JPS61236678A - 半導体単結晶層の製造方法及び電子ビ−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、絶縁体上に半導体単結晶層を形成する技術に
係わり、特に疑似線状電子ビームを用いた半導体単結晶
層の製造方法及びこの方法に使用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、電子ど一ムアニー
ル技術を用いた８０１　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　　ＯｎＩ　
ｎ５Ｕｌａｔｏｒ）膜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膜等を堆積し、
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ｌ＋１面内を均一にアニール
している。この場合、通゛材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大略−［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１３図に示す如く細く絞った電子ビーム
をその走査方向と直交する方向に高速偏向することによ
り、電子ビームを疑似的に線状化し、幅広い溶融領域を
形成する技術が有望視されている。この場合、線状化ビ
ームの長さは高速偏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
スポットビームを高速偏向させた場合、振幅の増大に伴
い、第１４図に示すように電子ビーム照射された試料表
面の温度は低下する。半導体結晶層を製造するためには
、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る。第１５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を
示す図である。正弦波の特性として振幅の両端付近に２
つの温度ピークが存在し、中央部はこれらの部分よりも
温度は低くなる。そのため、試料に電子ビーム照射した
際に疑似線状ビームの両端付近を適切に溶融させた場合
、中央付近は溶融されない。従って、試料表面を均一に
アニールすることが困難である。

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
、ＭＨｚオーダの周波数が必要である。それは、第１６
図に示すよ、４・：　このように、従来の疑似線状ビー
ム技術には十′〔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温度分布
を制御して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することがで
き、試料内に発生する熱歪みを最小化し、良質な単結晶
層を製造することのできる半導体単結晶層の製造方法を
提供することにある。

また本発明の他の目的は、上記方法を実施するための電
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、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、高速偏向させる高周波
電圧波形をそれよりも低い周波数の波形で振幅変調（Ａ
Ｍ）させ、変調信号の制御により線状化ビームの強度分
布を制御し、これにｌ：）：’、ＪＡ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　　−５ｉｎ　　ｏｏｓ　
　ｔ＋Ｂ）　　−５ｉｎ　　ω２　　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■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子ビームを照
射したときの試料表面の温度分布が前記第１５図に示す
ものどなる。なお、第１５図で温度のピークが小さくな
っているのは、被アニール試利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密度のピークは
小さくなり、中央部での値との差は小さくなる。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、ル領域周辺との温度勾配も小さくな
ることになる。

従って、第１５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。１ｍ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。

ところで、上記のような基準電位に対し正負の方向の波
形が対称な単なる正弦波を変調波として用いる場合、半
導体溶融層の内側と外側とを独立に温度制御することは
困難であり、また溶融層内の温度分布を厳密に均一化す
ることも困難である。

そこで本発明では、第３図に示す如く基準電位に対し正
負の方向の振幅が非対称な変調波により振幅変調させた
信号により高速偏向させた電子ビームを用いている。こ
の場合、基準電位より内側の波形で溶融領域の中央部の
温度制御が可能となり、基準電位より外側の波形で溶融
領域の周辺部の温度制御が可能となり、これにより中央
部及び周辺部の独立した温度制御が可能となるのである
。

９一 本発明はこのような点に着目し、絶縁基体上に形成され
た多結晶若しくは非晶質の半導体膜に電子ビームを走査
してアニールする半導体単結晶層の製造方法において、
前記ビームを振幅変調させた電気信号により一方向に偏
向すると共に、これと交差する方向に該ビームを走査し
、且つ上記電気信号の変調波として正負の方向に異なる
振幅を持つ波形を用いるようにした方法である。

器と、上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てなり
、上記高周波電源における電気信号の変調波として基準
電位に対し正負の方向に異なる振幅を持つ波形を用いる
ようにしたも９である。

〔発明の効果〕

の温度分布を独立に制御することができる。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亙
って製造することができる。

〔発明の実施例〕

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＄４３４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か配置され、電子銃３１とｌノノズ３
２どの間にはビームを０Ｎ−ＯＦＦするためのブランキ
ングＮ極３７が配置されている。

ここまでの構成は通常の電子ビームアニール装置と同様
であり、本実施例装置がこれと異なる点は、前記レンズ
３２と走査コイル３５との間にビームを高速偏向するた
めの偏向板（第２の偏向器）３８を設けたことにある。

即ち、偏向板３８は前記第１３図に示す如くＹ方向に対
向配置され、ビームをＹ方向に高速偏向するものとなっ
ている。

また、偏向板３８には後’ｒｌｌする如く駆動系（高置
、ｉ、′！７−キンゲデイスタンスが十分大きい場合、
偏向るだめの高周波電源４０の回路構成を示すブロック
図である。この電源４０は、正弦波を発生する２つの発
振器４１ａ、４１ｂ、ダイオード４２ａ。

丁”４２　ｂ、位相制御器４３ａ、４３ｂ、波形合成器
１　。

２１４、基本波を発生する発ｊ辰器４５、変調器４６、
ｉ笈び増幅器４７等から構成されている。

−一 発振器４１ａの発振出力はダイオード４２ａを介して位
相制御器４３ａに供給される。同様に、発振器４１ｂの
発振出力はダイオード４２ｂを介して位相制御器４３ｂ
に供給される。そして、位相制御器４３ａ、４３ｂの各
出力信号は波形合成器４４に供給される。波形合成器４
４で合成された信号（変調信号）は、発揚器４５の出力
信号（基本波）と共に変調器４６に供給される。変調器
４６で変調された信号は増幅器４７を介して増幅される
。そして、この増幅器４７の出力電圧が力信号の振幅を
第６図（ａ）に示す如くＰ、発振器４１ｂの出力信号の
振幅を同図（ｂ）に示す如くＱとする。すると、ダイオ
ード４２ａ、４２ｂ、持ったものとなる。そして、この
信号を変調波と対称及び振幅等が決まる。Ｐの値は主と
してアニール中の試料の溶融領域の外側の加熱の制御に
有効であり、そこでの温度勾配が適切となるように選べ
ばよい。また、Ｑの値は主として試料の溶融領域内の温
度分布の制御に有効であり、温度分布を均一化するよう
に選べばよい。

次に、上記装置を用いたシリコン単結晶層の製造方法に
ついて説明する。

まず、前記偏向板３８に印加する信号としては、５０［
ＭＨｚ］の正弦波を第６図（ｃ）に示す如き信号で振幅
変調させた波形を用いた。即ち、前記発振器４．１ａ、
４１ｂの発振周波数を１５［ＫＨｚｌ、振幅Ｐの値を８
［Ｖ］、振幅Ｑの値を１４［Ｖ］とした。また、発１辰
器４５の出力である基本波の周波数を５０［Ｍｌ−１２
１、振幅を６０　［Ｖ］とした。

この高速偏向の条件下で、１５０［μＴｒＬ］径の一″
″−１２［ｍＡコ、走査速度１００　［ｍ／ｓｅｃ　］
　］Ｔ：電−子ビームアニーの実験を行った。

ｎ） 堆積し、その上部に０．６［μｍ］厚の多結晶Ｓ；膜（
半導体膜）５３を堆積し、その上部にキｖｙプ層として
の０．５［Ｉ１ｍ］厚のＷ膜５４及び０．５　［μｍ］
厚のＳｉＮ膜５５の２層膜を付けたものを用いた。

アニール後の試料では、幅３．５［ｍｌのシリコン再結
晶層が得られ、その表面状態も極めて平坦性の優れたも
のであった。また、多結晶シリコン膜５３の下部のＳｉ
Ｏ２膜５２の一部を開口させた構造の試料では、上記Ｓ
ｉＯ２膜５２の開口部で基板シリコンと直接接した多結
晶シリコン膜５３の再結晶時に基板から垂直にエピタキ
シャル成長し、次いで５ｉ０２膜５２上のシリコン層も
横方向にエピタキシャル成長する結果、この幅３．５［
＃］の溶融帯に含まれた領域中では、大面積の（１００
）方位の単結晶層が得られた。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

この実施例では、１００［ＫＨｚｌの正弦波を第１の実
施例で述べた基準電位に対し正角の方向の振幅が異なる
波形で振幅変調し、この変調された波形を用いて５０［
ＭＨｚ］の基本波を振幅変　　　　　１８１の発振周波
数は１００［ＫＨｚｌであり、変調器８２により波形合
成回路８０の出力信号により発振器８１の出力信号が振
幅変調される。そして、この変調器８２の出力信号が、
変調信号として前記変調器４６に供給されるものとなっ
ている。

第９図はこの実施例で用いた高速偏向波形を示す。この
波形を用いて第１の実施例と同様な条件でアニールを行
ったところ、幅４．５［＃Ｉ１１］のシリコン再結晶層
が得られ、その表面は均−性及び平坦性が更に優れたも
のであった。また、結晶性も極めて良好であった。

なお、この実施例でも波形合成回路８０における変調波
の形成として２つの正弦波を用いたが。

これらの一方或いは両方を三角波、多角形波、鋸歯状波
にしても、同様の効果が得られた。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。

この装置において、まず任意の波形をｍ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９１に格納
させた。次いで、このデータを読出し、ＤＡ変換器９２
に通してアナログ量とし、これを変調器４６に入力させ
て、基本波を振幅変調させた。この結果、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かでき、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。

次に、本発明の第４の実施例について説明する。

この実施例は、変調波形を予めメモリに格納しておいて
利用する上記第３の実施例に代って、コンピュータ（Ｃ
Ｐ　ｔＪ　）を用いて任意波形を作り出し、その波形（
２進数で出力）をＤＡ変換器に入この場合、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
変化させながら表面温度を非接触温度センサ４９等によ
り常時モニタし、その出力の大小に応じて、ＣＰＵ９３
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ての周囲への熱拡
散による温度低下に対する補正や、線状化ビームをラス
タ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。、なお、本発明は上ｊホ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
［Ｍｔｌｚ］に限定されるものではなく、前記第１５図
に示したような試料表面温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［
ＫＨｚ］以−トの周波数が望まし電磁偏向であってもよ
いのは勿論のことである。

さらに、基板材料としては、Ｓｌの代りにＧａＡｓ、Ｇ
ｅ、Ｉ　ｎｐ等の他の半導体材料を用いてもよい。また
、絶縁膜としての５ｉ０２膜の厚みは適宜変更可能であ
り、さらにＳ　ｉ　０２　Ｉｌｌの代りに５ｉ−Ｎ膜、
Ａ℃２０Ｂ膜等の他の絶縁膜を用いることも可能である
。また、絶縁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、、ｌ　ｎｐ等の他の半導体材料
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かで・きる
。

【図面の簡単な説明】 第１図乃至第３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
の電子ビーム第４図乃至第７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４図は電子ビーム
ア□ニール装置を示す概略構成図、第５図はその駆動系
の２回路構成を示すブロック図、第６図は５基準電゛位
に対し正負の方向に異なる振幅を持つ変調波形を形成す
るための方法を示す信号波形図、第７図は被アニール試
料の概略構造を示す断面図、第８図及び第９図はそれぞ
れ第２の実施例を説明するためのもので第８図は駆動系
の回路構成を示すブロック図、第９図は高速偏向信号を
示す信号波形図、第１０図は第３の実施例を説明するた
めのもので駆動系の回路構成を示すブロック図、第１１
図及び第１２図はそれぞれ第４の実施例を説明するため
のもので第１１図は駆動系の回路構成を示すブロック図
、第１２図は試料表面をモニタする例を示す概略構成図
、第１３図乃至第１６図はそれぞれ従来方法の問題点を
説明するためのもので第１３図は疑似線状ビーム形成原
理を示す模式図、第１４図は疑似線状ビームの長さと試
料表面温度との関係を示す特性図、第１５図はビーム高
速偏＝２２− 向中心からの距離と試料表面温度との関係を示す特性図
、第１６図は基本波周波数をパラメータとした時のビー
ム高速偏向中心からの距離と試料表ル（第１の偏向器）
、３６・・・アパーチャマスク、３７・・・ブランキン
グ電極、３８．３９・・・偏向板（第２の偏向器）、４
０・・・駆動系（高周波型ｍ＞、）、１°・４１ｂ・４
５・８１−°゛発振器・４２ａ、４２ｂ・’ｌイオード
、 ４３ａ、４３ｂ・・・位相制御器、４４・・・波形合成
器、４６．８２・・・変調器、４７・・・増幅器、４９
・・・温度センサ、５１・・・単結晶Ｓｉ基板、５２・
・・ＳｉＯ２膜（絶縁膜）、５３・・・多結晶Ｓ１膜（
半導体膜）、５４、．５５・・・キャップ層、９１・・
・ＰＲＯＭ、９２・・・ＤＡ変換器、９３・・・ｃｐｕ
。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体の絶縁表面上に形成された多結晶若しくは非
   晶質の半導体膜に電子ビームを走査してアニールする半
   導体単結晶層の製造方法において、前記ビームを振幅変
   調させた電気信号により一方向に偏向すると共に、これ
   と交差する方向に該ビームを走査し、且つ上記電気信号
   の変調波として基準電位に対し正負の方向に異なる振幅
   を持つ波形を用いたことを特徴とする半導体単結晶層の
   製造方法。
2. （２）前記電気信号の変調波として、基準電位に対し正
   負の方向に異なる振幅を持ち、且つ振幅変調を施した波
   形を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の半導体単結晶層の製造方法。
3. （３）前記半導体膜のアニール時の温度を非接触温度セ
   ンサで検出し、この検出湿度に基づいて前記電気信号の
   変調波形を変えることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体単結晶層の製造方法。
4. （４）前記基体は、単結晶半導体基板上に絶縁膜が形成
   されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体単結晶層の製造方法。
5. （５）前記絶縁膜は、その一部に開口が形成されたもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の半
   導体単結晶層の製造方法。
6. （６）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、上記高周波電源は基準電位に対し正負の方向に異
   なる振幅を持つ波形を変調波として用いたことを特徴と
   する電子ビームアニール装置。
7. （７）前記高周波電源は、基準電位に対し正負の方向に
   異なる振幅を持ち、且つ振幅変調を施した波形を変調波
   として用いたことを特徴とする特許請求の範囲第６項記
   載の電子ビームアニール装置。