(57)【要約】【課題】所望の結晶方位を有する半導体層を形成すること。【解決手段】基板１０上に形成された第１下地膜１２ａと、前記基板上の前記第１下地膜と異なる領域に形成され前記第１下地膜と異なる材料を主に含む第２下地膜１２ｂと、前記第１下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む第１半導体層１４ａと、前記第２下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含み、前記第１半導体層とは、結晶方位が異なる第２半導体層１４ｂと、を具備する半導体装置。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１下地膜と、
前記基板上の前記第１下地膜と異なる領域に形成され前記第１下地膜と異なる材料を主に含む第２下地膜と、
前記第１下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む第１半導体層と、
前記第２下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含み、前記第１半導体層とは、結晶方位が異なる第２半導体層と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１半導体層の結晶方位は［００１］、前記第２半導体の面方位は［１１１］であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１半導体層と前記第２半導体層との組成は同じであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
基板上に第１下地膜を形成する工程と、
前記基板上の前記第１下地膜と異なる領域に、前記第１下地膜と異なる材料を主に含む第２下地膜を形成する工程と、
前記第１下地膜上に金属層を介し第１半導体を主に含む層を形成し、前記第２下地膜上に前記金属層を介し第２半導体を主に含む層を形成する工程と、
金属触媒誘起成長法を用い、前記第１下地膜上に前記第１半導体を主に含む第１半導体層を形成し、前記第２下地膜上に前記第２半導体を主に含む第２半導体層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
基板上に形成された導電性の下地膜と、
前記下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む半導体層と、
を具備し、
前記下地膜がＡＺＯ膜でありかつ前記半導体層がＳｉ層である場合を除くことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記下地膜は、ＡＺＯ、ＩＴＯまたはＴｉＮであり、前記半導体層は、Ｇｅ層であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記下地膜は、ＩＴＯまたはＴｉＮであり、前記半導体層は、Ｓｉ層であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項８】
基板上に導電性の下地膜を形成する工程と、
前記下地膜上に金属層を形成する工程と、
前記金属層上に、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む半導体を含む層を形成する工程と、
金属触媒誘起成長法を用い、前記下地膜上に前記半導体を主に含む半導体層を形成する工程と、
を含み、
前記下地膜がＡＺＯ膜でありかつ前記半導体層がＳｉ層である場合を除くことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、下地膜上にＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含む半導体層を形成する半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高効率な太陽電池として、Ｇｅ（ゲルマニウム）層が用いられている。また、トランジスタとして、Ｇｅ層やＳｉ（シリコン）層が用いられている。Ｇｅ層やＳｉ層を用いた半導体装置の低コスト化のため、ガラス等の非晶質な絶縁性基板上にＧｅまたはＳｉを成長することが検討されている。例えば、非特許文献１には、ガラス基板上のＺｎＯ（酸化亜鉛）：Ａｌ（アルミニウム）上にＳｉ層を形成する方法が記載されている。また、非特許文献２には、ガラス基板上にＧｅ層を形成する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Thin Solid Films 516 (2008) 6869-6872
【非特許文献２】Applied Physics Letters 101, 072106 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
太陽電池やトランジスタ等の半導体装置においては、半導体層の結晶方位によって、半導体装置の特性が異なる。よって、所望の結晶方位を有する半導体層を形成することが求められる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、所望の結晶方位を有する半導体層を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板上に形成された第１下地膜と、前記基板上の前記第１下地膜と異なる領域に形成され前記第１下地膜と異なる材料を主に含む第２下地膜と、前記第１下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む第１半導体層と、前記第２下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含み、前記第１半導体層とは、結晶方位が異なる第２半導体層と、を具備することを特徴とする半導体装置である。
【０００７】
上記構成において、前記第１半導体層の結晶方位は［００１］、前記第２半導体の面方位は［１１１］である構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記第１半導体層と前記第２半導体層との組成は同じである構成とすることができる。
【０００９】
本発明は、基板上に第１下地膜を形成する工程と、前記基板上の前記第１下地膜と異なる領域に、前記第１下地膜と異なる材料を主に含む第２下地膜を形成する工程と、前記第１下地膜上に金属層を介し第１半導体を主に含む層を形成し、前記第２下地膜上に前記金属層を介し第２半導体を主に含む層を形成する工程と、金属触媒誘起成長法を用い、前記第１下地膜上に前記第１半導体を主に含む第１半導体層を形成し、前記第２下地膜上に前記第２半導体を主に含む第２半導体層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１０】
本発明は、基板上に形成された導電性の下地膜と、前記下地膜上に形成され、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む半導体層と、を具備し、前記下地膜がＡＺＯ膜でありかつ前記半導体層がＳｉ層である場合を除くことを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
上記構成において、前記下地膜は、ＡＺＯ、ＩＴＯまたはＴｉＮであり、前記半導体層は、Ｇｅ層である構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記下地膜は、ＩＴＯまたはＴｉＮであり、前記半導体層は、Ｓｉ層である構成とすることができる。
【００１３】
本発明は、基板上に導電性の下地膜を形成する工程と、前記下地膜上に金属層を形成する工程と、前記金属層上に、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む半導体を含む層を形成する工程と、金属触媒誘起成長法を用い、前記下地膜上に前記半導体を主に含む半導体層を形成する工程と、を含み、前記下地膜がＡＺＯ膜でありかつ前記半導体層がＳｉ層である場合を除くことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、所望の面方位を有する半導体層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（ａ）から図１（ｅ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】図２は、各サンプルの表面の結晶粒径を示す図および結晶方位を示す図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例２に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例２の変形例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）から図５（ｅ）は、実施例３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１（ａ）から図１（ｅ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図１（ａ）に示すように、基板１０を準備する。基板１０としては、例えば絶縁体基板または半導体基板を用いることができる。安価な基板１０としてガラス等の非晶質基板を用いることが好ましい。基板１０上に例えばスパッタ法を用い下地膜１２を形成する。下地膜１２は、基板１０とは異なる材料であり、例えば絶縁体または導電体である。下地膜１２の膜厚は例えば１００ｎｍから１μｍである。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、下地膜１２上に例えばスパッタ法を用い金属層１８を形成する。金属層１８は、ＳｉおよびＧｅと反応しない膜であり、例えばＡｌ、Ａｇ（銀）またはＡｕ（金）を用いることができる。金属層１８の膜厚は例えば３０ｎｍから１μｍである。
【００１９】
図１（ｃ）に示すように、金属層１８上に半導体を含む層１５を形成する。半導体は、ＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含む。例えば、半導体は、Ｇｅ、Ｓｉ、またはＳｉとＧｅとの混晶（ＳｉＧｅ）である。層１５は、例えば非晶質層である。層１５の膜厚は例えば３０ｎｍから１μｍである。
【００２０】
図１（ｄ）に示すように、基板１０を熱処理することにより、下地膜１２上に層１５の材料を主に含む半導体層１４が形成される。半導体層１４は多結晶となる。このようにして多結晶を形成する方法を金属触媒誘起成長法という。熱処理温度は、半導体層１４を形成するため２００℃以上が好ましい。一般的なガラス基板の融点は５５０℃であるため、熱処理温度は５００℃以下が好ましい。
【００２１】
図１（ｅ）に示すように、金属層１８をエッチングにより除去する。例えば、金属層１８がＡｌの場合、フッ酸、塩酸または熱燐酸等を含む溶液を用いることにより、金属層１８を除去できる。その後、半導体層１４上に所望の半導体層を成長し、半導体装置を形成する。
【００２２】
以下のように、実施例１の方法を用いサンプルを作製した。作製したサンプルは、下地膜１２としてＳｉＯ２（酸化シリコン）膜、ＡＺＯ（ＺｎＯ：Ａｌ）膜、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）膜またはＴｉＮ（窒化チタン）膜を用い、半導体層１４として、Ｓｉ層またはＧｅ層を用いた。
【００２３】
半導体層１４の形成条件は以下である。
半導体層１４としてＳｉ層を形成するとき
下地膜１２の膜厚：１００ｎｍ
金属層１８の膜厚：１００ｎｍ、材料：Ａｌ
層１５の膜厚：１００ｎｍ
熱処理温度：５００℃、熱処理時間：１０時間、窒素ガス雰囲気
【００２４】
半導体層１４としてＧｅ層を形成するとき
下地膜１２の膜厚：１００ｎｍ
金属層１８の膜厚：５０ｎｍ、材料：Ａｌ
層１５の膜厚：５０ｎｍ
熱処理温度：３５０℃、熱処理時間：１００時間、窒素ガス雰囲気
【００２５】
図２は、各サンプルの表面の結晶粒径および結晶方位を示す図である。各サンプルの半導体層１４の表面を、ＥＢＳＤ（Electron Backscatter diffraction）法を用いて観察した。サンプル毎の上の図は、各サンプルの表面の結晶粒を濃淡を変え示している。上の図から、各結晶粒の大きさがわかる。サンプル毎の下の図は、各測定点における結晶方位を示している。三角形状の頂点がそれぞれ［００１］、［１０１］または[１１１]方向であり、各頂点付近の点は、測定点の結晶方位が［００１］、［１０１］または[１１１]方向であることを示している。頂点間の点は、測定点がこれらの結晶方位以外であることを示している。
【００２６】
図２に示すように、半導体層１４がＳｉ層であり下地膜１２がＳｉＯ２であるサンプルでは、結晶方位は［１１１］であり、結晶粒径は１００μｍ前後と大きい。下地膜１２がＡＺＯであるサンプルでは、結晶方位は［００１］であり、結晶粒径は１０μｍから３０μｍである。下地膜１２がＩＴＯであるサンプルでは、結晶方位は［００１］であり、結晶粒径は５μｍから２０μｍである。下地膜１２がＴｉＮであるサンプルでは、結晶方位は［００１］と［１１１］が混在しており、結晶粒径は１０μｍ以下である。
【００２７】
半導体層１４がＧｅ層であり下地膜１２がＳｉＯ２であるサンプルでは、結晶方位は［１１１］であり。結晶粒径は１０μｍ程度である。下地膜１２がＡＺＯであるサンプルでは、結晶方位は［００１］であり、結晶粒径は１０μｍ程度である。下地膜１２がＩＴＯであるサンプルでは、結晶方位は各種方位が混在しており、結晶粒径は１０μｍ以下である。下地膜１２がＴｉＮであるサンプルでは、結晶方位は［１１１］であり、結晶粒径は１０μｍ程度である。
【００２８】
このように、下地膜１２の材質によって、半導体層１４の結晶方位および／または結晶粒径を制御することができる。
【００２９】
実施例１によれば、図１（ａ）に示すように、基板１０上に導電性の下地膜１２を形成する。図１（ｂ）に示すように、下地膜１２上に金属層１８を形成する。図１（ｃ）のように、金属層１８上に、ＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む半導体を含む層１５を形成する。図１（ｄ）のように、金属触媒誘起成長法を用い、下地膜１２上に層１５に含まれる半導体を主に含む半導体層１４を形成する。このような方法により、半導体層１４の結晶方位および／または結晶粒径を制御できる。なお、下地膜１２がＡＺＯ膜でありかつ半導体層１４がＳｉ層である場合を除く。
【００３０】
半導体層１４が厚いと結晶方位が揃わなくなるため、半導体層１４の膜厚は５００ｎｍ以下が好ましく、３００ｎｍ以下がより好ましい。金属層１８の膜厚は半導体層１４と同程度が好ましく、例えば、半導体層１４の１／２から２倍の範囲であることが好ましい。下地膜１２が薄いと半導体層１４の結晶方位が揃わなくなるため、下地膜１２の膜厚は５０ｎｍ以上が好ましい。
【実施例２】
【００３１】
実施例２は、実施例１を用い太陽電池を製造する例である。図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例２に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、ガラス基板１０上に下地膜１２として膜厚が１００ｎｍのＡＺＯ膜またはＴｉＮ膜を成膜する。下地膜１２上に半導体層１４として、ｎ型Ｇｅ層を形成する。半導体層１４は、図１（ｂ）から図１（ｄ）に示す金属触媒誘起成長法を用い形成する。
【００３２】
図３（ｂ）に示すように、半導体層１４上にｐ型Ｇｅ層１６を形成する。ｐ型Ｇｅ層１６は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い形成する。半導体層１４およびｐ型Ｇｅ層１６よりｐｎ接合を有するＧｅ層１７が形成される。図３（ｃ）に示すように、Ｇｅ層１７の一部領域を除去する。ｐ型Ｇｅ層１６上に電極２０を形成する。以上により、ガラス基板上にＧｅ層からなる太陽電池が形成される。
【００３３】
図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例２の変形例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、図３（ａ）と同様に、下地膜１２上に半導体層１４としてｎ型Ｇｅ層を形成する。図４（ｂ）に示すように、半導体層１４上にＣＶＤ法を用いｐ型Ｇｅ層を形成する。半導体層１４とｐ型Ｇｅ層１６とにより、ｐｎ接合を有するＧｅ層１７が形成される。Ｇｅ層１７上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic CVD）法を用いＩｎＧａＡｓ層５１を形成する。ＩｎＧａＡｓ層５１は、Ｇｅ層１７上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ層５０とｎ型ＩｎＧａＡｓ層５０上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓ層５２とを含む。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層５０とｐ型ＩｎＧａＡｓ層５２とはｐｎ接合を形成する。ＩｎＧａＡｓ層５１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いＩｎＧａＰ層５５を形成する。ＩｎＧａＰ層５５は、ＩｎＧａＡｓ層５１上に形成されたｎ型ＩｎＧａＰ層５４とｎ型ＩｎＧａＰ層５４上に形成されたｐ型ＩｎＧａＰ層５６とを含む。ｎ型ＩｎＧａＰ層５４とｐ型ＩｎＧａＰ層５６とはｐｎ接合を形成する。
【００３４】
図４（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＰ層５５、ＩｎＧａＡｓ層５１およびＧｅ層１７の一部領域を下地膜１２が露出するまでエッチングする。ｐ型ＩｎＧａＰ層５６上に透明でｐ型ＩｎＧａＰ層５６と電気的に接続する電極２０を形成する。以上によりタンデム型太陽電池が製造できる。
【００３５】
実施例２の変形例に係る太陽電池においては、ＩｎＧａＰ層５５において、６６０ｎｍ以下の光を電気エネルギーに変換する。ＩｎＧａＡｓ層５１において、６６０ｎｍから８９０ｎｍの光を電気エネルギーに変換する。Ｇｅ層１７において、８９０ｎｍから２０００ｎｍの光を電気エネルギーに変換する。このように、実施例２の変形例の太陽電池は、広範囲の波長の光を電気エネルギーに変換できるため、変換効率が高い。
【００３６】
実施例２およびその変形例によれば、下地膜１２をＡＺＯ膜とすることにより、（００１）面を有する（結晶方位が［００１］方向の）Ｇｅ層１７を形成できる。また、下地膜１２をＴｉＮ膜とすることにより、（１１１）面を有するＧｅ層１７を形成できる。このように、下地膜１２を選択することにより、太陽電池として好ましい所望の結晶方位を有する半導体層１４を形成できる。また、基板１０として安価なガラス基板等を用いるため。大幅に材料コストを削減できる。さらに、下地膜１２を導電膜とすることにより、下地膜１２を半導体層１４と電気的に接続される電極として使用できる。
【実施例３】
【００３７】
図５（ａ）から図５（ｅ）は、実施例３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、基板１０上の一部領域に第１下地膜１２ａを形成する。例えばマスクを介して第１下地膜１２ａを形成することにより、基板１０上の一部領域に第１下地膜１２ａを形成することができる。また、基板１０上全面に第１下地膜１２ａを形成し、第１下地膜１２ａの一部をエッチングすることにより、第１下地膜１２ａを基板１０上の一部領域に形成してもよい。図５（ｂ）に示すように、基板１０上の第１下地膜１２ａとは異なる領域に第２下地膜１２ｂを形成する。例えばマスクを介して第２下地膜１２ｂを形成することにより、基板１０上の一部領域に第２下地膜１２ｂを形成することができる。また、基板１０上全面に第２下地膜１２ｂを形成し、第２下地膜１２ｂの一部をエッチングすることにより、第２下地膜１２ｂを基板１０上の一部領域に形成してもよい。第１下地膜１２ａと第２下地膜１２ｂとは異なる材料を主に含む。第１下地膜１２ａは例えばＡＺＯを主に含む。第２下地膜１２ｂは例えばＴｉＮを主に含む。
【００３８】
図５（ｃ）に示すように、第１下地膜１２ａおよび第２下地膜１２ｂ上に、金属層１８を形成する。金属層１８は例えばＡｌ膜である。金属層１８上に半導体を含む層１５を形成する。層１５は、例えば非晶質Ｇｅ層である。図５（ｄ）に示すように、金属触媒誘起成長法を用いることにより、第１下地膜１２ａ上に第１半導体層１４ａを形成し、第２下地膜１２ｂ上に第２半導体層１４ｂを形成する。図５（ｅ）に示すように、金属層１８を除去する。これにより、基板１０上に第１半導体層１４ａおよび第２半導体層１４ｂが形成される。
【００３９】
実施例３によれば、図５（ｂ）に示すように、基板１０上の異なる領域にそれぞれ異なる材料の第１下地膜１２ａと第２下地膜１２ｂとを形成する。図５（ｄ）に示すように、第１下地膜１２ａ上にＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む第１半導体層１４ａを形成し、第２下地膜１２ｂ上にＧｅおよびＳｉの少なくとも一方を主に含む第２半導体層１４ｂを形成する。これにより、同一基板１０上に形成する第１半導体層１４ａと第２半導体層１４ｂとの結晶方位を異ならせることができる。例えば、第１下地膜１２ａをＡＺＯ膜、第２下地膜１２ｂをＴｉＮ膜とし、半導体層１４をＧｅとすることにより、第１半導体層１４ａの結晶方位を［００１］方向、第２半導体層１４ｂの結晶方位を［１１１］方向とすることができる。
【００４０】
図５（ｃ）に示すように、第１下地膜１２ａと第２下地膜１２ｂとの上に同じ層１５を同時に形成する。これにより、製造工程を簡略化させることができる。図５（ｃ）おいて、第１下地膜１２ａと第２下地膜１２ｂとの上に異なる層１５を異なるときに形成してもよい。第１半導体層１４ａおよび第２半導体層１４ｂとして、例えばＧｅ層、ＳｉまたはＳｉＧｅ層とすることがでできる。第１下地膜１２ａおよび第２下地膜１２ｂとして、絶縁体膜または導電膜を用いることができる。例えばＳｉＯ２膜、ＡＺＯ膜、ＩＴＯ膜またはＴｉＮ膜を用いることができる。
【００４１】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０        基板
１２        下地膜
１２ａ      第１下地膜
１２ｂ      第２下地膜
１４        半導体層
１４ａ      第１半導体層
１４ｂ      第２半導体層
１５        層
１８        金属層
【図１】
2015018882.tif 000003
【図２】
2015018882.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015018882.tif 000007