JP5377478B2 - 半導体素子のためのコンタクト構造 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子に関するものである。
通常太陽電池はスクリーン印刷された銀のフィンガー部から成る前面コンタクトを有している。これは典型的には１００〜１２０μｍの幅を有し約１０〜１５μｍの厚さである。スクリーン印刷を用いて約０．１より相当高いアスペクト比を達成することは不可能であるため、フィンガー部の幅は同時にフィンガー部の線抵抗を増大せずには低減され得ない。他方では、前面コンタクトの幅が広ければ広いほど、前面のシェーディングにより引き起こされる損失は増大する。他の欠点は銀のコンタクトの材料費が高いことである。
既にシリコン基板前面コンタクトのためのコンタクト技術を改善するための様々な方法が述べられてきている。
特許文献１はメタルコンタクト製造方法を開示しており、この場合シリコン基板の前面にトレンチが配され、これらのトレンチはニッケル−銅層体系から成るメタルコンタクトを受け入れる。この方法の欠点は、ニッケル析出（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ）後に焼戻しステップを必要とすることである。
特許文献２はシリコン基板コンタクトの光誘起電気めっき（ｌｉｇｈｔ-ｉｎｄｕｃｅｄｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ）のための方法を述べている。この場合シリコン基板の背面コンタクトは犠牲カソードとして機能する。用いられる化学物質はシアン化物を含んでいる。
特許文献３はシリコン表面に直接電気めっきするための方法を述べている。この場合最初にパラジウムシード層の析出が必要とされる。この層にニッケルコーティングが行われ、このコーティングに実際は電流が流れるコンタクト層が析出される。
特許文献４は半導体素子の表面に取り入れられたトレンチのエッジに沿ったメタルコンタクトの光誘起析出のための方法を述べている。
特許文献５は互いに接し合っている複数の電極を有するシリコン基板を開示しており、これらの電極は複数の連続する層から成り、これらの層は最初に従来の真空コーティング技術を用いてシリコン基板のコンタクト面に析出され、次に更なる方法ステップにおいて電気めっきプロセスにより増大される。この方法は大変コストがかかる。
特許文献６は電極の製造方法に関し、この電極は電気形成或いは静電粉末コーティングにより基板表面の尖った或いはエッジ形状の突出部に被覆される。その後、一連の化学反応と方法ステップが必要とされ電極が完成する。
特許文献７は精錬された離散的メタル構造の製造方法を述べており、これらの構造は光化学的に促進されたメタル析出を用いて光起電力で活性する半導体材料に生成され、引き続き基板から取り除かれる。
これらの周知の方法はコストがかかり高価である。
本発明の課題は、高いアスペクト比を有するコンタクト構造とそのようなコンタクト構造を有する半導体素子とをコストをかけずに製造する方法を提供することである。
この課題は、請求項１の特徴により解決される。本発明の要点は、半導体基板と導体層との間に、欠陥を引き起こすイオンが導体層から半導体基板へ拡散するのを防止するためのバリア層が配されている点である。これにより導体層の形成にとって使用可能な材料を選択する幅は非常に広がる。更にこれにより高いアスペクト比を有するコンタクト構造が達成され得、これはコンタクト構造により前面のシェーディングに起因する損失を低減する。更なる利点は従属項によって明らかになる。
本発明の特徴と詳細は図面に基づいて実施形態の説明によって明らかになる。
以下に本発明に従う半導体素子が図１〜４に関連して述べられている。出発点として半導体素子１は基板２を有している。基板２として特にシリコン基板が機能する。しかし基板２として他の半導体基板も同様に機能し得る。基板２は、第１面と、この第１面に対向している第２面とを有して実質的に平らに形成されている。この場合第１面は前面３を形成している一方、第２面は基板２の背面４を形成している。基板２は少なくとも部分的にシリコンから成っている。基板２の前面３には複数の導体パス５が設けられている。導体パス５は側面１６を有しており、これらの側面１６は角度ｂを基板２の前面３と共に取り囲んでいる。角度ｂは少なくとも９０°である。角度ｂは特に９０°より大きく、特に１００°より大きい。従って導体パス５の側面１６は互いに近寄って形成されていると好ましく、特にこれによりシェーディングがほとんどなくなる。しかし導体パス５は同様に背面４に配されても良い。導体パス５は基板２と電気接触をしている。導体パス５は導電性材料、特に基板２の材料に対して低い拡散係数を有している金属から成っている。導体パス５は特に高い銀含有量を有している。全て純銀から成っていても良い。導体パス５はシリコン基板２の前面３に対して平行である幅Ｂを有しており、この幅Ｂは導体パス５により前面３のシェーディングを低減するために可能な限り小さい。導体パス５は前面３に対して垂直である高さＨを有しており、この高さＨは導体パス５の線抵抗を低減するために可能な限り大きい。従って導体パス５は前面３から高さＨ分だけ突出している。従って側面１６はこれらの全延長に沿って露出している。通常導体パス５の幅Ｂは１０μｍ〜２００μｍの範囲に、特に１００μｍ〜１２０μｍの範囲にある。導体パス５の高さＨは通常１μｍ〜５０μｍの範囲に、特に５μｍ〜１５μｍの範囲にある。スクリーン印刷された導体パス５の幅に対する高さとして定義されているアスペクト比ＡＶＬｂ＝Ｈ／Ｂは約０．１である。このような導体パス５は通常約４０Ω／ｍの線抵抗Ｒｌｆを有している。しかし線抵抗Ｒｌｆはもっと大きくとも良い。
第１方法ステップによると半導体素子１は図２に示されているようにバリア層６を有している。バリア層６は特に導体パス５を取り囲んでいる。バリア層６の厚さは０．１〜５μｍ、特に０．２〜１μｍである。バリア層６は材料、特に、導体パス５及び導体層７の材料に対して無視できるほどの拡散係数或いは無視できるほどの混和性を有する金属から成っている。バリア層６は特に電解で或いは化学的に被覆されるコバルトから成っている。この層６は電解被覆されたニッケルから成っていても良い。他の材料も同様に考え得る。バリア層６は高い導電性を有していると有利である。バリア層の金属はコンタクトローラのクリーニングのために適切に電気機械的に取り外すことができると有利である。これは特にコバルトに対して有効である。
次の方法ステップによると半導体素子１は図３に示されているように導体層７を有している。導体層７は銅から成っている。導体層７は少なくとも部分的に高い導電性を有する他の材料から成っていても良い。導体層７は特にバリア層６の材料に対して部分的に非常に低い拡散係数を有している材料から形成されている。一方ではバリア層６の材料と他方では導体層７の材料との間には低い混和性が存在するのみであると有利である。
更なる方法ステップによると半導体素子１は図４に示されているように保護層８も有している。保護層８は導体層７を取り囲んでいる。保護層８は特に銀から成っている。この層８は錫から成っていても良い。保護層８は腐食を防止する。
全体として導体パス５とバリア層６と導体層７と保護層８とは多層コンタクト構造９を形成している。従ってコンタクト構造９は特に４層で形成されている。コンタクト構造９の個々の層は実質的に導体パス５と同じ幅Ｂを有している。しかしコンタクト構造９の高さは導体パス５とバリア層６と導体層７と保護層８との高さの合計である。従ってコンタクト構造９は、導体パス５のアスペクト比ＡＶＬｂより高いアスペクト比ＡＶＫＳを有している。この場合特にＡＶＫＳ／ＡＶＬｂ≧１．５、特にＡＶＫＳ／ＡＶＬｂ≧２、特にＡＶＫＳ／ＡＶＬｂ≧４であると有効である。従ってコンタクト構造９の個々のパスの線抵抗ＲＫＳは導体パス５の線抵抗Ｒｌｆより低い。この場合特にＲＫＳ／Ｒｌｆ≦０．５、特にＲＫＳ／Ｒｌｆ≦０．３、特にＲＫＳ／Ｒｌｆ≦０．２であると有効である。
以下に図５に関連して半導体素子１の製造、特にコンタクト構造９の製造方法が述べられている。第１方法ステップ１０では基板２が用意されスクリーン印刷方法を用いて前面３に導体パス５が設けられる。導体パス５は基板２の背面４に或いは２つの面３、４に配されても良い。
次の方法ステップ、第１電解析出１１では、基板２、特に導体パス５が、バリア層６によってコーティングされる。このために、電解コバルト或いはニッケルが基板２及び導体パス５に析出される。ガルバニック（Ｇａｌｖａｎｉｃ）コーティングによりバリア層６の基板２と導体パス５とに対する良好な付着は達せられ、ウェットケミカル方式が焼戻しステップにより中断される必要はない。これにより特に低コストである方法が可能になる。バリア層６の電解析出は特にワット浴で行われ、これらのワット浴は適度の酸性ｐＨ値、特にｐＨ３〜５を有している。これらの浴は導体パス５を腐食しない。ｐＨ３より大きいｐＨ値を有する他の浴が用いられても良い。バリア層６の電解析出のための電気ポテンシャルは適切な波長と強度との光を用いた基板２の照射により生成されることが可能である。同様にこの処置により基板の電気抵抗は低減され得る。
更なる方法ステップ、第２電解析出１２では、導体層７がバリア層６に被覆される。このために、半導体素子１は電位コントロールされて酸性の銅浴に浸漬される、換言すると電位はウェハが浴に浸漬される前に既に印加されている。第２電解析出１２の最中に約１０μｍ厚の導体層７は導体パス５に析出されるが、導体パス５からバリア層６によって絶縁される。導体層７の電解めっきは第２電解析出１２の最中に特にパルスめっき法を用いて行われる。この場合周期的にアノード電位とカソード電位との間で電位が入れ替わる。これにより導体パスにおいて電解析出と溶解とが周期的に入れ替わる。その上パルスめっき法は大変低電圧の層の析出を可能にする。導体パス５のエッジにおいて場の強さはより高いため、溶解率もより高く、これが導体パス５の幅を広げないようにする。電解析出は適切な強度と波長との光を用いた照射により促進され得る。
更なる方法ステップ、保護コーティング１３では、銀から成る耐腐食性保護層８によって、第２電解析出１２で導体パス５に被覆された導体層７をコーティングするために半導体素子１は銀浴に少し浸漬される。このための代替方法として、保護コーティング１３はより低コストである錫の電解析出を用いて設けられても良い。
本発明に従って製造されたコンタクト構造９は安定した層を有している。プルオフ試験は、シリコン基板２のコンタクト構造９の非常に良好な付着強度を示した。コンタクト構造９の個々のパスの電気損失は導体パス５の電気損失と比べて非常に低減されている。全体として本発明に従う方法はコンタクト構造９の個々のパスのアスペクト比ＡＶＫＳを増大させ、他方これはこのようなコンタクト構造９を有する太陽電池の効率を増大させる。方法ステップ１１と１２と１３とは、連続する方法としてなされることが出来、これはウェットケミカル或いは電気化学的方法ステップ１１と１２と１３とが焼戻しステップにより中断される必要はない。これによりこの方法は特に時間とコスト面で有利である。
以下に図６に関連して半導体素子１ａの他の実施形態が述べられている。第１実施形態の場合と同一部分は同一の参照符号を受け、説明も記述のとおりである。この中で第１実施形態との主たる差異は、基板２が最初に絶縁層１４を設けられることである。絶縁層１４は例えば窒化ケイ素或いは二酸化ケイ素から成っている。バリア層６と導体層７とが配されるべき箇所で、絶縁層１４はコンタクト開口部１５を任意に設けられる。導体パス５の被覆は省略され得る。絶縁層１４のコンタクト開口部１５の製造のためにレーザ或いはプラズマ或いはウェットケミカル或いはペーストエッチング（ｐａｓｔｅ ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスが選択される。絶縁層１４の開口部の後に、第１実施形態に従ってバリア層６と導体層７とが被覆されることが可能である。
バリア層６はこの実施形態の場合基板２と直接接触している。バリア層６は基板２へ導体層７からメタルが拡散するのを防止する。その上バリア層６は基板２に導体層７が良好に付着するのを確実にする。
更なる別の実施形態ではパラジウムシード層は数ナノメートルの厚さを有し、バリア層６と導体層７とが配される箇所において基板に被覆される。これにより、シード形成作業はニッケル或いはコバルト或いはニッケル−コバルト合金から成る均質なバリア層６が直接且つ光を用いずにガルバニック被覆され得るように低減される。勿論バリア層６のガルバニック析出が光を用いて成される場合は、パラジウムシーディングは省略しても良い。どんな場合でもバリア層６は強磁性体メタルから成っているため、本発明に従うと、電析結晶のためのシード形成作業は不均質な磁界を重ね載せることにより低減するので、均質なバリア層６を直接絶縁層１４の開口部１５にガルバニック析出することが選択される。
１、１ａ 半導体素子
２ 基板
３ 前面
４ 背面
５ 導体パス
６ バリア層
７ 導体層
８ 保護層
９ 多層コンタクト構造
１０ 第１方法ステップ
１１ 次の方法ステップ（第１電解析出）
１２ 更なる方法ステップ（第２電解析出）
１３ 更なる方法ステップ（保護コーティング）
１４ 絶縁層
１５ コンタクト開口部
Ｂ 幅
Ｈ 高さ
２ 基板
３ 前面
４ 背面
５ 導体パス
６ バリア層
７ 導体層
８ 保護層
９ 多層コンタクト構造
１０ 第１方法ステップ
１１ 次の方法ステップ（第１電解析出）
１２ 更なる方法ステップ（第２電解析出）
１３ 更なる方法ステップ（保護コーティング）
１４ 絶縁層
１５ コンタクト開口部
Ｂ 幅
Ｈ 高さ
Claims (7)
- 第１面（３）と第２面（４）とを有している基板（２）と、
基板（２）の少なくとも１つの面（３、４）に配されている多層コンタクト構造（９）と
を備えている半導体素子（１）であって、
コンタクト構造（９）が、基板（２）の第１面（３）から高さＨ分突出している複数の導体パス（５）と、導体層（７）から基板（２）へのイオン拡散防止のために導体パス（５）の上面及び両側面を取り囲んでいるバリア層（６）と、バリア層（６）の上面に配されている導体層（７）とを有しており、
導体パス（５）の高さＨが、１μｍ〜５０μｍの範囲にあり、
バリア層（６）が、少なくとも部分的に電解被覆されるコバルト及び／又はニッケルから形成され、０．１μｍ〜５μｍの厚さを有しており、
導体層（７）が、少なくとも部分的に銅から形成されており、
導体パス（５）がアスペクト比ＡＶＬｂを有し、コンタクト構造（９）がアスペクト比ＡＶＫＳを有し、その数値がＡＶＫＳ／ＡＶＬｂ≧１．５であり、
コンタクト構造（９）が、少なくとも０．１のアスペクト比ＡＶＫＳを有している半導体素子（１）。 - 導体パス（５）の高さＨが、５μｍ〜１５μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子（１）。
- バリア層（６）が、０．２μｍ〜１μｍの厚さを有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体素子（１）。
- コンタクト構造（９）が、少なくとも０．２のアスペクト比ＡＶ ＫＳ を有していることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体素子（１）。
- コンタクト構造（９）が、少なくとも０．４のアスペクト比ＡＶ ＫＳ を有していることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の半導体素子（１）。
- ＡＶ ＫＳ ／ＡＶ Ｌｂ ≧２であることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の半導体素子（１）。
- ＡＶ ＫＳ ／ＡＶ Ｌｂ ≧４であることを特徴とする、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の半導体素子（１）。
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|---|---|---|---|
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