JPS60224281A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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】 この発明はＰＩＮ接合を少なくとも１つ有する半導体装
置に関する。

この発明は第１の電極上のＰＩＮ接合が水素または弗素
が添加された非単結晶半導体と、さらに裏面電極（第２
の電極）とを有し、この半導体に５００ｎｓｐ２下の短
波長の強光を照射して光アニー）νを行うことにより電
極−半導体界面またその近傍の半導体の結晶化を促進す
ることを目的としている。

この発明は結晶化促進領域（以下光アニールにより多結
晶化または単結晶化をさせた領域即ち多結晶化領域とい
う）をＰＩまたはＮｌ接合界面よりも１層の内部にわた
って設けることにより、伝導型の接合界面即ちＰＩ接合
またはＮｌ接合の界面（以下接合界面という）と結晶学
的なホモロジー的な界面（以下結晶界面という）とを異
ならしめ、電気伝導に最も敏感な接合界面においてホモ
ロジー的に同一結晶とし、この接合界面近傍での再結合
中心の書庫を減少せしめたことを特徴とする。

この発明は１層内部においてアモルファスを含む結晶化
度の低い非単結晶半導体の大きい光吸収特性により光電
変換をせしめるとともに、ＰＩ接合またＮｌ接合（それ
ぞれ双方の接合を含む）の接合界面またはその近傍にお
いては多結晶化領域を設けることにより、この界面での
ミスフィツトを減少せしめ、この接合界面でのキャリア
の再結合中心を減少させたものである。

さらに特に光が入射される側のＰまたはＮ型半導体層お
よび入射光の裏面電極で反射する側のＮまたはＰ型の半
導体層それ自体の光吸収係数を減少させることにより、
ここでの光損失を少なくすることをも他の特徴としてい
る。

この発明はかかる光アニールにより多結晶化を促すため
、半導体中において一般にアモルファス化剤として知ら
れている酸素または窒素を結晶界面またはその内部のア
モルファスまたは低度の結晶化領域において５　Ｘ　１
０１８ｃｍ＋−Ｅｌ以下の濃度好ましくはＩ　Ｘ　１０
１８ｃｅ＋−３以下の濃度としたことを他の特徴として
いる。

以下に図面に従って本発明の実施例を示す。

第１図は本発明の半導体装置の作製に用いられた製造装
置の概要を示す。

図面において、反応系（２０Ｘ有効反応空間（２５）６
０ｃｍ　Ｘ　６０ｃｍ　Ｘ　３０ｃ＋ｎ）に対し、両横
方向および前後方向からのハロゲンヒータによる加熱炉
（２９）、基板（１）、（ｉ　’）を（図面では１０枚
を示す）２０枚裏面に接して６ｃｍ　（±０．５ｃｍ＋
以内）の等間隔に配設した。一対をなす対称型の電極（
２４＞、＜２４’）、中央よりチューニングをとったマ
ツチングトランス（３１）。

高周波発振器（３２Ｘ例えば１３．’　５６ＭＢり、さ
らに反応空間（２５）中のプラズマ放電を閉じ込めるた
め、上方、下方には石英フード（２３）、（２３’）と
側周辺にも矩形に取り囲んだ石英ホルダ（２６）＃（２
６’）を設けており、プラズマから見てその外側の空間
のすべてが絶縁物により取り囲まれている対称型のプラ
ズマ閉じ込め型空間とした。

ドーピング系（２１）はシ゛ラン（ＳｉｎＨｔｑｎ　例
えばＳｔへ、３ｉＬｎｇＸ３２）、シランで希釈された
ジポランＢ□Ｈｚ　／　ＳＩ４２０ＰＰＭ　（３３Ｘ　
１層中和用）、及びＢｔ　Ｈｔ／５ｉＲ４＝１％（Ｐ型
半導体形成用Ｘ３４）、　ＳｉｘＣ１−ｘ形成用にメチ
ルシラン例えばＤＭＳ　ＩＩ、Ｓｉ　（ＣＩ、　）よ　
（３５）。

Ｎ型半導体用シランで希釈したフォスヒン（Ｐｆｌ。

／Ｓｉ４　＝　１％Ｘ３６）、水素またはヘリューム（
パージ用Ｘ３７）を有している。これらを用いてＰＩＮ
接合を有する半導体にそれぞれの層に必要な反応性気体
を導入した。

排気系（２２）はコントロールバルブ（３０入タ一ボ分
子ポンプ（２７）、ストップバルブ（３３）、真空ポン
プ（２８）を経て排気させた。反応炉内の圧力は初期状
態でＩ　Ｘ　１０−’　ｔｏｒｒ、さらに反応時はコン
トロールバルブ（３０）により０．００１〜１０ｔｏｒ
ｒ代表的には０．０５〜０．２ｔｏｒｒに制御した。

さらに本発明方法における５００　ｎａ＋以下の波長（
一般には２００〜４５０ｎｍ　）を発光する光アニール
装置の概要を第２図に示す。

被照射基板（６０）は第２図に示す＜　Ａ　＞、（Ｂ　
）であって、かつ電極（第２図（Ａ）における電極（６
）および（Ｂ）における電極（２）の透光性電極）を形
成した後または形成する前の構造をこの第２図の光アニ
ール装置における対象基板とて用いた。

光源は棒状の超高圧水銀灯、出力５０囲以上（発光波長
２００ｎｍ〜６５０ｎ＋ｗ　）を用いた。゛特にここで
は東芝製超真空水銀灯（ＫＨＭ−５０、出力５ＫＮ　）
を用いた。即ち電源（５０）は−大電圧ＡＣ２００Ｖ、
３０Ａ＃よび二次電圧（５２）　ＡＣ４２００Ｖ、１．
１〜１．６Ａとした。さらに水銀灯の発熱を押さえるた
めおよび基板の発熱による熱アニールの発生を防ぐため
、水銀灯の外側を水冷（５１″＞、＜５１’＞より供給
した。

水銀灯（５４）は３００〜４５０ｎｍの短波長光を発生
すると同時に、長波長の５００ｎｍ以上の波長の光をフ
ィルタ（５９）にてカットし石英レンズ（５５）にて集
光した。

この水銀灯は長さ２０ｃｍの棒状を有し、レンズもシリ
ンドリカルレンズを用いた。さらにシャッタ（５６）を
十分集光する前またはレンズと水銀灯との間に配設した
。

かくして集光された線状紫外光は中１００μ〜２１１ｍ
＋を有し、長さ１８ｃｍ＋を有していた。そのエネルギ
密度は約５に賛／ｅ１ｇ　（中１ｍｓ＋の場合）となっ
た。

この照射光（５７）を被照射面に集光し焦点を合わせＸ
テーブル（６１）上にて一定速度の移動をさせた。

かくすると、３００〜４５０ｎｓを中心とする紫外光は
非単結晶半導体中には１０００Å以下の深さで殆ど吸収
されてしまい、この表面よりごく薄い領域を結晶化させ
ることができた。加えてこの本発明方法のアニー、ルは
光アニールのため、既に含有する水素またはハロゲン元
素を脱気することがない。

加えて結晶性を光アニールにより促進するため、光学的
Ｅｇを小さくすることなく、かつ結晶化によりその光吸
収係数を小さくすることができるという二重の特長を有
していた。

しかしこのことは活性領域である１層の内部を光吸収が
大きい即ちアモルファスまたは低度の結晶性を有する状
態に保持し、いわゆる多結晶化してはならず、逆にＰま
たはＮ型また。はそれに加えてその近傍の１層を選択的
に光吸収係数を少なくし、加えて再結合中心を少なくさ
せるための多結晶化をさせることが重要である。このこ
とより短波長光での半導体表面近傍のみの選択的光アニ
ールが重要であることが判明された。

かくのごと（にして第３図に示す光電変換装置を作製し
た。即ち第１図の装置を用いて、第３図（Ａ）に示すご
とく、ガラス基板（１）上に酸化スズの表面を有する透
明導電膜（２〉、さらに５ｉｘＣ＋−ｘ（ｇ＜ｘ＜１）
のＰ型半導体（ここでは５ｉｘＣにｘ＝０．３）を用い
た＞（３８１００〜２００人）、Ｉ型半導体（４＞＜０
．３〜１．２μ）、Ｎ型微結晶または多結晶化した水素
化珪素半導体（５８２００〜５００人入透光性導電膜（
ＣＴＦ　Ｘ　６　）および反射性電極（７）よりなる裏
面電極を設けた。

第３図（Ｂ）はステンレス基板（１１）上に耐熱性樹脂
膜（１２）よりなる絶縁表面を有する基板（可曲性も可
＞（１＞、反射性電極（７）一般にはクロムを主成分と
するＣＴＦ　（６）、Ｎ型半導体（５）。

■型半導体（４）、Ｐ型半導体（３＞、　ＣＴＦ　（２
）よりなる。

特にこれらの半導体における１全半導体の形成に関し、
本発明の実施例においては、第１図に示すごときプラズ
マＣＶＤ装置またはこれを発展させた３室式のマルチチ
ャンバＣＶＤ装置を用いて、酸素、窒素の不純物の混入
を防ぐとともに、形成の条件としてはその作製時に０．
１〜５０ＰＰＶＩの濃度にホウ素を添加している。

以下にさらにその具体例を基づく本発明を記す。

具体例１ ガラス基板上ＣＴＦをＩＴＯおよび酸化スズによりチフ
スチア構造を有して厚さ１０００〜２０００人に配した
。さらにその上に第１図のＰＣＶＤ装置によりＰ型５ｉ
ｘＣ１，ｘ　（平均厚さ２０人）−■型アモルファスお
よび低い結晶化度の珪素（平均厚さ０．８μ）　−Ｎ型
微結晶珪素（平均厚さ５００人）を積層した。

この後第２図に示す光アニール装置により移動速度１０
ｃ＋ｗ／分で１０ｃｍ　Ｘ　１０ｃｍの基板上の被形成
面を移動させて光アニールを行った。基板温度は室温で
ある。この移動を基板側または裏面側から行った。

さらにこの表面を１／１０肝中に約１分間浸漬しＮ型多
結晶半導体層上の低級酸化物を除去した。

さらにＩＴＯ（６）平均厚さ１０５０人、反射性電極の
アルミニュームまたはクロムを主成分とする金属（７）
を形成した。

かかる後、この表面に２００℃、６０分の熱処理を施し
、界面での接触抵抗の低減化を図った。

かかる第３図（Ａ）の構造において、基板側より照射し
た光は基板、ＣＴＦに大部分吸収されるため、さらにＰ
型半導体層は５ｉｘＣｆｆｌであるため、このＰ型半導
体を多結晶化できない。しかしＰＩ界面の１層の一部が
（その厚さは２００Å以下と推定される）多結晶化して
いた。

他方、裏面電極領域は半導体（５）が露呈しており、か
つこの半導体が５０〜２００人の平均結晶粒径（ラマン
分光法にてシェーラーの式より導出）であるため、これ
が結晶化の核になりやす（、Ｎ型半導体（５）またはそ
の近傍のｌ型半導体層（４３）が多結晶化し、レーザラ
マン分光より結晶の粒径は３００〜５００人を有し、か
つその多結晶（４）−アモルファス（４２）結晶界面は
Ｎｌ接合界面よりも１層内部に存在していることが判明
した。

かくのどとくにして１０ｃｓ　Ｘ　１０ｃｍの基板内に
設けられた１、０５ｃｄ　（３，４ｍｓ＋　Ｘ３ｃｓ＋
　）の面積で、１２．３％（開放電圧０．９２Ｖ１曲線
因子６５，２％、短絡電流２０．２ｍＡ／ｃＩＡ）を得
ることができた。

これを本発明方法のレーザアニールを行わずに同一基板
ですると１０．２％（開放電圧０．８４　Ｖ　、曲線因
子６２．７％、短絡電流１９．４ａ＋Ａ／ｃｊ）であり
、約２％もその特性の向上をはかることができることが
判明した。

具体例２ この具体例は第３図（Ｂ）の構造を有したものである。

即ちステンレス薄（１）上の耐熱性有機樹脂（１２Ｘポ
リイミド樹脂）、反射性金属（７）（クロムを主成分と
する電極、約１２００人）、ＩＴＯ（６）（平均厚さ１
０５０人）２微結晶化したＮ型半導体（平均２００人）
、ホウ素が５　ｘ　１ｇｎ　ｃｌｌｌ−：Ｉ添加された
夏型非単結晶半導体（４）、水素が注入された微結晶化
したＮ型珪素（平均２００人の厚さ）、さらに５ｉｘＣ
＋−ｘ　（平均５０人の厚さ）（３）を第３図のＰＣＶ
Ｄ装置により形成５シー この後、第２図の装置を用いて光アニール処理をＰ型半
導体層に対し行った。するとこの微結晶化したＰ型半導
体層およびその下のＩ型半導体層（４３）の領域（４５
）を多結晶化領域として構成せしめ、さらにこの領域（
４５）の下側のＩ型半導体（４２）をアモルファスまた
は低度の微結晶の水素を含む珪素半導体として残すこと
ができた。

結晶半導体（４３）は約８００人の厚さであり、これに
光アニールをテーブルの連続移動速度を可変するまたは
繰り返し照射を施すことにより深くもまた浅くもするこ
とが可能になった。

か（して得られた半導体を１／１Ｏｎｐ中に浸漬して表
面の絶縁酸化物を除去し、さらにＩＴＯまたは５ｎＯＬ
よりなるＣＴＦ　（２）を５００〜２５００人の厚さに
形成した。この結果得られる特性は、室温、八Ｍ１（１
００ｍＷ　／　ｃｓｌ　）の光照射条件下にて変換効率
１１．３％（開放電圧０．９１Ｖ、曲線因子６７％、短
絡電流１８．５ｍＡ／ｃ１１）であった。光アニールを
行うことなしの通常のままの構造では９．６％（開放電
圧０．８７Ｖ、曲線因子６４％、短絡電流１７．２ｍＡ
／ｃ＋１）であり、約２％もその変換効率を向上させる
ことができた。

以上の説明において、光アニールは水銀灯ではなくエキ
シマレーザ　波長１５０〜４００ｎｍを用いてもよい。

しかしその価格、出力の関係で現状は超高圧水銀灯が優
れていた。またＩ型半導体層（結晶界面よりも１層内部
の平均濃汝）中の酸素、炭素、窒素の不純物をそれぞれ
５×１０旧ｃＩＩ−３以下、４　Ｘ　１０”　ｃｔａ−
３，５Ｘ　１０１ｅ　ｃｌｌ−３以下にせしめることに
より多結晶化を促し、加えて接合界面ではミスフィフト
を除去するためさらに１〜３％の変換効率の向上を促す
ことができることが推測できる。

以上の説明において、ＰＩＮ接合を１接合を有する光電
変換装置を示したが、これを重ねてＰＩＮＰＩＮ・・・
ＰＩＮ接合と少なくとも２接合とせしめることも本発明
の応用として重要であり、またこれらを絶縁表面を有す
る基板上に集積化してもよい。

非単結晶半導体として水素または弗素が添加された５ｉ
ｘＧｅ　＋−ｘ　（０＜ｘ＜１）またはＧｅのみをＰＩ
Ｎ接合が有する■型半導体層に用いることも可能である
。

以上の説明においては、ＰＩＮ接合を１つ有する光電変
換装置を主として説明をした。しかし半導体層がＮｌま
たはＰＩ接合を少なくとも１つ有する即ちＮ（ソースま
たはドレイン）、■　（チャネル形成領域〉、Ｎ（ドレ
インまたはソース）、ＰＩＦ接合を有する絶縁ゲイト型
電界効果半導体装置、またはＮＩＰＩＮ、ＰＩＮＩＰ接
合を有するバイポーラ型トランジスタにおける１層に対
しても本発明はきわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置作製用のプラズマ気相反応
炉の概要を示す。 第２図は本発明方法の光アニールを行う装置の概要を示
す。 第３図は本発明の光電変換装置の縦断面図を示す。 特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板または基板上の第１の電極と、該電極上にＰＩ
   Ｎ接合を少な（とも１つ有する非単結晶半導体と、該半
   導体上の第２の電極とが設けられた半導体装置において
   、前記第１または第２の透光性電極近傍の半導体は１層
   内部よりも結晶化が促進されて設けられ、この結晶化の
   促進された領域はＰＩまたはＮｌ接合よりも１層内部に
   わたって設けられたことを特徴とする半導体装置 ２、特許請求の範囲第１項において、１層は３０００Å
   以上の平均厚さを有し、かつ結晶化の促進された領域は
   第１または第２の電極と半導体との界面よりも１０００
   人以内の平均厚さを有することを特徴とする半導体装置
   。