-
Beschreibung
-
Verfahren zur Herstellung von Schichten aus amorphem Silizium und
Verwendung einer Plasmakanone zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Schichten aus amorphem, hydrogeniertem Silizium,
bei welchem man Silizium im Vakuum verdampft und auf einem Substrat niederschlägt
und bei welchem man das Substrat mit dem Siliziumniederschlag mit atomarem Wasserstoff
beschießt, sowie die Verwendung einer für dieses Verfahren besonders geeigneten
Plasmakanone.
-
Schichten aus amorphem Silizium, denen zur Absättigung freier Bindungen
Wasserstoff, Sauerstoff oder Fluor zugegeben ist, gewinnen in der Halbleitertechnologie
zunehmend an Bedeutung, speziell auf dem Gebiet der Dünnschichtsolarzellen. Bei
der Herstellung dieser Schichten ist es wesentlich, daß der Wasserstoff, der Sauerstoff
oder das Fluor in atomarer Form mit dem Silizium in Berührung kommen, damit die
in dem amorphen Silizium vorhandenen offenen Bindungen effektiv abgesättigt werden.
-
Bisher sind zwei Verfahren zur Herstellung solcher Schichten bekannt,
nämlich die Abscheidung von atomarem Wasserstoff aus einer Silan-Glimmentladung
(M.H. Brodsky et al in Appl.Phys.Letters, Band 30, Nr.11, 1. Juni 1977, Seiten 561
bis 563) oder das Sputtern in einer Wasserstoffentladung mit Zugabe von Edelgasen
(W.T. Pawlewicz, J.Appl.Phys.
-
49(11), November 1978, Seiten 5595 bis 5600). Bei dem zuerst genannten
Verfahren der Abscheidung aus einer Silan-Glimmentladung ergibt sich ein nachteilig
hoher Energieverbrauch. Dies liegt daran, daß pro Siliziumatom weniger als ein Wasserstoffatom
angelagert werden kann, so daß also pro Silan-Molekül im Mittel mindestens drei
Wasserstoffatome dissoziiert werden müssen. Außerdem ist der Dissoziationswirkungsgrad
durch Elektronenstoß in der Glimmentladung aufgrund des kleinen Massenverhältnisses
von Elektron zu Silan-Molekül gering. Weiter kommt hinzu, daß wegen der relativ
hohen Teilchendichte in der Glimmentladung mehrere Rekombinationen stattfinden,
bevor ein Siliziumatom und ein Wasserstoffatom endgültig das Substrat erreichen.
Bei der Abscheidung aus der Silan-Glimmentladung reichert sich Wasserstoffgas in
der Silanentladung an, da pro Siliziumatom weniger als ein Wasserstoffatom benötigt
wird. Bei konstanter Gaszusammensetzung muß daher das Entladungsgas ständig ausgetauscht
werden.
-
Bei dem Sputter-Verfahren ist der Energieverbrauch ebenfalls außerordentlich
hoch, da das Sputtergas ionisiert und beschleunigt werden muß, da weiterhin der
Wirkungsgrad des Sputter-Prozesses schlecht ist und da gesputterte Siliziumatome
mit den Teilchen der Sputter-Entladung Stöße ausführen, bevor die Siliziumatome
das Substrat erreichen.
-
Es ist auch bekannt, amorphes, hydrogeniertes Silizium dadurch herzustellen,
daß Silizium im Vakuum verdampft und auf ein Substrat niedergeschlagen wird, während
Wasserstoffatome gegen das Substrat geschossen werden (David L.
-
Miller et al, J.Appl.Phys. 49(12), Dezember 1978, Seiten 6192 und
6193). Bei diesem bekannten Verfahren werden die Wasserstoffatome durch thermische
Dissoziation von Wasserstoffgas hergestellt. Dieses Verfahren ist apparativ sehr
aufwendig, da Temperaturen in der Größenordnung von 20000C notwendig sind, weiterhin
ergeben sich für die Wasserstoffatome nicht die für den Einbau in die Siliziumschicht
optimalen kinetischen Energien.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art
derart zu verbessern, daß der Einbau von freie.
-
Bindungen im Silizium absättigenden Atomen mit geringerem apparativem
Aufwand und mit besserem Wirkungsgrad erfolgen kann.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den atomaren Wasserstoff durch Dissoziation
von molekularem Wasserstoff oder einem anderen, Wasserstoff enthaltenden Gas in
einer Bogenentladung von geringem Ionisationsgrad erhält und durch dieselbe Bogenentladung
thermisch, elektrisch und/oder elektromagnetisch gegen das Substrat beschleunigt.
-
Man kann das Substrat mit dem Siliziumniederschlag statt mit atomarem
Wasserstoff auch mit atomarem Fluor oder atomarem Sauerstoff beschießen, den man
in der gleichen Weise erzeugt wie den atomaren Wasserstoff.
-
Wichtig ist bei diesem Verfahren, daß der atomare Wasserstoff, der
atomare Sauerstoff bzw. der atomare Fluor durch Dissoziation in einer Bogenentladung
hergestellt und durch dieselbe Entladung auf das Substrat hin beschleunigt werden.
Bei diesem Verfahren ist der Energieverbrauch gering, ferner tritt eine Anreicherung
von Wasserstoffgas in der Entladung nicht auf. Die benötigte Energie besteht aus
der Schmelz- und Verdampfungsenergie des Siliziums, die relativgering sind. Der
Energiebedarf der Bogenentladung ist ebenfalls gering, wenn die Bogenentladung so
eingestellt wird, daß der Ionisationsgrad nur etwa 10% beträgt und die Entladung
selbst nahezu im Gleichgewicht ist. Der wesentliche Teil der Energie geht dann in
die Dissoziation des Wasserstoffmoleküls bzw. in die Dissoziation des Wasserstoff,
Sauerstoff oder Fluor enthaltenden Gasmoleküls über.
-
Die Beschleunigung auf das Substrat erfolgt thermisch oder elektrisch
oder elektromagnetisch. Bei der elektrischen oder der elektromagnetischen Beschleunigung
wird das schwach ionisierte Plasma global beschleunigt, wobei Ladungsaustausch die
wesentliche Rolle spielt. Bei diesen Arten der Beschleunigung ist der Energieverbrauch
nur wenig größer als es der Endgeschwindigkeit der Beschußatome entspricht (z.B.
1 eV pro Atom).
-
Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Siliziumaufdampfrate und die Beschußrate
unabhängig voneinander auf das optimale Verhältnis von Silizium zu Wasserstoff bzw.
Sauerstoff bzw.
-
Fluor eingestellt werden können. Dadurch werden die Komponenten im
richtigen Verhältnis verbraucht und es tritt keine Anreicherung einer der Komponenten
auf.
-
Vorteilhaft ist es, wenn man auf dem Substrat abwechselnd Silizium
niederschlägt und atomaren Wasserstoff, Sauerstoff oder atomares Fluor auftreffen
läßt. Dadurch erhält man einen schichtförmigen Aufbau des amorphen Siliziums und
kann auf diese Weise die Bandabstände in der Siliziumschicht entsprechend den jeweiligen
Anforderungen variieren.
-
Vorteilhaft ist es auch, wenn man die Bogenentladung im Impulsbetrieb
arbeiten läßt.
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß man gleichzeitig mit dem Beschuß des Substrates mit dem Siliziumniederschlag
mit atomarem Wasserstoff, Sauerstoff oder Fluor eine Dotierung des Siliziumniederschlages
mit Bor, Phosphor oder Indium vornimmt, welches in atomarer Form durch die Bogenentladung
auf das Substrat mit dem Siliziumniederschlag gelenkt wird. Dabei kann man der Bogenentladung
Gase zuführen, die sowohl die Dotierungsatome als auch die Beschußatome enthalten,
z.B. Diboran oder Phosphin.
-
Diese Gase werden in der Bogenentladung in das atomare Beschußgas
und in das Dotierungsgas zerlegt, die dann gleichzeitig dem Silizium zugeführt werden.
-
Gemäß der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, zur Erzeugung der
atomaren Beschußatome des beschriebenen Verfahrens eine Plasmakanone zu verwenden,
wie sie im Anspruch 7 beschrieben ist. Mit einer solchen Plasmakanone kann man einen
Beschußplasmastrahl (atomaren Wasserstoffstrahl, atomaren Sauerstoffstrahl, atomaren
Fluorstrahl) erzeugen, in dem das Beschußplasma auf eine kinetische Energie von
10 bis 100 eV mit großer Ausbeute beschleunigt werden kann, wobei dieses Plasma
keine Verunreinigung durch Kathodenerosion aufweist.
-
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der
Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Plasmakanone zur Verwendung
in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
-
In einem evakuierten Gefäß, von dem in Fig. 1 nur ein Teil der Wand
1 dargestellt ist, sind mehrere Substrate 2 angeordnet, auf denen die Schicht des
amorphen Siliziums gebildet wird.
-
Im-Inneren des Gefäßes befindet sich ein Behälter 3, in dem Silizium
4 enthalten ist. Dieses wird in dem Behälter erwärmt und dadurch verdampft, beispielsweise
durch eine Widerstandsheizung oder - wie in Fig. 1 angedeutet - durch Elektronenbeschuß.
Der entstehende Siliziumdampf trifft auf das Substrat 2 auf und ~wird dort niedergeschlagen.
-
Weiterhin ist im Innern des Behälters eine Plasmakanone 5 angeordnet,
mittels welcher ein Strahl aus atomarem Wasserstoff, atomarem Sauerstoff oder atomarem
Fluor auf das Substrat 2 gelenkt wird, so daß diese Gasatome in die Ablagerungsschicht
des Siliziums eintreten und dort freie Bindungen absättigen können.
-
Verdampfung und Betrieb der Plasmakanone können gleichzeitig erfolgen,
für bestimmte Anwendungsfälle kann es günstig sein, diese alternierend zu betreiben,
so daß auf dem Substrat ein Schichtaufbau entsteht, der die Ausbildung unterschiedlicher
Bandstrukturen in der niedergeschlagenen Schicht ermöglicht.
-
In der Plasmakanone 5 werden die atomaren Beschußgase in einer Bogenentladung
mit relativ niedrigem Ionisationsgrad (z.B. 10%) erzeugt, die Beschleunigung der
atomaren Beschußgase erfolgt dabei thermisch, elektrisch oder elektromagnetisch
durch die Bogenentladung selbst.
-
In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Plasmakanone
dargestellt, welche zur Erzeugung eines atomaren Beschußgases und gegebenenfalls
einer Dotierungskomponente besonders gut geeignet ist.
-
In einem allseits abgeschlossenen Raum 11 mit isolierenden Wänden
12 befindet sich auf einer Seite eine in der Zeichnung nicht vollständig dargestellte
metallische Kathode 13 sowie auf der gegenüberliegenden Seite eine ebenfalls metallische
Hilfsanode 14. Diese weist eine sie durchsetzende Gaszufuhr 15 auf, die mit einer
Zufuhrleitung 16 in Verbindung steht.
-
In der Seitenwand des Raumes 11 befindet sich am kathodenseitigen
Ende der.Brennstrecke zwischen Kathode und Hilfsanode eine öffnung 17, die mit einem
senkrecht zur Brennstrecke verlaufenden Kanal 18 in Verbindung steht. Die Wände
19 des Kanals 18 bestehen ebenfalls aus elektrisch isolierendem Material und sind
von einer wendelförmigen Kühlschlange
20 umgeben, durch die ein
Kühlmittel geleitet werden kann, welches die Wände 19 kühlt.
-
In das Innere des Kanals 18 mündet eine Gaszufuhr 21 ein.
-
In einem weiteren abgeschlossenen Raum 22 mit Wänden 23 aus elektrisch
isolierendem Material ist eine Anode 24 mit einem zentralen Zuführkanal 25 angeordnet.
In der Verlängerung des Zuführkanals 25 befindet sich in der Stirnwand des Raumes
22 eine öffnung 26, welche den zwischen Anode 24 und Wand 23 angeordneten Anodenraum
27 mit der Umgebung verbindet.
-
Im Betrieb werden sowohl der Raum 11 mit Kathode und Hilfsanode und
dem daran anschließenden Kanal als auch der Raum 22 mit der Anode in ein evakuiertes
Gefäß gebracht. Die Zufuhrleitung 16, die Gaszufuhr 21 und der Zuführkanal 25 werden
in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit entsprechenden Gasquellen verbunden,
vorzugsweise mit derselben Gasquelle. Außerdem werden die Elektroden mit geeigneten
Spannungsquellen verbunden; dies ist in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt.
-
Beim Anlegen einer Spannung entsteht zwischen der Kathode 13 einerseits
und der Anode 24 andererseits eine Bogenentladung, wobei als Träger der Bogenentladung
im Raum vor der Kathode ein aufgrund der Kathodenerosion gebildetes Metallplasma
sowie das.durch.die Zufuhrleitung 16 zugeführte Gas dienen. In dem rohrförmigen
Kanal 18 gelten im kathodenseitigen Einlaßbereich ähnliche Verhältnisse. Durch die
Kühlung der Wand 19 kondensiert das mit dieser gekühlten Fläche in Berührung kommende
Metallplasma an der Innenwand des Kanals 18, so daß durch diese Kondensation die
Teilchendichte
im Kanal 18 kontinuierlich abnimmt. Dies wird durch
die Zufuhr von Gas durch die Gaszufuhr 21 ausgeglichen, so daß im kathodenfernen
Ende des rohrförmigen Kanals 18 die Entladung ausschließlich von dem über die Gaszuführung
21 eingeleiteten Gas getragen wird.
-
Durch die Entladung wird in dem über den Zuführkanal 25 in den Anodenraum
eingeleiteten Betriebsgas sowohl eine Ionisierung als auch eine Dissoziation von
Molekülen eintreten, so daß ein Plasma entsteht, das im folgenden als Beschußplasma
bezeichnet wird. Dieses Beschußplasma bildet einen durch die Öffnung 26 austretenden
Beschußplasmastrahl aus, der sich in Richtung des Pfeiles A ausbreitet. In diesem
Beschußplasmastrahl sind Ionen enthalten, die durch das Entladungsfeld beschleunigt
worden sind. Durch Umladungseffekte und durch thermische Stöße wird diese Beschleunigung
auf die anderen Teilchen in dem Beschußgas übertragen, so daß insgesamt die Teilchen
in dem Beschußplasmastrahl die gewünschte kinetische Energieverteilung erhalten.
Beispielsweise wurden im Fall einer mit molekularem Wasserstoff betriebenen Plasmakanone
mittlere kinetische Energien in der Größenordnung von 20 eV gemessen. Die Dissoziation
und die teilweise erfolgende Ionisation des Beschußgases finden im wesentlichen
im Anodenraum und im Bereich der Öffnung 26 statt.
-
Durch den relativ hohen Ionisationsgrad wird ein großer Teil des Beschußgases..beschleunigt,
so daß die Ausbeute des Beschußplasmastrahles groß ist, die Belastung des Vakuums
durch nicht beschleunigtes Gas bleibt jedoch gering.
-
Die relative Anordnung des Kathodenraums mit dem rohrförmigen Kanal
zu dem Anodenraum ist derart getroffen, daß das aus dem rohrförmigen Kanal 18 austretende
Gas im wesentlichen senkrecht auf den BeschuBplasmastrahl trifft.
-
Diese Maßnahme erhöht die Reinheit des Beschußplasmas, denn selbst
wenn sich in dem durch den Kanal strömenden Verbindungsplasma noch Metallplasmateilchen
aus der Kathode befinden sollten, fliegen diese senkrecht durch den Beschußplasmastrahl
hindurch und gelangen somit nicht auf das zu behandelnde Substrat, welches stromabwärts
in den Beschußplasmastrahl gebracht wird.
-
Man erhält somit eine zweifache Sicherung gegen die Verunreinigung
des Beschußplasmas, und zwar einmal durch das Niederschlagen des Metallplasmas an
den gekühlten Wänden des Kanals und zum anderen durch die senkrechte Einleitung
des Verbindungsplasmas in dem Beschußplasmastrahl.
-
Als Betriebsgas lassen sich verschiedene Gase verwenden, günstig ist
beispielsweise die Verwendung von Wasserstoff, Fluor, Sauerstoff oder von Dotierungsgasen
wie Phosphin oder Diboran. Die elektrisch isolierenden Wände der Räume 11 und 12
sowie des Kanals 18 bestehen vorzugsweise aus Keramik, insbesondere aus Aluminium-Oxid-Keramik.