Страница 5 из 7
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 (λ=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 Å.
После легирования часть образцов отжигали при 1100 °С в течение 30 мин в среде сухого азота. Результаты отжига контрольных образцов сравнивались с образцами, подвергавшимися лазерному отжигу. С помощью просвечивающей электронной микроскопии было показано, что лазерный отжиг привел к увеличению размеров зерен от 500 Å до образования узких кристаллов размерами порядка 25×2 мкм. Каждое зерно не имело дефектов и доходило без разрывов до подложки Si3N4. Электрические измерения показали, что бор имел 100 %-ную активность и холловскую подвижность ~45 см2/В·с, что приближается к подвижности в монокристалле при той же концентрации носителей. Термический отжиг приводит к образованию структуры со средним размером зерен, равным 1000 Å, а его удельное сопротивление в 2,2 раза превышало удельное сопротивление материала, полученного при лазерном отжиге. Дополнительный лазерный отжиг термически отожженных образцов понижал удельное сопротивление до величины, которая приближалась к величине, полученной после одного только лазерного отжига.
Исследовалось также влияние режимов лазерного отжига на изменение удельного сопротивления поликристаллического кремния. В МОП ИС поликристаллический кремний обычно используется для формирования управляющих электродов и межсоединений. Поэтому для повышения быстродействия БИС такой материал должен иметь низкое удельное сопротвление. Пленки поликристаллического кремния толщиной 3500 Å получились разложением SiH4 при 550 °С. Эта пленка осаждалась на пленку SiO2. Диффузия фосфора проводилась при 1000 °С из POCl3, а мышьяка при 1100 °С из источника, установленного над поликристаллическим кремнием. Для сравнения с диффузионными образцами были изготовлены образцы, в которых легирование фосфором или мышьяком осуществлялось ионной имплантацией (D = 1016 см-2). Образцы облучались Nd: АИГ лазером (λ = 1,064 мкм). Частота повторения импульсов составляла 10 кГц, длительность импульса – 200 нс, диаметр пятна – 50 мкм, мощность – 1,7-2,6 Вт. Луч лазера был неподвижным. Сканирование осуществлялось столиком. Скорость перемещения 80 мм/с, расстояние между пятнами 8 мкм. После каждого сканирования луч лазера перемещался на 10 мкм. Этим удавалось снизить неоднородность температуры по диаметру пятна.
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 hν ≪ Eg. Например, аморфный кремний имеет α = 104 см-1, на длине волны λ=1,06 мкм, в то время как для монокристаллического α = 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 λ = 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 (λ = 0,694 мкм, τи= 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.