JP2006093212A - 多結晶層の形成方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アモルファス状態の半導体層を、６００℃程度の高温熱処理を行うことなく、ほぼ全厚さに亘って多結晶化させることができる多結晶層の形成方法を提供する。
【解決手段】 支持基板の表面上に、アモルファス状態の半導体材料からなる半導体層が形成された加工対象物を準備する。半導体層に、支持基板側の面及びその反対側の面の一方からレーザビームを照射して、レーザビームの入射した面側の半導体層の表層部を多結晶化させる。前の工程でレーザビームを照射した方の面とは反対側の面から、半導体層にレーザビームを照射して、半導体層のアモルファス状態の領域を溶融させ、前の工程で多結晶化された領域の結晶粒を種結晶として、半導体層の厚さ方向に結晶を成長させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多結晶層の形成方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置に関し、特にアモルファス状態の半導体にレーザビームを照射して多結晶化させる方法、その方法を用いた半導体装置の製造方法、及びその方法で製造され得る半導体装置に関する。

下記特許文献１に開示された多結晶化方法について説明する。基板上に、ｐ型層、ｉ型（真性）層（イントリンシック層）、及びｎ型層がこの順番に積層されたアモルファスシリコン層を形成する。基板上方からｎ型層にエキシマレーザを照射してｎ型層を多結晶化させる。さらに、基板側からｐ型層にエキシマレーザを照射してｐ型層を多結晶化させる。エキシマレーザはアモルファスシリコン層の浅い領域までしか到達しないため、ｐ／ｉ接合界面及びｎ／ｉ接合界面に悪影響を及ぼすことなく、ｐ型層及びｎ型層を多結晶化することができる。これにより、ｐｉｎダイオードの直列抵抗を低減させることができる。

下記特許文献２に開示された多結晶化方法について説明する。基板上に、アモルファスシリコン層を形成する。温度６００℃で２時間の熱処理を行って固相成長させることにより、アモルファスシリコン層を多結晶化させる。多結晶化したシリコン層に、その上面及び下面からエキシマレーザを照射することにより、多結晶シリコン層内の結晶欠陥を減少させる。

特開昭６３−１７０９７６号公報 特開平５−８２４６６号公報

特許文献１に記載された方法では、エキシマレーザがアモルファスシリコン層の浅い領域までしか到達しないため、アモルファスシリコン層を、その全厚さに亘って多結晶化させることが困難である。逆に、特許文献１では、ｐ／ｉ接合界面及びｎ／ｉ接合界面に悪影響を及ぼさないことを一つの目的としているのであるから、アモルファスシリコン層の中心部に位置するｉ型層を多結晶化することは、この目的に反することになる。

特許文献２に記載された方法では、多結晶化のために６００℃程度の熱処理を行う必要がある。従って、基板材料として、６００℃程度の高温に耐え得るものを選択しなければならない。また、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電膜が形成されている場合には、６００℃で熱処理を行うことはできない。

本発明の目的は、アモルファス状態の半導体層を、６００℃程度の高温熱処理を行うことなく、ほぼ全厚さに亘って多結晶化させることができる多結晶層の形成方法を提供することである。

本発明の他の目的は、上記方法を適用した半導体装置の製造方法、及びその方法で製造され得る半導体装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）支持基板の表面上に、アモルファス状態の半導体材料からなる半導体層が形成された加工対象物を準備する工程と、（ｂ）前記半導体層に、前記支持基板側の面及びその反対側の面の一方からレーザビームを照射して、レーザビームの入射した面側の前記半導体層の表層部を多結晶化させる工程と、（ｃ）前記工程ｂでレーザビームを照射した方の面とは反対側の面から、前記半導体層にレーザビームを照射して、該半導体層のアモルファス状態の領域を溶融させ、前記工程ｂで多結晶化された領域の結晶粒を種結晶として、該半導体層の厚さ方向に結晶を成長させる工程とを有する多結晶層の形成方法が提供される。

本発明の他の観点によれば、（ｐ）支持基板上に、透明導電膜、第１導電型の第１の半導体層、及び真性半導体からなり、該第１の半導体層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第２の半導体層がこの順番に積層された積層基板を準備する工程と、（ｑ）前記第２の半導体層の、前記第１の半導体層側の面及びその反対側の面の一方から、該第２の半導体層にレーザビームを入射させて、レーザビームの入射した面側の前記第２の半導体層の表層部を多結晶化させる工程と、（ｒ）前記第２の半導体層に、前記工程ｑでレーザビームを入射させた面とは反対側の面からレーザビームを入射させ、該第２の半導体層のアモルファス状態の領域を溶融させ、前記工程ｑで多結晶化された領域の結晶粒を種結晶として、該第２の半導体層の厚さ方向に結晶を成長させる工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によれば、支持基板と、前記支持基板の上に配置され、厚さ方向に関する結晶粒の寸法の平均値が、面内方向に関する結晶粒の寸法の平均値よりも大きい多結晶半導体層とを有する半導体装置が提供される。

片側からレーザビームを照射して一部を多結晶化させた後、反対側からレーザビームを照射することにより、半導体層を全厚さに亘って多結晶化させることが可能になる。

図１を参照して、第１の実施例による多結晶層の形成方法について説明する。

図１（Ａ）に示すように、ガラスからなる支持基板１の表面上に、アモルファスシリコンからなる半導体層２を形成する。半導体層２は、例えばシラン（ＳｉＨ_４）を原料ガスとしたプラズマ励起型化学気相成長（ＰＥ−ＣＶＤ）により形成することができる。半導体層２の厚さは、例えば２μｍとする。

図１（Ｂ）に示すように、支持基板１側から半導体層２にレーザビーム５を照射する。照射するレーザビーム５は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）であり、パルス幅は１４０ｎｓ、半導体層２の底面におけるパルスエネルギ密度は約１Ｊ／ｃｍ^２である。レーザビーム５のビーム断面内の強度分布はガウス分布であり、支持基板１と半導体層２との界面におけるビームスポットは、例えば直径１００μｍである。直径として、光強度分布の半値全幅を採用した。このレーザ照射により、半導体層２の底面側の表層部の一部が一時的に溶融し、固化する時に多数の結晶粒が形成される。これにより、一時的に溶融した領域に多結晶領域２ａが形成される。

図１（Ｃ）に示すように、半導体層２に、その上面側からレーザビーム６を照射する。レーザビーム６を照射する基板面内の位置は、図１（Ｂ）の工程で基板側からレーザビーム５を照射した位置と同一である。照射するレーザビーム６の波長及びパルス幅は、図１（Ｂ）の工程で照射したレーザビーム５の波長及びパルス幅と同一であり、半導体層２の表面におけるパルスエネルギ密度は約１．２５Ｊ／ｃｍ^２である。このレーザビーム照射により、半導体層２のアモルファスの領域が溶融し、多結晶領域２ａ内の結晶粒の一部を種結晶として、半導体層２の厚さ方向に結晶成長が生ずる。この結晶成長により、半導体層２の上面まで達する多結晶領域２ｂが形成される。

図１（Ｂ）に示したように基板側からレーザビーム５を照射したときの結晶成長過程、及び図１（Ｃ）に示したように上面からレーザビーム６を照射したときの結晶成長過程を、一様核生成の理論とシリコンの成長速度式とに基づいてシミュレーションを行った。以下、シミュレーションの結果について説明する。

アモルファスＳｉの密度を２．３２ｇ／ｃｍ^３、融点を１４２０Ｋ、比熱容量を０．９５２＋０．１７１（Ｔ／６８５）Ｊ／ｇＫ、熱伝導率を４．８２８×１０^−１１（Ｔ−９００）^３＋４．８２８×１０^−９（Ｔ−９００）^２＋３．７１４×１０^−６（Ｔ−９００）＋３．７１４Ｗ／ｃｍＫ、光反射率を０．４１４、光吸収係数を５×１０^５ｃｍ^−１とした。結晶化Ｓｉの密度を２．３２ｇ／ｃｍ^３、融点を１６８３Ｋ、比熱容量を０．７１Ｊ／ｇＫ、熱伝導率を３．２８×１０^３Ｔ^{−１．３４}Ｗ／ｃｍＫ、光反射率を０．３７２、光吸収係数を３．０２×１０^４×ｅｘｐ（Ｔ／４３０）ｃｍ^−１とした。溶融Ｓｉの密度を２．３２ｇ／ｃｍ^３、比熱容量を０．９１Ｊ／ｇＫ、熱伝導率を０．６０Ｗ／ｃｍＫ、光反射率を０．７２、光吸収係数を１．２５×１０^６ｃｍ^−１とした。ここでＴは温度である。

図１（Ｂ）に示したように、支持基板１側からレーザビーム５を照射した後に形成される多結晶領域２ａの厚さは、約０．６μｍであった。結晶粒の面内方向に関する寸法は０．５μｍ〜４μｍ（平均約１．５μｍ）であった。また、厚さ方向に関する結晶粒の寸法は約０．６μｍであった。すなわち、多結晶領域２ａ内では、１つの結晶粒がその底面から上面まで延びている。

図１（Ｃ）に示したように、半導体層２に、その上面からレーザビーム６を照射すると、半導体層２内のアモルファス領域が溶融して、多結晶領域２ａ内に形成される結晶粒の一部を種結晶として厚さ方向に結晶が成長することがわかった。多結晶領域２ｂ内では、面内方向に関する結晶粒の寸法は１μｍ〜５μｍ（平均約３μｍ）であった。厚さ方向に関しては、１つの結晶粒が多結晶領域２ｂの底面から半導体層２の上面まで延びている。多結晶領域２ｂ内の各結晶粒は、その下の多結晶領域２ａ内の結晶粒を種結晶としているため、各結晶粒の厚さ方向の平均寸法は半導体層２の厚さとほぼ等しい。

特に、アモルファス半導体層の厚さが０．５μｍ以上になると、従来のレーザアニール方法では、その全厚さに亘って多結晶化させることが困難であった。上記第１の実施例の方法を採用することにより、厚さが０．５μｍ〜５０μｍのアモルファス半導体層を、その全厚さに亘って多結晶化させることが可能になる。このとき、厚さ方向の結晶粒の寸法の平均値を、多結晶化された半導体層の厚さの９０％以上にすることも可能である。多結晶半導体層を厚くすると、厚さ方向に関する結晶粒の寸法の平均値が、面内方向に関する結晶粒の寸法の平均値よりも大きくなる場合がある。

第１の実施例のように、支持基板１側からアモルファス半導体層２にレーザビームを照射した後、上面からレーザビームを照射することにより、半導体層２を、その全厚さに亘って容易に多結晶化させることができる。特に、第１の実施例では、波長５３２ｎｍのレーザビームを用いた。エキシマレーザ等の紫外域の光は、シリコン層の極浅い領域で吸収されてしまい、深い領域まで到達しない。波長５３２ｎｍ程度のレーザビームを用いることにより、半導体層２の比較的深い領域までレーザビームを到達させることができる。

図２に、単結晶ＳｉとアモルファスＳｉとの吸収係数の波長依存性を示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は吸収係数を表す。多結晶Ｓｉの吸収係数は、単結晶Ｓｉに近いと考えられる。紫外領域において吸収係数が大きいことがわかる。波長４００ｎｍ以上の領域では、アモルファスＳｉの吸収係数の方が単結晶Ｓｉや多結晶Ｓｉの吸収係数よりも大きい。このため、図１（Ｃ）に示した上面からのレーザビーム照射工程において、多結晶領域２ａに比べて、半導体層２のアモルファス領域を優先的に溶融させることができる。再現性よく種結晶を残すために、レーザビームの波長を４００ｎｍ以上にすることが好ましい。また、波長が長くなりすぎると、アモルファスＳｉにほとんど吸収されなくなる。このため、レーザビームの波長を１０６４ｎｍ以下とすることが好ましい。

図１（Ｃ）に示した２回目のレーザビーム照射により、図１（Ｂ）に示した１回目のレーザビーム照射の時よりも深い領域まで半導体層２を溶融させる必要がある。このため、半導体層２の入射側の表面における２回目のレーザビームのパルスエネルギ密度を、１回目のレーザビームのパルスエネルギ密度よりも大きくすることが好ましい。

上記第１の実施例では、最初に支持基板側からレーザビームを照射し、その後に上面からレーザビームを照射したが、照射順序をその逆にしてもよい。まず上面からレーザビームを照射すると、半導体層２の上面側の表層部に多結晶領域が形成される。その後、支持基板１側から２回目のレーザビーム照射を行うと、既に形成されている多結晶領域内の結晶粒を種結晶として、支持基板側に向かって結晶成長が生ずる。２回目のレーザビーム照射時には、既に種結晶が形成されているため、なるべく成長核が発生しない状態で結晶成長させることが好ましい。溶融した半導体層２と支持基板１との界面には、成長核が発生しやすい。このため、成長核発生の観点から、１回目のレーザビーム照射を支持基板側から行い、２回目のレーザビーム照射を上面側から行うことが好ましい。

次に、図３を参照して、第２の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。第２の実施例は、ｐｉｎ構造の太陽電池の製造に適している。

図３（Ａ）に示すように、可視光を透過させるガラス等の透明材料からなる支持基板１１の主表面上に、透明導電膜１２を形成する。透明導電膜１２は、例えば酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素等のハロゲン元素が添加された酸化スズを主成分とする材料等で形成される。これらの薄膜は、スパッタリングまたはスプレー法で形成することができる。

透明導電膜１２の上に、ボロンをドープしたｐ型のアモルファスＳｉＣからなるｐ型半導体層１３をＰＥ−ＣＶＤにより形成する。原料ガスとして、例えばＳｉＨ_４とＣＨ_４との混合ガスを用いることができる。ボロンドープ用のガスとして、例えばＢ_２Ｈ_６を用いることができる。また、ＣＨ_４の代わりにＣＯ_２を用いてもよい。

ｐ型半導体層１３の上に、ノンドープのアモルファスＳｉからなるｉ型（真性）半導体層１４を形成する。ｉ型半導体層１４は、例えば原料ガスとしてシランを用いたＰＥ−ＣＶＤにより形成される。

支持基板１１側からｉ型半導体層１４にレーザビーム２０を入射させる。レーザビーム２０は、図１（Ｂ）に示した第１の実施例の第１回目のレーザビーム照射で用いたレーザビーム５と同様のものである。このレーザビーム２０は、支持基板１１、透明導電膜１２、及びｐ型半導体層１３を透過して、ｉ型半導体層１４まで到達する。レーザビーム２０がｉ型半導体層１４で吸収され、かつｐ型半導体層１３を透過するような条件とするために、ｐ型半導体層１３の半導体材料として、ｉ型半導体層１４の半導体材料のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するものを用いることが好ましい。

レーザビーム２０を基板面内方向に走査することにより、ｉ型半導体層１４の、支持基板１１側の表層部の所望の領域を多結晶化させる。これにより、多結晶領域１４ａが形成される。なお、レーザビーム２０の走査により、面内方向の結晶粒径を大きくすることができる。

図３（Ｂ）に示すように、ｉ型半導体層１４に、その上面側からレーザビーム２１を照射する。レーザビーム２１は、図１（Ｃ）に示した第１の実施例の第２回目のレーザビーム照射で用いたレーザビーム６と同様のものである。レーザビーム２１の照射により、アモルファス領域１４ｂを溶融させる。支持基板１１側の表層部形成されている多結晶領域１４ａ内の結晶粒の一部を種結晶として、厚さ方向に結晶成長が生じ、アモルファス状態の領域１４ｂが多結晶化される。これにより、ｉ型半導体層１４が、そのの全厚さに亘って多結晶化される。レーザビーム２１を走査することにより、ｉ型半導体層１４の所望の領域を多結晶化させることができる。

図３（Ｃ）に示すように、多結晶化されたｉ型半導体層１４の上に、ｎ型のアモルファスＳｉＣからなるｎ型半導体層１５を、ＰＥ−ＣＶＤにより形成する。さらにその上に、ｎ型半導体層１５とオーミック接触する金属からなるｎ側電極１６を形成する。

この半導体装置は、支持基板１１側の面が、太陽光の入射側の表面となる太陽電池として働く。ｉ型半導体層１４が多結晶化されており、各結晶粒が、ｐ型半導体層１３との界面からｎ型半導体層１５との界面まで延びている。このため、太陽電池の光電変換効率を高めることができる。

また、図３（Ｂ）の工程においてｉ型半導体層１４を多結晶化させると、ｉ型半導体層１４の上面に、結晶粒に対応した微細な凹凸が形成される。この凹凸は、支持基板１１側からｉ型半導体層１４に入射した光を、ｉ型半導体層１４内に閉じ込める作用を奏する。これにより、光電変換効率を高めることができる。

上記第２の実施例では、図３（Ａ）の工程で支持基板１１側から第１回目のレーザビーム照射を行い、その後図３（Ｂ）の工程で上面側から第２回目のレーザビーム照射を行った。その逆に、上面側から第１回目のレーザビーム照射を行い、支持基板１１側から第２回目のレーザビーム照射を行ってもよい。

上記第２の実施例では、ｐ型半導体層１３をｐ型のアモルファスＳｉＣで形成したが、その他、ｉ型半導体層１４のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するｐ型半導体で形成してもよい。このような材料として、例えば、アモルファスＳｉＯ：Ｈ、微結晶Ｓｉ：Ｈ、微結晶ＳｉＯ：Ｈ等が挙げられる。アモルファスＳｉＣ、アモルファスＳｉＯ：Ｈ等の薄膜は、例えばＰＥ−ＣＶＤにより形成される。微結晶Ｓｉ：Ｈ、微結晶ＳｉＯ：Ｈ等の薄膜は、例えば光ＣＶＤにより形成される。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

第１の実施例による多結晶化方法を説明するための処理対象基板の断面図である。 アモルファスＳｉと単結晶Ｓｉとの光吸収係数の波長依存性を示すグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中における半導体装置の断面図であり、（Ｃ）は、第２の実施例による半導体装置の断面図である。

符号の説明

１、１１ 支持基板
２ 半導体層
５、６ レーザビーム
１２ 透明導電膜
１３ ｐ型半導体層
１４ ｉ型半導体層
１５ ｎ型半導体層
１６ ｎ側電極

Claims (11)

1. （ａ）支持基板の表面上に、アモルファス状態の半導体材料からなる半導体層が形成された加工対象物を準備する工程と、
   （ｂ）前記半導体層に、前記支持基板側の面及びその反対側の面の一方からレーザビームを照射して、レーザビームの入射した面側の前記半導体層の表層部を多結晶化させる工程と、
   （ｃ）前記工程ｂでレーザビームを照射した方の面とは反対側の面から、前記半導体層にレーザビームを照射して、該半導体層のアモルファス状態の領域を溶融させ、前記工程ｂで多結晶化された領域の結晶粒を種結晶として、該半導体層の厚さ方向に結晶を成長させる工程と
   を有する多結晶層の形成方法。
2. 前記工程ｂで、前記支持基板を通して前記半導体層にレーザビームを照射する請求項１に記載の多結晶層の形成方法。
3. 前記半導体層がシリコンで形成されており、前記工程ｂ及び工程ｃで照射するレーザビームの波長が４００ｎｍ以上である請求項１または２に記載の多結晶層の形成方法。
4. （ｐ）支持基板上に、透明導電膜、第１導電型の第１の半導体層、及び真性半導体からなり、該第１の半導体層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第２の半導体層がこの順番に積層された積層基板を準備する工程と、
   （ｑ）前記第２の半導体層の、前記第１の半導体層側の面及びその反対側の面の一方から、該第２の半導体層にレーザビームを入射させて、レーザビームの入射した面側の前記第２の半導体層の表層部を多結晶化させる工程と、
   （ｒ）前記第２の半導体層に、前記工程ｑでレーザビームを入射させた面とは反対側の面からレーザビームを入射させ、該第２の半導体層のアモルファス状態の領域を溶融させ、前記工程ｑで多結晶化された領域の結晶粒を種結晶として、該第２の半導体層の厚さ方向に結晶を成長させる工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
5. さらに、前記工程ｒの後、前記第２の半導体層の上に、前記第１導電型とは反対の第２導電型の半導体からなる第３の半導体層を形成する工程を有する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記工程ｑにおいて、前記支持基板、前記透明導電膜、及び前記第１の半導体層を透過させて、前記第２の半導体層にレーザビームを入射させる請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第２の半導体層がシリコンで形成されており、前記工程ｑ及び工程ｒで照射されるレーザビームの波長が４００ｎｍ以上である請求項４〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
8. 支持基板と、
   前記支持基板の上に配置され、厚さ方向に関する結晶粒の寸法の平均値が、面内方向に関する結晶粒の寸法の平均値よりも大きい多結晶半導体層と
   を有する半導体装置。
9. 前記多結晶半導体層の厚さ方向に関する結晶粒の寸法の平均値が、該多結晶半導体層の厚さの９０％以上である請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記多結晶半導体層の厚さが、０．５μｍ〜５０μｍである請求項８または９に記載の半導体装置。
11. さらに、前記支持基板と前記多結晶半導体層との間に配置された透明導電膜と、
    前記透明導電膜と前記多結晶半導体層との間に配置され、第１導電型を有する第１の半導体層と、
    前記多結晶半導体層の上に配置され、前記第１導電型とは反対の第２導電型を有する第２の半導体層と
    を有する請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体装置。

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