JPH0339379B2 - - Google Patents

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技術に、特に疑
似線状電子ビームを用いて絶縁膜上に大面積の半
導体結晶膜を形成する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、半導体工業の分野においては、電子ビー
ムアニール技術を用いたSOI（Silicon OnI
nsulator）膜の形成技術の研究開発が盛んとなつ
ている。この技術では、シリコン単結晶基板上に
シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜を形
成し、その上に多結晶シリコン膜や非結晶シリコ
ン膜等を堆積し、電子ビーム或いはレーザビーム
等のビーム照射により、、上記シリコン膜を溶融
再結晶化させてシリコン単結晶層を成長させる方
法を採つている。

ところで、従来の電子ビームアニール装置で
は、細く絞つた電子ビーム（ガウス分布）をＸ、
Ｙ方向に走査させて試料面内を均一にアニールし
ている。この場合、通常使用される電子ビームの
直径は10〜500［μｍ］程度であり、１回のビーム
走査で溶融できるシリコン膜の幅は大略上記ビー
ム径程度となるため、大面積単結晶層を得る目的
には不適当であつた。それは、走査線の重合わせ
の部分での結晶粒界の発生を抑止することが困難
なためである。

そこで最近、第１６図に示す如く細く絞つた電
子ビームをその走査方向と直交する方向に高速偏
向することにより、電子ビームを疑似的に線状化
し、幅広い溶融領域を形成する技術が有望視され
ている。この場合、線状化ビームの長さは高速偏
向の振幅により決定され、原理的にはその長さに
は制限はない。しかし、一定ビーム電流のスポツ
トビームを高速偏向させた場合、振幅の増大に伴
い、第１７図に示すように電子ビーム照射された
試料表面の温度は低下する。半導体結晶層を製造
するためには、半導体膜を十分に溶融する必要が
ある。従つて、高速偏向振幅を増大させるには、
ビーム電流を増大させなければならない。このよ
うな事情から、実際には、ビーム電流の限界（即
ち電子銃の輝度特性）により、線状化ビームの長
さは決定される。

一方、上記の疑似線状電子ビームによる単結晶
層の製造においては、ビーム照射された試料表面
の線状化ビームの長さ方向の温度分布の制御の問
題がある。元来、線状電子ビームエミツタを用
い、試料表面上に線状ビームを投影する線状電子
ビームを用いる方法に比べ、上記の疑似線状電子
ビームを用いる方法では、電子ビームの強度分布
の制御性は格段に優れているが、高速偏向に用い
る電圧波形によつて、電子ビームの強度分布は変
化する。第１８図は正弦波により高速偏向させた
場合の線状化方向のシリコン表面温度分布であ
る。正弦波の特性として振幅の両端付近に２つの
温度ピークが存在し、中央部はこれらの部分より
も温度は低くなる。そのため、試料に電子ビーム
照射した際は疑似線状ビームの両端付近を適切に
溶融させた場合、中央付近は溶融されない。この
ため、試料表面を均一にアニールすることが困難
である。

これを解決するためには、正弦波によらず、三
角波等の電子ビームの存在確率が振幅内の位置に
よらず一定な波形を用いる方法も考えられるが、
高速偏向周波数が高くなると、波形歪みが増大
し、正弦波の特性に近くなるため、上記の問題の
解決は困難である。高速偏向信号には、ＭHzオー
ダの周波数が必要である。それは、第１９図に示
すように瞬間的な電子ビームの存在位置（偏向波
形の位相）の違いにより試料表面温度の変動が大
きくなるためである。そして、この変動は〜２
［ＭHz］以上の周波数で無視し得る程小さくなる。

このように、従来の疑似線状ビーム技術には上
記のような問題があり、均一性の良い半導体単結
晶層を得ることは困難であつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、疑似線状ビームの長さ方向の
温度分布を平坦なものにすると共に、電子ビーム
照射部の外周部での温度分布をなだらかなものと
することができ、試料内に発生する熱歪みを最小
化し、良質な単結晶層を製造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、電子ビームを一方向に高速偏
向させて疑似線状ビームを形成する際に、高速偏
向させる高周波電圧波形をそれよりも低い周波数
の波形で振幅変調（AM）させ、変調信号の制御
により線状化ビームの強度分布を制御し、これに
より均一で大面積の半導体単結晶層を形成するこ
とにある。

ビームの線状化方向のビーム強度分布を変化さ
せるには、第１図に示す如き変調信号の振幅Ｂと
基本波の振幅Ａとの大きさを制御することにより
実行することができる。第１図の波形は、 Ｙ＝（Ａ・sinω₁t＋Ｂ）・sinω₂t で表わされる。ω₁とω₂とはそれぞれ変調波及び
基本波の周波数である。Ａ／Ｂは変調度ｍを表わ
す。第２図は変調度ｍをパラメータとしたときの
電子ビームの存在確率密度分布を示す。ここで
は、Ｂ＝１としている。ｍ＝０の振幅変調しない
場合、ビーム位置Ｙ＝１の位置に存在確率密度の
巨大なピークが存在し、中央部に近付く程なだら
かな分布となつている。このような強度分布の電
子ビームを照射したときの試料表面の温度分布が
前記第１８図に示すものとなる。なお、第１８図
で温度のピークが小さくなつているのは、被アニ
ール試料上で熱の拡散が生じるためである。

また、第２図からｍ＝0.2、ｍ＝0.5とｍを大き
くするに従い、上記の電子ビーム存在確率密度の
ピークは小さくなり、中央部での値との差は小さ
くなる。ピークが小さくなり中央部の値との差が
小さくなると、上記した熱拡散も加わり、被アニ
ール試料表面の温度分布はより均一なものとな
る。さらに、ピークが小さくなると、アニール領
域周辺との温度勾配も小さくなることになる。従
つて、第１８図に示すような温度分布の不均一性
はｍの値を最適化することにより大幅に減少し、
均一な半導体層の溶融ができるようになる。ｍの
値は大略0.2〜0.8程度の間が適切な条件を与える
が、その最適値はアニール試料の構造、温度条件
等により変化する。

なお、上記の第２図に示す特性は、変調信号の
周波数が十分高いときに初めて得られるものであ
り、周波数が低くなるとこの特性は得られず、ｍ
＞０でピーク点がＹ＞１の位置に生じることもあ
る。本発明者等の実験によれば、線状化ビームが
そのビーム幅（移動方向の幅）程度移動する時
に、該移動距離内に変調波形のピーク点が１個以
上あれば第２図に示す特性が一応満足でき、さら
に10個以上であれば十分であることが判明した。
この結果から、ビーム径をｂ、走査速度をＶ、変
調周波数をＦ（＝ω₁）とするとき、 Ｆ・（ｂ／ｖ）≧１ が成立するようにすればよいことが判る。

本発明はこのような点に着目し、電子銃から放
射された電子ビームを集束制御するレンズ系と、
上記ビームを被アニール試料上で走査する第１の
偏向器と、上記ビームを上記走査方向と交差する
方向に高速偏向する第２の偏向器と、この第２の
偏向器に振幅変調させた電気信号を印加する高周
波電源とを具備してなる電子ビームアニール装置
において、前記被アニール試料上でのビーム径ｂ
［mm］、走査速度Ｖ［mm／sec］及び変調周波数Ｆ
［Hz］を Ｆ・（ｂ／ｖ）≧１ が成立するよう設定したものである。

なお本発明者等は、電子ビームを振幅変調され
た高速偏向波形により一方向に高速偏向し、これ
と交差する方向にビーム走査してアニールする電
子ビームアニール装置を先に出願（特願昭59−
7337号）しているが、この先願発明は変調信号の
周波数を１［Hz］程度と極めて低くし、溶融幅の
変化によるネツキング効果を狙つたもので、本発
明は先願発明とは目的及び技術思想を明かに異に
している。

〔発明の効果〕

本発明によれば疑似線状ビームの長さ方向の温
度分布を制御（平坦なものに）することができ、
幅広い均一な半導体層の溶融・最凝固を達成する
ことができる。このため、残留熱歪みの小さい良
質な半導体単結晶層を大面積に亙つて製造するこ
とができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例によつて説
明する。

第３図は本発明の第１の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。図中
３１は電子銃であり、この電子銃３１から放射さ
れた電子ビームは集束レンズ３２及び対物レンズ
３３により集束されて試料３４上に照射されると
共に、走査コイル（第１の偏向器）３５により試
料３４上で走査される。走査コイル３５は、実際
にはビームをＸ方向（紙面左右方向）に偏向する
Ｘ方向偏向コイルと、ビームをＹ方向（紙面表裏
方向）に偏向するＹ方向偏向コイルとから構成さ
れている。また、集束レンズ３２の主面にはアパ
ーチヤマスク３６が配置され、電子銃３１とレン
ズ３２との間にはビームをON−OFFするための
ブランキング電極３７が配置されている。

ここまでの構成は通常の電子ビームアニール装
置と同様であり、この装置がこれと異なる点は、
前記レンズ３２と走査コイル３５との間にビーム
を高速偏向するための偏向板（第２の偏向器）３
８を設けたことにある。即ち、偏向板３８は前記
第１６図に示す如くＹ方向に対向配置され、ビー
ムをＹ方向に高速偏向するものとなつている。ま
た、偏向板３８には後述する如く高周波電源４０
により高周波電圧が印加されるものとなつてい
る。なお、上記説明では偏向板３８を１組とした
が、これに加えビームをＸ方向に高速偏向する偏
向器を設けるようにしても良い。また、ワーキン
グデイスタンスが十分大きい場合、偏向板３８の
代りに偏向板３９を前記偏向コイル３５の下方に
設けることも可能である。

第４図は上記偏向板３８に高周波電圧を印加す
るための駆動系（高周波電源）４０の回路構成を
示すブロツク図である。この装置では、基本波を
発生する第１の発振器４１及び変調波を発生する
第２の発振器４２の各出力信号が変調器４３に供
給される。変調器４３で変調された信号は増幅器
４４を介して増幅される。そして、増幅器４４の
出力が高周波電源４０の出力電圧として前記偏向
板３８に供給されるものとなつている。

次に、上記第１の実施例装置を用いたシリコン
単結晶層の製造方法について＜実施例１＞〜＜実
施例３＞を基に説明する。

実験例 １ まず、前記偏向板３８に印加する信号として
は、50［ＭHz］の正弦波を10［ＫHz］の正弦波で振
幅変調させた波形を用いた。基本板と変調波の振
幅をそれぞれ60［Ｖ］、20［Ｖ］とした。この高速
偏向の条件下で、150［μｍ］径のスポツト電子ビ
ームを用い、ビーム電流12［ｍＡ］、走査速度100
［ｍ／sec］で電子ビームアニールの実験を行つ
た。なお、この条件下では、 Ｆ・（ｂ／ｖ） ＝10×10³×0.15／100＝15 となり、１より大きいと云う条件を十分に満足し
ている。

実験試料としては、第５図に示す如く面方位
（100）、５インチ径の単結晶Si５１上に1.3［μｍ］
厚のSiO₂膜（絶縁膜）５２を堆積し、その上部
に0.6［μｍ］厚の多結晶Si膜（半導体膜）５３を
堆積し、その上部にキヤツプ層としての１［μｍ］
厚のＷ膜５４及び0.2［μｍ］厚のSiN膜５５の２
層膜を付けたものを用いた。

アニール後の試料では、幅５［mm］のシリコン
再結晶層が得られ、その表面状態も極めて平坦性
の優れたものであつた。また、多結晶シリコン膜
５３の下部のSiO₂膜５２の一部を開口させた構
造の試料では、上記SiO₂膜５２の開口部で基板
シリコンと直接接した多結晶シリコン膜５３の再
結晶時に基板から垂直にエピタキシヤル成長し、
次いでSiO₂膜５２上のシリコン層も横方向にエ
ピタキシヤル成長する結果、この幅５［mm］の溶
融帯に含まれた領域中では、大面積の（100）方
位の単結晶層が得られた。

実験例 ２ この実験例では、変調波として前記正弦波の代
りに三角波を用いた。この場合の高速偏向波形を
第６図に示す。実験に用いた試料、電子ビームア
ニール装置及び電子ビームアニール条件は、先の
実験例１と同様とした。そしてこの場合、アニー
ル後の試料表面には、幅4.8［mm］程度のシリコン
再結晶層が得られ、その平坦性も良好であつた。

実験例 ３ この実験例では、変調波として、２種類の振
幅、周波数及び位相を変化させた正弦波を重畳さ
せた波形を用いた。ここでは、振幅15［Ｖ］、周波
数7.6［ＫHz］の正弦波と振幅20［Ｖ］、周波数10
［ＫHz］との２つの正弦波を重畳させた波形で50
［ＭHz］の基本板を変調させた。その結果、、第７
図に示すような高速偏向波形が得られた。

上記第７図に示す高速偏向波形を用いて先の実
験例１と同様な実験を行つたところ、幅5.5［mm］
のシリコン再結晶層が得られた。しかし、この場
合には、第７図に示した高速偏向波形中の小さい
方の正弦波のピーク位置が常に一定であるため、
得られた再結晶層全体としては極めて均一性、平
坦性に優れたものであるが、その再結晶層の外周
付近に僅かに結晶欠陥の多い領域が見られた。

そこで、この問題を解決するために変調に用い
た２つの正弦波の間の位相をπ／16だけずらして
得られる波形を用い、第８図に示すような高速偏
向波形を得た。この場合には、図中に示された小
さい方の正弦波によるピークの高さが周期的に変
化するため、電子ビーム存在確率密度の分布は第
９図に示すようになり、存在確率密度のピークは
かなり小さくなると共に、その幅が相当拡大され
たものとなつた。この結果により、シリコンの再
結晶化層は幅６［mm］まで拡大することができ、
しかもその全域が極めて平坦性に優れ、結晶性も
均質で良好なものが得られた。

次に、本発明の第２の実施例について説明す
る。

この実施例は、上記第１の実施例で述べたアナ
ログ的な変調方式でなく、より進んだ技術である
パルス変調方式を利用したものである。その典型
的な例として、パルス符号変調（PCM）方式を
応用した場合の実施例について述べる。高周波電
源５０としては、前記第４図に示す発振器４２の
代りに、第１０図示す如く半導体メモリ
（PROM）４６及びＤ−Ａ変換器４７を用いた。
この装置において、まず任意の波形を量子化し、
その強度を２進数に変換したデータを半導体メモ
リ４６に格納させた。次いで、このデータを読出
し、Ｄ−Ａ変換器４７に通してアナログ量とし、
これを変調器４３に入力させて、基本波を振幅変
調させた。この結果、前記のアナログ変調方式で
は困難であつた、任意の波形の変調波による高速
偏向が可能となつた。従つて、電子ビーム存在確
率分布を完全に自由に制御することができ、線状
化ビームの長さ方向の温度分布を完全に平坦化す
ることができた。

一例として、第１１図にカスプ波形により変調
した高速偏向波形を示す。この波形による電子ビ
ームアニールの結果は、試料表面温度分布の均一
性が高まつたことにより、極めて均質で良好な半
導体単結晶が得られた。

次に、本発明の第３の実施例について説明す
る。

この実施例は、変調波形を予めメモリに格納し
ておいて利用する上記第２の実施例に代つて、コ
ンピユータ（CPU）を用いて任意波形を作り出
し、その波形（２進数で出力）をＤ−Ａ変換器に
入力させた後、振幅変調するものである。高周波
電源６０としては、前記第１０図に示すPROM
４６の代りに、第１２図に示す如くCPU４８を
用いればよい。

この場合、半導体結晶層の形成時（電子ビーム
アニールの最中）に、常時最適アニール条件を作
り出すように波形をオンラインで変化させながら
電子ビームアニールを行うことができる。例え
ば、第１３図に示す如く電子ビームアニール中の
試料表面温度を非接触温度センサ４９等により常
時モニタし、その出力の大小に応じて、CPU４
８で電子ビーム存在確率密度分布の最適解を計算
し、その結果に応じた変調波形を出力させるよう
にすればよい。

この方式は、特にアニール領域の端部での周囲
への熱拡散による温度低下に対する補正や、線状
化ビームをラスタ走査させた時の査走の重なる部
分での過度な加熱の補正を実行できる点が、均一
な結晶成長を行う上で効果的である。

第１４図は一次関数の組合わせによりCPU４
８で変調波形を作成した場合の例を示す。ここで
は、温モニタの出力が設定よりも低い時、一次関
数の勾配を緩くし、逆の場合には急峻になるよう
にする操作を繰返し行わせる。その結果、変調波
形は複雑な波形を数多くの微小な長さの直線で表
現した形となる。

また、第１５図は二次関数の組合わせにより
CPU４８で変調波形を作成した場合の例である。
上記の一次関数による場合よりも、波形が遥かに
滑らかとなり、そのため温度分布の均一性も更に
改善されることになる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定される
ものではない。例えば、前記基本波の周波数は50
［ＭHz］に限定されるものではなく、前記第１８
図に示したような試料表面温度の変動を小さくで
きるものであればよい。温度変動を小さくするた
めには、50［ＫHz］以上の周波数が望ましい。変
調波の周波数についても10［ＫHz］に何等限定さ
れるものではなく、基本波の周波数より低い周波
数であればよい。但し、前記説明したようにＦ・
（ｂ／ｖ）≧１の条件を満足する必要がある。ま
た、電子ビームの偏向は、静電偏向に限らず、電
磁偏向であつてもよいのは勿論のことである。さ
らに、基板材料としては、Siの代りにGaAs、
Ge、InP等の他の半導体材料を用いてもよい。ま
た、絶縁膜としてのSiO₂膜の厚みは適宜変更可
能であり、さらにSiO₂膜の代りにSi−Ｎ膜、
Al₂O₃膜等の他の絶縁膜を用いることも可能であ
る。また、絶縁膜上に形成する半導体膜として
は、多結晶シリコンの代りに非晶質シリコンを用
いることができ、さらにGe、GaAs、InP等の他
の半導体材料を用いることも可能である。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図及び第２図はそれぞれ本発明の概要を説
明するためのもので第１図は電子ビームを高速で
偏向するための電気信号として正弦波により振幅
変調された高速偏向波形を示す信号波形図、第２
図は振幅変調した高速偏向波形により形成した疑
似線状電子ビームのビーム長さ方向の電子ビーム
存在確率密度分布を示す特性図、第３図乃至第９
図はそれぞれ本発明の第１の実施例を説明するた
めのもので第３図は電子ビームアニール装置を示
す概略構成図、第４図はその駆動系の回路構成を
示すブロツク図、第５図は被アニール試料の概略
構造を示す断面図、第６図は三角波により振幅変
調した高速偏向信号波形を示す信号波形図、第７
図は２つの正弦波により振幅変調した高速偏向信
号波形を示す信号波形図、第８図は２つの正弦波
の位相を制御して振幅変調した高速偏向信号波形
を示す信号波形図、第９図は第８図に示した高速
偏向波形で形成した疑似線状化電子ビームの電子
ビーム存在確率密度の分布を示す特性図、第１０
図及び第１１図はそれぞれ第２の実施例を説明す
るためのもので第１０図は駆動系の回路構成を示
すブロツク図、第１１図はカスプ波形により変調
した高速偏向信号波形を示す信号波形図、第１２
図乃至第１５図はそれぞれ第３の実施例を説明す
るためのもので第１２図は駆動系の回路構成を示
すブロツク図、第１３図は試料表面温度をモニタ
する例を示す概略構成図、第１４図は一次関数の
組合せによりCPUで変調波形を作成した場合の
高速偏向波形を示す信号波形図、第１５図は二次
関数の組合せによりCPUで変調波形を作成した
場合の高速偏向波形を示す信号波形図、第１６図
乃至第１９図はそれぞれ従来装置の問題点を説明
するためのもので第１６図は疑似線状ビーム形成
原理を示す模式図、第１７図は疑似線状ビームの
長さと試料表面温度との関係を示す特性図、第１
８図はビーム高速偏向中心からの距離と試料表面
温度との関係を示す特性図、第１９図は基本波周
波数をパラメータとした時のビーム高速偏向中心
からの距離と試料表面温度との関係を示す特性図
である。 ３１……電子銃、３２……集束レンズ、３３…
…対物レンズ、３４……被アニール試料、３５…
…偏向コイル（第１の偏向器）、３６……アパー
チヤマスク、３７……ブランキング電極、３８，
３９……偏向板（第２の偏向器）、４０，５０，
６０……駆動系（高周波電源）、４１……第１の
発振器、４２……第２の発振器、４３……変調
器、４４……増幅器、４６……PROM、４７…
…Ｄ−Ａ変換器、４８……CPU、４９……温度
センサ、５１……単結晶Si基板、５２……SiO₂
膜（絶縁膜）、５３……多結晶Si膜（半導体膜）、
５４，５５……キヤツプ層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子銃から放射された電子ビームを集束制御
   するレンズ系と、上記ビームを被アニール試料上
   で走査する第１の偏向器と、前記ビームを上記走
   査方向と交差する方向に高速偏向する第２の偏向
   器と、この第２の偏向器に振幅変調させた電気信
   号を印加する高周波電源とを具備し、前記被アニ
   ール試料上でのビーム径ｂ［mm］、走査速度Ｖ
   ［mm／sec］及び変調周波数Ｆ［Hz］を Ｆ・（ｂ／ｖ）≧１ が成立するよう設定したことを特徴とする電子ビ
   ームアニール装置。 ２ 前記高周波電源は、前記電気信号の変調波と
   して、正弦波若しくは三角波を用いたことを特徴
   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 前記高周波電源は、前記電気信号の変調波と
   して、複数の波形信号を合成したものを用いたこ
   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。 ４ 前記高周波電源は、前記電気信号の変調波と
   して、半導体メモリに記憶された波形データをＤ
   −Ａ変換したものを用い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。 ５ 前記高周波電源は、半導体膜のアニール時の
   温度に基づいて前記電気信号の変調波形を変える
   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。