JP2001332494A

JP2001332494A - 半導体素子の製造方法および半導体素子

Info

Publication number: JP2001332494A
Application number: JP2000155253A
Authority: JP
Inventors: Hirozumi Azuma; 博純東; Akihiro Takeuchi; 昭博竹内; Tadashi Ito; 忠伊藤; Tomomi Motohiro; 友美元廣; Shunichi Murazaki; 俊一村崎; Hideoki Fukushima; 英沖福島; Koji Yamaguchi; 耕治山口
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc; Aichi Steel Corp
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽電池として高い光電変換効率を得るのに
必要な、粒径の大きなシリコン結晶粒を含むシリコン層
を、十分な厚さで生産性高く製造することが可能な、半
導体素子の製造方法を提供すること。また、太陽電池に
用いたときに高い光電変換能率を発揮する半導体素子を
提供すること。【解決手段】基板上に、多結晶シリコンまたは微結晶
シリコンからなる結晶性シリコン層を形成する工程と、
前記結晶性シリコン層上にアモルファスシリコン層を形
成する工程と、前記アモルファスシリコン層表面にレー
ザを照射して、前記結晶性シリコン層中のシリコン結晶
粒を粗大化させるとともに、前記アモルファスシリコン
層を結晶化させる工程とを含むことを特徴とする半導体
素子の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子の製造方
法および半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池は、環境に対する影響が少ない
発電手段として注目されている。現在実用化されている
太陽電池は、化合物系太陽電池とシリコン系太陽電池に
大別される。化合物系太陽電池としては、ＣｄＳ等のII
−ＶI族化合物太陽電池やＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物太
陽電池が挙げられる。

【０００３】一方、シリコン系太陽電池は、薄膜タイプ
である非晶質系太陽電池（アモルファスシリコン太陽電
池）とバルクタイプである結晶系太陽電池に分類され、
結晶系太陽電池は、さらに単結晶シリコン太陽電池と多
結晶シリコン太陽電池に分類される。

【０００４】アモルファスシリコン太陽電池は、薄膜タ
イプであるためシリコン材料の使用量を少なくすること
が可能であるが、光電変換効率が低いために特定の電力
を得ようとすると面積を広くする必要があり、また、紫
外線により劣化しやすいという問題がある。これに対し
て、バルクタイプの太陽電池は、紫外線による劣化は問
題とならないものの、製造に多くのシリコンを使用する
ため低コスト化がはかれないという問題点がある。

【０００５】したがって、紫外線に対する耐性を上げ且
つシリコン使用量を低減するという観点から、紫外線で
劣化しない多結晶シリコンまたは単結晶シリコンを薄膜
化し、これらにより太陽電池を構成することが研究され
ている。

【０００６】例えば、プラズマＣＶＤやレーザスパッタ
等により多結晶シリコン膜を作製する方法が試みられて
いるが、シリコン結晶粒の粗大化がはかれず、緻密で均
質な膜を作製することも困難であるため、太陽電池とし
ての実用に耐えない。また、シリコン単結晶基板上にシ
リコンをエピタキシャル成長させたものから、エピタキ
シャル成長させたシリコン部分を採取する方法が提案さ
れているが、エピタキシャル成長した膜は容易にはがす
ことができず、製造プロセスにも長時間が必要となる。

【０００７】薄膜化の方法としては、さらに、アモルフ
ァスシリコン膜を加熱しながらレーザアニールし、アモ
ルファスシリコン膜の膜厚方向の温度コントロールをし
て結晶化する方法（特開平０４−２８６３１８号公報参
照）、絶縁性基板上にアモルファスシリコンを製膜し、
レーザ照射後、電気炉による熱処理を行う方法（特開平
０４−１８６７２１号公報および特開平０４−１８６７
２３号公報参照）、単結晶シリコンにアモルファスシリ
コンを製膜し、レーザ照射によりアモルファスシリコン
を結晶化させる方法（特開昭５５−７７１４６号公報参
照）等のように、アモルファスシリコン膜をまず形成
し、それを結晶化させるいう試みがなされている。

【０００８】また、絶縁基板上に形成された多結晶シリ
コン層の所定スポットにレーザ照射等して結晶粒を増大
させ種結晶としたのち、アモルファスシリコン層を積層
しアニールする方法（特開平０２−１８８４９９号公報
参照）等のように、多結晶シリコン層をまず形成し、多
結晶シリコン中における結晶粒を粗大化させるという試
みもある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
０４−２８６３１８号公報に開示された方法では、レー
ザ照射前にシリコン膜を酸化しない雰囲気で比較的高温
度に保持する必要があり、特開平０４−１８６７２１号
公報および特開平０４−１８６７２３号公報に開示され
た方法では、電気炉による数時間以上の熱処理を必要と
し、さらに、特開昭５５−７７１４６号公報に開示され
た方法では、シリコン単結晶基板を必要とすることや結
晶化に長時間を必要とするため、いずれも、生産性やコ
ストの面で問題がある。

【００１０】また、特開平０２−１８８４９９号公報に
開示された方法は、アモルファスシリコン層を形成した
後に長時間のアニールが必要であり生産性に劣るという
問題があり、さらには、この方法では、薄膜トランジス
タ用シリコン膜の形成は可能であるが、太陽電池用の厚
膜が形成できないという問題がある。

【００１１】また、従来のプラズマＣＶＤ手法で形成し
た多結晶シリコン薄膜においては、膜質が悪い場合に
は、レーザ光反射率が低く膜内での熱伝導率が悪くな
り、多結晶シリコン薄膜の表面付近に関してはレーザア
ニールによる結晶粒の粗大化は比較的容易に行えるもの
の、基板付近は熱が伝わらないため膜質が改善されず、
膜全体の太陽電池としての性能は低くなる。一方、膜質
を改善し、緻密な多結晶シリコンまたは微結晶シリコン
とした場合には、レーザ光反射率が７０％以上と高くな
り、レーザ光からのエネルギー供給が不十分となる。ま
た、熱伝導度も高くなるため膜全体を結晶粒が粗大化す
る温度にすることが難しい。

【００１２】特に、太陽電池では、シリコン膜内にｐｎ
接合を形成するためシリコン膜にボロンやリン等をドー
プする。そのため膜質は改善されるが、レーザアニール
はより困難になる。レーザアニールを十分に行うためレ
ーザ光のエネルギー密度を上げると膜全体が溶融し、島
状の組織となり太陽電池としての機能がなくなってしま
う。また、シリコン膜を一定温度に保つために電気炉等
で加熱する場合には、例えば、９００℃以上、１０時間
以上といった高温長時間の熱処理が必要となるために、
太陽電池の構造に制約を与えたり、製造コストが高くな
ったりするという問題がある。

【００１３】また、アモルファスシリコン太陽電池を直
接レーザアニールして、アモルファスシリコン層を多結
晶化することも考えられるが、通常のアモルファスシリ
コン太陽電池の膜厚は０．５μｍ以下であるため、太陽
光を吸収するには膜厚が不十分であり、従来のバルクタ
イプの多結晶シリコン太陽電池並みの光電変換効率（１
２％以上）を得ることができない。

【００１４】本発明は、このような技術的課題に鑑みて
なされたものであり、太陽電池として高い光電変換効率
を得るのに必要な、粒径の大きなシリコン結晶粒を含む
シリコン層を、十分な厚さで生産性高く製造することが
可能な、半導体素子の製造方法を提供することを目的と
する。また、粒径の大きなシリコン結晶粒を含むシリコ
ン層を備え、太陽電池に用いたときに高い光電変換能率
を発揮する半導体素子を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、基板上に形成さ
れた多結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる結晶
性シリコン層の上に、アモルファスシリコン層を設けレ
ーザアニールする方法、または、基板上に形成された、
ドーパントを含む多結晶シリコンまたは微結晶シリコン
からなるドープ層の上に、ノンドープ層を設けレーザア
ニールする方法により、太陽電池として高い光電変換効
率を得るのに必要な、粒径の大きなシリコン結晶粒を含
むシリコン層を、十分な厚さで生産性高く製造すること
が可能であることを見出した。また、この製造方法によ
り得られる半導体素子が、粒径の大きなシリコン結晶粒
を含むシリコン層を備え、太陽電池用に用いたときに高
い光電変換能率を発揮することを見出し、本発明を完成
させた。

【００１６】すなわち、本発明は、（１）基板上に、多
結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる結晶性シリ
コン層を形成する工程と、（２）前記結晶性シリコン層
上にアモルファスシリコン層を形成する工程と、（３）
前記アモルファスシリコン層表面にレーザを照射して、
前記結晶性シリコン層中のシリコン結晶粒を粗大化させ
るとともに、前記アモルファスシリコン層を結晶化させ
る工程とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法
を提供するものである。

【００１７】アモルファスシリコンは、多結晶シリコン
や微結晶シリコンに比べて熱伝導率が低いため、アモル
ファスシリコン層表面にレーザが照射されると、アモル
ファスシリコン層は比較的短時間に溶融し、溶融するこ
とによりさらにレーザ吸収率が高まる。溶融したアモル
ファスシリコン層に十分な熱量が貯えられると、熱伝導
により多結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる結
晶性シリコン層に熱が伝わり、多結晶シリコンまたは微
結晶シリコンの温度が穏やかに上昇し、結晶性シリコン
層中のシリコン結晶粒の粗大化が実現する。

【００１８】また、多結晶シリコンや微結晶シリコンは
熱伝導率が高いことから、熱が結晶性シリコン層の深部
まで伝わり、結晶性シリコン層の深部までシリコン結晶
粒の粗大化が生じ、太陽電池として高い光電変換効率を
得るのに必要な、粒径の大きなシリコン結晶粒を含むシ
リコン層の厚さが十分となる。一方、溶融したアモルフ
ァスシリコン層は、レーザ照射が終了すると多結晶シリ
コンまたは微結晶シリコンからなる結晶性シリコン層へ
の熱の逃げのため穏やかに温度が下がり、液滴状になら
ずに平坦で比較的大きな結晶層を形成する。

【００１９】さらに、上記方法によれば、レーザ照射を
行うことのみにより、アモルファスシリコン層の結晶化
と、結晶性シリコン層中のシリコン結晶粒の粗大化の両
方が実施されるため、結晶粒の粗大化に多くの工程を必
要としない。また、高温長時間の熱処理も要求されな
い。したがって、生産性を向上させることが可能にな
る。

【００２０】本発明において、前記アモルファスシリコ
ン層の厚さは０．０１〜０．５μｍであることが好まし
い。アモルファスシリコン層の厚さがこのような範囲に
ある場合は、レーザ光による加熱によりこの層全体が比
較的短時間に溶融するため、結晶性シリコン層における
結晶粒の粗大化が促進される傾向にある。

【００２１】本発明は、また、（１）基板上に、ドーパ
ントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3以上である、多結晶シリコ
ンまたは微結晶シリコンからなるドープ層を形成する工
程と、（２）前記ドープ層上に、ドーパントの含有量が
１０¹⁵ｃｍ^-3未満である、多結晶シリコンまたは微結晶
シリコンからなるノンドープ層を形成する工程と、
（３）前記ノンドープ層表面にレーザを照射して、前記
ノンドープ層および前記ドープ層中のシリコン結晶粒を
粗大化させる工程とを含むことを特徴とする半導体素子
の製造方法を提供するものである。

【００２２】ドーパントを１０¹⁵ｃｍ^-3未満含有するノ
ンドープ層は、ドーパントを１０¹⁵ｃｍ^-3以上含有する
ドープ層に比べてレーザの反射率や熱伝導率が低い。し
たがって、レーザが照射されたノンドープ層は温度上昇
しやすく、比較的短時間で溶融し、溶融することにより
さらにレーザ吸収率が高まる。溶融したノンドープ層に
十分な熱量が貯えられると、次に熱伝導により多結晶シ
リコンまたは微結晶シリコンからなるドープ層に熱が伝
わり、多結晶シリコンまたは微結晶シリコンの温度が穏
やかに上昇し、ドープ層中のシリコン結晶粒の粗大化が
実現する。

【００２３】また、多結晶シリコンや微結晶シリコンは
熱伝導率が高いことから、ドープ層の深部までシリコン
結晶粒の粗大化が生じ、太陽電池として高い光電変換効
率を得るのに必要な、粒径の大きなシリコン結晶粒を含
むシリコン層の厚さが十分となる。さらに、溶融したノ
ンドープ層は、レーザ照射が終了するとドープ層への熱
が散逸するため穏やかに温度が下がり、ドープ層と同様
にシリコン結晶粒の粗大化が生じる。

【００２４】この方法によれば、上記と同様に、レーザ
照射を行うことのみにより、ノンドープ層の結晶粒の粗
大化と、ドープ層中のシリコン結晶粒の粗大化の両方が
実施されるため、結晶粒の粗大化に多くの工程を必要と
せず、高温長時間の熱処理も要求されない。したがっ
て、生産性を向上させることが可能になる。

【００２５】本発明における前記ノンドープ層の厚さ
は、０．０１〜０．５μｍであることが好ましい。ノン
ドープ層の厚さがこのような範囲にある場合は、レーザ
光による加熱によりこの層全体が比較的短時間に溶融す
るため、ドープ層における結晶粒の粗大化が促進される
傾向にある。

【００２６】また、本発明においては、前記レーザは、
パルス幅３０〜５０ナノ秒のエキシマレーザであり、前
記照射は、１００〜１０００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー
密度で実施されることが好ましい。レーザがこのような
パルス幅を有するエキシマレーザであり、該エキシマレ
ーザが上記のようなエネルギー密度で照射される場合に
おいては、結晶性シリコン層やドープ層における結晶粒
の粗大化が短時間化し、生産性がより向上する傾向にあ
る。

【００２７】本発明は、また、（１）第１の電極と絶縁
層とを備えた基板と、（２）該基板上に形成された、多
結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる結晶性シリ
コン層と、（３）該結晶性シリコン層上に形成された、
粗大化されたシリコン結晶粒を有する結晶性シリコン層
と、（４）該粗大化されたシリコン結晶粒を有する結晶
性シリコン層上に形成された、第２の電極とを備えるこ
とを特徴とする半導体素子を提供するものである。本発
明の半導体素子は、このような構成を有するものである
ため太陽電池用に用いたときに高い光電変換能率を発揮
する。

【００２８】本発明の半導体素子においては、前記結晶
性シリコン層におけるシリコン結晶粒の平均粒径は５〜
５０ｎｍであり、前記粗大化されたシリコン結晶粒を有
する結晶性シリコン層におけるシリコン結晶粒の平均粒
径は５０ｎｍ〜５００μｍであることが好ましい。本発
明の半導体素子が、このような構成を有するものである
場合は、太陽電池用に用いたとき光電変換能率がより高
くなる傾向にある。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の半導体素子の製造方法
は、基板上に、多結晶シリコンまたは微結晶シリコンか
らなる結晶性シリコン層を形成する工程と、前記結晶性
シリコン層上にアモルファスシリコン層を形成する工程
と、前記アモルファスシリコン層表面にレーザを照射し
て、前記結晶性シリコン層中のシリコン結晶粒を粗大化
させるとともに、前記アモルファスシリコン層を結晶化
させる工程とを含むものである。

【００３０】本発明においては、まず、基板上に、多結
晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる結晶性シリコ
ン層を形成するが、この結晶性シリコン層の形成方法は
特に制限されない。例えば、真空蒸着、スパッタ蒸着、
イオンプレーティング等のＰＶＤ法；熱ＣＶＤ、光ＣＶ
Ｄ、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法等、公知の方法が適用
可能である。

【００３１】本発明で用いられる基板の種類は特に制限
されず、例えば、シリコン基板、セラミックス基板、ス
テンレス鋼基板等を好適に用いることができる。また、
本発明において多結晶シリコンとは、平均粒径が５０ｎ
ｍ以上２５０μｍ以下のシリコン結晶粒を有する結晶性
シリコンを意味し、微結晶シリコンとは、平均粒径が５
ｎｍ以上５０ｎｍ未満のシリコン結晶粒を有する結晶性
シリコンを意味する。また、多結晶シリコンまたは微結
晶シリコンは、ドーパントを実質的に含有しないシリコ
ンであっても、周期律表第III族の元素をドーパントと
して含むｐ型のシリコンや周期律表Ｖ族の元素をドーパ
ントとして含むｎ型のシリコンであってもよい。

【００３２】ここで、ドーパントを実質的に含有しない
シリコンとは、ドーパントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3未満
であるシリコンをいう。すなわち、ドーパントの含有量
が０のシリコン、または、ドーパントを含有する場合は
その濃度が１０¹⁵ｃｍ^-3未満であるシリコンをいう。ド
ーパントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3未満であるシリコン
は、ＣＶＤ法を用いる場合は、ドーパントガスをモノシ
ランガスに対して１ｐｐｍ未満とした混合ガスを用いる
ことにより得ることができる。

【００３３】また、基板上に形成される結晶性シリコン
層中のシリコン結晶粒の平均粒径が５０ｎｍ以上２５０
μｍ以下となるように、多結晶シリコンからなる結晶性
シリコン層を形成するためには、例えば、基板温度を６
００〜９００℃としＣＶＤ法によりモノシランガス等を
基板表面に堆積成長させればよい。また、基板上に形成
される結晶性シリコン層中のシリコン結晶粒の平均粒径
が５ｎｍ以上５０ｎｍ未満となるように、微結晶シリコ
ンからなる結晶性シリコン層を形成するためには、例え
ば、基板温度を４５０〜６００℃としＣＶＤ法によりモ
ノシランガス等を基板表面に堆積成長させればよい。

【００３４】基板上に形成される、多結晶シリコンまた
は微結晶シリコンからなる結晶性シリコン層の厚さは、
１〜１０μｍであることが好ましく、１．５〜３μｍで
あることがより好ましい。結晶性シリコン層の厚さが１
μｍ未満である場合は、膜厚が太陽電池として不適とな
る傾向にあり、１０μｍを超す場合は使用するシリコン
量が増加し低価格化がはかれなくなる傾向にある。

【００３５】基板上に、上記のようにして結晶性シリコ
ン層を形成した後、該結晶性シリコン層上にアモルファ
スシリコン層を形成する。

【００３６】ここで、アモルファスシリコン層を形成す
るアモルファスシリコンは、ドーパントを実質的に含ま
ないシリコンであっても、周期律表第III族の元素をド
ーパントとして含むｐ型のシリコンや周期律表Ｖ族の元
素をドーパントとして含むｎ型のシリコンであってもよ
い。ここで、ドーパントを実質的に含まないシリコンと
は、上記と同様に、ドーパントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3
未満であるものをいう。なお、アモルファスシリコン層
がドーパントを含む場合は、そのドーパントの種類は結
晶性シリコン層のドーパントの種類と同様であることが
好ましい。

【００３７】本発明において、アモルファスシリコン層
の厚さは、０．０１〜０．５μｍであることが好まし
く、０．１〜０．３μｍであることがより好ましい。ア
モルファスシリコン層の厚さが０．０１μｍ未満である
場合は、レーザを照射したときに溶融するアモルファス
シリコンの量が少なすぎて貯えられる熱量が少なくなる
ために、多結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる
結晶性シリコン層に伝達する熱量が不足して、シリコン
結晶粒の粗大化が不十分となる傾向にある。一方、アモ
ルファスシリコン層の厚さが０．５μｍを超える場合
は、レーザ照射の照射エネルギーを向上させたり、照射
時間を長くする必要が生じ、生産性が悪化したり低価格
化が困難になる傾向にある。

【００３８】結晶性シリコン層上にアモルファスシリコ
ン層を形成する方法は特に制限されず、上記のようなＰ
ＶＤ法やＣＶＤ法が好適に適用可能である。例えば、Ｃ
ＶＤ法により基板上に結晶性シリコン層を形成した後
に、引き続きＣＶＤ法によりアモルファスシリコン層を
形成する場合においては、結晶性シリコン層が形成され
た基板を冷却して、０〜５０℃に保つようにすればよ
い。

【００３９】このようにして、基板上に結晶性シリコン
層およびアモルファスシリコン層をこの順に形成した
後、アモルファスシリコン層の表面にレーザを照射し、
前記結晶性シリコン層中のシリコン結晶粒を粗大化させ
るとともに、前記アモルファスシリコン層を結晶化させ
る。

【００４０】ここで、シリコン結晶粒の粗大化とは、シ
リコン結晶粒の平均粒径を２倍以上にすることを意味す
る。本発明において、結晶性シリコン層は多結晶シリコ
ンまたは微結晶シリコンからなり、上述のように、多結
晶シリコンは５０ｎｍ以上２５０μｍ以下のシリコン結
晶粒を有し、微結晶シリコンは５ｎｍ以上５０ｎｍ未満
のシリコン結晶粒を有するものであるから、結晶性シリ
コン層におけるシリコン結晶粒は、５ｎｍ〜２５０μｍ
の範囲の平均粒径を有する。粗大化によりシリコン結晶
粒の平均粒径を２倍以上にした場合、シリコン結晶粒の
平均粒径は１０ｎｍ〜５００μｍとなる。本発明におい
ては、粗大化されたシリコン結晶粒は５０ｎｍ〜５００
μｍの平均粒径を有していることが好ましい。

【００４１】アモルファスシリコン層表面に照射するレ
ーザは特に制限されないが、エキシマレーザであること
が好ましい。エキシマレーザとしては、希ガスダイマエ
キシマレーザ、希ガスハライドエキシマレーザ、希ガス
酸素エキシマレーザ、水銀ハライドエキシマレーザ等を
用いることができ、なかでも、出力と効率の観点からＫ
ｒＦエキシマレーザ等の希ガスハライドエキシマレーザ
を用いることが好ましい。

【００４２】アモルファスシリコン層表面にレーザを照
射する場合において、上記のようなエキシマレーザであ
って、パルス幅が３０〜５０ナノ秒であるものを、１０
０〜１０００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度で照射する
ことが好ましい。パルス幅３０〜５０ナノ秒である場
合、エネルギー密度は２５０〜６００ｍＪ／ｃｍ²であ
ることがより好ましい。エネルギー密度が１００ｍＪ／
ｃｍ²未満である場合は、アモルファスシリコン層の溶
融が長時間化する傾向にあり、１０００ｍＪ／ｃｍ²を
超す場合は、シリコン層全体が溶融し、シリコン層が島
状となり層が破壊する傾向にある。

【００４３】アモルファスシリコン層表面にレーザを照
射することにより、アモルファスシリコン層は比較的短
時間に溶融し、溶融したアモルファスシリコン層に十分
な熱量が貯えられると、熱伝導により多結晶シリコンま
たは微結晶シリコンからなる結晶性シリコン層に熱が伝
わり、結晶性シリコン層中のシリコン結晶粒の粗大化が
実現する。このとき、シリコン結晶粒の粗大化は、アモ
ルファスシリコン層表面から０．８〜２．０μｍの深さ
まで生じることが好ましく、１〜１．５μｍの深さまで
生じることがより好ましい。粗大化が上記の範囲内であ
る場合は、得られる半導体素子を太陽電池に応用した場
合において、光電変換効率が上昇する傾向にある。

【００４４】上述した半導体素子の製造方法に対して、
例えば、以下のような新たな工程を付加することが可能
である。この方法により得られる半導体素子は、例え
ば、太陽電池用シリコン半導体素子として好適に用いる
ことができる。

【００４５】すなわち、（１）基板上に、第１導電型ド
ーパントがドープされた、多結晶シリコンまたは微結晶
シリコンからなる第１の結晶性シリコン層を形成する工
程と、（２）前記第１の結晶性シリコン層上に、前記第
１導電型ドーパントがドープされたアモルファスシリコ
ン層を形成する工程と、（３）前記アモルファスシリコ
ン層表面にレーザを照射して、前記第１の結晶性シリコ
ン層中のシリコン結晶粒を粗大化させるとともに、前記
アモルファスシリコン層を結晶化させる工程と、（４）
前記アモルファスシリコン層上に、第２導電型ドーパン
トがドープされた、多結晶シリコンまたは微結晶シリコ
ンからなる第２の結晶性シリコン層を形成する工程と、
（５）前記第２の結晶性シリコン層表面にレーザを照射
する工程とを含む方法を実施しｐｎ接合を形成させ、さ
らに、第２の結晶性シリコン層上に櫛形電極等を形成さ
せ、基板に裏面電極などを蒸着させることにより、太陽
電池用シリコン半導体素子を得ることができる。ここ
で、第１導電型ドーパントと第２導電型ドーパントのう
ち、一方は、周期律表第III族の元素とし、他方は、周
期律表Ｖ族の元素とすればよい。

【００４６】以上説明したように、上記の方法にしたが
って、アモルファスシリコン層表面にレーザを照射する
と、アモルファスシリコンが溶融するが、レーザを照射
する面をアモルファスシリコンからなる層ではなく、多
結晶シリコン、微結晶シリコンまたは単結晶シリコンか
らなる層とした場合は、これらの層はレーザ照射によっ
て容易に溶融しない。これは、アモルファスシリコンの
熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ程度であることに比べて、多結
晶シリコンや微結晶シリコンはその数倍から１０倍程度
の熱伝導率を有し、また、単結晶シリコンは１００〜２
５０Ｗ／ｍＫと非常に大きな熱伝導率を有しており、レ
ーザ照射により付与された熱エネルギーが容易に散逸す
るからである。

【００４７】アモルファスシリコン層の一部がレーザ照
射により溶融すると、熱伝導率は５６０Ｗ／ｍＫとなり
熱が伝わりやすい状態になるため、アモルファスシリコ
ン層が均等に溶融し、熱がアモルファスシリコン層の下
層に存在する多結晶シリコンまたは微結晶シリコンから
なる結晶性シリコン層に伝わり温度が上昇する。この層
の熱容量はアモルファスシリコン層のものよりも大きい
ため溶融するには至らないが、シリコン結晶粒を粗大化
するには十分な温度上昇が得られ、シリコン結晶粒の平
均粒径が増大する。

【００４８】したがって、多結晶シリコン層の上に微結
晶シリコン層の表面層を設けて微結晶シリコン層に対し
てレーザ照射した場合、微結晶シリコン層の上に多結晶
シリコン層の表面層を設けて多結晶シリコン層に対して
レーザ照射した場合、さらには、多結晶シリコンまたは
微結晶シリコンからなる層の上に、単結晶シリコン層の
表面層を設けて単結晶シリコン層に対してレーザ照射し
た場合は、いずれも表面層が容易に溶解せず熱を貯えな
いために、表面層の下層に存在するシリコン結晶粒を粗
大化することができない。

【００４９】また、上記のように基板上に設ける層を二
層化せず、基板上にアモルファスシリコン層のみを形成
した場合には、アモルファスシリコンの熱伝導率が低い
ため、レーザ照射によりアモルファスシリコン層の表面
付近だけの温度上昇しか得られず、基板付近はアモルフ
ァスシリコンのままとなり、例えば、太陽電池としての
性能が低下する。また、基板上に設ける層を、微結晶シ
リコン層または多結晶シリコン層のみの単層とした場合
は、熱伝導率やレーザ反射率が高いため、高いエネルギ
ー密度でのレーザ照射が必要になり、表面溶融時に急速
にレーザ光の吸収率が高くなり、膜全体の温度コントロ
ールが困難になる。

【００５０】本発明は、上述の方法に加え、さらに以下
の方法を提供するものである。すなわち、（１）基板上
に、ドーパントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3以上である、多
結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなるドープ層を
形成する工程と、（２）前記ドープ層上に、ドーパント
の含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3未満である、多結晶シリコンま
たは微結晶シリコンからなるノンドープ層を形成する工
程と、（３）前記ノンドープ層表面にレーザを照射し
て、前記ノンドープ層および前記ドープ層中のシリコン
結晶粒を粗大化させる工程とを含むことを特徴とする半
導体素子の製造方法を提供するものである。

【００５１】ここで、多結晶シリコンおよび微結晶シリ
コンの定義は上述の通りであり、前者は、平均粒径が５
０ｎｍ以上２５０μｍ以下のシリコン結晶粒を有する結
晶性シリコンを意味し、後者は、平均粒径が５ｎｍ以上
５０ｎｍ未満のシリコン結晶粒を有する結晶性シリコン
を意味する。また、ドーパントしては、ホウ素やアルミ
ニウム等周期律表第III族の元素、リンや砒素等の周期
律表Ｖ族の元素を用いることができる。本発明におい
て、ドープ層のドーパントの含有量は１０¹⁵ｃｍ ^-3以上
であるが、ドープ層のドーパントの含有量は、１０¹⁷〜
１０¹⁹ｃｍ^-3であることが好ましい。

【００５２】基板上に、ドーパントを含有する、多結晶
シリコンまたは微結晶シリコンからなるドープ層を形成
する方法は特に制限されず、上記のようなＰＶＤ法やＣ
ＶＤ方が好適に適用可能である。

【００５３】基板上に形成されるドープ層中のシリコン
結晶粒の平均粒径が５０ｎｍ以上２５０μｍ以下となる
ように、多結晶シリコンからなるｐ型のドープ層を形成
するためには、例えば、基板温度を６００〜９００℃と
しＣＶＤ法によりモノシランおよびジボランの混合ガス
を基板表面に堆積成長させればよい。また、基板上に形
成されるドープ層中のシリコン結晶粒の平均粒径が５ｎ
ｍ以上５０ｎｍ未満となるように、微結晶シリコンから
なるｐ型のドープ層を形成するためには、例えば、基板
温度を４５０〜６００℃としＣＶＤ法によりモノシラン
およびジボランの混合ガスを基板表面に堆積成長させれ
ばよい。

【００５４】基板上に形成される、ドープ層の厚さは、
１〜１０μｍであることが好ましく、１．５〜３μｍで
あることがより好ましい。ドープ層の厚さが１μｍ未満
である場合は、膜厚が太陽電池として不適となる傾向に
あり、１０μｍを超す場合は使用するシリコン量が増加
し低価格化がはかれなくなる傾向にある。

【００５５】基板に、上記のようにしてドープ層を形成
した後、該ドープ層上に、ドーパントの含有量が１０¹⁵
ｃｍ^-3未満である、多結晶シリコンまたは微結晶シリコ
ンからなるノンドープ層を形成する。

【００５６】本発明において、ノンドープ層とは、ドー
パントの含有量が０の、多結晶シリコンまたは微結晶シ
リコンからなるシリコン層、または、ドーパントを含有
する場合はその濃度が１０¹⁵ｃｍ^-3未満である、多結晶
シリコンまたは微結晶シリコンからなるシリコン層をい
う。

【００５７】ドープ層上にノンドープ層を形成する方法
は特に制限されず、上記のようなＰＶＤ法やＣＶＤ法が
好適に適用可能である。ＣＶＤ法により基板上にドープ
層を形成した後に、引き続きＣＶＤ法によりノンドープ
層を形成する場合は、例えば、基板の加熱温度はそのま
まにして、形成されるノンドープ層中のドーパントの含
有量が１０¹⁵ｃｍ^-3未満となるように、モノシランガス
とドーパントガスとの比率を調製すればよい。

【００５８】形成されるノンドープ層中のドーパントの
含有量を１０¹⁵ｃｍ^-3未満とするためには、ＣＶＤ法を
用いる場合は、モノシランガスに対して添加するドーパ
ントガスの比率を、モノシランガスの１ｐｐｍ未満にす
ればよい。

【００５９】本発明において、ノンドープ層の厚さは、
０．０１〜０．５μｍであることが好ましく、０．１〜
０．３μｍであることがより好ましい。ノンドープ層の
厚さが０．０１μｍ未満である場合は、レーザを照射し
たときに溶融するシリコンの量が少なすぎて貯えられる
熱量が少なくなるために、ドープ層に伝達する熱量が不
足して、シリコン結晶粒の粗大化が不十分となる傾向に
ある。一方、ノンドープ層の厚さが０．５μｍを超える
場合は、レーザ照射の照射エネルギーを向上させたり、
照射時間を長くする必要が生じ、生産性が悪化したり低
価格化が困難になる傾向にある。

【００６０】このようにして、基板上にドープ層および
ノンドープ層をこの順に形成した後、ノンドープ層の表
面にレーザを照射し、前記ドープ層およびノンドープ層
中のシリコン結晶粒を粗大化させる。

【００６１】ここで、シリコン結晶粒の粗大化の定義、
および粗大化後のシリコン結晶粒の好適な平均粒径は上
記と同様である。また、ノンドープ層に照射するレーザ
としては、上述のような種類のエキシマレーザが好適に
用いられる。

【００６２】ノンドープ層表面にレーザを照射する場合
において、上記のようなエキシマレーザであって、パル
ス幅が３０〜５０ナノ秒であるものを、１００〜１００
０ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度で照射することが好ま
しい。パルス幅３０〜５０ナノ秒である場合、エネルギ
ー密度は２５０〜６００ｍＪ／ｃｍ²であることがより
好ましい。エネルギー密度が２５０ｍＪ／ｃｍ²未満で
ある場合は、ノンドープ層の溶融が長時間化する傾向に
あり、１０００ｍＪ／ｃｍ²を超す場合は、シリコン層
全体が溶融しシリコン層が島状となり層が破壊する傾向
にある。

【００６３】ノンドープ層表面にレーザを照射すると、
ノンドープ層はドープ層に比べてレーザの反射率や熱伝
導率が低いために、ノンドープ層は温度上昇して比較的
短時間で溶融する。溶融したノンドープ層に十分な熱量
が貯えられると、次に熱伝導によりドープ層に熱が伝わ
り、ドープ層中のシリコン結晶粒の粗大化が実現する。
このとき、シリコン結晶粒の粗大化は、ノンドープ層表
面から０．８〜２．０μｍの深さまで生じることが好ま
しく、１〜１．５μｍの深さまで生じることがより好ま
しい。粗大化が上記の範囲内である場合は、得られる半
導体素子を太陽電池に応用した場合において、光電変換
効率が上昇する傾向にある。

【００６４】上述した半導体素子の製造方法に対して、
例えば、以下のような新たな工程を付加することが可能
である。この方法により得られる半導体素子は、例え
ば、太陽電池用シリコン半導体素子として好適に用いる
ことができる。

【００６５】すなわち、（１）基板上に、第１導電型ド
ーパントを１０¹⁵ｃｍ^-3以上含有する、多結晶シリコン
または微結晶シリコンからなるドープ層を形成する工程
と、（２）前記ドープ層上に、前記第１導電型ドーパン
トの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3未満である、多結晶シリコン
または微結晶シリコンからなるノンドープ層を形成する
工程と、（３）前記ノンドープ層表面にレーザを照射し
て、前記ノンドープ層および前記ドープ層中のシリコン
結晶粒を粗大化させる工程と、（４）前記ノンドープ層
に第２導電型ドーパントをイオン注入する工程とを含む
方法を実施しｐｎ接合を形成させ、さらに、第２導電型
ドーパントをイオン注入した後のノンドープ層上に櫛形
電極等を形成させ、基板に裏面電極などを蒸着させるこ
とにより、太陽電池用シリコン半導体素子を得ることが
できる。ここで、第１導電型ドーパントと第２導電型ド
ーパントのうち、一方は、周期律表第III族の元素と
し、他方は、周期律表Ｖ族の元素とすればよい。

【００６６】上記の方法にしたがって、ノンドープ層表
面にレーザを照射するとノンドープ層が溶融する。ノン
ドープ層が溶融すると熱伝導率は上昇し、熱がノンドー
プ層の下層に存在するドープ層に伝わりドープ層のシリ
コン結晶粒の平均粒径が増大する。レーザを照射する面
がノンドープ層ではなくドープ層である場合は、レーザ
照射によって容易に溶融することはない。これは、ドー
プ層はノンドープ層に比較してレーザの反射率や熱伝導
率が高いため、レーザ照射により付与された熱エネルギ
ーが容易に散逸するからである。したがって、ノンドー
プ層の上にドープ層を設けてドープ層に対してレーザ照
射を行っても、ノンドープ層およびドープ層におけるシ
リコン結晶粒を粗大化させることは困難である。また、
基板上にドープ層のみの単層を形成しても上記と同様の
結果となる。基板上にノンドープ層のみの単層を形成し
た場合は、基板上にアモルファスシリコン層のみの単層
を形成した場合と同様に、ノンドープ層の低熱伝導率の
ため、レーザ照射によりノンドープ層の表面付近だけが
温度上昇して基板付近はシリコン結晶粒の粗大化が起こ
らず、得られる半導体素子を太陽電池用に用いた場合十
分な性能が得られない。

【００６７】以上説明したように、レーザ照射によるシ
リコン結晶粒の粗大化は、基板上にシリコンの単層を形
成するのみでは困難であり、また、基板上に異なるシリ
コン層を二層形成した場合であっても、本発明のような
特定の組み合わせとすることが必要になる。すなわち、
多結晶シリコンまたは微結晶シリコンからなる結晶性シ
リコン層上にアモルファスシリコン層を形成し、該アモ
ルファスシリコン層表面にレーザ照射するか、ドーパン
トの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3以上である多結晶シリコンま
たは微結晶シリコンからなるドープ層上に、ドーパント
の含有量が１０ ¹⁵ｃｍ^-3未満である多結晶シリコンまた
は微結晶シリコンからなるノンドープ層を形成し、該ノ
ンドープ層表面にレーザ照射するすることにより、シリ
コン結晶粒の粗大化が可能となる。

【００６８】上述した本発明の半導体素子の製造方法に
より、以下のような構成を有した半導体素子を得ること
ができる。すなわち、（１）第１の電極と絶縁層とを備
えた基板と、（２）該基板上に形成された、多結晶シリ
コンまたは微結晶シリコンからなる結晶性シリコン層
と、（３）該結晶性シリコン層上に形成された、粗大化
されたシリコン結晶粒を有する結晶性シリコン層と、
（４）該粗大化されたシリコン結晶粒を有する結晶性シ
リコン層上に形成された、第２の電極とを備えるた半導
体素子を得ることができる。

【００６９】このような構成を有した半導体素子は、高
い光電変換効率を発揮する太陽電池として用いることが
できる。この場合において、上記第１の電極は裏面電極
となり上記第２の電極は表面電極となる。なお、第２の
電極は櫛歯状に形成して櫛形電極とすることができる。
上記絶縁層としては、ガラス基板やセラミックス基板用
いられる。また、粗大化されたシリコン結晶粒を有する
結晶性シリコン層の厚さは、０．８〜２．０μｍである
ことが好ましく、１〜１．５μｍであることがより好ま
しい。ここで、多結晶シリコン、微結晶シリコン、およ
び粗大化の定義は上記と同様である。

【００７０】本発明の半導体素子においては、前記結晶
性シリコン層におけるシリコン結晶粒の平均粒径は５〜
５０ｎｍであり、前記粗大化されたシリコン結晶粒を有
する結晶性シリコン層におけるシリコン結晶粒の平均粒
径は５０ｎｍ〜５００μｍであることが好ましい。この
ような構成にすることにより、本発明の半導体素子を太
陽電池に用いた場合の光電変換効率をより高くすること
ができる。

【００７１】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例についてさらに
詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。

【００７２】まず、基板上に形成された各種シリコン層
のレーザ光に対する反射率の測定を行った（参考例１〜
８）。

【００７３】（参考例１〜８）表１に示すような組成の
モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスとジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガス
または水素（Ｈ₂）ガスの混合ガス、もしくはモノシラ
ン（ＳｉＨ₄）ガスの単独ガスを用いて、プラズマＣＶ
Ｄ法によりシリコン基板上に多結晶シリコンまたは微結
晶シリコンからなる結晶性シリコン層を形成させた。

【００７４】

【表１】

【００７５】これらの結晶性シリコン層表面に対して波
長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを照射し反射率
（％）を測定した。得られた結果を図１に示す。なお、
図１にはシリコン単結晶表面、およびシリコン基板上に
プラズマＣＶＤ法により形成されたアモルファスシリコ
ン層表面に対する波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレー
ザの反射率も示した。

【００７６】図１に示されるように、１ｐｐｍ以上のジ
ボランガスを含むモノシランガスを用いて形成された緻
密な微結晶シリコン層表面、アモルファスシリコン層表
面、およびシリコン単結晶表面の上記ＫｒＦエキシマレ
ーザの反射率は６０％以上であったのに対して、１ｐｐ
ｍ未満のジボランガスを含むモノシランガスを用いて形
成された微結晶シリコン層表面、モノシランガスのみか
ら形成された多結晶シリコン層表面、およびモノシラン
と水素の混合ガスから形成された多結晶シリコン層表面
は上記ＫｒＦエキシマレーザの反射率は４０％以下であ
った。一般に、モノシランガスに含まれるジボランガス
などの含有量が大きくなるにつれて、得られるシリコン
層の緻密性は向上する。図１に示した結果は、緻密性が
高い多結晶または微結晶シリコン層表面は反射率が大き
くなることを示しており、反射率が大きくなると一般に
吸収率が低下するから、シリコン層の緻密性が向上する
にしたがって、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ
による溶融が困難になることを示唆している。

【００７７】次に、シリコン結晶粒の粗大化の実験を行
った（実施例１〜１１、比較例１〜２）。

【００７８】（実施例１）モノシラン（ＳｉＨ₄）ガス
とジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスの混合ガス（モノシランガス
に対して２ｐｐｍのジボランガスを含有）を用い、ＣＶ
Ｄ法によりシリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シ
リコン層を形成した。このとき、シリコン基板の温度を
８００℃に維持して２時間製膜を行った。次いで、シリ
コン基板の温度を室温まで低下させ１０分製膜すること
により、ｐ型微結晶シリコン層上に厚さ０．１μｍのｐ
型アモルファスシリコン層を形成し、半導体素子を得
た。

【００７９】得られた半導体素子の断面図を図２に示
す。図２に示されるように本実施例で得られた半導体素
子は、シリコン基板１上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリ
コン層２を有し、該ｐ型微結晶シリコン層２上に厚さ
０．１μｍのｐ型アモルファスシリコン層３を有してい
た。なお、ｐ型微結晶シリコン層２中のシリコン結晶粒
の平均粒径は、１０ｎｍであった。

【００８０】得られた半導体素子のｐ型アモルファスシ
リコン層表面に、パルス幅３０ナノ秒のＫｒＦエキシマ
レーザを照射した。このとき、照射したレーザのエネル
ギー密度は１００〜２００ｍＪ／ｃｍ²であり、アモル
ファスシリコン層表面での集光サイズは、１２ｍｍ×
１．７ｍｍであった。ＫｒＦエキシマレーザを照射した
後のレーザ照射部のｐ型アモルファスシリコン層の表面
形態をＦＥ−ＳＥＭで観察した。得られた走査型電子顕
微鏡写真を図３に示す。図３に示すように、ｐ型アモル
ファスシリコン層において平均粒径１００ｎｍのシリコ
ン結晶粒が観察された。次いで、レーザ照射部の断面を
ＦＥ−ＳＥＭで観察した。その結果、微結晶シリコン層
中において平均粒径１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察
され、レーザ照射前に比べてシリコン結晶粒が粗大化し
ていることが確かめられた。また、シリコン結晶粒の粗
大化はｐ型アモルファスシリコン層表面より０．８μｍ
の深さまで生成していた。

【００８１】（実施例２）シリコン基板の温度を室温ま
で低下させて製膜した時間を３０分とした他は実施例１
と同様にして、半導体素子を得た。得られた半導体素子
は、シリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン
層を有し、該微結晶シリコン層上に厚さ０．３μｍのｐ
型アモルファスシリコン層を有していた。このｐ型アモ
ルファスシリコン層表面に実施例１と同様にして、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザの照射を行った後、レーザ照射部のｐ
型アモルファスシリコン層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭで
観察した。

【００８２】その結果、ｐ型アモルファスシリコン層に
おいて平均粒径１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され
た。次いで、レーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察
した。その結果、微結晶シリコン層中において平均粒径
１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され、レーザ照射前
に比べてシリコン結晶粒が粗大化していることが確かめ
られた。また、シリコン結晶粒の粗大化はｐ型アモルフ
ァスシリコン層表面より０．８μｍの深さまで生成して
いた。

【００８３】（実施例３）シリコン基板の温度を室温ま
で低下させて製膜した時間を５０分とした他は実施例１
と同様にして、半導体素子を得た。得られた半導体素子
は、シリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン
層を有し、該微結晶シリコン層上に厚さ０．５μｍのｐ
型アモルファスシリコン層を有していた。このｐ型アモ
ルファスシリコン層表面に実施例１と同様にして、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザの照射を行った後、レーザ照射部のｐ
型アモルファスシリコン層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭで
観察した。

【００８４】その結果、ｐ型アモルファスシリコン層に
おいて平均粒径１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され
た。次いで、レーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察
した。その結果、微結晶シリコン層中において平均粒径
１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され、レーザ照射前
に比べてシリコン結晶粒が粗大化していることが確かめ
られた。また、シリコン結晶粒の粗大化はｐ型アモルフ
ァスシリコン層表面より０．８μｍの深さまで生成して
いた。

【００８５】（実施例４）シリコン基板の温度を室温ま
で低下させて製膜した時間を７０分とした他は実施例１
と同様にして、半導体素子を得た。得られた半導体素子
は、シリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン
層を有し、該微結晶シリコン層上に厚さ０．７μｍのｐ
型アモルファスシリコン層を有していた。このｐ型アモ
ルファスシリコン層表面に実施例１と同様にして、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザの照射を行った後、レーザ照射部のｐ
型アモルファスシリコン層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭで
観察した。

【００８６】その結果、ｐ型アモルファスシリコン層に
おいて平均粒径１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され
た。次いで、レーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察
した。その結果、微結晶シリコン層中において平均粒径
１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され、レーザ照射前
に比べてシリコン結晶粒が粗大化していることが確かめ
られた。しかしながら、実施例１〜３とは異なり、シリ
コン結晶粒の粗大化はアモルファスシリコン層表面より
０．５μｍの深さまでしか生成していなかった。

【００８７】（実施例５）シリコン基板の温度を室温ま
で低下させて製膜した時間を１００分とした他は実施例
１と同様にして、半導体素子を得た。得られた半導体素
子は、シリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコ
ン層を有し、該微結晶シリコン層上に厚さ１．０μｍの
ｐ型アモルファスシリコン層を有していた。このｐ型ア
モルファスシリコン層表面に実施例１と同様にして、Ｋ
ｒＦエキシマレーザの照射を行った後、レーザ照射部の
ｐ型アモルファスシリコン層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭ
で観察した。

【００８８】その結果、ｐ型アモルファスシリコン層に
おいて平均粒径１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され
た。次いで、レーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察
した。その結果、微結晶シリコン層中において平均粒径
１００ｎｍのシリコン結晶粒が観察され、レーザ照射前
に比べてシリコン結晶粒が粗大化していることが確かめ
られた。しかしながら、実施例１〜３とは異なり、シリ
コン結晶粒の粗大化はｐ型アモルファスシリコン層表面
より０．５μｍの深さまでしか生成していなかった。

【００８９】（実施例６）モノシラン（ＳｉＨ₄）ガス
とジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスの混合ガス（モノシランガス
に対して８ｐｐｍのジボランガスを含有）を用い、ＣＶ
Ｄ法によりシリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シ
リコン層（ドープ層）を形成した。このとき、シリコン
基板の温度を８００℃に維持して２時間製膜を行った。
また、得られたドープ層中におけるドーパント（ホウ
素）の濃度は、１０¹⁵ｃｍ^-3以上であった。次いで、シ
リコン基板の温度はそのままにして、モノシランガスの
みで１０分製膜することにより、ドープ層上に厚さ０．
１μｍのノンドープ層を形成し、半導体素子を得た。

【００９０】得られた半導体素子の断面図を図４に示
す。図４に示されるように本実施例で得られた半導体素
子は、シリコン基板１上に厚さ２μｍのドープ層４を有
し、該ドープ層４上に厚さ０．１μｍのノンドープ層５
を有していた。なお、ドープ層４中のシリコン結晶粒の
平均粒径は、１０ｎｍであった。

【００９１】得られた半導体素子のノンドープ層表面に
実施例１と同様にして、ＫｒＦエキシマレーザの照射を
行った後、レーザ照射部のノンドープ層の表面形態をＦ
Ｅ−ＳＥＭで観察した。得られた走査型電子顕微鏡写真
を図５に示す。図５に示すように、ノンドープ層におい
て平均粒径１５０ｎｍのシリコン結晶粒が観察された。
次いで、レーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察し
た。その結果、ドープ層中において平均粒径１００ｎｍ
のシリコン結晶粒が観察され、レーザ照射前に比べてシ
リコン結晶粒が粗大化していることが確かめられた。ま
た、シリコン結晶粒の粗大化はノンドープ層表面より
０．８μｍの深さまで生成していた。

【００９２】（実施例７）モノシランガスのみにして製
膜した時間を３０分とした他は実施例６と同様にして、
半導体素子を得た。得られた半導体素子は、シリコン基
板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコンからなるドープ
層（ドーパント濃度：１０¹⁵ｃｍ^-3以上）を有し、該ド
ープ層上に厚さ０．３μｍのノンドープ層を有してい
た。このノンドープ層表面に実施例１と同様にして、Ｋ
ｒＦエキシマレーザの照射を行った後、レーザ照射部の
ノンドープ層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭで観察した。

【００９３】その結果、ノンドープ層において平均粒径
１５０ｎｍのシリコン結晶粒が観察された。次いで、レ
ーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した。その結
果、ドープ層中において平均粒径１００ｎｍのシリコン
結晶粒が観察され、レーザ照射前に比べてシリコン結晶
粒が粗大化していることが確かめられた。また、シリコ
ン結晶粒の粗大化はノンドープ層表面より０．８μｍの
深さまで生成していた。

【００９４】（実施例８）モノシランガスのみにして製
膜した時間を５０分とした他は実施例６と同様にして、
半導体素子を得た。得られた半導体素子は、シリコン基
板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン層からなるドー
プ層（ドーパント濃度：１０¹⁵ｃｍ^-3以上）を有し、該
ドープ層上に厚さ０．５μｍのノンドープ層を有してい
た。このノンドープ層表面に実施例１と同様にして、Ｋ
ｒＦエキシマレーザの照射を行った後、レーザ照射部の
ノンドープ層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭで観察した。

【００９５】その結果、ノンドープ層において平均粒径
１５０ｎｍのシリコン結晶粒が観察された。次いで、レ
ーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した。その結
果、ドープ層中において平均粒径１００ｎｍのシリコン
結晶粒が観察され、レーザ照射前に比べてシリコン結晶
粒が粗大化していることが確かめられた。また、シリコ
ン結晶粒の粗大化はノンドープ層表面より０．８μｍの
深さまで生成していた。

【００９６】（実施例９）モノシランガスのみにして製
膜した時間を７０分とした他は実施例６と同様にして、
半導体素子を得た。得られた半導体素子は、シリコン基
板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン層からなるドー
プ層（ドーパント濃度：１０¹⁵ｃｍ^-3以上）を有し、該
ドープ層上に厚さ０．７μｍのノンドープ層を有してい
た。このノンドープ層表面に実施例１と同様にして、Ｋ
ｒＦエキシマレーザの照射を行った後、レーザ照射部の
ノンドープ層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭで観察した。

【００９７】その結果、ノンドープ層において平均粒径
１５０ｎｍのシリコン結晶粒が観察された。次いで、レ
ーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した。その結
果、ドープ層中において平均粒径１００ｎｍのシリコン
結晶粒が観察され、レーザ照射前に比べてシリコン結晶
粒が粗大化していることが確かめられた。しかしなが
ら、実施例６〜８とは異なり、シリコン結晶粒の粗大化
はノンドープ層表面より０．５μｍの深さまでしか生成
していなかった。

【００９８】（実施例１０）モノシランガスのみにして
製膜した時間を１００分とした他は実施例６と同様にし
て、半導体素子を得た。得られた半導体素子は、シリコ
ン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン層からなる
ドープ層（ドーパント濃度：１０¹⁵ｃｍ^-3以上）を有
し、該微結晶シリコン層上に厚さ１．０μｍのノンドー
プ層を有していた。このノンドープ層表面に実施例６と
同様にして、ＫｒＦエキシマレーザの照射を行った後、
レーザ照射部のアモルファスシリコン層の表面形態をＦ
Ｅ−ＳＥＭで観察した。

【００９９】その結果、ノンドープ層において平均粒径
１５０ｎｍのシリコン結晶粒が観察された。次いで、レ
ーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察した。その結
果、ドープ層中において平均粒径１００ｎｍのシリコン
結晶粒が観察され、レーザ照射前に比べてシリコン結晶
粒が粗大化していることが確かめられた。しかしなが
ら、実施例６〜８とは異なり、シリコン結晶粒の粗大化
はノンドープ層表面より０．５μｍの深さまでしか生成
していなかった。

【０１００】（実施例１１）モノシラン（ＳｉＨ₄）ガ
スとジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスの混合ガス（モノシランガ
スに対して８ｐｐｍのジボランガスを含有）を用い、Ｃ
ＶＤ法によりシリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶
シリコン層からなるドープ層（ドーパント濃度：１０¹⁵
ｃｍ^-3以上）を形成した。このとき、シリコン基板の温
度を８００℃に維持して２時間製膜を行った。次いで、
シリコン基板の温度はそのままにして、ジボランガスの
濃度をモノシランガスの０．１ｐｐｍにして１０分製膜
することにより、ドープ層上に厚さ０．１μｍのノンド
ープ層を形成し、半導体素子を得た。なお、ノンドープ
層中におけるドーパント（ホウ素）の濃度は、１０¹⁵ｃ
ｍ^-3未満であった。また、ドープ層中のシリコン結晶粒
の平均粒径は、１０ｎｍであった。

【０１０１】得られた半導体素子のノンドープ層表面に
実施例１と同様にして、ＫｒＦエキシマレーザの照射を
行った後、レーザ照射部のノンドープ層の表面形態をＦ
Ｅ−ＳＥＭで観察した。得られた走査型電子顕微鏡写真
を図６に示す。図６に示すように、ノンドープ層におい
て平均粒径１５０ｎｍのシリコン結晶粒が観察された。
次いで、レーザ照射部の断面をＦＥ−ＳＥＭで観察し
た。その結果、ドープ層中において平均粒径１００ｎｍ
のシリコン結晶粒が観察され、レーザ照射前に比べてシ
リコン結晶粒が粗大化していることが確かめられた。ま
た、シリコン結晶粒の粗大化はノンドープ層表面より
０．８μｍの深さまで生成していた。

【０１０２】（比較例１）モノシラン（ＳｉＨ₄）ガス
とジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスの混合ガス（モノシランガス
に対して８ｐｐｍのジボランガスを含有）を用い、ＣＶ
Ｄ法によりシリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シ
リコン層（ドーパント濃度：１０¹⁵ｃｍ^-3以上）を形成
し、半導体素子を得た。このとき、シリコン基板の温度
を８００℃に維持して２時間製膜を行った。得られた半
導体素子の断面図を図７に示す。図７に示されるように
本比較例で得られた半導体素子は、シリコン基板１上に
厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン層２を有していた。な
お、ｐ型微結晶シリコン層２中のシリコン結晶粒の平均
粒径は、１０ｎｍであった。

【０１０３】得られた半導体素子のｐ型微結晶シリコン
層表面に実施例１と同様にして、ＫｒＦエキシマレーザ
の照射を行った後、レーザ照射部の微結晶シリコン層の
表面形態をＦＥ−ＳＥＭで観察した。得られた走査型電
子顕微鏡写真を図８に示す。図８に示すように、ｐ型微
結晶シリコン層において観察されたシリコン結晶粒の平
均粒径は１０ｎｍであり、シリコン結晶粒の粗大化が生
じていないことがわかった。

【０１０４】（比較例２）モノシラン（ＳｉＨ₄）ガス
とジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスの混合ガス（モノシランガス
に対して８ｐｐｍのジボランガスを含有）を用い、ＣＶ
Ｄ法によりシリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型の第１微
結晶シリコン層（ドーパント濃度：１０¹⁵ｃｍ^-3以上）
を形成した。このとき、シリコン基板の温度を８００℃
に維持して２時間製膜を行った。次いで、シリコン基板
の温度はそのままにして、ジボランガスの濃度をモノシ
ランガスの１ｐｐｍにして１０分製膜することにより、
ｐ型の第１微結晶シリコン層上に厚さ０．１μｍのｐ型
の第２微結晶シリコン層（ドーパント濃度：１０¹⁵ｃｍ
^-3以上）を形成し、半導体素子を得た。なお、第１およ
び第２微結晶シリコン層中のシリコン結晶粒の平均粒径
は、１０ｎｍであった。

【０１０５】得られた半導体素子の第２微結晶シリコン
層表面に、実施例１と同様にして、ＫｒＦエキシマレー
ザの照射を行った後、レーザ照射部の第２微結晶シリコ
ン層の表面形態をＦＥ−ＳＥＭで観察した。その結果、
第２微結晶シリコン層中に平均粒径１０ｎｍのシリコン
結晶粒が観察された。次いで、レーザ照射部の断面をＦ
Ｅ−ＳＥＭで観察した。その結果、第１微結晶シリコン
層中においても平均粒１０ｎｍのシリコン結晶粒が観察
された。したがって、第１および第２微結晶シリコン層
においてはシリコン結晶粒の粗大化が生じていないこと
がわかった。

【０１０６】上記の実施例１〜５の結果から、多結晶シ
リコンまたは微結晶シリコンからなる結晶性シリコン層
上にアモルファスシリコン層を形成し、該アモルファス
シリコン層表面にレーザを照射することにより、結晶性
シリコン層中のシリコン結晶粒が粗大化するとともに、
アモルファスシリコン層が結晶化することが示された。
また、アモルファスシリコン層の厚さが０．５μｍを超
える場合は、シリコン結晶粒が粗大化する部分はアモル
ファスシリコン層表面から約０．５μｍの範囲となるこ
とがわかった。一方、アモルファスシリコン層の厚さが
０．５μｍ以下である場合は、アモルファスシリコン層
表面から深部にわたってシリコン結晶粒の粗大化が生じ
ることがわかった。

【０１０７】また、上記の実施例６〜１１の結果から、
ドーパントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3以上である、多結晶
シリコンまたは微結晶シリコンからなるドープ層上に、
ドーパントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3未満である、多結晶
シリコンまたは微結晶シリコンからなるノンドープ層を
形成し、該ノンドープ層表面にレーザを照射することに
より、ノンドープ層およびドープ層中のシリコン結晶粒
が粗大化することが示された。また、ノンドープ層の厚
さが０．５μｍを超える場合は、シリコン結晶粒が粗大
化する部分はノンドープ層表面から約０．５μｍの範囲
となることがわかった。一方、ノンドープ層の厚さが
０．５μｍ以下である場合は、ノンドープ層表面から深
部にわたってシリコン結晶粒の粗大化が生じることがわ
かった。

【０１０８】また、比較例１〜２の結果から、基板上に
微結晶シリコンの単層を形成した場合や、基板上にドー
パントの含有量が異なる微結晶シリコン層を２層形成し
た場合（いずれの層もドーパント濃度が１０¹⁵ｃｍ^-3以
上）は、レーザ照射によりシリコン結晶粒の粗大化は生
じないことがわかった。

【０１０９】次に、本発明の方法にしたがって太陽電池
を作製し、その性能評価を行った（実施例１２〜２
０）。

【０１１０】（実施例１２）本実施例における太陽電池
の作製方法を図面（図９）を参照しつつ説明する。すな
わち、モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスとジボラン（Ｂ
₂Ｈ₆）ガスの混合ガス（モノシランガスに対して８ｐｐ
ｍのジボランガスを含有）を用い、ＣＶＤ法によりシリ
コン基板１上に厚さ２μｍのｐ型微結晶シリコン層２を
形成した。このとき、シリコン基板１の温度を８００℃
に維持して２時間製膜を行った。次いで、シリコン基板
１の温度を室温まで低下させ１０分製膜することによ
り、ｐ型微結晶シリコン層２上に厚さ０．１μｍのｐ型
アモルファスシリコン層を形成した。次に、ｐ型アモル
ファスシリコン層表面に、エネルギー密度５００ｍＪ／
ｃｍ²の照射条件でパルス幅３０ナノ秒のＫｒＦエキシ
マレーザを照射し、シリコン結晶粒の粗大化を行った。

【０１１１】リンを含む雰囲気下で、基板温度を８００
℃としてモノシランガスを用いて２０分製膜することに
より、厚さ０．３μｍのｎ型微結晶シリコン層１０を形
成し、このｎ型微結晶シリコン層１０表面に対して、エ
ネルギー密度５００ｍＪ／ｃｍ²の照射条件でパルス幅
３０ナノ秒のＫｒＦエキシマレーザを照射し、シリコン
結晶粒の粗大化を行った。

【０１１２】次いで、フォトリソグラフでレジストを用
いてｎ型微結晶シリコン層１０の上に櫛形パターンを形
成し、これにアルミニウムを蒸着することにより櫛形電
極１２を形成した。さらに、シリコン基板１に裏面電極
１４を蒸着して太陽電池を作製した。

【０１１３】（実施例１３〜１５）シリコン基板の温度
を室温まで低下させ製膜した時間を３０分、５０分、７
０分とし、ｐ型微結晶シリコン層上に、それぞれ厚さ
０．３μｍ、０．５μｍ、０．７μｍのｐ型アモルファ
スシリコン層を形成した他は、実施例１２と同様にして
太陽電池を作製した。

【０１１４】（実施例１６）モノシラン（ＳｉＨ₄）ガ
スとジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスの混合ガス（モノシランガ
スに対して１２ｐｐｍのジボランガスを含有）を用い、
ＣＶＤ法によりシリコン基板上に厚さ２μｍのｐ型微結
晶シリコン層（ドープ層）を形成した。このとき、シリ
コン基板の温度を８００℃に維持して２時間製膜を行っ
た。また、得られたドープ層中におけるドーパント（ホ
ウ素）の濃度は、１０¹⁵ｃｍ^-3以上であった。次いで、
シリコン基板の温度はそのままにして、ジボランガスの
濃度をモノシランガスの０．１ｐｐｍにして１０分製膜
することにより、ドープ層上に厚さ０．１μｍのノンド
ープ層を形成した。なお、ノンドープ層中におけるドー
パント（ホウ素）の濃度は、１０¹⁵ｃｍ^-3未満であっ
た。

【０１１５】次に、ノンドープ層表面に、エネルギー密
度５００ｍＪ／ｃｍ²の照射条件でパルス幅３０ナノ秒
のＫｒＦエキシマレーザを照射し、シリコン結晶粒の粗
大化を行った。

【０１１６】次いで、ノンドープ層にリンをイオン注入
することによりｎ型シリコン層を形成し、該ｎ型シリコ
ン層上にフォトリソグラフでレジストを用いて櫛形パタ
ーンを形成した。これにアルミニウムを蒸着することに
より櫛形電極を形成し、さらに、シリコン基板１に裏面
電極を蒸着して太陽電池を作製した。

【０１１７】（実施例１７〜２０）ジボランガスの濃度
をモノシランガスの０．１ｐｐｍにして製膜した時間を
３０分、５０分、７０分、１００分とし、ドープ層上
に、それぞれ厚さ０．３μｍ、０．５μｍ、０．７μ
ｍ、１μｍのノンドープ層を形成した他は、実施例１６
と同様にして太陽電池を作製した。

【０１１８】上記実施例１２〜２０で得られた太陽電池
の光電変換効率を、ＩＰＣＥ法に準じて測定し、それを
まとめて図１０に示した。なお、図１０には、シリコン
結晶粒の粗大化が行われていない太陽電池（緻密なシリ
コン結晶膜を有する）の光電変換効率も参考のために示
した。

【０１１９】図１０に示されるように、０．１〜０．５
μｍのｐ型アモルファスシリコン層、または０．１〜
０．５μｍのノンドープ層表面にレーザを照射して、シ
リコン結晶粒の粗大化を行ったものは非常に高い光電変
換効率を有していた。これは、シリコン結晶粒がシリコ
ン層の深部まで形成されていることに対応しているもの
と考えられる（実施例１〜１１参照）。

【０１２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
太陽電池として高い光電変換効率を得るのに必要な、粒
径の大きなシリコン結晶粒を含むシリコン層を、十分な
厚さで生産性高く製造することが可能な、半導体素子の
製造方法を提供することが可能となる。また、粒径の大
きなシリコン結晶粒を含むシリコン層を備え、太陽電池
に用いたときに高い光電変換能率を発揮する半導体素子
を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】基板上に形成された各種シリコン層のレーザ光
に対する反射率を示す図である。

【図２】実施例１で得られた半導体素子の断面図を示す
図である。

【図３】レーザ照射後の、実施例１のアモルファスシリ
コン層の走査型電子顕微鏡写真である。

【図４】実施例５で得られた半導体素子の断面図を示す
図である。

【図５】レーザ照射後の、実施例６のノンドープ層の走
査型電子顕微鏡写真である。

【図６】レーザ照射後の、実施例１１のノンドープ層の
走査型電子顕微鏡写真である。

【図７】比較例１で得られた半導体素子の断面図を示す
図である。

【図８】レーザ照射後の、比較例１の微結晶シリコン層
の走査型電子顕微鏡写真である。

【図９】実施例１２で得られた太陽電池の断面図を示す
図である。

【図１０】実施例１２〜２０で得られた太陽電池の光電
変換効率を示す図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…ｐ型微結晶シリコン層、３…ｐ
型アモルファスシリコン層、４…ドープ層、５…ノンド
ープ層、１０…ｎ型微結晶シリコン層、１２…櫛形電
極、１４…裏面電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内昭博愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者伊藤忠愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者元廣友美愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者村崎俊一愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内 (72)発明者福島英沖愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内 (72)発明者山口耕治愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内Ｆターム(参考） 5F051 AA03 AA04 AA16 CA14 CB12 CB14 CB15 CB19 CB25 CB29 DA03 GA02 GA03 GA04 5F052 AA02 BB07 CA10 DA01 DA02 DB01 DB03 DB05 DB07 EA02 FA00 JA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、多結晶シリコンまたは微結晶シ
リコンからなる結晶性シリコン層を形成する工程と、前記結晶性シリコン層上にアモルファスシリコン層を形
成する工程と、前記アモルファスシリコン層表面にレーザを照射して、
前記結晶性シリコン層中のシリコン結晶粒を粗大化させ
るとともに、前記アモルファスシリコン層を結晶化させ
る工程と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方
法。
【請求項２】前記アモルファスシリコン層の厚さは、
０．０１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項１
記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】基板上に、ドーパントの含有量が１０¹⁵
ｃｍ^-3以上である、多結晶シリコンまたは微結晶シリコ
ンからなるドープ層を形成する工程と、前記ドープ層上に、ドーパントの含有量が１０¹⁵ｃｍ^-3
未満である、多結晶シリコンまたは微結晶シリコンから
なるノンドープ層を形成する工程と、前記ノンドープ層表面にレーザを照射して、前記ノンド
ープ層および前記ドープ層中のシリコン結晶粒を粗大化
させる工程と、を含むことを特徴とする半導体素子の製
造方法。
【請求項４】前記ノンドープ層の厚さは、０．０１〜
０．５μｍであることを特徴とする請求項３記載の半導
体素子の製造方法。
【請求項５】前記レーザは、パルス幅３０〜５０ナノ
秒のエキシマレーザであり、前記照射は、１００〜１０
００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度で実施されることを
特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体
素子の製造方法。
【請求項６】第１の電極と絶縁層とを備えた基板と、該基板上に形成された、多結晶シリコンまたは微結晶シ
リコンからなる結晶性シリコン層と、該結晶性シリコン層上に形成された、粗大化されたシリ
コン結晶粒を有する結晶性シリコン層と、該粗大化されたシリコン結晶粒を有する結晶性シリコン
層上に形成された、第２の電極と、を備えることを特徴
とする半導体素子。
【請求項７】前記結晶性シリコン層におけるシリコン
結晶粒の平均粒径は５〜５０ｎｍであり、前記粗大化さ
れたシリコン結晶粒を有する結晶性シリコン層における
シリコン結晶粒の平均粒径は５０ｎｍ〜５００μｍであ
ることを特徴とする請求項６記載の半導体素子。