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DE19839718A1 - Kristallisation von Halbleiterschichten mit gepulster Laserstrahlung durch Belichtung mit einer Zweistrahlmethode - Google Patents

Kristallisation von Halbleiterschichten mit gepulster Laserstrahlung durch Belichtung mit einer Zweistrahlmethode

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Publication number
DE19839718A1
DE19839718A1 DE19839718A DE19839718A DE19839718A1 DE 19839718 A1 DE19839718 A1 DE 19839718A1 DE 19839718 A DE19839718 A DE 19839718A DE 19839718 A DE19839718 A DE 19839718A DE 19839718 A1 DE19839718 A1 DE 19839718A1
Authority
DE
Germany
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pulse
laser
amorphous
semiconductor layers
crystallization
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19839718A
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English (en)
Inventor
Jens Ingwer Christiansen
Kai Christiansen
Silke Christiansen
Matthias Ngendanck
Horst Paul Strunk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BLZ GmbH
Original Assignee
BLZ GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BLZ GmbH filed Critical BLZ GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kristallisation amorpher Halbleiterschichten sowie zur Veränderung der Kristallstruktur polykristalliner Halbleiterschichten durch Bestrahlung mit gepulster Laserstrahlung aus zwei verschiedenen Strahlquellen mit den Laserpulsen LP1 und LP2 (Fig. 1). Die Laserpulspaare weisen folgende Eigenschaften auf: DOLLAR A A.) Die Laserpulse überlappen zeitlich. DOLLAR A B.) Der Laserpuls LP1 (typische Zeitdauer 30 nsec.) führt zum kurzzeitigen totalen oder partiellen strukturierten Aufschmelzen der bestrahlten Schicht, der homogene (nichtstrukturierte) Laserpuls LP2 erwärmt im wesentlichen nur die geschmolzenen Bereiche und verlängert deren Schmelzdauer. DOLLAR A C.) Die Fluenzen der Laserpulspaare sind vergleichbar. Wellenlängen, Pulsdauern und Intensitäten der Laserpulse LP1 und LP2 unterscheiden sich in folgender Weise: DOLLAR A lambda¶1¶ < lambda¶2¶, ж1¶ < bzw. << ж2¶, I¶1¶ > bzw. >> I¶2¶ DOLLAR A (Index 1 für LP1, Index 2 für LP2) DOLLAR A Dadurch wird erreicht, daß der LP2 die aufgeschmolzenen Bereiche der Schicht selektiv nacherwärmt. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die Abkühlgeschwindigkeit sich um etwa eine Größenordnung verringern läßt, was zu einer wesentlichen Erhöhung der mittleren Größe der einkristallinen Bereiche in den rekristallisierten Schichten und damit zu einer wesentlichen Vergrößerung der Elektronenbeweglichkeiten in diesen Schichten führt. DOLLAR A Besonders geeignete Laser für den LP1 sind: Excimerlaser (z. B. XeC1) oder frequenzverdoppelte Nd-YAG-Laser ...

Description

A. Einleitung
Die vorliegende Patentschrift beschreibt ein Verfahren in dem mittels gepulster Laserstrahlung dünne amorphe Silizium-(a/Si)Filme, oder evtl. auch a/SiGe und a/Ge-Filme oder andere Halbleiterschichten, die auf amorphen Unterlagen deponiert werden erschmolzen und rekristallisiert werden. Dabei ist es das technische Ziel des Verfahrens zu erreichen, daß das rekristallisierte Material am Ort des aktiven Kanals zu prozessierender Bauelemente (z. B.) Dünnfilmtransistoren (TFTs) in wenigen Quadratmikrometern großen Inseln einkristallin und defektfrei kristallisiert wird. Klassische epitaktische Verfahren scheiden für die Deposition dünner Schichten auf amorphen Unterlagen aus. Demzufolge müssen alternative Prozesse erschlossen werden, die zu einkristallinen Schichten führen. Die etablierten Methoden zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente auf Siliziumbasis (z. B.) basieren auf zwei unflexiblen Prozessen.
1. Bauelemente müssen auf einkristallinen Siliziumsubstraten (Wafern) hergestellt werden.
2. viele monolithische Integrationsprozesse (Lithographie, Oxidation, Dotierung mittels Diffusion oder Implantation, Defektausheilung, Beschichtung, Kontaktierung, "Packaging" MOS Prozeßintegration) verlangen nach hohen Prozeßtemperaturen. Diese beiden Anforderungen limitieren die technologischen Anwendungen für Silizium-Dünnfilmtechnologie. Falls man diesen Limitierungen begegnen kann ohne auf Bauelementqualität verzichten zu müssen ist eine Vielzahl weiterer Anwendungen denkbar:
  • 1. Bauelementstrukturen auf temperatursensitiven (Plastik, Glas) Substraten und flexiblen Substraten (Plastik). Dies heißt, daß alle Prozesse tieftemperaturkompatibel sind.
  • 2. dreidimensionale Integration bei Verzicht auf Hochtemperaturprozesse.
Für derartige Bauelementanwendungen z. B. (TFTs auf Glas) ist die Schlüsselgröße die strukturelle und damit einhergehend die elektrische Qualität der dünnen Si-Schicht. Diese muß im aktiven Kanal des Bauelementes möglichst defektfrei sein (einkristallin) oder aber allenfalls Kristalldefekte in kontrollierter reproduzierbarer Dichte, Population und Verteilung aufweisen. Tieftemperaturkompatibles und gleichzeitig einkristallines oder sogenanntes "artificially controlled defected", Si-Wachstum auf nichtkristallinen (amorphen) Unterlagen ist erst mit der gepulsten Laserkristallisation möglich geworden. Der Laserschmelz- und Kristallisationsprozeß ist dank detaillierter Untersuchungen von J. S. Im et al [1, 2] in den Grundzügen verstanden. Hieraus läßt sich erfindungsgemäß ein modifiziertes Verfahren angeben, bei dem als Folge eines kontrollierten starken Temperaturgefälles zwischen den auf Si-Dünnfilmtechnologie basierenden Strukturen (Bauelementen) und der Substratunterlage einkristallines Wachstum ausgelöst bzw. stimuliert wird, wobei der wesentliche Temperatursprung im Substrat erzeugt wird, wobei jedoch die Tieftemperaturkompatibilität des Substrats eine partielle tolerierbare Einschränkung erfährt.
B. Stand der Technik
Eine amorphe Si-Schicht (a/Si) wird aufgeschmolzen durch einen Laserpuls (beispielsweise Wellenlänge 308 nm, Pulsdauer 20 nsec), sobald die eingestrahlte Fluenz (Intensität/cm2 × Zeit) eine kritische Größe Fm am Ende des Laserpulses überschritten hat. Diese Werte hängen nur geringfügig von der Pulsdauer, aber dafür von der Schichtdichte und der Wellenlänge ab.
In unserem Beispiel beträgt Fm = 0,2 J/cm2 für Schichtdicken von 0,2 µm.
Überschreitet man diesen Wert d. h. F < Fm, so erhält man nach Wiedererstarrung des Materials kristallisiertes Silizium, dabei existiert eine weitere kritische Fluenz Fm* < Fm, bei der ein totales Aufschmelzen der gesamten Schicht im Strahlbereich (homogenisierter Strahl) am Laserpulsende erreicht wird. Für 0,2 µm dicke Schichten beträgt dieser Wert Fm* ≈ 1,9 Fm. Bei Einstrahlung höherer Fluenzen ist das wiedererstarrte Material nanokristallin bzw. (je nach Größe von F) amorph. Die Zeit, die verstreicht zwischen dem totalen Aufschmelzen der Schicht und der Wiedererstarrung läßt sich mit transienter Reflexion messen. Sie beträgt 50 bis wenige 100 nsec. Es zeigt sich hierbei, daß die Erstarrungszeit abhängig von der Wärmeleitung des Substrates ist. Verwendet man als Unterlage Glas, so ergibt sich bei F ≈ 3-4 Fm wiederum Kristallwachstum bis zu Kristallitgrößen bis zu 1 µm, während bei Substraten aus einkristallinem Silizium (abgetrennt durch SiO2 Zwischenschichten bis zu 2 µm Dicke) auch bei hohen F-Werten nur nanokristallines Wachstum beobachtet wird.
Dieser Sachverhalt geht einher mit einem Unterschied in der Materialschmelzdauer als Folge des Unterschiedes in der Wärmeleitfähigkeit des Substrats (Silizium hat eine etwa 50fach höhere Wärmeleitungskonstante) (bei Zimmertemperatur) als das nur phononisch wärmeleitende Glas. Die Untersuchungen mit den Glassubstraten wurden durchgeführt bei Beschichtung des amorphen Siliziums mit einer Wasser-Deckschicht, d. h. es existiert ein Trägheitseinschluß der durch die Laserstrahlung aufgeschmolzenen Schicht mit teilweiser Plasmabildung an der Oberfläche. Damit wird erreicht, daß die Temperatur des geschmolzenen Siliziums zu höheren Werten ansteigen kann, was natürlich auch verbunden ist mit einem höheren Druck in der Schmelze (Abschätzungen ergeben Drucke bis zu 3 kbar) [3].
Die zu großen Kristallen führende Laserkristallisation bei Fluenzen < Fm* (Prozeßfenster) unter der Schwelle des totalen Aufschmelzens (bei 230 mJ/cm2) ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen der Im'schen Schule [1, 2] und hat zur Ausbildung und genaueren Untersuchung des SLG (superlateral growth)-Prozesses geführt. Auf diesem Kristallisationsfenster beruhen auch zahlreiche Anwendungen in technologischen Untersuchungen zur Dünnfilmkristallisation. Es ist ferner Stand der Technik, Laserkristallisation auf hocherhitzten Substraten nach diesem Verfahren herbeizuführen. In diesem Fall lassen sich bei Einstrahlung von Fluenzen von der Größenordnung Fm* bei Substrattemperaturen um 1175°C sehr lange Schmelzdauern herbeiführen. Es zeigt sich dann, daß die so erhaltene bis zu mehreren 100 µsec aufrechterhaltene unterkühlte Si-Flüssigkeit schließlich Keime bildet, aus denen einkristallines Wachstum erfolgt in einem Prozeßfenster ab 1100°C, wobei bei Präparation des Materials in Form von isolierten Si-Inseln (quadratische Form, Kantenlänge 50 µm) einkristallines Material resultiert mit niedrigen Defektdichten. Dieses letztere Verfahren führt zu den bisher größten einkristallinen Strukturen, die auf dem jetzigen Stand der Dünnschichttechnologie möglich sind. Die Methode ist wegen der Prozeßtemperatur von 1100°C beschränkt auf Materialien, die in diesem Temperaturbereich handhabbar sind, wie z. B. einkristallines Silizium, Quarzglas, sowie Al2O3-Keramiken. Aus Kostengründen, aber auch wegen der Attraktivität der Ausweitung dieser Technologie insbesondere für lichtdurchsichtige Bauelementstrukturen, ist es in hohem Maße wünschenswert, dies Verfahren auf tieftemperaturkompatible Substrate auszudehnen.
C. Beschreibung der Erfindung
Es ist der Erfindungsgedanke, ein thermisches Verfahren vorzustellen, bei dem ein auf tiefer Temperatur befindliches Substrat sich in Kontakt befindet mit einer Hochtemperaturzone flüssigen Siliziums, bei dem das Ziel verfolgt wird, die Schmelzdauer des Siliziums in ein Zeitfenster von der Größenordnung einige × 10-7 sec bis hin zu einigen × 10-6 sec oder noch weiter auszudehnen, um auf diese Weise einen Kristallisationsprozeß in einer langsam erstarrenden Schmelze zu ermöglichen. Das Verfahren beruht auf dem Einsatz einer Zweistrahlbelichtungsmethode, wobei auf einer vorgegebenen Fläche ein Laserpuls 1 (abgekürzt LP 1) (z. B. Wellenlänge 308 nm, Pulsdauer 20 nsec. Energiedichte ≈ 0,5-1 J/cm2) eine vorgegebene amorphe Si-Schicht (2) aufschmilzt mit einer Schichtanordnung nach Fig. 2 [Substrat z. B. Glas oder Kunststoff (1a) mit Schutzschicht z. B. aus SiO2 (1b)]. Dabei wird die oben definierte totale Aufschmelzfluenz Fm* (≈ 0,36 J/cm2 bei SiO2 confinement) (3) überschritten. Ein nachfolgender Laserpuls 2 (abgekürzt LP 2) dient dazu, vor dem totalen Erstarren der Schmelze einzusetzen und die Temperatur des Materials während einer genügend langen Zeit, nämlich während der Laserpulsdauer τ2 und darüber hinaus (Zeitdauer Größenordnung 0,1 bis 10 µsec, je nach zeitlichem Verlauf der Pulsamplitude) auf so hohem Wert aufrecht zu erhalten, daß dieses Material solange in Form einer unterkühlten Flüssigkeit bestehen bleibt, bis superlaterales Kristallwachstum oder spontane Kristallisation als Folge der (geringfügigen) Unterkühlung einsetzt (Typische Daten des LP 2 (Nd, YAG 1064 nm, Intensität am Anfang ≈ 300 kW/cm2 evtl. Intensität nach Zeitprogramm fallend, Gesamtpulsdauer bis zu 10-5 sec).
Dabei haben die Laserpulse LP 1 und LP 2 folgende Funktionen zu erfüllen:
  • 1. Die amorphe Si-Schicht ist aufzuschmelzen durch den Laserpuls LP 1. Sie wird im Verlauf des Laserpulses erwärmt bis zu einer Temperaturobergrenze die zum Ende des Pulses erreicht wird. Diese Obergrenze ist dann über die Intensität des Laserstrahls so einzustellen, daß eine Temperatur erreicht wird, die höher als die Schmelztemperatur ist, aber niedriger als die Temperatur, bei der eine evtl. anzubringende Deckschicht reißt oder wesentliche Ablation des Materials stattfindet. Empirische Werte für die Obergrenze ergeben dann Werte zwischen 1700°K und 4000°K [rechnerischer Wert, genauer abzuschätzen ist die damit verbundene Obergrenze der eingestrahlten Energie/cm2, die jedoch schichtdickenabhängig ist (z. B. Fobergrenze ≈ 0,5 bis 1,2 J/cm2 für eine Schichtdicke von 0,2 µm)]. Die auf diese Weise überhitzte Flüssigkeit, bei der ein eventuelles Sieden unter dem Einfluß des Trägheitseinschlusses der Si- Schicht (z. B. durch Beschichtung mit SiO2 oder bei Unterwasserbelichtung) weitgehend vermieden werden kann, kann jetzt über die phononische Wärmeleitung des Substrates die Wärme in Richtung Substratunterlage ableiten. Dabei ergibt sich bei Anwendung der nicht­ linearen Wärmeleitungsgleichung
    λ = Wärmeleitungskonstante, ρ = Dichte, c = spezifische Wärme des Substrates, η = Wärmeerzeugung pro Volumen im Substrat, T = Temperatur an der Grenze, Si-Schicht- Substratoberfläche und wobei η den durch den LP 2 eingestrahlten und von der Si-Schicht absorbierten Anteil des Energieflusses darstellt, dessen Transfer in das Substrat jedoch noch modellmäßig aufzubereiten ist.
    Diese Gleichung beschreibt in durchaus komplexer Weise das Wechselspiel zwischen der aus der Si Schicht in die Unterlage abfließenden Wärme und auf der anderen Seite die Erwärmung der Si-Schicht durch die eingestrahlte Energie des Laserpulses.
  • 2. Der Zeitpunkt, an dem die Größe dT/dt durch Kompensation der beiden Terme gleich Null wird, läßt sich durch physikalische Modellbetrachtungen abschätzen. Es zeigt sich, daß die zunächst einsetzende schnelle Abkühlung der hocherhitzten Flüssigkeit sich mehr und mehr verlangsamt und es ergibt sich, daß bei einem Energiefluß aus dem LP 2 von einigen hundert KW/cm2 eine Kompensation verbunden mit einem Temperaturminimum entsprechend dT/dt = 0 sich einstellen läßt bei Temperaturen (wählbar durch Einstellung der LP 2-Amplitude) um 1400 K bis 1700 K, so zu bemessen, daß gerade noch keine Wiedererstarrung der Flüssigkeit einsetzt. Die dann bei anhaltendem LP 2 einsetzende Erwärmung der Schicht läßt sich bei geeigneter Länge von LP 2 für eine bis einige Mikrosekunden aufrechterhalten (abhängig von der Si-Schichtdicke). Hierdurch ist eine Unterkühlphase mit Unterkühlungstemperaturen von wenigen 100 Grad K bei Zeitdauern im Mikrosekundenbereich machbar. Fig. 1 zeigt schematisch den gesamten Zeitverlauf der Temperatur in der Si-Schicht sowie den Verlauf der Intensitäten von LP 1 und LP 2 mit den folgenden Daten:
    Schichtdicke a/Si: 0,2 µm
    t1 = τ1 = 30 nsec (Die Intensität I1 beschreibt die in der Schicht deponierte Energie/Zeit.)
    t2 = τ2 = 500 nsec (I'2 = 3.105 W/cm2, I2 beschreibt die in das Substrat abfließende Energie/Zeit.)
    Die Laserpulse LP 1 und LP 2 haben dabei folgende Funktionen:
  • 3. Laserpuls 1: Wellenlänge: 248 nm oder 308 nm (Excimer-Laser), aber auch frequenzverdoppelter oder verdreifachter Nd YAG-Laser oder Cu-Dampflaser sowie Ti- Saphirlaser (evtl. frequenzverdoppelt) möglich.
    Zeitdauer τ1 = 10 bis 30 nsec. Die maximale Temperatur Tmax in Fig. 1 ist bestimmt durch die Fluenz von LP 1. Die Lage des Temperaturminimums wird bestimmt durch den (komplizierten) zeitlichen Verlauf der Wärmeableitung sowie durch die wählbare Fluenz von LP 2. Die Höhe von Tmin ist so zu wählen, daß keine totale Erstarrung der Schicht vor Erreichen des zweiten Temperaturmaximums am Ende des LP 2 stattfindet. Tmin ist damit wenige 100K unterhalb der Schmelztemperatur der Schicht einzustellen. Die Eindringtiefe der Laserstrahlung (1/α)LP 1 sollte kleiner oder vergleichbar mit der Schichtdicke dsi sein Beispiel: (1/α)308 nm ≈ 10 nm.
    Die von der Schicht pro cm2 absorbierte Laserenergie beträgt F × (1-R), wobei für 308 nm R ≈ 90% beträgt (temperaturabhängig). Diese Energie wird durch elektronische Wärmeleitung auf die gesamte Si-Schicht verteilt (Zeitdauer < 10-11 sec).
  • 4. Laserpuls 2: Energiebedarf etwa 0,1 bis 10 J/cm2, Zeitdauer (je nach Pulsform) 0,1-10 µsec. Bei sehr genauer Steuerung der Zeitabhängigkeit der Impulsamplitude sind auch noch höhere Energiedichten und größere Zeitdauern möglich. Zunächst soll der einfachste (und auch für Anwendungen wahrscheinlichste Fall) angenommen werden: Zeitdauer 0,5 µsec, Rechteckimpuls FLP 2 ≈ 0,15 J/cm2, Wellenlänge 1064 nm (Nd-YAG Laser). Für amorphes bzw. kristallines Si beträgt die Absorptionslänge (1/α)fest ≈ ein bis mehrere Mikrometer, so daß das Material bei Schichtdicken von wenigen 100 nm nicht aufgeschmolzen wird. Andererseits hat flüssiges Si metallähnlichen Charakter mit (1/α)flüssig ≈ 10 nm mit R ≈ 70%, so daß dieses die Strahlung mit hohem Wirkungsgrad absorbiert.
    Dieser Sachverhalt, nämlich die Steigerung der Absorption der Strahlung des LP 2 durch die Si-Schicht beim Phasenübergang fest-flüssig um etwa zwei Größenordnungen ist ein wesentlicher Teil des Erfindungsgedankens. Dieser besagt, daß am Ende von LP 1 nur solches Material von der Erwärmung durch LP 2 erfaßt wird, das zu diesem Zeitpunkt in flüssiger Form vorliegt. Auf diese Weise ist erfindungsgemäß eine räumliche Strukturierung der Bereiche mit großflächigen Kristalliten möglich.
  • 5. Räumliche Strukturen: Ausgehend vom jetzigen Stand der Technik sind jetzt mehrere Möglichkeiten der Dünnschichtkristallisation gegeben.
    • 5.a) SLG-Methode mit Strichmaske
      SLG = superlateral growth [1, 2]
      Eine Fläche wird durch eine Sequenz von Laserpulsen belichtet und kristallisiert. Eine Strichmaske erzeugt durch einen 308 nm (Beispiel) Excimerlaserpuls (hier: LP 1) eine aufgeschmolzene Zone makroskopischer Länge (z. B. Länge 50 µm) und mikroskopischer Breite (z. B. Breite 4 µm). Der nächste Puls wird aus dem Excimerlaser parallel zur Längsausdehnung um (z. B.) 3 µm versetzt eingestrahlt, so daß eine Überlappzone existiert von etwa 1 µm Breite. Die Bewegung wird z. B. durch ein Portalsystem erzeugt. Aus dieser Überlappung wachsen Kristallkeime in die jeweils neu aufgeschmolzene Zone. Die dabei kurzzeitig existierende Phasengrenze fest-flüssig wächst damit (weitgehend einkristallin) in das jeweils neu aufgeschmolzene Gebiet. Wird jetzt der LP 2 so dimensioniert, daß die bestrahlte Fläche, die der LP 1 aufgeschmolzen hat, belichtet wird, so bewirkt LP 2 erfindungsgemäß eine Verlängerung der Schmelzdauer, verbunden mit einem geringfügigen (vorteilhaftem) Eindringen der Schmelze in das Grenzgebiet fest-flüssig. Dazu ist keine räumliche Strukturierung des Strahlprofils des LP 2 vonnöten, da dieser im wesentlichen nur die jeweils flüssigen Bereiche erwärmt. LP 2 kann mithin flächenhaft (im allgemeinen homogenisiert) ausgelegt werden.
    • 5.b) Interferometrische Methode: Eine Modifikation dieses lateralen Kristallwachstums ist gegeben, wenn die Laserstrahlung des LP 1 (flächenhaft) als Interferenzstreifensystem eingestrahlt wird, wobei die Phasengrenze fest-flüssig die Zonen maximaler Intensität einschließt. Auch in diesem Falle wird eine Verlängerung der Schmelzdauer durch einen flächenhaft eingestrahlten LP 2 bewirkt. Da das einkristalline Wachstum nach dem jetzigen Stand der Technik auf wenige Mikrometer beschränkt bleibt, ist es sinnvoll, den Interferenzstreifenabstand ebenfalls auf wenige µm zu begrenzen. Aus diesem Grunde ist das Verfahren weniger für Excimerlaserpulse und dafür mehr für Laser mit kleiner Strahldivergenz geeignet. Frequenzverdoppelte oder frequenzverdreifachte Nd-YAG-Laser bieten sich hier beispielsweise an.
      In den Fällen 5a und 5b bilden räumliche Strukturen des Laserstrahls, die durch optische Mittel (Maske oder Interferenz) herbeigeführt wurden, räumlich kontrollierte Korngrenzen (sogenannte GLC = gram boundary location controllod-Si films) in der Siliziumschicht, die ausgehend von der Grenze fest-flüssig zu einem einkristallinen Wachstum im Gebiet der erstarrenden (unterkühlten) Flüssigkeit führen.
    • 5.c) Strukturierung der SiO2 Deckschicht: Verwendet man ein Streifensystem (3) oder ein System lokalisierter Inseln von SiO2 Deckschichten auf der (homogenen) a/Si-Schicht (2a, 2b) nach Fig. 3 so bewirkt nach J. S. Im und H. J. Kim [1, 2] das Antireflexverhalten der Deckschicht (schichtdickenabhängig) einen erhöhten Energieeinfall im Bereich unter den Streifen (oder Inseln), so daß sich eine fest-flüssig-Grenze durch geeignete Dimensionierung der Intensität des LP 1 (flächenhaft eingestrahlt) an den Grenzen der nicht beschichteten Bereiche linienhaft oder inselförmig einstellen läßt. Die an diesen Grenzen lokalisierten Kristalle wachsen dann wiederum bei Erstarrung in den flüssigen Bereich unter den Deckschichten hinein. Mit diesem Verfahren werden Flächenkristalle von mehreren Mikrometern Länge erzeugt.
  • 6. Spontane Kristallisation: Neben der beschriebenen SLG (superlateral growth)-Methode bei der stets ein laterales Temperaturgefälle in der Halbleiterschicht hergestellt werden muß, um laterales Kristallwachstum aus der Bereichsgrenze fest-flüssig zu stimulieren, läßt sich das Verfahren der Nachheizung mit einem zweiten Laserpuls auch anwenden für homogene Si- Schichten und für Schichten, bei denen das Silizium selbst strukturiert ist, nicht aber eine evtl. vorhandene transparente Deckschicht eine Struktur aufweist. In diesem Falle läßt sich durch den LP 1 das gesamte Material der Halbleiterschicht großflächig oder aber strukturiert aufschmelzen indem homogene Laserstrahlung verwendet wird. Kristallisation kann jetzt nur stattfinden nach einer gewissen Unterkühlungsphase aufgrund spontaner Kristallkeimbildung. Hierzu sind nach dem Stand der Technik Experimente mit sehr geringen Temperaturdifferenzen zwischen der Substratunterlage und den Si-Schichten in der flüssigen Phase sehr erfolgreich. Das hier vorgelegte Nachheizverfahren mit dem LP 2 erlaubt es jetzt, auf wesentliche Erwärmung der Substratunterlage zu verzichten. Der eingestrahlte LP 2 ist so zu dimensionieren, daß die Abkühldauer sich verlangsamt. Hierzu ist es evtl. von Nutzen, dem LP 2 einen zeitlichen Intensitätsverlauf aufzuprägen derart, daß die zeitabhängige Abkühlung der Si-Schicht durch Anpassung des zeitlichen Impulsverlaufes verzögert wird. In diesem Zusammenhang bieten sich neben den schon erwähnten Nd-YAG Lasern auch CO2 Laser- Pulse z. B. aus transversal gepumpten Lasern an. Neben dem Typus TEA (transversal excited atmospheric) sind für Pulsdauern mit Pulslängen im Mikrosekundenbereich (mit Pulsschwänzen) besonders transversal gepumpte Laser, die bei Drucken unter­ halb 1 Atmosphäre betrieben werden, von Interesse. Hier existieren mehrere Verfahren insbesondere mit höherem Stickstoffanteil und reduziertem CO2 Anteil im Lasergas und bei Verwendung geeigneter Resonatoren oder bei Kopplung zwischen einem CW-Laser und einem gepulsten TE-Laser (transversal excited) in einem gemeinsamen Resonator. Diese CO2- Langpulslaser haben Mikrosekundenpulse mit zeitlich abfallender Intensität und typische Intensitäten im 105 Watt-Bereich.
Der Patentanspruch 1 beschreibt in pauschaler Weise die Anforderungen an die beiden verkoppelten Laserpulse basierend auf den hier dargestellten Erfindungsgedanken. Fig. 1 beschreibt schematisch den zeitlichen Verlauf der Temperatur in der Halbleiterschicht sowie einen typischen Verlauf der beiden eingestrahlten Laserpulse. Die Ansprüche 2 und 3 umreißen die zur Realisierung der Laserpulse LP 1 und LP 2 bevorzugten anwendbaren Lasertypen und nehmen Bezug auf die relevanten Intensitäten und Impulslängen. Die Ansprüche 4 bis 6 nehmen Bezug auf die bekannten Verfahren, die zum superlateralen Kristallwachstum führen. Der Anspruch 7 bezieht sich auf die spontane Kristallisation. Der Anspruch 8 nimmt Bezug auf die Anwendung des Verfahrens für die z. B. in der Solartechnik besonders interessanten Halbleitersubstanzen. Dem Anspruch liegt zugrunde, daß die in den Ansprüchen 2 und 3 zur Anwendung gelangenden Lasertypen auf Wellenlängen betrieben werden, die für alle Halbleiter des Anspruchs 8 geeignet sind, da die hierfür wesentlichen Voraussetzungen des Anspruch 1 nämlich ein steiler Abfall des Absorptionskoeffizienten α mit steigender Wellenlänge im sichtbaren Bereich (d. h. zwischen den Wellenlängen von LP 1 und LP 2) sowie Metallcharakter d. h. hoher Wert des Absorptionskoeffizienten im flüssigen Material für die Wellenlängen des LP 2 erfüllt sind.
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Claims (11)

1. Verfahren zur Kristallisation amorpher Halbleiterschichten sowie zur Veränderung der Kristallstruktur polykristalliner Halbleiterschichten durch Bestrahlung mit gepulster Laserstrahlung aus (mindestens) zwei verschiedenen Strahlquellen mit den Laserpulsen LP 1 und LP 2 nach Fig. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserpulspaare folgende Eigenschaften aufweisen.
  • a) Die Laserpulse überlappen zeitlich oder der LP 2 folgt dem LP 1 in kurzem zeitlichen Abstand (kleiner als die Schmelzdauer des Targetmaterials)
  • b) Der Laserpuls LP 1 (vorzugsweise mit einer typischen Zeitdauer von 10 bis 50 nsec) führt zum kurzzeitigen totalen oder partiellen Aufschmelzen der von ihm bestrahlten Fläche, wobei das Strahlprofil durch optische Maßnahmen eine räumliche oder raumzeitliche Struktur aufweisen kann. Der Laserpuls LP 2 ist homogen, vorzugsweise ist seine äußere räumliche Begrenzung gleich mit der äußeren Begrenzung des Profils von LP 1. Die Strahlung von LP 2 wird im wesentlichen im Bereich der durch LP 1 aufgeschmolzenen Gebiete der Targetoberfläche absorbiert und führt damit zur Verlängerung der Schmelzdauer in diesen Bereichen.
  • c) Die Wellenlänge der Strahlung des LP 1 ist so gewählt, daß deren Reichweite (1/α)LP 1 in der zu kristallisierenden Halbleiterschicht kleiner oder vergleichbar ist mit der Schichtdicke. Die Wellenlänge von LP 2 ist so gewählt, daß die Reichweite (1/α)LP 2 in dieser Schicht im festen Zustand mindestens im Mikrometerbereich liegt, jedoch nur einige Nanometer (bis zu 30 nm) im flüssigen Material beträgt, derart, daß flüssiges Material selektiv die Strahlung absorbiert.
  • d) Intensität und Pulsdauer sowie der zeitliche Abstand sind so bemessen, daß bei (vorzugsweise) vergleichbarer Fluenz (F = Intensität × Zeitdauer = Iτ) von LP 1 und LP 2 die Intensität von LP 2 so groß gewählt ist, daß in den relevanten Aufschmelzbereichen ein Wiedererstarren der Schmelze nach dem Ende von LP 1 weitgehend vermieden wird, mit der
    Vorschrift τ1 < τ2 vorzugsweise τ1 « τ2
    sowie I1 < I2, vorzugsweise I1 » I2
wobei die Ablationsschwelle für LP 2 dessen Fluenz im wesentlichen begrenzt.
2. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des LP 1 entweder
  • a) Excimerlaser mit 248 bzw. 308 nm Wellenlänge oder
  • b) Kupferaufdampflaser oder
  • c) frequenzverdoppelte oder verdreifachte Nd-YAG Laser und zur Realisierung des LP 2 entweder
    • a) Nd-YAG Laserpulse mit 1064 nm Wellenlänge und Zeitdauern τ2 = 0,5 bis 2 µsec und Intensitäten bei dünnen Halbleiterschichten um 300 kW/cm2 sowie < 300 kW/cm2 bei dicken Schichten oder
    • b) CO2-Laserpulse mit 10,6 µm Wellenlänge aus TEA oder TE Lasern mit Hauptpulsen der Breite 100 bis 500 nsec und Pulsschwänzen von 1 bis 10 µsec Dauer
verwendet werden.
3. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des LP 2 abweichend von den Details des Anspruchs 1 nicht Einzelpulse mit den Daten I2, τ2 sondern statt dessen Pulsfolgen aus einer Relaxationsschwingung (sog. spiking) mit Einzelpulsbreiten um 1 µsec zur Anwendung kommen.
4. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des superlateralen Kristallwachstums der LP 1 eine Fläche oder mehrere Flächenstücke makroskopischer Länge (z. B. zwischen 30 µm bis zu einigen cm) und mikroskopischer Breite (z. B. einige µm) "linienhaft" aufschmilzt mit der Maßgabe, daß der LP 2 diese Fläche ebenfalls bestrahlt, derart, daß das jeweils folgende Laserpulspaar nach einer aufgeprägten Bewegung des Werkstücks entlang der aufgeschmolzenen Zonen partiell räumlich überlappt.
5. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Strukturierung des LP 1 herbeigeführt wird, (alternativ)
  • a) durch die Anwendung einer konventionellen Maske oder
  • b) durch ein Interferenzstreifensystem nach Durchgang der Strahlung des LP 1 durch ein konventionelles Interferometer.
6. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung des superlateralen Wachstums ein räumlich periodisches laterales Temperaturgefälle ausgelöst wird durch Anbringung einer periodisch strukturierten transparenten Deckschicht (3) (nach Fig. 3) (z. B. aus SiO2, z. B. streifenweise aufgebracht) mit der Maßgabe, daß wegen des Antireflexverhaltens der Anordnung das Material nur hinter den Deckschichten (3) total aufschmilzt und bei Erstarrung das superlaterale Wachstum aufweist, wobei die Erstarrung durch das zeitliche Verhalten der Abkühlung nach Bestrahlung durch LP 2 gesteuert wird.
7. Verfahren zur Kristallisation von Halbleiterschichten nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine homogene oder eine räumlich strukturierte Halbleiterschicht evtl. hinter einer homogenen transparenten Deckschicht durch LP 1 gleichmäßig aufgeschmolzen wird und daß der LP 2 die Aufschmelzdauer verlängert und die Abkühlgeschwindigkeit reduziert und damit das Einsetzen der spontanen Kristallisation verzögert und damit die Dichte der spontanen Kristallisationskeime reduziert.
8. Laserkristallisation nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material aus einer der folgenden Substanzen besteht.
  • 1. amorphes Silizium aufgebracht nach einem der konventionellen Verfahren
  • 2. gemischt amorph-kristallines Silizium aufgebracht nach Laserstrahlablation aus einen Target
  • 3. Ge amorph oder amorph-kristallin
  • 4. GeSi amorph oder kristallin oder amorph-kristallin
  • 5. Ga-As amorph oder kristallin oder amorph-kristallin
mit der Maßgabe, daß die amorph-kristallinen Modifikationen ebenfalls durch Laserstrahlablation hergestellt wurden.
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