RU2599769C2 - Способ получения фотоактивной многослойной гетероструктуры на основе микрокристаллического кремния - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технологии устройств нано- и микроэлектроники, нанофотоники. Сущность изобретения заключается в получении многослойной фотоактивной гетероструктуры на основе монолитно-стыкованных последовательно осажденных гидрогенизированных слоев микрокристаллического кремния µc-Si:H(i) и двуокиси кремния µc-SiO₂(n), µc-SiO₂(p) плазмохимическим осаждением с горячей нитью при температуре процесса, не превышающей 180°C, на подложки из боросиликатного стекла, на которые методом ВЧ-магнетронного осаждения наносится связующий слой толщиной не более 100 нм из прозрачного проводящего оксида, например ZnO, для улучшения адгезии и уменьшения плотности дефектов в микрокристаллической n-i-p гетероструктуре. Техническим результатом изобретения является выращивание на подложке боросиликатного стекла большой площади тонкопленочной структуры с однородными по толщине и малодефектными слоями гидрогенизированного микрокристаллического кремния и двуокиси кремния n-, i-, р-типа проводимости.

Description

Изобретение относится к технологии устройств нано- и микроэлектроники, нанофотоники. Может быть использовано в солнечной энергетике и при разработке фотодетекторов и устройств типа КНИ (кремний на изоляторе).

Известен способ получения тонкой кристаллической пленки методом лазерной кристаллизации [Н. Kummori "Location control of crystal grains in excimer laser crystallization of silicon thin films" // Applied Physics Letters. Vol.83, (2003), pp.434-436; B. Rezek, C.E. Nebel, M. Stutzmann "Laser beam induced currents in polycrystalline silicon thin films prepared by interference laser crystallization"// Journal of Applied Physics. Vol.91, (2002), pp.4220-4228], который включает в себя нанесение на стеклянную подложку пленки кремния и последующую кристаллизацию пленки при помощи лазерного излучения. Недостатком метода является высокая стоимость технологического процесса, использующего длительные по времени режимы работы интерференционных лазерных систем, а также значительная зависимость однородности пленки от мощности излучения. Полученные поликристаллы имеют случайную форму и границы, которые определяются наличием распределения дефектов в аморфной пленке кремния.

Наиболее близким к изобретению является способ получения тонких пленок кремния с толщинами менее 100 нм на стекле [Патент РФ "Способ изготовления тонких кристаллических пленок кремния для полупроводниковых приборов", патент № RU 2333567 С2, автор(ы): Миловзоров Д.Е.]. Его сущность заключается в способе изготовления тонких кристаллических пленок кремния с толщинами менее 100 нм на стекле для полупроводниковых приборов, включающем очистку в вакууме поверхности слабоионизованной плазмой водорода, вакуумно-плазменное осаждение из газовой фазы кремнийсодержащих газов, формирование тонкой кристаллической пленки на подложку стекла, нанесение тонкопленочных металлических электродов. Недостатком данного метода является высокая температура вакуумного плазменного напыления тонкой кристаллической пленки кремния на металлическую сетку из тугоплавких металлов Мо, W, Та, V и их сплавов, находящуюся при температуре 800°C. Кроме того, требуется дополнительная технологическая операция по нанесению слоя двуокиси церия для формирования полностью кристаллической пленки кремния.

Целью изобретения является получение многослойной фотоактивной гетероструктуры из гидрогенизированных слоев микрокристаллического кремния и двуокиси кремния на подложке стекла с малой концентрацией дефектов и низкой температурой процесса осаждения. Задачей изобретения является разработка способа выращивания слоев микрокристаллического кремния и оксида кремния из смеси газов силана и водорода плазмохимическим осаждением с горячей нитью.

Для выполнения поставленной задачи предлагается способ получения многослойной тонкопленочной фотоактивной гетероструктуры на основе монолитно-стыкованных последовательно осажденных слоев n-, i- и р-типа проводимости гидрогенизированного микрокристаллического кремния плазмохимическим осаждением с горячей нитью на подложки боросиликатного стекла.

Получение фотоактивной гетероструктуры осуществляется по следующему алгоритму. Предварительно подготовленная (химическим травлением) подложка загружается в камеру ростовой установки. Для повышения адгезии полупроводникового материала с подложкой стекла необходимо вырастить связующий слой из прозрачного проводящего оксида (например, ZnO). В качестве мишени для формирования связующего слоя используются кристаллические пластины ZnO. Для создания плазмы используется газ Ar особо чистый. Процесс напыления слоя ZnO осуществляется методом ВЧ-магнетронного напыления с частотой 13.56 МГц. Мощность плазмы 100 Вт. Температура подложки 200°C. Скорость потока аргона 10 см³/мин. Давление в камере после напуска аргона - 10² Па. В указанных условиях скорость осаждения ZnO не превышала 50 нм/мин. Выращивался слой ZnO толщиной не более 100 нм. После чего проводилось формирование n-i-p гетероструктуры на основе микрокристаллического кремния. Особенностью процесса напыления является наличие легированных слоев оксида кремния µc-SiO₂(n) и µc-SiO₂(p). Первым этапом является выращивание µc-SiO₂(n) эмиттера. Для получения легированного слоя µс-SiO₂(n) использовалась газовая смесь: силан (SiH₄) + двуокись углерода (СО₂) + водород (H₂) + фосфин (РН₃). Соотношение скоростей газовых потоков задавалось следующее: SiH₄ - 2 см³/мин, CO₂ - 5 см³/мин, Н₂ - 10 см³/мин, РН₃ - 0,8 см³/мин. Температура подложки 180°C, температура нити накала 1800°C. Давление после закачки газовой смеси 8·10³ Па. В указанных условиях скорость осаждения не превышала 18 нм/мин. Выращивался слой толщиной 15 нм.

Получение микрокристаллического слоя абсорбера µc-Si:H(i) собственного типа проводимости проводилось следующим образом. Реагентами являлись газы силан (SiH₄) и водород (Н₂). В процессе плазменного напыления микрокристаллического кремния температура подложки составляла 180°C, температура нити накала 1800°C. Расход Н₂ в процессе химического осаждения i-слоя составлял 5 см³/мин, SiH₄ - 2 см³/мин. Давление газов в ростовой камере 10¹ Па. Скорость осаждения составляла 60 нм/мин. Наносился слой толщиной 1.8 мкм.

Для получения легированного слоя µc-SiO₂(p) эмиттера использовался газ диборан (В₂Н₆). Соотношение скоростей газовых потоков SiH₄ - 2 см³/мин, CO₂ - 5 см³/мин, Н₂ - 10 см³/мин, В₂Н₆ - 0,6 см³/мин. Температура подложки 180°C, температура нити накала 1800°C. Давление газов в камере 2·10³ Па. Скорость осаждения не превышала 19,2 нм/мин. Толщина слоя 15 нм.

Легирование фосфором и бором проводилось до уровня 10¹⁹ см^-3. После процесса выращивания многослойной гетероструктуры на основе микрокристаллического кремния производилась операция релаксационного отжига в установке быстрых термических процессов. Температура процесса 300°C, время отжига - 1 мин. Толщина гетероструктуры µc-SiO₂(n)/µc-Si:H(i)/µc-SiO₂(p) составляет 1.8 мкм. Общая толщина структуры 3.35 мм.

Техническим результатом изобретения является выращивание на стеклянной подложке большой площади тонкопленочной многослойной фотоактивной гетероструктуры µc-SiO₂(n)/µc-Si:H(i)/µc-SiO₂(p) с однородными по толщине и малодефектными слоями гидрогенизированного микрокристаллического кремния.

Claims (1)

1. Способ получения многослойной фотоактивной гетероструктуры на основе монолитно-стыкованных последовательно осажденных слоев µс-SiO₂(n), µc-Si:H(i), µc-SiO₂(p) плазмохимическим осаждением с горячей нитью при давлении в ростовой камере не более 8·10³ Па, температуре процесса, не превышающей 180°С, на специально подготовленные подложки из боросиликатного стекла, на которые предварительно методом ВЧ-магнетронного осаждения наносится связующий слой из прозрачного проводящего оксида толщиной не более 100 нм для улучшения адгезии и уменьшения плотности дефектов в микрокристаллической n-i-p гетероструктуре.