DD161196A3 - Verfahren zur herstellung kristalliner schichtstrukturen - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Herstellung kristalliner Schichtstrukturen ist besonders anwendbar in der Elektronik/Mikroelektronik, Optoelektronik, integrierten Optik, Optik und Hartstoffschichttechnik. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, ein Verfahren bereitzustellen, dass die Umwandlung von amorphen Schichten in grossflaechig kristalline Schichtstrukturen mit einer hohen Perfektion der kristallinen Struktur, der Orientierung zur Substratoberflaeche und Oberflaechenmorphologie bei geringen Temperaturbelastungen des Substrats moeglich ist und die Vielfalt der Schicht-/Substratmaterialkombinationen zu erhoehen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem die Umwandlung der amorphen oder polykristallinen Schicht, die auf einer durch uebliche Verfahren reliefartig strukturierten Substratoberflaeche abgeschieden wurde, durch elektromagnetische Strahlung, die aus mindestens zwei kohaerenten Wellen verschiedener Frequenz, z. B. Laser, besteht oder inkohaerent ist oder durch Teilchenstrahlung erfolgt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorgeschlagene Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von kristallinen Schichtstrukturen auf reliefartig strukturierten Substratoberflächen. Eine Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens ist auf allen Gebieten der Schichttechnik möglich und zweckmäßig, wo der Einsatz von kristallinen Schichtstrukturen vorteilhafte technische Lösungen bietet, z.B. in der Elektronik/ Mikroelektronik, Optoelektronik, integrierten Optik, Optik und Hartstoffschichttechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die direkte Abscheidung von einkristallinen Schichten auf kostengünstigen amorphen Substraten mit glatten Oberflächen konnte sich wegen der schweren technologischen Beherrschbarkeit für kommerzielle Zwecke bisher nicht durchsetzen (J.D. Filby, S. Nielson, Journal of the Electrochemical Society, 112 [1965] 5353).

Bekannte ,Verfahren beziehen sich auf die Umwandlung von amorphen bzw. polykristallinen Schichten auf glatten, amorphen Substraten in einkristalline Schichten durch Laserkristallisation (DE-OS 2837750). Mit diesem Verfahren ist es jedoch außerordentlich kompliziert, großflächige, defektfreie/einheitlich kristallografisch orientierte, einkristalline Schichten zu erzeugen. Außerdem wird die kristallografische Orientierung von einkristallinen Schichtbereichen auf glatten, amorphen Substraten außer von den Schichtherstellungs- und Umwandlungsbedingungen hauptsächlich durch die ^! Grenzflächenbedingungen (Minimum der freien Grenzflächenenergie) der Schicht/Substratkombination bestimmt, was.die freie Wählbarkeit der Schichtorientierung stark einschränkt.

Zur Herstellung von einkristallinen Schichten auf amorphen Substraten sind Verfahren bekannt geworden, bei denen die kristailografische Orientierung der Schicht durch eine reliefartig strukturierte Substratoberfläche (z. B. Gitter mit definierten Querschnittsprofilen) bestimmt wird.

Eines dieser Verfahren beruht auf der Umwandlung von amorphen Siiiziumschichten auf oberflächenstrukturierten SiO₂ ¹ Substraten in eine einkristalline Silizium-Schicht durch einen mehrmaligen cw-Argon-Laserscan der umzuwandelnden Schichtbereiche (M.W.Geis, D.C.Flanders, H.I.Smith, Appl. Phys. Lett., 35 [1979] 71). Untersuchungen zur Perfektion der nach diesem Verfahren hergestellten Schichten haben jedoch gezeigt, daß diese Schichten nach dem Kristallisationsprozeß aus kristallinen Blockstrukturen bestehen, die einen weiten Bereich der kristallografischen Orientierung der einzelnen Blöcke bezüglich der oberflächenreliefstruktur des Substrates, eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit und Mikrorisse aufwiesen. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, daß der Laserstrahl nicht den gesamten zu kristallisierenden Bereich erfaßt, sondern mit Spotüberiappung über die Schicht geführt werden muß.

Bei einem weiteren Verfahren erfolgt die Umwandlung der Schicht durch Temperung (M.W.Geis u.a,,Appi. Phys. Lett, 37 [1980] 454). Dabei wird die Probe (amorphe Siliziumschicht auf oberflächenstrukturiertem SiO₂/Si-Substfat) mit Hilfe eines Graphitheizers auf eine gewisse, noch keine Umwandlung hervorrufende Temperatur gebracht. Die Kristallisation der Schicht erfolgt durch die Temperaturstrahlung eines zweiten, über der Schicht angeordneten Graphitheizers. Die so kristallisierten Schichten besitzen zwar im Vergleich zur Laserkristallisation größere Blockstrukturen (bis zu einigen Millimetern) und eine bessere Orientierung der Blöcke bezüglich des Oberflächenreliefs, zeigen aber jedoch nach der Kristallisation beträchtliche lokale Schichtdickenschwankungen (mehr als 100nm). Schichten ohne Mikrorisse können nach dem angegebenen Verfahren nur auf thermisch oxidierten Siliziumsubstraten hergestellt werden, da bei der notwendigen * Erwärmung auf relativ hohe Prozeßtemperaturen die thermische Ausdehnung des Schicht- und Substratmaterials eine entscheidende Rolle spielt. Ein weiterer Nachteil der Anwendung hoher Prozeßtemperaturen, die nahe am Schmelzpunkt des SiO₂ liegen (ca. 1 200°C), besteht in der dabei auftretenden Degradation der Geometrie der Oberflächenreliefprofile des SiO₂, was einen nachteiligen Einfluß auf die Orientierung der Schicht zur Folge hat. Außerdem erweist sich die Kristallisation mittels hinsichtlich der Erzfillfllinn hnmnnpnpr Tprmneratnrvortoiliinnon ίηΐΛΐίο hlnciohtllr.!-! ainai- mnm^LiioAimn

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, unter Vermeidung der bereits genannten Mangel bekannter technischer Lösungen ein Verfahren zur Herstellung von kristallinen Schichtstrukturen auf reliefartig strukturierten Substratoberflächen vorzuschlagen, das sich durch eine erweiterte Anwendbarkeit auf mögliche Schicht/Substratkombinationen, durch eine Verbesserung der Schichteigenschaften und durch eine vereinfachte und reproduzierbare Gestaltung der Prozeßführung bezüglich bekannter technischer Lösungen auszeichnet. Ein weiteres Ziel besteht in der Ausnutzung verfahrensspezifischer Ausgestaltungsmöglichkeiten bei der technischen Applikation der Schichten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von kristallinen Schichtstrukturen vorzuschlagen, bei' dem eine auf einer reliefartig strukturierten Substratoberfläche in amorpher oder polykristalliner Form abgeschiedenen Schicht in eine einkristalline Schicht umgewandelt wird, wobei die strukturierte Substratoberfläche die kristallografische Orientierung der Schicht bestimmt. Das Verfahren soll so gestaltet sein, daß die Umwandlung von amorphen Schichten in großflächig kristalline Schichtstrukturen mit einer hohen Perfektion der kristallinen Struktur, der Orientierung zur Substratoberfläche und der Oberflächenmorphologie bei geringen Temperaturbelastungen des Substrates möglich ist, so daß das Verfahren auf eine größere Vielfalt möglicher Schicht/Substratmateriaikombinationen anwendbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Umwandlung der amorphen oder polykristallinen Schicht, die auf einer durch übliche Verfahren reliefartig strukturierten Substratoberfläche abgeschieden wurde, durch elektromagnetische Strahlung, die aus mindestens zwei kohärenten Wellen verschiedener Frequenz besteht oder inkohärent ist, oder durch

Teilchenstrahlung. ' ' .

Durch die Bestrahlung wird die amorphe Schicht auf der reliefartig strukturierten Oberfläche in eine kristalline Schichtstruktur umgewandelt. Wenn nur bestimmte Bereiche der Substratoberfläche strukturiert werden, erfolgt die kristalline Umwandlung

nur in diesen Bereichen..

Die gleichzeitige Bestrahlung der Schicht mit intensivem, kohärentem Licht mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen bietet die Möglichkeit der selektiven Anregung von mindestens zwei, besonders durch ihr gleichzeitiges Wirken für die Umwandlung energetisch günstigen Prozessen. Bei der Anwendung elektromagnetischer Strahlung mit mindestens zwei kohärenten Weilen verschiedener Frequenz wird beispielsweise Laserstrahlung eingesetzt. Von Vorteil erweist sich bei der inkohärenten elektromagnetischen Strahlung die Anwendung polychromatischer Lichtquellen wie z.B. Blitzlampen, wobei die

günstige Bestrahlungsdauer zwischen einer Millisekunde und zwanzig Sekunden liegt. \ . - .

Eine weitere Lösungsmöglichkeit der Aufgabe besteht in der Anregung der Umwandlung der Schicht durch eine intensive Bestrahlung mit Teilchen, yorteilhafterweise lassen sich hierzu energetische Elektronen und/oder Ionen benutzen. Bei der Anwendung von Ionen ist es möglich, diese zur Dotierung der kristallinen Schicht zu benutzen.

Insbesondere bei der inkohärenten Bestrahlung als auch bei der Teilchenbestrahlung ist es zweckmäßig, den gesamten umzuwandelnden Bereich gleichzeitig zu bestrahlen und somit die Anwendung komplizierter Scanyorrichtungen zu

vermeiden. ' . ,

Bei einer Applikation der nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten kristallinen Schichtstrukturen für beispielsweise gegenseitig isolierte Halbleiterbauelemente lassen sich die Unterschiede der elektrischen, Eigenschaften von nicht umgewandelten, d.h. amorphen oder polykristallinen Bereichen und umgewandelten, d.h. kristallinen Bereichen vorteilhaft ausnutzen. Dazu ist es jedoch notwendig, die Bestrahlung so durchzuführen, daß nur die umzuwandelnden Bereiche erfaßt werden, und die Bestrahlung der nicht umzuwandelnden Schichtbereiche durch geeignete Blenden, Masken o.a. vermieden

wird. , . . :. '

Unter Berücksichtigung des Absorptionsverhaltens der Schicht- und Substratmaterialien ist es günstig, die Strahlung direkt

auf die Schicht zu führen und/oder durch das Substrat zu bestrahlen. ' .

Wenn die amorphe oder polykristalline Schicht aus verschiedenen Materialien, die nebeneinander angeordnet sind, besteht, ist es möglich, definierte kristalline Bereiche verschiedener Materialien zu erzeugen.

Bei Anwendung des Verfahrens ist die Herstellung mehretagiger Strukturen möglich. Dabei wird entweder vor der wiederholten Anwendung des Verfahrens auf eine bereits umgewandelte Schicht eine weitere, nicht umzuwandelnde Schicht aufgebracht, auf deren Oberfläche mit Hilfe bekannter Strukturierungsverfahren reliefartig strukturiert wird. Auf dieses Oberflächenrelief wird dann eine weitere, umzuwandelnde Schicht in amorpher bzw. polykristailiner Form aufgebracht und' mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kristallisiert. Oder es werden nacheinander nicht umzuwandelnde Schichten, deren Oberflächen reliefartig strukturiert werden, und umzuwandelnde Schichten aufgebracht, und es wird durch eine einmalige Bestrahlung die Umwandlung bewirkt.

Die amorphen oder polykristallinen Schichten bestehen, wenn Halbleiterschaltungselemente erzeugt werden, aus Halbleitermaterialien und.die Zwischenschichten aus Dielektrika.

Sonst bestehen in Abhängigkeit vom Verwendungszweck dieamorphen oder polykristallinen Schichten aus Metallen, Halbleitern oder organischen Leitern und die Zwischenschichten aus Metallen, Dielektrika oder Halbleitern.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Ein Substrat aus SiO₂ erhält durch Anwendung der Photolithographie eine reliefartig strukturierte Oberfläche. Auf diese Substratoberfläche wird eine 150nm dicke amorphe Siliziumschicht durch Zerstäubung aufgebracht.

Diese Schicht wird 10 ms lang mit einer Xenonblitzlampe, die eine Strahlungsintensität von 70 bis 120 Joule/cm² besitzt,' bestrahlt.

Dadurch werden die umzuwandelnden Bereiche der amorphen Siliziumschicht in kristalline Schichtstrukturen umgewandelt.

Durch zusätzliche Anwendung einer Maske wird erreicht, daß nur definierte Bereiche kristallin Werden.

Eine in gleicher Weise aufgebrachte amorphe Siliziumschicht wird in eine kristalline umgewandelt, wenn sie As-Ionen mit einer Energie von lOOkeV ausgesetzt wird. In den entstandenen kristallinen Schichtstrukturen werden Halbleiterbauelemente

erzeugt. ' '. ' ' . ' . "' "'^: ''' '"'^: '-.' ^! ':'

Wird auf die umgewandelte Siliziumschicht wieder SiO₂ aufgebracht und strukturiert, ist es möglich, eine weitere Siliziumschfcht umzuwandeln. Dieser Vorgang ist wiederholbar, so daß Halbleiterbauelemente nicht nur in der Fläche, sondern auch übereinander herstellbar sind. Wenn das strukturierte SiO₂ mit η-Silizium und p-Silizium nebeneinander beschichtet wird, erfolgt die Umwandlung in kristallines η-Silizium und p-Silizium, wenn die Bestrahlung durch zwei synchrone Gaslaser mit einer Leistung von je 10W und einer Impulsdauer von 100 ns durchgeführt wird.

Es ist auch möglich, eine Silizium-Schicht in den Vertiefungen der reliefartig strukturierten SiO₂-Oberfläche unterschiedlich zu dotieren, z. 8. η-Silizium mit Bor oder p-Silizium mit Antimon. Eine weitere Anwendung besteht darin, daß eine oxidierte Siliziurnschicht mit einer Dicke von 600 nm mittels Elektronenstrahllithographie reliefartig strukturiert wird und anschließend zuerst eine amorphe 150nm dicke p-dotierte Siliziumschicht und dann eine amorphe 150nm dicke η-dotierte Siliziumschicht , aufgebracht werden. Dieses Schichtsystem wird 5 ms lang mit der Xenonblitzlampe bestrahlt, und es entstehen Halbleiterbauelemente.

Claims (11)

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   Erfindungsansprüche:

   1. Verfahren zur Herstellung kristalliner Schichtstrukturen mittels Umwandlung einer-durch übliche Verfahren auf reliefartig strukturierten Substratoberflächen abgeschiedenen amorphen oder polykristallinen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht elektromagnetischer Strahlung, die aus mindestens zwei kohärenten Wellen verschiedener Frequenz besteht oder inkohärent ist, oder einer Teilchenstrahlung ausgesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mindestens zwei kohärente Wellen verschiedener Frequenz umfassende elektromagnetische Strahlung vorzugsweise die Strahlung von Lasern verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inkohärente elektromagnetische Strahlung vorzugsweise polychromatische Lichtquellen mit einer Strahlüngsdauer von einer Millisekunde bis 20 Sekunden benutzt werden.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilchenstrahlung beschleunigte Elektronen und/oder Ionen benutzt werden.
5. 5. Verfahren nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Teilchenstrahlung benutzten Ionen zur Dotierung der Schicht verwendet werden. .
6. 6. Verfahren nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß definierte Bereiche der Schicht der elektromagnetischen oder Teilchenstrahlung ausgesetzt werden. ,
7. 7. Verfahren nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der Schichtoberflächen und/oder substratseitig erfolgt.
8. 8. Verfahren nach Punkt 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe oder polykristalline Schicht aus unterschiedlichen Materialien besteht, die nebeneinander angeordnet sind.
9. 9. Verfahren nach Punkt 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß amorphe oder polykristalline Schichten verschiedener Materalien ohne Zwischenschicht übereinander angeordnet und durch eine reliefartig strukturierte Zwischenschicht getrennt sind und daß die elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung vor jeder Zwischenschichtauftragung ' oder nach dem Aufbringen der letzten Schicht erfolgt.
10. 10. Verfahren nach Punkt 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphen öder polykristallinen Schichten vorzugsweise aus Halbleitermaterialien und die Zwischenschichten aus Dielektrika bestehen und in den kristallinen Bereichen Halbleiterelemente erzeugt werden. . ' . '
11. 11. Verfahren'nach Punkt! bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphen oder polykristallinen Schichten aus Metallen, Halbleitern oder organischen Leitern und die Zwischenschichten aus Metallen, Dielektrika oder Halbleitern bestehen.