JP2012530361A - 半導体装置および半導体装置のための製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体装置（１）および半導体装置（１）のための製造方法に関し、半導体装置（１）は、半導体層（２）と、半導体層（２）の表面上に配置され、かつその半導体層表面（２０）をパッシベーションするのに役立つパッシベーション層（３）とを備え、パッシベーション層（３）は、半導体層表面（２０）において上下に配置された、化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）と電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）とを備える。
【選択図】図２
【選択図】図２
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置のための製造方法に関する。
太陽電池の効率に対する制限要因の１つは、再結合の動きを促進する表面状態を持つ、太陽電池の半導体表面での電荷キャリアの再結合である。再結合したこれらの電荷キャリアは、その後、もはや電流を発生させるために利用することができない。再結合を低減するためには、表面状態を経由する電荷キャリアの再結合の動きを低減することによって、太陽電池の表面をパッシベーションしなければならない。
再結合の動きは、第一に表面状態の数または密度に、第二に電荷キャリア密度、より正確にはホールおよび電子密度の積に比例するので、表面パッシベーションには原理的に２つの異なったアプローチがある。そのため、表面パッシベーションのために、第一に表面状態数を低減することができる。このいわゆる化学的パッシベーションは、遊離した表面結合（いわゆるダングリングボンド）の化学的な飽和によって、例えば、シリコン半導体太陽電池の場合には酸化シリコン層（ＳｉＯ２層）の熱成長によって達成される。この場合、半導体とＳｉＯ２層との間に生ずる界面は、上記の表面状態がとりわけ低密度であることによって特徴付けられる。化学的パッシベーションは、高効率太陽電池の表面パッシベーションに一般に用いられる。
表面パッシベーションのための第二のアプローチは、半導体表面に適切な電位を印加することによって、その表面における再結合活性な状態から電荷キャリアタイプ（すなわち、正または負の電荷キャリア）のうちの１つを遠ざけることにある。かくして、それぞれもう一方の電荷キャリアタイプは、十分な再結合相手を利用することができない。このいわゆる電界効果パッシベーションは、例えばアルミニウムからなるいわゆる裏面電界（ＢＳＦ：ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌｄ）の場合、および半導体表面との界面に表面静止電荷を形成する、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる誘電体層を付けた場合における基本原理である。
表面パッシベーションのための上述の両アプローチとも、一般に、それらだけでは十分なパッシベーションが得られないという不利な点がある。例として、熱酸化によってシリコン表面上に生成されるＳｉＯ２層は、例えばいわゆるフォーミングガス・アニールもしくはアルニールによって、追加的に水素が富化されなければならない。さらにまた、表面パッシベーション後に、太陽電池は、製造の間のなおさらなる方法ステップを受けなければならない。それ故に、第一に、表面パッシベーションは、これらの方法ステップの間に安定なままでなければならない。第二に、この目的のために付けられるパッシベーション層は、例えば拡散バリアとして機能するなど、一般に追加的な機能性も持たなければならない。パッシベーション層から作られるこの追加的な必要条件は、しばしば次善の表面パッシベーションとの妥協解に繋がる。
それ故に、予防の目的は、半導体装置の表面を効果的にパッシベーションし、同時に半導体装置の製造におけるさらなるプロセス・ステップを最適化すべく、設計の多様性を増加させるために、半導体装置および半導体装置のための製造方法を提供することである。
この目的は、本発明に従って請求項１の特徴を備える半導体装置を用い、かつ請求項１９の特徴を備える製造方法を用いて達成される。本発明の有利な展開が従属請求項に提示される。
以下では主として太陽電池への言及がなされ、本発明によるパッシベーション層はとりわけ太陽電池にとって経済的重要性が大きいとは言え、同じかまたは少なくとも対応する考察は、良好な表面パッシベーションが重要な他の半導体装置にも当て嵌まる。
以下に説明されるように、パッシベーション品質とパッシベーション層の安定性とを本発明によって改善することができる。そのうえ、調整可能な方法パラメータに関して、より高い融通性を生じることができる。本発明は、異なったパッシベーション・メカニズムを持つ２つのパッシベーション副層でできたパッシベーション層を形成することが、既知の個々の効果の単なる累積を超えるパッシベーション品質の改善に繋がる可能性があるという知見に基づいている。
化学的パッシベーション用パッシベーション副層、および電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の指定は、それぞれのパッシベーション・メカニズムが、関連するパッシベーション副層において支配的であることを意味すると解釈される。言い換えれば、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、半導体層表面上に直接に配置された場合には、例えばシリコン上の窒化シリコン（ＳｉＮｘ）の場合のように、申し分なく良好に化学的パッシベーション効果を持つことができる。しかしながら、電界効果パッシベーション効果の方がずっとより大きい。同じことは、化学的パッシベーション用パッシベーション副層にも当て嵌まり、この副層はたとえ低くても表面電荷密度を持ちうるが、化学的パッシベーション効果が支配的である。
有利なことに、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、少なくとも化学的パッシベーション用パッシベーション副層より高い表面電荷密度を持つ。好ましくは、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の表面電荷密度は、少なくとも化学的パッシベーション用パッシベーション副層の表面電荷密度より約１桁高い。
とりわけ、化学的パッシベーション用パッシベーション副層および／または電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、それぞれの場合に誘電体材料から形成される。
この際に指摘すべきこととして、電界効果パッシベーションの効果は、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の表面電荷密度のみならず、表面をパッシベーションすべき半導体層の電荷キャリア密度、延いてはドーピング密度およびドーピング型にも依存する。同様に、化学的パッシベーションの効果は、化学的パッシベーション用パッシベーション副層の材料のみならず、部分的にかなりの程度までパッシベーションすべき半導体表面の表面特性、特にその欠陥密度にも依存する。後者は、そのうえ、パッシベーション副層を付ける方法に依存する可能性がある。例として、化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、例えば湿式化学法によって、または気相からの堆積によって堆積することができ、あるいは熱的に成長させることができる。
従って、本発明の場合、表面パッシベーションのために２つの異なったパッシベーション効果が用いられるが、それらの効果は、異なったパッシベーション副層間で分担され、それ故に互いに分離される。少なくとも化学的パッシベーション用パッシベーション副層と電界効果パッシベーション用パッシベーション副層とから形成されるパッシベーション層は、単にパッシベーションのタイプが１つのパッシベーション層に比べて、パッシベーションがより効果的であるのに加えて、安定性がより高いという利点を持つ。一般に、その製造の間に、太陽電池は、表面パッシベーションが適用された後に一連のさらなるプロセス・ステップを受ける。この場合、表面パッシベーションのパッシベーション品質が、損なわれる可能性がある。２つのパッシベーション副層の組み合わせを用いて、パッシベーション品質のこの損失を低減するか、または完全に防ぐことができる。例として、２層パッシベーションを用いて、例えばスクリーン印刷法の状況における焼成プロセスに対して、焼成の安定性向上を達成することができる。
次の考察から、さらなる利点が生じる：いくつかの化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、主としていわゆるダングリングボンドの飽和によって半導体層表面をパッシベーションする。これは、例えば、シリコン上の熱成長ＳｉＯ２層について事実である。特に、ＳｉＯ２層では、十分に良好な表面パッシベーションを達成すべく、半導体・パッシベーション副層間の界面に追加的な水素を供給するために、追加的なプロセス・ステップが必要なことが知られている。例えば、この目的のための１つの典型的なプロセス・ステップは、アルミニウムが高温でＳｉＯ２と反応して水素を放出する、いわゆるフォーミングガス・アニールもしくはアルニールである。
この場合、例えば、水素が揮発性であるという理由で、あるいは例えば、スクリーン印刷用ペーストを用いた標準的なメタライゼーションが事例となるかもしれない、アルニールがまったく実現できないという事実によって、問題が生じる可能性がある。これに反して、本明細書に記載される太陽電池の場合は、単に専ら１つの同じ層の化学的パッシベーションが改善されるのではなく、むしろ追加的な電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を活用して、パッシベーション品質が改善される。そのうえ、もし電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の適用あるいは堆積によって、半導体層表面・パッシベーション層間の界面の追加的な水素パッシベーションが遂行されるのであれば有利である。これは、例えば、化学的パッシベーション用ＳｉＯ２層上にＳｉＮｘ層が付けられた場合に生じる。
有利なことに、太陽電池の製造の間に、初めに化学的パッシベーション用パッシベーション副層が半導体層表面に直接に付けられ、その後、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層が化学的パッシベーション用パッシベーション副層上に直接に堆積される。代わりに、それを止めることができるか、あるいは製造プロセスの異なった段階で広い層に成長が生じることもできる。そのうえ、パッシベーション層の作製後には、後者に熱処理を施すこと（熱処理ステップ）が有利である。
目的に適った１つの構成によれば、半導体層と半導体層表面上の電界効果パッシベーション用パッシベーション副層との間に、化学的パッシベーション用パッシベーション副層を配置することが提供される。言い換えれば、太陽電池の製造の間に、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、化学的パッシベーション用パッシベーション副層が付けられた後に付けられ、それらの間にさらなるプロセス・ステップを遂行することができる。この場合、太陽電池が使用されるときに、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、化学的パッシベーション用パッシベーション副層を介して半導体層表面に影響を与え、この副層の電荷キャリアを半導体中へ追いやることができる。
製造方法の１つの有利な構成において、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を付けるのに先立って、付けられた化学的パッシベーション用パッシベーション副層を拡散プロセスにおける拡散バリアとして、エッチングプロセスにおけるエッチングバリアとして、および／またはテクスチャプロセスにおけるテクスチャバリアとして用いることが提供される。もしパッシベーション層が、例えば、背面側のパッシベーションであれば、そのときには背面側の誘電体層が付けられる間、化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、拡散バリアとして機能することができる。
本明細書に挙げられる機能と並んで、化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、適切な場合、例えば、コストを節約し、さもなければ必要とされる機能的に固有の中間層もしくは犠牲層の複雑さを低減するために、さらなる機能的なタスクを太陽電池の製造プロセスの間に遂行することができる。化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、太陽電池の製造プロセスにおいて上記の追加的な機能性を促進する特性を伴い、一方でさらなる電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、電界効果の形成により表面パッシベーションを増加させるという事実のおかげで、２つのパッシベーション副層を活用した、電界効果パッシベーションおよび化学的パッシベーションの２つのパッシベーション・メカニズムを先の説明通りに分離して適用することによって、パラメータのより広い選択が可能になる。
１つの好ましい実施形態において、化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層に直接に接することが提供される。それ故に、この場合、化学的パッシベーション用パッシベーション副層が付けられた後、さらなる中間層をそれらの間に配置することなく、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層が付けられる。それでもなお、太陽電池に対して、あるいは化学的パッシベーション用パッシベーション副層に対して、さらなるプロセス・ステップ、例えば、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を付ける前の清浄化ステップを行うことが考えられる。
１つの有利な展開において、化学的パッシベーション用パッシベーション副層と電界効果パッシベーション用パッシベーション副層との間に、中間層を配置することが提供される。中間層は、パッシベーション層の電気的、光学的および／または機械的な特性、もしくは２つのパッシベーション副層間の接続に影響を与えるか、あるいはそれらを最適化するために役立つことができる。例として、パッシベーション層の反射特性に影響を与えるために、ＳｉＯ２からなる化学的パッシベーション用パッシベーション副層とＡｌ２Ｏ３からなる電界効果パッシベーション用パッシベーション副層との間に、上記の両副層より廉価なＳｉＯｘ中間層を生成することが可能である。
電界効果パッシベーション用パッシベーション副層上に、累積的かまたはその代わりに、パッシベーション層を適合させるか、または改質するための、徐々に反射防止コーティング用窒化シリコン層（反射防止層−ＡＲＣ）であるさらなる層を設けることもできる。
好ましくは、パッシベーション副層の少なくとも１つをピンホールのないやり方で形成することが提供される。これは、背面側でコンタクトを取る太陽電池においてメタライゼーションが複数のメタライゼーション面で重なる場合に、短絡のリスクを低減するために有利である。パッシベーション副層の１つだけにピンホールがなければ十分かもしれないが、これは、化学的パッシベーション用パッシベーション副層にも、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層にも有利に当て嵌まる。
目的に適った１つの実施形態において、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を、原子層堆積（略してＡＬＤ：ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）好ましくは熱ＡＬＤによって、物理蒸着または化学蒸着（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎまたはＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、適切な場合にはプラズマ増強（ＰＥＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）によって、あるいはゾルゲル法によって形成することが提供される。特に、ＡＬＤを用いて、酸化アルミニウムからとりわけ均一かつ完全な層を形成することができる。加えて、層厚を非常に正確に、理想的な場合には正確に１原子層に設定することができる。しかしながら、化学的パッシベーション用パッシベーション副層を付けるためにも、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を付けるためにも、さらなる既知の方法、例えば、化学的もしくは物理的堆積法を互いに独立して用いることができる。化学的パッシベーション用パッシベーション副層の品質は、しかし、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層と同程度には決定的に重要でなく、前者は、ＣＶＤ、湿式酸化、ＰＶＤ（例えば、スパッタリングまたは蒸着）のような、より廉価な方法で生成することができる。
１つの有利な構成において、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、０．１〜１０ｎｍの間、好ましくは２〜５ｎｍの間の範囲の厚さを持つことが提供される。１００ｎｍまで、あるいはそれ以上のより厚い層も考えられる。これは、時には堆積方法のコストに依存し、例として、ＡＬＤの場合、プラズマ増強化学気相描写（ＰＥＣＶＤ）の場合に可能なように他の方法の場合に比べて、コストが著しくより高い。１つの好ましい実施形態において、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の厚さは、約１０〜約１５ｎｍの間である。
１つの好ましい展開によれば、パッシベーション層を反射層として、あるいは反射防止層として具現化することが提供される。入射光から面を背けた太陽電池の背面側では、より詳しくは赤外光用の、反射層としてのパッシベーション層の追加的な機能が有利である一方で、太陽電池の正面側では、パッシベーション層が、反射防止層として具現化されることが望ましい。パッシベーション層を反射層として、または反射防止層として具現化するために、２つのパッシベーション副層の層厚および／または光学特性を互いに独立して選ぶことができる。
少なくとも１０１２ｃｍ−２、好ましくは少なくとも５×１０１２ｃｍ−２、好ましくは少なくとも１０１３ｃｍ−２の表面電荷密度を持つ材料から、電界効果パッシベーション用材料もしくは電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を実質的に形成することが有利に提供される。これは、正または負の表面電荷密度とすることができる。
１つの有利な構成において、負の表面電荷密度を持つ材料から、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を実質的に形成することが提供される。主として化学的パッシベーション用パッシベーション層を作製するのに適する一連の材料は、低い正の表面電荷密度を持つ。これは、例えばシリコン半導体を非晶質シリコン層（ａ−Ｓｉ層）およびＳｉＯ２層に対して用いるときに当て嵌まる。このように、例として、熱成長ＳｉＯ２層は、約１０１１ｃｍ−２の典型的な表面電荷密度を持つ。ｐドープされた半導体層の場合には、この正の表面電荷密度が、不利な影響を及ぼすことがありうる。例として、ＳｉＯ２層を用いたパッシベーションの品質は、光生成された過剰な電荷キャリアの注入密度に依存することがあり、延いてはこれが太陽電池の効率に負の影響を与える可能性がある。
負の表面電荷密度を持つ追加的な電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を用いて、パッシベーション層全体の実効的な表面電荷密度を量的に変化させる、および／またはさらにその極性を反転させることによって、下部のパッシベーション副層のはるかに低い正の表面電荷密度の影響を低減するか、あるいはさらに反転させることができる。より一般的に言って、かかる効果は、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層のはるかに大きい表面電荷密度が、化学的パッシベーション用パッシベーション副層に存在すると思われる表面電荷密度とは異なった符号を持つときに利用することができる。
電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の表面電荷密度の効果から、基部として機能する半導体層の極性とパッシベーション副層の表面電荷密度とに依存して、さらなる有意義な利点が生ずる：ｐドープされた、もしくはｐ型の半導体層に付けられた、低い正の表面電荷密度を持つ化学的パッシベーション層の場合、半導体のドーピングと表面電荷密度との間の比率に依存して、半導体表面上に反転層を形成することが可能である。負の表面電荷密度を持つ化学的パッシベーション層が上に配置されたｎドープされた、もしくはｎ型の半導体層の場合にも、類似の状況が優勢である。ポイント・コンタクトによって接続された太陽電池の場合には、ポイント・コンタクト間に反転チャンネルが形成され、上記の反転チャンネルは、電荷キャリアの周知の供給源、結果として効率損失を意味する。この問題は、本明細書に提案されるように、化学的パッシベーション層に電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を付けることによって、回避することができる。この目的のために、例えばｐ型半導体層を用いるとき、高い負の表面電荷密度を持つ電界効果パッシベーション用パッシベーション副層、例えばＡｌ２Ｏ３層を用いることが可能である。
１つの好ましい構成によれば、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化アルミニウム、および／または、酸化アルミニウムもしくは酸窒化アルミニウム（ＡｌｘＯｙＮｚ）および１つ以上のさらなる元素からなるある他の化合物を備えることが提供される。酸化アルミニウム（ＡｌＯｘまたはＡｌ２Ｏ３）およびフッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）は、負の表面電荷密度を持つ電界効果パッシベーション用パッシベーション副層を形成する材料であり、一方で窒化シリコンからなるパッシベーション副層は、正の表面電荷密度を持つ。さらなる元素は、例えば、金属、より詳しくは希土類金属、あるいは炭素とすることができる。
化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、非晶質半導体材料もしくは半導体酸化物を備えることが好ましくは提供される。例として、これは、シリコン半導体層の化学的パッシベーションに適した非晶質シリコンからなる層もしくはＳｉＯ２層とすることができる。半導体酸化物は、半導体層上に堆積法によって、あるいは半導体層表面の酸化によって生成することができる。
化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、酸素、窒素および／または炭素を含むシリコンからなる化合物から形成されると、有利である。特に、酸窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）もしくは酸窒化・炭化シリコン（ＳｉＯｘＮｙＣｚ）が化学的パッシベーション用パッシベーション副層用材料として適する。パッシベーション副層用材料の適切な選択を通じて、太陽電池の製造の間に機能的タスクを実行する、例えばエッチングバリア、テクスチャバリアおよび／または拡散バリアとしての役割を果たすパッシベーション層を生成することが可能である。代わりに、または加えて、プロセスフローにおけるかかる機能は、化学的パッシベーション用パッシベーション副層だけで実行することもできる。
目的に適った１つの展開において、パッシベーション層は、実質的に半導体表面全体に及ぶことが提供される。この場合には、しかしながら、パッシベーション層中に太陽電池の相互接続のためのパーフォレーションまたは経路を形成することができる。そのうえ、技術的な必要性から太陽電池のエッジ領域を露出させることができる。
目的に適った方法で、両側のパッシベーションがパッシベーション層によって提供される。パッシベーション層は、太陽電池の正面側と太陽電池の背面側とで同じ特徴および特性を持つことができる。代わりに、それぞれのニーズに適合するやり方でそれらを別様に具現化することもできる。特に、追加的な光学特性を持つパッシベーション層を形成する場合には、正面側のパッシベーション層を反射防止層として、および／または背面側パッシベーション層を適切な光スペクトルに対する反射層として作り上げることが好都合である。
１つの好ましい実施形態によれば、パッシベーション層は、全体として半導体層表面に多くても１０−１３ｃｍ−２、多くても１０１２ｃｍ−２、または多くても１０１１ｃｍ−２の界面電荷密度を持つ。特に、ｎ型およびｐ型両半導体層のパッシベーションについて、約５×１０１１ｃｍ−２の界面電荷濃度が有利であることが判明した。
それ故に、指摘すべきこととして、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の高い表面電荷密度が、必ずしも直接にパッシベーション層の表面電荷密度値に反映されるわけではない。延いては、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層の化学的パッシベーション用パッシベーション副層との組み合わせの故に、むしろ全体として表面電荷密度が低い、非常に高いパッシベーション品質を持つパッシベーション層を生じることができる。かかるパッシベーション層は、ｎ型およびｐ型両半導体層上に適しており、反転チャンネルを形成することがない。
許容範囲を与えうるパッシベーション層全体の最大界面電荷密度は、半導体層表面付近における半導体層の材料およびドーピングに依存することもある。前述の好ましい最大値は、ドープされたシリコン表面領域（約１×１０１９から６×１０２０ｃｍ−２の表面濃度）を有する半導体層に関係する。
目的に適った１つの実施形態によれば、化学的パッシベーション用パッシベーション副層は、少なくとも１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍまたは１００ｎｍの層厚を持つ。化学的パッシベーション用パッシベーション副層がより厚いほど、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は半導体層表面から遠くなり、界面電荷密度がより低い結果になる。少なくとも化学的パッシベーション用パッシベーション副層の湿式化学堆積の場合、約１から５ｎｍの層厚も有利でありうる。
目的に適った実施形態において、化学的パッシベーション用パッシベーション副層および／または電界効果パッシベーション用パッシベーション副層は、低温層として付けられる。特に、両層ともに４００℃未満の温度で付けられる。
例となる実施形態に基づいて、本発明が図を参照して以下に説明される。
１つの可能な実施形態によれば、両側に表面パッシベーションを持つ太陽電池１の製造が、図１ａから１ｅを参照して以下に記載される。本記載の導入部分で説明されたように、これらの考察は、太陽電池と並んで他の半導体装置にも同様に当て嵌まる。図１ａは、本発明において光から遠い太陽電池の背面側２０を形成する半導体層表面２０と、本発明において光に向かう太陽電池の正面側２２を形成するさらなる半導体層表面２２とを持つ、半導体層２を横切る断面を示す。半導体層表面２０は、効率を高めるために、図に鋸歯状パターンとして示されるテクスチャを持つことが好ましい。
図１ｂによれば、化学的パッシベーション用パッシベーション副層３１が半導体層表面２０に付けられ、この副層は、さらなる半導体層表面２２にドーピングするための次のドーピング・ステップにおいて、拡散バリアとしての役割をさらに果たす。ドーピング・ステップ後に、半導体層２の残りの部分とｐｎ接合を形成するドーピング層４が、さらなる半導体層表面２２に提供された図１ｃの配置が得られる。その後、図１ｄに従ってドーピング層４に付けられたさらなるパッシベーション層５によって、さらなる半導体層表面２２がパッシベーションされる。
その後すぐに、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層３３が、化学的パッシベーション用パッシベーション副層３１上に付けられる。これによって、図１ｅに示されるパッシベーション層３が半導体層表面２０上に生じ、背面側の太陽電池表面が形成される。このため、パッシベーション副層３１、３３の物理的特性と堆積パラメータとを適切に選択してパッシベーション層３を生成することが有利であり、このパッシベーション層は、それぞれの太陽電池にとって適切な光スペクトルに対する背面側の反射層としての役割も同時に果たす。この目的のために、図１ｅに示される説明図とは違って、パッシベーション副層３１、３３の間に付加的な中間層を配置することもできる。
さらなるパッシベーション層５は、個別の化学的パッシベーション層もしくは電界効果パッシベーション層によって形成される従来のパッシベーション層とすることができる。代わりに、さらなるパッシベーション層５は、パッシベーション層３に従って、２つのパッシベーション副層の組み合わせからなることもできる。
最終的に、太陽電池１の相互接続を可能にするために、それぞれ半導体層２およびドーピング層４へのアクセスを作製すること、ならびに、例えばスクリーン印刷法とその後の焼成プロセスとによって、背面側および正面側で太陽電池１をメタライズすることが必要である。この目的のために、パーフォレーションが、パッシベーション層３とさらなるパッシベーション層５とに作り出される。結果として、メタライゼーション・ステップ後に、図２による太陽電池１が得られる。太陽電池の背面側２０では、背面側コンタクト７を作り出すために、全領域にわたってメタライゼーションを遂行することができ、一方で太陽電池の正面側２２では、好ましくはフィンガー形状に具現化された正面側コンタクト６が、メタライゼーションによって形成される。
半導体層２は、例えば、シリコンウェーハ形態の結晶シリコンからなる層とすることができ、この場合、化学的パッシベーション用パッシベーション副層３１は、熱成長するか、またはＰＥＣＶＤによって生成したＳｉＯ２から、あるいは非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）から形成することができる。電界効果パッシベーション用パッシベーション副層３３は、例えば、Ａｌ２Ｏ３から形成される。
２つのパッシベーション副層３１、３３の堆積または成長は、製造プロセスの異なった段階で生じることができる。それによって、化学的パッシベーション用パッシベーション副層３１の機能性を製造プロセスにおいて利用することが可能である。この場合、決定的に重要でしかも明白でないことは、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層３３の表面電荷が、誘電体である化学的パッシベーション用パッシベーション副層３１上への堆積の間にも形成されることである。これは、特にＳｉＯ２層上のＡｌ２Ｏ３層について事実である。Ａｌ２Ｏ３パッシベーション層に関する最良の結果は、現在はＡＬＤによって得られることから、ＡＬＤは好ましい堆積方法である。
しかしながら、他の堆積方法、例えばＰＥＣＶＤを用いることも、特にもし、２つのパッシベーション副層を用いる本発明の製造方法において、それらがＡＬＤと同様に良好な結果をもたらすのであれば、まったく可能である。コストの理由により、そのときにはＰＥＣＶＤによる堆積は好ましいことでもある。
加えて、２つのパッシベーション副層３１、３３からなるこの層の組み合わせは、工業的応用に重要な利点を提供する。高効率太陽電池用に現在研究室で開発中の製造方法の多くは、熱的に生成されるＳｉＯ２層を用いるが、この製造方法は、スクリーン印刷によって工業的に製造される太陽電池へ移行するのが難しいことが分かる。これは、第一にスクリーン印刷の間に必要な焼成プロセスに対する、ＳｉＯ２層の低安定性のためであり、第二に、ＳｉＯ２層における非常に良好なパッシベーションには水素が必要とされるという事実のためである。研究室で作り出される太陽電池の場合、物理蒸着（ＰＶＤ）によって付けられたアルミニウム層が水素ドナーとして機能を果たす。しかしながら、工業的な製造では、スクリーン印刷が、複雑さおよびコスト面でＰＶＤ法に優る主要な利点を有する。
２つのパッシベーション効果が組み合わされるため、もはや表面状態密度だけがパッシベーション品質にとって決定的に重要なわけではない。延いては、焼成プロセス後に表面状態数が増加するにも関わらず、この層は、依然として十分にパッシベーションを行う。さらに、熱的に成長したＳｉＯ２層の非常に良好なパッシベーション品質は、付けられたＡｌ２Ｏ３層によっていずれにしろなおさらに向上するので、この配置は、製造の間に焼成プロセスを受けない高効率太陽電池にとっても興味深い。
パッシベーション層３を形成するための、化学的パッシベーション用パッシベーション副層３１と電界効果パッシベーション用パッシベーション副層３３との任意のタイプの組み合わせに関するさらなる重要な利点は、化学的パッシベーションの品質から作られる必要条件が、特に熱的に成長した半導体酸化物の場合に、より厳しくないことである。これは、もはやパッシベーション品質にとって表面状態数だけが極めて重要なわけではないという事実に起因する。それ故に、非常に良好なパッシベーションのために、もはやドライ成長した酸化物が必須ではなく、ＰＥＣＶＤによって生成される酸化物層でさえ、重要性を増している。本発明における利点は、とりわけ太陽電池１の材料に対する要求をより厳しくなくする、ＰＥＣＶＤ堆積の低温ステップによって、熱酸化の高温ステップが置き換えられることである。
最終的に、異なった効果を持つパッシベーション副層３１、３３によって、製造プロセスにおける融通性が獲得される。例として、パッシベーション副層３１、３３は、製造プロセスにおける異なった時点で形成することができ、適切な場合に、追加的な機能を実行する；例として、ＳｉＯ２層は、例えばリン拡散に対する、拡散バリアとして機能することができる。
本明細書に説明される実施形態における太陽電池１は、それぞれの場合に、一方の側だけに二重のパッシベーション層３を持つ。代わりに、例えば湿式化学的もしくは熱的に成長した酸化シリコンからなる、化学的パッシベーション用パッシベーション副層３１と、例えば酸化アルミニウムからなる、電界効果パッシベーション用パッシベーション副層３３とからなるパッシベーション層３を、両半導体層表面２０、２２に付けることもできる。別の言い方をすれば、さらなるパッシベーション層５も、同様に二重のパッシベーション層３とすることができる。パッシベーション層３上におそらく付けられる、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなる被覆層も、同様に太陽電池の両側に置くことができる。
１ 半導体装置（太陽電池）
２ 半導体層
２０ 半導体層表面、太陽電池の背面側
２２ さらなる半導体層表面、太陽電池の正面側
３ パッシベーション層
３１ 化学的パッシベーション用パッシベーション副層
３３ 電界効果パッシベーション用パッシベーション副層
４ ドーピング層
５ さらなるパッシベーション層
６ 正面側コンタクト
７ 背面側コンタクト
２ 半導体層
２０ 半導体層表面、太陽電池の背面側
２２ さらなる半導体層表面、太陽電池の正面側
３ パッシベーション層
３１ 化学的パッシベーション用パッシベーション副層
３３ 電界効果パッシベーション用パッシベーション副層
４ ドーピング層
５ さらなるパッシベーション層
６ 正面側コンタクト
７ 背面側コンタクト
Claims (22)
- 半導体層（２）と、前記半導体層（２）の表面上に配置され、かつ前記半導体層表面（２０）をパッシベーションするのに役立つパッシベーション層（３）とを備える半導体装置（１）であって、前記パッシベーション層（３）は、前記半導体層表面（２０）において上下に配置された、化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）と電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）とを備えることを特徴とする、前記半導体装置（１）。
- 前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）は、前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）に直接に接することを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置（１）。
- 前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）と前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）との間に中間層が配置されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置（１）。
- 前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）は、前記半導体層（２）と、前記半導体層表面（２０）上の前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）との間に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記パッシベーション副層（３１、３３）のうちの１つは、ピンホールのないやり方で形成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、原子層堆積によって堆積された層、ＣＶＤによって堆積された層、ＰＥＣＶＤによって堆積された層、ＰＶＤによって堆積された層、あるいはゾルゲル層であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、０．１〜１０ｎｍの間、２〜５ｎｍの間、または１０〜１５ｎｍの間の範囲の厚さを持つことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記パッシベーション層（３）は、反射層として、または反射防止層として具現化されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記電界効果パッシベーション用材料、または前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、少なくとも１０１２ｃｍ−２、好ましくは少なくとも５×１０１２ｃｍ−２、好ましくは少なくとも１０１３ｃｍ−２の表面電荷密度を持つ材料から実質的に形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、負の表面電荷密度を持つ材料から実質的に形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化アルミニウム、および／または、酸化アルミニウムおよび１つ以上のさらなる元素からなる何かほかの化合物を備えることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）は、非晶質半導体材料または半導体酸化物を備えることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）は、酸素、窒素および／または炭素を含むシリコンからなる化合物から形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記パッシベーション層（３）は、実質的に前記半導体層表面（２０）全体に及ぶことを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記パッシベーション層（３）を用いた両側のパッシベーションを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 前記パッシベーション層（３）は、前記半導体層表面（２０）において、多くても１０１３ｃｍ−２、多くても１０１２ｃｍ−２、または多くても１０１１ｃｍ−２の界面電荷密度を持つことを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）は、少なくとも１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍまたは１００ｎｍの層厚を持つことを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）および／または前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、低温層として付けられることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の半導体装置（１）。
- 化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）および電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、一緒にパッシベーション層（３）を形成するために、前記半導体装置の半導体層表面に連続して付けられることを特徴とする、半導体装置（１）のための製造方法。
- 前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）が付けられた後に付けられることを特徴とする、請求項１９に記載の製造方法。
- 前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）が付けられるのに先立って、付けられた前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）が、拡散プロセスにおける拡散バリアとして、エッチングプロセスにおけるエッチングバリアとして、および／またはテクスチャプロセスにおけるテクスチャバリアとして用いられることを特徴とする、請求項２０に記載の製造方法。
- 前記化学的パッシベーション用パッシベーション副層（３１）および前記電界効果パッシベーション用パッシベーション副層（３３）は、それらによる前記パッシベーション層（３）が、反射層として、または反射防止層として機能するように付けられることを特徴とする、請求項１９から２１のいずれかに記載の製造方法。
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