Чтение онлайн

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].

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.