Способ получения тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния

 

Использование: технология полупроводниковых приборов на основе тонких пленок аморфного кремния. Сущность изобретения: способ получения тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния включает осаждение пленки на нагретую подложку путем разложения газовой смеси, содержащей моносилан, водород и газообразный аммиак, в высокочастотной плазме тлеющего разряда, количество аммиака в смеси 1 - 4 объемных процента. Способ позволяет получить пленки с термически стабильными электрофизическими и структурными характеристиками, а также с высокой адгезионной способностью.

Изобретение может быть использовано в технологии полупроводниковых приборов на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния.

Известен способ получения пленки из фторсодержащих газовых смесей [1] который заключается в разложении газовой смеси SiH₃F с инертным газом (Ar, He) в высокочастотном тлеющем разряде. Способ позволяет значительно повысить термическую стабильность осаждаемой пленки и улучшить ее адгезионные свойства. Недостатком данного способа является его значительный вред с точки зрения экологии. Данный недостаток обусловлен тем, что использование в качестве исходных реагентов газообразных фторсодержащих веществ (фреонов) приводит к разрушительному воздействию газообразных продуктов реакции, попадающих в атмосферу, на озоновый слой Земли [1] Традиционный способ улучшения стабильности, заключающийся в уменьшении мощности ВЧ-разряда, не приемлем с точки зрения технологии, так как при этом резко уменьшается скорость роста пленки [2] Известен также способ, заключающийся в использовании газовых смесей SiH₄ + +H₂ + B₂H₆. Указанный способ позволяет снизить эффект Стеблера Вронского и несколько улучшить качество адгезии. Однако применение диборана В₂Н₆ является не удовлетворительным c точки зрения производственной безопасности, так как значительная токсичность вышеуказанного газа требует наличия эффективных средств утилизации продуктов реакции. Кроме того, термическая стабильность получаемых таким образом пленок улучшается незначительно [3,4] Наиболее близким по технической сущности является способ получения тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния (а-Si:H) методом тлеющего разряда [5] Способ заключается в разложении силаносодержащей смеси SiH₄ + H₂, либо SiH₄ + +Ar в высокочастотном тлеющем разряде. Однако полученные таким образом пленки характеризуются значительной деградацией свойств пленки во времени, а также слабой адгезией за счет релаксации структуры материала.

Задачей изобретения является повышение термической стабильности структуры и свойств тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, заключающемся в осаждении методом разложения смеси моносилана и водорода в плазме высокочастотного тлеющего разряда, в исходную газовую смесь добавляется газообразный аммиак в количестве 1-4 объемных процентов.

Технических решений, совокупность существенных признаков которых совпадает с предложенным решением, не обнаружено. Таким образом, данное решение отвечает требованию новизны.

Использование аммиака NH₃ в технологии обычно связано с получением диэлектрических пленок Si₃N₄. В то же время в заявляемом решении добавка аммиака применена для повышения термической стабильности полупроводникового материала без ухудшения его электрофизических свойств. Таким образом, применение добавок аммиака в заявляемом решении направлено на выполнение новой для него функции, не вытекающей с очевидностью из его известных свойств. Поэтому можно сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретательского уровня.

Использование регулируемого в пределах 1-4 объемных процентов содержания аммиака позволяет получить при реализации заявляемого изобретения пленку со стабильными электрофизическими и структурными характеристиками, а также с высокой адгезионной способностью, при этом не возникает экологических проблем, связанных с использованием в технологии фторсодержащих веществ. Это обусловлено тем, что добавление в процессе роста пленки в газовую фазу соответствующего количества аммиака ведет к образованию в пленке метастабильных состояний типа Si₃^-, термодинамически более устойчивых. Кроме того, улучшается однородность структуры пленки вследствие заращивания межзеренных границ при образовании связей Si-N.

При большем давлении аммиака в газовой фазе, чем 2 Па, наблюдается значительное уменьшение проводимости полученного материала. Это связано со сменой механизма роста пленки с образованием нитридных комплексов, соответствующих нестехиометрическому нитриду кремния. При давлении аммиака в газовой фазе меньше 0,5 Па пленка остается термически нестабильной и значительно изменяет проводимость при термообработках.

Примеры конкретного выполнения изобретения.

Заявляемый способ получения тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния включает осаждение пленки путем разложения газовой смеси в плазме высокочастотного тлеющего разряда.

Процесс осаждения производился в реакторе промышленного типа УВП-4АМ. В качестве подложек использовали пластины монокристаллического кремния марок КДБ-10, КЭФ-0,01, КЭС-0,01, а также а-кварц и стекло. Реакционную камеру откачивали до давления 10^-1 Па, затем подложки нагревали до температуры 220^оС в течение 40 мин, после чего в камеру подавали аммиак при различных давлениях (0,5-2 Па, что соответствует 1-4 об.), а затем смесь моносилана и водорода (10% SiH₄ + 90% H₂) до общего давления 50 Па, после этого возбуждали плазму и производили осаждение. При большем давлении аммиака в газовой фазе, чем 2 Па, наблюдалось значительное уменьшение проводимости полученного материала. Это связано со сменой механизма роста пленки с образованием нитридных комплексов, соответствующих нестехиометрическому нитриду кремния. При давлении аммиака в газовой фазе меньше 0,5 Па пленка оставалась термически нестабильной и значительно изменяла проводимость при термообработках. Удельная мощность ВЧ-разряда составляла 0,3 Вт/см². При меньшей мощности значительно снижалась скорость осаждения, а увеличение мощности по сравнению с выбранной величиной вела к инициации реакций травления и увеличению дефектности. По окончании осаждения в той же камере проводили термообработку пленок в вакууме при давлении 10^-1 Па и температуре подложек 220^оС в течение 30 мин для устранения неравновесных дефектов, возникающих в процессе осаждения.

Наиболее характерным электрофизическим свойством материала являлась его проводимость. В качестве критерия термической стабильности материала оценивали величину изменения темновой проводимости материала, измеренной при комнатной температуре ( ₃₀₀), до и после термообработок.

Определение темновой проводимости полученных образцов проводилось путем измерения вольт-амперных характеристик тестовых структур. С этой целью на поверхность полученных пленок наносили алюминиевые контакты через соответствующий трафарет. Часть полученных таким образом образцов подвергали термической обработке в вакууме при температурах 220^оС и 280^оС, давлении 10^-1 Па в течение 30 мин.

Для определения темновой проводимости полученных образцов на две соседних контактных площадки, зазор между которыми составлял 0,6 мм, подавали постоянное напряжение в диапазоне 1,5-15 В с шагом 1,5 В от батарей питания. Ток, протекающий через образец, измеряли с помощью прибора В7-45. В вышеуказанном диапазоне напряжений ВАХ исследуемых структур имела линейный характер, что позволяет, зная геометрию структур вычислить проводимость пленки.

Результаты исследования темновой проводимости в пленках с различной концентрацией азота приведены в табл. 1.

Данные о плотности дефектов в пленках, полученных методом постоянного фототока, приведены в табл. 2.

Результаты исследования плотности связей методом ИК-спектроскопии в пленках, полученных по предложенному способу, приведены в табл. 3.

Известно, что при температуре ниже 300^оС стабильность аморфного гидрогенизированного кремния определяется процессами релаксации структуры материала. Исследование нелегированных пленок методом ИК-спектроскопии показало, что они имеют ярко выраженную зернистую, так называемую колонную структуру, т. е. состоят из образованных кремниевыми связями зерен колонн, разделенных промежутками, в которых содержится значительное количество водорода [6] При термообработках до 300^оС происходит интенсивная диффузия водорода из межзеренного пространства в приповерхностную область зерен, где связи кремния ослаблены деформационными напряжениями. При этом происходит разрыв слабых связей Si-Si и терминация образовавшихся нейтральных дефектов водородом. Добавление NH₃ приводит к подавлению механизма образования колонной структуры, что объясняет уменьшение содержания водорода в пленке. Вследствие этого материал становится более однородным, чем объясняется улучшение адгезионных свойств. В процессе структурной перестройки материала происходит уменьшение слабых связей Si-Si и образование парных состояний типа Si^-₃-N₄⁺ при встраивании атомов азота в решетку кремния. Такие метастабильные состояния термодинамически более устойчивы. Этим объясняется повышение проводимости и термической стабильности пленок.

Использование способа согласно описываемому изобретению позволит на основе существующей технологии существенно упростить и удешевить производство тонких пленок а-Si:H высокого качества, избегая при этом экологических проблем.

Формула изобретения

Способ получения тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, включающий осаждение пленки на нагретую подложку путем разложения газовой смеси моносилана и водорода в высокочастотной плазме тлеющего разряда, отличающийся тем, что осаждение пленки проводят из газовой смеси, дополнительно содержащей газообразный аммиак в количестве 1 4 об.

РИСУНКИ

Рисунок 1