硅元件的制造方法

日期:2019-06-12 21:36:59

专利名称:硅元件的制造方法
技术领域
本发明涉及硅元件的制造方法。
背景技术
目前,开发了各种用于提高单晶硅基板等的硅原材料所具有的物理特性的方法。例如,如专利文献1 (日本特开平8-139359号公报) 中所记载的,已知有通过使单晶硅在氢氟酸溶液中阳极化而使硅表面 多孔化等的处理方法。通过该处理方法,可以得到比单晶硅(在室温 下发射1.13pm的非常弱的光)的可视光的发光强度更高的多孔硅。因 此,通过形成多孔硅,实现了硅所具有的物理特性之一的发光强度的提咼o发明内容但是,如制造多孔硅的情况那样,用于提高硅原材料的发光强度 的处理工艺并不是简单的工艺。因此,本发明的目的在于提供一种通 过简单的处理工艺实现发光强度等物理特性的提高的硅元件的制造方 法。本发明的硅元件的制造方法的特征在于,具有在显示第1导电 型的硅原材料的表面上形成显示第2导电型的硅层的工序;以及在上 述工序后,使上述硅层的表面在30分钟以上6小时以内的时间段,露 出于被调整为40(TC以上900。C以下的温度及4MPa以上200MPa以下 的压力的含氩气的气氛中的工序。上述硅原材料也可以包含硅区域, 该硅区域被设置在该硅原材料的上述表面且从该表面起向该硅原材料 的内侧具有厚度。上述硅区域也可以由多孔硅或I3铁硅化物形成。这样,在第1导电型的硅原材料表面形成显示第2导电型的硅层 后,从该硅层的表面进行氩的添加。本发明者潜心研究的结果发现, 与不添加氩的情况相比,通过使硅层的表面在30分钟以上6小时以内 的时间段,露出于被调整为40(TC以上90(TC以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中而添加氩气的情况下,光致(PhotoLuminescence:PL)发光的强度(PL强度)有所提高。此外, 本发明者发现在第1导电型的硅原材料与第2导电型的硅层之间施 加偏压时,与不添加氩气的情况相比,电致(ElectricLuminescence: EL)发光的强度(EL强度)有所提高。因此,根据本发明,通过使硅 层的表面在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被调整为40(TC 以上900°C以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气的 气氛中这样的简单的处理工艺,可以提高硅原材料的EL发光及PL发 光的强度。本发明的硅元件的制造方法的特征在于,具有使显示第1导电 型的硅原材料的表面在30分钟以上6小时以内的时间段露出于被调整 为40(TC以上900。C以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包 含氩气的气氛中的工序;以及在上述工序后,在上述硅原材料的上述 表面上形成显示第2导电型的硅层的工序。此外,上述硅原材料也可以包含设置在该硅原材料的上述表面且从该表面起向该硅原材料的内 侧具有厚度的硅区域,上述硅区域也可以由多孔硅或(3铁硅化物形成。这样,从第1导电型的硅原材料的表面进行了氩气的添加。在这 样添加氩气之后,在该硅原材料的表面上形成第2导电型的硅层。本 发明者潜心研究的结果发现,与不添加氩气的情况相比,通过使硅原 材料的表面在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被调整为400 °C以上900°C以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气 的气氛中而添加氩气的情况下,PL发光的强度有所提高。而且,本 发明者发现,与不添加氩气的情况相比,在第1导电型的硅原材料与 第2导电型的硅层之间施加偏压的情况下,EL发光的强度有所提高。 因此,根据本发明,通过使硅原材料的表面在30分钟以上6小时以内 的时间段,露出于被调整为40(TC以上90(TC以下的温度及4MPa以上 200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中这一简单的处理工艺,硅原材 料的EL发光及PL发光的强度有所提高。本发明的硅元件的制造方法的特征在于,具有使硅原材料的表面 在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被调整为40(TC以上900 。C以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中的 工序。此外,上述硅原材料也可以包括硅区域,该硅区域设置在该硅 原材料的所述表面且从该表面起向该硅原材料的内侧具有厚度,上述 硅区域也可以由多孔硅或卩铁硅化物形成。这样,从硅原材料的表面进行了氩气的添加。本发明者潜心研究 的结果发现,与不添加氩气的情况相比,通过使硅原材料的表面在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被调整为40(TC以上90(TC以下 的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中而添加氩 气的情况下,PL发光的强度有所提高。因此,根据本发明,通过使硅 原材料的表面在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被调整为400 °C以上900°C以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气 的气氛中这样简单的处理工艺,可以提高硅原材料的PL发光的强度。 根据本发明,利用简易的处理工艺实现了发光强度等物理特性的 提高。


图1A、图1B、图1C、图1D、图1E为用于说明与实施方式相关 的硅半导体元件的制造方法的元件的剖面图,图1F为深度方向的浓度 分布示意图。图2A、图2B、图2C为用于说明实施方式相关的氩气添加条件的图。图3A、图3B为实施方式相关的硅半导体元件的发光特性的示意图。图4A、图4B为实施方式相关的硅半导体元件的发光特性的示意图。图5A、图5B、图5C、图5D、图5E为用于说明与实施方式相关 的硅半导体元件的制造方法的元件的剖面图,图5F为深度方向的浓度 分布示意图。图6A、图6B为用于说明与实施方式相关的硅半导体元件的制造 方法的元件的剖面图,图6C为深度方向的浓度分布示意图。
图7A、图7B、图7C、图7D、图7E为用于说明与实施方式相关 的硅半导体元件的制造方法的元件的剖面图,图7F为深度方向的浓度 分布示意图。图8A、图8B为实施方式相关的硅半导体元件的发光特性的示意图。图9A、图9B为实施方式相关的硅半导体元件的发光特性的示意图。图IOA、图IOB、图IOC、图IOD、图10E为用于说明与实施方 式相关的硅半导体元件的制造方法的元件的剖面图,图10F为深度方 向的浓度分布示意图。图IIA、图11B为用于说明与实施方式相关的硅半导体元件的制 造方法的元件的剖面图,图IIC为深度方向的浓度分布示意图。
具体实施方式
以下,参照附图详细说明利用了本发明的最佳实施方式的一个例 子的半导体元件。其中,在图的说明中,可能的情况下,同一要素赋 予同一符号,重复的说明被省略。第1实施方式参照图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图1F说明第1实施方 式相关的硅元件的制造方法。第1实施方式的硅元件为硅半导体元件 la。首先,准备硅基板2a (硅原材料)(图1A)。该硅基板2a具有 第1面Sla和位于第1面Sla的相反侧的第2面S2a。接着,在硅基板2a的第1面Sla上形成硅层4a (图1B)。硅层 4a包含显示与第1导电型不同的第2导电型的杂质。由硅基板2a和硅 层4a形成pn结部。硅层4a具有位于与硅基板2a的接合面的相反侧的 第3面S3a。硅层4a的厚度为50nm 几jim左右。此外,在第1实施 方式中,第1导电型作为n型、第2导电型作为p型,也可以将第1 导电型作为p型、第2导电型作为n型。接着,利用HIP (热等静压,Hot Isostatic Pressing)装置从硅层4a 的第3面S3a添加氩气。在这种情况下,将硅基板2a载置于HIP装置 内的用于载置基板的台上。硅基板2a的第2面S2a与该台的表面相接
触。接着,使第3面S3a在30分钟 6小时的时间段,露出于被调整 为400。C 900。C的温度及4MPa 200MPa的压力的包含氩气的气氛 中。由此,从第3面S3a添加了氩气。通过添加该氩气,形成氩气添 加区域6a(图1C)。添加氩气的条件为氩气气氛中的压力为4MPa 200MPa,温度为400。C 卯(TC,处理时间为30分钟 6小时。氩气 添加区域6a被形成在由硅基板2a及硅层4a形成的半导体区域内。氩 气添加区域6a从硅层4a的第3面S3a到上述半导体区域的内侧形成。氩气添加区域6a的氩气浓度分布曲线如图1F所示(参照图中符 号Pl)。从硅层4a的露出表面位置zl至硅基板2a内的深度位置z2 分布有氩气。在该氩气浓度分布曲线所示的例子中,氩气添加区域6a 从硅层4a的第3面S3a直至硅基板2a的内部。氩气添加区域6a具有 显示lX10^n^ 2X10"cn^的氩气浓度的区域。更优选氩气添加区 域6a具有显示2X10"cm^ lX10^n^的氩气浓度的区域。此夕卜,作 为添加氩气的方法,可以用离子注入以及溅射法等的任意方法。接着,在硅层4a的第3面S3a上形成钝化(passivation)膜81 (图 ID)。钝化膜8a,例如是氧化硅膜。接着,在该钝化膜81上设置接 触孔Hla从而形成钝化膜8a,在钝化膜8a上形成第2电极14a,同时 在硅基板2a的第2面S2a上形成第1电极12a。第1电极12a及第2 电极14a为导电性的金属(例如铝等)。此后,经过切割(dicing)等 处理,制造了硅半导体元件la (图1E)。图2所示为氩气的添加条件(压力、温度及处理时间)与PL发光 强度的关系。图2A所示为在800。C左右、处理时间为6小时左右的氩 气添加条件下氩气气氛中的压力与PL发光强度的关系。图2A中所示 的图的横轴表示压力(MPa),纵轴表示PL发光强度(arb. Units)。 如图2A所示,若压力为大气压左右时的PL发光强度为「2」(单位) (参照图中符号D1的数据),则在温度为80(TC左右、压力为4MPa (参照图中符号D2的数据) 200MPa(参照图中符号D3的数据)左 右(或压力为4MPa以上)、处理时间为6小时左右的氩气添加条件 下进行氩气添加时,与压力为大气压左右的情况相比,PL发光强度为 其13倍 63倍左右。此外,根据图2A所示的数据,压力越高,PL 发光强度也增加。
图2B所示为压力为180MPa左右、处理时间为6小时左右的氩气 添加条件下氩气气氛中的温度与PL发光的强度的关系。图2B所示的 图的横轴表示温度(°C),纵轴表示PL发光强度(arb. Units)。如图 2B所示,优选在40(TC (参照图中符号D4的数据) 900°C (参照图 中符号D5的数据)左右的温度(或温度为40(TC以上)、压力为180MPa 左右、处理时间为6小时左右的氩气添加条件下进行氩气添加。进一 步,更优选在温度为60(TC (参照图中符号D6的数据) 900°C (参 照图中符号D5的数据)左右、压力为180MPa左右、处理时间为6小 时左右的氩气添加条件下进行氩气添加。图2C中表示了压力为180MPa左右、温度为80(TC左右的氩气添 加条件下处理时间与PL发光强度的关系。图2C所示的图的横轴表示 处理时间(hour),纵轴表示PL发光强度(arb. Units)。根据图2C 所示数据,在温度为80(TC左右、压力为180MPa左右的氩气添加条件 下,处理时间越长,PL发光的强度也增加。特别是处理时间在2小时 以上(参照图中符号D7、 D8及D9的各数据)的情况下,PL发光的 强度高。接着,参照图3A、图3B、图4A、图4B,说明利用上述第1实施 方式的硅元件的制造方法制造的硅半导体元件la的发光特性。图3A 及3B显示了表示硅半导体元件la的PL (Photo Luminescence)发光 特性的数据。图3A及图3B所示的数据都是在室温下测定的数据。在 图3A中,显示了氩气浓度为lxl0"cm"3左右的硅半导体元件la的PL 发光的波长与PL发光的强度之间的关系(图中符号A1所示数据)。 此外,在图3A中,显示了未添加氩气的硅元件的PL发光的波长与PL 发光的强度之间的关系(图中符号A2所示数据)。图3A所示的图的 横轴表示PL发光的波长(nm)、纵轴表示PL发光的强度(arb. Units)。 PL发光强度的测定为,将532nm的Nd: YV04激光用于激励,将红 外光电倍增管(浜松光子学R5509-72)用于检测,在室温下进行。根 据图3A所示的数据,氩气浓度为lxl(Tcn^左右的硅半导体元件la 的PL发光(1.13pm带)的强度为未添加氩气的硅元件的PL发光 (1.13lam带)强度的50倍以上。如上所述,氩气的浓度为lxlOl9cm—3 左右的硅半导体元件la中,PL发光的强度大幅度提高。
此外,图3B显示了硅半导体元件la的氩气浓度与1.13pm带的 PL发光强度的关系。图3B所示的图的横轴表示氩气浓度(cm"3)、纵 轴表示1.13pm带的PL发光强度(arb. units)。根据图3所示的数据, 如果以未添加氩气的情况下的PL发光强度为「1」(单位),则氩气 浓度为lxl018cm—3 (参照图中符号D10的数据) 2xl02Qcm—3 (参照图 中符号Dll的数据)时的PL发光强度,与未添加氩气的情况相比, 为10倍至100倍以上。如上所述,当氩气浓度为lxl018cm-3 2xl02Qcm-3 时,PL发光强度显著提高。特别是,氩气浓度为2xl018cm—3 (参照图中符号D12的数据) lxl02()Cm—3 (参照图中符号D13的数据)时的PL发光强度,与未添加 氩气的情况相比,为30倍 100倍以上。如上所述,当氩气浓度为 2xl018Cnf3 lxl02()Cm、f, PL发光强度更为显著地提高。只要是D13 的浓度的±50%以内的浓度,至少PL强度显著增加。此外,图4A及图4B所示为显示硅半导体元件la的EL (Electric Luminescence)发光特性的数据。图4A及图4B所示数据都为室温下 测定的数据。图4A所示数据(图中符号A3所示的数据)显示了氩气 浓度为2xl019cnf3左右的硅半导体元件la的EL发光波长与EL发光强 度的关系。此外,图4A显示了表示未添加氩气的硅元件的EL发光的 波长和EL发光的强度间的关系的数据(图中符号A4处所示数据,为 实际数据的100倍)。图4A中所示图的横轴表示EL发光的波长(nm), 纵轴表示EL发光强度(arb. units) 。 EL发光强度的测定,使用100Hz 的脉冲电源(注入电流密度为2A/cnf3),在检测中使用红外光电倍增 管(浜松光子学R5509-72),在室温下进行。根据图4A所示数据, 氩气浓度为2xl0气n^左右的硅半导体元件la的EL发光(Unm带) 的强度为未添加氩的硅元件的EL发光(l.lnm带)强度的2000倍左 右。如上所述,在氩气浓度为2xl(Tcn^左右的硅半导体元件la中, EL发光强度大幅度提高。此外,图4B显示了硅半导体元件la的氩气浓度与1.13|am带的 EL发光强度的关系。图4B中所示的图的横轴表示氩气浓度(cm—3), 纵轴表示1.13pm带的EL发光强度(arb. units)。根据图4B所示数据, 如果以未添加氩气的情况下的EL发光强度为「1」(单位),则氩气
浓度为lxl018Cm—3 (参照图中符号D14的数据) 2xl02Qcr^3 (参照图 中符号D15的数据)时EL的发光强度,与未添加氩气的情况相比, 为200倍至2000倍以上。如上所述,当氩气浓度为lxl018cm-3 2><102%1-3时,EL发光强度显著提高。特别是,氩气浓度为2xl018cnf3 (参照图中符号D16的数据) lxl02QCm-3 (参照图中符号D17的数据)时EL发光强度,与未添加氩 气的情况相比,为1000倍 2000倍以上。只要是D17的浓度的士500/。 以内的浓度,至少EL强度显著提高。如上所述,当氩气浓度为 2xl018cm—3 lxl02()CmH EL发光强度更为显著地提高。因此,根据 图3A、图3B、图4A、图4B所示的数据,优选硅半导体元件la中氩 气的浓度为lxl0"cnf3 2xl02Gcm-3,更优选为2xl018cm_3 lxl02Gcm_3。此外,发明者还确认了,氩气浓度为2xl0"cn^ lxl0^n^的硅 半导体元件la的EL发光的响应速度为lps以上至约20ns,与未添加 氩气的硅元件相比大约快50倍。第2实施方式接着,参照图5A、图5B、图5C、图5D、图5E、图5F说明第2 实施方式所涉及的硅元件的制造方法。第2实施方式所涉及的硅元件 为硅半导体元件ib。首先,准备硅基板2b (硅原材料)(图5A)。 该硅基板2b具有第1面Slb和位于第1面Slb的相反侧的第2面S2b。接着,利用HIP装置从硅基板2b的第1面Slb添加氩气。在这种 情况下,将硅基板2b载置于HIP装置内的用于载置基板的台上。硅基 板2b的第2面S2b与该台的表面相接触。接着,使第1面Slb在30 分钟 6小时的时间段,露出于被调整为40(TC 90(TC的温度及 4MPa 200MPa的压力的包含氩气的气氛中。这样,从第1面Slb添 加了氩气。通过这样添加氩气,形成氩气添加区域6b (图5B)。氩气 添加条件为氩气气氛中的压力为4MPa 200MPa,温度为400°C 900°C,处理时间为30分钟 6小时。氩气添加区域6b为被添加了氩 气(Ar)的区域,被形成在由硅基板2b及硅层4b形成的半导体区域 内。氩气添加区域6b被形成在从硅基板2b的第1面Slb起至硅基板 2b的内侧。
氩气添加区域6b的氩气浓度分布曲线如图5F所示(图中符号P2 所示)。从硅基板2b的表面深度位置z3 硅基板2b内的深度位置z4 分布有氩气。如该氩气浓度分布曲线所示,氩气浓度在第1面Slb的 附近具有峰值。氩气添加区域6b具有显示lX1018cnT3 2X102()Cm-3 的氩气浓度的区域。更优选氩气添加区域6b具有显示2X 1018cm—3 l Xl(^cn^的氩气浓度的区域。此外,作为添加氩气的方法,可以用离 子注入以及溅射法等的任意方法。接着,在硅基板2b的第1面Slb上形成硅层4b (图5C)。硅层 4b含有显示与第1导电型不同的第2导电型的杂质。由硅基板2b和硅 层4b形成pn结部。硅层4b具有位于与硅基板2b的接合面的相反侧 的第3面S3b。硅层4b的厚度为50nm 几pm左右。此外,在第2实 施方式中,第l导电型为n型,第2导电型为p型,也可以是第l导 电型为p型,第2导电型为n型。接着,在硅层4b的第3面S3b上形 成钝化膜82 (图5D)。钝化膜8b,例如是氧化硅膜。接着,在该钝 化膜82上设置接触孔Hlb而形成钝化膜8b,在钝化膜8b上形成第2 电极14b,同时在硅基板2b的第2面S2b上形成第1电极12b。第1 电极12b及第2电极14b为导电性的金属(例如铝等)。此后,经过 切割等处理,制造了硅半导体元件lb (图5E)。此外,第2实施方式的氩气添加条件(压力、温度及处理时间) 与PL发光强度的关系,与上述的第1实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系(即图2A、图2B、图2C所 示的关系)相同。因此,省略对第2实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系的说明。此外,利用上述的第 2实施方式的硅元件的制造方法制造的硅半导体元件lb的发光特性与 上述的第1实施方式的硅半导体元件la的发光特性(即图3A、图3B、 图4A、图4B所示的发光特性)相同。因此,省略对硅半导体元件lb 的发光特性的说明。第3实施方式接着,参照图6A、图6B、图6C说明第3实施方式所涉及的硅元 件的制造方法。第3实施方式所涉及的硅元件为硅半导体元件lc。首
先,准备硅基板2c (硅原材料)(图6A)。该硅基板2c具有第1面 Slc。接着,利用HIP装置从硅基板2c的第1面Sic添加氩气。在这种 情况下,将硅基板2c载置于HIP装置内的用于载置基板的台上。硅基 板2c的第1面Slc的相反侧的面与该台的表面相接触。接着,使第1 面Slc在30分钟 6小时的时间段,露出于被调整为400。C 90(TC的 温度及4MPa 200MPa的压力的包含氩气的气氛中。这样,从第1面 Slc添加了氩气。通过这样添加氩气,形成氩气添加区域6c。氩气添 加条件为氩气气氛中的压力为4MPa 200MPa,温度为400°C 卯(TC,处理时间为30分钟 6小时。氩气添加区域6c为硅基板2c内 被添加了氩气的区域。氩气添加区域6c被从硅基板2c的第1面Slc 起向硅基板2c的内侧形成。氩气添加区域6c的氩气浓度曲线分布如图6C所示(图中符号P3 所示)。从硅基板2c的表面深度位置z5 硅基板2c内的深度位置z6 分布有氩气。如该氩气浓度分布曲线所示,氩气浓度在第1面Slc的 附近具有峰值。氩气添加区域6c具有显示lxl018cm—3 2xl02Qcm—3的氩 气浓度的区域。更优选氩气添加区域6c具有显示2xl018cm—3 lxlO"cn^的氩气浓度的区域。此外,作为添加氩气的方法,可以用离 子注入以及溅射法等的任意方法。此后,通过切割等处理,制造了硅 半导体元件lc (图6B)。此外,第3实施方式的氩气添加条件(压力、温度及处理时间) 与PL发光强度的关系,与上述的第1实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系(即图2所示的关系)相同。 因此,省略对第3实施方式的氩气添加条件(压力、温度及处理时间) 与PL发光强度的关系的说明。此外,第3实施方式的硅半导体元件 lc的PL发光相关的发光特性与上述的第1实施方式硅半导体元件la 的发光特性(即图3A、图3B所示的发光特性)相同。因此,省略对 硅半导体元件lc的PL发光相关的发光特性的说明。第4实施方式
接着,参照图7A、图7B、图7C、图7D、图7E、图7F说明第4 实施方式所涉及的硅元件的制造方法。第4实施方式所涉及的硅元件 为硅半导体元件ld。首先,准备硅基板2d (硅原材料)(图7A)。 该硅基板2d具有第1面Sld和位于第1面Sld相反侧的第2面S2d。 硅基板2d具有硅区域3d。硅区域3d被设置为从硅基板2d的第1面 Sld至内侧具有厚度。硅区域3d为含有显示第1导电型的杂质的杂质 层,是由多孔硅(Porous Silicon)或p铁硅化物(|3-FeSi2)的任一种构 成的。此外,硅基板2d的硅区域3d以外的剩余区域,例如由单晶硅 形成。接着,在硅基板2d的第l面Sld上形成硅层4d (图7B)。硅层 4d含有显示与第1导电型不同的第2导电型的杂质。由硅基板2d (特 别是硅区域3d)和硅层4d形成pn结部。硅层4d具有位于与硅基板 2d的接合面的相反侧的第3面S3d。硅层4d的厚度为50nm 几pm 左右。此外,在第4实施方式中,当硅区域3d由多孔硅构成时,第l 导电型为p型,第2导电型为n型;而当硅区域3d由f3铁硅化物构成 时,第l导电型为n型,第2导电型为p型。与此相对,当硅区域3d 由多孔硅构成时,也可以是第1导电型为n型,第2导电型为p型; 而当硅区域3d由p铁硅化物构成时,也可以是第1导电型为p型,第 2导电型为n型。接着,利用HIP装置从硅层4d的第3面S3d添加氩气。在这种情 况下,将硅基板2d载置于HIP装置内的用于载置基板的台上。硅基板 2d的第2面S2d与该台的表面相接触。接着,使第3面S3d在30分钟 6小时的时间段,露出于被调整为400。C 900。C的温度及4MPa 200MPa的压力的包含氩气的气氛中。这样,从第3面S3d添了加氩气。 通过这样添加氩气,形成氩气添加区域6d (图7C)。氩气添加条件为 氩气气氛中的压力为4MPa 200MPa,温度为400。C 900。C,处理时 间为30分钟 6小时。氩气添加区域6d为被添加了氩的区域,被形成 在由硅基板2d及硅层4d形成的半导体区域内。氩气添加区域6d被从 硅层4d的第3面S3d起向上述半导体区域的内侧形成。氩气添加区域6d的氩气浓度图如图7F所示(图中符号P4所示)。 从硅基板4d的表面深度位置z7至硅基板2d内的超过硅区域3d的深度位置z8分布有氩气。如图中符号P4所示,氩气浓度在第3面S3d 的附近具有峰值。在该氩气浓度分布图所示的例子中,氩气添加区域 6d从硅层4d的第3面S3d开始,包含硅层4d以及硅区域3d直至硅基 板2d的内部。硅区域3d由多孔硅构成时的氩气添加区域6d具有显示 lxlO"Scm—s 2xlO n^的氩气浓度的区域。更优选该氩气添加区域6d 具有显示2xlO"Scn^ lxl(^cn^的氩气浓度的区域。此外,硅区域3d 由卩铁硅化物构成时的氩气添加区域6d具有显示lxl018Cm—3 lxl02()Cm"3的氩气浓度的区域。更优选该氩气添加区域6d具有显示 2xl018cm-3 lxl02Qcm-3的氩气浓度的区域。此外,作为添加氩气的方 法,可以用离子注入以及溅射法等的任意方法。接着,在硅层4d的第3面S3d上形成钝化膜83 (图7D)。钝化 膜8d,例如是氧化硅膜。接着,在该钝化膜83上设置接触孔Hld而 形成钝化膜8d,在钝化膜8d上形成第2电极14d,同时在硅基板2d 的第2面S2d上形成第l电极12d。第l电极12a及第2电极14a为导 电性的金属(例如铝等)。此后,经过切割等处理,制造了硅半导体 元件ld (图7E)。此外,第4实施方式的氩气添加条件(压力、温度及处理时间) 与PL发光强度的关系,与上述的第1实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系(即图2A、图2B、图2C所 示的关系)相同。因此,省略对第4实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系的说明。接着,参照图8A、图8B、图9A、图9B说明利用上述第4实施 方式的硅元件的制造方法制造的硅半导体元件ld的发光特性。图8A 显示了具有由多孔硅构成的硅区域3d的硅半导体元件ld的PL发光特 性数据。图8B显示了具有由多孔硅构成的硅区域3d的硅半导体元件 ld的EL发光特性数据。图8A及图8B所示数据均为室温下测定的数 据。图8A所示为显示氩气浓度为lxlO"cm-s左右时硅半导体元件ld 的PL发光的波长与PL发光强度的关系的数据(图中符号A5所示数 据)。而且,在图8A中,表示了显示未添加氩气的硅元件的PL发光 的波长与PL发光强度的关系的数据(图中符号A6所示数据,为实际 数据的50倍)。图8A所示的图的横轴表示PL发光的波长(nm),纵 轴表示PL发光的强度(arb.imits)。由图8A中所示数据,氩气浓度为 lxlO、n^左右时硅半导体元件ld的PL发光(0.92pm带)强度为未 添加氩气的硅元件的PL发光(0.92nm带)强度的IOO倍以上。如上 所述,在氩气浓度为lxlO m"s左右的硅半导体元件ld中,PL发光强度大幅度提高。此外,未添加氩气的硅元件的情况中,PL发光的峰值为1150nm 左右,而氩气浓度为lxl0^m—s左右的硅半导体元件ld的情况中峰值 移动为922nm左右。此外,图8B所示为硅半导体元件ld的氩气浓度和922nm带的EL 发光强度的关系。图8B所示图的横轴表示氩气浓度(cm—3),纵轴表 示EL发光强度(arb.units)。根据图8B所示的数据,当未添加氩气的 情况的EL发光强度设为「1」(单位)时,与未添加氩气的情况相比, 氩气浓度为lxl018cm—3 (参照图中符号D18的数据) 2xl(^cm—3 (参 照图中符号D19的数据)时的EL发光强度为其30倍到IOO倍以上。 这样,在氩气浓度为lxl018Cm-3 2><102<)Cn^、t, EL发光的强度显著提 咼°特别是,与未添加氩气的情况相比,氩气浓度为2xlO"cm—3 (参照 图中符号D20的数据) 8xl019cm-3 (参照图中符号D21的数据)时 的EL发光强度为其IOO倍以上。只要是D21的浓度的±50%以内的浓 度,至少EL发光强度显著提高。如上所述,在氩气浓度为2xl018cm—3 8xl(Tcm-"寸,EL发光的强度更为显著地提高。因此,使用多孔硅的 硅半导体元件ld的氩气浓度优选为lxl018cm"3 2xl02Qcm-3,更优选为 2xl018cm-3 8xl019cirf3。此外,图9A及图9B中表示了显示具有由(3铁硅化物构成的硅区 域3d的硅半导体元件ld的EL (Electric Luminescence)发光特性的数 据。图9A及图9B所示数据均为室温下测定的数据。图9A所示为显 示氩气浓度为lxlO气rr^左右的硅半导体元件ld的EL发光的波长与 EL发光强度的关系的数据(图中符号A7所示数据)。进一步,在图 9A中,表示了显示未添加氩气的硅元件的EL发光的波长与EL发光 强度的关系的数据(图中符号A8所示数据)。图9A所示的图的横轴 表示EL发光的波长(nm),纵轴表示EL发光的强度(arb.units)。由
图9A中所示数据,氩气浓度为lxlO"cn^左右的硅半导体元件ld的 EL发光(1.6pm带)强度为未添加氩气时硅元件的EL发光(1.6pm带) 强度的15倍左右。如上所述,在氩气浓度为lxl0^m^左右的硅半导 体元件ld中,EL发光强度大幅度提高。此外,图9B所示为硅半导体元件ld的氩气浓度和1.6pm带的EL 发光强度的关系。图9B所示图的横轴表示氩气浓度(cm—3),纵轴表 示1.6pm带的EL发光强度(arb.imits)。根据图9B所示的数据,当未 添加氩气的情况的EL发光强度设为「1」(单位)时,与未添加氩气的 情况相比,氩气浓度为lxl018cm—3 (参照图中符号D22的数据) lxl02Qcm"3 (参照图中符号D23的数据)时EL发光强度为其4倍到15 倍以上。这样,在氩气浓度为lxl018Cm—3 lxl02()cm"、t, EL发光强度 显著提高。特别是,与未添加氩气的情况相比,氩气浓度为2xl0气m—3 (参照 图中符号D24的数据) lxl02Qcnf3 (参照图中符号D23的数据)时 EL发光强度为其6倍 15倍以上。只要浓度是3xl019的±50%以内的 浓度,至少EL强度显著增加。如上所述,在氩气浓度为2xlO气m—3 lxl(^cm、寸,EL发光的强度更为显著地提高。因此,具有卩铁硅化 物的硅半导体元件ld的氩气浓度优选为lxl018cm—3 lxl02QCm—3,更优 选为2xl018cm-3 lxl02Dcm-3。第5实施方式接着,参照图IOA、图IOB、图IOC、图IOD、图IOE、图10F说明第5实施方式所涉及的硅元件的制造方法。第5实施方式所涉及的 硅元件为硅半导体元件le。首先,准备硅基板2e(硅原材料)(图IOA)。 该硅基板2e具有第1面Sle和位于第1面Sle的相反侧的第2面S2e。 硅基板2e具有硅区域3e。硅区域3e被设置为从硅基板2e的第1面Sle 开始向内侧具有厚度。硅区域3e为含有显示第1导电型的杂质的杂质 层,是由多孔硅或|3铁硅化物(p-FeSi2)的任意之一构成的。此外, 硅基板2e的硅区域3e以外的残余区域由例如单晶硅形成。接着,利用HIP装置从硅基板2e的第1面Sle添加氩气。在这种 情况下,将硅基板2e载置于HIP装置内的用于载置基板的台上。并且,
硅基板2e的第2面S2e与该台的表面相接触。使第1面Sle在30分 钟 6小时的时间段,露出于被调整为40(TC 90(TC的温度及4MPa 200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中。这样,从第l面Sle添加了 氩气。通过这样添加氩气,形成氩气添加区域6e (图IOB)。氩气添加 条件为氩气气氛中的压力为4MPa 200MPa,温度为400。C 900。C, 处理时间为30分钟 6小时。氩气添加区域6e为被添加了氩气的区域, 被形成在由硅基板2e及硅层4e形成的半导体区域内。氩气添加区域 6e被从硅基板2e的第1面Sle起向硅基板2e的内侧形成。氩气添加区域6e的曲线分布如图IOF所示(图中符号P5所示)。 从硅区域3e的露出表面位置z9至超过硅基板2e内的硅区域3e的深度 位置z10分布有氩气。如该氩气浓度分布曲线所示,氩气浓度在第1 面Sle的附近具有峰值。在该氩气浓度分布曲线所示的例子中,氩气 添加区域6e从硅基板2e的第l面Sle开始,包含硅区域3e,直至硅 基板2e的内部。硅区域3e由多孔硅构成时的氩气添加区域6e具有显 示lxlO"cn^ 2xl(Am^的氩气浓度的区域。更优选该氩气添加区域 6e具有显示2xl0"cn^ lxl(^cn^的氩气浓度的区域。此外,硅区域 3e由p铁硅化物构成时的氩气添加区域6e具有显示lxl018cm—3 lxl02QCm—3的氩气浓度的区域。更优选该氩气添加区域6e具有显示 2xl018Cm-3 lxl02QCnT3的氩气浓度的区域。作为氩气添加的方法,可以用离子注入以及溅射法等的任意方法。接着,在硅基板2e的第1面Sle上形成硅层4e (图10C)。硅层 4e含有显示与第1导电型不同的第2导电型的杂质。由硅基板2e (特 别是硅区域3e)和硅层4e形成pn结部。硅层4e具有位于与硅基板2e 的接合面的相反侧的第3面S3e。硅层4e的厚度为50nm 几pm左右。 此外,在第5实施方式中,当硅区域3e由多孔硅构成时,第l导电型 为p型,第2导电型为n型;而当硅区域3e由(3铁硅化物构成时,第 l导电型为n型,第2导电型为p型。与此相对,当硅区域3e由多孔 硅构成时,也可以是第1导电型为n型,第2导电型为p型;而当硅 区域3e由p铁硅化物构成时,也可以是第1导电型为p型,第2导电 型为n型。接着,在硅层4e的第3面S3e上形成钝化膜84(图10D)。 钝化膜8e,例如是氧化硅膜。接着,在该钝化膜84上设置接触孔Hle
而形成钝化膜8e,在钝化膜8e上形成第2电极14e,同时在硅基板2e 的第2面S2e上形成第1电极12e。第1电极12e及第2电极14e为导 电性的金属(例如铝等)。此后,经过切割等处理,制造了硅半导体 元件le (图10E)。此外,第5实施方式的氩气添加条件(压力、温度及处理时间) 与PL发光强度的关系,与上述的第1实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系(即图2A、图2B、图2C所 示的关系)相同。因此,省略对第5实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系的说明。此外,第5实施方式 的硅半导体元件ie的发光特性,当硅区域3e由多孔硅构成时与图8A、 图8B相同,当硅区域3e由(3铁硅化物构成时与图9A、图9B所示发 光特性相同。因此,省略对硅半导体元件le的发光特性的说明。第6实施方式接着,参照图IIA、图UB、图11C说明第6实施方式所涉及的 硅元件的制造方法。第6实施方式所涉及的硅元件为硅半导体元件lf。 首先,准备硅基板2f (硅原材料)(图11A)。该硅基板2f具有第1 面Slf和硅区域3f。硅区域3f被设置为从硅基板2f的第1面Slf开始 向内侧具有厚度。硅区域3f可以由多孔硅或(3铁硅化物(P-FeSi2)的 任意之一构成。此外,硅基板2f的硅区域3f以外的残余区域由例如单 晶硅形成。接着,利用HIP装置从硅基板2f的第1面Slf添加氩气。在这种 情况下,将硅基板2f载置于HIP装置内的用于载置基板的台上。并且, 硅基板2f的第1面Slf的相反侧的面与该台的表面相接触。使第1面 Slf在30分钟 6小时的时间段,露出于被调整为400。C 900。C的温 度及4MPa 200MPa的压力的包含氩气的气氛中。这样,从第1面Slf 添加了氩气。通过这样添加氩气,形成氩气添加区域6f。氩气添加条 件为氩气气氛中的压力为4MPa 200MPa,温度为400。C 90(TC , 处理时间为30分钟 6小时。氩气添加区域6f为硅基板2f内被添加 了氩气的区域。氩气添加区域6f被从硅基板2f的第l面Slf起向硅基 板2f的内侧形成。
氩气添加区域6f中的氩浓度曲线分布如图11C所示(图中符号P6 所示)。从硅区域3f的露出表面位置z11至超过硅基板2f内的硅区域 3f的深度位置z12分布有氩气。如该氩气浓度分布曲线所示,氩气浓 度在第1面Slf的附近具有峰值。硅区域3f由多孔硅构成时的氩气添 加区域6f具有显示lxl018cm—3 2xl02QCm"3的氩气浓度的区域。更优选 该氩气添加区域6f具有显示2xl018Cm—3 lxl02()cm-3的氩气浓度的区 域。此外,硅区域3f由卩铁硅化物构成时的氩气添加区域6f具有显示 lxl0^n^ lxlO m—s的氩气浓度的区域。更优选该氩气添加区域6f 具有显示2xl0"cm—s lxl(^cm—s的氩气浓度的区域。另外,作为添加 氩气的方法,可以用离子注入以及溅射法等的任意方法。此后,经过 切割等处理,制造了硅半导体元件lf (图11B)。此外,第6实施方式的氩气添加条件(压力、温度及处理时间) 与PL发光强度的关系,与上述的第1实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系(即图2A、图2B、图2C所 示的关系)相同。因此,省略对第6实施方式的氩气添加条件(压力、 温度及处理时间)与PL发光强度的关系的说明。此外,当硅区域3f 由多孔硅构成时,第6实施方式的硅半导体元件lf的发光特性与图8A、 图8B相同,当硅区域3f由P铁硅化物构成时,第6实施方式的硅半 导体元件lf的发光特性与图9A、图9B所示发光特性相同。因此,省 略对硅半导体元件lf的发光特性的说明。此外,在上述说明中,各参数的「左右」意味着包含±30%以内的 误差、优选包含±10%以内的误差。
权利要求
1.硅元件的制造方法,其特征在于具有在显示第1导电型的硅原材料的表面上形成显示第2导电型的硅层的工序;以及在所述工序之后使所述硅层的表面在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被调整为400℃以上900℃以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中的工序。
2. 硅元件的制造方法,其特征在于具有使显示第1导电型的硅原材料的表面在30分钟以上6小时以内的 时间段,露出于被调整为40(TC以上90(TC以下的温度及4MPa以上 200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中的工序;以及在所述工序之后,在所述硅原材料的所述表面上形成显示第2导 电型的硅层的工序。
3. 硅元件的制造方法,其特征在于 具有使硅原材料的表面在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被 调整为400°C以上900°C以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力 的包含氩气的气氛中的工序。
4. 如权利要求1所述的硅元件的制造方法,其特征在于 所述硅原材料包括硅区域,该硅区域设置在该硅原材料的所述表面且从该表面起向该硅原材料的内侧具有厚度, 所述硅区域由多孔硅或(3铁硅化物构成。
5. 如权利要求2所述的硅元件的制造方法,其特征在于 所述硅原材料包括硅区域,该硅区域设置在该硅原材料的所述表面且从该表面起向该硅原材料的内侧具有厚度, 所述硅区域由多孔硅或卩铁硅化物构成。
6.如权利要求3所述的硅元件的制造方法,其特征在于 所述硅原材料包括硅区域,该硅区域设置在该硅原材料的所述表 面且从该表面起向该硅原材料的内侧具有厚度, 所述硅区域由多孔硅或P铁硅化物构成。
全文摘要
本发明提供硅元件的制造方法,其具有在显示第1导电型的硅基板(2a)的第1面(S1a)上形成显示第2导电型的硅层(4a)的工序,和在该工序后,使硅层(4a)的第3面(S3a)在30分钟以上6小时以内的时间段,露出于被调整为400℃以上900℃以下的温度及4MPa以上200MPa以下的压力的包含氩气的气氛中的工序。
文档编号H01L21/02GK101132046SQ200710146680
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月24日 优先权日2006年8月24日
发明者楚树成, 菅博文 申请人:浜松光子学株式会社


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