JPS623089A - 半導体製造装置 - 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】 （発明の技術性！’？） 本発明は基板上に単結晶薄膜を形成し、または成長させ
ることができる半導体製造装置に関する。

（発明の背景） 近年、集積回路の高密度実装化が進められており、その
ひとつとして三次元集積回路が提案されている。三次元
集積回路は回路を層状に立体集積化したものであり、誘
電体膜上に単結晶を成長させる技術が不可欠である。こ
の種の技術として、例えば溶融結晶化法と呼ばれる手法
を用いた半導体製造装置が従来から種々提案されている
。この溶融再結晶化法として、以下に示す３つの手法が
ある。

（１）レーザビーム成形法 ［セミコンダクタ　ワールドＪ　１９８４年８月号（以
下文献１）の１０５頁図８（Ａ）に示されているように
、ウェハに照射するビームの強度分布をドーナツ状にし
て多結晶の単結晶化を図る。あるいは、　「第３同断機
能素子技術シンポジウムＳ５９．７／４〜５予稿集Ｊ（
以下、文献２）の１５３頁１図６（Ａ）に示されている
ように、レーザビームをビームスプリッタ、％波長板お
よび水晶複屈折板を用いて分離してウェハ上に所望の光
強度分布を得、これにより単結晶化を図る。

しかしながら、いずれの場合も、一度に単結晶化できる
面積が小さく、大面積にわたって単結晶化を図るのには
時間がかかりすぎる。

（２）反射防止膜形成法 文献１の１０５頁図６（８）に示されているように。

ウェハのポリシリコン膜上に、１／−ザ光に対する反射
防止膜（ＳｉｓＮ４ｐ／ＩＪ）をストライブ状に形成し
、レーザ照射時の温度分布を強制的に制御する。

この方法によると、反射防止膜形成のための前処理工程
に時間がかかる。

（３）酸化膜レリーフ法 文献１の１０５頁図６（Ｂ）に示されるように、ポリシ
リコン下部の絶縁層に厚みの差をつけて放熱を制御し、
以って、レーザビーム照射時のポリシリコン層の温度分
布を制御する。

この方法によると、絶縁層に厚みをつける前処理に時間
がかかってしまう。

（発明の目的） 本発明の目的は、このような問題点を解決し、煩雑な前
処理をするこ、となく、比較的大面積にわたって単結晶
化できる半導体製造装置を提供することにある。

（発明の概要） 本発明はひとつのレーザビーム出力手段と、そのレーザ
ビーム出力手段の出射ビームを分離して複数のビームを
得る分離手段とを有する。更に本発明は、複数ビームを
対象物上に照射し、その対象物上で複数のレーザビーム
を互いに干渉させて干渉縞を形成する干渉手段を有する
。干渉縞の形成により対象物上に周期的な光強度分布が
でき、そこから単結晶の成長が始まる。

（実施例） 一第１の実施例− ８１図は本発明の一実施例を示し、符号１はレーザ光源
であり、本例では、波長１．０６４ｇｍのレーザビーム
を射出するＹＡＧレーザを用いる。

レーザ光源ｌから出射されたレーザビームは、周波長板
３ａを介して偏光ビームスプリッタ５に入射される。入
射されたレーザビームは２つの光路に分割されて第１の
レーザビームＥ、　ｌと第２のレーザビームＢ２とが取
り出される。第２のレーザビームＢ２はフルミラー７で
その向きが変えられ、°第１のレーザビームＢ１と平行
な向きに進行して局波長板３ｂに入射される。３４波長
板３ｂを通過した第２のレーザビームＢ２の偏光方向は
第１のレーザビームＢ１の偏光方向と同一となる。

その後で第２のレーザビームＢ２はフルミラー９ｂによ
り光路が定められる。一方、ビームスプリッタ５で下方
にその光路が変えられた第１のビームＢ１は、フルミラ
ー９ａにより光路が定められる。ビームＢ１およびＢ２
は集光レンズ１１ａおよびｔｔｂでそれぞれ集光されて
対象物としての試料基板１３上に外径３０１Ｌｍのレー
ザスポットとして重ね合わされて結像される。

今、試料基板１３・に対する各ビームＢ１．Ｂ２の入射
角θを、θ＝　１５．４度に設定すると直径Ｄ＝３０１
Ｌｍのレーザスポットに、第２図（ａ）に示すような４
ｐ、ｍピッチで繰り返す干渉縞が生じる。

ここで、干渉縞のピッチｄル−ザビームの波長λ、レー
ザビームの入射角θの間には、ｄ；λ／２Ｓｉｎθ の関係がある。従って、入射角θを適宜変えることによ
り干渉縞のピッチｄを変えることができる。また、周波
長板３ａ、３ｂを回転させてレーザビームの偏光を調整
することにより、基板１３上に形成された干渉縞のコン
トラスト、すなわち第２図（ｂ）に示すような、試料基
板上でのレーザパワーの強度比（Ｐ２／ＰＩ）を変える
ことができる。

以下に本実施例装置を用いて単結晶薄膜を形成する２例
について説明する。

（１）シリコンウェハ上にＩｇｍ厚の熱酸化膜を形成し
、その上に更に減圧ＣＶ［ｌ（ケミカル争ベーパ＄デボ
ジシ、ン）によりＩｇｍ厚のポリシリコン膜を形成した
試料基板をＮ２雰囲気中に置き、上述した半導体製造装
置により、その試料基板上に、その基板上で０．５７Ｌ
Ｊ／パルスのレーザビームＢｌおよびＢ２を照射して干
渉縞を形成したところ、ｌパルスで干渉縞照射部分が溶
融し、光強度の弱い部分のポリシリコンから単結晶化が
進み、やがて照射した部分全体のポリシリコンが単結晶
化された。

本実施例のように対象物が多結晶の薄膜の場合には、薄
膜が干渉縞の光により転移温度以上に加熱されて半溶融
ないしは溶融の状態になり、原子の再配列により干渉縞
の光強度の弱い部分、すなわち加熱の度合の低い部分か
ら単結晶化が進行する。

（２）表面を洗浄した石英板を試料基板１３とし、その
石英板を減圧酸素雰囲気中（１，Ｘ　Ｘｏ−５Ｔｏｒｒ
）に置き、上述した半導体製造装置により、石英板の表
面にピッチ４ｐｍのレーザビーム干渉縞を照射（照射エ
ネルギは約ｉ　ｐ、　Ｊ　／ｃｍ″）する、これにより
基板１３の表面は加熱され、干渉縞の光強度に応じた周
期的な温度分布がその表面上に生じる。この温度分布に
応じて基板１３は活性化準位を持つことになる。この活
性化準位と減圧状態とを保ったままその基板１３を真空
蒸着室に入れて、真空度ｌ×１０　Ｔｏｒｒの条件下で
ＥＢ　（エレクトロン−ビーム）加熱法により高純度シ
リコンを蒸着′した。蒸着速度は９．２Ａ／■ｉｎ、蒸
着厚さは約５０ＯＡである。蒸着の開始前にレーザの照
射を中止したとしても、蒸着の開始当初において、上述
した活性化準位が保たれてさえいれば、この準位に従っ
て蒸発したシリコン粒子が基板１３上に付着し、数層の
シリコン単結晶膜が形成される。以後は活性化準位が失
われても、この数層の膜にならって単結晶がエビタクシ
−仄長した。

一第２の実施例− 第３図を参照して第２の実施例について説明する。第１
図と同様の箇所には同一の符号を付して説明する。

本例では、波長λ−４８８ｎｍのレーザビームを出力す
る連続発振アルゴンレーザをレーザ光源ｌとして用いる
。そして、ビームスプリッタ５で分岐されたレーザビー
ムＢ１、およびフルミラー７で反射されて鰐波長板３ｂ
を通過した後のレーザビームＢ２は、それぞれビーム整
形光学系１５ａおよび１５ｂに入射されて、２０　ｐ、
　ｒｎ　Ｘ　１０００　ｋ　ｍノ矩形千行光に整形され
る。整形された各ビームは、フルミラー９ａ、９ｂによ
り、それぞれ試料基板１３への入射角θが定められ１次
いで、縮小レンズ系１７を通って１１１０に縮小されて
試料基板１３上で重ね合せて干渉縞パターンを形成する
。試料基板１３上でのレーザビームの大きさ曽×↑（第
４図（ａ）参照）は１００ｇｍＸ２μｍ・である、また
、試料基板１３上のレーザパワーは第４図（ｂ）に示す
ように周期的な分布となる。本例でも、第１の実施例と
同様に、レーザビームＢ１．Ｂ２の試料基板への入射角
θを適宜定めることにより干渉縞のピッチｄを変えるこ
とができる。なお、符号１９は試料基板１３が載置され
るステージであり、第４図（ａ）に示すＡ方向に最大１
００龍／ｓｅａで走査できる。

第１の実施例で説明したと同様にシリコンウェハ上にｌ
ＩＬｍ厚の熱酸化膜を形成し、その上に更に減圧ＣＶＤ
によりｌｐｍ厚のポリシリコン膜を形成した試料基板を
Ｎ２雰囲気中に置き、上述した半導体製造装置により、
その試料基板上にレーザビームｆｉｌおよびＢ２を照射
して干渉縞を形成するとともに、ステージ１９をＡ方向
（第４図（ａ）参照）に３０ｉｎ／ｓｅｃ　〜７５ｍｍ
／ｓｅａで移動させたところ、幅８０μｍ、長さ５０■
鳳のレーザ照射部分が単結晶化された。また、■走査終
了毎に、隣接する２走査においてレーザビームが１０ｐ
ａｔだけ互いに重複するようにステージ１９をＣ方向（
第４図（ａ）参照）にずらして繰り返してレーザビーム
を試料基板１３上に照射したところ、１５ｍ■Ｘ１５ｍ
ｍの正方形領域を単結晶化することができた。なお、こ
のときの試料基板上でのレーザパワーは約２Ｊ／ｃｍｌ
である。なお、第４図（ａ）に示すように、ステージを
Ｂ方向に移動すれば、干渉縞のピッチを擬似的に変える
ことができる。

この第２の実施例における対象物には、上記第１の実施
例の（１）で説明したと同様の多結晶シリコン薄膜が形
成されており、薄膜が干渉縞の光により転移温度以上に
加熱されて半溶融ないし溶融の状態になり、原子の再配
列により干渉縞の光強度の弱い部分、すなわち加熱の度
合の低い部分から単結晶化が進行する。

一第３の実施例− 第５図を参照して第３の実施例について説明する。第１
図と同様の箇所には同一の符号を付して説明を省略する
。

符号２１はプラズマＣＶＤ装置を示し、チャンバ２１０
にはガス供給口２１１と、バキューム口２１２とが設け
られるとともに、ミラー９ａおよび９ｂで光路が定めら
れたレーザビームＢ１．Ｂ２をチャンバ２１０内に入射
させる石英窓２１３゜２１４が設けられている。チャン
バ２１０内には対向電極２１５．２１６が配設され、電
極２１５は高周波型＠２１７と接続され、電源２１６は
接地されている。

この実施例では、プラズマＣＶＤ装置により基板上にポ
リシリコンを形成しつつレーザビームの干渉縞により基
板に温圧分布を与えることによりシリコン単結晶を成長
させるものである。

まずシリコンウェハ上に酸化膜を形成した基板供給する
。それと同時に、バキューム口２１３からチャンバ２１
０内を減圧して、チャンバ２１０内を０．５Ｔｏｒｒに
維持する。そして、高周波出力５０Ｗの下で基板１３の
酸化膜上にポリシリコンヲ形成する。それと同時に、第
１の実施例の光学系を用いて、波長１．０６４ｇｍのレ
ーザビームＢ１およびＢ２を、入射角θ＝　１５．４度
でその基板１３上に照射した。なおレーザパワーは０．
ｌｐＪ／パルスであり、レーザパルスの周波数は５Ｈｚ
、レーザスポットの直径りは３００　ｇ　ｍであった。

これにより、レーザビーム照射部にシリコン単結晶が成
長した。

本実施例のように対象物である基板が、多結晶シリコン
の薄膜が形成されつつある基板の場合には、干渉縞の光
により、基板と、形成されつつある薄膜とが薄膜形成物
質の転移温度以上に加熱されるので、第１実施例の（１
）および（２）で説明した２つのプロセスが同時に進行
して単結晶が生長していくと考えられる。

一第４の実施例− 第６図を参照して第４の実施例について説明する。第１
図と同様の箇所には同一の符号を付して説明を省略する
。

符号３１は光ＣＶＤ装置であり、チャンバ３１０にはガ
ス供給口３１１とバキューム口３１２が設けられている
。また、ミラー９ａおよび９ｂで光路が定められたレー
ザビームＢＬ、Ｂ２をチャンバ３１０内に入射させる石
英窓３１３．３１４が設けられている。チャンバ３１０
内には試料台３１５が配設されている。

この実施例では、光ＣＶＤ装置により基板上にポリシリ
コンを形成しつつレーザビームの干渉縞により基板に温
圧分布を与えることによりシリコン単結晶を成長させる
ものである。

まずシリコンウェハ１３を試料台３１５上に載置し、モ
ノシランガスをチャンバ３１０内に毎分３０ｃｃの割合
で導入する。同時にバキューム口３１２からチャン／＜
３１０内を減圧してチャンバ３１０内を５．０Ｔｏｒｒ
とし、シリコンウェハ１３を３７０°Ｃに加熱した。そ
して、レーザ光源ｌとしてエキシマレ−ｆ　（波＆　１
９３ｎｍ）を用いて、ウェハ上で１５ＭＷ／　ｃｍ’の
レーザビームを、周波数１００Ｈｚ、入射角θ＝０．５
度でウェハ１３上に照射したところ、ウェハ１３上に１
５ＪＬｍピッチの干渉縞ができ、その部分にシリコン単
結晶膜が形成された。なお、単結晶膜の成長速度は３０
０Ａ／ｇｉｎであった。

本実施例における対象物は、第３の実施例と同様に、多
結晶シリコンが形成されつつある基板であり、上述した
第１の実施例の（１）、（２）のプロセスが同時に進行
して単結晶が成長していくと考えられる。

（発明の効果） 本発明では、単一のレーザビーム出力手段から出射され
たレーザビームを複数のビームに分離し、それぞれのビ
ームを対象物上に重ね合せて照射し、これにより対象物
上にレーザビームの干渉縞を形成した。

ここで、対象物としては、基板上に形成された多結晶や
非晶質の薄膜（第１実施例の（１）、第２実施例）、薄
膜が形成される前の無垢の基板（第１実施例の（２））
、あるいは、薄膜が形成されつつある基板（第３実施例
、第４実施例）等が挙げられる。多結晶や非晶質の薄膜
の場合には、薄膜が干渉縞の光により転移温度以上に加
熱されて半溶融ないし溶融の状態になり、原子の再配列
により干渉縞の光強度の弱い部分、すなわち加熱の度合
の低い部分から単結晶化が進行する。無垢の基板の場合
には、干渉縞が周期的な温度分布、言い換えれば活性化
準位を基板表面に作り、この基板に対して蒸着等の手法
により薄膜を形成すると、この活性化準位に従って薄膜
を形成する粒子の付着位置が規定され、単結晶薄膜が基
板上にコートされていく。薄膜が形成されつつある基板
の場合は、干渉績の光により、基板と、形成されつつあ
る薄膜とが薄膜形成物質の転移温度以上に加熱されるの
で、先の２つの場合のプロセスが同時に進行し単結晶が
成長していくと考えられる。いずれの場合も従来に比べ
て簡単な構成でしかも生産性の高い製造装置が得られる
効果がある。

また、第３および第４の実施例によれば、従来、　８０
０℃以上の高温下で得られたエピタキシャル成長が、低
温でしかも誘電体物質上で大面積にわたり容易に行うこ
とができる。

なお、上記各実施例では、レーザビームを２木に分割し
、それらにより干渉縞を形成したが、本発明はこれに限
らず３本以上に分割されたビームで干渉縞を形成しても
良い。

また、本発明はレーザアニールにも応用でき、この場合
も、従来に比べて極めて容易に単結晶化を図ることがで
きる。ここでレーザアニールとは、イオン注入のプロセ
ス、エピタキシャル層形成プロセス等において、単結晶
にイオン注入を行った場合、結晶が荒れて多結晶もしく
はアモルファス化、あるいは結晶の欠陥が生じるが、こ
れを単結晶化するために対象物上にレーザビームを照射
することをいい、このレーザビームを多光束に分け、こ
れらにより干渉縞を形成せしめ、この干渉縞の照射によ
りアニールを行えば良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図（
ａ）はそのレーザスポット形状と干渉縞を示す図、第２
図（ｂ）はその光強度分布を示す図、第３図は本発明の
第２の実施例を示す構成図、第４図（ａ）ｔ：ｌ−その
レーザスポット形状と干渉縞を示す図、第４図（ｂ）は
その光強度分布を示す図、第５図は本発明の第３の実施
例を示す構成図、第６図は本発明の第４の実施例を示す
構成図である。 １：レーザ光源（ビーム出力手段） ３ａ、３ｂ＝局波長板（干渉手段） ５：ビームスプリッタ（分離手段） ７．９ａ、９ｂ：ミラー（干渉手段） １１ａ、１１ｂ：集光レンズ（干渉手段）１３：基板 １５ａ、１５ｂ：ビーム整形光学系 １７：ｌｉ小レンズ系 ２１：プラズマＣＶＤ ２１０：チャンバ ２１１：ガス供給口 ２１２：バキューム口 ２１３．２１４：石英窓 ２１５．２１６：電極 ２１７：高周波電源 ３１：光ＣＶＤ ３１０：チャンバ ３１工：ガス供給口 ３１２：バキューム口 ３１３．３１４：石英窓 ３１５：試料台 出　願　人　　日本光学工業株式会社 代理人弁理士　　永　　井　　冬　　紀だ Ｎ１図 第３図 □Ｃ 、ｉｚ　− 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単一のレーザビーム出力手段と、該レーザビーム出力手
   段から出射されたレーザビームを複数のビームに分割す
   る分割手段と、分割された複数のビームを対象物上に集
   光して干渉させる干渉手段と、を具備し、対象物上でレ
   ーザビームの干渉縞を形成して、該干渉縞が形成された
   部位から単結晶を成長させることを特徴とする半導体製
   造装置。