Projekt 09590/01

Umweltfreundliche Herstellung dotierter Kontaktschichten auf Basis von hydrogeniertem Silizium

ProjekttrÀger

FAP Forschungs- und ApplikationslaborPlasmatechnik GmbH Dresden
Gostritzer Str. 61 - 63
01217 DresdenZielsetzung und Anlass des Vorhabens Gegenstand des Projektes war die Entwicklung einer umweltfreundlichen Technologie zur Deposition amorpher und mikrokristalliner, mit Bor und Phosphor dotierter, hydrogenierter Silizium- und Siliziumkarbidschichten. Anwendungsgebiete fĂŒr diese Materialien sind Solarzellen, DĂŒnnschichttransistoren, Sensoren und Fotoleiter. Die elektronischen Eigenschaften dieser Materialien werden bei der Herstellung in der Gasphase herkömmlich durch Einsatz der Dotantenhydride Phosphin und Diboran fĂŒr n- bzw. p-leitende Schichten kontrolliert. Das Ziel war es, diese hochtoxischen Gase durch alternative Ausgangsstoffe auf der Basis von sauerstofffreien Kohlenwasserstoffverbindungen zu ersetzen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchung des Dotierprozesses erfolgte in mehreren Versuchsserien unter Substitution der Dotantenhydride durch Triethylbor, Trimethylbor und Trimethylphosphin. Unter Verwendung von Monosilan wurden in einem plasmagestĂŒtzten CVD-Prozeß ca. 1 mm dicke Schichten hergestellt. WĂ€hrend in einem ersten Bearbeitungsabschnitt amorphe hydrogenierte Siliziumschichten (a-Si:H) im Mittelpunkt standen, kamen im zweiten Abschnitt mikrokristalline Siliziumschichten (mc-Si) zum Einsatz. Die Herstellung wurde bei allen drei Projektpartnern durchgefĂŒhrt. Die Auswertung der Schichten erfolgte durch DunkelleitfĂ€higkeitsmessungen in AbhĂ€ngigkeit von der Temperatur, FotoleitfĂ€higkeitsmessungen, optischer Auswertung, CPM-Messungen (constant photocurrent method), RAMAN-Messungen und DIG-Messungen (dynamic interference grating). Ziel war es, ĂŒber einen weiten Dotierbereich eine sichere Verfahrenstechnologie zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden an den Ergebnissen mit herkömmlichen Dotierverfahren unter Verwendung von Diboran und Phosphin gespiegelt. Ergebnisse und Diskussion Im Rahmen von Untersuchungen wurden alternative Ausgangsstoffe fĂŒr die Dotierung von amorphen und mikrokristallinen Halbleitern auf Siliziumbasis eingesetzt. Die Herstellung dieser Schichten erfolgte mittels plasmagestĂŒtzter CVD in Vakuumanlagen. Es wurden dabei die hochtoxischen Dotantenhydride Diboran und Phosphin durch B- und P-haltige Verbindungen auf Kohlenwasserstoffbasis ersetzt. Dabei waren folgende Aspekte Gegenstand der Untersuchung: - Vorversuche zur Deposition von eigenleitendem, elektrisch hochwertigem amorphem Silizium als Ausgangsmaterial - Dotierung von amorphem Silizium - Deposition von mikrokristallinem Silizium bei hohen Temperaturen (545°C) - Dotierung von mikrokristallinem Silizium - Implementierung der dotierten mikrokristallinen Schichten in Bauelementestrukturen - Untersuchungen zu großflĂ€chigen Schichtabscheidungen Die Untersuchungen wurden in der Firma Forschungs- und Applikationslabor Plasmatechnik GmbH Dresden, am Institut fĂŒr Halbleiter und Mikrosystemtechnik der Technischen UniversitĂ€t Dresden und am Physikalisch-Technischen Institut A.F,Joffe (St. Petersburg) durchgefĂŒhrt. Zum Einsatz kamen die Stoffe Triethylbor, (C2H5)3B, Trimethylbor, (CH3)3B, und Trimethylphosphin, (CH3)3P. Es handelt sich dabei um Verbindungen mit kurzkettigen Alkylresten, die stark luftempfindlich aber als weniger gefĂ€hrlich eingestuft werden. Ein Ziel der Untersuchungen war es, maximale LeitfĂ€higkeiten der Si-Legierungen unter diesen Bedingungen zu erreichen. Diese dotierten Si-Legierungen sollen als Kontaktschichten fĂŒr Metall-Halbleiter-Kontakte mit definierter Strom-Spannungs-Kennlinie, als aktive Schichten fĂŒr fotoelektrische Wandler, als aktive Widerstandsschichten fĂŒr piezoelektrische Druckwandler und als aktive Schichten fĂŒr DĂŒnnfilmtransistoren zum Einsatz kommen. Ein Vergleich der alternativ hergestellten Schichten mit den mittels Diboran hergestellten amorphen Siliziumschichten zeigte, daß die maximal erreichbare LeitfĂ€higkeit von mit Bor dotiertem amorphem Silizium zwei Zehnerpotenzen unter der LeitfĂ€higkeit der mit Diboran dotierten Schichten liegt. Diese Erscheinung wird vermutlich durch den Einbau des Kohlenstoffs bewirkt und ließ sich nicht einschrĂ€nken. Die mit Trimethylphosphor dotierten a-Si:H-Schichten erreichen LeitfĂ€higkeiten von ca. 10-3 S/cm. Die erreichbare maximale LeitfĂ€higkeit liegt damit um etwa den Faktor 10 unter der mit Phosphin erreichbaren. Die mikrokristallinen Siliziumschichten wurden mit Trimethylbor dotiert. Die maximale LeitfĂ€higkeit wurde mit ca. 0,3 S/cm erreicht. Nach einer Temperaturbehandlung konnte die LeitfĂ€higkeit auf ca. 0,8 S/cm verbessert werden. Dieser Wert ist fĂŒr das alternativ dotierte Material sehr gut und war in der Aufgabenstellung als ZielgrĂ¶ĂŸe angestrebt. Mit der Diborantechnologie konnten jedoch noch um ein bis zwei GrĂ¶ĂŸenordnungen höhere Werte erreicht werden. Die Auswertung der Ergebnisse zeigte, daß mittels einer Temperaturbehandlung die Aktivierung der Dotanten bei Verwendung alternativer Dotantenquellen verbessert werden kann. Die mit alternativen Dotantenquellen erreichbaren Schichteigenschaften lassen eine Anwendung als - Kontaktschicht - schwach dotierte Schicht fĂŒr fotoelektrische Wandler und - Widerstandsschicht fĂŒr Druckwandler zu. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation In Zusammenhang mit der Arbeit an diesem Projekt stehen nachfolgende Arbeiten: 1. M.Albert, H.GrĂŒger, U.Stephan, A.Kottwitz; Herstellung von mc-Si mit einer VHF-Helix-Plasmaquelle, 9.Bundesdeutsche Fachtagung Plasmatechnologie, 3.-5.MĂ€rz 1999, Stuttgart 2. PrĂ€sentation auf der Veranstaltung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt am 05.07.1999/Dresden Umweltfreundliche Herstellung dotierter Kontaktschichten auf Basis von hydrogeniertem Silizium 3. R.Terasa, M.Albert, H.GrĂŒger, A.Haiduk, A.Kottwitz; Investigation of growth mechanisms of microcrystalline silicon in the very high frequency range, August 22-27, 1999, Snowbird, Utah Fazit Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß alternative Dotantenquellen auf der Basis von Kohlenwasserstoffen in einem weiten Bereich im herkömmlichen Dotierprozeß eingesetzt werden können. Die Maximalwerte in den Schichtparametern werden auf Grund des gleichzeitigen Kohlenstoffeinbaus nicht erreicht. Mit diesem Prozeß wird die GefĂ€hrdungen von Mensch und Umwelt gesenkt. Gleichzeitig können die Fertigungskosten in der DĂŒnnschichtbauelemente-Fertigung durch die Elimination von Anti-Havarie-Aufwendungen und Sicherheitseinrichtungen wesentlich gesenkt werden.

Übersicht

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Bundesland

GrenzĂŒberschreitend

Fördersumme

76.893,19 €

Förderzeitraum

01.05.1997 - 13.07.2000