JP2015130451A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、結晶性の良好な半導体層をプラスチック基板上に形成すること。【解決手段】プラスチック基板１０上に形成された下地膜１２と、前記下地膜上に金属触媒誘起成長法を用い形成された半導体層１４と、を具備する半導体装置。プラスチック基板１０上に下地膜１２を形成する工程と、前記下地膜上に半導体を含む層１８を形成する工程と、前記半導体を含む層上に金属層１５を形成する工程と、前記下地膜上に、金属触媒誘起成長法を用い、前記半導体を主に含む半導体層１４を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、下地膜上に半導体層が形成された半導体装置およびその製造方法に関する。

非晶質な基板上に半導体層を形成する方法として金属触媒誘起成長法がある。非特許文献１には、金属接触誘起成長法を用いガラス基板上にＧｅ（ゲルマニウム）層を形成する技術が記載されている。このように、ガラス基板上にＧｅ層を形成することにより、高性能な太陽電池やＧｅトランジスタを安価に実現できる。

さらに、安価で可撓性のある基板としてプラスチック基板がある。例えば、非特許文献２には、Ｇｅ層をプラスチック基板上に転写した後、転写したＧｅ層に光検出器を形成する技術が記載されている。非特許文献３には、Ｇｅ基板上にタンデム太陽電池を形成した後、プラスチック基板に転写する技術が記載されている。

Applied Physics Letters 101, 072106 (2012) Applied Physics Letters 94, 013102 (2009) Applied Physics Letters 100, 053901 (2012)

非特許文献２および３のように、プラスチック基板上に半導体層を転写する方法を用いることで、プラスチック基板上に結晶性の良好な半導体層を形成できる。これにより、可撓性を有する半導体装置を提供できる。しかしながら、非特許文献２および３では、半導体層を基板から切り取り、プラスチック基板に転写するため、製造コストが高くなる。

一方、非特許文献１のような金属触媒誘起成長法を用い、プラスチック基板上に半導体層等を形成すると、製造コストを削減できる。しかしながら、プラスチック基板上に半導体層を形成すると、半導体層の結晶性が劣化する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、低コストで、結晶性の良好な半導体層をプラスチック基板上に形成することを目的とする。

本発明は、プラスチック基板上に形成された下地膜と、前記下地膜上に金属触媒誘起成長法を用い形成された半導体層と、を具備することを特徴とする半導体装置である。

上記構成において、前記半導体層はＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む層である構成とすることができる。

上記構成において、前記下地膜は、酸化シリコン膜、ＡＺＯ膜、ＩＴＯ膜または窒化チタン膜である構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体層はＧｅ層であり、下地膜は酸化シリコン膜である構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体層は、結晶方位が揃った結晶である構成とすることができる。

本発明は、プラスチック基板上に形成された酸化シリコン膜、ＡＺＯ膜、ＩＴＯ膜または窒化チタン膜である下地膜と、前記下地膜上に形成されたＧｅを主に含む半導体層と、を具備することを特徴とする半導体装置である。

本発明は、プラスチック基板上に下地膜を形成する工程と、前記下地膜上に半導体を含む層を形成する工程と、前記半導体を含む層上に金属層を形成する工程と、前記下地膜上に、金属触媒誘起成長法を用い、前記半導体を主に含む半導体層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

本発明によれば、低コストで、結晶性の良好な半導体層をプラスチック基板上に形成することができる。

図１（ａ）から図１（ｅ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図２（ａ）は、比較例１および実施例１のＥＢＳＤ像を示す図であり、図２（ｂ）は、比較例１および実施例１の逆極点図である。 図３は、比較例２における面直方向のＥＢＳＤ像および逆極点図を示す図である。 図４（ａ）は、実施例２に係る太陽電池を示す断面図であり、図４（ｂ）は、実施例２の変形例に係る太陽電池の断面図である。 図５は、実施例３に係る半導体装置を示す断面図である。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）から図１（ｅ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図１（ａ）に示すように、プラスチック基板１０を準備する。プラスチック基板１０は、半導体層の形成温度に耐えられるように耐熱性であることが好ましい。例えばポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、全芳香族ポリエステル樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、またはポリエーテルサルフォン樹脂等の耐熱性樹脂をプラスチック基板１０に用いることができる。

基板１０上に例えばスパッタ法を用い下地膜１２を形成する。下地膜１２は、基板１０とは異なる材料であり、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜等の絶縁膜、または、ＡＺＯ（アルミニウム添加酸化亜鉛）膜、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜、窒化チタン（ＴｉＮ）膜または窒化タンタル（ＴａＮ）膜等の導電膜である。下地膜１２は、プラスチック基板１０および金属層１８と反応しない材料であることが好ましい。下地膜１２の膜厚は例えば１０ｎｍから１μｍである。

図１（ｂ）に示すように、下地膜１２上に例えばスパッタ法を用い金属層１８を形成する。金属層１８は、後述する層１５の半導体と反応しない膜であり、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）またはＡｕ（金）を用いることができる。金属層１８の膜厚は例えば３０ｎｍから１μｍである。

図１（ｃ）に示すように、金属層１８上に半導体を含む層１５を形成する。層１５は、例えばＧｅおよびＳｉ（シリコン）の少なくとも一方を主に含む。層１５は、例えば非晶質層であり、膜厚は例えば３０ｎｍから１μｍである。

図１（ｄ）に示すように、プラスチック基板１０を熱処理することにより、下地膜１２上に層１５の材料である半導体を主に含む半導体層１４が形成される。半導体層１４は多結晶となる。このようにして結晶半導体層を形成する方法を金属触媒誘起成長法という。熱処理温度は、半導体層１４を形成するため２００℃以上が好ましい。熱処理温度はプラスチック基板１０のガラス転移温度以下が好ましい。

図１（ｅ）に示すように、金属層１８をエッチングにより除去する。例えば、金属層１８がＡｌの場合、フッ酸、塩酸または熱燐酸等を含む溶液を用いることにより、金属層１８を除去できる。その後、半導体層１４上に所望の半導体層を成長し、半導体装置を形成する。

以下の条件を用い、実施例１に係るサンプルを作製した。
プラスチック基板１０の材料：ポリイミド樹脂
下地膜１２の材料：酸化シリコン（ＳｉＯ_２）
下地膜１２の膜厚：１００ｎｍ
金属層１８の材料：Ａｌ
金属層１８の膜厚：５０ｎｍ
層１５の膜厚：５０ｎｍ
熱処理温度：３５０℃、熱処理時間：１００時間、窒素ガス雰囲気

比較例１として、下地膜１２を形成しないサンプルを作製した。比較例１および実施例１のサンプルの半導体層１４の表面を、ＥＢＳＤ（Electron Backscatter diffraction）法を用いて観察した。

図２（ａ）は、比較例１および実施例１のＥＢＳＤ像を示す図であり、図２（ｂ）は、比較例１および実施例１の逆極点図である。図２（ａ）および図２（ｂ）内の面直方向は、半導体層１４の基板１０に垂直方向の結晶方位を示している。面内方向は半導体層１４の基板１０に平行な方向の結晶方位を示している。図２（ａ）において、同じ濃さの領域は同じ結晶方位であることを示している。同じ濃さの領域が結晶粒に相当する。図２（ｂ）は、各測定点における結晶方位を示している。三角形状の頂点がそれぞれ［００１］、［１０１］または[１１１]方向であり、各頂点付近の点は、測定点の結晶方位が［００１］、［１０１］または[１１１]方向であることを示している。頂点間の点は、測定点がこれらの結晶方位以外であることを示している。

比較例１においては、図２（ｂ）に示すように、面直方向および面内方向ともに、結晶方位はランダムである。図２（ａ）に示すように、結晶粒径は、１μｍに比べはるかに小さい。このように、下地層１２を設けない比較例１では、結晶方位がランダムであり、半導体層１４の結晶性が非常に低い。プラスチック基板１０上に直接半導体層を形成すると、結晶性が低い理由は明確ではない。例えば、金属触媒誘起成長法を用い半導体層１４を形成するときにプラスチック基板１０からガスが離脱するため、または、プラッチック基板１０と半導体層１４との界面エネルギーのためと考えられる。

一方、実施例１においては、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、面直方向では、２００μｍ×２００μｍの範囲全てが［１１１］方向である。面内方向でも、１００μｍを越える範囲で［１０１］方向である。このように、下地膜１２として酸化シリコン膜を用いることにより、半導体層１４の結晶性が向上する。これは、下地膜１２が緩衝層となるためと考えられる。

緩衝層として機能する下地膜１２を調べるため、比較例２に係るサンプルを作製した。比較例２においては、基板１０をガラス基板とし、下地膜１２を、酸化シリコン膜、ＡＺＯ（ＺｎＯ：Ａｌ）膜、ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）膜またはＴｉＮ膜とした。半導体層１４をＳｉ層またはＧｅ層とした。

半導体層１４がＧｅ層のときのサンプル作製条件は実施例２と同じである。
半導体層１４がＳｉ層のときのサンプル作製条件は以下である。
下地膜１２の膜厚：１００ｎｍ
金属層１８の材料：Ａｌ
金属層１８の膜厚：１００ｎｍ
層１５の膜厚：１００ｎｍ
熱処理温度：５００℃、熱処理時間：１０時間、窒素ガス雰囲気

図３は、比較例２における面直方向のＥＢＳＤ像および逆極点図を示す図である。図３に示すように、半導体層１４がＳｉ層であり、下地膜１２が酸化シリコン膜であるサンプルでは、結晶方位は［１１１］であり、結晶粒径は１００μｍ前後と大きい。下地膜１２がＡＺＯ膜であるサンプルでは、結晶方位は［００１］であり、結晶粒径は１０μｍから３０μｍである。下地膜１２がＩＴＯ膜であるサンプルでは、結晶方位は［００１］であり、結晶粒径は５μｍから２０μｍである。下地膜１２がＴｉＮ膜であるサンプルでは、結晶方位は［００１］と［１１１］が混在しており、結晶粒径は１０μｍ以下である。

半導体層１４がＧｅ層であり、下地膜１２が酸化シリコン膜であるサンプルでは、結晶方位は［１１１］であり。結晶粒径は１００μｍ程度である。下地膜１２がＡＺＯ膜であるサンプルでは、結晶方位は［００１］であり、結晶粒径は１０μｍ程度である。下地膜１２がＩＴＯ膜であるサンプルでは、結晶方位は各種方位が混在しており、結晶粒径は１０μｍ以下である。下地膜１２がＴｉＮ膜であるサンプルでは、結晶方位は［１１１］であり、結晶粒径は１０μｍ程度である。

比較例２の半導体層１４をＧｅ層、下地膜１２を酸化シリコン膜としたサンプルは、図２の実施例１と同程度の結晶粒径であり、同程度の結晶性である。実施例１において、下地膜１２が緩衝膜として機能しているとすれば、比較例２において用いた下地膜１２を用いてもプラスチック基板１０上に結晶性の良好な半導体層１４が形成できると考えられる。

よって、半導体層１４は、Ｇｅ層、Ｓｉ層、またはＳｉとＧｅとを含む層（例えばＳｉＧｅ層）であってもよい。半導体層１４は、金属触媒誘起成長法を用い形成された半導体層１４であれば、他の半導体でもよい。下地膜１２は、酸化シリコン膜、ＡＺＴ膜、ＩＴＯ膜またはＴｉＮ膜でもよい。下地膜１２は、基板１０、金属層１８および層１５と異なる膜であればよい。

実施例１によれば、図１（ａ）に示すように、プラスチック基板１０上に下地膜１２を形成する。図１（ｂ）に示すように、下地膜１２上に金属層１８を形成する。図１（ｃ）のように、金属層１８上に、半導体を含む層１５を形成する。図１（ｄ）のように、金属触媒誘起成長法を用い、下地膜１２上に層１５に含まれる半導体を主に含む半導体層１４を形成する。プラスチック基板１０上に金属触媒誘起成長法を用い半導体層１４を形成するため、非特許文献２および３に比べ製造コストを削減できる。また、下地膜１２を設けることにより、比較例１に対し半導体層１４の結晶性を向上できる。例えば、半導体層１４を結晶方位のほぼ揃った多結晶または単結晶とすることができる。なお、結晶方位は、実用上問題のない範囲で揃っていればよい。

半導体層１４が厚いと結晶方位が揃わなくなるため、半導体層１４の膜厚は５００ｎｍ以下が好ましく、３００ｎｍ以下がより好ましい。金属層１８の膜厚は半導体層１４と同程度が好ましく、例えば、半導体層１４の１／２から２倍の範囲であることが好ましい。下地膜１２が薄いと半導体層１４の結晶方位が揃わなくなるため、下地膜１２の膜厚は５０ｎｍ以上が好ましい。

実施例２は、実施例１を用い太陽電池を製造する例であり、半導体層１４としてＧｅ層を用いる例である。図４（ａ）は、実施例２に係る太陽電池を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、プラスチック基板１０上に下地膜１２として、ＡＺＯ膜、ＩＴＯ膜またはＴｉＮ膜等の導電膜が成膜されている。下地膜１２上に半導体層１４として、ｎ型Ｇｅ層が形成されている。半導体層１４は、図１（ｂ）から図１（ｅ）に示す金属触媒誘起成長法を用い形成する。

半導体層１４上にｐ型Ｇｅ層１６が、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い形成されている。半導体層１４およびｐ型Ｇｅ層１６よりｐｎ接合を有するＧｅ層１７が形成される。Ｇｅ層１７の一部領域が除去されている。ｐ型Ｇｅ層１６上に電極２０が形成されている。

実施例２の変形例はタンデム型太陽電池の例である。図４（ｂ）は、実施例２の変形例に係る太陽電池の断面図である。図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）と同様に、下地膜１２上に半導体層１４としてｎ型Ｇｅ層が形成されている。半導体層１４上にＣＶＤ法を用いｐ型Ｇｅ層１６が形成されている。半導体層１４とｐ型Ｇｅ層１６とにより、ｐｎ接合を有するＧｅ層１７が形成される。Ｇｅ層１７上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic CVD）法を用いＩｎＧａＡｓ層５１が形成されている。ＩｎＧａＡｓ層５１は、Ｇｅ層１７上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ層５０とｎ型ＩｎＧａＡｓ層５０上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓ層５２とを含む。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層５０とｐ型ＩｎＧａＡｓ層５２とはｐｎ接合を形成する。ＩｎＧａＡｓ層５１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いＩｎＧａＰ層５５が形成されている。ＩｎＧａＰ層５５は、ＩｎＧａＡｓ層５１上に形成されたｎ型ＩｎＧａＰ層５４とｎ型ＩｎＧａＰ層５４上に形成されたｐ型ＩｎＧａＰ層５６とを含む。ｎ型ＩｎＧａＰ層５４とｐ型ＩｎＧａＰ層５６とはｐｎ接合を形成する。ＩｎＧａＰ層５５、ＩｎＧａＡｓ層５１およびＧｅ層１７の一部領域が下地膜１２が露出するように除去されている。ｐ型ＩｎＧａＰ層５６上に透明でｐ型ＩｎＧａＰ層５６と電気的に接続する電極２０が形成されている。

実施例２の変形例に係る太陽電池においては、ＩｎＧａＰ層５５において、６６０ｎｍ以下の光を電気エネルギーに変換する。ＩｎＧａＡｓ層５１において、６６０ｎｍから８９０ｎｍの光を電気エネルギーに変換する。Ｇｅ層１７において、８９０ｎｍから２０００ｎｍの光を電気エネルギーに変換する。このように、実施例２の変形例の太陽電池は、広範囲の波長の光を電気エネルギーに変換できるため、変換効率が高い。

実施例２およびその変形例に係る太陽電池よれば、基板１０として安価なプラスチック基板を用い、かつ半導体層１４を金属触媒誘起成長法を用い形成するため、大幅にコストを削減できる。また、下地膜１２を用いることにより、半導体層１４の結晶性を向上できる。をさらに、下地膜１２を導電膜とすることにより、下地膜１２を半導体層１４と電気的に接続される電極として使用できる。

実施例３は、実施例１を用いトランジスタを製造する例であり、半導体層１４としてＧｅ層を用いる例である。図５は、実施例３に係る半導体装置を示す断面図である。図５に示すように、プラスチック基板１０上に下地膜１２として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化ハフニウム膜等の絶縁膜が成膜されている。下地膜１２上に半導体層１４として、ｎ型またはｐ型Ｇｅ層が形成されている。半導体層１４は、図１（ｂ）から図１（ｅ）に示す金属触媒誘起成長法を用い形成する。

半導体層１４内に高濃度領域３２が形成されている。高濃度領域３２は、不純物濃度（キャリア濃度）が半導体層１４より高い領域である。高濃度領域３２は、例えばイオン注入法または拡散法を用い形成される。高濃度領域３２上にソース電極３４およびドレイン電極３６が形成されている。ソース電極３４およびドレイン電極３６の間の半導体層１４上にゲート絶縁膜３０が形成されている。ゲート絶縁膜３０上にゲート電極３８が形成されている。

実施例３に係るトランジスタによれば、下地膜１２を絶縁膜とすることにより、トランジスタに実施例１に係る半導体層１４を用いることができる。また、大幅にコストを削減でき、かつ半導体層１４の結晶性を向上できる。

太陽電池およびトランジスタ以外の半導体装置に実施例１を適用することができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 基板
１２ 下地膜
１４ 半導体層
１５ 層
１８ 金属層

Claims (7)

1. プラスチック基板上に形成された下地膜と、
   前記下地膜上に金属触媒誘起成長法を用い形成された半導体層と、
   を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体層はＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記下地膜は、酸化シリコン膜、ＡＺＯ膜、ＩＴＯ膜または窒化チタン膜であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 前記半導体層はＧｅ層であり、前記下地膜は酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記半導体層は、結晶方位が揃った結晶であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
6. プラスチック基板上に形成された酸化シリコン膜、ＡＺＯ膜、ＩＴＯ膜または窒化チタン膜である下地膜と、
   前記下地膜上に形成されたＧｅを主に含む半導体層と、
   を具備することを特徴とする半導体装置。
7. プラスチック基板上に下地膜を形成する工程と、
   前記下地膜上に半導体を含む層を形成する工程と、
   前記半導体を含む層上に金属層を形成する工程と、
   前記下地膜上に、金属触媒誘起成長法を用い、前記半導体を主に含む半導体層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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