автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Фазоструктурные переходы в слоях кремния при импульсной лазерной перекристаллизации

сИ БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

СП

^УДК 621.315

ТАТУР Геннадий Анатольевич

ФАЗОСТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СЛОЯХ КРЕМНИЯ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

05,27.01-твёрдотельяая электроника, микроэлектроника и наноалекгроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фшико-штематияеских наук

МИНСК-1997

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики им. Б.И. Степанова Академии наук Беларуси

Научные руководители: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Мостовников ВА

кандидат физико-математических наук Батище С.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Яблонский Г.П.

кандидат физико-математических наук Инпев Г.Д.

Оппонирующая организация: научно-исследовательское

конструкгорско-технологическое предприятие "Белмикросистемы" НПО "Интеграл"

Защита состоится " 24 " апреля 1997 г. в 15 часов на заседании Совета по защите диссертаций Д 02.15.03 по присуждению учёной степени кандидата физико-математических наук в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (220027, г. Минск, ул. П. Бровки, 6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГУИР.

Автореферат разослан марта 1997 г.

Учёный секретарь

Совета, по защите диссертаций

доктор физ.-мат. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Несмотря на большое разнообразие применяемых в микроэлектронике материалов, кремний и различные структуры на его основе остаются основными материалами при производстве интегральных схем (ИС) в настоящее время И на обозримое будущее. Однако для повышения функциональной сложности, степени интеграции и быстродействия шпегралышх схем требуется поиск новых высокоэффективных технологических методов их производства. Одним из наиболее перспективных направлений в реализации этих требований является разработка технологии изготовления интегральных микросхем с вертикально интегрированной структурой.

Основой технологии трёхмерных ИС является формирование элементов интегральной схемы в тонких (микронной толщины) слоях кремния, осаждаемых на слое диэлектрика (структура типа кремний на диэлектрике) и их монолитное наложение друг на друга. Наиболее часто используемый изолятор—кварцевая подложка или термически выращенный слой БЮ2 на кремниевой подложке. Основной трудностью при создании трехмерных интегральных схем является Получение монокристаллических областей заданных размеров на диэлектрических аморфных подложках со структурными и электрофизическими характеристиками, близкими к эпитаксиалышм слоям. Использование импульсного лазерного излучения наносекундного диапазона длительности для этих целей представляется наиболее подходящим, поскольку из-за высокой локальности его воздействия нагреву подвергается только тонкий слой материала на поверхности, в то время как нижележащие слои не подвергаются значительным температурным воздействиям, вследствие чего их параметры не изменяются при формировании вышележащих слоев.

Изменение структуры и свойств указанных выше пленок существенно зависит от их исходной структуры, свойств слоев и условий кристаллизации. Определение оптимальных режимов обработки таких структур требует детального знания физики происходящих при этом процессов и является актуальным для разработки физических основ технологи! создания трехмерных ИС.

Кроме того, перспективным представляется использование импульсного лазерного излучения для улучшения характеристик тонких плёнок аморфного и поликристаллического кремния большой площади, используемых при создании элементов солнечных батарей и плоских

дисплеев в системах отображения информации. Основным недостатком таких пленок является наличие большого числа границ зёрен. Применение метода лазерной перекристаллизации таких плёнок может существенно увеличить размер зерна и тем самым уменьшить паразитное влияние границ зёрен на характеристики приборов.

В связи с этим актуальной является проблема создания лазерных источников наносекундного диапазона длительности импульса, обладающих повышенной однородностью распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка и пригодных для высококачественного отжига полупроводниковых структур на большой площади.

Значительное внимание в исследованиях уделялось выяснению роли различных параметров лазерного излучения на процесс перекристаллизации, в том числе—длительности импульса. Первые эксперименты были сделаны с использованием лазерных импульсов наносекундной и микросекундной длительности. Однако, к моменту постановки диссертационной работы детальных исследований особенностей фазоструктурных переходов в слоях кремния при воздействии лазерных импульсов миллисекундной длительности не проводилось.

Целью диссертационной работы являлось выяснение требований к импульсному источнику лазерного излучения, обеспечивающих отжиг кремниевых пластин на большой площади с минимальным уровнем структурных дефектов, а также изучение особенностей протекания процессов плавления и кристаллизации в кремниевых структурах при модификации их свойств под воздействием импульсного лазерного излучения миллисекуцдного и наносекундного диапазонов длительностей-

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

I. Показано, что применение излучения лазера на неодимовом стекле наносекундного диапазона длительности импульса с модуляцией добротности резонатора вращающейся призмой-крышей обеспечивает в оптимальных режимах обработки минимальный уровень структурных дефектов в эпитаксиалышх лазерно-отожжённых кремниевых слоях, вследствие высокой однородности пространственного распределения излучения по сечению пучка, обусловленной изменением модовой структуры излучения за время формирования импульса.

2. Установлено, что при обработке кремниевых слоёв импульсным лазерным излучением миллисекундиой длительности в режимах облучения, близких к порогу плавления поверхности, реализуется автоколебательный процесс многократного плавления и кристаллизации локальных областей кремния за время лазерного импульса. Показано, что в этих условии на МКК подложках формируются не наблюдавшиеся ранее поверхностные структуры игольчатого типа, морфология которых определяется кристаллографической ориентацией поверхности и не Зависит от поляризации лазерного излучения.

Установлен механизм формирования поверхностных структур (ПС) при перекристаллизатт монокристаллического кремния импульсным лазерным излучением миллисекундиой длительности, в основе которого лежит кристаллографическая анизотропия свойств границы раздела между подложкой и жидкой фазой.

3. Установлено, что при обработке кремниевых структур типа ПКК/МКК, ПКК/ЗЮг/МКК, Бьсапфир, пористый кремний импульсным лазерным излучением наносекундной длительности при определёшшх условиях на фазе остывания переохлаждается весь слой расплава, вследствие чего реализуется процесс кристаллизации как от подложки, так и с поперхности слоя расплава. Выделяющаяся при движении снизу фронта кристаллизации скрытая теплота приводит к прекращению кристаллизации на поверхности и повторному частичному плавлению образовавшейся там мелкокристаллической твёрдой фазы.

Установлено, что в данных режимах обработки на поверхности перекристаллизованного слоя образуется крупнозернистая структура с развитым рельефом поверхности, причём переход от мелкозернистой к крупнозернистой структуре носит обратимый пороговый характер.

4. Показано, что при перекристаллизации слоёв пористого кремния на монокристаллических кремниевых подложках лазерным излучением наносекундной длительности в энергетическом интервале 0.45-0.9 Дж/см2 на длине волны 0.53 мкм идёт процесс эпитаксиальной кристаллизации и реализуется структура типа монокристаллический кремний — пористый кремний — монокристаллический кремний.

5. Определены оптимальные режимы лазерной обработки, позволяющие получать термически стабильные пересыщенные растворы замещения сурьмы в кремнии вплоть до температур 1050°С при превышении предела равновесной растворимости не более чем в 2-3 раза.

Практическая значимость полученных результатов;

1. Разработана конструкторская документация. и создан экспериментальный образец технологической установки для лазерного отжига кремниевых структур большой площади на базе моноимпульсного лазера на неодимовом стекле с модуляцией добротности вращающейся призмой-крышей, имеющего энергию излучения на Я=1.06 мкм 25-30 Дж, на А.=0.53 мкм 5-6 Дж и длительность импульса излучения -50 не.

2. Исследованы особенности перекристаллизации кремниевых структуры типа ПКК/МКК, IIKK/SiC^/MKK, Si-сапфир, пористый кремний под воздействием лазерного излучения миллисекундной и наносекундной длительностей импульсов и определены условия формирования совершенных дазерно-огожжёшшх поверхностных кремниевых слоев.

3. Предложен способ измерения толщины тонких шероховатых плёнок кремния в микроэлектронном производстве (A.c. 4687819/28 СССР), а также показана возможность построения цифрового оптического реверсивного носителя информации, основанные на явлении порогового обратимого изменения кристаллической структуры слоя кремния под воздействием лазерного излучения наносекундной даительности.

4. Определены условия формирования эгщтаксиальных слоев кремния при наносекундном лазерном плавлении слоев пористого кремния.

5. Предложены технологические процессы, использующие лазерное излучение наносекундного диапазона даительности импульса с высокой степенью пространственной однородности по сечению пучка для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем (A.c. N1347799 СССР), формирования эпигаксиальных структур "кремний на диэлектрике" A.c. 1414216 СССР).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту;

1. Образование поверхностных структур игольчатого типа на монокристаллических кремниевых подложках под воздействием лазерного излучения миллисекундной длительности происходит вследствие кристаллографической анизотропии свойств границы раздела

между подложкой и жидкой фазой в условиях многократного плавления и кристаллизации локальных областей во время лазерного импульса.

2. При ' воздействии лазерного излучения наносекундной длительности на кремниевые структуры типа ПКК/МКК, nKK/Si02/MKK, Si-сапфир при полном плавлении слоя кремния, в условиях, когда переохлаждается весь слой расплава, процесс кристаллизации начинается одновременно как с поверхности, так и от границы раздела расплав — твёрдая фаза, причём при кристаллизации Происходит повторное плавление образовавшейся на поверхности слоя расплаиа твердой фазы и перекристаллизоваиный слой приобретает крупнокристаллическую структуру. Переход от исходной мелкокристаллической структуры к крупнокристаллической имеет пороговый характер и является обратимым.

3. Перекристаллизация слоев пористого кремния лазерными импульсами наносекундной длительности позволяет получить

• эпитаксиальные слои мопокристаллического кремния на пористом кремнии, то есть структуру типа: монокристаллический кремний /пористый кремний /монокристаллическая подложка.

4. Применение лазера на неодимовом стекле с модуляцией добротности резонатора вращающейся призмой-крышей обеспечивает в оптимальных режимах обработки минимальный уровень структурных дефектов в эгштаксиальных лазерно-огожжённых кремниевых слоях вследствие высокой пространственной однородности излучения, обусловленной изменением модовой структуры за время импульса.

Личный вклад соискателя

Непосредственное участие совместно с научными руководителями в постановке задач исследований. Разработка методик экспериментов, проведение экспериментов и обработка полученных результатов. Проведение теоретических оценок, интерпретация полученных зависимостей. Оформление полученных результатов.

Научные руководители Мсстовников В.А. и Батище С.А. оказывали содействие на всех этапах выполнения данной работы. Кузьмук A.A. участвовал в экспериментах по исследованию динамики процессов плавления кремниевых структур лазерными импульсами наносекундной длительное™. Лабунов В.А., Демчук A.B. участвовали в постановке задачи, интерпретации полученных результатов. Демчук A.D. ойесп&чивал

также проведение структурных исследований образцов. Пристрем А.М. принимал участие в проведении исследований по термостабильности пересыщенных растворов замещения сурьмы в кремнии. Остальные соавторы оказывали содействие к подготовке экспериментов и обсуждении их результатов на отдельных этапах выполнения работы.

Апробация результатов диссертации

Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

Всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники", Минск, 1985 г.

5-я Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Минск, 1988 г.

7-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Санкт-Петербург, 1993.

7-th International Conference IPAT, Geneva, 1989.

Опубликованность результатов

Основные результаты работы опубликованы в десяти статьях /100109/ и четырёх тезисах докладов /110-113/. Получены три авторских свидетельства на изобретения /114-116/.

Диссертация состоит из введения, общей характеристики, пяти глав и выводов. Она содержит 128 страниц текста, в том числе 35 рисунков, 3 таблицы и список использованных источников, насчитывающий 116 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость работы, изложены краткое ' содержание работы и защищаемые положения, а также указан личный вклад соискателя.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В разделе 1.1 кратко рассмотрены основные модели и механизмы лазерного отжига полупроводников, среди которых на начальном этапе развития исследо-

ваний основными были тепловая модель и различные варианта плазменной модели.

В разделе 1.2 дан краткий обзор экспериментальных методов исследования перекристаллизации полупроводников во время и после импульсного лазерного воздействия. В этой же главе приведены основные экспериментальные результаты, отражающие особенности перекристаллизации кремниевых, слоев при наносекундиом лазерном воздействии. Отмечается, что основным фактором, определяющим специфику протекания процессов перекристаллизации в таких условиях является их сильная неравновесность. Основное внимание в обзоре уделено экспериментальным исследованиям, позволяющим наблюдать процессы плавления и кристаллизации материала в процессе облучения. Отмечается также, что к моменту постановки настоящих исследопаиий основное внимание исследователей было сосредоточено на изучении модификации структуры аморфизованных иотюй имплантацией слоев кремния, в то время как вопросы перекристаллизации кремниевых структур типа ПКК/.'ЗЮ2/МКК, ПКК/МКК, пористый кремний изучены недостаточно.

Во второй глппе приводится описание исследований, направленных на выяснение требований к источнику импульсного лазерного излучения, реализация которых обеспечивает отжиг кремшгсвых структур большой площади с минимальным уровнем структурных дефектов. Отмечается, что прежде всего для этого в поперечном сечении лазерного пучка, должны отсутствовать "горячие точки", которые приводят к появлению дефектов различного рода в лазерно-отожженных кремниспых слоях. Кроме того, лазерный пучок должен быть таким, чтобы из него можно было выделить зону с практически прямоугольным распределением интенсивности излучения в сечении, а энергии было достаточно для проведения отжига сразу на площади ~1 см2 и более, с тем, чтобы проводить обработку одного или нескольких "чипов" за один лазерный импульс, а дефекты, возникающие в результате лерекрытия соседних зон перекристаллизации выводить в дорожки скрайбирования. С использованием лазеров на неодимовом стекле и АИГ:Ш3+, имеющих различные схемы построения, проводится сравнительный анализ результатов отжига образцов ионно-имплантированного кремния, а также качества и воспроизводимости параметров эпитаксиадьных слоев кремния, выращенных на пластинах с ионно-имплантированными и лазерно-отожжёшшми скрытыми слоями.

Делается вывод о том, что наилучшие результаты дает использование лазера на неодимовом стекле с модуляцией добротности вращающейся призмой-крышей по сравнению с лазерами с модуляцией добротности электроолтическим и пассивным затвором, а также лазерами с обращением волнового фронта. Связано это, вероятно, с тем, что при модуляции добротности вращающейся призмой-крышей за время формирования моноимпульса происходит изменением модовой структуры излучения, в результате чего отсутствуют "горячие" точки. Здесь приводится описание оптической схемы, разработанной с учетом сформулированных требований, лазерной устанопки на неодимовом стекле для перекристаллизации кремниевых структур, а также описание оптической схемы установки для изучения динамики изменения оптических свойств поверхности материалов во время и после лазерного воздействия. В этой же главе описаны метлики подготовки образцов для исследований и методики структурных исследований облучённых образцов.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по исследованию перекристаллизации кремниевых слоев излучением лазера на неодимовом стекле, работающего и режиме свободной генерации (Я =1,06 мкм, 1И=560 мкс). Изменение состояния поверхности во время облучения регистрировали с использованием методики регистрации отражённого от поверхности излучения 11с-№ и Не-С(1 лазеров (Х=0,632 мкм, Х.==0,441 мкм, А=0,325 мкм).

В разделе 3.1 приведены результаты исследования процессов плавления и кристаллизации слоев монокристаллического кремния при воздействии излучением с плотностью энергии в диапазоне 1-60 Дж/см^. Показано, что в режимах локального плавления поверхности (8-17 Дж/см2) в осциллограммах отражённого сигнала наблюдаются значительные высокочастотные модуляции. В этих же режимах обработки на поверхности закристаллизовавшегося полупроводника наблюдались поверхностные структуры (ПС) игольчатого типа, не наблюдавшиеся ранее. Зарождение расплавленной фазы на поверхности монокристаллического кремния носит локальный характер и протекает в сильно неравновесных условиях. Поверхностные структуры образуются вследствие анизотропии свойств границы раздела между монокристаллической подложкой и жидкой фазой в условиях процесса многократного плавления и кристаллизации локальных областей поверхности во время импульса лазера. Исследована морфология

поверхности монокристаллического кремния в широком диапазоне изменения плотности энергии лазерного излучения.

В разделе. 3.2 приводятся экспериментальные результаты, отражающие особенности перекристаллизации слоёв поликристаллического кремния на монокристаллических и аморфных диэлектрических подложках при миллисекундном лазерном воздействии.

Четвёртая глава посвящена исследованиям особенностей перекристаллизации кремниевых структур импульсами лазерного излучения наносекундной длительности (^=0,53 мкм и Х,= 1,06 мкм, 1=50 не). В разделе 4.1 приводятся результаты исследовать воздействия импульсов лазера на кремниевые слои при наличии диэлектрического теплоизолирующего слоя (ДТИ) (структуры типа ПКК/8Ю2 и/или 81зИ4/МКК, кремний на сапфире). Показано, что в этом случае при проплавлении слоя кремния на всю глубину кристаллизация расплава имеет существенные особенности. Анализ временной зависимости интенсивности зеркально-отражённого и рассеянного обрабатываемой поверхностью зондирующего излучения в совокупности с данными оптической и растровой электронной микроскопии показал, что в данных режимах лазерного воздействия при определённых толщинах слоёв кремния и ДТИ слоя процесс затвердевания идёт как с поверхности, так и из глубины (от подложки), причём при кристаллизации происходит повторное плавление образовавшейся па поверхности слоя расплава твёрдой фазы. Этот процесс имеет пороговый характер. Дальнейшее. увеличите плотности энергии лазерного излучения существенно не меняет хода кристаллизации вплоть до разрушения слоя кремния.

Приводятся экспериментальные данные по влиянию параметров исследуемых структур на указанный процесс кристаллизации. Здесь же приведены результаты по изменению морфологии исследуемых структур с ДТИ слоем в соответствии с условиями лазерного воздействия. Показано, что при плавлении слоя ПКК на определённую глубину в результате перекристаллизации происходит уменьшение размера зерна и исчезновение исходной текстуры плёнки. При проплавлении ПКК на всю глубину он после перекристаллизации приобретает крупнокристаллическую структуру с развитым рельефом поверхности. Переход от мелкокристаллической структуры к крупнокристаллической имеет пороговый характер, при этом плотность энергии лазерного излучения Епор.» соответствующая фазоструктурному переходу, зависит

как от толщины слоя ПКК, так и от толщины ДТИ слоя.

Принципиально важным япляется тот факт, что указанный фазо-структурный переход является обратимым, т.е. при Е>ЕПор. структура перекристаллизованного слоя всегда является крупнокристаллической, а при Е<ЕПОр она всегда остаётся мелкокристаллической независимо от предыстории поверхности. Данный эффект предлагается использовать для создания оптического реверсивного носителя информации, а также для измерения толщины тонких кремниевых плёнок.

В разделе 4.2 приведены результаты исследований фазоструктурных переходов в слоях поликристаллического кремния на монокремнии. Методами динамического оптического зондирования, оптической и электронной микроскопии и электронографии показано, что с повышением плотности энергии излучения в диапазоне 0,1-5,0 Дж/см2 наблюдается последовательный переход от текстурировшпюго к мелкокристаллическому (с размером зерна меньше исходного), затем крупнокристаллическому поликремнию. Крупнокристаллический поликремний образуется в очень узком диапазоне плотностей энергий, когда фронт плавления достигает границы раздела ПКК/МКК. Показано, что в этом случае процесс кристаллизации идет как с поверхности слоя расплава, так и от границы раздела расплав-подложка. Дальнейшее увеличение плотности энергии приводит к частичному плавлению МК1С подложки, в результате чего реализуется процесс эпитаксиальной кристаллизации.

В разделе 4.3 изложены результаты исследований процесса перекристаллизации импульсным лазерным излучением слоев пористого кремния. Характер изменения интенсивности зеркально-отражённого сигнала для разных значений плотности энергии показал, что плавление пористого кремния начинается в локальных областях, постепенно охватывая всю поверхность. При этом коэффициент отражения от полностью расплавленной поверхности соответствует отражению от жидкого кремния. Электронографические исследования поверхности перекристаллизованных, слоев показали, что в диапазоне плотностей энергии 0,45-0,9 Дж/см2 (Х=0,53 мкм) реализуется процесс эпитаксиальной кристаллизации пористого кремния. Анализ осциллограмм зеркально-отражённого зондирующего излучения и исследования микроструктуры поверхности, проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии, показали, что ггри увеличении плотности энергии свыше 0,9 Дж/см2 процесс кристадин-

зации имеет существенные особенности и протекает подобно наблгодавв1емуся на структурах с ДТИ слоем. В осциллограммах отражённого излучения на заднем фронте наблюдалось немонотонное изменение интенсивности зондирующего излучения, в то время как на поверхности появлялись микронеоднородности выпуклой куполообразной формы с мелкокристаллической структурой, а окружающая их область имела монокристаллическую структуру. В данном разделе также проанализировано влияние пористости материала на процесс его перекристаллизации.

Пятая глава посвящена исследованию термостабильности пересыщенных растворов замещения сурьмы в кремнии, которые получены ионной имплантацией ионов сурьмы в монокристаллический кремний и последующим отжигом импульсами излучения неодимового лазера на длинах волн 1,06 мкм и 0,53 мкм. Показано, что для каждой длины волны существует оптимальный диапазон плотностей энергии лазерного излучения, в котором качество поверхности и кристаллическая структура отожжённого слоя наилучшие. В этих же режимах облучения электрические свойства отожжённого слоя также наилучшие. Приведены результаты исследований влияния на термостабилыюсть лазерно-активированной примеси различных условий получения пересыщенного раствора замещения—дозы имплантации, плотности энергии и длины волны лазерного излучения, температуры подогрева кремниевых пластин при лазерном отжиге, а также условий (температуры, продолжительности и атмосферы) последующего термического отжига в диффузионной печи. Сопоставление указанных результатов и профилей распределения электрически активной сурьмы до и после термической обработки показало, что пересыщенные растворы замещения сурьмы в кремнии, полученные ионной имплантацией и импульсным лазерным отжигом, могут быть термостабильными вплоть до температур отжига 1050°С, проводимого в атмосфере азота, если максимальная концентрация сурьмы в лазерно-отожжённом слое не превышает предельную равновесную концентрацию растворимости сурьмы в кремнии более, чей в 2-3 раза, а лазерный отжиг проводится в оптимальных режимах, когда концентрация структурных дефектов в данном слое минимальная. Показано, что причиной термической неустойчивости указанных слоев является взаимодействие узельной сурьми с дефектами кристаллической решётки и сток излишка примеси в дефекты, поскольку такой процесс уменьшает степень неравновесности раствора сурьмьг в кремнии.

ВЫВОДЫ

1. Показано, что применение лазера на неодимовом стекле с модуляцией добротности резонатора вращающейся призмой-крышей обеспечивает в оптимальных режимах обработки минимальный уровень структурных дефектов в эпитаксиальных лазерно-отожжённых кремниевых слоях вследствие высокой пространственной однородности излучения, обусловленной изменением модовой структуры за время формирования импульса.

Разработана и создана лазерная система для технологической установки лазерного отжига кремниевых пластин в микроэлектронном производстве.

2. Установлено, что при воздействии лазерного излучения миллисекундной длительности на кремниевые слои в режимах облучения, близких к порогу плавления поверхности, реализуется автоколебательный процесс многократного плавления и кристаллизации локальных областей кремния за время действия лазерного импульса, основной причиной которого является различие коэффициентов отражения света жидкой и твёрдой фаз кремния.

Показано, что в этих режимах лазерной обработки на поверхности монокристаллического кремния вследствие кристаллографической анизотропии свойств границы раздела между подложкой и жидкой фазой в результате процессов многократного плавления и кристаллизации локальных областей образуются поверхностные структуры игольчатого типа, морфология которых определяется кристаллографической ориентацией поверхности.

3. Показано, что при воздействии лазерного излучения наносекундной длительности на кремниевые структуры типа ПКК/МКК, ПКК/8Ю2/МКК и 81-сапфир при условиях, зависящих егт толщин . исследуемых слоев, после полного проплавления слоя кремния на фазе остывания переохлаждается весь слой расплава, что приводит к зародышеобразованиго и росту твёрдой фазы как от подложки, так и с поверхности слоя расплава. Выделяющаяся при кристаллизации скрытая теплота, в условиях низкой теплопроводности подложки, приводит к прекращению кристаллизации с поверхности и повторному частичному плавлению образовавшейся там твёрдой фазы.

Показано, что в данных режимах лазерной обработки перекристаллизованный слой приобретает крупнокристаллическую

структуру с развитым рельефом поверхности. Установлено, что переход от мелкокристаллической структуры к крупнокристаллической при наносекундном лазерном, воздействии на структуры типа ПКК/МКК, ПКК/8Ю2/МКК, кремний на сапфире имеет пороговый характер и является обратимым. Указанный эффект обратимого изменения структуры кремниевого слоя предложено использовать для измерения толщины топких шероховатых плёнок в микроэлектрониом производстве. Показана возможность построения цифрового оптического реверсивного носителя информации на его основе.

Определены оптимальные режимы перекристаллизации указанных кремниевых структур лазерным излучением наносекундном длительности для формирования совершенных кристаллических поверхностных слоев.

4. Показано, что при воздействии лазерного излучения ианосекундной длительности с длиной волны 0,53 мкм на слои пористого кремния, полученные методом анодной обработки кремниевых пластин, п диапазоне плотностей энергии 0,45-0,9 Дж/см2 идёт процесс эпитаксиалыюй кристаллизации, в результате чего образуется структура типа монокремний/пористый кремний/МКК-подложка. При увеличении плотности энергии выше 0,9 Дж/см2 процесс кристаллизации начинается как на межфазной границе, так и на поверхности слоя расплава, что приводит к срыву процесса эпитаксиалыюй кристаллизации. Показано, что в данных режимах обработки на поверхности перекристаллизованного слоя образуются отдельные полтсристаллические зёрна, не связанные с нижележащей структурой.

5. Показано, что причиной термической неустойчивости пересыщенных растворов замещения сурьмы в кремнии является диффузия узельной сурьмы в дефекты кристаллической решётки, поскольку такой процесс приводит к уменьшению степешг неравновесности твёрдого раствора сурьмы в кремнии. Устранение структурных дефектов в слоях кремния при наносекундном лазерном облучении ионно-имплантировашшх слоев, проводимом в оптимальных режимах, позволяет получать термически стабильные пересыщенные растворы замещения сурьмы в кремнии вплоть до температур 1050°С при отжиге в атмосфере азота при превышении предела равновесной растворимости не более 2-3 раз.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Баттце C.À., Данилович Н.Й., Мостовииков В.А., Пристрем А.М., Татур Г.А Исследование термостабильности ионно-имплантированных и лазерно-отожжёшшх слоев кремния // ЖПС.-1987.-Т.46, N4.-C. 578-583.

2. Батище С.А., Данилович Н.И., Демчук А.В., Лабунов В.А., Мостопников В.А., Татур Г.А. Динамика рекристаллизации кремния импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности // ЖПС,- 1987.-Т.47, N2,- С. 289-293.

3. Батище С.А., Данилович Н.И., Демчук А.В., Лабунов В.А., Мосговииков В.А., Татур Г.А. Динамика перекристаллизации кремния импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности // Поверхность. Физика, химия, механика.-1988.-Ш.С. 115-123.

4. Батище С.А., Демчук А.В.Г Кузьмук А.А., Татур Г.А. Особенности кристаллизации кремниевых слоев на теплоизолированных подложках при наносекундном лазерном воздействии // Докл. АН БССР,-1989.-Т.ЗЗ, N12.-С. 1084-1086.

5. Batishche S.A., Demchuk A.V., Kuzmuk А.А., Labunov V.A., Moslovuicov V.A., Tatui G.A. Crystallization features of Silicon layers on thermo-instilated substrates under nanosecond laser radiation // Appl. Phys. A.-1990.-Vol. 50, N3.-P. 321-324.

6. Батище C.A., Демчук A.B., Кузьмук A.A., Лабунов B.A., Мостовииков В.A., Татур Г.А. Исследование процессов плавления и кристаллизации кремниевых слоёв на теплоизолированных подложках при наносекундном лазерном воздействии // Поверхность. Физика, химия, механика.-1991.-N8.-C.65-70.

7. Батище С.А., Демчук А.В., Кузьмук А.А., Лабунов В.А., Мостовииков В.А., Татур Г.А. Фазо-структурные переходы в слоях, поликристаллического кремния на монокремнии при воздействии лазерным излучением наносекундной длительности // Поверхность. Физика, химия, механика.-1992.-N1.-C.41-47.

8. Баттце С.А., Кузьмук А.А., Мостовииков В.А., Татур Г.А. Обратимые фазо-структурные переходы в кремниевых структурах типа nKK/Si02/MKK при воздействии лазерным излучением наносекундной длительности и возможность их применения в реверсивных оптических элементах памяти // Известия АН БССР.-1993,-N3.C.

9. Батшце С.А., Кузьмук А.А., Мостовников В.А., Татур Г.А. Динамика процессов плавления и кристаллизации при воздействии импульсного лазерного излучения на КНС-структуру // Поверхность. Физика, химия, механика,-1992.- N5.-С. 40-44.

10. Батшце С.А., Бондаренко В.И., Демчук А.В., Кузьмук А.А., Лабунов В.А., Литвинович Г.В., Мостовников В.А., Татур Г.А. Модифицирование структуры слоев пористого кремния импульсным лазерным изучением наносекундной длительности // Поверхность. Физика, химия, механика.-1992.-Щ.-С. 44-50.

И. Катите С.А., Демчук А.В., Татур Г.А. Импульсная лазерная рекристаллизация кремниевых слоев // Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники: Тез. докл.-Минск, 1985.

12. Батшце С.А., Мостовников В.А., Пристрем А.М., Татур Г.А. Исследование термостабильности иошю-имплантированных и лазерно-отожжённых слоев кремния // Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники: Тез. докл.-Минск, 1985.

13. Batishche S.A., Demehuk A.V., Labunov V.A., Mostovnikov V.A., A.A. Kuzmuk, Tatur G.A. Il Crystallization features of Silicon layers on thermoinsulated substrates under nanosecond laser radiation // 7-th Intern. Conf. IPAT: Geneva, 1989.-P.392-396.

14. Батище C.A., Бондаренко В.И., Демчук А.В., Кузьмук А.А., Лабунов В.А., Литвинович Г.В., Мостовников В.А., Татур Г.А. Исследования процессов плавления и кристаллизации кремниевых слоев при наносекундном лазерном воздействии // 7-я междушр. конф. "Оптика лазеров": Тез. докл.Санкт-Петербург, 1993.-С.535.

15. А.с. 1414216 СССР, МКИ3 H 01L 21/20. Способ изготовления эпитаксиальных структур "кремний на диэлектрике"/ Демчук А.В., Данилович Н.И., Батище С.А., Татур Г.А., Лабунов В.А. .-заявлено 26.05.1986, N4079338 // Разрешение на публ. от 22.01.1997.

16. А.с. N1347799 СССР, МКИ3 H 01L 21/268. Способ изготовления полупроводниковых интефалышх микросхем. Данилович Н.И., Пристрем А.М., Мостовников В.А., Батище С.А., Стержанов Н.И., Демчук А.В. Татур Г.А. - заявлено 9.08.1985, N3953708 // Разрешение на публ. от 22.01.97.

17. А.с. 4687819/28 СССР, МКИ О 01В 11/06. Способ измерения толщины тонких плёнок. Батище С.А., Кузьмук А.А., Мостовников В.А., Татур Г.А. Заявлено Ю.05.89; опубл. 24.09.1991, Бюл. N29.

РЭЗЮМЭ

Татур Генадзш Анатольевич Фазаструктурныя пераходы у слаях крэмшя пры ¡мпульснай лазернай иеракрыштагнзацьи'

Выпраменьванне, лазер, энерпя, структура, крэмшй, крышташзацыя, плауленне, элнакс1я, мжраэлектротка.

Метадам дынаипчиага аггтычнага зандз1равання, аптычнай 1 электроннай мисраскапн 1 электронаграфй даследаваны асаблшасщ перакрышталЬацьц крэмшсвых структур пад уздзешшем шпульснага лазернага выпраменьванпя рознай працягласць

Вы знача! 1Ы умовы 1 механизм узн1кнення паверхневых структур ¡голкапага тыпу на монакрыитшчным крэмни у мШсекундным дыяназоне працягласщ лазернага уздзешпш.

У нанасекундным дыяпазоне працягласщ лазернага уздзеяння дм структур крэмшй на сапф1ры, полкрэмшй на монакрьштпшчным 1 акшленым монакрыштал1чным крэмни выяулены спецыф{чны ход крышташзацьн, не назфаушыся раней для гэтых структур (адначасова ад мяжы надзелу расплау-падложка 1 на паверхш расплаву з настугпшм плауленнем утворанай на паверх!» расплаву мелкакрыштал¡чнай цвёрдай фазы), у вышку якога угвараецца буйназяршсты.тшкрэмнШ.

Наказана магчымасць эштакЫяльнай перакрышташзацьп слаёу порыстага крэмжя пры нанасекундным лазерным уздзсянш на даужьпн хвал1 пыпраменьвання 0,53 мкм.

На базе лазера на неадзшавым шкле распрацавана крынща ¡мпульснага лазернага выпраменьвання, забяспечвагочая высокаякасны адпал крэмшевых пласщн на вял!кай плошчы за адзш ¡мпульс.

РЕЗЮМЕ Татур Геннадий Анатольевич Фазоструктурные переходы в слоях кремния при импульсной лазерной перекристаллизации

Излучение, лазер, энергия, структура, кремний, кристаллизация, плавление, эшггаксия, микроэлектроника.

Методами динамического оптического зондирования, оптической и электронной микроскопии и электронографии исследованы особенности перекристаллизации кремниевых структур под воздействием импульсного лазерного излучения различной длительности .

Определены условия и механизм возникновения поверхностных структур игольчатого типа на монокристаллического кремния в миллисекундном диапазоне длительности лазерного воздействия.

В наносекундном диапазоне длительности лазерного воздействия для структур кремний на сапфире, поликремний на окисленных и чистых монокристаллических подложках, обнаружен не наблюдавшийся ранее специфический ход кристаллизации расплава (одновременно от границы раздела расплав-подложка и на поверхности расплава с последующим плавлением образовавшейся на поверхности расплава мелкокристаллической твёрдой фазы), в результате которого образуется крупнозернистый поликремний.

Показана возможность эпитаксиальной перекристаллизации слоёв пористого кремния при наносекундном лазерном воздействии на дайне волны излучения 0,53 мкм.

На базе лазера на неодимовом стекле разработан источник импульсного излучения, обеспечивающий высококачественный отжит кремниевых пластин на большой площади за один импульс.

SUMMARY Tatur Gennady Anatolyevich Phase structural transitions in silicon layers under pulsed laser recrystallization

Keywords: radiation, laser, power, structure, silicon, crystallization, melting, epitaxy, microelectronics.

By methods of time-resolved optical probing, optical and scanning electron microscopy and electronography recrystallization features of silicon structures under pulsed laser radiation of various durations were investigated.

The conditions and the mechanizm of forming of needle-shaped surface structures on monocrystalline silicon in millisecond range of laser pulse duration were defined.

In nanosecond range of laser pulse duration for silicon-on-saphire, polysilicon layers on monocrystalline and oxidized monocrystalline silicon wafers was revealed the specific unknown before crystallization of the melt (simultaneously at the melt-substrate interface as well as from the surface with subsequently remelting of the solidified fine-grained phase on the top of the silicon melt) which results In forming of coaise-grain polysilicon .

The possibility of epitaxyal recrystallization of porous silicon under nanosecond pulsed laser irradiation with wave length 0,53 ji was shown.

On the base of Nd-glass laser the pulse radiation source, providing high quality annealing of silicon wafers on large square for a one shot was developed.