JPS61233954A - 電子ビ−ムアニ−ル装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、電子ビームアニール技術に、特に疑似線状電
子ビームを用いて絶縁膜上に大面積の半導体結晶膜を形
成する電子ビームアニール装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、半導体工業の分野においては、電子ビームアニー
ル技術を用いたＳｏｌ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　　ＱｎＩ　
ｎ５ｕｌａｔｏｒ）　ＩＩの形成技術の研究開発が盛ん
となっている。この技術では、シリコン単結晶基板上に
シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜を形成し、
その上に多結晶シリコン膜や非晶質シリコン族等を堆積
し、電子ビーム或いはレーザビーム等のビーム照射によ
り、上記シリコン膜を溶融再結晶化させてシ゛リコン単
結晶層を成長させる方法を採っている。

ところで、従来の電子ビームアニール装置では、細く絞
った電子ビーム（ガウス分布）をＸ、Ｙ方向に走査させ
て試料面内を均一にアニールしている。この場合、通常
使用される電子ビームの直径は１０〜５００［μｍ］程
度であり、１回のビーム走査で溶融できるシリコン膜の
幅は火路上記ビーム径程度となるため、大面積単結晶層
を得る目的には不適当であった。それは、走査線の重合
わせの部分での結晶粒界の発生を抑止することが困難な
ためである。

そこで最近、第１６図に示す如く細く絞った電り、向の
振幅により決定され、原理的にはその長さには制限はな
い。しかし、一定ビーム電流のスボツ′−するためには
、半導体膜を十分に溶融する必要がある。従って、高速
偏向振幅を増大させるには、ビーム電流を増大させなけ
ればならない。このような事情から、実際には、ビーム
電流の限界（即ち電子銃の輝度特性）により、線状化ビ
ームの長さは決定される。

一方、上記の疑似線状電子ビームによる単結晶層の製造
においては、ビーム照射された試料表面の線状化ビーム
の長さ方向の温度分布の制御の問題がある。元来、線状
電子ビームエミッタを用い、試料表面上に線状ビームを
投影する線状電子ビームを用いる方法に比べ、上記の疑
似線状電子ビームを用いる方法では、電子ビームの強度
分布の制御性は格段に優れているが、高速偏向に用いる
電圧波形によって、電子ビームの強度分布は変化する。

第１８図は正弦波により高速偏向させた場合の線状化方
向のシリコン表面温度分布である。正せた場合、中央付
近は溶融されない。このため、試料表面を均一にアニー
ルすることが困鉗である。

これを解決するためには、正弦波によらず、三角波等の
電子ビームの存在確率が振幅内の位置によらず一定な波
形を用いる方法も考えられるが、高速偏向周波数が高く
なると、波形歪みが増大し、正弦波の特性に近くなるた
め、上記の問題の解決は困難である。高速偏向信号には
、Ｍ　ＤＩオーダの周波数が必要である。それは、第１
９図に示すように瞬間的な電子ビームの存在位置（偏向
波形の位相）の違いにより試料表面湿度の変動が大きく
なるためである。そして、この変動は〜２［ＭＨｚ１以
上の周波数で無視し得る程小さくなる。

このように、従来の疑似線状ビーム技術には上記のよう
な問題があり、均一性の良い半導体単結晶層を得ること
は困難であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、疑似線状ビームの長さ方向の濃度分布
を平坦なものにすると共に、電子ビーム照射部の外周部
での温度分布をなだらかなものと−〔発明の概要〕 １、本発明の骨子は、電子ビームを一方向に高速偏向さ
せて疑似線状ビームを形成する際に、高速偏により線状
化ビームの強度分布を制御し、これにより均一で大面積
の半導体単結晶層を形成することにある。

ビームの線状化方向のビーム強度分布を変化させるには
、第１図に示す如き変調信号の振幅Ｂと基本波の振幅Ａ
との大きさを制御することにより実行することができる
。第１図の波形は、Ｙ−（Ａ−ｓｉｎωｌ　ｔ＋Ｂ）　
−５ｉｎω２　ｔで表わされる。ω１とω２とはそれぞ
れ変調波及び基本波の周波数である。Ａ／Ｂは変調度ｍ
を表わす。第２図は変調度ｍをパラメータとしたときの
電子ビームの存在確率密度分布を示す。ここでは、Ｂ−
１としている。ｍ−Ｑの振幅変調しない場合、ビーム位
置Ｙ−１の位置に存在確率密度の巨大なピークが存在し
、中央部に近付く程なだらかな分布となっている。この
ような強度分布の電−−ル試料上で熱の拡散が生じるた
めである。

また、第２図からｍ−０，２，ｍ−０，５とｍを大きく
するに従い、上記の電子ビーム存在確率−、、ｖＩｉ度
のピークは小さくなり、中央部での値との差１は小さく
なる。ピークが小さくなり中央部の値との差が小さくな
ると、上記した熱拡散も加わり、箸アニール試料表面の
温度分布はより均一なもの一゛となる。さらに、ピーク
が小さくなると、アニール領域周辺との濃度勾配も小さ
くなることになる。

従って、第１８図に示すような温度分布の不均一性はｍ
の値を最適化することにより大幅に減少し、均一な半導
体層の溶融ができるようになる。ｍの値は大略０．２〜
０．８程度の間が適切な条件を与えるが、その最適値は
アニール試料の構造、温度条件等により変化する。

なお、上記の第２図に示す特性は、変調信号の周波数が
十分高いときに初めて得られるものであり、周波数が低
くなるとこの特性は得られず、ｍ＞Ｑでピーク点がＹ＞
１の位置に生じることもある。本発明者等の実験によれ
ば、線状化ビーム′射された電子ビームを集束制御する
レンズ系と、方向に高速偏向する第２の偏向器と、この
第２の偏向器に振幅変調させた電気信号を印加する高周
波電源とを具備してなる電子ビームアニール装置におい
て、前記被アニール試料上でのビーム径ｂ［ａｍ＋］、
走査速度Ｖ　［ｍｍ／ｓｅｃ　］及び変調周波改Ｆ［セ
］を Ｆ・（ｂ／ｖ　）≧１ が成立するよう設定したものである。

なお本発明者等は、電子ビームを振幅変調された高速偏
向波形により一方向に高速偏向し゛、これと交差する方
向にビーム走査してアニールする電子ビームアニール装
置を先に出願（特願昭５９−７３３７号）しているが、
この先願発明は変調信号の周波数を１［Ｈｚ］程度と橿
めて低くし、溶融幅の変化によるネッキング効果を狙っ
たもので、本発明は先願発明とは目的及び技術思想を明
かに幅広い均一な半導体層の溶融・最凝固を達成するこ
とができる。このため、残留熱歪みの小さい良質な半導
体単結晶層を大面積に１って製造することができる。

（発明の実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説−明する
。

第３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３１は電子銃で
あり、この電子銃３１から放射された電子ビームは集束
レンズ３２及び対物レンズ３３により集束されて試料３
４上に照射されると共に・、走査コイル（第１の偏向器
）３５により試料３４上で走査される。走査コイル３５
は、実際にはビームをＸ方向（紙面左右方向）に偏向す
るＸ方向偏向コイルと、ビームをＹ方向（紙面表裏方向
）に偏向するＹ方向偏向コイルとから構成されている。

また、集束レンズ３２の主面にはアパーチャマスク３６
が配置され、電子銃３１とレン前記レンズ３２と走査コ
イル３５との間にビームまた、偏向板３８には後述する
如く高周波電源４０により高周波電圧が印加されるもの
となっている。なお、上記説明では偏向板３８を１組と
したが、これに加えビームをＸ方向に高速偏向する偏向
器を設けるようにしても良い。また、ワーキングディス
タンスが十分大きい場合、偏向板３８の代りに偏向板３
９を前記偏向コイル３５の下方に設けることも可能であ
る。

第４図は上記偏向板３８に＾周波電圧を印加するための
駆動系（高周波電源）４０の回路構成を示すブロック図
である。この装置では、基本波を発生する第１の発振器
４１及び変調波を発生する第２の発振器４２の各出力信
号が変調器４３に供給される。変調器４３で変調された
信号は増幅器４４を介して増幅される。そして、増幅器
４４の出力が高周波電１１４０の出力電圧として前記偏
向、！！５ｏｃｖ＊１の正弦波を１０［ＫＨｚｌの正弦
波で・”振幅変調させた波形を用いた。基本波と変調波
のｊ／′鯉ッドツト電子ビームい、ビーム電流１２［ｍ
Ａ］、走査速度１００　［ｍ／ｓｅａ　］で電子ビーム
アニールの実験を行った。なお、この条件下では、Ｆ・
（ｂ／Ｖ　”） −１０ｘ　１０３　ｘ　００１５／　１００麿１５とな
り、１より大きいと云う条件を十分に満足している。

実験試料としては、第５図に示す如く面方位（１００）
、５インチ径の単結ＭＳｉ５１上に１．３　［μｍ］厚
の５ｉＯ２）１！（絶縁膜）５２を堆積し、その上部に
０．６［μｍ］厚の多結晶Ｓ１膜（半導体１）５３を堆
積し、その上部にキャップ層としての１［μｍ］厚のＷ
膜５４及び０、２　ｒμ７ＦＬ］厚（７）Ｓ　ｔ　Ｎｌ
！１５５（７）２層ｍを付けの再結晶時に基板から垂直
にエピタキシャル成長−一。

（１００）方位の単結晶層が得られた。

〈実験例２〉 この実験例では、変調波として前記正弦波の代りに三角
波を用いた。この場合の高速偏向波形を第６図に示す。

実験に用いた試料、電子ビームアニール装置及び電子ビ
ームアニール条件は、先の実験例１と同様とした。そし
てこの場合、アニール後の試料表面には、幅４．８［ｍ
ｓ＋］程度のシリコン再結晶層が得られ、その平坦性も
良好であった。

〈実験例３〉 この実験例では、変調波として、２種類の振幅。

周波数及び位相を変化させた正弦波を重畳させた波形を
用いた。ここでは、振幅１５［Ｖ］、周波数７．６　［
ＫＩｈ］（７）正弦波と振＄Ｉ２０　［Ｖ］　、周波数
１０［Ｋ＆］との２つの正弦波を重畳させた′　　　　
波形で５０［Ｍｌｈ］の基本波を変調させた。その験例
１と同様な実験を行ったところ、幅５，５、−ｊ　、−
′！［ｔｔｍ　］のシリコン再結晶層が得られた。しか
し、１この場合には、第７図に示した高速偏向波形中の
パゾ： ンη１さい方の正弦波のピーク位置が常に一定であるた
め、得られた再結晶層全体としては極めて均一性、平坦
性に優れたものであるが、その再結晶層の外周付近に僅
かに結晶欠陥の多いＩＮ域が見られた。

そこで、この問題を解決するために変調に用いた２つの
正弦波の間の位相をπ／１６だけずらして得られる波形
を用い、第８図に示すような高速偏向波形を得た。この
場合には、図中に示された小さい方の正弦波によるピー
クの高さが周期的に変化するため、電子ビーム存在確率
密度の分布は第９図に示すようになり、存在確・重密度
のピークはかなり小さくなると共に、その幅が相当拡大
されたものとなった。この結果により、シリコンの再結
晶化層は幅６［ｍ］まで拡大することができ、しかもそ
の全域が極めて平坦性に優れ、結晶性も均質で良好なも
のが得られた。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

応用した場合の実施例について述べる。高周波電［５０
としては、前記第４図に示す発振器４２の代りに、第１
０図に示す如く半導体メモリ”（ＰＲＯＭ）４６．及び
Ｄ−Ａ変換器４７を用いた。

この装置において、まず任意の波形を量子化し、その強
度を２進数に変換したデータを半導体メモリ４６に格納
させた。次いで、このデータを読出し、Ｄ−Ａ変換器４
７に通してアナログ量とし、これを変調器４３に入力さ
せて、基本波を振幅変調させた。この結繭、前記のアナ
ログ変調方式では困難であった、任意の波形の変調波に
よる高速偏向が可能となった。従って、電子ビーム存在
確率分布を完全に自由に制御することができ、線状化ビ
ームの長さ方向の温度分布を完全に平坦化することがで
きた。

一例として、第１１図にカスブ波形により変調した高速
偏向波形を示す。この波形による電子ビームアニールの
結果は、試料表面温度分布の均一性が＾まったことによ
り、極めて均質で良好な半導体単結晶が得られた。

−４６の代りに、第１２図に示す如＜ＣＰＵ４８を用い
ればよい。

この場合、半導体結晶層の形成時（電子ビームアニール
の最中）に、常時°最適アニール条件を作り出すように
波形をオンラインで変化させながら電子ビームアニール
を行うことができる。例えば、第１３図に示す如く電子
ビームアニール中の試料表面温度を非接触温度センサ４
９等により常時モニタし、その出力の大小に応じて、Ｃ
ＰＵ４８で電子ビーム存在確率密度分布の最適解を計算
し、その結果に応じた変調波形を出力させるようにすれ
ばよい。

この方式は、特にアニール領域の端部での周囲への熱拡
散による温度低下に対する補正や、線′状化ビームをラ
スク走査させた時の走査の重なる部分での過度な加熱の
補正を実行できる点が、均一な結晶成長を行う上で効果
的である。

−一次関数の勾配を緩くし、逆の場合には急峻にな線で
表現した形となる。

また、第１５図は二次関数の組合わせによりＣＰｔＪ４
８で変調波形を作成した場合の例である。

上記の一次関数による場合よりも、波形が遥かに滑らか
となり、そのため温度分布の均一性も更に改善されるこ
とになる。

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、前記基本波の周波数は５０［ＭＨ２］に
限定されるものではなく、前記第１８図に示したような
試料表面濃度の変動を小さくできるものであればよい。

温度変動を小さくするためには、５０　［Ｋｌｈ］以上
の周波数が望ましい。変調波の周波数についても１０［
ＫＨｚ］に何等限定されるものではなく、基本波の周波
数より低い周波数であればよい。但し、前記説明したよ
うにＦ・（ｂ／ｖ　）≧１の条件を満足する必要がある
。　また、電子ビームの偏向は、静電偏向に限らず、゛
電磁偏向であってもよいのは勿論のこと５膜上に形成す
る半導体膜としては、多結晶シリコンの代りに非晶質シ
リコンを用いることができ、゛さらに　Ｇｅ、ＧａＡｓ
、ＩｎＰ等の他ノ半導体材料を用いることも可能である
。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図及び第２図はそれぞれ本発明の詳細な説明するた
めのもので第１図は電子ビームを高速で偏向するための
電気信号として正弦波により振幅変調された高速偏向波
形を示す信号波形図、第２図は振幅変調した高速偏向波
形により形成した疑似線状電子ビームのビーム長さ方向
の電子ビーム存在確率密度分布を示す特性図、第３図乃
至第９図はそれぞれ本発明の第１の実施例を説明するた
めのもので第３図は電子ビームアニール装置を示図は２
つの正弦波により振幅変調した高速偏向信号波形波形を
示す信号波形図、第８図は２つの正弦波≠、の位相を制
御して振幅変調した高速偏向波形波形碌 ’　　　　　７１”を示す信号波形図、第９図は第８図
に示した高速−一゛ 偏向波形で形成した疑似線状化電子ビームの電子ビーム
存在確率密度の分布を示す特性図、第１０図及び第１１
図はそれぞれ第２の実施例を説明するためのもので第１
０図は駆動系の回路構成を示すブロック図、第１１図は
カスブ波形により変調した高速偏向信号波形を示す信号
波形図、第１２図乃至第１５図はそれぞれ第３の実施例
を説明するためのもので第１２図は駆動系の回路構成を
示すブロック図、第１３図は試料表面温度をモニタする
例を示す概略構成図、第１４図は一次関数の組合せによ
りＣＰＵで変調波形を作成した場合の高速偏向波形を示
す信号波形図、第１５図は二次関数の組合せによりＣＰ
Ｕで変調波形を作成した場合の高速偏向波形を示す信号
波形図、第１６図乃至第１９図はそれぞれ従来装置の問
題点を説明するためのもので第１６図は疑似線状ビーム
形成原理を示す模式図、第１７図は疑似線状ビームの・
−・心からの距離と試料表面温度との関係を示す特性門
ニ ル（第１の偏向器）、３６・・・アパーチャマスク、３
７・・・ブランキング電極、３８．３９・・・偏向板（
第２の偏向器）、４０．５０．６０・・・駆動系（高周
波電源）、４１・・・第１の発振器、４２・・・第２の
発振器、４３・・・変調器、４４・・・増幅器、４６・
・・ＰＲＯＭ、４７・・・Ｄ−Ａ変換器、４８・・・Ｃ
ＰＵ。 ４９・・・温度センサ、５１・・・単結晶Ｓ１！！板、
５２−８　ｉ　０２　Ｉ！ｌ（絶縁Ｉり、５３・・・多
結晶ｓｕｍ（半導体膜）、５４．５５・・・キャップ層
。 出願人　工業技術院長　等々力　達 第　１　図 第２図 ｒ−ム“中ｆ（・つ・うめａ井イ乙しへビームイ立筐　
〜第３図 第４図 ４，０ 第６図 第７図 第８図 第９図 ビーム中〜Ｖらの親、掻化、シｒ；ど−ムイＴＬ、ｌ　
−第１０図 第１１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子銃から放射された電子ビームを集束制御する
   レンズ系と、上記ビームを被アニール試料上で走査する
   第１の偏向器と、前記ビームを上記走査方向と交差する
   方向に高速偏向する第２の偏向器と、この第２の偏向器
   に振幅変調させた電気信号を印加する高周波電源とを具
   備し、前記被アニール試料上でのビーム径ｂ［ｍｍ］、
   走査速度Ｖ［ｍｍ／ｓｅｃ］及び変調周波数Ｆ［Ｈｚ］
   をＦ・（ｂ／ｖ）≧１ が成立するよう設定したことを特徴とする電子ビームア
   ニール装置。
2. （２）前記高周波電源は、前記電気信号の変調波として
   、正弦波若しくは三角波を用いたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の電子ビームアニール装置。
3. （３）前記高周波電源は、前記電気信号の変調波として
   、複数の波形信号を合成したものを用いたことを特徴と
   す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. （４）前記高周波電源は、前記電気信号の変調波として
   、半導体メモリに記憶された波形データをＤ−Ａ変換し
   たものを用いたことを特徴とす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。
5. （５）前記高周波電源は、半導体膜のアニール時の温度
   に基づいて前記電気信号の変調波形を変えるものである
   ことを特徴とす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。