JPH10214785A - Thin semiconductor and deposition thereof - Google Patents

Thin semiconductor and deposition thereof

Info

Publication number
JPH10214785A
JPH10214785A JP1636397A JP1636397A JPH10214785A JP H10214785 A JPH10214785 A JP H10214785A JP 1636397 A JP1636397 A JP 1636397A JP 1636397 A JP1636397 A JP 1636397A JP H10214785 A JPH10214785 A JP H10214785A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
laser
wavelength
semiconductor thin
irradiated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP1636397A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3108375B2 (en
Inventor
Hideaki Oyama
秀明 大山
Toshimoto Suzuki
敏司 鈴木
Kazuhisa Nishi
和久 西
Tsuneo Mitsuyu
常男 三露
Takio Tomimasu
多喜夫 冨増
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JIYUU DENSHI LASER KENKYUSHO K
JIYUU DENSHI LASER KENKYUSHO KK
Original Assignee
JIYUU DENSHI LASER KENKYUSHO K
JIYUU DENSHI LASER KENKYUSHO KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JIYUU DENSHI LASER KENKYUSHO K, JIYUU DENSHI LASER KENKYUSHO KK filed Critical JIYUU DENSHI LASER KENKYUSHO K
Priority to JP09016363A priority Critical patent/JP3108375B2/en
Publication of JPH10214785A publication Critical patent/JPH10214785A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3108375B2 publication Critical patent/JP3108375B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure a crystal structure in good order while activating the electric carrier by depositing a thin semiconductor physically or chemically, introducing impurity elements into the thin semiconductor and irradiating the thin semiconductor with a laser light having a wavelength resonance absorption to the lattice vibration of the compositional elements and the impurity elements thereby reforming the thin semiconductor. SOLUTION: A than semiconductor is deposited physically or chemically. More specifically, a thin crystal of 3C-SiC is deposited on a substrate 17 by laser CVD and implanted with N ions. The thin semiconductor is then irradiated with a free electron laser 10 and reformed. The tree electron laser 10 is irradiated at an interval of 100ms in the form of a 20μs wide macropulse light comprising micropulses of less than 10ps having pulse width of less than 10ps and power density of less than 180MW/cm<2> . The irradiation region is 2mm square and since macropulse 3000 shots (5min) are irradiated, an area of 0.942cm<-2> is irradiated when 3000 shots scanning us performed at a beam diameter of 200μmϕ.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体材料にレ
ーザ光を照射し、その結晶構造を秩序化し電気的担体を
活性化した半導体薄膜及びその製膜方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor thin film in which a semiconductor material is irradiated with a laser beam to order its crystal structure and activate electric carriers, and a method for forming the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体材料を物理的又は化学的手段によ
り薄膜として形成し、この半導体薄膜により電子素子を
構成する際に、半導体薄膜の乱れた結晶構造を秩序化し
再結晶化する、あるいは電気的担体を活性化させる処理
方法の1つとして、電気炉等を用いて高温の熱処理をす
る方法が知られている。この方法では炭化珪素のような
半導体材料では摂氏1300℃以上の高温とする必要が
あり、このような高温の熱処理に起因して電極材料の選
択幅が狭く、又工程の順番を最適に選択できないなど種
々の制約がある。
2. Description of the Related Art When a semiconductor material is formed as a thin film by physical or chemical means, and when an electronic device is formed from this semiconductor thin film, the disordered crystal structure of the semiconductor thin film is ordered and recrystallized, or As one of the processing methods for activating the carrier, a method of performing a high-temperature heat treatment using an electric furnace or the like is known. In this method, a semiconductor material such as silicon carbide needs to be at a high temperature of 1300 ° C. or more, and the heat treatment at such a high temperature causes a narrow selection range of the electrode material, and the order of the steps cannot be optimally selected. There are various restrictions.

【0003】一方、イオン注入された非晶質層をレーザ
照射によって単結晶化する試みがレーザアニール法とし
て提案されて以来、加熱が短時間にできる、表面層の任
意の場所だけの加熱ができる、再結晶領域に溶解する不
純物の量を多くすることができるなど、従来の電気炉に
よる加熱とは異なる点に着目して、その後多くの応用研
究が行なわれている。
[0003] On the other hand, since an attempt to crystallize an ion-implanted amorphous layer by laser irradiation has been proposed as a laser annealing method, it is possible to heat the surface layer only at an arbitrary position in a short time. Attention has been paid to a point different from heating by a conventional electric furnace, for example, the amount of impurities dissolved in a recrystallization region can be increased.

【0004】このような背景のなかで、低温かつ局所的
に同様な熱処理の効果を得るために上記レーザアニール
法の応用例の1つとして提案された特開平7−2231
1号公報による半導体材料の作製方法が知られている。
In such a background, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-2231 has been proposed as one of application examples of the laser annealing method in order to obtain the same heat treatment effect at low temperature and locally.
A method for producing a semiconductor material according to Japanese Patent Application Publication No. 1 (JP-A) No. 1 is known.

【0005】この方法においては、アモルファス半導体
中の炭素、窒素、酸素の濃度を一定以下に低減した状態
で所定強度のレーザ光を照射して再現性が良く、高いキ
ャリア移動度を有する半導体薄膜を作製することを提案
している。
In this method, a semiconductor thin film having good reproducibility and high carrier mobility is irradiated by irradiating a laser beam of a predetermined intensity in a state where the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen in an amorphous semiconductor are reduced to a certain level or less. It is proposed to make.

【0006】上述した原理的なレーザアニール法では材
料を一旦溶融させるため半導体材料の電気的特性の再現
性が悪く、このため上記特許公報によるレーザアニール
法では炭素、窒素、酸素の濃度を一定以下としたアモル
ファス半導体にレーザ光を照射して材料を溶融させるこ
となく秩序化するとしている。
In the above-described principle of laser annealing, the material is once melted, so that the reproducibility of the electrical characteristics of the semiconductor material is poor. Therefore, in the laser annealing according to the above-mentioned patent publication, the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are kept below a certain level. Irradiation of the amorphous semiconductor with the laser beam causes the material to be ordered without melting the material.

【0007】この場合、レーザ光の照射では材料表面は
溶融せず、吸収されたレーザ光のエネルギにより固相成
長した固相秩序化領域に非晶質領域が混在した(セミア
モルファス化)ものとなり、炭素、窒素、酸素の濃度が
低いという条件下であれば高い移動度が得られるとされ
ている。
In this case, the surface of the material is not melted by the irradiation of the laser beam, and the amorphous region is mixed (semi-amorphous) in the solid-phase ordered region solid-phase grown by the energy of the absorbed laser beam. It is said that high mobility can be obtained under the condition that the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are low.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記特許公
報によるレーザアニール法は種々の半導体材料に対して
適用できる旨記載されているが、半導体材料はアモルフ
ァス化したものであることが条件であるため種々の半導
体材料に適用できる訳ではなく、根本的な解決方法では
ない。
By the way, it is described that the laser annealing method according to the above-mentioned patent application can be applied to various semiconductor materials. However, it is necessary that the semiconductor material be amorphous. It is not applicable to various semiconductor materials and is not a fundamental solution.

【0009】又、半導体材料に対するレーザ光の発振条
件は明確でなく、材料に対するレーザ光の吸収長さがそ
の波長に依存するため、紫外線レーザであるエキシマレ
ーザ、可視光のYAGレーザ、あるいは赤外域での赤外
線レーザからその材料に最適なレーザを選択しなければ
ならない。
The oscillation conditions of laser light for semiconductor materials are not clear, and the absorption length of laser light for the material depends on the wavelength. Therefore, an excimer laser that is an ultraviolet laser, a YAG laser for visible light, or an infrared laser. The best laser for that material must be selected from the infrared lasers in the country.

【0010】さらに、上記特許公報によるレーザアニー
ル法ではレーザ照射して改質された半導体材料はセミア
モルファス化されたものであるから、固相秩序化領域と
非晶質領域が混在するため、材料の全領域にわたって結
晶構造が均質に秩序化されたものではなく、不純物元素
を含む結晶構造では移動度についてさらに改善する余地
がある。
Further, in the laser annealing method according to the above-mentioned patent publication, the semiconductor material modified by laser irradiation is semi-amorphous, so that the solid-phase ordered region and the amorphous region coexist. The crystal structure is not homogeneously ordered over the entire region, and there is room for further improvement in mobility in a crystal structure containing an impurity element.

【0011】この発明は、上記のような従来のレーザア
ニール法における種々の問題に鑑みて、物理的又は化学
的方法により製膜された半導体薄膜をレーザ光の照射に
より薄膜を溶融することなく改質して結晶構造の秩序化
を図り、かつ電気的担体の活性化を図ることのできる製
膜方法とこの方法により半導体薄膜を得ることを課題と
する。
In view of the various problems in the conventional laser annealing method as described above, the present invention modifies a semiconductor thin film formed by a physical or chemical method without melting the thin film by irradiating a laser beam. It is an object of the present invention to provide a film forming method capable of improving the order of the crystal structure and activating the electric carrier, and obtaining a semiconductor thin film by the method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決する手段として、物理的又は化学的方法により半導
体薄膜を形成してこれに不純物元素を導入し、この薄膜
に構成元素の格子振動に共鳴吸収する波長のレーザ光を
照射し結晶構造を秩序化すると共に、不純物元素の格子
振動に共鳴吸収する波長のレーザ光を照射して局在振動
を励起せしめ電気的担体を活性化することから成る半導
体薄膜の製膜方法としたのである。
According to the present invention, as a means for solving the above problems, a semiconductor thin film is formed by a physical or chemical method, an impurity element is introduced into the thin film, and the lattice vibration of the constituent elements is introduced into the thin film. Irradiating a laser beam with a wavelength that can be resonantly absorbed to the crystallographic structure, and irradiating a laser beam with a wavelength that is resonantly absorbed by the lattice vibration of the impurity element to excite localized vibrations and activate the electric carriers. Thus, a method of forming a semiconductor thin film made of

【0013】そして、上記方法によって、物理的又が化
学的方法により形成した半導体薄膜に不純物元素を導入
した薄膜の構成元素の結晶構造をこの構成元素の格子振
動に共鳴吸収する波長のレーザ光を照射して秩序化し、
かつ不純物元素の格子振動に共鳴吸収する波長のレーザ
光を照射し局在振動により電気的担体を活性化して成る
半導体薄膜を得るようにしたものである。
According to the above method, a laser beam having a wavelength that resonates and absorbs the crystal structure of a constituent element of a thin film obtained by introducing an impurity element into a semiconductor thin film formed by a physical or chemical method. Irradiate and order,
In addition, a semiconductor thin film formed by irradiating a laser beam having a wavelength that is resonantly absorbed by lattice vibration of an impurity element and activating an electric carrier by localized vibration is obtained.

【0014】上記半導体薄膜の製膜方法において、物理
的又は化学的方法により半導体薄膜を形成する方法は、
例えばスパッタ法などによる物理的方法、あるいはレー
ザCVDなどによる化学的方法のように周知の方法であ
り、そのいずれでもよい。
In the method of forming a semiconductor thin film, the method of forming a semiconductor thin film by a physical or chemical method is as follows.
For example, it is a known method such as a physical method by a sputtering method or the like or a chemical method by a laser CVD or the like, and any of them may be used.

【0015】又、上記製膜方法においては、電気炉等に
よる高温の熱処理で材料全体を溶かし熱平衡状態を経て
乱れた原子を再構成させたり、所望の格子位置に原子を
配置するのではなく、構成元素の格子振動に共鳴吸収す
るレーザ光を照射して、材料を溶融することなく格子振
動を直接励起して結晶構造を秩序化し薄膜材料の改質を
図る。これにより薄膜材料の電気的特性の再現性が向上
する。
Further, in the above-mentioned film forming method, instead of melting the entire material by high-temperature heat treatment using an electric furnace or the like and reconstructing atoms disturbed through a thermal equilibrium state, or disposing atoms at desired lattice positions, By irradiating a laser beam that resonates and absorbs the lattice vibration of the constituent elements, the lattice vibration is directly excited without melting the material, the crystal structure is ordered, and the thin film material is modified. Thereby, the reproducibility of the electrical characteristics of the thin film material is improved.

【0016】一方、半導体薄膜に導入された不純物元素
が本来の構成元素の位置からずれた位置に入ったままで
はド−パントが不活性となり電気的特性が向上しない。
これを解消するため、この製造方法では上記構成元素の
格子振動とは異なる不純物元素の格子振動に共鳴吸収す
る波長のレーザ光を照射することにより電気的担体の活
性化を図っている。この場合、構成元素と不純物元素の
いずれの格子振動に対応する波長のレーザ光を先に照射
してもよくその順序は問わない。
On the other hand, if the impurity element introduced into the semiconductor thin film stays at a position shifted from the position of the original constituent element, the dopant becomes inactive and the electrical characteristics are not improved.
In order to solve this problem, in this manufacturing method, the electric carrier is activated by irradiating a laser beam having a wavelength that is resonantly absorbed by the lattice vibration of the impurity element different from the lattice vibration of the constituent element. In this case, laser light having a wavelength corresponding to the lattice vibration of any of the constituent element and the impurity element may be irradiated first, and the order does not matter.

【0017】以上のようにしてレーザ光を照射して半導
体薄膜を製膜する際に、結晶構造の改質と電気的担体の
活性化を図ることができる理由は次の通りである。図7
に半導体材料の原子構造のモデルを示す。図中の符号
1、2は構成元素、3は材料中でその格子位置からわず
かにずれた位置にいる原子を示している。例えば材料が
SiC(炭化珪素)の場合、構成元素1、2のいずれか
がSi、あるいはCである。
When a semiconductor thin film is formed by irradiating a laser beam as described above, the crystal structure can be modified and the electric carrier can be activated for the following reasons. FIG.
Figure 2 shows a model of the atomic structure of a semiconductor material. Reference numerals 1 and 2 in the drawing denote constituent elements and reference numeral 3 denotes an atom in a material at a position slightly shifted from its lattice position. For example, when the material is SiC (silicon carbide), one of constituent elements 1 and 2 is Si or C.

【0018】(1)上記SiCの材料で3の原子が構成
元素であればSi又はCのいずれかであり、このとき隣
接する原子との格子振動モードはSi−C特有の振動モ
ードであり、この振動に対応した波長のレーザ光(1
2.6μm、10.3μm)が照射されることにより、
本来の格子位置からずれた位置にある乱れた元素が揺さ
ぶられて本来の格子位置に入り、その結果結晶が再構成
され秩序化されて再結晶化が実現する。
(1) In the above-mentioned SiC material, if atom 3 is a constituent element, it is either Si or C. At this time, the lattice vibration mode between adjacent atoms is a vibration mode peculiar to Si—C, Laser light (1
2.6 μm, 10.3 μm),
The disturbed element at a position deviated from the original lattice position is shaken and enters the original lattice position. As a result, the crystal is reconstructed and ordered, and recrystallization is realized.

【0019】(2)一方、3の原子が電気的担体を供出
する不純物原子であれば、この原子3として例えばN、
Al、Bなどが来る。このとき、隣接する原子との格子
振動モードは、Nの場合Si−N特有の振動モードであ
り、この振動に対応する波長のレーザ光(10.4μ
m)が照射されることにより、本来の格子位置からずれ
た位置にある乱れた原子が揺さぶられて本来の格子位置
に入り、このときは結果として結晶が再構成され、電気
的担体の活性が図られる。
(2) On the other hand, if the third atom is an impurity atom that supplies an electric carrier, the atom 3 is, for example, N,
Al, B, etc. come. At this time, the lattice vibration mode between adjacent atoms is a vibration mode peculiar to Si—N in the case of N, and a laser beam (10.4 μm) having a wavelength corresponding to this vibration.
m), the disturbed atoms at positions deviated from the original lattice position are shaken to enter the original lattice position, and as a result, the crystal is reconstructed and the activity of the electric carrier is reduced. It is planned.

【0020】なお、上記方法に用いられるレーザ光は格
子振動に対応する波長のレーザ光であり、それぞれの半
導体薄膜材料に固有な波長のレーザ光でなければならな
いから、予めその固有な波長を特定しておく必要があ
り、このような状況では発振波長に制約がない点で自由
電子レーザが最適な光源であるが、予め自由電子レーザ
で上記固有な波長が特定されれば、それぞれの波長のレ
ーザ光を、例えば半導体レーザのような発振波長が特定
の他の形式のレーザを用いてもよい。
The laser beam used in the above method is a laser beam having a wavelength corresponding to the lattice vibration, and must be a laser beam having a wavelength unique to each semiconductor thin film material. In such a situation, the free electron laser is the optimal light source in that there is no restriction on the oscillation wavelength, but if the above-mentioned unique wavelength is specified in advance by the free electron laser, the As the laser light, another type of laser having a specific oscillation wavelength such as a semiconductor laser may be used.

【0021】[0021]

【実施の形態】以下、この発明の実施の形態について図
面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0022】図1は半導体薄膜の製膜装置の概略を示
す。なお、この実施形態では基本となる半導体薄膜は一
般的な薄膜製造方法によりSi基板上に製膜されたもの
とし、その詳細は周知であるから図示、説明は省略す
る。
FIG. 1 schematically shows an apparatus for forming a semiconductor thin film. In this embodiment, a basic semiconductor thin film is formed on a Si substrate by a general thin film manufacturing method, and details thereof are well known, so that illustration and description are omitted.

【0023】10は自由電子レーザ、11はこのレーザ
で発生した自由電子レーザ光であり、反射ミラー12で
曲げられ、ZnSeレンズ13で収束光14として集光
された後スキャニング用のガルバノメータミラー15に
より反射されて照射試料である半導体薄膜16上に改質
部分16aの範囲にわたって照射される。17はSi製
の絶縁基板、18はステージ板である。
Reference numeral 10 denotes a free electron laser, and 11 denotes a free electron laser beam generated by the laser. The free electron laser beam is bent by a reflection mirror 12, condensed by a ZnSe lens 13 as convergent light 14, and then scanned by a galvanometer mirror 15 for scanning. The light is reflected and irradiated on the semiconductor thin film 16 as the irradiation sample over the range of the modified portion 16a. Reference numeral 17 denotes an insulating substrate made of Si, and reference numeral 18 denotes a stage plate.

【0024】自由電子レーザ10の詳細は図示省略する
が、電子銃で発生した電子ビームを加速器で光速近くに
加速してウイグラ磁石などから成る周期磁場発生手段中
を通過させ、その磁界との相互作用で誘導放射される光
を反射ミラー間で反復増幅して所定波長のレーザ光を発
生させる方式のものである。そのレーザ光の発生原理
上、磁場強度や磁石ピッチ、あるいは電子ビームエネル
ギなどを調整することにより赤外線領域から紫外線、X
線領域まで自由に波長を可変とすることができる方式の
レーザ発生装置である。
Although the details of the free electron laser 10 are not shown, the electron beam generated by the electron gun is accelerated to near the speed of light by an accelerator and passed through a periodic magnetic field generating means such as a wiggler magnet, so that mutual interaction with the magnetic field is achieved. In this system, laser light having a predetermined wavelength is generated by repeatedly amplifying light induced by the action between reflection mirrors. By adjusting the magnetic field strength, magnet pitch, electron beam energy, etc., from the infrared region, ultraviolet rays, X
This is a laser generator of the type that can change the wavelength freely to the line region.

【0025】ガルバノメータミラー15は、反射ミラー
を任意の角度に自由に回転させる方式のものであり、そ
の他の部材については説明するまでもない。なお、この
実施形態の装置は予めステージ板18上の基板17上に
作製された半導体薄膜の改質を目的としており、これに
直接関連する構成のみを示している。半導体薄膜自体の
作製は、例えばスパッタ法のような物理的な手段、ある
いはレーザCVD法のような化学的な手段により行なう
ものとし、これらは公知のものであるから、詳細は省略
する。
The galvanometer mirror 15 is of a type in which the reflection mirror is freely rotated at an arbitrary angle, and other members need not be described. It should be noted that the apparatus of this embodiment aims at modifying a semiconductor thin film formed on the substrate 17 on the stage plate 18 in advance, and shows only a configuration directly related thereto. The production of the semiconductor thin film itself is performed by physical means such as a sputtering method or chemical means such as a laser CVD method, and these are well known and will not be described in detail.

【0026】実際の自由電子レーザ10で得られるレー
ザ光は、ビーム径が大略50mmφ、ZnSeレンズ1
3は焦点距離10インチ、レンズの直前にはアパーチャ
が挿入され、ガルバノメータミラー15で試料上に照射
されたレーザビームの径は略600μmφである。
The laser beam obtained by the actual free electron laser 10 has a beam diameter of about 50 mmφ and a ZnSe lens 1.
Reference numeral 3 denotes a focal length of 10 inches, an aperture is inserted immediately before the lens, and the diameter of the laser beam irradiated on the sample by the galvanometer mirror 15 is approximately 600 μmφ.

【0027】以上のような装置により半導体薄膜の改質
を次のようにして行なった。基板17(Si)上にレー
ザCVD法により予め結晶3C−SiC薄膜を製膜し、
これにNをイオン注入した。なお、イオン注入装置も公
知のものであり、詳細は省略する。このNイオン注入薄
膜に自由電子レーザ10を照射して半導体薄膜の改質を
行なったのであるが、その時の自由電子レーザ10の照
射条件は次の通りである。
The semiconductor thin film was modified by the above-described apparatus as follows. A crystalline 3C-SiC thin film is previously formed on the substrate 17 (Si) by a laser CVD method,
N was ion-implanted into this. In addition, the ion implantation apparatus is also a publicly known apparatus, and the details are omitted. The N-ion-implanted thin film was irradiated with the free electron laser 10 to modify the semiconductor thin film. The irradiation conditions of the free electron laser 10 at that time were as follows.

【0028】即ち、パルス幅〜10ps、ミクロパルス
のパワ密度〜180MW/cm2 、なお、このレーザビ
ームの詳細については図2に示しており、ミクロパルス
〜10psから成る幅20μsのマクロパルス光を10
0msの間隔で照射するというものである。又、照射領
域は2mm四方で、マクロパルス3000ショット(5
分間)が照射されるようにしたから、200μmφのビ
ーム径で3000ショットスキャニングすると面積で
0.942cm-2照射したことになり、単純には照射領
域を万遍なく照射することになる。
That is, the pulse width is 10 ps, the power density of the micro pulse is 180 MW / cm 2 , and the details of this laser beam are shown in FIG. 2. 10
Irradiation is performed at intervals of 0 ms. The irradiation area is 2 mm square and 3,000 shots (5
Minutes), 3,000 shots scanning with a beam diameter of 200 μmφ results in an irradiation of 0.942 cm −2 in area, and simply irradiates the irradiation area uniformly.

【0029】以上の照射条件でレーザ光を照射し、まず
薄膜の結晶構造を秩序化して電気的特性の再現性の向上
を図った。フーリエ変換赤外吸収測定法(FT−IR)
により、その吸収度の変化をIR吸収スペクトルとして
測定した。その結果を図3に示す。図中には比較のため
改質用レーザ光を照射しない試料薄膜(●)、Nイオン
を注入し改質用レーザ光を照射しないNイオン注入薄膜
(▲)、Nイオン注入し改質用の12.6μmのレーザ
光を照射した改質薄膜(○)とが同時に示されている。
Laser light was irradiated under the above irradiation conditions, and the crystal structure of the thin film was first ordered to improve the reproducibility of the electrical characteristics. Fourier transform infrared absorption measurement (FT-IR)
, The change in the absorbance was measured as an IR absorption spectrum. The result is shown in FIG. In the figure, for comparison, a sample thin film (●) not irradiated with the modifying laser light, an N ion implanted thin film (▲) injected with N ions and not irradiated with the modifying laser light, The modified thin film (○) irradiated with a 12.6 μm laser beam is also shown.

【0030】図において、波長を9〜14μmまで変化
させた結果12.6μmと10.3μmにそれぞれピー
クが見られるが、これはSiCのTOフォノンとLOフ
ォノンに対応した吸収を示しており、図からイオン注入
後に12.6μmのピークが広くなっていることが分
る。これは、イオン注入によりダメージ層が形成され、
それによってピークが広がったものと推定される。そし
て、自由電子レーザ光を波長12.6μmとして照射す
るとこの波長においてピークの広がりが再び減少してお
り、これはダメージ層の結晶性がこの波長において大き
く回復したことを示す。
In the figure, as a result of changing the wavelength from 9 to 14 μm, peaks are observed at 12.6 μm and 10.3 μm, respectively, which show absorptions corresponding to TO phonon and LO phonon of SiC. It can be seen from FIG. 5 that the peak at 12.6 μm became wider after ion implantation. This is because a damaged layer is formed by ion implantation,
It is presumed that the peak spread. When the free electron laser beam was irradiated at a wavelength of 12.6 μm, the broadening of the peak was reduced again at this wavelength, indicating that the crystallinity of the damaged layer was greatly restored at this wavelength.

【0031】一方、比較のため改質波長をもう1つのピ
ークである10.3μmで照射したときの結果を図4に
示す。この例でも試料薄膜(●)、Nイオン注入薄膜
(▲)と、波長10.3μmでの改質薄膜(○)に対す
る吸収スペクトルを示している。図から分るように、こ
の例では波長12.6μmでの波長ピークの広がりの変
化は見られず、Nをイオン注入したことにより生じたダ
メージ層が残ったままで、ダメージ層の結晶性は顕著に
回復していないと考えられる。
On the other hand, for comparison, FIG. 4 shows the results when the modified wavelength was irradiated at 10.3 μm, which is another peak. This example also shows the absorption spectra of the sample thin film (●), the N ion-implanted thin film (▲), and the modified thin film ()) at a wavelength of 10.3 μm. As can be seen from the figure, in this example, there is no change in the spread of the wavelength peak at a wavelength of 12.6 μm, and the crystallinity of the damaged layer is remarkable while the damaged layer caused by N ion implantation remains. It is considered that he has not recovered.

【0032】以上から、このSiC薄膜材料は照射され
たレーザ光の吸収特性がピークとなる特定波長でSi−
Cの伸長振動による強い共鳴吸収に対応して室温で局所
的な結晶化ができることが示された。
As described above, this SiC thin film material has an Si-Si thin film at a specific wavelength at which the absorption characteristic of the irradiated laser beam becomes a peak.
It was shown that local crystallization could be performed at room temperature in response to strong resonance absorption due to C stretching vibration.

【0033】次に、薄膜材料中に注入される不純物によ
る電気的担体の活性化を見るために、自由電子レーザの
照射波長を13〜10μmに変化させて電気的特性の波
長依存性を検討した。レーザ光を照射後の試料のホール
効果測定を行い、これによって得られたキャリア濃度と
ホール移動度の照射光波長に対する波長依存性の関係を
図5に示す。図中の■はキャリア濃度の変化、●はホー
ル移動度を示す。
Next, in order to see the activation of the electric carrier by the impurities injected into the thin film material, the wavelength dependence of the electric characteristics was examined by changing the irradiation wavelength of the free electron laser to 13 to 10 μm. . The Hall effect of the sample after the irradiation with the laser light was measured, and the relationship between the carrier concentration and the wavelength dependence of the hole mobility with respect to the irradiation light wavelength obtained by the measurement is shown in FIG. In the figure, Δ indicates a change in carrier concentration, and ● indicates a hole mobility.

【0034】図から分るように、キャリア濃度は波長1
0.4μm前後に大きな変化が見られる。これは波長1
0.4μmで不純物の局存振動Si−Nを励起している
ためである。キャリア濃度の活性化率を見積ると、イオ
ン注入のピーク位置でほぼ100%の活性化率が得られ
ることが明らかになった。このような値は従来の熱処理
法では全く得られない。
As can be seen from FIG.
A large change is observed around 0.4 μm. This is wavelength 1
This is because the localized vibration Si-N of the impurity is excited at 0.4 μm. When the activation rate of the carrier concentration was estimated, it was found that an activation rate of almost 100% was obtained at the peak position of ion implantation. Such a value cannot be obtained at all by the conventional heat treatment method.

【0035】以上から、Si−Nの伸縮振動による強い
共鳴吸収に対応した波長の自由電子レーザ光を照射する
ことにより室温で局所的な電気的担体の活性化ができる
ことも示された。
From the above, it has been shown that the local electric carrier can be activated at room temperature by irradiating a free electron laser beam having a wavelength corresponding to the strong resonance absorption due to the stretching vibration of Si—N.

【0036】さらに、薄膜材料6H−SiCについて自
由電子レーザ光の照射による効果を測定した。結晶Si
Cは多くの結晶型を有し産業上用いられているが、その
うちの6H−SiCを用いて同様な測定を試みた。具体
的にはSi基板17上にp型(5×1012cm-3)6H
−SiCをレーザCVDにより製膜し、その上にn型
(5×1015cm-3)6H−SiC単結晶薄膜を製膜し
たものを用意した。
Furthermore, the effect of free electron laser light irradiation on the thin film material 6H-SiC was measured. Crystal Si
C has many crystal forms and is used industrially, and a similar measurement was attempted using 6H-SiC. Specifically, p-type (5 × 10 12 cm −3 ) 6H
—SiC was formed by laser CVD, and an n-type (5 × 10 15 cm −3 ) 6H—SiC single crystal thin film was formed thereon.

【0037】そして、この単結晶薄膜に、室温でNをイ
オン注入した。注入条件は注入エネルギで200Ke
V、注入ドーズ量は5×1014cm-2である。利用した
自由電子レーザを含む装置は先の測定で用いたものと同
じであり、同じパルス幅、同じパルスパワ密度の自由電
子レーザ光を同一光学系を経て対象の薄膜に照射した。
Then, N ions were implanted into the single crystal thin film at room temperature. The implantation condition is 200 Ke at the implantation energy.
V, the implantation dose is 5 × 10 14 cm −2 . The apparatus including the used free electron laser was the same as that used in the previous measurement, and the target thin film was irradiated with free electron laser light having the same pulse width and the same pulse power density through the same optical system.

【0038】この薄膜材料においても、図示省略してい
るが、自由電子レーザの照射による吸収波長のピークは
先の薄膜材料と同じ12.6μmであった。
In this thin film material, though not shown, the peak of the absorption wavelength due to the irradiation with the free electron laser was 12.6 μm, which is the same as the previous thin film material.

【0039】その後電気的特性の波長依存性に基づく処
理として、不純物元素(N)の格子振動波長10.4μ
mのレーザ光を照射し、その特性評価としてフォトルミ
ネッセンス測定を行なった。図6に上記レーザ光による
改質処理をした薄膜材料に対するフォトルミネッセンス
測定結果を示す。測定用の励起光として波長325mm
のHe−Cdレーザを用いて測定を行なった。測定温度
は10Kである。
Thereafter, as a process based on the wavelength dependence of the electrical characteristics, the lattice vibration wavelength of the impurity element (N) is 10.4 μm.
m, and photoluminescence measurement was performed to evaluate the characteristics. FIG. 6 shows a photoluminescence measurement result of the thin film material modified by the laser beam. 325mm wavelength as excitation light for measurement
Was measured using a He-Cd laser. The measurement temperature is 10K.

【0040】この測定において6H−SiCの典型的な
ドナー・アクセプタのペアー発光が観察された。図にお
いて、(a)は10.4μmレーザ光を照射した場合、
(b)は比較例であり、Nイオン注入したが10.4μ
mレーザ光は非照射の場合である。(a)の場合に光子
エネルギ(eV)=波長に対する発光強度が特定値で特
に急増しているのが分る。これは上記10.4μmレー
ザ光の照射によりSiC中の不活性であったNが活性化
したためと考えられる。また、このフォトルミネッセン
ス照射による発光強度の変化には波長依存性があること
も示しており、不純物元素Nの格子振動に共鳴する波長
10.4μmの振動を直接励起していることを示してい
る。
In this measurement, a typical donor / acceptor pair emission of 6H—SiC was observed. In the figure, (a) shows a case where a laser beam is irradiated at 10.4 μm.
(B) is a comparative example, in which N ions were implanted and 10.4 μm was implanted.
m laser light is a case of non-irradiation. In the case of (a), it can be seen that the luminous intensity with respect to the photon energy (eV) = wavelength increases particularly at a specific value. This is considered to be because the inactive N in the SiC was activated by the irradiation of the 10.4 μm laser light. It also indicates that the change in emission intensity due to this photoluminescence irradiation has wavelength dependence, which indicates that vibration at a wavelength of 10.4 μm that resonates with lattice vibration of the impurity element N is directly excited. .

【0041】以上から、この例でもSi−Nの伸縮振動
による強い共鳴吸収に対応したレーザ光を照射すること
により特に、室温で局所的な6H−SiC中の不純物の
活性化が実現できることが理解される。
From the above, it can be understood that, in this example as well, the local activation of impurities in 6H-SiC can be realized at room temperature by irradiating a laser beam corresponding to strong resonance absorption due to the stretching vibration of Si—N. Is done.

【0042】なお、上記各薄膜材料の特性測定ではレー
ザ光として自由電子レーザを用いてレーザ光を可変とす
ることにより12.6μm、10.3μm、10.4μ
mのそれぞれの波長のレーザ光を照射するとしたが、各
薄膜材料ごとに特定の波長のレーザ光を照射する場合、
予め測定によって共鳴吸収波長が分った後はその特定波
長のレーザ光を照射できるレーザであれば自由電子レー
ザでなくとも他のレーザ方式のものでもよい。
In the measurement of the characteristics of each of the above-mentioned thin film materials, 12.6 μm, 10.3 μm, and 10.4 μm are obtained by changing the laser light using a free electron laser as the laser light.
m is irradiated with laser light of each wavelength, but when irradiating laser light of a specific wavelength for each thin film material,
After the resonance absorption wavelength is determined by measurement in advance, a laser other than the free electron laser may be used as long as it can irradiate a laser beam of the specific wavelength.

【0043】又、不純物としてNイオンを注入する例を
示したが、Nイオンに代えてAl、Bのいずれかのイオ
ンを注入するとしてもよい。
Although an example has been shown in which N ions are implanted as impurities, any of Al and B ions may be implanted instead of N ions.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
半導体薄膜の製膜方法は薄膜の構成元素の格子振動に共
鳴吸収する波長のレーザ光の照射により結晶構造の秩序
化を図ると共に、不純物元素の格子振動に共鳴吸収する
波長のレーザ光の照射で電気的担体の活性化を図るとし
たから、この製膜方法により得られる薄膜は結晶構造の
秩序化により電気的特性の再現性が向上し、かつ電気的
特性そのものも向上するという顕著な効果を奏する。
As described above in detail, the method for forming a semiconductor thin film of the present invention aims at ordering the crystal structure by irradiating a laser beam having a wavelength that is resonantly absorbed by the lattice vibration of the constituent elements of the thin film. Since the activation of the electrical carrier is intended by irradiating laser light having a wavelength that is resonantly absorbed by the lattice vibration of the impurity element, the reproducibility of the electrical characteristics of the thin film obtained by this film formation method is due to the ordered crystal structure. It has a remarkable effect of improving the electrical characteristics itself.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施形態の半導体薄膜製造装置の概略構成図FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor thin film manufacturing apparatus according to an embodiment.

【図2】自由電子レーザのパルス構造の説明図FIG. 2 is an explanatory diagram of a pulse structure of a free electron laser.

【図3】半導体薄膜材料3C−SiCのレーザ(波長1
2.6μm)照射前後の赤外吸収スペクトル図
FIG. 3 shows a laser (wavelength 1) of a semiconductor thin film material 3C-SiC.
2.6 μm) Infrared absorption spectrum before and after irradiation

【図4】半導体薄膜材料3C−SiCのレーザ(波長1
0.3μm)照射前後の赤外吸収スペクトル図
FIG. 4 shows a laser (wavelength 1) of a semiconductor thin film material 3C—SiC.
0.3μm) Infrared absorption spectrum before and after irradiation

【図5】半導体薄膜材料3C−SiCのレーザ照射後の
電気的担体濃度と移動度のレーザ波長依存性を示す図
FIG. 5 is a diagram showing the laser wavelength dependence of the electric carrier concentration and the mobility of the semiconductor thin film material 3C-SiC after laser irradiation.

【図6】半導体薄膜材料6H−SiCのレーザ(波長1
0.4μm)照射前後のフォトルミネッセンススペクト
ル図
FIG. 6 shows a semiconductor thin film material 6H—SiC laser (wavelength 1);
0.4μm) Photoluminescence spectrum before and after irradiation

【図7】モデル化した原子構造による結晶構造の秩序化
と電気的担体の活性化の説明図
FIG. 7 is an explanatory diagram of ordering of a crystal structure and activation of an electric carrier by a modeled atomic structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 自由電子レーザ 11 自由電子レーザ光 12 反射ミラー 13 ZnSeレンズ 14 収束光 15 ガルバノメータミラー 16 半導体薄膜 17 絶縁基板 18 ステージ板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Free electron laser 11 Free electron laser beam 12 Reflection mirror 13 ZnSe lens 14 Convergent light 15 Galvanometer mirror 16 Semiconductor thin film 17 Insulating substrate 18 Stage plate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三露 常男 枚方市津田山手2丁目9番5号 株式会社 自由電子レーザ研究所内 (72)発明者 冨増 多喜夫 枚方市津田山手2丁目9番5号 株式会社 自由電子レーザ研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tsuneo Sanroku 2-9-5 Tsuda Yamate, Hirakata City Inside Free Electron Laser Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Takio Tomimas 2-9-5 Tsuda Yamate, Hirakata City Free Electron Laser Laboratory Inc.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 物理的又は化学的方法により形成した半
導体薄膜に不純物元素を導入した薄膜の構成元素の結晶
構造をこの構成元素の格子振動に共鳴吸収する波長のレ
ーザ光を照射して秩序化し、かつ不純物元素の格子振動
に共鳴吸収する波長のレーザ光を照射し局在振動により
電気的担体を活性化して成る半導体薄膜。
1. A semiconductor thin film formed by a physical or chemical method, into which an impurity element is introduced, is ordered by irradiating a laser beam having a wavelength that is resonantly absorbed by lattice vibrations of the constituent element. A semiconductor thin film formed by irradiating a laser beam having a wavelength that is resonantly absorbed by lattice vibration of an impurity element and activating an electric carrier by localized vibration.
【請求項2】 前記半導体薄膜を炭化珪素膜とし、不純
物元素を窒素、アルミニウム、又はほう素のいずれかと
したことを特徴とする請求項1に記載の半導体薄膜。
2. The semiconductor thin film according to claim 1, wherein the semiconductor thin film is a silicon carbide film, and the impurity element is any one of nitrogen, aluminum, and boron.
【請求項3】 物理的又は化学的方法により半導体薄膜
を形成してこれに不純物元素を導入し、この薄膜に構成
元素の格子振動に共鳴吸収する波長のレーザ光を照射し
結晶構造を秩序化すると共に、不純物元素の格子振動に
共鳴吸収する波長のレーザ光を照射して局在振動を励起
せしめ電気的担体を活性化することから成る半導体薄膜
の製膜方法。
3. A semiconductor thin film is formed by a physical or chemical method, an impurity element is introduced into the semiconductor thin film, and the thin film is irradiated with a laser beam having a wavelength that is resonantly absorbed by lattice vibration of the constituent elements to order the crystal structure. A method of forming a semiconductor thin film, comprising irradiating a laser beam having a wavelength that is resonantly absorbed by lattice vibration of an impurity element to excite localized vibration and activate an electric carrier.
【請求項4】 前記薄膜の構成元素及び不純物元素の格
子振動にそれぞれ共鳴吸収する波長のレーザ光を自由電
子レーザにより選択的に照射することを特徴とする請求
項3に記載の半導体薄膜の製膜方法。
4. The semiconductor thin film according to claim 3, wherein a laser beam having a wavelength that resonates and absorbs the lattice vibrations of the constituent elements and impurity elements of the thin film is selectively irradiated by a free electron laser. Membrane method.
【請求項5】 前記自由電子レーザの照射光が、パルス
幅10-11 秒以下、ピークパワ100万W以上であるこ
とを特徴とする請求項4に記載の半導体薄膜の製膜方
法。
5. The method according to claim 4, wherein the irradiation light of the free electron laser has a pulse width of 10 −11 seconds or less and a peak power of 1,000,000 W or more.
JP09016363A 1997-01-30 1997-01-30 Semiconductor thin film and method for forming the same Expired - Fee Related JP3108375B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP09016363A JP3108375B2 (en) 1997-01-30 1997-01-30 Semiconductor thin film and method for forming the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP09016363A JP3108375B2 (en) 1997-01-30 1997-01-30 Semiconductor thin film and method for forming the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH10214785A true JPH10214785A (en) 1998-08-11
JP3108375B2 JP3108375B2 (en) 2000-11-13

Family

ID=11914256

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP09016363A Expired - Fee Related JP3108375B2 (en) 1997-01-30 1997-01-30 Semiconductor thin film and method for forming the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3108375B2 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100460504B1 (en) * 2002-10-17 2004-12-08 한국전자통신연구원 Method of manufacturing a SiC thin film with Si nano dot
US6869865B2 (en) 2002-11-06 2005-03-22 Renesas Technology Corp. Method of manufacturing semiconductor device
JP2005210102A (en) * 2003-12-26 2005-08-04 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiation method and method of forming crystalline semiconductor film
JP2005210103A (en) * 2003-12-26 2005-08-04 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiator, laser irradiating method, and method of forming crystalline semiconductor film
JP2011014914A (en) * 2010-07-20 2011-01-20 Emd:Kk Impurity activation method, and semiconductor device manufacturing method
JP2012231037A (en) * 2011-04-27 2012-11-22 Kyushu Institute Of Technology Semiconductor substrate and method of manufacturing the same
JP2013251556A (en) * 2007-05-08 2013-12-12 Tokyo Electron Ltd Heat treatment method for compound semiconductor, and apparatus of the same

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100460504B1 (en) * 2002-10-17 2004-12-08 한국전자통신연구원 Method of manufacturing a SiC thin film with Si nano dot
US6869865B2 (en) 2002-11-06 2005-03-22 Renesas Technology Corp. Method of manufacturing semiconductor device
JP2005210102A (en) * 2003-12-26 2005-08-04 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiation method and method of forming crystalline semiconductor film
JP2005210103A (en) * 2003-12-26 2005-08-04 Semiconductor Energy Lab Co Ltd Laser irradiator, laser irradiating method, and method of forming crystalline semiconductor film
JP2013251556A (en) * 2007-05-08 2013-12-12 Tokyo Electron Ltd Heat treatment method for compound semiconductor, and apparatus of the same
JP2011014914A (en) * 2010-07-20 2011-01-20 Emd:Kk Impurity activation method, and semiconductor device manufacturing method
JP2012231037A (en) * 2011-04-27 2012-11-22 Kyushu Institute Of Technology Semiconductor substrate and method of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP3108375B2 (en) 2000-11-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100709651B1 (en) Method of fabricating a semiconductor thin film and semiconductor thin film fabrication apparatus
Bachrach et al. Low temperature crystallization of amorphous silicon using an excimer laser
US6255201B1 (en) Method and device for activating semiconductor impurities
TW200947523A (en) Flash light annealing for thin films
JP3108375B2 (en) Semiconductor thin film and method for forming the same
JPH11224861A (en) Activation method and activation device for semiconductor impurity
JP3587900B2 (en) Method for manufacturing crystalline silicon film
JP3312150B2 (en) Method of doping impurities into silicon carbide
JP2813990B2 (en) Method for manufacturing electronic device using boron nitride
Celler et al. Modification of silicon properties with lasers, electron beams, and incoherent light
JP4105686B2 (en) Method for producing diamond from graphite by inner shell electronic excitation.
JPH08148443A (en) Method of ion implantation
JP4250998B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JPH1126389A (en) Method for modifying diamond
Ohyama et al. Free electron laser annealing of N-ion-implanted 3C-SiC films
JP3539738B2 (en) Impurity addition method
JP3495943B2 (en) Manufacturing method of semiconductor diamond
JP2004247564A (en) Method for ion injection to diamond
JPH07118444B2 (en) Heat treatment method for semiconductor thin film
JP2742299B2 (en) Method for manufacturing compound semiconductor
Ready et al. Low Temperature Crystallization of Amorphous Silicon Films Using An Excimer Laser
Jelinek et al. Influence of pulse duration and annealing on crystallinity and luminescence of laser-deposited Er-doped YAG (YAP) layers
Ohyama et al. Free electron laser annealing of silocon carbibe
Kobayashi et al. Ion-beam-induced epitaxial crystallization (IBIEC) and solid phase epitaxial growth (SPEG) of Si1− xCx layers in Si fabricated by C ion implantation
von Allmen et al. Heating by Laser Light

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees