DE3905297A1 - Verfahren zum herstellen polykristalliner halbleitermaterialschichten durch plasmaangeregte gasphasenabscheidung - Google Patents

Verfahren zum herstellen polykristalliner halbleitermaterialschichten durch plasmaangeregte gasphasenabscheidung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen polykri­ stalliner Halbleitermaterialschichten durch Gasphasenabschei­ dung, bei dem eine das Halbleitermaterial enthaltende gasför­ mige Verbindung in einem Reaktor plasmaangeregt zersetzt und das Halbleitermaterial auf im Reaktor befindliche Substrate niedergeschlagen wird und bei dem dem Plasma zusätzlich Was­ serstoff zugesetzt wird.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus den Electronic Letters (12. März 1987) Vol. 23, Nr. 6, Seiten 288/289, zur Herstellung von Silizium-Dünnfilmtransistoren bekannt. Die Ab­ scheidung erfolgt durch plasmaunterstützte CVD (=chemical vapor deposition) auf Spezialgläsern bei Temperaturen im Be­ reich von 580°C, wobei Silan (SiH4) mit Wasserstoff gemischt als Reaktionsgas verwendet wird. Die Größe der Kristallite liegt zwischen 80 und 100 nm. Der Ionisierungsgrad der Gase im Plasma beträgt ungefähr 1 Prozent.
Es ist bekannt, daß zur Abscheidung polykristalliner Schichten hohe Substrattemperaturen benötigt werden, auch wenn die Ab­ scheidung mit Hilfe von plasmaunterstütztem CVD erfolgen soll. Dadurch wird die Verwendung von Quarzglas oder anderen Spezial­ gläsern als Substrat notwendig, wenn das Substrat transparent sein soll.
Wenn dem Plasma Wasserstoff zugesetzt wird, enthält die wach­ sende Schicht - zum Beispiel aus Silizium - Kristallite, die von amorphem Silizium umgeben sind. Dieses amorphe Silizium wird von aktiviertem Wasserstoff im Plasma bevorzugt abgeätzt. Wenn genügend Wasserstoff vorhanden ist, kann entstehendes amorphes Material sofort wieder abgeätzt werden. Dann bleiben auf dem Substrat die Siliziumkristallite stehen, wachsen wei­ ter und bilden einen zusammenhängenden Film. Auf diese Weise entsteht eine durchgehende Schicht von polykristallinem Mate­ rial.
Die Zuführung von gasförmigem Wasserstoff zur Glimmentladung fördert die Bildung von Siliziumkristalliten; bei niedrigen Temperaturen ist es jedoch nicht möglich, die Bildung einer durchgehenden polykristallinen Schicht zu erreichen. Im Plasma wird nur ein geringer Teil des Wasserstoffs aktiviert. Dieser aktivierte Anteil reicht jedoch nicht aus, um das entstehende amorphe Silizium wieder abzuätzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, dünne und homogene polykristal­ line Halbleitermaterialschichten, insbesondere aus Silizium, auf billigen Glassubstraten, das heißt, bei relativ niedrigen Temperaturen ohne großen apparativen Aufwand herzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Wasserstoff vom Reaktionsgas ge­ trennt dem Plasma im aktivierten Zustand zugeführt wird. In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dafür vorge­ sehen, die Aktivierung des Wasserstoffs durch Ionisierung in der Wasserstoffgaszuführung mit Hilfe einer Glühkathode oder mittels Anregung durch Mikrowellen durchzuführen. Eine weitere Variante ist, daß die Aktivierung des Wasserstoffs in der Was­ serstoffgaszuführung optisch mit UV-Licht geeigneter Wellen­ länge erfolgt.
Zwar ist aus dem Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 26, Nr. 1, Januar 1987, Seiten L 10 bis L 13, ein plasmaunterstütz­ tes CVD-Verfahren für Silizium bekannt, bei dem niedrige Sub­ strattemperaturen möglich sind und der Wasserstoff im aktivier­ ten Zustand an der Reaktion teilnimmt, doch geschieht die Ak­ tivierung zusammen mit dem aus Siliziumtetrafluorid (SiF4) be­ stehenden Reaktionsgas unmittelbar im Substratbereich, wodurch eine sehr aufwendige Apparatur mit einem koaxialen Mikrowellen­ plasmasystem erforderlich ist.
Beim Verfahren nach der Lehre der Erfindung, bei dem der Was­ serstoff bereits im aktivierten Zustand auf das Reaktionsgas in der Glimmentladung trifft, ist bei herkömmlichen Apparatu­ ren nur ein zusätzlicher Anschluß für das Wasserstoffgas er­ forderlich, wobei in der Zuleitung die Aktivierung des Wasser­ stoffs zum Beispiel mittels einer Glühkathode erfolgt. Auf diese Weise kann für die Abscheidung jede normale plasmaunter­ stützte CVD-Anlage eingesetzt werden. Die Substrattemperatur kann auf 300°C oder niedriger eingestellt werden, wodurch es möglich ist, polykristalline Schichten auf normalen Glassub­ straten herzustellen; die Verwendung von Quarzgläsern oder anderen Spezialgläsern ist nicht mehr erforderlich.
Weitere Einzelheiten über das Abscheideverfahren sind der in der Zeichnung befindlichen Figur zu entnehmen, welche in sche­ matischer Darstellung einen Glimmentladungsreaktor mit zum Bei­ spiel kapazitiver Elektrodenanordnung zeigt.
Die für die Herstellung einer polykristallinen, zum Beispiel n-dotierten Siliziumschicht vorgesehenen gasförmigen Verbin­ dungen, bestehend aus zum Beispiel Silan (SiH4) und Phosphin (PH3) werden an der mit dem Pfeil 1 bezeichneten Zuleitung in den, in diesem Bereich überwiegend aus Quarz bestehenden Reak­ tor 2, der zuvor an dem mit dem Pfeil 3 bezeichneten Anschluß auf einen Druck von ca. 10-6 mbar evakuiert worden ist, einge­ leitet. Der Reaktor 2 ist nach oben und unten mit aus Edel­ stahl bestehenden Deck- und Grundplatten 4, 5 verschlossen, welche Durchführungen für die im Reaktor 2 horizontal und par­ allel zueinander angeordneten Elektroden 6 und 7 enthalten. Dabei dient die Elektrode 6 als Halter für die aus Glas be­ stehenden Substrate 8 und ist an der mit 9 bezeichneten Stel­ le geerdet, während über die Elektrode 7 durch Einspeisung von HF-Energie 10 die Glimmentladung in Gang gesetzt wird. Die Elektrode 6 wird mittels Elektrodenheizung 11 auf 100 bis 450°C aufgeheizt. Mit den strichlierten Linien ist das Plasma 12 bezeichnet.
Die Deckplatte 4 des Reaktors 2 ist mit einer Durchführung für die Zuleitung 13 des Wasserstoffgases versehen. In der Zulei­ tung 13 befindet sich eine Glühkathode 14, die den Wasserstoff aktiviert.
Das Durchflußverhältnis Silan SiH4 (1) zu Wasserstoff H2 (13) wird auf etwa 1:10 bis 10:1 eingestellt. Die eingekoppelte HF-Leistung (10) beträgt 2-100 mW/cm2.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen polykristalliner Halbleitermaterial­ schichten durch Gasphasenabscheidung, bei dem eine das Halblei­ termaterial enthaltende gasförmige Verbindung (1) in einem Reak­ tor (2) plasmaangeregt (12) zersetzt und das Halbleitermaterial auf im Reaktor (2) befindliche Substrate (8) niedergeschlagen wird und bei dem dem Plasma (12) zusätzlich Wasserstoff zuge­ setzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff vom Reaktionsgas (1) getrennt dem Plasma (12) im aktivierten Zustand zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aktivierung des Wasserstoffs durch Ionisierung in der Wasserstoffgaszuführung (13) mit Hilfe einer Glühkathode (14) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aktivierung des Wasserstoffs in der Wasserstoffgaszuführung (13) mittels Anregung durch Mikrowel­ len erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aktivierung des Wasserstoffs in der Wasserstoffgaszuführung (13) optisch mit UV-Licht geeig­ neter Wellenlänge erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von aus polykristallinem Silizium bestehenden Halbleitermaterialschich­ ten Silan (SiH4) verwendet wird, das Mengenverhältnis Silan zu Wasserstoff auf einen Wert von etwa 1:10 bis 10:1 eingestellt wird und die Substrate (8) auf einer Temperatur im Bereich von 100 bis 450°C gehalten werden.
6. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprü­ che 1 bis 5 zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis in der Dünnfilm-Technik.
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