Ionenassistierte Deposition von Siliciumschichten

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die Wachstumsvorgänge sowie die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von Si-Epitaxieschichten aus der ionenassistierten Deposition (IAD). Bei der IAD werden Si-Atome durch einen Elektronenstrahlverdampfer bereitgestellt und in der Gasphase durch Elektronenemission aus einem Glühdraht teilweise ionisiert; der Ionisationsgrad beträgt ca. 1 %. Eine angelegte Spannung beschleunigt diese Si+ Ionen zum Substrat hin. Die Ko-Evaporation von Bor bzw. Phosphor ermöglicht die in-situ Dotierung der Epitaxieschichten zur Herstellung von pn-Übergängen. Die epitaktische Abscheidung von Si mittels IAD ist auf beliebigen Substratorientierungen möglich. Die Defektdichte und die Minoritätsträgerdiffusionslänge hängen aber stark von der Substratorientierung und der Beschleunigungsspannung ab. Dieses Ergebnis ist auf Unterschiede in der Oberflächenrekonstruktion und in den Aktivierungsenergien für atomare Diffusionsprozesse zurückzuführen. Bei der Betrachtung der Wachstumsmechanismen bei der IAD müssen zwei Temperaturbereiche unterschieden werden: Im Temperaturbereich < 400 °C unterstützen interstitielle Atome das epitaktische Wachstum, bei höheren Temperaturen dominiert die direkte Erhöhung der Adatommobilität durch Ionenbeschuß der Wachstumsoberfläche. Die optimale Ionenenergie liegt im Bereich 8 ... 20 eV für (100)-orientierte Epitaxieschichten. Diese Arbeit vertieft wesentlich das Verständnis der Wachstumsvorgänge bei der ionenassistierten Deposition von Si-Epitaxieschichten bei Depositionstemperaturen unterhalb von 650 °C und bietet erstmals eine grundlegende Evaluierung des Potentials von Si-Niedertemperaturepitaxieschichten. Eine umfassende Untersuchung struktureller und elektrischer Eigenschaften der Epitaxieschichten hat zur Herstellung von Schichten mit sehr guten Majoritäts- und Minoritätsträgereigenschaften bei einer Rekord-Depositionsrate von 0,8 µm/min geführt.

This work investigates growth mechanisms as well as structural and electrical properties of epitaxial Si layers deposited by ion-assisted deposition (IAD). Ion-assisted deposition uses Si atoms supplied by an electron beam evaporator and ionized in the gas phase by electron bombardment from a hot tungsten wire; the fraction of ionized atoms is on the order of 1 %. A voltage applied between ionization stage and substrate accelerates these Si+ ions towards the substrate. Co-evaporation of boron and phosphorous enables in-situ doping of epitaxial layers for fabrication of pn-junctions. Silicon deposited by IAD grows epitaxially on various substrate orientations. However, defect density and minority carrier diffusion length strongly depend on substrate orientation and acceleration voltage. This result is attributed to differences in surface reconstruction and activation energies for atomic diffusion processes. Investigating the growth mechanisms in IAD, two regimes have to be distinguished: In the temperature range below 400 °C interstitial atoms support epitaxial growth. At deposition temperatures above 400 °C, direct enhancement of adatom mobility by ion bombardment dominates. The optimal ion energy is in the range of 8 ... 20 eV for (100)-oriented epitaxial layers. This work significantly enhances the understanding of growth processes operative during ion-assisted deposition of epitaxial Si layers at deposition temperatures below 650 °C and for the first time offers a basic evaluation of the potential of epitaxial Si layers deposited at low temperatures. A comprehensive investigation of structural and electrical properties of epitaxial layers resulted in the deposition of layers with very good majority and minority carrier properties at a record deposition rate of 0.8 µm/min for low temperature Si epitaxial growth.