半导体元件的制作方法

专利名称：半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体元件。
背景技术：
目前，以ni-v族半导体结晶等的化合物半导体为素材的LED和 LD等的半导体元件被广泛使用。另一方面，以硅为素材的半导体元件 的研究也在不断进行着。与上述的化合物半导体相比，在室温射出 1.13pm的光的单晶硅的发光强度极低，但是与单晶硅相比，以硅为素 材的例如多孔硅等能够发出大强度的可见光。因此，例如，如专利文 献1 (日本国特开平8-139359号公报)所述，使用多孔硅等的半导体 元件的研究开发也在不断进展。发明内容然而，与单晶硅相比，使用多孔硅等的现有的硅半导体元件虽然 可以预料其发光强度的提高，但是还没有获得足够的发光强度。 因此，本发明的目的在于提高半导体元件的发光强度。本发明的半导体元件，其特征在于，具备第l导电型的硅基板，具有第1面和位于该第1面的相对侧的第2面；第2导电型的硅层，设置在上述硅基板的上述第1面上，并且具有位于和硅基板相接合的面的相对侧的第3面；第1电极，设置在上述第2面上；第2电极，设置在上述第3面上；氩添加区域，形成在由上述硅基板以及上述硅 层构成的半导体区域中，其中，上述氩添加区域包括氩浓度显示为 lxl018cm-3以上、2xl02Qcm—3以下的区域。而且，上述氩添加区域形成 在从上述第3面开始的上述半导体区域的内侧，或者，形成在从上述 第1面开始的上述硅基板区域的内侧。上述硅基板也可以具有形成在 从上述第1面开始的该硅基板的内侧的多孔硅区域。如此，本发明的半导体元件具有氩添加区域，其包括氩浓度显示 为lxlO'Scm-s以上、2xl0^m^以下的区域。发明者经过专心的研究发
现了如下事实与不添加氩的半导体元件相比，通过设置氩浓度为lxl018cnf3以上、2xl02Qcm-3以下的氩添加区域，能够提高电致发光 (Electric Luminescence: EL)以及光致发光(Photo Luminescence: PL)的强度。所以，根据本发明的半导体元件能够提高EL发光的强度(EL intensity)以及PL发光的强度(PL intensity)。本发明的半导体元件，其特征在于具备硅基板，该硅基板包括 添加了氩的氩添加区域并具有第1面，上述氩添加区域包括氩浓度为 1><1018^-3以上、2xlO、mJ以下的区域，形成在从上述第l面开始的 上述硅基板的内侧。而且，上述硅基板也可以具有形成在从上述第1 面开始的该硅基板的内侧的多孔硅区域。如此，本发明的半导体元件具有氩添加区域，其包括氩浓度为 lxl018cm—3以上、2xl02GCm-3以下的区域。发明者经过专心的研究发现 与不添加氩的半导体元件相比，通过设置氩浓度为lxl018cnf3以上、 2xl0"cn^以下的氩添加区域，能够提高PL发光的强度。所以，根据 本发明的半导体元件能够提高PL发光的强度。本发明的半导体元件，其特征在于，具备第l导电型的硅基板， 具有第1面和位于该第1面的相对侧的第2面；第2导电型的硅层， 设置在上述硅基板的上述第1面上，并且具有位于和硅基板的相接合 的面的相对侧的第3面；第1电极，设置在上述第2面上；第2电极，设置在上述第3面上；氩添加区域，形成在由上述硅基板以及上述硅 层构成的半导体区域中；其中，上述氩添加区域包括氩浓度显示为 lxl018cm-3以上、lxlOMCm-3以下的区域，上述硅基板具有形成在从上 述第1面开始的该硅基板的内侧的P-硅化铁区域。上述氩添加区域形 成在从上述第3面开始的上述半导体区域的内侧，或者，形成在从上 述第1面开始的上述硅基板的内侧。如此，本发明的半导体元件具有氩添加区域，其包括氩浓度为 lxl0"cn^以上、&102%^以下的区域。发明者经过专心的研究发现: 与不添加氩的半导体元件相比，通过设置氩浓度为lxl018cm—3以上、 lxl02°cm-3以下的氩添加区域，能够提高EL发光以及PL发光的强度。 所以，根据本发明的半导体元件，能够提高EL发光以及PL发光的强 度。 本发明的半导体元件具备硅基板，其包括添加了氩的氩添加区域 并具有第1面，上述硅基板具有形成在从上述第1面开始的该硅基板的内侧的P-硅化铁区域，上述氩添加区域包括氩浓度为lxl0"cn^以 上、lxl(^cn^以下的区域，形成在从上述第1面开始的上述硅基板的如此，本发明的半导体元件具有氩添加区域，其包括氩浓度为 lxlO"cn^以上、lxl(^cm^以下的区域。发明者经过专心的研究发现 与不添加氩的半导体元件相比，通过设置氩浓度为lxl018cm—3以上、 1"02、111'3以下的氩添加区域，能够提高PL发光的强度。所以，根据 本发明的半导体元件能够提高PL发光的强度。本发明能够提高硅半导体元件的发光强度。


图1A、图1B、以及图1C是实施方式涉及的硅半导体元件的构造 的截面示意图，图1D、图1E、以及图1F是深度方向的浓度分布的示 意曲线图。图2A以及图2B是表示实施方式涉及的硅半导体元件的发光特性 的曲线图。图3A以及图3B是表示实施方式涉及的硅半导体元件的发光特性 的曲线图。图4A、图4B、图4C、图4D、以及图4E是实施方式涉及的硅半导体元件的制造方法的说明图。图5A、图5B、以及图5C是说明实施方式涉及的氩添加条件的曲线图。图6A、图6B、图6C、图6D、以及图6E是实施方式涉及的硅半导体元件的制造方法的说明图。图7A以及图7B是实施方式涉及的硅半导体元件的制造方法的说 明图。图8A、图8B、以及图8C是实施方式涉及的硅半导体元件的构造 的截面示意图，图8D、图8E、以及图8F是深度方向的浓度分布的示 意曲线图。
图9A以及图9B是表示实施方式涉及的硅半导体元件的发光特性 的曲线图。图10A以及图10B是表示实施方式涉及的硅半导体元件的发光特 性的曲线图。图IIA、图IIB、图IIC、图IID、以及图IIE是实施方式涉及的 硅半导体元件的制造方法的说明图。图12A、图12B、图12C、图12D、以及图12E是实施方式涉及 的硅半导体元件的制造方法的说明图。图13A以及图13B是实施方式涉及的硅半导体元件的制造方法的 说明图。
具体实施方式
下面，参照附图详细地说明应用本发明的合适的实施方式的一个 示例的半导体元件。而且，附图的说明中，在可能的情况下，对同一 要素赋予相同的符号，省略重复的说明。 〈第1实施方式〉基于图1A以及图1D说明第1实施方式涉及的硅半导体元件la 的构成。图1A是硅半导体元件la的构成的示意图。图1D是硅半导体元 件la中的氩浓度的纵向分布的示意图。横轴表示氩浓度，纵轴表示距 离表面的深度。如图1A所示，硅半导体元件la是包括硅基板2a、硅 层4a、氩添加区域6a、钝化膜8a、接触孔Hla、第l电极12a以及第 2电极14a的LED。硅基板2a具有第1面Sla以及位于第1面Sla的相对侧的第2面 S2a。硅基板2a含有第1导电型的掺杂物。硅层4a含有与第l导电型 不同的第2导电型的掺杂物，且设置在硅基板2a的第1面Sla上。由 硅基板2a和硅层4a形成pn接合部。硅层4a具有位于与硅基板2a相 接合的面的相对侧的第3面S3a。硅层4a的厚度为50nm 数|am左右。 而且，在第l实施方式中，以第l导电型作为n型，以第2导电型作 为p型，但是也可以是以第1导电型作为p型，以第2导电型作为n 型。
氩添加区域6a为添加了氩(Ar)的区域，形成在由硅基板2a以 及硅层4a构成的半导体区域中。氩添加区域6a形成在从硅层4a的第 3面S3a开始的上述半导体区域的内侧。图1D显示了氩添加区域6a 中的氩浓度的纵向分布。如图1D所示，氩浓度在第3面S3a的附近出 现峰值。氩分布在从硅层4a的表面深度位置zl 硅基板2a内的深度 位置z2的范围内。氩添加区域6a具有氩浓度显示为lxl018cm—3 2xl02Qcm—3的区域。氩添加区域6a进一步优选具有氩浓度显示为 2xl018cm—3 lxl02()Cm—3的区域。在图1A所示的示例中，氩添加区域 6a从硅层4a的第3面S3a —直延伸到硅基板2a的内部。钝化膜8a例如为氧化硅膜，设置在硅层4a的第3面S3a上。接 触孔Hla设置在钝化膜8a中，露出硅层4a的第3面S3a。第1电极 12a是导电性的金属(例如铝等)，设置在硅基板2a的第2面S2a上。 第2电极14a设置在钝化膜8a上(第3面S3a上)，通过接触孔Hla 电连接于硅层4a。第2电极14a是导电性的金属(例如铝等)。在具有 上述构成的硅半导体元件la中，如果向第2电极14a和第1电极12a 施加偏置电压，那么在氩添加区域6a产生发光。接着，参照图2A、图2B、图3A、图3B说明第1实施方式涉及 的硅半导体元件ia的发光特性。图2A以及图2B中显示了表示硅半导 体元件la的PL (Photo Luminescence)发光特性的数据。图2A以及 图2B中所显示的数据都是在室温下测出的数据。图2A显示了表示氩 浓度为lxl019cm—3左右的硅半导体元件la的PL发光的波长和PL发光 的强度的相关关系的数据(图中符号Al所示的数据)。而且，图2A 还显示了没有添加氩的硅的PL发光的波长和PL发光的强度的相关关 系的数据(图中符号A2所示的数据)。图2A所示的曲线图的横轴表 示PL发光的波长(nm)，纵轴表示PL发光的强度(arb.units)。 PL发 光强度的测量是使用532nm的Nd:YV04激光进行激励，使用红外光 电倍增管(Hamamatsu Photonics R5509-72)进行检测，在室温下进行 的。根据图2A所示的数据可知，氩浓度为lxlO"cn^左右的硅半导体 元件la的PL发光(1.13nm带)的强度(Al)，是没有添加氩的硅元 件的PL发光(1.13(im带)的强度(A2)的50倍以上。如上所述，在
氩浓度为lxlO"cn^左右的硅半导体元件la中，PL发光的强度得到了 大幅的提高。并且，图2B显示了硅半导体元件la的氩浓度和U3pm带的PL 发光的强度的相关关系。图2B所示的图的横轴表示氩浓度(cm'3)， 纵轴表示1.13nm带的PL发光的强度(arb. units)。根据图2B所示的 数据可知，如果以没有添加氩时的PL发光的强度的为"1"(单位)， 那么，氩浓度为lxl018Cm_3 (参照图中符号D1的数据) 2xl02Vm-3(参照图中符号D2的数据)的PL发光的强度是，与没有添加氩的情 况相比为10倍到IOO倍以上。如上所述，PL发光的强度在氩浓度为 lxl0 m-3 2xl0"cm、寸得到了显著提高。特别是氩浓度为2xl018CirT3(参照图中符号D3的数据) lxl02()Cm—3 (参照图中符号D4的数据) 的PL发光的强度是，与没有添加氩的情况相比为30倍 100倍以上。 只要浓度在D4的浓度的±50%以内，那么至少PL强度会显著增加。 如上所述，PL发光的强度在氩浓度为2xl018Cm—3 lxl02()Cm'3时得到了 进一步的显著上升。另夕卜，图3A以及图3B显示了表示硅半导体元件la的EL(Electric Luminescence)发光特性的数据。图3A以及图3B所显示的数据都是 在室温下测出的数据。图3A显示了表示氩浓度为2xl0^n^左右的硅 半导体元件la的EL发光的波长和EL发光的强度的相关关系的数据(图中符号A3所示的数据)。而且，图3A还显示了没有添加氩的硅 的EL发光的波长和EL发光的强度的相关关系的数据(图中符号A4 所示的数据，将实际的数据放大了 IOO倍)。图3A所示的曲线图的横 轴表示EL发光的波长(nm)，纵轴表示EL发光的强度(arb.units)。 EL发光强度的测量是使用100Hz的脉冲电源(注入电流的密度为 2A/cm-3)，使用红外光电倍增管(Hamamatsu Photonics R5509-72)进 行检测，在室温下进行的。根据图3A所示的数据可知，氩浓度为 2xl(Tcm^左右的硅半导体元件la的EL发光(l.liim带)的强度，是 没有添加氩的硅的EL发光(l.lnm带)的强度的2000倍左右。艮P， 在氩浓度为2xl(^cm-s左右的硅半导体元件la中，EL发光的强度得到 了大幅的提高。 并且，图3B显示了硅半导体元件la的氩浓度和1.13pm带的EL 发光的强度的相关关系。图38所示的曲线图的横轴表示氩浓度"111-3)， 纵轴表示1.13pm带的EL发光的强度(arb. units)。根据图3B所示的 数据可知，如果以没有添加氩时的EL发光的强度的为"1"(单位)， 那么，氩浓度为lxl018cnf3 (参照图中符号D5的数据) 2xl02Qcm-3 (参照图中符号D6的数据)的EL发光的强度，与没有添加氩的情况 相比，为200倍到2000倍以上。如上所述，EL发光的强度在氩浓度 为1 x 1018cm—3 2x 102Qcm'3时得到了显著提高。特别是氩浓度为2xl018cm'3 (参照图中符号D7的数据) lxl02Qcm—3 (参照图中符号D8的数据)的EL发光的强度，与没有添 加氩的情况相比，为1000倍 2000倍以上。只要浓度在D8的浓度的 ±50%以内，那么，至少EL强度会显著增加。如上所述，EL发光的 强度在氩浓度为2xl0"cm—s lxl(^cm-s时得到了进一步的显著上升。 所以，根据图2A、图2B、图3A、以及图3B所示的数据，优选硅半 导体元件la的浓度为lxl018cm—3 2xl02()cm—3，进一步优选为 2xlO!W3 lxlo2W3。另外，发明者确认了氩浓度为2xl0"cn^ lxl0加cn^的硅半导 体元件la的EL发光的响应速度为ljxs以上至约20ns，与没有添加氩 的硅相比大致快50倍。接着，参照图4A 图4E说明第1实施方式涉及的硅半导体元件 la的制造工序。首先，准备硅基板2a (图4A)。接着，在硅基板2a 的第1面Sla上形成硅层4a (图4B)。硅层4a的厚度为50nm 数pm 左右。然后，使用HIP (Hot Isostatic Pressing)装置从硅层4a的第3 面S3a添加氩。这种情况下，将硅基板2a载置在HIP装置内的基板载 置用的台上。硅基板2a的第2面S2a与该台的表面相接触。然后，将 第3面S3a暴露于温度被调整为摄氏400度 摄氏900度并且压力被 调整为4MPa 200MPa的含有氩的氛围中，保持30分钟 6小时。如 此，从第3面S3a添加氩。通过该氩的添加来形成氩添加区域6a (图 4C)。氩添加条件为，在氩氛围中，4MPa 200MPa的压力、摄氏400 度 摄氏900度的温度、以及30分钟 6小时的处理时间。而且，可 以使用离子注入以及溅射等的方法的任何一种作为添加氩的方法。
接着，在硅层4a的第3面S3a上形成钝化膜81 (图4D)。然后， 在该钝化膜81上设置接触孔Hla，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。 然后，经过切割等的处理，制造硅半导体元件la (图4E)。图5A、图5B、图5C中显示了氩添加条件(压力、温度、以及处 理时间)和PL发光的强度的关系。图5A中显示了在温度为摄氏800 度左右、处理时间为6小时左右的氩添加条件下，氩氛围中的压力和 PL发光的强度的相关关系。图5A所示的曲线图的横轴表示压力 (MPa)，纵轴表示PL发光的强度(arb.units)。如图5A所示，如果 以压力为大气压左右时的PL发光的强度为"2"(单位)(参照图中符 号D9的数据)，那么，在温度为摄氏800左右、压力为4MPa(参照图 中符号D10的数据) 200MPa (参照图中符号Dll的数据)左右(或 者压力为4MPa以上)、处理时间为6小时左右的氩添加条件下进行氩 添加时，与压力为大气压左右的情况相比，PL发光的强度为13倍 63倍左右。并且，根据图5A所示的数据可知，压力越高，PL发光的 强度越增加。图5B显示了在压力为180MPa左右、处理时间为6小时左右的氩 添加条件下，氩氛围中的温度和PL发光的强度的相关关系。图5B所 示的曲线图的横轴表示温度(摄氏)、纵轴表示PL发光的强度(arb. imits)。如图5B所示，优选在温度为摄氏400度(参照图中符号D12 的数据) 摄氏900度(参照图中符号D13的数据)左右(或者温度 为摄氏400度以上)、压力为180MPa左右、处理时间为6小时的氩添 加条件下进行氩添加。并且，进一步优选在温度为摄氏600度(参照 图中符号D14的数据) 摄氏900度(参照图中符号D13的数据)左 右、压力为180MPa左右、处理时间为6小时左右的氩添加条件下进 行氩添加。图5C显示了在压力为180MPa左右、温度为摄氏800度左右的氩 添加条件下，处理时间和PL发光的强度的相关关系。图5C所示的曲 线图的横轴表示处理时间(hour)、纵轴表示PL发光的强度(arb. units)。 根据图5C所示的数据可知，在温度为摄氏800度左右、压力为180MPa 左右的氩添加处理条件下，处理时间越长，PL发光的强度越增加。特别是在处理时间为2小时以上(参照图中符号D15、 D16、以及D17 的数据)的情况下，PL发光的强度较高。 〈第2实施方式〉基于图IB以及图IE说明硅半导体元件lb的构成。图IB是硅半 导体元件lb的构成的示意图。图IE是硅半导体元件lb中的氩浓度的 纵向分布的示意图，横轴表示氩浓度，纵轴表示距离表面的深度。如 图1B所示，硅半导体元件lb是包括硅基板2b、硅层4b、氩添加区域 6b、钝化膜8b、接触孔Hlb、第1电极12b以及第2电极14b的LED。硅基板2b具有第1面Slb以及位于第1面Slb的相对侧的第2面 S2b。硅基板2b含有第1导电型的掺杂物。硅层4b含有与第l导电型 不同的第2导电型的掺杂物，设置在硅基板2b的第l面Slb上。由硅 基板2b和硅层4b形成pn接合部。硅层4b具有位于与硅基板2b相接 合的面的相对侧的第3面S3b。硅层4b的厚度为50nm 数Mm。而且， 在第2实施方式中，以第l导电型为n型，以第2导电型为p型，但 是，也可以以第1导电型为p型，以第2导电型为n型。氩添加区域6b为添加了氩的区域，形成在由硅基板2b以及硅层 4b构成的半导体区域中。氩添加区域6b形成在从硅基板2b的第1面 Slb开始的硅基板2b的内侧。图1E显示了氩添加区域6b中的氩浓度 的纵向分布。氩分布在从界面Slb的深度位置z3 硅基板2b内的深度 位置z4的范围内。如图1E所示，氩浓度在第1面Slb的附近出现峰 值。氩添加区域6b具有氩浓度显示为lxlO"cn^ 2xl(^cmJ的区域。 氩添加区域6b进一步优选具有氩浓度显示为2xl018cm'3 lxl02Qcm-3 的区域。钝化膜8b例如为氧化硅膜，设置在硅层4b的第3面S3b上。接 触孔Hlb设置在钝化膜8b中，露出硅层4b的第3面S3b。第1电极 12b是导电性的金属(例如铝等)，设置在硅基板2b的第2面S2b上。 第2电极14b设置在钝化膜8b上(第3面S3b上)，通过接触孔Hlb 电连接于硅层4b。第2电极14b是导电性的金属(例如铝等)。在具有 上述构成的硅半导体元件lb中，如果向第2电极14b和第1电极12b 施加偏置电压，那么在氩添加区域6b产生发光。 而且，第2实施方式涉及的硅半导体元件lb的发光特性，与上述的第1实施方式涉及的硅半导体元件la的发光特性(即，图2A、图 2B、图3A、图3B所示的发光特性)相同。因此，省略硅半导体元件 lb的发光特性的说明。接着，参照图6A、图6B、图6C、图6D、图6F、图6E说明第2 实施方式涉及的硅半导体元件lb的制造工序。首先，准备硅基板2b (图6A)。接着，使用HIP装置从硅基板2b的第1面Slb添加氩。 这种情况下，将硅基板2b载置于HIP装置内的基板载置用的台上。硅 基板2b的第2面S2b与该台的表面相接触。然后，将第1面Slb暴露 在温度被调整为摄氏400度 摄氏900度、并且压力被调整为4MPa 200MPa的含有氩的氛围中，保持30分钟 6小时。如此，从第1面 Slb添加氩。通过该氩的添加形成氩添加区域6b (图6B)。氩添加条 件为，氩氛围中的4MPa 200MPa的压力、摄氏400度 摄氏900度 的温度、以及30分钟 6小时的处理时间。而且，可以使用离子注入以及溅射等的方法的任何一种作为添加氩的方法。接着，在硅基板2b的第l面Slb上形成硅层4b (图6C)。硅层 4b的厚度为50nm 数pm左右。然后，在硅层4b的第3面S3b上形 成钝化膜82 (图6D)。接着，在该钝化膜82上设置接触孔Hlb以形 成钝化膜8b，在钝化膜8b上形成第2电极14b的同时，在硅基板2b 的第2面S2b上形成第1电极12b。然后，经过切割等的处理，制造硅 半导体元件lb (图6E)。而且，第2实施方式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时 间)和PL发光的强度的相关关系，与上述的第1实施方式涉及的氩添 加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的相关关系(即， 图5A 图5C所示的相关关系)相同。因此，省略第2实施方式涉及 的氩添加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的相关关 系的说明。〈第3实施方式〉基于图1C以及图1F说明硅半导体元件lc的构成。图1C是硅半 导体元件lc的构成的示意图。图1F是表示硅半导体元件lc中的氩浓 轴表示氩浓度，纵轴表示距离表面的深度。 如图1C所示，硅半导体元件lc包括硅基板2c以及氩添加区域6c。硅基板2c具有第1面Slc，包括氩添加区域6c。氩添加区域6c 是在硅基板2c内添加了氩的区域。氩添加区域6c形成在从硅基板2c 的第1面Slc开始的硅基板2c的内侧。图1F显示了氩添加区域6c中 的氩浓度的纵向分布。氩分布在从硅基板2c的暴露表面位置z5 硅基 板2c内的深度位置z6的范围内。如图1F所示，氩浓度在第l面Slc 的附近出现峰值。氩添加区域6c具有氩浓度显示为lxl018cm—3 2xl02QCm—3的区域。氩添加区域6c进一步优选具有氩浓度显示为 2xl018cm-3 lxl02°cm-3的区域。而且，第3实施方式涉及的硅半导体元件lc的PL发光涉及的发 光特性，与上述的第1实施方式涉及的硅半导体元件la的发光特性 (即，图2A、图2B所示的发光特性)相同。因此，省略硅半导体元 件lc的PL发光涉及的发光特性的说明。接着，参照图7A以及图7B说明第3实施方式涉及的硅半导体元 件lc的制造工序。首先，准备硅基板2c (图7A)。接着，使用HIP 装置从硅基板2c的第1面Slc添加氩。这种情况下，将硅基板2c载 置在HIP装置内的基板载置用的台上。硅基板2c的第1面Slc的相对 侧的面与该台的表面相接触。然后，将第1面Slc暴露于温度被调整 为摄氏400度 摄氏900度、并且压力被调整为4MPa 200MPa的含 有氩的氛围中，保持30分钟 6小时。如此，从第l面Slc添加氩。 通过该氩的添加来形成氩添加区域6c。氩添加条件为，氩氛围中的 4MPa 200MPa的压力、摄氏400度 摄氏900度的温度、以及30分 钟 6小时的处理时间。而且，可以使用离子注入以及溅射等的方法的 任何一种作为添加氩的方法。然后，经过切割等的处理，制造硅半导 体元件lc (图7B)。而且，第3实施方式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时 间)和PL发光的强度的相关关系，与上述的第1实施方式涉及的氩添 加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的相关关系(即， 图5A、图5B、图5C所示的相关关系)相同。因此，省略第3实施方 式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的 相关关系的说明。〈第4实施方式〉基于图8A以及图8D说明硅半导体元件ld的构成。图8A是硅半 导体元件ld的构成的示意图。图8D是表示硅半导体元件ld中的氩浓 度的纵向分布的曲线图，横轴表示氩浓度，纵轴表示距离表面的深度。 如图8A所示，硅半导体元件ld是包括硅基板2d、硅区域3d、硅层 4d、氩添加区域6d、钝化膜8d、接触孔Hld、第1电极12d以及第2 电极14d的LED。硅基板2d具有第1面Sld以及位于第1面Sld的相对侧的第2面 S2d。硅基板2d含有第1导电型的掺杂物。硅基板2d具有硅区域3d。 硅区域3d设置在从硅基板2d的第1面Sld开始的内侧，并具有一定 的厚度。硅区域3d含有第1导电型的惨杂物，由多孔硅(Porous Silicon) 或卩-硅化铁((3-FeSi2)的任何一种构成。而且，硅基板2d的除了硅区 域3d之外的其他区域，例如由单晶硅构成。硅层4d含有与第l导电 型不同的第2导电型的掺杂物，设置在硅基板2d的第l面Sld上。由 硅基板2d (特别是硅区域3d)和硅层4d形成pn接合部。硅层4d具 有位于与硅基板2d相接合的面的相对侧的第3面S3d。硅层4d的厚度 为50nm 数pm左右。而且，在第4实施方式中，在由多孔硅构成硅 区域3d的情况下，以第l导电型作为p型，以第2导电型作为n型； 在由(3-硅化铁构成硅区域3d的情况下，以第1导电型作为n型，以第 2导电型作为p型。与此相反的是，在由多孔硅构成硅区域3d的情况 下，也可以以第1导电型作为n型，以第2导电型作为p型；在由卩-硅化铁构成硅区域3d的情况下，也可以以第1导电型作为p型，以第 2导电型作为n型。氩添加区域6d为添加氩的区域，形成在由硅基板2d以及硅层4d 构成的半导体区域中。氩添加区域6d形成在从硅层4d的第3面S3d 开始的上述半导体区域的内侧。图8D显示了氩添加区域6d中的氩浓 度的纵向分布。氩分布在从硅层4d的暴露的表面位置z7至硅基板2d 内的越过硅区域3d的深度位置z8的范围内。如图8D所示，氩浓度在 第3面S3d的附近出现峰值。由多孔硅构成硅区域3d时的氩添加区域 6d，具有氩浓度显示为lxl0'8cn^ 2xl(^cn^的区域。该氩添加区域 6d进一步优选具有氩浓度显示为2xlO"cn^ lxl(Am^的区域。并且， 由(3-硅化铁构成硅区域3d时的氩添加区域6d，具有氩浓度显示为 1 x 1018cm—3 1 x 102()Cm—3的区域。该氩添加区域6d进一步优选具有氩浓 度显示为2xl0"cm^ lxl0 n^的区域。在图8A所示的示例中，氩 添加区域6d从硅层4d的第3面S3d —直延伸到包括硅层4d以及硅区 域3d的硅基板2d的内部。钝化膜8d例如为氧化硅膜，设置在硅层4d的第3面S3d上。接 触孔Hld设置在钝化膜8d中，露出硅层4d的第3面S3d。第2电极 14d设置在钝化膜8d上(第3面S3d上)，通过接触孔Hld电连接于 硅层4d。第2电极14d是导电性的金属(例如铝等)。第1电极12d 是导电性的金属(例如铝等)，设置在硅基板2d的第2面S2d上。在 具有上述构成的硅半导体元件ld中，如果向第2电极14d和第1电极 12d施加偏置电压，那么在氩添加区域6d产生发光。接着，参照图9A、图9B、图IOA、图10B说明第4实施方式涉 及的硅半导体元件ld的发光特性。图9A显示了表示具有由多孔硅构 成的硅区域3d的硅半导体元件ld的PL发光特性的数据，图9B显示 了表示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 性的数据。图9A以及图9B所示的数据都是在室温下测出的数据。图 9A显示了表示氩浓度为lxl019cnf3左右的硅半导体元件Id的PL发光 的波长和PL发光的强度的相关关系的数据(图中符号A5所示的数 据)。而且，图9A还显示了没有添加氩的硅的PL发光的波长和PL发 光的强度的相关关系的数据(图中符号A6所示的数据，是将实际的数 据放大了 50倍的数据)。图9A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)。根据图9A所示的数据 可知，氩浓度为lxl0^n^左右的硅半导体元件ld的PL发光(0.92iam 带)的强度，是没有添加氩的硅元件的PL发光(0.92pm带)的强度 的IOO倍以上。如上所述，在氩浓度为lxl(Tcm^左右的硅半导体元 件ld中，PL发光的强度得到了大幅的提高。另夕卜，PL发光的峰值，在没有氩添加的硅元件的情况下为1150nm 左右，而在氩浓度为lxl(Tcm^左右的硅半导体元件ld的情况下峰值 进行移动，成为922nm左右。并且，图9B显示了硅半导体元件ld的 氩浓度和922nm带的EL发光的强度的相关关系。图9B所示的曲线图 的横轴表示氩浓度(cm'3)，纵轴表示EL发光的强度(arb. units)。根 据图9B所示的数据可知，如果以没有添加氩时的EL发光的强度作为 "l"(单位)，那么，氩浓度为lxl0^n^(参照图中符号D18的数据) 2xl02Qcm—3 (参照图中符号D19的数据)的PL发光的强度是，与没有 添加氩的情况相比，为30倍到100倍以上。如上所述，EL发光的强 度在氩浓度为&1018(:111-3 2><102%11-3时得到了显著提高。特别是氩浓度为2xl018Cm.3 (参照图中符号D20的数据) 8xl019cm—3 (参照图中符号D21的数据)的EL发光的强度，与没有添 加氩的情况相比，为100倍以上。如上所述，EL发光的强度在氩浓度 为2xl0"cn^ 8xl0 m、寸得到了进一步的显著提高。所以，使用多 孔硅的硅半导体元件ld的氩浓度，优选为lxl018cnf3 2xl02()Cm-3，进 一步优选为2xl018cn^3 8xl019cm—3。另外，图10A以及图10B中显示了表示具有由(3-硅化铁构成的硅 区域3d的硅半导体元件Id的EL (Electric Luminescence)发光特性的 数据。图IOA以及图IOB所显示的数据都是在室温下测出的数据。图 10A中显示了表示氩浓度为lxl(^cn^左右的硅半导体元件ld的EL 发光的波长和EL发光的强度的相关关系的数据(图中符号A7所示的 数据)。而且，图IOA中还显示了没有添加氩的硅的EL发光的波长和 EL发光的强度的相关关系的数据(图中符号A8所示的数据)。图10A 中所示的曲线图的横轴表示EL发光的波长(nm)，纵轴表示EL发光 的强度(arb.units)。根据图10A中所示的数据可知，氩浓度为lxl019cm—3 左右的硅半导体元件Id的EL发光(1.6(im带)的强度，是没有添加 氩的硅的EL发光(1.6jim带)的强度的15倍左右。如上所述，在氩 浓度为lxlO'、n^左右的硅半导体元件ld中，EL发光的强度得到了大 幅的提高。并且，图10B中显示了硅半导体元件ld的氩浓度与1.6pm带的 EL发光的强度的相关关系。图10B中所示的曲线图的横轴表示氩浓度 (cm—3)，纵轴表示1.6pm带的EL发光的强度(arb. units)。根据图10B 中所示的数据可知，如果以没有添加氩时的EL发光的强度作为"1"
(单位)，那么，氩浓度为lxl0"cnf3 (参照图中符号D22的数据) lxl02°cm'3 (参照图中符号D23的数据)的EL发光的强度是，与没有 添加氩的情况相比，为4倍到10倍以上。如上所述，EL发光的强度 在氩浓度为1 x 1018cm-3 1 x 102%1^3时得到了显著的提高。特别是氩浓度为2xl018cm—3 (参照图中符号D24的数据) lxl02Qcm—3 (参照图屮符号D23的数据)的EL发光的强度，与没有添 加氩时的情况相比，为6倍 10倍以上。如上所述，EL发光的强度在 氩浓度为2xlO"cm—s lxl(A:m,寸得到了进一步的显著提高。所以， 具有P-硅化铁的硅半导体元件ld的氩浓度优选为lxl018cm—3 lxl02Qcm'3，进一步优选为2xl018cm'3 lxl02Qcm'3。接着，参照图IIA、图IIB、图IIC、图IID、图11E说明第4 实施方式涉及的硅半导体元件Id的制造工序。首先，准备硅基板2d(图11A)。接着，在硅基板2d的第l面Sld上形成硅层4d(图IIB)。 硅层4d的厚度为50nm 数)im左右。然后，使用HIP装置从硅层4d 的第3面S3d添加氩。这种情况下，将硅基板2d载置在HIP装置内的 基板载置用的台上。硅基板2d的第2面S2d与该台的表面相接触。然 后，将第3面S3d暴露在温度被调整为摄氏400度 摄氏900度并且 压力被调整为4MPa 200MPa的含有氩的氛围中，保持30分钟 6小 时。如此，从第3面S3d添加氩。通过该氩的添加来形成氩添加区域 6d (图11C)。氩添加条件为，在氩氛围中的4MPa 200MPa的压力、 摄氏400度 摄氏卯0度的温度、以及30分钟 6小时的处理时间。 而且，可以使用离子注入以及溅射等的方法的任何一种方法作为添加 氩的方法。接着，在硅层4d的第3面S3d上形成钝化膜83(图11D)。然后， 在该钝化膜83上设置接触孔Hld以形成钝化膜8d，在钝化膜8d上形 成第2电极14d的同时，在硅基板2d的第2面S2d上形成第1电极12d。 然后，经过切割等的处理，制造硅半导体元件ld (图11E)。而且，第4实施方式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时 间)和PL发光的强度的相关关系，与上述的第1实施方式涉及的氩添 加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的相关关系(即， 图5所示的相关关系)相同。因此，省略第4实施方式涉及的氩添加 条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光强度的相关关系的说明。 〈第5实施方式〉基于图8B以及图8E说明硅半导体元件le的构成。图8B是硅半 导体元件le的构成的示意图。图8E是表示硅半导体元件le中的氩浓 度的纵向分布的曲线图，横轴表示氩浓度，纵轴表示距离表面的深度。 如图8B所示，硅半导体元件le是包括硅基板2e、硅区域3e、硅层4e、 氩添加区域6e、钝化膜8e、接触孔Hle、第1电极12e以及第2电极 14e的LED。硅基板2e具有第1面Sle以及位于第1面Sle的相对侧的第2面 S2e。硅基板2e含有第l导电型的掺杂物。硅基板2e具有硅区域3e。 硅区域3e设置在从硅基板2e的第1面Sle开始的内侧，并具有一定 的厚度。而且，硅基板2e的除了硅区域3e之外的其他区域，例如由 单晶硅构成。硅区域3e含有第1导电型的掺杂物，由多孔硅或P-硅化 铁的任何一种构成。硅层4e含有与第1导电型不同的第2导电型的掺 杂物，设置在硅基板2e的第l面Sle上。由硅基板2e (特别是硅区域 3e)和硅层4e形成pn接合部。硅层4e具有位于与硅基板2e相接合的 面的相对侧的第3面S3e。硅层4e的厚度为50nm 数|am左右。而且， 在第5实施方式中，在由多孔硅构成硅区域3e的情况下，以第l导电 型作为p型，以第2导电型作为n型；在由p-硅化铁构成硅区域3e的 情况下，以第l导电型作为n型，以第2导电型作为p型。与此相反 的是，在由多孔硅构成硅区域3e的情况下，也可以以第l导电型作为 n型，以第2导电型作为p型；在由(3-硅化铁构成硅区域3e的情况下， 也可以以第1导电型作为p型，以第2导电型作为n型。氩添加区域6e为添加了氩的区域，形成在由硅基板2e以及硅层 4e构成的半导体区域中。氩添加区域6e形成在从硅基板2e的第1面 Sle开始的硅基板2e的内侧。图8E显示了氩添加区域6e中的氩浓度 的纵向分布。氩分布在从界面Sle的深度位置z9至硅基板2e内的越 过硅区域3e的深度位置z10的范围内。由多孔硅构成硅区域3e时的氩 添加区域6e具有氩浓度显示为lxl018cm—3 2xl02()Cm-3的区域。该氩添 加区域6e进一步优选具有氩浓度显示为2xl018cm-3 lxl02°cm—3的区 域。并且，由P-硅化铁构成硅区域3e时的氩添加区域6e具有氩浓度 显示为lxl018cm—3 l><102()Cm-3的区域。该氩添加区域6e进一步优选具 有氩浓度显示为2xl0 n^ lxl0"cn^的区域。如图8E所示，氩浓 度在第l面Sle的附近出现峰值。在图8E所示的示例中，氩添加区域 6d从硅基板2e的第1面Sle延伸到包括硅区域3e的硅基板2e的内部。 钝化膜8e例如为氧化硅膜，设置在硅层4e的第3面S3e上。接触孔Hle设置在钝化膜8e中，露出硅层4e的第3面S3e。第2 电极14e设置在钝化膜8b上(第3面S3e上)，通过接触孔Hle电连 接于硅层4e。第2电极14e是导电性的金属(例如铝等)。第1电极 12e是导电性的金属(例如铝等)，设置在硅基板2e的第2面S2e上。 在具有上述构成的硅半导体元件le中，如果向第2电极14e和第1电极12e施加偏置电压，那么在氩添加区域6e产生发光。而且，第5实施方式涉及的硅半导体元件le的发光特性，与硅区 域3e由多孔硅构成时的图9A、图9B相同，也与硅区域3e由(3-硅化 铁构成时的图IOA、图10B中所示的发光特性相同。因此，省略硅半 导体元件le的发光特性的说明。接着，参照图12A 图12E说明第5实施方式涉及的硅半导体元 件le的制造工序。首先，准备硅基板2e (图12A)。接着，使用HIP 装置从硅基板2e的第1面Sle添加氩。这种情况下，将硅基板2e载 置在HIP装置内的基板载置用的台上。硅基板2e的第2面S2e与该台 的表面相接触。然后，将第1面Sle暴露于温度被调整为摄氏400度 摄氏900度并且压力被调整为4MPa 200MPa的含有氩的氛围中，保 持30分钟 6小时。如此，从第1面Sle添加氩。通过该氩的添加来 形成氩添加区域6e (图12B)。氩添加条件为，氩氛围中的4MPa 200MPa的压力、摄氏400度 摄氏900度的温度、以及30分钟 6 小时的处理时间。而且，可以使用离子注入以及溅射等的方法的任何一种方法作为添加氩的方法。接着，在硅基板2e的第l面Sle上形成硅层4e (图12C)。硅层 4e的厚度为50nm 数pm左右。然后，在硅层4e的第3面S3e上形 成钝化膜84 (图12D)。接着，在该钝化膜84上设置接触孔Hle以 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。然后，经过切割等的处理，制造硅 半导体元件le (图12E)。而且，第5实施方式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时 间)和PL发光的强度的相关关系，与上述的第1实施方式涉及的氩添 加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的相关关系(即， 图5A、图5B、图5C所示的相关关系)相同。因此，省略第5实施方 式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的 相关关系的说明。〈第6实施方式〉基于图8C以及图8F说明硅半导体元件lf的构成。图8C是硅半 导体元件lf的构成的示意图。图8F是表示硅半导体元件lf中的氩浓 度的纵向分布的曲线图，横轴表示氩浓度，纵轴表示距离表面的深度。 如图8C所示，硅半导体元件lf包括硅基板2f以及氩添加区域6f。硅基板2f具有硅区域3f，硅区域3f设置在从硅基板2f的第1面 Slf开始的内侧，并具有一定的厚度。硅区域3f由多孔硅或p-硅化铁 的任何一种构成。而且，硅基板2f的除了硅区域3f之外的其他区域， 则例如由单晶硅构成。氩添加区域6f是在硅基板2f内添加了氩的区域。 氩添加区域6f形成在从硅基板2f的第1面Slf开始的硅基板2f的内 侧。图8F显示了氩添加区域6f中的氩浓度的纵向分布。氩分布在从 硅区域3f的暴露表面位置zl 1至硅基板2f内的越过硅区域3f的深度 位置z12的范围内。由多孔硅构成硅区域3f时的氩添加区域6f具有氩 浓度显示为lxlO'Scn^ 2xl(^cn^的区域。该氩添加区域6f进一步优 选具有氩浓度显示为2《1018国-3 "102()咖-3的区域。并且，由p-硅化 铁构成硅区域3f时的氩添加区域6f具有氩浓度显示为lxl018cm—3 lxl02QCm—3的区域。该氩添加区域6f进一步优选具有氩浓度显示为 2xl0^m-s lxl(A:mJ的区域。如图8F所示，氩浓度在第l面Slf的 附近出现峰值。而且，第6实施方式涉及的硅半导体元件lf的发光特性，与由多 孔硅构成硅区域3f时的图9A、图9B相同，也与由(3-硅化铁构成硅区 域3f时的图10A、图IOB中所示的发光特性相同。因此，省略硅半导 体元件lf的发光特性的说明。
接着，参照图13A以及图13B说明第6实施方式涉及的硅半导体 元件lf的制造工序。首先，准备硅基板2f (图13A)。接着，使用HIP 装置从硅基板2f的第1面Slf添加氩。这种情况下，将硅基板2f载置 在HIP装置内的基板载置用的台上。硅基板2f的第1面Slf的相对侧 的面与该台的表面相接触。然后，将第1面Slf暴露于温度被调整为 摄氏400度 摄氏900度并且压力被调整为4MPa 200MPa的含有氩 的氛围中，保持30分钟 6小时。如此，从第l面Slf添加氩。通过 该氩的添加来形成氩添加区域6f。氩添加条件为，氩氛围中的4MPa 200MPa的压力、摄氏400度 摄氏900度的温度、以及30分钟 6 小时的处理时间。而且，可以使用离子注入以及溅射等的方法的任何 一种方法作为添加氩的方法。然后，经过切割等的处理，制造硅半导 体元件lf (图13B)。而且，第6实施方式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时 间)和PL发光的强度的相关关系，与上述的第1实施方式涉及的氩添 加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的相关关系(即， 图5A、图5B、图5C所示的相关关系)相同。因此，省略第6实施方 式涉及的氩添加条件(压力、温度以及处理时间)和PL发光的强度的 相关关系的说明。另外，在上述的说明中，各个参数的"左右"意味着包括±30% 以内的误差，优选意味着±10%以内的误差。
权利要求
1.一种半导体元件，其特征在于，具备第1导电型的硅基板，具有第1面和位于该第1面的相对侧的第2面；第2导电型的硅层，设置在所述硅基板的所述第1面上，并且具有位于和该硅基板相接合的面的相对侧的第3面；第1电极，设置在所述第2面上；第2电极，设置在所述第3面上；氩添加区域，形成在由所述硅基板以及所述硅层构成的半导体区域中，其中，所述氩添加区域包括氩浓度显示为1×1018cm-3以上、2×1020cm-3以下的区域。
2. 根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于 所述氩添加区域形成在从所述第3面开始的所述半导体区域的内侧，或者形成在从所述第1面开始的所述硅基板的内侧。
3. —种半导体元件，其特征在于具备硅基板，其包括添加了氩的氩添加区域并且具有第1面，所述氩添加区域包括氩浓度显示为lxl0"cn^以上、2xl(^cn^以 下的区域，并且形成在从所述第1面开始的所述硅基板的内侧。
4. 根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于 所述硅基板具有形成在从所述第1面开始的该硅基板的内侧的多孔硅区域。
5. 根据权利要求2所述的半导体元件，其特征在于 所述硅基板具有形成在从所述第1面开始的该硅基板的内侧的多 孔硅区域。
6. 根据权利要求3所述的半导体元件，其特征在于 所述硅基板具有形成在从所述第1面开始的该硅基板的内侧的多孔硅区域。
7. —种半导体元件，其特征在于， 具备第1导电型的硅基板，具有第1面和位于该第1面的相对侧的第2面；第2导电型的硅层，设置在所述硅基板的所述第1面上，并且具 有位于和该硅基板相接合的面的相对侧的第3面； 第1电极，设置在所述第2面上； 第2电极，设置在所述第3面上；氩添加区域，形成在由所述硅基板以及所述硅层构成的半导体区 域中，其中，所述氩添加区域包括氩浓度显示为lxlO"cm-s以上、lxlO"cm—s以 下的区域，所述硅基板具有形成在从所述第1面开始的该硅基板的内侧的(3-硅化铁区域。
8. 根据权利要求7所述的半导体元件，其特征在于 所述氩添加区域形成在从所述第3面开始的所述半导体区域的内侧，或者形成在从所述第1面开始的所述硅基板的内侧。
9. 一种半导体元件，其特征在于具备硅基板，其包括添加了氩的氩添加区域并具有第l面， 所述硅基板具有形成在从所述第1面开始的该硅基板的内侧的卩-硅化铁区域，所述氩添加区域包括氩浓度显示为lxl018cm^以上、lxl02Gcm-3以下的区域，形成在从所述第1面开始的所述硅基板的内侧。
全文摘要
本发明涉及一种半导体元件，其具备第1导电型的硅基板(2a)，具有第1面(S1a)和第2面(S2a)；第2导电型的硅层(4a)，设置在硅基板(2a)的第1面(S1a)上，并具有位于和硅基板(2a)相接合的面的相对侧的第3面(S3a)；第1电极(12a)，设置在第2面(S2a)上；第2电极(14a)，设置在第3面(S3a)上；氩添加区域(6a)，形成在由硅基板(2a)以及硅层(4a)构成的半导体区域中；其中，氩添加区域(6a)包括氩浓度显示为1×10¹⁸cm^-3以上、2×10²⁰cm^-3以下的区域。
文档编号H01L33/34GK101132045SQ200710146678
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