Projekt 09590/01

Umweltfreundliche Herstellung dotierter Kontaktschichten auf Basis von hydrogeniertem Silizium

Projektdurchführung

FAP Forschungs- und ApplikationslaborPlasmatechnik GmbH Dresden
Gostritzer Str. 61 - 63
01217 Dresden

Zielsetzung 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 für diese Materialien sind Solarzellen, Dünnschichttransistoren, Sensoren und Fotoleiter. Die elektronischen Eigenschaften dieser Materialien werden bei der Herstellung in der Gasphase herkömmlich durch Einsatz der Dotantenhydride Phosphin und Diboran für 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 plasmagestützten CVD-Prozeß ca. 1 mm dicke Schichten hergestellt. Während 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 durchgeführt. Die Auswertung der Schichten erfolgte durch Dunkelleitfähigkeitsmessungen in Abhängigkeit von der Temperatur, Fotoleitfähigkeitsmessungen, optischer Auswertung, CPM-Messungen (constant photocurrent method), RAMAN-Messungen und DIG-Messungen (dynamic interference grating). Ziel war es, über 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 für die Dotierung von amorphen und mikrokristallinen Halbleitern auf Siliziumbasis eingesetzt. Die Herstellung dieser Schichten erfolgte mittels plasmagestützter 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 großflächigen Schichtabscheidungen
Die Untersuchungen wurden in der Firma Forschungs- und Applikationslabor Plasmatechnik GmbH Dresden, am Institut für Halbleiter und Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Dresden und am Physikalisch-Technischen Institut A.F,Joffe (St. Petersburg) durchgeführt. 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 gefährlich eingestuft werden.
Ein Ziel der Untersuchungen war es, maximale Leitfähigkeiten der Si-Legierungen unter diesen Bedingungen zu erreichen. Diese dotierten Si-Legierungen sollen als Kontaktschichten für Metall-Halbleiter-Kontakte mit definierter Strom-Spannungs-Kennlinie, als aktive Schichten für fotoelektrische Wandler, als aktive Widerstandsschichten für piezoelektrische Druckwandler und als aktive Schichten für Dünnfilmtransistoren zum Einsatz kommen.
Ein Vergleich der alternativ hergestellten Schichten mit den mittels Diboran hergestellten amorphen Siliziumschichten zeigte, daß die maximal erreichbare Leitfähigkeit von mit Bor dotiertem amorphem Silizium zwei Zehnerpotenzen unter der Leitfähigkeit der mit Diboran dotierten Schichten liegt. Diese Erscheinung wird vermutlich durch den Einbau des Kohlenstoffs bewirkt und ließ sich nicht einschränken. Die mit Trimethylphosphor dotierten a-Si:H-Schichten erreichen Leitfähigkeiten von ca. 10-3 S/cm. Die erreichbare maximale Leitfähigkeit liegt damit um etwa den Faktor 10 unter der mit Phosphin erreichbaren.
Die mikrokristallinen Siliziumschichten wurden mit Trimethylbor dotiert. Die maximale Leitfähigkeit wurde mit ca. 0,3 S/cm erreicht. Nach einer Temperaturbehandlung konnte die Leitfähigkeit auf ca. 0,8 S/cm verbessert werden. Dieser Wert ist für das alternativ dotierte Material sehr gut und war in der Aufgabenstellung als Zielgröße angestrebt. Mit der Diborantechnologie konnten jedoch noch um ein bis zwei Größenordnungen 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 für fotoelektrische Wandler und
- Widerstandsschicht für Druckwandler zu.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

In Zusammenhang mit der Arbeit an diesem Projekt stehen nachfolgende Arbeiten:
1. M.Albert, H.Grüger, U.Stephan, A.Kottwitz; Herstellung von mc-Si mit einer VHF-Helix-Plasmaquelle, 9.Bundesdeutsche Fachtagung Plasmatechnologie, 3.-5.März 1999, Stuttgart
2. Präsentation 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.Grüger, 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 Gefährdungen von Mensch und Umwelt gesenkt. Gleichzeitig können die Fertigungskosten in der Dünnschichtbauelemente-Fertigung durch die Elimination von Anti-Havarie-Aufwendungen und Sicherheitseinrichtungen wesentlich gesenkt werden.