JPS6159720A - 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装置に係わり、特に絶縁
体上に堆積した非晶質若しくは多結晶の半導体薄膜を溶
融再結晶化せしめるための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、ＳＯ８（サファイア基板上のシリコン）基板に代
わるものとして５ｏｌ（絶縁膜上のシリコン）基板が提
案されている。このＳＯＩ基板では、下地絶縁体として
３ｉ基板上にＳｉＯ２膜を形成したものを用い、Ｓｉ基
板に予め素子を形成しておくことによって、３次元ＩＣ
の実現が可能となっている。

ところで、ＳｉＯ２膜上に半導体薄膜を形成するには、
一般に蒸着法やＣＶＤ法等が用いられる。

これらの方法で形成される半導体薄膜は、微細粒径の多
結晶若しくは非晶質であり、この半導体薄膜上に形成し
た素子の特性は悪いものである。そこで、基板材料に高
温を与えることなく、半導体薄膜を大粒径多結晶化若し
くは単結晶化する方法として、レーザご一ム或いは電子
ビームを用いたアニールが研究されている。これは、ビ
ームが照射される部分の溶融固化により微細結晶の大粒
径化を行わせるものである。

ビームアニールのうち電子ビームを用いるものは、大出
力であること、電流値やビームの集束・走査・偏向の制
御が電気的に行えるため、高精度のアニールができる方
法であるとして期待されている。例えば、Ｓｉウェハを
酸化し３０００〜５０００　［人］の８１０２膜を形成
、この上に５０００［人］の微細多結晶３ｉ薄膜を堆積
したウェハに対し、約２００［μ雇φ］、１０〜１５［
ＫＶ］、５〜７［ｍＡ］の電子ビームを１００［ｃｍ／
Ｓ］の速度で走査し、走査線を１０［μＴｒＬ］間隔で
移動すると、＄１薄膜はビーム走査に沿つて溶融し、ビ
ーム走査方向に２０〜３０〔μＴｒＬ］、略直角方向に
２００〜４００［μｍ］長さの長い結晶が得られる。こ
のように優れた方法であり、且つ大粒径Ｓｉ結晶膜を製
作できる技術である。

しかしながら、この種の方法にあっては、３ｉウ工ハ面
程度の大面積をビーム走査するときは、その均一性に問
題を生じると云う問題がある。即ち、走査ビームが走査
線直角方向に移動していくに伴い、アニールが過度にな
り、やがて３ｉ薄膜が蒸発して消失するようになる。こ
れは、約１００［Ｗ］の入力が照射線付近のウェハに熱
エネルギーとして蓄積され、横直角方向にウェハが高温
化していくからである。

一方、レーザビームによるアニールでは、半導体ａ膜が
溶融・沸騰して蒸発することは少なく、ウェハ全体を比
較的均一にアニールできるが、電子ビームに比べて出力
が小さくスループットも小さく、且つアニールされた結
晶粒もその粒径が小さい。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、被アニール試料全面に亙り均一なアニ
ールを行うことができ、絶縁体上に大面積に亙り良質の
半導体薄膜結晶層を形成することのできる電子ビームア
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、電子ビーム照射面からの光の反射を利
用して、照射電子ビームの強度を制御することにある。

本発明者等は、レーザビームアニールで均一なアニール
ができる理由を検討した結果、次のような事実を見出し
た。即ち、レーザビームアニールにおいては、半導体薄
膜が溶融すると液体金属になりレーザ光を強く反射し、
膜への入力を制限するように働く。このため、溶融領域
は略一定に保たれ、暴走して蒸発に至ることがない。こ
れに対し、電子ビームアニールでは半導体薄膜が溶融し
て液体金属になっても電子ビームの吸収は変化せず、そ
の結果熱容量の小さい薄膜が瞬時に蒸発消失するためで
ある。

二二で、注目すべきことは、半導体薄膜が溶融すると光
の反射率が異なる、即ち半導体薄膜の溶融により光の反
射率が大きくなることである。この事実に着目して本発
明者等が鋭意研究を重ねた結果、電子ビームでアニール
すると共に、アニール領域からの反射光量により電子ビ
ームの強度を可変することによって、均一アニールを達
成できることが判明した。

即ち本発明は、絶縁体上に堆積された非晶質若しくは多
結晶の半導体薄膜上に電子ビームを照射し、該薄膜を溶
融再結晶化せしめる電子ビームアニール装置において、
前記半導体薄膜上に電子ビームを照射走査する電子ビー
ム照射機構と、上記電子ビーム照射に周期してビーム照
射部に断面強度均一な光ビームを照射する光ビーム照射
機構と、上記光ビーム照射による前記半導体薄膜からの
反射光を検出する光検出器と、この光検出器の検出出力
に応じて前記電子ｅ−ム照射瀘構によるビーム強度を可
変制御する手段とを設けるようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電子ビームアニールの際に、アニール
部の溶融状態をアニール部からの反射光により検出し、
この検出出力より電子ビームの強度を制御しているので
、基板に熱が蓄積され半導体薄膜が蒸発に至ることを未
然に防止することができる。このため、電子ビームアニ
ールにおいても半導体薄膜に最適に制御された入力を加
えることが可能となり、均一なアニールを行うことがで
きる。従って、絶縁体上に大面積に亙り良質の半導体薄
膜結晶層を形成することができる。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一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。この装置は、被アニール
試料ユに電子ビームを照射する電子ビーム照射機構ユ、
試料ユに光ビームを照射する光ビーム照射ｆ１４ｆｌユ
及び試料皿からの反射光を検出する光検出器４０から構
成されている。

被アニール試料ユは、第２図に示す如く単結晶Ｓ１基板
１１上にＳｉＯ２模１２を形成し、その上に多結晶Ｓｉ
薄膜（半導体薄膜）１３を堆積したものである。ここで
、多結晶５ｉｉｌ膜１３は５ｉＱ２膜１２に設けた開孔
を介して下地Ｓｉ基板１１と一部接触したものであって
もよい。

電子ビーム照射機構Ｕは、試料１ｃＬをビームアニール
するものであり、電子銃２１．集束レンズ２２．２３及
びビーム偏向器２４等から構成されている。そして、電
子ビーム照射機構ＩＱ−がら放射された電子ビーム２５
は試料皿上に照射さレルト共ニ、試料１０上でＸ方向及
びこれと直交するＹ方向にラスク走査されるものとなっ
ている。

ここで、ラスク走査とはビームをＸ方向に連続走査する
と共に、Ｙ方向にステップ走査し、アニール領域全面を
走査する方法である。

光ビーム照射ｍｖｉ註は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器３
１．フィルタ等のピー・ム整形器３２．ハーフミラー３
３．振動ミラー３４．３５及び反射ミラー３６等から構
成されている。レーザ発振器３１から放射されたレーザ
光（光ビーム）３７は、ビーム整形器３２により断面強
度均一の光ビーム３８となり、ハーフミラ−３３を通り
振動ミラー３４により一方向（Ｘ方向）に振動を受け、
さらに振動ミラー３５により他の方向（Ｙ方向）に振動
を受ける。そして、光ビーム３８は第３図に示す如く前
記電子ビーム２５の照射と周期して該ビーム２５の照射
領域と同じ部分に照射されるものとなっている。ここで
、光ビーム３８の照射領域は電子ビーム２５の照射領域
より大きいものとなっている。また、試料１０１Ｃ照射
された光ビーム３８の反射光３９は反射ミラー３６で反
射し、さらに試料１０で反射し、振動ミラー３５．３４
及びハーフミ、ラー３３を介して光検出器４０にて受光
される。ここで、反射ミラー３６は、その反射光の光路
が前記振動ミラー３４がら反射ミラー３６に至る光路と
等しくなるように球面状に形成されている。

光検出器４０は、上記反射光３９の光ｍを検出するもの
であり、その検出出力は前記電子ビーム照射機構拉にフ
ィードバックされている。そして、電子ビーム照射機構
ｉ史では、上記検出出力の大きさによりビーム強度を可
変、例えば検出出力の大きさに反比例してビーム強度を
可変制御するものとなっている。ここで、前記レーザ発
振器３１としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用いているので、
前記光ビーム３８は固相Ｓｔでは反射が小さく１、大部
分の光ビームは多結晶Ｓ１薄Ｍ１３を通過若しくは該薄
膜１３に吸収されてしまう。しかし、多結晶Ｓｉ薄ｗＡ
１３が溶融すると金属となり、その反射率は７０［％］
にも達する。このため、反射光３９の先山は電子ビーム
照射による溶融面積に比例する。従って、電子ビーム照
射ｍｂｘの溶融状態に応じて、電子ビーム照射機構ＩＬ
Ｉｃより電子ビームの強度が制御されることになる。即
ち、アニールが過剰になり溶融ｗＡ域が広がる場合は電
子ビームの強度が小さく、溶ａ領域が減少する場合は電
子ビームの強度が大きくなるように制御されることにな
る。

このような構成であれば、電子ビーム照射による試料ユ
のアニールが過剰となった場合、光検吊器４０による反
射光３９の検出出力が大きくなり、電子ビーム照射機構
２０により電子ビーム２５の強度が小さくなる。このた
め、多結晶３ｉ薄１１１１３が過剰アニールにより蒸発
するのを未然に防止することが可能となる。そして、本
発明者等の実験によれば、第４図（ａ）に示す如く点Ｐ
をビーム照射開始位置とするアニール領域１５を全体に
亙り均一にアニールするごとができた。これに対し従来
装置では、第４図（ｂ）に示す如く斜線でハツチングし
た領域１６では適正アニールと、なるが、それ以外の領
域１７ではアニールが過剰となり、該領［１７で多結晶
８１９１膜１３が蒸発し下地の５ｉＯ２１１１が露出し
たのである。

かくして本装置によれば、基板に熱が蓄積されることに
起因する過剰アニールを未然に防止することができ、試
料１ｃＬの全面に屋り均一なアニールを行うことができ
る。このため、大面積に亙り多結晶ｓｒｓ膜１３を良質
の大粒径の多結晶若しくは単結晶ｓ＋＝ａｍにすること
ができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記電子ビーム及び光ビームを走査する代
りに、被アニール試料を移動するようにしてもよい。こ
の場合、裔記振動ミラーが不要となる。ざらに、前記光
検出器を前記反射ミラーの位置に設置することにより、
反射ミラーを省略することも可能である。また、アニー
ルする半導体材料は多結晶３ｉに限るものではなく、非
晶質Ｓｉでもよく、さらには他の半導体薄膜であっても
よい。また、光ビームとしては前記実施例のようにアニ
ールする半導体のバンドギャップエネルギーより低いエ
ネルギーの光を用いる方がよい。その理由は、半導体の
バンドギャップエネルギーより高エネルギーの光の場合
、固相からの反射も強く、溶融面からの反射との差が少
ないからである。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図は本発明の一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図は被アニール試料を示す
断面図、第３図は上記装置による電子ビーム照射位置及
び光ビーム照射位置の関係を示す模式図、第４図は上記
装置の作用を説明するための模式図である。 １０・・・被アニール試料、１１・・・単結晶Ｓｉｌ板
、１２・・・ＳｉＯ２膜、１３・・・多結晶３ｉ薄膜（
半導体１１り、２０・・・電子ビーム照射機構、２１・
・・電子銃、２２．２３・・・集束レンズ、２４・・・
ビーム偏向器、２５・・・電子ビーム、３０・・・光ビ
ーム照射機構、３１・・・レーザ発振器、３２・・・ビ
ーム整形器、３３・・・ハーフミラ−１３４，３５・・
・振動ミラー、３６・・・反射ミラー、３７．３８・・
・光ビーム、３９・・・反射光、４ｏ・・・光検出器。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁体上に堆積された非晶質若しくは多結晶の半
   導体薄膜上に電子ビームを照射し、該薄膜を溶融再結晶
   化せしめる電子ビームアニール装置において、前記半導
   体薄膜上に電子ビームを照射走査する電子ビーム照射機
   構と、上記電子ビーム照射に周期してビーム照射部に断
   面強度均一な光ビームを照射する光ビーム照射機構と、
   上記光ビーム照射による前記半導体薄膜からの反射光を
   検出する光検出器と、この光検出器の検出出力に応じて
   前記電子ビーム照射機構によるビーム強度を可変制御す
   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. （２）前記光照射機構により照射する光ビームの光子エ
   ネルギーを、前記半導体薄膜のバンドギャップエネルギ
   ーより小さくし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）前記絶縁体は、単結晶半導体基板上に絶縁膜を被
   着してな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。