DD235008A3

DD235008A3 - METHOD FOR CRYSTALLIZING OR RE-CRYSTALLIZING SEMICONDUCTOR LAYERS

Info

Publication number: DD235008A3
Application number: DD24367682A
Authority: DD
Inventors: Frank Kudella; Helmut Hess; Thomas Finn; Eckhard Maetzke; Manfred Wirsig; Hans-Joachim Schreck; Hartmut Kerkow
Original assignee: Werk Fernsehelektronik Veb
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1982-09-30
Publication date: 1986-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kristallisation oder Rekristallisation von durch Ionenimplantation geschaedigten Halbleiterschichten und die Erzeugung von Kristallinen oder besser kristallinen Schichten aus amorphen oder polykristallinen Halbleiterschichten auf elektrisch leitenden oder isolierenden Unterlagen einkristalliner, polykristalliner oder amorpher Struktur. Ziel der Erfindung ist es, die Schaffung dieses Kristallisations- oder Rekristallisationsverfahrens und desweiteren eine gut reproduzierbare, lateral homogene Bearbeitung der zu behandelnden Proben zu sichern. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass das zu rekristallisierende Material der Wirkung des heissen Gases oder Plasmas ausgesetzt wird, das durch schnelle mechanische Kompression erzeugt wird. Die Erfindung findet Anwendung in der Technologie der Mikroelektronik. Fig. 1The invention relates to a process for the crystallization or recrystallization of semiconductor layers damaged by ion implantation and to the production of crystalline or better crystalline layers of amorphous or polycrystalline semiconductor layers on electrically conductive or insulating substrates of monocrystalline, polycrystalline or amorphous structure. The aim of the invention is to ensure the creation of this crystallization or recrystallization process and furthermore a well reproducible, laterally homogeneous processing of the samples to be treated. According to the invention, the object is achieved by exposing the material to be recrystallized to the action of the hot gas or plasma produced by rapid mechanical compression. The invention finds application in the technology of microelectronics. Fig. 1

Description

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Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kristallisation oder Rekristallisation von gestörten, beispielsweise von durch Ionenimplantation strahlengeschädigten Halbleiterschichten.The invention relates to a process for the crystallization or recrystallization of disturbed, for example, by ion implantation radiation-damaged semiconductor layers.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Erzeugung von Kristallinen oder besser kristallinen Schichten aus amorphen oder polykristallinen Halbleiterschichten auf elektrisch leitenden oder isolierenden Unterlagen einkristalliner, polykristalliner oder amorpher Struktur. Die Erfindung findet Anwendung in der Technologie der Mikroelektronik, speziell die Technologie von Solarzellen, die SOS-Technik, die Graphoepitaxie und die Behandlung von Polysiliziumschichten in der Technologie integrierter Schaltkreise.The invention further relates to the production of crystalline or better crystalline layers of amorphous or polycrystalline semiconductor layers on electrically conductive or insulating substrates of monocrystalline, polycrystalline or amorphous structure. The invention finds application in the technology of microelectronics, especially the technology of solar cells, the SOS technology, the graphite epitaxy and the treatment of polysilicon layers in integrated circuit technology.

Characteristic of the known technical solutions

Voraussetzung für die Anwendung der Ionenimplantation als Dotierungstechnologie in der Mikroelektronik ist die Ausheilung der durch den lonenbeschuß im Halbleitermaterial erzeugten Strahlenschäden. Weiterhin schließen moderne Technologien zunehmend die Umwandlung von amorphen Halbleiterschichten oder Schichten geringer Kristallinität in Schichten mit größeren Kristalliten oder bessere KristalIperfektion mit einThe prerequisite for the use of ion implantation as doping technology in microelectronics is the annealing of the radiation damage caused by the ion bombardment in the semiconductor material. Furthermore, modern technologies are increasingly involving the conversion of amorphous semiconductor layers or low crystallinity layers into larger crystallite layers or better crystal imperfection

Hierzu sind folgende Verfahren bekannt (Semiconductor Int. Vol.4 (1981) Nr. 11, S.69-88 und S.93-112): For this purpose, the following methods are known (Semiconductor International Vol.4 (1981) No. 11, pp. 69-88 and pp. 93-112):

— thermische Behandlung in Öfen- thermal treatment in ovens

— Bestrahlung mit intensiven Licht aus Halogen-oder Entladungslampen- Irradiation with intense light from halogen or discharge lamps

— Einstrahlung von Wärme aus Graphitheizern- Injection of heat from graphite heaters

— Bestrahlung mit Licht aus Hochleistungsblitzlampen- Irradiation with light from high-power flash lamps

— Bestrahlung mit Elektronenstrahlen hoher Leistungsdichte- Irradiation with electron beams of high power density

— Bestrahlung mit intensiven Laserlicht- Irradiation with intense laser light

Diese Verfahren gestalten bekanntlich bei geeigneter Wahl der Prozeßparameter eine mehr oder weniger gute Ausheilung von impiantationsbedingten Strahlenschäden. Für spezielle Anwendungen ist eine Veränderung der Tiefenverteilung von implantierten Atomen während des Ausheilprozesses unerwünscht. Sie tritt bei den für die Ausheilung erforderlichen Temperaturen auf, wenn die Bearbeitungszeit einige Sekunden überschreitet. Diese Umverteilung tritt insbesondere bei der Ausheilung im Ofen auf, aber auch in geringem Maße bei der Ausheilung mit Graphitheizern, oder bei Verwendung von Halogen- und Entladungslampen. Die Umverteilung des Implantationsprofils läßt sich nur bei sehr kurzzeitigen Ausheilprozessen vermeiden, die bei Verwendung von Blitzlampen, Hochleistungslasem oder Elektronenstrahlen auftreten. Wesentlich ist, daß die intensive Bestrahlung der auszuheilenden Probe auf wenige Millisekunden beschränkt bleibt. Nachteilig an Blitz-und Entladungslampen ist ihre geringe Lebensdauer und Alterung. So wird bereits nach kurzer Betriebsdauer ein Bedampfen der Lampenwände mit Elektrodenmaterial beobachtet, was zu einer veränderten Transmission durch die Lampenwandung führt. An der Verwendung von Laser- und Elektronenstrahlen zur Ausheilung ist nachteilig, daß sich über größere Strahlungsquerschnitte keine homogene Intensitätsverteilung erzielen läßt. Werden feinfokussierte Laser- oder Elektronenstrahlen eingesetzt, so kommt es in zur Auftreffstelle des Strahls benachbarten Gebieten bereits zu einer beträchtlichen Erwärmung, was zu Veränderungen in der zu bestrahlenden Schicht, z. B. im Falle von implantierten Schichten zu Bereichen mit unvollständig ausgeheilten Strahlenschäden führt, die sich bei nachfolgender direkter Bestrahlung nicht mehr beseitigen lassen.These methods are known to make, with a suitable choice of the process parameters, a more or less good healing of radiation damage caused by implantation. For specific applications, changing the depth distribution of implanted atoms during the annealing process is undesirable. It occurs at the temperatures required for annealing when the processing time exceeds a few seconds. This redistribution occurs especially in the annealing in the oven, but also to a lesser extent in the annealing with graphite heaters, or when using halogen and discharge lamps. The redistribution of the implant profile can only be avoided in the case of very short-term annealing processes which occur when using flash lamps, high-power lasers or electron beams. It is essential that the intensive irradiation of the sample to be healed remains limited to a few milliseconds. A disadvantage of flash and discharge lamps is their short life and aging. Thus, after a short period of operation, vapor deposition of the lamp walls with electrode material is observed, which leads to an altered transmission through the lamp wall. It is disadvantageous in the use of laser and electron beams for the annealing that it is not possible to achieve a homogeneous intensity distribution over larger radiation cross sections. If finely focused laser or electron beams are used, then considerable heating occurs in areas adjacent to the point of impact of the beam, which leads to changes in the layer to be irradiated, for example, in the area of the beam. B. leads in the case of implanted layers to areas with incompletely healed radiation damage that can not be eliminated in subsequent direct irradiation.

Andere Anwendungen beinhalten ein kurzzeitiges Aufschmelzen der Halbleiteroberfläche bis in Tiefen von einigen μπ\. Hierzu werden bekanntlich Hochleistungslaser und Elektronenkanonen verwendet. Die Bestrahlung erfolgt zumeist in Impulsen mit einer Dauer kleiner 1 μβ. Im Falle ionenimplantierter einkristallinen Halbleitermaterialien wird zumeist eine außerordentlich gute Ausheilung der Strahlenschäden beobachtet. In der flüssigen Phase tritt eine drastische Umverteilung von Fremdatomen auf. Die entstehenden Fremdatomprofile werden durch komplizierte Diffusions- und Segretationsphänomene bestimmt.Other applications include a brief melting of the semiconductor surface down to a depth of a few μπ \. For this purpose, high power lasers and electron guns are known to be used. The irradiation is usually in pulses with a duration less than 1 μβ. In the case of ion-implanted monocrystalline semiconductor materials, an extremely good healing of the radiation damage is usually observed. In the liquid phase occurs a drastic redistribution of impurities. The resulting impurity profiles are determined by complicated diffusion and segregation phenomena.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es ein Verfahren zur Kristallisation oder Rekristallisation von strahlengeschädigten ionenimplantierten Halbleiterschichten oder zur Erzeugung kristalliner Schichten aus amorphen Schichten oder zur weiteren Kristallisation von polykristallinen Schichten, zu schaffen. Die Unterlagen dieserSchichten können einkristallin, polykristallin oder amorph sein. Weiterhin soll eine über Flächenbereiche in der Größenordnung von 1 bis zu einigen 10cm² gut reproduzierbare, lateral homogene Bearbeitung der zu behandelnden Proben erreicht werden. Durch eine hohe Variationsbreite der Verfahrensparameter ist die Anwendbarkeit des Verfahrens auf verschiedenste Materialien zu sichern.The aim of the invention is to provide a process for the crystallization or recrystallization of radiation-damaged ion-implanted semiconductor layers or for the production of crystalline layers of amorphous layers or for the further crystallization of polycrystalline layers. The underlays of these layers may be monocrystalline, polycrystalline or amorphous. Furthermore, a surface area of the order of magnitude of 1 to a few 10 cm ^{2 should} be reproducible, laterally homogeneous processing of the samples to be treated can be achieved. Due to a high variation of the process parameters, the applicability of the process to various materials must be ensured.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Kristallisation oder Rekristallisation von strahlengeschädigten ionenimplantierten Haibleiterschichten oder zur Erzeugung kristalliner Schichten aus amorphen Schichten oder zur weiteren Kristallisation von polykristallinen Schichten, zu entwickeln.The object of the invention is to develop a process for the crystallization or recrystallization of radiation-damaged ion-implanted semiconductor layers or for the production of crystalline layers from amorphous layers or for the further crystallization of polycrystalline layers.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kristallisation oder Rekristallisation durch Einwirkung von Strahlungs-, Wärme- und Druckimpulsen, die durch schnelle mechanische Kompression eines Gases erzeugt werden, auf die zu kristallisierende oder zu rekristallisierende Halbleiterschicht vollzogen wird. Zur Kompression des Gases wird keine Kolben-Zylinder-Anordnung, beispielsweise mit Kurbelwellenantrieb oder ein ballistischer Kompressor benutzt. Bei entsprechender Auslegung des Kompressors und der Ausgangsparameter, wie Anfangsdruck des Arbeitsgases und auf den Kolben übertragene Energiemenge, entsteht bei Kompression ein stark strahlendes, dichtes Plasma.According to the invention the object is achieved in that the crystallization or recrystallization by the action of radiation, heat and pressure pulses, which are generated by rapid mechanical compression of a gas, is carried out on the semiconductor layer to be crystallized or recrystallized. For the compression of the gas, no piston-cylinder arrangement is used, for example with a crankshaft drive or a ballistic compressor. With appropriate design of the compressor and the output parameters, such as the initial pressure of the working gas and the amount of energy transferred to the piston, a strong, dense plasma is created during compression.

Bei ausreichend hoher Plasmadichte entsteht Plancksche Schwarzkörperstrahlung. Die Intensität und die Wellenlänge des Intensitätsmaximums können über die Parameter der Kompression eingestellt werden.At sufficiently high plasma density, Planck's blackbody radiation is generated. The intensity and the wavelength of the intensity maximum can be adjusted via the parameters of the compression.

Durch Variation der Rohrlänge des Kompressors, der Kolbenenergie und des Anfangsdruckes des Arbeitsgases lassen sich Druck-, Strahlungs- und Wärmeimpulse in einem weiten Parameterbereich steuern. Prinzipiell sind Drücke bis oberhalb 1 GPa und Temperaturen bis etwa 2000OK erreichbar. Die Halbwertszeiten der Druckimpulse werden im Bereich von etwa 10/ns bis zu einigen ms variiert. Die mechanische Kompression des Arbeitsgases mit ballistischen Kompressor gewährleistet ein außerordentlich homogenes Plasma. Der Durchmesser der Strahlungsquelle entspricht dem Durchmesser des Kolbens. Bei geeigneter Auslegung des Kompressors können Flächen von einigen 10cm² gleichzeitig homogen bestrahlt werden. Von entscheidendem Einfluß auf die Wirkung des Plasmaimpulses auf das Bestrahlungsergebnis sind die Energiedichte und Dauer des Plasmaimpulses. Verteilt sich während des Plasmaimpulses die von der bestrahlten Probe aufgenommene Energie über die gesamte Dicke der genannten Probe, so erfolgt eine Rekristallisation implantierter strahlengeschädigter Schichten, oder die Kristallisation von amorphen oder polykristallinen Schichten nur in der festen Phase.By varying the pipe length of the compressor, the piston energy and the initial pressure of the working gas pressure, radiation and heat pulses can be controlled in a wide range of parameters. In principle, pressures above 1 GPa and temperatures up to about 2000OK can be achieved. The half-lives of the pressure pulses are varied in the range of about 10 / ns to a few ms. The mechanical compression of the working gas with ballistic compressor ensures an extremely homogeneous plasma. The diameter of the radiation source corresponds to the diameter of the piston. With a suitable design of the compressor surfaces of some 10cm ² can be homogeneously irradiated simultaneously. Of decisive influence on the effect of the plasma pulse on the irradiation result are the energy density and duration of the plasma pulse. If, during the plasma pulse, the energy absorbed by the irradiated sample spreads over the entire thickness of said sample, recrystallization of implanted radiation-damaged layers or the crystallization of amorphous or polycrystalline layers takes place only in the solid phase.

Für die Bearbeitung im Festphasenregime ist die Probe vorzugsweise mit schlechtem Wärmekontakt auf dem Halter anzubringen. Werden lateral strukturierte Mehrfachschichten auf Substraten bearbeitet, ist es zweckmäßig nicht die strukturierte Schichtfolge, sondern die nach Möglichkeit unstrukturierte Substratseite dem Plasma zuzuwenden. Der wirksame Wärmeimpuls auf die Schichtfolge hat zumeist eine Dauer von einigen 10 ms. Diese Zeit ist ausreichend kurz, um Änderungen von Dotierungsund anderen Fremdatomprofilen weitgehend zu vermeiden.For processing in the solid state regime, the sample should preferably be mounted on the holder with poor thermal contact. If laterally structured multilayers are processed on substrates, it is expedient not to turn the structured layer sequence, but rather the possibly unstructured substrate side to the plasma. The effective heat pulse on the layer sequence usually has a duration of a few 10 ms. This time is short enough to largely avoid changes in doping and other impurity profiles.

Ist die Dauer einer intensiven Kompression so kurz, daß sich die von der dem Plasma zugewandten Oberfläche aufgenommenen Energie während des Plasmaimpulses nicht mehr über die gesamte Dicke der bestrahlten Probe verteilt, sondern sich nur in einer dünnen Oberflächenschicht befindet, wird diese Schicht aufgeschmolzen.If the duration of intensive compression is so short that the energy absorbed by the surface facing the plasma is no longer distributed over the entire thickness of the irradiated sample during the plasma pulse, but is only in a thin surface layer, this layer is melted.

In der Regel liegen die hierfür nötigen impulsdauer unterhalb von einigen 100^s. Durch Variation von Kolbenenergie und Anfangsdruck der Kompression wird die Aufschmelztiefe variiert.As a rule, the pulse duration required for this is below a few 100 s. By varying the piston energy and the initial compression pressure, the melting depth is varied.

Charakteristisch für dieses Flüssigphasenregime ist gute Kristallperfektion und vielfach auch Überlöslichkeiten für Fremdatome. Dotierungs- und Fremdatomprofile werden durch Diffusion in der flüssigen Phase und Segregationsphänomene an der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase zumeist drastisch verändert.Characteristic of this liquid phase regime is good crystal perfection and in many cases also excess solubility for foreign atoms. Doping and impurity profiles are usually drastically altered by diffusion in the liquid phase and segregation phenomena at the interface between the liquid and solid phases.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in der homogenen und gleichzeitigen Bearbeitung großer Flächen und der guten Steuerbarkeit und Reproduzierbarkeit der Prozeßparameter. Im Unterschied zu den bekannten Verfahren für den gleichen Einsatzzweck erfolgt die Kristallisation oder Rekristallisation von Halbleiterschichten durch gleichzeitige Energieübertragung auf die zu bearbeitende Probe durch Druck- und Strahlungsimpulse, sowie durch Wärmeleitung. Jedoch werden auch die Druck- und Wärmeleitungskomponente des Impulses von der genannten Probe ferngehalten, wenn die Probe außerhalb des Kompressionsraumes vor einem Strahlungsaustrittsfenster gehaltert wird.The advantages of the method according to the invention consist in the homogeneous and simultaneous processing of large areas and the good controllability and reproducibility of the process parameters. In contrast to the known processes for the same purpose, the crystallization or recrystallization of semiconductor layers by simultaneous energy transfer to the sample to be processed by pressure and radiation pulses, as well as by heat conduction takes place. However, the pressure and heat conduction components of the pulse are also kept away from said sample when the sample is held outside the compression space in front of a radiation exit window.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend am Beispiel der Flüssigphasenausheilung von arsenimplantierten Silizium beschrieben werden.The invention will be described below using the example of the liquid phase annealing of arsenic-implanted silicon.

Eine mit einer lonendosis von 1 χ 10¹⁵ At/cm² Arsen mit einer Energie von 150 KeV implantierte einkristalline p-leitende Siliziumscheibe wird in einem ballistischen Kompressor auf der Innenfläche des Verschlusses befestigt.A monocrystalline p-type silicon wafer implanted with an ion dose of 1 × 10 ¹⁵ At / cm ² arsenic with an energy of 150 KeV is fixed in a ballistic compressor on the inner surface of the closure.

Mit Argon als Arbeitsgas wird eine ballistische Kompression ausgeführt, wobei ein Maximaldruck von 125MPa und eine Impulshalbwertsbreite von 120/^s erreicht werden. Die Wellenlänge des Intensitätsmaximum der Strahlung beträgt 405 mm.With argon as working gas, a ballistic compression is carried out, with a maximum pressure of 125 MPa and a pulse width of half maximum of 120 / ^ s are achieved. The wavelength of the intensity maximum of the radiation is 405 mm.

Fig. 1 zeigt das implantierte Arsenprofil {Kurve 1) und das Arsenprofil nach der ballistischen Kompression (Kurve 2). Die Umverteilung des implantierten Arsens ist auf ein Aufschmelzen der bestrahlten Probenoberfläche bis in Tiefen von ca. 2,5,um zurückzuführen. Ein Verlust an Arsen durch Ausdampfen während der Kompression wird nicht beobachtet.Fig. 1 shows the implanted arsenic profile {curve 1) and the arsenic profile after ballistic compression (curve 2). The redistribution of the implanted arsenic is due to a melting of the irradiated sample surface down to depths of about 2.5 μm. Loss of arsenic by evaporation during compression is not observed.

Claims

- 1 - * MO / O

Invention claim:

1. A process for the crystallization or recrystallization of semiconductor layers, characterized in that the material to be recrystallized to the action of the hot gas or plasma is exposed, which is produced by rapid mechanical compression.

2. The method according to item 1, characterized in that a piston-cylinder arrangement is used for the rapid mechanical compression of a gas.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that ion-implanted semiconductor layers are recrystallized.

4. The method according to item 1 and 2, characterized in that amorphous or polycrystalline layers are recrystallized on monocrystalline substrates.

5. The method according to item 1 and 2, characterized in that amorphous or polycrystalline layers are recrystallized on an electrically insulating substrate.