Фотонно-стимулированные технологические процессы микро- и нанотехнологии

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.