JP3926822B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、金属ペースト材料で電極を形成する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、２種類以上の金属ペースト材料を併用する際に、簡便でかつ信頼性の高い電極形成が可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を関する。

この発明が適用可能な半導体装置の種類は多岐に亘るが、中でも、フォトダイオードや太陽電池等の受光素子にとりわけ有効である。ここでは、具体例として、太陽電池を取り上げ、この発明の背景について説明する。
現在の電力用太陽電池の主流はシリコン太陽電池であるが、その量産レベルにおけるプロセスフローはかなり簡略化されたものになっている。

以下、図５を用いて従来の半導体装置の製造方法の一例について説明する。
図５は一般的に行われている太陽電池の作製フローである。
図５中、１は半導体基板としてのｐ型Ｓｉ基板であり、図５（ｂ）において例えばリン（Ｐ）を熱的に拡散することにより導電型を反転させたｎ型拡散層２を形成する。通常、リンの拡散源としては、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）が用いられることが多い。また、特に工夫の無い場合、ｎ型拡散層２はｐ型Ｓｉ基板１の全面に形成される。なお、このｎ型拡散層２のシート抵抗は数十Ω／□程度で、拡散層の深さは０．３〜０．５μｍ程度である。

このｎ型拡散層２は、詳細は省略するが、例えばレジストで片面を保護した後、図５（ｃ）に示すように、一主面のみにｎ型拡散層２を残すようにエッチング除去し、このレジストは有機溶剤等を用いて除去される。
この後、図５（ｃ）におけるｎ型拡散層２の対向面に、例えばスクリーン印刷法（またはロールコーター方式）でアルミペースト電極３を印刷後（図５（ｄ））、７００〜９００℃で数分から十数分、近赤外炉中で焼成することによりアルミペーストから不純物としてアルミがｐ型Ｓｉ基板１中に拡散し、図５（ｅ）に示すように、高濃度不純物を含んだｐ＋ 層４が形成される。この層は、一般にＢＳＦ（Back Surface Field）層と呼ばれ、太陽電池のエネルギー変換効率の向上に寄与するものである。また、図では簡略化のため省略したが、この後、ｎ型拡散層２の表面に反射防止膜を設けてもよい。

図５（ｆ）は裏面のアルミペースト電極３を除去せずに銀ペースト電極５を印刷乾燥した状態を示している。
他方、図５（ｈ）は裏面のアルミペースト電極３を例えば王水で除去した状態であり、引き続き、裏面に銀ペースト電極５を印刷乾燥した状態を示したものが図５（ｉ）である。これら裏面の銀ペースト電極５は、太陽電池を複数直列・並列接続したモジュールを作製する際の配線の接続部分として機能させるものである。最終的には、何れのプロセスにおいても、図５（ｇ）、（ｊ）何れも表面（受光面）に銀ペースト電極６を印刷し、再度焼成を行うことで太陽電池が完成する。なお、工程簡略化の為に、図５（ｅ）の焼成工程を省略し、図５（ｇ）、（ｊ）の工程の後に、一度の焼成で太陽電池を完成させることも可能である。

しかしながら、以上のようにして製造されるシリコン太陽電池では、裏面電極の製造方法に関して以下のような問題点があった。
例えば図５（ａ）〜（ｅ）から（ｆ）、（ｇ）に至る方法では、電極焼成工程でアルミペースト電極３と銀ペースト電極５の合金化が生じると、銀ペースト電極５部に半田付けで配線を行うような場合、アルミとの合金化の影響により全く半田が付着しないあるいは付着しても配線の付着強度が弱いといった問題が生じていた。
また、図５（ａ）〜（ｅ）から（ｈ）、（ｊ）に至る方法では、アルミペースト電極３を全てエッチング除去する必要があり、工程の複雑化、製造コストの増加を招くといった問題が生じていた。

この発明は上述した従来例に係る問題点に鑑みてなされたもので、金属ペースト材料を用いて電極を形成する場合に、半田付けで配線を行う際の半田との付着強度を高めることができる簡便でかつ信頼性の高い電極形成が可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体装置は、太陽電池の受光素子として用いる半導体装置であって、表面のｎ型層とのｐｎ接合を有するｐ型シリコン基板と、上記ｐ型シリコン基板上に設けられた第１の電極と、上記第１の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成されたＢＳＦ層と、上記ｐ型シリコン基板上に上記第１の電極と一部が合金化するように形成された第２の電極と、上記第２の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成された拡散層とを備え、上記第１の電極はアルミペーストを焼成したものであり、上記第２の電極は銀とアルミを含んだ銀アルミペーストを焼成したものであり、上記第２の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成された拡散層におけるアルミの濃度は、上記第１の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成されたＢＳＦ層におけるアルミの濃度よりも低濃度である。
また、この発明に係る半導体装置の製造方法は、太陽電池の受光素子として用いる半導体装置の製造方法であって、ｐ型シリコン基板に接合を形成する工程と、上記ｐ型シリコン基板上に第１の電極パターンを形成する工程と、上記ｐ型シリコン基板上に上記第１の電極パターンと一部が重なるように第２の電極パターンを形成する工程と、上記第１の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内にＢＳＦ層を形成し、上記第２の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内に拡散層を形成する工程とを備え、上記第１の電極パターンはアルミペーストを焼成したものであり、上記第２の電極パターンは銀とアルミを含んだ銀アルミペーストを焼成したものであり、上記第２の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内に形成する拡散層におけるアルミの濃度は、上記第１の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内に形成するＢＳＦ層におけるアルミの濃度よりも低濃度である。

この発明によれば、第２の電極は第１の電極と一部が合金化されることで電極間の電気的接続がなされて電極間の接続の確実性を向上でき、半導体基板には第１の電極及び第２の電極の両方から拡散層が形成され信頼性の高い電極形成が可能な半導体装置を得ることができる。

また、上記第１の金属ペースト材料は、アルミペーストであり、上記第２の金属ペースト材料は、銀ペーストまたは銀とアルミを含んだ銀アルミペーストであり、これらのうち２つ以上を組み含わせて用いることにより、製造コストを低減できる効果がある。

また、上記アルミペーストでなる第１の電極パターンを先に形成した後、銀ペーストでなる第２の電極パターンをアルミペーストの電極パターンの一部に重なるように形成することにより、形成した電極の信頼性を高めると共に製造ラインを簡略化できる効果がある。

また、上記アルミペーストでなる第１の電極パターンを先に形成した後、銀アルミペーストでなる第２の電極パターンをアルミペーストの電極パターンの一部に重なるように形成することにより、形成した電極の信頼性を高めると共に電極の接触抵抗をさらに低減でき、さらには製造ラインを簡略化できる効果がある。

また、上記第１と第２の電極パターンは、金属ペースト材料がスクリーン印刷もしくはロールコーター方式で形成されてなり、第１と第２の電極パターンの重なり部の幅を５０ミクロン以上とすることにより、高精度のパターニングを行える効果がある。

また、上記第１と第２の電極パターンを形成する工程は、重なり合うように形成される第１と第２の金属ペースト材料のパターンが、各々独立に印刷・乾燥する工程を含んで形成されてなり、印刷・乾燥工程を経た後、一括して焼成する工程をさらに有することにより、各金属ペースト材料の電極パターンの重なり含う領域が合金化されることで電極パターン間の電気的接続がなされるようにしたので、電極間の接続の確実性を向上できる効果がある。

また、上記第２の電極パターンに半田付けで配線を行う工程をさらに有することにより、上記の方法で製造される半導体装置を複数個接続するに際し、銀アルミペーストもしくは銀ペーストパターンに半田付けで配線を行うことで、配線の付着強度を高める効果がある。

また、上記半導体基板をシリコンとしたので、半導体装置を低コストで大量生産できる効果がある。

この発明に係る半導体装置の製造方法に関するフローチャートを図１に纏めた。以下、このフローチャートに基づいて具体的な実施の形態について説明する。なお、本プロセスフロ一は１つの半導体装置に限定されるものではないが、以下、具体例として太陽電池を取り上げて説明する。

実施の形態１．
本実施の形態１では、図１のフローチャートで、ステップＳ１−ステップＳ２−ステップＳ３−ステップＳ４−ステップＳ５ｂ−（ステップＳ６）一ステップＳ７−ステップＳ８−ステップＳ９のフローで作製される太陽電池および太陽電池のモジュールについて説明を行う。ここで、括弧付の工程であるステップＳ６での焼成工程は、従来例で説明したのと同じ理由により、工程簡略化のために省略可能であり、ステップＳ７の工程後に、ステップＳ８により一度の焼成で行うこともできる。

まず、図１に示すステップＳ１の工程は、半導体基板として、例えば引き上げ法により製造される単結晶あるいは鋳造法により製造される多結晶シリコン基板を洗浄する工程であるが、太陽電池の場合、インゴットからスライスされたままの基板を用いることが多い。この場合、スライスに用いたワイヤーソー等の傷による基板表面ダメージ及びウエハスライスエ程の汚染を取り除くため、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液あるいは弗酸と硝酸の混合液などを用いて、およそ１０から２０μｍ程度、基板表面をエッチングする。さらには、基板表面に付着した鉄などの重金属類の除去のために、塩酸と過酸化水素の混合液で洗浄する工程を付加しても良い。

引き続き、ステップＳ２の工程で、使用する基板がｐ型であれば、ｐｎ接合を形成する為にｎ型層を形成する。このｎ型層の形成方法としては、例えば図５（ｂ）で説明したようなオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）によるリン拡散を用いる。 ステップＳ３の工程での裏面拡散層除去は、例えば図５（ｃ）で説明したフローと同様にして行うことが可能であり、例えばレジストで片面を保護した後、表面のみにｎ型拡散層を残すようにエッチング除去し、レジストは有機溶剤等を用いて除去される。

ステップＳ４の工程は、裏面にアルミペースト電極３を印刷し乾燥させる工程であり、その後のステップＳ５ｂの工程はアルミを含みアルミペースト電極３より半田との付着強度が高い銀アルミペースト電極７を各々印刷し乾燥する工程である。なお、銀アルミペースト電極７中に含まれるアルミは１から３％である。これ以上アルミを混入すると、後述する半田付けが困難になり不適である。これら金属ペースト電極の印刷は一般的なスクリーン印刷（またはロールコーター方式）にて行う。印刷条件としては、何れのペーストの粘度も約１００Ｐａ・ｓｅｃ、印刷時のスキージ圧力２ｋｇ／ｃｍ２、スキージ走査速度３００ｍｍ／ｓｅｃ、スキージと印刷マスクの間隔は２ｍｍとした。また、印刷マクスのメッシュサイズとしては、アルミペースト電極３に対しては２００メッシュ、銀アルミペースト電極７（および後述する銀ペースト電極５）に関しては２５０から３２５メッシユのものを用いた。

図２（ａ）及び（ｂ）にその具体的な電極パターンの例を示す。
ここで、ｐ型Ｓｉ基板１は図５（ａ）と同等のものであるが、例えば基板サイズは１０ｃｍ×１０ｃｍとする。また、アルミペースト電極３のパターンは例えば外周９．８ｃｍ×９．８ｃｍであり、図２（ａ）に示すように、中央に２カ所９．４ｃｍ×０．３ｃｍの開口部３ａを設けたものである。
図２（ｂ）は、このアルミペースト電極３のパターンの開口部３ａに開口部周辺のアルミペースト電極３と一部重なるように、銀アルミペースト電極７（または銀ペースト電極５）のパターンを印刷した状態を示している。この銀アルミペースト電極７のパターンサイズは、９．５ｃｍ×０．４ｃｍである。すなわち、アルミペースト電極３のパターンと銀アルミペースト電極７（または銀ペースト電極５）のパターンとの重なる領域としては５００ミクロンとした。

この重ね合う領域の幅については、印刷マスクのパターン精度が約２０ミクロンであるため、２種類のペーストを確実に重ね合わせるには、マスクパターン上で少なくとも５０ミクロン以上重なり合うようにしておく必要がある。
本実施の形態１では、特に重ね合わせ精度を要求しないパターンのため、５００ミクロンの重なり合う幅を確保しているが、微細なパターンを必要とする場合には、この最小重ね幅を充分考慮して電極パターンを設計する必要がある。

次に、ステップＳ７の工程は、図５（ｇ）または（ｊ）と同様に、受光面側に銀ペースト電極６を印刷し乾燥する工程である。
この後、ステップＳ８の工程において、全電極を一括で焼成する。焼成条件は、近赤外炉を用い乾燥空気中にて、例えば７００から７５０℃で数十秒から数分間行えば良い。

さて、この工程を経ることで電極がどのように変化するかを、模式的に示したものが図３である。
図３（ａ）は、アルミペースト電極３と銀アルミペースト電極７とを重ねて印刷した状態である。図中、８が重なり部分に相当する。勿論、この乾燥したままの状態では、両ペースト電極は電気的に接続されていない。これを焼成した後の状態が、図３（ｂ）である。ここで、図３（ｂ）において、９は両ペースト電極が合金化された領域を示している。この領域は完全にアルミペースト電極３と銀アルミペースト電極７とが混合され、高濃度のアルミを含む銀・アルミ合金になっている。

これにより、両ペーストは電気的かつ強度的に全く問題の無い状態で接続されるのである。また、図３（ｂ）中、４は先に説明したＢＳＦ層である。さらに、合金化せずに残った銀アルミペースト電極７の直下にも低濃度ではあるが、アルミが拡散した拡散層１０が形成される。この拡散層１０の領域は、アルミペースト電極３の下部に比べると、アルミの拡散量は低濃度ではあるが、確実に銀アルミペースト電極７とオーミック接触が取れており、太陽電池の裏面電極の接触抵抗の低抵抗化に有効に作用する。

引き続き、ステップＳ９の工程では、太陽電池の受光面（表面）側の銀ペースト電極６と裏面の銀アルミペースト電極７を銅線を用い半田付けにより適当に直列・並列接続する。その後、強化ガラスに例えばエチレン・ビニル・アセテート等の樹脂で封止することで、太陽電池モジュールが完成する。

この際、この発明による裏面電極構造では、半田付けを行う銀アルミペースト電極７が極めて強い強度で基板（この場合、拡散層１０）およびアルミペースト電極３に密着しているため、電極はがれ等の障害が発生することなく、高い歩留りでかつ高い信頼性の太陽電池モジュールを作製することができる。しかも、半田付けを行う銀アルミペースト電極７は、アルミペースト電極３の開口部３ａ上に形成されるので、アルミとの合金化による影響を受けずに半田との付着強度を高めることができる。また、半田付けを行う銀アルミペースト電極７の幅としては、図２（ａ）と（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、上記アルミペースト電極３の開口部３ａの幅Ｗ０ 以上の幅Ｗを確実に確保できるため、配線時の半田作業を容易にすることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、図１のフローチャートで、ステップＳ１−ステップＳ２−ステップＳ３−ステップＳ４−ステップＳ５ａ一（ステップＳ６）−ステップＳ７−ステップＳ８−ステップＳ９のフローで作製される太陽電池及び太陽電池のモジュールについて説明を行う。
この場合、実施の形態１と異なるのは、裏面電極の銀アルミペースト電極７を銀ペースト電極５に変更する（図２（ｂ）参照）だけで、同様の効果を奏することができる。但し、この場合、図３（ｂ）で説明したようなアルミの拡散層１０は形成されないが、アルミペースト電極３領域を充分に広くとっていれば裏面電極の接触抵抗の増大を招くことはない。

なお、実施の形態１、２において、基板裏面のアルミペースト電極３と銀ペースト電極５もしくは銀アルミペースト電極７との印刷順番を入れ替えることも可能ではあるが、ＢＳＦ層４が形成される面積を増大させる（太陽電池特性を向上させる）には、本実施の形態２のように、始めに、アルミペースト電極３を印刷しておくことが望ましい。すなわち、ＢＳＦ層４は、アルミとシリコンが完全に混じり合い混晶化したものであるので、アルミペーストと他ペーストの重なり合う部分において、アルミペースト電極３がシリコン面と接触している方がより良好なＢＳＦ層４が形成できるためである。

しかも、ステップＳ３の工程で裏面の拡散層除去が不完全でも、アルミペースト電極の接触面積が増加するため、アルミ拡散により拡散層（ｎ層）を補償しｐ型への転換がなされる面積も増加し、信頼性の高い製品を製造することが可能になる。加えて、アルミペーストと他ペーストの重なり合う部分が、シリコン基板と混晶化しているため、電極の付着力が高まる。すなわち、太陽電池間の配線の強度をさらに高めることも可能になるからである。

さらには、実際に量産における生産性を考慮した場合、以下のような優れた特徴を発揮する。このことを図４を用いて裏面のアルミペースト電極３と銀ペースト電極５（もしくは銀アルミペースト電極７）の印刷順番を入れ替えることによる生産性の違いを説明する。
図４（ａ）は裏面用銀ペースト電極５、裏面用アルミペースト電極３を形成する迄の工程を示したもので、基本的には各装置が全て直結され、印刷、ウエハ乾燥等各種工程はオートメーション機構を備え、連続的かつ自動的に処理が行われるものを想定している。

さて、ここで、例えば図２で示したような印刷パターンを裏面電極として形成する場合を仮定する。２種類の電極パターンの面積比、すなわち、アルミペースト電極３の面積／銀ペースト電極５の面積比は約１２となる。
このことは、単純に各々の電極パターンの印刷厚さが同じであるとすると、アルミペースト電極３の使用量が１２倍であることに相当する。実際には実施の形態１で示したメッシュサイズのスクリーン印刷マスクを用いると、アルミペースト電極３の印刷厚さは実際に銀ペースト電極５よりも多くなるのでさらに使用量は増加することになる。

この差は、図４（ａ）に示す自動化されたラインでは生産タクトの問題に影響を及ぼす。印刷を連続的に多数枚行っている場合には当然のことながら、スクリーンマスク上に供給されているペーストが不足する、あるいはマスクのメッシュに目詰まりが生じる、などにより所定の印刷パターンにかすれを生じる。
従って、この段階もしくはこの段階に至る前に、ペーストを新たに供給するあるいは印刷マスク自体を交換する作業が必ず必要になる。

先述したような各印刷パターンに対するペースト使用量の差は、これらの作業頻度の差として現われる。すなわち、ペースト使用量の多いアルミペースト印刷では、必ずこれら作業の頻度が高いことを意味している。
従って、先頭に裏面用銀ペースト電極５を印刷する工程を持ってくると、裏面用アルミペースト電極３の印刷工程での停止時間を吸収する為のウエハストッカー部、いわゆるバッファーゾーンを設け、裏面用銀ペースト電極５の印刷工程をなるべく停止させないような複雑なライン構成が必要となってくる。

これに対して、図４（ｂ）は、この発明における印刷順番で、裏面用アルミペースト電極３、裏面用銀ぺースト電極５を形成する迄の工程を示したものである。この場合、連続工程で最も生産タクトを支配する裏面用アルミペースト電極３の印刷工程が先頭に来るので、後工程のタクト調整のバッファーを必要としない。これにより、ライン構成は簡略化され製造コストの低いラインを構築することが可能となる。

また、銀ペースト電極５を最初に印刷し、その後にアルミペースト電極３の印刷して形成する場合に、銀ペースト電極５の幅がアルミペースト電極３との合金化により縮小されることになるのに比べ、この実施の形態２では、上述した実施の形態１と同様に、半田付けを行う銀ペースト電極５の幅としては、上述した実施の形態１と同様に、図２（ａ）と（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、上記アルミペースト電極３の開口部３ａの幅Ｗ０ 以上の幅Ｗを確実に確保できることになるため、配線時の半田作業を容易にすることができる。

上述したように、この発明は、従来例の改善、即ち太陽電池の電極形成方法の改善に適用できるだけでなく、金属ペースト電極を使用する半導体装置に対して幅広く適用可能なものとなる。

この発明の実施の形態１及び２に係る半導体装置の製造方法を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態１による電極パターンの一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による電極形成状態の説明図である。 この発明の実施の形態２による電極形成の製造ライン構成の説明図である。 従来の太陽電池の製造フローを示す工程図である。

符号の説明

１ ｐ型Ｓｉ基板、２ ｎ型拡散層、３ アルミペースト電極、３ａ 開口部、４ ＢＳＦ層、５ 銀ペースト電極、７ 銀アルミペースト電極、８ アルミペーストと銀アルミペーストの重ね合わせ領域、９ アルミペーストと銀アルミペーストの合金化領域、１０ 銀アルミペーストからアルミが拡散したｐ型層。

Claims (6)

1. 太陽電池の受光素子として用いる半導体装置であって、
   表面のｎ型層とのｐｎ接合を有するｐ型シリコン基板と、
   上記ｐ型シリコン基板上に設けられた第１の電極と、
   上記第１の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成されたＢＳＦ層と、
   上記ｐ型シリコン基板上に上記第１の電極と一部が合金化するように形成された第２の電極と、
   上記第２の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成された拡散層と
   を備え、
   上記第１の電極はアルミペーストを焼成したものであり、上記第２の電極は銀とアルミを含んだ銀アルミペーストを焼成したものであり、
   上記第２の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成された拡散層におけるアルミの濃度は、上記第１の電極により上記ｐ型シリコン基板内に形成されたＢＳＦ層におけるアルミの濃度よりも低濃度である半導体装置。
2. 上記銀アルミペースト中に含まれるアルミは１−３％である請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記第１の電極は開口部を有し、
   上記第２の電極は上記開口部を覆うように形成され、
   焼成後に上記第１の電極と合金化しなかった上記第２の電極の幅は、上記開口部の幅以上である請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 太陽電池の受光素子として用いる半導体装置の製造方法であって、
   ｐ型シリコン基板に接合を形成する工程と、
   上記ｐ型シリコン基板上に第１の電極パターンを形成する工程と、
   上記ｐ型シリコン基板上に上記第１の電極パターンと一部が重なるように第２の電極パターンを形成する工程と、
   上記第１の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内にＢＳＦ層を形成し、上記第２の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内に拡散層を形成する工程と
   を備え、
   上記第１の電極パターンはアルミペーストを焼成したものであり、上記第２の電極パターンは銀とアルミを含んだ銀アルミペーストを焼成したものであり、
   上記第２の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内に形成する拡散層におけるアルミの濃度は、上記第１の電極パターンにより上記ｐ型シリコン基板内に形成するＢＳＦ層におけるアルミの濃度よりも低濃度である半導体装置の製造方法。
5. 上記銀アルミペースト中に含まれるアルミは１−３％である請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 上記第１の電極は開口部を有し、
   上記第２の電極は上記開口部を覆うように形成され、
   焼成後に上記第１の電極と合金化しなかった上記第２の電極の幅は、上記開口部の幅以上である請求項４または５に記載の半導体装置。

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