DE3331601C2

DE3331601C2 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3331601C2
Application number: DE3331601A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Tokio/Tokyo Hirai; Takashi Nakagiri; Yoshiyuki Yokosuka Kanagawa Osada
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1982-09-02
Filing date: 1983-09-01
Publication date: 1987-04-30
Also published as: DE3331601A1; US4740829A

Abstract

Es wird eine Halbleitervorrichtung mit einer polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht angegeben, welche Germanium atome als Matrix aufweist und 3 Atom-% oder weniger Wasserstoffatome enthält.

Description

Beschreibung

Für die Bildung des Abtastschaltungsteils einer Bildlesevorrichtung, z. B. eines in durchgehender Länge hergestellten eindimensionalen Fotosensors bzw. Bildwandlers oder eines zweidimensionalen Bildwandlers mit vergrößerter Fläche, oder für die Bildung des Ansteuerungsschaltungsteils einer Bildanzeigevorrichtung, bei der z. B. Flüssigkristall oder elektrochromes Material verwendet wird, ist die Herstellung eines Feldeffekt-Dünnfilmtransistors unter Verwendung einer auf einem Substrat entsprechend den Abmessungen dieser Vorrichtungen gebildeten Silieium-Dünnfilmschicht als Grundmaterial bekannt. Während nach dem Stand der Technik die bei dem Abtastschaltungsteil einer Hochleistungs-Bildlesevorrichtung oder bei dem Ansteuerungsschaltungsteil einer Bildanzeigevorrichtung erforderliche effektive Trägerbeweglichkeit &mgr;,&ngr;/etwa 50 bis 100 cm²/V · s beträgt, beträgt die effektive Trägerbeweglichkeit &mgr;,.// eines Dünnfilmtransistors mit einer amorphen Silieium-Dünnfilmschicht nur 0,1 cm^J/V · s, so daß eine solche Dünnfilmschicht für die Bildung dieser Schaltungsteile nicht unbedingt geeignet ist. Andererseits hat eine polykristalline Silieium-Dünnfilmschicht zwar eine effektive Trägerbeweglichkeit &mgr;,.« die größer als diejenige einer amorphen Silc'um-Dünnfilmschicht ist, jedoch ist in diesem Fall für die Erzielung des vorstehend erwähnten erforderlichen Wertes der Trägerbeweglichkeit ein Tempern erforderlich, wodurch die Fertigungsschritte kompliziert werden oder das Problem auftritt, daß die Herstellung einer Dünnfilmschicht, die über eine große Fläche gleichmäßig ist, nicht möglich ist.

Aus "Applied Physics Letters", Bd. 36 (1980), S. 831 bis 833, ist ein Halbleiterbauelement mit einer polykristallinen. Wasserstoffatome enthaltenden Halbleiter-Dünnfilmschicht bekannt.

Aus der EP-OS 23 021 ist ein Feldeffekt-Dünnfilmtransistor mit einer polykristallinen, Silicium als Hauptbestandteil enthaltenden Halbleiter-Dünnfilmschicht, die auf einem amorphen oder polykristallinen Substrat gebildet ist. bekannt, bei dem in der Halbleiter-Dünnfilmschicht ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich gebildet sind, bei dem auf der Halbleiter-Dünnfilmschicht zumindest an dem Teil zwischen den beiden Bereichen eine Isolierschicht gebildet ist, bei dem auf der Isolierschicht eine Gate-Elektrode gebildet ist und bei dem eine Source-EIektrode, die einen elektrischen Kontakt mit dem Source-Bereich bildet, und eine Drain-Elektrode, die einen elektrischen Kontakt mit dem Drain-Bereich bildet, vorgesehen sind.
Aus der DE-OS 32 41 959 ist ein Feldeffekt-Dünnfilmtransistor mit einer polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht. die aus Silicium besteht und 3 Atom-% oder weniger Wasserstoffatome enthält und auf einem Substrat gebildet ist, bekannt, bei dem in der Halbleiter-Dünnfilmschicht ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich gebildet sind, bei dem auf der Halbleiter-Dünnfilmschicht zumindest an dem Teil zwischen den beiden Bereichen eine Isolierschicht gebildet ist, bei dem auf der Isolierschicht eine Gate-Elektrode gebildet ist und bei dem eine Source-EIektrode, die einen elektrischen Kontakt mit dem Source-Bereich bildet, und eine Drain-Elek-

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aus wärmebeständigem Kunststoff, niedrigschmelzendem Glas, Keramikmaterial oder Hartglas bestehen.

Es wurde nach dem Stand der Technik die Bildung einer polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht durch das Vakuum-Aufdampfungsverfahren versucht. Die Hall-Beweglichkeit &mgr;&EEgr; der durch dieses Verfahren erhaltenen Dünnfilmschicht ist sehr hoch und beträgt z.B. einige 100cm²/V · s, und man erwartete, daß auch ihre effektive Trägerbeweglichkeit &mgr;^^&Ggr;&ogr;&bgr; ist. In einer nicht dotierten polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht wird jedoch im allgemeinen ein Akzeptorpegel hoher Dichte erzeugt, so daß der Wirkungsgrad der Dotierung mit einem Fremdstoff zur Bildung eines n- oder p-Halbleiters gering ist. Aus diesem Grund wurden in der Praxis keine Halbleiterbauelemente mit einer polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht eingesetzt. Das heißt, we-

gen der Schwierigkeit der Fertigung eines eigenleitenden Halbleiters war der Wirkungsgrad der Dotierung der als Matrix dienenden Germaniumatome durch Zusatz eines Fremdstoffs sehr gering. Ferner wird in einer Germanium-Dünnfilmschicht die Erscheinung einer thermischen Umwandlung beobachtet, d. h., daß sich ein &eegr;-Halbleiter durch Wärmebehandlung in einen p-Halbleiter umwandelt. Die polykristalline Germanium-Dünnfilmschicht war infolgedessen nicht zur Herstellung eines Halbleiterbauelements unter Anwendung eines Warmebehandlungsschrittes geeignet Somit konnte unter den bestehenden Bedingungen ein Halbleiterbauelement, bei dem als Grundmaterial eine polykristalline Germanium-Dünnfilmschicht verwendet wird, nicht in ausreichender Weise erwünschte Eigenschaften bzw. Kennwerte oder eine erwünschte Zuverlässigkeit bieten.

Ferner führt die im Vergleich zu Silicium kleinere Energielücke bei Germanium beispielsweise zu einem größeren Sättigungsstrom in Gegenrichtung, der bei der praktischen Anwendung manchmal störend wirkt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich die Konzentration der durch Wärmeenergie aus dem Valenzelektronenband zu dem Leitungsband angehobenen Ladungsträger bei niedriger Temperatur wegen der kleineren Energielücke des Germaniums der Konzentration der durch einen Fremdstoff verursachten Ladungsträger nähert, so daß der Temperatur-Toleranzbereich des Halbleiterbauelements schmal ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art mit hoher iä Leistungsfähigkeit, hoher Zuverlässigkeit und hoher Stabilität bereitzustellen, das hinsichtlich des Wirkungsgrades der Dotierung mit einem Fremdstoff des p- oder &eegr;-Typs sehr gut ist, dessen Herstellung keine komplizierten Fertigungsschritte erfordert und bei den die Dünnfilmschicht über eine große Fläche gleichmäßig gebildet werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die polykristalline Halbleiter-Dünnfilmschicht Germaniumatome als Matrix aufweist.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem als Feldeffekt-Dünnfilmtransistor ausgebildeten Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 4. Weiterbildungen dieses Dünnfilmtransistors sind Gegenstand der Ansprüche 5 bis 8.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Feldeffekt-Dünnfilmtransistors als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterelements;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Schaltung zum Messen der Eigenschaften eines jo Dünnfilmtransistors der in Fig. 1 gezeigten Art;

Fig. 3,5,6 und 8 sind jeweils eine schematische Schnittansicht zur Darstellung eines Beispiels einer Einrichtung zur Herstellung einer polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Schritte bei der Herstellung von Dünnfilmtransistören als Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements; j5

Fig. 7 und 9 sind jeweils eine grafische Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für Vo- /»-Kennlinien der Dünnfilmtransistoren.

Eine polykrirtalline Halbleiter-Dünnfilmschicht, die Germaniumatome wahlweise zusammen mit Silicitimatomen als Matrix aufweist, wird nachstehend mit Poly-GeiSii-, : H, wobei 0<x£ 1 bezeichnet.

Der Feldeffekt-Dünnfilmtransistor (TFT) als Beispiel des erfindungsgemäßen unter Verwendung der Poly-Ge_vSii-v: H-Dünnfilmschicht als Grundmaterial hergestellten Halbleiterbauelements ist als ein Transistor bekannt, der aus einer Halbleiter-Dünnfilmschicht einer Elektrodenschicht und einer Isolierschicht gebildet ist. Das heißt, zwischen eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, die jeweils ohmschen Kontakt mit der Halbleiter-Dünnfilmschicht haben, wird eine Spannung angelegt, während der zwischen diesen Elektroden fließende Kanalstrom dadurch moduliert wird, daß eine Vorspannung an eine auf einer Isolierschicht gebildete Gate-Elektrode angelegt wird.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines typischen Grundaufbaus eines solchen Dünnfilmtransistors. Auf einer Halbleiter-Dünnfilmschicht 102, die auf einem isolierenden Substrat 101 angebracht ist, sind in Kontakt mit der Halbleiter-Dünnfilmschicht 102 eine Source-Elektrode 103 und eine Drain-Elektrode 104 gebildet, die mit einer Isolierschicht 105 überdeckt sind, auf der eine Gate-Elektrode 106 gebildet ist.

Bei dem Dünnfilmtransistor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau ist die Halbleiter-Dünnfilmschicht 102 eine PoIy-Ge₁SiI-, : H-Dünnfilmschicht mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften, wobei zwischen der Halbleiter-Dünnfilmschicht 102 und jeder der beiden Elektroden, nämlich der Source-Elektrode 103 und der Drain-Elektrode 104, eine erste n ⁺ -Schicht 107 bzw. eine zweite &pgr;⁺ -Schicht 108 gebildet ist, so daß dazwischen ohmscher Kontakt hergestellt ist.

Die Isolierschicht 105 kann aus einem Material wie z. B. Siliciumnitrid, S1O2 oder AI2O3 gebildet werden, das nach dem chemischen Aufdampfverfahren (CVD), dem chemischen Niederdruck-Aufdampfverfahren (LPCVD) oder dem chemischen Plasma-Aufdampfverfahren (PCVD) aufgebracht wird.

Als Reaktionsgas zur Verwendung bei der Herstellung der Halbleiter-Dünnfilmschicht, die aus PoIy-Ge,.

Si. . · H hpQtpht w^pr^^pr! ^!thctan^An rnif iJilirMiimatrvmpn alc RpctanHtpil Koierviöleiweice Cilonitoca \ti\a \As\*\r*v> &mgr;

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lan (S1H4) und Disilan (Si₂H₆), und Substanzen mit Germaniumatomen als Bestandteil, z. B. Germangase wie Monogerman (GeH4), Digerman (Ge₂He) und Trigerman (Ge3Hs), verwendet. Diese Gase können auch mit Gasen wie z. B. H₂, Ar oder He verdünnt werden.

Die Feldeffekt-Dünnfilmtransistoren können in eine Ausführung, bei der eine Gate-Isolierschicht auf einer Gate-Elektrode gebildet ist (untenliegendes Gate), und eine Ausführung, bei der eine Gate-Elektrode auf einer &ldquor;5 Gate-Isolierschicht ausgebildet ist (obenliegendes Gate), eingeteilt werden. Andererseits können die Dünnfilmtransistoren in eine Ausführung, bei der die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode auf der der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und der Halbleiter-Dünnfilmschicht gegenüberstehenden Halbleiterebene ausgebil-

det sind (Coplanar-Ausführung) und eine Ausführung, bei der die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode auf der Halbleiterebene der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und der Halbleiter-Dünnfilmschicht gegenüberstehen (versetzte Ausführung), eingeteilt werden. Daher sind nach dem Stand der Technik insgesamt vier Kombinationsarten bekannt. Die Gestaltung gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird als Coplanar-Feldeffekt-Dünnfilmtransistor mit obenliegendem Gate bezeichnet. Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist irgendeine beliebige dieser Arten von Feldeffekt-Dünnfilmtransistoren verwendbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement können verschiedene Transistor-Eigenschaften bzw. -Kennwerte dadurch verbessert werden, daß die untere Grenze des Wasserstoffatomgehalts in der polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht auf 0,01 Atom-% eingestellt wird. Andererseits liegen dann, wenn der Gehalt an Wasserstoffatomen innerhalb des Bereichs von 0,01 bis 3 Atom-% liegt, die in der Halbleiter-Dünnfilmschicht enthaltenen Wasserstoffatome an den Kristallkorngrenzen der PoIy-Ge₁Si, _, : H-Dünnfilmschicht vor, wodurch aufgrund der in der Form Si-H und Ge-H bestehenden Bindungen gute Halbleitereigenschaften erzielbar sind. Wenn jedoch der Gehalt an Wasserstoffatomen über 3 Atom-% hinausgeht, ist das Bestehen von Bindungen in den Formen Si = H₂, Si = H₃, Ge = H₂ und Ge = H₃ bzw. von Wasserstoff in freier Form zu erwarten, wodurch häufig eine Verschlechterung der Transistoreigenschaften auftritt, die auf den in derart unstabilen Zuständen enthaltenen Wasserstoff zurückzuführen ist.

Das heißt, es wurde anhand einer Vielzahl von Versuchsergebnissen beobachtet, daß bei einem Gehalt von 3 Atom-% oder weniger der Wasserstoffatome in der PoIy-Ge_xSi, .»: H-Halbleiter-Dünnfilmschicht im wesentlichen keine Verschlechterung entsteht, wobei die Eigenschaften beständig gehalten werden können. Im Falle der Erhöhung des Gehalts an Wasserstoffatomen in der Dünnfilmschicht auf mehr als 3 Atom-% wurde ferner beim ständigen Einschalten des Dünnfilmtransistors beobachtet, daß die Trägerbeweglichkeit &mgr;^ abnimmt und daß zugleich mit einer Änderung der Schwellenspannung Vth im Ablauf der Zeit der Drain-Ausgangsstrom abnimmt. Infolgedessen muß der Wasserstoffatomgehalt in der Halbleiter-Dünnfilmschicht aus PoIy-Ge₁Si₁-V : H unter 3 Atom-% liegen und soll 0,01 bis 3 Atom-%, vorzugsweise 0,05 bis 2 Atom-%, und insbesondere 0,1 bis 1 Atom-% betragen.

Bei einem Gehalt von 0,1 Atom-% und darüber wurde der Wasserstoffatomgehalt in der polykristallinen

Halbleiter-Dünnfilmschicht mit einem üblicherweise bei chemischen Analysen verwendeten Wasserstoff-Analy-

sator gemessen (Elemente-Analysator Modell 240 von Perkin Eimer Co.). Zur Analyse wurde die jeweilige Probe

in einer Menge von 5 mg in einen Halter eingegeben, wobei das Gewicht des Wasserstoffs gemessen wurde und

der Wasserstoffgehalt in der Dünnfilmschicht in Atom-% berechnet wurde.

Die Analyse eines Wasserstoffgehalts von weniger als 0,1 Atom-% wurde mittels eines Sekundärionen-Massenspektrometers (SIMS) durchgeführt (Modell IMS-3f von Cameca Co.). Dieses Analyseverfahren wurde in üblicher Weise durchgeführt. Das heißt, zum Verhindern einer Aufladung wurde auf eine Dünnfilmschicht der Probe Gold in einer Dicke von 20 nm aufgedampft, und die Messung wurde mit einer Ionenenergie der Primär-Ionenstrahlen von 8 keV und einem Probenstrom von 5 &khgr; 10-^l0 A bei einer Punktegröße von 50 &mgr;&idiagr;&eegr; Durchmesser und einer Ätzfläche von 250 &mgr;&iacgr;&tgr;&igr; &khgr; 250 &mgr;&pgr;&igr; durchgeführt, um in bezug auf Si⁺ und Ge⁺ das Erfassungsintensitätsverhältnis von H--Ionen zu bestimmen, aus dem der Wasserstoffgehalt in Atom-% berechnet wurde.

Zur Darstellung der Wirkung eines Dünnfilmtransistors gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wurden dessen Änderungen nach dem nachstehend beschriebenen Verfahren herbeigeführt.

Zuerst wurde ein Dünnfilmtransistor mil dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau hergestellt; unter Anlegen einer Gate-Spannung V_o = 40V an eine Gate-Elektrode 201 und einer Drain-Spannung V_o=40V zwischen einer Source-Elektrode 203 und einer Drain-Elektrode 202 wurde ein zwischen der Source-Elektrode 203 und der Dram-Elektrode 202 fließender Drain-Strom I_n mittels eines Strommeßgeräts gemessen (Elektrometer Keithley 610 C). Die prozentuale zeitliche Änderung wurde dadurch bestimmt, daß die Änderung des Drain-Stroms nach einem fortgesetzten Einschalten über 500 h durch den anfänglichen Drain-Strom dividiert wurde und der erzielte Wert für die Darstellung in % mit 100 multipliziert wurde.

Wie es bei Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) üblich ist, wurde die Schwellenspannung Vth des Dünnfilmtransistors als der Punkt definiert, an dem eine aus dem geradlinigen Teil der Vo-i/TÖ-Kurve extrapolierte Linie die Abszisse für V_D schneidet. Zugleich wurden Änderungen der Schwellenspannung Vth vor und nach der zeitlichen Änderung untersucht, und die Änderungsgröße (&Dgr; Ww) wurde in Volt ausgedrückt.

Der Wasserstoffatomgehalt in der polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht kann nach verschiedenen Verfahren auf eine Menge gemäß den vorstehenden Ausführungen eingestellt werden. Dies kann beispielsweise unter den vorgeschriebenen Bedingungen nach einem Verfahren, bei dem gasförmiges Siliciumhydrid wie SiH₄ oder Si₂H₆ und gasförmiges Germaniumhydrid wie GeH₄ oder Ge₂H₆ durch Glimmentladungs-Zersetzung abgeschieden werden (GD-Verfahren), einem Verfahren, bei dem eine Kathodenzerstäubung unter Verwendung einer Ge-Antikathode in einem H₂ oder GeH₄ enthaltenden Gas herbeigeführt wird (SP-Verfahren), einem Verfahren, bei dem Ge unter Anwendung von Elektronenstrahlen in einer H₂-Gas-Plasmaatmosphäre aufgedampft wird (IP-Verfahren), einem Verfahren, bei dem eine Aufdampfung unter einer H₂-Atmosphäre mit ultrahohem Vakuum herbeigeführt wird, oder einem Verfahren, bei dem eine nach dem chemischen Aufdampfverfahren oder Niederdruck-Aufdampfverfahren (CVD oder LPCVD) gebildete PoIy-Ge₁Si,._,: H-Dünnfilmschichi einer Hj-Gas-PIasmabehandlung unterzogen wird, erfolgen.

Die Bildung einer geeigneten polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht ist nach dem Glimmentladungs-Zersetzungs-Verfahren (GD-Verfahren), dem Kathodenzerstäubungsverfahren (SP-Verfahren), dem Ionenstrahl-Plasmaverfahren (iP-Verfahren) und dem Hochvakuum-Aufdampfverfahren (HVD-Verfahren) bei einer Substratoberflächentemperatur von 500⁰C oder darunter (im Bereich von ungefähr 350 bis 500⁰C) möglich. Dieser Umstand ist nicht nur hinsichtlich der gleichmäßigen Erwärmung des Substrats oder der Verwendung eines billigen Substratmaterials mit großer Fläche bei der Herstellung einer sich über eine große Fläche erstreckenden

Ansteuerungs- oder Abtastschaltung für eine großflächige Vorrichtung vorteilhaft, sondern auch insofern wichtig, als der Erfordernis genügt werden kann, als Substrat für eine Durchlaß-Anzeigevorrichtung oder bei der Anwendung einer Bildwandlervorrichtung im Falle eines fotoelektrischen Wandler-Lichtempfangselements der Ausführung, bei der das Licht an der Seite des Substrats eintritt, eine lichtdurchlässige Glasplatte zu verwenden.

Da im Unterschied zu den meisten Verfahren nach dem Stand der Technik die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Bereichen niedrigerer Temperaturen hergestellt werden können, stehen zusätzlich zu wärmebeständigen Gläsern wie hochschmelzenden Gläsern und Hartglas, wärmebeständigen Keramikmaterialien, Saphir, Spinell und Siliciumplättchen, wie sie üblicherweise nach dem Stand der Technik eingesetzt werden, auch z. B. handelsübliche niedrigschmelzende Gläser und wärmebeständige Kunststoffe zur Verfügung. Als handelsübliches niedrigschmelzendes Glas für das Substrat kann z. B. gewöhnliches Glas mit einem Erweichungspunkt von ungefähr 63O⁰C, gewöhnliches Hartglas mit einem Erweichungspunkt von ungefähr 780⁰C oder ultrahartes Glas mit einem Erweichungspunkt von ungefähr 820⁰C [ultrahartes Glas 1. Klasse nach der japanischen Industrienorm (JIS)] verwendet werden.

Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements besteht ein Vorteil darin, daß die Dünnfilmschichten ohne Beschädigung des Substrats hergestellt werden, da jegliches Substrat bei einer Substrattemperatur eingesetzt werden kann, die unter dem Erweichungspunkt des verwendeten Substratmaterials gehalten werden kann.

Bei Ausführungsbeispielen für das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement wurde aus den gewöhnlichen Gläsern (Natriumgläsern) ein Glas mit verhältnismäßig niedrigen Erweichungspunkten als Substratglas gewählt, jedoch ist es natürlich möglich, als Substrat Quarzglas mit einem Erweichungspunkt von 1500°C zu verwenden. In praktischer Hinsicht ist jedoch die Verwendung gewöhnlicher Gläser für die Herstellung eines Dünnfilmtransistors, der eine große Fläche hat, mit geringen Kosten vorteilhaft.

Bei dem beschriebenen Halbleiterbauelement erfüllt gemäß den vorstehenden Ausführungen in dem PoIy-Ge,Si, ^,: H, das die polykristalline Halbleiter-Dünnfilmschicht bildet, der Wert für &khgr; im allgemeinen die Bedingung 0<a-£1, jedoch entspricht &khgr; geeigneterweise der Bedingung 0,01SxSl, vorzugsweise der Bedingung 0,05SxS 1 und insbesondere der Bedingung 0,1 SxSl.

Nachstehend werden anhand von Beispielen die Herstellung der PoIy-Ge₁SiI-,: H-Halbleiter-Dünnfilmschicht, der Herstellungsvorgang eines Dünnfilmtransistors und Ergebnisse hinsichtlich des Verhaltens des Dünnfilmtransistors beschrieben.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wird die Herstellung eines Dünnfilmtransistors durch Bildung einer polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht auf einem Substrat mit Hilfe einer in Fig. 3 gezeigten Einrichtung beschrieben. Als Substrat 300 wurde Glas mit verhältnismäßig niedrigem Erweichungspunkt verwendet.

Zuerst wurde nach dem Waschen des Substrats 300 das Substrat an seiner Oberfläche leicht mit einem Gemisch aus HF/HNO3/CH3COOH angeätzt. Das Substrat wurde nach dem Trocknen an einem Substraterwärmungs-H alter 302, der an der Anodenseite in einer (nachstehend als Vakuumglocke bezeichneten) Vakuumabscheidungskammer 301 angeordnet war, angebracht. Danach wurde die Vakuumglocke 301 mittels einer Diffusionspumpe 317 auf ein Grundvakuum von 267 &mgr;&Rgr;&agr; evakuiert. Falls während dieses Vorgangs der Druck hoch ist, kann zur Abscheidung der Dünnfilmschicht nicht allein das Reaktionsgas wirkungsvoll beitragen, sondern es kann auch eine Einlagerung von Substanzen wie z. B. Sauerstoff oder Stickstoff in die Dünnfilmschichten auftreten, die unerwünschte ausgeprägte Änderungen des Widerstandswerts der Dünnfilmschicht verursacht. Danach wurde die Substratiemperaiur Ts erhöht und das Substrat 300 bei 400⁰C gehalten. Die Substratiemperatur wurde mittels eines Thermoelements 303 überwacht.

In diesem Beispiel wurden als einzuleitende Reaktionsgase auf 1 Vol.-°/o mit H₂-GaS verdünntes GeH4-Gas [GeH₄(I )/H₂] und auf 10 Vol.-Teile je Million mit H₂-GaS verdünntes B₂H₆-GaS [B₂H₆(100)/H₂] verwendet. Die Durchflußgeschwindigkeit des GeH₄(I)ZH₂-GaSeS wurde mittels eines Durchflußreglers 304 auf 60 NcmVmin eingestellt, während die Durchflußgeschwindigkeit des B₂Hb(IOOyH₂ mittels eines Durchflußreglers 307 auf 30 Ncm³/min eingestellt wurde; die beiden Gase wurden gemeinsam über einen ringförmigen Gaseinblaseauslaß 316 in die Vakuumglocke 301 eingeleitet, die mit Hilfe eines Absolutdruckmanometers 313 durch Regeln eines Hauptventils 311 auf einen Druck von 133 Pa gebracht wurde. Nachdem der Druck in der Vakuumglocke stabilisiert war, wurde zum Herbeiführen einer Glimmentladung mittels einer Spannungsquelle 315 ein elektrisches Hochfrequenz-Feld mit 13,56 MHz an einer Kathodenelektrode 314 hervorgerufen. Die Spannung betrug 0,6 kV bei einem Strom von 55 mA und einer Hochfrequenz-Entladungsleistung von 20 W. Die gebildete Dünnfilmschicht hatte 0,5 &mgr;&igr;&tgr;&igr; Dicke, wobei die Gleichmäßigkeit der Dünnfilmschicht bei den Substratabmessungen 120 mm &khgr; 120 mm innerhalb von ± 10% lag, wenn ein ringförmiger Gaseinblaseauslaß verwendet wurde. Ais Wasserstoffgehalt in der gebildeten Dünnfilmschicht wurden 0,3 Atom-% ermittelt.

Als nächster Schritt wurde gemäß der Darstellung in Fig. 4 ein Dünnfilmtransistor unter Verwendung dieser Dünnfilmschicht als Grundmaterial hergestellt. Nach dem als Schritt (a) dargestellten Abscheiden der polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht 401 auf dem Substrat 300 gemäß der vorstehenden Beschreibung wurde auf 100 Vol.-Teile je Million mit Wasserstoffgas verdünntes PH₃-GaS [PH₃(100)/H₂] in die Vakuumglocke 301 über einen Durchflußregler 306 in einem 5xl0~³ betragenden Molverhältnis von PH₃-GaS zu GeH₄-GaS eingeleitet um den Druck in der Vakuumglocke 301 auf 16 Pa zu bringen, worauf eine Glimmentladung herbeigeführt wurde, um eine mit Phosphor dotierte &pgr; ⁺ -Schicht 402 in einer Dicke von 0,05 um zu bilden [Schritt b5 (b)].

Darauf wurde als Schritt (c) außer an Bereichen einer Source-Elektrode 403 und einer Drain-Elektrode 404 die &eegr; * -Schicht 402 durch Fotoätzen entfernt. Dann wurde das Substrat wieder an dem Halter 302 an der Anodensei-

te der Vakuumglocke 301 angebracht, um eine dünne Gate-Isolierschicht aufzubringen. In derselben Weise wie bei der Herstellung des polykristallinen Germaniums wurde die Vakuumglocke 301 evakuiert, die Substrattemperatur bei 250⁰C gehalten und eine Glimmentladung hervorgerufen, wobei NH3-Gas mit einer Reinheit von 100%, dessen Durchsatz mit einem Durchflußregler 305 auf 20 NcmVmin eingestellt wurde, und auf 10 Vol.-% mit H₂-GaS verdünntes SiH₄-GaS [SiH₄(10)/H₂], das mittels eines Durchflußreglers 308 auf 5 NcmVmin eingestellt wurde, eingeleitet wurden, wodurch ein SiNH-FiIm 405 in einer Dicke von 0,25 &mgr;&igr;&eegr; abgeschieden wurde [Schritt (d)].

Als nächstes wurden in einem Fotoätzschritt [Schritt (e)] Kontaktöffnungen 406-1 und 406-2 für die Drain-Elektrode 404 bzw. die Source-Elektrode 403 gebildet, wonach durch Aufdampfung von A 1 auf der ganzen Oberfläche des SiNH-Films 405 eine dünne Elektrodenschicht 407 gebildet wurde [Schritt (f)]; danach wurden durch Bearbeiten der Al-Elektrodenschicht 407 in einem Fotoätzschritt eine Ausführungselektrode 408 für die Source-Elektrode, eine Ausführungselektrode 409 für die Drain-Elektrode und eine Gate-Elektrode 410 gebildet [Schritt (g)]. Danach wurde bei 250⁰C eine Wärmebehandlung in H₂-Atmosphäre durchgeführt.

Der unter den vorstehend erwähnten Bedingungen hergestellte Dünnfilmtransistor (Kanallänge &Zgr;-=20&mgr;&igr;&tgr;],

!5 Kanalbreite W= 650 &mgr;&eegr;&igr;) zeigte stabile und gute Eigenschaften bzw. Kennwerte.

Fig. 7 zeigt als Beispiel die V/,-/₀-Kennlinien des auf diese Weise hergestellten Dünnfilmtransistors. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, betrug bei Ve,·= 10 V die Stromstärke I_D 8 &khgr; &Igr;&Ogr;-⁴ A, während bei Vg=O V die Stromstärke Ip 3 &khgr; 10-⁷ A war und die Schwellenspannung 4,8 V betrug. Die Trägerbeweglichkeit &mgr;,.«·, die auf die bei MOS-Dünnfilmtransistoren in der Praxis übliche Weise aus dem geradlinigen Abschnitt der Vg-/Tö-Kurve ermittelt wurde, betrug 120 cm²/Vs. Folglich wurde ein Dünnfilmtransistor mit hoher Beweglichkeit und guten Transistoreigenschaften erhalten, der für die Herstellung verschiedenartiger Ansteuerungsschaltungen geeignet war.

Zur Untersuchung der Beständigkeit bzw. Stabilität dieses Dünnfilmtransistors wurde fortgesetzt an das Gate eine Gleichspannung Vc von 40 V angelegt, wobei 500 h lang durchgehend die Änderungen des Stroms Id gemessen wurden. Als Ergebnis wurde im wesentlichen keine Änderung festgestellt, da alle Änderungen innerhalb von ±0,1% lagen. Ferner trat auch vor und nach der zeitlichen Änderung des Dünnfilmtransistors keine Änderung AVrwder Schwellenspannung auf, was eine außerordentlich gute Beständigkeit des Dünnfilmtransistors anzeigt. Nach der zeitlichen Änderung wurden auch die Vd- /o-Kennlinie und die Vc-/o-Kennlinie aufgenommen, um festzustellen, ob sie sich gegenüber der Messung vor der zeitlichen Änderung geändert haben; dabei war der Wert &mgr;^der Trägerbeweglichkeit der gleiche, nämlich 120 cm²/Vs.

Wie mit Beispiel 1 gezeigt wird, wurde festgestellt, daß ein Dünnfilmtransistor, dessen Hauptteil aus einer polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht mit einem Wasserstoffgehalt von 0,3 Atom-% besteht, ein Transistor mit sehr hoher Leistungsfähigkeit ist.

Beispiel 2

Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wurde auf einem Glassubstrat eine polykristalline Germanium-Dünnfilmschicht unter folgenden Bedingungen hergestellt: Hochfrequenzleistung: 50 W, GeH₄(I)/H₂-Durchflußgeschwindigkeit: 60 NcnrVmin, B₂H₆(100)/H_rDurchfiußgeschwindigkeit: 30 NcmVmin und Druck: 6,7 Pa. Die Substrattemperatur (Ts) wurde in Intervallen von 50°C über 200°C auf 700°C eingestellt, bis die Dünnfilmschicht in einer Dicke von 0,5 &mgr;&iacgr;&tgr;&igr; erzeugt war. Die Wasserstoffatomgehalte der einzelnen polykristallinen Germanium-Halbleiter-Dünnfilmschichten wurden gemessen, und bei Dünnfilmtransistoren (Proben Nr. 1-1 bis 1-11), die nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 unter Verwendung der einzelnen Dünnfilmschichten hergestellt wurden, wurden Trägerbeweglichkeiten &mgr;^» gemäß der Darstellung in Tabelle 1 ermittelt.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, haben die Proben mit Wasserstoffgehalten von mehr als 3 Atom-% oder weniger als 0,01 Atom-% eine Trägerbeweglichkeit &mgr;₍&ngr;/ von weniger als 100cm²/Vs, wobei die zeitlichen Änderungen von fo und &Dgr; Vth verhältnismäßig groß sind, so daß die Eigenschaften auch hinsichtlich der Stabilität schlechter sind.

Tabelle 1

Probe Nr.

1-1 1-2 1-3 14 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 1-11

&Ggr;, (⁰C) 200 250 3&Oacgr;0 350 400 450 500 550 600 650 700

Wasserstoffgehalt 5,2 4,3 3,6 2,8 1,2 0,9 0,5 0,2 0,08 0,02 <0,01

(Atom-%)

25 42 53 82 110 125 135 130 120 105 55

zeitliche Änderung 2,5 1,2 1,8 <0,l <0,l <0,l <0,l <0,l <0,l <0,l 1,2

von I₀ (%)

&Dgr; V_TII (V) 0,5 0,3 0,2 0 0 0 0 0 0 0 0

Beispiel 3
Beispiel 3 wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.

Zuerst wurde ein in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestelltes Glas-Substrat 500 an einem Substrathalter 502 in einer Vakuumkammer 501 angebracht, die auf einen Druck von 2,67 nPa evakuiert werden konnte; Miichdcm der Druck in der Vakuumkammer 501 auf 6,7 nPa oder darunter vermindert wurde, wurde die .Subsiraticinpcralur mittels eines Heizelements 503 auf 400C gebracht. Darauf wurde ein Elekironcnstrahler 504 mit einer Beschleunigungsspannung von 10 kV in Betrieb gesetzt, wobei die abgegebenen Elektronenstrahlen auf einen verdampfbaren Germaniumkörper 505 aufgestrahlt wurden, um diesen ?u verdampfen. Ferner wurde eine Diffusionszelle bzw. Knudsen-Zelle 509 mittels eines Heizelements 511 erwärmt, so daß aus der Zelle 509 Bor 510 ausgedampft wurde; danach wurden ein Verschluß 512 und ein Verschluß 507 geöffnet, um eine polykristalline Germanium-Dünnfilmschicht zu bilden, wobei eine Steuerung mit Hilfe eines Quarzoszillator-Filmdickenmessers 506 in der Weise erfolgte, daß an dem Substrat 500 eine Filmdicke von 0,5 &mgr;&eegr;&igr; erreicht wurde. Der Druck während dieser Aufdampfung betrug 0,16 &mgr;&Rgr;&agr;, während die Aufdampfungsgeschwindigkeit 0,1 nm/s war. Die auf diese Weise hergestellte Probe wird als Probe Nr. 3-1 bezeichnet.

Als nächstes wurde ein auf dieselbe Weise hergestelltes G las-Substrat 500 an dem Substrathalter 502 befestigt, und nach dem Evakuieren der Vakuumkammer 501 auf einen Druck von 6,7 nPa oder darunter wurde Wasserstoffgas hoher Reinheit (99,999%) über ein veränderbares Ableitventil 508 in die Vakuumkammer 501 eingeleitet, um den Kammerinnendruck auf 67 [iPa zu bringen, wonach die Substrattemperatur auf 400°C eingestellt wurde. In derselben Weise wie bei der Herstellung der Probe Nr. 3-1 wurden Germanium und Bor verdampft, um eine Dünnfilmschicht zu bilden. Zur Bildung einer polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht wurde die Filmbildungsgeschwindigkeit auf 0,1 nm/s eingestellt. Die auf diese Weise hergestellte Probe wird als Probe Nr. 3-2 bezeichnet.

An den Proben 3-1 und 3-2 wurde jeweils der Wasserstoffgehalt in der polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht gemessen, während an jeweils unter Verwendung der Proben hergestellten Dünnfilmtransistoren auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 die Trägerbeweglichkeit ,m«; die zeitliche Änderung des Stroms Io und der Anderungswert &Dgr; Vth der Schwellenspannung gemessen wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, betrug der Wasserstoffgehalt in der polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht weniger als 0,01 Atom-% bei der Probe Nr. 3-1, während er bei der Probe 3-2 0,5 Atom-% betrug.

Infolgedessen war die effektive Trägerbeweglichkeit &mgr;_&iacgr;&Pgr; des hergestellten Dünnfilmtransistors im Falle der Probe Nr. 3-2 größer im Vergleich zu der Probe Nr. 3-1, während auch der Dünnfilmtransistor aus der Probe Nr. 3-2 hinsichtlich der Stabilität besser war, so daß diese Probe als Halbleiter-Dünnfilmschicht für den Dünnfilmtransistor vorzuziehen ist.

Tabelle 2

Probe Nr.

3-1 3-2

Wasserstoffgehalt, Atom-% S 0,01 0,5

:_V/(cm²/Vs)	von I₀ (%)	32	60
zeitliche Änderung		2,0	=£0,1
A Vth (V)	0,4	0

Beispiel 4

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein Beispiel beschrieben, bei dem eine polykristalline Germanium-Dünnfilmschicht nach dem Kathodenzerstäubungsverfahren gebildet wurde.

Ein in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestelltes Glas-Substrat 300 wurde in enger Berührung mit einem Substraterwärmungs-Halter 302 an der oberen Anodenseite in einer Vakuumglocke 301 befestigt, während auf eine untenliegende Kathodenelektrode 314 eine (nicht gezeigte) Platte aus polykristallinem Germanium (mit der so Reinheit 99,999%) so aufgelegt wurde, daß sie dem Substrat gegenüberstand. Der Innendruck der Vakuumglokke wurde mittels einer Diffusionspumpe 317 auf 133 &mgr;&Rgr;&agr; oder darunter herabgesetzt, worauf der Substraterwärmungs-Halter 302 so erwärmt wurde, daß die Oberflächentemperatur des Substrats 300 bei 400⁰C gehalten wurde.

In die Vakuumglocke 301 wurde über einen Durchflußregler 307 B₂He(IOO)ZH₂-GaS mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 5 NcmVmin und ferner über einen Durchflußregler 309 H₂-GaS mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 50 NcmVmin eingeleitet, wobei durch Verstellung eines Hauptventils 311 der Innendruck in der Vakuumglocke auf 2,7 Pa eingestellt wurde.

Nachdem der Innendruck in der Vakuumglocke stabilisiert war, wurde mittels einer Spannungsquelle 315 mit einer Spannung von 2,5 kV ein elektrisches Hochfrequenz-Feld mit 13,56 M Hz an der untenliegenden Kathodenelektrode 314 errichtet, um eine Glimmentladung zwischen der Platte aus polykristallinem Germanium auf der Kathodenelektrode 314 und der durch den Halter 302 gebildeten Anode hervorzurufen, damit polykristallines p-Germanium auf dem Substrat 300 abgeschieden wird. Die gebildete Dünnfilmschicht hatte eine Dicke von 0,48 um. Der Wasserstoffgehalt in der gebildeten polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht betrug 1,2 Atom-%.

Unter Verwendung der erhaltenen Probe wurde nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 ein Dünnfilmtransistor hergestellt. Es wurde festgestellt, daß es sich um einen guten Dünnfilmtransistor handelte, der mit einer Trägerbeweglichkeit &mgr;^ von 65 cm²/Vs, einer zeitlichen Änderung des Stroms /»von weniger als 0.1 % und

einem Änderungswert &Dgr; Vth der Schwellenspannung von 0 V stabile und gute Transistoreigenschaften zeigte.

Beispiel 5

ä Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements wird nachstehend anhand eines Dünnfilmtransistors beschrieben, der unter Verwendung einer polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht, die mittels einer Ionenplattierungs-Beschichtungseinrichtung gemäß Fig. 6 gebildet wurde, hergestellt wurde.

Zuerst wurde ein Germanium-Verdampfungskörper 606 aus polykristallinem Germanium in ein Schiffchen 607 in einer Abscheidungskammer 603, in der Unterdruck hervorgerufen werden konnte, hineingebracht, ein &iacgr;&ogr; Glas-Substrat auf Träger 611-1 und 611-2 aufgelegt und der Druck in der Abscheidungskammer 603 auf ungefähr 13,3 &mgr;Pa herabgesetzt Danach wurde über ein Gaseinführungsrohr 605 H₂-Gas mit einer Reinheit von 99,999% derart in die Abscheidungskammer 603 eingeleitet, daß der Wasserstoff-Partialdruck Pn zu 13,3 mPa wurde. Das verwendete Gaseinführungsrohr 605 hatte einen Innendurchmesser von 2 mm und an seinem Vorderende einen schleifenförmigen Abschnitt, an dem Gasauslaßöffnungen mit 0,5 mm Durchmesser in Abis ständen von 2 cm ausgebildet waren.

Danach wurde an eine Hochfrequenzspule 610 (mit dem Durchmesser 5 mm) eine Hochfrequenz-Leistung von 150 W bei 13,56 MHz angelegt, um innerhalb der Hochfrequenzspule 610 eine Hochfrequenz-Plasmaatmosphäre zu erzeugen.

Andererseits wurde, während die Träger 611-1 und 611-2 in Umlauf versetzt wurden, eine Heizvorrichtung 612 in Betrieb gesetzt, um das Glas-Substrat auf ungefähr 400° C zu erwärmen.

Als nächster Schritt wurden durch Bestrahlung des Germanium-Verdampfungskörpers 606 aus einem Elektronenstrahler 608 erwärmte Germaniumteilchen in eine Flugbewegung versetzt. Auf diese Weise wurde eine polykristalline Germanium-Dünnfilmschicht bis zu einer Dicke von ungefähr 0,5 &mgr;&pgr;&igr; gebildet; unter Verwendung dieser Dünnfilmschicht wurde mit den gleichen Schritten wie in Beispiel 1 ein Dünnfilmtransistor (als Probe Nr. 5-1) hergestellt. Ferner wurde unter Verwendung einer Dünnfilmschicht, die ohne Einleiten von Wasserstoff während der Bildung der polykristallinen Germanium-Dünnfilmschicht gebildet wurde, in der gleichen Weise wie bei der Probe Nr. 5-1 ein Dünnfilmtransistor (als Probe Nr. 5-2) hergestellt. Bei jeder der auf diese Weise hergestellten Proben wurden die Trägerbeweglichkeit &mgr;^, die zeitliche Änderung des Stroms Id und der Änderungswert AVth der Schwellenspannung gemessen, wobei die in Tabelle3 aufgeführten Ergebnisse erhalten wurden.

Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, hat die Probe Nr. 5-1 praktisch keine zeitlichen Änderungen des Stroms Id, und sie hat eine hohe Trägerbeweglichkeit \i_cn, so daß diese Probe gute Transistoreigenschaften zeigt.

Beispiel 6

In diesem Beispiel wird die Herstellung eines Dünnfilmtransistors durch Bildung einer polykristallinen Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht auf einem Substrat mittels der Einrichtung gemäß Fig. 3 beschrieben. Als Substrat 300 wurde ein Glas mit verhältnismäßig niedrigem Erweichungspunkt verwendet.

Zuerst wurde das Substrat 300 nach dem Waschen an seiner Oberfläche leicht mit einem Gemisch aus HF/HNO3/CH3COOH angeätzt und nach dem Trocknen an einem an der Anodenseite in einer Vakuumglocke 301 angeordneten Substraterwärmungs-Haläer 302 angebracht. Danach wurde die Vakuumglocke 301 mittels einer Diffusionspumpe 317 auf ein Grund-Vakuum von 133 &mgr;&Rgr;&bgr; evakuiert. Wenn bei diesem Vorgang der Druck unerwünscht hoch ist, trägt zur Abscheidung der Dünnfilmschicht nicht nur ein Reaktionsgas wirkungsvoll bei, sondern in die Dünnfilmschicht können auch Sauerstoff und Stickstoff eingelagert werden, die unerwünschte

ausgeprägte Änderungen des Widerstandswerts bzw. spezifischen Widerstands der Dünnfilmschicht hervorrufen. Als nächstes wurde die Substrattemperatur T, erhöht und das Substrat 300 bei 500⁰C gehalten. Die Substrattemperatur wurde mittels eines Thermoelements 303 überwacht.

Bei diesem Beispiel wurden als einzuleitende Reaktionsgase auf 1 Vol.-% mit H₂-GaS verdünntes SiH₄-GaS [SiH₄(IVH₂] sowie GeH₄(l)/H₂-Gas und B_:H_b(100)/H₂-Gas verwendet. Die Gasdurchflußgeschwindigkeit des

bö SiH₄(l)/H₂-Gases wurde mittels eines Durchflußreglers 310 auf 40 NcmVmin eingestellt, diejenige des GeH₄(l)/H₂-Gases mittels eines Durchflußreglers 304 auf 20 NcmVmin eingestellt und diejenige des B₂H₆(100)/H₂-Gases mittels eines Durchflußreglers 307 auf 30 NcmVmin eingestellt; diese Gase wurden gemeinsam über einen ringförmigen Gaseinblascauslaß 316 in die Vakuumglocke 301 eingeleitet, wobei mit Hilfe

Tabelle 3	Probe Nr.	5-2
	5-1	0
	13,3	0
Wasserstoff-Partialdruck P₁₁ (mPa)	1,5	20
Wasserstoffgehalt (Atom-%)	55	1,5
u,._ff(cm²/Vs)	SO₁I	0,5
zeitliche Änderung von I_n (%)	0
&Dgr; V_n (V)

eines Absolutdruckmanometers 313 der Druck in der Vakuumglocke durch Regeln eines Hauptventils 311 auf 1,33 Pa eingestellt wurde.

Nachdem der Druck in der Vakuumglocke stabilisiert war. wurde an einer Kathodenelektrode 314 ein elektrisches Hochfrequenz-Feld mit 13,56 MHz errichtet, um eine Glimmentladung einzuleiten. Die Spannung betrug 0,6 kV bei einem Strom von 55 mA und einer Hochfrequenz-Entladungsleistung von 20 W. Die erzeugte Dünnfilmschicht hatte eine Dicke von 0,5 &mgr;&eegr;&eegr;, wobei, bezogen auf die Substratabmessungen 12Ox 120 mm, die Gleichmäßigkeit der Dünnfilmschicht innerhalb von ±10% lag, wenn ein ringförmiger Gaseinblnscuuslaß verwendet wurde. Als Wasserstoffgehalt in der gebildeten Dünnfilmschicht wurden 0,2 Aiom-% ermittelt.

Als nächster Schritt wurde entsprechend Fig. 4 unter Verwendung dieser Dünnfilmschicht als Grundmaterial ein Dünnfilmtransistor hergestellt. Nachdem eine im Schritt (a) gemäß der vorstehenden Beschreibung auf dem Substrat 300 gebildete polykristalline Silicium-Gerrnaniurn-Dünnfilmschicht 401 abgeschieden wurde, wurde in die Vakuumglocke 301 PH3(1OO)/H2-Gas in einem 5&khgr; 10~³ betragenden Molverhältnis von PH3-Gas zu der Gesamtmenge des GeH4-Gases und des SiH₄-Gases eingeleitet, um den Druck in der Vakuumglocke 301 auf 16 Pa einzustellen, worauf eine Glimmentladung herbeigeführt wurde, um eine mit Phosphor dotierte &eegr; * -Schicht 402 in einer Dicke von 0,05 ,um zu bilden [Schritt (b)].

Darauf wurde als Schritt (c) außer an Bereichen einer Source-Elektrode 403 und einer Drain-Elektrode 404 die &eegr; ^T-Schicht 402 durch Fotoätzung entfernt. Dann wurde das Substrat wieder an dem Halter 302 an der Anodenseite in der Vakuumglocke 301 angebracht, um eine dünne Gate-Isolierschicht aufzubringen. In derselben Weise wie bei der Herstellung der polykristallinen Dünnfilmschicht wurde die Vakuumglocke 301 evakuiert, die Substrattemperatur bei 250⁰C gehalten und eine Glimmentladung herbeigeführt, wobei NH3-Gas mit der Reinheit 100%, dessen Durchfluß mittels eines Durchflußreglers 305 auf 20 NcmVmin eingestellt wurde, und auf 10 Vol.-% mit H₂-GaS verdünntes SiH₄-GaS [SiH₄(10)/H₂], dessen Durchfluß mittels eines Durchflußreglers 308 auf 5 NcmVmin eingestellt wurde, eingeleitet wurden, wodurch ein SiNH-FiIm 405 mit einer Dicke von 0,25 &mgr;&idiagr;&eegr; abgeschieden wurde [Schritt (d)].

Als nächstes wurden in einem Fotoätzschritt Kontaktöffnungen 406-1 und 406-2 für die Drain-Elektrode 404 bzw. die Source-Elektrode 403 gebildet, wonach auf der ganzen Fläche des SiNH-Films 405 durch Aufdampfung von Al eine dünne Elektrodenschicht 407 gebildet wurde [Schritt (f)]; dann wurden durch Bearbeiten der Al-Elektrodenschicht 407 in einem Fotoätzschritt eine Ausführungs-Elektrode 408 für die Source-Elektrode, eine Ausführungs-Elektrode 409 für die Drain-Elektrode und eine Gate-Elektrode 410 gebildet [Schritt (g)]. Danach wurde in einer H2-Atmosphäre eine Wärmebehandlung bei 25O⁰C durchgeführt.

Für den unter den vorstehend erwähnten Bedingungen hergestellten Dünnfilmtransistor (Kanallänge L = 20 &mgr;&igr;&eegr;, Kanalbreite VK= 650 &mgr;&idiagr;&eegr;) wurden stabile und gute Eigenschaften bzw. Kennwerte ermittelt.

Fig. 9 zeigi als Beispiel Vo- /o-Kennlinien des auf diese Weise hergestellten Dünnfilmtransistors. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, betrug bei einer Gate-Spannung Vc, von 10 V die Stromstärke des Stroms /» 6,8xlO~⁴ A, während bei Vc = OV die Stromstärke /d4x 10~⁸ A betrug und die Schwellenspannung 3,7 V war. Die gemäß der üblichen Praxis bei MOS-Dünnfilmtransistoren aus dem geradlinigen Abschnitt der Vc-y'Tö-Kurve ermittelte Trägerbeweglichkeit &mgr;_&ogr;&eegr; betrug 55 cm²/Vs. Folglich wurde ein Dünnfilmtransistor mit großer Beweglichkeit und guten Transistoreigenschaften erhalten, der für die Herstellung verschiedener Ansteuerungsschaltungen geeignet war.

Zur Untersuchung der Stabilität dieses Dünnfilmtransistors wurde fortgesetzt an das Gate eine Gleichspannung Vc,von 40 V angelegt und 1000 h lang die Änderung des Stroms Io gemessen. Das Ergebnis war, daß keine Änderung des Stroms Io aufgetreten ist. Ferner lag vor und nach der zeitlichen Änderung keine Änderung &Dgr; Vm der Schwellenspannung vor, was eine außerordentlich gute Stabilität bzw. Beständigkeit des Dünnfilnuransistors anzeigt. Nach der zeitlichen Änderung wurden auch die Vd-/o-Kennlinien und die V_o —/o-Kennlinien aufgenommen, wobei ermittelt wurde, daß sie sich gegenüber dem Zeitpunkt vor der Messung der zeitlichen Änderungen nicht verändert haben, wobei auch der Wert \i_c,i der Trägerbeweglichkeit mit 55 cm²/Vs derselbe geblieben ist.

Gemäß der Darstellung in Beispiel 6 wurde festgestellt, daß ein Dünnfilmtransistor, dessen Hauptteil durch eine polykristalline Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht mit einem Wasserstoffgehalt von 0,2 Atom-% gebildet wird, ein Transistor mit sehr hoher Leistungsfähigkeil ist.

Beispiel 7

Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 6 wurde eine polykristalline Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht auf einem Glas-Substrat unter folgenden Bedingungen gebildet: Hochfrequenz-Leistung = 40 W, SiH₄(l)/H₂-Durchflußgeschwindigkeit = 40Ncm'/min. GeH₄(1)/H₂-Durchflußgeschwindigkeit
20 NcmVmin, B₂H₆(100)/H2-Durchflußgeschwindigkeit = 30 NcmVmin und Druck = 2,7 Pa. Die Substrattemperatur (Ty) wurde in Intervallen von 50⁰C über 200^DC auf 700°C eingestellt, bis die Dünnfilmschicht in einer Dicke von 0,5 &mgr;&idiagr;&pgr; hergestellt war. Der Wasserstoffgehalt der einzelnen polykristallinen Silicium-Germanium-&ldquor;Halbleiter-Dünnfilmschichten wurde gemessen; bei den nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 6 unter Vciwciiuuiig uci ciüicliicii Düiififilriischiclucn hergestellten Düririfi!rriirariSi5turcn (als Proben Nr. Al-I bis Al-Il) wurden Trägerbeweglichkeiten &mgr;,,./rgemäß der Darstellung in Tabelle 1 -A ermittelt.

Wie aus Tabelle 1-A ersichtlich ist, hatten die Proben mit einem Wasserstoffgehalt von mehr als 3 Atom-% oder weniger als 0,01 Atom-% eine Trägerbeweglichkeit &mgr;,,, von weniger als 100 cm²/Vs und verhältnismäßig große zeitliche Änderungen des Stroms Io und &Dgr; V_Tii und somit hinsichtlich der Stabilität schlechtere Eigenschaften bzw. Kennwerte.

Tabelle 1-A

Probe Nr.
' Al-I Al-2 &Lgr;1-3 Al-4 Al-5 Al-6 Al-7 Al-8 Al-9 Al-IO Al-Il

T₁ (⁰C) 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Wasserstoffgehalt 6,5 5,5 4,2 3,2 2,7 1,5 0,2 0,1 0,06 0,01 <0,01

&iacgr;&ogr; Atom-%

u_P//(cm²/Vs) 4 7 15 21 42 53 55 58 52 18 12

zeitliche Änderung 1,5 1,2 0,8 0,3 <0,l <0,l <0,l <0,l <0,l <0,l 0,8

von I₀ (%)

A V₇₁, (V) 0,6 0,6 0,4 0,2 0 0 0 0 0 0 0,1

Beispiel 8

2« Beispiel 8 wird unier Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.

Zuerst wurde ein in derselben Weise in Beispie! 6 hergestelltes Substrat 500 aus Glas mit verhältnismäßig niedrigem Erweichungspunkt an einem Substrathalter 502 in einer Vakuumkammer 501 angebracht, die auf einen Druck von 2,7 nPa evakuiert werden konnte; danach wurde der Druck in der Vakuumkammer 501 auf 5,33 nPa oder darunter herabgesetzt und die Substrattemperatur mittels eines Heizelements 503 auf 500°C eingestellt. Dann wurde ein Elektronenstrahler 504 mit einer Beschleunigungsspannung von 10 kV in Betrieb gesetzt, und die abgegebenen Elektronenstrahlen wurden auf einen Silicium-Verdampfungskörper 505 aufgestrahlt. Ferner wurde der Elektronenstrahler 504 mit einer Beschleunigungsspannung von 10 kV in Betrieb gesetzt, wobei die Elektronenstrahlen auf einen Germanium-Verdampfungskörper aufgestrahlt wurden. Danach wurde mittels eines Heizelements 511 eine Knudsen-Zelle 509 erwärmt, um aus dieser Bor 510 auszudampfen, - 30 wonach Verschlüsse 507 und 512 geöffnet wurden, um eine polykristalline Siiicium-Germanium-Dünnfilmschicht

zu bilden, während mittels eines Quarzoszillator-Filmdickemessers 506 eine Regelung derart ausgeführt wurde, daß auf dem Substrat 500 eine Dünnfilmschicht mit einer Dicke von 0,5 &mgr;&igr;&tgr;&igr; gebildet wurde. Der Druck während dieser Aufdampfung betrug 200 nPa bei einer Aufdampfungsgeschwindigkeit von 0,14 nm/s. Die auf diese Weise hergestellte Probe wird als Probe Nr. A3-1 bezeichnet.

Als nächstes wurde ein in derselben Weise hergestelltes Glas-Substrat 500 an dem Substrathalter 502 befestigt; nach dem Evakuieren der Vakuumkammer 501 auf einen Druck von 5,3 nPa oder darunter wurde hochreines Wasserstoffgas (99,999%) über ein verstellbares Ableitventil 508 in die Vakuumkammer 501 eingeleitet, um den Kammerinnendruck auf 27 &mgr;&Rgr;&agr; zu bringen, wonach die Substrattemperatur auf 500⁰C eingestellt wurde. In derselben Weise wie bei der Herstellung der Probe Nr. A3-1 wurden Silicium, Germanium und Bor verdampft,

■to um eine Dünnfilmschicht zu bilden. Zur Bildung einer polykristallinen Silicium-Gennanium-Dünnfilmschicht mit einer Dicke von 0,5 &mgr;&eegr;&igr; wurde die Filmbildlingsgeschwindigkeit auf 0,14 nm/s eingestellt. Die auf diese Weise hergestellte Probe wird als Probe Nr. A3-2 bezeichnet.

Bei den Proben Nr. A3-1 und A3-2 wurde jeweils der Wasserstoffgehalt in der polykristallinen Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht gemessen; bei den einzelnen Dünnfilmtransistoren, die auf die gleiche Weise wie in Beispiel 6 unter Verwendung der jeweiligen Proben hergestellt wurden, wurden die Trägerbeweglichkeit &mgr;,·&eegr;, die zeitliche Änderung des Stroms I_n und der Änderungswert &Dgr; V_Tn der Schwellenspannung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2-A dargestellt.

Wie aus Tabelle 2-A ersichtlich ist, betrug der Wasserstoffgehalt in der polykristallinen Siliciurn-Germanium-■ Dünnfilmschicht bei der Probe A3-1 weniger als 0,1 Atom-%, während der Wasserstoffgehalt bei der Probe Nr.

A3-2 0,3 Atom-% betrug.

Als Ergebnis war im Falle der Probe Nr. A3-2 im Vergleich zu der Probe Nr. A3-1 die effektive Trägerbeweglichkeit \icir des hergestellten Dünnfilmtransistors größer, und die Probe Nr. A3-2 war auch hinsichtlich der Stabilität des Dünnfilmtransistors besser, so daß diese Probe als Halbleiter-Dünnfilmschicht für einen Dünnfilmtransistor vorzuziehen war.

55

Tabelle 2-A

b0

Probe Nr.

A3-1 A3-2

Wasserstollgchalt (Alom-%) 0,01 0,3

&mgr;,._/7 (cnr/Vs) 28 42

zeitliche Änderung von l_D (%) 1,5 0,1

A V_TH (V) 0,2 0

Beispiel 9

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements wird nachstehend anhand eines Dünnfilmtransistors erläutert, der unter Verwendung einer polykristallinen Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht, die mittels einer Ionenplattierur.gs-Abscheidungsvorrichtung gemäß der Darstellung in Fig. 6 gebildet wurde, hergestellt wurde.

Zuerst wurden für polykristallines Silicium-Germanium ein Silicium-Verdampfungskörper 606 in ein Schiffchen 607 und ein (nicht dargestellter) Germanium-Verdanipfungskörper in ein Schiffchen in einer Abseheidungskammer 603 hineingebracht, in der Unterdruck hervorgerufen werden konnte: dann wurde ein Substrat aus Glas mit verhältnismäßig niedrigem Erweichungspunkt auf Träger 611-1 und 611-2 aufgelegt und der Druck in der Abscheidi'ngskammer 603 auf ungefähr 13,3 &mgr;&Rgr;&zgr; herabgesetzt. Danach wurde über ein Gaseinführungsrohr 605 H₂-GaS mit einer Reinheit von 99,999% derart in die Abscheidungskammer 603 eingeleitet, daß der Wasserstoff-Partialdruck Pn zu 13,3 mPa wurde. Das verwendete Gaseinführungsrohr 605 hatte einen Innendurchmesser von 2 mm und an seinem Vorderende einen schleifenförmigen Abschnitt, an den Gasausblaseöffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm in Abständen von 2 cm ausgebildet waren.

Danach wurde eine Hochfrequenzspule 610 (mit einem Durchmesser von 5 mm) mit Hochfrequenz-Leistung von 200 W bei 13,56 MHz beaufschlagt, um innerhalb der Hochfrequenzspule eine Hochfrequenz-Plasmaatmosphäre zu schaffen.

Andererseits wurde, während die Träger 611-1 und 611-2 in Drehung versetzt wurde, eine Heizvorrichtung 612in Betrieb gesetzt, um das Glas-Subst. at auf ungefähr 450° C zu erwärmen.

Als nächster Schritt wurden jeweils durch Bestrahlung des Silicium-Verdampfungskörpers 606 und des Germanium-Verdampfungskörpers mit Elektronenstrahlen 608 das Silizium und das Germanium erwärmt, wodurch eine Flugbewegung von Siliciumteilchen und Germaniumteilchen hervorgerufen wurde. Auf diese Weise wurde eine polykristalline Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht mit einer Dicke von ungefähr 0,5 &mgr;&pgr;&igr; gebildet; unter Verwendung dieser Dünnfilmschicht wurde mit den gleichen Schritten wie in Beispiel 6 ein Dünnfilmtransistor (als Probe Nr. A4-1) hergestellt. Ferner wurde auf dieselbe Weise wie bei der Probe Nr. A4-1 &ldquor; ein Dünnfilmtransistor (als Probe Nr. A4-2) unter Verwendung einer Dünnfilmschicht, die ohne Einleiten von

'i Wasserstoff während der Bildung der polykristallinen Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht gebildet wurde,

hergestellt. Bei jeder der auf diese Weise hergestellten Proben wurden die Trägerbeweglichkeit &mgr;^&kgr; die zeitliche Änderung des Stroms I₀ und der Änderungswert &Dgr; V_Tn der Schwellenspannung gemessen, wobei die in Tabelle 3-A dargestellten Ergebnisse erhalten wurden.

Wie aus Tabelle 3-A ersichtlich ist, hat die Probe Nr. A4-1 keine zeitliche Änderung des Stroms I_D und auch eine große Trägerbeweglichkeit n_cn, so daß die Probe gute Transistorkennwerte zeigt.

Tabelle 3-A

Probe Nr.

A4-1 A4-2

-40

Wasserstoff-Partialdruck P₁₁ (mPa) 13,3 0

Wasserstoffgehalt (Atom-%) 1,2 0

&mgr;_&rgr;//(&agr;&tgr;&ngr;7&ngr;5) 32 8

zeitliche Änderung von I₀ (%) £0,1 1,8

A V_n (V) 0 0,4

Beispiel 10

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 ein Beispiel beschrieben, bei dem eine polykristalline Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht nach dem Kathodenzerstäubungsverfahren gebildet wird.

In einer Vakuumglocke 801 wurde ein in derselben Weise wie in Beispiel 6 hergestelltes Substrat 800 aus Glas mit verhältnismäßig niedrigem Erweichungspunkt in enger Berührung an einem Substraterwärmungs-Halter 802 an der obenliegenden Anodenseite befestigt, während auf eine untenliegende Kathodenelektrode 806 eine (nicht gezeigte) Platte aus polykristallinem Silicium (mit der Reinheit 99,999%) und auf eine untenliegende Kathodenelektrode 807 eine (nicht gezeigte) Platte aus polykristallinem Germanium (mit der Reinheit 99,999%) derart aufgelegt wurden, daß sie dem Substrat zugewandt waren. Der Innendruck der Vakuumglocke 805 wurde

■ mittels einer Diffusionspumpe 810 auf 133 &mgr;&Rgr;&agr; oder darunter herabgesetzt, worauf der Substraterwärmungs-

| Halter 802 so erwärmt wurde, daß die Oberflächentemperatur des Substrats 800 bei 400°C gehalten wurde.

In die Vakuumglocke 801 wurden über ein ringförmiges Gaseinführungsrohr 812 B₂H₆(IOOyH₂-GaS über einen DurcliflüGreglci S13 nut einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 NcmVmin und ferner H₂-GaS über einen Durchflußregler 814 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 NcmVmin eingeleitet, wobei der Innendruck in der Vakuumglocke 801 durch Verengen eines Hauptventils 811 auf 1,33 Pa eingestellt wurde.

Nachdem der Innendruck in der Vakuumglocke stabilisiert war, wurden aus einer Spannungsquelle 808 eine eö Ausgangsspannung von 3,5 kV mit der Hochfrequenz 13,56 MHz an die untenliegende Kathodenelektrode 806 sowie aus einer Spannungsquelle 809 eine Ausgangsspannung von 2,5 kV mit der Hochfrequenz 13,56 MHz an die untenliegende Kathodenelektrode 807 angelegt, um zwischen der polykristallinen Siliciumplatte und der

polykristallinen Germaniumplatte auf den Kathodenelektroden 806 und 807 einerseits und der durch den ₍I Substraterwärmungs-Halter 802 gebildeten Anode andererseits eine Glimmentladung hervorzurufen, damit auf

dem Glas-Substrat 800 eine polykristalline p-Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht abgeschieden wird. Die gebildete Dünnfilmschicht hatte eine Dicke von 0.55 ,um. Der Wasserstoffgehalt in der gebildeten polykristallinen Silicium-Germanium-Dünnfilmschicht betrug 1,6 Atom-%.

Unter Verwendung der auf diese Weise erhaltenen Probe wurde nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 6 ein Dünnfilmtransistor hergestellt. Es wurde festgestellt, daß es sich um einen guten Dünnfilmtransistor handelte, der stabile und gute Transistorkennwerte zeigte, wobei die Trägerbeweglichkeit n_crr35 cmVVs war, die zeitliche Änderung des Stroms //; kleiner als 0,1 % war und der Änderungswert &Dgr; V>&ldquor;der Schwellenspannung 0 V betrug.

Gemäß den vorstehenden Ausführungen haben die mit einer polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht als Grundmaterial hergestellten Halbleiterbauelemente gute elektrische Eigenschaften ohne zeitliche Veränderungen, wobei auch die Ausbeute und die Streuung der Halbleiterbauelemente verbessert werden können. Infolgedessen ist es möglich, stabile Anzeigen unter Verwendung von Flüssigkristall, Elektrolumineszenz-Material oder elektrochromem Material oder Abtastschaltungen bzw. Ansteuerungsschaltungen wie z. B. Bildaufnahmevorrichtungen herzustellen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche

1. Halbleiterbauelement mit einer polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht, die 3 Atom-% oder weniger Wasserstoffatome enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Halbleiter-Dünnfilmschicht (102; 401) Germaniumatome als Matrix aufweist

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der polykristallinen Halbleiter-Dünnfilmschicht (102; 401) ferner Siliciumatome als Matrix enthalten sind.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffatome in einer Menge von 0,01 bis 3 Atom-% enthalten sind.

&iacgr;&ogr;

4. Als Feldeffekt-Dünnfilmtransistor ausgebildetes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

bei dem die 3 Atom-% oder weniger Wasserstoffatome enthaltende polykristalline Halbleiter-Dünnfilmschicht auf einem Substrat gebildet ist, bei dem in der Halbleiter-Dünnfilmschicht ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich gebildet sind, bei dem auf der Halbleiter-Dünnfilmschicht zumindest an dem Teil zwisehen den beiden Bereichen eine Isolierschicht gebildet ist, bei dem auf der Isolierschicht eine Gate-Elektro-

15 de gebildet ist und bei dem eine Source-EIektrode, die einen elektrischen Kontakt mit dem Source-Bereich

bildet, und eine Drain-Elektrode, die eint-n elektrischen Kontakt mit dem Drain-Bereich bildet, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Halbleiter-Dünnfilmschicht (102; 401) Germaniumatome als Matrix aufweist.

5. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (101; 300) aus wärmebeständigem Kunststoff besteht.

6. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (101; 300) aus niedrigschmelzendem Glas besteht.

7. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (101; 300) aus einem Keramikmaterial besteht.

8. Dünnfilmtransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (101; 300) aus Hartglas besteht.