JPS6140895A - ソリツド物質を再結晶させるための方法および装置 - 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】 発明の背景 半導体工業においては、費用効果の高い製造方法がない
ために新規で有用な技術を実施に移すことができない場
合がある。そのような最近の例としては、シリコン被覆
絶縁材（ＳＯＩ）がある。このＳＯＩの特性は、立体的
な超高速集積回路や、次世代のコンピュータおよびテＶ
ビ受僚機、およびその他のデバイスの製造に必要とされ
る大型ディスプレーにとって重要な特性である。このよ
うな機能の一部を実施するのに必要とされる高品質のシ
リコ／フィルムは、結晶欠陥ができるだけ少いことが理
想である。ＳＯＩの製造に、随伴する問題点としては、
シリコンフィルムの品質、製造速度および処理温度など
がある。シリコンフィルムの所要品質は、用途によって
異るが、どの用途においても、よシ高い品質のシリコン
フィルムが求められる趨勢にある。フィルムの品質は、
一定面積内に存在する欠＠（主として結晶粒子の粒界）
の数によって決定される。結晶粒子の粒界の数が少いこ
とは、個々の結晶粒子の平均粒度が大きいことを意味す
る。高品質のシリコンフィルムは、大キい粒子を有して
いる。例えば、完全な単結晶のシリコンフィルムは、た
だ１個の粒子から成っている。例えば銹電体アイソレー
ションやエピタキシーなどのＳＯＩ構造体を製造するた
めの現行の方法は、収率が低いこと、製造速度が遅いこ
と、高い処理濃度を必要とすることなどの欠点を有して
いる。世界中の半導体製造会社で熱心に研究されている
好ましい製造方法は、再結晶による方法である。この方
法においては、絶縁基板に非晶質のシリコンフィルムま
たはポリシリコンフィルムを被覆する。このポリシリコ
ンフィルムを熱源に露呈する。熱源は、該フィルムを横
切るようにして迅速に走査することができる。

それによって、シリコンフィルムは、局部的に溶融し、
その溶融帯域即ち溶融フロント（前線）は、該フィルム
を横切る熱源と共に並進し、それによって高品質の結晶
構造を有するシリコンフィルムが得られる。線条の熱源
は、基鈑と同じ幅の、狭い溶融帯域を創生ずるものであ
るが、鋭く即ち細く集束され、その結果、基板の表面に
非常に細い線条を発生させる。この溶融シリコンの線条
は、基板の全長に亘ってかなシ迅速に並進させることが
できる。あるいは別法として、スポット熱源を用いて、
基板上の小さいスポットに溶融帯域を創生することがで
きるが、この方法ではスポット熱源を基板の全面に亘っ
てラスター走査しなければならない。再結晶法に使用す
るためのものとして、′従来から４種類の熱源が研究さ
れている。第１の熱源は、グラファイトストリップ型加
熱器である。この熱源は、電気により非常な高温にまで
加熱され、輻射熱によってシリコンフィルムを溶融する
。これは、焦点幅の広い線条熱源であシ、基板全体に亘
って１回通しで並進することができる。しかしながら、
それによって加工されるシリコンフィルムの溶融深さが
深く、焦点面積も大きいので、得られるシリコンフィル
ムの品質は低い。

また、溶融帯域の進行速度が遅く（通常、１ル弔）、処
理温度が高い（１０００〜１４００℃）ので、この熱源
は多重フィルム層を処理するのに用いることはできない
。なぜなら、ＳＯＩ表面フィルム層の下にあるフィルム
層上の電子デバイスを破壊してしまうからである。

第２の熱源は、アルゴンレーザである。このレーザは、
シリコンの溶融深さを浅くするという利点を有するスポ
ット熱源であるが、実用的な手段によっては線条熱源に
変換することができない。また、このスポットは、ＳＯ
Ｉ構遺体の表面上を互いにオーバラップする複数回のパ
スによって走査しなければならず、その結果得られるフ
ィルムの品質は、許容限度ぎりぎシであシ、しかも処理
速度が遅い。

第３の熱源は、スポット電子ビームである。

この熱源は、非常に高価であシ、作動において超高真空
状態を必要とする。また、再結晶を得るために高エネル
ギーの電子を放出するので、溶融深さが深い。更に、ス
ポット熱源を互いにオーバーラツプする複数回の走査を
必要とするので、処理速度が遅く、得られるシリコンフ
ィルムの品質も低い。

第４の熱源は、熱電子陰極型電子ビームによる線条熱源
である。この熱源も、超高真空状態で作動させなければ
ならず、線条の長さも、電子ビームパルスの継続時間も
制限される。また、４　ｉｎ　（１α２ｃｍ）または６
　ｉｎ　（１５−２ａｍ　）径の基板を再結晶させるの
に数回の走査を必要とし、それによって再結晶化された
シリコンフィルムの品質は低い。

発明の概要 本発明の新規なグロー放電電子ビームによる線条熱源は
、上述した従来の４つの熱源に随伴した問題のすべてを
克服する。このビームの長さは、ウェハの直径の長さよ
り長く、従って、ウェハ全体を１回の走査で処理するこ
とができる。この特徴は、シリコンフィルムの品質全向
上し、処理速度を高めるものであシ、本発明のグロー放
電型電子ビーム熱源の独特の特徴である。本発明の直流
冷陰極型グロー放電電子ビーム銃は、半導体基板の表面
再結晶化処理にとって理想的な基本的特性を有している
。この電子ビーム銃の形状寸法を適正に定めることによ
シ、ビームを、高いビーム均質性を有する任意の長さの
極く細（幅狭）線条として集束する（焦点合せする）こ
とができる。単位面積当シのエネルギー密度は、空間電
荷の不存在によシ狭幅ビームの焦点精度に悪影響を及ぼ
すことなく、広い範囲に亘って容易に制御することがで
きる。

本発明によればこのような従来は得られなかった電子ビ
ーム特性が得られるので、操作者は、特定の処理速度お
よびシリコンフィルムの品質を得るために最も費用効果
の大きいビーム特性を選択することができる。この工程
は、ヘリウム、水素またはそれらの混合物の制御された
分圧を有する圧力容器の中で実施する。ヘリウムを用い
た場合は、通常、その作動圧は、α１〜２トルとする。

制御された量の他のガスも存在させることができる。こ
れは、再結晶処理に使用される他の従来の電子ビーム銃
とは対象的である。即ち、従来の電子ビーム銃は、極め
て諷い真空雰囲気（１０−’）ル）内で作動させなけれ
ばならず、従って、装置の製造コストを増大し、処理速
度を低下させる。本発明の電子ビーム銃は、線条ビーム
の焦点が処理すべき基板の表面上に結ばれるように配置
する。ビームが特定の基板を再結晶させるのに必要なパ
ワー密度や焦点などの特性を示すように調節されていれ
ば、基板を保持した支持台を機械的に並進させることに
よって、あるいは、電子ビーム銃を機械的に並進させる
ことによってビームによシ基板を走査することができる
。この走査速度を調節することによシ、電子ビームによ
って溶融される材料の溶融深さを制御し、溶融フロント
（前線）の伝搬速度を制御することができる。

本発明の装置は、通常、４ｉｎ（１α２ｃｍ）径のシリ
コンウェハの表面を、その下の基板の温度を許容しえな
い高い温度にまで上昇させることなく、２〜３秒以下の
時間で再結晶させることができる。また、この同じ装置
は、電子ビームのパワーを低くするか、あるいは基板走
査速度を高くすることによって、ウェハのイオン注入損
傷を修復するのに用いることもできる。これは、はとん
ど添加物再分配する必要なしに行われる。典型的々アニ
ール工程を行う場合は、ウェハの溶融を防止するために
電子ビームは低パワー密度で作動される。

実施例の説明 第１図を参照すると、良好な二次電子放出特性を有する
ことと、イオン衝撃による侵食に対する抵抗を有するこ
とから選択された材料よ９成るノツチ付円筒形陰極１を
備えた冷陰極グロー放電電子ビーム銃２４が示されてい
る。陰極１の素材として適した材料の例は、アルミニウ
ムとマグネシウムである。これらの材料は、薄い酸化物
層で被覆すれば、数キロワットの電子ビームを発生する
ことができる電子ビーム銃の陰極に使用するのに適した
ものとなる。作動中酸化物層を維持するためには、酸素
ガスの分圧を有する雰囲気中で電子ビーム銃を作動させ
なければならない。また、例えばモリブデンと酸化アル
ミニウムと混合物のような、金属と金属酸化物粉末との
共焼結混合物も、陰極素材として使用することができ、
その場合には、酸素ガスの分圧は必要とされない。所望
ならば、そのような陰極を有する電子ビーム銃は、純粋
貴ガス雰囲気中で作動させることができる。そのような
陰極を有する電子ビーム銃によって発生される電子ビー
ムの発生効率は、８０％もの高率となる。陰極１はチュ
ーブ２によって大部分遮蔽されており、金属導体５Ｖｒ
−よって画定される孔６を通して電子を放出するのは不
遮蔽陰極表面７に限られる。陰極１とチューブ２との間
の間隔は、表面７以外の他の陰極表面からの電子の放出
を抑止するのに十分に小さい間隔とすることが好ましい
。陰極１は、該陰極内に埋設した、あるいは陰極に穿設
した冷却流体ダクト４を通して冷却流体を循環させるこ
とによってほぼ室温に近い温度に維持される。電子ビー
ム銃２４全体が、第３図に示される圧力容器（室形成手
段）３１によって設定される、制御されたガス環境内に
保持される。直流高電圧源１８が、圧力容器３１内のイ
オン化ガスを介して陰極１（負接続）と圧力容器３１（
正接続）との間に放電を開始させる。

第２図を参照すると、第１図の電子ビーム銃２４の電子
放出および集束（焦点合せ）部分の拡大断面図が示され
ている。特に、第２図は、放出された電子ビームの所望
の集束（焦点合せ）を達成するのに重要な役割を呆す等
電位線１１およびそれと＃丘ホ垂直に交差する電界線８
を示す。

本発明の冷陰極グロー放電電子ビーム銃２４から電子ビ
ーム５を発生するための物理的な仕組は、イオン９が不
遮蔽陰極表面７に衝突することによって二次電子１６が
創生されることに基いている。即ち、イオン９は、正電
荷を帯びると、負の電荷を帯電した陰極１の方に向って
加速される。陰極１に衝突すると、イオン９の運動エネ
ルギーが不遮蔽陰極表面７から１個またはそれ以上の電
子１６を放出させる。その結果、イオン９は中性子とな
る。イオン９は、負の電荷を帯びると、電界線８に沿っ
て陰極８から離れる方向に加速される。陰極１の電子放
出表面は、電界線８を、従って、放出された電子１６を
鋭利に集束して焦点合せをし、線条１０の形とするよう
に不遮蔽陰極表面７によって画定される長方形のスロッ
トから成る。鋭く集束された線条電子ビーム１０の長さ
は、電子ビーム銃２４の長手軸線に沿う孔６の長さの関
数である。不遮蔽陰極表面７によって画定される長方形
のスロットは、孔６に、従って孔６を通して放出される
鋭利集束線条電子ビーム１０に長手方向の湾曲形状を付
与するように、金属導体３と共に長手方向に湾曲した形
状としてもよい。

このように長手方向に湾曲した鋭利集束線条電子ビーム
１０ｉ、シリコンフィルムの欠陥を減少させるために再
結晶されるシリコンフィルムに所望の熱勾配を設定する
のに有効である場合がある。正に帯電するイオン９と負
に帯電するイオン９の数は実質的に同数であるから、電
子ビーム５によって占められる空間内には正味空間電荷
は存在しない。従って、キロボルトレベルのエネルギー
を有する電子ビームを任意の幅狭の線条１０の形に集束
し正確に焦点合せすることができる。放出される電子ビ
ーム５を集束させる上で重要な役割を果す等電位線１１
の整形は、金属導体３によって形成された孔６に対する
、不遮蔽陰極表面７によって画定される長方形のスロッ
トの相対的な形状および位置によって達成される。この
構造は、導体は等電位であること、導体の近傍のイオン
化ガス中の等電位線は該導体の輪郭に密に追従するとい
う事実を考慮に入れることによって構成される。比較的
低い電子エネルギーで鋭利集束線条電子ビームによシ１
ｄ当シ数キロワットの制御可能なパワー密度を供給する
ことができることが、本発明の重要な特徴の１つである
。

第５図を参照すると、第１．２図に示された冷陰極グロ
ー放電電子ビーム銃２４を用いた、シリコンフィルムを
再結晶するための本発明の装置が示されている。この装
置の重要な構造的特徴は、上述した冷陰極グロー放電電
子ビーム銃２４によって放出され゛る鋭利に集束された
線条電子ビーム１０を基板と多結晶質シリコンフィルム
とから成るウェハ１９上に衝突させるように図示の如く
組合わされている。温度制御される支持台２５が、ウェ
ハ１９を支持する支持体の役割を果す。支持台２５は、
複数個のロー２４４を備えておシ、鋭利集束線条電子ビ
ーム１０に対し直交する方向の案内レール２２に沿って
並進運動することができる。支持台２５は、それに連結
されたキャリア４２に並進運動を与えるそ一夕２０およ
び親ねじ２１を含む機構によって制御された速度で並進
せしめられるように構成すれている。シリコンフィルム
を有するウェハ１９を処理するための典型的な並進速度
は、約１ｉｎ／υ（２５−４ｇ＋乍）である。モータ２
０を除くこの構造体全体が、圧力容器３１内に密閉され
、モータ２０は、真空密回転連結器１２によって親ねじ
２１［連結されている。圧力容器６１内の内部ガスの組
成および圧力は、ガス導入流量調整器１４および真空ポ
ンプ１３によって慣用の態様で制御される。通常の作動
圧は、ヘリウムまたは水素またはそれらの混合物の分圧
でみて数分の１トル〜数トルの範囲である。電子ビーム
銃２４は、高電圧フィードスルー１７を介して高電圧源
１８に接続されている。

ウェハ１９のシリコンフィルムを再結晶させるには、ま
ず、支持台２５を割出して鋭利集束線条電子ビーム１０
がウェハ１９の一端縁に当たるように位置づけする。次
いで、真空ポンプ１３を作動させて圧力容器３１内を所
望のレベルにまで抜気する。圧力容器３１の内部に所望
の真空度が得られたならば、ガス導入流量調整器１４と
、真空ポンプ１３の吸引側に設けられた絞シ弁１５との
協同によって圧力容器３１内に所定のガス雰囲気を設定
する。次いで、高電圧源１８を付勢し、印加電圧を所望
のレベルに調節する。次に、モータ２０を始動し、支持
台２５およびウェハ１９の並進を開始させる。鋭利に集
束された電子ビーム１０がウエノＳ１？上のシリコンフ
ィルムを溶融する。ウニ／Ｓ１９が移動するにつれ、溶
融フロント（前線）がウェハ上を移動し、順次冷却して
再結晶する。所望ならば、ウェハ１９は、その再結晶さ
れたフイルムの品質を向上させるために、同じまたは異
るビームパワー、ガス分圧および並進速度で鋭利集束線
条電子ビーム１０を横切って複数回通すことができる。

例えば、２回目の通しくパス）は、シリコンフィルムの
粒界を不動態化するために水素包含雰囲気内で行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置に用いられる冷陰極グロー放電電
子ビーム銃の断面図、第２図は第１図の電子ビーム銃の
一部分の詳細図、第３図は第１図の電子ビームを組入れ
た本発明の装置の概略図である。 図中、ＩＦｉノツチ付円節円筒形陰極は金属導体、６は
孔、７は不遮蔽陰極表面、１３は真空ポンプ、１４はガ
ス導入量調整器、１７ｉｊ：高電圧フィードスルー、１
．８Ｆｉ直流高電圧源、２０はモータ、２４はグロー放
電電子ビーム銃、２５は支持台、５１は圧力容器（室形
成手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ソリッド物質を再結晶させるための装置において、 集束線条電子ビームを発生するための直流グロー放電電
   子ビーム銃と、 該電子ビーム銃および再結晶すべきソリッド物質を囲包
   し、制御されたガス環境を創生するための室形成手段と
   、 前記集束線条電子ビームのエネルギー、電流および時間
   依存度を制御するための制御手段と、前記ソリッド物質
   を前記集束線条電子ビームの進路に対して横断方向に移
   動自在に支持するための支持手段と、 前記室形成手段内へ１種類またはそれ以上の種類のガス
   を選択して導入し、該ガスの分圧を制御するための手段
   と、 前記ガスを前記室形成手段内を通して循環させるための
   真空ポンプと、から成る装置。 ２）前記集束線条電子ビームは前記ソリッド物質の表面
   上に焦点合せされるようにした特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ３）前記ソリッド物質は、１つまたはそれ以上のフィル
   ム層を含むものであり、前記集束線条電子ビームは、該
   フィルム層の選択された１つに焦点合せされるようにな
   されている特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４）前記直流グロー放電電子ビーム銃は、アルミニウム
   製陰極素子を含むものである特許請求の範囲第１項記載
   の装置。 ５）前記直流グロー放電電子ビーム銃は、マグネシウム
   製陰極素子を含むものである特許請求の範囲第１項記載
   の装置。 ６）前記直流グロー放電電子ビーム銃は、金属と金属酸
   化物の粒子の共焼結混合物から成る陰極素子を含むもの
   である特許請求の範囲第１項記載の装置。 ７）前記直流グロー放電電子ビーム銃は、陰極素子の電
   子放出表面を形成するための断面ほぼ長方形の長手方向
   に延長したノッチを有する総体的に円筒形の陰極素子と
   、前記電子放出表面に近接して配置されており、長手方
   向に延長した電子ビーム孔を画定し、該電子放出表面か
   ら放出される電子を該電子放出表面から所定の距離のと
   ころに前記ノッチおよび電子ビーム孔の長さに実質的等
   しい長さの非常に幅の狭い真直ぐな線条電子ビームとし
   て集束するための長手方向に延長した金属導体とを含む
   ものである特許請求の範囲第１項記載の装置。 ８）前記陰極素子の前記ノッチの長手軸線および前記金
   属導体の長手軸線は、前記電子放出表面から放出される
   電子を該電子放出表面から所定の距離のところに非常に
   幅の狭い、湾曲した線条電子ビームとして集束するよう
   に、特定の曲線に一致するようになされている特許請求
   の範囲第７項記載の装置。 ９）前記支持手段は、該ソリッド物質を前記集束線条電
   子ビームを横切つて不均一な速度で移動させるようにな
   されている特許請求の範囲第１項記載の装置。 １０）前記制御手段は、該ソリッド物質の再結晶操作中
   前記集束線条電子ビームのエネルギーを変化させる働き
   をするものである特許請求の範囲第１項記載の装置。 １１）前記ガスの１つは水素である特許請求の範囲第１
   項記載の装置。 １２）前記ガスの１つは、水素である特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 １３）前記ガスの１つは、分子ガスである特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 １４）前記分子ガスは、酸素である特許請求の範囲第１
   項記載の装置。 １５）該ソリッド物質に所定の電位で電気的にバイアス
   をかけるための手段が設けられている特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 １６）該ソリッド物質は、多結晶シリコンから成る表面
   フィルムを有するものである特許請求の範囲第１項記載
   の装置。 １７）該ソリッド物質は、非晶質の水素添加シリコンか
   ら成る表面フィルムを有するものである特許請求の範囲
   第１項記載の装置。 １８）ソリッド物質を再結晶させるための装置において
   、 集束線条電子ビームを発生するための直流グロー放電電
   子ビーム銃と、 該電子ビーム銃および再結晶すべきソリッド物質を囲包
   し、制御されたガス環境を創生するための室形成手段と
   、 前記集束線条電子ビームのエネルギー、電流および時間
   依存度を制御するための制御手段と、該ソリッド物質を
   支持するための手段と、 前記直流グロー放電電子銃に連結されており、前記集束
   線条電子ビームを該ソリッド物質の表面を横切つて走査
   させるための走査手段と、前記室形成手段内へ１種類ま
   たはそれ以上の種類のガスを選択して導入し、該ガスの
   分圧を制御するための手段と、 前記ガスを前記室形成手段内を通して循環させるための
   真空ポンプと、から成る装置。 １９）イオン移植された物質を修復するための装置にお
   いて、 集束線条電子ビームを発生するための直流グロー放電電
   子ビーム銃と、 該電子ビーム銃およびイオン注入された物質を囲包し、
   制御されたガス環境を創生するための室形成手段と、 前記集束線条電子ビームのエネルギー、電流および時間
   依存度を制御するための制御手段と、前記イオン注入さ
   れた物質を前記集束線条電子ビームの進路に対して横断
   方向に移動自在に支持するための支持手段と、 前記室形成手段内へ１種類またはそれ以上の種類のガス
   を選択して導入し、該ガスの分圧を制御するための手段
   と、 前記ガスを前記室形成手段内を通して循環させるための
   真空ポンプと、から成る装置。 ２０）集束線条電子ビームを用いてソリッド物質を再結
   晶させるための方法において、 抜気された室内に制御されたガス雰囲気を設定し、 前記ソリッド物質の長さと少くとも同じ長さを有する集
   束線条電子ビームを発生させ、 該ソリッド物質の表面を前記集束線条電子ビームを横切
   つて移動させ、該表面を溶融させることから成る方法。 ２１）前記ガス雰囲気を設定する操作と、ソリツド物質
   の表面を前記集束線条電子ビームを横切つて移動させる
   操作とを順次に繰返して実施することを特徴とする特許
   請求の範囲第２０項記載の方法。 ２２）集束線条電子ビームを用いてソリッド物質を再結
   晶させるための方法において、 抜気された室内に制御されたガス雰囲気を設定し、 前記ソリッド物質の長さと少くとも同じ長さを有する集
   束線条電子ビームを発生させ、 該集束線条電子ビームを該ソリッド物質の表面を横切つ
   て走査し、該表面を溶融させることから成る方法。 ２３）集束線条電子ビームを用いてイオン注入された物
   質の損傷をアニールするための方法において、 抜気された室内に制御されたガス雰囲気を設定し、 前記イオン注入された物質と少くとも同じ長さを有する
   集束線条電子ビームを発生させ、該イオン注入された物
   質の表面を前記集束線条電子ビームを横切つて移動させ
   、該表面を溶融させることから成る方法。