DE4000664A1 - Transparente elektrode aus leitfaehigem oxid fuer photodioden und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Transparente elektrode aus leitfaehigem oxid fuer photodioden und verfahren zu ihrer herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine transparente Elektrode aus leitfä­ higem Oxid für Photodioden auf der Basis von amorphem, wasser­ stoffhaltigem Silizium (a-Si:H) für Anwendungen in der Großflä­ chen-Mikroelektronik sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die in der Großflächen-Mikroelektronik (Large-Area-Microelec­ tronics) verwendeten transparenten, leitfähigen Elektroden werden üblicherweise auf der Oberseite des Bauelementes aufge­ bracht. Daher können sie nicht bei Temperaturen prozessiert werden, die über der Herstelltemperatur des Halbleitermate­ rials liegen. Bei Photodioden aus amorphem Silizium (a-Si:H) mit einer transparenten Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) wird das a-Si:H bei Temperaturen zwischen 220°C und 280°C abgeschieden. Bei dieser Temperatur ist es schwierig, ITO mit guten Eigenschaften (Transparenz, Leitfähigkeit) herzustellen. Weiterhin ist es erforderlich, die ITO-Schicht zu strukturie­ ren. ITO ist jedoch mit den Medien, die prozeßtechnisch kom­ patibel sind, meist sehr schlecht ätzbar.
Bisher wurde ITO entweder mit Hilfe einer Elektronenstrahlka­ none aufgedampft oder aber reaktiv gesputtert. Dazu wird auf einen Bericht von I. Hamberg, C. G. Granquvist aus dem J. Appl. Phys. 60 (1986) R 123 bis R 159 verwiesen. Die entstan­ denen Schichten müssen nach der Herstellung bei Temperaturen oberhalb 200°C getempert werden, um ihre Transparenz und Leit­ fähigkeit zu verbessern, wie aus der europäischen Patentanmel­ dung 02 17 095 bekannt ist. Ätzbar sind diese Schichten aller­ dings nur vor der Temperung, wobei die Ätzzeit stark von den Herstellparametern abhängt und nicht reproduzierbaren Schwan­ kungen unterworfen ist.
Aus der europäischen Patentanmeldung 02 93 645 ist zu entneh­ men, daß zur Verbesserung der Leitfähigkeit und der Transpa­ renz der Sauerstoffpartialdruck während der Abscheidung der Schicht zeitweilig reduziert werden kann. Dadurch können elek­ trische Flächenwiderstände von 200 Ohm Square (entspricht einem spezifischen Widerstand von 20×10-4 Ohm cm bei einer Schichtdicke von 100 nm) und Transparenzen für sichtbares Licht von 90 Prozent erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, transparente Elektroden aus leit­ fähigen Oxiden für Photodioden auf a-Si:H-Basis anzugeben, die folgende Forderungen erfüllen:
  • 1. sie sollen bezüglich ihrer Herstellung mit der Prozeßtech­ nik leicht kompatibel sein,
  • 2. das Elektrodenmaterial soll auf a-Si:H gut strukturierbar sein,
  • 3. die Transparenz und die Leitfähigkeit sollen nach der Tem­ perung optimale Werte aufweisen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Elektrode aus leitfähigem Oxid aus einer Schichtenfolge von sich abwechselnden sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Ein­ zelschichten besteht. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß das leitfähige Oxid aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) besteht.
Es ist aber auch möglich, daß das leitfähige Oxid aus Zinn- Oxid oder Zink-Oxid besteht. In jedem Fall wird die Schicht­ dicke der sauerstoffreichen Schichten mindestens doppelt so dick eingestellt wie die der sauerstoffarmen Schichten. Die Schichtenfolge sollte mindestens drei Schichtsequenzen ent­ halten.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine für eine transparente Elektrode gemäß der Erfindung vorge­ sehene Vielfachschicht (Multilayer) kann beispielsweise wie folgt hergestellt werden:
In einer mit Gleichstrom betriebenen Magnetronsputteranlage wird ein metallisches Target verwendet, das aus 90 Prozent In­ dium und 10 Prozent Zinn besteht. Die Sputterleistung beträgt 800 W. Als Sputtergas wird Argon bei einem Partialdruck von 3 ×10-3 mbar verwendet. Dazu wird Sauerstoff mit einem Partial­ druck von 1,6×10-3 mbar eingeleitet. Wie in Fig. 1 darge­ stellt, wird nun auf einem Glassubstrat 1 eine Schichtfolge ab­ geschieden, bei der zuerst 15 Sekunden lang nur in Argon ge­ sputtert wird. Es entsteht eine Schicht 2 aus sauerstoffarmem Indium-Zinn-Oxid. Dann wird für 40 Sekunden in einem Argon- Sauerstoff-Gemisch gesputtert. Es entsteht eine Schicht 3 aus sauerstoffreichem Indium-Zinn-Oxid. Danach wird für 5 Sekunden wieder in reinem Argon gesputtert; es entsteht eine Schicht 4 aus sauerstoffarmem Indium-Zinn-Oxid. Die letzten beiden Schritte (3, 4) werden so oft wiederholt (zum Beispiel 8 mal wie in Fig. 1 dargestellt), bis die gewünschte Gesamtschicht­ dicke erreicht ist (Schichten 4 bis 18).
Nach der Strukturierung durch Ätzen in 5%iger Salzsäure wur­ den die Proben für 60 Minuten in Sauerstoff unter Atmosphären­ druck bei 200°C getempert. Danach wurde die optische Trans­ mission im sichtbaren Wellenlängenbereich sowie der elektri­ sche Flächenwiderstand zwischen zwei auf die Oberfläche der Probe aufgesetzten Spitzenkontakten gemessen. Dabei wurden an mehreren Proben aus verschiedenen Abscheidungen folgende Er­ gebnisse erreicht:
Schichtdicke nach 360 Sekunden Gesamtsputterzeit 100 nm±1,2 nm
Ätzrate in 5%iger Salzsäure 3,25 nm/s±0,05 nm/s
Flächenwiderstand 595 0hm±49 0hm
Optische Transmission nach Temperung 85,8 Prozent±1,1 Pro­ zent
Auch eine Variation der Herstellparameter, wobei bis zu 40 Einzelschichten aufgebracht wurden, zeigt gute Ergebnisse. Die Sputterzeit der ersten Einzelschicht lag dabei zwischen 5 Se­ kunden und 60 Sekunden. Die Sputterzeit der sauerstoffreichen Einzelschicht mit einem Sauerstoff-Partialdruck zwischen 10-3 mbar und 10-2 mbar lag zwischen 10 Sekunden und 60 Sekunden, die der sauerstoffarmen Einzelschicht mit einem Sauerstoff- Partialdruck unter 10-3 mbar lag zwischen 5 Sekunden und 30 Se­ kunden. Die kürzesten erzielten Ätzzeiten lagen bei 3 Sekunden. Die niedrigsten Flächenwiderstände betrugen 17 Ohm.
Ähnlich gute Ergebnisse können auch bei reaktiv aufgedampften ITO oder bei anderen transparenten, leitfähigen Oxiden wie zum Beispiel Zinnoxid oder Zinkoxid erzielt werden.

Claims (12)

1. Transparente Elektrode aus leitfähigem Oxid für Photodio­ den auf der Basis von amorphem, wasserstoffhaltigem Silizium (a-Si:H) für Anwendungen in der Großflächen-Mikroelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro­ de aus leitfähigem Oxid aus einer Schichtenfolge (2 bis 18) von sich abwechselnden sauerstoffreichen (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) und sauerstoffarmen (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) Einzelschichten besteht.
2. Transparente Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Oxid aus Schichten von Indium-Zinn-Oxid besteht.
3. Transparente Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Oxid aus Schichten von Zinnoxid oder Zinkoxid besteht.
4. Transparente Elektrode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der sauer­ stoffreichen Schichten (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) mindestens doppelt so dick ist wie die der sauerstoffarmen Schichten (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18).
5. Transparente Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schich­ tenfolge (2 bis 18) mindestens drei Schichtsequenzen enthält.
6. Verfahren zur Herstellung von transparenten leitfähigen Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge (2 bis 18) durch Kathodenzerstäuben in einer Magnetron-Sputteranlage mit einem metallischen Target aus einer Indium-Zinn-Legierung und Argon als Sputtergas in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Target bestehend aus 90 Prozent In­ dium und 10 Prozent Zinn verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffreichen Schich­ ten (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) in einer Argon-Sauerstoffat­ mosphäre bei einem Sauerstoffpartialdruck von 10-2 bis 10-3 mbar und die sauerstoffarmen Schichten (2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) bei einem Sauerstoffpartialdruck unter 10-3 mbar herge­ stellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sputterzeit bei der Abscheidung der sauerstoffreichen Schicht (3) auf mindestens das Doppelte der Sputterzeit bei der Abscheidung der sauerstoffarmen Schicht (4) eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputterleistung auf 800 W konstant gehalten wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Sputtern herge­ stellte Schichtenfolge (2 bis 18) nach einer Ätzbehandlung in 5%iger Salzsäure in Sauerstoff unter Atmosphärendruck bei 200°C getempert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperzeit 60 Minuten beträgt.
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