Способ изготовления полупроводниковых слоев Советский патент 1993 года по МПК H01L21/205 

рядов является существенно более низкой вследствие малой величины постоянной Холла, в результате чего такого рода материалы не могут использоваться в качестве основного полупроводникового материала. С другой стороны, в случае слоев а С:Н с удельным электрическим сопротивлением свыше 108 Ом см сопротивление противодействует повышению холловской подвижности носителей заряда. Такого рода слои а С:Н сравнимы по электрическому сопротивлению со слоями а Si:H, в случае которых подвижность носителей заряда лежит ниже величины 1 см В с .

Изобретение относится к аморфному, содержащему водород углероду, т.е. а С:Н. который имеет холловскую подвижность п-и р-носителей заряда не менее 1 см2 . Такой основной полупроводниковый материал может быть получен путем высокочастотного плазменного осаждения газообразных углеводородов при среднем времени пребывания углеводородов в плазме не менее 15 мс. Время пребывания определено как частное из произведения объема плазмы, давления га.за и массового расхода.

Соответствующий изобретению полупроводниковый основной материал, т.е. аморфный, содержащий/водород углерод, изготавливается посредством высокочастотного плазменного осаждения газообразных углеводородов. При этом для изобретения важно то, что среднее время пребывания углеводородов в плазме составляет по меньшей мере 15 мс. Время t пребывания определяется в соответствии с указанным выше, т.е. t Р V , гдеР- давление газа. Па; V - объем плазмы, см ; mv - массовый расход, Па см3 .

Полупроводниковые слои а С:Н с подвижностью носителей заряда не менее 1 см2 (в нелегированном состоянии), как уже отмечалось, не были известными. Не был известен способ изготовления такк.х слоев, отсутствуют указания на важные параметры процесса, В частности, отсутствуют указания на то, что для достижения определенной величины холловской подвижности носителей зарядов в слоях а С:Н использующийся для плазменного осаждения реакционный газ, т.е. углеводороды, должен отличаться вполне определенным временем пребывания в плазме, т.е. время пребывания составляет по меньшей мере 15 мс. При времени пребывания, равном или большем 1.5 мс, достигается подвижность носителей заряда. величина которой равна или больше 1 см х /В с . Предпочтительно вррмя пребывания молекул углеводорода в зоне плазмы составляет 50-500 мс.

Время пребывания указанного выше порядка величины может быть достигнуто 5 при заданном поперечном сечении использующегося для плазменного напыления реакционного сосуда только при определенном соотношении между давлением газа, т.е. парциальным давлением реакционного газа, и 0. массовым расходом. В случае соответствующего изобретению способа давление газа составляет по этой причине 5-400 Па. предпочтительно 20-200 Па, а массовый расход-предпочтительно 0,05 - 2 10 Па 5 хсм3 с . Кроме того, в случае соответствующего изобретению способа существенно то, что подложка, на которую осаждается слой а С:Н, не нагревается.

Для соответствующего изобретению из0 готовления полупроводниковых слоев а С:Н с достигаемым на основании высокой подвижности носителей заряда высоким потенциалом полупроводниковых свойств используется способ плазменного осаждения

5 с высокочастотным возбуждением. Предпочтительно плазменное осаждение осуществляется при этом с помощью радиочастоты, т.е. в диапазоне 0,1-100 МГц. например при частоте 13,46 МГц. Плазменное осаждение может

0 осуществляться также с помощью микроволн (СВЧ), т.е. в диапазоне 0,1-1000 ГГц, например при частоте 2,45 ГГц.

В качестве газообразных углеводородов при использовании соответствующего

5 изобретению способа служат предпочтительно алкены, т.е. насыщенные алифатические углеводороды, такие как, например, метан, этан и пропан. Наряду с этим возможно использование алканов. т.е. ненасы0 щенных алифатических углеводородов. например этена и пропена, а также ацетилена, циклоалкана, т.е. насыщенных циклических углеводородов, например циклогексана, и в парообразном состоянии ароматических

5 углеводородов в форме бензола и его производных. Углеводороды названного выше вида могут использоваться по отдельности или в смеси. К ним может добавляться, кроме того, оодороди/или благородные газы, напри0 мер гелий и аргон. При высокочастотных разрядах, в частности с радиочастотным возбуждением, при различных по размеру внутренних электродах разрядного устройства (соотношение поверхностей не более

5 0,5, предпочтительно 0,25-0.05) вследствие пространственных зарядов образуется пульсирующая с тактом высокой частоты составляющая напряжения постоянного тока (напряжение смещения или потенциал

г.умосме щения) величиной приблизительно до 1 кВ. Эта составляющая напряжения постоянного тока накладывается на переменное высокочастотное напряжение и превращает меньший электрод в катод, -В результате заряженные частицы СхНу, которые возникают при ионизации и фрагменти- ровании реакционного газа, ускоряются в направлении катода и оседают на расположенной перед катодом подложке с высокой кинетической энергией с образованием материала а С:Н. Эффект самосмещения названного выше типа действует - хотя и в значительно меньшей степени вследствие отсутствия внутренних электродов - также в индуцированной с помощью микроволн плазме, так как между плазмой и поверхностью подложки в каждом случае существует разность потенциалов.

В плазме для напыления материала а С:Н напряжение смещения в значительной мере определяет пассивные физико-химические свойства формируемого слоя, например жесткость, устойчивость к царапинам и прочность, однако в меньшей степени подвижность п- и р-носителей зарядов. Оптимальная для многих случаев использования холловская подвижность носителей зарядов, составляющая свыше 1 см1 в нелегированном а С:Н, достигается в том случае, если в соответствии с изобретением соотношение между постоянной Холла и удельным электрическим сопротивлением имеет большую величину.

Названное выше условие может целевым образом выполняться с помощью определенной химической структуры слоев а С:Н, в частности за счет определенного соотношения между составляющими связей Sp и Sp3 атомов углерода с насыщением свободных валентностей углерода атомами водорода. Химическая структура слоев а С:Н зависит от относительной концентрации Н. Са и СН в плазме, которая может подвергаться влиянию и управлению со стороны условий плазмы, в частности запиты- ваемой электрической мощности, частоты высокочастотного возбуждения, формы и размера электродов, парциального давления реакционного газа, весового расхода и подмешивания инертных газов. Для достижения достаточной концентрации компо- нентов Н, Сг и СН в плазме к последней при использовании соответствующего изобретению способа подводится электрическая мощ- чг.гь предпочтительно величиной 0.2- 10 Bi г:м

Пример.В аппаратуру для плазменного осаждения с помощью высокочастотного разряда, т.е. в ее цилиндрическую вакуумную камеру из стекла, вводится метан (СНз), который используется в качестве реакционного газа. Реакционный газ поступает через узкий кольцевой зазор в выполненное между пленарными электродами различного размера плазменное простран0 ство объемом около 45 см3 (поверхностное соотношение электродов 1:4). Оба электрода, т.е. электрод массы (анод) и высокочастотный электрод (катод), соединены с генератором радиочастоты (13.56 МГц). При

5 высокочастотной плотности мощности около 8 Вт см в плазменном объеме между обоими электродами возникает напряжение смещения величиной около 1 кВ. Меньший из обоих электродов превращается при

0 этом в катод, на котором осаждается слой материала а С:Н.

В названных выше условиях и при отсутствии нагрева подложки, при парциальном давлении реакционного газа 100 Па и мас5 совом расходе 0,88 10 Па см3 с1, при времени 51 мс пребывания получают полупроводниковые слои а С:Н с холловской подвижностью носителей заряда, величина которой составляет свыше 10см2 В 1- .

0 Пример 2. В цилиндрическую, выполненную из стекла вакуумную камеру аппаратуры для плазменного осаждения через центральную подводящую линию вводится метан, использующийся в качестве реакци5 онного газа. Катод является пленарным, в то время как анод выполнен в форме стакана. Поверхностное соотношение электродов составляет 1:6. Осаждение материала а С:Н осуществляется с помощью радиоча0 стоты (13,56 МГц) при следующих условиях: парциальное давление реакционного газа 20 Па, плазменный объем 400 см3, весовой расход 0,32 105 Па см3 . При времени 250 мс пребывания и плотности

5 мощности в плазме 0,8 Вт см без нагрева подложки получают полупроводниковые слои а- С:Н с холловской подвижностью п-носитеО Ъ 4

лей заряда около 10 см V

S 1.

50На чертеже изображена холловская подвижность ин п- и р-носителей зарядов соответствующих изобретению слоев а С:Н в виде функции удельного электрического сопротивления р. Наряду с этим воспроизведены величины для кристаллического кремния и арсемилэ галлия, а также для материала а «. Si:H.

55

(56) Jones D.I. et al. Properties of hydrogenated amorphous carbon fllus and the effects of doping. Philosophical Magazine B, 1982, vol. 46, № 5, p. 423-434.

Заявка Японии № 59-26906. кл. С 01 В 31/02. 1984.

Формула изобретения

родов в плазме задают из диапазона 50 - 500 мс при давлении углеводородов 5 - 400 Па.

IQ

5 4, Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что массовый расход углеводородов составляет 0.05 10 - 2 1fr Пя гм3 г

10

t .

«GaAs (n)

I01J

Ш2 -1

Si s

GaAs (p) x

ю1 ю-Ч

X a-Si:H