Аморфные полупроводники и приборы на их основе - Хамакава Й.
Скачать (прямая ссылка):
Структуру осажденного из силановы.х газовых смесей мк-Si можно представить в виде смешанной аморфно-микрокристаллической фазы, содержащей несколько атомных процентов водорода [57-60|. Материал назван микрокристаллическим, так как его структура существенно отличается от обычного поликристаллического кремния. Однако детальный анализ структуры и морфологии мк-Si: Н, а также подробные данные об электронных и оптических его свойствах в литературе отсутствуют.
В настоящей статье описаны последние исследования в этой области. Основное внимание уделено свойствам мк-Si: Н, полученного в тлеющем разряде (ТР-мк-Si: Н).
185
4.3.2. Особенности процесса получения
В пионерской работе Вепрека с соавторами показано, что пленки мк-51 можно получить осаждением водородной плазмы тлеющего разряда, если температура подложки не превышает 80 °С [54]. Предполагалось, что при этой температуре подложки на межфазной границе плазма — твердое тело образуются стабильные зародыши, приводящие к росту микрокристаллической пленки мк-51 [69-70].
Из сообщения [66] следует, что пленки мк-51: Н на кристаллической подложке к-Б1, нагретой до 250 °С, можно получить реактивным распылением мишени из к-51 в атмосфере Н2 при давлении 40-67 Па. Этот способ получения мк^: Н близок к методу [54] в том смысле, что перенос на подложку атомов или кластеров из атомов Б1 осуществляется в атмосфере водородной плазмы химическим транспортным методом. В ИК-спектрах поглощения пленок РР-мк-Бг: Н всегда наблюдаются хорошо различимые максимумы, связанные с колебаниями растяжения связей Б1: Н. Это в корне отличается от спектров ИК-поглощения пленок ТР-мк-Б1: Н, полученных разложением разбавленной силановой газовой смеси, что будет обсуждаться ниже.
В то же время, в мк-51: Н и/или мк-51: Р ; Н, полученных разложением разбавленных газовых смесей, содержащих 5Ш4 и/или Б1Р4 всегда наблюдаются включения ТР-а-51:Н [^5-57]. Это означает, что мк-51: Н можно получить только при тщательном соблюдении определенных уело-
^™^1. Типичные условия осаждения пленок ТР-мк-Si : Н
Материал Струк- Протекающий Удельная T
тура газ мощность, подл °С Г! ри меч сни С
—--_ Вт/см2
Нелегированный Si : Н мк- SiH4/Ar = 1/9 5W 300
лк- SiH4/f|2 = j/9 0,25-0,5 250 її і г |;тр
SI ' Н TllTU- а- SiH„ 0,01-0,2 300 1,11 М Т D і її»
¦ » i, Л ti И ПОНЯІІНИІІ D а- PH3/Siil4 0,01-0,2 inn И 1 г, iip
J^OQ Ш| tlbJH Г мк- (PH3/SiH4)/H2 = 1/9 0,5 J ии 300 ftp ГТР
мк- = 1/20^ 1/300 0,1-0,3 260 1.1 г 1,'ТП
а- = 1/20 < 0,02 260 •л г і;ті)
мк- = 1/9,1 20\V(I0 стандартных смэ/мин) 300 Г. i р Вертикальный реактор с магнитным
а- = 1/9,1 20W(20ct. см3/мин) 300 пол см То же, без
^1 • і., леї и-рованный В мк- (B2H6/SiH4)/H2 = = 1/30 1,5 300 ПОЛЯ 1'ТР
мк- = 1/30 0,4 inn ЬІГ Г'ТП
а- B2H6/SiH4 0,01 J и и 300 Ь 1 р г.-тп
Примечание ЕТР ^2 H6/Siil4 ТЛСЮІГІИЙ m>i„a„ 0,04 300 1- 1 г ктр
^¦юІГ~двЕуГловиГ -костей; ИТР -
186
вий осаждения в том же реакторе, который применяется для осаждения пленок a-Si: Н.
Типичные условия, необходимые для получения нелегированных и легированных бором и фосфором пленок мк-Si: Н [56—57, 60, 63, 68], сведены в табл. 4.3.1. Экспериментально установленными общими закономерностями, необходимыми для кристаллизации, являются следующие:
1.Для получения мк-Si: Н необходима кремнийсодержащая газовая смесь, сильно разбавленная водородом или инертным газом. Разложением в тлеющем разряде чистого силана получить мк-Si: Н не удалось.
2. Для получения микрокристаллической структуры необходима высокая мощность ВЧ разрядов.
3. Введение в газовую смесь SiF4—Н2 легирующих компонентов (РНз или PF5) дает возможность получать мк-Si: F: Н в тех же условиях, в которых нелегированные пленки остаются аморфными.
Кроме перечисленных выше закономерностей существует еще одна, согласно которой скорость осаждения мк-Si: Н часто ниже, чем в случае a-Si: Н. Вероятно, атомам и молекулам, адсорбированным на растущую поверхность пленки мк-Si: Н, для достижения структурного состояния, соответствующего минимальной свободной энергии, требуется значительное время. Это соответствует развитой Вепреком и др. [70] теории, аналогичной теории химического равновесия. Детали механизма осаждения остаются неизученными, но ожидается [58], что исследования плазмы сыграют решающую роль в надежной идентификации элементарных актов роста на поверхности.
4.3.3. Структурные особенности
Структуру пленок мк-Si: Н исследовали методами рентгеноструктурного анализа (54-58], электронографии ] 61, 63], комбинационного рассеяния [57, 65, 70] и ИК-слектроскопии поглощения [57, 60, 66].
Методы рентгеноструктурного анализа позволяют определять размеры кристаллитов, их преимущественную ориентацию, искажения решетки и удельный объем микрокристаллической фазы в смешанном мк-Si: Н. Используя анализ полуширины рентгеновских линий, Мантеуда и др., а также авторы [57] рассчитали средний размер кристаллитов (6), который для нелегированных пленок мк-Si: Н (осажденных из смеси SiH4-Ar) составил 200 А, для пленок, легированных фосфором -100 А и для пленок мк-Si: Н, легированных бором, - 60 А. Согласно результатам этих систематических исследований величина 6 для материала каждого типа не зависит от мощности высокочастотного разряда [ 56]. Постоянство величины 5<ч пленках мк-Si : Н, легированных фосфором, подтверждается результатами работы (63]. В то же время установлено [61], что размер кристаллитов 6 зависит от условий плазменного осаждения, в частности, от частоты возбуждения плазмы, и что пленки с большими размерами кристаллитов получаются при более высоких частотах (~40 МГц). Несмотря на это, общий метод управления размером кристаллитов в пленках мк-Si: Н, осажденных в тлеющем разряде из газовых смесей, содержащих SiH4 пока не установлен.
