はその結晶粒径が数100〔Å〕程度しかなく、こ
の多結晶Si膜上に形成したMOSトランジスタの
キヤリア移動度は10〔cm²／ν.sec〕程度であり、か
つリーク電流も大きい。しかし、上記多結晶Si膜
をエネルギ密度の高い電子ビームで照射走査する
と、Siが溶融し走査につれて再結晶化する。そし
て、結晶粒径は数1000〔Å〕〜数〔μｍ〕となり、
この上に形成したMOSトランジスタのキヤリア
移動度は100〔cm²／ν.sec〕のオーダとなる。また、
基板としてSi単結晶を使用しSiO₂膜の一部を開
孔し多結晶Si膜を一部基板と接触させてSiO₂膜
上に堆積した場合、上述の電子ビームアニールに
より溶融した多結晶SiはまずSi単結晶と接する部
分で固化しエピタキシヤル成長する。単結晶化が
SiO₂膜上の溶融Siに進行すると単結晶膜が得ら
れることになり、この上にMOSトランジスタを
形成するとその素子特性は、バルク半導体上に形
成したデバイスのそれに一層近ずく。このよう
に、電子ビームアニール装置を用いSiO₂膜上の
多結晶Siを溶融固化することにより、堆積時の結
晶粒経に比して大きな結晶粒を得ることができ
る。

しかしながら、この種の手法にあつては次のよ
うな問題があつた。すなわち、電子ビームアニー
ルにより多結晶Siの結晶粒は成長するが、多結晶
Siが折角溶融するにも拘わらず、高々数〔μｍ〕
程度の結晶粒に留まる。また、多結晶Siの一部を
Si単結晶に接触させた場合でも、単結晶化する部
分は接触部から20〔μｍ〕程度しかのびない。つ
まり、絶縁物上の半導体膜の特性向上をはかるに
も限度があり、この半導体膜上に形成するデバイ
スの素子特性の大幅な向上は望み得なかつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、多結晶シリコン等の半導体膜
を電子ビームアニールにより優れた特性の膜とす
ることができ、この半導体膜上に形成するデバイ
スの素子特性向上等に寄与し得る電子ビームアニ
ール装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、試料上でのビーム形状を改良
し、液相−固相境界が固相に関し液相側に凸とな
るようにしたことにある。すなわち、多結晶Si等
の試料を電子ビームアニールする場合、通常電子
ビーム形状が円形（ガウス分布）であるため、溶
融された部分はその外側から固化する。つまり、
溶融部の辺から結晶核発生が起り、これが再結晶
化を妨げる要因となることが判つた。したがつ
て、溶融部の再固化をその中央部から外側に向か
うよう、つまり液相−固相境界が固相に関し液相
側に凸となるようにすれば、再結晶化及び結晶粒
径増大化等に有効となる。そして、上記液相−固
相境界を試料上のビーム形状の選択によつて実現
できることが確認された。

本発明はこのような点に着目し、電子放射体か
ら放射された電子ビームを集束加速して試料上に
照射すると共に、該ビームと試料とを相対的に移
動せしめて試料をアニールする電子ビームアニー
ル装置において、上記試料上のビーム形状が少な
くとも１箇所外方に凹部を有するようビーム形状
を整形し、かつこの整形されたビームに対する試
料の運動方向が上記凹部の開放側に向かうように
したものである。

また本発明は、上記試料上のビーム強度が中心
部より外周部の方が強くなるようビーム強度を制
御したものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電子ビームアニールによる試
料の液相−固相境界を固相に関し液相側に凸とす
ることができる。このため、試料として絶縁物上
の多結晶Si膜等を用いた場合、その溶融部の再固
化が中央部から外側に向かつて生じることにな
る。つまり、再固化部分に含まれる結晶粒界が溶
融部の外側に向つて伸びるため、単一の結晶のみ
が選択され、長大な単結晶膜を得ることができ
る。すなわち、多結晶Si等の半導体膜を電子ビー
ムアニールにより優れた特性の膜とすることがで
き、この半導体膜上に形成するデバイスの素子特
性向上をはかることが可能となる。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例に係わる電子ビ
ームアニール装置を示す概略構成図である。図中
１はタングステンからなるカソード（電子放射
体）で、このカソード１は直径２〔mm〕の円柱体
の一部を中心軸に関し90゜扇形に切欠して形成さ
れている。また、カソード１はその中心軸を後述
する光学系の光軸と一致するよう配置され、上記
光軸を中心として回動せられるものとなつてい
る。カソード１の上部には直径0.5〔mm〕のタング
ステン線２がウエルドされ、カソード１の外周に
はカソード１を加熱するためのフイラメント３が
設けられている。また、図中４はカソード１から
放射される電子ビームを制御するためのウエネル
ト電極、５は上記電子ビームを加速するためのア
ノードであり、これらカソード１、フイラメント
３、ウエネルト電極４、及びアノード５等から電
子銃が構成されている。

電子銃の下方には、電子ビームを集束するため
の電磁レンズ６，７、電子ビームを偏向するため
のｘ方向及びｙ方向の偏向板８，９がそれぞれ配
置されている。そして、電子銃から発射された電
子ビームは電磁レンズ６，７により試料面１０上
に集束照射され、偏向板８，９により試料面１０
上で走査されるものとなつている。ここで、試料
面１０上に結像される電子ビームの形状は前記カ
ソード１の下端面（放射端面）と略同様であり、
第２図に示す如く円形像の1/4を扇形に切欠した
ものとなる。この整形されたビームは該ビームの
切欠部側方向（第２図中矢印Ａ方向）に試料面１
０が相対的に移動するようＡ方向と逆方向に走査
されるものとなつている。なお、前記電磁レンズ
６，７等の設定により試料面１０上のビームは回
転するが、この回転はカソード１を回動させるこ
とで補正されるものとなつている。

このように構成された本装置を用い、多結晶si
膜のアニールを行つたところ次のような結果が得
られた。まず、試料としては単結晶Siウエハをウ
エツト酸化し5000〔Å〕のSiO₂膜を形成し、この
上に減圧CVD法で多結晶Si膜を5000〔Å〕堆積
し、さらにこの上に減圧CVD法でSiO₂膜を1000
〔Å〕堆積したものを用いた。加速電圧は10
〔kV〕、ビーム電流は４〜７〔ｍＡ〕、試料上での
ビーム径は〜250゜〔μｍ〕あつた。上記の条件で
多結晶Si膜をアニール（ビーム走査１回）し、表
面のSiO₂膜をエツチングして多結晶Si膜の結晶
粒成長を調べた。その結果、幅約100〔μｍ〕、長
さ数〔mm〕の単結晶薄膜が得られていることが判
明した。

一方、前記カソード１として直径２〔mm〕のタ
ングステン円柱を用い、すなわち従来装置を用い
上記と同一条件下で多結晶Si膜のアニールを行つ
たところ、結晶粒は高々数〔μｍ〕径であつた。
これは、円形電子ビームを走査するとき溶融池の
形状は円であり、直線走査により溶融帯の外側部
が中心部より早く固化する。そして、両側より粒
界が発生し内側に進むためである。これに対し本
実施例装置を用いた場合、溶融帯の中心部が外側
部より早く固化し、中心部より発生した粒界が両
側に進むため、前述したように大きな結晶粒が得
られ、かつ大きな単結晶薄膜が得られるのであ
る。

かくして本実施例方法によれば、SiO₂膜等の
絶縁物上に堆積した多結晶Si膜をアニールするこ
とにより、その結晶粒増大及び再結晶化をはかり
得、優れた特性の膜とすることができる。したが
つて、この膜上に形成するMOSトランジスタ等
の半導体デバイスの素子特性向上をはかり得る。
また、従来装置に比してカソード１の形状を変え
るのみで容易に実現し得る等の効果を奏する。

第３図ａ，ｂは第２の実施例を説明するための
もので、同図ａはカソード構成を示す斜視図、同
図ｂは試料上でのビーム形状を示す模式図であ
る。この実施例が先に説明した第１の実施例と異
なる点は、前記円柱の一部を切欠したカソード１
の代りにタングステン円柱体を２個用いるように
したことである。すなわち、本実施例装置のカソ
ード１１は第３図ａに示す如く直径1.5〔mm〕の２
個のタングステン円柱体１１ａ，１１ｂから構成
されている。なお、これらのタングステン円柱体
１１ａ，１１ｂは前記光軸を中心とし0.5〔μｍ）
離間して軸対称に配置されている。

このような構成であれば、試料面１０上に照射
される電子ビームの形状は第３図ｂに示す如く２
個の円の一部を重ねたものとなる。つまり、ビー
ムの対向する２箇所が外方に凹となつている。し
たがつて、試料面１０が上記凹部の開口側（図中
Ｂ方向）に相対移動するような電子ビームを走査
すれば、先の第１の実施例と同様の効果が得られ
る。

ちなみに、この装置を用い多結晶Si膜をアニー
ルしたところ次のような結果が得られた。まず、
試料としては（100）Si単結晶基板上のSiO₂膜に
＜110＞方向に幅３〔μｍ〕の溝を形成し、この上
に減圧CVD法で多結晶Si膜を7000〔Å〕堆積し、
さらにこの上に1500〔Å〕のSiO₂膜を堆積したも
のを用いた。加速電圧、ビーム電流等の条件は先
の実施例と同様の条件とし、上記多結晶Si膜を走
査速度50〜150〔cm／sec〕でアニールした。その
結果、溝部でSi単結晶と接触した大部分から単結
晶膜がSiO₂膜上に数〔mm〕もの長さに成長して
いることが判明した。これを従来装置で行つた場
合、単結晶膜は溝部から数10〔μｍ〕程度しか伸
びなかつた。

第４図は第３の実施例を説明するためのもの
で、アパーチヤマスク形状を示す平面図である。
この実施例が先の第１の実施例と異なる点は、前
記カソード１の形状を規定する代りに、前記アノ
ード５と電磁レンズ６との間に第４図に示す如き
ダンベル状アパーチヤ１２ａを有するアパーチヤ
マスク１２を配置したことにある。なお、この場
合カソード１としては従来と同様のタングステン
円柱体を用いた。

このような構成であれば、試料面上でのビーム
形状では先の第２の実施例と略同様となる。した
がつて、先の第１の実施例と同様の効果が得られ
る。

第５図ａ，ｂは第４の実施例を説明するための
もので、同図ａはカソード形状を示す斜視図、同
図ｂは試料面上でのビーム形状を示す模式図であ
る。この実施例が先の第１の実施例と異なる点は
前記カソード１の形状を第５図ａに示す如く円筒
形にしたことにある。すなわち、カソード１は直
径２〔mm〕のタングステン円柱体の軸心に直径0.7
〔mm〕の孔を穿設して形成されている。

このような構成であれば、試料面１０上に照射
される電子ビームの形状は第５図ｂに示す如くド
ーナツ形となる。つまり、試料面１０上でのビー
ム強度が内側より外周側の方が強いものとなる。
このドーナツ形ビームを一方向に走査した場合、
走査領域の中心付近では最初に加熱された部分が
ビーム中心のビームの無い若しくは希薄な部分で
冷却され再び加熱されることになり、その結果と
して外側に比べ内側の方が平均的な加熱量が少な
くなる。このため、先の第１の実施例と同様に中
心部から発生した結晶粒が両側に成長することに
なる。

したがつて、本実施例によつても、先の第１の
実施例と同様な効果が得られる。また、ビームの
走査方向がビーム形状に規定されないので、前記
カソード１を回転させるための回転機構等が不要
になり、構成の簡略化をはかり得ると云う利点も
ある。

なお、本発明は上述した各実施例に限定される
ものではない。例えば、前記第１の実施例におい
て電子放射体の形状はその放射端面が少なくとも
１箇所外方に凹なる部分を有するものであればよ
い。さらに、第３の実施例においてアパーチヤマ
スクの配置位置やアパーチヤ形状等は、仕様に応
じて適宜変更することができる。また、第４の実
施例において電子放射体の形状は必ずしも円筒に
限るものではなく、第６図ａに示す如く円柱体の
放射端面側から適当な深さその軸心を中心とする
円形の穴を形成したものであつてもよい。つま
り、放射端面形状がドーナツ形のものであればよ
い。さらに、電子放射体として第６図ｂに示す如
きタングステン棒２１の外周にThO₂等の電子放
射率の高い部材２２を塗布したものを用いること
も可能である。また、電子放射体の材料はタング
ステンやTiO₂等に限るものではなく、仕様に応
じて適宜変更できるのも勿論のことである。ま
た、前記電子ビームを偏向走査する代りに、試料
を移動するようにしてもよい。さらに、試料とし
ては多結晶Siの他に各種の半導体膜に適用するこ
とが可能である。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる電子ビ
ームアニール装置を示す概略構成図、第２図は上
記実施例の作用を説明するためのものでビーム形
状を示す模式図、第３図ａ，ｂは第２の実施例を
説明するためのもので第３図ａは電子放射体形状
を示す斜視図、第３図ｂはビーム形状を示す模式
図、第４図は第３の実施例を説明するためのもの
でアパーチヤマスク形状を示す平面図、第５図
ａ，ｂは第４の実施例を説明するためのもので第
５図ａは電子放射体形状を示す斜視図、第５図ｂ
はビーム形状を示す模式図、第６図ａ，ｂは変形
例を説明するためのものでそれぞれ電子放射体形
状を示す斜視図である。 １……カソード（電子放射体）、２……タング
ステン線、３……フイラメント、４……ウエネル
ト電極、５……アノード、６，７……電磁レン
ズ、８，９……偏向板、１０……試料面、１１
ａ，１１ｂ……タングステン円柱体、１２……ア
パーチヤマスク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子放射体から放射された電子ビームを集束
   加速して試料上に照射する手段と、上記試料上の
   ビーム形状が少なくとも１箇所外方に凹なる部分
   を有するようビーム形状を整形する手段と、上記
   整形されたビームに対する前記試料の運動方向が
   該ビームの凹部の開放側に向かうよう上記試料及
   びビームを相対的に移動せしめる手段とを具備し
   てなることを特徴とする電子ビームアニール装
   置。 ２ 前記ビーム形状を整形する手段は、前記電子
   放射体として、その放射端面形状が少なくとも１
   箇所外方に凹なる部分を有するものを用いたこと
   である特許請求の範囲第１項記載の電子ビームア
   ニール装置。 ３ 前記ビーム形状を整形する手段は、前記電子
   放射体として、円形若しくは多角形の放射端面を
   有する２個の電子放射体を用い、これらの電子放
   射体を光軸に対して対称に、かつ離間して配置し
   たことである特許請求の範囲第１項記載の電子ビ
   ームアニール装置。 ４ 前記電子放射体は、光軸を中心として回動自
   在に設けられたものである特許請求の範囲第２項
   又は第３項記載の電子ビームアニール装置。 ５ 前記ビーム形状を整形する手段は、前記電子
   ビームの通路上に該ビームの形状を規定するアパ
   ーチヤマスクを設け、かつこのアパーチヤマスク
   のアパーチヤ形状が少なくとも１箇所外方に凹な
   る部分を有するようにしたことである特許請求の
   範囲第１項記載の電子ビームアニール装置。 ６ 前記アパーチヤマスクは、ダンベル状のアパ
   ーチヤを有するものである特許請求の範囲第５項
   記載の電子ビームアニール装置。 ７ 電子放射体から放射された電子ビームを集束
   加速して試料上に照射する手段と、上記試料上の
   ビーム強度が中心部より外周部の方が強くなるよ
   うビーム強度を制御する手段と、上記制御された
   ビーム及び試料を相対的に移動せしめる手段とを
   具備してなることを特徴とする電子ビームアニー
   ル装置。 ８ 前記ビーム強度を制御する手段は、前記電子
   放射体として、円筒状のものを用いることである
   特許請求の範囲第７項記載の電子ビームアニール
   装置。 ９ 前記ビーム強度を制御する手段は、前記電子
   放射体として、その放射端面における電子放射率
   が中心部より外周部の方が高いものを用いたこと
   である特許請求の範囲第７項記載の電子ビームア
   ニール装置。 １０ 前記電子放射体は、円柱状の第１の電子放
   射体の外周部に該電子放射体より電子放射率の高
   い第２の電子放射体を塗布したものである特許請
   求の範囲第９項記載の電子ビームアニール装置。