Фотонно-стимулированные технологические процессы микро- и нанотехнологии

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 A.