СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H01L21/268 B82B3/00 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к полупроводниковой технологии, и может быть использовано при изготовлении микро-, наноэлектронных и оптоэлектронных устройств, в частности тонкопленочных транзисторов (ТПТ), ячеек энергонезависимой памяти, солнечных элементов.

Известен способ получения слоя поликристаллического кремния (патент РФ №1826815 на изобретение, МПК: 6 H01L 21/268), заключающийся в том, что расположенный на подложке слой поликристаллического кремния, характеризующийся размером зерна от 10^-2 до 10² мкм, подвергают рекристаллизации с использованием импульсного лазерного излучения длиной волны, лежащей в полосе межзонного поглощения кремния, при длительности импульса от 7 до 100 нс и плотности энергии лазерного излучения от 2,7 до 3,2 Дж/см². В качестве подложки используют подложку монокристаллического кремния.

К недостаткам приведенного технического решения относится довольно узкий ассортимент приборных структур со слоем поликристаллического кремния, получаемого с использованием известного способа. Причины, препятствующие достижению нижеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Получение слоя поликристаллического кремния возможно только в случае использования подложки кремния. Процесс формирования слоя поликристаллического кремния инициируется от подложки в результате поглощения ею лазерного излучения. Указанный механизм возможен только в случаях использования кремниевых подложек, для случаев изготовления приборных структур не на кремниевых подложках, например на стекле, при изготовлении ТПТ - не возможен, поскольку стекло не поглощает излучение.

В качестве ближайшего аналога к заявляемому техническому решению выявлен способ получения слоя поликристаллического кремния (патент TW №245321 на изобретение «Application method of near IR wave band femtosecond laser in amorphous silicon annealing», МПК: 7 H01L 21/00), заключающийся в том, что расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, с длиной волны ближнего инфракрасного (ИК) диапазона и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, обусловленный передачей энергии фотонов за сверхкороткое время решетке кристалла и формированием, таким образом, электронной плазмы высокой плотности, переводящими аморфный кремний в расплавленное состояние с последующим формированием поликристаллического слоя. Лазерную обработку проводят посредством титан-сапфирового лазера. Плотность энергии для облучения выбирают 45 мДж/см².

К недостаткам приведенного ближайшего технического решения относятся, во-первых, довольно узкий ассортимент приборных структур со слоем поликристаллического кремния, получаемого с использованием известного способа, во-вторых, также узкий диапазон толщин исходных пленок аморфного кремния, используемых для изготовления приборных структур, и, как следствие, получаемых толщин пленок поликристаллического кремния в приборных структурах. Причины, препятствующие достижению нижеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

В рассматриваемом способе получения слоя поликристаллического кремния при лазерной обработке большая роль отводится нелинейным эффектам при поглощении энергии фотонов с целью генерации высокоплотной плазмы. Как следствие, однородность обработок невелика. Получаемый слой поликристаллического кремния характерен узкому ассортименту приборных структур.

Используемый материал подложки (кремний) поглощает излучение, что может вести к перегреву и деформации подложки, сужая ассортимент приборных структур, получаемых с использованием рассматриваемого способа.

Несмотря на нелинейные эффекты в поглощении при используемой длине волны излучения (800 нм) коэффициент поглощения недостаточно велик. Это ограничивает толщину исходных слоев аморфного кремния нижними значениями.

Техническим результатом изобретения является:

- расширение ассортимента приборных структур со слоем поликристаллического кремния;

- расширение диапазона толщин исходных пленок аморфного кремния, используемых для изготовления приборных структур, и, как следствие, расширение диапазона толщин слоя поликристаллического кремния в приборных структурах.

Технический результат достигают в способе получения слоя поликристаллического кремния, заключающемся в том, что расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния, фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке, лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, при лазерной обработке используют излучение с длиной волны ближнего ультрафиолетового диапазона или с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона.

В способе в качестве подложки используют подложку из стекла или кремния, в составе которой выполнен слой диоксида кремния.

В способе расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре от 100 до 320°C.

В способе в качестве слоя аморфного кремния используют слой с атомарным содержанием водорода, равным от 0 до 30 процентов.

В способе толщину слоя аморфного кремния выбирают равной от 20 до 130 нм.

В способе при лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона от 30 до 120 фемтосекунд.

В способе при лазерной обработке используют импульсное излучение с плотностью энергии от 20 до 150 мДж/см².

В способе при лазерной обработке используют излучение длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера первой гармоники.

В способе при лазерной обработке используют излучение длиной волны ближнего ультрафиолетового диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера второй гармоники.

В способе при лазерной обработке используют импульсное излучение при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки, от 390 до 810 нм.

В способе при лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения от 50 до 98%.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 представлена блок-схема установки лазерной обработки исходного слоя аморфного кремния, где 1 - титан-сапфировый лазер; 2 - удвоитель частоты (применяется для обработок в ближнем ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, для обработок в ближнем ИК-диапазоне не применяется); 3 - оптическая система для варьирования плотности энергии в импульсе излучения; 4 - обрабатываемый образец; 5 - подвижный столик для сканирования. На Фиг.2 продемонстрирована однородность лазерных обработок при сканировании, снимок сделан в оптический микроскоп, шаг сканирования (расстояние между горизонтальными полосами) был выбран 50 микрометров. На Фиг.3 приведен спектр комбинационного рассеивания света исходного, до проведения лазерной обработки, слоя аморфного кремния толщиной 130 нм (штрихованная линия) и приведен спектр комбинационного рассеивания света слоя, подвергавшегося сканирующей лазерной обработке импульсным излучением с использованием двойной гармоники титан-сапфирового лазера, средняя длина волны 400 нм, с длительностью импульса 30 фемтосекунд при плотности энергии 30 мДж/см² (сплошная линия). На Фиг.4 приведен спектр комбинационного рассеивания света исходного, до проведения лазерной обработки, слоя аморфного кремния толщиной 20 нм (штрихованная линия), а также приведен спектр комбинационного рассеивания света слоя, подвергавшегося сканирующей лазерной обработке импульсным излучением с использованием двойной гармоники титан-сапфирового лазера, средняя длина волны 400 нм, с длительностью импульса 30 фемтосекунд при плотности энергии 25 мДж/см² (сплошная линия). На Фиг.5 приведены спектры комбинационного рассеивания света слоя, подвергавшегося сканирующей лазерной обработке импульсным излучением с использованием титан-сапфирового лазера, средняя длина волны 800 нм, с длительностью импульса 30 фемтосекунд при различных плотностях энергии: 38 мДж/см²; 48 мДж/см²; 63 мДж/см².

Главное отличие предлагаемого технического решения заключается в том, что при формировании слоя поликристаллического кремния реализуется возможность устранения передачи энергии подложке или каким-либо слоям приборной структуры, которые, например, выполнены в составе подложки, приводящей к разогреву последних при поглощении энергии излучения в исходном слое аморфного кремния. Реализация указанной возможности базируется на использовании фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, которому свойственно отсутствие передачи энергии подложке и, как следствие, ее разогрева. Данный фазовый переход кристаллизации, стимулированный электрон-дырочной плазмой, обусловлен малыми временами воздействий на исходный слой аморфного кремния импульсами лазера фемтосекундного диапазона. Поэтому длительность воздействия лазерным излучением выбирают из условия обеспечения наличия фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой, и отсутствия передачи энергии подложке, приводящей к разогреву.

При этом для обработок выбирают средние длины волн импульсного излучения лазера фемтосекундного диапазона, которые обеспечивают эффективное поглощение по всей толщине слоя аморфного кремния. Это длины волны ближнего ультрафиолетового диапазона или длины волны ближнего инфракрасного диапазона. В отношении используемых подложек указанное излучение не поглощается ими или слабо поглощается. Выбор длины излучения лазера осуществляют с учетом толщины исходного слоя аморфного кремния таким образом, чтобы поглощение излучения имело место по всей толщине, хотя бы и с максимумом поглощения фотонов ближе к поверхности исходной пленки и с экспоненциальным спадом на границе раздела ее с подложкой. Для толщин исходных слоев аморфного кремния от 20 до 130 нм наличие требуемого поглощения обеспечивается при средних длинах волн импульсного излучения около интервала от 400 до 800 нм.

При использовании для лазерной обработки исходного слоя аморфного кремния титан-сапфирового лазера со средней длиной волны излучения, например, 800 нм - при генерации первой гармоники или 400 нм - при генерации второй гармоники, длительность импульсов излучения выбирают, например, от 30 до 120 фемтосекунд. Для данного конкретного лазера указанная длительность импульсов излучения обеспечивает реализацию стимулированного электрон-дырочной плазмой фазового перехода кристаллизации, а указанные средние длины волн - требуемое поглощение их в исходном слое в зависимости от его толщины и содержания водорода. Минимальная толщина исходного слоя аморфного кремния для данного частного случая составляет 20 нм, максимальная - 130 нм. Атомарное содержание водорода может быть равным от 0 до 30%.

Для реализации назначения предлагаемого способа, то есть формирования слоя поликристаллического кремния, излучение при лазерной обработке должно характеризоваться плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения. Для удовлетворения этого условия плотность энергии излучения выбирают от 20 и до 150 мДж/см². Указанные величины плотности энергии приведены для случая использования титан-сапфирового лазера с указанными средними длинами волны излучения и длительностями импульсов. Минимальное значение интервала соответствует минимальной толщине исходного слоя - 20 нм, максимальное значение интервала соответствует максимальной толщине исходного слоя - 130 нм для его полной кристаллизации на участке воздействия излучением. При превышении максимального значения интервала происходит частичное испарение или абляция слоя. Конкретный количественный диапазон плотности энергии излучения может отличаться от указанного в случае использования другого, не титан-сапфирового, лазера, с другой длительностью импульсов, однако также обеспечивающей наличие фазового перехода кристаллизации, стимулированного электрон-дырочной плазмой и, как следствие, отсутствием явления передачи энергии подложке и ее разогрева. Основное требование к выбору той или иной величины плотности энергии излучения заключается в том, что она должна обеспечить кристаллизацию, стимулированную электрон-дырочной плазмой, отсутствие передачи энергии подложке и ее разогрева.

Установка для проведения лазерной обработки исходного слоя аморфного кремния и формирования поликристаллического слоя собрана, например, из титан-сапфирового лазера (1), удвоителя частоты (2), который применяется для обработок в ближнем УФ-диапазоне, а для обработок в ближнем ИК-диапазоне не применяется, оптической системы для варьирования плотности энергии в импульсе излучения (3), подаваемого на обрабатываемый образец (4), и подвижного столика для сканирования (5), на котором размещен обрабатываемый образец (4) (см. Фиг.1). Оптическая система для варьирования плотности энергии в импульсе излучения (3) предназначена также и для фокусировки излучения на обрабатываемый образец (4). Подвижный столик для сканирования (5) выполнен с возможностью перемещения со скоростью, необходимой для достижения перекрытия пятна падающего при обработках излучения от 50 до 98%.

Сканирование необходимо при обработке всей площади образцов с исходным слоем аморфного кремния площадью, превышающей площадь размера пятна падающего излучения, для достижения ее равномерности. При помощи оптической системы для варьирования плотности энергии в импульсе излучения (3) падающее излучение на обрабатываемый образец (4) фокусируют в пятно диаметром от 2 до 200 мкм. Поскольку равномерность засветки в пятне достигается на площади его центральной части и нарушается к периферии в соответствии с гауссианой, минимальное перекрытие при сканировании, обеспечивающее равномерность засветки и, следовательно, равномерность обработки по площади пленки, составляет 50%, а максимальное - 98%.

Контроль изменения фазового состава при кристаллизации проводят посредством спектроскопии комбинационного рассеивания света (В.А.Володин «Комбинационное рассеивание света в массивах нанообъектов кремния и арсенида галлия», диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, г.Новосибирск: ИФП СО РАН, 1999 г.; E.Bustarret, M.A.Hachicha, M.Brunel, «Experimental determination of the nanocrystalline volume fraction in silicon thin films from Raman spectroscopy», APL, 1988, v.52, n.20, p.1676). Контроль концентрации водорода проводят по данным ИК-спектроскопии, по сдвигу края фундаментального поглощения и по данным спектроскопии комбинационного рассеивания света (Джоунопулос Дж., Люковски Дж. Физика гидрогенизированного аморфного кремния в 2 книгах, кн. 1, пер. с англ., М.: Мир, 1987, стр.368).

Изготовление образцов для лазерной обработки осуществляют, например, с использованием кремниевых подложек с выполненными в их составе слоями двуокиси кремния или подложек из стекла, на которые наносят исходный слой аморфного кремния. Для нанесения используют метод плазмохимического осаждения. Температуру осаждения пленок варьируют от 100 до 320°C. В качестве исходных слоев аморфного кремния могут быть использованы слои, осаждаемые так, как описано в указанном ближайшем техническом решении.

Для контроля однородности слоев при кристаллизации в результате лазерной обработки применяют, в частности, оптическую микроскопию (см. Фиг.2).

Для контроля изменения фазового состава при кристаллизации в результате лазерной обработки измеряют, частности, спектры комбинационного рассеивания (см. Фиг.3 - Фиг.5).

Исходные слои аморфного кремния характеризуются спектром с широким пиком, имеющим максимум в области 475÷480 см^-1, обусловленным рассеянием на оптических колебаниях связей кремний-кремний (см. Фиг.3 - Фиг.4). Приведенный спектр показывает, что исходные слои аморфны.

Лазерная обработка импульсным излучением, например, с использованием второй гармоники титан-сапфирового лазера, при средней длине волны 400 нм с длительностью импульса 30 фемтосекунд при плотности энергии 30 мДж/см² исходного слоя аморфного кремния толщиной 130 нм приводит к изменению фазового состава, о чем свидетельствует трансформация спектра комбинационного рассеивания (см. Фиг.3). На спектре виден сильно выраженный «кристаллический» пик, узкий и смещенный к значению 520 см^-1, что свидетельствует о полноте трансформации аморфного кремния в кристаллическую фазу. Из анализа положения пика в спектрах комбинационного рассеивания можно утверждать, что размеры кристаллических зерен составляют в диаметре более 10 нм.

После проведения лазерных обработок исходного слоя аморфного кремния толщиной 20 нм при использовании второй гармоники титан-сапфирового лазера, длительности импульса 30 фемтосекунд и плотности энергии 25 мДж/см² в спектре комбинационного рассеивания также проявляется «кристаллический» пик (см. Фиг.4). Из анализа положения пика в спектрах комбинационного рассеивания можно утверждать, что размеры кристаллических зерен также составляют в диаметре более 10 нм.

После проведения лазерных обработок исходных слоев аморфного кремния толщиной 90 нм при использовании титан-сапфирового лазера, при средней длине волны 800 нм, длительности импульса 30 фемтосекунд и плотностях энергии 38, 48 и 63 мДж/см² в спектре комбинационного рассеивания также проявляется «кристаллический» пик (см. Фиг.5). Необходимо отметить, что при обработке с плотностью энергии 38 мДж/см² только часть аморфного кремния трансформируется в кристаллическую фазу. Из анализа положения пика в спектрах комбинационного рассеивания можно утверждать, что размеры кристаллических зерен составляют в диаметре более 2 нм.

Таким образом, по желанию, варьируя параметры лазерной обработки, можно управлять размерами формируемых кристаллических зерен.

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводятся нижеследующие примеры.

Пример 1

Расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длительностью импульса 30 фемтосекунд. В качестве подложки используют подложку из кремния, в составе которой выполнен слой диоксида кремния. Толщину исходного слоя аморфного кремния выбирают равной 130 нм. Расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре 280°C. Атомарное содержание водорода составляет около 2%. Лазерную обработку проводят излучением с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке. Лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния. При этом используют излучение с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера первой гармоники с длиной волны 800 нм, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, 150 мДж/см². При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 98%.

Пример 2

Расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длительностью импульса 30 фемтосекунд. В качестве подложки используют подложку из стекла. Толщину исходного слоя аморфного кремния выбирают равной 130 нм. Расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре 320°C. Атомарное содержание водорода составляет 0%. Лазерную обработку проводят излучением с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке. Лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния. При этом используют излучение с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера первой гармоники с длиной волны 800 нм, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, 150 мДж/см². При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 50%.

Пример 3

Расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длительностью импульса 120 фемтосекунд. В качестве подложки используют подложку из стекла. Толщину исходного слоя аморфного кремния выбирают равной 90 нм. Расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре 100°C. Атомарное содержание водорода составляет около 30%. Лазерную обработку проводят излучением с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке. Лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния. При этом используют излучение с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера первой гармоники с длиной волны 800 нм, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, от 38 до 150 мДж/см². При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 70%.

Пример 4

Расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длительностью импульса 30 фемтосекунд. В качестве подложки используют подложку из стекла. Толщину исходного слоя аморфного кремния выбирают равной 90 нм. Расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре 100°C. Атомарное содержание водорода составляет около 30%. Лазерную обработку проводят излучением с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке. Лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния. При этом используют излучение с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера первой гармоники с длиной волны 800 нм, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, от 38 до 100 мДж/см². При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 80%.

Пример 5

Расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длительностью импульса 30 фемтосекунд. В качестве подложки используют подложку из стекла. Толщину исходного слоя аморфного кремния выбирают равной 130 нм. Расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре 150°C. Атомарное содержание водорода составляет около 25%. Лазерную обработку проводят излучением с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке. Лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния. При этом используют излучение с длиной волны ближнего ультрафиолетового диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера второй гармоники с длиной волны 400 нм, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, от 25 до 50 мДж/см². При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения 80%.

Пример 6

Расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длительностью импульса 30 фемтосекунд. В качестве подложки используют подложку из стекла. Толщину исходного слоя аморфного кремния выбирают равной 20 нм. Расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре 150°C. Атомарное содержание водорода составляет около 25%. Лазерную обработку проводят излучением с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке. Лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния. При этом используют излучение с длиной волны ближнего ультрафиолетового диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера второй гармоники с длиной волны 400 нм, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, от 20 до 50 мДж/см². При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения от 50 до 98%.

Пример 7

Расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длительностью импульса 90 фемтосекунд. В качестве подложки используют подложку из стекла. Толщину исходного слоя аморфного кремния выбирают равной 90 нм. Расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре 150°C. Атомарное содержание водорода составляет около 25%. Лазерную обработку проводят излучением с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся в конечном счете формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке. Лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния. При этом используют излучение с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, а именно импульсное излучение титан-сапфирового лазера первой гармоники с длиной волны 800 нм, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, от 38 до 150 мДж/см². При лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния, со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения от 50 до 98%.

В заключение необходимо подчеркнуть, положительным эффектом предлагаемого технического решения является то, что применение указанных малых времен воздействия лазерного излучения, при соответствующей плотности энергии излучения, инициирующего кристаллизацию, позволяет расширить ассортимент подложек и диапазон толщин исходных пленок аморфного кремния, используемых для изготовления приборных структур. Также способ позволяет использовать нетугоплавкие подложки (с температурой размягчения до 300°C), а в качестве исходных пленок аморфного кремния использовать пленки, полученные низкотемпературной технологией осаждения, в частности методом плазмохимического осаждения при температуре до 100°C.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при изготовлении микро-, наноэлектронных и оптоэлектронных устройств, в частности тонкопленочных транзисторов, ячеек энергонезависимой памяти, солнечных элементов. Сущность изобретения: в способе получения слоя поликристаллического кремния расположенный на подложке стекла или кремния со слоем диоксида кремния слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки. Используют импульсное излучение фемтосекундного диапазона длительностью от 30 до 120 фемтосекунд с длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход с формированием слоя поликристаллического кремния. Фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, характеризуется отсутствием передачи энергии подложке. При обработке используют излучение с длиной волны ближнего ультрафиолетового или ближнего инфракрасного диапазона, что соответствует второй или первой гармонике титан-сапфирового лазера. Значение средней длины волны излучения, выбираемой от 390 до 810 нм, обеспечивает поглощение по всей толщине слоя аморфного кремния. Плотность энергии от 20 до 150 мДж/см² обуславливает при заданной толщине слоя аморфного кремния от 20 до 130 нм формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения. В результате достигается расширение ассортимента приборных структур со слоем поликристаллического кремния и расширение диапазона толщин исходных пленок аморфного кремния. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения слоя поликристаллического кремния, заключающийся в том, что расположенный на подложке слой аморфного кремния подвергают кристаллизации посредством лазерной обработки импульсным излучением фемтосекундного диапазона, длиной волны и плотностью энергии, вызывающими в аморфном кремнии фазовый переход, сопровождающийся, в конечном счете, формированием слоя поликристаллического кремния, отличающийся тем, что фазовый переход кристаллизации стимулирован электрон-дырочной плазмой, при этом фазовому переходу свойственно отсутствие передачи энергии подложке, лазерную обработку осуществляют при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине слоя аморфного кремния, и с плотностью энергии, обеспечивающей при заданной толщине слоя аморфного кремния формирование сплошного поликристаллического слоя на участке воздействия излучения, при лазерной обработке используют излучение с длиной волны ближнего ультрафиолетового диапазона или с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки используют подложку из стекла или кремния, в составе которой выполнен слой диоксида кремния.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расположенный на подложке слой аморфного кремния формируют плазмохимическим осаждением при температуре от 100 до 320°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоя аморфного кремния используют слой с атомарным содержанием водорода, равным от 0 до 30%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину слоя аморфного кремния выбирают равной от 20 до 130 нм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при лазерной обработке используют импульсное излучение с длительностью импульса фемтосекундного диапазона от 30 до 120 фс.

7. Способ, по п.1, отличающийся тем, что при лазерной обработке используют импульсное излучение с плотностью энергии от 20 до 150 мДж/см².

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при лазерной обработке используют излучение длиной волны ближнего инфракрасного диапазона, а именно, импульсное излучение титан-сапфирового лазера первой гармоники.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при лазерной обработке используют излучение длиной волны ближнего ультрафиолетового диапазона, а именно, импульсное излучение титан-сапфирового лазера второй гармоники.

10. Способ по п.1, или 8, или 9, отличающийся тем, что при лазерной обработке используют импульсное излучение при средней длине волны излучения, обеспечивающей наличие поглощения по всей толщине исходной пленки от 390 до 810 нм.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что при лазерной обработке осуществляют сканирование по поверхности слоя аморфного кремния со скоростью, обеспечивающей достижение перекрытия пятна падающего при обработках излучения от 50 до 98%.