DE69937567T2 - Verfahren zur abscheidung von hochqualitativen halbleiterschichten - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleitermaterialien. Noch spezifischer bezieht sich die Erfindung auf Dünnschichthalbleitermaterialien. Am spezifischsten bezieht sich die Erfindung auf Dünnschichthalbleitermaterialien hoher Qualität und auf Methoden zu ihrer Herstellung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Dünnschichthalbleitermaterialien. Innerhalb des Zusammenhangs dieser Offenbarung umfassen Dünnschichthalbleitermaterialien Materialien, die durch Aufbauen dünner Schichten auf einem Substrat, typischerweise durch ein Aufdampfverfahren, aufgebracht werden. Derartige Verfahren umfassen Plasmaabscheidungsverfahren (auch als chemische Plasmaaufdampfverfahren bezeichnet), wobei ein Prozessgas, das typischerweise aus einem Halbleitervorläufer und im Allgemeinen einem Verdünnungsgas besteht, einem elektrischen Feld unterworfen wird, das das Gas so ionisiert, dass ein reaktives Plasma gebildet wird. Das Plasma zersetzt mindestens einige Komponenten des Prozessgases und scheidet eine Schicht Halbleitermaterial auf einem Substrat ab, das in dem Plasma oder in nächster Nähe desselben gehalten wird. Nichtplasmadampfabscheidungsverfahren, wie beispielsweise die chemische Nichtplasmadampfabscheidung und -aufdampfverfahren können auf ähnliche Weise für die Herstellung von Dünnschichthalbleitermaterialien verwendet werden.
  • Im Allgemeinen werden Dünnschichthalbleitermaterialien als fehlgeordnete Halbleitermaterialien betrachtet, insoweit sie ein nichtkristalline Materialien sind. Innerhalb des Zusammenhangs dieser Offenbarung sollen die Begriffe „Dünnschichthalbleitermaterialien" und „fehlgeordnete Halbleitermaterialien" austauschbar benutzt werden, um sich auf diejenigen Halbleitermaterialien zu beziehen, denen eine Fernordnung fehlt (d. h. die sich nicht in einem Einkristallzustand befinden). Dünnschichthalbleitermaterialien können eine Nahordnung oder eine Zwischenbereichordnung aufweisen und sie können amorphe Halbleitermaterialien sowie nanokristalline und mikrokirstalline Halbleitermaterialien umfassen.
  • Es hat sich erwiesen, dass der Ordnungsgrad eine wichtige charakteristische Eigenschaft von Dünnschichthalbleitermaterialien ist. Beispielsweise hat es sich erwiesen, dass auf dem Gebiet fotovoltaischer Geräte die besten Geräte dann hergestellt werden, wenn das fotogenerative Material (beispielsweise die intrinsische Schicht eines P-I-N-Geräts) amorph ist, jedoch aus Material hergestellt wird, das unter Abscheidungsbedingungen gerade etwas unterhalb der Grenze des mikrokristallinen Wachstums erhalten wird. Vergleiche beispielsweise Tsu et al., Applied Physics Letters, Band 71, Nr. 10, 1317–1319 (8. September 1997). Das Abscheiden unter derartigen Bedingungen in der Nähe der amorphen mikrokristallinen Grenze ist im allgemeinen wünschenswert. Innerhalb des Zusammenhangs dieser Offenbarung bedeutet das Arbeiten in der Nähe der amorphen/kristallinen Grenze, dass Abscheidungsparameter, einschließlich Prozessgaszusammensetzung, Prozessgasdruck, Energiedichte, Substrattemperatur und dergleichen so ausgewählt werden, dass man Werte erhält, die sich denjenigen annähern, die mikrokristallines Material erzeugen, jedoch derart sind, dass das Material nicht mikrokristallin ist.
  • Unter diesen Bedingungen hergestelltes amorphes Material weist eine gute Mittelbereichordnung auf und fotovoltaische Geräte, die daraus hergestellt werden, besitzen gute Arbeitscharakteristiken wie beispielsweise Leerlaufspannung, Füllfaktor und dergleichen. Außerdem weisen diese Materialien eine gute Beständigkeit auf und sind gegen Bildung von durch Licht induzierten Defekten widerstandsfähig. Während das Material mikrokristallin wird, nimmt die Leerlaufspannung der fotovoltaischen Geräte ab. Außerdem kann das Vorliegen von Korngrenzen im mikrokristallinen Material eine negative Auswirkung auf die Leistung der fotovoltaischen Geräte ausüben. Desgleichen entstehen, wenn das Halbleitermaterial so abgeschieden wird, dass es fehlgeordneter ist, auch Probleme bezüglich der Effizienz und Stabilität des Geräts. Aus diesem Grund werden die fotogenerativen Schichten von fotovoltaischen Dünnschichtgeräten am bevorzugtesten unter Abscheidungsbedingungen hergestellt, die in der Nähe der amorphen mikrokristallinen Grenze liegen.
  • In der Technik ist bisher nicht erkannt worden, dass diese amorphe mikrokristalline Grenze sich selbst dann ändert, während die Halbleiterschicht abgeschieden wird, wenn alle Abscheidungsparameter konstant gehalten werden. Aus diesem Grund sind Materialien, die dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren gemäß hergestellt worden sind, wegen dieser Verschiebung der amorphen/mikrokristallinen Grenze nicht optimal gewesen. Des weiteren werden fotogenerative Materialien oft mit einer abgestuften Zusammensetzung hergestellt, um beispielsweise eine profilierte Bandlücke zu ergeben, und es hat sich auch erwiesen, dass eine derartige Abstufung der Zusammensetzung die amorphe mikrokristalline Grenze beeinflussen kann. Aus diesem Grund erkennt die vorliegende Erfindung die Tatsache an, dass die amorphe/mikrokristalline Grenze für ein bestimmtes Abscheidungsverfahren sich aufgrund der Halbleiterschichtdicke sowie von Zusammensetzungsvariationen verschiebt; und dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung Abscheidungsparameter derart ein, dass die Abscheidungsbedingungen beim idealen Niveau in der Nähe der Grenze während des gesamten Abscheidungsverfahrens gehalten werden. Wie hier unten gezeigt werden wird, wird Material, das durch die vorliegende Erfindung hergestellt wird, optimiert, wie es durch die Arbeitsparameter daraus hergestellter fotovoltaischer Geräte gezeigt wird.
  • Kroll U et al; „From Amorphous to Microcrystalline Silicon Films Prepared by Hydrogen Dilution Using the VHF (70 MHZ) GD Technique (Von amorphen zu mikrokristallinen Siliciumfilmen, die durch Wasserstoffverdünnung unter Anwendung der VHF (70 MHZ) GD-Technik hergestellt werden)", Journal of Non-Crystalline Solids, North-Holland Physics Publishing, Amsterdam, NL, Band 227/230, Mai 1998 (1998–05), Seiten 68–72, XP002922845, ISSN: 002-3093 bezieht sich auf amorphe und mikrokristalline Siliciumfilme, die durch Wasserstoffverdünnung von reinem Silan auf Silankonzentrationen von mehr als oder gleich 1,25% hergestellt worden sind.
  • Martins R et al: „Investigation of the amorphous to microcrystalline Phase transition of thin film silicon produced by PECVD" Preparation and Characterization („Untersuchung des Phasenübergangs von amorph auf mikrokristallin von Dünnschichtsilicium, das durch PECVD hergestellt wird", Herstellung und Charakterisierung), Elsevier Sequoia, NL, Band 317, Nr. 1–2, 1. April 1998 (1998-04-01), Seiten 144–148, XP004147630, ISSN: 0040-6090 bezieht sich auf das Abscheidungen durch Plasma von mit Phosphor dotierten amorphen und mikrokristallinen Siliciumfilmen durch durch Plasma verbesserte chemische Aufdampfung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß wird ein Verfahren zur Plasmaabscheidung einer Schicht von Halbleitermaterial des Typs bereitgestellt, bei dem ein Prozessgas, das einen Vorläufer des Halbleitermaterials umfasst, mit elektromagnetischer Energie so erregt wird, dass Plasma daraus gebildet wird, welches Plasma eine Schicht des Halbleitermaterials auf einem Substrat abscheidet, wobei das Verfahren durch eine Gruppe von Abscheidungsparametern gekennzeichnet ist umfassend: eine Prozessgaszusammensetzung, Prozessgasdruck, Energiedichte der elektromagnetischen Energie und Substrattemperatur; wobei eine amorphe/mikrokristalline Grenze für die Abscheidungsparameter derart definiert wird, dass ein mikrokristalliner Satz von Werten für die Abscheidungsparameter vorliegt, wobei, wenn das Halbleitermaterial darunter abgeschieden wird, es mikrokristallin ist, und ein amorpher Satz von Werten für die Abscheidungsparameter vorliegt, wobei, wenn das Halbleitermaterial darunter abgeschieden wird, es amorph ist, und wobei die amorphe/mikrokristalline Grenze während der Abscheidung der Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der Dicke derselben variiert; wobei die Verbesserung in Kombination folgendes umfasst:
    Halten der Abscheidungsparameter bei Werten, die innerhalb des amorphen Satzes liegen, die jedoch in der Nähe der amorphen/kristallinen Grenze liegen, während der gesamten Zeit, während der die Schicht von Halbleitermaterial abgeschieden wird, durch Variieren des Wertes von mindestens einem der Abscheidungsparameter in Abhängigkeit von der Dicke des Halbleitermaterials, das abgeschieden worden ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Plasmaabscheidung einer Schicht von Halbleitermaterial gerichtet. Im Allgemeinen erregt ein derartiges Verfahren ein Prozessgas, das einen Vorläufer des Halbleitermaterials umfasst, mit elektromagnetischer Energie, so, dass ein Plasma daraus gebildet wird. Das Plasma scheidet eine Schicht Halbleitermaterial auf einem Substrat ab, das in der Nähe desselben gehalten wird. Die Abscheidungsparameter des Verfahrens, die die Prozessgaszusammensetzung, den Prozessgasdruck, die Energiedichte der elektromagnetischen Energie und die Substrattemperatur umfassen, bestimmen, ob das abgeschiedene Halbleitermaterial amorph oder mikrokristallin ist; und am bevorzugtesten wird die Abscheidung unter Bedingungen gerade unterhalb der amorphen/kristallinen Grenze so durchgeführt, dass ein relativ geordnetes amorphes Material hergestellt wird. Erfindungsgemäß werden die Abscheidungsparameter so reguliert, dass der Abscheidungsvorgang an der amorphen mikrokristallinen Grenze während der gesamten Abscheidung der Schicht gehalten wird.
  • Die amorphe/mikrokristalline Grenze ändert sich bei ansteigender Dicke der Halbleiterschicht möglicherweise durch eine Schablonenwirkung; aus diesem Grund werden verschiedene Prozessparameter, wie die Gaszusammensetzung, Energiedichte und dergleichen so variiert, dass die Abscheidung an der Grenze gehalten wird. In einigen Fällen wird die Zusammensetzung des Halbleitermaterials variiert, während die Schicht abgeschieden wird. Beispielsweise kann das Halbleitermaterial eine Legierung umfassen, die Silicium und Germanium einschließt, und das Silicium-Germanium-Verhältnis kann so variiert werden, dass eine profilierte Bandlückenstruktur in dem Halbleitermaterial hergestellt wird. In derartigen Fallen wird die amorphe/mikrokristalline Grenze auch in Abhängigkeit vom Verhältnis von Silicium zu Germanium im Prozessgas variieren. Es hat sich erfindungsgemäß des weiteren erwiesen, dass das Prozessgas mit steigender Menge Germanium im Prozessgas mit steigenden Mengen Wasserstoff oder Deuterium verdünnt werden muss, um die Bedingungen an einem Punkt in der Nähe der Grenze zu halten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine grafische Darstellung, die die Leerlaufspannung einer ersten Reihe fotovoltaischer Geräte in Abhängigkeit von der intrinsischen Schicht jedes Geräts zeigt; und
  • 2 ist eine grafische Darstellung, die die Leerlaufspannung einer zweiten Reihe fotovoltaischer Geräte in Abhängigkeit von der Dicke der intrinsischen Schicht jedes Geräts zeigt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, dass unter gewissen Abscheidungsbedingungen der Ordnungsgrad in Dünnschichthalbleitermaterialien sich in Abhängigkeit von der Dicke der Schicht von Dünnschichthalbleitermaterialien verbessert. Das heißt, die zuerst abgeschiedenen unteren Teile einer Schicht von Halbleitermaterial besitzen einen niedrigeren Ordnungsgrad als höher liegende, später abgeschiedene Teile der Schicht. Innerhalb des Zusammenhangs dieser Offenbarung bezieht sich „Ordnung" oder „Ordnungsgrad" einer Schicht auf das Ausmaß der Nahordnung und Zwischenordnung der Bestandteile dieser Schicht. In einem geordneteren Material wird eine höhere Anzahl von Konstituentenatomen richtige Wertigkeiten aufweisen und sich der Theorie annäherende Bindungswinkel besitzen. Im Gegensatz dazu wird ein schlechter geordnetes Material eine höhere Anzahl von verformten, gebogenen, gebrochenen oder unbefriedigten Bindungen aufweisen. Im Allgemeinen besitzt ein geordneteres Material überlegene elektrische und optische Eigenschaften im Vergleich mit einem weniger geordneten Material. Es hat sich auch erwiesen, dass der Ordnungsgrad durch die Ordnung des darunterliegenden Materials bestimmt wird. Beispielsweise neigen Schichten, die auf geordnetem Material gezüchtet werden, dazu, eine bessere Ordnung aufzuweisen als Filme, die auf fehlgeordnetern Material gezüchtet werden.
  • Während die Anmelder nicht durch Spekulieren gebunden sein möchten, wird theoretisch angenommen, dass die Ordnung im Körper von Dünnschichthalbleitermaterial sich beim Abscheiden der Schicht durch eine Schablonenwirkung verbessert. Bei einer Schablonenwirkung bietet eine frisch abgeschiedene Fläche von Halbleitermaterial eine Schablone, die das Wachstum darauffolgender Schichten von Halbleitermaterial darauf unterstützt und fördert. Die Ordnung der daraufhin abgeschiedenen Schichten ist im Allgemeinen besser als diejenige der Fläche, die die Schablone bildet, da daraufhin sich abscheidende Schichten sich bevorzugt auf diejenigen Anteile der Schablonenschicht ausrichten und damit in Konformation geführt werden, die eine gute Ordnung aufweisen. Deshalb nehmen die Anmelder theoretisch an, dass die Ordnung des sich abscheidenden Körpers von Dünnschichthalbleitermaterial sich in Abhängigkeit von der Schichtdicke verbessert. Die Bestätigung dieses Phänomens ist durch Röntgenstrahlanalyse und kapazitive Sondenanalyse von Teilen der Dicke verschiedener Halbleiterkörper erhalten worden.
  • Des weiteren ist in Versuchen beobachtet worden, dass, wenn Plasmaabscheidungsbedingungen wie beispielsweise der Prozessgasdruck, die Verdünnung der Gasmischung, die Substrattemperatur und die elektromagnetische Energiedichte für das Abscheiden von Dünnschicht-Silicium-Wasserstofflegierungshalbleitern so ausgewählt werden, dass sie sich unterhalb der Grenze der Bildung von mikrokristallinem Material befinden und bei einem konstanten Niveau gehalten werden, die sich abscheidende Schicht mit steigender Schichtdicke mikrokristallin wird. Die Dicke, bei der die Schicht mikrokristallin wird, hängt davon ab, wie nahe die anfänglichen Abscheidungsbedingungen bei der mikrokristallinen Grenze gehalten werden.
  • Die Befunde, die die Basis dieser Erfindung bilden, haben mehrere Auswirkungen und Anwendungen im Zusammenhang mit der Herstellung von Halbleitergeräten. Beispielsweise kann bei der Herstellung von Dünnschichttransistoren oder anderen derartigen Halbleiterschaltgeräten das Abscheiden einer Schicht Halbleitermaterial unter Abscheidungsbedingungen eingeleitet werden, die unterhalb der Grenze für die Herstellung von mikrokristallinem Halbleitermaterial liegen und das Abscheiden kann so lange durchgeführt werden, bis die sich abscheidende Schicht mikrokristallin wird. Das erlaubt die Herstellung eines Halbleiterkörpers, der einzelne amorphe und mikrokristalline Regionen in einem überlagerten Verhältnis durch seine Dicke hindurch unter Abscheidungsbedingungen, die konstant sind, aufweist. Die amorphen und mikrokristallinen Regionen des Halbleiterkörpers weisen signifikant andere elektrische Leitfähigkeiten sowie andere optische Eigenschaften auf. Daher können Bauteile dieses Typs zum Definieren von Elektroden, Torschaltungen und anderen Konstruktionsmerkmalen von Transistoren und dergleichen verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch bei der Herstellung von fotovoltaischen Geräten verwendet werden, um zu ermöglichen, dass die Abscheidungsbedingungen für die verschiedenen Schichten der Geräte der Dicke dieser Schichten entsprechend optimiert werden. Beispielsweise werden in hintereinandergeschaltete fotovoltaische Geräten vom P-I-N-Typ eine Serie von Triaden einer P-I-N-Konfiguration in einem optischen und elektrischen Serienverhältnis gestapelt. Um die durch die gestapelten Zellen erzeugten Fotoströme im Gleichgewicht zu halten, steigen die Dicken der I-Schichten der gestapelten Zellen im Allgemeinen von oben nach unten im Gerät, um die verschiedenen Intensitäten und möglicherweise Wellenlängen der Beleuchtung, die auf diese Schichten auffällt, auszugleichen. Erfindungsgemäß können die Abscheidungsbedingungen für jede der intrinsischen Schichten einzeln auf der Basis der Dicken dieser Schichten so optimiert werden, dass die Materialqualität derselben optimiert wird. Auch werden in einigen Fällen die P- und/oder N-Schichten der Geräte vom P-I-N-Typ aus Dünnschichthalbleitermaterialien hergestellt, die vollständig oder teilweise mikrokristallin sind. Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung kann die Morphologie dieser Schichten in Abhängigkeit ihrer Dicke so reguliert werden, dass Schichten, die eine erwünschte mikrokristalline und/oder amorphe Morphologie durch ihre gesamte Dicke hindurch aufweisen, genau hergestellt werden können. Auch kann die Schablonenwirkung selbst bei geringer Dicke durch Anwendung dotierter Schichten der erwünschten Ordnung eingeführt werden, um eine bessere Ordnung der undotierten oben abgeschiedenen Schichten einzuleiten.
  • Auch können erfindungsgemäß die Abscheidungsbedingungen, einschließlich eines oder mehrerer von Prozessgasverdünnung, Druck, Energiedichte oder Substrattemperatur während der Abscheidung einer einzigen Schicht Material so variiert werden, dass die Morphologie dieser Schicht wie erwünscht reguliert wird. Beispielsweise können die Abscheidungsbedingungen zu Beginn auf einen Punkt unterhalb der Grenze für die Abscheidung von mikrokristallinem Halbleitermaterial eingestellt werden; und beim darauffolgenden Aufbauen von Teilen einer Schicht können diese Abscheidungsbedingungen noch weiter bis zu einem Punkt unterhalb der anfänglichen Grenzeneinstellung so variiert werden, dass der Ordnungsgrad der sich abscheidenden Schicht durch seine ganze Dicke hindurch im Wesentlichen konstant bleibt. In anderen Fallen können die Abscheidungsbedingungen so variiert werden, dass eine profilierte Änderung des Ordnungsgrads des Materials durch seine Dicke hindurch bereitgestellt wird. Derartige Änderungen der Ordnung können vorteilhafterweise zum Regulieren der elektrischen charakteristischen Eigenschaften der Grenzflächen zwischen überlagerten Schichten eines Halbleitergeräts benutzt werden.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die theoretisch angenommene Schablonenwirkung einer Schicht zum Herstellen einer stark geordneten Schicht von Dünnschichthalbleitermaterial, wie beispielsweise einer hochmikrokristallinen Schicht, unter Bedingungen angewendet werden, die sonst die Abscheidung einer Schicht mit diesem Ordnungsgrad nicht erlauben würden. Diese Möglichkeit kann unter Umständen nützlich sein, wo andere Teile eines Gerätbauteils durch Abscheidungsbedingungen beschädigt werden würden, die zum Herstellen einer hochgeordneten Schicht von Anfang an angewendet werden. In einigen Fällen kann der Halbleiterkörper in der abgeschiedenen Form verwendet werden, während unter anderen Umständen der anfänglich abgeschiedene, weniger geordnete Teil von dem verbleibenden, starker geordneten Teil durch Techniken entfernt werden kann, wie beispielsweise Ionenmahlen, Plasmaätzen, nasschemische Ätzen oder dergleichen.
  • Es ist so zu sehen, dass die vorliegende Erfindung auf dem Befund basiert, dass bei einem sich abscheidenden Körper von Dünnschichthalbleitermaterial, das unter gewissen Abscheidungsbedingungen gezüchtet worden ist, die Ordnung des Materials sich mit steigender Schichtdicke verbessert. Es wird vermutet, dass diese Verbesserung das Ergebnis eines Schablonenverfahrens ist, wobei eine anfänglich abgeschiedene Schicht eines ersten Ordnungsgrads eine Abscheidung von Material darauf unterstützt, das einen höheren Ordnungsgrad aufweist. Dieser Befund ermöglicht die Herstellung von Schichten aus Dünnschichthalbleitermaterial mit einem stark regulierten Ordnungsgrad durch ihre Dicke hindurch. Dieser Ordnungsgrad kann so reguliert werden, dass er gleichförmig ist oder so, dass er variiert. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung regulierter Schichten mikrokristalliner und/oder nanokristalliner und/oder amorpher Konfiguration und ist bei der Herstellung einer Reihe verschiedener Halbleitergeräte, einschließlich fotovoltaischer Geräte, Dünnschichttransistoren, elektrofotografischer Rezeptoren, Dioden und dergleichen nützlich. Die Erfindung ist bei allen Dünnschichthalbleitermaterialien anwendbar und hat sich als im Zusammenhang mit Halbleiterlegierungen der Gruppe IV, wie beispielsweise Legierungen von Silicium und/oder Germanium mit Wasserstoff und/oder Halogenen einen besonderen Nutzen aufweisend erwiesen.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch spezifische Beispiele noch weiter veranschaulicht, die fotovoltaische Geräte vom P-I-N-Typ umfassen; obwohl man sich im Klaren darüber sein wird, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung vorteilhaft bei der Herstellung einer Reihe verschiedener Halbleitergeräte angewendet werden können. Wie im verwandten Technik bekannt ist, umfassen fotovoltaische Geräte vom P-I-N-Typ einen Körper aus im Wesentlichen intrinsischern Halbleitermaterial, das zwischen mit P dotiertem und N dotiertem Halbleitermaterial eingelagert ist.
  • Es ist bekannt, dass das beste Halbleitermaterial für die intrinsische Schicht von fotovoltaischen Geräten vom P-I-N-Typ unter Plasmaabscheidungsbedingungen hergestellt wird, die im Wesentlichen amorphes Material erzeugen, jedoch in der Nähe der amorphen mikrokristallinen Grenze liegen. Wenn das Abscheiden unter diesen Bedingungen erfolgt, weist das im Wesentlichen amorphe Material eine sehr gute Kurz- und Zwischenbereichordnung auf, die in den Arbeitsparametern des fotovoltaischen Geräts, wie beispielsweise Leerlaufspannung, Füllfaktor und dergleichen, widergespiegelt wird. Die amorphe/mikrokristalline Grenze wird durch Abscheidungsbedingungen beherrscht, die die Substrattemperatur, den Prozessgasdruck, das Energieniveau und die Gaszusammensetzung umfassen. Es hat sich des weiteren erfindungsgemäß erwiesen, dass die Dicke der sich abscheidenden Schicht auch die amorphe/mikrokristalline Grenze, wie oben besprochen, beeinflusst.
  • Erfindungsgemäß wurden eine Anzahl fotovoltaischer Geräte vom P-I-N-Typ durch ein plasmaaktiviertes chemisches Aufdampfverfahren des Typs, das allgemein von Yang et al. in Applied Physics Letters, 70, 2975 (1997) beschrieben ist, hergestellt. Die Geräte wurden auf einem Edelstahlsubstrat hergestellt und umfassen im Wesentlichen amorphe intrinsische Schichten, die aus Siliciumlegierungen und Silicium-Germanium-Legierungen bestehen. Diese Zellen sind für fotovoltaische Zellen des Typs repräsentativ, der typischerweise in hintereinandergeschaltete fotovoltaische Multilückengeräte, wie sie im verwandten Technik bekannt sind, eingearbeitet sind. In jedem Fall umfasste die Zelle eine amorphe, mit Phosphor dotierte Schicht aus Silicium-Wasserstoff-Legierungsmaterial einer Dicke von etwa 200–500 Ångström, wobei eine Schicht aus im Wesentlichen amorphem Silicium oder Silicium-Germanium-Legierung obenauf liegt. Die Zelle wurde durch eine obere Schicht aus mikrokristallinern, mit Bor dotiertem Silicium-Wasserstoff-Legierungsmaterial einer Dicke von etwa 200–500 Ångström abgeschlossen. Alle Abscheidungsbedingungen für die mit Phosphor dotierte und Bor dotierte Schicht wurden während der gesamten Versuchsserie konstant gehalten, wobei die einzigen Variationen während der Abscheidung der intrinsischen Schichten erfolgten. Auf die Fertigstellung der Zellen hin wurden Arbeitsparameter wie der Füllfaktor und die Leerlaufspannung gemessen.
  • In der ersten Versuchsreihe wurden eine Anzahl fotovoltaischer Geräte unter Anwendung einer Prozessgasströmung durch die Abscheidungskammer von 0,23 SCCM Si2H6 und 0,44 SCCM einer 20%-igen Mischung von GeH4 in H2 zusammen mit entweder 50, 75 oder 100 SCCM eines H2-Verdünnungsgases hergestellt. Zellen dieses Typs werden im Allgemeinen als Mittellückenzellen fotovoltaischer Geräte dreifacher Verzweigung verwendet. Das Abscheiden erfolgte so, um eine Anzahl verschiedener Dicken der intrinsischen Schicht bei jeder der verschiedenen Verdünnungen herzustellen und die Ergebnisse dieser Versuchsreihe sind in 1 zusammengefasst.
  • Mit Bezug auf 1 wird nun eine grafische Darstellung der Daten aus der ersten Versuchsreihe gezeigt, wobei die Leerlaufspannung (LLS) der so gebildeten Zellen in Abhängigkeit von der I-Schichtdicke aufgezeichnet ist. Die LLS ist als Anzeige der Gerätequalität ausgewählt worden, da bei einer herkömmlichen Zelle vom P-I-N-Typ sie relativ unabhängig von der Dicke der intrinsischen Schicht einer spezifischen Zelle ist. Wie aus den Daten ersichtlich ist, ist die Leerlaufspannung der Zelle ziemlich unabhängig von der Zelldicke, wenn die Wasserstoffverdünnung gering ist. Bei höheren Verdünnungen sinkt jedoch die LLS mit steigender Zelldicke und die Abnahme ist bei dem am meisten verdünnten Prozessgas am größten. Diese Abnahme der Leerlaufspannung ist für die Tatsache bezeichnend, dass das Material der intrinsischen Schicht immer mikrokristalliner wird. Das heißt, die Abscheidungsbedingungen überqueren die amorphe mikrokristalline Grenze in Abhängigkeit von der Dicke der sich abscheidenden Schicht, obwohl alle anderen Abscheidungsprozessparameter konstant gehalten werden. Daher kann aus den grafischen Daten von 1 der Schluss gezogen werden, dass, um die Abscheidungsbedingungen in der Nähe der amorphen/mikrokristallinen Grenze zu halten, die Menge an Verdünnungsgas in der Prozessgasmischung in Abhängigkeit von der zunehmenden Schichtdicke reduziert werden sollte.
  • Unter Bezugnahme auf 2 werden nun die Ergebnisse einer ähnlichen Versuchsreihe gezeigt, die unter Anwendung einer Prozessgasmischung durchgeführt wurde, die aus 0,21 SCCM Si2H6 und 0,68 SCCM einer 20%-igen Mischung von GeH4 in H2 zusammen mit 50, 75 oder 100 SCCM Wasserstoffverdünnungsmittel bestand. Die Prozessgasmischung ist typischerweise eine derjenigen, die für die Herstellung von Zellen einer relativ geringen Bandenlücke und mit hohem Germaniumlegierungsgehalt des Typs verwendet werden, der als untere Zelle eines fotovoltaischen Geräts dreifacher Verzweigung verwendet wird. Es ist wiederum zu sehen, dass die Materialqualität besonders bei hohen Wasserstoffverdünnungen in Abhängigkeit von der steigenden Schichtdicke im Allgemeinen abnimmt. Es ist wiederum klar, dass die Wasserstoffverdünnung in Abhängigkeit von der steigenden Schichtdicke reduziert werden muss, wenn die Materialqualität beibehalten werden soll.
  • Es hat sich auch erfindungsgemäß gezeigt, dass die amorphe/mikrokristalline Grenze in Abhängigkeit vom steigenden Germaniumgehalt in einem Silicium-Germanium-Legierungsmetall variiert. Beim Vergleich der 1 und 2 lässt sich dies klar beobachten. Bei niedrigem Ge-Gehalt, wie in 1, findet der Übergang von amorph zu mikrokristallin bei einer Wasserstoffströmung von 75 SCCM statt. Bei einem höheren Ge-Gehalt wie in 2 ist die intrinsische Schicht bei dieser Strömung immer noch amorph. Oft ist es wünschenswert, die Bandlücke einer intrinsischen Schicht durch ihre Dicke hindurch so zu profilieren, dass die elektrischen Eigenschaften des so gebildeten Halbleitergeräts eingestellt werden. In profilierten Lückengeräten variiert das Verhältnis von Silicium zu Germanium in der Legierung in Abhängigkeit von der Schichtdicke. Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, dass mit steigendem Germaniumgehalt der Silicium-Germanium-Legierung die Menge an Wasserstoffverdünnungsmittel, die erforderlich ist, um den Abscheidungsvorgang an der amorphen/mikrokristallinen Grenze zu halten, ebenfalls erhöht werden muss. Diese Wirkung ist der oben besprochenen Wirkung überlagert, wobei die Wasserstoffverdünnung bei steigender Dicke reduziert wird.
  • Um die Wirkung der Wasserstoffverdünnung und der Bandenlückenprofilierung zu veranschaulichen, wurde eine andere Reihe fotovoltaischer Geräte vom P-I-N-Typ hergestellt. Diese Geräte waren denjenigen, die in 1 veranschaulicht sind, ähnlich, indem sie Mittellücken-Silicium-Germanium-Legierungsgeräte umfassten; jedoch wiesen diese Geräte eine profilierte Bandlücke auf, wobei die Bandlücke der intrinsischen Schicht anfänglich in Abhängigkeit von der Dicke, beispielsweise neun Zehnteln der Dicke der Schicht, abnahmen und dann bezüglich der bleibenden Dicke wiederum zunahmen.
  • In der ersten Zelle wurde das Wasserstoffverdünnungsprofil konstant gehalten, das heißt es änderte sich durch Ändern des Verhältnisses von Germanium und Silicium nicht. Die Leerlaufspannung dieser Zelle betrug 0,83 V und ihr Füllfaktor betrug 0,71. Die zweite Zelle wurde hergestellt, wobei das Profil erfindungsgemäß nicht richtig war; das heißt, die Menge an Wasserstoffverdünnungsmittel nahm mit steigendem Germaniumgehalt der Legierung ab. Diese Zelle wies eine Leerlaufspannung von 0,84 V und einen Füllfaktor von 0,69 auf. Eine dritte Zelle wurde durch ein Verfahren hergestellt, wobei die Menge an Wasserstoffverdünnungsmittel in Abhängigkeit vom steigenden Germaniumgehalt erhöht wurde. Dies ist die geeignete erfindungsgemäße Profilierung. Diese Zelle wies eine Leerlaufspannung von 0,845 V und einen Füllfaktor von 0,72 auf. Obiges veranschaulicht, dass das Variieren des Wasserstoffverdünnungsmittels erfindungsgemäß überlegene fotovoltaische Geräte bereitstellt. Die Zelle, in der keine Wasserstoffprofilierung erfolgte, war einer solchen mit geeigneten Profilierung unterlegen, jedoch einer mit ungeeignetem Profil überlegen. Obiges veranschaulicht klar, dass die amorphe/mikrokristalline Grenze und daher die Materialqualität und die Geräteleistung von der Prozessgaszusammensetzung abhängen, was sowohl das Verhältnis der Halbleitervorläufergase, in diesem Falle Silicium und Germanium, als auch das Vorliegen von Verdünnungsgas umfasst.
  • Während Obiges mit Bezug auf Silicium-Germanium-Legierungszellen beschrieben worden ist, trifft die Lehre desselben auf andere Zusammensetzungen von Halbleitermaterial, wie beispielsweise Siliciumlegierungen, Germaniumlegierungen und andere Halbleiter zu. Auch wird es, während Wasserstoff allgemein als Verdünnungsgas besprochen worden ist, einem mit dem verwandten Technik vertrauten Fachmann offensichtlich sein, dass andere Gase, wie Deuterium, inerte Gase und dergleichen, ebenfalls einem ähnlichen Verhältnis entsprechen.
  • Die vorliegende Erfindung erkennt, dass überlegene Halbleiterlegierungen hergestellt werden, wenn die Abscheidungsbedingungen in einem Plasmaabscheidungsvorgang in der Nähe der amorphen/mikrokristallinen Grenze gehalten werden und erkennt des weiteren, dass diese Grenze in Abhängigkeit von der Dicke der sich abscheidenden Halbleiterschicht und in Abhängigkeit von den Änderungen in der Prozessgaszusammensetzung in den Fällen variiert, wo die Zusammensetzung des sich abscheidenden Halbleiters variiert wird. Spezifisch sollte die Menge an Wasserstoff-(oder Deuterium-)-Verdünnungsmittel in Abhängigkeit von der zunehmenden Dicke der Halbleiterschicht reduziert werden, während die Menge an Wasserstoff-(oder Deuterium-)Verdünnungsmittel in Abhängigkeit vom steigenden Germaniumgehalt in einem Germanium-Silicium-Legierungsmaterial erhöht werden sollte.
  • Angesichts des Obigen werden andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung einem mit dem verwandten Technik vertrauten Fachmann offensichtlich sein. Die obige Diskussion und Beschreibung ist für einige spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichend, soll jedoch keine Begrenzung der praktischen Durchführung derselben darstellen. Es sind die folgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente, die den Umfang der Erfindung definieren.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Plasmaabscheidung einer Schicht von Halbleitermaterial des Typs, bei dem ein Prozessgas, das einen Vorläufer des Halbleitermaterials umfasst, mit elektromagnetischer Energie so erregt wird, dass Plasma daraus gebildet wird, welches Plasma eine Schicht des Halbleitermaterials auf einem Substrat abscheidet, wobei das Verfahren durch eine Gruppe von Abscheidungsparametern gekennzeichnet ist umfassend: eine Prozessgaszusammensetzung, Prozessgasdruck, Energiedichte der elektromagnetischen Energie und Substrattemperatur; wobei eine amorphe/mikrokristalline Grenze für die Abscheidungsparameter derart definiert wird, dass ein mikrokristalliner Satz von Werten für die Abscheidungsparameter vorliegt, wobei, wenn das Halbleitermaterial darunter abgeschieden wird, es mikrokristallin ist, und ein amorpher Satz von Werten für die Abscheidungsparameter vorliegt, wobei, wenn das Halbleitermaterial darunter abgeschieden wird, es amorph ist, und wobei die amorphe/mikrokristalline Grenze während der Abscheidung der Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der Dicke derselben variiert; wobei die Verbesserung in Kombination folgendes umfasst: Halten der Abscheidungsparameter bei Werten, die innerhalb des amorphen Satzes liegen, die jedoch in der Nähe der amorphen/kristallinen Grenze liegen, während der gesamten Zeit, während der die Schicht von Halbleitermaterial abgeschieden wird, durch Variieren des Wertes von mindestens einem der Abscheidungsparameter in Abhängigkeit von der Dicke des Halbleitermaterials, das abgeschieden worden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Prozessgas ein Glied umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus: SiH4, Si2H6, GeH4, SiF4 und Kombinationen derselben.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Prozessgas des weiteren ein Glied umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend am Wasserstoff, Deuterium, einem Halogen oder Kombinationen derselben.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Variierens des Werts von mindestens einem der Abscheidungsparameter das Variieren der Zusammensetzungen des Prozessgases umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Variierens der Zusammensetzung des Prozessgases das Variieren der Menge eines Verdünnungsgases in dem Prozessgas umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verdünnungsgas aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Wasserstoff, Deuterium und Kombinationen derselben.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Variierens des Werts von mindestens einem der Abscheidungsparameter das Variieren der Energiedichte der elektromagnetischen Energie umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial Silicium und Germanium darin umfasst, und wobei das Prozessgas eine siliciumhaltige Verbindung, eine germaniumhaltige Verbindung und ein Verdünnungsmittel umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff und Kombinationen derselben, und wobei das Verhältnis der siliciumhaltigen Verbindung zur germaniumhaltigen Verbindung variiert wird, während das Halbleitermaterial so abgeschieden wird, dass das Verhältnis des Siliciums/Germaniums der Schicht von Halbleitermaterial in Abhängigkeit von der Schichtdicke variiert; und wobei der Schritt des Haltens der Abscheidungsparameter bei Werten, die innerhalb des amorphen Satzes liegen, jedoch näher der amorphen/mikrokristallinen Grenze liegen, das Erhöhen der Konzentration des Verdünnungsgases in dem Prozessgas mit steigendem Verhältnis der germaniumhaltigen Verbindung zu der siliciumhaltigen Verbindung darin umfasst.
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