DE3300400C2 - - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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