JP3201381B2 - 半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

半導体薄膜の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜の製造
方法に関わり、特に基板上に半導体薄膜を堆積し、この
半導体薄膜に高エネルギービームを連続的に照射しなが
ら繰り返し操作する結晶化処理工程の改良に関する。
【従来の技術】周知の如く、従来の2次元半導体装置の
素子を微細化してこれを高集積化及び高速化するには限
界があり、これを越える手段として多層に素子を形成す
るいわゆる3次元半導体装置が提案された。そして、こ
れを実現するため、基板上の多結晶あるいは非晶質半導
体に高エネルギービームを照射しながら走査して、粗大
粒の多結晶若しくは単結晶の半導体層を形成する結晶化
処理方法がいくつか提案されている。従来の方法でよく
用いられている高エネルギービームの走査方法を第1図
に示す。このうち図1aは特によく用いられているビー
ムの走査方法である。ある方向へ(X方向)への操作
と、これと垂直な方向(Y方向)の比較的遅い送りとか
らなっている。しかしこの方法では、ビームの未照射領
域を形成しないように、実線で表わせられるX軸の正方
向に繰り返し照射すると、図1aに示すようにビームの
重複した照射領域12が発生する。このため、1回のみ
のビーム照射領域11と、重複した照射領域12にある
シリコ層が受けるエネルギー量が異なるため、その照射
領域によって結晶化率または屈折率などの物性値が異な
るシリコン層が形成されてしまう。さらに、ビーム強度
が大きいときには、照射の重複部分では、高エネルギー
が集中して、半導体薄膜が蒸発してしまうなどの大きな
指傷を受けた。一方、図1bに示すのはX軸に正の方向
の走査速度と負の方向の走査速度を同じくして、操作の
無駄をなくすために考えられた走査方法である。しかし
この場合もビームのX軸方向の照射で、アニールが重複
する領域12があり、半導体薄膜のエネルギー吸収量の
違いによるシリコン層(半導体薄膜)の膜質の違いや、
エネルギー集中によるビーム損傷を避けることは困難と
なっていた。
【発明が解決しようとする課題】図1aの方法ではビー
ムが照射している地点のX座標を時間の関数で表わす
と、ビームがXの負の方向の速度が必ず0となり、ここ
でビームが停滞することになる。このため、半導体薄膜
の一地点に高エネルギーが集中して、半導体薄膜が蒸発
してしまうなどの大きな損傷を受けた。一方、図1bに
示すのはX軸に正の方向の走査速度と負の方向の走査速
度を同じくして、操作の無駄をなくすために考えられた
走査方法である。図2の方法の場合もビームのX軸方向
の速度が必ず0になる地点があり、半導体薄膜の一地点
に高エネルギーが集中することによる損傷を避けること
は困難となっていた。さらに、図1aの場合も、図1b
の場合もビームをX紬方向に繰り返し走査するために照
射領域が重複する部分12が生じるため、重複する部分
12とそうでない部分11の間で、シリコン層(半導体
層)が受けるエネルギー量が異なり、結晶化率、または
屈折率などの物性が異なるシリコン層(半導体薄膜)が
生じた。本発明の目的は、かかる従来の欠点を取り除
き、基板上の半導体薄膜上で高出力のエネルギービーム
が一点に集中して損傷を及ぽすことを防止し、均一な物
性で良質の半導体薄膜結晶層を従来に比べ簡便に製造す
ることができ、3次元半導体装置の素子形成用基板の作
成等に有用な半導体薄膜結晶層の製造方法を提供するこ
とにある。
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に半導
体薄膜を堆積し、該半導体薄膜に高出力エネルギービー
ムを照射して、前記半導体薄膜の結晶粒径の拡大又は結
晶化を行う半導体薄膜の製造方法において、ビーム源か
らの前記高出力エネルギービームをレンズにより前記半
導体薄膜の幅方向に拡大させ且つ板状の平行ビームに変
形させ、前記変形させたビームを鏡により反射させ、前
記鏡により反射させたビームを前記半導体薄膜に照射す
る工程を有し、前記鏡を所定方向に走査することによっ
て前記半導体薄膜に前記エネルギービームを照射するこ
とを特徴とする。本発明は、ビーム源からの高出力エネ
ルギービームをレンズにより板状の平行ビームに変形さ
せ、前記変形させたビームを鏡により反射させ、前記鏡
により反射させたビームを半導体薄膜に照射して前記半
導体薄膜の結晶粒径の拡大又は結晶化を行うアニール装
置であって、前記鏡の位置を所定方向に走査することに
より前記半導体薄膜に照射される前記エネルギービーム
の位置を変えることを特徴とする。
【作用】本発明の骨子は、エネルギービームの形状が板
状になっていることにある。すなわち本発明は、絶縁体
基板上に半導体薄膜を堆積し、この薄膜にレーザービー
ムなどの高出力エネルギービームを連続的に照射して、
上記薄膜の結晶粒径増大化もしくは単結晶化をはかる半
導体薄膜結晶層の製造方法に於て、ビーム源のエネルギ
ービームを凸レンズと凹レンズに透過させて、板状に変
形したものである。これによって、図1aや図1bで示
された、ビームの走査の繰り返しによって生じる、シリ
コン層(半導体薄膜)のビーム照射の重複部分がなくな
り、シリコン層(半導体薄膜)全面にわたって均一なエ
ネルギー照射ができる。
【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。図2は本発明の一実施例に使用したレーザー
アニール装置を示す概略構成図である。図中21はレー
ザー発振部、22は凹レンズ、23は凸レンズ、24は
鏡、25は凸レンズ、26は試料である。次に、上記装
置を用いた半導体薄膜結晶層の製造方法について説明す
る。まず図3に示すが如く1辺25〔cm〕正方形のガ
ラス基板(絶縁体基板)31表面全面に100(nm)
のシリコン層(半導体薄膜)32を形成する。レーザー
の発振波長はXeClエキシマレーザーの308〔n
m〕とした。レーザービームの大きさは、1辺5〔m
m〕の正方形であり、エネルギー強度は500〔mJ/
パルス〕であり、レーザーのパルス幅は約50〔ns〕
であり、発振周波数は120〔Hz〕とした。また、レ
ーザービームの走査方法として、鏡24をY軸方向に1
〔mm/s〕の速度で動作してレーザービームを走査し
た。X軸方向のレーザービームの幅は凹レンズ22と凸
レンズ23の距離を変化させて調節する。さらに、レー
ザー発信部出口でのレーザービームのエネルギー密度
は、2000〔mJ/(cm2・パルス)〕であるが、
凸レンズ24を透過直後では、ビームの幅が50倍とな
るため、40〔mJ/cm2・パルス)〕と50分の1
となる。アニール効果を減少させないため、凸レンズ2
5でエネルギー密度を再び2000〔mJ/(cm2
パルス)〕に高める。エネルギー密度は、試料と凸レン
ズ25の距離で調整できる。この距離を少なくするには
曲率の大きい凸レンズを使用すれば実現できる。これに
より、図2に示すが如くレーザービームの走査方向はY
軸方向のみとなるため、図1の照射例でみられたような
シリコン層(半導体薄膜)のアニールの重複を防止で
き、これにより均一な物性で良質なシリコン層(半導体
薄膜)を得られるアニールが可能となった。これに対し
て、従来のようにX軸方向のビームを繰り返すアニール
のように、照射の重なり部分がある場合には、シリコン
層の物性のばらつきや、重なり部分でのビーム損傷が認
められた。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。実施例では、ガラス基板(絶縁体基板)全
面にシリコン層を形成し、シリコン層の全領域をアニー
ルする例を示したが、シリコン層の必要な部分だけをア
ニールしたい場合にはその必要な大きさの幅にビームの
大きさを調整した板状のビームで照射すればよい。ま
た、シリコンの溶融再結晶化による結晶成長だけでな
く、他の半導体や金属などにも適用することが可能であ
る。さらに、イオン注入層の活性化に本発明を適用し、
アニール領域を均一にすることも可能である。
【発明の効果】本発明によれば、ビームの繰り返し走査
によって生じる照射領域の重複部分がなくなるので速度
が0に近い付近、すなわちビームの走査方向の反転領域
が、アニール領域にないため、ビームが停留することが
なくなり、また照射の重複部分がなくなるので、アニー
ル領域におけるシリコン層(半導体薄膜)の物性のばら
つきがなくなり、さらにビーム損傷を未然に防止するこ
とができる。このため均一で良質の半導体薄膜結晶層を
積層することができ、3次元半導体装置の素子形成基板
として実用上十分な特性をもたせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】a、bはエネルギービームの走査方法の例を示
す模式図。
【図2】本発明の1実施例方法に使用したレーザーアニ
ール装置を示す概略構成図。
【図3】上記実施例にかかわるシリコン薄膜結晶層の製
造工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施例である。
【符号の説明】
21…レーザー発振部 22…凹レンズ 23…凸レンズ 24…鏡 25…凸レンズ 26…試料 31…ガラス基板(絶縁体基板) 32…シリコン層(半導体薄膜)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に半導体薄膜を堆積し、該半導体
    薄膜に高出力エネルギービームを照射して、前記半導体
    薄膜の結晶粒径の拡大又は結晶化を行う半導体薄膜の製
    造方法において、 ビーム源からの前記高出力エネルギービームをレンズに
    より前記半導体薄膜の幅方向に拡大させ且つ板状の平行
    ビームに変形させ、前記変形させたビームを鏡により反
    射させ、前記鏡により反射させたビームを前記半導体薄
    膜に照射する工程を有し、前記鏡を所定方向に走査する
    ことによって前記半導体薄膜に前記エネルギービームを
    照射することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 ビーム源からの高出力エネルギービーム
    をレンズにより板状の平行ビームに変形させ、前記変形
    させたビームを鏡により反射させ、前記鏡により反射さ
    せたビームを半導体薄膜に照射して前記半導体薄膜の結
    晶粒径の拡大又は結晶化を行うアニール装置であって、
    前記鏡の位置を所定方向に走査することにより前記半導
    体薄膜に照射される前記エネルギービームの位置を変え
    ることを特徴とするアニール装置。
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