Основные операции. Лазерный отжиг полупроводников после ионной имплантации

Отметим наиболее фундаментальные результаты, полученные при лазерном отжиге наносекундными импульсами излучения ионно-имплантированных слоёв кремния.

Отличительной особенностью лазерного отжига наносекундными импульсами излучения является наличие больших градиентов температуры (10 К/с), так что на границе раздела твёрдой и жидкой фаз скорость движения фронта кристаллизации аномально высока (до 10 см/с). По этой причине при лазерном отжиге в таком режиме реализуются наиболее интересные эффекты: достижение высокого совершенства восстановления кристаллической структуры при отсутствии макроскопических дефектов; высокая эффективность легирования при больших дозах имплантации; достижение концентрации примесей в замещающих положениях с существенным превышением пределов равновесной растворимости. Степень совершенства восстановленной структуры при отжиге в режиме жидкофазной кристаллизации зависит в основном от плотности энергии лазерного излучения. Дело в том, что при достаточно высоких плотностях энергии глубина расплавленного слоя превышает толщину нарушенного слоя, и происходит эпитаксиальная кристаллизация из расплава от ненарушенной подложки. При этом реализуется монокристаллическая структура. Напротив, когда плавится только часть аморфного слоя (относительно малая плотность энергии излучения), реализуется поликристаллическая структура. Важным является то, что в условиях ориентированной кристаллизации при лазерном отжиге (по данным просвечивающей электронной микроскопии с разрешением до 10 Å) не наблюдается макроскопических ростовых дефектов (дислокаций, двойников и т. д.), которые всегда возникают в условиях твердофазного отжига.

Причиной отсутствия макроскопических ростовых дефектов в данном случае является аномально высокая скорость движения фронта кристаллизации, при которой процессы вторичного дефектообразования (миграция и объединение дефектов) не успевают развиться. По некоторым оценкам, критическая скорость движения фронта кристаллизации для кремния составляет величину ∼1 см/с. Увеличение же скорости движения фронта выше 2–10 см/с, которое можно осуществить за счёт укорочения лазерного импульса (пикосекундное облучение τ_i = 30·10⁻¹² с), приводит к тому, что структура отожжённого слоя оказывается аморфной, поскольку при такой высокой скорости кристаллизации собственные атомы кремния не успевают занять упорядоченные положения, соответствующие идеальной решётке.

Таким образом, приемлемым диапазоном скорости кристаллизации при лазерном отжиге в наносекундном режиме является диапазон 1 ÷ 1000 см/с. Требуется особо выделить вопрос об отжиге точечных дефектов, так как именно присутствие этого типа дефектов влияет на работоспособность реальных полупроводниковых приборов. Экспериментально установлено, что существует оптимальная величина плотности энергии наносекундного лазерного импульса, при которой обеспечивается минимум остаточных точечных дефектов.