NL8500931A - Werkwijze voor het omzetten van polykristallijn halfgeleidermateriaal in monokristallijn halfgeleidermateriaal. - Google Patents

Description

*' ........... ί f ΡΗΝ 11.339 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Werkwijze voor het onzetten van polykristallijn halfgeleidermateriaal in monokristallijn halfgeleidermateriaal."

De uitvinding heeft betrekking (¾) een werkwijze voor het ontzetten van polykristallr$felf¥^i£eidenrateriaal in monokristallijn halfge-leidermateriaal waarbij op een substraat een lagenstruktuur bevattende een laag polykristallijn of amorf halfgeleidermateriaal tussen een eerste 5 elektrisch isolerende laag en een bekledingslaag bestraald wordt met een stralingsbron die praktisch monochronatische elektromagnetische straling levert waarvoor het polykristalli^^KS^geleidermateriaal althans bij kamertemperatuur praktisch geheel doorlatend is, met voldoende energie cm de lagens truktuur zodanig te verhitten dat het polykristafi^^^Sf-10 geleidermateriaal althans plaatselijk omgezet wordt in monokristallijn halfgeleidermateriaal.

Daarnaast heeft de uitvinding betrekking op een inrichting voorzien van monokristallijn halfgeleidermateriaal dat is aangebracht met behulp van een dergelijke werkwijze.

15 Dit soort werkwijzen kan bijvoorbeeld met voordeel warden toe gepast bij de vervaardiging van zogenaamde driedimensionale geïntegreerde schakelingen, waarbij na het aanbrengen van een isolerende laag die onderliggende schakelingen zoals geheugenmatrices, registers, multiplexers, etcetera beschermt tegen de invloeden van verdere bewerkingen, cp deze 20 isolerende laag opnieuw monokristallijne halfgeleidergebieden ten behoeve van trans is toren of andere schakelingselementen moeten worden aangebracht. Een ander toepassingsgebied is bijvoorbeeld het vervaardigen van monokristallijn halfgeleidermateriaal op een isolerend substraat ten behoeve van opto-elektronische elementen.

25 Een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort is bekend uit de Japanse Tervisielegging Kokai No. 57-124423. Met behulp van de daar getoonde werkwijze wordt een tussen twee SiO^ - lagen gelegen laag van polykristallijn silicium gerekristalliseerd door deze te bestralen met elektromagnetische straling, afkomstig van een CO^-laser. De golflengte 30 van deze straling bedraagt circa 10^u meter, waarvoor het polykristallijn silicium bij kamertemperatuur vrijwel geheel doorlatend is, zodat hierin haast geen energie wordt geabsorbeerd ten behoeve van rekristallisatie.

In het algemeen kiest men dan ook liever een stralingsbron met 35:33931 PHN 11.339 2 een zodanige golflengte dat de halfgeleiderlaag zoveel mogelijk energie absorbeert, zoals in het geval van polykristallijn silicium bijvoorbeeld een argon-ionenlaser. Anderzijds heeft het gebruik van bijvoorbeeld een ce>2-laser, af gezien van de geringe absorptie in polykristallijn silicium 5 diverse voordelen ten opzichte van de argon-ionenlaser. In de eerste plaats is de emissie stabieler en daarmee de intensiteit van de uitgezonden straling constanter. Daarnaast is het vermogen van een CC^-laser veel groter dan dat van een argon-ionenlaser, terwijl het lichtrendement hoger is. Daarnaast is de aanschafprijs gunstiger. Bovendien kan men t.g.v. het 10 hogere vermogen met een C02-laser meerdere bundels tegelijk opwekken, hetgeen voor bepaalde toepassingen gunstig is.

De uitvinding stelt zich ten doel een werkwijze te verschaffen waarbij straling wordt gebruikt waarvoor polykristallijn halfgeleiderma-teriaal praktisch geheel doorlatend is en toch in de lagenstruktuur vol-15 doende absorptie optreedt cm het halfgeleidermateriaal snel te verwarmen tot temperaturen waar praktisch volledige absorptie optreedt.

Een werkwijze volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk dat van de door de stralingsbron aan de lagenstruktuur toegevoerde energie tenminste 4% in de lagenstruktuur wordt geabsorbeerd en ten hoogste 60% aan 20 het onderliggende substraat wordt toegevoerd.

De uitvinding berust op het inzicht dat dit bereikt kan worden door een geschikte opbouw van de lagenstruktuur met name door de diktes van de verschillende lagen zodanig op elkaar af te stamen dat een snelle opwarming in de eerste elektrisch isolerende laag en de bekledingslaag op-25 treedt. Hierdoor wordt ook het tussenliggende halfgeleidermateriaal relatief snel opgewarmd tot een temperatuur waarbij het zich praktisch metallisch gedraagt en een groter deel van de straling absorbeert. De verwarming van het geheel kan desgewenst nog versneld worden door het substraat al dan niet tijdelijk te verwannen met behulp van een verwarmingselement.

30 Een voorkeursuitvoering van een werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat in de lagenstruktuur de bekledingslaag een dikte bezit van praktisch S en de laag polykristallijn halfgeleidermateriaal en de elektrisch isolerende laag diktes bezitten van praktisch j X" en ^ X1" , waarbij m even is, n en n' oneven zijn, terwijlX ,X' en X" 35 de golflengtes zijn van de elektromagnetische straling in respectievelijk de bekledingslaag, de laag polykristallijn halfgeleidermateriaal en de eerste elektrisch isolerende laag.

Bij een dergelijke lagenstruktuur kan een absorptie bij kamer- 8500931 PHN 11.339 3 temperatuur bereikt warden van ca 8% terwijl slechts 32% van de stralingsenergie aan het onderliggende substraat wordt toegevoerd. In de struktuur zoals getoond in de Japanse Tervisielegging Kokai No. 57-124423 wordt weliswaar geen dikte van de bekledingslaag genoemd, maar bij gangbare 5 diktes van deze laag wordt nog altijd meer dan ca. 60% van de elektromagnetische energie aan het onderliggende substraat toegevoerd, terwijl bij de daarvoor geldende dikte van de bekledingslaag de absorptie in de lagenstruktuur zeer laag is (ca 1%).

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van 10 enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 een lagens truktuur toont, geschikt voor een werkwijze volgens de uitvinding terwijl

Figuur 2 schematisch aangeeft hoe, als funktie van de dikte van de laag polykristallijn halfgeleidermateriaal in een dergelijke laag de 15 absorptie, de transmissie en de reflectie van door een monochrcmatische stralingsbron geleverde energie verloopt en

Figuur 3 een meerlagenstruktuur toont, geschikt voor toepassing van een werkwijze volgens de uitvinding.

De figuren zijn schematisch en niet cp schaal getekend. Over-20 eenkcmstige elementen zijn in de regel met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

Figuur 1 toont een inrichting 1 met cp een substraat 10 een lagens truktuur 2. Het substraat 10 is bijvoorbeeld een siliciumlichaam en kan bijvoorbeeld voltooide halfgeleiderschakelingen bevatten. Het 25 substraat 10 kan echter ook uit elektrisch isolerend materiaal (glas of saffier) bestaan. De lagens truktuur 2 bevat in dit voorbeeld een eerste laag 3 van siliciumdiaxyde met een dikte van ca. 1,25^u meter, hetgeen overeenkomt met ca. jAUi , waarbij λ1*' de golflengte in siliciurrdioxyde is van de door een C02-laser uitgezonden straling (ca. 10,6^,u meter in 30 vacuo) en een polykristallijne siliciumlaag 4 met een dikte van ca.

0,77^,u meter hetgeen overeenkomt met ca. j?\U , waarbij λ*' de golflengte in polykristallijn silicium is van een dergelijke straling. De lagens truktuur bevat voorts een bekledingslaag 5 van siliciurrdioxyde met een dikte van ca. 2,5^u meter overeenkomend met ca. j , waarbij "X 35 weer de golflengte in siliciumdioxyde is van de door een CC^-laser uitgezonden straling. Tussen de verschillende lagen kunnen zich desgewenst nog niet getekende dunne lagen van bijvoorbeeld siliciumnitride bevinden die als diffusiereraner kunnen fungeren of een betere benatting dan wel goede S 5 0 0 9 3 1 PHN 11.339 4 thermische en mechanische aanpassing bewerkstelligen. Hierbij is de totale dikte van de dubbellaag van een tussenlaag en de lagen 5,4,3 weer respektievelijk ca. —A , X' en jAv* ·

In bepaalde toepassingen, bijvoorbeeld bij de vervaardiging van 5 zogeheten driedimensionale IC's of op elektrisch isolerende substraten aangebrachte lagen polykristallijn silicium is het gewenst de laag 4 geheel of gedeeltelijk cm te zetten in monokristallijn silicium teneinde hierin actieve elementen zoals trans is toren of andere schakelingselemen-ten te kunnen realiseren.

10 Volgens de uitvinding wordt de lagenstruktuur 2 hiertoe bestraald met monochromatische straling 6, afkomstig van een CC^-laser. Bij kamertemperatuur laat de laag 4 dergelijke straling echter vrijwel volledig door, zodat zonder speciale maatregelen de gewenste verhitting tot het smeltpunt, waarna rekristallisatie tot monokristallijn silicium kan plaats-15 vinden bijzonder veel energie en tijd vergt. Een groot gedeelte van de niet-geabsorbeerde energie kan daarbij bovendien doordringen tot in het substraat 10 en daar beschadigingen veroorzaken; zo kunnen, indien reeds schakelingen gerealiseerd zijn door de optredende verhitting geleider-sporen geheel of gedeeltelijk smelten en kan in halfgeleiderzones door de 20 verhoogde temperatuur uitdiffusie optreden.

De hier getoonde lagenstruktuur absorbeert in eerste instantie in de lagen 3 en 5 echter voldoende energie cm de polykristallijne sili-ciumlaag 4 snel te verhitten tot een temperatuur van praktisch 800°C. Bij deze temperatuur (en hogere) heeft het silicium een praktisch metallisch 25 karakter voor de betreffende golflengte en wordt vrijwel alle energie in de laag 4 geabsorbeerd. Dit snelle opwarmen van de lagenstruktuur 2 wordt al bereikt bij een absorptie in de lagenstruktuur 2 vanaf ca. 4% van de energie van de straling 6. (bij kamertemperatuur). De opwarming kan nog worden versneld door de inrichting 1 desgewenst vooraf, anderszins te ver-30 hitten bijvoorbeeld door het geheel cp een substraatverwarmer te plaatsen. De temperatuur in het substraat 1 mag daarbij uiteraard niet zodanig hoog oplopen dat de hierboven genoemde beschadigingen optreden.

Hoewel in de lagenstruktuur 2 van Figuur 1 voor de lagen 3,4,5 diktes gekozen zijn die nauw gerelateerd zijn aan de gebruikte golflengte 35 van de gebruikte straling is rondom deze diktes enige variatie mogelijk waarbij toch aan de voorwaarde wordt voldaan dat de absorptie voldoende hoog is (4% of meer) terwijl toch de transmissie van de straling 6 en daarmee het gedeelte van de energie dat het substraat 10 bereikt op een 8 5 0 0 9 3 1 EHN 11.339 5 aanvaardbaar niveau (<60S) blijft.

Dit wordt duidelijk getaakt aan de hand van Figuur 2 waarin voor de lagenstruktuur 2 respektievelijk de absorptie (curve 7), de transmissie (curve 8) en de refléktie (curve 9) voor de straling 6 met een golf-5 lengte van 10,6^u meter zijn weergegeven bij variërende dikte van de tussenlaag 4, zoals deze gelden bij kamertemperatuur. Uit de figuur blijkt dat de transmissie laag is (< 45%) bij een voldoend hoge absorptie (> 8%) als de laag 4 van polykristallijn silicium in dikte varieert tussen 0,2?C en 0,3 X*.

10 Op soortgelijke wijze blijkt een zekere spreiding mogelijk in de diktes van de bekledingslaag en de eerste elektrisch isolerende laag 1 “V* 1 vW» rondan respektievelijk de waarden ^Aen^A » waarbij toch nog de absorptie minstens 4% bedraagt bij een toelaatbare transmissie (ζ 60%). Hierbij zij ppgemerkt dat tussen de polykristallij ne siliciumlaag 4 en de 15 Si02~ lagen 3, 5 evenueel aangepaste dunne tussenlagen (ca. 10-20 nanometer) aangebracht kunnen worden van bijvoorbeeld siliciumnitrade. Deze lagen dienen enerzijds on een goede hechting tussen de lagen te verkrijgen, anderzijds cm het temperatuurprofiel in de lagenstruktuur te optimaliseren of mechanische spanningen cp te vangen. Bovendien heeft siliciunr 20 nitride een goede etsselektiviteit en een chemisch inert karakter.

Meer algemeen blijkt dat aan de genoemde voorwaarden (absorptie ^ 4% bij een transmissie < 60%) wordt voldaan door voor de toplaag een m Tk* dikte te kiezen van ca. — a waarbij m een even getal is en voor de tussenlaag en de eerste elektrisch isolerende laag diktes te kiezen van ca. n 'i11 n* 25 jA en ^ a waarbij nenn1 oneven getallen zijn.

Figuur 3 toont tenslotte een uitbreiding van de meer lagenstruktuur 2 met een daaronder gelegen extra polykristallijne siliciumlaag 12 die van een substraat 10 gescheiden is door een extra elektrisch isolerende laag 11 van siliciumoxyde.

30 De polykristallijne laag 12 kan bijvoorbeeld zwaar gedoteerd zijn en deel uitmaken van een bedradingspatroon dat schakelingselementen, gerealiseerd in het substraat 10 verbindt met in het te vormen monokristallijn silicium aan te brengen halfgeleiderelementen. Ook voor deze struktuur geldt dat bij bestraling net elektromagnetische straling 6, afkomstig van 35 een CC^-laser, rekristallisatie van de lagen 4 en 12 optreedt bij diktes van de lagen 3,4,5 zoals hierboven aangegeven. Een verdere optimalisatie wordt verkregen door voor de lagen 11 en 12 weer diktes te kiezen van ca. 1,25^u meter en 0,77^u meter.

85 0 0 i c - EHN 11.339 - 6

* V

Meer algemeen kiest men voor de lagen 11 en 12 respektievelijk n« v u \w diktes rond waarden van respektievelijk -j /\ en j \ waarbij n en n oneven zijn terwijl Λ. en Λ de golflengtes zijn van de elektromagnetische straling in respektievelijk de extra elektrisch isolerende laag en 5 de extra laag polykristallijn halfgeleidermateriaal.

Uiteraard is de uitvinding niet beperkt tot het hier beschreven voorbeeld maar zijn binnen het kader van de uitvinding voor de vakman diverse variaties mogelijk. Zo kan in het bovenstaande voorbeeld in plaats van een CC^-laser ook een CO-laser of een neodymium gedoopte YAG-laser 10 gebruikt worden . Ook kunnen andere halfgeleidermaterialen worden gekozen zoals bijvoorbeeld een III-V materiaal als Ga As ten behoeve van opto-elektronische toepassingen of II-VI materialen of een combinatie van GaAs en silicium in êên halfgeleiderinrichting. Zonodig kan daarbij een andere laser gekozen worden met een golflengte waarbij het GaAs praktisch geheel 15 doorlatend is zoals een neodymium gedoopte YAG-laser. In plaats van sili-ciumdioxyde kan zowel in de tussenlagen als in de bekledingslaag ook sili-ciunnonoxyde gekozen worden. Daarnaast kan voor de laag 4 amorf silicium werden genomen.

20 25 30 35 S5'C0931

Claims (10)

1. Werkwijze voor het onzetten van polykr is tal f^rf^^gele Mermate-riaal in praktisch monokristallijn halfgeleidermateriaal waarbij qp een substraat een lagenstruktuur bevattende een laag polykristali^ji^?^®ge-leiderinateriaal tussen een eerste elektrisch isolerende laag en een bekle- 5 dingslaag bestraald wordt met een stralingshron die praktisch itonochroma-tische elektromagnetische straling levert waarvoor het polykr is tallijn of anryf halfgeleidermateriaal althans bij kamertemperatuur praktisch geheel doorlatend is, met voldoende energie om de lagens truktuur zodanig te verhitten dat het polykristalli^Tvfi®ïgeleidennateriaal althans plaatselijk atr 10 gezet wordt in monokristallijn halfgeleidermateriaal met het kenmerk dat van de door de stralingshron aan de lagens truktuur toegevoerde energie ten minste 4% in de lagens truktuur wordt geabsorbeerd en ten hoogste 60% aan het onderliggende substraat wordt toegevoerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk dat in de lagen- m 15 struktuur de bekledingslaag een dikte bezit van praktisch j Λ en de laag polykristallrjr^aE^leidermateriaal en de elektrisch isolerende laag dik- n nh η tes bezitten van praktisch ^.A en waarbij m even is, nenn' oneven zijn, terwijl Λ , λ enA de golflengtes zijn van de elektromagnetische straling in respektievelijk de bekledingslaag, de laag polykristali^ï^S^ 20 geleidermateriaal en de eerste elektrisch isolerende laag.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat de lagen-struktuur tussen de eerste elektrisch isolerende laag en het substraat tenminste een dubbellaag bevat met een extra elektrisch isolerende laag en een daarop geleg^r^ïSlé polykristallijn halfgeleidermateriaal.

4. Werkwijze volgens conclusie 3 met het kenmerk dat de extra isole rende laag en de extra laag polykristallijn halfgeleidermateriaal diktes ' η μ ·\ iv n u \d bezitten van praktisch 7·. A en 7·. A waarbij n en n even zijn terwijl Jy ^ * ** λ en Λ de golflengtes zijn van de elektromagnetische straling in respektievelijk de extra isolerende laag en de extra laag polykristallijn 30 halfgeleidermateriaal.

5. Werkwijze volgens êên der vorige conclusies met het kenmerk dat de elektromagnetische straling afkomstig is van een CC^-laser, of een 00-laser of een Nd-YAG-laser.

6. Werkwijze volgens één der vorige conclusies met het kenmerk dat 35 het substraat zich vooraf op een verhoogde temperatuur bevindt.

7. Werkwijze volgens êên der vorige conclusies met het kenmerk dat het substraat bestaat uit een halfgeleiderlichaam waarin schakelingsele-menten zijn gerealiseerd. 8500331 EHN 11.339 8

8. Werkwijze volgens één der vorige conclusies net het kenmerk dat de lagenstruktuur ten behoeve van een betere onderlinge aanpassing voorzien is van ten minste een tussenlaag tussen een polykristallij ne halfgeleider laag en een of meer van de andere lagen.

9. Inrichting voorzien van monokristallijn halfgeleidermateriaal dat is aangebracht met behulp van een werkwijze volgens één der conclusies 1 t/m 8.

10 15 20 25 30 35 e r rs λ g i 1 Ö J y v s O 1