JPH0414514B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体装置用の電極材料に係り、特
に太陽電池などの比較的粗いパターンの電極を有
する半導体素子の製造に好適な電極材料に関す
る。 〔発明の背景〕 半導体素子の例として、太陽電池の代表的な構
成例を図に示す。n⁺／Ｐ／P⁺接合を形成したＰ
型シリコン基板１の表面にn⁺層２、反対面にP⁺
層３が設けられ、n⁺層２上に受光面電極４、P⁺
層３上に裏面電極５を形成した構造である。さら
に一般には反射防止膜等も設けられる。 この太陽電池の近年における重要課題は、製造
コストの低減にあり、受光面電極４、裏面電極５
の形成法も従来の真空蒸着法にかわつて、低コス
トなメツキ法や印刷法が検討されるようになつて
きた。このうち特に印刷法は、自動化が容易で生
産性が高いことから広く検討されている。この印
刷法は、金属粉末、ガラス粉末などを有機結合
剤、有機溶剤と混練したペースト状の物質（以下
導電ペーストという）をスクリーン印刷法などで
塗布し、焼成する方法であり、上記の金属粉末と
しては銀粉末が一般的である。このような導電ペ
ーストは、太陽電池の電極形成用、あるいは厚膜
回路基板用などとして多数のものが市販されてい
る。 一方、太陽電池等の電極形成においては、電極
の接着強度の大きいこと、シリコンに対するコン
タクト抵抗の低いこと、拡散層に対してつきぬけ
のないこと（リーク電流の小さいこと）などが要
求される。 しかし、市販の各種のAg系、Ag−Pd系導電ペ
ーストについて検討した結果によると、いずれの
導電ペーストも図に示した接合形成シリコンウエ
ハ上に印刷塗布し、乾燥、焼成した場合に次の問
題があつた。すなわち、厚膜回路基板用のAg系
あるいはAg−Pd系導電ペーストでは、シリコン
ウエハと電極との間にバリアが生成し、コンタク
ト抵抗が高く、比較的高い温度の焼成では接合が
破壊し、リーク電流の増大が認められた。 太陽電池用のAg系導電ペーストでは、シリコ
ンウエハと電極との間にバリアの生成しにくいも
のもあるかいずれもコンタクト抵抗が高く、太陽
電池の光照射時の電流−電圧特性を調べると曲線
因子が小さく、高効率な太陽電池は作れなかつ
た。また、焼成温度を比較的高温にするとコンタ
クト抵抗は低下する傾向がみられたが、このさい
にはリーク電流が増加する問題が生じた。 このように上記従来の導電ペーストを用いて接
合破壊を起すことなく、コンタクト抵抗の低い電
極を形成することは非常に困難であつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記した従来の導電ペースト
にみられた欠点がなく、太陽電池などの半導体装
置の電極材料として非常に有用な材料を提供する
ことにある。 〔発明の概要〕 本発明の電極材料は銀粉末と、ａ，ａ族の
金属の炭化物、窒化物から選ばれた少なくとも一
種の金属化合物と、有機結合材と、有機溶剤と、
必要に応じて加えられるガラス粉末とからなるこ
とを特徴とし、更にａ，ａ族の金属の炭化
物、窒化物から選ばれた少なくとも一種の金属化
合物が、具体的には炭化チタン、炭化ジリコニウ
ム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオ
ブ、炭化タンタル、窒化チタン、窒化ジルコニウ
ム、炭化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化ニオ
ブ、窒化タンタルのうち選ばれた少なくとも一種
類の化合物であることを特徴とする。 すなわち、本発明が従来の導電ペーストと異な
る点は、上記したａ，ａ族の金属の炭化物、
窒化物から選ばれた少なくとも一種の金属化合物
を含む点にある。 これらの金属化合物を配合した導電ペーストを
シリコンなどの基板上に印刷し、焼成すると、接
合破壊を起す恐れのない比較的低い温度（＜750
℃）の焼成でも、基板に対して非常に低いコンタ
クト抵抗の電極が形成できる。 本発明の電極材料が従来の導電ペーストに比
べ、上記のように非常に良好な電極形成が可能で
あるのは、次の理由によると考えている。すなわ
ち、従来の導電ペーストを例えばシリコン基板上
に印刷し、焼成した場合、焼成雰囲気中に含まれ
る酸素によつてシリコン表面に絶縁性の酸化ケイ
素膜が生成してしまう。またこの酸化ケイ素膜は
導電ペーストが酸化鉛系の低融点ガラスを使用し
ている場合には酸化鉛とシリコンとの反応によつ
ても生成してしまう。このようにシリコン表面に
酸化ケイ素膜が生成するため、焼成された電極と
シリコン間のコンタクト抵抗が非常に高くなつて
しまうものと予想される。 一方、本発明による電極材料では上記と同様に
酸化ケイ素膜は生成すると考えられるが、電極材
料中に含まれる金属化合物（ａ，ａ族の金属
の炭化物、窒化物から選ばれた少なくとも一種の
金属化合物、具体的には炭化チタン、炭化ジルコ
ニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化
ニオブ、炭化タンタル、窒化チタン、窒化ジルコ
ニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒化
ニオブ、窒化タンタルのうちから選ばれた少なく
とも一種類の化合物が酸化ケイ素膜と反応し、シ
リコンの還元や、これらａ，ａ族の金属のシ
リサイド化合物が生成し、それによつて電極とシ
リコンとのコンタクト抵抗が非常に低くなるもの
と予想される。 本発明の電極材料の成分について以下にさらに
詳述する。構成成分中のAg粉末、有機結合剤、
有機溶剤は、従来の導電ペーストで用いられてい
るものと同様のものを用いることができる。銀粉
末としては粒径1μｍ以下のものが、有機結合剤
としてはセルロース系化合物や、ポリメタクリレ
ート系化合物などが、有機溶剤としては多価アル
コール系のものが特に好適である。 前記のａ，ａ族の金属の炭化物、窒化物か
ら選ばれた少なくとも一種の金属化合物は、粉末
の状態で用いるのが好適である。 また本発明では、ガラスを含むことを必ずしも
必要としない。ただし、ガラスを配合すると、形
成した電極の半導体素子への接着強度が向上す
る。また電極の半田に対する耐性も向上する。こ
のため特に太陽電池の電極形成などに用いる場合
にはむしろガラスを配合するのが好ましい。ここ
で用いるガラスの種類は、特に限定されるもので
はない。また本発明の電極材料にPd粉末を配合
することにより、形成された電極の半田に対する
耐性がさらに向上し、Pt粉末を配合することに
より、電極の接着強度が向上する。 本発明の電極材料を特に太陽電池の電極形成に
用いる場合、前記のａ，ａ族の金属の炭化
物、窒化物から選ばれた少なくとも一種の金属化
合物の配合比は、銀粉末100重量部に対して0.5〜
40重量部とするのが好適である。0.5重量部未満
の配合比では形成された電極のシリコンに対する
コンタクト抵抗が高くなり、40重量部をこえる配
合比では形成した電極の抵抗率がやや高くなり、
太陽電池の効率低下を招き易くなる。 〔発明の実施例〕 以下本発明を実施例により更に説明する。 実施例 １ 粒径1μｍ以下の銀粉末10ｇと、粒径10μｍ以下
の炭化ニオブ粉末（配合割合は銀粉末100重量部
に対して0.5〜40重量部）と、ホウケイ酸鉛系ガ
ラスフリツト１ｇに、10cpsのエチルセルロース
10重量部をα−テルピネオール90重量部に溶解し
た粘調液を加えながら充分に混練し、第１表No.１
〜６に示す粘度が約200ポイズ（ずり速度100／
秒）の電極用ペースト状電極材料を調整した。 太陽電池用の接合形成シリコン基板として、図
に示すようにＰ型シリコン基板１（比抵抗１〜５
Ω−cm、直径３インチ丸型ウエハ）の表面にイオ
ン打込み法で深さ0.3〜0.5μｍのn⁺層２（比抵抗
約1.5×10^-3Ω−cm）と、反対面にAl拡散法で深
さ１〜2μｍのP⁺層３を形成したものを用いた。 次に、このＰ型シリコン基板１のn⁺層２上に
はくし型パターン状に、P⁺層上３にはべたパタ
ーン状に上記のペースト状電極材料をスクリーン
印刷し、150℃、10分間の乾燥処理をし受光面電
極４、裏面電極５を形成した。次に、この基板を
酸素50ppmを含む窒素ガス雰囲気中で、600℃で
10分間焼成した。 このようにして作製した太陽電池の電流−電圧
特性（Ｉ−Ｖ特性）を調べ、電極の接触抵抗逆バ
イアス（1V）でのリーク電流、曲線因子（F.
F.）、開放電圧（Voc）、短絡電流（Isc）を調べ
た。 第１表に示した如く、炭化ニオブを配合した本
発明の電極材料を用いた太陽電池は、比較例とし
て示した炭化ニオブを配合しないものを用いた場
合に比べてRcが大幅に低くなり、F.F、Iscが大
きく、その結果として効率も大幅に向上した。ま
た、リーク電流はいずれも10^-6A／cm²のオーダー
であり、問題はまつたく認められなかつた。 このように本発明の電極材料は、比較的低温の
600℃の焼成でも接触抵抗が充分低く、n⁺層の厚
さが0.3〜0.5μｍと非常に薄いにもかかわらずリ
ーク電流の増加がなく、電極材料として従来の導
電ペーストに比べ非常に優れていることが確認さ
れた。

【表】 実施例 ２ 炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウ
ム、炭化バナジウム、炭化タンタル、窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バ
ナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタルと、粒径
1μｍ以下のAg粉末と、ガラスフリツト（ホウケ
イ酸鉛系、ホウケイ酸亜鉛系リン酸系）とを、第
２表のNo.７〜17に示すように各種組合せ、これに
ポリイソブチルメタクリレート40重量部と分散剤
0.5重量部をα−テルピネオール60重量部に溶解
した粘調液を加えながら十分に混練し、粘度が約
200ポイズ（ずり速度100／秒）の組成の異なる各
種のペースト状電極材料を調整した。 この電極材料を実施例１と同様の接合形成シリ
コン基板表面にスクリーン印刷し、150℃で10分
間乾燥後、酸素50ppmを含む窒素ガス雰囲気中で
600℃、10分間焼成した。このようにして作製し
た太陽電池の特性を実施例１と同様にして調べた
結果を電極材料の無機成分とともに第２表に示し
た。炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニ
ウム、炭化バナジウム、炭化タンタル、窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バ
ナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタルの金属化合
物を配合した本発明の電極材料は比較例の組成に
比べいずれも接触抵抗が低くなり、F.F.Iscが大
きく、その結果として効率も大幅に向上した。ま
たリーク電流はいずれも10^-6A／cm²のオーダーで
あり、問題は認められなかつた。このように実施
例２に示した本発明の電極材料も従来の導電ペー
ストに比べ非常に優れた効果の得られることが確
認された。 また、第２表No.18〜21に示すようにａ族、
ａ族の金属の炭化物、窒化物から選ばれた少なく
とも二種類の金属化合物を用いても、上記と同様
な結果が得られた。

【表】

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の電極材料は比較的
低温の焼成でも、浅い接合の半導体素子に対して
も接合破壊やリーク電流の増加を引き起すことな
く、かつ接触抵抗の低い電極形成を可能とする画
期的な材料である。このため、太陽電池の電極形
成に本発明の電極材料を用いると、従来の導電ペ
ーストを用いた場合に比べ非常に効率の高い太陽
電池を得ることができる。 また、本発明の電極材料は印刷法によつて塗布
でき、安価に、高生産性に電極が形成でき工業的
にも非常に有用である。さらに、本発明の電極材
料は、太陽電池以外の受光素子や他の半導体装置
の電極形成にも用いることが可能である。

【図面の簡単な説明】

図は太陽電池の代表的な構成を示した断面図で
ある。 １…Ｐ型シリコン基板、２…n⁺層、３…P⁺層、
４…受光面電極、５…裏面電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 銀粉末と、配合割合が前記銀粉末100重量部
   に対して0.5〜40重量部であるIVa，Va族の金属
   の炭化物、窒化物から選ばれた少なくとも一種の
   金属化合物と、有機結合材と、有機溶剤と、必要
   に応じて加えられるガラス粉末とからなることを
   特徴とする半導体装置用電極材料。 ２ IVa，Va族の金属の炭化物、窒化物から選
   ばれた少なくとも一種の金属化合物が、炭化チタ
   ン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バ
   ナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、窒化チタ
   ン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バ
   ナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタルのうちから
   選ばれた少なくとも一種類の化合物であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装
   置用電極材料。