DE3300400C2 - - Google Patents

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Toshiyuki Yokohama Kanagawa Jp Komatsu
Yutaka Tokio/Tokyo Jp Hirai
Yoshiyuki Yokosuka Kanagawa Jp Osada
Satoshi Omata
Takashi Tokio/Tokyo Jp Nakagiri
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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das mit einem durch Laminieren einer dünnen Schicht gebildeten Übergang versehen ist, und insbesondere ein Halbleiterbauelement mit einem elektrischen Übergang, dessen Hauptteil aus einer aus einem polykristallinen Siliciumdünnfilm bestehenden Halbleiterschicht mit guten Funktionskennwerten, einer hohen Zuverlässigkeit und einer hohen Stabilität gebildet ist.
Es ist bekannt, daß für die Herstellung des Abtastschaltungsteils einer Bildleseeinrichtung für die Verwendung bei der Bildablesung, beispielsweise eines eindimensionalen, in einer kontinuierlichen Länge hergestellten Fotodetektors oder eines zweidimensionalen Fotodetektors mit einer vergrößerten Fläche, oder für die Herstellung der Treiberschaltung einer Bildanzeige- bzw. Sichtanzeigeeinrichtung, bei der ein Flüssigkristall (LC), ein Elektrochromiematerial (EC) oder ein Elektrolumineszenzmaterial (EL) verwendet wird, oder für die Herstellung eines Lichtempfangselementteils des Fotodetektors und einer Schalt-Schaltung für die Bildanzeigeeinrichtung als am Aufbau beteiligtes Material ein auf einem bestimmten Träger gebildeter Siliciumdünnfilm, dessen Größe der vergrößerten Fläche solcher Bildanzeigeteile entspricht, eingesetzt wird.
Aus der DE-OS 27 11 365 ist eine Halbleiteranordnung für Solarzellen bekannt, die eine erste amorphe Siliciumdünnfilmschicht mit einer bestimmten geringen Oberflächenrauhigkeit und eine zweite amorphe Siliciumdünnfilmschicht, sowie eine zur Bildung eines Schottky-Übergangs befähigten Metallschicht (beispielsweise aus Platin) aufweist, die unter Bildung eines elektrischen Übergangs mit der ersten amorphen Siliciumdünnfilmschicht laminiert ist.
Es ist jedoch erwünscht, daß ein solcher Siliciumdünnfilm eher polykristallin als amorph ist, damit eine große Bildleseeinrichtung oder Sichtanzeigeeinrichtung erhalten werden kann, die mit höherer Geschwindigkeit arbeitet und eine höhere Leistungsfähigkeit hat. Eine der Gründe dafür besteht darin, daß der durch ein übliches Entladungs-Zersetzungsverfahren erhaltene, amorphe Siliciumdünnfilm eine effektive Ladungsträgerbeweglichkeit (µ eff) von höchstens 0,1 cm²/(Vs) hat, während µ eff eines Siliciumdünnfilms, beispielsweise eines Feldeffekttransistors, der als Grundmaterial für die Bildung eines Lichtempfangsteils und eines Abtastschaltungsteils einer solchen mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden und eine hohe Leistungsfähigkeit habenden Leseeinrichtung oder für die Bildung des Schaltteils und des Treiberschaltungsteils einer Bildanzeigeeinrichtung dient, groß sein sollte. Außerdem nimmt der Senkenstrom (Drainstrom) ab und ändert sich die Schwellenspannung des Transistors, wenn an die Steuerelektrode (Gate) eine Gleichspannung angelegt wird, und solche Änderungen im Verlauf der Zeit sind beträchtlich, und die Stabilität ist schlecht.
Im Gegensatz dazu hat ein polykristalliner Siliciumdünnfilm eine viel größere effektive Ladungsträgerbeweglichkeit µ eff als ein amorpher Siliciumdünnfilm, was aus den tatsächlich gemessenen Werten hervorgeht.
Aus der DE-OS 29 51 915 ist ein Halbleiterelement bekannt, das eine polykristalline Siliciumdünnfilmschicht und eine zur Bildung eines Schottky-Übergangs befähigte Metallschicht sowie eine Oxidschicht aufweist, die zur Bildung eines elektrischen Übergangs mit der polykristallinen Siliciumdünnfilmschicht laminiert ist.
In der Theorie ist es sehr wahrscheinlich, daß ein polykristalliner Siliciumdünnfilm mit einem Wert der Beweglichkeit µ eff, der im Vergleich mit dem gegenwärtig erhaltenen Wert weiter erhöht ist, hergestellt werden kann.
Die Bauelemente oder Einrichtungen, die gegenwärtig nach verschiedenen Verfahren unter Anwendung von polykristallinen Siliciumdünnfilmen als Grundmaterial hergestellt werden, zeigen jedoch nicht in ausreichendem Maße die erwünschten Eigenschaften und die erwünschte Zuverlässigkeit.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement des Übergangstyps mit großer Fläche, hohem Wirkungsgrad, hoher Zuverlässigkeit und Stabilität zur Verfügung zu stellen, das einen durch Laminieren dünner Schichten gebildeten Übergang aufweist, der unter Verwendung einer auf einem Träger gebildeten Halbleiterschicht hergestellt worden ist, die aus einem polykristallinen Siliciumdünnfilm besteht.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das in Patentanspruch 1 gekennzeichnete Halbleiterbauelement gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Halbleiterbauelementes gemäß dem Patentanspruch 1 sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.
Das Halbleiterelement gemäß der Erfindung weist eine langzeitige Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität auf.
Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß der Gehalt der Wasserstoffatome (H) in dem Siliciumdünnfilm und die Rauhigkeit der Oberfläche des Siliciumdünnfilms die Funktion, Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Bauelementes bei einem Halbleiterbauelement mit einem polykristallinen Silicumdünnfilm, das einen elektrischen Übergang aufweist, festlegen.
Es wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente eine verbesserte Ladungsträgerbeweglichkeit bei längerer Lebensdauer der Ladungsträger aufweisen und dadurch der Schwankungsbereich der Bauelemente verringert ist, was zu einer Verbesserung der praktischen Anwendbarkeit der Bauelemente führt, wenn der polykristalline Siliciumdünnfilm Wasserstoff in der angegebenen Menge enthält.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Die Fig. 1 und 6 zeigen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die V-J-Kennlinie des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Fig. 3, 4 und 5 zeigen schematische Darstellungen von Vorrichtungen für die Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Die Erfindung wird zuerst unter Bezugnahme auf ein Bauelement mit einem pn-Übergang als Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Mit einer auf einem in Fig. 1 gezeigten Träger 101 gebildeten Elektrode 102 ist beispielsweise eine polykristalline Siliciumschicht 103 vom n-Typ und dann eine polykristalline Siliciumschicht 104 vom p-Typ laminiert. Außerdem ist zur Herstellung eines Elements mit pn-Übergangs-Eigenschaften auf der polykristallinen Siliciumschicht 104 eine Elektrode 105 ausgebildet.
In diesem Fall sind der Kontakt zwischen der Elektrode 102 und der polykristallinen Siliciumschicht 103 und der Kontakt zwischen der Elektrode 105 und der polykristallinen Siliciumschicht 104 im wesentlichen ohmsche Kontakte, und in die Grenzfläche kann, falls erwünscht, eine n⁺-Schicht oder eine p⁺-Schicht eingeführt werden.
Wenn an den pn-Übergang des erhaltenen pn-Übergangs-Bauelements eine Sperrvorspannung angelegt wird, fließt ein begrenzter Strom. Wenn an den pn-Übergang eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, fließt in der Durchlaßrichtung ein großer Strom (siehe Fig. 2).
Zwischen der Stromdichte J und der angelegten Spannung V gilt die folgende Beziehung:
Jo ist eine Sättigungsstromdichte beim Anlegen einer Sperrvorspannung, und n ist eine Konstante, die sich auf einen Strom bezieht, der durch den Einfluß von Defekten bzw. Löchern in der am pn-Übergang gebildeten Verarmungsschicht erzeugt wird, wobei n einen Wert zwischen 1 und 2 hat. n = 2 bedeutet, daß der auf Defekten bzw. Löchern in der Verarmungsschicht beruhende Rekombinationsstrom überwiegt, was keine bevorzugte pn-Übergangs-Eigenschaft ist.
Der Wert von n ist der Kehrwert der Gradienten der durch Auftragen von log (J/Jo) und (eV/kT) erzeugten Linie.
Es wird bevorzugt, daß eine Spannung V BR, bei der beim Anlegen einer Sperrvorspannung kein Sättigungsstrom aufrechterhalten werden kann und im Übergangsbereich ein Durchbruch eintritt, ausreichend hoch ist. Der Wert von V BR ist ein Standard für die Bewertung des Übergangs. Außerdem ist Jo auch ein wichtiger Wert für die Bewertung der am Übergangsbereich gebildeten Verarmungsschicht.
Im Rahmen der Erfindung kann das Bauelement mit pn-Übergang außerdem durch die bei der Bestrahlung der Oberfläche des pn-Übergangs mit einem zur Lichterregung dienenden Licht gemessenen Leucht- bzw. Lichtdiodeneigenschaften V OC und J SC (siehe gestrichelte Linie in Fig. 2), durch einen Füllfaktor (FF), dessen Anwendung bei üblichen Sperrschichtfotozellen bzw. fotovoltaischen Zellen zur Bewertung dient, durch den Wirkungsgrad ( η ), durch die Änderung im Verlauf der Zeit usw. bewertet werden.
Es ist festgestellt worden, daß die Erfindung bei allen Bewertungsverfahren zu hervorragenden Ergebnissen führt, wenn im Rahmen der Erfindung Bauelemente mit Schottky-Barrieren-Übergang, Feldeffekttransistorelemente mit pn-Übergang, bipolare Transistorelemente von pnp- oder npn-Typ als Grundgefüge sowie die vorstehend erwähnten Bauelemente mit pn-Übergang hinsichtlich Eigenschaften wie der Funktionskennwerte, der Stabilität und der Ausbeute bewertet werden.
Im Rahmen der Erfindung können verschiedene Eigenschaften der Bauelemente dadurch verbessert werden, daß in einen polykristallinen Siliciumdünnfilm, der eine den Hauptteil des Halbleiterbauelements darstellende Halbleiterschicht bildet, Wasserstoffatome in einer Menge von 0,01 Atom-% oder mehr, auf den polykristallinen Siliciumdünnfilm bezogen, eingebaut werden.
Die in dem polykristallinen Siliciumdünnfilm enthaltenen Wasserstoffatome (H) liegen hauptsächlich an der Korngrenze vor und sind in Form von Si-H an Si-Atome gebunden, es kann jedoch angenommen werden, daß Bindungsformen wie Si=H₂ und Si≡H₃ und außerdem freie Wasserstoffatome vorhanden sind. Die im Verlauf der Zeit insbesondere bei kontinuierlichem Betrieb auftretenden Änderungen der Eigenschaften werden anscheinend durch solche in instabilen Formen enthaltende Wasserstoffatome verursacht. Die Erfinder haben festgestellt, daß die Eigenschaften des Bauelements kaum verschlechtert werden und sich insbesondere kaum im Verlauf der Zeit ändern und in stabiler Weise aufrechterhalten werden können, wenn der Wasserstoffgehalt in der polykristallinen Siliciumdünnfilmschicht 3 Atom-% oder weniger beträgt. Im Fall eines pn-Übergangs, der aus laminierten, polykristallinen Silicumschichten, die 3 Atom-% oder mehr Wasserstoff enthalten, gebildet ist, werden beispielsweise eine Erhöhung des n-Wertes, wenn eine Vorspannung in Durchlaßrichtung und eine Sperrvorspannung abwechselnd kontinuierlich angelegt werden, eine Verminderung des Wirkungsgrades der fotoelektrischen Wandlung bei der kontinuierlichen, fotovoltaischen Wirkung durch Lichterregung, eine Verminderung der Ansprechgeschwindigkeit bei der fotoelektrischen Wandlung und ähnliche Änderungen im Verlauf der Zeit beobachtet.
Der Wasserstoffgehalt in der polykristallinen Siliciumdünnfilmschicht beträgt erfindungsgemäß 0,01 bis 3 Atom-%, vorzugsweise 0,05 bis 2 Atom-% und insbesondere 0,1 bis 1 Atom-%.
Die Messung des Wasserstoffgehalts in dem polykristallinen Siliciumfilm, der erfindungsgemäß definiert ist, wurde mittels eines üblicherweise bei der chemischen Analyse eingesetzten Wasserstoff-Analysiergeräts durchgeführt, wenn der Gehalt 0,1 Atom-% oder mehr betrug. In jedem Fall wurden 5 mg einer Probe in die Haltevorrichtung des Analysiergeräts eingefüllt, worauf das Wasserstoffgewicht gemessen und der Wasserstoffgehalt in dem Film in Form von Atom-% berechnet wurde.
Die Analyse einer Spurenmenge von weniger als 0,1 Atom-% wurde mittels eines Sekundärionen-Massenspektrometers (SIMS) durchgeführt. Bei dieser Analysenmethode wurde eine übliche Verfahrensweise befolgt, d. h. daß auf eine Probe des Dünnfilms zur Verhinderung einer Aufladung Gold in einer Dicke von 20,0 nm aufgedampft wurde und daß die Messung unter den Bedingungen einer Ionenenergie des Primärionenstrahls von 8 keV und eines Probenstroms von 5×10-10 A mit einem Punktdurchmesser von 50 µm und einer Ätzfläche von 250 µm×250 µm durchgeführt wurde, um das gewünschte Intensitätsverhältnis der H⁺-Ionen relativ zu den Si⁺-Ionen zu bestimmen, woraus der Wasserstoffgehalt in Form von Atom-% berechnet wurde.
Im Rahmen der Erfindung wird der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit des polykristallinen Siliciumdünnfilms, der den Hauptteil des Halbleiterbauelements bildet, auf im wesentlichen 80,0 nm oder weniger gebracht, wodurch die Eigenschaften des pn-Übergangs in stabiler Weise erhalten werden können und außerdem die Eigenschaften, die Ausbeute und die Zuverlässigkeit in hohem Maße verbessert werden können.
Ein pn-Übergang eines polykristallinen Silicumdünnfilms, bei dem die Rauhigkeit der Filmoberfläche 80,0 nm überschreitet, führt zu einem großen n-Wert und einem großen Wert von Jo und zu einer kleinen Durchbruchspannung V BR bei einer Sperrvorspannung. Diese Tatsache zeigt, daß die Rauhigkeit der Oberfläche der zwei laminierten, eine Grenzfläche bildenden Schichten in einer durch den Übergang gebildeten Verarmungsschicht oder in ihrer Nähe viele Defekte bzw. Löcher erzeugt. Außerdem führt die Rauhigkeit zu Bereichen, in denen ein elektrisches Feld konzentriert ist, wodurch dort ein Leckstrom fließt. Dies kann daraus gefolgert werden, daß die Änderung im Verlauf der Zeit bei wiederholter Messung von V-J und bei der Messung der fotovoltaischen Leistung dem Ausmaß der Rauhigkeit entspricht. Es ist auch festgestellt worden, daß die auf der Rauhigkeit der Grenzfläche beruhenden Defekte bzw. Löcher die Lebensdauer der Ladungsträger vermindern, so daß der Wirkungsgrad ( η ) des fotovoltaischen Elements bzw. der Sperrschichtfotozelle in bedeutendem Maße vermindert wird.
Es ist nun festgestellt worden, daß in einem polykristallinen Siliciumdünnfilm mit einer einen Höchstwert von 80,0 nm überschreitenden Oberflächenrauhigkeit in der Nähe der Trägeroberfläche amorphes Silicium mit einer ungenügenden kristallinen Orientierung oder eine Schicht aus sehr kleinen Kristallen gezüchtet wird und daß im Verlauf einer solchen Züchtung eine Züchtung von Kristallkörnern eintritt, die sich fächerförmig in der Richtung des Filmwachstums ausbreiten, wodurch die Rauhigkeit vergrößert wird, was durch Fotografien von Filmquerschnitten gezeigt wird.
Die Übergangs-Eigenschaften von Halbleiterbauelementen, die einen polykristallinen Siliciumdünnfilm mit einer einen Höchstwert von 80,0 nm überschreitenden Oberflächenrauhigkeit enthalten, sind infolgedessen sehr schlecht als pn-Übergangs-Eigenschaften, weil die Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche, mit der laminiert wird, selbst schlecht ist und weil die anfänglich auf der Oberfläche, mit der laminiert wird, wachsende Schicht schlechtere Eigenschaften als polykristalline Siliciumschicht hat.
Der polykristalline Siliciumdünnfilm, der erfindungsgemäß mit einem Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit von nicht mehr als 80,0 nm gebildet wird, zeigt als Ergebnis eines von der Trägergrenzfläche ausgehenden, dichten Kristallwachstums keine ausgeprägten Unterschiede in der Kristallinität und den Orientierungseigenschaften in der Richtung der Filmdicke und kann auch zu guten Übergangs-Eigenschaften führen.
Bei Bauelementen mit verschiedenen Übergängen wird es bevorzugt, daß der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit des polykristallinen Siliciumdünnfilms nicht mehr als 80,0 nm beträgt. Der Höchstwert der Rauhigkeit beträgt vorzugsweise nicht mehr als 50,0 nm.
Die Messung der Oberflächenrauhigkeit wurde erfindungsgemäß mittels eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops durchgeführt, wobei die Oberflächenrauhigkeit aus einem Bild (100 000fache Vergrößerung) des Oberflächenquerschnitts eines polykristallinen Siliciumdünnfilms, das mit Elektronen erhalten wurde, die mit 25 kV beschleunigt wurden und schräg auf die Oberfläche auftraten, bestimmt wurde.
Erfindungsgemäß wird die Oberflächenrauhigkeit eines polykristallinen Siliciumdünnfilms, der eine den Hauptteil eines Halbleiterbauelements bildende Halbleiterschicht darstellt, über den gesamten Oberflächenbereich der Halbleiterschicht, der tatsächlich das Bauelement bildet, auf einen Wert von 80,0 nm oder weniger gebracht.
Als ein wichtiger Faktor für die Lösung der Aufgabe der Erfindung wurden polykristalline Siliciumdünnfilme, die unter verschiedenen Bedingungen hergestellt worden waren, zur Herstellung eines Bauelements mit pn-Übergang, das beispielsweise den in Fig. 1 erläuterten Aufbau hatte, eingesetzt, um die Diodeneigenschaften und die fotovoltaischen Eigenschaften zu messen.
Im Fall von Bauelementen mit pn-Übergang beträgt der n-Wert beispielsweise 1,1 oder weniger, und es wird kaum eine Änderung im Verlauf der Zeit beobachtet. Was die fotovoltaischen Eigenschaften anbetrifft, so beträgt der Wirkungsgrad η 5% oder mehr (AM1-Licht), und bezüglich des Wirkungsgrades η und der Geschwindigkeit des Ansprechens auf Licht wird keine Änderung im Verlauf der Zeit beobachtet.
Wenn die Messung von V-J im Dunklen wiederholt wird, nimmt wenn die Belichtungszeit verlängert wird.
Die Erfinder haben außerdem festgestellt, daß die Eigenschaften des Bauelements, insbesondere die Ladungsträgerbeweglichkeit und die Lebensdauer der Ladungsträger, bei einer Verstärkung der Orientierung in der (220)-Ebene verbessert werden, wenn die vorstehend erwähnten Bedingungen bezüglich des Wasserstoffgehalts in dem polykristallinen Siliciumdünnfilm und dessen Oberflächenrauhigkeit erfüllt werden.
Die Kristallinität und die Orientierungseigenschaften polykristalliner Siliciumdünnfilme hängen von dem Filmherstellungsverfahren und den Filmherstellungsbedingungen ab. Erfindungsgemäß werden als Verfahren zur Prüfung der Orientierungseigenschaften die Röntgenbeugung und die Elektronenstrahlbeugung in Kombination durchgeführt.
Die Röntgenbeugungsintensität eines hergestellten, polykristallinen Siliciumfilms wurde mit einem Röntgendiffraktometer (Röntgenröhre mit Kupferanode; 35 kV; 10 mA) gemessen, und ein Vergleich wurde durchgeführt. Der Beugungswinkel 2 R wurde von 20° bis 65° variiert, und die den Ebenenindizes der (111)-Ebene, der (220)-Ebene und der (311)-Ebene entsprechenden Beugungsmaxima wurden zur Bestimmung ihrer Beugungsintensitäten registriert.
Die Elektronenstrahlbeugungsintensitäten wurden mit einem Gerät (JEM-100 V) gemessen, und die jeweiligen Beugungsintensitäten wurden in ähnlicher Weise bestimmt.
Nach der ASTM-Karte (Nr. 27-1977) beträgt im Fall eines polykristallinen Siliciums ohne jede Orientierung, wenn von den durch (h, k, l) dargestellten Ebenen mit großen Beugungsintensitäten, deren Beugungsintensitäten im folgenden Verhältnis stehen: (111) : (220) : (311) = 100 : 55 : 30, nur die (220)-Ebene betrachtet wird, das Verhältnis der Beugungsintensität in der (220)-Ebene zu der gesamten Beugungsintensität etwa (55/241)×100 = 22,8 (%).
Unter Anwendung dieses Wertes als Standard kann eine Orientierungseigenschaft bezüglich der (220)-Ebene, bei der das Verhältnis der Beugungsintensität in der (220)-Ebene zu der gesamten Beugungsintensität den vorstehend erwähnten Prozentsatz überschreitet und insbesondere 30% oder mehr beträgt, weiter verbesserte Übergangs-Eigenschaften ergeben. Bei einem Wert von weniger als 30% wird die Änderung im Verlauf der Zeit in unerwünschter Weise größer. Dieses Verhältnis wird nachstehend auch als "Orientierungsstärke" bezeichnet.
Weiterhin ist auch festgestellt worden, daß die Übergangs-Eigenschaften, insbesondere die Ladungsträgerbeweglichkeit und die Lebensdauer der Minoritäts-Ladungsträger, verbessert werden können, indem man die mittlere Korngröße erhöht und die vorstehend angegebenen Bedingungen hinsichtlich des Gehalts an Wasserstoff (H) in dem polykristallinen Siliciumdünnfilm und der Oberflächenrauhigkeitseigenschaften des Dünnfilms erfüllt. Der Wert der mittleren Korngröße wurde nach dem üblicherweise angewandten Scherrer-Verfahren aus der Halbwertsbreite des (220)-Spitzenwertes in dem vorstehend beschriebenen Röntgenbeugungsbild bestimmt.
Die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit kann insbesondere bei einer mittleren Korngröße von 20,0 nm oder mehr erhöht werden. Die mittlere Korngröße beträgt vorzugsweise 30,0 nm oder mehr.
Erfindungsgemäß können die Eigenschaften des polykristallinen Siliciumdünnfilms, der den Hauptteil des Halbleiterbauelements bildet, nach verschiedenen Filmherstellungsverfahren in der vorstehend beschriebenen Weise eingegrenzt werden.
Die Eingrenzung dieser Eigenschaften kann beispielsweise unter den besonderen Bedingungen des Verfahrens, bei dem ein Siliciumhydrid wie SiH₄ oder Si₂H₆ durch Glimmentladungs-Zersetzung abgeschieden wird (GD-Verfahren), des Verfahrens, bei dem in einem H₂ enthaltenden Gas eine Zerstäubung unter Anwendung eines Si-Targets bewirkt wird (SP-Verfahren), des Verfahrens, bei dem mit Si in einer H₂-Plasmaatmosphäre eine Elektronenstrahl-Aufdampfung durchgeführt wird (IP-Verfahren), des Verfahrens, bei dem in einer H₂-Atmosphäre unter Ultrahochvakuum eine Aufdampfung durchgeführt wird (HVD-Verfahren), sowie des Verfahrens, bei dem ein durch das chemische Aufdampfverfahren (CVD-Verfahren) oder das chemische Aufdampfverfahren unter niedrigem Druck (LPCVD-Verfahren) gebildeter, polykristalliner Siliciumfilm einer H₂-Plasmabehandlung unterzogen wird, erzielt werden.
Es wird bevorzugt, daß die Schichten der verschiedenen Bauelemente, beispielsweise pn-, pin-, pnp- oder npn-Schichten, Mehrschichtstrukturen wie ein Thyristor oder die n⁺-Schicht und die p⁺-Schicht, die zur Bildung ohmscher Kontakte zwischen der Laminatstruktur und den Elektroden dienen, das Merkmal bzw. die Merkmale der Erfindung aufweisen.
Die Einregulierung des p-, i-, n-, n⁺- und p⁺-Typs des polykristallinen Siliciumdünnfilms kann durch verschiedene bekannte Verfahren für die Dotierung mit Fremdstoffen durchgeführt werden. Der n-Typ wird beispielsweise hergestellt, indem man in die Si-Matrix Atome eines Elements der Gruppe V des Periodensystems wie P oder As in einem aktivierten (fünfwertigen) Zustand einführt. Der p-Typ wird durch Einführung von Atomen eines Elements der Gruppe III wie B hergestellt. Die Menge des eingeführten Fremdstoffs kann durch Regulierung der Filmbildungsbedingungen genau eingestellt werden.
Der Wert der Leitfähigkeit des n-Typs oder des p-Typs kann innerhalb eines Bereichs reguliert werden, der sich von dem Wert der Leitfähigkeit des i-Typs bis zu einem Wert erstreckt, der mehrere Größenordnungen größer als der Wert des i-Typs ist.
Wie in den folgenden Beispielen gezeigt wird, kann ein polykristalliner Siliciumdünnfilm mit einer gewünschten elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Durch Laminieren der Schichten dieser Leitfähigkeitstypen oder von Schichten, die mit verschiedenen Mengen dotiert worden sind, kann ein Übergang, beispielsweise ein Kontakt mit einer Metallschicht, gebildet werden.
Im Rahmen der Erfindung werden verschiedene Kontakte wie z. B. pn-, pi-, ni-, n⁺n- und p⁺p-Kontakte als "Übergänge" bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung ist besonders zu bemerken, daß die durch das GD-Verfahren, das SP-Verfahren, das IP-Verfahren oder das HVD-Verfahren gebildete, aus einem polykristallinen Dünnfilm bestehende Halbleiterschicht in dem Fall, daß sie bei einer niedrigen Temperatur von 350°C bis 450°C unter Erfüllung der Bedingungen hinsichtlich des Wasserstoffgehalts und der Oberflächenrauhigkeitseigenschaften gebildet worden ist, Bauelementeigenschaften ergeben kann, die den Eigenschaften eines bekannten, polykristallinen Siliciumfilms, der beispielsweise durch das CVD- oder das LPCVD-Verfahren (bei 600°C oder einer höheren Temperatur) und anschließende Glühbehandlung in einem H₂-Plasma hergestellt wurde, vergleichbar sind, und auch zu Stabilität und Zuverlässigkeit führen kann, wodurch die Brauchbarkeit der Erfindung direkt gezeigt wird.
Im Rahmen der Erfindung wird die Bildung eines polykristallinen Siliciumdünnfilms, der zur Lösung der Aufgabe der Erfindung geeignet ist, insbesondere dadurch ermöglicht, daß eine Glimmentladung einer gasförmigen Siliciumhydridverbindung (GD-Verfahren), eine Zerstäubung von Silicium in einer H₂-Atmosphäre (SP-Verfahren), eine Ionenplattierung (IP-Verfahren), oder eine Aufdampfung unter Ultrahochvakuum (HVD-Verfahren) bei einer Träger-Oberflächentemperatur von 500°C oder weniger (in dem Bereich von etwa 350°C bis 500°C) durchgeführt wird. Diese Tatsache hat nicht nur den Vorteil, daß der Träger gleichmäßig erhitzt wird oder daß für die Herstellung einer Treiberschaltung oder einer Abtastschaltung, die für die Herstellung einer großflächigen Einrichtung eine große Fläche bedeckt, und für die Herstellung eines Lichtempfangselements und eines Schaltelements ein billiges Trägermaterial mit einer großen Fläche zur Verfügung gestellt wird, sondern ist auch in der Hinsicht wichtig, daß auf diese Weise die Bedingung des Einsatzes einer lichtdurchlässigen Glasplatte als Träger für eine lichtdurchlässige Anzeigeeinrichtung oder bei der Anwendung einer Bildleseeinrichtung, beispielsweise im Fall eines Lichtempfangselements mit fotoelektrischer Wandlung, bei dem von der Trägerseite her Licht eintritt, erfüllt werden kann.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente kann infolgedessen in niedrigeren Temperaturbereichen als bei bekannten Verfahren durchgeführt werden, weshalb zusätzlich zu hitzebeständigen Gläsern wie hochschmelzenden Gläsern und Hartglas, hitzebeständigen, keramischen Werkstoffen, Saphir, Spinell, Siliciumscheiben und anderen Materialien, die üblicherweise bei den bekannten Verfahren eingesetzt werden, im allgemeinen auch Materialien wie niedrigschmelzende Gläser und hitzebeständige Kunststoffe als Träger eingesetzt werden können.
Als Glasträger können beispielsweise ein normales Glas mit einer Erweichungstemperatur von 630°C, ein gewöhnliches Hartglas mit einer Erweichungstemperatur von 780°C und ein ultrahartes Glas mit einer Erweichungstemperatur von 820°C (JIS First grade ultra-hard glass) eingesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann die Trägertemperatur niedriger sein als die Erweichungstemperatur des einzusetzenden Trägers, weshalb der Film ohne Verschlechterung oder Beeinträchtigung des Trägers auf dem Träger gebildet werden kann.
In den Beispielen der Erfindung wurde als Trägerglas hauptsächlich "Corning # 7059 glass" als ein Beispiel der normalen Gläser (Natrongläser) mit relativ niedrigen Erweichungstemperaturen eingesetzt, jedoch kann natürlich als Träger ein Quarzglas mit einer Erweichungstemperatur von 1500°C eingesetzt werden. Vom praktischen Gesichtspunkt aus ist jedoch der Einsatz normaler Gläser vorteilhaft, wenn mit niedrigen Kosten und über eine große Fläche Dünnfilm-Bauelemente hergestellt werden sollen.
Unter Verwendung des polykristallinen Siliciumdünnfilms mit den vorstehend erwähnten Eigenschaften als Grundmaterial können mit einem guten Ergebnis verschiedene Halbleiterbauelemente, beispielsweise Dioden oder Bipolartransistoren mit verschiedenen Übergängen, die durch Laminieren von polykristallinen Siliciumdünnfilmen mit voneinander verschiedenen Typen der elektrischen Leitfähigkeit, z. B. von pn-, pin-, pnp-, npn-Übergängen usw., gebildet werden, und außerdem Feldeffekt-Dünnfilmtransistoren, die einen Übergang aufweisen, hergestellt werden.
Weiterhin können gute Halbleiterbauelemente mit einem durch Laminieren eines Metalls wie Pt oder Au hergestellten Schottky-Barrieren-Übergang erhalten werden.
Des weiteren können gute Halbleiterbauelemente mit einer für einen Heteroübergang geeigneten Oxidschicht wie ITO oder SnO₂, die mit dem polykristallinen Siliciumdünnfilm laminiert ist, erhalten werden.
Außerdem werden gute Eigenschaften erhalten, wenn polykristalline Siliciumschichten mit dem gleichen Typ der elektrischen Leitfähigkeit für die Herstellung eines Kontaktes mit der Elektrode eines Halbleiterbauelements unter Bildung eines ohmschen Kontaktes verbunden werden.
In den folgenden Beispielen werden zur näheren Erläuterung der Erfindung die Bildung von polykristallinen Siliciumdünnfilmen, Verfahren zur Herstellung verschiedener Bauelemente und die Leistungsfähigkeit der Bauelemente beschrieben.
Beispiel 1
Durch das nachstehend gezeigte Verfahren wurde auf einem Mo-Film, der auf einem Corning glass (# 7059) abgeschieden worden war, ein polykristalliner Siliciumdünnfilm gebildet, und unter Verwendung dieses Dünnfilms wurde ein Bauelement mit pn-Übergang hergestellt.
Ein Corning glass # 7059 (120 mm×120 mm, Dicke: 0,7 mm) wurde mit einer Mischung aus HF/HNO₃/CH₃COOH schwach geätzt, mit fließendem Wasser gewaschen und getrocknet, worauf durch ein Elektronenstrahl-Abscheidungsverfahren ein 150,0 nm dicker Mo-Film gebildet wurde. Der auf diese Weise hergestellte Träger 300 wurde in der in Fig. 3 gezeigten Weise in einem als Abscheidungskammer dienenden Rezipienten 301 an der oberen Anodenseite in enger Berührung mit einer Einrichtung 302 zum Halten und Heizen des Trägers bzw. Substrats befestigt. Der Rezipient 301 wurde mittels einer Diffusionspumpe 309 bis zur Erzielung eines Hintergrundvakuums von 0,27 mPa evakuiert, worauf die Einrichtung 302 zum Halten und Heizen des Trägers geheizt wurde, um die Oberflächentemperatur des Trägers 300 bei 350°C zu halten. Anschließend wurden SiH₄-Gas, das mit H₂-Gas auf 10 Vol.-% verdünnt worden war, [kurz als "SiH₄(10)/H₂" bezeichnet] unter Anwendung einer Durchflußreguliervorrichtung 304 mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 5 Norm-cm³/min und PH₃-Gas, das mit H₂-Gas auf 100 Vol.-ppm verdünnt worden war [kurz mit "PH₃(100)/H₂" bezeichnet] unter Anwendung einer Durchflußreguliervorrichtung 306 mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 25 Norm-cm³/min durch eine ringförmige Gaseinblaseeinrichtung 315 hindurch in den Rezipienten 301 eingeleitet, und der Innendruck in dem Rezipienten wurde mittels eines Absolutdruckmanometers 312 durch Schließen eines Hauptventils 310 auf 4,0 Pa einreguliert. Nachdem sich der Innendruck in dem Rezipienten 301 stabilisiert hatte, wurde an die Kathodenelektrode 313 durch eine Stromquelle 314 ein Hochfrequenzfeld von 13,56 MHz angelegt, um eine Glimmentladung anzuregen. Zu dieser Zeit betrug die Spannung 0,7 kV, die Stromstärke 60 mA und die Radiofrequenz-Entladungsleistung 20 W. Die Dicke des erhaltenen Films betrug 80,0 nm, und als die ringförmige Gaseinblaseeinrichtung verwendet wurde, lag die Schwankung der Dicke im Fall des Trägers mit den Abmessungen 120 mm×120 mm innerhalb von ± 10%.
Der Wasserstoffgehalt in dem auf diese Weise hergestellten Film betrug 2,0 Atom-%. Der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit betrug 25,0 nm. Auf dem erhaltenen, polykristallinen Siliciumdünnfilm vom n⁺-Typ wurde in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend beschrieben, wobei jedoch PH₃(100)/H₂ mit 2,5 Norm-cm³/min und SiH₄(10)/H₂ mit 5 Norm-cm³/min eingeleitet wurden, ein 500,0 nm dicker, polykristalliner Siliciumdünnfilm vom n-Typ gebildet. Außerdem wurde anstelle des PH₃(100)/H₂-Gases B₂H₆-Gas, das mit Wasserstoff auf 100 Vol.-ppm verdünnt worden war, [kurz als "B₂H₆(100)/H₂" bezeichnet] mit 5 Norm-cm³/min eingeleitet, und das gleiche Verfahren wurde wiederholt, wobei ein 80,0 nm dicker, polykristalliner Siliciumdünnfilm vom p-Typ gebildet wurde. Der Wasserstoffgehalt in den auf diese Weise laminierten, polykristallinen Siliciumdünnfilmen vom n-Typ und p-Typ betrug 2,1 bzw. 2,2 Atom-%.
Der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit der Filme vom n-Typ und vom p-Typ betrug jeweils 30,0 nm. Auf dem polykristallinen Siliciumdünnfilm vom p-Typ wurde zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit pn-Übergang eine Al-Punktelektrode gebildet (Abscheidung unter Erhitzen im Vakuum; Durchmesser: 1 mm; Dicke: 150,0 nm). Aus der V-J-Kennlinie zwischen der Al-Elektrode und der Mo-Elektrode ergaben sich die Werte n = 1,07 und V BR = 30 V, und Jo war klein. Als Ergebnis wurden gute Diodeneigenschaften erhalten. Auch als die V-J-Kennlinie wiederholt (10 000mal) gemessen wurde, änderte sie sich in keiner Weise.
Beispiel 2
Gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 wurden auf Corning glass (# 7059) nacheinander eine n⁺-Schicht, polykristallines Silicium vom n-Typ und polykristallines Silicium vom p-Typ gebildet, und dann wurde auf der gesamten Oberfläche durch Zerstäuben eine 200,0 nm dicke ITO-Elektrode (Indium-Zinnoxid-Elektrode) gebildet, worauf durch ein fotolithografisches Verfahren eine Punktelektrode mit einem Durchmesser von 1 mm gebildet wurde. Das erhaltene Halbleiterbauelement mit pn-Übergang zeigte die gleichen guten Diodeneigenschaften wie das in Beispiel 1 erhaltene Halbleiterbauelement.
Dann wurde AM-1 (Air Mass-1; 100 mW/cm²)-Licht von der Oberfläche der ITO-Elektrode her projiziert, um die V-J-Kennlinie zu messen. Es wurden folgende Ergebnisse erhalten: V OC = 0,58 V, J SC = 18,3 mA/cm² und η = 8,0%.
Als das Bauelement 1000 h lang unter dem AM-1-Licht betrieben wurde, um eine fotovoltaische Wirkung hervorzurufen, wurde keinerlei Veränderung in der V-J-Kennlinie beobachtet.
Beispiel 3
Ein mit einer in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellten Mo-Schicht versehener Träger 300 aus Corning glass wurde in dem Rezipienten 301 an der oberen Anodenseite an der Einrichtung 302 zum Halten und Heizen des Trägers befestigt, und eine Platte aus polykristallinem Silicium (nicht gezeigt; 99,9999%) wurde so auf die Elektrodenplatte der unteren Kathode 313 aufgelegt, daß sie dem Träger gegenüberlag.
Der Rezipient 301 wurde mit der Diffusionspumpe 309 auf 0,27 mPa evakuiert, und die Einrichtung 302 zum Halten und Heizen des Trägers wurde geheizt, um die Oberflächentemperatur des Trägers 300 bei 450°C zu halten. Dann wurde pH₃(100)/H₂-Gas mittels der Durchflußreguliervorrichtung 306 mit 5 Norm-cm³/min in den Rezipienten eingeleitet, und des weiteren wurde eine Ar/He-Gasmischung (Volumenverhältnis: 5/95) mittels der Durchflußreguliervorrichtung 307 mit 50 Norm-cm³/min in den Rezipienten 301 eingeleitet, und der Innendruck des Rezipienten wurde durch Regulieren des Hauptventils 310 auf 6,7 Pa eingestellt.
Nach der Stabilisierung des Innendruckes wurde mittels der Hochfrequenz-Stromquelle 314 (Frequenz: 13,56 MHz) an die untere Kathodenelektrode 313 eine Spannung von 2,0 kV angelegt, um zwischen der auf der Kathode 313 befindlichen Platte aus polykristallinem Silicium und der Anode (der Einrichtung zum Halten und Heizen des Trägers) 302 eine Glimmentladung anzuregen. Die Radiofrequenz-Entladungsleistung (Leistung der hinwandernden Welle - Leistung der reflektierten Welle) betrug 200 W. Unter den vorstehend erwähnten Bedingungen wurde ein 60,0 nm dicker, polykristalliner Dünnfilm vom n⁺-Typ gebildet.
Auf der erhaltenen, polykristallinen Siliciumschicht vom n⁺-Typ wurde eine 500,0 nm dicke, polykristalline Siliciumschicht vom i-(eigenleitenden) Typ gebildet, indem durch die Durchflußreguliervorrichtung 308 hindurch ein hochreines Wasserstoffgas (wobei in diesem Fall H₂ anstelle von NH₃ eingesetzt wurde) mit 0,5 Norm-cm³/min und des weiteren durch die Durchflußreguliervorrichtung 307 hindurch eine Ar/He-Gasmischung (Volumenverhältnis: 5/95) mit 50 Norm-cm³/min in den Rezipienten eingeleitet wurden und die Abscheidung bei einem Innendruck des Rezipienten von 6,7 Pa mit einer Radiofrequenz-Leistung von 200 W durchgeführt wurde. Dann wurden B₂H₆(100)/H₂-Gas durch die Durchflußreguliervorrichtung 305 hindurch und eine Ar/He-Gasmischung (Volumenverhältnis: 5/95) durch die Durchflußreguliervorrichtung 307 hindurch jeweils mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 5 Norm-cm³/min eingeleitet, und die Abscheidung wurde unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend beschrieben durchgeführt, wobei eine polykristalline Siliciumschicht mit einer Dicke von 60,0 nm abgeschieden wurde.
Der Wasserstoffgehalt und der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit der erhaltenen Schichten vom n⁺-, i- und p⁺-Typ betrugen:
n⁺-Schicht
2,8 Atom-%; 30,0 nm
i-Schicht 0,2 Atom-%; 40,0 nm
p⁺-Schicht 2,9 Atom-%; 30,0 nm
Des weiteren wurde auf der Oberfläche der p⁺-Schicht des erhaltenen p-i-n-Übergangs zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem p-i-n-Übergang eine Punktelektrode aus ITO mit einem Durchmesser von 1 mm gebildet.
In Tabelle I werden der Wasserstoffgehalt, der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit, die Diodeneigenschaften und die fotovoltaischen Eigenschaften für den Fall gezeigt, daß die Durchflußgeschwindigkeit des hochreinen H₂-Gases bei der Bildung der i-Schicht zwischen 0 und 50 Norm-cm³/min variiert wurde.
Tabelle I
Δη bezeichnet den Betrag der Änderung des Wirkungsgrades ( η ) nach 1000stündiger fotovoltaischer Wirkung unter Bestrahlung mit AM-1-Licht. [Δη = η (0)-η (1000), worin η (0) und η (1000) den anfänglichen Wirkungsgrad bzw. den Wirkungsgrad nach 1000stündigem Betrieb bezeichnen].
Aus den vorstehenden Ergebnissen geht hervor, daß bei einem Wasserstoffgehalt von 0,01 bis 3 Atom-% gute Diodeneigenschaften und gute fotovoltaische Eigenschaften erhalten werden und daß im Fall der Probe A1-5, die einen 3 Atom-% überschreitenden Wasserstoffgehalt hat, die zwei vorstehend erwähnten Eigenschaften schlecht sind und die Änderung im Verlauf der Zeit nachteiligerweise groß ist.
Die Probe A1-1, die einen Wasserstoffgehalt von weniger als 0,01 Atom-% hat, zeigt schlechte Eigenschaften.
Beispiel 4
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit pn-Übergang gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 wurde der Gasdruck (Pr) unter den Bedingungen einer Trägertemperatur (Ts) von 350°C und einer Radiofrequenz-Leistung von 20 W variiert, wobei die Bedingungen hinsichtlich der Durchflußgeschwindigkeit von SiH₄(10)/H₂, PH₃(100)/H₂ und B₂H₆(100)/H₂ die gleichen wie in Beispiel 1 waren. Die Ergebnisse werden in Tabelle II gezeigt.
Tabelle II
Die Probe A2-5, bei der der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit jeder p- und n-Schicht 80,0 nm überschreitet, hat schlechte Diodeneigenschaften und zeigt eine große Änderung im Verlauf der Zeit.
Beispiel 5
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit pn-Übergang gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 betrug die Trägertemperatur 350°C. Die Gasdurchflußgeschwindigkeit und der Gasdruck (Pr) waren die gleichen wie in Beispiel 1, und die Radiofrequenz-Leistung (Po) wurde variiert. Die Ergebnisse werden in Tabelle III gezeigt.
Tabelle III
Die Proben, bei denen die (220)-Orientierung mehr als 30% betrug (d. h. mit Ausnahme der Probe A3-5), zeigten gute Diodeneigenschaften und eine geringere Änderung im Verlauf der Zeit.
Beispiel 6
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit pn-Übergang gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 waren die Bedingungen für die Herstellung der polykristallinen Siliciumschicht die gleichen wie in Beispiel 1, und die Zeit für die Züchtung bzw. das Wachstum der n-Schicht wurde variiert, wobei n-Schichten mit einer Schichtdicke (d) von 100,0, 200,0 und 400,0 nm gebildet wurden. Die Ergebnisse werden in Tabelle IV gezeigt.
Tabelle IV
Die Proben, bei denen die mittlere Korngröße 20,0 nm oder mehr beträgt, haben gute Diodeneigenschaften und zeigen eine geringere Änderung im Verlauf der Zeit.
Beispiel 7
Unter Anwendung der in Fig. 4 dargestellten Ultrahochvakuum-Abscheidungsvorrichtung wurde ein Träger 400, der aus Corning # 7059-Glas bestand, auf dem eine in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Mo-Schicht vorgesehen war, in einem Ultrahochvakuumbehälter 401, der auf 2,7 nPa evakuiert werden kann, an einer Träger-Haltevorrichtung 402 angebracht, und nach der Verminderung des Druckes in dem Behälter 401 auf einen Wert von weniger als 27 nPa wurde die Trägertemperatur durch eine Tantal-Heizvorrichtung 403 auf 400°C eingestellt.
Dann wurde eine Elektronenkanone 404 (zur Verdampfung von Silicium) mit einer Beschleunigungsspannung von 8 kV betätigt, und der emittierte Elektronenstrahl bestrahlte einen Verdampfungskörper 405 aus hochreinem Silicium, um Silicium zu verdampfen, wobei gleichzeitig roter Phosphor 405′, der sich in einem Heiztiegel 404′ befand, verdampft wurde. Eine Blende 407 wurde in der Richtung A geöffnet, und eine polykristalline Siliciumschicht vom n⁺-Typ wurde in einer Dicke von 100,0 nm gebildet, während die Filmdicke mittels einer Quarzoszillator-Dickenmeßvorrichtung 406 reguliert wurde. Dann wurde die Blende 407 geschlossen. Der Tiegel 404′ wurde abgeschaltet, und die Blende 407 wurde zur Bildung einer 0,5 µm dicken, polykristallinen Siliciumschicht wieder geöffnet (Probe A).
Andererseits wurde auf einem mit einer Mo-Schicht versehenen Träger aus Corning # 7059-Glas in ähnlicher Weise eine n⁺-Schicht gebildet, und dann wurde der Druck in dem Vakuumbehälter 401 auf 27 nPa oder weniger vermindert, worauf hochreines Wasserstoffgas (99,9999%) unter Anwendung eines verstellbaren Belüftungsventils 408 in den Vakuumbehälter 401 eingeleitet wurde, wobei der Druck in dem Behälter auf 67 µPa eingestellt wurde. Die Trägertemperatur wurde auf 400°C eingestellt, und es wurde ein 0,5 µm dicker, polykristalliner Siliciumfilm gebildet (Probe B).
Von jedem der erhaltenen Filme wurde ein Teil zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts und des Höchstwertes der Oberflächenrauhigkeit eingesetzt, während auf den restlichen Filmen, d. h. auf den Oberflächen der Probe A und der Probe B, zur Herstellung einer oberen Elektrode Platin (Pt) in einer Dicke von 30,0 nm durch Vakuum-Elektronenstrahlabscheidung abgeschieden wurde.
Die Diodeneigenschaften (n, V BR) und die fotovoltaischen Eigenschaften ( η , Δη ) der erhaltenen Schottky-Diodenzellen (Probe A: AA5-1; Probe B: AB5-2) werden in Tabelle V gezeigt.
Tabelle V
Wie in Tabelle V gezeigt wird, führt die Probe AA5-1, die wenig Wasserstoff enthält, zu einem großen n-Wert, und die fotovoltaischen Eigenschaften dieser Probe sind schlecht, während die Probe AB5-2, die 0,3 Atom-% Wasserstoff enthält, hervorragend ist.
Beispiel 8
Nachstehend wird die Herstellung des in Fig. 6 dargestellten, polykristallines Silicium enthaltenden Feldeffekttransistors vom pn-Übergangstyp unter Anwendung der in Fig. 5 gezeigten Ionenplattierung-Abscheidungsvorrichtung gezeigt.
In einer Abscheidungskammer 503, die auf einen verminderten Druck gebracht werden kann, wurde zuerst in ein Schiffchen 507 ein zu verdampfender, nicht dotierter, polykristalliner Siliciumkörper 506 hineingebracht, und ein Corning # 7059-Träger wurde auf Stützeinrichtungen 511-1 und 511-2 aufgesetzt. Nachdem die Abscheidungskammer bis zur Erzielung eines Grunddruckes von 13 µPa evakuiert worden war, wurde ein H₂-Gas, das 500 ppm B₂H₆ enthielt, [kurz mit "B₂H₆(500)/H₂" bezeichnet] durch ein Gaseinlaßrohr 505 hindurch bis zur Erzielung eines Wasserstoff-Partialdruckes P H2 von 4,0 mPa in die Abscheidungskammer eingeleitet. Das Gaseinlaßrohr hatte einen Innendurchmesser von 2 mm und war an seiner Spitze in Form einer Schleife ausgebildet, die in Abständen von 2 cm Gaseinblasöffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm aufwies.
Dann wurde an eine Hochfrequenzspule 510 (Durchmesser: 5 mm) eine Hochfrequenz von 13,56 MHz angelegt, um eine Ausgangsleistung von 40 W einzustellen, wodurch im Inneren der Spule eine Hochfrequenz-Plasmaatmosphäre gebildet wurde. Andererseits wurde eine Heizvorrichtung 512 in Betrieb gesetzt, und die Stützeinrichtungen wurden auf etwa 430°C aufgeheizt, während die Stützeinrichtungen 511-1 und 511-2 gedreht wurden.
Dann wurde der zu verdampfende Siliciumkörper 506 mit einer Elektronenkanone 508 bestrahlt, wodurch die erhitzten Siliciumteilchen fliegen gelassen wurden.
Die Elektronenkanone hatte eine Leistung von etwa 0,3 kW.
Auf diese Weise wurde eine 500,0 nm dicker, polykristalliner Siliciumdünnfilm 601 vom p-Typ gebildet. Auf der erhaltenen, polykristallinen Siliciumschicht vom p-Typ wurde unter ähnlichen Bedingungen eine 80,0 nm dicke, polykristalline Siliciumschicht vom n-Typ abgeschieden, indem in die Abscheidungskammer H₂-Gas, das 2500 ppm PH₃ enthielt, [kurz mit "PH₃(2500)/H₂" bezeichnet] in der Weise eingeleitet wurde, daß der Druck 4,0 mPa erreichte.
Der Wasserstoffgehalt in dem polykristallinen Siliciumdünnfilm der Schicht vom n-Typ und der Schicht vom p-Typ betrug 0,5 Atom-%, und der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit betrug 45,0 nm.
Dann wurden durch Vakuumbedampfung und Fotoätzung Al-Elektroden für die Source-Elektrode (Quelle) 605-1 und die Drain-Elektrode (Senke) 605-2 gebildet, und gleichzeitig wurde die n-Schicht in einer vorbestimmten Breite getrennt.
Dann wurde das erhaltene Element in der Vorrichtung von Fig. 3 an der an der Anodenseite befindlichen Einrichtung 302 zum Halten und Heizen des Trägers befestigt. In der gleichen Weise wie bei der Herstellung eines polykristallinen Siliciums wurde der Rezipient 301 evakuiert; die Trägertemperatur Ts wurde auf 250°C eingestellt, und NH₃-Gas und SiH₄-Gas [SiH₄(10)/H₂] wurden durch Durchflußreguliervorrichtungen 308 bzw. 304 hindurch mit 20 bzw. 5 Norm-cm³/min eingeleitet. Es wurde eine Glimmentladung mit 5 W hervorgerufen, wodurch ein 250,0 nm dicker SiNH-Film 603 abgeschieden wurde.
Dann wurde eine Al-Schicht für die Steuerelektrode abgeschieden und wieder einem Fotoätzschritt unterzogen, wodurch zwischen der Quelle und der Senke eine Steuerelektrode (Gate bzw. Tor) 604 gebildet wurde.
Der erhaltene Feldeffekttransistor mit pn-Übergang (Probe Nr. ATA) gehört dem N-Kanal-Inversionstyp an und funktioniert sehr gut. Die Schwellenspannung (Vth) der Steuerelektrode hatte den niedrigen Wert von 5 V, und der Strom bei V G = 20 V war um 3 oder mehr Größenordnungen größer als der Strom bei V G = 0 (EIN/AUS-Verhältnis).
Die effektive Ladungsträgerbeweglichkeit dieses Bauelements (µ eff) betrug 2,2 cm²/(V · s), und während des kontinuierlichen Betriebs bei V G = V D = 40 V wurde 500 h lang keine Veränderung des Senkenstromes und der Schwellenspannung beobachtet.
Zum Vergleich mit dem vorstehend erwähnten Beispiel wurden anstelle des PH₃ enthaltenden H₂-Gases und des B₂H₆ enthaltenden H₂-Gases PH₃ enthaltendes Ar-Gas und B₂H₆ enthaltendes Ar-Gas eingesetzt, um einen Feldeffekttransistor mit pn-Übergang (Probe Nr. ATB) herzustellen. Außerdem wurden zur Herstellung eines Transistors mit pn-Übergang (Probe Nr. ATC) PH₃ enthaltendes H₂-Gas und B₂H₆ enthaltendes H₂-Gas eingesetzt, wobei nur die Leistung der Elektronenkanone auf 0,8 kW erhöht wurde.
Die Eigenschaften der Proben werden in Tabelle VI gezeigt.
Tabelle VI
Die Probe ATB, die keinen Wasserstoff enthält, zeigt schlechte Werte für V th und µ eff und ein kleines EIN/AUS-Verhältnis. Die Probe ATC, bei der der Höchstwert der Oberflächenrauhigkeit groß ist, zeigt einen schlechten µ eff-Wert und während des kontinuierlichen Betriebes eine große Änderung im Verlauf der Zeit.
Beispiel 9
Gemäß den folgenden Schritten wurde durch Laminieren eines polykristallinen Siliciumdünnfilms auf einen Mo-Film, der auf einem Träger aus Corning-Glas (# 7059) abgeschieden worden war, ein Halbleiterbauelement mit pn-Übergang hergestellt.

Claims (4)

1. Halbleiterbauelement vom Übergangstyp mit einer ersten polykristallinen Siliciumdünnfilmschicht und einer Schicht, die aus einer zweiten polykristallinen Siiciumdünnfilmschicht mit einem Typ der elektrischen Leitfähigkeit, der sich von dem Typ der elektrischen Leitfähigkeit der ersten polykristallinen Siliciumdünnfilmschicht unterscheidet, einer zur Bildung eines Schottky-Barrieren-Übergangs befähigten Metallschicht und einer Oxidschicht ausgewählt und unter Bildung eines elektrischen Übergangs mit der ersten polykristallinen Siliciumdünnfilmschicht laminiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste polykristalline Siliciumdünnfilmschicht Wasserstoffatome in einer Menge von 0,01 bis 3 Atom-% enthält und eine Oberflächenrauhigkeit hat, deren Höchstwert im wesentlichen nicht größer als 80,0 nm ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste polykristalline Siliciumdünnfilmschicht ein Röntgenbeugungsbild oder ein Elektronenstrahlbeugungsbild ergibt, bei dem die auf die gesamte Beugungsintensität bezogene Beugungsintensität in der (220)-Ebene 30% oder mehr beträgt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kristallkorngröße der ersten polykristallinen Siliciumdünnfilmschicht 20,0 nm oder mehr beträgt.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger, auf dem die erste polykristalline Siliciumdünnfilmschicht gebildet ist, Glas ist.
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