JP3091882B2

JP3091882B2 - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP3091882B2
Application number: JP02323697A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 2000-09-25
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JPH04196179A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

本発明は基板上に設けられた半導体の一主表面側に＋
電極となるＰ型の領域と−電極となるＮ型の領域とを選
択的に設けた光電変換装置に関する。

【従来の技術】従来、光電変換装置に関してはPNまたはPIN接合を単
結晶珪素半導体、多結晶珪素半導体あるいは非晶質珪素
半導体を使用しての珪素基板又は絶縁基板上に形成した
太陽電池、またはフォトセルが知られている。しかしこ
のPNまたはPIN接合は単結晶の珪素基板または絶縁性基
板上に積層された半導体層の表面と裏面にその＋電極ま
たは−電極を有し、その接合面は半導体層または基板の
主面に実質的に平行に設け、この接合面に光が多量に照
射されるように工夫がなされていたにすぎなかった。これら従来の光電変換装置は半導体層または半導体基
板の主面に平行に接合面を設けていた為、半導体中に設
けられたPNまたはPIN接合により半導体内部に発生する
電界のかかる方向と光照射面が垂直となり、光照射強度
が電界のかかる方向で一様ではなく、効率よく電子・ホ
ールを発生させ、外部に取り出すことはできなかった。また、単結晶基板は極めてへきかいしやすく高価であ
り、加工がしにくく、光電変換装置を集積化して複数個
を直列または並列に配列させることができない等多くの
欠点を有していた。また、非晶質半導体を使用した光電変換装置の場合光
照射により発生したキャリアは半導体材料自身の持つ拡
張長が短い為に、光照射により発生したキャリアを有効
的に外部に取り出すことができないと言う問題があっ
た。一方単結晶半導体あるいは多結晶半導体を使用した光
電変換装置は、半導体層自身の持つ光吸収係数が小さい
為に半導体層自身の厚みを厚くしなければならず作製時
間、製作コスト上の問題があった。

【発明の構成】

本発明は基板上の同一の半導体膜中に選択的にＰ型ま
たはＮ型の不純物領域を有する光電変換装置であって、
前記Ｐ型またはＮ型の不純物領域によって形成される電
界方向と光照射面とを平行にしたことを特徴とする光電
変換装置であります。また、この半導体膜はセミアモルファスまたはセミク
リスタル半導体より構成されることによりアモルファス
半導体では得られない、大きな拡散長を持ち、単結晶あ
るいは多結晶半導体では得られない大きな光吸収係数を
持つ半導体膜であり、これにより、半導体膜厚をうすく
できかつ、長い拡散長を持つ光電変換装置を実現するも
のであります。上記のような構成の光電変換装置においてはＰ型拡散
領域とＮ型拡散領域との間の光電変換領域にて発生した
キャリアを半導体層の持つ長い拡散長により、効率良く
外部に電力を取り出すことができる。さらに、同一の半
導体膜の光照射面より、Ｐ型の領域、Ｎ型の領域をその
半導体の深さ方向に形成したことにより、Ｐ型の領域と
Ｎ型の領域間での電界方向での光強度が一定となり光電
変換効率の向上を実現することができる。本願発明に用いられるセミアモルファスまたはセミク
リスタル半導体について、そのメカニズムを略記する。本発明のセミアモルファス又はセミクリスタル半導体
膜はLPCVD法、スパッタ法あるいはPCVD法等により膜形
成の後に熱結晶化処理を施して得られるが、以下にはス
パッタ法を例にとり説明をする。すなわちスパッタ法において単結晶のシリコン半導体
をターゲットとし、水素とアルゴンとの混合気体でスパ
ッタをすると、アルゴンの重い原子のスパッタ（衝撃）
によりターゲットからは原子状のシリコンも離れ、被形
成面を有する基板上に飛しょうするが、同時に数十〜数
十万個の原子が固まった塊がクラスタとしてターゲット
から離れ、被形成面に飛しょうする。この飛しょう中は、水素がこのクラスタの外周辺の珪
素の不対結合手と結合し、被形成面上に秩序性の比較的
高い領域として作られる。すなわち、被膜形成面上には秩序性の高い、かつ周辺
にSi−Ｈ結合を有するクラスタと純粋のアモルファス珪
素との混合物とする。これを450℃〜700℃の非酸化性気
体中での熱処理により、クラスタの外周辺のSi−Ｈ結合
は他のSi−Ｈ結合と反応し、Si−Si結合を作る。しかし、この結合はお互い引っぱりあうと同時に、秩
序性の高いクラスタはより高い秩序性の高い状態、すな
わち結晶化に相を移そうとする。しかし隣合ったクラス
タ間は、互いに結合したSi−Siがそれぞれのクラスタ間
を引っぱりあう。その結果は、結晶は格子歪を持ちレー
ザラマンでの結晶ピークは単結晶の520cm^-1より低波数
側にずれて測定される。また、このクラスタ間のSi−Si結合は互いのクラスタ
をアンカリング（連結）するため、各クラスタでのエネ
ルギバンドはこのアンカリングの個所を経て互いに電気
的に連結しあえる。そのため結晶粒界がキャリアのバリ
アとして働く多結晶シリコンとは根本的に異なり、キャ
リア移動度も10〜200cm²/V Secを得ることができる。つまり本発明の如く、かるる定義に基づくセミアモル
ファスまたはセミクリスタルは見掛け上結晶性を持ちな
がらも、電気的には結晶粒界が実質的にない状態を予想
できる。もちろん、アニール温度がシリコン半導体の場合の45
0℃〜700℃という中温アニールではなく、1000℃または
それ以上の結晶成長をともなう結晶化をさせる時はこの
結晶成長により、膜中の酸素等が粒界に析出し、バリア
を作ってしまう。これは、単結晶と同じ結晶と粒界のあ
る材料である。またこの半導体におけるクラスタ間のアンカリングの
程度を大きくすると、よりキャリア移動度は大きくな
る。このためにはこの膜中にある酸素量を７×10¹⁹cm^-3
好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下にすると、さらに600℃よ
りも低い温度で結晶化ができるに加えて、高いキャリア
移動度を得ることができる。以下に実施例に従い本発明を説明する。『実施例１』第１図は本発明の製作工程を示す縦断面図である。第
１図（Ａ）において、基板（１）は導電性または絶縁性
基板を使用することができる。この基板は安価であり以
降の被膜形成工程に対し機械的強度並びに対熱性を有し
ていることがその要件である。この為本実施例においては、陶器、セラミック、また
は、ガラス基板を主として用いた。第１図において、ANガラス、パイレックスガラス等の
約600℃の熱処理に耐え得るガラス上にマグネトロンRF
（高周波）スパッタ法を用いてブロッキング層としての
酸化珪素膜（２）を1000〜3000Åの厚さに作製した。プロセス条件は酸素100％雰囲気、成膜温度150℃、出
力400〜800W、圧力0.5Paとした。ターゲットに石英また
は単結晶シリコンを用いた成膜速度は30〜100Å／分で
あった。さらにこの上にシリコン膜（３）をLPCVD法、スパッ
タ法またはプラズマCVD法により形成した。減圧気相法で形成する場合、結晶化温度よりも100〜2
00℃低い450〜550℃、例えば530℃でジシラン（Si₂H₆）
またはトリシラン（Si₃H₈）をCVD装置に供給して成膜し
た。反応炉内圧力は30〜300Paとした。成膜速度50〜250
Å／分であった。スパッタ法で行う場合、スパッタ前の背圧を１×10^-5
Pa以下とし、単結晶シリコンをターゲットとし、アルゴ
ンに水素を20〜80％に混入した雰囲気で行った。例えば
アルゴン20％、水素80％とした。成膜温度は150℃、周
波数は13.56MHz、スパッタ出力400〜800Wとした。圧力
は0.5Paであった。プラズマCVD法により珪素膜を作製する場合、その温
度は例えば300℃とし、モノシラン（SiH₄）またはジシ
ラン（Si₂H₆）を用いた。これらをPCVD装置内に導入
し、13.56MHzの高周波電力を加えて成膜した。これらの方法によって形成された被膜は、酸素が７×
10¹⁹cm^-3以下、好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下の濃度であ
ることが好ましい。そのような範囲にあった場合、珪素
膜を結晶化をさせる場合、結晶化の程度を助長させ得る
からである。例えばSIMS（二次イオン質量分析）法における不純物
濃度として酸素が８×10¹⁸cm^-3、炭素３×10¹⁶cm^-3を
得、また水素は４×10²⁰cm^-3であり、珪素４×10²²cm^-3
として比較すると１原子％であった。かくして、アモルファス状態の珪素膜を2000Å〜２μ
ｍ、例えば１μｍの厚さに作製の後、450〜700℃の温度
にて12〜70時間非酸化物雰囲気にて中温の加熱処理し
た。例えば窒素または水素雰囲気にて600℃の温度で保
持した。この珪素膜の下の基板表面にはアモルファス状態の酸
化珪素膜が形成されているため、この熱処理で珪素膜中
に特定の核が存在せず、全体が均一に加熱アニールされ
る。即ち、成膜時はアモルファス構造を有し、また水素
は単に混入しているのみである。このアニールにより、珪素膜はアモルファス構造から
秩序性の高い状態に移り、その一部は結晶状態を呈す
る。特にシリコンの成膜時に比較的秩序性の高い領域は
特に結晶化をして結晶状態となろうとする。しかしこれ
らの領域間に存在する珪素により互いの結合がなされる
ため、珪素同志は互いにひっぱりあう。結晶としてもレ
ーザラマン分光により測定すると、単結晶の珪素のピー
ク522cm^-1より低周波側にシフトしたピークが観察され
る。それの見掛け上の粒径は半値巾から計算すると、50
〜500Åとマイクロクリスタルのようになっているが、
実際はこの結晶性の高い領域は多数あってクラスタ構造
を有し、その各クラスタ間は互いに珪素同志で結合（ア
ンカリング）がされたセミアモルファス構造の被膜を形
成させることができた。結果として、この被膜は実質的にグレインバウンダリ
（GBという）がないといってもよい状態を呈する。キャ
リアは各クラスタ間をアンカリングされた個所を通じ互
いに容易に移動し得るため、いわゆるGBの明確に存在す
る多結晶珪素よりも高いキャリア移動度となる。即ちホ
ール移動度（μｈ）＝10〜200cm²/Vsec、電子移動度
（μｅ）＝15〜300cm²/Vsecが得られる。同様にキャリ
アの拡散長も数μｍから十数μｍと多結晶半導体と同等
またはそれ以上の値が得られる。他方、上記の如く中温でのアニールではなく、900〜1
200℃の温度での高温アニールにより被膜を多結晶化す
ると、核からの固相成長により被膜中の不純物の偏析が
おきて、GBには酸素、炭素、窒素等の不純物が多くな
り、結晶中の移動度は大きいが、GBでのバリア（障壁）
を作ってそこでのキャリアの移動を阻害してしまう。そ
して結果としては10cm²/Vsec以上の移動度がなかなか得
られないのが実情である。即ち、本発明の実施例ではかくの如く、セミアモルフ
ァスまたはセミクリスタル構造を有するシリコン半導体
（３）を用いている。次に第１図（Ｂ）において、フォトレジストによるマ
スク（４）をフォトマスクを用いて形成し、Ｐ型の不
純物領域（５）に対し、ホウ素を１×10¹⁵cm^-2のドーズ
量をイオン注入法により添加した。次に第１図（Ｃ）の如く、フォトレジストのマスク
（６）をフォトマスクを用いて形成した。そしてＮ型
不純物領域（７）に対して、リンを１×10¹⁵cm^-2の量、
イオン注入法により添加した。このＰ型不純物領域とＮ型不純物領域との間隔は２〜
20μｍ特に５〜７μｍと巾を狭くし、半導体中の再励起
によって発生した電子・ホールのキャリアの拡散距離よ
り短くその1/4〜1/2とするのが好ましかった。次に、600℃にて10〜50時間再び加熱アニールをし、
Ｐ型及びＮ型不純物領域を活性化した。熱アニールは第１図（Ａ），（Ｃ）で２回行った。し
かし第１図（Ａ）のアニールは求める特性により省略
し、双方を第１図（Ｃ）のアニールにより兼ねさせて製
造時間の短縮を図ってもよい。次に第１図（Ｄ）に示すように、絶縁物（８）を前述
のスパッタ法により酸化珪素膜の形成として行った。こ
の酸化珪素膜の形成はLPCVD法、光CVD法を用いてもよ
い。例えば0.2〜0.4μｍの厚さに形成した。その後、フ
ォトマスクを用いてＰ型及びＮ型不純物領域用の電極
用の窓（９）をエッチング処理にて形成した。さらにこれら全体にアルミニウムをスパッタ法により
形成し、リード（10）をフォトマスクを用いて作製
し、本実施例の光電変換装置を完成した。かかる光電変換装置の特性は1.05cm²の面積で変換効
率が11.5％が得られ、この半導体膜のキャリアの拡散長
は10.5μｍであった。本発明の特徴として、＋と−の電極が従来の装置のよ
うに半導体層を挟んで半導体膜積層方向に無いため、こ
の両電極間が半導体膜作製時に形成されるピンホールに
よりショートすることがなく、曲線因子（FF）の値の良
い光電変換装置とすることができた。『実施例２』第２図（Ａ）のように本実施例は実施例１とほぼ似た
構造である。但し半導体膜（３）の光照射面側にアモルファスシリ
コン半導体膜（11）が3000Åの厚さに形成されている。
その他の形成方法等は実施例１とほぼ同様である。このアモルファスシリコン半導体膜（11）はその下地
の半導体膜（３）より光の吸収係数は大きいそのため本
実施例の場合は光照射によりキャリアは半導体膜（11）
で多量に発生した後、半導体膜（３）にドリフトし半導
体層（３）を通路として移動し＋電極、−電極より外部
に取り出される。また同時に半導体膜（３）においても
光照射によりキャリアは発生しているが、半導体膜の光
感度に波長依存性が存在するので、本実施例構成により
幅広い波長域の光を電気に変換することが可能となる。また、半導体膜（11）は半導体膜（３）に比べて、そ
のエネルギーバンド巾が広いので、半導体膜（３）で発
生したキャリアが半導体膜（11）にドリフトする事を防
止し、かつ半導体膜（11）が発性したキャリアはそのエ
ネルギーバンドの勾配にそって半導体膜（３）に移動す
る、そのため発生したキャリアをより効率よく外部に取
り出すことが可能となった。この様子を第４図（Ａ）（Ｂ）に示す。第４図（Ａ）
は第２図（Ａ）のＡ−Ａ′線に沿ったエネルギーバンド
図であり、第４図（Ｂ）は第２図（Ａ）のＢ−Ｂ′線に
沿ったエネルギーバンド図を示している。『実施例３』本実施例では実施例２と同様に光照射側にアモルファ
スシリコンを設けた例を示している。第２図（Ｂ）にその断面図を示す。実施例２とは異なり、基板側に設け光照射面を基板側
にして、その反対側に取り出し電極を設けている。本実施例においては、実施例１と全く同じ工程にて、
光電変換装置の作製を進めて行くが、アモルファスシリ
コン半導体膜部（12）を半導体膜（３）の下に設ける為
に、熱結晶化処理前の半導体膜（３）の厚みを1.5μｍ
に形成し、熱処理温度を実施例１より下げ500℃とし
て、完全に全ての半導体膜（３）が熱結晶化されないよ
うな条件にて熱処理を行い、基板側にアモルファス状態
の半導体膜（12）をのこすようにして形成した。その為
第２図（Ｂ）では半導体膜（３）と半導体膜（12）との
間に境界（点線）を示していたが実際には明確な境界は
存在せず、基板側より、厚み方向に結晶化の程度に差が
見られる様に半導体膜を形成した。これにより、第４図（Ｃ）に示すように第２図（Ｂ）
のＣ−Ｃ′線に沿ったエネルギーバンド図は半導体膜
（12）から半導体膜（３）に連続的につながっており、
半導体膜（12）にて発生したキャリアはその連続的なエ
ネルギーバンドの勾配に従い、半導体膜（３）に導か
れ、ここを通路として外部取り出し電極に到る。この連続的なエネルギーバンド構造をとらせる際に半
導体膜の基板側に積極的に炭素、窒素等を添加してワイ
ドギャップとすることにより、カネルギーバンドの勾配
をより強くすることができ、キャリアをより多く半導体
膜（３）へ導くことができる。『実施例４』本実施例に対応する光電変換装置の概略断面図を第３
図に示す。本実施例の作製方法は実施例１と全く同じであり、Ｐ
型またはＮ型領域を複数箇所設けた構成を有している。このＰ型又はＮ型不純物領域およびそれに接続する電
極は半導体膜の１主面に形成される為、必要とされる電
力にあわせて、任意にこの＋と−の電極を接続できる。また、光照射面を基板側とすることができるので、こ
の電極の接続の為に光電変換領域の面積が減少すること
もなく任意の電力をマスクパターンを変更するのみで行
うことが可能となった。『発明の効果』本発明の様な構成をとることにより、基板上に薄膜の
長い拡散長を持ち且つ光吸収係数の大きな光電変換装置
を実現することができた。また光照射により発生したキャリアは半導体膜の平面
方向に拡散するので、半導体膜形成により膜厚方向にで
きる界面の影響を受けずに、効率良く外部に取り出され
る。その他の特徴としては、外部取り出し電極を基板上に
形成させたため一基板上の光電変換装置を複数個集積化
して直、並列接続をすることができ同一基板上に逆流防
止ダイオードをも同一半導体により作製することができ
る。＋電極及び−電極が一表面にのみ形成されている為、
半導体作製の際、その熱的ストレスを考慮する必要はな
い。安価な基板特に陶器，セラミックス，ガラス等の絶縁
基板を用いており、しかもこの基板上に半導体を１〜50
μの薄さで形成させるためその材料費が安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による構造を有する光電変換装置の作製
工程を示す縦断面図である。第２図（Ａ），（Ｂ）および第３図は本発明の他の実施
形態の縦断面図である。第４図は第２図に対応するエネルギーバンド図である。３……半導体膜５……Ｐ型不純物領域７……Ｎ型不純物領域 10……電極 11,12……アモルフスァス半導体膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に設けられた酸化珪素
膜と、前記酸化珪素膜上に設けられ、１×10¹⁹cm^-3以下
の酸素量を含む結晶質を有するＩ型半導体膜と、接合面
が前記基板に対しほぼ垂直となるように、前記Ｉ型半導
体膜に設けられたＰ型及びＮ型領域と、光照射を受ける
前記Ｉ型半導体膜に設けられ、前記Ｉ型半導体膜より光
吸収係数が大きく、しかもエネルギーバンド幅が大きい
アモルファス半導体膜とからなることを特徴とする半導
体装置。
【請求項２】基板上にブロッキング層として作用する酸
化珪素膜を形成する工程と、前記酸化珪素膜上に１×10
¹⁹cm^-3以下の酸素量を含む結晶質を有するＩ型半導体膜
を形成する工程と、前記Ｉ型半導体膜に対して順次選択
的にイオン注入を行い、接合面が前記基板に対しほぼ垂
直となるＰ型及びＮ型領域を形成する工程と、前記Ｉ型
半導体膜を非酸化性雰囲気中において450乃至700℃の温
度で熱処理する工程とからなることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項３】光照射を受ける前記酸化珪素膜上又は前記
Ｉ型半導体膜上に前記Ｉ型半導体膜より光吸収係数が大
きく、しかもエネルギーバンド幅が大きいアモルファス
半導体膜を形成する工程を有することを特徴とする請求
項２記載の半導体装置の製造方法。