JP4996840B2 - 半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池素子又は受光素子やその他の素子などの半導体デバイス及びその製造方法に関する。
詳しくは、半導体基板の表面に不純物拡散領域を選択的に形成した半導体デバイス及びその製造方法に関する。

従来、この種の半導体デバイス及びその製造方法として、選択的に同種の不純物拡散領域だけを形成する場合、先ず半導体基板に拡散源を用いて酸素を流しながら加熱することにより、半導体基板の表面に酸化膜が形成されると共に、その酸化膜から不純物が拡散されて半導体基板の表面全体に不純物拡散領域を形成し、その電極形成予定位置にレジストを塗布し、エッチングしてレジストを塗布した以外の部分の不純物拡散領域を除去し、その後、レジスト及び酸化膜を除去してから、選択的に形成された不純物拡散領域の上に表面電極を形成した太陽電子素子の製造方法がある（例えば、特許文献１参照）。
更に、その他の例として、先ず半導体基板を酸化雰囲気中で加熱して表面に酸化膜を形成し、次に電極形成予定位置以外をレジストで覆い、薬液で処理することによって酸化膜の電極形成予定位置に窓を開け、この窓を用いて不純物を拡散することにより不純物拡散領域を選択的に形成し、その後、表面側の酸化膜のみを除去して表面電極を形成する方法もある（例えば、特許文献１参照）。
また、選択的に濃度が異なる不純物拡散領域を形成する場合には、先ず半導体基板を不純物ガスを含む酸性ガス中で一回目の熱処理を行うことにより、半導体基板の表面に不純物元素を含む酸化膜が形成されると同時に、この酸化膜からの不純物拡散で低濃度の不純物拡散領域（第一の不純物拡散領域）が形成され、次に不純物元素を含む酸化膜の上から不純物拡散剤を電極形成予定位置に塗布した後、二回目の熱処理を行うことにより、高濃度の不純物拡散領域（第二の不純物拡散領域）が上記低濃度の不純物拡散領域とは異なる深さに形成されると同時に、上記半導体基板表面の不純物元素を含む酸化膜が不純物のバリア層となって不純物が半導体基板の内部に拡散することを抑制させ、最後に、薬液処理により酸化膜とその上に余剰に残った不純物拡散剤を除去してから、上記高濃度の第二不純物拡散領域に表面電極を形成した太陽電子素子の製造方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２８１５６９号公報（第３−５頁、図１、図３−４）

しかし乍ら、このような従来の半導体デバイス及びその製造方法では、選択的に同種の不純物拡散領域だけを形成する場合、酸化膜の形成や不純物拡散のために熱処理が必要になると共にレジストを用いるため、工程数が多くなって製造コストが高くなるという問題があった。
更に、酸化膜を形成するための高温プロセスが増えるため、半導体基板に与えるダメージが増大して半導体基板の割れが発生し易くなったり、半導体デバイスの出力特性の低下を招くといった問題があった。
また、選択的に濃度が異なる不純物拡散領域を形成する場合には、低濃度の不純物拡散領域の形成と高濃度の不純物拡散領域の形成に二回の熱処理が必要になるため、その分だけ作業に手間がかかって製造コストの高騰を招くという問題があった。

本発明のうち請求項１、３記載の発明は、半導体基板の表面に対してレジスト又はマスク材や拡散バリア材などを使用せずに、一回の熱処理のみで選択的に不純物拡散領域を部分形成することを目的としたものである。
請求項２、４記載の発明は、請求項１、３に記載の発明の目的に加えて、一回の熱処理で濃度が異なる複数の不純物拡散領域を所望の深さに夫々同時形成することを目的としたものである。
請求項５記載の発明は、請求項３または４に記載の発明の目的に加えて、均一形状の加工歪を簡単で確実に作ることを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、半導体基板の表面に不純物拡散領域を選択的に形成する半導体デバイスであって、前記半導体基板の平坦な前記表面の所定位置に加工歪を部分的に形成し、前記加工歪を含む前記表面の略全体にアルミニウムからなるドーパントを塗布し、且つ前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理することにより、前記加工歪を除く前記表面では、前記ドーパントのアルミニウムが酸化して外部へ出され、前記加工歪及びその周辺の表面には、前記ドーパントのアルミニウムが熱拡散して部分的に形成された前記不純物拡散領域を有することを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に、半導体デバイスが太陽電池素子であり、その平坦な受光面の電極設置予定位置に前記加工歪を形成し、前記加工歪を含む前記受光面の略全体にアルミニウムとボロンからなるドーパントを塗布し、前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理することによって前記加工歪及びその周辺に部分的に形成された高濃度で深さの深い不純物拡散領域を前記受光面に有すると共に、該高濃度で深い前記不純物拡散領域を除く前記受光面の略全体に形成された低濃度で深さの浅い不純物拡散領域を前記受光面に有する構成を加えたことを特徴とする。
また請求項３記載の発明は、半導体基板の表面に不純物拡散領域を選択的に形成する半導体デバイスの製造方法であって、前記半導体基板の平坦な前記表面の所定位置に加工歪を部分的に形成する工程と、前記加工歪を含む前記表面の略全体にアルミニウムからなるドーパントを塗布する工程と、前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理することにより、前記加工歪を除く前記表面では、前記ドーパントのアルミニウムが酸化して外部へ出され、前記加工歪及びその周辺の表面では、前記ドーパントのアルミニウムが熱拡散して前記不純物拡散領域を部分的に形成する工程からなることを特徴とすることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成に、半導体デバイスが太陽電池素子であり、その平坦な受光面の電極設置予定位置に前記加工歪を形成する工程と、前記加工歪を含む前記受光面の略全体にアルミニウムとボロンからなるドーパントを塗布する工程と、前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理して前記加工歪及びその周辺に高濃度で深さの深い前記不純物拡散領域を選択的に形成すると共に、該高濃度で深い前記不純物拡散領域を除く前記受光面の略全体に低濃度で深さの浅い不純物拡散領域を形成する工程からなる構成を加えたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の発明の構成に、前記加工歪の形成手段としてサンドブラストにより細かい傷を作った構成を加えたことを特徴とする。

本発明のうち請求項１、３記載の発明は、半導体基板の表面の所定位置に加工歪を部分的に形成し、前記加工歪を含む表面の略全体にアルミニウムからなるドーパントを塗布し、前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理することにより、前記加工歪及びその周辺の表面には、アルミニウムが熱拡散して不純物拡散領域を選択的に形成するが、前記加工歪を除く平坦な表面では、アルミニウムが酸化して半導体基板の内部へ拡散するよりも外部へ出易いため、不純物拡散領域が形成されない。
従って、半導体基板の表面に対してレジスト又はマスク材や拡散バリア材などを使用せずに、一回の熱処理のみで選択的に不純物拡散領域を部分形成することができる。
その結果、酸化膜の形成や不純物拡散のために熱処理が必要になると共にレジストを用いる従来のものに比べ、工程数を減らして短時間に半導体デバイスを簡単に製造できると共に、それにより製造コストを大幅に低減できる。
更に、レジスト以外にマスク材や拡散バリア材などを使用する必要もないから、更なるコストの低減化も図れる。
また、酸化膜を形成するための高温プロセスが減るため、半導体基板に与えるダメージが減少して半導体基板の割れが発生し難くなったり、半導体デバイスの出力特性の低下を防止できる。

請求項２、４記載の発明は、請求項１、３の発明の効果に加えて、太陽電池セルの平坦な受光面の電極設置予定位置に加工歪を部分的に形成し、この加工歪を含む受光面全体にアルミニウムとボロンからなるドーパントを塗布して酸化雰囲気で熱処理することにより、上記加工歪及びその周辺には、アルミニウムとボロンが夫々熱拡散して不純物拡散領域を選択的に形成し、この加工歪を除く平坦な受光面では、アルミニウムが酸化して半導体基板の内部へ拡散するよりも外部へ出易いため、ボロンのみが熱拡散して異なる不純物拡散領域を形成すると共に、これら不純物拡散領域は、アルミニウムの拡散速度がボロンの拡散速度よりも速いため、アルミニウムとボロンを熱拡散させる不純物拡散領域が、ボロンのみを熱拡散させる不純物拡散領域に比べ高濃度で深く形成される。
従って、一回の熱処理で濃度が異なる複数の不純物拡散領域を所望の深さに夫々同時形成することができる。
その結果、低濃度の不純物拡散領域の形成と高濃度の不純物拡散領域の形成に二回の熱処理が必要になる従来のものに比べ、工程数を減らして短時間に高効率の太陽電池素子を簡単に製造できると共に、それにより製造コストを大幅に低減できる。
また、電極設置予定位置に表面電極を形成した場合には、表面電極との接触抵抗が減り、電力の損失が減少すると共に表面電極の形成時におけるリーク不良が低減し、更にそれ以外の受光面略全体に形成された不純物拡散領域の深さを浅く保つことにより、進入深さが浅い短波長光が電力に変換される。
その結果、変換効率が高くしかも電極形成工程でリーク不良が発生し難い太陽電池セルを安価に製造することができる。

請求項５の発明は、請求項３または４の発明の効果に加えて、加工歪の形成手段としてサンドブラストで半導体基板の表面に細かい傷を作ることにより、同様な形状の加工歪が反復して形成可能となる。
従って、均一形状の加工歪を簡単で確実に作ることができる。
その結果、高品質な半導体デバイスを低コストで製作できる。

本発明の半導体デバイスＡは、図１及び図２に示す如く、ｎ型又はｐ型の半導体基板１の平坦な表面１ａの所定位置に加工歪１ｂを部分的に形成し、この加工歪１ｂを含む表面１ａの略全体に少なくともアルミニウムが含まれたドーパント２を塗布し、このドーパント２を酸化雰囲気で熱処理することにより、選択的に同種の不純物拡散領域３だけを形成するか、又は選択的に濃度が異なる不純物拡散領域３，４を同時形成するものである。
以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。

この実施例１は、図１（ａ）〜（ｃ）に示す如く、本発明の半導体デバイスＡが太陽電池素子を除く一般的な電子素子であり、単結晶又は多結晶シリコンなどからなるｎ型半導体基板１の平坦な表面１ａで不純物拡散領域が形成される予定位置だけに、加工歪１ｂを部分的に形成し、この加工歪１ｂを含む表面１ａの略全体にアルミニウムのみからなるｐ型ドーパント２を塗布し、このｐ型ドーパント２を酸化雰囲気で熱処理することにより、選択的にｐ^＋不純物拡散領域３だけを形成したものである。

上記加工歪１ｂとは、機械加工などにより半導体基板１の表面１ａの結晶を壊すことで形成される細かい傷やひびなどである。
この加工歪１ｂの形成手段としては、例えばサンドブラストで砥粒材を吹き付けるか、グラインダーで直接研削するか、その他の方法により表面１ａを部分的に粗面にする。

図示例の場合には、上記加工歪１ｂを表面１ａの一箇所だけ形成している。
その他の例として図示せぬが、表面１ａの複数箇所に適宜間隔をあけて加工歪１ｂが形成されるようにすることも可能である。

次に、斯かる半導体デバイスＡの製造方法について工程順に説明する。
先ず、図１（ａ）に示す如く、半導体基板１の平坦な表面１ａの所定位置に、加工歪１ｂを形成する。

その後、図１（ｂ）に示す如く、この加工歪１ｂを含む表面１ａの略全体に、アルミニウムのみからなるｐ型ドーパント２を、例えばスピンオンなどの方法で略均一に塗布する。

そして、これら工程が完了した後に、図１（ｃ）に示す如く、酸素が供給される雰囲気中で熱処理を１回のみ行う。

それにより、上記加工歪１ｂ及びその周辺には、アルミニウムが熱拡散して、ｐ ^＋不純物拡散領域３が選択的に形成される。

しかし、この加工歪１ｂを除く平坦な表面１ａでは、アルミニウムが酸化雰囲気中の酸素と結合して酸化してアルミナ（酸化アルミニウム:Al₂O₃）となり半導体基板１の内部へ拡散するよりも外部へ出易い性質があるため、不純物拡散領域が形成されない。

その結果、一回の熱処理のみで選択的にｐ^＋不純物拡散領域３を、レジスト又はマスク材や拡散バリア材などを使用することなく確実に作ることができる。

この実施例２は、図２（ａ）〜（ｄ）に示す如く、本発明の半導体デバイスＡが太陽電池素子であり、ｎ型半導体基板１の平坦な受光面１ａの電極設置予定位置に加工歪１ｂを部分的に形成し、この加工歪１ｂを含む受光面１ａの略全体にアルミニウムとボロンからなるｐ型ドーパント２を塗布し、このｐ型ドーパント２を酸化雰囲気で熱処理することにより、選択的に濃度が異なるｐ^＋＋不純物拡散領域３とｐ^＋不純物拡散領域４を同時形成する構成が、前記図１（ａ）〜（ｃ）に示した実施例１とは異なり、それ以外の構成は図１（ａ）〜（ｃ）に示した実施例１と同じものである。

そして、その製造方法を詳しく説明すれば、先ず、図２（ａ）に示す如く、半導体基板１の平坦な受光面１ａの電極設置予定位置に、加工歪１ｂを形成する。
図示例の場合には、上記加工歪１ｂを受光面１ａの一箇所だけ形成しているが、実施例１と同様に図示せぬが、受光面１ａの複数箇所に適宜間隔をあけて加工歪１ｂが形成されるようにすることも可能である。

その後、図２（ｂ）に示す如く、この加工歪１ｂを含む受光面１ａの略全体に、アルミニウムとボロンからなるｐ型ドーパント２を、例えばスピンオンなどの方法で略均一に塗布する。

そして、これら工程が完了した後に、図３（ｃ）に示す如く、酸素が供給される雰囲気中で熱処理を１回のみ行う。

それにより、上記加工歪１ｂ及びその周辺には、アルミニウムとボロンが夫々熱拡散して、ｐ^＋＋不純物拡散領域３が選択的に形成される。

しかし、この加工歪１ｂを除く平坦な受光面１ａでは、アルミニウムが酸化雰囲気中の酸素と結合して酸化してアルミナ（酸化アルミニウム:Al₂O₃）となり半導体基板１の内部へ拡散するよりも外部へ出易い性質があるため、ボロンのみが熱拡散してｐ^＋不純物拡散領域４が形成される。

更に、これらｐ^＋＋不純物拡散領域３及びｐ^＋不純物拡散領域４は、アルミニウムの拡散速度がボロンの拡散速度よりも速いため、アルミニウムとボロンを熱拡散させるｐ^＋＋不純物拡散領域３が、ボロンのみを熱拡散させるｐ^＋不純物拡散領域４よりも、高濃度で深く形成される。

その結果、一回の熱処理のみで選択的に高濃度で深さの深いｐ^＋＋不純物拡散領域３と低濃度で深さの浅いｐ^＋不純物拡散領域４を夫々同時形成できる。

この一回だけの熱処理が完了した後は、図２（ｄ）に示す如く、上記高濃度で深いｐ^＋＋不純物拡散領域３の表面に、例えば銀を主成分とする電極材料を塗布して焼き付けることにより、表面電極５を形成して太陽電池素子Ａが得られる。

また図示せぬが、必要に応じて上記低濃度で深さの浅いｐ^＋不純物拡散領域４に窒化シリコン膜などから成る反射防止膜を積層したり、上記半導体基板１の裏面側にアルミニウムなどを拡散させることによってＢＳＦ層を積層したり、その後、裏面電極を設けることも可能である。

上述したような本発明の製造方法で得られた太陽電池素子Ａは、上記ｐ^＋＋不純物拡散領域３の不純物濃度を高くすることで、表面電極５との接触抵抗が減り、電力の損失が減少すると共に表面電極５の形成時におけるリーク不良が低減し、更に上記ｐ^＋不純物拡散領域４の深さを浅く保つことにより、進入深さが浅い短波長光を電力に変換できる。
従って、変換効率が高くしかも電極形成工程でリーク不良が発生し難い太陽電池素子Ａを安価に製造できる。

尚、前示実施例１、２では、ｎ型半導体基板１の平坦な表面又は受光面１ａに部分的に形成された加工歪１ｂに対し、少なくともアルミニウムが含まれたｐ型ドーパント２を塗布したが、これに限定されず、ｐ型半導体基板１の平坦な表面又は受光面１ａに部分的に形成された加工歪１ｂに対し、ｎ型ドーパント２を塗布し、酸化雰囲気で熱処理することにより、選択的にｎ型不純物拡散領域３を形成したり、或いは挙動の違う複数の不純物からなるｎ型ドーパントを塗布してから熱処理することにより、高濃度で深さの深いｎ型不純物拡散領域３と低濃度で深さの浅いｎ型不純物拡散領域４とを同時形成するようにしても良い。
この場合にも、上述した実施例１、２と同様な作用効果が得られる。

本発明の半導体デバイスの製造方法の実施例１を示す縦断面図であり、その工程順に従って（ａ）〜（ｃ）に示している。 本発明の半導体デバイスの製造方法の実施例２を示す縦断面図であり、その工程順に従って（ａ）〜（ｄ）に示している。

符号の説明

Ａ 半導体デバイス、太陽電池素子 １ 半導体基板
１ａ 平坦な表面、受光面 １ｂ 加工歪
２ ドーパント ３ 不純物拡散領域、高濃度の不純物拡散領域
４ 低濃度の不純物拡散層 ５ 表面電極

Claims (5)

1. 半導体基板の表面に不純物拡散領域を選択的に形成する半導体デバイスであって、
   前記半導体基板の平坦な前記表面の所定位置に加工歪を部分的に形成し、前記加工歪を含む前記表面の略全体にアルミニウムからなるドーパントを塗布し、且つ前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理することにより、前記加工歪を除く前記表面では、前記ドーパントのアルミニウムが酸化して外部へ出され、前記加工歪及びその周辺の表面には、前記ドーパントのアルミニウムが熱拡散して部分的に形成された前記不純物拡散領域を有することを特徴とする半導体デバイス。
2. 前記半導体デバイスが太陽電池素子であり、その平坦な受光面の電極設置予定位置に前記加工歪を形成し、前記加工歪を含む前記受光面の略全体にアルミニウムとボロンからなるドーパントを塗布し、前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理することによって前記加工歪及びその周辺に部分的に形成された高濃度で深さの深い不純物拡散領域を前記受光面に有すると共に、該高濃度で深い前記不純物拡散領域を除く前記受光面の略全体に形成された低濃度で深さの浅い不純物拡散領域を前記受光面に有することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス。
3. 半導体基板の表面に不純物拡散領域を選択的に形成する半導体デバイスの製造方法であって、
   前記半導体基板の平坦な前記表面の所定位置に加工歪を部分的に形成する工程と、前記加工歪を含む前記表面の略全体にアルミニウムからなるドーパントを塗布する工程と、前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理することにより、前記加工歪を除く前記表面では、前記ドーパントのアルミニウムが酸化して外部へ出され、前記加工歪及びその周辺の表面では、前記ドーパントのアルミニウムが熱拡散して前記不純物拡散領域を部分的に形成する工程からなることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
4. 前記半導体デバイスが太陽電池素子であり、その平坦な受光面の電極設置予定位置に前記加工歪を形成する工程と、前記加工歪を含む前記受光面の略全体にアルミニウムとボロンからなるドーパントを塗布する工程と、前記ドーパントを酸化雰囲気で熱処理して前記加工歪及びその周辺に高濃度で深さの深い前記不純物拡散領域を選択的に形成すると共に、該高濃度で深い前記不純物拡散領域を除く前記受光面の略全体に低濃度で深さの浅い不純物拡散領域を形成する工程からなることを特徴とする請求項３記載の半導体デバイスの製造方法。
5. 前記加工歪の形成手段としてサンドブラストにより細かい傷を作ったことを特徴とする請求項３または４記載の半導体デバイスの製造方法。

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