JP2012134525A - Manufacturing method for photoelectric conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem in which: a catalyst material used for crystallization is not a favorable material in a crystalline silicon film so that the concentration thereof needs to be as low as possible after the crystallization; and when silicon has many defect levels, photo-produced carriers are trapped in the defect level and disappear to deteriorate the photoelectric conversion characteristics; and to crystallize silicon with the catalyst material and improve the characteristics of a photoelectric conversion device by removing the catalyst material that has become unnecessary after the crystallization.SOLUTION: A catalyst element remaining in a first semiconductor film after crystallization is gathered in a second semiconductor film containing a rare gas element in a manner that the second semiconductor film is formed on the first semiconductor film and second heat treatment is performed thereon. In other words, a strain field is formed by forming the second semiconductor film containing a rare gas element, and the strain field is used as a gettering site. Since a rare gas element does not basically bond with another atom, a strain field can be formed by inserting a rare gas element between lattices in the semiconductor film.

Description

本発明は、基板上に形成され、結晶性珪素膜で光電変換層が形成された光電変換装置及びその作製方法に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device formed on a substrate and having a photoelectric conversion layer formed of a crystalline silicon film, and a manufacturing method thereof.

光電変換装置は、各種半導体材料や有機化合物材料を用いて作製が可能であるが、工業的には珪素が主に用いられている。珪素を用いた光電変換装置は単結晶珪素や多結晶珪素のウェハ−を用いたバルク型光電変換装置と、基板上に珪素膜を形成した薄膜型光電変換装置に分類することができる。バルク型の光電変換装置はLSI(大規模集積回路)などと同様に半導体基板(シリコンウエハーなど)を必要とし、その供給能力で生産量が限定されてしまう。どれに対し、薄膜型の光電変換装置は所定の基板上に形成した半導体膜を用いるので潜在的な生産能力は高いと考えられている。   A photoelectric conversion device can be manufactured using various semiconductor materials and organic compound materials, but silicon is mainly used industrially. Photoelectric conversion devices using silicon can be classified into bulk photoelectric conversion devices using single crystal silicon or polycrystalline silicon wafers, and thin film photoelectric conversion devices in which a silicon film is formed on a substrate. A bulk type photoelectric conversion device requires a semiconductor substrate (such as a silicon wafer) like an LSI (Large Scale Integrated circuit) and the production capacity is limited by its supply capability. On the other hand, a thin film photoelectric conversion device uses a semiconductor film formed on a predetermined substrate, and thus has a high potential production capacity.

現状では、非晶質珪素を用いた光電変換装置が実用化されているが、単結晶珪素や多結晶珪素による光電変換装置と比較して変換効率が低く、また、光劣化等の問題を有していため電卓など消費電力の小さい製品の用途に限定されている。
太陽光発電システムを前提とした用途開発では、非晶質珪素膜を結晶化させた珪素膜(以下、結晶性珪素膜という)を用いた光電変換装置の開発がむしろ積極的に行われている。
At present, photoelectric conversion devices using amorphous silicon have been put into practical use. However, conversion efficiency is lower than photoelectric conversion devices using single crystal silicon or polycrystalline silicon, and there are problems such as light degradation. Therefore, it is limited to the use of products with low power consumption such as a calculator.
In application development based on the assumption of a photovoltaic power generation system, development of a photoelectric conversion device using a silicon film obtained by crystallizing an amorphous silicon film (hereinafter referred to as a crystalline silicon film) is being actively conducted. .

結晶性珪素膜を形成する方法には、溶融再結晶化法と固相成長法とがある。両者とも基板上に非晶質珪素を形成し、これを再結晶化させて結晶性珪素膜を形成せんとするものである。いずれにしても基板は、珪素の結晶化温度に耐えることが要求され、基板として使用できる材料は限定されている。特に、溶融再結晶化の方法では、基板は珪素の融点である1412℃に耐える材料に限定されることになる。   As a method for forming a crystalline silicon film, there are a melt recrystallization method and a solid phase growth method. In both cases, amorphous silicon is formed on a substrate and recrystallized to form a crystalline silicon film. In any case, the substrate is required to withstand the crystallization temperature of silicon, and materials that can be used as the substrate are limited. In particular, in the melt recrystallization method, the substrate is limited to a material that can withstand 1412 ° C., which is the melting point of silicon.

固相成長法は、基板上に非晶質の珪素膜を形成し、その後加熱処理をして結晶化させる方法である。通常、非晶質珪素膜は500℃以下の温度では結晶化が殆ど進まず、実用的には600℃以上で加熱する必要がある。例えば、気相成長法で成膜された非晶質珪素膜を加熱して結晶化させる場合、加熱温度が600℃の場合は、10時間が必要である。一方、550℃の加熱温度では100時間以上の加熱時間が必要となる。   The solid-phase growth method is a method in which an amorphous silicon film is formed on a substrate and is then crystallized by heat treatment. Usually, the amorphous silicon film hardly crystallizes at a temperature of 500 ° C. or lower, and it is practically necessary to heat it at 600 ° C. or higher. For example, when an amorphous silicon film formed by vapor deposition is heated to be crystallized, if the heating temperature is 600 ° C., 10 hours are required. On the other hand, a heating time of 100 hours or more is required at a heating temperature of 550 ° C.

このような理由で、結晶性珪素膜を形成するための基板には、それなりに高い耐熱性が要求されることになる。従って、基板には石英やカ−ボン又はセラミック材料などを用いると良いが、製造コストの削減を目的とするとこれらの基板は必ずしも適切ではないことがわかる。本来は、市場に大量に流通して価格の安いものを基板として用いることが望ましいと考えられている。しかし、例えば一般によく用いられるコ−ニング社の#7059ガラス基板では、歪み点が593℃であり、従来の結晶化の技術では基板が歪み大きな変形をおこしてしまうため使用できない。また、本質的に珪素と異種物質である基板を用いることから、単に加熱処理をして結晶化を行っても単結晶膜を得ることはできず、所詮多結晶膜しか得ることができない。その多結晶膜にしても大粒径化を図ることは難しく、このことが光電変換装置の効率向上の制限要因となっている。   For this reason, a substrate for forming a crystalline silicon film is required to have high heat resistance. Accordingly, it is preferable to use quartz, carbon, or a ceramic material for the substrate, but it is understood that these substrates are not necessarily suitable for the purpose of reducing the manufacturing cost. Originally, it is considered desirable to use a substrate that is distributed in large quantities in the market and that is inexpensive. However, for example, Corning's # 7059 glass substrate which is often used generally has a strain point of 593 ° C., and the conventional crystallization technique cannot be used because the substrate undergoes large deformation. In addition, since a substrate which is essentially a different substance from silicon is used, a single crystal film cannot be obtained even if crystallization is performed simply by heat treatment, and only a polycrystalline film can be obtained. Even with such a polycrystalline film, it is difficult to increase the grain size, which is a limiting factor for improving the efficiency of the photoelectric conversion device.

上記問題点を解決する方法として、特開平7−58338号公報には、低温で結晶化を促進するために触媒材料として微量の触媒元素を添加して結晶化を行う技術が開示されている。前記公開特許公報によれば、加熱処理温度の低温化と処理時間の短縮が可能になる。例えば、加熱温度を550℃とした場合、4時間の加熱処理で結晶化することが確認されている。触媒となる触媒元素には、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、白金(Pt)の単体、もしくは、それらと珪素の化合物等が適していることが記載されている。   As a method for solving the above problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-58338 discloses a technique for performing crystallization by adding a trace amount of a catalytic element as a catalyst material in order to promote crystallization at a low temperature. According to the published patent publication, it is possible to lower the heat treatment temperature and shorten the treatment time. For example, when the heating temperature is set to 550 ° C., it has been confirmed that crystallization is caused by heat treatment for 4 hours. It is described that nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), platinum (Pt), or a compound of silicon and the like is suitable as a catalyst element as a catalyst.

しかし、結晶化を促進するために用いた触媒材料は、いずれも結晶性珪素にとっては本来好ましくない材料であるので、結晶化後はできるだけ濃度が低いことが望まれる。結晶化を促進するのに必要な触媒材料の濃度は1×1017/cm3以上、1×1020/cm3以下の範囲である。しかし、濃度が比較的低い場合にも、触媒材料として適した元素は金属であるので、珪素中に取り込まれた場合、欠陥準位を形成し、キャリアのライフタイムなど光電変換装置にとって重要な特性を低下させてしまうことは明らかである。 However, since all of the catalyst materials used for promoting crystallization are materials that are inherently undesirable for crystalline silicon, it is desirable that the concentration be as low as possible after crystallization. The concentration of the catalyst material necessary to promote crystallization is in the range of 1 × 10 17 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less. However, even when the concentration is relatively low, an element suitable as a catalyst material is a metal. Therefore, when it is incorporated into silicon, it forms a defect level and has important characteristics for a photoelectric conversion device, such as carrier lifetime. It is clear that this will be reduced.

ところで、PN接合を形成して作製される光電変換装置の動作原理は、概略次のようなものであると考えられる。光電変換装置は光を吸収し、吸収した光のエネルギ−によって電子・正孔のキャリアを発生させる。発生したキャリアは接合電界によるドリフトと、拡散によって電子はn層側に、正孔はp層側に向かって移動するが、珪素中に欠陥準位が多い場合、途中で該欠陥準位にトラップされ消滅してしまう。すなわち、光電変換特性が低下してしまう。電子・正孔が発生し、消滅するまでの時間は寿命時間、またはライフタイムと呼ばれ、光電変換装置においてはこの値が大きい方が望ましい。したがって、本来珪素中には欠陥準位を生成する不純物元素は極力少なくすることが必要である。   By the way, it is thought that the operation principle of the photoelectric conversion device manufactured by forming the PN junction is roughly as follows. The photoelectric conversion device absorbs light and generates electron / hole carriers by the energy of the absorbed light. The generated carrier drifts due to the junction electric field and diffusion causes electrons to move to the n-layer side and holes to move to the p-layer side. If there are many defect levels in silicon, trapped at the defect level in the middle. And disappears. That is, the photoelectric conversion characteristics are deteriorated. The time from the generation and disappearance of electrons / holes is called the lifetime, or lifetime, and it is desirable that this value be larger in the photoelectric conversion device. Therefore, it is essential that the number of impurity elements that generate defect levels in silicon is minimized.

本発明の目的は、上記触媒材料による珪素の結晶化の長所を生かすと共に、結晶化した後には、不要となった触媒材料を除去して、光電変換特性の優れた光電変換装置を得ることにある。   An object of the present invention is to obtain the photoelectric conversion device having excellent photoelectric conversion characteristics by taking advantage of the crystallization of silicon by the catalyst material and removing the unnecessary catalyst material after crystallization. is there.

上記問題点を解決するために、本発明の光電変換装置の作製方法は、非晶質構造を有する第1の半導体膜を形成する第1の工程と、非晶質構造を有する半導体膜に結晶化を助長する触媒元素を添加して第1の加熱処理により結晶構造を有する第1の半導体膜を形成する第2の工程と、結晶構造を有する第1の半導体膜上に希ガス元素を含有する第2の半導体膜を形成する第3の工程と、第2の加熱処理により、触媒元素を前記第2の半導体膜に移動させる第4の工程と、第2の半導体膜を除去する第5の工程とを有することを特徴としている。   In order to solve the above problems, a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention includes a first step of forming a first semiconductor film having an amorphous structure, and a crystal formed in the semiconductor film having an amorphous structure. A second step of forming a first semiconductor film having a crystal structure by a first heat treatment by adding a catalyst element that promotes the formation of the catalyst, and a rare gas element is included on the first semiconductor film having the crystal structure A third step of forming the second semiconductor film, a fourth step of moving the catalytic element to the second semiconductor film by a second heat treatment, and a fifth step of removing the second semiconductor film. It is characterized by having these processes.

非晶質構造を有する第1の半導体膜に、その結晶化を助長する触媒元素を添加して第1の加熱処理を行うことにより、従来よりも結晶化に必要な加熱温度を低くすることができる。触媒元素はFe、Ni、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種を用いることができる。   By adding a catalytic element that promotes crystallization to the first semiconductor film having an amorphous structure and performing the first heat treatment, the heating temperature required for crystallization can be made lower than before. it can. As the catalyst element, one or more selected from Fe, Ni, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au can be used.

そして、結晶化した後に第1の半導体膜に残存する触媒元素は、その上に希ガス元素を含む第2の半導体膜を形成し、第2の加熱処理を行うことで、該第2の半導体膜に移動させ濃集させることができる。即ち、第2に半導体膜に希ガス元素を含ませることで歪み場を形成し、ゲッタリングサイトとすることができる。
希ガス元素は基本的に他の原子と結合を形成しないため、半導体膜中で格子間に挿入されて、それにより歪み場を形成することができる。
Then, the catalyst element remaining in the first semiconductor film after crystallization forms a second semiconductor film containing a rare gas element thereon, and is subjected to a second heat treatment, whereby the second semiconductor film is formed. It can be moved to a membrane and concentrated. That is, secondly, by adding a rare gas element to the semiconductor film, a strain field can be formed and used as a gettering site.
Since the rare gas element basically does not form a bond with other atoms, it can be inserted between the lattices in the semiconductor film, thereby forming a strain field.

ゲッタリング技術は珪素単結晶基板を用いる集積回路の製造技術として良く知られている。そのゲッタリング技術には、珪素基板に外部から歪み場や化学的作用を与えてゲッタリング効果をもたせるエクストリンシックゲッタリングや、ウエハー内部に生成された酸素が関与する格子欠陥の歪み場を利用したイントリンシックゲッタリングがある。エクストリンシックゲッタリングには、珪素基板の裏面(素子を形成する反対側の面)に機械的損傷を与える方法や、多結晶珪素膜を形成する方法、及びリンを拡散する方法である。また、イオン注入により形成された二次的格子欠陥により歪み場を形成して行うゲッタリング技術もある。ゲッタリングの詳細なメカニズムは必ずしも統一的に明らかにされていないが、上述のように加熱処理を行うと、歪み場が形成されている領域に金属元素が析出するという現象を積極的に利用しているものである。   The gettering technique is well known as an integrated circuit manufacturing technique using a silicon single crystal substrate. The gettering technology uses extrinsic gettering to give a gettering effect by applying a strain field and chemical action to the silicon substrate from the outside, and a strain field of lattice defects involving oxygen generated inside the wafer. There is intrinsic gettering. The extrinsic gettering includes a method of mechanically damaging the back surface of the silicon substrate (an opposite surface on which elements are formed), a method of forming a polycrystalline silicon film, and a method of diffusing phosphorus. There is also a gettering technique in which a strain field is formed by secondary lattice defects formed by ion implantation. Although the detailed mechanism of gettering is not necessarily clarified uniformly, when heat treatment is performed as described above, a phenomenon in which a metal element precipitates in a region where a strain field is formed is actively used. It is what.

ゲッタリングを行った後、第1の半導体膜上に形成した第2の半導体膜を選択性良く除去するためには、第1の半導体膜上にバリア層を形成しておくと良い。
バリア層は、第1の半導体膜をオゾン水で処理をしてケミカルオキサイドを形成しても良いし、プラズマ処理により表面を酸化して形成しても良い。また、酸素を含む雰囲気中で紫外線を照射してオゾンを発生させ表面を酸化して形成しても良い。
In order to remove the second semiconductor film formed over the first semiconductor film with high selectivity after the gettering, a barrier layer is preferably formed over the first semiconductor film.
The barrier layer may be formed by treating the first semiconductor film with ozone water to form chemical oxide or oxidizing the surface by plasma treatment. Further, it may be formed by irradiating ultraviolet rays in an atmosphere containing oxygen to generate ozone and oxidize the surface.

第2の半導体膜はスパッタ法又はプラズマCVD法で形成する。スパッタガスに希ガスを含ませる、又は反応ガス中に希ガスを添加しておくことで第2の半導体膜中に希ガス元素を取り込ませることができる。また、被膜の形成後、イオン注入法又はイオンドープ法で添加しても良い。希ガス元素はHe、Ne、Ar、Kr、Xeから選ばれたものを用いる。   The second semiconductor film is formed by sputtering or plasma CVD. A rare gas element can be taken into the second semiconductor film by adding a rare gas to the sputtering gas or adding a rare gas to the reaction gas. Further, after the formation of the film, it may be added by an ion implantation method or an ion doping method. As the rare gas element, one selected from He, Ne, Ar, Kr, and Xe is used.

第1の加熱処理及び第2の加熱処理は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプを加熱手段とする瞬間熱アニール(Rapid thermal anneal:RTA)法、又は電熱炉を用いたファーネスアニール法により行う。本発明においてゲッタリングは、触媒元素を半導体膜の厚さ分程度移動させれば良いので、RTA法のような短時間の加熱処理でもゲッタリングを完遂することが可能である。   The first heat treatment and the second heat treatment are a rapid thermal anneal (RTA) method using a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, and a high pressure mercury lamp as heating means. Or furnace annealing using an electric furnace. In the present invention, the gettering can be accomplished by a short heat treatment such as the RTA method because the catalyst element only needs to be moved by the thickness of the semiconductor film.

本発明による光電変換装置の作製方法は、非晶質珪素膜を加熱処理して結晶化させる工程において、ニッケル等の触媒材料を用いる事により、従来よりも低い加熱処理温度で結晶性珪素膜を得ることができる。さらに加えて、得られた結晶性珪素膜中に残留した、前記触媒材料の濃度を低くすることができる。その結果、安価なガラス基板を用いてしかも光電変換特性の優れた光電変換装置を得ることができる。   In a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention, a crystalline silicon film is formed at a lower heat treatment temperature than before by using a catalyst material such as nickel in a step of crystallizing an amorphous silicon film by heat treatment. Obtainable. In addition, the concentration of the catalyst material remaining in the obtained crystalline silicon film can be lowered. As a result, a photoelectric conversion device having an excellent photoelectric conversion characteristic can be obtained using an inexpensive glass substrate.

本発明の光電変換装置の作製方法の概略図である。1 is a schematic view of a method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention. 本発明の光電変換装置の作製方法の概略図である。1 is a schematic view of a method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention. 本発明の光電変換装置の断面構造の一例を示す図The figure which shows an example of the cross-section of the photoelectric conversion apparatus of this invention 本発明の光電変換装置の断面構造の一例を示す図The figure which shows an example of the cross-section of the photoelectric conversion apparatus of this invention 本発明の光電変換装置の作製方法の概略図である。1 is a schematic view of a method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention. イオンドープ法により結晶性珪素膜に添加したアルゴンの濃度分布を示すグラフ。The graph which shows the density | concentration distribution of the argon added to the crystalline silicon film by the ion doping method. 結晶性珪素膜に添加したニッケルの濃度分布を示すデータであり加熱処理前後の変化を示すグラフ。The graph which shows the density | concentration distribution of the nickel added to the crystalline silicon film, and shows the change before and behind heat processing.

〔実施の形態1〕 非晶質珪素膜に珪素の結晶化を促進する触媒元素を密着し形成せしめ、加熱処理により前記非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶化後残存する該触媒元素を該結晶性珪素膜の外に除去して、光電変換装置を作製する方法について図1を用いて説明する。 [Embodiment 1] A catalytic element for promoting crystallization of silicon is formed in close contact with an amorphous silicon film, the amorphous silicon film is crystallized by heat treatment, and the catalytic element remaining after crystallization is removed. A method for manufacturing the photoelectric conversion device by removing it from the crystalline silicon film will be described with reference to FIGS.

図1において、ガラス基板(例えばコーニング社製の1737ガラス基板)101上に下地膜として、酸化珪素膜102を0.3μmの厚さに成膜する。この酸化珪素膜102は、四珪酸メチル(TEOS)を原料としたプラズマCVD法により成膜すれば良いが、その他の方法としてスパッタ法でも形成可能である。
次に、プラズマCVD法によって、シランガスを原料として非晶質珪素膜(アモルファスシリコン膜)103の成膜を行う。
In FIG. 1, a silicon oxide film 102 is formed to a thickness of 0.3 μm as a base film on a glass substrate 101 (for example, 1737 glass substrate manufactured by Corning). The silicon oxide film 102 may be formed by a plasma CVD method using methyl tetrasilicate (TEOS) as a raw material, but may be formed by a sputtering method as another method.
Next, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) 103 is formed by a plasma CVD method using silane gas as a raw material.

非晶質珪素膜103の形成は、プラズマCVD法の他に減圧熱CVD法、スパッタ法、真空蒸着法を用いても良い。前記非晶質珪素膜103は周期表13族又は15族の元素を意図的に添加しない真正な非晶質珪素膜でも良いし、ボロン(B)を0.001〜0.1原子%添加した非晶質珪素膜で形成しても良い。また、非晶質珪素膜103の厚さは1〜20μm、好ましくは5〜10μmとする。(図1(A))   The amorphous silicon film 103 may be formed by a low pressure thermal CVD method, a sputtering method, or a vacuum evaporation method in addition to the plasma CVD method. The amorphous silicon film 103 may be a genuine amorphous silicon film to which no periodic group 13 or 15 element is intentionally added, and boron (B) is added in an amount of 0.001 to 0.1 atomic%. An amorphous silicon film may be formed. The thickness of the amorphous silicon film 103 is 1 to 20 μm, preferably 5 to 10 μm. (Fig. 1 (A))

次に過酸化水素水とアンモニアとを混合した水溶液に基板を浸し、70℃に5分間保つことにより、非晶質珪素膜103の表面に酸化膜(図示せず)を形成する。この酸化膜は、後のニッケル酢酸塩溶液の塗布工程において、その濡れ性を改善させるために形成する。さらにニッケル酢酸塩溶液をスピンコート法により非晶質珪素膜103の表面に塗布する。こうして、触媒元素となるニッケルを非晶質珪素膜103の表面に分散させる。ニッケルは非晶質珪素膜103が結晶化する際に、結晶化を助長する触媒として作用する。   Next, the substrate is immersed in an aqueous solution in which hydrogen peroxide and ammonia are mixed and kept at 70 ° C. for 5 minutes to form an oxide film (not shown) on the surface of the amorphous silicon film 103. This oxide film is formed in order to improve the wettability in the subsequent application step of the nickel acetate solution. Further, a nickel acetate solution is applied to the surface of the amorphous silicon film 103 by spin coating. Thus, nickel serving as a catalyst element is dispersed on the surface of the amorphous silicon film 103. Nickel acts as a catalyst for promoting crystallization when the amorphous silicon film 103 is crystallized.

次に窒素雰囲気中において、450℃の温度で1時間保持することにより、非晶質珪素膜103中の水素を離脱させる。これは、非晶質珪素膜103中に不対結合手を意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるためである。その後、窒素雰囲気中において、500〜600℃、好ましくは550℃にて4〜8時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜103を結晶化させて、結晶性珪素膜104を形成する。この結晶化の際の温度を550℃とすることができたのは、ニッケルの触媒作用によるものである。またこの結晶性珪素膜104中には、水素が0.001原子%〜5原子%の割合で含まれている。上記加熱処理中、ニッケルはシリサイドを形成して珪素中を拡散し、それにより結晶化が進行する。   Next, in the nitrogen atmosphere, the hydrogen in the amorphous silicon film 103 is released by holding at 450 ° C. for 1 hour. This is because the threshold energy for subsequent crystallization is lowered by intentionally forming a dangling bond in the amorphous silicon film 103. After that, the amorphous silicon film 103 is crystallized by performing heat treatment at 500 to 600 ° C., preferably 550 ° C. for 4 to 8 hours in a nitrogen atmosphere, so that the crystalline silicon film 104 is formed. . The reason why the temperature during the crystallization could be set to 550 ° C. was due to the catalytic action of nickel. The crystalline silicon film 104 contains 0.001 atomic% to 5 atomic% of hydrogen. During the heat treatment, nickel forms silicide and diffuses in the silicon, thereby causing crystallization to proceed.

加熱処理の方法としては、その他にハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどを用いたRTA法を採用する。RTA法で行う場合には、加熱用のランプ光源を1〜60秒、好ましくは30〜60秒点灯させ、それを1〜10回、好ましくは2〜6回繰り返す。ランプ光源の発光強度は任意なものとするが、半導体膜が瞬間的には600〜1000℃、好ましくは650〜750℃程度にまで加熱されるようにする。瞬間的にこのような高温になったとしても、ランプ光源を選択し、放射される電磁波の波長帯を適切なもの(即ち、半導体膜の吸収係数の高い波長帯)とすることにより半導体膜を優先的に加熱することができる。従って、基板101はそれ自身が歪んで変形することはない。例えば、非晶質珪素膜を加熱するには600nmより長い波長帯にスペクトルのピークがあるハロゲンランプが適している。こうして、非晶質構造を有する半導体膜を結晶化させても結晶性珪素膜104を得ることができる。   As other heat treatment methods, an RTA method using a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, a high pressure mercury lamp, or the like is employed. When the RTA method is used, the lamp light source for heating is turned on for 1 to 60 seconds, preferably 30 to 60 seconds, and this is repeated 1 to 10 times, preferably 2 to 6 times. The emission intensity of the lamp light source is arbitrary, but the semiconductor film is instantaneously heated to 600 to 1000 ° C., preferably about 650 to 750 ° C. Even if the temperature suddenly becomes high, a lamp light source is selected, and the wavelength band of the emitted electromagnetic wave is set to an appropriate one (that is, a wavelength band having a high absorption coefficient of the semiconductor film). Preferential heating is possible. Therefore, the substrate 101 itself is not distorted and deformed. For example, a halogen lamp having a spectral peak in a wavelength band longer than 600 nm is suitable for heating an amorphous silicon film. In this manner, the crystalline silicon film 104 can be obtained even when the semiconductor film having an amorphous structure is crystallized.

こうして、ガラス基板101上に結晶性珪素膜104を形成することができる。次に、図1(B)に示すように結晶性珪素膜104上に希ガス元素を含有する非晶質珪素膜105を形成する。代表的な一例は、希ガス元素としてアルゴンを1×1019〜1×1022/cm3の濃度で含む非晶質珪素膜であり、スパッタ法で0.05〜0.1μmの厚さに形成する。スパッタ法では高純度の珪素をターゲットとし、アルゴン又はアルゴンと水素をスパッタガスに用いて非晶質珪素膜を形成する。アルゴンを膜中に多量に含ませるには、成膜時の圧力の制御が不可欠である。詳細な条件は使用する装置に依存するものであるが、成膜時の圧力を0.2〜1Paとし、成膜速度を比較的遅くすることによりアルゴンの含有量を増やすことができる。 Thus, the crystalline silicon film 104 can be formed on the glass substrate 101. Next, as shown in FIG. 1B, an amorphous silicon film 105 containing a rare gas element is formed over the crystalline silicon film 104. A typical example is an amorphous silicon film containing argon as a rare gas element at a concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 22 / cm 3 , and has a thickness of 0.05 to 0.1 μm by sputtering. Form. In the sputtering method, high-purity silicon is used as a target, and an amorphous silicon film is formed using argon or argon and hydrogen as sputtering gases. In order to contain a large amount of argon in the film, it is essential to control the pressure during film formation. Although detailed conditions depend on the apparatus to be used, the argon content can be increased by setting the pressure during film formation to 0.2 to 1 Pa and relatively slowing the film formation rate.

勿論、適用可能な希ガス元素はアルゴンに限定されるものではなく、その他にもヘリウム、クリプトン、ネオン、キセノンを用いても良い。また、非晶質珪素膜105の製法はスパッタ法に限定されず、同様な濃度で希ガス元素を含むものであればプラズマCVD法や蒸着法を用いることもできる。   Of course, the applicable rare gas element is not limited to argon, and helium, krypton, neon, and xenon may also be used. The manufacturing method of the amorphous silicon film 105 is not limited to the sputtering method, and a plasma CVD method or a vapor deposition method can be used as long as the amorphous silicon film 105 contains a rare gas element at a similar concentration.

その後、電熱炉を用いて450〜800℃、好ましくは550℃で1〜4時間、窒素雰囲気中で加熱処理を行うことにより、希ガス元素を含有する非晶質珪素膜105がゲッタリングサイトとなり、結晶性珪素膜104に含まれている触媒元素(ここではニッケル)の濃度を2×1018/cm3以下とすることができる。このとき、触媒元素は図1(B)において示す矢印の方向に移動し、希ガス元素を含有する非晶質珪素膜105に濃集する。 Thereafter, the amorphous silicon film 105 containing a rare gas element becomes a gettering site by performing heat treatment in a nitrogen atmosphere at 450 to 800 ° C., preferably 550 ° C. for 1 to 4 hours using an electric furnace. The concentration of the catalyst element (here, nickel) contained in the crystalline silicon film 104 can be 2 × 10 18 / cm 3 or less. At this time, the catalyst element moves in the direction of the arrow shown in FIG. 1B and is concentrated in the amorphous silicon film 105 containing a rare gas element.

また、RTA法を用いる場合には、加熱用のランプ光源を1〜60秒、好ましくは30〜60秒点灯させ、それを1〜10回、好ましくは2〜6回繰り返す。
ランプ光源の発光強度は任意なものとするが、半導体膜が瞬間的には600〜1000℃、好ましくは700〜750℃程度にまで加熱されるようにする。
When the RTA method is used, the lamp light source for heating is turned on for 1 to 60 seconds, preferably 30 to 60 seconds, and this is repeated 1 to 10 times, preferably 2 to 6 times.
The emission intensity of the lamp light source is arbitrary, but the semiconductor film is instantaneously heated to 600 to 1000 ° C., preferably about 700 to 750 ° C.

その後、非晶質半導体膜107をエッチングして除去する。エッチングの方法としては、NF3やCF4を用いたドライエッチング、ClF3によるプラズマを用いないドライエッチングで行う。或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド(化学式 (CH34NOH)を含む水溶液などアルカリ溶液によるウエットエッチングで行うことができる。 Thereafter, the amorphous semiconductor film 107 is removed by etching. As an etching method, dry etching using NF 3 or CF 4 or dry etching without using plasma with ClF 3 is performed. Alternatively, wet etching with an alkaline solution such as an aqueous solution containing hydrazine or tetraethylammonium hydroxide (chemical formula (CH 3 ) 4 NOH) can be performed.

このエッチング処理により結晶性珪素膜104の表面を露呈させる。この表面にn型結晶性珪素膜106を形成する。n型結晶性珪素膜106はプラズマCVD法を用いて形成しても良いし、減圧熱CVD法を用いて形成しても良い。該n型結晶性珪素膜106は0.02〜0.2μmの厚さで形成すると良いが、代表的には0.1μmの厚さに形成する。次いで、n型結晶性珪素膜106上に透明電極107を形成する。透明電極107は、スパッタ法を用いて、酸化インジウム・スズ合金(ITO)を0.08μmの厚さに形成する。(図1(C))   By this etching process, the surface of the crystalline silicon film 104 is exposed. An n-type crystalline silicon film 106 is formed on this surface. The n-type crystalline silicon film 106 may be formed using a plasma CVD method, or may be formed using a low pressure thermal CVD method. The n-type crystalline silicon film 106 is preferably formed to a thickness of 0.02 to 0.2 μm, but typically is formed to a thickness of 0.1 μm. Next, a transparent electrode 107 is formed on the n-type crystalline silicon film 106. The transparent electrode 107 is formed of indium tin oxide alloy (ITO) with a thickness of 0.08 μm by sputtering. (Figure 1 (C))

次に、取り出し電極108、109を設ける工程を行う。取り出し電極108、109を設けるに当たっては、図1(E)に示すように、透明電極107、n型結晶性珪素105、結晶性珪素103の一部を除去する。そしてスパッタ法や真空蒸着法によりアルミニウムや銀等の金属膜を形成して結晶性珪素膜104上にプラス側の電極108を設け、透明電極106上にマイナス側の電極109を形成する、尚、取り出し電極108、109はアルミニウムや銀、または、銀ペ−スト等を用いて形成することが可能である。   Next, a step of providing extraction electrodes 108 and 109 is performed. In providing the extraction electrodes 108 and 109, as shown in FIG. 1E, a part of the transparent electrode 107, the n-type crystalline silicon 105, and the crystalline silicon 103 is removed. Then, a metal film such as aluminum or silver is formed by sputtering or vacuum deposition to provide a positive electrode 108 on the crystalline silicon film 104, and a negative electrode 109 is formed on the transparent electrode 106. The extraction electrodes 108 and 109 can be formed using aluminum, silver, silver paste, or the like.

さらに、取り出し電極108、109を設けた後、150℃〜300℃で数分間熱処理すると、結晶性珪素膜104と下地膜の酸化珪素膜102との密着性が良くなり、良好な電気的特性が得られる。具体的には、オ−ブンを用い、窒素雰囲気中で200℃、30分間の熱処理を行うと良い。以上の工程により光電変換装置を得ることができる。   Further, when the extraction electrodes 108 and 109 are provided and then heat-treated at 150 ° C. to 300 ° C. for several minutes, the adhesion between the crystalline silicon film 104 and the silicon oxide film 102 of the base film is improved, and good electrical characteristics are obtained. can get. Specifically, heat treatment is preferably performed at 200 ° C. for 30 minutes in an nitrogen atmosphere using an oven. Through the above steps, a photoelectric conversion device can be obtained.

〔実施の形態2〕 本実施の形態では、光電変換装置の作製方法では、珪素の結晶化を促進する触媒元素を結晶化後除去する工程において、結晶性珪素膜の表面に希ガス元素をイオン注入法またはイオンドープ法を用いて添加する方法を採用する。 [Embodiment Mode 2] In this embodiment mode, in a method for manufacturing a photoelectric conversion device, a rare gas element is ionized on the surface of a crystalline silicon film in a step of removing a catalytic element that promotes crystallization of silicon after crystallization. A method of adding by using an implantation method or an ion doping method is employed.

図2において、ガラス基板201上に下地膜として、酸化珪素膜202を0.3μmの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、四珪酸メチル(TEOS)を原料としたプラズマCVD法により成膜したが、他の方法としてスパッタ法でも形成可能である。次に、プラズマCVD法によって、シランガスを原料として非晶質珪素膜203の成膜を行う。次に過水アンモニアに基板を浸し、70℃に5分間保つことにより、非晶質珪素膜203の表面に酸化膜(図示せず)を形成する。
ニッケル酢酸塩溶液をスピンコート法により非晶質珪素膜203の表面に塗布する。ニッケル元素は、非晶質珪素膜203が結晶化する際に結晶化を助長する元素として機能する。
In FIG. 2, a silicon oxide film 202 is formed as a base film on a glass substrate 201 to a thickness of 0.3 μm. This silicon oxide film is formed by a plasma CVD method using methyl tetrasilicate (TEOS) as a raw material, but can also be formed by a sputtering method as another method. Next, the amorphous silicon film 203 is formed by a plasma CVD method using silane gas as a raw material. Next, the substrate is immersed in perhydro ammonia and kept at 70 ° C. for 5 minutes to form an oxide film (not shown) on the surface of the amorphous silicon film 203.
A nickel acetate solution is applied to the surface of the amorphous silicon film 203 by spin coating. The nickel element functions as an element that promotes crystallization when the amorphous silicon film 203 is crystallized.

次に窒素雰囲気中において、450℃の温度で1時間保持することにより、非晶質珪素膜203中の水素を離脱させる。そして窒素雰囲気中において、550℃、4〜8時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜203を結晶化させて、結晶性珪素膜204を得る。以上までの工程は、実施の形態1と同様にして行うものである。   Next, hydrogen in the amorphous silicon film 203 is desorbed by holding at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Then, by performing a heat treatment at 550 ° C. for 4 to 8 hours in a nitrogen atmosphere, the amorphous silicon film 203 is crystallized to obtain a crystalline silicon film 204. The steps up to here are performed in the same manner as in the first embodiment.

その後、イオンドープ法を用い、希ガス元素を結晶性珪素膜204に添加する。希ガス元素としてはアルゴンを用い、ド−ズ量は1×1014〜1×1017/cm2で良いが、代表的には2×1015/cm2、加速電圧は10keVとする。このド−ピング処理によって、結晶性珪素膜204の表面から深さ約0.1μmの領域205にアルゴンが1×1018/cm3以上の濃度で含まれる領域が形成される。(図2(B)) Thereafter, a rare gas element is added to the crystalline silicon film 204 by an ion doping method. Argon is used as the rare gas element, and the dose may be 1 × 10 14 to 1 × 10 17 / cm 2 , but typically 2 × 10 15 / cm 2 and the acceleration voltage is 10 keV. By this doping process, a region 205 containing argon at a concentration of 1 × 10 18 / cm 3 or more is formed in a region 205 having a depth of about 0.1 μm from the surface of the crystalline silicon film 204. (Fig. 2 (B))

その後、結晶性珪素膜204中に残存するニッケルをゲッタリングするために加熱処理を行う。電熱炉を用いる場合には、熱処理温度は500〜800℃、好ましくは550℃で1〜4時間、窒素雰囲気中で行う。また、RTA法でも行うことができる。希ガスが注入された領域205は結晶が破壊され、非晶質構造となっている。この領域205には珪素の原子半径よりも大きなアルゴンが注入されたことにより歪み場が形成され、ゲッタリングサイトとすることができる。加熱処理に伴い、結晶性珪素膜204内のニッケルはこの領域205に移動し、結晶性珪素膜204内のニッケル元素の濃度を2×1018/cm3以下とすることができる。 Thereafter, heat treatment is performed to getter the nickel remaining in the crystalline silicon film 204. In the case of using an electric furnace, the heat treatment temperature is 500 to 800 ° C., preferably 550 ° C. for 1 to 4 hours in a nitrogen atmosphere. It can also be performed by the RTA method. In the region 205 into which the rare gas is injected, the crystal is broken and has an amorphous structure. A strain field is formed in this region 205 by injecting argon larger than the atomic radius of silicon, and can be a gettering site. With the heat treatment, nickel in the crystalline silicon film 204 moves to this region 205, and the concentration of nickel element in the crystalline silicon film 204 can be 2 × 10 18 / cm 3 or less.

図6は、100ppmのニッケル酢酸塩溶液を300nmの非晶質珪素膜に塗布して、550℃、4時間の熱処理により結晶化させて得た結晶性珪素膜に、イオンドープ法で希ガス元素としてアルゴンを加速電圧10keV、ドーズ量2×1015/cm2で注入したときのアルゴンの分布を2次イオン質量分析法で測定したものである。アルゴンは結晶性珪素膜の表面から約80nmの深さまで注入されていて、その濃度は1×1018/cm3以上となっている。図6では同じ試料を550℃、4時間の加熱処理を加えた後のプロファイルも示しているが、アルゴンの濃度分布は殆ど変化していない。また、膜中の含有量も変化していないことから、この温度で膜外に再放出されていないことが解る。アルゴンが加熱処理により再分布しないということは、ゲッタリングサイトを安定的に保持可能ということであり、後で示すようにアルゴン添加領域を除去すれば、結晶性珪素膜に何ら悪影響を残さないことを示している。 FIG. 6 shows a rare gas element formed by applying an ion doping method to a crystalline silicon film obtained by applying a 100 ppm nickel acetate solution to a 300 nm amorphous silicon film and crystallizing it at 550 ° C. for 4 hours. As a result, the argon distribution was measured by secondary ion mass spectrometry when argon was implanted at an acceleration voltage of 10 keV and a dose of 2 × 10 15 / cm 2 . Argon is implanted to a depth of about 80 nm from the surface of the crystalline silicon film, and its concentration is 1 × 10 18 / cm 3 or more. FIG. 6 also shows a profile after the same sample is heated at 550 ° C. for 4 hours, but the argon concentration distribution hardly changes. Further, since the content in the film is not changed, it is understood that the film is not re-released outside the film at this temperature. The fact that argon is not redistributed by heat treatment means that the gettering site can be stably maintained, and if the argon-added region is removed as will be shown later, no adverse effect is left on the crystalline silicon film. Is shown.

また、図7は同じ試料にニッケルの濃度分布を2次イオン質量分析法で測定したデータであり、550℃、4時間の加熱処理により膜中のニッケル濃度は5×1018/cm3から1×1018/cm3にまで低減されている。減少したニッケルは、アルゴンが添加された領域(結晶性珪素膜の表面から約80nmの深さの領域)に移動し、その領域の濃度はピーク値で1.2×1019/cm3から6×1019/cm3に増加している。このように、図7のデータはアルゴンによるゲッタリングの効果を明瞭に示している。勿論、このようなゲッタリングの効果はアルゴンに限定されるものではなく、他の希ガス元素を用いても同様な効果を得ることができる。 FIG. 7 shows data obtained by measuring the nickel concentration distribution in the same sample by secondary ion mass spectrometry. The nickel concentration in the film is 5 × 10 18 / cm 3 to 1 after heat treatment at 550 ° C. for 4 hours. It is reduced to × 10 18 / cm 3 . The reduced nickel moves to a region to which argon is added (region having a depth of about 80 nm from the surface of the crystalline silicon film), and the concentration of the region is 1.2 × 10 19 / cm 3 to 6 in peak value. × 10 19 / cm 3 increased. Thus, the data of FIG. 7 clearly shows the effect of gettering with argon. Of course, the effect of such gettering is not limited to argon, and the same effect can be obtained by using other rare gas elements.

さらに、アルゴンが高濃度に添加された領域205はこの加熱処理によって再結晶化することはない。従って、歪み場がそのまま残り、ゲッタリングの目的からは良好なゲッタリングサイトとなる。   Further, the region 205 to which argon is added at a high concentration is not recrystallized by this heat treatment. Therefore, the strain field remains as it is, and it is a good gettering site for the purpose of gettering.

従って、光電変換装置を完成させるにはこの領域205を除去する必要がある。エッチングの方法は実施の形態1と同様に行えば良く、結晶性珪素膜204の表面から約0.1μm程度を除去した後、n型結晶性珪素膜206を形成する。
n型結晶性珪素膜206はプラズマCVD法を用いて形成しても良いし、減圧熱CVD法を用いて形成しても良い。該n型結晶性珪素膜206は0.02〜0.2μmの厚さで形成すると良いが、代表的には0.1μmの厚さに形成する。さらに透明電極107を形成する。透明電極106は、スパッタ法を用いて、酸化インジウム・スズ合金(ITO)を0.08μmの厚さに形成する。(図2(C)
Therefore, it is necessary to remove this region 205 in order to complete the photoelectric conversion device. The etching method may be performed in the same manner as in the first embodiment. After removing about 0.1 μm from the surface of the crystalline silicon film 204, the n-type crystalline silicon film 206 is formed.
The n-type crystalline silicon film 206 may be formed using a plasma CVD method, or may be formed using a low pressure thermal CVD method. The n-type crystalline silicon film 206 is preferably formed with a thickness of 0.02 to 0.2 μm, but typically is formed with a thickness of 0.1 μm. Further, a transparent electrode 107 is formed. The transparent electrode 106 is formed of indium tin oxide alloy (ITO) with a thickness of 0.08 μm by sputtering. (Fig. 2 (C)
)

そして、取り出し電極208、209を形成するために、図2(D)に示すように、透明電極207、n型結晶性珪素膜206、結晶性珪素204の一部を除去して、結晶性珪素膜204の表面を部分的に露出させる。そしてスパッタ法や真空蒸着法によりアルミニウムや銀等の金属膜を形成して、結晶性珪素膜204上にプラス側の電極208を設け、透明電極207上にマイナス側の電極209を形成する。   Then, in order to form the extraction electrodes 208 and 209, as shown in FIG. 2D, the transparent electrode 207, the n-type crystalline silicon film 206, and the crystalline silicon 204 are partially removed to obtain crystalline silicon. The surface of the film 204 is partially exposed. Then, a metal film such as aluminum or silver is formed by sputtering or vacuum vapor deposition, a positive electrode 208 is provided on the crystalline silicon film 204, and a negative electrode 209 is formed on the transparent electrode 207.

さらに、取り出し電極208、209を設けた後、150℃〜300℃で数分間熱処理すると、結晶性珪素膜204と下地膜の酸化珪素膜202との密着性が良くなり、良好な電気的特性が得られる。本実施例では、オ−ブンを用い、窒素雰囲気中で200℃、30分間の熱処理を行った。以上の工程により、光電変換装置を完成することができる。   Further, after the extraction electrodes 208 and 209 are provided, when heat treatment is performed at 150 ° C. to 300 ° C. for several minutes, the adhesion between the crystalline silicon film 204 and the silicon oxide film 202 as the base film is improved, and good electrical characteristics are obtained. can get. In this example, an oven was used and heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 200 ° C. for 30 minutes. Through the above steps, the photoelectric conversion device can be completed.

〔実施の形態3〕 触媒元素を用いて形成される結晶性珪素膜の上にゲッタリングサイトとして形成した非晶質珪素膜を選択的に除去する形態の一例を示す。 [Embodiment Mode 3] An example of a mode in which an amorphous silicon film formed as a gettering site on a crystalline silicon film formed using a catalytic element is selectively removed will be described.

図5(A)において、実施の形態1と同様にして基板501上に下地膜として、酸化珪素膜502を0.3μmの厚さに成膜する。次に、プラズマCVD法によって、シランガスを原料として非晶質珪素膜を形成し、触媒元素を導入して結晶化させ、結晶性珪素膜503を形成する。以上までの工程は、実施の形態1と同様にして行うものである。   In FIG. 5A, a silicon oxide film 502 is formed to a thickness of 0.3 μm as a base film over a substrate 501 in the same manner as in Embodiment Mode 1. Next, an amorphous silicon film is formed by a plasma CVD method using silane gas as a raw material, and a crystalline silicon film 503 is formed by introducing a catalytic element and crystallizing. The steps up to here are performed in the same manner as in the first embodiment.

次に、結晶性珪素膜503の表面にバリア層504を形成する。バリア層はオゾン水で処理することにより形成されるケミカルオキサイドを用いても良い。また、硫酸、塩酸、硝酸などと過酸化水素水を混合させた水溶液で処理しても同様にケミカルオキサイドを形成することができる。他の方法としては、酸化雰囲気中でのプラズマ処理や、酸素含有雰囲気中での紫外線照射によりオゾンを発生させて酸化処理を行っても良い。また、クリーンオーブンを用い、200〜350℃程度に加熱して薄い酸化膜を形成しバリア層としても良い。或いは、プラズマCVD法やスパッタ法、蒸着法などで1〜5nm程度の酸化膜を堆積してバリア層としても良い。   Next, a barrier layer 504 is formed on the surface of the crystalline silicon film 503. The barrier layer may use chemical oxide formed by treatment with ozone water. Similarly, chemical oxide can be formed by treatment with an aqueous solution in which sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid or the like and hydrogen peroxide are mixed. As another method, the oxidation treatment may be performed by generating ozone by plasma treatment in an oxidizing atmosphere or ultraviolet irradiation in an oxygen-containing atmosphere. Alternatively, a thin oxide film may be formed by heating to about 200 to 350 ° C. using a clean oven to form a barrier layer. Alternatively, a barrier layer may be formed by depositing an oxide film of about 1 to 5 nm by plasma CVD, sputtering, vapor deposition, or the like.

その後、バリア層504上に希ガス元素を含有する非晶質珪素膜505を形成する。これは実施の形態1と同様に形成すれば良い。或いは、非晶質珪素膜を形成した後、実施の形態2で示したようにイオン注入法又はイオンドープ法により希ガス元素を添加しても良い。この非晶質珪素膜505をゲッタリングサイトとして用いる。   Thereafter, an amorphous silicon film 505 containing a rare gas element is formed over the barrier layer 504. This may be formed as in the first embodiment. Alternatively, after an amorphous silicon film is formed, a rare gas element may be added by an ion implantation method or an ion doping method as described in Embodiment Mode 2. This amorphous silicon film 505 is used as a gettering site.

そして、結晶性珪素膜503中に残存する触媒元素をゲッタリングするために、加熱処理を行う。熱処理温度は500〜800℃、好ましくは550℃で1〜4時間、窒素雰囲気中で加熱処理を行う。又は、RTA法により、加熱用のランプ光源を1〜60秒、好ましくは30〜60秒点灯させ、それを1〜10回、好ましくは2〜6回繰り返す。ランプ光源の発光強度は任意なものとするが、半導体膜が瞬間的には600〜1000℃、好ましくは700〜750℃程度にまで加熱されるようにする。   Then, heat treatment is performed in order to getter the catalyst element remaining in the crystalline silicon film 503. Heat treatment is performed at 500 to 800 ° C., preferably 550 ° C. for 1 to 4 hours in a nitrogen atmosphere. Alternatively, the lamp light source for heating is turned on for 1 to 60 seconds, preferably 30 to 60 seconds by the RTA method, and this is repeated 1 to 10 times, preferably 2 to 6 times. The emission intensity of the lamp light source is arbitrary, but the semiconductor film is instantaneously heated to 600 to 1000 ° C., preferably about 700 to 750 ° C.

その後、非晶質珪素膜505を選択的にエッチングして除去する。エッチングの方法としては、ClF3によるプラズマを用いないドライエッチング、或いはヒドラジンや、テトラエチルアンモニウムハイドロオキサイド(化学式 (CH34NOH)を含む水溶液などアルカリ溶液によるウエットエッチングで行うことができる。この時バリア層504はエッチングストッパーとして機能する。また、バリア層504はその後フッ酸により除去すれば良い。 Thereafter, the amorphous silicon film 505 is selectively etched and removed. As an etching method, dry etching without using plasma with ClF 3 or wet etching with an alkaline solution such as an aqueous solution containing hydrazine or tetraethylammonium hydroxide (chemical formula (CH 3 ) 4 NOH) can be performed. At this time, the barrier layer 504 functions as an etching stopper. Further, the barrier layer 504 may be subsequently removed with hydrofluoric acid.

こうして、結晶性珪素膜503内の触媒元素は希ガス元素が添加された非晶質珪素膜505にゲッタリングされて、結晶性珪素膜503内の触媒元素の濃度を2×1018/cm3以下とすることができる。 Thus, the catalytic element in the crystalline silicon film 503 is gettered to the amorphous silicon film 505 to which the rare gas element is added, and the concentration of the catalytic element in the crystalline silicon film 503 is 2 × 10 18 / cm 3. It can be as follows.

この表面に、n型結晶性珪素膜506を形成する。n型結晶性珪素膜506は、プラズマCVD法を用いて形成しても良いし、減圧熱CVD法を用いて形成しても良い。該n型結晶性珪素膜506は、0.02〜0.2μmの厚さで形成する。次いで、n型結晶性珪素膜506上に、透明電極507として、スパッタ法を用いて、酸化インジウム・スズ合金(ITO)を0.08μmの厚さに形成する。(図5(B))   An n-type crystalline silicon film 506 is formed on this surface. The n-type crystalline silicon film 506 may be formed using a plasma CVD method or may be formed using a low pressure thermal CVD method. The n-type crystalline silicon film 506 is formed with a thickness of 0.02 to 0.2 μm. Next, an indium tin oxide alloy (ITO) having a thickness of 0.08 μm is formed on the n-type crystalline silicon film 506 as a transparent electrode 507 by sputtering. (Fig. 5 (B))

さらに、取り出し電極508、509を設ける工程を行う。取り出し電極508、509を設けるに当たっては、図5(C)に示すように、透明電極507、n型結晶性珪素506、結晶性珪素膜503の一部を除去する。そしてスパッタ法や真空蒸着法によりアルミニウムや銀等の金属膜を形成して、結晶性珪素膜503上にプラス側の電極508を設け、透明電極506上にマイナス側の電極509を形成する、なお、取り出し電極508、509はアルミニウムや銀、または、銀ペ−スト等を用いて形成することが可能である。   Further, a step of providing extraction electrodes 508 and 509 is performed. In providing the extraction electrodes 508 and 509, as shown in FIG. 5C, the transparent electrode 507, the n-type crystalline silicon 506, and part of the crystalline silicon film 503 are removed. Then, a metal film such as aluminum or silver is formed by sputtering or vacuum deposition, and a positive electrode 508 is provided on the crystalline silicon film 503, and a negative electrode 509 is formed on the transparent electrode 506. The extraction electrodes 508 and 509 can be formed using aluminum, silver, silver paste, or the like.

さらに、取り出し電極508、509を設けた後、150℃〜300℃で数分間熱処理すると、結晶性珪素膜503と下地膜の酸化珪素膜502との密着性が良くなり、良好な電気的特性が得られる。本実施例では、オ−ブンを用い、窒素雰囲気中で200℃、30分間の熱処理を行った。以上の工程により、光電変換装置を完成することができる。尚、本実施の形態の構成は実施の形態1又は実施の形態2と組み合わせて行うことができる。   Further, when the extraction electrodes 508 and 509 are provided and then heat-treated at 150 ° C. to 300 ° C. for several minutes, the adhesion between the crystalline silicon film 503 and the silicon oxide film 502 as the base film is improved, and good electrical characteristics are obtained. can get. In this example, an oven was used and heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 200 ° C. for 30 minutes. Through the above steps, the photoelectric conversion device can be completed. Note that the structure of this embodiment can be combined with Embodiment 1 or Embodiment 2.

〔実施の形態4〕 本実施の形態では、実施の形態1乃至実施の形態3で示した光電変換装置の工程において、結晶性珪素膜の表面を異方性エッチング処理し、図3に示すような、光電変換装置のI層の表面を凹凸化させた例を示す。表面を凹凸化させ、光電変換装置の表面反射を少なくする技術はテクスチャ−処理と呼ばれている。 [Embodiment Mode 4] In this embodiment mode, an anisotropic etching process is performed on the surface of a crystalline silicon film in the process of the photoelectric conversion device described in Embodiment Modes 1 to 3, as shown in FIG. An example in which the surface of the I layer of the photoelectric conversion device is made uneven is shown. A technique for making the surface uneven and reducing the surface reflection of the photoelectric conversion device is called texture processing.

ガラス基板(例えばコーニング7959ガラス基板)301上に下地膜302として、酸化珪素膜を0.3μmの厚さに形成した。この酸化珪素膜は、四珪酸メチル(TEOS)を原料としたプラズマCVD法により成膜したが、他の方法としてスパッタ法でも形成可能である。次に、プラズマCVD法によって、非晶質珪素膜の成膜を行った。非晶質珪素膜の形成は、プラズマCVD法の他にも、減圧熱CVD法、スパッタ法、真空蒸着法を用いても良い。前記非晶質珪素膜は、実質的に真正な非晶質珪素膜でも良いし、ボロン(B)が0.001〜0.1%添加された非晶質珪素膜であっても良い。また、非晶質珪素膜の厚さは、20μmとする。勿論この厚さは実施者が必要とする厚さとすればよい。   A silicon oxide film having a thickness of 0.3 μm was formed as a base film 302 on a glass substrate (for example, Corning 7959 glass substrate) 301. This silicon oxide film is formed by a plasma CVD method using methyl tetrasilicate (TEOS) as a raw material, but can also be formed by a sputtering method as another method. Next, an amorphous silicon film was formed by plasma CVD. In addition to the plasma CVD method, the amorphous silicon film may be formed by using a low pressure thermal CVD method, a sputtering method, or a vacuum evaporation method. The amorphous silicon film may be a substantially genuine amorphous silicon film or an amorphous silicon film to which boron (B) is added in an amount of 0.001 to 0.1%. The thickness of the amorphous silicon film is 20 μm. Of course, this thickness may be a thickness required by the practitioner.

そして、加熱処理を行い結晶性珪素膜303を形成する。結晶性珪素膜303は本発明のゲッタリング処理により結晶化の過程で導入された触媒元素の濃度が2×1018/cm3以下にまで減じられている。 Then, heat treatment is performed to form a crystalline silicon film 303. In the crystalline silicon film 303, the concentration of the catalytic element introduced during the crystallization process is reduced to 2 × 10 18 / cm 3 or less by the gettering process of the present invention.

ゲッタリング処理終了後、結晶性珪素膜303の表面にテクスチャ−処理を加える。テクスチャ−処理は、ヒドラジン、もしくは水酸化ナトリウムの水溶液を用いて行うことができる。以下には水酸化ナトリウムを用いた場合について示す。   After the gettering process is finished, a texture process is applied to the surface of the crystalline silicon film 303. The texture treatment can be performed using an aqueous solution of hydrazine or sodium hydroxide. The case where sodium hydroxide is used is shown below.

テススチャ−処理は、水酸化ナトリウム濃度が2%の水溶液を80℃に加熱して行う。この条件で、本実施例で用いた結晶性珪素膜303のエッチング速度は約1μm/分が得られる。エッチングは5分間行い、その後反応を瞬時に止めるために沸騰水に浸漬し、さらに流水で十分洗浄する。このテクスチャ−処理後の結晶性珪素膜303の表面を電子顕微鏡で観察すると、ランダムではあるが0.1〜5μm程度の凹凸観察することができる。   The texture treatment is performed by heating an aqueous solution having a sodium hydroxide concentration of 2% to 80 ° C. Under this condition, the etching rate of the crystalline silicon film 303 used in this embodiment is about 1 μm / min. Etching is performed for 5 minutes, and then immersed in boiling water to stop the reaction instantly, and further washed thoroughly with running water. When the surface of the crystalline silicon film 303 after the texture treatment is observed with an electron microscope, unevenness of about 0.1 to 5 μm can be observed although it is random.

この表面に、n型結晶性珪素膜304を形成する。n型結晶性珪素膜304は、プラズマCVD法を用いて形成しても良いし、減圧熱CVD法を用いて形成しても良い。該n型結晶性珪素膜304は、0.02〜0.2μmの厚さで形成すると良いが、本実施例では、0.1μmの厚さに形成する。   An n-type crystalline silicon film 304 is formed on this surface. The n-type crystalline silicon film 304 may be formed using a plasma CVD method, or may be formed using a low pressure thermal CVD method. The n-type crystalline silicon film 304 is preferably formed to a thickness of 0.02 to 0.2 μm, but in this embodiment, it is formed to a thickness of 0.1 μm.

次いで、前記n型結晶性珪素膜304上に透明電極305を形成する。透明電極305は、スパッタ法を用いて、酸化インジウム・スズ合金(ITO)を0.08μmの厚さに形成する。最後に、取り出し電極を設ける工程を行う。取り出し電極を設けるに当たっては、図3に示す構造となるように、透明電極、n型結晶性珪素、結晶性珪素膜303の一部を除去し後に、透明電極304上にマイナス側の電極306と、結晶性珪素膜303上にプラス側の電極306を設ける。
取り出し電極306は、スパッタ法や真空蒸着法で形成するアルミニウムや銀、または、銀ペ−スト等を用いて形成可能である。さらに、電極306を設けた後、150℃〜300℃で数分間熱処理すると、結晶性珪素膜303と下地膜302との密着性が良くなり、良好な電気的特性が得られる。本実施例では、オ−ブンを用い、窒素雰囲気中で200℃、30分間の熱処理を行った。以上の工程により、表面にテクスチャ−構造を有する光電変換装置を得ることができる。尚、本実施の形態の構成は実施の形態1乃至実施の形態3と自由に組み合わせて行うことができる。
Next, a transparent electrode 305 is formed on the n-type crystalline silicon film 304. The transparent electrode 305 is formed of indium tin oxide alloy (ITO) with a thickness of 0.08 μm by sputtering. Finally, a step of providing an extraction electrode is performed. In providing the extraction electrode, after removing a part of the transparent electrode, n-type crystalline silicon, and crystalline silicon film 303 so as to have the structure shown in FIG. A positive electrode 306 is provided on the crystalline silicon film 303.
The extraction electrode 306 can be formed using aluminum, silver, silver paste, or the like formed by a sputtering method or a vacuum evaporation method. Furthermore, when the electrode 306 is provided and then heat-treated at 150 ° C. to 300 ° C. for several minutes, the adhesion between the crystalline silicon film 303 and the base film 302 is improved, and good electrical characteristics are obtained. In this example, an oven was used and heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 200 ° C. for 30 minutes. Through the above steps, a photoelectric conversion device having a texture structure on the surface can be obtained. Note that the structure of this embodiment mode can be freely combined with Embodiment Modes 1 to 3.

〔実施の形態5〕 本実施例では、図4に示すような、珪素の結晶化を促進する触媒元素による被膜を基板上に形成し、該触媒元素による被膜上に非晶質珪素膜を密着して形成し、加熱処理により前記非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶化後、該結晶性珪素膜中に拡散した前記触媒元素を除去して光電変換装置を作製する技術を示す。 [Embodiment 5] In this example, a film made of a catalytic element for promoting crystallization of silicon is formed on a substrate as shown in FIG. 4, and an amorphous silicon film is adhered to the film made of the catalytic element. In this technique, the amorphous silicon film is crystallized by heat treatment, and after the crystallization, the catalyst element diffused in the crystalline silicon film is removed to manufacture a photoelectric conversion device.

まず、基板上に珪素の結晶化を促進する触媒元素の被膜の形成を行う。該触媒元素として代表的にはニッケルを用いる。まず、ガラス基板(例えばコーニング7059ガラス基板)401上に下地膜402として、酸化珪素膜を0.3μmの厚さに成膜する。この酸化珪素膜は、四珪酸メチル(TEOS)を原料としたプラズマCVD法により成膜したが、他の方法としてスパッタ法でも形成可能である。次に、該基板上にニッケル膜407を形成する。ニッケル膜は純ニッケルのタブレットを用い、電子ビ−ム真空蒸着法により、0.1μmの厚さに形成する。次に、プラズマCVD法によって非晶質珪素膜(アモルファス珪素膜)の成膜を行う。非晶質珪素膜の形成は、プラズマCVD法の他にも、減圧熱CVD法、スパッタ法、真空蒸着法を用いても良い。前記非晶質珪素膜は、周期表13族または15族の元素を添加しない非晶質珪素膜でも良いし、ボロン(B)が0.001〜0.1原子%添加された非晶質珪素膜であっても良い。また、非晶質珪素膜の厚さは10μmとする。勿論この厚さは実施者が必要とする厚さとすればよい。   First, a film of a catalytic element that promotes crystallization of silicon is formed on a substrate. Typically, nickel is used as the catalyst element. First, a silicon oxide film having a thickness of 0.3 μm is formed as a base film 402 on a glass substrate (eg, Corning 7059 glass substrate) 401. This silicon oxide film is formed by a plasma CVD method using methyl tetrasilicate (TEOS) as a raw material, but can also be formed by a sputtering method as another method. Next, a nickel film 407 is formed on the substrate. The nickel film is formed to a thickness of 0.1 μm using a pure nickel tablet by electron beam vacuum deposition. Next, an amorphous silicon film (amorphous silicon film) is formed by plasma CVD. In addition to the plasma CVD method, the amorphous silicon film may be formed by using a low pressure thermal CVD method, a sputtering method, or a vacuum evaporation method. The amorphous silicon film may be an amorphous silicon film to which no element of Group 13 or 15 of the periodic table is added, or amorphous silicon to which 0.001 to 0.1 atomic% of boron (B) is added. It may be a film. The thickness of the amorphous silicon film is 10 μm. Of course, this thickness may be a thickness required by the practitioner.

次に窒素雰囲気中において、450℃の温度で1時間保持することにより、非晶質珪素膜中の水素を離脱させる。これは、非晶質珪素膜中に不対結合手を意図的に形成することにより、後の結晶化に際してのしきい値エネルギーを下げるためである。そして窒素雰囲気中において、550℃にて4〜8時間の加熱処理を施すことにより、非晶質珪素膜を結晶化させて、結晶性珪素膜403を得る。この結晶化の際の温度を550℃とすることができたのは、ニッケル元素の作用によるものである。またこの結晶化された結晶性珪素膜403中には、水素が0.001原子%〜5原子%の割合で含まれている。結晶化はニッケル膜407から一部のニッケル元素が珪素膜中に拡散することで結晶化が進行する。こうして、ガラス基板上に結晶性珪素膜403を形成することができる。   Next, hydrogen in the amorphous silicon film is desorbed by holding at 450 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. This is because the threshold energy for subsequent crystallization is lowered by intentionally forming a dangling bond in the amorphous silicon film. Then, the amorphous silicon film is crystallized by performing a heat treatment at 550 ° C. for 4 to 8 hours in a nitrogen atmosphere, whereby a crystalline silicon film 403 is obtained. The reason why the temperature at the time of crystallization can be set to 550 ° C. is due to the action of nickel element. The crystallized crystalline silicon film 403 contains hydrogen at a rate of 0.001 atomic% to 5 atomic%. Crystallization proceeds as a part of nickel element diffuses from the nickel film 407 into the silicon film. Thus, the crystalline silicon film 403 can be formed over the glass substrate.

その後、ゲッタリングを行うためにゲッタリングサイトを形成する。ゲッタリングサイトは希ガス元素を含有する非晶質珪素膜をもって形成することもできるし、結晶性珪素膜403に希ガス元素を注入した領域を形成しても良い。その後、加熱処理によりゲッタリングを行い、不要となったゲッタリングサイトはエッチングにより除去する。   Thereafter, a gettering site is formed in order to perform gettering. The gettering site can be formed with an amorphous silicon film containing a rare gas element, or a region where a rare gas element is implanted into the crystalline silicon film 403 may be formed. Thereafter, gettering is performed by heat treatment, and the gettering sites that are no longer needed are removed by etching.

これによって、基板401の主表面上に結晶性珪素膜403の表面が露呈する。この表面に、n型結晶性珪素膜404を形成する。次いで、n型結晶性珪素膜404上に透明電極405をスパッタ法を用いて、酸化インジウム・スズ合金(ITO)を0.08μmの厚さに形成する。最後に、取り出し電極406を設ける工程を行い光電変換装置が完成することができる。尚、本実施の形態の構成は実施の形態1乃至実施の形態4と自由に組み合わせて行うことができる。   As a result, the surface of the crystalline silicon film 403 is exposed on the main surface of the substrate 401. An n-type crystalline silicon film 404 is formed on this surface. Next, a transparent electrode 405 is formed on the n-type crystalline silicon film 404 by sputtering to form an indium tin oxide alloy (ITO) having a thickness of 0.08 μm. Finally, a process of providing the extraction electrode 406 is performed, whereby the photoelectric conversion device can be completed. Note that the structure of this embodiment mode can be freely combined with Embodiment Modes 1 to 4.

Claims (6)

第1の非晶質珪素膜を形成し、
前記第1の非晶質珪素膜に結晶化を助長する触媒元素を添加して、第1の加熱処理により結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜上にアルゴンを1×1019〜1×1022/cmの濃度で含む第2の非晶質珪素膜を形成し、
第2の加熱処理により、前記触媒元素を前記第2の非晶質珪素膜に移動させ、
前記第2の非晶質珪素膜を除去し、
前記結晶性珪素膜上にn型結晶性珪素膜を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
Forming a first amorphous silicon film;
Adding a catalyst element for promoting crystallization to the first amorphous silicon film, and forming a crystalline silicon film by a first heat treatment;
Forming a second amorphous silicon film containing argon at a concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 22 / cm 3 on the crystalline silicon film;
By the second heat treatment, the catalyst element is moved to the second amorphous silicon film,
Removing the second amorphous silicon film;
A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising forming an n-type crystalline silicon film over the crystalline silicon film.
第1の非晶質珪素膜を形成し、
前記第1の非晶質珪素膜に結晶化を助長する触媒元素を添加して、第1の加熱処理により結晶性珪素膜を形成し、
前記結晶性珪素膜の表面にバリア層を形成し、
前記バリア層上にアルゴンを1×1019〜1×1022/cmの濃度で含む第2の非晶質珪素膜を形成し、
第2の加熱処理により、前記触媒元素を前記第2の非晶質珪素膜に移動させ、
前記第2の非晶質珪素膜を除去し、
前記バリア層を除去し、
前記結晶性珪素膜上にn型結晶性珪素膜を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
Forming a first amorphous silicon film;
Adding a catalyst element for promoting crystallization to the first amorphous silicon film, and forming a crystalline silicon film by a first heat treatment;
Forming a barrier layer on the surface of the crystalline silicon film;
Forming a second amorphous silicon film containing argon at a concentration of 1 × 10 19 to 1 × 10 22 / cm 3 on the barrier layer;
By the second heat treatment, the catalyst element is moved to the second amorphous silicon film,
Removing the second amorphous silicon film;
Removing the barrier layer;
A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising forming an n-type crystalline silicon film over the crystalline silicon film.
請求項1または請求項2において、
前記第2の非晶質珪素膜は、アルゴンを含むガスをスパッタガスに用い、成膜時の圧力を0.2〜1Paとしたスパッタ法により成膜されることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
In claim 1 or claim 2,
The second amorphous silicon film is formed by a sputtering method in which a gas containing argon is used as a sputtering gas and a pressure during film formation is 0.2 to 1 Pa. Manufacturing method.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記第2の加熱処理は、600℃〜1000℃で加熱することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
In the method for manufacturing a photoelectric conversion device, the second heat treatment is performed at 600 ° C. to 1000 ° C.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記第2の加熱処理は、RTA法により行うことを特徴とする光電変換装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
The method for manufacturing a photoelectric conversion device, wherein the second heat treatment is performed by an RTA method.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記第2の非晶質珪素膜は、ウエットエッチングにより除去することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The method for manufacturing a photoelectric conversion device, wherein the second amorphous silicon film is removed by wet etching.
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