JPH0548130A - Semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Semiconductor device and its manufacture

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JPH0548130A
JPH0548130A JP3221178A JP22117891A JPH0548130A JP H0548130 A JPH0548130 A JP H0548130A JP 3221178 A JP3221178 A JP 3221178A JP 22117891 A JP22117891 A JP 22117891A JP H0548130 A JPH0548130 A JP H0548130A
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JP
Japan
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film
type layer
semiconductor device
layer
band
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JP3221178A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuaki Tashiro
和昭 田代
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Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Publication of JPH0548130A publication Critical patent/JPH0548130A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PURPOSE:To manufacture such a semiconductor device that is free from the deterioration of optical sensitivity caused by misfitting of a grating at the interface of a heterojunction and provided with a high-quality film having no defect by providing a taperlike band profile and making the band coupling continuous at the boundaries between a p-type layer and i-type layer and between the i-type layer and an n-type layer. CONSTITUTION:In this non-single-crystal silicon semiconductor device having a pin type structure, a p-type layer 105, i-type layer 104, and n-type layer 103 are formed so that they can have a taper-like in-film hydrogen-concentration profile and taper-like band profile. In addition, the band coupling is made continuous at the boundaries between the layers 105 and 104 and between the layers 104 and 103. The continuous band coupling can be obtained by forming the layers 105, 104, and 103 while the in-film hydrogen concentration is controlled so that the optical band gaps between each of the layers can be formed under a taper-like condition. Therefore, the occurrence of an band offset which is produced when the layers are deposited in the conventional method can be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置、およびその
作製方法に関するものであり、特に、非単結晶シリコン
を半導体層として用いた半導体装置とその作製方法に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device using non-single crystal silicon as a semiconductor layer and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年非単結晶シリコン(水素化アモルフ
ァスシリコン等)を用いた半導体装置の開発が盛んであ
る。特に大面積、低コストで生産できる太陽電池の開発
や、軽量小型に作れるファクシミリ用固体撮像装置用p
in型フォトダイオードの開発が盛んである。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor devices using non-single crystal silicon (hydrogenated amorphous silicon, etc.) have been actively developed. Especially for the development of solar cells that can be manufactured in a large area and at low cost, and p for solid-state imaging devices for facsimiles that can be made lightweight and compact.
In-type photodiodes are being actively developed.

【0003】たとえば、これらの半導体装置に使われる
水素化アモルファスシリコン(以下a−Si:Hと略
記)の堆積方法としては、SiH4 またはSi26
成膜ガスとするRFプラズマCVD法やマイクロ波プラ
ズマCVD法、あるいは水素ガス存在下でSiターゲッ
トをArプラズマ中でスパッタする反応性スパッタリン
グ法などが用いられてきた。実験的にはこの他にも光C
VD法、ECRCVD法、水素原子存在下でのSiの真
空蒸着法、などの報告があり、Si26 などによる熱
CVD法での成功例もある。
For example, as a method of depositing hydrogenated amorphous silicon (hereinafter abbreviated as a-Si: H) used in these semiconductor devices, an RF plasma CVD method using SiH 4 or Si 2 H 6 as a film forming gas, and A microwave plasma CVD method or a reactive sputtering method in which a Si target is sputtered in Ar plasma in the presence of hydrogen gas has been used. In addition to this experimentally, light C
There are reports of VD method, ECRCVD method, vacuum deposition method of Si in the presence of hydrogen atoms, etc., and there are successful examples of thermal CVD method using Si 2 H 6 or the like.

【0004】これらの方法により得られるa−Si:H
膜は、ほとんど水素を10%またはそれ以上含む膜であ
る。このようなa−Si:H膜の堆積方法としてもっと
も普及しているのはプラズマCVD法で、多くの場合S
iH4 ,Si26 ガスを用い、必要に応じて水素ガス
で希釈を行い、13.56MHzまたは2.54GHz
の高周波でプラズマを発生させ、プラズマにより成膜ガ
スを分解して反応性のある活性種をつくり、基板上にa
−Si:H膜を堆積させる。
A-Si: H obtained by these methods
The film is a film containing almost 10% or more hydrogen. The most popular method for depositing such an a-Si: H film is a plasma CVD method, and in many cases, S
iH 4 , Si 2 H 6 gas is used, diluted with hydrogen gas as necessary, and 13.56 MHz or 2.54 GHz
Plasma is generated at a high frequency of, and the film-forming gas is decomposed by the plasma to form reactive active species.
Deposit a Si: H film.

【0005】また、成膜ガスにPH3 ,B26 ,BF
3 などのドーピングガスを混ぜればn型またはp型のa
−Si:H膜を形成することができるので、これらの膜
を用いてこのようなアモルファスシリコンデバイスを作
ることができる。
In addition, PH 3 , B 2 H 6 , and BF are used as film forming gases.
Mixing a doping gas such as 3 with n-type or p-type a
Since -Si: H films can be formed, these films can be used to make such amorphous silicon devices.

【0006】またCH4 などのガスを更に利用すること
により、ワイドギャップ材としての水素化アモルファス
シリコンカーバイド等を作ることも可能である。また適
当な条件を選べば、これらの成膜方法でマイクロクリス
タルシリコン(以下μ−cSiと略記)を作ることもで
きる。
It is also possible to produce hydrogenated amorphous silicon carbide as a wide gap material by further utilizing a gas such as CH 4 . If appropriate conditions are selected, micro crystal silicon (hereinafter abbreviated as μ-cSi) can be formed by these film forming methods.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来の膜堆積方法により得られたa−Si:H膜やμ
−cSi膜の非単結晶膜を利用してデバイスを作成する
場合、以下に述べるような問題点があった。
However, an a-Si: H film or a μ film obtained by the above-mentioned conventional film deposition method is used.
When a device is formed using a non-single crystal film of a -cSi film, there are the following problems.

【0008】たとえばpin型の太陽電池や、フォトダ
イオードを作成する場合、B26,BF3 を用いてp
型層を作るとイントリンジックなa−Si:H膜に比べ
て光学的バンドギャップが狭くなる。
For example, in the case of making a pin type solar cell or a photodiode, B 2 H 6 and BF 3 are used.
When the mold layer is formed, the optical band gap becomes narrower than that of the intrinsic a-Si: H film.

【0009】またp型層を窓層として用いる場合、p型
のアモルファスシリコンカーバイドなどの光学的バンド
ギャップの広い材料を利用することがある。このような
層構成の場合、p型層とイントリンジック層との界面は
ヘテロ接合となり、その結果界面での格子のミスフィッ
トが起こり、多くの界面準位が生成し、そこでの生成キ
ャリアの再結合が起こって、光感度が減少するなどの問
題があった。
When the p-type layer is used as the window layer, a material having a wide optical band gap such as p-type amorphous silicon carbide may be used. In the case of such a layer structure, the interface between the p-type layer and the intrinsic layer becomes a heterojunction, and as a result, a lattice misfit occurs at the interface, many interface states are generated, and the generated carriers in the interface are generated. There was a problem that the photosensitivity decreased due to recombination.

【0010】従来このようなミスフィットをなくすため
にカーボンやゲルマニウムなどの材料を加えた合金系の
材料で組成変調を行い、光学的バンドギャップをテーパ
ー状に設計し、界面でのバンドの接合を連続的に行う試
みもなされてきた。しかしながらこのような、合金系で
組成変調を行うと、膜内部に多数の欠陥を誘起し、バン
ド設計は可能でも良質な膜を得ることが難しいという問
題がある。
Conventionally, in order to eliminate such misfit, compositional modulation is performed with an alloy material added with a material such as carbon or germanium, the optical band gap is designed in a taper shape, and the band joining at the interface is performed. Attempts have been made continuously. However, such compositional modulation with an alloy system causes a number of defects inside the film, and there is a problem that it is difficult to obtain a good quality film even though band design is possible.

【0011】そこで、本発明の目的は、p型層の光学的
バンドギャップが狭くなく、ヘテロ接合界面での格子の
ミスフィットによる光感度の減少がなく、欠陥がない良
質な膜を有するpin型の太陽電池や、フォトダイオー
ド等の半導体装置及びその製造方法を実現することにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to provide a pin type film having a good quality film with no defects, in which the optical bandgap of the p type layer is not narrow, the photosensitivity is not decreased due to the misfit of the lattice at the heterojunction interface. To realize a semiconductor device such as a solar cell and a photodiode and a method for manufacturing the same.

【0012】[0012]

【課題を解決する手段】本発明は、上述した課題を解決
するため、以下の手段を有する。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has the following means.

【0013】pin型構造を具備する非単結晶シリコン
半導体装置において、該p型層、及び/又は該i型層、
及び/又は該n型層がテーパー状の膜中水素濃度プロフ
ァイルと、テーパー状のバンドプロファイルを有し、該
p型層、i型層、n型層の各層の界面でバンドの結合が
連続であることを特徴とする半導体装置。
In a non-single-crystal silicon semiconductor device having a pin structure, the p-type layer and / or the i-type layer,
And / or the n-type layer has a tapered hydrogen concentration profile in the film and a tapered band profile, and band coupling is continuous at the interfaces of the p-type layer, the i-type layer, and the n-type layer. There is a semiconductor device.

【0014】また、前記p型層、及び/又はi型層、及
び/又はn型層として、基体上に非単結晶シリコン層を
堆積後、該非単結晶シリコン層に水素プラズマ照射をす
る工程を1ステップとして、複数の該ステップを繰り返
しながら成膜を行ない、少なくとも一部の前記ステップ
において、前記堆積時間、及び/又は前記水素プラズマ
照射時間を前記ステップ毎に変化させ、膜中水素濃度を
テーパー状に制御することにより、テーパー状のバンド
プロファイルを有する半導体層を形成することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
Further, a step of depositing a non-single-crystal silicon layer on a substrate as the p-type layer and / or the i-type layer and / or the n-type layer, and then irradiating the non-single-crystal silicon layer with hydrogen plasma As one step, film formation is performed while repeating a plurality of the steps, and in at least a part of the steps, the deposition time and / or the hydrogen plasma irradiation time is changed for each step to taper the hydrogen concentration in the film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a semiconductor layer having a tapered band profile by controlling the shape of the semiconductor layer.

【0015】[0015]

【作用】本発明によれば、膜中水素濃度を制御しながら
成膜することにより、光学的バンドギャップをテーパー
状にすることで界面部でのバンドの連続性を得ることが
できる。
According to the present invention, by forming the film while controlling the hydrogen concentration in the film, it is possible to obtain the band continuity at the interface portion by tapering the optical band gap.

【0016】これにより、上記従来の方法で堆積した場
合に生ずるバンドオフセット(ヘテロ接合面での伝導帯
のエネルギー差ΔEc、価電子帯のエネルギー差ΔE
v)を生じない。
As a result, band offsets (conduction band energy difference ΔEc and valence band energy difference ΔE at the heterojunction surface) that occur when the above-mentioned conventional method is used for deposition.
v) does not occur.

【0017】また本発明は、膜中水素濃度を制御するこ
とでバンドギャップを設計するので、上記従来の組成変
調と異なり、膜中の欠陥を増やすことなく、良質な膜が
得られる。
Further, according to the present invention, since the band gap is designed by controlling the hydrogen concentration in the film, unlike the conventional composition modulation described above, a high-quality film can be obtained without increasing defects in the film.

【0018】[0018]

【実施例】(実施例1)図1は本発明になる成膜方法を
用いてイントリンジックな水素化アモルファスシリコン
層を形成し、pin型フォトダイオード、あるいは太陽
電池を作成した実施例の断面図(a)及びそのバンドプ
ロファイル(b)である。
EXAMPLE 1 FIG. 1 is a cross section of an example in which an intrinsic hydrogenated amorphous silicon layer is formed by using the film forming method according to the present invention, and a pin type photodiode or a solar cell is produced. It is a figure (a) and its band profile (b).

【0019】同図において、101はガラス基板、10
2は下電極、103はn型層、104はi型層、105
はp型層、106は透明電極、107は上電極である。
In the figure, 101 is a glass substrate and 10 is a glass substrate.
2 is a lower electrode, 103 is an n-type layer, 104 is an i-type layer, and 105
Is a p-type layer, 106 is a transparent electrode, and 107 is an upper electrode.

【0020】図1(b)は、そのバンドプロファイルを
示した模式図であり、図5は従来の成膜方法と条件で作
成した場合のバンドプロファイル図である。図5の従来
例に示すように、p型層の光学的バンドギャップは、i
層より狭くなり、p/i界面でバンドオフセットが生じ
ヘテロ接合となっている。これに対し本発明の図1
(b)ではi層のバンドプロファイルは、i層部分がテ
ーパー状になってp層に連続するため、p/i層界面は
バンドオフセットを生じることなく連続したものとな
る。このため、従来のヘテロ接合の界面で生じていた格
子のミスフィットによる光感度の減少の恐れがない。
FIG. 1B is a schematic diagram showing the band profile, and FIG. 5 is a band profile diagram when the film is formed by the conventional film forming method and conditions. As shown in the conventional example of FIG. 5, the optical band gap of the p-type layer is i
It is narrower than the layer, and band offset occurs at the p / i interface to form a heterojunction. On the other hand, FIG.
In (b), the band profile of the i layer is continuous in the p / i layer interface without causing band offset because the i layer portion is tapered and is continuous with the p layer. For this reason, there is no fear that the photosensitivity will decrease due to the misfit of the lattice, which has occurred at the interface of the conventional heterojunction.

【0021】次に、このような本発明の半導体装置の製
造法について、以下に説明する。
Next, a method for manufacturing such a semiconductor device of the present invention will be described below.

【0022】図3は本発明の方法でa−Si膜を成膜す
る手順を説明するための図である。図3に示すように本
発明の方法では、時間tD の間a−Si:H層を堆積し
た後、この堆積した膜に対して時間tA だけ水素プラズ
マ照射をするという一組のステップを繰り返しながら成
膜をする。本発明ではこの時間tD ,tA を各ステップ
毎に変化させ成膜する。
FIG. 3 is a diagram for explaining a procedure for forming an a-Si film by the method of the present invention. As shown in FIG. 3, the method of the present invention comprises a set of steps of depositing an a-Si: H layer for time t D and then irradiating the deposited film with hydrogen plasma for time t A. Film formation is repeated. In the present invention, the times t D and t A are changed at each step to form a film.

【0023】これにより、Siネットワークの組み替え
を行なうことができる。これは、堆積時間tD の間に堆
積した堆積膜表面は、水素プラズマ照射時間tA の間、
水素プラズマ照射を受けるのであるが、この時、水素プ
ラズマ中の原子状水素が堆積膜の中、あるいは堆積膜表
面を、ある程度拡散しつつ過剰の水素を引き抜き、Si
ネットワークの組み替えが起こっていると考えられる。
As a result, the Si network can be rearranged. This deposited deposited film surface during deposition time t D during the hydrogen plasma irradiation time t A,
While being exposed to hydrogen plasma, atomic hydrogen in hydrogen plasma diffuses into the deposited film or on the surface of the deposited film to some extent while drawing out excess hydrogen,
It is considered that the network has been rearranged.

【0024】図7は、その時の水素プラズマの効果を説
明するための図であり、堆積時間tD 、水素プラズマ照
射時間tA を一定に保って成膜した場合の、膜中水素濃
度と基板温度TS との関係を示している。同図に示され
るように、水素プラズマ照射時間tA を十分長く取った
場合(b)のi層の膜中水素濃度は、通常のGD法
(a)によるものの水素濃度よりも全体的に低い水素濃
度となっている。このように、水素プラズマ照射を十分
行ないながら堆積を行なう方法の方が、膜中水素濃度を
低くすることができる。
FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of hydrogen plasma at that time. When the deposition time t D and the hydrogen plasma irradiation time t A are kept constant, the hydrogen concentration in the film and the substrate are The relationship with the temperature T S is shown. As shown in the figure, the hydrogen concentration in the film of the i layer when the hydrogen plasma irradiation time t A is set sufficiently long (b) is generally lower than the hydrogen concentration by the normal GD method (a). It has a hydrogen concentration. As described above, the hydrogen concentration in the film can be lowered by the method of performing the deposition while sufficiently irradiating the hydrogen plasma.

【0025】図8は、膜中水素濃度の水素プラズマ照射
時間tA 依存を示す。aは各ステップでの膜厚が50Å
の場合であり、bは膜厚100Åの場合である。各ステ
ップでの膜厚が100Å以上だと水素プラズマ照射をい
くら行っても、水素引き抜き効果は現われにくく、水素
濃度は低下せず、構造緩和は進まなくなることが分か
る。
FIG. 8 shows the dependence of the hydrogen concentration in the film on the hydrogen plasma irradiation time t A. a is the film thickness at each step is 50Å
And b is the case where the film thickness is 100Å. It can be seen that, if the film thickness in each step is 100 Å or more, the hydrogen abstraction effect is difficult to appear, the hydrogen concentration does not decrease, and the structural relaxation does not proceed no matter how many times hydrogen plasma irradiation is performed.

【0026】また、堆積時間tD の間に堆積するa−S
i:Hの膜厚は2原子層以上であることが望ましく、実
際上は10Å以上であることが望ましい。これは、もし
新しく堆積した層が1原子層しかないと、アモルファス
構造を安定に保つことができず、水素プラズマ照射によ
り結晶化が進んでしまう。この原因としては、原子状水
素による水素の引き抜きが引き金となって過度のネット
ワーク組み替えが起こると考えられる。水素プラズマ照
射による過度のネットワーク組み替えを防ぎ、制御性良
く水素引き抜きを進めるには、10Å以上のa−Si:
H層の堆積が必要である。
Further, a-S deposited during the deposition time t D
The film thickness of i: H is preferably 2 atomic layers or more, and practically 10 Å or more. This is because if the newly deposited layer is only one atomic layer, the amorphous structure cannot be kept stable, and crystallization is promoted by hydrogen plasma irradiation. It is considered that the cause of this is that the abstraction of hydrogen by atomic hydrogen triggers an excessive network rearrangement. To prevent excessive network reorganization due to hydrogen plasma irradiation and to promote hydrogen abstraction with good controllability, a-Si of 10 Å or more:
Deposition of the H layer is required.

【0027】したがって、堆積時間tD 間に堆積する膜
厚は、前述したように10Å以上100Å以下、望まし
くは50Å以下である必要がある。
Therefore, the film thickness deposited during the deposition time t D must be 10 Å or more and 100 Å or less, preferably 50 Å or less, as described above.

【0028】図9は、堆積時間tD 間の堆積膜厚lと膜
中水素濃度との関係を示している。堆積時間tD 間の堆
積膜厚が50Å以上になると、水素プラズマ照射の効果
が低下し、水素プラズマ照射をしても水素濃度が低くな
らないことが分かる。
FIG. 9 shows the relationship between the deposited film thickness l and the in-film hydrogen concentration during the deposition time t D. It can be seen that when the deposited film thickness during the deposition time t D is 50 Å or more, the effect of hydrogen plasma irradiation decreases, and the hydrogen concentration does not decrease even when hydrogen plasma irradiation is performed.

【0029】従って、図8、9から堆積時間tD 、水素
プラズマ照射時間tA を制御することで、膜中水素濃度
を制御できることが分かる。
Therefore, it is understood from FIGS. 8 and 9 that the hydrogen concentration in the film can be controlled by controlling the deposition time t D and the hydrogen plasma irradiation time t A.

【0030】これらの図における成膜条件は、図4の装
置で作成した以下のpin型フォトダイオードのi層の
条件と同様のものである。
The film forming conditions in these figures are the same as those of the i layer of the following pin type photodiode prepared by the apparatus of FIG.

【0031】図4は、本発明を実現するための成膜装置
の一例を示す概略構成図である。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an example of a film forming apparatus for realizing the present invention.

【0032】図4において、400は反応チャンバー、
401は基板、403はアノード電極、402はカソー
ド電極、404は基板加熱用ヒーター、405は接地用
端子、406はマッチングボックス、407は13.5
6MHzのRF電源、、408および、414は排気
管、409および415は排気ポンプ、410は水素ガ
ス導入管、411、および412は成膜ガス導入管、4
13は三方バルブ、420、430、440、450、
460、422、432、442、452および462
はバルブ、421、431、441、451、および4
61はマスフローコントローラーを示す。成膜ガス導入
管411には三方バルブ413が取りつけられており、
三方バルブ413を切りかえることにより、成膜ガスの
ON/OFFを行う。水素(H2 )は462側から、シ
ラン(SiH4 )は422側から、ジボラン(B2
6 )は432側から、ホスフィン(PH3 )は442側
から、メタン(CH4 )は452側から導入する。
In FIG. 4, 400 is a reaction chamber,
401 is a substrate, 403 is an anode electrode, 402 is a cathode electrode, 404 is a substrate heating heater, 405 is a grounding terminal, 406 is a matching box, and 407 is 13.5.
6 MHz RF power source, 408 and 414 are exhaust pipes, 409 and 415 are exhaust pumps, 410 is hydrogen gas introduction pipe, 411 and 412 are film formation gas introduction pipe, 4
13 is a three-way valve, 420, 430, 440, 450,
460, 422, 432, 442, 452 and 462
Are valves, 421, 431, 441, 451 and 4
Reference numeral 61 indicates a mass flow controller. A three-way valve 413 is attached to the film-forming gas introduction pipe 411,
The film forming gas is turned on / off by switching the three-way valve 413. Hydrogen (H 2 ) from the 462 side, silane (SiH 4 ) from the 422 side, diborane (B 2 H
6 ) is introduced from the 432 side, phosphine (PH 3 ) is introduced from the 442 side, and methane (CH 4 ) is introduced from the 452 side.

【0033】この装置では、水素は常時流している。ま
たa−Si:H膜堆積時の成膜ガスであるSiH4 、あ
るいはSi26 のみの流れをON/OFF制御するだ
けでa−Si:H膜堆積と水素プラズマ照射の両方を容
易に切り替えることができる。
In this apparatus, hydrogen is constantly flowing. Further, by simply ON / OFF controlling the flow of only SiH 4 or Si 2 H 6 which is a film forming gas at the time of depositing an a-Si: H film, both the a-Si: H film deposition and hydrogen plasma irradiation can be easily performed. You can switch.

【0034】成膜ガスの水素ガスに対する割合を下げす
ぎると水素プラズマ照射時に結晶化が起きやすくなるの
で、成膜ガス濃度は10%以上、できれば20%以上水
素希釈とする方が良い。この場合a−Si:H膜を堆積
する工程と水素プラズマを照射する工程の両方で切れめ
なくプラズマをたてておくことも可能であり、このよう
にすればプラズマ発生期の膜質の悪い膜の堆積を防止す
ることができる。また、この場合プラズマ安定化のため
にArを添加することも好ましい。
If the ratio of the film forming gas to the hydrogen gas is too low, crystallization tends to occur during hydrogen plasma irradiation. Therefore, the film forming gas concentration is preferably 10% or more, preferably 20% or more. In this case, it is possible to leave the plasma unbroken in both the step of depositing the a-Si: H film and the step of irradiating with hydrogen plasma. Can be prevented from being deposited. In this case, it is also preferable to add Ar for plasma stabilization.

【0035】次に本発明の成膜方法により作成したテー
パー状の光学的バンドギャップを持つイントリンジック
なa−Si:H層を有するpin型フォトダイオードの
製造工程例を、図1の断面構造図と図4の製造装置を参
照しながら以下に示す。
Next, an example of a manufacturing process of a pin type photodiode having an intrinsic a-Si: H layer having a tapered optical bandgap formed by the film forming method of the present invention is shown in FIG. It will be described below with reference to the drawings and the manufacturing apparatus of FIG.

【0036】まず、表面を研磨したガラス基板101上
にAlなどの金属膜を用い下電極102を形成した後、
反応チャンバー400の中のカソード402に取りつ
け、排気ポンプ409により十分排気し、10-6Tor
rとした。基板温度は300℃とした。
First, after forming the lower electrode 102 using a metal film such as Al on the glass substrate 101 whose surface is polished,
It is attached to the cathode 402 in the reaction chamber 400, exhausted sufficiently by the exhaust pump 409, and 10 −6 Tor
r. The substrate temperature was 300 ° C.

【0037】次にSiH4 ガスを30sccm流し、H
2 ガスを30sccm流し、H2 ガスで1%に希釈した
PH3 ガスを30sccm流した。チャンバー内圧を
1.0torrにして10WのRFパワーを投入し、3
分間放電し、n型a−Si:H層103を400Å堆積
した。ガス供給を停止した後、チャンバー内を10-6
orr以下に排気した。
Next, SiH 4 gas was flowed at 30 sccm to generate H
2 gas was flowed at 30 sccm, and PH 3 gas diluted to 1% with H 2 gas was flowed at 30 sccm. Set the chamber pressure to 1.0 torr and apply 10 W of RF power.
After discharging for a minute, the n-type a-Si: H layer 103 was deposited at 400 Å. After stopping the gas supply, the inside of the chamber is 10 -6 T
Evacuated below orr.

【0038】次に本発明になる成膜方法でi型a−Si
層104を堆積する。基板温度は300℃のままとし
た。
Next, the i-type a-Si is formed by the film forming method according to the present invention.
Deposit layer 104. The substrate temperature was kept at 300 ° C.

【0039】まずH2 ガス30sccmを反応チャンバ
ー400に流した。三方バルブ413を成膜ガス導入管
411と排気管414とを接続するようにした後、バル
ブ420及び422を開けて、SiH4 ガス30scc
mを成膜ガス導入管411に流した。この状態でRF電
力20Wを投入し水素プラズマ放電を開始した。
First, 30 sccm of H 2 gas was flown into the reaction chamber 400. After the three-way valve 413 was connected to the film-forming gas introduction pipe 411 and the exhaust pipe 414, the valves 420 and 422 were opened, and SiH 4 gas 30 scc
m was passed through the film-forming gas introduction pipe 411. In this state, RF power of 20 W was applied to start hydrogen plasma discharge.

【0040】つぎに三方バルブ413を切り替えること
により、成膜(堆積)と水素プラズマ照射とを1ステッ
プとして繰り返す。本例での成膜時間(堆積時間)tD
は40秒で一定とし、この時の膜厚は50Åとした。
Next, by switching the three-way valve 413, film formation (deposition) and hydrogen plasma irradiation are repeated as one step. Film formation time (deposition time) t D in this example
Was constant for 40 seconds, and the film thickness at this time was 50Å.

【0041】水素プラズマ照射時間tA は図7,図8,
図10を利用し、光学的バンドギャップがn型層側で
1.7eV,p型層側で1.60eVになるように設定
し、実際の成膜時にはコンピューターで三方バルブの開
閉を制御した。全ステップ数は120回としi型層10
4の膜厚は6000Åとした。
The hydrogen plasma irradiation time t A is as shown in FIGS.
Using FIG. 10, the optical band gap was set to 1.7 eV on the n-type layer side and 1.60 eV on the p-type layer side, and the opening / closing of the three-way valve was controlled by a computer during actual film formation. The total number of steps is 120 and i-type layer 10
The film thickness of No. 4 was 6000Å.

【0042】また水素プラズマ照射時間tA は、第1か
ら第5ステップは1秒、第6から第17ステップは2
秒、第18から第29ステップは3秒、第30から第4
1ステップは4秒、第42から第53ステップは5秒、
第54から第65ステップは6秒、第66から第77ス
テップは7秒、第78から第89ステップは8秒、第9
0から第101ステップは9秒、第102から第120
ステップは10秒とした。
The hydrogen plasma irradiation time t A is 1 second for the first to fifth steps and 2 for the sixth to 17th steps.
Seconds, 18th to 29th steps are 3 seconds, 30th to 4th
4 seconds for 1 step, 5 seconds for 42nd to 53rd steps,
Steps 54 to 65 are 6 seconds, Steps 66 to 77 are 7 seconds, Steps 78 to 89 are 8 seconds, 9th
0 to 101st step is 9 seconds, 102nd to 120th
The step was 10 seconds.

【0043】このようにtA を設定すると、膜中水素濃
度をテーパー状とすることができ、かつ通常の方法によ
る成膜では欠陥の発生しやすい界面部分で欠陥の発生を
抑えることができる。
By setting t A in this way, the hydrogen concentration in the film can be tapered, and the occurrence of defects can be suppressed at the interface portion where defects are likely to occur in film formation by the ordinary method.

【0044】つぎにp型a−Si層105を堆積した。
チャンバー400内の真空度を10-6Torr以下に排
気し、基板温度を250℃に変えた後、SiH4 ガス3
0sccmとH2 ガスで1%に希釈したB26 ガス3
0sccmとを流し、RF電力40Wを投入して、プラ
ズマ放電を5分間行い、p型層105を500Å堆積し
た。この条件で成膜した単膜のp型層の光学的バンドギ
ャップは1.60eVであった。
Next, a p-type a-Si layer 105 was deposited.
The degree of vacuum in the chamber 400 was evacuated to 10 −6 Torr or less, the substrate temperature was changed to 250 ° C., and then the SiH 4 gas 3 was used.
B 2 H 6 gas 3 diluted to 0% with 0 sccm and H 2 gas
0 sccm, RF power of 40 W was applied, plasma discharge was performed for 5 minutes, and a p-type layer 105 of 500 Å was deposited. The optical bandgap of the single-layer p-type layer formed under these conditions was 1.60 eV.

【0045】最後に、上部電極を透明導伝膜(ITO
膜)で700Å形成した。
Finally, the upper electrode is covered with a transparent conductive film (ITO).
The film was formed to 700 Å.

【0046】このようにして作成したpin型フォトダ
イオードのp型層とi型層の界面ではバンドが連続的に
形成され、ヘテロ接合にはなっていないので、界面欠陥
の生成が少ない。その結果、界面でのキャリアの再結合
が押さえられ、p型層から光を導入した場合、特に、光
感度の向上が認められた。また接合面でのキャリアのト
ラップも少なく応答性も上がった。また本実施例の方法
で作成した太陽電池では同様の効果により効率の向上が
認められた。
Since the band is continuously formed at the interface between the p-type layer and the i-type layer of the pin type photodiode thus formed and no heterojunction is formed, the generation of interface defects is small. As a result, recombination of carriers at the interface was suppressed, and when light was introduced from the p-type layer, improvement in photosensitivity was observed. In addition, there were few carriers trapped at the joint surface and the response was improved. Further, in the solar cell prepared by the method of this example, the improvement in efficiency was recognized due to the similar effect.

【0047】本実施例では各ステップ毎にtA を変化さ
せるように条件を設定したが、i層成膜初期のステップ
ではtA を変化させ、後半のステップではtA を一定に
するような条件設定も可能である。
[0047] While conditions were set so as to vary the t A at each step in the present embodiment, the i layer forming the initial steps to change the t A, such that a constant t A in the second half of the step Conditions can also be set.

【0048】(実施例2)第2の実施例として、本発明
になる成膜方法によりp型水素化アモルファスシリコン
カーバイドを堆積したpin型フォトダイオードについ
て述べる。成膜装置は図4の装置を使い、p型層に本発
明の成膜方法を適用した。
(Second Embodiment) As a second embodiment, a pin photodiode in which p-type hydrogenated amorphous silicon carbide is deposited by the film forming method according to the present invention will be described. As the film forming apparatus, the apparatus shown in FIG. 4 was used, and the film forming method of the present invention was applied to the p-type layer.

【0049】まず表面を研磨したガラス基板101上に
Alなどの金属膜を用い下電極102を形成した後、反
応チャンバー400の中のカソードに取りつけ、排気ポ
ンプ409により十分排気し、10-6Torrとした。
基板温度は300℃とした。SiH4 ガスを30scc
m流し、H2 ガスを30sccm流し、H2 ガスで1%
に希釈したPH3 ガスを30sccm流した。チャンバ
ー内圧を1.0Torrにして10WのRFパワーを投
入し、3分間放電してn型a−Si:H層を400Å堆
積した。
First, a lower electrode 102 is formed by using a metal film such as Al on a glass substrate 101 whose surface is polished, and then attached to a cathode in a reaction chamber 400, and exhausted by an exhaust pump 409 to 10 −6 Torr. And
The substrate temperature was 300 ° C. SiH 4 gas at 30 scc
m 2 flow, 30 sccm H 2 gas flow, 1% H 2 gas
PH 3 gas diluted to 30 sccm was flowed. The chamber internal pressure was set to 1.0 Torr, 10 W of RF power was applied, and discharge was performed for 3 minutes to deposit an n-type a-Si: H layer of 400 liters.

【0050】次にi層を堆積した。チャンバー内の真空
度を10-6Torr以下に排気し、基板温度を250℃
に変えた後、SiH4 ガス30sccmとH2 ガス30
sccmを流し、RF電力20Wを投入して、プラズマ
放電を100分間行い、i型層を6000Å堆積した。
この時の単膜i層の光学的バンドギャップは1.80e
Vであった。
Next, the i layer was deposited. The degree of vacuum in the chamber is evacuated to 10 -6 Torr or less and the substrate temperature is 250 ° C.
After changing to SiH 4 gas 30sccm and H 2 gas 30
Sccm was flown and RF power of 20 W was applied to perform plasma discharge for 100 minutes to deposit an i-type layer of 6000 Å.
At this time, the optical band gap of the monolayer i layer is 1.80e.
It was V.

【0051】次に本発明になる成膜方法でp型アモルフ
ァスシリコンカーバイド層を堆積する。三方バルブ41
3を成膜ガス導入管411と排気管414とを接続する
ようにした後、バルブ420,422,430,43
2,450,452を開けて、SiH4 ガス30scc
mと、CH4 ガス20sccmとH2 ガスで1%に希釈
したB26 ガス30sccmを導入管611に流し、
チャンバー内圧力を0.5Torrに保った。基板温度
は300℃とし、この状態でRF電力80Wを投入して
水素プラズマ放電を開始した。
Next, a p-type amorphous silicon carbide layer is deposited by the film forming method according to the present invention. Three-way valve 41
3 is connected to the film-forming gas introduction pipe 411 and the exhaust pipe 414, and then the valves 420, 422, 430, 43
Open 2, 450, 452, SiH 4 gas 30scc
m, 20 sccm of CH 4 gas and 30 sccm of B 2 H 6 gas diluted to 1% with H 2 gas were introduced into the introduction pipe 611,
The chamber pressure was kept at 0.5 Torr. The substrate temperature was 300 ° C., and RF power of 80 W was applied in this state to start hydrogen plasma discharge.

【0052】つぎに三方バルブ413を切り替えること
により、成膜と水素プラズマ照射とを繰り返す。本例で
の成膜時間tD は20秒で一定とし、20Åの膜厚とし
た。水素プラズマ照射時間tA は、光学的バンドギャッ
プがi型層側で1.80eV、上電極側で2.00eV
になるように設定し、実際の成膜時にはコンピューター
で三方バルブの開閉を制御した。全ステップ数は50回
としp型層の膜厚は1000Åとした。
Next, the film formation and hydrogen plasma irradiation are repeated by switching the three-way valve 413. In this example, the film formation time t D was fixed at 20 seconds and the film thickness was 20Å. The hydrogen plasma irradiation time t A has an optical band gap of 1.80 eV on the i-type layer side and 2.00 eV on the upper electrode side.
The computer controlled opening / closing of the three-way valve during the actual film formation. The total number of steps was 50, and the film thickness of the p-type layer was 1000Å.

【0053】また水素プラズマ照射時間tA は、第1か
ら9ステップは5秒、第10から19ステップは3秒、
第20から29ステップは2秒、第30から39ステッ
プは1秒、第40から50ステップまでは0秒で固定し
た。
The hydrogen plasma irradiation time t A is 5 seconds for the first to ninth steps, 3 seconds for the tenth to 19th steps,
The 20th to 29th steps were fixed at 2 seconds, the 30th to 39th steps at 1 second, and the 40th to 50th steps were fixed at 0 second.

【0054】これらの時間は、p型水素化アモルファス
シリコンカーバイドにおける図7〜10に対するのと同
様な関係より求めた。
These times were determined from the same relationship as in FIGS. 7-10 for p-type hydrogenated amorphous silicon carbide.

【0055】このようにtA を設定すると、膜中水素濃
度をテーパー状とすることができ、かつ通常の方法によ
る成膜では欠陥の発生しやすい界面部分で欠陥の発生を
抑えることができる。
By setting t A in this way, the hydrogen concentration in the film can be tapered, and the occurrence of defects can be suppressed at the interface portion where defects are likely to occur in the film formation by the ordinary method.

【0056】この条件で成膜した単膜のp型層の光学的
バンドギャップは2.00eVであった。
The optical band gap of the single p-type layer formed under these conditions was 2.00 eV.

【0057】最後に、上部電極を透明導伝膜(ITO
膜)で700Å形成した。
Finally, the upper electrode is replaced with a transparent conductive film (ITO).
The film was formed to 700 Å.

【0058】図2は、このようにして作成したpin型
フォトダイオードのバンド図を示すものである。従来の
膜では図6のようにp層の光学的バンドギャップが2.
0eVとi層よりも大きいが、本実施例では図2に示す
ようにp型層のバンドギャップをテーパー状にすること
で、p型層とi型層の界面ではバンドが連続的に接合さ
れ、ヘテロ接合にはなっていないので、界面欠陥の生成
が少ない。
FIG. 2 is a band diagram of the pin type photodiode thus manufactured. In the conventional film, the p layer has an optical band gap of 2.
0 eV, which is larger than that of the i layer, but in this embodiment, the band gap is continuously joined at the interface between the p type layer and the i type layer by tapering the band gap of the p type layer as shown in FIG. Since there is no heterojunction, the generation of interface defects is small.

【0059】またその結果、界面でのキャリアの再結合
が押さえられ、p型層から光を導入した場合、特に、光
感度の向上が認められた。また接合面でのキャリアのト
ラップも少なく応答性も上がった。
As a result, recombination of carriers at the interface was suppressed, and when light was introduced from the p-type layer, improvement in photosensitivity was observed. In addition, there were few carriers trapped at the joint surface and the response was improved.

【0060】また本実施例の方法で作成した太陽電池で
は同様の効果により効率の向上が認められた。
Further, in the solar cell prepared by the method of this example, the improvement of efficiency was recognized due to the similar effect.

【0061】なお、本実施例では各ステップ毎にtA
変化させるように条件を設定したが、p層成膜初期のス
テップではtA を一定とし、後半のステップではtA
変化させるような条件設定も可能である。
[0061] Incidentally, as in the present embodiment has been set a condition so as to vary the t A for each step, and constant t A in p layer deposition initial step, of changing the t A in the second half of the step It is also possible to set various conditions.

【0062】更に、n型層を窓層として利用する場合
も、同様に本発明を実施することにより、テーパー状の
n型層を得ることができる。
Further, when the n-type layer is used as the window layer, the tapered n-type layer can be obtained by carrying out the present invention in the same manner.

【0063】また、これら半導体層にマイクロクリスタ
ルシリコン層を適用する場合も、本発明を実施すること
ができ同様の効果を出せる。
Also, when applying a microcrystal silicon layer to these semiconductor layers, the present invention can be carried out and the same effect can be obtained.

【0064】また水素プラズマ照射の方法としては、原
子状水素を効率良く発生するものであれば良く、容量結
合型、あるいは誘導結合型の高周波グロー放電を利用す
ることもできる。すなわち基板上に堆積したa−Si:
H膜を基板ごと水素ガスのグロー放電中に置くか、プラ
ズマの近くに置くことにより、原子状水素をa−Si:
H膜に供給することができる。この他マイクロ波プラズ
マにより原子状水素を発生させてa−Si:H表面に拡
散させる方法や、ECRプラズマにより原子状水素を発
生させる方法もある。a−Si:H膜を堆積する方法と
してプラズマCVD法を採用すれば、水素プラズマも同
一の方法で発生させることができ、極めて容易に本発明
の成膜方法を実現できる。
As a method of hydrogen plasma irradiation, any method can be used as long as it efficiently generates atomic hydrogen, and capacitive coupling type or inductive coupling type high frequency glow discharge can be used. That is, a-Si deposited on the substrate:
By placing the H film together with the substrate in a glow discharge of hydrogen gas or in the vicinity of plasma, atomic hydrogen is a-Si:
H film can be supplied. In addition, there is a method of generating atomic hydrogen by microwave plasma and diffusing it to the a-Si: H surface, and a method of generating atomic hydrogen by ECR plasma. If the plasma CVD method is adopted as the method of depositing the a-Si: H film, hydrogen plasma can be generated by the same method, and the film forming method of the present invention can be realized very easily.

【0065】[0065]

【発明の効果】本発明によれば、膜中水素濃度を制御し
ながら成膜することにより、光学的バンドギャップをテ
ーパー状にすることで、界面部でのバンドの連続性を得
ることができる。
According to the present invention, by forming the film while controlling the hydrogen concentration in the film, the optical band gap is tapered so that the continuity of the band at the interface can be obtained. ..

【0066】これにより、上記従来の方法で堆積した場
合に生ずるバンドオフセット(ヘテロ接合面での伝導帯
のエネルギー差ΔEc、価電子帯のエネルギー差ΔE
v)を生じることがなく、半導体装置内のp/i界面、
あるいはn/i界面でのバンドの不連続性を解消し、デ
バイス特性を向上させる効果が得られる。
As a result, the band offset (energy difference ΔEc of the conduction band at the heterojunction surface, energy difference ΔE of the valence band at the heterojunction surface) that occurs when the above-mentioned conventional method is used for deposition.
v) does not occur, the p / i interface in the semiconductor device,
Alternatively, the effect of eliminating the band discontinuity at the n / i interface and improving the device characteristics can be obtained.

【0067】また本発明は、膜中水素を制御することで
バンドギャップを設計するので、上記従来の組成変調と
異なり、膜中の欠陥を増やすことなく、良質な膜が得ら
れる。
Further, according to the present invention, since the band gap is designed by controlling hydrogen in the film, unlike the conventional composition modulation described above, a high quality film can be obtained without increasing defects in the film.

【0068】これにより、本発明の半導体装置を用いた
pin型フォトダイオード、あるいは太陽電池において
は、ヘテロ接合界面での格子のミスフィットによる光感
度の減少がなく、欠陥がない良質な膜を有するpin型
の太陽電池や、フォトダイオード等の半導体装置を得る
ことができる。
As a result, in the pin type photodiode or the solar cell using the semiconductor device of the present invention, the photosensitivity does not decrease due to the misfit of the lattice at the heterojunction interface, and it has a good quality film without defects. A semiconductor device such as a pin solar cell or a photodiode can be obtained.

【0069】また本発明のフォトダイオード等では、界
面でのキャリアの再結合が押さえられ、光感度の向上が
認めら、また接合面でのキャリアのトラップも少なく応
答性も向上した。
Further, in the photodiode and the like of the present invention, the recombination of carriers at the interface was suppressed, the improvement of the photosensitivity was recognized, and the trapping of carriers at the bonding surface was small and the response was also improved.

【0070】また本発明の方法で作成した太陽電池では
同様の効果により効率の向上が認められた。
Further, in the solar cell produced by the method of the present invention, improvement in efficiency was recognized due to the same effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明になる成膜方法により作成した実施例1
のpin型フォトダイオード、あるいは太陽電池の構成
断面図とそのバンドプロファイルを示した図である。
FIG. 1 is an example 1 produced by a film forming method according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional view of the structure of a pin photodiode or a solar cell and its band profile.

【図2】実施例2のバンドプロファイルを示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing a band profile of Example 2;

【図3】本発明になる成膜方法の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a film forming method according to the present invention.

【図4】本発明の半導体装置を作成するのに好適な成膜
装置を示す。
FIG. 4 shows a film forming apparatus suitable for producing the semiconductor device of the present invention.

【図5】従来例のバンドプロファイルを示す。FIG. 5 shows a band profile of a conventional example.

【図6】従来例のバンドプロファイルを示す。FIG. 6 shows a band profile of a conventional example.

【図7】基板温度と膜中水素濃度の関係を、本発明によ
る場合と通常のGD法による場合とで比較した図であ
る。
FIG. 7 is a diagram comparing the relationship between the substrate temperature and the in-film hydrogen concentration between the case of the present invention and the case of a normal GD method.

【図8】膜中水素濃度と水素プラズマ照射時間tA との
関係を示す。
FIG. 8 shows the relationship between the hydrogen concentration in the film and the hydrogen plasma irradiation time t A.

【図9】膜中水素濃度と各ステップでの成膜膜厚lとの
関係を示す。
FIG. 9 shows the relationship between the hydrogen concentration in the film and the film formation film thickness l at each step.

【図10】バンドギャップと膜中水素濃度の関係を示
す。
FIG. 10 shows the relationship between the band gap and the hydrogen concentration in the film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 ガラス基板 102 下電極 103 n型層 104 i型層 105 p型層 106 透明電極 107 上電極 101 glass substrate 102 lower electrode 103 n-type layer 104 i-type layer 105 p-type layer 106 transparent electrode 107 upper electrode

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 pin型構造を具備する非単結晶シリコ
ン半導体装置において、 該p型層、及び/又は該i型層、及び/又は該n型層が
テーパー状の膜中水素濃度プロファイルと、テーパー状
のバンドプロファイルを有し、該p型層、i型層、n型
層の各層の界面でバンドの結合が連続であることを特徴
とする半導体装置。
1. A non-single-crystal silicon semiconductor device having a pin-type structure, wherein the p-type layer and / or the i-type layer and / or the n-type layer has a tapered hydrogen concentration profile in the film, A semiconductor device having a tapered band profile, wherein band coupling is continuous at an interface between the p-type layer, the i-type layer, and the n-type layer.
【請求項2】 前記半導体装置がpin構造を具備する
フォトダイオードである請求項1に記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a photodiode having a pin structure.
【請求項3】 前記半導体装置がpin構造を具備する
太陽電池である請求項1に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a solar cell having a pin structure.
【請求項4】 請求項1に記載の半導体装置の製造方法
において、 前記p型層、及び/又はi型層、及び/又はn型層とし
て、基体上に非単結晶シリコン層を堆積後、該非単結晶
シリコン層に水素プラズマ照射をする工程を1ステップ
として、複数の該ステップを繰り返しながら成膜を行な
い、 少なくとも一部の前記ステップにおいて、前記堆積時
間、及び/又は前記水素プラズマ照射時間を前記ステッ
プ毎に変化させ、膜中水素濃度をテーパー状に制御する
ことにより、テーパー状のバンドプロファイルを有する
半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造
方法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein after the non-single-crystal silicon layer is deposited on the substrate as the p-type layer and / or the i-type layer and / or the n-type layer, The step of irradiating the non-single-crystal silicon layer with hydrogen plasma is defined as one step, and the plurality of steps are repeated to form a film. In at least some of the steps, the deposition time and / or the hydrogen plasma irradiation time are changed. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a semiconductor layer having a tapered band profile is formed by controlling the hydrogen concentration in the film in a tapered shape by changing the hydrogen concentration in each step.
【請求項5】 前記半導体装置がpin構造を具備する
フォトダイオードである請求項4に記載の半導体装置の
製造方法。
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor device is a photodiode having a pin structure.
【請求項6】 前記半導体装置がpin構造を具備する
太陽電池である請求項4に記載の半導体装置の製造方
法。
6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor device is a solar cell having a pin structure.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001257206A (en) * 1999-12-07 2001-09-21 Applied Materials Inc Method and apparatus for reducing fixed charge in a semiconductor device
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