DD259715A1 - Verfahren zur herstellung von vergrabenen hydrogenisierten amorphen schichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vergrabenen, durch Implantationsmasken auch lateral strukturierbaren hydrogenisierten amorphen Schichten mit unterschiedlicher Tiefe und Breite in Si, AIII BV-Verbindungen und anderen Halbleitern. Diese Schichten werden zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie (Solarzellen), fuer Speicherschaltkreise, in der Elektrophotographie, zur Ansteuerung von Fluessigkristallanzeigen, als Photodioden und zur Bildaufnahme eingesetzt. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass mittels einer ersten Implantation Schwerionen zur Erzeugung einer vergrabenen amorphen Schicht benutzt werden und sich daran eine Protonenimplantation zur Hydrogenisierung anschliesst.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Hydrogenisierte amorphe Schichten werden zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie (Solarzellen), für integrierte Speicherschaltkreise, in der Elektrophotographie, zur Ansteuerung von Flüssigkristallanzeigen, als Photodioden und zur Bildaufnahme (Vidikonbauelemente) eingesetzt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem vergrabene, durch Implantationsmasken auch lateral strukturierbare hydrogenisierte amorphe Schichten mit unterschiedlicher Tiefe und Breite hergestellt werden können, die die oben genannten Einsatzgebiete in der Mikro- und Optoelektronik derart erweitern, daß sowohl die gegenüber dem einkristallinen Material unterschiedlichen elektrischen (Leitfähigkeit, Trapdichte) als auch optischen Eigenschaften (Absorptionskoeffizient) neue Anwendungsmöglichkeiten wie vergrabene elektrische Leitbahnen, Speicher und Ansteuerelemente in diskreten und integrierten Bauelementen sowie auch optische Leitkanäle (Wellenleiter) in integrierten optoelektronischen Bauelementen erschließen. Auch eine Erweiterung der spektralen Empfindlichkeit von Solarzellen und somit eine Erhöhung ihrer Effizienz muß als Anwendungsgebiet genannt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Hydrogenisierte amorphe Schichten werden vorzugsweise in oder aus Si durch einen geeigneten Wachstumsprozeß hergestellt, bei dem eine Synthese von Si und atomarem Wasserstoff, plasmagestützte Prozesse, laseraktivierte CVD-Prozesse, Silanglowentladungen, mikrowellenassistiertes Plasma, MOCVD-Verfahren, aktivierte Verdampfungen und elektronenstoßgestützte Aufdampfprozesse ausgenutzt werden. (G.Winterling: „Amorphes Silizium [a-Si]"·,· Physik in unserer Zeit 16, 50 [1985]; „Properties of amorphous silicon", INSPEC, EMIS DATAREWIEWS Series No. 1, The Institute of Electronics Enginers 1985).

Auch die Erzeugung amorpher Schichten durch Ionenimplantation ist bekannt, jedoch werden unter Raumtemperaturbedingungen bei Protonenbeschuß in Silizium nur bei sehr hohen Dosiswerten und in AmBy-Verbindungen kaum hydrogenisierte amorphe Schichten erzeugt.

Gegenüber dem hohen Stand der Erzeugung hydrogenisierter amorpher Siliziumschichten wird die Herstellung von amorphen, hydrogenisierten Schichten in Ill-V-Verbindungen noch nicht so gut beherrscht, obwohl auch in GaAs und teilweise schon in GaP wasserstoffverbundene Aufampftechniken, einschließlich des Sputterns, Glowentladungen in CVD-Prozessen und plasmaunterstützte chemische Transportprozesse teilweise schon genutzt werden.

Zur Erzeugung vergrabener amorphe^, hydrogenisierter Schichten gibt es noch kein reproduzierbares Verfahren mit einfacher technologischer Prozeßführung, obwohl man teilweise rekristallisierte Schichten auf amorphen Zonen durch eine nichtkonventionelle Ausheilung erzeugen kann, was jedoch die Hydrogenisierung stark beeinflußt und durch lateral schwer definierbare Wachstumsgrenzen gekennzeichnet ist.

Weitere Literaturquellen zu dieser Darstellung sind:

Proc. Ninth Int. Conf. on „Amorphous and Liquid Semiconductros", Ed. B.K.Chakraverty and D. Kaplan, Journ. de Physique 42

(1981) Colloq. C-4, Suppl. Nr. 10 (1981)

Proc. Eleventh Int. Conf. on „Amorphous and Liquid Semicondustors", Ed. F. Evangelisti and J. Stuke, Journ. Non-Cryst. Solids

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines reproduzierbaren Verfahrens mit einfacher technologischer Prozeßführung, das insbesondere auch bei AmBy-Verbindungen eine kostengünstige Herstellung'von vergrabenen hydrogenisierten amorphen Schichten ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von vergrabenen hydrogenisierten amorphen Schichten in Si, A|||B_V-Verbindungen und anderen Halbleitern so zu gestalten, daß die gezielte Herstellung hinsichtlich Tiefe und Profilbreite möglich ist und hierbei auch durch die Verwendung von Implantationsmasken eine laterale Feinstrukturierung in der Tiefe erzeugt werden kann. Dabei sollen unerwünschte Hydrogenisierungseffekte und Komplexbildung mit elektrischem Charakter vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Material in einer ersten Implantation mittels Schwerionen eine vergrabene amorphe Schicht erzeugt wird. Dies erfolgt vorzugsweise mit Edelgasionen bzw. mit Ionen, aus denen das Targetmaterial besteht, mit einer Dosis von vorzugsweise D S^ 10¹³crrT². Daran schließt sich eine Protonenimplantation mit ,gleicher projizierter Reichweite zur Hydrogenisierung im Schadenprofil an. Die Dosis beträgt vorzugsweise D > 10¹⁶cm~². In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist es günstig, die Implantationstemperatur zwischen 300 K und 700 K einzustellen. Mit steigender Implantationstemperatur erhöht sich die zur Amorphisierung notwendige lonendosis (dieser Unterschied beträgt bei der Erhöhung der Implantationstemperatur von 300 K auf 700 K einen Faktor von ca. 5). Die zum Erreichen eines bestimmten Hydrogenisierungsgrades erforderliche Protonendosis ist nahezu temperaturunabhängig, da sich bei Temperaturen unterhalb 700K das Tiefenprofil des implantierten Wasserstoffs nur schwach temperaturabhängig verändert.

Die hydrogenisierte amorphe Schicht wird unter einer nahezu perfekten Oberflächenschicht erzeugt, indem der Beschüß mit schwereren Ionen und Protonen vorzugsweise parallel zur Gitterrichtung erfolgt, wodurch gegenüber dem Beschüß in „zufälliger" Richtung der Schädigungsgrad des schwächer geschädigten oberflächennahen Bereichs (geringer als 10%) um ca. eine Größenordnung gesenkt wird (unter 1 %).

Durch den Einschuß in Gitterrichtungen wird die „vergrabene" hydrogenisierte amorphe Schicht gegenüber dem Beschüß in „zufälliger" Richtung in einer um ca. 50% größeren Tiefe erzeugt. Infolge der damit einhergehenden Profil verbreitung verdoppelt sich die notwendige lonendosis nahezu.

Der Schädigungsgrad der schwächer geschädigten oberflächennahen Schicht wird durch Temperung bei T_an ~ 700K stark reduziert (um einen Faktor von ca. 3 bei der Ausheilung bei 700K gegenüber der Implantation bei 300K). Dabei bleibt die „vergrabene" hydrogenisierte amorphe Schicht weitgehend erhalten.

Die Tiefe und Breite der vergrabenen hydrogenisierten amorphen Schicht ist über die Wahl der Ionenenergie und der Dosis steuerbar. Hierbei ist es zur Erzeugung relativ dicker Schichten vorteilhaft, die Schicht durch Implantation mit kontinuierlicher Energieverteilung in einem bestimmten Energieintervall zu realisieren.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß durch die Wahl der Energie und der Einschußrichtung die Tiefe und Profilbreite der vergrabenen hydrogenisierten amorphen Schicht weitgehend gesteuert werden können und daß durch Implantationsmasken, die Planarcharakter haben oder Metallmasken sein können, eine laterale Feinstrukturierung in der Tiefe möglich ist. Vorzugsweise sollten zur Amorphisierung elektrisch im Kristall inaktive Ionen (Edelgasionen) oder Eigenionen (Ionen einer Targetkomponente oder gleiche Ionen wie das Targetmaterial (verwendet werden, um unerwünschte Hydrogenisierungseffekte und Komplexbildungen mit elektrischem Charakter auszuschließen

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Ausführungsbeispiel -

Durch eine Schwerionenimplantation in GaP, die mit Ar⁺-Ionen einer Energie von 24 MeV und einer Dosis von D = 5 x 10¹⁵cm~² bei 300 K unter einem Einschußwinkel von 30° zur Oberfläche erfolgte, wird in einer Tiefe von 2,3 bis 3,3 pm eine amorphe Schicht erzeugt (siehe Figur 1). Infolge des lonenbeschusses entsteht im Oberflächenbereich bis zu einer Tiefe von 0,5 pm eine Defektkonzentration, die gegenüber der im Strahlenschädensmaximum bei etwa 2,8/xm unter 10% liegt und sich vorwiegend aus leicht ausheilbaren Punktdefekten zusammensetzt.

An diese Schwerionenimplantation schließt sich ein Protonenbeschuß bei einer Targettemperatur von ebenfalls 300 K an, wobei die Protonenenergie der projizierten Reichweite von 2,8pm (0,35MeV) angepaßt und eine Dosis von D = 3 x 10^r7cm"² gewählt wird. Die vergrabene Schicht hat amorphen Charakter und weist einen hohen Hydrogenisierungsgrad auf (Figur 2).

Der Einfluß der Temperung auf dieStrahlenschadenprofile und Wasserstoffverteilung wird ebenfalls in den Figuren 1 und 2 deutlich. Es ist ersichtlich, daß die Ausheilung bei 700 K zu einer starken Reduktion des Schädigungsgrades im oberflächennahen Bereich führt, während die starke Störung der vergrabenen Schicht weitgehend erhalten bleibt.

Das mittels teilcheninduzierter γ-Spektroskopie detektierte Tiefenprofil der Wasserstoffverteilung bleibt im Temperaturbereich 300-700 K qualitativ erhalten und verändert sich quantitativ im Maximum um ca. 30%.

Abbildungen

Abb. 1: Tiefenprofil der Strahlenschädigung von GaP, das mit 5 x 10¹⁵cm"²24MeV-Ar⁺⁺-lonen (α = 30°) bei 300K bestrahlt

wurde (o) und bei 700 K ausgeheilt wurde (o)

Abb. 2: Tiefenprofil der Wasserstoffverteilung von GaP, das mit 3 x 10¹⁷Cm"² 0,3 MeV-Protonen (α = 90°) bei 300 K bestrahlt (ο) und bei 700 K (ο) ausgeheilt wurde.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von vergrabenen hydrogenisierten amorphen Schichten in Si, A|||B_V-Verbindung und anderen Halbleitern, gekennzeichnet dadurch, daß in dem Material mittels einer hochenergetischeh Ionenimplantation (M > 4), vorzugsweise mit Edelgasionen bzw. mit Ionen, aus denen das Targetmaterial besteht, mit hoher Dosis, vorzugsweise mit D > 10^l3cm~², ein vergrabenes amorphes Gebiet erzeugt wird und daran anschließend mittels Protonenimplantation mit gleicher projizierter Reichweite und hoher Dosis, vorzugsweise mit D > 10¹⁶cm~², die Hydrogenisierung im Schadenprofil vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Implantationstemperatur zwischen 300 K und 700 K beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Beschüß mit schweren Ionen (M > 4) und Protonen parallel zu Gitterrichtungen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Hydrogenisierung eine Temperung bei Temperaturen um 700K anschließt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß relativ dicke vergrabene hydrogenisierte amorphe Schichten durch eine Implantation mit kontinuierlicher Energieverteilung

. in einem bestimmten Energieintervall erzeugt werden.