DE1933690C3 - Verfahren zum Herstellen eines mindestens bereichsweise einkristallinen Films auf einem Substrat - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines mindestens bereichsweise einkristallinen Films auf einem Substrat

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Description

Die Erfindung betrifft ein" Verfahren zur Herstellung eines mindestens bereichsweise einkristallinen Films auf einem Substrat, wobei ein auf dem Substrat aufgebrachter pc'.ykristalliner oder amorpher Film erwärmt wird.
Bei der bekannten Herstellung von Halbleiteranordnungen, insbesondere integrierten Schaltkreisen mit Halbleitern, werden sowohl aktive als auch passive Elemente voneinander isoliert in einem Einkristallplättchen aus Halbleitermaterial hergestellt. Das Ausgangsplättchen des Einkristalls wird aus einem länglichen Einkristall hergestellt. Die einzelnen HaIbleiterplättchen werden dann nacheinander geläppt und poliert. Die verschiedenen Fabrikationsschritte, die zur Erzeugung einer integrierten Halbleiteranordnung führen, beinhalten das epitaktische Aufbringen einer Schicht, die Maskierung der Oberfläche, die selektive Ätzung, selektive Diffusionen, Oberflächenoxydationen und das Verbinden mit verschiedenen Anschlußpunkten.
Die Bildung der einkristallinen Halbleiterplättchen ist relativ zeitaufwendig und sehr teuer und erfordert außerdem sehr teure Vorrichtungen. Außerdem erhalten alle bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Diffusion und Isolation mehrere Maßnahmen, die für eine Automation des gesamten Prozesses ungeeignet sind. Um die Kosten der integrierten Schaltkreise auf monolithischer Basis zu verringern, ist es erforderlich, daß die Bildung von einkristallinen Bereichen auf Substraten, insbesondere aus isolierendem Material, nach neuen Technologien hergestellt werden. Man hat deshalb schon versucht, das Ausgangsplättchen bei Festkörperschaltkreisen zu vermeiden. Zu diesem Zwecke hat man versucht, die Einkristalle aus Halbleitermaterialien aus im wesentlichen flachen und dünnen Körpern auf einem Substrat, wie Glas oder Graphit, herzustellen. Diese Prozesse benötigen aber Wärmeeinwirkungen, wodurch die Materialien, die das Halbleitermaterial enthalten, zerstört werden.
Das Halbleitermaterial soll aber im einkristallinen Zustand auf das Substrat aufgebracht werden. Um das Aufwachsen der Kristalle und die Kernbildung zu fördern, wurden verschiedene Verfahren angewendet, "> die Silber und Aluminium zur Aktivierung benutzen. Diese Verfahren und die erforderlichen Vorrichtungen zur Ausführung haben jedoch den Nachteil, daß sie zu aufwendig und zu umständlich für eine kommendeile Verwendung sind, oder es ist nicht möglich, mit ihnen Einzelkristalle zu erzeugen, die die erforderliche Qualität zur Herstellung von Halbleiteranordnungen aufweisen.
Es ist weiterhin bekannt, Einkristallfilme mit HiUe des epitaktischen Aufwachsens zu erzeugen. Die bei~> kannten Verfahren eignen sich allerdings nur zum Aufwachsen von einzelnen Dünnfilmkristallen auf einkristallinen oder amorphen Substraten. Es ist jedoch auch bekannt, einen Film von kristallinem Material, der eine willkürliche mikrokristalline Struktur -1» aufweist, auf amorphe Substrate aufzubringen, indem eine bestimmte Stelle ausgewählt wird und dort ein Keimi gebildet wird, von dem aus der Einkristallfilm wächst, der ausgewählte Keim der Wärme ausgesetzt wird, und die Wärme so erhöht wird, daß ein Schmel- -' "> zen des Films im Bereich des ausgewählten Keims auftritt. Als Wärmequelle kann z. B. ein Elektronenstrahl verwendet werden. In der US-PS 3335038 ist eine weitere Methode beschrieben worden, mit deren Hilfe dünns Filme aus kristallinem Material auf polykrijo* stallimen Substraten aufgebracht werden können. Das resultierende Substrat wird dann bei einer Temperatur des Schmelzpunktes des Films für eine Zeit erhitzt, bis der Film schmilzt, danach wird der Film auf eine Temperatur, welche 20 bis 100° C unterhalb des r> Schmelzpunktes liegt, abgekühlt, wobei der Film erstarrt. Beim Abkühlen kristalliert der Film unter Bildung von Gruppen großer, dünner, homogener Einkristalle.
Der Verwendungsbereich dieser Methode ist aller-H) dings sehr beschränkt, da das Substrat einen höheren Schmelzpunkt als der Film, der zu schmelzen ist, haben muß. Außerdem ist die Lokalisierung der Kristallstruktur mit dieser Methode nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ι > Verfahren zur Erzeugung orientierter Kristalloberflächen in kristallinen Filmen auf amorphen oder polykristallinen Substraten ohne Schmelzen des Films anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der ein-.Ii gangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird angenommen, daß bei der Anwendung des gepulsten Laserstrahls die Energie in Form einer Stoßwelle übertragen wird, welche eine sofortige Umn kristallisation in den bestrahlten Bereichen des Films bewirkt. Zwar ist eine Erwärmung des Films bei der Bestrahlung unvermeidlich, jedoch ist die Wärme nicht entscheidend für den Erfolg des Verfahrens, so daß - anders als bei den Verfahren gemäß dem Stand M) der Technik - eine Erwärmung des Films auf seinen Schmelzpunkt nicht nur nicht notwendig, sondern sogar vermieden wird. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für den Film, sondern auch für das Substrat sehr schonend.
Es »st vorteilhaft, wenn die Energie des Laserstrahls pro Flächeneinheit zwischen 5,1 X 102 und 1,28 X 103 Joule/cm2 beträgt.
Es iüt vorteilhaft, wenn die Wellenlänge des Laser-
Strahls so festgelegt wird, daß die Strahlenenergie durch den RIm, aber nicht durch das Substrat absorbiert wird. Das Substrat wird dann nur noch durch Wärme, welche vom Film übertragen wird, erhitzt. Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine besonders geringe Erwärmung des Substrats sichergestellt, wodurch sich die Anzahl der in Frage kommenden Substratmaterialien in vorteilhafter Weise erhöht.
Die Erfindung wird nun anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 zeigen vergrößerte Ansichten im Schnitt von in verschiedenen Stufen des Formprozesses hergestellten homogenen Einkristallen in einem Dünnfilm, der auf ein Substrat aufgebracht wurde,
Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf den Film in Fig. 2, Fig. 4,5,6 und 7 zeigen Schnitte eiiws einkristallinen Films aus Halbleitermaterial auf einem Substrat in verschiedenen Verfahrensschritten, und
F i g. 8 ist eine Ansicht, die das Niederschlagen einer Epitaxieschicht auf eine rekristallisierte und dotierte Region des Filmes zeigt.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung besteht aus einem Substrat 12 aus Isoliermaterial und einem darauf aufgebrachten Dünnfilm 10 aus amorphem oder polykristallinem Material. Für den Dünnfilm 10 können alle Metalle, die die Anforderung an den Film erfüllen, oder Halbleitermaterialien verwendet werden. Typisehe Metalle sind Aluminium, Kupfer. Typische Halbleitermaterialien sind Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Indium, Antimon, Cadmiumsulfid.
Der Dünnfilm 10 aus amorphem oder polykristallinem Material kann auf das Substrat 12 durch bekannte Methoden, wie z. B. Aufdampfen in Vakuum, Kathodenzerstäuben, aufgebracht werden. Zum Beispiel kann ein Siliciumfilm durch eine thermische Umsetzung niedergeschlagen werden, z. B. von Trichlorsilan (SiHCl3) oder Siliciumtetrachlorid (SiCl4) mit Wasserstoff, durch Pyrolyse von Silan (SiH4) oder SiIicium-Halogenid, wie z. B. Siliciumtetrajodid (SiJ4). Ein Siliciumgemisch aus Trichlorsilan-Dampf und Wasserstoff als Trägergas wird über die Oberfläche des Substrats 12 geführt unter Pyrolyse in einer Reaktionskammer, die nicht dargestellt ist. Wie bereits gesagt, ist das Substrat 12 entweder ein polykristallines oder ein amorphes Material und der Siliciumfilm kann ebenfalls ein polykristallines oder amorphes Material mit derselben bzw. kleineren Korngröße sein wie das Substrat. Wenn erforderlich, kann der Halbleiterfilm 10 Spuren von Dotierungsmaterial des N- bzw. P-Typs enthalten. Dieses Material kann, wenn erforderlich, während des Niederschiagens des Films eingebracht werden.
Die Dicke des Filmes 10 kann dabei je nach den jeweiligen Erfordernissen variieren. Wenn z. B. das Filmmaterial ein Metall ist, liegt die Dicke des Filmes bei 1 um. Besteht der Film 10 dagegen aus Halbleitermaterial, dann kann die Dicke zwischen 1 und 10 μπι liegen. Wie noch später beschrieben wird, beeinflußt die Dicke des Filmes 10 direkt die Rekristallisation.
Das Substrat 12 kann ein bekanntes Isoliermaterial sein, dessen Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des Dünnfilms 10 liegt. Typische Materialien, die als Substrat 12 verwendet werden können, sind:
Aluminiumoxyd, SUiciumdioxyd, Siliciumnitrid, Siliciumkarbid, Kohlenstoff in reiner Form, wie Diamanten sowie Rubine. Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß selbstverständlich kein Material für das Substrat verwendet wird, das bei den entstehenden Temperaturen eine Dotierung im Film hervorruft. Die Oberfläche des Substrates 12, auf der der Film 10 niedergeschlagen wird, ist poliert, so daß eine einwandfreie Oberfläche vorhanden ist.
Der nächste Schritt der Bildung des einkristallinen Films ist aus Fig. 2 zu ersehen. Ein ausgewählter Teil des Filmes 10 wird mit einem pulsierenden Laserstrahl 14 bestrahlt. Durch die Bestrahlung des Filmes 10 mit einem gepulsten Laserstrahl wird eine Kristallisation erzielt, die hauptsächlich durch die durch die Gittersc&wingungen hervorgerufene Energie verursacht wird. Wenn die Energie des Laserstrahls 14 entsprechend bemessen ist, dann tritt die Kristallisation ohne ein Verdampfen des Filmes 10 ein.
Die Wellenlänge des Laserstrahls 14 wurde so festgelegt, daß die Strahlenenergie durch den Film absorbiert wird, aber nicht durch das Substrat 12. Dadurch wird eine Beheizung des Filmes verursacht und durch die direkte Verbindung des Filmes mit dem Substrat erst eine solche des Substrats. Aus diesem Grunde muß das Material des Substrats mittleren Temperaturen, wie z. B. bis zu 600° C, widerstehen können, ohne daß irgendein Dotiereffekt im Film 10 auftritt. Wenn die Energie des Laserstrahls zu hoch ist, dann wird der Film 10 schmelzen oder im Extremfalle völlig zerstört werden. Wenn die Dicke des Filmes 10 eine bestimmte Grenze überschreitet, wird der Film 10 geschmolzen oder verdampft und der Hauptteil der Strahlungsenergie wird durch den oberen Teil des Filmes absorbiert, ohne den unteren Teil zu erhitzen. Wird die Filmfläche 10 unter Idealbedingungen mit dem gepulsten Laserstrahl bestrahlt, dann erfolgt der Rekristallisierungsprozeß und die überflüssige Energie wird über das Substrat 12 abgestrahlt.
Ein typischer Laser, der zur praktischen Realisierung der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, ist z. B. ein Rubin-Laser mit einer Wellenlänge von 6,280 A und einer Energie kleiner einem Joule pro Impuls. Um die erforderliche Energiedichte im Film zu erreichen, kann der Strahl fokussiert, defokussiert und über Filter geschickt werden bzw. der Energiebereich sogar gesteuert werden. In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen Einkristall dargestellt, der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Technik, die in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, hergestellt wurde. Wie dargestellt, zeigt der bestrahlte Bereich des Films 10 einen Einkristall oder eine Reihe von Einkristallen, die als orientierte Kristalloberfläche beschrieben werden können. Der Film 10 aus polykristallinem oder amorphem Material mit rekristallisierten Bereichen ist zum Zwecke der besseren Illustration mit einer vergrößerten Kornstruktur in Fig. 3 dargestellt. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß jedes Material eine bevorzugte Oberflächenausrichtung besitzt. In den nachfolgend im einzelnen beschriebenen Fig. 4, 5, 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Fig. 4 ist eine Schicht 10 aus polykristallinem oder amorphem Material, das auf ein Substrat 12 niedergeschlagen wurde, dargestellt. Der Film 10 und das Substrat 12 sind in derselben Weise präpariert wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde. Auf diese Weise können dotierte einkristalline Bereiche
in einem Dünnfilm hergestellt werden. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, sind auf einer Glasplatte 20 sehr dünne Bereiche von Dotierungsmaterial 22 niedergeschlagen, die in einem bestimmten räumlichen Verhältnis zum Film 10 und in direktem Kontakt hiermit stehen. Das Dotierungsmaterial kann entweder vom P- oder vom N-Typ sein und in bekannter Art und Weise aufgebracht werden. Wenn erforderlich, kann auch die Oberfläche der Platte 20 an Stelle der Bereiche, die in Fig. 5 zu sehen sind, mit Dotierungsmaterial überzogen werden.
In Fig. 6 ist dargestellt, wie die in Fig. 5 dargestellte Anordnung mit Laserimpulsen 14 bestrahlt wird. Der Laserstrah! ist dabei auf den lokalisierten Film 22 aus Dotierungsmaterial gerichtet. Das aus diesem Prozeß entstehende Produkt ist in Fig. 7 dargestellt, wo klar zu sehen ist, daß jetzt dotierte einkristalline Bereiche 24 im Film 10 vorhanden sind.
Das in den Fig. 4 bis 7 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Glasplatte oder ein anderes ausgewähltes Material, das die Energie des Laserstrahls nicht wesentlich absorbiert. Vorzugsweise sollte die Schicht des Dotierungsmaterials 22 relativ dünn sein, um die Energie des Laserstrahls 14 nicht zu einem Teil zu absorbieren und damit die Energie des Laserstrahls zu schwächen. Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Anordnungen können auf die verschiedenste Art und Weise verwendet werden. Wenn z. B. der mono kristalline Film 10 ein Halbleitermaterial ist, kann eine nachfolgende Diffusion in einer einkristallinen Ausgangsregion entweder durch eine konventionelle Diffusion oder durch den eben beschriebenen Diffusionsprozeß mit einem Laserstrahl erfolgen. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann eine Schicht 26 aus Halbleitermaterial auf der Oberfläche der einkristallinen Bereiche aufgebracht werden.
Die Bereiche 27 im Film 26 über den einkristallinen Bereichen 24 haben im allgemeinen eine einkristalline Gitterstruktur, wie die Bereiche 24. Die Bereiche 28 des Filmes 26 sind polykristallin oder amorph. Um Halbleiterelemente herzustellen, können in den sich ergebenen Bereichen 27 des Filmes 26 Diffusionen durchgeführt werden. Derartige Halbleiterelemente sind elektrisch voneinander isoliert durch das darunterliegende Substrat 12 und die amorphe oder polykristalline Unterteilung der Filme 10 und 26. Die ursprünglich gebildeten Bereiche im Film 10 können mit einer höheren Konzentration als die Epitaxieschicht dotiert werden.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele angegeben, anhand deren das erfindungsgemäße Verfahren näher erklärt wird.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
Auf ein mit SiO2 überzogenes Siliciumplättchen wird in einem Vakuumverdampfungsapparat eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 300 A aufgebracht. Nach dem Aufbringen wird durch Ätzen ein hanteiförmiges Muster erzeugt. Die dabei entstehenden Aluminiumbereiche haben 0,02 zu 0,001 mm. Auf diese wird ein gepulster Laserstrahl gerichtet. Danach wird der Film bei Raumtemperatur mit einem Laserstrahl bei sehr geringer Leistung bestrahlt. Nach der Bestrahlung wurde diese Anordnung visuell geprüft Es wurde festgestellt, daß eine lokale Schmelzung und Verdampfung des Filmes nur in dem bestrahlten Bereich aufgetreten ist. Der bestrahlte Bereich hat einen Durchmesser von ca. 50 μ. Die dabei aufgebrachte Energie pro Einheitsfläche war dabei 5,1 ■ 102 Joule pro cm. Es wurde gefunden, daß für die Dicke des Filmes die Energie in dem bestrahlten ■"> Bereich zu hoch war, um eine effektive Korngröße zu erzeugen. Es wurde weiterhin gefunden, daß relativ dünne Filme keinen Leistungsverlust der Bestrahlungsenergie hervorrufen.
ίο Beispiel 2
Auch hier wird wieder auf ein Siliziumplättchen, das mit einer SiO2-Schicht überzogen ist, in einem Hochvakuumverdampfungsgerät eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 5000 A aufgebracht. Da- > nach wurde wieder das hanteiförmige Muster eingeätzt und die Anordnung wieder mit einem gepulsten Laserstrahl entsprechend dem vorherigen Beispiel bestrahlt. Der Zweck dieses Tests war, den möglichen Energiebereich des Laserstrahls bei einer Filmdicke
-1" von 5000 A zu bestimmen. Der Film wurde dabei an verschiedenen Bereichen mit einer Energie, die im Bereich von 0,01 Joule bis 0,035 Joule lag und in Schritten von 0,005 Joule bestrahlt. Die aufgewendete Energie pro Flächeneinheit lag zwischen 5,1 · 102
-' > bis 1,28 · 103 Joule pro cm2. Nach jeder Bestrahlung wurde der bestrahlte Gegenstand visuell geprüft. Bei diesem Test konnte kein Schmelzen festgestellt werden. Daraus folgte, daß der nötige Energiebereich des Laserstrahls zur Bestrahlung eines Aluminiumfilms
«ι mit einer Dicke von 5000 A zwischen 5,1 · 102 bis 1,28 · 103 Joule pro cm2 liegt.
Beispiel 3
Als Ausgangsanordnung wird hier wieder ein mit
r> 5000 A Aluminium überzogenes Siliciumplättchen, in das hanteiförmige Testmuster eingeätzt sind, verwendet. Diese Anordnung wird wiederum mit einem Laserstrahl mit einer Energie von 0,025 Joule im Zentrum der Aluminiumbereiche bestrahlt. Der be-
■»» strahlte Bereich wies dabei einen Durchmesser von 50 μ auf. Eine durchgeführte Untersuchung im Elektronenmikroskop ergab, daß die Korngröße der bestrahlten Bereiche in der Größenordnung von 10 bis 20 μπι liegt. Im Gegensatz dazu liegt die Korngröße τ der Bereiche, die die bestrahlten Bereiche unmittelbar umgeben, in der Größenordnung von 1 μπι. Dieser enorme Wechsel der Korngröße ist von größtem Interesse.
Nach diesem Test wurde die Anordnung mit AIu-
vi miniumkontakten versehen, um eine elektrische Verbindung herstellen zu können. An diese Verbindung wurde eine Konstantgleichstromquelle angeschlossen, um eine maximale Stromdichte von 0,6 - 106 Ampere pro cm2 in den Aluminiumbereichen zu erreichen. Die Aluminiumbereiche wurde dabei auf einer konstanten Temperatur von 150° C gehalten. Dabei zeigte sich, daß die bestrahlten Bereiche des Filmes einen wesentlich höheren Widerstand aufweisen als die nicht bestrahlten Bereiche.
Beispiel 4
Hier wurde mit Hilfe der Kathodenzerstäubung auf ein kristallines Siliciumplättchen als Substrat ein amorpher Siliciumfilm mit einer Dicke von 1 μπι aufbs gebracht Der amorphe Siliciumfilm wurde dann mit einem dünnem Phosphorfilm, der eine Dicke bis zu 2000 A aufwies, überzogen. Die so entstandene Anordnung wurde wiederum einem Laserstrahl ausge-
7 8
setzt. Der Film wurde dabei verschieden lang an ver- Bereiche vorgenommen. Dabei wurde gefunden, daß |
schiedenen Bereichen mit verschiedenen Energiebe- dort, wo der Energiebereich zwischen 2 und 5 Joule <
reichen, die zwischen 2 und 30 Millijoule lagen, lag, Dioden erzeugt wurden, woraus klar folgt, daß §
bestrahlt. Nach der Bestrahlung des Versuchsmusters an diesen Stellen eine Kristallisation des amorphen
wurde wiederum eine visuelle Prüfung der bestrahlten -, Siliciumfilms stattgefunden hat.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines mindestens bereichsweise einkristallinen Films auf einem Substrat, wobei ein auf dem Substrat aufgebrachter polykristalliner oder amorpher Film erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der polykristalline oder amorphe FUm (10) mindestens bereichsweise mit einem gepulsten Laserstrahl bestrahlt wird, dessen Energie so eingestellt wird, daß ein Schmelzen des Films (10) vermieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Laserstrahls pro Flächeneinheit zwischen 5,1 X102 und 1,28 X 103 Joule/cm2 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Laserstrahls so festgelegt wird, daß die Strahlenenergie durch den Film (10), aber nicht durch das Substrat (12) absorbiert wird.
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