ITRM990182A1 - Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento laser sequenziale in due fasi e l'utilizzo di una maschera. - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo : "PROCEDIMENTO DI RICRISTALLIZZAZIONE DI FILM DI SILICIO AMORFO CON IRRAGGIAMENTO LASER SEQUENZIALE IN DUE FASI E L'UTILIZZO DI UNA MASCHERA",

Il presente trovato riguarda la tecnologia per la realizzazione di transistor a film sottili di silicio policristallino e più in particolare ha per oggetto il controllo della ricristallizzazione di film sottili di silicio amorfo indotta da laser ad eccimeri con un processo di irraggiamento sequenziale in due fasi, di cui la prima impiega una modulazione spaziale del fascio laser tramite maschera metallica non trasparente a detto fascio laser. L'uso di tale maschera produce sul film di silicio gradienti di temperatura che risultano connessi alla modulazione spaziale dell'intensità luminosa assorbita e una crescita laterale dei grani che parte dalle zone coperte dalla maschera. Per ottenere la ricristallizzazione di tutta la superficie della lastra ricoperta di silicio, nella seconda fase il film è sottoposto ad un secondo irraggiamento senza la presenza della maschera. Le zone ricristallizzate durante la prima fase (cioè quelle esposte al laser in quella fase) agiscono da seme di ricristallizzazione per le zone rimaste amorfe nella prima fase.

La tecnica di ricristallizzazione della presente invenzione risulta particolarmente interessante per la fabbricazione di TFT a silicio policristallino. Infatti consente di ottenere grani grandi (dell'ordine di alcuni micron) con distribuzione piuttosto uniforme e di controllare, entro una ristretta distribuzione, la direzione di propagazione dei bordi di grano. I suddetti vantaggi appaiono un superamento sostanziale degli attuali limiti di operazione nel cosiddetto regime di cristallizzazione SLG, caratterizzato da grani grandi (>1 micron), ma anche da una stretta finestra di processo e da una distribuzione fortemente disomogenea della dimensione dei grani. Inoltre, il processo proposto può essere condotto a temperatura ambiente e anche in assenza di vuoto, con una finestra di processo per la densità di energia del fascio laser molto ampia rispetto alle tecniche correntemente utilizzate,

Stato dell'arte.

Negli ultimi anni la ricristallizzazione tramite laser ad eccimeri di film di silicio amorfo si è affermata come la tecnologia principale per la realizzazione di transistor a film sottile di silicio policristallino e relativi circuiti elettronici basati su di essi. In questo tipo di materiale, i bordi di grano costituiscono potenzialmente un ostacolo al fluire della corrente elettrica, ed è buona norma minimizzarne la densità o la loro interazione con la corrente (per effetti di ricombinaziorie , intrappolamento o barriera) .

Films depositati direttamente in forma policristallina richiedono substrati costosi (ad esempio quarzo) ed alte temperature di processo (le massime sopportabili dal substrato). I micrograni di silicio così ottenuti a malapena raggiungono le dimensioni di 1 μτη, e sono cosparsi di difetti cristallografici. L'eventuale post- trattamento termico indispensabile per migliorare le proprietà di questo materiale, grazie all'accrescimento delle dimensioni medie dei grani, richiede alte quantità di energia (ottenute accoppiando le massime temperature sopportabili dal substrato a tempi di trattamento che vanno da 10 a 50 ore circa).

La efficace alternativa a queste limitazioni è la cristallizzazione ultrarapida di films di silicio depositati a bassa temperatura (quindi di grado amorfo o policristallino di bassa qualità) , mediante irraggiamento con laser impulsati . I migliori risultati vengono ottenuti con laser ad eccimeri che emettono a lunghezze d ’ onda nella regione ultravioletta (193 nm, 248 nm e 308 nm di lunghezza d'onda, per laser che utilizzano miscele ArF, KrF e XeCl rispettivamente) con una durata di impulso molto breve ( 10-30 nanosecondi).

La combinazione offerta dalle proprietà fisiche del silicio amorfo, vale a dire il forte assorbimento ottico della radiazione UV (profondità di penetrazione inferiore a 100 nanometri) e la piccola lunghezza di diffusione del calore durante l ' impulso laser ( ≡100 nanometri) , favorisce il raggiungimento di alte temperature nel film senza apprezzabile propagazione del calore al substrato (che rimane generalmente al disotto di 400 °C) rendendo compatibile questa tecnica di ricristallizzazione con l'utilizzo di substrati sensibili alla temperatura. L'applicazione del procedimento a films di silicio amorfo depositati su vetro è stata dimostrata; per quelli depositati su films plastici, i risultati sono incoraggianti.

Il vantaggio più rilevante offerto da questa tecnica è che il silicio policristallino risulta di buona qualità cristallografica, con una bassa densità di difetti all'interno dei grani.

Il processo di ricristallizzazione laser è molto dipendente dalla densità di energia dell'impulso laser per unità di area, denominata fluenza e misurata in J/cm . Per fluenze di poco superiori alla soglia di energia necessaria alla fusione superficiale, il silicio irraggiato risulta essere composto di due strati: uno strato superiore, con grani relativamente grandi, il cui spessore è legato alla profondità di fusione del film indotta dal laser, e uno strato sottostante con grani più piccoli.

All'aumentare della fluenza, la dimensione dei grani del silicio aumenta, fino a raggiungere il massimo per una speciale condizione in cui il film di silicio durante l'irraggiamento viene fuso in quasi tutto il suo volume e solo piccoli germi cristallini, distribuiti casualmente, rimangono intatti all'interfaccia con il substrato. Queste zone agiscono come semi per la successiva crescita dei grani dal silicio fuso, che si espandono lateralmente entro una lunghezza caratteristica dell'ordine di 1-2 μm, legata all'immediato successivo raffreddamento del silicio fuso, che blocca la espansione indefinita del fronte di ricristallizzazione. In questa particolare condizione di ricristallizzazione, detta "Super Lateral Growth" (SLG), si può ottenere silicio policristallino con grani di dimensioni maggiori di 1 μm (Figura I).

A densità di energie maggiori, il film di silicio è completamente fuso in tutto il suo volume e il processo di ricristallizzazione avviene tramite il fenomeno incontrollabile della nucleazione omogenea. che dà origine a silicio policristallino a grana fine.

La condizione ottimale di cristallizzazione "SLG" (che come detto fornisce grani di dimensioni maggiori di 1 μm e mobilità da effetto campo tra 300 e 400 cm<2 >/VS) è pero piuttosto critica da realizzare perché molto sensibile ai parametri effettivi di realizzazione, in particolare la densità di energia.

Inoltre per le particolari condizioni in cui si realizza, la condizione "SLG " dà spesso origine a silicio policristallino con dimensioni dei grani non uniformi, dovuti alla casualità della posizione dei germi di ricristallizzazione: quando i germi sono eccessivamente lontani tra loro, nel volume di liquido che li separa può avvenire la ricristallizzazione omogenea a grana fine; quando i germi sono eccessivamente vicini tra loro, la dimensione dei grani è abbattuta ad una misura pari alla distanza tra i grani.

La distribuzione non uniforme delle dimensioni dei grani ha come conseguenza la disuniformità nelle prestazioni dei dispositivi realizzati con tale materiale e serie complicazioni nel controllo e nella gestione dei relativi circuiti elettronici.

Per ovviare a tali inconvenienti, sono state sviluppate diverse tecniche per il controllo della SLG, aventi come obiettivo generale la realizzazione di transistor a film sottile di silicio policristallino di grado avanzato, con uno o nessun bordo di grano perpendicolare alla direzione della corrente elettrica iniettata all'interno del materiale attivo. Questi metodi si basano sul controllo della localizzazione e della propagazione della crescita laterale dei grani, con l'utilizzo di strati addizionali o schermi esterni, oppure strati che assorbono calore, in modo tale da creare artificialmente zone del film a temperatura notevolmente diversa, ove quelle più fredde agiscono come germi di ricristallizzazione e quelle più calde come zone di espansione.

Esistono attualmente vari metodi per controllare spazialmente la condizione SLG, che costituiscono una classe di metodi impieganti mascherature ottiche o termiche. Questi si basano su vari artifici, come:

A)- La deposizione sul silicio amorfo di strati di Si02 di opportuno spessore, o altri materiali similari, che possono diminuire la riflettività del silicio. La fusione del film parte dalle regioni non coperte dallo strato che sono quelle a più bassa temperatura, precisamente nelle regioni di confine tra le due zone, e procede tramite nucleazione eterogenea all'interfaccia solido/liquido dando origine alla crescita laterale dei grani.

B)- La deposizione sul silicio amorfo di strati di Si3N4 di opportuno spessore, o altri materiali similari, che possiedono una maggiore conducibilità termica e capacità termica rispetto al film di silicio. L'effetto di sottrazione di calore nelle zone coperte fa sì che la crescita laterale dei grani inizia dalle regioni coperte dallo strato assorbente (che si solidificano prima) e si propaga nelle zone non coperte.

C) - La propagazione guidata dell'accrescimento dei grani, mediante l'uso di fasci laser localizzati e sagomati a livello microscopico (mediante un'ottica a proiezione) che vengono trascinati sulla .superficie del film con avanzamenti sequenziali parimenti microscopici ("Super Lateral Solidif ication").

D) - La mascheratura del film con rudimentali diaframmi di materiale metallico, che interposti tra il fascio laser ed il film, producono la desiderata graduazione dell'intensità luminosa e della temperatura. Il gradiente ottenuto dipende anche dalla distanza maschera-film.

Nella presente domanda di brevetto, viene descritto un metodo innovativo appartenente alla classe D suddetta, che presenta notevoli vantaggi e si presta ad un utilizzo industriale. Esso si basa su strati sottili metallici utilizzati come maschere, di aspetto microscopico opportunamente definito mediante fotolitografia, che producono sul film di silicio gradienti di temperatura che risultano connessi ad una opportuna modulazione spaziale dell'intensità luminosa assorbita (Figura 2).

La risolidificazione inizia all'interfaccia solido-liquido giusto sotto lo schermo metallico; la crescita laterale dei grani di silicio policristallino ha luogo nelle zone irraggiate (completamente fuse), con il fronte di solidificazione che parte dall ' interfaccia liquido/solido .

La solidificazione così guidata, si interrompe solo quando i grani che stanno crescendo incontrano zone già solidificate spontaneamente tramite l'evento concorrente della nucleazione omogenea .

Le dimensioni laterali dei grani che si ottengono utilizzando il metodo descritto, sono dell'ordine di 1 - 2 pm e aumentano al crescere della temperatura del substrato utilizzata durante l 'irraggiamento.

Nel seguito viene descritta la procedura dì realizzazione della maschera ed i criteri di utilizzo in vari processi di ricristallizzazione, facendo riferimento alle allegate tavole di disegno in cui :

la fig.l è una foto ottenuta con microscopio a scansione di silicio policristallino ricristallizzato tramite laser ad eccimeri con densità di energia di 290 mJ/cm<2 >e temperatura del substrato di 340°C ove i grani sono ottenuti dalla modalità di ricristallizzazione "Super Lateral Growth" secondo la tecnica nota;

Le figg.2 e 2a mostrano il principio di funzionamento di strati sottili metallici utilizzati secondo il presente trovato come maschere per produrre gradienti di temperatura sul film di silicio amorfo. In fig.2, le parti di film mascherate dal metallo rimangono solide mentre quelle scoperte si fondono completamente. La fig.2a mostra come la risolidificazione inizia all'interfaccia solidoliquido ed i grani crescono lungo la direzione perpendicolare all'interfaccia solido/liquido;

la fig.3 è una foto al microscopio ottico di una maschera secondo l'invenzione che mostra le strutture e la disposizione degli assorbitori (linee);

la fig.4 mostra schematicamente la struttura di una maschera per ultravioletto, che illustra la funzione degli assorbitori metallici ( ne è mostrato solo uno per semplicità) ;

la fig.5 è una foto ottenuta con il microscopio elettronico a scansione di una struttura Cr+Nb ottenuta tramite attacco mediante Reactive Ion Etching in miscela gassosa di CHF3 SF6+Ar dalla quale è possibile osservare la verticalità delle pareti di Nb ;

la fig.6 è uno schema del sistema di ricristallizzazione di silicio amorfo con laser ad eccimeri utilizzato nel presente trovato;

la fig.7 mostra graficamente la profondità di fusione in funzione della densità di energia del fascio laser per un film spesso 80 nm di silicio amorfo (linea continua) e di silicio cristallino (linea tratteggiata). Le curve sono state calcolate considerando il substrato mantenuto a temperatura ambiente durante l'irraggiamento ;

le figg.8a e 8b mostrano l'immagine ottenuta con il microscopio elettronico a scansione del silicio policristallino, ottenuto con maschera con strisce metalliche di 1,5 μm intervallate da spazi di 2,5 μm, rispettivamente dopo il passo 1 (Fig.8a) e dopo il passo 2 (Fig.8b). Prima della misura il campione è stato sottoposto ad attacco chimico selettivo per evidenziare i bordi di grano ;

la fig.8c è una vista più ampia della zona illustrata in fig.8b.

la fig.9 mostra le immagini ottenute con la tecnica di microscopia a forza atomica del silicio policristallino ottenuto dopo il primo passo utilizzando una maschera con strisce metalliche di 2,5 μm e spazi da 3,5 μm (a) e strisce metalliche di 1,5 μm e spazi da 2,5 μm (b).

la fig.10 mostra le immagini ottenute con la tecnica di microscopia a forza atomica del silicio policristallino ottenuto dopo i due passi sequenziali utilizzando una maschera con strisce metalliche di 1,5 pm e spazi da 2,5 pm. Nel secondo passo sono stati utilizzati 1 solo colpo (a) e cinque colpi alla stessa energia (b).

Descrizione particolareggiata del trovato

Il metodo di ricristallizzazione che costituisce oggetto della presente invenzione prevede sostanzialmente un processo a due passi.

Nel primo passo ("passo 1") si irraggia il campione di silicio amorfo attraverso una maschera metallica non trasparente, costituita da un gruppo di assorbitori metallici con la forma di strisce regolarmente distanziate (Figura 3). In questo modo si ottiene la crescita laterale dei grani che parte dalle zone coperte dalla maschera. Il risultato del primo irraggiamento sono zone ricristallizzate con grani orientati di larghezza di 1 - 2 pm, intervallate da zone di silicio amorfo intatto.

Per ottenere la ricristallizzazione di tutta la superficie della lastra ricoperta di silicio, il film è sottoposto ad un secondo irraggiamento ("passo 2"), senza la presenza della maschera. Utilizzando una opportuna densità di energia del fascio, si può indurre la completa fusione delle zone di silicio amorfo intatto mentre le zone ricristallizzate verranno fuse solo parzialmente. Questo avviene perché la temperatura di fusione del silicio amorfo è inferiore di circa 200 °C rispetto alla temperatura di fusione del silicio cristallino.

Durante il "passo 2", le zone ricristallizzate durante il "passo 1" (cioè quelle esposte al laser in quella fase) agiscono da seme di ricristallizzazione per le zone rimaste amorfe nel "passo 1" (Figura 2).

La forma e le dimensioni della maschera metallica e le condizioni di irraggiamento (energia del laser, temperatura del substrato, ecc.) possono essere opportunamente scelte in modo da ottenere la ricristallizzazione completa del film con grani orientati di dimensioni omogenee.

La tecnica oggetto del presente trovato è quindi caratterizzata dal richiedere solo due impulsi laser per ricristallizzare omogeneamente larghe aree e dall'avere un ampia finestra di processo rispetto all'energia dell'impulso laser.

Rispetto alle tecniche basate sull'uso di film dielettrici o metallici, direttamente depositati sulla superficie del campione per creare gradienti termici (proposte dai gruppi operanti presso la Columbia University, IESS-CNR e THOMSON-CSF e già elencate precedentemente come stato dell'arte ai punti A e B ), il metodo oggetto dell'invenzione presenta una notevole semplificazione del processo (si evita di depositare, definire litograficamente e infine di rimuovere gli strati dielettrici o metallici sul silicio, che è il materiale attivo). Inoltre elimina possibili contaminazioni provenienti dal contatto intimo tra zone fuse e i film dielettrici o metallici depositati.

Rispetto al processo cosiddetto di "Super Lateral Solidification", proposto dal gruppo della Columbia University, (vedi stato dell'arte al punto C) e basato sulla proiezione di una opportuna serie di minuscoli fasci laser sul campione e la microtraslazione (passi minori di 1 micron) del campione stesso, il metodo secondo la presente invenzione risulta nettamente più semplice (sono assenti ottica di proiezione e microtraslazioni) e più facilmente industrializzabile.

Rispetto all'utilizzo di maschere del tipo a "phase shift", costituite da materiali ottici sagomati per produrre distribuzioni arbitrarie di intensità per effetto della interferenza della luce, proposte dal gruppo del Tokyo Institute of Technology, (già citato al punto D dello stato dell'arte) il metodo secondo il presente trovato risulta molto più versatile (si possono realizzare molto più facilmente varie geometrie) e preciso nel controllo della distribuzione spaziale della radiazione. Inoltre, la realizzazione di maschere a "phase shift" è più critica rispetto al processo di realizzazione delle fotomaschere ad assorbitori qui proposto .

Esempio di realizzazione della maschera

Per ottenere un'efficiente trasmissione della radiazione laser, il supporto della maschera deve essere in quarzo o altri materiali non assorbenti nell'UV. Viceversa, per realizzare gli elementi assorbitori si può utilizzare un opportuno multistrato di metalli, quali Cr, Nb, Mo, W. Alcune delle caratteristiche guida nella scelta dei metalli da utilizzare sono:

- elevata riflettività nell'UV (onde ridurre al minimo l’energia assorbita ed il conseguente riscaldamento dell'assorbitore);

- elevata temperatura di fusione (onde evitare di fondere la struttura mascherante e quindi sottoporla a deformazioni);

- notevole spessore (onde ridurre la possibilità di fusione ed aumentare l'opacità dello strato) ;

- buona ripidità dei bordi (allo scopo di evitare ombreggiamenti graduali e mai definiti).

Per soddisfare ai suddetti criteri si è utilizzato come strato assorbitore un multistrato Cr (20 nm)/Nb (1 μιη)/Cr (40 nm), con spessori relativi indicati in parentesi, depositato su quarzo. Infatti, il Cr presenta una elevata riflettività per la radiazione da 308 nm (pari al 65,%) ed un punto di fusione relativamente elevato (1857 °C). Tuttavia, la definizione di strutture anisotrope di Cr non risulta facilmente ottenibile con tecniche di rimozione mediante attacchi chimici (al fine di ottenere la necessaria verticalità delle pareti laterali) e pertanto il "corpo" dell'assorbitore è stato realizzato in Nb, metallo che grazie alla sua elevata temperatura di fusione (2468 °C) e alla possibilità di essere definibile in modo anisotropo attraverso il "Reactive Ion Etching", risulta soddisfare molto bene due dei criteri di scelta sopra esposti (e che da solo presenta una riflettività insufficiente, pari al 43% a 308 nm).

La struttura multistrato adottata risulta particolarmente ideale per l ' applicazione . In particolare lo strato di Cr direttamente in contatto con il quarzo svolge una duplice funzione.

Nell'ambito del processo di realizzazione (Fig.4) agisce come "stop-etch" per l'attacco del Nb (che non agisce sul cromo), e preserva il substrato in quarzo dall'attacco in plasma a base di Fluoro utilizzato per rimuovere il Nb.

Durante l'irraggiamento, essendo la maschera posizionata sul campione con il quarzo verso l'esterno (vedi Fig.4), esso incrementa la riflettività globale del multistrato alla radiazione ultravioletta.

La realizzazione pratica della maschera richiede la definizione delle strutture geometriche, che può essere realizzata attraverso processi di litografia ottica (per strutture con dimensioni minime dell'ordine di 1 μm) o litografia con fascio elettronico (per strutture con dimensioni minime dell'ordine di 0,1 μm).

Allo scopo di meglio definire le strutture in questione e grazie alla disponibilità di un’apparecchiatura di Electron Bearti Lithography (EBL) presso i laboratori IESS-CNR, si è utilizzato il processo di definizione mediante fascio elettronico, che qui riassumiamo:

1) pulizia del substrato di quarzo,

2) deposizione mediante evaporazione con cannone elettronico di un film di 20 nm di Cr (strato interno) ;

3) deposizione mediante "DC sputtering" di un film di 1 μιη di Nb;

4) deposizione mediante evaporazione con cannone elettronico di un film di 40 nm di Cr (strato esterno) ;

5) ricoprimento degli strati con elettroresist;

6) esposizione mediante EBL dell'elettroresist per la definizione delle strutture;

7) sviluppo dell'elettroresist;

8) rimozione mediante attacco in umido (soluzione satura di cerio ammonio nitrato) dello strato esterno di Cr;

9) rimozione elettroresist;

10) attacco mediante Reactive lon Etching in miscela gassosa di CHF3+SF6+Ar del Nb (lo strato esterno di Cr, precedentemente sagomato, agisce da elemento mascherante);

il) pulizia in plasma di 02 per rimuovere polimeri depositati durante la rimozione del Nb;

12) rimozione dello strato interno di Cr dalle zone in cui è stato rimosso il Nb.

Nella Fig.5 è illustrata una foto a circa 18000 ingrandimenti di una struttura tipica dalla quale è possibile osservare la verticalità delle pareti di Nb ottenute con il processo sopra descritto.

Nella Fig.3 è mostrata una foto al microscopio della maschera completa, dalla quale si possono notare le strutture degli assorbitori (linee) intercalate da spazi vuoti. In particolare la maschera realizzata contiene varie combinazioni di assorbitori e spazi vuoti con larghezza variabile da 1 a 6 μπι. Le lunghezze possono essere arbitrarie, in linea di principio.

Esempio di realizzazione dell'irraggiamento sequenziale

I processi di irraggiamento sono stati eseguiti utilizzando un sistema, illustrato in Fig.6, che include un laser ad eccimeri commerciale (Lambda Physik LPX 205) con miscela gassosa XeCl (λ=308 nm, durata impulso 28 ns, energia massima 0.4 J a colpo). Il fascio emesso viene omogeneizzato e deflesso con uno specchio sul campione (la dimensione del fascio omogeneizzato sul campione è di 7x7 mm<2>) mentre la densità di energia può essere variata da 100 a 550 mJ/cm<2 >direttamente controllando la tensione di scarica e/o con opportuni filtri montati prima dell'omogeneizzatore. Il campione, che si trova sul portasubstrati all'interno di una camera evacuabile (vuoto massimo 10<-6 >mbar), può essere riscaldato dal portasubstrati (RT-600 °C) e scansionato sotto il fascio, attraverso due motori passo-passo che consentono una corsa complessiva di 15 era nelle due direzioni parallele al piano della lastra.

Il metodo secondo la presente invenzione è stato applicato per la ricristallizzazione di un film di silicio amorfo dello spessore di 80 nm depositato per "Ultra High Vacuum Chemical Vapour Deposition" (UHVCVD) alla temperatura di 480 °C da disilano, alla pressione di 0.25 Torr. Tale sistema di crescita del silicio amorfo permette di ottenere film privi di idrogeno e con un basso livello di impurezze.

Il film è stato irraggiato una prima volta (passo 1) utilizzando la maschera di Nb, a temperatura ambiente e con una fluenza di 370 mJ/cm<2 >L'energia ceduta è sufficiente a fondere completamente lo strato amorfo utilizzato, come risulta dal grafico di Fig.7 che mostra la profondità di fusione calcolata di uno strato di silicio amorfo ed uno di silicio policristallino di spessore di 80 nm. La Fig.8a mostra il silicio policristallino ottenuto in una zona in cui la maschera aveva strisce metalliche di 1,5 μm intervallate da spazi di 2,5 μm. L'immagine è stata ottenuta con il microscopio elettronico a scansione, dopo avere sottoposto il campione ad attacco chimico selettivo per evidenziare i bordi di grano (il quale possiede una maggiore velocità di attacco del silicio amorfo). Da notare che nel campione mostrato le zone coperte durante l'irraggiamento (silicio amorfo) risultano completamente eliminate. La Fig.8a mostra che dopo il passo 1 sono state create due strisce di silicio policristallino, adiacenti alle zone coperte, con grani orientati di dimensione laterale di poco più di 1 μm. Per estensioni della zona irraggiata >3 μm, nella zona centrale della striscia si osserva silicio policristallino con grani piccoli ed irregolari, risultante dal fenomeno della ricristallizzazione omogenea del silicio.

Il film è stato quindi irraggiato una seconda volta (passo 2) senza la maschera, a temperatura ambiente, con una fluenza di 340 mJ/cm<2 >. Come si può dedurre dal grafico di Fig.7, questa fluenza è sufficiente a fondere completamente le zone rimaste amorfe dopo il primo irraggiamento, ma fonde solo parzialmente le regioni policristalline.

La Fig.8b mostra la foto al SEM di un film irraggiato sequenzialmente dopo il secondo irraggiamento. Si può osservare che le zone con grani orientati si sono estese verso l’esterno della striscia policristallina risultante dal primo irraggiamento, dando origine ad una zona con grani orientati di larghezza di circa 2 pm. Nella Fig.8c una vista a più bassi ingrandimenti della zona irraggiata sequenzialmente mostra chiaramente la buona uniformità strutturale del processo. Sulla base dei risultati sopra esposti per geometrie delle zone mascherate nel passo 1 dell'ordine di 2 pm, la ricrescita laterale indotta dal secondo irraggiamento può produrre un film di silicio policristallino omogeneo e continuo.

In Fig.9 sono illustrate delle immagini della superficie del campione, irraggiato attraverso la maschera (passo 1 ), ottenute mediante microscopia a forza atomica. Come si può notare, se l'estensione della zona irraggiata è > 3 pm (fig.9a), la zona presenta nella parte centrale del policristallo a grana fine, come già discusso in precedenza. Viceversa, per estensioni al di sotto dei 3 μπι , tutta la zona è ricristallizzata attraverso il processo di accrescimento laterale e presenta nella parte centrale una notevole asperità. Questa protrusione di materiale è causata dal trasporto di materia che avviene durante il processo di risolidificazione. Infatti, essendo la fase liquida del silicio più densa di quella solida, al momento della risolidificazione, che inizia ai margini della zona irraggiata, l'espansione in volume causa una spinta sul liquido verso la parte centrale della zona stessa .Questo problema presente sempre e comunque nei processi di crescita laterale è tuttavia risolto durante il passo 2 del processo secondo la presente invenzione. Infatti, come illustrato in Fig.10 a , l'asperità nella parte centrale della zona irraggiata nel passo 1 viene completamente rimossa dall'irraggiamento del passo 2. Questo avviene in virtù del fatto che le asperità risultano consistere prevalentemente di silicio amorfo, caratterizzato da una temperatura di fusione di 200 °C inferiore a quella del cristallo. Tuttavia, se nel passo 2 viene usato un singolo colpo laser, la superficie della zona coperta durante il passo 1 e ricristallizzata al passo 2 presenta delle asperità simili a quelle relative al processo indotto dal passo 1. Per ovviare a questo, durante il passo 2 si possono utilizzare un numero maggiore >1 di colpi ( nel caso della Fig.10 b il numero è pari a 5) e rendere la superficie decisamente meno rugosa.

Infine lo stesso processo è stato verificato a temperature del substrato di 450°C e risultati analoghi a quelli sopra esposti sono stati verificati, con la differenza che la zona di crescita laterale tende ad aumentare (circa 2 μm). Questo consente l ' utilizzo di geometrie più ampie per ricristallizzare in modo omogeneo il campione con il processo a 2 passi.

E' quindi evidente che la tecnica di ricristallizzazione della presente invenzione risulta particolarmente interessante per la fabbricazione di TFT a silicio policristallino. Grazie infatti all'introduzione del secondo passo è possibile ricoprire tutta la superficie del campione con grani grandi e allineati opportunamente. La finestra di densità di energia del secondo passo è piuttosto ampia, come mostrato in Figura 7 (limite inferiore = densità necessaria a fondere completamente il film di silicio amorfo, limite superiore = densità necessaria a fondere completamente il film ricristallizzato durante il primo passo) e dipende dallo spessore del film e dalla temperatura del substrato durante l'irraggiamento. Va inoltre aggiunto che durante il secondo passo possono essere utilizzati uno o più colpi per irraggiare il film. Infatti, l'utilizzo di più colpi, alla stessa densità di energia, nel secondo passo, può, come si è visto, migliorare la morfologia superficiale, riducendo l’altezza delle protrusioni presenti, senza alterare la dimensione dei grani. Inoltre, l'utilizzo di temperature del substrato maggiori di quella ambiente durante l'irraggiamento, produce un effetto di ampliamento dell'estensione della zona a ricrescita laterale, consentendo l'uso di geometrie degli assorbitori presenti nella maschera maggiori di 2 μιη.

Modalità di utilizzo della fotomaschera

Esistono una serie di possibilità di utilizzo della maschera che, di per sè sono note perché correntemente utilizzate nelle lavorazioni fotolitografiche, ma che offrono opportunità di applicazione originali e significativamente per il processo oggetto del presente trovato. Qui di seguito vengono esaminate le più significative.

1) Utilizzo della suddetta fotomaschera nella modalità di contatto "sotto vuoto": in questa modalità viene realizzato il vuoto tra la maschera ed il campione, e la pressione atmosferica esterna preme i due elementi fino al contatto intimo. Ne deriva un contatto omogeneo tra maschera e campione, che porta alla massimizzazione del gradiente termico tra le aree esposte e quelle non esposte alla radiazione, e alla minimizzazione degli effetti indesiderati di ombreggiatura graduale provocati dalla maschera, fino al limite massimo. E' possibile inoltre realizzare il vuoto negli interstizi che sovrastano le aree di silicio amorfo che subiscono la cristallizzazione.

2) Utilizzo della suddetta fotomaschera nella modalità di contatto "hard contact": in questa modalità la maschera viene premuta meccanicamente a contatto contro il campione. Tale modalità è più adatta all'utilizzo industriale durante il processamento in serie, grazie ai semplici sistemi di traslazione e pressione meccanica. Diminuiscono con essa sia la pressione di contatto tra i due elementi che gli effetti su temperatura e ombreggiatura.

3) Utilizzo della suddetta fotomaschera nella modalità di contatto "soft contact" o "prossimità". In questa modalità la maschera è distanziata dal campione di 1-10 μτη circa. I vantaggi che ne derivano sono numerosi:

a) può essere interposto un gas di scambio (tipicamente un gas nobile) che omogeneizza le condizioni ambientali negli interstizi che sovrastano le zone da ricristallizzare,

b) può essere elevata la temperatura del campione rispetto a quella ambiente con rischi ridotti di danneggiamento della maschera ed ulteriore ingrandimento dei grani.

c) è preservata la vita media della maschera, ed è il metodo più adatto alla realizzazione industriale.

4) Utilizzo di geometrie arbitrarie degli assorbitori individuali e delle matrici di assorbitori realizzati sulla maschera.

Queste caratteristiche di disegno sono realizzate su scala dimensionale di circa 1 μιη che è quella necessaria al controllo degli eventi della generazione ed espansione dei policristalli . Si ha così la possibilità di adottare la migliore geometria di innesco per la creazione dei grani germinali variando la forma degli assorbitori, e la possibilità di impartire la collocazione e l'orientazione volute alle zone ricoperte dai policristalli che devono essere congruenti con la collocazione spaziale dei dispositivo e dei circuiti.

Questa caratteristica del metodo proposto lo rende molto adatto al processo di fabbricazione di display a matrice attiva incorporanti circuiti integrati per l ' indirizzamento della matrice stessa . E' noto infatti che nei circuiti i transistor possono avere orientazioni diverse del canale rispetto ad una data direzione relativa al processo di crescita laterale (come ad esempio, quello indotto dal metodo della "Super Lateral Solidification" e, pertanto risulterebbero con caratteristiche diverse. Viceversa, il metodo secondo la presente invenzione consente di sfruttare la caratteristica del controllo dell'allineamento dei bordi di grano lungo opportune direzioni in modo molto flessibile. Infatti, la fotomaschera può essere disegnata in modo tale da poter tener conto della localizzazione dei transistori che verranno realizzati attraverso i processi successivi, e quindi di poter realizzare dispositivi con, all'interno del canale, materiale policristallino di uguali caratteristiche strutturali e con grani allineati allo stesso modo rispetto alla direzione del flusso di corrente nel dispositivo. A questo scopo, la fotomaschera può essere dotata di "marker" opportuni, rispetto al quali allineare, nei processi fotolitografici successivi, vari "pattern".

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento ad alcune sue preferite forme di esecuzione. E' peraltro evidente che anche altri processi di trattamento superficiale dei materiali a film sottile possono beneficiare del fenomeno di irraggiamento attraverso una maschera, mediante una singola esposizione al fascio laser. L'applicazione appare fattibile ogniqualvolta il materiale subisce una contrazione od una espansione passando dallo stato liquido a quello solido, con un apprezzabile spostamento di massa durante la solidificazione, come noto ed illustrato nel caso del silicio.

Attraverso la solidificazione guidata assistita da fotomaschera è possibile ad esempio la realizzazione di microstrutturazioni superficiali del silicio di forma e disposizione relativamente arbitraria . I campi di utilizzo sono i più disparati : microcropunte per Atomic Force Microscopy - matrici di micropunte per emettitori e display realizzazione di microtesturizzazioni per l'incremento dell'assorbimento dei film sottili per uso fotovoltaico, possibilità di utilizzare le microstrutturazioni come germi per il successivo accrescimento conforme mediante deposizione di altro materiale .

In conclusione, questo metodo rappresenta una notevole avanzamento ogniqualvolta si rende necessario realizzare microstrutturazioni di materiali, in produzione di serie, evitando le più numerose operazioni di fotolitografia ed attacco chimico dei singoli pezzi.

Claims (19)

1. Rivendicazioni 1) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo indotta con irraggiamento con laser impulsato, caratterizzato dal fatto che per migliorare l'omogeneità della microstruttura e le prestazioni del silicio policristallino detto irraggiamento viene effettuato in due fasi sequenziali eseguite con diverse modalità nella distribuzione spaziale della radiazione, a tale scopo essendo utilizzata nella prima fase di irraggiamento una maschera metallica non trasparente a detto raggio laser .
2. 2) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo indotta con irraggiamento con laser impulsato, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che prevede una prima fase di irraggiamento in cui viene utilizzata una fotomaschera di assorbitori metallici a film sottile opachi alla radiazione UV, depositati su un substrato in quarzo o in altri materiali non assorbenti nell'UV, atta a creare sul campione da trattare dei gradienti di temperatura della massima intensità e di aspetto controllato che localizzano i punti di germinazione del silicio cristallizzato, ed una seconda fase di irraggiamento senza la suddetta maschera per propagare su tutta la superficie del film gli stessi germi a scapito del materiale ancora fuso, mantenendone la collocazione e la orientazione originaria .
3. 3) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che per realizzare gli elementi assorbitori della maschera vengono utilizzati metalli scelti fra quelli in grado di fornire elevata riflettività nell'UV, elevata temperatura di fusione, notevole spessore allo strato onde ridurne la possibilità di fusione ed aumentare la sua opacità e buona ripidità dei bordi per evitare ombreggiamenti graduali e mal definiti.
4. 4) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alla rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che per realizzare gli elementi assorbitori viene utilizzato un multistrato di metalli quali Cr, Nb, Mo, W.
5. 5) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la realizzazione pratica della maschera richiede la definizione delle strutture geometriche che può essere realizzata attraverso processi di litografia ottica per strutture con dimensioni minime dell'ordine di 1 μιη o litografia con fascio elettronico per strutture con dimensioni minime dell'ordine di 0,1 μιη .
6. 6) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la fotomaschera viene utilizzata nella modalità di contatto sotto vuoto, viene cioè realizzato il vuoto tra la detta maschera ed il campione, la pressione atmosferica esterna premendo i due elementi fino al contatto intimo.
7. 7) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la fotomaschera viene utilizzata nella modalità di contatto "hard contact", cioè la maschera viene premuta meccanicamente a contatto contro il campione.
8. 8) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la fotomaschera viene utilizzata nella modalità di contatto "soft-contact" o "prossimità", secondo la quale la maschera risulta distanziata dal campione di 1-10 μιη circa.
9. 9) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alla rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che tra fotomaschera e campione viene interposto un gas di scambio per omogeneizzare le condizioni ambientali negli interstizi che sovrastano le zone da ricristallizzare.
10. 10) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le due fasi di irraggiamento laser sono condotte a temperature del substrato superiori a quella dell'ambiente.
11. 11) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che viene utilizzato un laser ad eccimeri.
12. 12) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le dimensioni laterali dei grani che si ottengono sono dell'ordine di 1-2 μm ed aumentano al crescere della temperatura del substrato utilizzato durente l'irraggiamento.
13. 13) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la finestra di densità di energia del fascio laser della seconda fase di irraggiamento, è più del doppio della finestra relativa all'ottenimento di materiale policristallino in regime di SLG (Super Lateral Growth) e dipende dallo spessore del film.
14. 14) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che durante la seconda fase di irraggiamento vengono utilizzati per irraggiare il film più colpi ad una densità di energia tale da non fondere completamente il silicio policristallizzato nella prima fase, allo scopo di migliorare la morfologia superficiale, riducendo l'altezza delle protrusioni presenti, senza alterare la dimensione dei grani.
15. 15) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sono utilizzabili geometrie arbitrarie per gli assorbitori individuali e per le matrici di assorbitori che sono realizzati sulla maschera.
16. 16) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alla rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che le caratteristiche di disegno degli assorbitori individuali e delle matrici di assorbitori sono realizzate su scala dimensionale di circa 1 μm che è quella necessaria al controllo degli eventi della generazione ed espansione dei policristalli .
17. 17) Procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni 14 e 15, caratterizzato dal fatto che variando la forma degli assorbitori, è possibile adottare la migliore geometria di innesco per la creazione dei grani germinali ed è possibile impartire la collocazione e l'orientazione volute alle zone ricoperte dai policristalli che devono essere congruenti con la collocazione spaziale dei dispositivo e dei circuiti.
18. 18) Processo di fabbricazione di display a matrice attiva incorporanti circuiti integrati per l 'indirizzamento della matrice stessa, caratterizzato dal fatto che, per evitare che nei circuiti i transistor possano avere orientazioni diverse del canale rispetto ad una data direzione relativa al processo di crescita laterale e risultino pertanto con caratteristiche diverse, prevede l'utilizzo del procedimento di ricristallizzazione di film di silicio amorfo con irraggiamento con laser impulsato come alle rivendicazioni precedenti; la fotomaschera impiegata nella prima fase di irraggiamento essendo disegnata in modo tale da tener conto della localizzazione dei transistori che verranno realizzati attraverso i processi successivi, e quindi permettendo di realizzare dispositivi con, all'interno del canale, materiale policristallino di uguali caratteristiche strutturali e con grani allineati allo stesso modo rispetto alla direzione del flusso.
19. 19) Processo di fabbricazione di display a matrice attiva incorporanti circuiti integrati per 1'indirizzamento della matrice stessa, come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che la fotomaschera è dotata di "marker" opportuni, rispetto al quali allineare , nei processi fotolitografici successivi, i vari "pattern", 20) In un procedimento di trattamento superficiale di materiale a film sottile mediante irraggiamento con laser impulsato, il perfezionamento costituito dal fatto che viene impiegata una fotomaschera di assorbitori metallici a film sottile. opachi alla radiazione UV, depositati su substrato di quarzo o altro materiale trasparente alla radiazione UV. 21) Processo di solidificazione guidata in materiali che subiscono una contrazione od una espansione passando dallo stato liquido a quello solido, con un apprezzabile spostamento di massa durante la solidificazione , caratterizzato dal fatto che viene utilizzato il fenomeno dell ' irraggiamento attraverso una maschera opaca alla radiazione UV, mediante una singola esposizione al fascio laser. 22) Utilizzo di maschere metalliche non trasparenti alla radiazione UV per la realizzazione di microstrutturazioni superficiali del silicio di forma arbitraria, evitando le più numerose operazioni di fotolitografia ed attacco chimico dei singoli pezzi . 23 ) Utilizzo di maschere metalliche non trasparenti alla radiazione UV per la realizzazione di microtesturizzazioni per l'incremento dell ' assorbimento dei film sottili per uso fotovoltaico . 24) Film di silicio policristallino ricristallizzato tramite irraggiamento con laser impulsato caratterizzato dal fatto che presenta su tutta la superficie una distribuzione omogenea e continua di grani opportunamente allineati, di dimensione laterale maggiore di 1 μm.