DD258680A1 - Verfahren zur kristallisation von amorphen halbleiterschichten auf einem traegersubstrat - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kristallisation von amorphen Halbleiterschichten auf einem Traegersubstrat bei der Herstellung aktiver und passiver mikroelektronischer Bauelemente, insbesondere mit vertikal gestapelten Bauelementekonfigurationen. Die erfindungsgemaesse Loesung ermoeglicht eine grossflaechige Erzeugung einer kristallinen Schicht mit guten Schichteigenschaften durch einen gesteuerten Explosivkristallisationsprozess. Geloest wird diese Aufgabe dadurch, dass eine auf einem Traegersubstrat aufgebrachte amorphe Halbleiterschicht durch eine Bestrahlung mit einem homogenisierten Laserimpuls mit einer Wellenlaenge, deren Absorptionslaenge groesser als die Dicke der amorphen Halbleiterschicht ist, bis unterhalb der Schmelztemperatur aufgeheizt wird und dass durch eine lokale Temperaturerhoehung ein Fluessigphasenkristallisationsprozess ausgeloest wird, dessen Ausbreitungsbedingungen durch das Dickenverhaeltnis der amorphen Halbleiterschicht zur darunterbefindlichen Isolatorschicht bestimmt werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kristallisation von amorphen Halbleiterschichten auf einem Trägersubstrat bei der Herstellung aktiver und passiver mikroelektronischer Bauelemente, insbesondere mit vertikal gestapelten Bauelementekonfigurationen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, bei denen auf ein Trägersubstrat, welches aus einem amorphen Material oder aus einem Halbleitermaterial mit einer darüber befindlichen Isolatorschicht besteht, eine amorphe dünne Schicht aufgebracht wird, die anschließend durch verschiedene Temperaturbehandlungen in kristalline Schichtbereiche umgewandelt wird. So ist es bekannt, für den Kristallisationsprozeß Streifenheizer anzuwenden. Dabei ist es allerdings nur möglich, das gesamte scheibenförmige Substrat aufzuheizen. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß ein vorhandener Vertikalaufbau von Schaltungselementen durch die dabei auftretenden Diffusionsprozesse negativ beeinflußt wird. Außerdem kommt es zum vollständigen Aufschmelzen der oberen Halbleiterschicht, wodurch ein sehr nachteiliger Materialtransport der Halbleiterschicht ausgelöst wird. Bei einem anderen bekannten Kristallisationsverfahren wird ein Elektronenstrahlimpuls zur Temperaturbehandlung eingesetzt. Infolge der dabei ablaufenden physikalischen Prozesse ist dieses Verfahren bei der Herstellung vertikal gestapelter Bauelementekonfigurationen nicht einsetzbar. Des weiteren ist bekannt, CW-Laser zur Temperaturbehandlung einzusetzen. Nachteilig ist dabei, daß die Halbleiterschicht direkt aufgeschmolzen wird, wodurch eine ungenügende Oberflächenbeschaffenheit für gestapelte Bauelementekonfigurationen entsteht.

Weiterhin ist bekannt, zur Herstellung kristalliner Schichtbereiche durch Umwandlung einer auf ein Substrat aufgebrachten amorphen Schicht, diese in einer Zeit, die unterhalb der Zeit liegt, in der die'Kristallkeimbildung bzw. Festphasenepitaxie eintritt, auf eine Vorwärmtemperatur zu erhitzen, die zwischen der halben Schmelztemperatur und der Schmelztemperatur selbst liegt und simultan ausgewählte kleine Gebiete der amorphen Schicht auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt werden, wodurch eine explosive Kristallisation ausgelöst wird. Die amorphe Schicht oder die lateral begrenzten Gebiete dieser Schicht werden mittels elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Laserlicht, und/oder Teilchenstrahlung auf die entsprechende Vorwärmtemperatur erhitzt und die ausgewählten kleinen Gebiete werden mittels einer weiteren elektromagnetischen Strahlung oder Teilchenstrahlung auf die oberhalb der Schmelztemperatur der amorphen Schicht liegende Stalttemperatur der Kristallisation erhitzt.

Nachteilig an dem Verfahren ist die nur begrenzt auf kleinflächige Gebiete mögliche Umwandlung einer amorphen Schicht in eine kristalline Schicht. Dies ist daher bedingt, daß die amorphe Schicht vorgewärmt wird, ohne den durch Wärmeleitung zwischen Substrat und amorpher Schicht entstehenden sehr großen Temperaturverlust zu berücksichtigen. Die zum lateralen Aufschmelzen der amorphen Schicht erforderliche Temperatur, hervorgerufen durch die freigesetzte Wärme während der Erstarrung der flüssigen Schicht, wird nach kurzer Dauer nicht mehr erreicht.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Kristallisation von amorphen Halbleiterschichten auf einem Trägersubstrat anzugeben, welches eine großflächige Erzeugung einer kristallinen Schicht mit guten Schichteigenschaften auf einfache Weise ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kristallisation von amorphen Halbleiterschichten auf einem Trägersubstrat zu schaffen, bei dem die durch Laserbestrahlung erzeugten Schichttemperaturen die Ausbreitungsbedingungen für einen gesteuerten Explosivkristallisationsprozeß realisieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine auf einem, aus einem Substrat, insbesondere aus Halbleitermaterial, mit darüberbefindlicher sich aus mindestens einer Teilschicht zusammensetzenden Isolatorschicht bestehenden Trägersubstrat aufgebrachte amorphe Halbleiterschicht durch eine Bestrahlung mit einem homogenisierten Laserimpuls mit einer Wellenlänge, deren Absorptionslänge größer als die Dicke der amorphen Halbleiterschicht ist, bis auf Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der amorphen Halbleiterschicht aufgeheizt wird und durch eine lokale Temperaturerhöhung eine Flüssigphasenkristallisation ausgelöst wird. Dabei ist es möglich, die Temperaturerhöhung durch eine auf die amorphe Halbleiterschicht mit Stufen aufgebrachte Antireflexionsschicht, die in einem außerhalb der aktiven zur Funktion beitragenden Fläche liegendem Zündzentrum die Reflexion des Laserimpulses minimiert, zu erreichen. Die Ausbreitungsbedingungen für einen großflächigen Explosivkristallisationsprozeß werden erfindungsgemäß durch die amorphe Halbleiterschichtdicke und die Dicke der auf dem Substrat befindlichen Isolationsschicht gesteuert, in dem die Schichtdicken so eingestellt werden, daß ein erster Energieanteil der Laserstrahlung direkt in die amorphe Halbleiterschicht und ein gegenüber dem ersten größerer zweiter Energieanteil in das unter der Isolatorschicht befindliche Substrat deponiert werden. Um den Rekristallisationsprozeß in einem Schritt auf verschiedenen nicht zusammenliegenden Gebieten zu ermöglichen, werden durch Gestaltung von unterschiedlichen Isolatorschichtdicken, beispielsweise Strukturierung mit bekannten fotolithografischen Verfahren, die Ausbreitungsbedingungen lateral definiert gesteuert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Auf ein scheibenförmiges Substrat aus Silizium wird durch eine Oxydation bei 900⁰C eine isolierende Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 365 nm erzeugt. Anschließend wird durch ein PVC-Verfahren eine 350 nm dicke amorphe Siliziumschicht aufgesputtert und gegebenenfalls mit Silizium nachimplantiert.

Die amorphe Siliziumschicht wird durch einen Plasmaätzprozeß, durch den Trennstreifen mit einer Breite von 250 μηι erzeugt werden, in 1 χ 1cm² große Chipfelder unterteilt. Nachdem Abscheiden einer 135nm dicken Siliziumnitridschicht werden durch eine fotolithografische Strukturierung 100 χ 100pm² große Dots als Zündmarken auf den amorphen Siliziumchipflächen erzeugt. Danach erfolgt die Bestrahlung der amorphen Siliziumschicht mit einem homogenisierten Nd-Glas-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06pm und einer Impulsdauer von 1,3 ms.

Durch eine chipweise durchgeführte Laserimpulsbestrahlung mit einer Energiedichte von 50 JcrrT² wird eine selektive Absoptionserhöhung unter den Antireflexionsdots erzeugt, wodurch der Explosivkristallisationsprozeß ausgelöst wird.

Durch die gewählten Schichtdicken werden am Schichtsystem spezielle Interferenzbedingungen für den eingestrahlten Energieimpuls eingestellt, wodurch in der amorphen Siliziumschicht ein Energieanteil von 20% direkt deponiert, ein Energieanteil von 35% reflektiert und ein Energieanteil von 45% durch die amorphe Siliziumschicht in das Siliziumsubstrat transmittiertwird.

Diese erzeugte Energiedeponierung, bei dem das Verhältnis der deponierten Energieanteile in der amorphen Siliziumschicht zu dem im Siliziumsubstrat 0,45 beträgt, gewährleistet die Ausbreitungsbedingungen für einen lateral verlaufenden explosiven Kristallisationsprozeß.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Herstellung der Siliziumdioxidschicht durch einen fotolithografischen Prozeß entsprechend der späteren Chipzuordnung ein Teil der Siliziumdioxidschicht auf eine Dicke von 180nm abgeätzt und die Zündmarken dazu so erzeugt, daß alle 365nm dicken Siliziumdioxidgebiete einen Anschluß an die Zündmarken besitzen. Dadurch ist ein selektiver Kristallisationsprozeß möglich, da nur in den Gebieten mit einer Siliziumdioxidschichtdicke von 365 nm die dafür notwendigen Ausbreitungsbedingungen vorliegen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Kristallisation von amorphen Halbleiterschichten auf einem, aus einem Substrat, insbesondere aus Halbleitermaterial, mit darüberbefindlicher sich aus mindestens einer Teilschicht zusammensetzenden Isolatorschicht bestehenden Trägersubstrat, bei dem die amorphe Halbleiterschicht durch eine Laserbestrahlung bis unterhalb der Schmelztemperatur aufgeheizt wird und danach durch eine lokale Temperaturerhöhung ein sich lateral ausbreitender Flüssigphasenkristallisationsprozeß ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbestrahlung mit einem homogenisierten Laserimpuls mit einer Wellenlänge, deren Absorptionslänge größer als die Dicke der amorphen Halbleiterschicht ist, ausgeführt wird, daß bestimmt durch die Dicken der auf dem Substrat befindlichen Schichten ein erster Energieanteil der Laserstrahlung direkt in die amorphe Halbleiterschicht und ein gegenüber dem ersten größerer zweiter Energieanteil in das unter der Isolatorschicht befindliche Substrat derart deponiert wird, daß die für einen Explosiv-Kristallisationsprozeß notwendige Ausbreitungstemperatur erreicht wird und daß durch Gestaltung von unterschiedlichen Isolatorschichtdicken die laterale Ausbreitung des Kristallisationsprozesses definiert gesteuert wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die amorphe Halbleiterschicht aus einer mit CVD- oder PVD-Verfahren aufgebrachten Siliziumschicht besteht.

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Isolatorschicht aus einer Siliziumdioxidschicht mit darüberbefindlicher Siliziumnitridschicht besteht.

4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als homogenisierter Impulslaser ein freischwingender Nd-Glas-Laser eingesetzt wird.