DE3818504C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kristallisation dünner Halbleiterschichten auf einem Substratmaterial nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der Literaturstelle Appl. Phys. Lett. 40, 1982, Seiten 394 und 395 bekannt.
Das genannte Verfahren ist insbesondere für die gezielte Kristallisation von Silizium ohne Keimvorgabe in sogenannten SOI-Strukturen (SOI: Silicon-On-Insulator, Silizium auf einem Isolator) interessant.
SOI-Strukturen sind für eine Reihe von elektronischen Bauelementen etwa in integrierten Schaltungen (ICs) von technischer Bedeutung. Ein Querschnitt durch ein Substratmaterial mit einer SOI-Struktur ist schematisch in der anliegenden Fig. 1 dargestellt. Dabei ist auf einer Silizium-Basisschicht (Bulk-Si) eine Isolatorschicht I, hier beispielsweise eine 0,5 µm dicke SiO₂- Schicht, und auf dieser Isolatorschicht I eine hier beispielsweise ebenfalls 0,5 µm dicke, polykristalline Silizium-Oberflächenschicht S ausgebildet.
Die unter Verwendung von SOI-Substraten hergestellten integrierten Schaltungen (SOI-IC) zeigen gegenüber konventionellen ICs, d. h. auf monokristallinen Si-Substraten hergestellten ICs wegen geringerer parasitärer Kapazitäten höhere Signalgeschwindigkeiten und eine geringere Strahlungsempfindlichkeit. Bei CMOS-ICs kann bei erhöhter Integrationsdichte der sogenannte Latch-Up-Effekt vermieden werden.
Unter Anwendung der SOI-Technik können insbesondere auch dreidimensionale ICs (3D-ICs) gefertigt werden, wenn als Substrat für die kristallisierende Si-Schicht Wafer mit IC-Strukturen verwendet werden, die mit einer geeigneten Isolatorschicht versehen sind.
Bei dem aus der eingangs genannten Literaturstelle bekannten Verfahren wird eine einkristalline SOI-Schicht durch lokales Aufschmelzen von feinkristallinem Silizium-Material hergestellt. Das ist zum Beispiel auch aus Wirtschaftlichkeitsgründen interessant, wenn man berücksichtigt, daß nur ein geringer Teil der Oberfläche eines IC-Chips (etwa 15%) mit aktiven Bauelementen belegt ist und daher einkristallin sein muß.
Die Literaturstelle beschreibt die Rekristallisation von Si über einem Isolator mittels eines Laserstrahles, der zur Erzeugung eines Temperaturprofiles mit einem zentralen Minimum eine "Doughnut"-Form hat, das heißt dessen Intensitätsverteilung ringförmig ist. Das Minimum in der Temperaturverteilung hat zur Folge, daß im Zentrum des bestrahlten Bereiches eine einkristalline Rekristallisation erfolgt, da dort der polykristalline Rand des bestrahlten Bereiches keinen Einfluß auf die Kristallisation hat (vgl. J. Cryst. Growth 88, 1988, Seiten 383 bis 390, insbesondere den ersten Absatz der Seite 384).
Die eingangs genannte Literaturstelle enthält jedoch nur experimentelle Grundlagen, aber keine Einzelheiten über eine praktische und mit verhältnismäßig geringem Aufwand reproduzierbare Ausführung des beschriebenen Vorganges. So ist zwar angegeben, wie ein bestimmter Lasertyp (ein Ar-Laser mit 2 m langem Resonator) umzubauen ist, um einen Laserstrahl mit ringförmiger Intensitätsverteilung zu erhalten (statt einem 6-m-Spiegel ist ein 4-m-Spiegel zu verwenden); dabei ist jedoch nicht einmal bekannt, welche Schwingungsmode vorliegt. Auch ist nichts über die konkrete Form der Intensitäts- und damit Temperaturverteilung ausgesagt.
Aus der DE 36 20 300 A1 ist darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Dünnfilme bekannt, wobei jedoch trotz der Verwendung eines Laserstrahles mit zwei seitlichen Maxima eine Temperaturverteilung ohne zentrales Minimum, sondern mit einem zentralen Maximum angestrebt wird.
Aus der US 45 89 951 ist es bekannt, daß zur Erzeugung der "Donut"-Form bzw. der gewünschten Temperaturverteilung mit einem zentralen Minimum anstelle einer Änderung der Krümmung des Resonatorspiegels alternativ der Laserstrahl in der Form einer "Acht" bewegt, mittels Masken ein Keil abgebildet oder drei Strahlen überlagert werden können.
Die US 47 07 217 enthält eine Erläuterung der Erzeugung von einkristallinen dünnen Filmen durch einen keilförmigen Laserstrahl, der auf optischem Wege mittels Spiegeln usw. erzeugt wird.
Die JP 59-1 02 892 beschreibt eine optische Umformung des Laserstrahles durch eine Strahlformschaltung, um die gewünschte eingeschnürte Strahlform und damit das entsprechende Temperaturprofil zu erhalten.
Beim Gegenstand der bereits genannten Literaturstelle J. Cryst. Growth 88 wird der Laserstrahl wiederum durch Blenden optisch in die erforderliche Gestalt gebracht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorgehensweise anzugeben, mit der das aus der eingangs genannten Literaturstelle bekannte Prinzip mit geringem Aufwand und dabei doch als stabiler, reproduzierbarer Prozeß in die Praxis umgesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die im Patentanspruch 1 angegebene Vorgehensweise sichert mit einfachen Maßnahmen ein reproduzierbares Ergebnis: Die erste der im Kennzeichen des Patentanspruchs genannten Maßnahmen beinhaltet eine Optimierung der einzustrahlenden Leistung; und beide der genannten Maßnahmen dienen der Stabilisierung des Prozesses. Die Definition der lateralen Breite des unterkühlen Bereiches trägt dazu bei, daß das Kristallwachstum tatsächlich nur von einem Keim ausgeht. Die Anordnung des Polarisators und des 2/4- Plättchens bewirkt, daß kein Laserlicht von der Substratoberfläche in den Resonator zurückreflektiert wird. Ohne das 2/4- Plättchen könnte das Laserlicht sämtliche im Strahlengang befindlichen optischen Elemente auch rückwärts durchlaufen und wieder in den Laserresonator eintreten. Dies stellt effektiv jedoch eine Verlängerung des Resonantors dar, der dadurch sehr unstabil wird.
Gerade auf dem vorliegenden Gebiet der Mikroelektronik wird ein hohes Maß an Qualität verlangt, was voraussetzt, daß viele Details genau eingehalten werden. Ein stabiler, reproduzierbarer Prozeß, der wie bei der vorliegenden Erfindung mittels eines kostengünstigen Systemaufbaus z. B. mit einem Laser niedriger Leistung ermöglicht wird, kann etwa für eine Kleinserienproduktion ein wichtiger Faktor sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Die Intensitätsprofile eines Laserstrahles im TEM₀₁-Schwingungsmode bzw. bei Überlagerung von zwei TEM₀₀-Moden sind in der anliegenden Fig. 2 dargestellt. Darüber hinaus beträgt die Scangeschwindigkeit des intensitätsmodulierten Laserstrahls vorzugsweise 10 bis 500 mm/sek, der Strahldurchmesser (bei 1/e-Intensität) auf der Substratoberfläche 5 bis 20 µm.
Erfolgt die Kristallisation in einer mit Dotiergas gefüllten Kammer, kann die aufgeschmolzene Schicht während des Rekristallisationsvorganges gezielt dotiert werden. Bei der Dotierung von Silizium wird vorzugsweise Phosphin (PH₃) oder Arsin (AsH₃) zur Herstellung n-leitender Schichten und Diboran (B₂H₆) oder Bortrichlor (BCl₃) zur Herstellung p-leitender Schichten verwendet.
Mit dem beschriebenen Kristallisationsverfahren können neue techni­ sche Bauelemente auf dem Gebiet der Displaytechnik realisiert werden. Von Bedeutung ist dieses Verfahren weiterhin in der Optoelektronik, in der integrierten Optik sowie bei der Her­ stellung von integrierten Solarzellen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine SOI- Struktur (Silicon-On-Insulator);
Fig. 2 Intensitätsprofile eines Laserstrahls im TEM01-Schwingungsmode und bei Überlagerung von zwei TEM00- Schwingungsmoden;
Fig. 3 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem Ar-Laser zur selektiven Kristallisation nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren; und
Fig. 4a und 4b Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von rekristallisierten Polysilizium-Bereichen auf einer SOI- Struktur, die mit Laserstrahlen im TEM01-Schwingungsmode (a) bzw. im TEM01*-Schwingungsmode (b) erzielt wurden.
Der Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. 3 darge­ stellt. Entsprechend dieser Anordnung sind im Strahlengang ei­ nes Laserstrahls hintereinander ein Prisma 1, eine Laserröhre 2 zur Erzeugung des Laserstrahls (hier ein Ar-Laser), eine verstellbare Aperturblende 3, ein Auskoppelspiegel 4, eine elektro-optische Modulationseinrichtung mit einem ADP-Kristall 5 und einem dielektrischen Polarisator 6, ein λ/4-Plättchen 7, ein Objektiv 8 sowie der zu bestrahlende Wafer 9 angeordnet.
Durch Verstellen der - gewöhnlich innerhalb des Laser- Resonators angeordneten - Aperturblende 3 werden die erfin­ dungsgemäß gewünschten TEM01- oder TEM01*-Schwingungs­ moden bzw. die TEM00-Schwingungsmoden des Lasers stabil ein­ gestellt. Bei Auswahl von TEM00-Schwingungsmoden werden die­ se so überlagert, daß sich ein dem TEM01-Mode vergleichbares Intensitätsprofil des Laserstrahls ergibt.
Das λ/4-Plättchen 7 ist im Strahlengang angeordnet, um eine zeitlich konstante, d. h. nicht oszillierende Absorption der Laserstrahlung in der geschmolzenen bzw. zu schmelzenden Materialschicht zu erzielen. Der von der Oberfläche des Wafers 9 reflektierte Strahlanteil wird durch das λ/4-Plättchen 7 un­ terdrückt, da dieser reflektierte, zirkular polarisierte Strahlanteil beim Durchlaufen des λ/4-Plättchens 7 wieder linear polarisiert wird, wobei jedoch die Polarisationsrich­ tung senkrecht zur Polarisationsrichtung des einfallenden Laserstrahls ist. Der reflektierte Strahlanteil kann somit den dielektrischen Polarisator 6 nicht passieren und gelangt daher nicht zurück in den Laser-Resonator.
Der gewünschte Strahldurchmesser auf der Oberfläche des Wafers 9 wird über die Brennweite des Objektivs 8 eingestellt. In der in Fig. 3 dargestellten Anordnung findet beispiels­ weise ein Objektiv mit einer Brennweite f=25 mm Anwendung, mit dem ein Strahldurchmesser von 10 µm auf der Wafer-Ober­ fläche eingestellt wird.
Die Strahlbewegung auf dem Substrat 9 kann beispielsweise durch mechanisch bewegte Spiegel bzw. elektro-optische Ab­ lenkelemente oder auch durch die mechanische Verstellung eines x-y-Tisches erfolgen, auf dem der Wafer 9 angeordnet ist. Die­ se Elemente für die Ablenkung des Strahls auf der Substrat­ oberfläche sind in Fig. 3 nicht dargestellt. Die Steuerung der Strahlbewegung bzw. die Ansteuerung des x-y-Tisches sowie die Modulation der Lichtintensität erfolgt über einen Rechner.
In Fig. 4 ist eine selektiv kristallisierte Si-Schicht nach erfolgter Strukturätzung gezeigt, wie sie nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren mit der oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläuterten Vorrichtung erzielt wurde. Bei der Struk­ tur nach Fig. 4a wurde die Substratoberfläche von oben nach unten mit einem Laserstrahl mit einem TEM01-Profil, bei der Struktur nach Fig. 4b von unten nach oben mit einem Laser­ strahl mit einem TEM01*-Profil abgetastet. Der 1/e-Durch­ messer im Laser-Fokus betrug 10 µm bei einer Laserleistung von 2 Watt und einer Lichtwellenlänge von 488 nm. Kristallisiert wurde eine 0,5 µm dicke polykristalline Si-Schicht, die mit­ tels chemischer Schichtabscheidung (CVD) auf einem amorphen SiO2-Substrat hergestellt worden war.
In beiden Fig. 4a und 4b sind deutlich drei Phasen von verschiedenen Kristallstrukturen zu unterscheiden, die auf un­ terschiedliche Temperaturbereiche in der Schmelze bei der Kri­ stallisation zurückzuführen sind. Im Hintergrund erkennt man die typische feinkörnige Struktur des unmodifizierten CVD- Polysiliziums. In diesen Bereichen wurde beim Kristallisa­ tionsvorgang die Schmelztemperatur nicht erreicht. In den äu­ ßeren Bereichen der Schmelzspur nimmt die Korngröße zu, und es entsteht eine scharfe Abgrenzung zum CVD-Polysilizium. Die geometrische Form dieser Grenzflächenlinien zeigt exakt die Temperaturverteilung auf der Oberfläche im Bereich der abfal­ lenden Flanke des profilierten Laserstrahls. Der Innenbereich der Schmelzspur hat eine einkristalline Struktur und ist von Außenbereichen mit langen filigranen Kristalliten eingeschlos­ sen, die dem Temperaturgradienten in der Schmelze von der Au­ ßenseite zur Innenseite folgen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Kristallisation dünner Halbleiterschichten auf einem Substratmaterial (9) unter Verwendung einer Laser- Strahlungsquelle (2), wobei der Laserstrahl auf die Oberfläche des Substratmateriales (9) fokussiert wird und dadurch in dieser Schicht eine Schmelze mit einem Temperaturprofil erzeugt wird, das einen unterkühlten Bereich symmetrisch zu seinem Zentrum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
die lateralen Abmessungen des in der Schmelze erzeugten unterkühlten Bereiches das Drei- bis Fünffache der Dicke der aufgeschmolzenen Schicht betragen, und daß
hintereinander im Strahlengang des von der Laser-Strahlungsquelle erzeugten Strahls ein dielektrischer Polarisator (6) und ein 2/4-Plättchen (7) angeordnet sind, wobei durch das 2/4-Plättchen (7) der vom Substratmaterial (9) reflektierte Strahlanteil senkrecht zur Polariationsrichtung des dielektrischen Polarisators (6) linear polarisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Substratmateriales (9) im TEM₀₁- oder TEM₀₁*- Schwingungsmode des Laserstrahles erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Substratmaterials (9) mit einem Laserstrahl erfolgt, bei dem TEM00-Schwingungsmoden so überlagert werden, daß ein dem TEM01-Schwingungsmode vergleichbares Intensitätsprofil entsteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisation in einer mit Dotiergas gefüllten Kammer erfolgt.
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