DD149549A1

DD149549A1 - METHOD FOR PRODUCING AMORPHAL SEMICONDUCTOR LAYERS BY ION EXTRACTING

Info

Publication number: DD149549A1
Application number: DD21986580A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Hinneberg; Wolfgang Nowick; Christian Weissmantel
Original assignee: Hinneberg Hans Juergen; Wolfgang Nowick; Christian Weissmantel
Priority date: 1980-03-24
Filing date: 1980-03-24
Publication date: 1981-07-15

Abstract

Das Verfahren zur Herstellung amorpher Halbleiterschichten mittels Ionenstrahlzerstaeubung ist anwendbar bei der Herstellung von Grundstrukturen elektronischer Bauelemente, die mit bekannten technologischen Verfahren realisiert werden. Es ist das Ziel der Erfindung, amorphe Halbleiterschichten mit vorteilhaften Eigenschaften fuer elektronische Bauelemente in kommerziellen Vakuumanlagen mit der bekannten Technologie der Ionenstrahlzerstaeubung herzustellen, und ihre Aufgabe besteht darin, amorphe Halbleiterschichten herzustellen, deren Leitfaehigkeit durch den Einbau von Elemementen definiert in bestimmten Bereichen variiert wird. Erfindungsgemaesz treffen ein Ionenstrahl, der zusamengesetzt ist aus Edelgasionen und einer oder mehreren anderen Ionenarten, oder ein Ionenstrahl aus Edelgasionen und/oder ein oder mehrere andere Ionenstrahlen mit einer oder mehreren anderen Ionenarten mit einer Energie 1 von ke V bis 20 ke V auf ein Target aus Halbleitermaterial, und es tragen zu Schichtbildung in definierter und steuerbarer Form Bestandteile des Targets, Bestandteile der Ionenstrahlen und Verbindungen beider Bestandteile bei.The method for producing amorphous semiconductor layers by means of ion beam sputtering is applicable in the production of basic structures of electronic components, which are realized by known technological methods. It is the object of the invention to produce amorphous semiconductor layers with advantageous properties for electronic components in commercial vacuum systems with the known technology of ion beam sputtering, and their object is to produce amorphous semiconductor layers whose conductivity is varied by the incorporation of elements defined in certain areas. According to the invention, an ion beam composed of noble gas ions and one or more other ion species, or an ion beam of noble gas ions and / or one or more other ion beams with one or more other ion species having an energy 1 of ke V to 20 ke V impinge on a target of semiconductor material, and contribute to layer formation in a defined and controllable form constituents of the target, constituents of the ion beams and compounds of both components.

Description

Verfahren zur Herstellung amorpher Halbleiterschichten mittels IonenstrahlzerstäubungMethod for producing amorphous semiconductor layers by means of ion beam sputtering

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung ist anwendbar bei der Herstellung von Grundstrukturen elektronischer Bauelemente, die mit bekannten technologischen Verfahren realisiert v/erden.The invention is applicable to the manufacture of basic structures of electronic components realized by known technological methods.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind Verfahren zur Herstellung von amorphen Halbleiterschichten, insbesondere von a - Ge, a - Si und a - SiC bekannt. Zu diesen Verfahren gehören die Vakuumverdampfung (Appl. Phys. Lett. 35 (1979) 539 - 541), die HP-Zerstäubung in einer Edelgasatmosphäre und die Ionenstrahlzerstäubung mit Sdelgasionen (Jpn. J. Appl. Phys. 18 (1979) 1395 - 1396). Ein gemeinsames Merkmal dieser Verfahren ist, daß die hergestellten amorphen Schichten in der Regel hochohmig sind und auch der Einbau üblicher Dotierungselemente nur in geringem Maße die elektrische Leitfähigkeit verändert. Es sind deshalb v/eitere Verfahrensschritte erforderlich, um die in hoher Konzentration in den Schichten vorhandenen unabgesättigten Bindungen (dangling bonds), die zur Unwirksamkeit der eingebauten üblichen Dotierungselemente führen, zu kompensieren. Bekannte Verfahrensschritte hierzu, die vorteilhaft bei a-Si zum Einsatz kommen, sind die Behandlung in einer H₂-Glimmentladung (US - PS 4, 151 058) und die Implantation von Y/ass erst off ionen.Methods are known for producing amorphous semiconductor layers, in particular a - Ge, a - Si and a - SiC. These processes include vacuum evaporation (Appl Phys Lett 35 (1979) 539-541), the HP atomization in a noble gas atmosphere and the ion beam sputtering with Sdelgasionen (Jpn J. Appl. Phys., 18 (1979) 1395-1396 ). A common feature of these methods is that the amorphous layers produced are generally high-impedance and also the incorporation of conventional doping elements only slightly changes the electrical conductivity. Therefore, further process steps are required in order to compensate for the dangling bonds present in high concentrations in the layers, which lead to the inefficiency of the incorporated customary doping elements. Known process steps for this, which are advantageously used in a-Si, are the treatment in an H ₂ -limiting charge (US Pat. No. 4,151,058) and the implantation of Y / ass first.

Es sind auch Verfahren zur Herstellung amorpher Halbleiterschichten bekannt, bei denen der Einbau von Dotie-v rungselementen und zusätzlich von Wasserstoff bzw. von Elementen der 7. Gruppe des Periodensystems zur Kompensation der "dangling bonds" in einem Schritt erfolgt. Hierzu gehören die Abscheidung von a-Si aus einer Glimmentladung in einem Gasgemisch, das u. a. Silan oder eine Si-HaIogenverbindung sowie entsprechende flüchtige Verbindungen der Dotierungselemente enthält (DE-OS 2632987, OS 2743H1, J. Non Cryst. Sol. 32 (1979) 1 - 15) und die HP-Zerstäubung eines Si-Targets in einer £delgas/Wasserstoff-Atmosphäre mit einem entsprechenden Anteil an flüchtigen Verbindungen der Dotierungselemente (J. Vac. Sei. Technol. 16 (1979) 906 - 912). Beide Verfahren sind keine Hochvakuumverfahren und arbeiten bei Drücken um 10 bis 500 Pa bzw. 0,1 bis 0,5 Pa und sind deshalb nicht ohne weiteres in eine technologische Vakuumstrecke integrierbar. Die resultierenden Schichteigenschaften, insbesondere auch ihr Wasserstoffgehalt, sind empfindlich von den Herstellungsbedingungen abhängig und nicht leicht zu kontrollieren. Eine theoretische Beschreibung des Schichtbildungsprozesses ist z. Zt. nicht möglich, da die am Schichtaufbau beteiligten Komponenten hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, ihrer Energie und ihres Laaungszustande nicht genau definiert und nur begrenzt unabhängig voneinander variiert werden können. Das setzt Schranken sowohl für eine Optimierung der Schichteigenschaften als auch für die Aufklärung der Mechanismen, die die Y/irksamkeit von Dotierungselementen in amorphen Halbleiterschichten betreffen.Methods are also known for the production of amorphous semiconductor layers in which the incorporation of doping elements and additionally of hydrogen or of elements of the seventh group of the Periodic Table for compensating the dangling bonds takes place in one step. These include the deposition of a-Si from a glow discharge in a gas mixture, the u. a. Silane or a Si halogen compound as well as corresponding volatile compounds of the doping elements contains (DE-OS 2632987, OS 2743H1, J. Non Cryst. Sol. 32 (1979) 1-15) and HP atomization of a Si target in a Delgas / Hydrogen atmosphere with a corresponding proportion of volatile compounds of the doping elements (J. Vac.Sep. Technol. 16 (1979) 906-912). Both methods are not high vacuum methods and operate at pressures of 10 to 500 Pa and 0.1 to 0.5 Pa, respectively, and are therefore not readily integrated into a technological vacuum line. The resulting layer properties, especially their hydrogen content, are sensitive to the manufacturing conditions and not easy to control. A theoretical description of the film formation process is z. Currently not possible because the components involved in the layer structure can not be precisely defined with regard to their composition, their energy and their state of charge and can only be varied to a limited extent independently of one another. This places limits both on the optimization of the layer properties and on the elucidation of the mechanisms which affect the effectiveness of doping elements in amorphous semiconductor layers.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, amorphe Halbleiterschichten mit vorteilhaften Eigenschaften für elektronische Bauelemente in kommerziellen Vakuumanlagen mit der bekannten Technologie der Ibnenstrahlzerstäubung herzustellen.It is the object of the invention to produce amorphous semiconductor layers with advantageous properties for electronic components in commercial vacuum systems using the known Ibenne Strahlserstäubung technology.

ViI 9 865 ViI 9 865

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, amorphe Halbleiterschichten herzustellen, deren Leitfähigkeit durch den Einbau von Elementen definiert in bestimmten Bereichen variiert wird.The object of the invention is to produce amorphous semiconductor layers whose conductivity is varied by the incorporation of elements defined in certain areas.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein Ionenstrahl, der zusammengesetzt ist aus Edelgasionen und einer oder mehreren anderen Ionenarten, oder ein Ionenstrahl aus Edelgasionen und/oder ein oder mehrere andere Ionenstrahlen mit einer oder mehreren anderen Ionenarten mit einer Energie von 1 keV bis 20 keV auf ein Target aus Halbleitermaterial treffen und daß zur Schichtbildung in definierter und steuerbarer Form Bestandteile des Targets, Bestandteile der Ionenstrahlen und Verbindungen beider Bestandteile beitragen.According to the invention the object is achieved by an ion beam composed of noble gas ions and one or more other ion species, or an ion beam of noble gas ions and / or one or more other ion beams with one or more other ion species with an energy of 1 keV to 20 keV to meet a target of semiconductor material and that contribute to the formation of layers in a defined and controllable form constituents of the target, constituents of the ion beams and compounds of both components.

Die Ionenstrahlen, die auf das Target treffen, enthalten Ionen von Elementen, die "dangling bonds" absättigen. Das sind vorzugsweise Wasserstoff und Halogene, die elementar oder als Verbindungen vorliegen. Der so erreichte Einbau von Wasserstoff oder Halogenen vermindert die Zustandsdichte in der Bandlücke wesentlich. Dadurch werden zusätzlich eingebaute Dotierungselemente wirksam. Die Halbleiterschichten werden dotiert, indem ein Teil der Targetoberfläche aus dem Material des Dotierungselementes besteht, wodurch ein definierter prozentualer Anteil des Dotierungselementes abgestäubt und in die Schicht eingebaut wird oder indem die auf das Target treffenden Ionenstrahlen Ionen des Dotierungselementes enthalten und diese in die Schicht eingebaut werden.The ion beams that strike the target contain ions of elements that saturate dangling bonds. These are preferably hydrogen and halogens which are elemental or present as compounds. The incorporation of hydrogen or halogens thus achieved substantially reduces the density of states in the band gap. As a result, additionally incorporated doping elements become effective. The semiconductor layers are doped by having a portion of the target surface made of the dopant element material, thereby dusting and incorporating a defined percentage of the dopant into the layer, or by having ion beams impinging on the target containing ions of the dopant and incorporating them into the layer ,

Es besteht die Möglichkeit, Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder Leitungstyps, d. h. bestimmte Schichtfolgen unterschiedlicher elektronischer Eigenschaften ohne Unterbrechung, des Schichtbildungsprozesses herzustellen, indem die Zusammensetzung und/oder die Intensität der Ionenstrahlen und/oder die Zusammensetzung des Targets variiert v/erden.It is possible, layers of different conductivity and / or conduction type, d. H. make certain layer sequences of different electronic properties without interruption, of the layer formation process, by varying the composition and / or the intensity of the ion beams and / or the composition of the target.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

Um eine niederohmige amorphe Silicium-Schicht herzustellen, wird der Ionenstrahl, bestehend aus 40 % Argon- und 60 % Wasserstoff-Ionen, mit einer Energie von 10 keV unter einem Winkel von 60° gegen die Targetnormale auf das Target gerichtet. Das Target besteht aus Silizium, bei dem 1,5 % der Targetfläche, die dem Ionenstrahl ausgesetzt iet, mit einer einschwenkbaren Aluminium-Blende zum Zwecke der Schichtdotierung belegt ist. Die Schicht wächst auf einem ungeheizten Substrat auf, welches parallel zur TargetoberfIsche ausgerichtet ist. Eine 0,5/Um dicke Schicht wird in 60 min abgeschieden.In order to produce a low-resistance amorphous silicon layer, the ion beam, consisting of 40 % argon and 60 % hydrogen ions, is directed onto the target at an energy of 10 keV at an angle of 60 ° to the target normal. The target consists of silicon, in which 1.5% of the target surface exposed to the ion beam is covered with a swiveling aluminum diaphragm for the purpose of layer doping. The layer grows on an unheated substrate, which is aligned parallel to the target surface. A 0.5 / μm thick layer is deposited in 60 minutes.

Die Aluminium-dotierte Schicht ist p-leitend, und die bei Zimmertemperatur gemessene Leitfähigkeit beträgt 5 . 10 (12 cm) . Ohne Einbau von Aluminium ist die entsprechende Schicht η-leitend und besitzt eine Leitfähigkeit von 5 . 10~⁹ (Ω cm)"¹.The aluminum-doped layer is p-type, and the conductivity measured at room temperature is 5. 10 (12 cm). Without incorporation of aluminum, the corresponding layer is η-conductive and has a conductivity of 5. 10 ~ ⁹ (Ω cm) " ¹ .

Durch die aufeinanderfolgende Abscheidung der beschriebenen Aluminium-dotierten und einer entsprechenden Antimondotierten Schicht ist es ohne Unterbrechung der Schichtbildung möglich, eine pn-Schichtfolge herzustellen.The successive deposition of the described aluminum-doped and a corresponding antimony-doped layer makes it possible to produce a pn layer sequence without interruption of the layer formation.

Claims

invention claim

A method for producing amorphous semiconductor layers by ion beam sputtering, characterized in that an ion beam composed of noble gas ions and one or more other ion species, or an ion beam of noble gas ions and / or one or more other ion beams with one or more other ion species with an energy of 1 keV to 20 keV meet a target of semiconductor material and that contribute to the formation of layers in a defined and controllable form constituents of the target, constituents of the ion beams and compounds of both components.

2. Method according to item 1, characterized in that the ion beams striking the target contain elements, preferably hydrogen and halogens, which saturate dangling bonds in the growing layer.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that a doping of the layers takes place by a part of the target surface consists of the material of the doping elements or the incident on the target ion beams ions of the doping elements.

4. The method according to item 1 to 3, characterized in that without interrupting the layer formation by varying the composition and / or the intensity of the ion beams and / or the composition of the target layers of different conductivity and / or conduction type, d. getting produced.