Игорь Житяев.

Фотонно-стимулированные технологические процессы микро– и нанотехнологии



скачать книгу бесплатно

2. Рекристаллизация аморфных и поликристаллических кремниевых слоев лазерным излучением

2.1. Лазерная рекристаллизация полупроводников

Аморфные и поликристаллические пленки занимают важное место в технологии изготовления интегральных схем. Они используются для получения ленточного кремния, боковой изоляции активных компонентов в технологиях VATE, Полипланар, в качестве подложек при изоляции интегральных микросхем (ИМС) тонкой пленкой диэлектрика, в качестве материала затвора в КМОП БИС, в технологии изготовления ИМС кремний на сапфире (КНС) и др. В процессе изготовления ИМС активные области приборов легируются большой дозой примеси, приводящей к аморфизации монокристалла. Для восстановления структуры кристалла, отжига дефектов, увеличения проводимости поликристаллических и аморфных пленок используется изотермический отжиг в различных технологических средах. Однако качество этого отжига далеко не всегда удовлетворяет разработчиков ИМС. Лазерное излучение имеет ряд преимуществ, о которых говорилось ранее, и может быть применено для рекристаллизации аморфных и поликристаллических пленок.

При лазерной обработке слоев аморфного или поликристаллического материала, нанесенного на монокристаллическую подложку из одноименного материала происходит их гомоэпитаксиальная рекристаллизация. При использовании монокристаллической подложки из другого материала возможна гетероэпитаксиальная рекристаллизация, если материал подложки близок по кристаллической структуре нанесенному материалу в монокристаллическом состоянии [3, 21, 22]. Методы получения высококачественных тонких эпитаксиальных полупроводников на монокристаллических подложках с минимальным перераспределением примеси у поверхности раздела разрабатываются давно. Основные усилия сконцентрированы на исследовании твердофазной рекристаллизации аморфных слоев кремния, напыленных на аморфную подложку, путем отжига при температуре кристаллизации 900-1000 К. Преимущество этого метода, по сравнению с эпитаксиальным осаждением из паров элементов, заключается в простоте контроля толщины слоя и низких температурах обработки. Однако, получение высококачественных кремниевых слоев можно осуществить в условиях сверхвысокого вакуума, так как этот процесс чрезвычайно чувствителен к загрязнению на поверхности роста и к примесям, захваченным рекристаллизирующимся слоем. Исследования воздействия непрерывного лазерного излучения на напыленные слои кремния показали, что для получения качественных эпитаксиальных слоев, как и при обычной твердофазной эпитаксии, необходимы все технологические операции, включая очистку поверхности, нанесение слоя и лазерную обработку проводить в сверхвысоком вакууме без его нарушения в промежутках между операциями. В случае лазерной обработки на воздухе наличие на поверхности раздела окисла или примесей приводило к образованию поликристаллического слоя. Однако если мощность лазерного излучения и скорость сканирования лазерного луча достаточно велики, то аморфный слой может проплавляться до монокристаллической подложки с последующей его жидкофазной эпитаксиальной рекристаллизацией.

Однако основной проблемой остается пористость аморфного слоя, для предотвращения которой применяют низкотемпературное осаждение из паров, эпитаксию из молекулярных пучков и дополнительный отжиг. При этом необходимо обеспечить условия, при которых энергия лазерного излучения была достаточна для проплавления пленки до монокристаллической подложки.

Спектральный состав лазерного излучения выбирают из следующих соображений. При энергии кванта лазерного излучения h?, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводникового материала ?Е, поглощение излучения лазера происходит вблизи поверхности полупроводника, что приводит к нагреву, а при повышении пороговой плотности мощности лазерного излучения и к плавлению слоя пленки, и поверхностного слоя полупроводника. В случае когда h? < ?E, поглощение идет в объеме пленки, и образец можно облучать с тыльной стороны поверхности [21].

Импульсный лазерный нагрев был использован для отжига пленок аморфного кремния, напыленного на кремниевые подложки ориентации (100) в камере сверхглубокого вакуума с криогенной откачкой при давлении 10-9 Торр. Перед напылением подложки были очищены от окислов и молекул аргона ионной бомбардировкой ионами аргона. Лазерное облучение производилось лазером Nd: АИГ (?=1,064 мкм) с модулированной добротностью, действующим в режиме ТЕМ00. Обработка осуществлялась с частотой 11,4 кГц при длительности импульса 125 нс. Лазерный пучок сканировался по поверхности образца с шагом 8 мкм. Интенсивность света регулировалась с помощью призменных поляризаторов и составляла от 20 до 140 мВт/см2. В результате исследований структуры пленок после лазерной кристаллизации было установлено, что кристаллизация, вызванная лазерным облучением, происходит путем плавления и последующего эпитаксиального роста и дает эпитаксиальную пленку хорошего кристаллического совершенства. Лазерная кристаллизация пленок, напыленных при низких и комнатных температурах, позволяет значительно снизить автолегирование и легирование пленок при концентрациях примеси в пределах 1014-1020 см-3.

Результаты исследований кристаллической структуры и электрические свойства поликристаллического кремния (ПКК) после отжига аргоновым лазером, работающим в непрерывном режиме, приведены в работах [22-24]. Пленка поликристаллического кремния толщиной 0,4 мкм, осажденная в реакторе химического напыления при низком давлении, была имплантирована бором дозой 5·1014 см-2, а затем подвергалась облучению сканирующим непрерывным аргоновым лазером. В качестве подложки использовали монокристаллический кремний, на который осаждали слой Si3N4 толщиной 1000 ?.

После легирования часть образцов отжигали при 1100 °С в течение 30 мин в среде сухого азота. Результаты отжига контрольных образцов сравнивались с образцами, подвергавшимися лазерному отжигу. С помощью просвечивающей электронной микроскопии было показано, что лазерный отжиг привел к увеличению размеров зерен от 500 ? до образования узких кристаллов размерами порядка 25?2 мкм. Каждое зерно не имело дефектов и доходило без разрывов до подложки Si3N4. Электрические измерения показали, что бор имел 100 %-ную активность и холловскую подвижность ~45 см2/В·с, что приближается к подвижности в монокристалле при той же концентрации носителей. Термический отжиг приводит к образованию структуры со средним размером зерен, равным 1000 ?, а его удельное сопротивление в 2,2 раза превышало удельное сопротивление материала, полученного при лазерном отжиге. Дополнительный лазерный отжиг термически отожженных образцов понижал удельное сопротивление до величины, которая приближалась к величине, полученной после одного только лазерного отжига.

Исследовалось также влияние режимов лазерного отжига на изменение удельного сопротивления поликристаллического кремния. В МОП ИС поликристаллический кремний обычно используется для формирования управляющих электродов и межсоединений. Поэтому для повышения быстродействия БИС такой материал должен иметь низкое удельное сопротвление. Пленки поликристаллического кремния толщиной 3500 ? получились разложением SiH4 при 550 °С. Эта пленка осаждалась на пленку SiO2. Диффузия фосфора проводилась при 1000 °С из POCl3, а мышьяка при 1100 °С из источника, установленного над поликристаллическим кремнием. Для сравнения с диффузионными образцами были изготовлены образцы, в которых легирование фосфором или мышьяком осуществлялось ионной имплантацией (D = 1016 см-2). Образцы облучались Nd: АИГ лазером (? = 1,064 мкм). Частота повторения импульсов составляла 10 кГц, длительность импульса – 200 нс, диаметр пятна – 50 мкм, мощность – 1,7-2,6 Вт. Луч лазера был неподвижным. Сканирование осуществлялось столиком. Скорость перемещения 80 мм/с, расстояние между пятнами 8 мкм. После каждого сканирования луч лазера перемещался на 10 мкм. Этим удавалось снизить неоднородность температуры по диаметру пятна.

В результате исследований установлено, что лазерный отжиг уменьшает минимум удельного поверхностного сопротивления до 8 Ом/кв. Удельное поверхностное сопротивление поликристаллического кремния после стандартного отжига при 1100 °С и длительности 15-60 мс составляло 38-40 Ом/кв. Дополнительный лазерный отжиг этих структур снижает поверхностное сопротивление до 20 Ом/кв, т.е. 50 % от первоначальной величины. Отмечено значительное изменение удельного поверхностного сопротивления после дополнительного отжига поликристаллических структур при температурах 1000 и 450 °С, которые типичны для технологии изготовления МОП-схем и соответствуют, например, фосфорному геттерированию и отжигу после металлизации.

Следует отметить, что аморфные полупроводники имеют сильно разупорядоченную структуру. Это приводит к образованию в запрещенной зоне практически непрерывного спектра (сплошной полосы) уровней, создаваемых ненасыщенными связями атомов решетки. Поэтому коэффициент поглощения таких полупроводников составляет несколько порядков даже при h? ? Eg. Например, аморфный кремний имеет ? = 104 см-1, на длине волны ?=1,06 мкм, в то время как для монокристаллического ? = 104 см-1. Аморфный полупроводник имеет существенно низкую подвижность носителей электронно-дырочных пар, поэтому коэффициент диффузии их на несколько порядков в аморфном полупроводнике меньше, чем в монокристаллических образцах. Соответственно меньше составляющая коэффициента теплопроводности, обусловленная амбиполярной диффузией рекомбинирующих электронно-дырочных пар. Поэтому поглощенная энергия излучения при прочих равных условиях в аморфном полупроводнике сосредотачивается в более тонком слое, чем в монокристаллическом.

Интересные результаты были получены по лазерному отжигу КНС-структур. Отжиг ионно-легированных фосфором или бором КНС-структур осуществлялся лазером с ? = 0,53 мкм. Длительность импульса излучения – 95 нс, площадь лазерного пятна – 5·10-5 см-2, энергия импульса – 1,5-2 Дж/см2. В результате лазерной обработки подвижность носителей заряда в слоях легированных фосфором структур была равной 243-270 см2/В·с, бором – 70-71 см2/В·с, удельное поверхностное сопротивление слоев, легированных фосфором, – 1310-1530 Ом/кв, бором – 735-773 Ом/кв, поверхностная концентрация 1,68-1,77·1013 см-2 и 1,13-1,21·1014 см-2 соответственно. Анализ результатов показывает, что импульсное лазерное облучение островков кремния на сапфире приводит к 30 %-ному увеличению подвижности в канале изготовленного затем МОП-транзистора, а также позволяет получать МОП-транзисторы с длиной канала 2,4 мкм со статическими электрическими характеристиками не хуже, чем у отожженных обычной термообработкой, и более высоким (на 10-40 %), по сравнению с последними, быстродействием. При использовании отжига имплантированных слоев кремния на сапфире непрерывным лазерным излучением не удалось получить эпитаксиальные слои удовлетворительного качества.

Установлена также возможность получения качественных эпитаксиальных слоев обработкой аморфных слоев кремния многократным импульсным лазерным воздействием малой энергии, недостаточной для образования центров плавления на поверхности структуры [25].

При многократной лазерной обработке импульсами малой энергии (? = 0,694 мкм, ?и= 30 нс, Е = 0,045-0,06 Дж·см2, 100 импульсов) слоев аморфного германия, сформированных ионной имплантацией или тлеющим разрядом на германиевых подложках, обнаружено, что в первом случае граница раздела аморфной и кристаллической фаз движется от поверхности к подложке, в то время как во втором – в противоположном направлении. Это связывают с увеличением подвижности дефектов за счет ионизации, а также наличием напряжений в слое.

При наличии в слое аморфного кремния больших концентраций водорода добиться эпитаксиальной рекристаллизации при импульсном лазерном отжиге (? = 0,694 мкм, ?и= 30 нс, Е = 0,6-1,5 Дж·см2) не удается. Отжиг излучением непрерывного аргонового или криптонового лазеров приводит лишь к переходу слоя в поликристаллическое состояние. Причем размер зерна уменьшался от 100-150 нм у поверхности до 10 нм – у подложки. Более того, при импульсном лазерном отжиге и плотности энергии 1,4 Дж·см-2 образование пузырьков аргона способствовало появлению на поверхности кратера глубиной около 30 нм. При получении гидрогенезированного кремния без аргона методом тлеющего разряда образования кратеров при таких энергиях не наблюдалось [17, 18, 20].

2.2. Импульсная лазерная кристаллизация аморфных слоев

Термин «взрывная» или импульсная кристаллизация относится к быстрой и самоподдерживающей кристаллизации всего аморфного слоя после ее инициирования хотя бы в одной точке этого слоя. Скорость такой кристаллизации довольно высока и составляет около 1 м/с. Причем кристаллизация происходит на расстоянии до нескольких сантиметров. Считается, что ее самоподдерживание осуществляется за счет выделения избыточной теплоты кристаллизации на движущейся границе раздела фаз [22].

При сканировании лазерного луча по поверхности аморфного слоя «взрывная» кристаллизация приводит к появлению характерной структуры поверхности, что объясняют следующим образом: при взаимодействии лазерного луча с образцом, в начале полосы сканирования, аморфный слой получает достаточную энергию для инициирования кристаллизации. Выделенная теплота вместе с теплотой, передаваемой за счет теплопроводности, вызывает кристаллизацию прилегающих аморфных областей и рост зерен вдоль направления радиального теплового потока. Фронт кристаллизации обгоняет сканирующий лазерный луч и продвигается до тех пор, пока температура на поверхности раздела не станет меньше температуры, вызывающей переход из аморфного состояния в кристаллическое. Когда лазерный луч вновь попадает на аморфный материал, процесс кристаллизации снова начинается, что приводит к появлению характерной поверхностной структуры. Фронт кристаллизации может распространяться и по всему слою после однократного лазерного воздействия, однако для этого необходимо дополнительно нагревать образец. Теоретическое исследование этого процесса под действием импульсного нагрева показало, что вероятность «взрывной» кристаллизации увеличивается с ростом начальной температуры образца, скрытой теплоты кристаллизации и доли лазерного излучения, поглощаемого в аморфном слое. Однако полученные результаты по кристаллизации аморфного кремния, нанесенного на монокристаллическую подложку и на аморфную из плавленого кварца, показали, что «взрывная» кристаллизация может носить и твердофазный характер.

Для проведения жидкофазной «взрывной» кристаллизации на кремнии необходимо за 10-3 с нагреть весь образец до 1200 К и инициировать кристаллизацию кратковременным (~10-6 с) локальным нагревом до температуры кристаллизации. Эти условия могут быть обеспечены импульсом неодимового лазера с энергией 48 Дж·см-2 и длительностью 1,3 мс. Это позволит достичь температуры 1200 К, при которой начнется кристаллизация [26, 27].

Для лазерной рекристаллизации кремниевых слоев на аморфных диэлектрических подложках используют импульсное и непрерывное лазерное излучение. Причем рекристаллизация во всех случаях связана с плавлением слоя кремния на всю толщину. Для этого лазерный луч фокусируется в пятно малого диаметра на поверхности подложки, затем для обработки больших площадей производится сканирование либо подложкой, либо самим лучом относительно подложки.

Важным фактором являются процессы дефектообразования, сопутствующие процессу роста кристалла. Для подавления распространения дислокаций в процессе роста скорость кристаллизации должна быть выше скорости переползания дислокаций, которая зависит от концентрации точечных дефектов, коэффициента диффузии точечных дефектов и вектора Бюргерса для данного типа дислокаций.

Значение концентрации избыточных (неравновесных) вакансий или межузельных атомов на поверхности роста в сильной степени зависит от условий роста и её максимальное значение не превышает 10-3. В этом случае максимальные значения скорости переползания дислокаций составляет от 10-3 до 10-2 м/с, что, по крайней мере, на два порядка ниже скорости рекристаллизации при импульсном лазерном отжиге. Таким образом, скорость кристаллизации тонкого слоя расплава достаточна для достраивания кристаллической решетки, но не достаточна для образования структурных несовершенств, даже когда к тому имеются такие предпосылки. Однако при облучении малой энергией в импульсе (1,55 Дж·см-2) наблюдали прорастание дислокаций в плоскости, перпендикулярной фронту кристаллизации.

Для получения монокристаллических областей большого размера используют сканирующее лазерное излучение непрерывного действия. Наибольший интерес представляет технология получения «кремний на изоляторе» (КНИ). Она включает следующие основные операции:

– термическое окисление кремниевой подложки или осаждение слоя Si3N4;

– нанесение поверх диэлектрического слоя (SiO2 или Si3N4) поликристаллического кремния из газовой фазы при пониженном давлении (как правило, осажденный слой ПКК легируют методом ионной имплантации с фазой, достаточной для аморфизации его поверхности);

– лазерная рекристаллизация слоя ПКК сканирующим излучением непрерывного действия.

В результате обработки получают слои, имеющие поликристаллическую структуру. Максимальные размеры отдельных кристаллитов достигают десятков микрометров. Возможность получения полностью монокристаллической структуры ПКК слоя ограничена процессами гетерозародышеобразования на границах рекристаллизируемой области. Для устранения процесса гетерозародышеобразования в слое ПКК на границах рекристаллизуемой области используют островковую структуру, показанную на рис. 8.


Рис. 8. Разрез рекристаллизуемой структуры с островками ПКК, где 1 – монокристаллическая подложка; 2 – Si3N4 (0,1 – 0,2 мкм); 3 – ПКК (0,1 – 0,2 мкм)


В результате после лазерной рекристаллизации удается получить полностью монокристаллические островки кремния с поверхностной подвижностью электронов 300 см2/В?с. Для увеличения размеров островков монокристаллического кремния необходимо увеличить температуру краев островков за счет пространственного оптического поглощения в рекристаллизуемой структуре. Достигают этого с помощью нанесения просветляющих диэлектрических покрытий (SiO2 и Si3N4). Это приводит к более высокой эффективности поглощения лазерного излучения подложкой между островками кремния и тем самым к селективному нагреву края островка по отношению к его объему. Такое неоднородное распределение температуры инициирует процесс гомозародышеобразования из центра островка, что обуславливает рост монокристалла в пределах всего островка. Наилучшие результаты достигнуты при использовании подложек монокристаллического кремния с двойным слоем просветляющего диэлектрика SiO2 (0,088 мкм)/Si3N4 (0,064 мкм). При этом, изменяя толщину пленки Si3N4, можно получить оптимальный температурный профиль нагрева островка ПКК.

Рассмотренные методы лазерной рекристаллизации не обеспечивают строго ориентированного роста всех кристаллов, формируемых на аморфной подложке. Однако известен метод ориентированного выращивания полупроводниковых пленок на аморфных подложках с предварительно сформированным периодическим рельефом поверхности подложки специальной формы, который получил название графоэпитаксии. При этом пространственный период рельефа должен быть меньше среднего размера растущего зерна слоя ПКК. Установлено, что после многократного сканирования подложки происходит полная рекристаллизация слоя ПКК с предпочтительной ориентацией кристаллов вдоль направления, параллельного пространственной решетке и перпендикулярного поверхности подложки.

Процесс ориентированного роста монокристаллического слоя на диэлектрической подложке во многом определяется степенью контролируемости процесса зародышеобразования в расплаве при его затвердении. Наилучшие результаты были получены при рекристаллизации с боковой монокристаллической затравкой. В результате обеспечиваются условия получения полностью монокристаллической структуры слоя с определенной кристаллографической ориентацией поверхности (рис. 9).


Рис. 9. Сечение рекристаллизуемой структуры, где 1 – SiO2; 2 – ПКК; 3 – кремниевая подложка


Механизм такой кристаллизации заключается в следующем. На первом этапе при достаточной энергии лазерного излучения происходит плавление всего слоя ПКК. В дальнейшем на кремниевой подложке в областях, не защищенных SiO2, благодаря жидкофазной эпитаксии, образуется монокристаллический кремний. В связи с другими условиями теплоотвода слой ПКК на SiO2 затвердевает позже, чем на монокристаллической подложке. На втором этапе происходит боковой эпитаксиальный рост монокристаллического кремния на SiO2, распространяющийся от сторон полоски окисла и его центральной части и заканчивающийся полным затвердением расплавленного слоя ПКК. В этом процессе локальные участки монокристаллического кремния являются затравкой для ориентированного роста кристалла. Чем больше толщина ПКК, тем большая требуется энергия лазерного излучения. Рост монокристалла начинается от его границы в направлении перпендикулярном границе фазового перехода расплав-твердое тело.

При использовании импульсного лазерного излучения ориентированный рост ограничен малым временем существования расплава. Даже термический нагрев обратной стороны подложки до 670 К и капсулирование рекристаллизуемого слоя пленкой SiO2 не приводят к увеличению размера монокристалла. Максимальная длина ориентированного бокового роста кристалла на SiO2 составляет 3-4 мкм от границы окна.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3