DE3824127A1 - Vorrichtung zur waermebehandlung der oberflaeche eines substrates, insbesondere zum kristallisieren von polykristallinem oder amorphem substratmaterial - Google Patents

Vorrichtung zur waermebehandlung der oberflaeche eines substrates, insbesondere zum kristallisieren von polykristallinem oder amorphem substratmaterial

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wärme­ behandlung der Oberfläche eines Substrates, insbesondere zum Kristallisieren von polykristallinem oder amorphem Substratmaterial.
Vorrichtungen zur Wärmebehandlung der Oberfläche eines Substrates werden z.B. bei der Herstellung großkristalli­ ner Halbleiterschichten aus Polysilizium oder amorphem Si­ lizium verwendet.
Der Entwicklungsweg der Halbleitertechnologie geht zu im­ mer höheren Integrationsdichten mit einer steigenden An­ zahl von Funktionselementen pro Fläche und gleichzeitig zu größeren Chip-Flächen. Ein zusätzlicher Weg wird darin ge­ sehen, auf einem Halbleiter-Chip Bauelementeebene in über­ einander angeordneten Schichten aufzubauen. Voraussetzung für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen in den einzelnen Schichten ist, daß das Schichtmaterial, im allge­ meinen Silizium Bauelementequalität aufweist, d.h. möglichst groß- oder gar monokristallin ist. Nur auf diese Weise ist es möglich, Bauelemente wie Transistoren in den einzelnen Schichten zu erhalten, die in der Qualität den herkömmlich in Monokristalliten hergestellten Bauelementen gleichwertig sind.
Ein aussichtsreiches und erprobtes Verfahren zur Herstel­ lung mehrschichtiger Aufbauten, die allgemein als dreidi­ mensionale integrierte Schaltungen bezeichnet werden, ist die Kristallisation mittels Licht- und insbesondere Laser­ einstrahlung. Hierzu wird die bereits gefertigte Substrat­ bauelementeebene mit einem Isolator beschichtet, z.B. durch Abscheiden von Siliziumdioxid SiO2 aus der Gasphase und planarisiert. Auf dieses Oxid wird anschließend Poly­ silizium oder amorphes Silizium abgeschieden. Die Dicke der beiden Schichten liegt jeweils bei typisch 0,5 µm. Da­ rüber kann eine weitere Schicht aus einem Isolator, insbe­ sondere wiederum Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid Si3N4 aufgebracht werden. Diese Schichtfolge, insbesondere die Schicht aus Polysilizium oder amorphem Silizium, wird durch Energieeinstrahlung erwärmt und aufgeschmolzen, wo­ bei die Schmelzzone lateral über die Schicht geführt wird. Bei geeigneter Prozeßführung erstarrt die Schicht aus Poly­ silizium oder amorphem Silizium nach dem Durchgang der Schmelzzone großkristallin und im Idealfall monokristallin.
Rekristallisationsverfahren dieser Art sind in den letzten Jahren ausführlich untersucht worden. Dabei kamen als Ener­ giequelle Laser, insbesondere Argonlaser, CO2-Laser, Blitz­ lampen, Graphitstreifenheizer, Halogenlampenheizer usw. zum Einsatz. Einen Überblick über die verschiedenen Verfah­ ren gibt der Artikel von Akasaka in IEEE Proceedings, Dezember 1986, Seiten 486 ff.
Für die Rekristallisation dünner Polysiliziumschichten über bereits mit Bauelementen versehenen Siliziumschichten sind Leistungsdichten von wenigstens 100 Wcm-2 nötig. Hier­ durch gelingt es, zwischen der Polysiliziumschicht und der Oberfläche der hiervon durch die dünne Isolatorschicht thermisch isolierten Halbleiterplättchen einen Temperatur­ gradienten herzustellen, der groß genug ist, daß die unter der Polysiliziumschicht liegenden bereits Bauelemente ent­ haltenden Schichten nicht durch hohe Erhitzung und die da­ durch bedingte Diffusion zerstört werden. Üblicherweise werden die an ihrer Oberfläche zu rekristallisierenden Halbleitersubstrate durch eine flächenhomogene Vorheizein­ richtung auf mehrere 100°C erhitzt, um die beim Passieren der Schmelzfront entstehenden thermischen und mechanischen Spannungen gering zu halten. Bisher bekannte Vorrichtungen zur Kristallisation von Polysilizium oder amorphem Sili­ zium mit Hilfe von Laserstrahlung fokussieren diese in einen typisch 10 bis 1000 µm großen bzw. breiten Strich, der durch eine Relativbewegung des Substrates zeilenartig über die zu bestrahlende Oberfläche geführt wird. Bei sol­ chen Verfahren entstehen jedoch an der Grenze zwischen ver­ schiedenen Kristallisationsbahnen bevorzugt Diskontinuitä­ ten, so z.B. Korngrenzen, die die für Bauelemente benötig­ te Qualität des kristallisierten Halbleitermaterials ver­ ringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Wärmebehandlung der Oberfläche eines Substrates, insbesondere zur Kristallisation von polykristallinem oder amorphem Halbleitermaterial im Rahmen der Herstellung drei­ dimensional integrierter Schaltungen anzugeben, mit der das Substratmaterial im Oberflächenbereich großflächig mit hoher Gleichmäßigkeit umstrukturiert werden kann.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkma­ le gelöst.
Demgemäß wird die Laserstrahlung nach Art einer Abtastbewe­ gung lateral über die Substratoberfläche geführt, wobei diese zyklische Bewegung mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung zwischen Laser und Substrat erfolgt, z.B. ein Schwenkspie­ gel und vorzugsweise mit Hilfe eines Polygonrades. Die Bahnlänge der die Substratoberfläche überstreichenden La­ serstrahlung kann bis zu 150 Millimeter betragen, so daß in der Regel die gesamte Breite eines Halbleitersubstrats überstrichen wird. Die verspiegelten Umlenkflächen des Polygonrades werden vorzugsweise zwischen ihren seitlichen Kanten konkav geformt, wodurch die üblicherweise einige Millimeter bis zu einem Zentimeter breite Laserstrahlung zu einem Strich fokussiert wird. Durch diese Anordnung kann ein linienförmiger Fokusbereich mit einer Breite bis herab zu etwa 120 µm hergestellt werden. Die minimale Brei­ te ist durch die Präzision des Polygonrades und letztend­ lich durch elementare optische Gesetze begrenzt. Die Länge der durch den Linienfokus überstrichenen Bahn ist geome­ triebedingt. Zeitlich integral während des Durchgangs je einer spiegelnden Umlenkfläche werden typisch 10 bis 30 Zentimeter überstrichen. Das Polygonrad kann mit Umdre­ hungsfrequenzen bis zu vielen tausend Umdrehungen pro Minu­ te rotieren und lenkt die Laserstrahlung zyklisch auf die Oberfläche des Substrats, das auf einem Arbeitstisch gela­ gert ist. Der Arbeitstisch ist hierbei vorzugsweise mit einer Heizvorrichtung versehen, mit der das Substratmate­ rial vorgeheizt wird. Der Arbeitstisch und der zeilenför­ mig über das Substrat gelenkte Laserstrahl können zusätz­ lich noch eine Relativbewegung, üblicherweise senkrecht zu der Zeilenbahn ausführen. Am einfachsten läßt sich dies durch eine mechanische Verschiebung des Arbeitstisches rea­ lisieren. Dabei liegen typische Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich von 1 µm bis zu 1 cm pro Sekunde.
Die Umlenkeinrichtung, d.h. vorzugsweise das verspiegelte Polygonrad, erfüllt mehrere Aufgaben. Das Polygonrad lenkt den Laserstrahl im wesentlichen senkrecht auf die Oberflä­ che des Substrats. Durch die konkave Bearbeitung der spie­ gelnden Umlenkflächen wird der üblicherweise einige Milli­ meter breite Laserstrahl zu einem Strich fokussiert. Durch die Drehung des Polygonrades überstreicht dieser Strichfo­ kus einen durch die Geometrie der Anordnung definierten Winkel. Durch Fokussierung und Drehung werden Inhomogenitä­ ten des Laserstrahls gemittelt, insbesondere eine laterale Energieverteilung, Modeninstabilitäten, Intensitätsverzer­ rungen usw. Außerdem reduziert die Drehung des Polygonrads die thermische Belastung der Spiegelflächen.
Die effektive Leistungsdichte der Laserstrahlung auf der Substratoberfläche in im zeitlichen Mittel näherungsweise durch den Quotienten aus fokussierter Leistung und effekti­ ver Fläche des Linienfokus des Laserstrahles auf der Substratoberfläche definiert und kann, je nach geometrisch konstruktiver Auslegung der Vorrichtung bis zu 106 Wcm-2 betragen. Bedingt durch das zyklische zeilenförmige Über­ streichen der Laserstrahlung erfolgt die Einkoppelung die­ ser mittleren Leistung nicht kontinuierlich, sondern in Pulsen mit einer Frequenz, die durch das Produkt aus der Umdrehungsfrequenz des Polygonrades und der Anzahl der Spiegelflächen definiert ist. Die Temperatur an einem festen Punkt der Oberfläche des Substrates folgt dieser intermittierenden Bestrahlung, wobei der zeitliche Tempera­ turverlauf durch Wärmeleitprozesse und die Wärmekapazität d.h. die Schmelzwärme der Schicht an der Oberfläche des Substrats gegeben ist. Bei geeigneter Umdrehungsgeschwin­ digkeit des Polygonrades kann dadurch ein vielfaches Schmelzen und Wiedererstarren der Oberfläche des Substrats auftreten, was die Entstehung großer Kristallite begünstigt.
Mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung kann die Oberflä­ che eines mehrschichtigen Siliziumplättchens zur Herstel­ lung dreidimensionaler integrierter Schaltungen mit einer Leistungsdichte aufgeschmolzen werden, die für eine hin­ reichend große Temperaturdifferenz zwischen der zu schmel­ zenden Schicht aus Polysilizium oder amorphem Silizium und der darunter liegenden bereits Bauelemente enthaltenden Siliziumschicht geeignet ist. Für die Erzielung von Mono­ kristalliten wird das erwärmte Material in herkömmlicher Weise einem Zonenziehprozeß oder einem Epitaxieprozeß un­ terworfen.
Die beschriebene Vorrichtung kann nicht nur zur Kristalli­ sation von Halbleitermaterial bei der Herstellung dreidi­ mensionaler integrierter Schaltungen verwendet werden, son­ dern z.B. auch zum Tempern von Siliziumscheibern. Ein sol­ cher Temperschritt ist z.B. nach der Ionenimplantation in Siliziumscheiben erforderlich, um die bei der Implantation entstandenen Strahlenschäden auszuheilen und die implan­ tierten Dotieratome zu aktivieren. Herkömmliche Temper­ schritte erfordern üblicherweise Temperaturen von etwa 900°C bei Temperdauern von 30 Minuten. Das Tempern erfolgt üblicherweise in Rohröfen. Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung können Halbleiterscheibchen zum Tempern oberflächlich stark erwärmt werden, so daß der Temperpro­ zeß auf wenige Sekunden abgekürzt werden kann. Eine Anwen­ dung der Vorrichtung ist auch zur Erwärmung von Polymeren geeeignet oder zur Erzielung von thermischen Relaxations­ prozessen in dem zu erwärmenden Material, z.B. Diffusion von Fremdatomen und/oder der Ablauf chemischer Reaktionen, z.B. Oxidationen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor. Die Erfindung ist in einem Ausführungs­ beispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Herstellung großkristalliner Halb­ leiterschichten und
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung.
Ein CO2-Laser 1 sendet einen im wesentlichen parallelen Laserstrahl 2 auf ein drehendes Polygonrad 3 und trifft dort auf verspiegelte Polygonflächen 4, wodurch der Laser­ strahl 2 um etwa 90° umgelenkt und in einer zeilenförmigen zyklischen Bewegung über die Oberfläche eines plättchenför­ migen Siliziumsubstrates 5, das auf einem Arbeitstisch 6 angeordnet ist. Der durch die Drehung des Polygonrades 3 erzielte Umlenkbereich des Laserstrahles 2 und damit die bestrahlte Bahnlänge auf der Substratoberfläche beim Vor­ gang des Überstreichens ist in Fig. 1 gestrichelt darge­ stellt.
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, sind die verspiegel­ ten Umlenkflächen 4 zwischen ihren seitlichen Rändern kon­ kav ausgebildet, so daß der Laserstrahl 2 auf der Oberflä­ che des Siliziumsubstrates 5 linienförmig fokussiert wird. Der Arbeitstisch 6 ist noch mit einer nicht gezeigten Heiz­ einrichtung ausgerüstet, um das Siliziumsubstrat auf eine Temperatur von mehreren 100°C vorzuheizen. Außerdem ist noch eine Vorschubeinrichtung vorgesehen, mit der der Ar­ beitstisch 6 senkrecht zur zeilenförmigen Bewegung des Laserstrahles bewegt werden kann, wie in Fig. 2 durch V an­ gedeutet.
Der CO2-Laser 1 weist typische Leistungen zwischen 100 W und einigen kW auf. Die verspiegelten Umlenkflächen 4 des Polygonrades 3 sind aus poliertem Metall und/oder einer oder mehreren dielektrischen Schichten hergestellt. Das Siliziumsubstrat 5 ist z.B. ein wie oben beschriebenes mehrschichtiges Plättchen, in dessen einer Schicht bereits Halbleiterbauelemente realisiert sind, wohingegen die obe­ re Schicht aus Polysilizium oder amorphem Silizium besteht, die z.B. durch einen Zonenziehprozeß oder einem Epitaxieprozeß kristallisiert werden soll.
Mit einer beschriebenen Vorrichtung kann mit einer Laser­ leistung von 600 W eine Polysiliziumschicht auf einer Sili­ ziumscheibe mit 100 Millimeter Durchmesser in etwa 120 Se­ kunden kristallisiert werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung der Oberfläche eines Substrates und dadurch zur Änderung der inneren Struk­ tur des Substratmaterials im Bereich der Oberfläche, insbesondere zum Kristallisieren von polykristallinem oder amorphem Substratmaterial im Rahmen der Herstel­ lung dreidimensionaler integrierter Schaltungen, mit einem Laser, dessen fokussierte Laserstrahlung über die Oberfläche des Substrats geführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Laser (1) und Substrat (5) eine zyklisch betätigbare Umlenkeinrichtung (3) für die La­ serstrahlung und zum zeilenförmigen zyklischen Lenken der fokussierten Laserstrahlung (2) über die Oberfläche des Substrates (5) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung ein Polygonrad (3) mit ver­ spiegelten Umlenkflächen (4) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verspiegelten Umlenkflächen (4) des Polygonrads (3) zum Fokussieren der Laserstrahlung (2) auf die Ober­ fläche des Substrats (5) zwischen ihren seitlichen Kan­ ten konkav geformt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Umlenkfläche (4) der Um­ lenkeinrichtung (3) für die Laserstrahlung (2) aus poliertem Metall und/oder einer oder mehreren dielektri­ schen Schichten besteht.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) senkrecht zur Zeilenrichtung der die Oberfläche des Substrats (5) überstreichende Laserstrahlung (2) verschiebbar ist.
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