JP3201395B2 - 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】
【0001】
【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。
【0002】
【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。
【0003】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図1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。
【0004】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。
【0005】
【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。
【0006】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。第2図の
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。
【0007】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。
【0008】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ぼすことを防止し、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。
【0009】
【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
半導体薄膜の全幅を照射できるよう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、当該
変形させたビームを凸レンズにより前記平行ビームの幅
と等しくなるような幅で、且つエネルギー密度を高めた
状態で前記半導体薄膜の全幅にわたって照射しながら前
記半導体薄膜の長手方向に走査することを特徴とする。
【0010】
【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。
【0011】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。
【0012】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。
【0013】
【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。
【0014】第2図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、2
4は鏡、25は凸レンズ、26は試料である。
【0015】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3aに示すが如く
1辺25〔cm〕正方形のガラス基板(絶縁体基板)3
1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〔nm〕とした。レーザービー
ムの大きさは、1辺5〔mm〕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/(cm
・パルス)〕であるが、凸レンズ23を透過直後では、
ビームの幅が50倍となるため、400〔mJ/cm
・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25でエネルギー密度を再び2
000〔mJ/(cm・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。即ち、レーザービームの大きさが5mmで
凸レンズを透過直後のビーム幅が50倍となるため、2
5cmの幅になり、この幅は基板の幅25cmに相当す
る。凸レンズ25を透過後のビームの幅は第2図のよう
に基板の幅に相当するので、エネルギー線が平行ビーム
のまま基板に照射されることになる。
【0016】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。
【0017】
【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 (1)

    (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全幅を照射できるよう前記半導体
    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、当該変形させたビームを凸レンズにより前記平行ビ
    ームの幅と等しくなるような幅で、且つエネルギー密度
    を高めた状態で前記半導体薄膜の全幅にわたって照射し
    ながら前記半導体薄膜の長手方向に走査することを特徴
    とする半導体薄膜の製造方法。
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