JPH031526A - 半導体単結晶層の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野）゛ 本発明は、絶縁層上に半導体単結晶層を製造する技術に
係わり、特にエネルギービームを用いた半導体単結晶層
の製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、集積回路の急速な進歩に伴い、２次元平面のみな
らず、高さ方向にも回路を積み上げた３次元回路素子の
研究が盛んに行われている。

しかし、２Ｍ１目以降に積み上げる半導体層の結晶性は
下地基板と同様の結晶性を有することが必要であり、且
つ下地素子を破壊することのないことが条件として要求
されている。

このような条件の下で、絶縁層上に半導体、特にシリコ
ンの単結晶層を形成する５ＯＩ（Ｓｌｌｌｃｏｎ　Ｏｎ
　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術に関する研究が現在盛んに
行われている。このＳＯＩ技術では、多くの場合、シリ
コン単結晶基板上にシードと呼ばれる開口部を有する絶
縁層を堆積し、その上に多結晶シリコンを形成し、その
後に溶融・再結晶化する方法をとっている。また、溶融
・再結晶化するエネルギーとしてはタングステン線等の
ヒータ線を用いたもの、レーザビームを用いたもの、電
子ビーム等の荷電粒子線を用いたものが主として使われ
ている。

しかし、ヒータ線を用いると、下地基板への熱の流入が
大きく、下地にダメージを与えるという欠点があり、レ
ーザビームではビーム制御を高速且つ高精度に行うこと
が難しく、再結晶化領域を広領域化することが困難であ
る。また、荷電粒子線においては、第５図に示す如く高
周波電源５１に接続された偏向板５２によりスポットビ
ーム５３を一方向に高速偏向して疑似的に線状ビーム５
４を形成し、この疑似線状ビーム５４を線方向（偏向方
向）と直交する方向に走査することになる。この場合、
疑似線状ビーム５４は第６図（ａ）に示す如き三角関数
波形により高速偏向されることから、線状ビームの滞在
確率分布が中央部で小さく周辺部で大きいものとなり、
均一なアニールを行うことはできない。

そこで最近、荷電粒子線を用いる手法においては、第６
図（ａ）に示す三角関数波形を振幅変調して同図（ｂ）
に示す女りき波形を形成し、この振幅変調波形によりビ
ームを高速偏向して疑似線状（ＡＭＰＬ）化する等の方
法が提案されている（例えば、Ｔ、］（ａ＋ｎａｓａｋ
ｉ　ｅｔ　ａｔ、Ｊ、Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　５９　（１９８８）　２９７１）　、この
方法では、ビームの滞在時間が長い部分が線状ビームの
周辺部のみでなく中央部にも存在することになり、ビー
ムの滞在確率分布が均一となり、均一アニルを行うこと
ができる。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、第６図（ｂ）に示す如き振幅変調波形
を形成するために複雑な変調波形発生器が必要となる。

また、疑似線状ビームの走査速度を速くすると再結晶化
領域が均一とならず、ビーム走査速度が変調波形発生器
の周波数に律速されてしまうという欠点がある。

つまり、ビームの走査速度を速めると、変調波形の１／
２周期の間に既にビーム径以上の距離をビームが進んで
しまい、第７図にハツチングで示すように溶融・再結晶
化領域が縞状になってしまう。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、エネルギービームを疑似線状化してビ
ームアニールする方法では、複雑な変調波形発生器等が
必要であり、また変調波形発生器の周波数の限界によっ
て疑似線状ビームの走査速度が律速され、これが再結晶
化領域の広領域化を妨げる要因となっていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、変調波形発生器等を用いることなく
疑似線状ビームにより均一アニールを行うことができ、
簡便に且つ広領域を高品質で再結晶化することを可能と
する半導体単結晶層の製造方法を提供することにある。

［発明の目的］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、複雑な変調波波形を用いることなく、
三角関数波のみによりビームを高速偏向し、三角関数波
形の中央部の比較的滞在確率が均一な場所を利用し、端
部はスリットで防ぐことにより、簡便に均一な疑似線状
化した幅を持つビームを作ることにある。

即ち本発明は、エネルギービームを一方向に高速偏向し
て疑似線状ビームを形成し、絶縁層上の半導体非単結晶
層の表面でこの疑似線状ビームを高速偏向方向とは直交
する方向に走査することにより、半導体非単結晶層を溶
融・再結晶化して単結晶化する半導体単結晶層の製造方
法において、半導体非単結−品層の表面上に疑似線状ビ
ームの高速偏向方向の幅よりも狭く、且つ該ビームの走
査方向に伸びたスリットを有するマスクを配置し、この
マスクのスリットを介して疑似線状ビームを半導体非単
結晶層の表面に照射するようにした方法である。

（作用） 本発明によれば、通常の三角関数波形で高速偏向した疑
似線状ビームを用い、この疑似線状ビームの端部をマス
クによりカットしているので、疑似線状ビームの中央部
の均一性のよい部分のみを用いてビームアニールするこ
とができる。従って、絶縁層上の半導体非単結晶層を均
一性良く再結晶化することができ、例え１ｍｍ以上の広
領域を再結晶化する場合でも容易に行うことが可能とな
る。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例方法に使用した電子ビームア
ニール装置を示す概略構成図である。

基本的な構成は従来一般的な装置と同様であり、電子銃
１１から放射された電子ビームは集束レンズ１２及び対
物レンズ１３により集束されて試料１４上に照射される
と共に、走査コイル１５により試料１４上で走査される
。また、電子銃１１とレンズ１２との間にはビームをブ
ランキングするためのブランキング偏向器１６が設けら
れており、さらにレンズ１２と走査コイル１５との間に
はビームを高速偏向するための偏向板１７が設けられて
いる。そして、この偏向板１７には三角関数波発生器１
８から高周波電圧が印加されるものとなっている。

このような構成に加え本実施例では、対物レンズ１３と
試料１４との間にスリットを有する導電性のマスク１９
が設けられている。このマスク１９のスリット幅は、電
子ビームの高速偏向による疑似線状ビームの偏向幅より
も短く、スリット長さは、ビーム走査により単結晶化す
べき領域と略同じ長さとなっている。

ところで、このような装置において、ビームをＸ方向に
高速偏向し疑似線状ビームを形成したときの、Ｘ方向に
おけるビーム滞在確率分布は第２図に示す如くなる。一
般に、時間ｔにおけるビームの偏向位置Ｘは、 ｘ−ａＸ　５ｉｎ（ωｔ） で表わされ、各位置での滞在時間は、 ｄ　ｔ／ｄｘ＝１／　（ｄｘ／ｄ　ｔ）ｍｌ／ω　　ａ
”　　−ｘ’ となり、第２図に示すように表わされる。ビーム端部で
は確かに急激に高くなっているが中央部では殆ど変化し
ていない。そこで、図示したｄの幅のスリットを有する
マスクをタングステン等の高融点金属を用いて作成し、
このマスクを試料上に置き再結晶化を行った。なお、上
記幅ｄの最適値は、再結晶化する試料構造により多少変
化するが、ビーム端部は熱の逃げが大きいためやや中央
部より温度が高くなってくる範囲までを用いる。

具体的には、第３図に第１図の要部構成を拡大して示す
如く、ウェハ等の試料１４上にスリットを有するタング
ステン製のマスク１９を載置し、このマスク１９のスリ
ットを介して疑似線状ビームを試料１４上で走査するこ
とにより、シリコン非単結晶の溶融・再結晶化を行った
。

ここで、マスク１９の下面には、該マスク１９を試料１
４上に設置するための厚さ０．８μｍのセラミック製の
爪３１を設けた。さらに、マスク１９は試料１４及び図
示しない真空容器と共に接地して用いた。

詳細な計算は熱の逃げをも併せてシミュレーションし、
その結果を用いて条件を決定した。

エネルギービームとしては電子ビームを用い、１０−’
Ｔｏｒｒ台の超高真空槽内で行・フた。ビームの加速電
圧は１ＯＫｅＶ　、エミッション電流は６〜１゜ｌＡ％
ビーム偏向幅１〜５ａ＋ｍとし疑似線状化した。

走査速度は１０〜１４ｃｍ／秒で行った。このとき、試
料１４の構造はシリコン基板上１“こＣＶＤによるシリ
コン酸化膜（Ｓ　ｉ　０２　）を形成しく膜厚２μｍ）
、その上に多結晶シリコンを０．８μｍ形成した後、保
護膜として再びＳｉＯ□を０．５μｍ堆積したものを用
いた。再結晶化時にはヒータ等により試料１４を７５０
℃に加熱保持していた。

本発明者等は、さらにマスク１９に冷却機構も付帯した
。これは、ビームによる過度の加熱による熱膨張等に起
因する変形を防ぐためのものであり、再結晶化領域の精
度を上げるために役立つものと考えられる。この条件に
従い、再結晶化を試みたところ、スリット幅を４１１１
ｆｉｌとしたとき、従来にない３．２１という広領域に
渡って均一な、粒界のない、単結晶化領域を得ることが
できた。

第４図は本発明の他の実施例を説明するための図である
。この実施例では、マスク１９を試料１４上に載置する
のではなく、超高真空容器４１の内壁に固定した。この
場合、疑似線状ビームの１走査毎に試料１４を載置した
テーブル４２をステップ移動させればよいので、ストラ
イブ領域の重なりとしてより広い面積の単結晶化が可能
となる。さらに、試料１４の表面にセラミック製の爪等
を接触させる必要もなく、ストライブ領域の連続的なビ
ームアニールに極めて有効である。

なお、本発明は上述した各実施例方法に限定されるもの
ではない。実施例では、電子ビームを用いた例について
説明したが、電子ビームの代わりにイオンビームを疑似
線状化して用いることもできる。レーザビームのように
疑似線状化を行うことが難しい場合は、ビームを２本組
み合わせたデュアルビーム法やレンズを組み合わせてス
ポットの形状を工夫して用いているが、そのような場合
にも特に効果が現れる。さらに、エネルギービームとし
てレーザビームを用いる場合は、帯電の心配がないので
、マスクとして導電性材料を用いる必要はない。

また、ビームの走査線は１本と限る必要はなく、スリッ
トを可動式とすることによってビームが一定幅の間隔を
持ちながら走査していくとき、同時にスリットも移動し
ていき、ビーム偏向幅以上の広領域の単結晶化領域を得
ることも可能である。スリットの形状も図示のように長
方形に限る必要はなく、種々の形状を選択することが可
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。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明によれば、複雑な変調波波形
を用いることなく、三角関数波のみによりビームを高速
偏向して疑似線状ビームを形成し、スリットを有するマ
スクにより疑似線状ビームの端部をカットし中央部の比
較的滞在確率が均一な場所のみを利用することにより、
簡便に均一な疑似線状化した幅を持つビームを作ること
ができる。従って、変調波形発生器等を用いることなく
疑似線状ビームにより均一アニールを行うことができ、
簡便に且つ広領域を高品質で再結晶化することが可能と
なり、その有用性は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法に使用した電子ビームア
ニール装置を示す概略構成図、第２図はビーム滞在確率
分布のシミュレーション結果を示す特性図、第３図は第
１図の要部構成を拡大して示す斜視図、第４図は本発明
の変形例を示す図、第５図乃至第７図はそれぞれ従来の
問題点を説明するための模式図である。 １１・・・電子銃、 １２．１３・・・レンズ、 １４・・・試料、 １５・・・走査コイル、 １６・・・ブランキング偏光器、 １７・・・高速偏向器、 １８・・・高周波電源、 １９・・・マスク、 ３１・・・セラミック製型、 ４１・・・高真空容器、 ４２・・・テーブル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 エネルギービームを一方向に高速偏向して疑似線状ビー
   ムを形成し、この疑似線状ビームを絶縁層上の半導体非
   単結晶層の表面で高速偏向方向とは直交する方向に走査
   し、該非単結晶層を溶融・再結晶化して単結晶化する半
   導体単結晶層の製造方法において、 前記半導体非単結晶層の表面上に前記疑似線状ビームの
   高速偏向方向の幅よりも狭く、且つ該ビームの走査方向
   に伸びたスリットを有するマスクを配置し、このマスク
   のスリットを介して前記疑似線状ビームを前記半導体非
   単結晶層の表面に照射することを特徴とする半導体単結
   晶層の製造方法。