半導体薄膜の製造方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜の製造方法に関わり、特に基板上に半導体薄膜を堆積し、この半導体薄膜に高エネルギービームを連続的に照射しながら繰り返し操作する結晶化処理工程の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知の如く、従来の２次元半導体装置の素子を微細化してこれを高集積化及び高速化するには限界があり、これを越える手段として多層に素子を形成するいわゆる３次元半導体装置が提案された。そして、これを実現するため、基板上の多結晶あるいは非晶質半導体に高エネルギービームを照射しながら走査して、粗大粒の多結晶若しくは単結晶の半導体層を形成する結晶化処理方法がいくつか提案されている。
【０００３】従来の方法でよく用いられている高エネルギービームの走査方法を図１に示す。このうち図１ａは特によく用いられているビームの走査方法である。ある方向へ（Ｘ方向）への操作と、これと垂直な方向（Ｙ方向）の比較的遅い送りとからなっている。しかしこの方法では、ビームの未照射領域を形成しないように、実線で表わせられるＸ軸の正方向に繰り返し照射すると、図１R>１ａに示すようにビームの重複した照射領域１２が発生する。このため、１回のみのビーム照射領域１１と、重複した照射領域１２にあるシリコ層が受けるエネルギー量が異なるため、その照射領域によって結晶化率または屈折率などの物性値が異なるシリコン層が形成されてしまう。さらに、ビーム強度が大きいときには、照射の重複部分では、高エネルギーが集中して、半導体薄膜が蒸発してしまうなどの大きな指傷を受けた。
【０００４】一方、図１ｂに示すのはＸ軸に正の方向の走査速度と負の方向の走査速度を同じくして、操作の無駄をなくすために考えられた走査方法である。しかしこの場合もビームのＸ軸方向の照射で、アニールが重複する領域１２があり、半導体薄膜のエネルギー吸収量の違いによるシリコン層（半導体薄膜）の膜質の違いや、エネルギー集中によるビーム損傷を避けることは困難となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図１ａの方法ではビームが照射している地点のＸ座標を時間の関数で表わすと、ビームがＸの負の方向の速度が必ず０となり、ここでビームが停滞することになる。このため、半導体薄膜の一地点に高エネルギーが集中して、半導体薄膜が蒸発してしまうなどの大きな損傷を受けた。
【０００６】一方、図１ｂに示すのはＸ軸に正の方向の走査速度と負の方向の走査速度を同じくして、操作の無駄をなくすために考えられた走査方法である。第２図の方法の場合もビームのＸ軸方向の速度が必ず０になる地点があり、半導体薄膜の一地点に高エネルギーが集中することによる損傷を避けることは困難となっていた。
【０００７】さらに、図１ａの場合も、図１ｂの場合もビームをＸ紬方向に繰り返し走査するために照射領域が重複する部分１２が生じるため、重複する部分１２とそうでない部分１１の間で、シリコン層（半導体層）が受けるエネルギー量が異なり、結晶化率、または屈折率などの物性が異なるシリコン層（半導体薄膜）が生じた。
【０００８】本発明の目的は、かかる従来の欠点を取り除き、基板上の半導体薄膜上で高出力のエネルギービームが一点に集中して損傷を及ぼすことを防止し、均一な物性で良質の半導体薄膜結晶層を従来に比べ簡便に製造することができ、３次元半導体装置の素子形成用基板の作成等に有用な半導体薄膜結晶層の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、 基板上に半導体薄膜を堆積し、該半導体薄膜に高出力エネルギービームを照射して、前記半導体薄膜の結晶粒径の拡大又は結晶化を行う半導体薄膜の製造方法において、ビーム源からの前記高出力エネルギービームをレンズにより前記半導体薄膜の全幅を照射できるよう前記半導体薄膜の幅方向に拡大させ且つ板状の平行ビームに変形させ、当該変形させたビームを凸レンズにより前記平行ビームの幅と等しくなるような幅で、且つエネルギー密度を高めた状態で前記半導体薄膜の全幅にわたって照射しながら前記半導体薄膜の長手方向に走査することを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明の骨子は、エネルギービームの形状が板状になっていることにある。
【００１１】すなわち本発明は、絶縁体基板上に半導体薄膜を堆積し、この薄膜にレーザービームなどの高出力エネルギービームを連続的に照射して、上記薄膜の結晶粒径増大化もしくは単結晶化をはかる半導体薄膜結晶層の製造方法に於て、ビーム源のエネルギービームを凸レンズと凹レンズに透過させて、板状に変形したものである。
【００１２】これによって、図１ａや図１ｂで示された、ビームの走査の繰り返しによって生じる、シリコン層（半導体薄膜）のビーム照射の重複部分がなくなり、シリコン層（半導体薄膜）全面にわたって均一なエネルギー照射ができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
【００１４】第２図は本発明の一実施例に使用したレーザーアニール装置を示す概略構成図である。図中２１はレーザー発振部、２２は凹レンズ、２３は凸レンズ、２４は鏡、２５は凸レンズ、２６は試料である。
【００１５】次に、上記装置を用いた半導体薄膜結晶層の製造方法について説明する。まず図３ａに示すが如く１辺２５〔ｃｍ〕正方形のガラス基板（絶縁体基板）３１表面全面に１００（ｎｍ）のシリコン層（半導体薄膜）３２を形成する。レーザーの発振波長はＸｅＣｌエキシマレーザーの３０８〔ｎｍ〕とした。レーザービームの大きさは、１辺５〔ｍｍ〕の正方形であり、エネルギー強度は５００〔ｍＪ／パルス〕であり、レーザーのパルス幅は約５０〔ｎｓ〕であり、発振周波数は１２０〔Ｈｚ〕とした。また、レーザービームの走査方法として、鏡２４をＹ軸方向に１〔ｍｍ／ｓ〕の速度で動作してレーザービームを走査した。Ｘ軸方向のレーザービームの幅は凹レンズ２２と凸レンズ２３の距離を変化させて調節する。さらに、レーザー発信部出口でのレーザービームのエネルギー密度は、２０００〔ｍＪ／（ｃｍ２・パルス）〕であるが、凸レンズ２３を透過直後では、ビームの幅が５０倍となるため、４００〔ｍＪ／ｃｍ２・パルス）〕と５０分の１となる。アニール効果を減少させないため、凸レンズ２５でエネルギー密度を再び２０００〔ｍＪ／（ｃｍ２・パルス）〕に高める。エネルギー密度は、試料と凸レンズ２５の距離で調整できる。この距離を少なくするには曲率の大きい凸レンズを使用すれば実現できる。これにより、図２に示すが如くレーザービームの走査方向はＹ軸方向のみとなるため、図１の照射例でみられたようなシリコン層（半導体薄膜）のアニールの重複を防止でき、これにより均一な物性で良質なシリコン層（半導体薄膜）を得られるアニールが可能となった。即ち、レーザービームの大きさが５ｍｍで凸レンズを透過直後のビーム幅が５０倍となるため、２５ｃｍの幅になり、この幅は基板の幅２５ｃｍに相当する。凸レンズ２５を透過後のビームの幅は第２図のように基板の幅に相当するので、エネルギー線が平行ビームのまま基板に照射されることになる。
【００１６】これに対して、従来のようにＸ軸方向のビームを繰り返すアニールのように、照射の重なり部分がある場合には、シリコン層の物性のばらつきや、重なり部分でのビーム損傷が認められた。なお本発明は上述した実施例に限定されるものではない。実施例では、ガラス基板（絶縁体基板）全面にシリコン層を形成し、シリコン層の全領域をアニールする例を示したが、シリコン層の必要な部分だけをアニールしたい場合にはその必要な大きさの幅にビームの大きさを調整した板状のビームで照射すればよい。また、シリコンの溶融再結晶化による結晶成長だけでなく、他の半導体や金属などにも適用することが可能である。さらに、イオン注入層の活性化に本発明を適用し、アニール領域を均一にすることも可能である。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、ビームの繰り返し走査によって生じる照射領域の重複部分がなくなるので速度が０に近い付近、すなわちビームの走査方向の反転領域が、アニール領域にないため、ビームが停留することがなくなり、また照射の重複部分がなくなるので、アニール領域におけるシリコン層（半導体薄膜）の物性のばらつきがなくなり、さらにビーム損傷を未然に防止することができる。このため均一で良質の半導体薄膜結晶層を積層することができ、３次元半導体装置の素子形成基板として実用上十分な特性をもたせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａ、ｂはエネルギービームの走査方法の例を示す模式図。
【図２】本発明の１実施例方法に使用したレーザーアニール装置を示す概略構成図。
【図３】上記実施例にかかわるシリコン薄膜結晶層の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例である。
【符号の説明】
２１…レーザー発振部
２２…凹レンズ
２３…凸レンズ
２４…鏡
２５…凸レンズ
２６…試料
３１…ガラス基板（絶縁体基板）
３２…シリコン層（半導体薄膜）
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜の製造方法に関わり、特に基板上に半導体薄膜を堆積し、この半導体薄膜に高エネルギービームを連続的に照射しながら繰り返し操作する結晶化処理工程の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知の如く、従来の２次元半導体装置の素子を微細化してこれを高集積化及び高速化するには限界があり、これを越える手段として多層に素子を形成するいわゆる３次元半導体装置が提案された。そして、これを実現するため、基板上の多結晶あるいは非晶質半導体に高エネルギービームを照射しながら走査して、粗大粒の多結晶若しくは単結晶の半導体層を形成する結晶化処理方法がいくつか提案されている。
【０００３】従来の方法でよく用いられている高エネルギービームの走査方法を図１に示す。このうち図１ａは特によく用いられているビームの走査方法である。ある方向へ（Ｘ方向）への操作と、これと垂直な方向（Ｙ方向）の比較的遅い送りとからなっている。しかしこの方法では、ビームの未照射領域を形成しないように、実線で表わせられるＸ軸の正方向に繰り返し照射すると、図１R>１ａに示すようにビームの重複した照射領域１２が発生する。このため、１回のみのビーム照射領域１１と、重複した照射領域１２にあるシリコ層が受けるエネルギー量が異なるため、その照射領域によって結晶化率または屈折率などの物性値が異なるシリコン層が形成されてしまう。さらに、ビーム強度が大きいときには、照射の重複部分では、高エネルギーが集中して、半導体薄膜が蒸発してしまうなどの大きな指傷を受けた。
【０００４】一方、図１ｂに示すのはＸ軸に正の方向の走査速度と負の方向の走査速度を同じくして、操作の無駄をなくすために考えられた走査方法である。しかしこの場合もビームのＸ軸方向の照射で、アニールが重複する領域１２があり、半導体薄膜のエネルギー吸収量の違いによるシリコン層（半導体薄膜）の膜質の違いや、エネルギー集中によるビーム損傷を避けることは困難となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図１ａの方法ではビームが照射している地点のＸ座標を時間の関数で表わすと、ビームがＸの負の方向の速度が必ず０となり、ここでビームが停滞することになる。このため、半導体薄膜の一地点に高エネルギーが集中して、半導体薄膜が蒸発してしまうなどの大きな損傷を受けた。
【０００６】一方、図１ｂに示すのはＸ軸に正の方向の走査速度と負の方向の走査速度を同じくして、操作の無駄をなくすために考えられた走査方法である。第２図の方法の場合もビームのＸ軸方向の速度が必ず０になる地点があり、半導体薄膜の一地点に高エネルギーが集中することによる損傷を避けることは困難となっていた。
【０００７】さらに、図１ａの場合も、図１ｂの場合もビームをＸ紬方向に繰り返し走査するために照射領域が重複する部分１２が生じるため、重複する部分１２とそうでない部分１１の間で、シリコン層（半導体層）が受けるエネルギー量が異なり、結晶化率、または屈折率などの物性が異なるシリコン層（半導体薄膜）が生じた。
【０００８】本発明の目的は、かかる従来の欠点を取り除き、基板上の半導体薄膜上で高出力のエネルギービームが一点に集中して損傷を及ぼすことを防止し、均一な物性で良質の半導体薄膜結晶層を従来に比べ簡便に製造することができ、３次元半導体装置の素子形成用基板の作成等に有用な半導体薄膜結晶層の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、 基板上に半導体薄膜を堆積し、該半導体薄膜に高出力エネルギービームを照射して、前記半導体薄膜の結晶粒径の拡大又は結晶化を行う半導体薄膜の製造方法において、ビーム源からの前記高出力エネルギービームをレンズにより前記半導体薄膜の全幅を照射できるよう前記半導体薄膜の幅方向に拡大させ且つ板状の平行ビームに変形させ、当該変形させたビームを凸レンズにより前記平行ビームの幅と等しくなるような幅で、且つエネルギー密度を高めた状態で前記半導体薄膜の全幅にわたって照射しながら前記半導体薄膜の長手方向に走査することを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明の骨子は、エネルギービームの形状が板状になっていることにある。
【００１１】すなわち本発明は、絶縁体基板上に半導体薄膜を堆積し、この薄膜にレーザービームなどの高出力エネルギービームを連続的に照射して、上記薄膜の結晶粒径増大化もしくは単結晶化をはかる半導体薄膜結晶層の製造方法に於て、ビーム源のエネルギービームを凸レンズと凹レンズに透過させて、板状に変形したものである。
【００１２】これによって、図１ａや図１ｂで示された、ビームの走査の繰り返しによって生じる、シリコン層（半導体薄膜）のビーム照射の重複部分がなくなり、シリコン層（半導体薄膜）全面にわたって均一なエネルギー照射ができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。
【００１４】第２図は本発明の一実施例に使用したレーザーアニール装置を示す概略構成図である。図中２１はレーザー発振部、２２は凹レンズ、２３は凸レンズ、２４は鏡、２５は凸レンズ、２６は試料である。
【００１５】次に、上記装置を用いた半導体薄膜結晶層の製造方法について説明する。まず図３ａに示すが如く１辺２５〔ｃｍ〕正方形のガラス基板（絶縁体基板）３１表面全面に１００（ｎｍ）のシリコン層（半導体薄膜）３２を形成する。レーザーの発振波長はＸｅＣｌエキシマレーザーの３０８〔ｎｍ〕とした。レーザービームの大きさは、１辺５〔ｍｍ〕の正方形であり、エネルギー強度は５００〔ｍＪ／パルス〕であり、レーザーのパルス幅は約５０〔ｎｓ〕であり、発振周波数は１２０〔Ｈｚ〕とした。また、レーザービームの走査方法として、鏡２４をＹ軸方向に１〔ｍｍ／ｓ〕の速度で動作してレーザービームを走査した。Ｘ軸方向のレーザービームの幅は凹レンズ２２と凸レンズ２３の距離を変化させて調節する。さらに、レーザー発信部出口でのレーザービームのエネルギー密度は、２０００〔ｍＪ／（ｃｍ２・パルス）〕であるが、凸レンズ２３を透過直後では、ビームの幅が５０倍となるため、４００〔ｍＪ／ｃｍ２・パルス）〕と５０分の１となる。アニール効果を減少させないため、凸レンズ２５でエネルギー密度を再び２０００〔ｍＪ／（ｃｍ２・パルス）〕に高める。エネルギー密度は、試料と凸レンズ２５の距離で調整できる。この距離を少なくするには曲率の大きい凸レンズを使用すれば実現できる。これにより、図２に示すが如くレーザービームの走査方向はＹ軸方向のみとなるため、図１の照射例でみられたようなシリコン層（半導体薄膜）のアニールの重複を防止でき、これにより均一な物性で良質なシリコン層（半導体薄膜）を得られるアニールが可能となった。即ち、レーザービームの大きさが５ｍｍで凸レンズを透過直後のビーム幅が５０倍となるため、２５ｃｍの幅になり、この幅は基板の幅２５ｃｍに相当する。凸レンズ２５を透過後のビームの幅は第２図のように基板の幅に相当するので、エネルギー線が平行ビームのまま基板に照射されることになる。
【００１６】これに対して、従来のようにＸ軸方向のビームを繰り返すアニールのように、照射の重なり部分がある場合には、シリコン層の物性のばらつきや、重なり部分でのビーム損傷が認められた。なお本発明は上述した実施例に限定されるものではない。実施例では、ガラス基板（絶縁体基板）全面にシリコン層を形成し、シリコン層の全領域をアニールする例を示したが、シリコン層の必要な部分だけをアニールしたい場合にはその必要な大きさの幅にビームの大きさを調整した板状のビームで照射すればよい。また、シリコンの溶融再結晶化による結晶成長だけでなく、他の半導体や金属などにも適用することが可能である。さらに、イオン注入層の活性化に本発明を適用し、アニール領域を均一にすることも可能である。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、ビームの繰り返し走査によって生じる照射領域の重複部分がなくなるので速度が０に近い付近、すなわちビームの走査方向の反転領域が、アニール領域にないため、ビームが停留することがなくなり、また照射の重複部分がなくなるので、アニール領域におけるシリコン層（半導体薄膜）の物性のばらつきがなくなり、さらにビーム損傷を未然に防止することができる。このため均一で良質の半導体薄膜結晶層を積層することができ、３次元半導体装置の素子形成基板として実用上十分な特性をもたせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａ、ｂはエネルギービームの走査方法の例を示す模式図。
【図２】本発明の１実施例方法に使用したレーザーアニール装置を示す概略構成図。
【図３】上記実施例にかかわるシリコン薄膜結晶層の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例である。
【符号の説明】
２１…レーザー発振部
２２…凹レンズ
２３…凸レンズ
２４…鏡
２５…凸レンズ
２６…試料
３１…ガラス基板（絶縁体基板）
３２…シリコン層（半導体薄膜）
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基板上に半導体薄膜を堆積し、該半導体薄膜に高出力エネルギービームを照射して、前記半導体薄膜の結晶粒径の拡大又は結晶化を行う半導体薄膜の製造方法において、ビーム源からの前記高出力エネルギービームをレンズにより前記半導体薄膜の全幅を照射できるよう前記半導体薄膜の幅方向に拡大させ且つ板状の平行ビームに変形させ、当該変形させたビームを凸レンズにより前記平行ビームの幅と等しくなるような幅で、且つエネルギー密度を高めた状態で前記半導体薄膜の全幅にわたって照射しながら前記半導体薄膜の長手方向に走査することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項１】 基板上に半導体薄膜を堆積し、該半導体薄膜に高出力エネルギービームを照射して、前記半導体薄膜の結晶粒径の拡大又は結晶化を行う半導体薄膜の製造方法において、ビーム源からの前記高出力エネルギービームをレンズにより前記半導体薄膜の全幅を照射できるよう前記半導体薄膜の幅方向に拡大させ且つ板状の平行ビームに変形させ、当該変形させたビームを凸レンズにより前記平行ビームの幅と等しくなるような幅で、且つエネルギー密度を高めた状態で前記半導体薄膜の全幅にわたって照射しながら前記半導体薄膜の長手方向に走査することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【図２】
【図３】
【図１】
【図４】
【図３】
【図１】
【図４】
【特許番号】特許第３２０１３９５号（Ｐ３２０１３９５）
【登録日】平成１３年６月２２日（２００１．６．２２）
【発行日】平成１３年８月２０日（２００１．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−３２４０７１
【分割の表示】特願平２−８７９７７の分割
【出願日】平成２年４月２日（１９９０．４．２）
【公開番号】特開２０００−１３３６１３（Ｐ２０００−１３３６１３Ａ）
【公開日】平成１２年５月１２日（２０００．５．１２）
【審査請求日】平成１１年１１月２６日（１９９９．１１．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【参考文献】
【文献】特開 昭５９−７４６２０（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１３年６月２２日（２００１．６．２２）
【発行日】平成１３年８月２０日（２００１．８．２０）
【国際特許分類】
【分割の表示】特願平２−８７９７７の分割
【出願日】平成２年４月２日（１９９０．４．２）
【公開番号】特開２０００−１３３６１３（Ｐ２０００−１３３６１３Ａ）
【公開日】平成１２年５月１２日（２０００．５．１２）
【審査請求日】平成１１年１１月２６日（１９９９．１１．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【参考文献】
【文献】特開 昭５９−７４６２０（ＪＰ，Ａ）
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