HAL Id: jpa-00221809
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Submitted on 1 Jan 1982
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RECRISTALLISATION PAR FUSION DE ZONE DE Si SUR SiO2 A L’AIDE DE LAMPES A HALOGENE
Marjorie Haond, D. Bensahel, D. Vu, M. Dupuy
To cite this version:
Marjorie Haond, D. Bensahel, D. Vu, M. Dupuy. RECRISTALLISATION PAR FUSION DE ZONE
DE Si SUR SiO2 A L’AIDE DE LAMPES A HALOGENE. Journal de Physique Colloques, 1982, 43
(C1), pp.C1-387-C1-390. �10.1051/jphyscol:1982152�. �jpa-00221809�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque Cl, supplément au n°10, Tome 4S, octobre 1982 page Cl-387
RECRISTALLISATION PAR FUSION DE ZONE DE Si SUR S i 02 A L'AIDE DE LAMPES A HALOGENE
M. Haond, D. Bensahel, D.P. Vu et M. Dupuy*
CNET Grenoble, BP 42, 28240 Meylan, France
*CENG-LETI, 85X, S8000 Grenoble, France
Résumé. - Nous sommes parvenus, en utilisant des lampes à halogène de faible puissance, à fabriquer, par fusion de zone, un substrat monocristallin orienté <100>, de grande surface, sur un isolant. Ce substrat est constitué de sous-grains faiblement désorientés, ne contenant pas de défauts internes.
Ces sous-grains sont délimités par des sous-joints formés de dislocations empilées. Des précipités apparaissent le long de ces sous-joints au cours de la recristallisation.
Abstract. - By using low power halogen lamps, we have obtained a large area
<100> - oriented monocristalline substrate on an insulator, through a zone-melting recrystallization technique. This substrate is made of defect-free subgrains. These subgrains are delineated by low angle subboundaries made of discrete dislocations. During the recrystallization, precipitates grow along the subgrain boundaries.
Introduction. - De nombreux efforts de recherche portent actuellement sur la fabrication d'un film de Si monocristallin orienté (100) sur un substrat isolant.
Ils visent notamment à remplacer la structure Silicium sur saphir (SOS), par une structure moins coûteuse tout en permettant d'augmenter la rapidité et la densité d'intégration des circuits VLSI. La structure la plus prometteuse consiste à remplacer le substrat de saphir par une couches de Si0_ obtenue par oxydation d'un substrat de Silicium monocristallin. Il s'agit ensuite ae recristalliser une couche amorphe ou polycristalline déposée, pour la rendre monocristalline. Les recherches portent sur plusieurs techniques : des faisceaux laser continus balayés (1,2,3,4) donnant des lignes étroites à gros grains monocristallins, ou bien encore un barreau de graphite chauffé par effet 3oule qui permet de recristalliser des grandes surfaces (5) suivant une texture (100). Pour notre part, nous avons utilisé des lampes à halogène pour réaliser une fusion localisée (6). Après balayage, nous avons obtenu une zone monocristalline de grande surface. Nous rendons compte, ici, des résultats d'observation en microscopie optique et électronique qui montrent que le cristal obtenu est orienté (100) et qu'il comporte des sous-grains faiblement désorientés ainsi que des précipités, le long des sous-joints.
Montage expérimental. - La structure des échantillons utilisés est représentée sur la Figure 1. Ils sont préparés par l'Atelier-Pilote du Cnet-Grenoble.
Des plaquettes standard de Silicium monocristallin <100> sont d'abord oxydées thermiquement pour donner environ 1 u m d'épaisseur d'oxyde. Une couche de Si-polycristallin de 0,5u_m d'épaisseur est ensuite déposée en phase vapeur à basse pression (LPCVD) à 625°C. La taille des grains est de l'ordre de 600 Angstroms.
Enfin un encapsulant formé d'une couche de Si0„ de l'ordre de lu,» d'épaisseur est déposé à 430°C (LT0). Nous avons vérifié que cet encapsulant évite les transports de matière et diminue sensiblement l'amplitude des reliefs à la surface du film recristallisé. Pour nos premières expériences, nous avons utilisé comme échantillons des bandes de 1cm x 10cm.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1982152
JOURNAL DE PHYSIQUE
Fig. 1 : Schéma de la structure de l'échantillon et de la zone fondue.
Notre montage est constitué de lampes 21 halogène de faible puissance (150W). Une partie, placée à l'arrière de l'échantillon, amène l'ensemble du substrat à 1000°C, tandis-que le rayonnement d'une autre lampe, focalisé sur la face avant, à l'aide d'un miroir ellipsoïdal de révolution, apporte le complément d'énergie nécessaire pour atteindre une fusion localisée du Si-polycristallin. En outre, le rayonnement focalisé est partiellement masqué. On obtient alors une interface liquide-solide concave (Fig.1). Ainsi les grains s'appuyant sur une nucléation au centre de la zone fondue, croissent vers l'extérieur de la ligne pour produire de longs et larges grains monocristallins. Il est ainsi possible, en ajustant le rayon de courbure de la concavité, de tirer sur toute la longueur de l'échantillon, un cristal occupant la quasi-totalité de la largeur de la ligne recristallisée, exceptée une zone polycristalline sur les bords. Ces cristaux s'appuient sur une zone transitoire où la compétition entre grains après nucléation se résout au profit d'un seul.
Le déplacement de la zone fondue est réalisé à l'aide d'un moteur à courant continu. La vitesse de tirage est constante et comprise entre 0,5 et lmm/s.
Toutes nos expériences se sont déroulées à l'air ambiant. Nous avons ainsi obtenu des films minces de Silicium monocristallin sur SiO2 de 3-4mm de large par plusieurs cm de long. Nos résultats sont comparables à ceux décrits par Geis et a1.(5), qui ont utilisé un barreau de graphite chauffé par effet Joule. Nous pouvons cependant souligner 2 avantages importants de notre système :
1) Toutes nos expériences peuvent se dérouler à l'air ambiant, ce qui n'est pas le cas du systéme à base de graphite ;
2) L'utilisation d'un faisceau lumineux, nous permet d'obtenir la forme souhaitée de la zone fondue par des moyens optiques simples.
Microstructure du film recristallisé.
-
Nos expériences ayant lieu à l'air ambiant et la taille des cristaux obtenus étant centimétrique, il est possible de suivre à l'oeil nu, in situ, la croissance de la zone recristallisée.L'utilisation d'un microscope optique, ici en mode Nomarski, nous permet d'apprécier, même avant toute attaque chimique, la qualité de la recristallisation, notamment la rugosité de la surface obtenue. La Figure 2.a est la photographie prise au microscope du centre d'une ligne recristallisée, avant attaque de l'encapsulant. Il apparaft des reliefs périodiques, marqués par des précipités apparus au cours de la recristallisation. Une attaque chimique de type Secco (71, permet de révéler (Figure 2.b) des sous-grains, les sous-joints constituant les reliefs cités. Elle révhle également des lignes de défauts non fermées, de forme arborescente (Figure 2.b).
1 2 0 0 Mm
déplacement
>
a. b.
Figure 2 : Photographie au microscupe optique en mode Nomarski d'une zone recristallisée ;
a. Avant attaque et révélation chimiques
b. Après attaque de l'encapsulant et révélation chimique des défauts.
Des analyses en Microscopie Electronique en Transmission (MET) confirment ces observations en les précisant :
Toute la zone centrale est monocristalline ; la normale est orientée (001) et la zone parallèle au balayage est (100). Cette zone comporte des sous-joints primaires espacés de 100 à 200)~m parallèles au balayage. La Figure 3 montre les 2 réseaux de dislocations individuelles qui constituent les sous-joints de sous-grains faiblement désorientés (typiquement 0,4 degrés).
Fig. 3 : Photographie au Microscope Electronique en Transmission (MET) d'un sous-joint de grains constitué de 2 réseaux de dislocations.
La zone en bordure de la ligne recrystallisée est constituée de grains monocristallins parallèles, dirigés du bord vers le centre. Ils sont également orientés (100) dans le plan. L'extrême bord est constitué de grains polycristallins, entourés de précipités rejetés vers les bords de la zone fondue lors de son déplacement.
Les segments de forme arborescente, déjà observés en microscopie optique après révélation chimique, s'avèrent être des sous-joints secondaires. Ils sont constitués d'un seul réseau de dislocations empilées, qui démarre d'un sous-joint primaire, et tendraient à minimiser les contraintes liées-à l'expansion du Silicium lors de la resolidification. Ils suivent les directions <110> et <110>. Une image formée en courant induit par faisceau d'électrons (EBIC) à 15 kV, à partir d'une diode Schottky formée sur le matériau recristallisé confirme cette observation (Figure 4).
La Figure 4 montre que les sous-joints primaires et secondaires constituent des zones recombinantes. Les régions grisâtres voisines sont à relier à
la longueur de diffusion des porteurs minoritaires.
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SCAN DIRECTION
Fig.4 : Image en courant induit par faisceau d'électrons (EBIC) réalisée sur la couche de Si recristallisée. Les directions présentes dans le cristal sont indiquées sur la partie droite de la figure.
Enfin, les observations au MET confirment que, hormis les précipités distribués le long des sous-joints, les zones recristallisées, les sous-grains, ne comportent pas de défauts internes : ni boucles de dislocations, ni fautes d'empilement, ni microtwins. Des premières études en micro-analyse X indiquent la présence de Cu dans les précipités observés le long des sous-joints. Leamy (8) a par ailleurs trouvé par analyse par microsonde Auger, en plus du Cu, la présence d'oxygène, ce qui n'est pas surprenant, vu la composition du substrat isolant et de 1' encapsulant
.
Conclusion.
-
Nous avons montré qu'il était possible, par une fusion de zone obtenue à l'aide de lampes B halogène, de fabriquer un substrat monocristallin orienté <100> sur un isolant, de bonne qualité cristalline. Les études doivent se poursuivre pour déterminer l'influence électrique des sous-joints de grains observés dans le matériau recristallisé et pour tenter de supprimer les précipités présents dans la zone utile à la realisation de circuits.Références.
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(1) LAM H.W., PINIZZOTTO R.F., and TASCH A.F., J. Electrochem. Soc. 128 (1981) 1981
( 2 ) KAWAMURA S., SAKURAI J., NAKANO M., and TAKAGI M., Appl. Phys. Lett. 40 (1982) 394
(3) CELLER G.K., TRIMBLE L.E., NG K.K., LEAMY H.J., and BAUMGART H., Appl. Phys.
Lett. 40 (1982) 1043
(4) COLINGE J.P., DEMOULIN E., BENÇAHEL D., and AUVERT G., Appl. Phys. Lett. en cours de publication
( 5 ) GEIS M.W., SMITH H.I., TÇAUR 0-Y., and FAN J.C.C., Appl. Phys. Lett. 40 (1982) 158
( 6 ) HAOND M. and VU D.P., Electron. Lett. 18 (1982) 727
( 7 ) SECCO D'ARAGONA F., J. Electrochem. Soc. 119 (1972) 948
(8) LEAMY H.J., in Laser and Electron-Beam Interactions with Solids, Editeurs APPLETON B.R. and CELLER G.K. (1982) 459
