JP2007235174A - 選択性拡散領域を有する光電池 - Google Patents

Abstract

【課題】優れたキャリア捕獲特性を有する光電池を提供する。
【解決手段】本発明の光電池１は、スライス形状の半導体基板２と、該基板２の１つの主面に形成された第１のドーピング領域１２及び第２のドーピング領域１５であって、第１のドーピング領域１２は、第２のドーピング領域１５よりも、深さが深く且つ表面ドーパント濃度が高くされている第１のドーピング領域１２及び第２のドーピング領域１５と、第１のドーピング領域１２と実質的に整合する金属コンタクトパターン２０と、から成り、第２のドーピング領域１５の表面ドーパント濃度が、第２のドーピング領域１５内から第１のドーピング領域１２に向けて距離と共に増加し、ドーパントの表面濃度の増加勾配が、金属コンタクトパターン２０に向かうキャリア輸送を容易にするようにしている。
【選択図】図９

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、単一の拡散工程で成形される２つ以上の選択性拡散領域を有する光電池に関する。

多くの半導体装置は、装置の高い性能を達成するために、同じ伝導タイプ（ｐ又はｎ）を有する色々なドープ領域を持っている。これら異なるドープ領域の実施は、付加的な処理工程を含み、製造コストが高くなる。通常の半導体装置１を、図１の上面図に示したが、これは、光電池であり、時には、太陽電池と呼ばれる。第１のドーピング型の半導体基板２は、通常は、第２のドーピング型から成るドープされた表面領域５と、少なくとも１つの主面上に金属層パターン３とを有している。金属層パターン３は、長い金属電極４からなり、その間又は下にドープ領域、例えば、エミッタ、コレクタ、或いはゲートなどの領域がある。電極４は、下層基板の重ドープ領域６（図３と図４によく示す）にオーミック接触を形成する。電極４は、電流を集めて、半導体装置を含む領域５に供給する。太陽電池では、領域５は、通常は、エミッタ領域である。

太陽電池は、一般的に、エミッタ領域で損失を受ける。最適の性能のために、エミッタ領域でのドーピングレベルは、光の捕獲と変換のために低いレベルにあり、これに対して、領域６は、埋設された接合部８（図２と３）を分流する（shunt）ことなく、金属層パターン４と良好なオーミック接触をするために濃く且つ深いドーピングがされている。システムの全コストは、低い製造コストと装置の損失との最もよい組み合わせを選ぶことにより、最適化できる。

図２の断面図で模式的に示すような太陽電池のために、均質なエミッタ／コレクタ構造には、表面金属コンタクト４、裏面金属コンタクト９、拡散領域７、及び接合部８がある。表面金属コンタクト４のスクリーン印刷等の低コスト金属皮膜技術と組み合わせて表面全体を覆う同じ拡散領域７は、かなりの効率損失をもたらす。この理由は、この金属被覆技術で良好なオーミック接触を形成するに必要な拡散領域７の拡散プロフィル（ドーパントの表面濃度と表面から接合部８までのエミッタ／コレクタ深さ）が、中間エミッタ／コレクタ領域５における光電気エネルギーの変換には理想的ではないからである。

通常の均質なエミッタ／コレクタ領域の処理手順は、ウエハー表面の構造的化学的な調製と、拡散工程（表面からのドーパントの内部拡散）と、付加的な酸化物保護皮膜工程と、任意的な保護皮膜にも提供できる付加的な反射防止膜工程（例えば、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４）、金属被覆工程（好ましくは、スクリーン印刷）とを一体化している。

選択的エミッタ／コレクタ領域を形成するように深さに領域５をエッチングする改良が図３に示されている。エミッタ／コレクタのフィンガー４の間のドープ層は深さが小さく、これによりドープレベルも小さい。このような装置は、Szlufickらの「選択性エミッタの多結晶シリコン太陽電池の簡単な一体化スクリーン印刷法（"Simple integral screenprinting process for selective emitter polycrystalline silicon solar cells"）」，Appl. Phys. Lett. Vol.59, Issue 13 pp 1583-1584の文献と、ＤＥ４４０１７８２に開示され、保護層によって金属コンタクトが保護された後に、エミッタ間の拡散領域が部分的にエッチングされている。保護層、普通は、ポリマーペーストの利用は、余分のマスキング工程が必要である。後者の技術は、余分のマスキングと難しいエッチング工程が必要であり、製造を複雑化しコストを高めるという欠点がある。

図４は、断面図で選択的エミッタ／コレクタのより有効な解決策を示すが、選択的エミッタ／コレクタは、表面側の金属コンタクト３の下に高いドーパント表面濃度と、隣接領域５にキャリアの捕獲に最適な狭いドーピング形状と、を有して、より深いエミッタ／コレクタドーピング形状領域６を有している。しかし、選択的エミッタ／コレクタ構造は、例えばＤＥ４２１７４２８に記載するように一層複雑な製造方法を必要とし、ここには、薄いエミッタ層が、基板表面側の表面全部に渡って拡散され、その後に被覆保護／酸化物層が形成される。次いで、酸化物層には、エミッタコンタクト領域の深い拡散工程のために、レーザビームと、マスクとして利用される酸化物層と、を使用して、開口部が形成される。そして、金属コンタクト３、４は、レーザで開口された溝の中に形成される。

スクリーン印刷などの低コストの金属被覆法を利用する選択的エミッタ／コレクタの公知の製造方法は、第２の拡散工程及び／又はマスキング工程及び／又はエッチング工程が必要であり、金属被覆パターン３が半導体装置の表面の高ドープ領域６と正確に一致することが必要となる。

光電池の一般的な製造方法は、R. J. Overstraeten and R. P. Mertens の「光起電力の物理と技術と利用」(Physics, technology and use of Photovoltaics"), Adam Higler Ltd., 1896 に記載され、ここに参照している。

本発明の製造方法は、基本的には、半導体基板上に２つの異なる選択的な拡散領域を、異なるドーピングレベルで、形成するのに適用する。選択的なエミッタ又はコレクタ構造の有利な設計は、均質なエミッタ／コレクタ構造に比較して、余分な処理工程や処理の複雑さなしに、実現されることである。最も好ましい処理手順は、固体系のドーパントペーストをスクリーン印刷して第１の高温処理工程により拡散領域を形成すること、及び、金属ペーストをスクリーン印刷して第２の高温熱処理により金属被覆をすることを利用する。

また、本発明の光電池は、スライス形状の半導体基板と、基板の１つの主面に形成された第１のドーピング領域及び第２のドーピング領域であって、第１のドーピング領域は、第２のドーピング領域よりも、深さが深く且つ表面ドーパント濃度が高くされている第１のドーピング領域及び第２のドーピング領域と、第１のドーピング領域と実質的に整合する金属コンタクトパターンと、から成り、第２のドーピング領域の表面ドーパント濃度が、第２のドーピング領域内から第１のドーピング領域に向けて距離と共に増加し、ドーパントの表面濃度の増加勾配が、金属コンタクトパターンに向かうキャリア輸送を容易にするようにしている。

本発明の製造方法により、例えば、光電池のための選択的エミッタ又はコレクタ処理は、通常の均質エミッタ／コレクタ処理と同じ数の処理があるか、又は、従来の選択的均質エミッタ／コレクタ処理より少ない工程でよい。本発明の方法は、光電池用の単純で経済的な製造方法を提供し、公知の均質なエミッタ／コレクタ構造を越える優れた効果がある。ドーパント源材料は、均質エミッタ／コレクタ処理ほどは必要でなく、それで、製造コストを低減して電池の最終性能を改善するものである。

本発明の製造方法は、公知のエミッタ又はコレクタ形成処理手順を単純化するものである。本発明のよる選択的エミッタ又はコレクタの構造は、ただ１回の拡散工程で形成される。選択的エミッタ又はコレクタの形成のためには、余分なマスキング工程及び／又はエッチング工程も必要でない。

本発明の光電池は、第２のドーピング領域の表面ドーパント濃度が、第２のドーピング領域内から第１のドーピング領域に向けて距離と共に増加し、ドーパントの表面濃度の増加勾配があることにより、金属コンタクトパターンに向かうキャリア輸送が容易になり、優れたキャリア捕獲特性を有する光電池が得られる。なお、この光電は、上述の製造方法によって製造することができる。

以下には、本発明が、ある特別の実施形態を参照して、また図面を参照しながら説明するが、本発明は、請求の範囲以外には、これらには、制限されない。図面では、ある寸法、例えば、層の厚みは、明確にするために、誇張されている。特に、本発明は、太陽電池と呼ばれる光起電力装置について説明するが、本発明はこれに制限されず、一般的な半導体装置への適用を見出すことができる。さらに、本発明は、p型基板に、領域をｎ^＋＋型とｎ^＋型とを区別して形成するように主に説明している。本発明は、これに制限されない。本発明の方法は、ｎ型基板に区別されたｐ型領域を形成すること、又は、アンドープ基板やｎ型基板にｎ^＋＋型とｎ^＋型の領域を形成すること、或いは、アンドープ基板又はｐ型基板にｐ^＋＋又はｐ^＋型の領域を形成するのに適用することができる。さらに、本発明は、単面太陽電池に関して説明するが、両面太陽電池にも等しく適用することができる。

１回の高温処理だけで、エッチングもマスキングも利用しないで、異なったドープ領域のある例えばエミッタ又はコレクタを形成するために本発明による単純な処理を利用することは、太陽電池には限られない。この技術は、ドープ領域と金属コンタクトと拡散形状との横方向の寸法が同様の許容度がある限りに置いて、他のマイクロエレクトロニクス製造法に利用することが出来る。あらゆる種類の光検出器、マイクロ技術センサ、熱電変換半導体装置が、サイリスタなどの全ての種類の半導体装置と同様に、本発明による方法を利用することができ、製造コストの低減が達成される。

図５から図１０までは、本発明による選択的エミッタ又はコレクタ製造方法を、太陽電池１に適用するように、模式的に示す。本発明の低コスト製造方法では、処理は、切断のままの半導体基板２から始める。基板２は単結晶、多結晶、又は非晶質のシリコンでもよい。基板の品質は、トランジスタ装置ほどは要求されず、例えば、Martin Green 著「太陽電池」（"solar cells"）1992, New south Wales大学 に記載のような太陽電池級でよい。基板２の大きさには制限がなく、大きさは、商業的に入手可能な材料に依存している。現在では、厚み２００〜４００ミクロンで１０ｃｍ×１０ｃｍシリコン基板が使用できるが、本発明はこれに限られない。本発明による基板２は、好ましくはシリコンであるが、これに限られない。基板２は、ドーピングレベルに選択的な差がある互いに隣接した拡散ドープ領域を必要とするＧａＡｓや、別の同様の半導体基板２でもよい。

始めに、半導体基板２は、化学的に洗浄され、その基板は、その後、切断による損傷を除去するために、脱イオン水(ＤＩ水) 中に重量で４０％のＮａＯＨ溶液で８０℃２〜４分間、表面がエッチングされる。基板は、８ MOhmcmまで、ＤＩ水ですすぐ。任意的であるが、片方又は両方の主面には、 Willeke and Fathにより「多結晶シリコン太陽電池のテクスチュア処理法」（Texturization methods for multicrystaline silicin solar cells"）, Proce. 13th European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition, France, 23-27 Oct. 1995 に記載の如く、 テクスチュア、例えば、ピラミッド構造が、機械的又は化学的に備えられてもよい。例えば、この目的のエッチ液は、ＤＩ水中に１．３wt％ＮａＯＨと容積で５％イソプロピルアルコールの溶液で９０℃で１０分を含む。エッチング後には、基板２は、前と同様に、化学的に洗浄し、ＤＩ水中で、すすぐ。図中にはテクスチュア組織は、明瞭さの理由から省かれている。

本発明では、深い濃厚ドープ拡散領域１２は、表面側の表面金属コンタクト領域２０（図８、９）の下に形成され、浅くて弱くドープされたエミッタ又はコレクタ領域１５が、他の場所に形成される（図６）。図５に模式的に示すように、適当なドーパントを含みペースト状の固体系のドーパント源１１が基板２の少なくとも片方の主面上に、線又は面の形をとるように、規定されたパターンで、選択的に適用される。ペースト１１は、基板表面のこれらの領域に選択的に塗着され、ここには、深い拡散領域１２が、後の工程で形成されるはずである。いろいろな方法がドーパントペースト１１を基板２に選択的に適用するのに利用できる。ドーパントペースト１１の適用は、非常に明瞭で再現可能な方法で実施するのが好ましい。好ましい方法は、スクリーン印刷、オフセット、グラビア、インクジェット印刷、ペースト書き（past writing）等の良好な繰返し性能を持つものである。ペースト１１は、大容量生産法で良好な再現性を保持するためには、スクリーン印刷法のような厚膜技術によって基板上に印刷するのが好ましい。表面側の金属被覆パターン２０（図８と図９）が、後に基板２上に、先にドーパントペースト１１が適用されたその深い領域１２に整合させて、適用されなければならないので、ドーパントペースト１１と表面の金属ペースト１８との両方に適用するのに同じ方法を利用することができるのは利点である。スクリーン印刷の良好な再現性は、金属ペースト１８の適用により、ペースト１１を適用するのに使用したのと同じ方法を用いて且つ同じ種類のスクリーンを用いて、表側の表面金属被覆パターン２０を形成することを可能にする。ＤＥＫモデル１７６０ＲＳスクリーン印刷機がペースト１１に利用できる。

Ｐ、Ｂ又はＡｓ等を含むペースト１１が、伝導タイプや基板２の化学的性質に依存するが、使用することができる。基板２がシリコンで、ｐ型の伝導性を有する場合には、ペーストは、ＥＰ−０１０８０６５に記載したように、或いはベルギーのＳｏｌｔｅｃｈ ＮＶから入手可能なペーストＰ１０１のように、リン含有ペースト１１がよい。それに代えて、基板２が、シリコンで、ｎ型伝導性を有する場合には、ペースト１１はホウ素又はアルミニウムを含んでもよい。本発明の好ましい低コスト太陽電池製造方法は、Ｐ型結晶Ｓｉ基板とドーパント源としてリンとを使用して、表面にｎ型エミッタ１２、１５を形成するものである。

ペースト１１は、適当な方法、例えば、スクリーン印刷によって正確に塗着できるように、しかし、基板２上を著しく流れたり広がったりしないようにペースト１１の粘度を選択すべきである。ペースト１１は、チクソトロピー性であるのが好ましい。ドーパントペースト１１の粘度は、後に適用される表側の表面金属コンタクト２０の幅よりも塗着ドーパントペースト１１の線又は面を著しく広くするような乾燥の前又はその途中で、或いは熱処理工程の中での横方向への流れを防止できるほど、高いことが好ましい。しかし、ペースト１１の線や面が、その後に、金属コンタクト２０により被覆されるであろうと意図した線や面を越えて横方向に少し広がることは、金属コンタクト２０との接合部８の分路を避けるために好ましい。その後の金属コンタクト２０の適用が、ある精度の範囲内でなされ、ペースト線又は面１１がその後の金属コンタクトの線又は面２０よりわずかに大きければ、好都合であり、深いドープ領域を有する金属ペースト線又は面１８の調節が、繰り返し且つ正確に実施することができる。

好ましくは、ペースト１１は、塗着後直ちに乾燥される。パターン化した基板２は、可能な限り速やかに、乾燥炉に装入され、粘性のあるペースト１１が、１５０〜３５０℃の範囲、好ましくは１５０〜２００℃の間で、約１〜１０分で乾燥され、基板２上の所定位置に固定される。乾燥について、テンプレス(Tempress) コンベアベルト乾燥機、ＤＥＫ赤外線ベルト乾燥機等が利用できる。ペーストの乾燥後は、基板２には、２段階熱処理の工程を施す。乾燥ペーストを有する基板２は、オランダのゲムコ社製のテンプレス／リンドバーク（Tempress/Lindberg）コンベアベルト拡散炉など、拡散炉に直接、装入される。

第１段階では、温度は、毎分約１００〜１５０℃で約６００℃まで上昇され、ドーパントペーストの残留有機物成分が、空気又は酸素雰囲気で焼尽される。
第２段階では、ドーパントが、高温中で、ペースト１１から直接に基板中に導入される。この２番目の熱処理は、好ましくは、不活性雰囲気中で実施される。この高温工程で、深いドープ領域が、図６に示すように、形成され、ドーパントペースト１１からのドーパントが、ペースト面又は線面直下の基板中に直接拡散される。同時に、浅い領域１５が、ドーパント１１から周囲雰囲気中にそして、そこから基板２上の露出面域への間接拡散により、形成される。

好ましくは、パターン化した基板２は、水平移動可能なベルト上に置かれて、連続炉、例えば、上記のテンプレス／リンドバークコンベアベルト拡散炉の中に入り、窒素などの不活性ガス雰囲気中に保持される。温度は、１５０℃／ｍｉｎの温度勾配を維持して、８００ないし１１００℃に、好ましくは、９００ないし９５０℃に、上げられる。基板２は、好ましくは、この温度で、約１０から６０分保持される。ペースト１１が基板２に接触している場所では、基板２内にペースト１１からのドーパントの内方拡散だけでなく、ドーパント原子が、周囲雰囲気中から基板２内に間接的に再度入る外方拡散もある。間接拡散は、ドーパントペースト１１が適用された領域近傍の場所に、第２の拡散領域１５を形成する。図１１に模式的に示すように、ドーパント原子は、ドーパントペーストからあらゆる方向に拡散し始める。こうして、下側半導体基板２は、基板表面の他の領域に比べて、ペースト１２が直接接触する領域１２では、ドーパント原子の相対的に強い内方拡散を受ける。ドーパントは、ドーパントペースト１１が適用されなかった場所では、周辺雰囲気から基板２内に拡散する。この間接ドーピングは、ペースト１１が適用された基板２直下の第１の拡散領域１２よりも低い濃度を有する第２の拡散層１５を基板２内に形成する。高温工程で、基板２周囲の雰囲気中のドーパント原子の低い濃度もまた、第１の拡散領域１２に比較して、第２の浅い拡散層１５に導かれる。雰囲気ガス中のドーパント原子の濃度は、ペースト１１それ自体の中よりも低くあってもよく、その結果拡散速度は、大変低い。その結果は、ドーパント源が基板２と接触する所では、比較的深いドープ領域になり、基板−ガス界面では、弱くて浅いドープ領域となる。２つの拡散領域の違いは、ドーパントペースト組成、雰囲気、拡散時間又は拡散温度を変えることにより、感度よく制御できる。第１の拡散領域が、接合部８をシャント（分流）させずに、良好なオーミック前部表面金属コンタクト２０の形成を可能にするのに十分深くて、しかも浅い第２の拡散層１５を形成するために条件を最適化することができる。また、閉じた管状炉を使用して、例えば、ＰＯＣｌ_３、ＢＢｒ_３等のようなガス状ドーパント雰囲気を使用して拡散連続処理を実施することも可能である。ガス状ドーパントガスからの直接拡散と第２拡散領域１５へのドーパントペースト１１からの間接拡散との相対量を調整することにより、第１と第２の拡散領域１２、１５の拡散プロフィルを選択的に且つ独立的に制御することができる。さらに、一種以上のペースト１１を使用して、熱処理により、基板２内に異なる領域を選択的に形成することもできる。異なるペースト１１は、ドーパント原子の濃度が異なってもよく、異なった型のドーパントを含んでもよい。さらに、あるペースト１１は、ドーパント原子を含ませずに、基板の下層の間接ドーピングを妨げるためマスクとして使用してもよい。

半導体装置１が光電池であって、エミッタまたはコレクタ領域の一部を構成する深い第１の拡散領域１２の深さ又はドーパント濃度の変化は、電池性能に大きくは影響しないが、浅い第２の拡散領域１５は、電池特性に顕著な影響を与える。第２の拡散領域１５は、通常は、深い領域１２よりも表面ドーパント濃度が非常に低く、深さが小さい。第２の拡散領域１５のためのドーピング条件は、キャリャの捕集のために最適化することができる。キャリアの捕獲は、ドーパント濃度と深さに敏感である。他方、第１の拡散領域１２内での拡散は、拡散ペースト１２が塗着され、金属被覆パターン１８が処理工程で後に印刷されるところでは、十分に深くして十分に高い表面ドーパント濃度にしなければならず、それにより、接合部８をシャントさせずに、エミッタ又はコレクタ領域１２で良好なオーミックコンタクト２０を形成することができる。

本発明の方法では、単一のドーピング工程だけで、深いのと浅いのとに区分したドープ領域１２、１５が作られる。表面ドーパント濃度は、深い方のドープ領域では、通常は、例えば、１０^２０リン原子／ｃｍ^３以上の範囲内にあり、浅い方のドーパント領域１５では、５×１０^１８から１０^２０、通常は、１×１０^１９から５×１０^１９リン原子／ｃｍ^３の範囲とすることができる。接合部深さは、深い方の拡散領域１２については、好ましくは、少なくとも０．３ミクロンであり、より好ましくは、少なくとも０．５ミクロン、典型的には、０．６ミクロンであり、浅い領域１５については、０．３ミクロンまで、典型的には、０．２ミクロンである。図１２は、J. R. Ehrstein, D. C. Gupta, and P. H. Langer; 「広がり抵抗測定−概要」Emerging Semiconductor Technology ASTM STP 960, Am. Soc. for Test. and Mat. 1986 の記事に依拠して実施され、本発明の方法により製造された太陽電池のための選択的エミッタ又はコレクタ構造の横方向広がり抵抗分布を示す。ペーストライン１１は、１００ミクロンの幅で、互いに約３ｍｍの距離で、隔設されている。選択的エミッタ又はコレクタ構造は、金属被覆２０が適用されるべき場所では、抵抗が低くて深くて強い拡散領域１２を有し、光が吸収されてキャリアが発生するエミッタ又はコレクタ領域１５では、浅くて弱い拡散領域１５を有している。図１２から判るように、ペーストは、それ自体の幅の大きさについて狭い距離にわたって低抵抗領域１２になる。抵抗は、浅い領域に向けて約１ｍｍの距離で単調に低下する。深い領域１２と浅い領域１５での抵抗比は、約５であり、太陽電池では、約１０以上である。これは、これらの領域のドーパント原子濃度の同様の変化によって生じる。完成した装置では、深い拡散領域１２と浅い拡散領域１５とが、周期的に繰り返えされて、遷移領域では急峻な勾配を示し、ドーパント原子の表面濃度が、大まかに、１桁の強度の違いを生じている。ドーパント濃度が高いほど、電気抵抗は低い。ドーパント濃度の単調増加と、弱いドープ領域１５から金属コンタクト２０が最終の太陽電池で配置される深い拡散領域１２への合成の電気抵抗は、優れたキャリア捕獲特性を提供する。金属コンタクト２０が最終の太陽電池に配置される領域に向けてドーパント原子の表面濃度の増加勾配は、これらの捕獲コンタクト２０へのキャリア輸送を容易にする。本発明によれば、ドーパント原子濃度の単調増加は、浅い領域１５と深い領域１２との間の基板２の表面領域で、浅い領域でのドーパント密度と深い領域でのドーパント密度の間に少なくとも５倍で、通常は、１オーダ以上の強度の差で、得られる。本発明の処理手順で太陽電池は、何らの処理工程を加えることなく、均質エミッタ又はコレクタ処理により製造した太陽電池と比較して、＞１％の高い絶対効率で、製造することができる。

拡散処理後には、シリコン基板表面に残る拡散ガラスが、ＤＩ水中２５％〜５０％ＨＦの化学エッチング溶液中で除去され、基板２は洗浄され、その後すすがれる。本発明は、拡散ガラスを付随的に除かずに、処理を酸化／皮膜形成工程に続けることを含む。

図７に模式的に示すように、拡散処理の後に付随的な酸化工程が続き、ここでは、基板を、通常は、石英ボートに、約１〜２０分間８００〜９５０℃の範囲の温度で、Ｏ_２雰囲気に曝すことにより、ＳｉＯ_２層１６ａ、１６ｂが基板表面上に形成される。このＳｉＯ_２層１６ａ、１６ｂは、太陽電池性能を低下させ得る基板２の表面のエミッタ／コレクタ領域１５中の欠陥を被覆保護するのに役立つ。酸化物層を利用する被覆保護は、キャリアの損失を低下させる表面の再結合速度を低下させ、ここに、効率を改善する。任意であるが、酸化物のような被覆保護層１６ａ、１６ｂを適用するだけでなく、反射防止層（ＡＲＣ）１７も適用できる。ＡＲＣ層１７は、化学的生成法（ＣＶＤ、例えば、ＴｉＯ_２層）又はプラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ、例えば、窒化シリコン層）又は同様な方法が利用できる。ＡＲＣ層の適用は、半導体基板の表面と内部の優れた被覆保護化となる。

最後に、金属被覆手順は、通常は、２つ又は３つのコンタクト印刷工程を含み、表面コンタクト２０と、異なる材料の種類の数によって１つ又は２つの裏面コンタクトパターン２１が使用される。図８に示したように、金属ペースト１８が、基板の表面側に、多量ドープされた領域１２に整合するようにして、選択的に適用される。さらに金属ペースト１９が、選択的にまたは非選択的のいずれかで基板裏側に適用される。スクリーン印刷とその後の乾燥がこれらコンタクトを適用するのに最も好ましい方法であるが、上記の他の厚膜技術、蒸着法又は水溶液からのメッキ法も、その代わりに使用できる。各印刷工程の後に、乾燥工程が、２５０℃程度の温度で、例えば赤外線ヒータによって、なされる。図９に示したように、金属ペースト１８、１９は、次いで、６５０から９００℃の温度範囲で、通常３０から２００秒、焼結されて、基板２の裏面に良好なオーミックコンタクト２１と同様に、接合部８をシャントすることなく、良好なオーミックコンタクト２０を基板の表面側に形成する。コンタクト２０と２１は、ＡＲＣ又は酸化物層１６ｂ、１７を通じて形成される。最高温度と温度プロフィル（温度対時間）は、非常に重要であり、金属被覆ペーストと処理手順毎に適合されなければならない。通常は、金属ペースト１８、１９でスクリーン印刷された表面コンタクトと裏面コンタクトは、別個に乾燥されたあと、高温段階で同時に焼結される。また、付随的に、裏面フィールド（ＢＳＦ）層２２は、図９に模式的に示すように基板２の裏側に、同時に形成される。ＢＳＦ２２の形成のために、高い温度とアルミニウムペーストが裏面金属コンタクト２１の形成のために使用されれば、好ましい。

図１０に概略的に示したように、付随して、反射防止膜（ＡＲＣ）層２３が、図１８に関連して述べた金属皮膜形成の前に適用されるＡＲＣ層１７よりもむしろ、金属皮膜形成の後に適用することができる。典型的なＡＲＣ層は、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｔａ_２Ｏ_５又は同様の材料を含み、いろいろな方法で適用することができる。

８００℃程度の金属コンタクト焼結温度が、接合部８のシャントなしにコンタクト形成するために利用される。金属コンタクトのためにアルミニウムを利用する場合は、そのような高温での焼結は、例えば、ＡｌゲッタリングとＢＳＦ形成に付随的な利点がある。

金属ペースト及び又はドーピングペーストを適用するためのスクリーン印刷などの厚膜技術は、優れた再現性を示す。基板２は、ＣＣＤカメラ制御位置づけシステムにより、スクリーン印刷機よってそのたびに同じ場所にスクリーン下で負荷を受ける。もし、酸化物及び／又はＡＲＣ層１６ａ、１６ｂ、１７、２３を、顕微鏡観察下で、わずかに広い第１の拡散領域１２と違った色を利用して適用されれば、金属被覆パターンと拡散パターンの配列を制御することができる。ＡＲＣ層１７、２３を塗着すると、基板２は、基板が高いドーパント表面濃度を有するこれらの場所では、違った色を示す。これは、ドーパント表面濃度が高い場所では、より低いドーパントレベルの領域１５上の酸化物層１６ａに比べると、下部酸化物層１６ｂが厚く成長するからである。反射防止膜（ＡＲＣ）層１７又は２３が適用される限り、下側パターンは見ることができる。この理由は、高いドーパント表面濃度を有する場所は酸化が速く、その結果酸化物層１６が厚くなるからである。ＡＲＣ層１７又は２３が適用された後は、酸化物の厚みの違いが、層１６ａ＋１７又は２３に比較して、層１６ｂ＋１７又は２３の光学的に厚みの違い、従って、色の違いとして目に見えるようになる。

本発明に従って単純な処理手順で、改良した性能（捕獲効率）を有する選択的エミッタ／コレクタ太陽電池を形成することができ、処理を複雑化せずに製造コストを増加させない。その結果が、太陽電池の費用効果の高い製造である。スクリーン印刷拡散が既に利用されているので、余分な或いは複雑な処理装置は、必要でない。選択性エミッタを使用するので、同時に、処理許容度が高められる。例えば、金属被覆焼結工程については、色々な処理パラメータの変化は、均質なエミッタ又はコレクタ処理ほどは、厳密ではない。この結果、高い処理量があり、費用効果を一層高める。

図１３から図１６は、本発明の実施例に従って、半導体装置３０の製造工程を概念的に示すが、１つの実施例は、図５から１０を参照して詳細に、既に説明したので、次の実施例の説明は、詳細にはしない。被覆層の形成、洗浄工程、ドーピング工程以外の他の処理の詳細は、述べない。次の実施例の処理は、光装置の成形に適当である。

図１３に示すように、第１のドープペーストパターン３１は、シリコン基板であって、アンドープ半導体、ｐ型又はｎ型半導体である半導体基板上に選択的に適用される。ペースト３１は、前に述べた厚膜法のいずれかによって、適用することができる。ペーストパターンは、乾燥される。第１のドーパントペースト３１は、第１又は第２のタイプの伝導性があってもよい。第１のペーストパターン３１は、付随的に、別の材料の層、例えば、さらに別のペースト２１により保護される。ペースト３２は、ペースト３１に比較して、違った濃度又はタイプを持つことができ、又は、ドーピングされなくてもよい。ペースト３２は、基板２の主面上に適用されてもよい。ペースト３２は、次いで、乾燥される。

図１４に示すように、付随的に、第３のペーストパターン３３が、基板２の他方の主面上にも適用される。ペーストパターンは、そこで乾燥される、ペースト３３は、第１又は第２の伝導タイプであってもよい。ペーストパターン３３と基板２の表面の他の選択された部分が、ペーストであるドープされない材料を選択的に適用することによって保護されるのがよい。ペースト３４は、上記の厚膜法のどれかで適用される。

図１５に示すように、別のドープペーストパターン３５が、基板２の主面に適用される。ペースト３５は、いずれかの伝導タイプのドーパントを含んでもよい。ペースト３５は、上記の厚膜法のどれかで適用できる。次いで、ペーストパターン３５は、乾燥される。

次いで、パターン形成した基板２は、炉内に配置され、ドーパント原子を含むペースト３１、３３、３５からのドーパントは、それぞれドープ層３７、３９、４１を形成するように基板内に導入される。同時に、保護されないペーストからのドーパント原子は、基板２の領域４２内に間接的に拡散して、浅くて弱いドープ領域４２を形成する。最後には、金属ペーストが領域３７、３９、付随的に４１上に合致するように適用され、高温で焼結されて、それぞれ金属コンタクト３６、３８、付随的に４０を形成する。

さらに別の実施例の処理においては、基板２は、ｐ型シリコンで、ペースト３１、３５、付随的に３２が、リン含有ペーストであってもよく、ペースト３３がホウ素又はアルミニウム含有ペーストで、ペースト３４がドープされないものでよい。層３２がドーパントを含むとき、高温導入工程により、半導体基板の第１の主面上のドープ領域３７の間にドープ領域４３（図１６中に破線で示す）になる。その代わりとして、図１３と図１４中、保護ペースト３２は省略されてもよく、それにより、導入工程の後には、高濃度ドープ領域３７の間に間接拡散による弱いドープ領域（図１６中破線で示す）になる。別の変形として、図１４中で、層３２と３１は省略されて、第１の主面全部が間接拡散層４３（図１６中破線で示す）になり、導入工程後は、浮揚接合部になる。

本発明の更なる実施例により単一拡散工程で作った装置は、太陽電池であってもよく、表の面には選択性のエミッタと、裏面には、浮揚接合部を有している。そのような光電池装置は、従来の裏面全面に金属被覆を有する単一面電池よりも、電池性能が高いことを示す。更なる実施例の方法によって作った装置は、両面型の太陽電池として付加的に利用することができる。

実施例による処理は、改良した効率と、理想的なエミッタ／コレクタ構造から生じた短絡電流と、より理想的な裏面コンタクトを持った太陽電池を製造するという利点がある。さらに実施例による裏面コンタクトに基板２の裏面主面に金属被覆を有せず、より良好な裏面反射や、両面電池の設計に使用できる。

本発明の好ましい実施例を上で述べたが、多くの変更や修正は、本発明の範囲と精神から逸脱することなく、この技術分野の専門家により容易になされることは理解できるはずである。

図１は、公知の半導体装置の模式的な上面図を示す。 図２は、均質エミッタ／コレクタ構造を備えた公知の太陽電池の模式的断面図を示す。 図３は、選択的エミッタ／コレクタ構造を備えた公知の太陽電池の模式的断面図を示す。 図４は、選択的エミッタ／コレクタ構造を備えたさらに公知の太陽電池の模式的断面図を示す。 図５は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造における模式的な工程を示す。 図６は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造における模式的な工程を示す。 図７は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造における模式的な工程を示す。 図８は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造における模式的な工程を示す。 図９は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造における模式的な工程を示す。 図１０は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造における模式的な工程を示す。 図１１は、本発明による直接間接拡散法を概念的に示す。 図１２は、本発明の半導体装置の横方向広がり抵抗のプロット図を示す。 図１３は、本発明の別の実施形態の半導体装置の模式的な製造工程を示す。 図１４は、本発明の別の実施形態の半導体装置の模式的な製造工程を示す。 図１５は、本発明の別の実施形態の半導体装置の模式的な製造工程を示す。 図１６は、本発明の別の実施形態の半導体装置の模式的な製造工程を示す。

符号の説明

１ 半導体装置（光電池）
２ 半導体基板
１１ ドーパント源
１２ 第１の拡散領域（濃くて深い拡散領域）
１５ 第２の拡散領域（弱くて浅い拡散領域）
１６ａ、１６ｂ ＳｉＯ_２層
１７ 反射防止層（ＡＲＣ層）
１８、１９ 金属ペースト
２０ 表面金属被覆パターン（金属コンタクト）
２１ 裏面コンタクトパターン
２２ 裏面フィールド（ＢＳＦ）層２２
３１ 第１のドープペーストパターン
３２ ペースト
３３ 第３のペーストパターン３３
３４ ペースト
３５ 別のドープペーストパターン
３６、３８、４０ 金属コンタクト
３７ 高濃度ドープ領域
３９、４１ ドープ層
４２ 弱くて浅いドープ領域
４３ 間接拡散層（ドープ領域）

Claims (16)

1. スライス形状の半導体基板と、
   基板の１つの主面に形成された第１のドーピング領域及び第２のドーピング領域であって、第１のドーピング領域は、第２のドーピング領域よりも、深さが深く且つ表面ドーパント濃度が高くされている第１のドーピング領域及び第２のドーピング領域と、
   第１のドーピング領域と実質的に整合する金属コンタクトパターンと、を備えた光電池であって、
   上記第２のドーピング領域の表面ドーパント濃度が、上記第２のドーピング領域内から第１のドーピング領域に向けて距離と共に増加し、ドーパントの表面濃度の増加勾配が、金属コンタクトパターンに向かうキャリア輸送を容易にするようにした光電池。
2. 表面ドーパント濃度の増加が単調変化である請求項１に記載の光電池。
3. 表面ドーパント濃度の増加が約１ｍｍの距離にわたる請求項１又は２に記載の光電池。
4. 上記基板が第１の伝導タイプであり、第１のドーピング領域のドーパントが第２の伝導タイプである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電池。
5. さらに、上記第１及び第２のドーピング領域を覆う被覆保護層を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電池。
6. 被覆保護層が、酸化物層である請求項５に記載の光電池。
7. 半導体基板の表面がテクスチュア処理されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電池。
8. さらに、反射防止膜を含む請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電池。
9. 第２のドーピング領域が、半導体基板中のエミッタ又はコレクタ領域を形成している請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電池。
10. 第１のドーピング領域と第２のドーピング領域との表面ドーパント濃度の比が、少なくとも５であり、好ましくは１０以上である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電池。
11. 第２のドーピング領域が、実質的に均一な表面ドーパント濃度の中心領域を有する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電池。
12. 金属コンタクトパターンが、上記第１のドーピング領域とオーミック接合している請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電池。
13. 第１及び第２のドーピング領域は、半導体基板を取り巻く気相環境内における制御された熱処理過程により固体系ドーパント源から基板内にドーパント原子を拡散させて形成されていて、
    固体系ドーパント源からのドーパントを直接に上記基板中に拡散させて、固体系ドーパント源の直下の上記基板内に第１のドーピング領域が形成されて成り、
    それと同時に、上記固体系ドーパント源からのドーパントを気相環境を介して間接的に基板内に間接的に拡散させて、第２のドーピング領域が形成されて成る請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電池。
14. スライス形状の半導体基板（２）と、
    半導体基板の第１の主面に、第１の伝導タイプの第１のドーピング領域（３７、４３）と、
    半導体基板の第２の主面に、第１の伝導タイプで弱くドーピングされた第２のドーピング領域（４２）と、
    第２の主面上の第２のドーピング領域（４２）に隣接する第３の領域（３９）と、を備え、
    第３の領域（３９）が基板と同じ伝導タイプであり、上記第２のドーピング領域（４２）が金属層と接触していない光電池。
15. スライス形状の半導体基板（２）と、
    半導体基板の第１の主面に、第１の伝導タイプの第１のドーピング領域（３７）と、
    半導体基板上に、第１の伝導タイプで弱くドーピングされた第２のドーピング領域（４２、４３）と、
    半導体基板の縁部の近くに、半導体基板と同じ伝導タイプを有する第３の領域と、を備え、
    第３の領域が、分流経路を防止するようにした光電池。
16. スライス形状の半導体基板（２）と、
    半導体基板の第１の主面に、第１の伝導タイプの第１のドーピング領域（３７）と、
    半導体基板の第１の主面に、第１の伝導タイプで弱くドーピングされた第２のドーピング領域（４３）であって、第１のドーピング領域（３７）と隣接する第２のドーピング領域（４３）と、
    第２の主面上に形成され、第２のドーピング領域（４３）と近接する第３の領域（３９）であって、第１のドーピング領域（３７）及び第２のドーピング領域（４３）と反対の伝導タイプを有する第３のドーピング領域（３９）と、を備え、
    第１のドーピング領域（３７）が第１の金属保護層パターン（３６）と接続されており、第３のドーピング領域（３９）が第２の金属層パターン（３８）と接続されている光電池。

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