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Dokumentenidentifikation DE102005062976A1 12.07.2007
Titel Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Elementen und verfahrengemäß hergestelltes Halbleiter-Element
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Peter, Stefan, Dr., 55126 Mainz, DE
Vertreter Blumbach Zinngrebe, 65187 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 28.12.2005
DE-Aktenzeichen 102005062976
Offenlegungstag 12.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/84(2006.01)A, F, I, 20051228, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 29/786(2006.01)A, L, I, 20051228, B, H, DE   H01L 21/336(2006.01)A, L, I, 20051228, B, H, DE   H01L 23/14(2006.01)A, L, I, 20051228, B, H, DE   
Zusammenfassung Um die Herstellung von Halbleiter-Elementen auf Kunststoff-Substraten zu verbessern, sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Elementen auf Substraten vor, bei welchem auf einem Substrat, welches Kunststoff enthält, insbesondere auf einem Kunststoff-Substrat, mehrere Schichten für ein Halbleiter-Element mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden werden, wobei eine Metall- oder Halbleiterverbindung aus der Dampfphase in einem gepulsten Plasma umgesetzt und Reaktionsprodukte auf dem Substrat unter Bildung einer Schicht abgeschieden werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleiterelementen, insbesondere unter Abscheidung von Funktionalschichten für die Halbleiterelemente.

Dünnschicht-Transistorschaltungen werden mittlerweile verbreitet für die Herstellung von optischen Anzeigen eingesetzt. Dabei sind derzeit die sogenannten Active-Matrix-Flüssigkristallanzeigen die am weitesten entwickelten Anzeigen dieses Typs. Bei diesen Bildschirmen werden viele einzelne Bildpunkte, beziehungsweise Pixel über Dünnschicht-Transistoren (TFT) gesteuert. Die Transistoren sind hierbei kleinste elektrische An/AUs-Schalter. Während einer Sekunde werden die TFTs mehrmalig geschaltet, so daß sich für das menschliche Auge kontinuierliche Bildsequenzen ergeben.

Zur Zeit werden TFTs für Active-Matrix-Anzeigen auf dünne Glassubstrate aufgebracht. Bei der Herstellung wird dabei das Glassubstrat auf Temperaturen von bis zu 600°C erhitzt. Diese Erhitzung findet außerdem über einen längeren Zeitraum statt.

Seit Jahren fordern die Elektronikhersteller andererseits Plastiksubstrate als preiswertere Alternative zu Glassubstraten. Die Temperaturbehandlung bei der bisher bekannten Herstellung von TFTs ist jedoch viel zu hoch, um Glassubstrate durch Kunststoffe zu ersetzen. Bekannte Kunststoffe würden sich verformen, verkohlen oder einfach schmelzen.

Die US 2003/0108749 beschreibt ein Verfahren, um ein Plastik-Substrat vor der Beschädigung durch übermäßige Erwärmung bei der Herstellung von Dünnschicht-Transistoren auf dem Substrat zu schützen. Auf das Substrat wird eine Polymerschicht aufgebracht, welche als thermische Barriere wirken kann und der Kristallisationstemperatur des Siliziums widersteht. Die Kristallisation wird durch Tempern mit einem Laser durchgeführt. Als Beschichtung wird dazu eine Kombination von anorganischem und organischem Polymermaterial vorgeschlagen. Insbesondere soll Polysiloxan geeignet sein, Beschädigungen während des Temperns zu vermeiden. Auch hier ergibt sich aber prinzipiell das Problem, daß hohe Temperaturen eingesetzt werden, um die gewünschten Schichten herzustellen. Eine Beschädigung des Substrats kann nur durch die zusätzliche Barriere und die lokal begrenzte Erwärmung mit dem Laser vermieden werden. Durch die nur lokale Behandlung wird jedoch der Prozeßablauf stark verlangsamt.

In der US 5,796,121 wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Transistoren auf einem Plastik-Substrat beschrieben. Das Plastik-Substrat wird dabei mit einer amorphen Verkapselung versehen, welche das Substrat beidseitig und an dessen Kanten umschließt. Dielektrische Isolatorschichten und amorphe Siliziumschichten werden mittels Plasma-unterstützter chemischer Dampfphasenabscheidung aufgebracht, wobei die Temperatur des Substrats bei 125°C liegen soll. Diese Temperatur entspricht in etwa der thermischen Belastbarkeitsgrenze der eingesetzten Kunststoffe. Als halbleitende Schichten werden amorphe Siliziumschichten abgeschieden. Diese haben allerdings eine wesentlich schlechtere Leitfähigkeit als etwa polykristalline oder einkristalline Schichten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Dünnschicht-Transistoren so zu verbessern, daß auch eine kostengünstigere Herstellung auf Kunststoff-Substraten oder anderen temperaturempfindlichen Materialien mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Dünnschicht-Transistoren ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Elementen auf Substraten vor, bei welchem auf einem Substrat, welches Kunststoff enthält, insbesondere auf einem Kunststoffsubstrat, mehrere Schichten für ein Halbleiter-Element mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden werden, wobei eine Metall- oder Halbleiterverbindung aus der Dampfphase in einem gepulsten Plasma umgesetzt und Reaktionsprodukte auf dem Substrat unter Bildung einer Schicht abgeschieden werden.

Dieses Verfahren bietet gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren für Halbleiter auf Kunststoffsubstraten verschiedene Vorteile. Die Temperaturbelastung ist bei einem gepulsten Plasma niedriger als bei einem kontinuierlichen Plasma, obwohl höhere Leistungen in den Pulsen in das Plasma eingebracht werden können. Ein wesentlicher Vorteil besteht weiterhin auch darin, daß in den Pausen zwischen den Plasmapulsen Partikel abgeführt werden können, die sich aus den Ausgangsmaterialien in der Niederdruck-Atmosphäre bilden.

Wird ein kontinuierliches Plasma eingesetzt, können diese Partikel das Substrat belegen und die Morphologie der abgeschiedenen Schicht stören. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Halbleiter-Schichten äußerst nachteilig für deren elektrische Eigenschaften.

Besonders bevorzugt wird das gepulste Plasma durch gepulste elektromagnetische Energie, vorzugsweise mit einer Frequenz oberhalb von 10 MHz in einer Niederdruck-Gasatmosphäre erzeugt. Beispielsweise können dazu Mikrowellen-Generatoren eingesetzt werden, die Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz erzeugen.

Insbesondere ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Substrat bei allen Abscheideschritten auf einer Temperatur von unter 150°C, vorzugsweise von unter 100°C, besonders bevorzugt unter 90°C gehalten wird. Damit werden kritische Temperaturbereiche für eine Vielzahl von Kunststoffen vermieden. So können mit diesen Temperaturen auch sehr kostengünstige Kunststoffe, wie PET (Polyethylen-Terephtalat) oder Polyester verwendet werden. PET und Polyester zeichnen sich dabei auch noch durch eine gute Transparenz aus, was beispielsweise für die Herstellung von Anzeigen wünschenswert ist.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden silizium-basierte Halbleiterschichten hergestellt. Bisherige Abscheidungsprozesse konnten bei niedrigen Temperaturen nur amorphe Siliziumschichten erzeugen. Derartige Schichten weisen aber gegenüber kristallinen Schichten schlechtere Leitfähigkeit auf.

So kann mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung eine amorphe Siliziumschicht abgeschieden werden, welche dann auf dem Substrat in eine kristalline Siliziumschicht, insbesondere eine mikrokristalline Si:H Schicht umgewandelt wird. Die Umwandlung wird vorzugsweise durch eine Behandlung mit Wasserstoff bewirkt. Insbesondere kann auf dem Substrat eine mikrokristalline Siliziumschicht für das Halbleiter-Element durch ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte des Abscheidens einer amorphen Siliziumschicht mittels plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung und des Umwandelns dieser Schicht in eine kristalline Schicht durch Behandeln in einem Wasserstoffplasma hergestellt werden. Ein solches Verfahren zur Herstellung kristalliner Schichten ist auch aus der DE 199 35 046 A1 bekannt, deren Offenbarung bezüglich der Herstellung polykristalliner Siliziumschichten vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird.

Dazu wird erfindungsgemäß ein Plasma-CVD-Verfahren zur Herstellung einer mikrokristallinen Si:H-Schicht auf dem Substrat eingesetzt, bei welchem die mikrokristalline Si:H-Schicht durch Behandlung einer amorphen Si:H-Schicht mit einem Wasserstoffplasma hergestellt wird, wobei mittels plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung wenigstens eine amorphen Si:H-Schicht auf dem Substrat abgeschieden und die amorphen Si:H-Schicht mit einem gepulsten Wasserstoffplasma in eine mikrokristalline Si:H-Schicht umgewandelt wird. Typische damit erreichbare Schichtdicken der polykristallinen Schicht liegen im Bereich von 10 bis 100 Nanometern.

Um dickere mikrokristalline Si:H-Schichten herzustellen, können diese Schritte gegebenenfalls wiederholt werden.

Zur Herstellung von Halbleiter-Elementen wird weiterhin vorzugsweise zumindest eine der Halbleiterschichten lateral strukturiert. Die laterale Strukturierung kann insbesondere photolithographisch erfolgen, jedoch sind auch andere Verfahren, wie etwa Abscheidung durch eine Maske denkbar. Um eine laterale Strukturierung vorzunehmen, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Schicht für das Halbleiter-Element auf eine photolithographisch strukturierte Zwischenschicht mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden und durch Entfernen der Zwischenschicht strukturiert werden. Dabei werden die Bereiche der Schicht, welche die Zwischenschicht bedecken, zusammen mit der Zwischenschicht abgelöst. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird auf einer Schicht für das Halbleiter-Element eine Zwischenschicht lateral strukturiert, wobei Bereiche der Schicht für das Halbleiter-Element freigelegt und die freigelegten Bereiche der Schicht für das Halbleiterelement anschließend entfernt werden. Danach kann auch die verbleibende Zwischenschicht wieder entfernt werden.

Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung wird auf dem Substrat vor Abscheidung der Schichten des Halbleiter-Elements zunächst eine SiOx-haltige Schicht, vorzugsweise eine SiO2-haltige Schicht abgeschieden. Auf diese Weise kann eine glatte, isolierende Oberfläche geschaffen werden, die sich besonders für das nachfolgende Abscheiden der Schichten für das Halbleiter-Element eignet. Alternativ oder zusätzlich zu dieser Weiterbildung der Erfindung kann auf dem Substrat vor Abscheidung der Schichten des Halbleiter-Elements auch eine Glasschicht durch Aufdampfen hergestellt werden, wobei ein Glas-Target erhitzt wird und verdampft und sich das verdampfte Glas auf dem Substrat als Schicht abscheidet.

Mittels der Erfindung können nicht nur halbleitende Funktionsschichten, sondern auch zumindest eine dielektrische Funktionsschicht des Halbleiter-Elements mittels Plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung hergestellt werden. Dielektrische Funktionsschichten können beispielsweise als Abstandhalter zwischen Elektroden zur Herstellung von Kondensator-Elementen eingesetzt werden.

Weiterhin kann besonders bevorzugt zumindest ein Dünnschicht-Transistor auf dem Substrat durch Abscheidung von Schichten des Transistors mittels Plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung hergestellt werden. Eine dielektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Siliziumoxid-Schicht kann hier zur Isolation der Gate-Elektrode des Dünschicht-Transistors mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden werden. Auf diese Weise sind dann Dünnschicht-Transistoren vollständig unter Verwendung plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung herstellbar. Es ist aber auch möglich, eine dielektrische Funktionsschicht zur Isolation der Gate-Elektrode des Dünnschicht-Transistors durch Aufdampfen einer Glasschicht herzustellen, wobei ein Glas-Target erhitzt wird und verdampft und sich das verdampfte Glas auf dem Substrat als Schicht abscheidet.

Um dotierte Halbleiter-Schichten zu erzeugen, kann weiterhin zumindest eine der Halbleiter-Schichten des Halbleiter-Elements durch Behandlung in einem gepulsten Plasma dotiert werden. Beispielsweise können dazu die Stoffe zum Dotieren durch das Plasma aus der Dampfphase abgeschieden werden und in die Schicht eindiffundieren. Ebenso ist es auch möglich, daß zur Herstellung des Halbleiter-Elements bei der plasmaimpuls-induzierten Abscheidung gleichzeitig eine Dotierung aus der Dampfphase abgeschieden wird. Auf diese Weise kann eine nachträgliche Dotierung entfallen.

Schließlich kann zur Erhöhung der Haltbarkeit und/oder für die elektrische Isolation das Halbleiter-Element durch Abscheiden einer dielektrischen Schicht mittels plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung verkapselt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Halbleiter-Element auch durch Abscheiden einer Glasschicht, vorzugsweise mittels Verdampfen von einem Glas-Target verkapselt werden.

Besonders bevorzugt wird zur Erzeugung von Glasschichten – als erste Schicht auf dem Substrat, als Isolationsschicht für eine Gate-Elektrode und/oder zur Verkapselung- ein zumindest binäres Glas aufgedampft. Das Erzeugnis weist in diesem Fall dann dementsprechend eine Glasschicht mit einem zumindest binären Glas auf. Als zumindest binäres Glas wird dabei ein Material verstanden, welches eine Synthese aus zumindest zwei chemischen Verbindungen darstellt und eine glasartige Struktur, also eine Struktur einer ohne oder zumindest ohne wesentliche Kristallstruktur erstarrten Schmelze aufweist.

Ein solches binäres glasartiges System hat die vorteilhafte Eigenschaft, besonders dichte Schichten zu bilden. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein solches binäres Glas aufgedampft wird, welches alkalihaltig ist. Das Alkalimetall kann dabei vorzugsweise in oxidischer Form Bestandteil des Glases sein. Alkalimetalle können Zwischenräume in der Matrix des Glases sehr gut auffüllen und schaffen damit eine sehr dichte Struktur. Gute Eigenschaften für das Aufdampfen, also das Abscheiden aus der Dampfphase mittels thermischer Verdampfung des oder der Ausgangsmaterialien werden insbesondere mit Borosilikat-Gläsern, vorzugsweise alkalihaltigen Borosilikat-Gläsern erreicht. Bevorzugte Gläser sind dabei nicht nur binär, sondern weisen mehr als zwei Komponenten auf, um vorteilhafte Verarbeitungs- und Schichteigenschaften zu erzielen.

Als besonders geeignet als Aufdampfglas für das erfindungsgemäße Verfahren und die damit herstellbaren Erzeugnisse haben sich dabei Gläser erwiesen, die folgende Zusammensetzungsbereiche in Gewichtsprozent aufweisen

Bevorzugte Aufdampfgläser aus diesen Gruppen sind Gläser mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Es sei darauf hingewiesen, dass die genannten Zusammensetzungen sich nicht auf die abgeschiedenen Schichten beziehen. Die Zusammensetzung kann sich vielmehr beim Aufdampfen auch ändern.

Die bevorzugt verwendeten Gläser besitzen insbesondere die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Eigenschaften:

Besonders bevorzugt wird das Aufdampfglas Typ 8329 der Firma Schott, welches folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:

Durch den Aufdampfprozeß und die unterschiedliche Flüchtigkeit der Komponenten dieses Systems ergeben sich leicht unterschiedliche Stöchiometrien zwischen dem Targetmaterial und der aufgedampften Schicht. In der aufgedampten Schicht wurden dabei leicht abweichende Zusammensetzungen mit etwas erhöhtem Alkaligehalt von 3,3 Gewichtsprozent gegenüber 2,3 Gewichtsprozent im Aufdampfmaterial, sowie einem erniedrigtem Al2O3-Gehalt in der Schicht von 0,5 Gewichtsprozent gefunden.

Der elektrische Widerstand des Ausgangsmaterials beträgt ungefähr 1010 &OHgr;/cm (bei 100°C). Auch in der aufgedampften Schicht werden entsprechende Werte erreicht, so daß derartige Schichten sehr gut zur Isolation, beispielsweise der Gate-Elektrode eines erfindungsgemäß hergestellten Dünnschicht-Transistors geeignet sind.

Die Erfindung eignet sich nicht nur zur Fabrikation einzelner Halbleiter-Elemente, vielmehr können auch eine Vielzahl von Halbleiter-Elementen gleichzeitig erzeugt und damit ein integrierter Schaltkreis auf einem Kunststoffhaltigen Substrat hergestellt werden.

Um die Haftung der mittels PICVD abgeschiedenen Schichten zu verbessern, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß vor der Abscheidung der Schichten für das Halbleiter-Element eine Haftvermittler-Schicht auf dem Substrat mittels plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung aufgebracht wird. Insbesondere kann vor der Abscheidung der Schichten für das Halbleiter-Element eine Gradientenschicht auf dem Substrat mittels plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung aufgebracht werden, welche eine senkrecht zur Oberfläche kontinuierlich variierende Zusammensetzung aufweist.

Das Halbleiter-Element kann weiterhin auch auf einem kunststoffhaltigen Komposit-Substrat aufgebracht werden. Ein solches kunststoffhaltiges Komposit-Substrat kann beispielsweise ein Glas-Kunststoff-Verbund sein. Die mehreren Lagen eines kunststoffhaltigen Komposit-Substrats können die Festigkeit erhöhen und/oder auch verschiedene optische Funktionalitäten aufweisen. So kann eine Lage des Komposit-Substrats beispielsweise als Polarisationsfilter wirken. Ebenso kann allgemein eine Polarisationsfolie als Substrat verwendet werden.

Das Halbleiter-Element kann weiterhin auf einem Substrat, welches Kunststoff enthält, abgeschieden werden, wobei das Substrat eine an das Halbleiter-Element angepasste Wärmeausdehnung aufweist. Die Wärmeausdehnung des Halbleiterelements und des Substrates weicht dabei vorzugsweise weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 10 %, im Beschichtungs- und/oder im Einsatztemperaturbereich voneinander ab.

Die Wärmeausdehnung kann vorzugsweise durch Zuschlag von wärmeausdehnungskompensierenden Materialien, insbesondere Materialien mit negativer Wärmeausdehnung, zum Substrat angepasst werden. Vorzugsweise sind die Materialien an die optischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Substrats angepasst. Beispiele für solche Materialien mit negativer Wärmeausdehnung sind Hochquarz und Beta-Spodumen.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist die Herstellung von TFT-Anzeigen, umfassend ein Active-Matrix-Substrat, welches mittels der Erfindung herstellbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand von Ausführungsbeispielen und den beigeschlossenen Zeichnungen erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugzszeichen auf gleiche oder ähnliche Teile. Es zeigen:

1 eine mit der Erfindung herstellbare Active-Matrix TFT-Anzeige,

2 bis 5 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Herstellung von TFT-Transistoren auf einem Kunststoffsubstrat,

6 eine Zwischenstufe einer Variante des Herstellungsverfahrens gemäß den 2 bis 5.

In 1 ist schematisch in Querschnittansicht ein Ausschnitt einer Active-Matrix TFT-Anzeige dargestellt. Die Anzeige 1 umfasst zwei Substrate 3 und 5, welche durch Abstandhalter in Form von kleinen, zwischen den Substraten 3, 5 eingebrachten Kugeln 17 beabstandet angeordnet sind, so daß ein Zwischenraum 18 entsteht. In diesen Zwischenraum werden die Flüssigkristalle eingefüllt. Polyimid-Filme 7 auf den Substraten dienen zur Herstellung der gewünschten Anfangs-Ausrichtung der Flüssigkristalle.

Die Ausrichtung der Flüssigkristalle im Zwischenraum 18 wird durch Anlegen einer Spannung an den strukturierten Elektrodenschichten 13, vorzugsweise aus transparentem leitfähigem Oxid bewerkstelligt. Auf den Außenseiten der Substrate 3, 5 sind jeweils Polarisator-Folien 7 aufgebracht. Mit den Polarisator-Folien in Verbindung mit der spannungsinduzierten Ausrichtung der Flüssigkristalle wird die Transmission des Lichts durch die in 1 gezeigte Anordnung eingestellt. Schließlich ist auf dem Substrat 3 eine matrixförmige Anordnung von Dünnschicht-Transistoren 9 aufgebracht, welche die Spannung zur Ausrichtung der Flüssigkristalle bereitstellen. Erfindungsgemäß ist bei der in 1 gezeigten Anordnung nun zumindest das Substrat 3 ein Kunststoff-Substrat, wobei die Dünnschicht-Transistoren 9 auf der Kunststoff-Oberfläche 31 des Substrats 3 aufgebracht sind. Bevorzugt ist auch das gegenüberliegende Substrat 5 ein Kunststoffsubstrat. Das Verfahren zur Herstellung der Dünnschicht-Transistoren 9 auf dem Substrat 3 basiert darauf, daß mehrere Schichten für die Dünnschicht-Transistoren 9 mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden werden, wobei eine Metall- oder Halbleiterverbindung aus der Dampfphase in einem gepulsten Plasma umgesetzt und Reaktionsprodukte auf dem Substrat unter Bildung einer Schicht abgeschieden werden. Das gepulste Plasma wird dabei durch gepulste elektromagnetische Energie mit einer Frequenz oberhalb von 10 MHz in einer Niederdruck-Gasatmosphäre erzeugt, wobei die Niederdruck-Gasatmosphäre geeignete Precursor-Gase für die abzuscheidenden Schichten enthält.

Selbstverständlich können auch andere Typen von Active-Matrix-Anzeigen, wie etwa OLED-Anzeigen mit der Erfindung realisiert werden.

Anhand der 2 bis 5 werden Herstellungsschritte für die Dünnschicht-Transistoren dargestellt.

Auf der Kunststoffoberfläche 31 des Kunststoff-Substrats 3 wird vor Abscheidung der Schichten des Halbleiter-Elements zunächst eine SiOx-haltige Schicht 25, vorzugsweise eine SiO2-haltige Schicht abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt mittels PICVD, beispielsweise in einer Niederdruck-Atmosphäre mit Hexamethyldisiloxan (HMDSO) als Precursor. Diese Schicht dient einerseits als Barriere, andererseits wird auch die Haftung nachfolgender Schichten verbessert. Um eine gute Haftung zu erreichen, kann die Schicht 25 als Gradientenschicht ausgebildet sein, die beispielsweise einen zum Substrat hin ansteigenden Kohlenstoff-Anteil aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine separate Haftvermittlerschicht 24 vor dem Abscheiden der Schicht 25 abgeschieden werden. Auf das mit der einheitlichen Schicht 25 versehene Substrat wird anschließend die Gate-Elektrode 27 abgeschieden. Dieser Abscheideschritt kann beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen in Verbindung mit photolithographischer Strukturierung erfolgen.

In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung der Erfindung kann als Schicht 25 auch eine Glasschicht durch Aufdampfen abgeschieden werden. Dazu wird ein Glas-Target erhitzt und verdampft, so daß sich das verdampfte Glas auf dem Substrat als Schicht abscheidet. Für dieses Verfahren eignet sich insbesondere Elektronenstrahlverdampfung.

Nachfolgend wird eine dielektrische Isolationsschicht 29, insbesondere wieder eine Siliziumoxid-Schicht zur Isolation der Gate-Elektrode 27 des Dünnschicht-Transistors mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden. Auch hier kann alternativ die Isolationsschicht des Transistors durch Aufdampfen einer Glasschicht hergestellt werden.

Auf dieser Schicht wird, ebenfalls mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung nun eine amorphe Siliziumschicht abgeschieden wird, welche dann auf dem Substrat in eine kristalline Siliziumschicht 35 umgewandelt wird. Die Umwandlung wird durch Behandlung der Schicht in einem Wasserstoffplasma erreicht. Dazu wird in einer Niederdruck-Wasserstoff-Atmosphäre, oder einer Wasserstoff-haltigen Atmosphäre wie bei der PICVD-Abscheidung der amorphen Siliziumschicht oder den Siliziumoxid-Schichten durch Einstrahlung gepulster elektromagnetischer Energie ein Plasma erzeugt.

Um eine Schicht 35 in gewünschter Dicke zu erhalten, können die Schritte des Abscheidens einer amorphen Siliziumschicht mittels plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung und des Umwandelns dieser Schicht in eine kristalline Schicht durch Behandeln in einem Wasserstoffplasma auch ein- oder mehrmals wiederholt werden.

3 zeigt das Substrat 3 nach weiteren Behandlungsschritten. Die polykristalline Schicht 35 ist unter Ausbildung einer Schicht 36 an der Oberfläche dotiert worden. Das Dotieren kann ebenfalls durch Behandlung in einem gepulsten Plasma vorgenommen werden. Dazu wird ein Prozeßgas für die der Niederdruck-Atmosphäre eingesetzt, welches ein Precursor-Gas mit den Atomen für die Dotierung enthält. Besonders vorteilhaft kann auch die Dotierung aus der Dampfphase auch während der Abscheidung der Schicht 35 zugefügt werden. Beispielsweise kann ein Prozeßgas eingesetzt werden, welches neben HMDSO auch PH3 für eine Dotierung mit Phosphor oder AsH3 für eine Arsen-Dotierung beigemischt werden. Derartige Beimengungen führen zu n-dotierten Schichten. Für eine p-Dotierung mit Bor eignet sich eine Beimengung von B2H6. Wird ein Aufwachsen der Schicht 35 mit nachfolgender Umwandlung von einer amorphen in eine polykristalline Siliziumschicht in mehreren Schritten vorgenommen, kann das Beimengen eines Precursors zum Prozeßgas für die Silizium-Abscheidung auch beispielsweise nur in den letzten Abscheideschritten durchgeführt werden.

Auf die Schicht 35 mit der dotierten Oberflächenzone 36 wird schließlich noch eine Metallschicht 38 abgeschieden. Auch hier kann wie für die Gate-Elektrode Sputtern oder Aufdampfen zur Abscheidung eingesetzt werden. Geeignete Metalle sind beispielsweise Gold, Titan, Aluminium oder Chrom, sowie deren Legierungen.

4 zeigt den aus diesem Schichtstapel hergestellten fertigen Dünnschichttransistor 8. Die Schichten 35, 36 und 38 wurden dabei photolithographisch lateral strukturiert, um einen separierten Transistor 8 zu erhalten und aus der Schicht 38 die Source- und Drain-Elektroden 39, 40 zu erhalten.

Anschließend kann der Dünnschicht-Transistor 8 noch verkapselt werden. Diesen Zustand zeigt 5. Auf der Seite 31 des Substrats 3 mit dem Dünnschicht-Transistor 8 wurde dazu eine dielektrische Schicht 42 abgeschieden. Das Abscheiden kann ebenfalls durch Plasmaimpuls-induzierte Dampfphasenabscheidung, beispielsweise einer Siliziumoxid-Schicht oder auch durch Aufdampfen eines Aufdampfglases mit einer wie oben angegebenen Zusammensetzung erfolgen. Auch die Schicht 42 wird photolithographisch strukturiert, um in 5 nicht dargestellte Anschlußbereiche für die Elektroden 39 und 40 freizulassen. Bei allen Abscheideschritten, auch bei der optionalen Verwendung von Aufdampfglas wird das Substrat 3 bei dem oben beschriebenen Verfahren auf einer Temperatur von unter 150°C, vorzugsweise von unter 100°C, besonders bevorzugt unter 90°C gehalten, so daß die Verwendung eines Kunststoffsubstrats 3 ermöglicht wird.

Bei dem anhand der 2 bis 5 gezeigten Verfahren wurde außerdem die laterale photolithographische Strukturierung der Halbleiterschicht nachträglich nach einer ganzflächigen Beschichtung durchgeführt, wobei eine Zwischenschicht in Form eines Photoresists lateral strukturiert wird, so daß Bereiche der Schichten des Transistors freigelegt und die freigelegten Bereiche der Schichten anschließend entfernt wurden.

In 6 ist eine Zwischenstufe einer Variante des vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens dargestellt. Bei dieser Variante wird auf die Isolationsschicht 29 zunächst eine Photoresist-Zwischenschicht 45 aufgetragen und photolithographisch strukturiert. Anschließend werden die polykristalline Siliziumschicht 35 mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung und die Elektrodenschicht auf die photolithographisch strukturierte Zwischenschicht abgeschieden. Die Strukturierung der Halbleiterschicht 35 erfolgt dann durch Lift-off, also durch Entfernen der Zwischenschicht 45, wobei die auf der Zwischenschicht befindlichen Bereiche der Schichten 35, 36 und 38 abgehoben werden. Anschließend werden durch einen weiteren photolithographischen Bearbeitungsschritt aus der verbleibenden Schicht 38 dann wieder die Source- und Drain-Elektroden herausgearbeitet. Durch die erfindungsgemäß erreichten niedrigen Prozeßtemperaturen kann der Photoresist wie in 6 gezeigt, mit beschichtet werden, ohne daß es zu einer Degradation des Resists und damit einer erschwerten Ablösung kommt. Mit dieser Variante der Erfindung kann dann auch vorteilhaft das Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht entfallen.

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Elementen auf Substraten, bei welchem auf einem Substrat, welches Kunststoff enthält, insbesondere auf einem Kunststoffsubstrat mehrere Schichten für ein Halbleiter-Element mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden werden, wobei eine Metall- oder Halbleiterverbindung aus der Dampfphase in einem gepulsten Plasma umgesetzt und Reaktionsprodukte auf dem Substrat unter Bildung einer Schicht abgeschieden werden. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gepulste Plasma durch gepulste elektromagnetische Energie, vorzugsweise mit einer Frequenz oberhalb von 10 MHz in einer Niederdruck-Gasatmosphäre erzeugt wird. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat bei allen Abscheideschritten auf einer Temperatur von unter 150°C, vorzugsweise von unter 100°C, besonders bevorzugt unter 90°C gehalten wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung eine amorphe Siliziumschicht abgeschieden wird, welche dann auf dem Substrat in eine kristalline Siliziumschicht umgewandelt wird. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung durch eine Behandlung mit Wasserstoff bewirkt wird. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat eine mikrokristalline Siliziumschicht für das Halbleiter-Element durch ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte des Abscheidens einer amorphen Siliziumschicht mittels plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung und des Umwandelns dieser Schicht in eine kristalline Schicht durch Behandeln in einem Wasserstoffplasma hergestellt wird. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der amorphen Siliziumschicht in einem gepulsten Wasserstoffplasma durchgeführt wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Halbleiterschichten lateral strukturiert wird. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Strukturierung photolithographisch erfolgt. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht für das Halbleiter-Element auf eine photolithographisch strukturierte Zwischenschicht mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung abgeschieden und durch Entfernen der Zwischenschicht strukturiert wird. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Schicht für das Halbleiter-Element eine Zwischenschicht lateral strukturiert wird, wobei Bereiche der Schicht für das Halbleiter-Element freigelegt und die freigelegten Bereiche der Schicht anschließend entfernt werden. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat vor Abscheidung der Schichten des Halbleiter-Elements eine SiOx-haltige Schicht, vorzugsweise eine SiO2-haltige Schicht abgeschieden wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat vor Abscheidung der Schichten des Halbleiter-Elements eine Glasschicht durch Aufdampfen hergestellt wird, wobei ein Glas-Target erhitzt wird und verdampft und sich das verdampfte Glas auf dem Substrat als Schicht abscheidet. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine dielektrische Funktionsschicht des Halbleiter-Elements mittels Plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung hergestellt wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Dünnschicht-Transistor auf dem Substrat durch Abscheidung von Schichten des Transistors mittels Plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung hergestellt wird. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine dielektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Siliziumoxid-Schicht zur Isolation der Gate-Elektrode des Dünschicht-Transistors mittels Plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung hergestellt wird. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine dielektrische Funktionsschicht, insbesondere eine Schicht zur Isolation der Gate-Elektrode des Dünschicht-Transistors durch Aufdampfen einer Glasschicht hergestellt wird, wobei ein Glas-Target erhitzt wird und verdampft und sich das verdampfte Glas auf dem Substrat als Schicht abscheidet. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Halbleiter-Schichten des Halbleiter-Elements durch Behandlung in einem gepulsten Plasma dotiert wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Element durch Abscheiden einer dielektrischen Schicht mittels plasmaimpuls-induzierter chemischer Dampfphasenabscheidung verkapselt wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Element durch Abscheiden einer Glasschicht, vorzugsweise mittels Verdampfen von einem Glas-Target verkapselt wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein integrierter Schaltkreis hergestellt wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Halbleiter-Elements bei der plasmaimpuls-induzierten Abscheidung gleichzeitig eine Dotierung aus der Dampfphase abgeschieden wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abscheidung der Schichten für das Halbleiter-Element eine Haftvermittler-Schicht auf dem Substrat mittels plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung aufgebracht wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abscheidung der Schichten für das Halbleiter-Element eine Gradientenschicht auf dem Substrat mittels plasmaimpuls-induzierter Dampfphasenabscheidung aufgebracht wird, welche eine senkrecht zur Oberfläche kontinuierlich variierende Zusammensetzung aufweist. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Element auf einem kunststoffhaltigen Komposit-Substrat aufgebracht wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Element auf einem Glas-Kunststoff-Verbund aufgebracht wird. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Element auf einem Substrat, welches Kunststoff enthält, abgeschieden wird und das Substrat eine an das Halbleiter-Element angepasste Wärmeausdehnung aufweist. Verfahren gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnung des Substrates durch Zuschlag von wärmeausdehnungskompensierenden Materialien, insbesondere Materialien mit negativer Wärmeausdehnung, zum Substrat angepasst wird. Dünnschicht-Transistor auf einem kunststoffhaltigen Substrat, herstellbar mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche TFT-Anzeige, umfassend ein Active-Matrix-Substrat, herstellbar oder hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.






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