JPH03268318A - ビームアニール方法および装置 - 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】 〔概要〕 ビームアニール方法および装置に関し、溶融半導体が絶
縁膜から剥がれるのを抑制することができるとともに、
溶融半導体の温度分布を良好に制御して結晶粒界のない
大きな単結晶を広い領域に渡って形成することができ、
高処理効率でかつ、高品質に単結晶半導体層を形成する
ことができるビームアニール方法および装置を提供する
ことを目的とし、 エネルギービームを走査して絶縁膜上の多結晶半導体の
結晶粒を大型化するビームアニール方法において、前記
ビームに該ビームの走査方向と略平行な方向の振動およ
び略垂直な方向の振動を同時に付与しながら走査するよ
うに構成し、また、エネルギービームを発生するエネル
ギービーム発生源と、絶縁膜上に多結晶半導体が形成さ
れた試料を保持するとともに、エネルギービーム発生源
から供給されるエネルギービームを走査するように移動
するステージと、エネルギービームが走査される方向に
対して略平行な方向および略垂直な方向にエネルギービ
ームを振動させる振動手段と、を備えるように構成する
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ビームアニール方法および装置に関し、詳し
くは、絶縁膜上に堆積した多結晶シリコン等を高エネル
ギービームを用いて溶融、再結晶化するためのビームア
ニール方法および装置に関する。

近時、半導体産業にあっては一層の高集積化および高速
化を図るため、３次元構造が考えられており、かかる３
次元構造として絶縁膜上に素子形成が可能な再結晶シリ
コン層を形成する５ＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　　Ｏｎ　　
Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ）技術が注目されている。そして、
この絶縁膜上に堆積した多結晶シリコンを高エネルギー
ビームを用いて溶融、再結晶化することにより単結晶シ
リコンを形成する。

〔従来の技術〕

従来、この種の単結晶シリコンの形成方法、すなわち、
ビームアニール方法としては、半導体素子が形成された
シリコン基板上に眉間の絶縁膜として、例えばＳｉＯ□
膜を形成し、このＳｉＯ２膜上に化学気相成長（ＣＶＤ
）法により多結晶シリコンを堆積し、この多結晶シリコ
ン層をエネルギービームにより垂直に、かつビーム走査
領域の縁部がオーバラップするようにして所定の一定速
度で順次走査し、多結晶シリコンを順次溶融、再結晶化
することによって５ｉＯｚ膜上に半導体素子が形成され
るのに十分な広い面積の単結晶領域を含んだ再結晶シリ
コン層が形成される。

ところが、多結晶シリコンを溶融する際、溶融シリコン
が絶縁膜上から剥がれてしまうという現象が生じ、これ
を抑制する方法が望まれている。

また、多結晶シリコンを溶融する際、エネルギービーム
の走査領域周辺の微結晶シリコンからエピタキシャルな
結晶成長が始まり再結晶シリコン中に結晶粒界が発生し
てしまうため、この結晶粒界を抑制することも望まれて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のビームアニル構造にあ
っては、エネルギービームを一定の速度で順次走査して
多結晶シリコン層を順次溶融、再結晶化していたため、
多結晶シリコンの溶融が効率よくなされて処理効率の面
で好ましい条件のビームのパワー密度および走査速度で
再結晶化を行った際には、溶融シリコンのＳｉｎ、膜面
からの剥がれが多発し、この剥がれのためにシリコン面
にＳｉｎ、の膜面を表出する穴が高密度に形成され、使
用に耐えない再結晶シリコン層が形成されてしまった。

このような不具合を解消するために、ビーム強度、すな
わち、ビームのパワー密度を小さくすることによって上
述した剥がれを抑制していたが、この方法では、パワー
密度の減少により溶融幅が狭くなって結晶粒界が多発し
てしまい、結晶品質が低下してしまうとともに、処理時
間が大幅に長引いてしまうという問題があった。

したがって、処理時間を短縮して溶融シリコンがＳｉｎ
２膜面から剥がれるのを効果的に抑制することができな
かった。

そこで本発明は、溶融半導体が絶縁膜から剥がれるのを
抑制することができるとともに、溶融半導体の温度分布
を良好に制御して結晶粒界のない大きな単結晶を広い領
域に渡って形成することができ、高処理効率でかつ、高
品質に再結晶半導体層を形成することができるビームア
ニール方法および装置を提供することを目的としている
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるビームアニール方法は、上記目的を達成す
るため、エネルギービームを走査して絶縁膜上の多結晶
半導体の結晶粒を大型化するビームアニール方法におい
て、前記ビームに該ビームの走査方向と略平行な方向の
振動および略垂直な方向の振動を同時に付与しながら走
査するようにしたことを特徴とするものであり、また、
本発明によるビームアニール装置は、エネルギービーム
を発生するエネルギービーム発生源と、絶縁膜上に多結
晶半導体が形成された試料を保持するとともに、エネル
ギービーム発生源から供給されるエネルギービームを走
査するように移動するステージと、エネルギービームが
走査される方向に対して略平行な方向および略垂直な方
向にエネルギービームを振動させる振動手段と、を備え
たことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明では、エネルギービームに、該ビームの走査方向
と略平行な方向の振動および略垂直な方向の振動が同時
に付与されて走査される。したがって、エネルギービー
ムに該ビームの走査方向と略平行な方向の振動が付与さ
れると、溶融半導体の絶縁膜に対する漏れ性が高められ
てその剥がれが抑制される。また、エネルギービームに
該ビームの走査方向と略垂直な方向の振動が付与される
と、溶融半導体の温度分布の制御が容易になるとともに
、ビームの強度を増大させることなく溶融幅が増加され
、結晶粒界の発生が抑制される。この結果、高処理効率
でかつ、高品質に再結晶半導体層が形成される。

また、エネルギービームには振動発生手段により走査方
向に対して２方向の振動が付与される。

好ましい振動の周波数は、多結晶シリコン層の膜厚、ビ
ーム強度、走査速度等の相関関係により決定される。

具体的に、好ましい値は、ビーム強度を３．０〜５、Ｑ
Ｗ　（Ａｒイオンレーザ−１４８８ｎｍあるいは５１４
ｎ＊。

電子ビームの加速電圧１５ＫＶ、ビーム電流０．２ｍＡ
）、ビーム径２０μ−のとき、ビームの走査速度を１０
ｓｉ／Ｓｅｃから１００　ｍ／ｓｅｃ　、多結晶シリコ
ンの膜厚を２００〜４００ｒ＋＋ｗであれば、ビームの
走査方向に対して略平行方向の振動を、周波数１に〜９
ＫＨｚ、振幅５０〜１００μｍ（ｐ−ｐ）　　（但し、
ｐ−ｐはビームの振動の振幅）のサイン波形に設定する
とともに、ビームの走査方向に対して略垂直方向の振動
を周波数２０ｋＨｚ以上、振幅２０〜５０μｍ　（ｐ−
ｐ）に設定する。この結果、剥がれのない状態で一度に
３０μｍ幅の結晶粒界のない再結晶半導体層が得られる
。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図〜第３図は本発明に係るビームアニール装置およ
びビームアニール方法が適用されるビームアニール装置
の一実施例を示す図であり、第１図は一実施例のビーム
アニール装置の概略図、第２図は一実施例の被処理基板
の断面図、第３図は一実施例の再結晶状態の模式平面図
である。

まず、構成を説明する。第１図において、１はエネルギ
ービームとして所定の短波長のアルゴン（Ａｒ）イオン
レーザを発生させるレーザ発信器、２はビームの走査方
向と略平行な振動を発生させる第１発信器３およびビー
ムの走査方向と略垂直な振動を発生させる第２発信器４
に接続され、レーザビームに上述した平行および垂直方
向の振動を付与する音響光学素子、５はミラー、６は集
光用レンズ、７は試料としての半導体処理基板８を保持
して加熱する加熱部材、９はχ−Ｙ方向番こ移動すると
ともに加熱部材を介して導体処理基板８を保持するステ
ージ、１０は振動による変位がＯのときのレーザビーム
、破線で示すＩＯＡは土量大変位のレーザビーム、−点
鎖線で示すＩＯＢは一最大変位のレーザビームである。

半導体処理基板８は、第２図に示すように、例えばシリ
コン基板１１上に熱酸化によって署さ１μｍ程度のＳｉ
ｎ、膜１２を形成し、その上にＣＶＤ法により暑さ４０
００人程度０多結晶半導体としての多結晶シリコン層１
３が堆積されて構成されている。

音響光学素子２は第１発信器３および第２発信器４とと
もに振動手段を構成しており、詳細しないがＴｅａ、等
の音響光学媒体に圧カドランスデューサを接続し、この
圧カドランスデューサに超音波駆動電圧を印加して音響
光学媒体中に超音波の粗密波を発生させ、これによって
光を回折させるものである。また、第１発信器３は音響
光学素子２に所定周波数のサイン波形を供給し、レーザ
発信器１から音響光学素子２に入力されるレーザビーム
にビームの走査方向と略平行な振動を発生させる。第２
発信器４は音響光学素子２に所定周波数の矩形波形を供
給し、レーザ発信器ｌがら音響光学素子２に入力される
レーザビームにビームの走査方向と略垂直平行な振動を
発生させる。ステージ９は処理基板６を保持してＸ−Ｙ
方向に移動することにより、レーザ発信器ｌがら音響光
学素子２、ミラー５、集光用レンズ６を介して所定のビ
ームスポット径で処理基板８の表面に照射されるレーザ
ビームを走査する。そして、音響光学素子２、第１発信
器３および第２発信器４によりレーサヒームハヒームが
走査される方向に対して略平行な方向および略垂直な方
向に振動が付与され、第１図に示すＩＯＡおよびＩＯＢ
の間において振動する。

本実施例では、上述した処理基板８に対して以下の条件
でビームアニールを行なった。

ビーム強度：　３．ＯＷ　（Ａｒレーザ、４８８ｎｍ発
信）、ビーム径：２０μｍ１ ビーム走査速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ、 ビームの走査方向と略平行に印加される振動：周波数３
ＫＨｚ、振幅７５μｍ　（ｐ−ｐ）のサイン波形ビーム
の走査方向と略垂直に印加される振動二周波数５０に七
、振幅２０μｍ　（ｐ−ｐ）の矩形波形この結果、第３
図に示すようにビームの走査領域、すなわち、多結晶シ
リコン層１３の溶融領域Ａにおていは未溶融領域Ｂとの
間に多少の結晶粒界Ｃが発生したのみで、中央部分の溶
融シリコンは下地のＳｉＯ□膜１２に密着したまま再結
晶化して３０ｔ１ｍ幅の半導体素子が形成されるのに十
分な広い面積の単結晶シリコン領域りが形成された。

本実施例では、主に、ビームの走査方向と略平行に印加
される振動により上述した剥がれを抑制し、また、ビー
ムの走査方向と略垂直に印加される振動によりビームの
走査部分における溶融シリコンの温度分布を良好に制御
してビームパワーを増大させることなしに溶融幅を十分
に確保し、結晶粒界の発生を抑制することができること
がわかった。この結果、高処理効率でかっ、高品質に再
結晶半導体層を形成することができる。

なお、本実施例においては、エネルギービームとしてレ
ーザビームを用いているが、これに限らず、電子ビーム
等を用いてもよい。また、多結晶半導体の下に形成され
る絶縁膜にＳｉｎ、を用いているが、これに限らずＳ　
１３　Ｎａ　、Ｓ　ｉ　ＯＮ等を用いたもの、あるいは
Ｓ　ｉＯ２、Ｓ　ｉ：＋　Ｎａ、５ｉＯＮの中から適当
に組み合わせて多層にしたものでもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、エネルギービームに、該ビームの走査
方向と略平行な方向の振動および略垂直な方向の振動を
同時に付与しながら該ビームを走査しているので、溶融
半導体が絶縁膜から剥がれるのを抑制することができる
とともに、溶融シリコンの温度分布を良好に制御して結
晶粒界のない大きな単結晶を広い領域に渡って形成する
ことができる。この結果、高処理効率でかっ、高品質に
再結晶半導体層を形成することができるビームアニール
方法および装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係るビームアニール装置およ
びビームアニール方法が適用されるビームアニール装置
の一実施例を示す図であり、第１図は一実施例のビーム
アニール装置の概略図、 第２図は一実施例の被処理基板の断面図、第３図は一実
施例の再結晶状態の模式平面図である。 ・・・・・・レーザ発信器（エネルギービーム発生源）
、・・・・・・音響光学素子（振動手段）、・・・・・
・第１発信器（振動手段）、・・・・・・第２発信器（
振動手段）、・・・・・・半導体処理基板（試料）、９
・・・・・・ステージ、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）エネルギービームを走査して絶縁膜上の多結晶半
   導体の結晶粒を大型化するビームアニール方法において
   、 前記ビームに該ビームの走査方向と略平行な方向の振動
   および略垂直な方向の振動を同時に付与しながら走査す
   るようにしたことを特徴とするビームアニール方法。
2. （２）エネルギービームを発生するエネルギービーム発
   生源と、 縁膜上に多結晶半導体が形成された試料を保持するとと
   もに、エネルギービーム発生源から供給されるエネルギ
   ービームを走査するように移動するステージと、 エネルギービームが走査される方向に対して略平行な方
   向および略垂直な方向にエネルギービームを振動させる
   振動手段と、 を備えたことを特徴とするビームアニール装置。