Фотонно-стимулированные технологические процессы микро- и нанотехнологии

Житяев Игорь

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.

При рекристаллизации такой структуры непрерывным сканирующим излучением аргонового лазера боковому росту монокристалла способствует более мягкие режимы тепловой обработки и наличие протяженного температурного поля. Это приводит к снижению дефектности рекристаллизованного слоя. Генерация дефектов во многом зависит от степени перекрытия лазерных лучей. Установлено, что при оптимальном режиме степень перекрытия должна быть более 40 %.