JPWO2018066483A1 - Semiconductor device - Google Patents
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- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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Abstract
n型Si部分と、該n型Si部分の上に配置された第1の層と、該第1の層の上に配置された第2の層と、前記第2の層の上に配置された電極層と、を有し、前記第1の層は、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む酸化物のエレクトライドで構成され、前記第2の層は、以下の群:(i)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含み、さらに、ケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも1つを含む金属酸化物、(ii)チタン(Ti)および酸素(O)を含む金属酸化物、(iii)スズ(Sn)および酸素(O)を含む金属酸化物、ならびに(iv)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含む金属酸化物、から選定される、半導体素子。an n-type Si portion, a first layer disposed on the n-type Si portion, a second layer disposed on the first layer, and a second layer disposed on the second layer The first layer is made of an oxide electride containing calcium atoms and aluminum atoms, and the second layer is made of the following group: (i) zinc (Zn) A metal oxide containing oxygen and oxygen (O) and further containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn), (ii) a metal oxide containing titanium (Ti) and oxygen (O), iii) A semiconductor element selected from metal oxides containing tin (Sn) and oxygen (O), and (iv) metal oxides containing zinc (Zn) and oxygen (O).
Description
本発明は、半導体素子に関し、例えば、太陽電池および薄膜トランジスタのような半導体素子に関する。 The present invention relates to semiconductor devices, for example, semiconductor devices such as solar cells and thin film transistors.
例えば太陽電池および薄膜トランジスタ(TFT)のような半導体素子は、結晶質または非晶質のn型シリコンからなる部材上に、電極層が配置された構成を有する(例えば、特許文献1参照)。 For example, semiconductor elements such as solar cells and thin film transistors (TFTs) have a configuration in which an electrode layer is disposed on a member made of crystalline or amorphous n-type silicon (see, for example, Patent Document 1).
前述のような半導体素子の分野においては、素子効率をさらに高めることが要望されている。例えば、太陽電池では発電効率のさらなる向上、一方薄膜トランジスタ(TFT)では作動効率のさらなる向上が求められている。 In the field of semiconductor devices as described above, there is a demand to further increase the device efficiency. For example, solar cells are required to further improve power generation efficiency, while thin film transistors (TFTs) are required to further improve operation efficiency.
しかしながら、通常の半導体素子では、n型シリコン部材と電極層の間の界面は、オーミック性の抵抗挙動を示さず、その結果、界面の接触抵抗が高いという問題がある。そしてこのことが、半導体素子の効率向上を妨げる一要因となっている。 However, in an ordinary semiconductor device, the interface between the n-type silicon member and the electrode layer does not exhibit ohmic resistance behavior, and as a result, there is a problem that the contact resistance of the interface is high. This is one factor that hinders the improvement of the efficiency of the semiconductor device.
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、n型シリコン部材〜電極層の間の接触抵抗が有意に抑制された半導体素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such background, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the contact resistance between an n-type silicon member and an electrode layer is significantly suppressed.
本発明では、
n型Si部分と、
該n型Si部分の上に配置された第1の層と、
該第1の層の上に配置された第2の層と、
前記第2の層の上に配置された電極層と、
を有し、
前記第1の層は、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む酸化物のエレクトライドで構成され、
前記第2の層は、以下の群:
(i)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含み、さらに、ケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも1つを含む金属酸化物、
(ii)チタン(Ti)および酸素(O)を含む金属酸化物、
(iii)スズ(Sn)および酸素(O)を含む金属酸化物、ならびに
(iv)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含む金属酸化物、
から選定される、半導体素子が提供される。In the present invention,
n-type Si part,
A first layer disposed on the n-type Si portion,
A second layer disposed on the first layer;
An electrode layer disposed on the second layer;
Have
The first layer is made of electride of oxide containing calcium atom and aluminum atom,
Said second layer comprises the following groups:
(I) A metal oxide containing zinc (Zn) and oxygen (O), and further containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn),
(Ii) metal oxides containing titanium (Ti) and oxygen (O),
(Iii) metal oxides containing tin (Sn) and oxygen (O), and (iv) metal oxides containing zinc (Zn) and oxygen (O),
A semiconductor device is provided, which is selected from
本発明では、n型シリコン部材〜電極層の間の接触抵抗が有意に抑制された半導体素子を提供することができる。 The present invention can provide a semiconductor device in which the contact resistance between the n-type silicon member and the electrode layer is significantly suppressed.
以下、本発明について説明する。 Hereinafter, the present invention will be described.
本発明の一実施形態では、
n型Si部分と、
該n型Si部分の上に配置された第1の層と、
該第1の層の上に配置された第2の層と、
前記第2の層の上に配置された電極層と、
を有し、
前記第1の層は、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む酸化物のエレクトライドで構成され、
前記第2の層は、以下の群:
(i)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含み、さらに、ケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも1つを含む金属酸化物、
(ii)チタン(Ti)および酸素(O)を含む金属酸化物、
(iii)スズ(Sn)および酸素(O)を含む金属酸化物、ならびに
(iv)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含む金属酸化物、
から選定される、半導体素子が提供される。In one embodiment of the invention:
n-type Si part,
A first layer disposed on the n-type Si portion,
A second layer disposed on the first layer;
An electrode layer disposed on the second layer;
Have
The first layer is made of electride of oxide containing calcium atom and aluminum atom,
Said second layer comprises the following groups:
(I) A metal oxide containing zinc (Zn) and oxygen (O), and further containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn),
(Ii) metal oxides containing titanium (Ti) and oxygen (O),
(Iii) metal oxides containing tin (Sn) and oxygen (O), and (iv) metal oxides containing zinc (Zn) and oxygen (O),
A semiconductor device is provided, which is selected from
なお、本願では、n型Si部分と該n型Si部分の直上に配置される層との間の界面を、「第1の界面」と称する。また、電極層と該電極層の直下に配置される層との間の界面を、「第2の界面」と称する。 In the present application, the interface between the n-type Si portion and the layer disposed immediately above the n-type Si portion is referred to as “first interface”. In addition, the interface between the electrode layer and the layer disposed immediately below the electrode layer is referred to as “second interface”.
前述のように、通常の半導体素子では、n型シリコン部材と電極層の間の第1の界面における接触抵抗が高いという問題がある。金属とSiとの接合において接触抵抗を低減させるためには、界面近傍のSi中のキャリア濃度を増大させる、または金属とSi界面のショットキー障壁高さを低減するために適切な金属材料を選択するなどの手法が知られている。前者は半導体中のドーパント固溶限、後者は金属とSi界面でのフェルミレベルピンニングといった物理現象により、いずれも接触抵抗の低減には限界がある。 As described above, in a typical semiconductor device, there is a problem that the contact resistance at the first interface between the n-type silicon member and the electrode layer is high. In order to reduce the contact resistance at the junction of metal and Si, select an appropriate metal material to increase the carrier concentration in Si near the interface or to reduce the Schottky barrier height at the interface between metal and Si. Methods such as to do are known. In the former case, there is a limit to the reduction of contact resistance, both due to physical phenomena such as dopant solubility limit in semiconductor and the latter case Fermi level pinning at the interface between metal and Si.
しかしながら、本発明の一実施形態による半導体素子では、n型シリコン部材と、電極層との間に、複数の層が追加される。 However, in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, a plurality of layers are added between the n-type silicon member and the electrode layer.
本願発明者らの知見では、本半導体素子に含まれる前述のような特徴を有する第1の層は、良好な電子伝導性を有する。また、第1の層とn型Si部分との界面(すなわち「第1の界面」)の接触抵抗は、比較的低いことが確認されている。 According to the findings of the inventors of the present invention, the first layer having the above-mentioned features contained in the present semiconductor device has good electron conductivity. In addition, it has been confirmed that the contact resistance of the interface between the first layer and the n-type Si portion (that is, the “first interface”) is relatively low.
n型Si部分の上に第1の層を配置することにより、第1の界面においてフェルミレベルピニングを生じず、また、第1の層が、キャリア密度が高く、仕事関数が小さいことから、第1の界面での障壁高さが小さい。そのため、半導体素子としての動作性を確保したまま、第1の界面の接触抵抗を有意に抑制することができる。 By arranging the first layer on the n-type Si portion, Fermi level pinning does not occur at the first interface, and the first layer has a high carrier density and a low work function. The barrier height at the interface 1 is small. Therefore, the contact resistance at the first interface can be significantly suppressed while securing the operability as the semiconductor element.
ここで、フェルミレベルピンニングとは、半導体と金属を接合させる場合に、様々な仕事関数の金属を用いてもショットキー障壁高さの変化が小さいことをいう。例えば、SiとAlとを接合させる場合では、ショットキー障壁高さは1.5eV程度となり、Alの仕事関数(4.2eV)とSiの電子親和力(4eV)から予想されるショットキー障壁高さよりも大きい。フェルミレベルピンニングは、半導体のバンドギャップ内に存在する界面準位、または界面状態に起因するが、実用上は、界面の化学的な安定性が大きく関係していると考えられる。 Here, Fermi level pinning means that, when bonding a semiconductor and a metal, a change in Schottky barrier height is small even if metals of various work functions are used. For example, in the case of bonding Si and Al, the Schottky barrier height is about 1.5 eV, which is higher than the Schottky barrier height expected from the work function of Al (4.2 eV) and the electron affinity of Si (4 eV) Too big. Although Fermi level pinning originates in the interface state or interface state which exists in the band gap of a semiconductor, it is thought that the chemical stability of the interface is greatly concerned in practical use.
本願発明者らの知見では、前述のような第1の層は、金属との間の接触抵抗が比較的高いことが確認されている。このため、第1の層の直上に金属で構成された電極層を配置した場合、第2の界面での接触抵抗の影響が顕著になってしまう。 According to the findings of the inventors of the present invention, it is confirmed that the first layer as described above has a relatively high contact resistance with metal. Therefore, when an electrode layer made of metal is disposed immediately above the first layer, the influence of the contact resistance at the second interface becomes remarkable.
しかしながら、前述のように、本半導体素子において、第1の層と電極層とは、直接接触しない。すなわち、第1の層と電極層の間には、第2の層が配置される。 However, as described above, in the present semiconductor device, the first layer and the electrode layer are not in direct contact with each other. That is, the second layer is disposed between the first layer and the electrode layer.
ここで、第2の層は、良好な電子伝導性を有する。また、第2の層と電極との界面(すなわち「第2の界面」)の接触抵抗は、比較的低いことが確認されている。また、第1の層と第2の層との間の界面(以下、「第3の界面」という)においても、接触抵抗は、比較的低いことが確認されている。 Here, the second layer has good electron conductivity. Also, it has been confirmed that the contact resistance of the interface between the second layer and the electrode (that is, the "second interface") is relatively low. The contact resistance is also confirmed to be relatively low at the interface between the first layer and the second layer (hereinafter, referred to as "third interface").
本半導体素子では、第2の界面および第3の界面においても、第1の界面と同様の理由により、ショットキー障壁高さが有意に抑制されるため、該半導体素子としての動作性を確保したまま、第2の界面(さらには第3の界面)の接触抵抗を有意に抑制することができる。 In the present semiconductor device, the Schottky barrier height is significantly suppressed also at the second interface and the third interface for the same reason as the first interface, so the operability as the semiconductor device is secured. As it is, the contact resistance of the second interface (and the third interface) can be significantly suppressed.
その結果、本半導体素子では、素子効率を有意に向上させることができる。例えば、本半導体素子を太陽電池に適用した場合、発電効率を有意に高めることが可能になる。また、本半導体素子をTFTに適用した場合、作動効率を有意に高めることが可能になる。 As a result, in the present semiconductor device, the device efficiency can be significantly improved. For example, when the present semiconductor device is applied to a solar cell, power generation efficiency can be significantly improved. In addition, when the present semiconductor device is applied to a TFT, the operation efficiency can be significantly enhanced.
(本発明の一実施形態による半導体素子)
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。(Semiconductor Device According to One Embodiment of the Present Invention)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には、本発明の一実施形態による半導体素子(以下、「第1の半導体素子」と言う)の概略的な断面を示す。 FIG. 1 shows a schematic cross section of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as “first semiconductor device”).
図1に示すように、第1の半導体素子100は、支持体110と、n型Si層120と、第1の層130と、第2の層140と、電極層150とを備える。
As shown in FIG. 1, the
支持体110は、その上部に配置される各層を支持したり、n型Si層120の形成を容易にしたりする役割を有する。
The
例えば、第1の半導体素子100が太陽電池の一部を構成する場合、支持体110はp型Si層を有してもよい。あるいは、支持体110は、p型Si層であってもよい。また、第1の半導体素子100が、薄膜トランジスタ(TFT)の一部を構成する場合、支持体110は、アモルファスSi層を有してもよい。あるいは、支持体110は、アモルファスSi層であってもよい。
For example, when the
ただし、n型Si層120が厚く形成される場合など、特定の場合には、支持体110は、省略されてもよい。
However, in a specific case such as when the n-
n型Si層120は、n型のケイ素Siを含む層で構成される。n型Si層120は、非晶質であっても結晶質であってもよい。
The n-
第1の層130は、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む酸化物のエレクトライドで構成される。
The
第2の層140は、亜鉛(Zn)および酸素(O)を含み、さらに、ケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも1つを含む金属酸化物で構成される。
The
なお、第1の層130および第2の層140の詳細については、後述する。
The details of the
電極層150は、金属(または合金。以下同じ)で構成される。
The
このような構成を有する第1の半導体素子100では、第1〜第3の界面、すなわちn型Si層120と第1の層130との間の界面(第1の界面)、第2の層140と電極層150との間の界面(第2の界面)、および第1の層130と第2の層140との間の界面(第3の界面)のそれぞれにおいて、接触抵抗が有意に抑制される。
In the
このため、第1の半導体素子100では、作動時の効率を有意に向上させることができる。
For this reason, in the
(各構成部材について)
次に、図1に示した第1の半導体素子100を構成する各部材について、より詳しく説明する。(About each component)
Next, each member constituting the
なお、ここでは、明確化のため、各部材を表す際に、図1に示した参照符号を使用する。 Here, for the sake of clarity, the reference numerals shown in FIG. 1 are used when representing each member.
(支持体110)
前述のように、支持体110は、その上部に配置される各層を支持したり、n型Si層120の形成を容易にしたりする役割を有する。(Support 110)
As described above, the
支持体110の材料は、特に限られない。
The material of the
例えば、第1の半導体素子100が太陽電池の一部に適用される場合、支持体110は、p型SiまたはノンドープのSiで構成されてもよい。一方、第1の半導体素子100がTFTの一部に適用される場合、支持体110は、アモルファスSiあるいは結晶質Siを有し、またはアモルファスSiあるいは結晶質Siで構成されてもよい。
For example, when the
また、支持体110は、ガラス、アルミナ、またはケイ素等で構成された基板であってもよい。
In addition, the
なお、前述のように、支持体110は、必須の構成ではなく、省略されてもよい。
As described above, the
(n型Si層120)
支持体110の上には、n型Si層120が配置される。(N-type Si layer 120)
An n-
n型Si層120は、結晶質であっても、非晶質であってもよい。
The n-
n型Si層120は、リン(P)および/またはヒ素(As)等がドープされていてもよい。
The n-
n型Si層120の電子密度は、例えば、1014cm−3〜1021cm−3の範囲であってもよい。電子密度は、1016cm−3以上が好ましく、1018cm−3以上がより好ましい。電子密度が1014cm−3以上であれば、接触抵抗が低くなりやすい。電子密度は、1020cm−3以下が好ましく、1019cm−3以下がより好ましい。The electron density of the n-
(第1の層130)
第1の層130は、前述のように、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む酸化物のエレクトライドで構成される。(First layer 130)
The
第1の層130は、導電性を有し、有意に高いイオン化ポテンシャルを有するとともに、仕事関数が低いという特徴を有する。例えば、第1の層130の仕事関数は、2.4eV〜4.5eVの範囲(例えば2.8eV〜3.2eV)である。
The
また、第1の層130は、電子密度が高いという特徴を有する。第1の層130の電子密度は、例えば、2.0×1017cm−3〜2.3×1021cm−3の範囲である。電子密度は、1.0×1018cm−3以上がより好ましく、1×1019cm−3以上がさらに好ましく、1×1020cm−3以上が特に好ましい。In addition, the
第1の層130の電子密度が高いため、n型Si層120と第1の層130との間の界面(第1の界面)は、トンネル効果によりオーミック性を示す。そのため、第1の界面の接触抵抗は、有意に抑制される。また、第1の層130は、第2の層140との間(第3の界面)でも良好な接触抵抗を示す。
Since the electron density of the
従って、第1の層130を有する第1の半導体素子100では、第1の界面および第3の界面のいずれにおいても、接触抵抗を有意に抑制することができる。
Therefore, in the
第1の層130の厚さは、0.5nm〜10nmの範囲が好ましい。0.5nm以上であれば、均質な薄膜を形成することができるため、接触抵抗の低減効果を安定して得ることができる。第1の層130の厚さは、2nm以上がより好ましく、3nm以上がさらに好ましい。一方、第1の層130の厚さが10nm以下であれば、体積抵抗の影響を無視することができる。第1の層130の厚さは、7nm以下がより好ましく、5nm以下がさらに好ましい。
The thickness of the
第1の層130の厚さは、X線反射法(XRR)または断面透過電子顕微鏡観察により測定することができる。
The thickness of the
第1の層130は、非晶質であっても、結晶質であってもよい。以下、それぞれの場合について、説明する。
The
(非晶質の第1の層130)
第1の層130は、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む非晶質酸化物のエレクトライドで構成されてもよい。(Amorphous first layer 130)
The
非晶質とは、X線回折測定で鋭いピークを与えない物質を意味する。具体的には、X線波長λが0.154nm、シェラー定数Kが0.9であるとき、下記の(1)式で表されるシェラーの式で求められる結晶子径(シェラー径)が5.2nm以下である。シェラー径Lはシェラー定数をK、X線波長をλ、半値幅をβ、ピーク位置をθとすると、
L=Kλ/(βcosθ) (1)式
で表される。第1の層130が非晶質であれば、膜表面の平滑性が高く、素子の短絡防止が可能であるため好ましい。Amorphous means a substance that does not give sharp peaks in X-ray diffraction measurement. Specifically, when the X-ray wavelength λ is 0.154 nm and the Scherrer constant K is 0.9, the crystallite diameter (Sheller diameter) determined by the Scheller equation expressed by the following equation (1) is 5 .2 nm or less. The Scheller diameter L is K, the X-ray wavelength is λ, the half width is β, and the peak position is θ, where
L = Kλ / (β cos θ) (1)
Is represented by It is preferable that the
また、「カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む非晶質酸化物のエレクトライド」とは、カルシウム原子、アルミニウム原子および酸素原子から構成される非晶質を溶媒とし、電子を溶質とする溶媒和からなる非晶質固体物質を意味する。 Also, “electride of amorphous oxide containing calcium atom and aluminum atom” means solvation in which an amorphous composed of a calcium atom, an aluminum atom and an oxygen atom is used as a solvent and an electron is used as a solute. By amorphous solid material is meant.
エレクトライド中の電子は、陰イオンとして働くことができる。電子はバイポーラロンとして存在してもよい。バイポーラロンは、カルシウム原子、アルミニウム原子、および酸素原子により構成され、三次元的に連結された内径約0.4nmの空隙であるケージが2つ隣接し、さらにそれぞれのケージに、電子(溶質)が包接されて構成されている。ただし、非晶質酸化物のエレクトライドの状態は、上記に限られず、ひとつのケージに2つの電子(溶質)が包接されてもよい。また、これらのケージが複数凝集した状態でもよく、凝集したケージは微結晶とみなすこともできるため、非晶質中に微結晶が含まれた状態も、非晶質とみなされる。 Electrons in electride can act as anions. The electrons may exist as bipolarons. A bipolaron is composed of calcium atoms, aluminum atoms, and oxygen atoms, and is adjacent to two cages which are three-dimensionally connected voids having an inner diameter of about 0.4 nm, and electrons (solutes) in each cage. Is included. However, the state of electride of the amorphous oxide is not limited to the above, and two electrons (solutes) may be included in one cage. In addition, a plurality of these cages may be in a state of aggregation, and since the aggregated cage can be regarded as a microcrystal, a state in which the microcrystals are included in the amorphous state is also regarded as an amorphous state.
「非晶質酸化物のエレクトライド」におけるアルミニウム原子とカルシウム原子のモル比(Ca/Al)は、0.3〜5.0の範囲が好ましく、0.55〜1.00の範囲がより好ましく、0.8〜0.9の範囲がさらに好ましく、0.84〜0.86の範囲が特に好ましい。 The molar ratio of aluminum atoms to calcium atoms (Ca / Al) in “amorphous oxide electride” is preferably in the range of 0.3 to 5.0, and more preferably in the range of 0.55 to 1.00. The range of 0.8 to 0.9 is more preferable, and the range of 0.84 to 0.86 is particularly preferable.
「非晶質酸化物のエレクトライド」の組成は、12CaO・7Al2O3が好ましいが、これに限られず、例えば、下記の(1)〜(5)の化合物が例示される。
(1)Ca原子の一部乃至全部が、Sr、Mg、および/またはBaなどの金属原子に置換された同型化合物。例えば、Ca原子の一部乃至全部がSrに置換された化合物としては、ストロンチウムアルミネートSr12Al14O33があり、CaとSrの混合比が任意に変化された混晶として、カルシウムストロンチウムアルミネートCa12−xSrXAl14O33(xは1〜11の整数;平均値の場合は0超12未満の数)などがある。
(2)Al原子の一部乃至全部が、Si、Ge、Ga、In、およびBからなる群から選択される一種以上の原子に置換された同型化合物。例えば、Ca12Al10Si4O35などが挙げられる。
(3)12CaO・7Al2O3(上記(1)、(2)の化合物を含む)中の金属原子および/または非金属原子(ただし、酸素原子を除く)の一部が、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、およびCuからなる群から選択される一種以上の遷移金属原子もしくは典型金属原子、Li、Na、およびKからなる群から選択される一種以上のアルカリ金属原子、またはCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、およびYbからなる群から選択される一種以上の希土類原子と置換された同型化合物。
(4)ケージに包接されているフリー酸素イオンの一部乃至全部が、他の陰イオンに置換された化合物。他の陰イオンとしては、例えば、H−、H2 −、H2−、O−、O2 −、OH−、F−、Cl−、およびS2−などの陰イオンや、窒素(N)の陰イオンなどがある。
(5)ケージの骨格の酸素の一部が、窒素(N)などで置換された化合物。The composition of “amorphous oxide electride” is preferably 12CaO · 7Al 2 O 3, but is not limited thereto. For example, the following compounds (1) to (5) are exemplified.
(1) Isomorphic compounds in which part or all of Ca atoms are substituted by metal atoms such as Sr, Mg and / or Ba. For example, as a compound in which part or all of the Ca atom is substituted with Sr, there is strontium aluminate Sr 12 Al 14 O 33 , and calcium strontium aluminum as a mixed crystal in which the mixing ratio of Ca and Sr is arbitrarily changed. And the like, for example, in the form of a salt, Ca 12-x Sr x Al 14 O 33 (x is an integer of 1 to 11; in the case of an average value, a number greater than 0 and less than 12).
(2) A homomorphic compound in which part or all of Al atoms are substituted with one or more atoms selected from the group consisting of Si, Ge, Ga, In, and B. For example, like Ca 12 Al 10 Si 4 O 35 .
(3) A part of metal atoms and / or nonmetal atoms (but excluding oxygen atoms) in 12CaO · 7Al 2 O 3 (including the compounds of the above (1) and (2)) is Ti, V, One or more transition metal atoms or typical metal atoms selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and one or more alkali metal atoms selected from the group consisting of Li, Na and K, Or an isomorphic compound substituted with one or more rare earth atoms selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb.
(4) A compound in which part or all of the free oxygen ions contained in the cage are replaced by other anions. As other anions, for example, anions such as H − , H 2 − , H 2 − , O 2 − , O 2 − , O 2 − , OH − , F − , Cl − , and S 2− , and nitrogen (N) There are anions of
(5) A compound in which a part of oxygen in the cage skeleton is substituted with nitrogen (N) or the like.
バイポーラロンは、光子エネルギーが1.55eV〜3.10eVの可視光の範囲では光吸収がほとんどなく、4.6eV付近で光吸収を示す。従って、第1の層130は、可視光において透明である。また、第1の層130の光吸収特性を測定し、4.6eV付近の光吸収係数を測定することにより、第1の層130中にバイポーラロンが存在するかどうか、すなわち第1の層130が非晶質酸化物のエレクトライドを有するかどうかを確認することができる。
The bipolaron has little light absorption in the visible light range of photon energy of 1.55 eV to 3.10 eV, and shows light absorption at around 4.6 eV. Thus, the
第1の層130の組成分析は、XPS法、EPMA法またはEDX法等により行うことができる。膜厚が100nm以下の場合はXPS法、50nm以上の場合はEPMA法、3μm以上の場合はEDX法による分析が可能である。
Composition analysis of the
第1の層130が非晶質酸化物のエレクトライドで構成される場合、X線回折の測定ではピークは観察されず、ハローのみが観察される。
When the
第1の層130は、微結晶を含んでいても良い。第1の層130内に微結晶が含有されているか否かは、例えば第1の層130の断面TEM(透過型電子顕微鏡)写真などから判断される。結晶状態における組成は、12CaO・7Al2O3、CaO・Al2O3、3CaO・Al2O3等で表わされる。また、微結晶は、シェラー径が5.2nmより大きく、100nmより小さい結晶である。第1の層130が微結晶であれば、導電性が向上する。The
第1の層130において、4.6eVの位置での光吸収値は、100cm−1以上であってもよく、200cm−1以上であってもよい。4.6eVの位置での光吸収値は、100cm−1以上であれば、電子密度が大きくなり、仕事関数が小さくなるため、十分に接触抵抗を小さくすることができる。In the
なお、第1の層130の電子密度は、ヨウ素滴定法により測定することができる。ちなみに、エレクトライドの薄膜におけるバイポーラロンの密度は、測定された電子密度を1/2倍することにより算定することができる。
Note that the electron density of the
このヨウ素滴定法は、5mol/lのヨウ素水溶液中に第1の層130のサンプルを浸漬し、塩酸を加えて溶解させた後、この溶液中に含まれる未反応ヨウ素の量を、チオ硫酸ナトリウムで滴定検出する方法である。この場合、サンプルの溶解により、ヨウ素水溶液中のヨウ素は、以下の反応によりイオン化する:
I2+e−→2I− (2)式
また、チオ硫酸ナトリウムでヨウ素水溶液を滴定した場合、
2Na2S2O3+I2→2NaI+Na2S4O6 (3)式
の反応により、未反応のヨウ素がヨウ化ナトリウムに変化する。最初の溶液中に存在するヨウ素量から、(3)式で滴定検出されたヨウ素量を差し引くことにより、(2)式の反応で消費されたヨウ素量が算定される。これにより、第1の層130のサンプル中の電子密度を測定することができる。In this iodine titration method, a sample of the
I 2 + e − → 2 I − (2)
In addition, when an aqueous iodine solution is titrated with sodium thiosulfate,
2Na 2 S 2 O 3 + I 2 → 2 NaI + Na 2 S 4 O 6 (3)
The reaction of (4) converts unreacted iodine to sodium iodide. The amount of iodine consumed in the reaction of the equation (2) is calculated by subtracting the amount of iodine titrated and detected in the equation (3) from the amount of iodine present in the first solution. Thereby, the electron density in the sample of the
非晶質の第1の層130の成膜方法は、特に限られない。非晶質の第1の層130は、例えば、蒸着法で成膜されてもよい。非晶質の第1の層130は、例えば、10−7Pa〜10−3Paの真空中で原料を加熱し、蒸着してもよい。また、非晶質の第1の層130は、スパッタリング法等により成膜してもよい。The method of forming the amorphous
(結晶質の第1の層130)
第1の層130は、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む結晶質酸化物のエレクトライドで構成されてもよい。(Crystalline first layer 130)
The
結晶質酸化物のエレクトライドは、それぞれのケージが面を共有して3次元的に積み重なることにより、結晶格子が構成され、それらのケージの一部に電子が包接される。結晶質C12A7エレクトライドにおいて、ケージに包接された電子は、ケージに緩く束縛され、結晶中を自由に動くことができる。このため、結晶質C12A7エレクトライドは、非晶質C12A7エレクトライドよりも高い導電性を示す。「結晶質酸化物のエレクトライド」の組成は、上述の「非晶質酸化物のエレクトライド」の組成と同様である。 In crystalline oxide electrides, respective cages share a plane to be three-dimensionally stacked to form a crystal lattice, and electrons are included in a part of the cages. In crystalline C12A7 electride, the electrons contained in the cage are loosely bound to the cage and can move freely in the crystal. For this reason, crystalline C12A7 electride exhibits higher conductivity than amorphous C12A7 electride. The composition of “crystalline oxide electride” is the same as the composition of “amorphous oxide electride” described above.
結晶質酸化物のエレクトライドは、非晶質酸化物エレクトライドを900℃以上に加熱処理することにより作製することができる。加熱処理は、通常の電気炉による加熱、赤外線加熱、レーザー加熱、または誘導加熱などにより行うことができる。 The crystalline oxide electride can be produced by heat treatment of amorphous oxide electride at 900 ° C. or higher. The heat treatment can be performed by heating using a common electric furnace, infrared heating, laser heating, induction heating, or the like.
(第2の層140)
第2の層140は、亜鉛(Zn)および酸素(O)を含み、さらに、ケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも1つを含む金属酸化物で構成される。(Second layer 140)
The
例えば、第2の層140は、亜鉛(Zn)、ケイ素(Si)および酸素(O)を含んでもよい。以下、このような第2の層を、特に、「ZSO層」と称する。また、第2の層は、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)および酸素(O)を含んでもよい。以下、このような第2の層を、特に、「ZTO層」と称する。さらに、第2の層は、亜鉛(Zn)、ケイ素(Si)、スズ(Sn)および酸素(O)を含んでもよい。以下、このような第2の層を、特に、「ZSTO層」と称する。
For example, the
以下、ZSO層、ZTO層およびZSTO層のそれぞれについて説明する。 Each of the ZSO layer, the ZTO layer, and the ZSTO layer will be described below.
(ZSO層)
ZSO層は、亜鉛(Zn)、ケイ素(Si)および酸素(O)を含む。第2の層140がZSO層で構成される場合、結晶粒界を持たないので、一般的に用いられるZnOなどの酸化物半導体と比べて、平坦性および均質性に優れる。(ZSO layer)
The ZSO layer contains zinc (Zn), silicon (Si) and oxygen (O). In the case where the
Zn/(Zn+Si)の値は、例えば、モル比で0.30〜0.95の範囲が好ましい。0.30以上であれば、十分に大きな電子移動度が得られ、厚膜化して使用できるので、Si基板を十分に化学的に保護することができる。0.95以下であれば、平滑な表面が得られるので短絡を抑制できる。Zn/(Zn+Si)の値は、モル比で0.70以上であってもよく、0.80以上であってもよく、0.85以上であってもよい。Zn/(Zn+Si)の値は、モル比で0.94以下であってもよく、0.92以下であってもよく、0.90以下であってもよい。 The value of Zn / (Zn + Si) is, for example, preferably in the range of 0.30 to 0.95 in molar ratio. If it is 0.30 or more, a sufficiently large electron mobility can be obtained and it can be used after being thickened, so that the Si substrate can be sufficiently chemically protected. If it is 0.95 or less, since a smooth surface is obtained, a short circuit can be suppressed. The value of Zn / (Zn + Si) may be 0.70 or more, 0.80 or more, or 0.85 or more in molar ratio. The value of Zn / (Zn + Si) may be 0.94 or less, 0.92 or less, or 0.90 or less in molar ratio.
ZSO層は、化学組成がxZnO−(1−x)SiO2(x=0.30〜0.95)で表わされることが好ましい。ここで、xが0.30以上であれば、十分に大きな電子移動度が得られ、厚膜化して使用できるので、Si基板を十分に保護することができる。xが0.95以下であれば、平滑な表面が得られるので短絡を抑制できる。xは0.70以上であってもよく、0.80以上であってもよく、0.85以上であってもよい。xは、0.94以下であってもよく、0.92以下であってもよく、0.90以下であってもよい。ZSO layer is preferably chemical composition is represented by xZnO- (1-x) SiO 2 (x = 0.30~0.95). Here, if x is 0.30 or more, a sufficiently large electron mobility can be obtained and a thick film can be used, so that the Si substrate can be sufficiently protected. If x is 0.95 or less, a smooth surface can be obtained, so that a short circuit can be suppressed. x may be 0.70 or more, may be 0.80 or more, and may be 0.85 or more. x may be 0.94 or less, 0.92 or less, or 0.90 or less.
ZSO層は、透明性に優れ、例えば、0.1cm2V−1s−1〜5.0cm2V−1s−1の高い電子移動度を示す。また、ZSO層は、均質かつ結晶粒界を持たないためガス透過性が小さいので、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護層として利用できる。Si基板および基板上に形成された各種機能層は、外気に暴露されると、主に酸素や水分の影響により特性が劣化することが知られており、通常は保護層が必要となる。ZSO layer is excellent in transparency, for example, shows a high electron mobility 0.1cm 2 V -1 s -1 ~5.0cm 2 V -1 s -1. In addition, since the ZSO layer is homogeneous and has low gas permeability because it does not have grain boundaries, it can be used as a protective layer for the Si substrate and various functional layers formed on the substrate. It is known that the characteristics of the Si substrate and various functional layers formed on the substrate deteriorate mainly by the influence of oxygen and moisture when exposed to the outside air, and usually a protective layer is required.
ZSO層の厚さは、10nm〜1000nmの範囲が好ましい。ZSO層の厚さが10nm以上であれば、保護層として十分に機能する。また、ZSO層の厚さが1000nm以下であれば、製造工程が短い。ZSO層の厚さが1000nmを超える場合は、成膜速度(単位時間あたりの成膜厚さ)を向上させるために、例えばスパッタリング法を用いる場合には、スパッタリングターゲットを複数用意するか、高出力な成膜装置が必要となる。ZSO層の厚さは、20nm以上がより好ましく、30nm以上がさらに好ましく、50nm以上が特に好ましい。一方、ZSO層の厚さは、700nm以下がより好ましく、500nm以下がさらに好ましく、300nm以下が特に好ましい。 The thickness of the ZSO layer is preferably in the range of 10 nm to 1000 nm. When the thickness of the ZSO layer is 10 nm or more, it sufficiently functions as a protective layer. In addition, if the thickness of the ZSO layer is 1000 nm or less, the manufacturing process is short. When the thickness of the ZSO layer exceeds 1000 nm, in order to improve the deposition rate (film deposition thickness per unit time), for example, in the case of using a sputtering method, a plurality of sputtering targets may be prepared or high output Film deposition equipment is required. The thickness of the ZSO layer is more preferably 20 nm or more, further preferably 30 nm or more, and particularly preferably 50 nm or more. On the other hand, the thickness of the ZSO layer is more preferably 700 nm or less, still more preferably 500 nm or less, and particularly preferably 300 nm or less.
(ZTO層)
ZTO層は、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)および酸素(O)を含む。第2の層140がZTO層で構成される場合、エッチングレートが適切であり、エッチングし過ぎることなく所望の形状を形成できるため、半導体素子を安定して製造できる。(ZTO layer)
The ZTO layer contains zinc (Zn), tin (Sn) and oxygen (O). When the
ZTO層は、酸化物換算で、ZnOとSnO2の合計100mol%に対して、SnO2が15mol%以上、95mol%以下であることが好ましい。SnO2が15mol%以上であれば、結晶化温度が高く、各種のプロセスにおいて施される熱処理工程において結晶化しにくい。SnO2が95mol%以下であれば、焼結しやすく、良好な酸化物ターゲットが得られ、薄膜を形成しやすい。SnO2は20mol%以上であってもよく、30mol%以上であってもよく、35mol%以上であってもよく、40mol%以上であってもよい。一方、SnO2は70mol%以下であってもよく、60mol%以下であってもよく、50mol%以下であってもよい。In the ZTO layer, SnO 2 is preferably 15 mol% or more and 95 mol% or less with respect to a total of 100 mol% of ZnO and SnO 2 in terms of oxide. If the SnO 2 content is 15 mol% or more, the crystallization temperature is high, and it is difficult to crystallize in the heat treatment process applied in various processes. When the SnO 2 content is 95 mol% or less, sintering is easy, a good oxide target is obtained, and a thin film is easily formed. SnO 2 may be 20 mol% or more, 30 mol% or more, 35 mol% or more, or 40 mol% or more. On the other hand, SnO 2 may be 70 mol% or less, 60 mol% or less, or 50 mol% or less.
ZTO層は、透明性に優れ、例えば、1cm2V−1s−1〜10cm2V−1s−1の高い電子移動度を示す。また、ZSTO層は、均質かつ結晶粒界を持たないためガス透過性が小さいので、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護層として利用できる。ZTO layer is excellent in transparency, for example, shows a high electron mobility 1cm 2 V -1 s -1 ~10cm 2 V -1 s -1. In addition, since the ZSTO layer is homogeneous and has low gas permeability because it does not have grain boundaries, it can be used as a protective layer for the Si substrate and various functional layers formed on the substrate.
ZTO層の厚さは、10nm〜1000nmの範囲が好ましい。ZTO層の厚さが10nm以上であれば、保護層として十分に機能する。また、ZTO層の厚さが1000nm以下であれば、製造工程が短い。ZTO層の厚さは、20nm以上がより好ましく、30nm以上がさらに好ましく、50nm以上が特に好ましい。一方、ZSO層の厚さは、700nm以下がより好ましく、500nm以下がさらに好ましく、300nm以下が特に好ましい。 The thickness of the ZTO layer is preferably in the range of 10 nm to 1000 nm. If the thickness of the ZTO layer is 10 nm or more, it sufficiently functions as a protective layer. If the thickness of the ZTO layer is 1000 nm or less, the manufacturing process is short. The thickness of the ZTO layer is more preferably 20 nm or more, further preferably 30 nm or more, and particularly preferably 50 nm or more. On the other hand, the thickness of the ZSO layer is more preferably 700 nm or less, still more preferably 500 nm or less, and particularly preferably 300 nm or less.
(ZSTO層)
ZSTO層は、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、ケイ素(Si)および酸素(O)を含む。第2の層140がZSTO層で構成される場合、仕事関数が低く、かつ、エッチングレートが適切であり、また、高い透明性が得られるため、半導体素子特性が向上する。(ZSTO layer)
The ZSTO layer contains zinc (Zn), tin (Sn), silicon (Si) and oxygen (O). When the
ZSTO層は、酸化物換算で、ZnO、SnO2、およびSiO2の合計100mol%に対して、SnO2が15mol%以上、95mol%以下であることが好ましい。SnO2が15mol%以上であれば、結晶化温度が高く、各種のプロセスにおいて施される熱処理工程において結晶化しにくい。95mol%以下であれば、焼結しやすく、良好な酸化物ターゲットが得られ、薄膜を形成しやすい。SnO2は30mol%以上であってもよく、35mol%以上であってもよく、40mol%以上であってもよい。一方、SnO2は70mol%以下であってもよく、60mol%以下であってもよく、50mol%以下であってもよい。In the ZSTO layer, SnO 2 is preferably 15 mol% or more and 95 mol% or less based on the total of 100 mol% of ZnO, SnO 2 , and SiO 2 in terms of oxide. If the SnO 2 content is 15 mol% or more, the crystallization temperature is high, and it is difficult to crystallize in the heat treatment process applied in various processes. If it is 95 mol% or less, it will be easy to sinter, a favorable oxide target will be obtained, and it will be easy to form a thin film. SnO 2 may be 30 mol% or more, 35 mol% or more, or 40 mol% or more. On the other hand, SnO 2 may be 70 mol% or less, 60 mol% or less, or 50 mol% or less.
ZSTO層は、酸化物換算で、ZnO、SnO2、およびSiO2の合計100mol%に対して、SiO2が、7mol%以上、30mol%以下であることが好ましい。SiO2が7mol%以上、30mol%以下であれば、電子親和力が大きすぎず、体積抵抗率が高すぎない。SiO2は8mol%以上であってもよく、10mol%以上であってもよい。一方、SiO2は20mol%以下であってもよく、15mol%以下であってもよい。In the ZSTO layer, SiO 2 is preferably 7 mol% or more and 30 mol% or less with respect to a total of 100 mol% of ZnO, SnO 2 , and SiO 2 in terms of oxide. If SiO 2 is 7 mol% or more and 30 mol% or less, the electron affinity is not too large and the volume resistivity is not too high. SiO 2 may be 8 mol% or more, or 10 mol% or more. On the other hand, SiO 2 may be 20 mol% or less or 15 mol% or less.
ZSTO層は、透明性に優れ、例えば、0.1cm2V−1s−1〜3cm2V−1s−1の高い電子移動度を示す。また、ZSTO層は、均質かつ結晶粒界を持たないためガス透過性が小さいので、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護層として利用できる。ZSTO layer is excellent in transparency, for example, shows a high electron mobility 0.1cm 2 V -1 s -1 ~3cm 2 V -1 s -1. In addition, since the ZSTO layer is homogeneous and has low gas permeability because it does not have grain boundaries, it can be used as a protective layer for the Si substrate and various functional layers formed on the substrate.
ZSTO層の厚さは、10nm〜1000nmの範囲が好ましい。ZSTO層の厚さが10nm以上であれば、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護層として十分に機能する。また、ZSTO層の厚さが1000nm以下であれば、製造工程が短い。ZSTO層の厚さは、20nm以上がより好ましく、30nm以上がさらに好ましく、50nm以上が特に好ましい。一方、ZSTO層の厚さは、700nm以下がより好ましく、500nm以下がさらに好ましく、300nm以下が特に好ましい。 The thickness of the ZSTO layer is preferably in the range of 10 nm to 1000 nm. If the thickness of the ZSTO layer is 10 nm or more, it sufficiently functions as a protective layer for the Si substrate and various functional layers formed on the substrate. If the thickness of the ZSTO layer is 1000 nm or less, the manufacturing process is short. The thickness of the ZSTO layer is more preferably 20 nm or more, further preferably 30 nm or more, and particularly preferably 50 nm or more. On the other hand, the thickness of the ZSTO layer is more preferably 700 nm or less, still more preferably 500 nm or less, and particularly preferably 300 nm or less.
第2の層140は、さらに、チタン(Ti)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、およびアルミニム(Al)からなる群から選択される一以上の金属成分を含んでもよい。これらの金属成分を含むことにより、化学的耐久性に優れる。これらの金属成分の含有量は、酸化物換算で、ZnO、SiO2、SnO2、およびその他の金属成分の酸化物の合計100mol%に対して、好ましくは15mol%以下であり、より好ましくは10mol%以下であり、さらに好ましくは5mol%以下である。なお、酸化物換算においては、これらの金属は、TiO2、In2O3、Ga2O3、Nb2O5、またはAl2O3の形態として算出することとする。The
第2の層140の組成は、厚さが200nm以上の場合、EPMAを用いて分析することができる。また、厚さが700nm以上の場合、例えば10kVの加速電圧のSEM−EDXを用いて分析することができる。また、XRFを用いて基板補正を行うことによっても分析することができる。また、ICPを使用する場合、第2の層140は、1mm3以上の体積を使用することにより、分析することができる。The composition of the
第2の層140は、非晶質または非晶質の状態が支配的であることが好ましい。ここで、非晶質とは、第1の層130と同様に、X線回折測定で鋭いピークを与えない物質を意味する。また、非晶質の状態が支配的であるとは、非晶質が体積割合で50%より多く存在している状態のことである。第2の層140が非晶質または非晶質の状態が支配的であれば、膜表面の平滑性が高く、素子の短絡防止が可能であるため好ましい。
The
第2の層140は、微結晶であっても、非晶質と微結晶が混在する形態であってもよい。ここで微結晶とは、シェラー径が5.2nmより大きく、100nmより小さい結晶である。第2の層140が微結晶であれば、導電性が向上するため好ましい。第2の層140が非晶質と微結晶が混在する形態であれば、平滑性と導電性とがともに向上するため好ましい。
The
第2の層140の電子移動度は、10−4cm2・V−1s−1〜102cm2・V−1s−1が好ましい。10−4cm2・V−1s−1以上であれば、第2の層140の厚さを10nm以上とすることができ、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護層として十分に機能する。102cm2・V−1s−1以下であれば、非晶質の状態が支配的となり、膜表面の平滑性が高く、素子の短絡防止が可能となる。第2の層140の電子移動度は、10−4cm2・V−1s−1以上であってもよく、10−3cm2・V−1s−1以上であってもよく、10−2cm2・V−1s−1以上であってもよい。第2の層140の電子移動度は、102cm2・V−1s−1以下であってもよく、10cm2・V−1s−1以下あってもよく、10−1cm2・V−1s−1以下であってもよい。The electron mobility of the
第2の層140の電子密度は、1×1014cm−3〜1×1021cm−3が好ましい。1×1014cm−3以上であれば、第2の層140厚さを10nm以上とすることができ、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護層として十分に機能する。1×1021cm−3以下であれば、非晶質の状態が支配的となり、膜表面の平滑性が高く、素子の短絡防止が可能となる。第2の層140の電子密度は、1×1014cm−3以上であってもよく、5×1016cm−3以上であってもよく、1×1018cm−3以上であってもよい。第2の層140の電子密度は、1×1021cm−3以下であってもよく、5×1020cm−3以下であってもよく、1×1020cm−3以下であってもよい。The electron density of the
第2の層140の電子移動度は、ホール測定法またはタイムオブフライト(Time−of−Flight(TOF))法等により、求めることができる。第2の層140の電子密度は、ヨウ素滴定法またはホール測定法等により求めることができる。
The electron mobility of the
第2の層140の電子親和力は、2.0eV〜4.0eVが好ましい。2.0eV以上であれば、接触抵抗を十分に低減できる。4.0eV以下であれば、接触抵抗の低減の効果が十分に得られない。第2の層140の電子親和力は、2.0eV以上であってもよく、2.2eV以上であってもよく、2.5eV以上であってもよい。一方、第2の層140の電子親和力は、4.0eV以下であってもよく、3.5eV以下であってもよく、3.0eV以下であってもよい。
The electron affinity of the
第2の層140のイオン化ポテンシャルは、5.5eV〜8.5eVが好ましい。このように大きいイオン化ポテンシャルを有する第2の層140は、ホールブロック効果が高く、電子のみを選択的に輸送することができる。第2の層140のイオン化ポテンシャルは、5.7eV以上であってもよく、5.9eV以上であってもよい。一方、第2の層140のイオン化ポテンシャルは、7.5eV以下であってもよく、7.0eV以下であってもよい。
The ionization potential of the
前述のように、通常、n型Si層と金属電極層との間の界面は、オーミック性の抵抗挙動を示さず、界面の接触抵抗が高いという問題がある。 As described above, normally, the interface between the n-type Si layer and the metal electrode layer does not exhibit ohmic resistance behavior, and there is a problem that the contact resistance of the interface is high.
一方、第2の層140は、金属製の電極層150との間で、オーミック接合を形成し、両者の界面の接触抵抗は、比較的小さいという特徴を有する。また、前述のように、第2の層140と第1の層130の間の界面における接触抵抗は、有意に小さい。このため、第1の層130の上に第2の層140を設けても、界面数の増加による接触抵抗上昇の影響は少ない。
On the other hand, the
その結果、電極層150の直下に第2の層140を配置することにより、第1の半導体素子100において、全体の抵抗ロスを抑制することができる。また、これにより、第1の半導体素子100において、素子効率を高めることが可能になる。
As a result, by disposing the
(電極層150)
電極層150は、金属で構成される。電極層150は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、および銅合金等で構成されてもよい。(Electrode layer 150)
The
電極層150の厚さは、例えば、50nm〜100nmの範囲である。電極層150の厚さが50nm以上であれば、低抵抗な電極が形成されるので好ましい。電極層150の厚さが100nm以下であれば、電極のエッジの段差が小さく、後から成膜される膜の被覆性がよいため好ましい。電極層150の厚さは、60nm以上であってもよく、70nm以上であってもよい。一方、電極層150の厚さは、90nm以下であってもよく、80nm以下であってもよい。
The thickness of the
電極層150は、例えばメッシュ状に構成してもよい。
The
(第1の半導体素子100の製造方法)
次に、図2を参照して、図1に示したような構成を有する第1の半導体素子100の製造方法の一例について説明する。(Method of Manufacturing First Semiconductor Device 100)
Next, with reference to FIG. 2, an example of a method of manufacturing the
図2には、第1の半導体素子100の製造方法の一例の概略的なフロー図を示す。
FIG. 2 shows a schematic flow diagram of an example of a method of manufacturing the
図2に示すように、この製造方法(以下、「第1の製造方法」という)は、
支持体の上に、n型Si層を配置するステップ(ステップS110)と、
n型Si層の上に、第1の層を配置するステップ(ステップS120)と、
第1の層の上に、第2の層を配置するステップ(ステップS130)と、
第2の層の上に、電極層を配置するステップ(ステップS140)と、
を有する。As shown in FIG. 2, this manufacturing method (hereinafter referred to as “first manufacturing method”) is
Placing an n-type Si layer on a support (step S110);
placing a first layer on the n-type Si layer (step S120);
Placing a second layer on the first layer (step S130);
Placing an electrode layer on the second layer (step S140);
Have.
以下、各工程について説明する。なお、ここでは、明確化のため、各部材を表す際に、図1に示した参照符号を使用する。 Each step will be described below. Here, for the sake of clarity, the reference numerals shown in FIG. 1 are used when representing each member.
(ステップS110)
まず、支持体110が準備される。(Step S110)
First, the
前述のように、支持体110の材料は特に限られない。ここでは、一例として、支持体110がSi基板である場合を例に、以下説明する。
As mentioned above, the material of the
支持体110の表面は、以降のステップの前に、十分に清浄化される。
The surface of
次に、支持体110の上に、n型Si層120が形成される。
Next, an n-
n型Si層120は、例えば、支持体110、すなわちSi基板の表面に、リンおよび/またはヒ素のようなn型のドーパントをドープすることにより形成されてもよい。
The n-
(ステップS120)
次に、n型Si層120の上に、第1の層130が配置される。(Step S120)
Next, the
第1の層130の形成方法は、特に限られない。第1の層130は、例えば、アルミニウム(Al)およびカルシウム(Ca)を含むターゲットを用いた「気相蒸着法」により、形成することができる。
The method of forming the
ここで、本願において、「気相蒸着法」とは、物理気相成膜(PVD)法、PLD法、スパッタリング法、および真空蒸着法を含む、ターゲット原料を気化させてからこの原料を被成膜部材上に堆積させる成膜方法の総称を意味する。 Here, in the present application, the “vapor deposition method” refers to physical vapor deposition (PVD) method, PLD method, sputtering method, and vacuum deposition method. It is a generic term of the film forming method to be deposited on the film member.
例えば、第1の層130は、蒸着法で成膜されてもよい。第1の層130は、例えば、10−7Pa〜10−3Paの真空中で原料を加熱し、蒸着してもよい。10−7Pa以上であれば、十分な電子密度を得ることができる。10−6Pa以上であってもよく、10−5Pa以上であってもよい。10−3Pa以下であれば、簡便な装置を用いて、低コストで薄膜を形成できる。10−4Pa以下であってもよく、10−5Pa以下であってもよい。また、第1の層130は、スパッタリング法等により、成膜してもよい。For example, the
気相蒸着法で成膜された第1の層130は、通常の場合、非晶質構造を有する。その後、必要に応じて、第1の層130を加熱処理してもよい。この場合、例えば、第1の層130を900℃以上に加熱処理することにより結晶質の第1の層130を得ることができる。
The
(ステップS130)
次に、第1の層130の上に、第2の層140が配置される。(Step S130)
Next, the
第2の層140は、例えば、亜鉛(Zn)およびケイ素(Si)を含むターゲットを用いたスパッタリング法を含む「気相蒸着法」により、形成することができる。
The
スパッタリング法には、DC(直流)スパッタリング法、高周波スパッタリング法、ヘリコン波スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、およびマグネトロンスパッタリング法等が含まれる。スパッタリング法では、大面積領域に、第2の層140を比較的均一に成膜することができる。
The sputtering method includes DC (direct current) sputtering method, high frequency sputtering method, helicon wave sputtering method, ion beam sputtering method, magnetron sputtering method and the like. In the sputtering method, the
ターゲットは、ZnおよびSiを含むものであればよい。ZnおよびSiは、単独のターゲットに含まれていてもよく、複数のターゲットに別々に含まれていてもよい。ターゲットにおいて、ZnおよびSiは、それぞれ金属または金属酸化物として存在してもよく、合金または複合金属酸化物として存在してもよい。金属酸化物または複合金属酸化物は、結晶であってもよく、非晶質であってもよい。 The target may be any one containing Zn and Si. Zn and Si may be contained in a single target, or may be separately contained in a plurality of targets. In the target, Zn and Si may be present as metal or metal oxide, respectively, and may be present as alloy or mixed metal oxide. The metal oxide or mixed metal oxide may be crystalline or amorphous.
ターゲットは、ZnおよびSiの他、Sn、Ti、In、Ga、Nb、およびAlからなる群から選択される一以上の金属成分を含んでもよい。Zn、Siおよびその他の金属成分は、単独のターゲットに含まれていてもよく、複数のターゲットに別々に含まれていてもよい。ターゲットにおいて、Zn、Siおよびその他の金属成分は、それぞれ金属または金属酸化物として存在してもよく、2種以上の金属の合金または複合金属酸化物として存在してもよい。金属酸化物または複合金属酸化物は、結晶であってもよく、非晶質であってもよい。 The target may include, in addition to Zn and Si, one or more metal components selected from the group consisting of Sn, Ti, In, Ga, Nb, and Al. Zn, Si and other metal components may be contained in a single target, or may be separately contained in a plurality of targets. In the target, Zn, Si and other metal components may be present as metals or metal oxides, respectively, or as alloys or complex metal oxides of two or more metals. The metal oxide or mixed metal oxide may be crystalline or amorphous.
単独のターゲットを用いる場合、ターゲットにおけるZn/(Zn+Si)の値は、モル比で0.30〜0.95であってもよく、0.70〜0.94であってもよく、0.80〜0.92であってもよく、0.85〜0.90であってもよい。単独のターゲットが、ZnおよびSiの他、Sn、Ti、In、Ga、Nb、およびAlからなる群から選択される一以上の金属成分を含む場合、これらの金属成分の含有量は、酸化物換算で、ZnO、SiO2およびその他の金属成分の酸化物の合計100mol%に対して、好ましくは15mol%以下であり、より好ましくは10mol%以下であり、さらに好ましくは5mol%以下である。なお、酸化物換算において、金属成分は、SnO2、TiO2、In2O3、Ga2O3、Nb2O5、またはAl2O3として算出することとする。ターゲットの組成分析は、XRF法等により行うことができる。なお、第2の層140の組成は、用いたターゲットの組成比と異なることがある。When a single target is used, the value of Zn / (Zn + Si) in the target may be 0.30 to 0.95 or 0.70 to 0.94 in molar ratio, 0.80 It may be up to 0.92, or it may be up to 0.85 to 0.90. When a single target contains, in addition to Zn and Si, one or more metal components selected from the group consisting of Sn, Ti, In, Ga, Nb, and Al, the content of these metal components is an oxide Preferably, it is 15 mol% or less, more preferably 10 mol% or less, still more preferably 5 mol% or less, based on a total of 100 mol% of the oxides of ZnO, SiO 2 and other metal components. Note that, in terms of oxide, the metal component is calculated as SnO 2 , TiO 2 , In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Nb 2 O 5 , or Al 2 O 3 . Composition analysis of the target can be performed by the XRF method or the like. Note that the composition of the
複数のターゲットを用いる場合、例えば、金属SiのターゲットとZnOのターゲットを同時にスパッタすることで、第2の層140を得ることができる。その他の複数のターゲットの組み合わせとしては、ZnOのターゲットとSiO2のターゲットの組み合わせ、ZnOおよびSiO2を含み、ZnO比率の異なる複数のターゲットの組み合わせ、金属Znのターゲットと金属Siのターゲットの組み合わせ、金属ZnのターゲットとSiO2のターゲットの組み合わせ、金属Znまたは金属Siを含むターゲットとZnOおよびSiO2を含むターゲットの組み合わせなどが挙げられる。When a plurality of targets are used, for example, the
複数のターゲットを同時に用いる場合、それぞれのターゲットに印加する電力を調節することで所望の組成を有する第2の層140を得ることができる。
When a plurality of targets are used simultaneously, the
第2の層140を成膜する際には、第2の層140が非晶質または非晶質の状態が支配的である場合、支持体110は、「積極的に」は加熱しないことが好ましい。支持体110の温度が上昇すると、第2の層140が非晶質になりにくい場合があるためである。
When depositing the
ただし、イオン衝撃などによるスパッタ工程自身によって、支持体110が「付随的に」加熱される場合がある。この場合、どの程度支持体110の温度が上昇するかは、スパッタの条件に依存する。支持体110の温度上昇を避けるため、支持体110を「積極的に」冷却してもよい。支持体110が70℃以下で、第1の層130の成膜を行うことが好ましい。支持体110の温度は、60℃以下であってもよく、50℃以下であってもよい。
However, the
スパッタリングガスの圧力(スパッタ装置のチャンバ内の圧力)は、0.05Pa〜10Paの範囲が好ましく、0.1Pa〜5Paがより好ましく、0.2Pa〜3Paがさらに好ましい。この範囲であれば、スパッタリングガスの圧力が低すぎることがないため、プラズマが安定になる。また、スパッタリングガスの圧力が高すぎることがないため、イオン衝撃が増えることによる支持体110の温度上昇を抑制することができる。
The pressure of the sputtering gas (pressure in the chamber of the sputtering apparatus) is preferably in the range of 0.05 Pa to 10 Pa, more preferably 0.1 Pa to 5 Pa, and still more preferably 0.2 Pa to 3 Pa. Within this range, the pressure of the sputtering gas is not too low, and the plasma becomes stable. Further, since the pressure of the sputtering gas is not too high, it is possible to suppress the temperature rise of the
使用されるスパッタリングガスは、特に限られない。スパッタリングガスは、不活性ガスまたは希ガスであってもよい。酸素を含有してもよい。不活性ガスとしては、例えば、N2ガスが挙げられる。また、希ガスとしては、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)、およびXe(キセノン)が挙げられる。これらは、単独で使用しても、他のガスと併用してもよい。あるいは、スパッタリングガスは、NO(一酸化窒素)やCO(一酸化炭素)のような還元性ガスであってもよい。The sputtering gas used is not particularly limited. The sputtering gas may be an inert gas or a noble gas. It may contain oxygen. Examples of the inert gas include N 2 gas. Further, as the noble gas, He (helium), Ne (neon), Ar (argon), Kr (krypton), and Xe (xenon) can be mentioned. These may be used alone or in combination with other gases. Alternatively, the sputtering gas may be a reducing gas such as NO (nitrogen monoxide) or CO (carbon monoxide).
以上の方法により、第1の層130の上に、第2の層140を形成することができる。
By the above method, the
(ステップS140)
次に、第2の層140の上に、電極層150が配置される。(Step S140)
Next, the
電極層150の形成方法は、特に限られない。例えば、電極層150は、蒸着法、スパッタリング法、塗布法等の公知の成膜技術により、形成してもよい。
The method for forming the
以上の工程により、第1の半導体素子100を製造することができる。
The
なお、第1の半導体素子100には、さらに、必要に応じてその他の部材を設置してもよい。
Further, other members may be installed on the
(本発明の一実施形態による別の半導体素子)
次に、図3を参照して、本発明の一実施形態による別の半導体素子について説明する。(Another semiconductor device according to one embodiment of the present invention)
Next, another semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3には、本発明の一実施形態による別の半導体素子(以下、「第2の半導体素子」と言う)の概略的な断面を示す。 FIG. 3 shows a schematic cross section of another semiconductor device according to an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as “second semiconductor device”).
図3に示すように、第2の半導体素子200は、支持体210と、n型Si層220と、第1の層230と、第2の層240と、電極層250とをこの順に備える。
As shown in FIG. 3, the
ここで、第2の半導体素子200の構成は、図1に示した第1の半導体素子100とほぼ同様である。例えば、第2の半導体素子200において、支持体210〜第1の層230まで、および電極層250は、それぞれ、第1の半導体素子100における支持体110〜第1の層130まで、および電極層150と同様の構成を有する。
Here, the configuration of the
ただし、第2の半導体素子200における第2の層240は、第1の半導体素子100における第2の層140とは異なる層で構成される。
However, the
そこで、以下、第2の層240について、詳しく説明する。
Therefore, the
(第2の層240)
第2の層240は、
(a)チタン(Ti)および酸素(O)を含む金属酸化物、
(b)スズ(Sn)および酸素(O)を含む金属酸化物、ならびに
(c)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含む金属酸化物、
のいずれかで構成される。(Second layer 240)
The
(A) Metal oxides containing titanium (Ti) and oxygen (O),
(B) metal oxides containing tin (Sn) and oxygen (O), and (c) metal oxides containing zinc (Zn) and oxygen (O),
It consists of either.
(a)の場合、第2の層240は、化学的耐久性が高く、特に、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。第2の層240は、Nb(ニオブ)がドープされた酸化チタンで構成されてもよい。第2の層240は、Nb(ニオブ)がドープされた酸化チタンで構成されることにより、高い導電性を示すので、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。Nb/(Ti+Nb)の値は、例えば、モル比で0.01〜0.15の範囲である。0.01以上であれば、高い導電性を示すので、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。0.15以下であれば、Nb(ニオブ)が固溶するため、均質な薄膜が作製できる。Nb/(Ti+Nb)の値は、モル比で0.02以上であってもよく、0.03以上であってもよく、0.05以上であってもよい。Nb/(Ti+Nb)の値は、モル比で0.10以下であってもよく、0.08以下であってもよく、0.07以下であってもよい。
In the case of (a), the
また、(b)の場合、第2の層240は、化学的耐久性が高く、特に、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。第2の層240は、酸化スズ、ITO(インジウムスズ酸化物)、またはフッ素がドープされた酸化スズ等で構成されてもよい。
Further, in the case of (b), the
第2の層240は、酸化スズで構成されることにより、化学的耐久性が高く、特に、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。
The
第2の層240は、ITOで構成されることにより、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。In/(Sn+In)の値は、例えば、モル比で0.03〜0.2の範囲である。0.03以上であれば、高い導電性を示すので、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。0.20以下であれば、Sn(スズ)が固溶するため、均質な薄膜が作製できる。In/(Sn+In)の値は、モル比で0.5以上であってもよく、0.07以上であってもよく、0.09以上であってもよい。In/(Sn+In)の値は、モル比で0.15以下であってもよく、0.13以下であってもよく、0.11以下であってもよい。
Since the
第2の層240は、フッ素がドープされた酸化スズで構成されることにより、化学的耐久性が高く、特に、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。F/(Sn+F)の値は、例えば、モル比で0.01〜0.2の範囲である。0.01以上であれば、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。0.2以下であれば、F(フッ素)が固溶するため、、均質な薄膜が作製できる。F/(Sn+F)の値は、モル比で0.03以上であってもよく、0.05以上であってもよく、0.08以上であってもよい。F/(Sn+F)の値は、モル比で0.15以下であってもよく、0.12以下であってもよく、0.1以下であってもよい。
The
さらに、(c)の場合、第2の層240は、酸化亜鉛、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛、またはガリウムがドープされた酸化亜鉛等で構成されてもよい。
Furthermore, in the case of (c), the
第2の層240は、酸化亜鉛で構成されることにより、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。
Since the
第2の層240は、IZOで構成されることにより、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。Zn/(Zn+In)の値は、例えば、モル比で0.01〜0.2の範囲である。0.01以上であれば、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。Zn(亜鉛)が固溶するため、均質な薄膜が作製できる。Zn/(Zn+In)の値は、モル比で0.05以上であってもよく、0.08以上であってもよく、0.1以上であってもよい。Zn/(Zn+In)の値は、モル比で0.15以下であってもよく、0.13以下であってもよく、0.11以下であってもよい。
Since the
第2の層240は、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛で構成されることにより、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。Al/(Zn+Al)の値は、例えば、モル比で0.01〜0.2の範囲である。0.01以上であれば、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。0.2以下であれば、Al(アルミニウム)が固溶するため、均質な薄膜が作製できる。Al/(Zn+Al)の値は、モル比で0.05以上であってもよく、0.08以上であってもよく、0.1以上であってもよい。Al/(Zn+Al)の値は、モル比で0.15以下であってもよく、0.13以下であってもよく、0.11以下であってもよい。
Since the
第2の層240は、ガリウムがドープされた酸化亜鉛で構成されることにより、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。Ga/(Zn+Ga)の値は、例えば、モル比で0.01〜0.2の範囲である。0.01以上であれば、高い導電性が得られるため、特に、膜厚を大きくできることから、Si基板および基板上に形成された各種機能層に対する保護性に優れる。0.2以下であれば、Ga(ガリウム)が固溶するため、均質な薄膜が作製できる。Ga/(Zn+Ga)の値は、モル比で0.05以上であってもよく、0.08以上であってもよく、0.1以上であってもよい。Ga/(Zn+Ga)の値は、モル比で0.15以下であってもよく、0.13以下であってもよく、0.11以下であってもよい。
The
第2の層240は、結晶質であっても、非晶質であってもよい。
The
第2の層240は、金属製の電極層250との間の界面(第2の界面)で、オーミック接合を形成し、第2の界面の接触抵抗は、比較的小さいという特徴を有する。また、第2の層240と第1の層230の間の界面(第3の界面)における接触抵抗も、有意に小さい。このため、第1の層230の上に第2の層240を設けても、界面数の増加による接触抵抗上昇の影響は少ない。
The
また、前述のように、n型Si層220と第1の層230との間の界面(第1の界面)においても、接触抵抗は、有意に抑制される。
Also, as described above, the contact resistance is also significantly suppressed at the interface (first interface) between the n-
従って、第2の半導体素子200においても、第1の半導体素子100の場合と同様の効果が得られる。すなわち、第2の半導体素子200では、第1〜第3の界面、すなわちn型Si層220と第1の層230との間の界面(第1の界面)、第2の層240と電極層250との間の界面(第2の界面)、および第1の層230と第2の層240との間の界面(第3の界面)のそれぞれにおいて、接触抵抗が有意に抑制される。その結果、第2の半導体素子200では、作動時の効率を有意に向上させることができる。
Therefore, also in the
(第2の半導体素子200の製造方法)
第2の半導体素子200の製造方法(以下、「第2の製造方法」と言う)としては、前述の図2に示した第1の製造方法のフロー図が参照できる。特に、前述の第1の製造方法におけるステップS110〜ステップS120、およびステップS140は、そのまま、第2の製造方法に適用できる。(Method of Manufacturing Second Semiconductor Device 200)
As a method of manufacturing the second semiconductor element 200 (hereinafter, referred to as “second manufacturing method”), the flowchart of the first manufacturing method shown in FIG. 2 described above can be referred to. In particular, steps S110 to S120 and step S140 in the first manufacturing method described above can be applied to the second manufacturing method as it is.
そこで、ここでは、特に図2に示したステップS130、すなわち、第2の層の設置方法の一例について説明する。 Therefore, here, step S130 shown in FIG. 2 in particular, that is, an example of the method of installing the second layer will be described.
(第2の層240の設置方法)
第2の層240は、前述のように、
(a)チタン(Ti)および酸素(O)を含む金属酸化物、
(b)スズ(Sn)および酸素(O)を含む金属酸化物、または
(c)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含む金属酸化物、
のいずれかで構成される。(How to install the second layer 240)
The
(A) Metal oxides containing titanium (Ti) and oxygen (O),
(B) metal oxides containing tin (Sn) and oxygen (O), or (c) metal oxides containing zinc (Zn) and oxygen (O),
It consists of either.
第2の層240は、例えば、スパッタリング法を含む「気相蒸着法」により、形成することができる。
The
スパッタリング法には、DC(直流)スパッタリング法、高周波スパッタリング法、ヘリコン波スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、およびマグネトロンスパッタリング法等が含まれる。スパッタリング法では、大面積領域に、第2の層240を比較的均一に成膜することができる。
The sputtering method includes DC (direct current) sputtering method, high frequency sputtering method, helicon wave sputtering method, ion beam sputtering method, magnetron sputtering method and the like. In the sputtering method, the
ターゲットは、所定の材料を含むものであればよい。例えば、前述の(a)の場合、Tiを含むターゲットが使用される。また、前述の(b)の場合、Snを含むターゲットが使用される。さらに、前述の(c)の場合、Znを含むターゲットが使用される。これらのターゲットは、金属または金属酸化物であってもよい。また、ターゲットは、結晶質であってもよく、非晶質であってもよい。 The target may be any one containing a predetermined material. For example, in the case of the above (a), a target containing Ti is used. Moreover, in the case of the above-mentioned (b), the target containing Sn is used. Furthermore, in the case of (c) above, a target containing Zn is used. These targets may be metals or metal oxides. The target may be crystalline or amorphous.
第2の層240を非晶質または非晶質の状態が支配的な層とする場合、第2の層240を成膜する際の支持体210は、「積極的に」は加熱しないことが好ましい。
In the case where the
なお、ここに示した第2の層240の設置方法は、単なる一例であって、第2の層240は、その他の方法で設置されてもよい。
In addition, the installation method of the
(本発明の一実施形態によるさらに別の半導体素子)
次に、図4を参照して、本発明の一実施形態によるさらに別の半導体素子について説明する。(Still another semiconductor device according to one embodiment of the present invention)
Next, another semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図4には、本発明の一実施形態によるさらに別の半導体素子(以下、「第3の半導体素子」と言う)の概略的な断面を示す。 FIG. 4 shows a schematic cross section of still another semiconductor device according to an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as “third semiconductor device”).
図4に示すように、第3の半導体素子300は、支持体310と、n型Si層320と、第1の層330と、第3の層342と、第4の層344と、電極層350とを備える。
As shown in FIG. 4, the
ここで、第3の半導体素子300は、図1に示した第1の半導体素子100とよく似た構成を有する。例えば、第3の半導体素子300において、支持体310〜第3の層342まで、および電極層350は、それぞれ、第1の半導体素子100における支持体110〜第2の層140まで、および電極層150と同様の構成を有する。すなわち、第3の半導体素子300における第3の層342は、第1の半導体素子100における第2の層140に対応する。
Here, the
ただし、第3の半導体素子300は、第3の層342と電極層350の間に、第4の層344を有する点で、第1の半導体素子100とは異なっている。換言すれば、第3の半導体素子300は、第1の半導体素子100において、第2の層140の代わりに、第3の層342および第4の層344の2層を配置した構成を有するとも言える。
However, the
ここで、第4の層344は、第2の半導体素子200における第2の層240に相当する。すなわち、第4の層344は、
(a)チタン(Ti)および酸素(O)を含む金属酸化物、
(b)スズ(Sn)および酸素(O)を含む金属酸化物、または
(c)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含む金属酸化物、
のいずれかで構成される。Here, the
(A) Metal oxides containing titanium (Ti) and oxygen (O),
(B) metal oxides containing tin (Sn) and oxygen (O), or (c) metal oxides containing zinc (Zn) and oxygen (O),
It consists of either.
前述のように、(a)の場合、第4の層344は、Nb(ニオブ)がドープされた酸化チタンで構成されてもよい。また、(b)の場合、第4の層344は、酸化スズ、ITO(インジウムスズ酸化物)、またはフッ素がドープされた酸化スズ等で構成されてもよい。さらに、(c)の場合、第4の層344は、酸化亜鉛、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛、またはガリウムがドープされた酸化亜鉛等で構成されてもよい。
As described above, in the case of (a), the
また、第4の層344は、結晶質であっても、非晶質であってもよい。
The
ここで、第3の半導体素子300は、前述の第1の半導体素子100および第2の半導体素子200に比べて、層数が1増えており、その結果、界面も一つ多くなっている。
Here, in the
しかしながら、本願発明者らの知見では、第3の層342と第4の層344の間の界面(以下、「第4の界面」という)の接触抵抗は、比較的低いことが確認されている。従って、第3の半導体素子300は、第1の半導体素子100および第2の半導体素子200に比べて、層数および界面数が増加しているものの、その影響はほとんど生じない。
However, according to the findings of the inventors of the present invention, it is confirmed that the contact resistance of the interface between the
従って、このような構成を有する第3の半導体素子300においても、第1の半導体素子100および第2の半導体素子200の場合と同様の効果が得られる。すなわち、第3の半導体素子300では、n型Si層320と第1の層330との間の界面(第1の界面)、第4の層344と電極層350との間の界面(第2の界面)、および第1の層330と第3の層342との間の界面(第3の界面)のそれぞれにおいて、接触抵抗が有意に抑制される。
Therefore, also in the
このため、第3の半導体素子300では、接触抵抗を第1の半導体素子100および第2の半導体素子200よりも低減できるため、素子効率を有意に向上させることができる。また、第3の層342と第4の層344との屈折率が異なる構成とすることにより、光学的な設計の自由度を高くすることができる。
Therefore, in the
なお、第3の半導体素子300の製造方法は、前述の第1の半導体素子100および第2の半導体素子200の製造方法の記載から、当業者には容易に理解できる。
以上、第1〜第3の半導体素子100、200、300を例に、本発明の一実施形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。例えば、第1〜第3の半導体素子100、200、300において、n型Si層120、220、320は、Si以外の別のn型半導体材料で構成されても良い。A person skilled in the art can easily understand the method of manufacturing the
In the above, one embodiment of the present invention has been described by taking the first to
(本発明の一実施形態による半導体素子の適用例)
次に、本発明の一実施形態による半導体素子の適用例について説明する。なお、ここでは、前述の第1の半導体素子100の構成を例に、その適用例について説明する。ただし、前述の第2または第3の半導体素子200、300の構成においても、同様の適用が可能であることは当業者には明らかであろう。(Example of application of semiconductor device according to one embodiment of the present invention)
Next, application examples of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described. Here, the application example will be described by taking the configuration of the
(太陽電池モジュール)
本発明の一実施形態による半導体素子は、例えば太陽電池モジュールに適用することができる。(Solar cell module)
The semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be applied to, for example, a solar cell module.
図5にはそのような太陽電池モジュールの一構成例を模式的に示す。 One structural example of such a solar cell module is typically shown in FIG.
図5に示すように、太陽電池モジュール500は、複数の太陽電池セル502を、相互に電気的に直列に接続することにより構成される。
As shown in FIG. 5, the
各太陽電池セル502は、金属製の第1の電極560Aおよび第2の電極560Bを有し、両電極560A、560Bの間には、第1の部分580および第2の部分590が配置される。換言すれば、太陽電池セル502は、下から順に、第2の電極560B、第2の部分590、第1の部分580、および第1の電極560Aを配置することにより構成される。
Each
第1の電極560Aは、隣接する右側の太陽電池セル502の第2の電極560Bと電気的に接続される。また、第2の電極560Bは、隣接する左側の太陽電池セル502の第1の電極560Aと電気的に接続される。これにより、各太陽電池セル502が、相互に直列に接続される。
The
第1の部分580は、n型Si層を有し、第2の部分590は、p型Si層を有する。第1の部分580のn型Si層は、第2の部分590のp型Si層との間で、pn接合を形成する。
The
ここで、第2の部分590〜第1の電極560Aは、前述の第1の半導体素子100で構成される。すなわち、太陽電池セル502における第2の部分590は、第1の半導体素子100の支持体110に対応し、太陽電池セル502における第1の部分580は、第1の半導体素子100のn型Si層120、第1の層130、および第2の層140に対応し、太陽電池セル502における第1の電極560Aは、第1の半導体素子100の電極層150に対応する。
Here, the
前述のように、従来の太陽電池モジュールでは、第1の電極と第1の部分580におけるn型Si層との間の接触抵抗が比較的高く、このため、発電効率の向上には限界があった。
As described above, in the conventional solar cell module, the contact resistance between the first electrode and the n-type Si layer in the
しかしながら、図5に示した太陽電池モジュール500には、前述の特徴を有する第1の半導体素子100が適用されている。このため、太陽電池モジュール500では、発電効率を有意に向上させることが可能になる。
However, in the
(TFT)
本発明の一実施形態による半導体素子は、例えばTFTに適用することができる。(TFT)
The semiconductor device according to an embodiment of the present invention can be applied to, for example, a TFT.
図6には、そのようなTFTの一構成例を模式的に示す。 FIG. 6 schematically shows one configuration example of such a TFT.
図6に示すように、TFT600は、ゲート電極601、ゲート絶縁膜603、アモルファスSi層690、n型Si層680、第1の電極660A(例えばソース)、第2の電極660B(例えばドレイン)、チャネル保護層670、および保護膜675を有する。
As shown in FIG. 6, the
なお、これらの部材の役割は、当業者には明らかなため、ここでは、詳細な記載を省略する。 In addition, since the role of these members is clear to those skilled in the art, the detailed description is omitted here.
ここで、アモルファスSi層690〜第1の電極660Aの部分、またはアモルファスSi層690〜第2の電極660Bの部分は、前述の第1の半導体素子100で構成される。すなわち、TFT600におけるアモルファスSi層690は、第1の半導体素子100の支持体110に対応し、TFT600におけるn型Si層680は、第1の半導体素子100のn型Si層120、第1の層130、および第2の層140に対応し、TFT600における第1の電極660Aまたは第2の電極660Bは、第1の半導体素子100の電極層150に対応する。
Here, the portion of the
前述のように、従来のTFTでは、第1または第2の電極と、n型Si層との間の接触抵抗が比較的高く、このため、作動効率の向上には限界があった。 As described above, in the conventional TFT, the contact resistance between the first or second electrode and the n-type Si layer is relatively high, which limits the improvement of the operation efficiency.
しかしながら、図6に示したTFT600には、前述の特徴を有する第1の半導体素子100が適用されている。このため、TFT600では、作動効率を有意に向上させることが可能になる。
However, the
以上、太陽電池モジュールおよびTFTを例に、本発明の一実施形態による半導体素子の適用例について説明した。しかしながら、これらの適用例は、単なる一例に過ぎず、本発明の一実施形態による半導体素子は、その他の装置に適用されてもよい。 Hereinabove, the application example of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention has been described by taking the solar cell module and the TFT as an example. However, these applications are merely examples, and the semiconductor device according to one embodiment of the present invention may be applied to other devices.
次に、本発明の実施例について説明する。 Next, examples of the present invention will be described.
(例1)
以下の方法により、前述の図1に示したような半導体素子を製造した。(Example 1)
The semiconductor device as shown in FIG. 1 was manufactured by the following method.
まず、n型のSi基板を準備した。n型のSi基板は、寸法が縦30mm×横30mm×厚さ0.5mmであり、電子密度は1015cm−3であった。First, an n-type Si substrate was prepared. The n-type Si substrate had dimensions of 30 mm long × 30 mm wide × 0.5 mm thick, and the electron density was 10 15 cm −3 .
なお、、n型のSi基板(以下、単に「基板」という)は、使用前にフッ酸および純水により洗浄し、表面の自然酸化膜を除去した。 The n-type Si substrate (hereinafter simply referred to as "substrate") was cleaned with hydrofluoric acid and pure water before use to remove the natural oxide film on the surface.
次に、基板をスパッタリング装置に導入した。スパッタリング装置内を3×10−7Paまで排気後、スパッタリング法により、基板上に、第1の層として、非晶質C12A7エレクトライドを成膜した。Next, the substrate was introduced into a sputtering apparatus. After the inside of the sputtering apparatus was evacuated to 3 × 10 −7 Pa, amorphous C 12 A 7 electride was formed as a first layer on the substrate by a sputtering method.
成膜の際には、メタルマスクを使用し、基板上に、幅200μm×長さ800μm×厚さ2nmの矩形状の4本の第1の層(厚さ2nm)を形成した。隣接する矩形同士の間隔は、それぞれ、400μm、600μm、および800μmとした。 At the time of film formation, a metal mask was used to form four rectangular first layers (2 nm in thickness) each having a width of 200 μm × a length of 800 μm × a thickness of 2 nm on the substrate. The intervals between adjacent rectangles were 400 μm, 600 μm, and 800 μm, respectively.
成膜の際には、RFパワーを100Wとし、 成膜ガスとしてArを用い、全圧を0.15Paとした。また、基板とターゲット間の距離は、100mmとした。 At the time of film formation, the RF power was 100 W, Ar was used as a film forming gas, and the total pressure was 0.15 Pa. Moreover, the distance between the substrate and the target was 100 mm.
得られた第1の層の電子密度は、1021cm−3であった。The electron density of the obtained first layer was 10 21 cm −3 .
次に、基板をスパッタリング装置に導入したまま、各矩形状の第1の層の上に、スパッタリング法により、第2の層を成膜した。第2の層は、ZSO層とした。 Next, while the substrate was introduced into the sputtering apparatus, a second layer was formed by sputtering on each rectangular first layer. The second layer was a ZSO layer.
ターゲットには、モル比でZn:Si=80:20の組成のものを使用した。 As a target, one having a composition of Zn: Si = 80: 20 in molar ratio was used.
成膜時のターゲットと基板の間の距離は、100mmとした。成膜時のスパッタガスは、ArとO2の混合ガスとし、スパッタガスの圧力は、0.4Paとした。なお、Arの流量は39.9sccmとし、O2の流量は0.1sccmとした。RFプラズマパワーは、100Wであった。これにより、第1の層の上にのみ、厚さ10nmの第2の層が成膜された。
得られた第2の層の電子密度は、1015cm−3であった。The distance between the target and the substrate at the time of film formation was 100 mm. The sputtering gas at the time of film formation was a mixed gas of Ar and O 2 , and the pressure of the sputtering gas was 0.4 Pa. The flow rate of Ar was 39.9 sccm, and the flow rate of O 2 was 0.1 sccm. The RF plasma power was 100 W. Thereby, the 10-nm-thick second layer was formed only on the first layer.
The electron density of the obtained second layer was 10 15 cm −3 .
その後、各層が形成された基板を大気中に取り出し、1.5時間放置した。 Thereafter, the substrate on which each layer was formed was taken out to the atmosphere and left to stand for 1.5 hours.
次に、基板を同じスパッタリング装置に戻し、第2の層の上にのみ、Al合金層(以下、「Al電極」という)を形成した。Al電極は、Al:2%Ndターゲットを使用し、スパッタリング法により成膜した。 Next, the substrate was returned to the same sputtering apparatus, and an Al alloy layer (hereinafter referred to as "Al electrode") was formed only on the second layer. The Al electrode was deposited by sputtering using an Al: 2% Nd target.
4本の矩形のいずれの部分においても、Al電極の厚さは、200nmであった。 The thickness of the Al electrode was 200 nm in any portion of the four rectangles.
このような方法により、半導体素子(以下、「サンプルA」と称する)が形成された。 A semiconductor element (hereinafter, referred to as “sample A”) was formed by such a method.
(例2)
例1と同様の方法により、半導体素子を製造した。(Example 2)
A semiconductor device was manufactured in the same manner as in Example 1.
ただし、この例3では、第1の層の上に、第2の層として、Nb(ニオブ)がドープされた酸化チタンを成膜した。ターゲットには、モル比でTi:Nb=94:6の組成のものを使用した。成膜時のターゲットと基板の間の距離は、100mmとした。成膜時のスパッタガスは、ArとO2の混合ガスとし、スパッタガスの圧力は、0.4Paとした。なお、Arの流量は40sccmとした。RFプラズマパワーは、100Wであった。これにより、第1の層の上にのみ、厚さ10nmの第2の層が成膜された。このとき、第2の層は非晶質であった。However, in this example 3, titanium oxide doped with Nb (niobium) was formed as a second layer on the first layer. As a target, one having a composition of Ti: Nb = 94: 6 in molar ratio was used. The distance between the target and the substrate at the time of film formation was 100 mm. The sputtering gas at the time of film formation was a mixed gas of Ar and O 2 , and the pressure of the sputtering gas was 0.4 Pa. The flow rate of Ar was 40 sccm. The RF plasma power was 100 W. Thereby, the 10-nm-thick second layer was formed only on the first layer. At this time, the second layer was amorphous.
その後、各層が形成された基板を大気中に取り出し、48時間放置した。 Thereafter, the substrate on which each layer was formed was taken out to the atmosphere and left for 48 hours.
次に、基板を同じスパッタリング装置に戻し、第2の層の上にのみ、Al電極を形成した。 Next, the substrate was returned to the same sputtering apparatus, and an Al electrode was formed only on the second layer.
得られた半導体素子を、以下、「サンプルB」と称する。 The obtained semiconductor device is hereinafter referred to as “sample B”.
(例3)
例1と同様の方法により、半導体素子を製造した。(Example 3)
A semiconductor device was manufactured in the same manner as in Example 1.
ただし、この例3では、第1の層の上に、第2の層を成膜しなかった。すなわち、非晶質C12A7エレクトライド層の上には、直接Al電極を形成した。各層の成膜条件等は、例1の場合と同様である。 However, in this example 3, the second layer was not formed on the first layer. That is, an Al electrode was formed directly on the amorphous C12A7 electride layer. The film forming conditions and the like of each layer are the same as in the case of Example 1.
得られた半導体素子を、以下、「サンプルC」と称する。 The obtained semiconductor device is hereinafter referred to as “sample C”.
(評価)
前述のサンプルA、サンプルBおよびサンプルCを用いて、抵抗測定を行った。抵抗測定には、TLM法(Transmission Line Model)法を使用した。(Evaluation)
Resistance measurements were made using sample A, sample B and sample C described above. The TLM method (Transmission Line Model) was used for resistance measurement.
この方法では、各2本のAl電極の間の電流および電圧を測定することにより、2つのAl電極間距離の関数として、サンプルの抵抗値を測定することができる。電流電圧計には、Keithley 2635Bを使用した。 In this method, by measuring the current and voltage between each two Al electrodes, it is possible to measure the resistance of the sample as a function of the distance between the two Al electrodes. Keithley 2635B was used for the current voltmeter.
測定の結果、サンプルAおよびサンプルBでは、抵抗変化がオーミック性であることが確認された。一方、サンプルCでは、抵抗変化がオーミック性ではないことが確認された。 As a result of the measurement, it was confirmed that the resistance change was ohmic in sample A and sample B. On the other hand, in sample C, it was confirmed that the resistance change was not ohmic.
図7には、サンプルA、サンプルB、およびサンプルCにおいて得られた測定結果をまとめて示す。 FIG. 7 summarizes the measurement results obtained for Sample A, Sample B, and Sample C.
図7において、横軸は、Al電極間の距離であり、縦軸は、抵抗値である。 In FIG. 7, the horizontal axis is the distance between the Al electrodes, and the vertical axis is the resistance value.
図7から、サンプルAおよびサンプルBは、サンプルCに比べて、有意に低い抵抗値を示すことがわかる。なお、図には示さないが、基板の上に、直接4本の矩形状のAl電極を形成して、同様の測定を行った。その結果、そのようなサンプルでは、抵抗変化がオーミック性ではないことが確認された。また抵抗の絶対値は、Al電極間の距離に関わらず、有意に高いことがわかった。
この原因として酸化物である非晶質C12A7エレクトライド層の界面の変質が考えられる。非晶質C12A7エレクトライド層の電気伝導はケージからO2−が抜けて代わりにe−が入ってe−が移動することによって得られると考えられるが、非晶質C12A7エレクトライド層の界面のケージに酸素原子が入って電気特性が低下することが推察され、非晶質C12A7エレクトライド層特有の現象と考えられる。It can be seen from FIG. 7 that sample A and sample B show significantly lower resistance values as compared to sample C. Although not shown, four rectangular Al electrodes were formed directly on the substrate, and the same measurement was performed. As a result, it was confirmed that the resistance change was not ohmic in such a sample. Moreover, it turned out that the absolute value of resistance is significantly high irrespective of the distance between Al electrodes.
As a cause of this, it is conceivable that the interface of the amorphous C12A7 electride layer, which is an oxide, is altered. Amorphous C12A7 elect from the electrical conduction cage Ride layer instead O 2- is missing e - contain e - but are considered to be obtained by moving the interface of the amorphous C12A7 electride layer It is inferred that oxygen atoms enter the cage to reduce the electrical properties, which is considered to be a phenomenon unique to the amorphous C12A7 electride layer.
このように、n型層の直上に前述の第1の層(C12A7エレクトライド層)を配置するとともに、Al電極の直下に前述の第2の層(ZSO層または酸化チタン層)を配置することにより、第1の界面および第2の界面の接触抵抗がともに抑制され、半導体素子の全体の抵抗値を低減できることが確認された。 Thus, while arranging the above-mentioned first layer (C12A7 electride layer) right above the n-type layer, and arranging the above-mentioned second layer (ZSO layer or titanium oxide layer) directly below the Al electrode. Thus, it was confirmed that the contact resistances of the first interface and the second interface were both suppressed, and the overall resistance value of the semiconductor element could be reduced.
本発明の半導体素子は、例えば、太陽電池モジュールおよび薄膜トランジスタ(TFT)に適用することができる。また、電気光学装置のような各種電子デバイス等に使用される半導体装置等に適用することができる。例えば、テレビなどのディスプレイ、洗濯機や冷蔵庫などの電化製品、携帯電話やコンピュータなどの情報処理機器などの電子機器に用いることができる。また、本発明の半導体素子は、自動車や各種産業機器などが具備する電子機器にも用いることができる。 The semiconductor device of the present invention can be applied to, for example, a solar cell module and a thin film transistor (TFT). Further, the present invention can be applied to semiconductor devices and the like used for various electronic devices and the like such as electro-optical devices. For example, it can be used for displays such as TVs, electric appliances such as washing machines and refrigerators, and electronic devices such as information processing devices such as mobile phones and computers. The semiconductor element of the present invention can also be used in electronic devices such as automobiles and various industrial devices.
本願は、2016年10月3日に出願した日本国特許出願2016−195785号に基づく優先権を主張するものであり、同日本国出願の全内容を本願に参照により援用する。 The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-195785 filed on October 3, 2016, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
100 第1の半導体素子
110 支持体
120 n型Si層
130 第1の層
140 第2の層
150 電極層
200 第2の半導体素子
210 支持体
220 n型Si層
230 第1の層
240 第2の層
250 電極層
300 第3の半導体素子
310 支持体
320 n型Si層
330 第1の層
342 第3の層
344 第4の層
350 電極層
500 太陽電池モジュール
502 各太陽電池セル
560A 第1の電極
560B 第2の電極
580 第1の部分
590 第2の部分
600 TFT
601 ゲート電極
603 ゲート絶縁膜
660A 第1の電極
660B 第2の電極
670 チャネル保護層
675 保護膜
680 n型Si層
690 アモルファスSi層DESCRIPTION OF
601
Claims (9)
該n型Si部分の上に配置された第1の層と、
該第1の層の上に配置された第2の層と、
前記第2の層の上に配置された電極層と、
を有し、
前記第1の層は、カルシウム原子およびアルミニウム原子を含む酸化物のエレクトライドで構成され、
前記第2の層は、以下の群:
(i)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含み、さらに、ケイ素(Si)およびスズ(Sn)のうちの少なくとも1つを含む金属酸化物、
(ii)チタン(Ti)および酸素(O)を含む金属酸化物、
(iii)スズ(Sn)および酸素(O)を含む金属酸化物、ならびに
(iv)亜鉛(Zn)および酸素(O)を含む金属酸化物、
から選定される、半導体素子。n-type Si part,
A first layer disposed on the n-type Si portion,
A second layer disposed on the first layer;
An electrode layer disposed on the second layer;
Have
The first layer is made of electride of oxide containing calcium atom and aluminum atom,
Said second layer comprises the following groups:
(I) A metal oxide containing zinc (Zn) and oxygen (O), and further containing at least one of silicon (Si) and tin (Sn),
(Ii) metal oxides containing titanium (Ti) and oxygen (O),
(Iii) metal oxides containing tin (Sn) and oxygen (O), and (iv) metal oxides containing zinc (Zn) and oxygen (O),
Semiconductor devices selected from
前記第3の層は、前記(i)から選定され、
前記第4の層は、前記(ii)〜(iv)の一つから選定される、請求項1乃至6のいずれか一つに記載の半導体素子。The second layer is composed of at least two layers including a third layer and a fourth layer from the side close to the first layer,
The third layer is selected from (i),
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the fourth layer is selected from one of the (ii) to (iv).
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