JPH0440320B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、絶縁体上に半導体単結晶層を形成す
る技術に係わり、特に疑似線状電子ビームを用い
た半導体単結晶層の製造方法及びこの方法に使用
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 On
Insulator）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晶質シリ
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方法で
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１３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１４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１５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を示す
図である。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
ビーム照射した際に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。従つて、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に位置に
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１６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
温度分布を制御して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
できる半導体単結晶層の製造方法を提供すること
にある。

また本発明の他の目的は、上記方法を実施する
ための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１５図に示すものとなる。なお、第１５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１５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。

ところで、上記のような基準電位に対し正負の
方向の波形が対称な単なる正弦波を変調波として
用いる場合、半導体溶融層の内側と外側とを独立
に温度制御することは困難であり、また溶融層内
の温度分布を厳密に均一化することも困難であ
る。

そこで本発明では、第３図に示す如く基準電位
に対し正負の方向の振幅が非対称な変調波により
振幅変調させた信号により高速偏向させた電子ビ
ームを用いている。この場合、基準電位より内側
の波形で溶融領域の中央部の温度制御が可能とな
り、基準電位より外側の波形で溶融領域の周辺部
の温度制御が可能となり、これにより中央部及び
周辺部の独立した温度制御が可能となるのであ
る。

本発明はこのような点に着目し、絶縁基体上に
形成された多結晶若しくは非晶質の半導体膜に電
子ビームを走査してアニールする半導体単結晶層
の製造方法において、前記ビームを振幅変調させ
た電気信号により一方向に偏向すると共に、これ
と交差する方向に該ビームを走査し、且つ上記電
気信号の変調波として正負の方向に異なる振幅を
持つ波形を用いるようにした方法である。

また本発明は、上記方法を実施するための電子
ビームアニール装置において、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
源とを具備してなり、上記高周波電源における電
気信号の変調波として基準電位に対し正負の方向
に異なる振幅を持つ波形を用いるようにしたもの
である。

〔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。さらに、溶融領域の内側と外側と
の温度分布を独立に制御することができる。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４図は本発明の第１の実施例に使用した電子
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、本実施例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）３８を設けたことにある。即ち、偏向板３８
は前記第１３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には後述する如く駆動系
（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５図は上記偏向板３８に高周波電圧を印加す
るための高周波電源４０の回路構成を示すブロツ
ク図である。この電源４０は、正弦波を発生する
２つの発振器４１ａ，４１ｂ、ダイオード４２
ａ，４２ｂ、位相制御器４３ａ，４３ｂ、波形合
成器４４、基本波を発生する発振器４５、変調器
４６及び増幅器４７等から構成されている。

発振器４１ａの発振出力はダイオード４２ａを
介して位相制御器４３ａに供給される。同様に、
発振器４１ｂの発振出力はダイオード４２ｂを介
して位相制御器４３ｂに供給される。そして、位
相制御器４３ａ，４３ｂの各出力信号は波形合成
器４４に供給される。波形合成器４４で合成され
た信号（変調信号）は、発振器４５の出力信号
（基本波）と共に変調器４６に供給される。変調
器４６で変調された信号は増幅器４７を介して増
幅される。そして、この増幅器４７の出力電圧が
高周波電源４０の出力（高周偏向信号）として前
記偏向板３８に印加されるものとなつている。

ここで、発振器４１ａ，４１ｂの発振周波数を
同じ（例えば15KHz）とし、発振器４１ａの出力
信号の振幅を第６図ａに示す如くＰ、発振器４１
ｂの出力信号の振幅を同図ｂに示す如くＱとす
る。すると、ダイオード４２ａ，４２ｂ、位相制
御器４３ａ，４３ｂ及び波形合成器４４を介して
得られる信号は、第６図ｃに示す如く基準電位に
対し正負の方向に異なる振幅Ｐ，Ｑを持つたもの
となる。そして、この信号を変調波として用いる
ことにより、前記第３図に示す如き電気信号が得
られるものとなつている。

なお、上記Ｐ，Ｑの値の大小により、波形の非
対称及び振幅等が決まる。Ｐの値は主としてアニ
ール中の試料の溶融領域の外側の加熱の制御に有
効であり、そこでの温度勾配が適切となるように
選べばよい。また、Ｑの値は主として試料の溶融
領域内の温度分布の制御に有効であり、温度分布
を均一化するように選べばよい。

次に、上記装置を用いたシリコン単結晶層の製
造方法について説明する。

まず、前記偏向板３８に印加する信号として
は、50［ＭHz］の正弦波を第６図ｃに示す如き信
号で振幅変調させた波形を用いた。即ち、前記発
振器４１ａ，４１ｂの発振周波数を 15［ＫHz］、振幅Ｐの値を８［Ｖ］、振幅Ｑの値を14
［Ｖ］とした。また、発振器４５の出力である基
本波の周波数を50［ＭHz］、振幅を60［Ｖ］とした。

この高速偏向の条件下で、150［μm］径のスポ
ツト電子ビームを高速偏向して長さ４［mm］の線
状化電子ビームを形成し、このビームを用いて、
ビーム加速電圧12［KV］、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。

実験試料としては、第７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0.5［μm］
厚のＷ膜５４及び0.5［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3.5［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
の優れたものであった。また、多結晶シリコン膜
53の下部のSiO₂膜５２の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3.5［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。

なお、この実施例では変調波の形成として２つ
の正弦波を用いたが、これらの一方或いは両方を
三角波、多角形波、鋸歯状波にしても、同様の効
果が得られた。

次に、本発明の第２の実施例について説明す
る。この実施例では、100［ＫHz］の正弦波を第１
の実施例で述べた基準電位に対し正負の方向の振
幅が異なる波形で振幅変調し、この変調された波
形を用いて50［ＭHz］の基本波を振幅変調したも
のを高速偏向信号として用いた。

第８図はこの実施例に用いた高周波電源の回路
構成を示すブロツク図である。なお、第５図と同
一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は
省略する。前記発振器４１、ダイオード４２、位
相制御器４３及び波形合成器４４等からなる波形
合成回路８０の出力信号は、発振器８１の発振出
力と共に変調器８２に供給されている。発振器８
１の発振周波数100［ＫHz］であり、変調器８２に
より波形合成回路８０の出力信号により発振器８
１の出力信号が振幅変調される。そして、この変
調器８２の出力信号が、変調信号として前記変調
器４６に供給されるものとなつている。

第９図はこの実施例で用いた高速偏向波形を示
す。この波形を用いて第１の実施例と同様な条件
でアニールを行つたところ、幅4.5［mm］のシリコ
ン再結晶層が得られ、その表面は均一性及び平坦
性が更に優れたものであつた。また、結晶性も極
めて良好であつた。

なお、この実施例でも波形合成回路８０におけ
る変調波の形成として２つの正弦波を用いたが、
これらの一方或いは両方を三角波、多角形波、鋸
歯状波にしても、同様の効果が得られた。

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、上記各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方法である。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。高周波電源と
しては、前記第５図及び第８図に示す波形合成回
路８０の代りに、第１０図に示す如く半導体メモ
リ（PROM）９１及びDA変換器９２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９１に格納させた。次いで、このデータを読出
し、DA変換器９２に通してアナログ量とし、こ
れを変調器４６に入力させて、基本波を振幅変調
させた。この結果、前記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周偏向
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。

次に、本発明の第４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３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DA変換器に入
力させた後、振幅変調する方法である。高周波電
源としては、前記第１０図に示すPROM９１の
代りに、第１１図に示す如くCPU９３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１２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、CPU９
３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走査の重なる部
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。

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１５
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15［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。

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、Ａ₂O₃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図乃至第３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図は基準電
位に対し正負の方向の振幅が非対称の変調波によ
り振幅変調した高速偏向信号を示す信号波形図、
第４図乃至第７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４図は電子ビームア
ニール装置を示す概略構成図、第５図はその駆動
系の回路構成を示すブロツク図、第６図は基準電
位に対し正負の方向に異なる振幅を持つ変調波形
を形成するための方法を示す信号波形図、第７図
は被アニール試料の概略構造を示す断面図、第８
図及び第９図はそれぞれ第２の実施例を説明する
ためのもので第８図は駆動系の回路構成を示すブ
ロツク図、第９図は高速偏向信号を示す信号波形
図、第１０図は第３の実施例を説明するためのも
ので駆動系の回路構成を示すブロツク図、第１１
図及び第１２図はそれぞれ第４の実施例を説明す
るためのもので第１１図は駆動系の回路構成を示
すブロツク図、第１２図は試料表面をモニタする
例を示す概略構成図、第１３図乃至第１６図はそ
れぞれ従来方法の問題点を説明するためのもので
第１３図は疑似線状ビーム形成原理を示す模式
図、第１４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１５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１６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…
…傾向コイル（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……駆動
系（高周波電源）、４１ａ，４１ｂ，４５，８１
……発振器、４２ａ，４２ｂ……ダイオード、４
３ａ，４３ｂ……位相制御器、４４……波形合成
器、４６，８２……変調器、４７……増幅器、４
９……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、９１……
PROM、９２……DA変換器、９３……CPU。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基体の絶縁表面上に形成された多結晶若しく
   は非晶質の半導体膜に電子ビームを走査してアニ
   ールする半導体単結晶層の製造方法において、前
   記ビームを振幅変調させた電気信号により一方向
   に偏向すると共に、これと交差する方向に該ビー
   ム走査し、且つ上記電気信号の変調波として基準
   電位に対し正負の方向に異なる振幅を持つ波形を
   用いたことを特徴とする半導体単結晶層の製造方
   法。 ２ 前記電気信号の変調波として、基準電位に対
   し正負の方向に異なる振幅を持ち、且つ振幅変調
   を施した波形を用いたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の半導体単結晶層の製造方法。 ３ 前記半導体膜のアニール時の温度を非接触温
   度センサで検出し、この検出温度に基づいて前記
   電気信号の変調波形を変えることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の半導体単結晶層の製造
   方法。 ４ 前記基体は、単結晶半導体基板上に絶縁膜が
   形成されたものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の半導体単結晶層の製造方法。 ５ 前記絶縁膜は、その一部に開口が形成された
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項記載の半導体単結晶層の製造方法。 ６ 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、上記高周波
   電源は基準電位に対し正負の方向に異なる振幅を
   持つ波形を変調波として用いたことを特徴とする
   電子ビームアニール装置。 ７ 前記高周波電源は、基準電位に対し正負の方
   向に異なる振幅を持ち、且つ振幅変調を施した波
   形を変調波として用いたことを特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載の電子ビームアニール装置。