JPS59168668A

JPS59168668A - 半導体装置用電極材料

Info

Publication number: JPS59168668A
Application number: JP58042104A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Matsuyama; 松山　治彦; Mitsuo Nakatani; 中谷　光雄; Masaaki Okunaka; 正昭奥中; Ataru Yokono; 中横野; Tokio Isogai; 磯貝　時男; Tadashi Saito; 忠斉藤; Kunihiro Matsukuma; 邦浩松熊; Sumiyuki Midorikawa; 緑川　澄之
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-03-16
Filing date: 1983-03-16
Publication date: 1984-09-22
Also published as: JPH0414514B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】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。

〔Ｐｉ鵡〕

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塑シリ
コン基板１０表面にル＋層２１反対面にＰ上層６が設け
られ、ｎ上層２上に受光面電極４．Ｐ十層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って、低コストなメッ
キ法や印刷法が検討されるようになってきた。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。

焼成する方法でおり、上記の金属粉末としては銀粉末が
一般的でおる。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。

電極の接着強度の太ぎいこと、シリコンに河するコンタ
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Ａｌ系、Ａ１−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
ェハ上に印刷塗面し、乾燥、焼成した場合に次の問題が
あった。すなわち、厚膜回路基板用のＡｌ系あるいはＡ
ｙ　−ｐｄ系導電ペーストでは、シリコンウェハと電体
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（ｉ！！：壊し、リーク電
流の増大が認められた。

太陽゛電池用のＡｊｑ系導胤ペーストでは、シリコンウ
ェ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った。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ｆこ。

このように上記従来の導電ペーストを用い工接合破壊を
起すこと７ヨ＜、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った。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来の導−べ−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、■α、■α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■α、Ｖ
α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、炭化シリコ
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、窒化ハフニウム、窒化
バナジウム、窒化二オグ、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
。

すなわち１本発明が従来の導電ペーストと異なる点は、
上記した■α、■α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１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っ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℃
いる場合には酸化鉛とシリコンとの反応によっても生成
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ってしまうものと予想される。

一方１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（■α、Ｖα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）・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、窒化ノ・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紫膜と反応
し、シリコンの還元や、これら■α、ｖａ族の金属のシ
リサイド化合物が生成し、それによって電極とシリコン
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Ａｆ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■α、■α族の金属の炭化物、窒化物から選はれ
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
などに用いる場合忙はむしろガラスを配合するのが好ま
しい。ここで用いろガラスの種類は、特に限定されるも
のではない。また本発明の電極材料にＰｔ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■α、■α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烏くなり、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１りと１粒径１０μｍ以下の炭
化二オグ粉末（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ッ
ト１１に−ＩＣＪｃｐｚ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稠液を加
えながら充分に混練し、第１表７Ｆ６１〜６に示す粘度
が約２００ボイズ（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１〜５Ω−
ｃｍｓＫ径３インチ丸型ウェハ）の表面にイオン打込み
法で深さ０．５〜０．５μｍのｎ＋層２（比抵抗約Ｌ５
　Ｘ　１０−”Ω−ｃフル）と１反対面に別拡散法で深
さ１〜２μｍのＰ上層３を形成したものを用いた。

次に、このＰｆｉシリコン基板１のｎ上層２上にはくし
型パターン状に、Ｐ上層上乙にはぺ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を含む蟹素ガス雰囲気
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（１
−Ｖ％性）を調べ、電極の接触抵抗逆バイアス（１Ｖ）
でのリーク電流１萌線因子（Ｆ、Ｆ、＞　１開放電圧（
Ｖｏｃ　）　、短絡電流（Ｉｚｃ　）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
オブな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、Ｊｓｃ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１
０＝　Ａ７’ｃｒｒＬ”のオーダーであり、問題はまっ
たく認められなかった。

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、ル＋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。

（以下余白）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、窒化ニオズ、
窒化タンタルと、粒径１μｍ以下のＡ（ｊ粉末と、ガラ
ススリット（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／１６７〜１７に示すように各種組
合せ、これにポリイソグ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ボイズ（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℃、１
０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”Ｃ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、窒化八
ツニウム、鼠化バナジウム、雪化ニオグ、鼠化夕／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
成に比べ騒ずｎも接触抵抗が低くなり、Ｆ、Ｉ？。

Ｊｔｃが大きく、その結果として効率も大幅に向上した
。またり−ク′亀流はいずれも１０４Ａ／Ｃ７４”のオ
ーダーであり、問題は認められなかった。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表置１８〜２１に示すよ５に■σ族。

Ｖα族の金属の炭化物、窒化物ρχ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。

（以下余白）〔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ｕＪ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って塗布でき、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１本発明の電）全材料は、太ｗｈ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
とかり能である。

【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′ｍシリコン基板２・・・ｎ４層６・・・１２層４・・・受光面電極５・・・裏面電極第１頁の続き０発　明　者　磯貝時男横浜市戸塚区吉田町２９２番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 ■発　明　者　斉藤忠国分寺市東恋ケ窪−ｒ目２８０番地株式会社日立製作所中央研究所内（符合　明　者　松熊邦浩日立市幸町三丁目１番１号株式％式％立原町電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】ｔ　銀粉末と、■α、■α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１Ｍ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、ＩＶα、Ｖａ族の金属の炭化物、鼠化物から選ばれ
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、屋化二オグ、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
特許請求の範囲第一項記載の半導体装置用電極材料。＆　■α、　Ｖａ族の金属の炭化物、窒化物から選ばれ
る少なくとも一種の金属化合物の配合割合が、銀粉末１
００重量部に対してよ５〜４０重量部であることを特徴
とする特許請求の範囲第一項記載の半導体装置用電極材
料。