JP2014072202A - 光電変換素子および光電変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面接合型の光電変換素子において、優れた変換効率を有する構成を得る。
【解決手段】光電変換素子１０１の製造方法は、単結晶シリコン基板１０の片面を覆って、第１ドーパント源２０を１００ｎｍ以上の厚さで形成する工程と、前記第１ドーパント源２０をエッチングして中間構造体９５ｃを形成する工程と、前記第１ドーパント源２０と異なる導電型のドーパントを供給する第２ドーパント源４０を形成する工程と、第１熱処理工程と、前記中間構造体９５ｃおよび前記第２ドーパント源４０をエッチングして第１構造体９５ａおよび第２構造体９５ｂを形成するパターニング工程と、前記第１熱処理工程よりも高い温度および／または長い時間で熱処理する第２熱処理工程とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に関するものである。

従来、受光面には電極を形成せず、裏面にｐ電極およびｎ電極を形成した裏面接合型太陽電池が知られている。

特許文献１には、裏面接合型太陽電池の製造方法が記載されている。この製造方法の概略は、次の通りである。まず、太陽電池に加工される半導体基板を準備する。この半導体基板の一方の面に、ｐ型およびｎ型ドーパント源を堆積する。そして、これらのドーパント源からドーパントを拡散させて、半導体基板にｐ型およびｎ型拡散領域を形成する。

また、上記文献には、複数のドーパント源を利用して、様々なドーパント濃度の拡散領域を形成できる、と記載されている。

特許文献２には、高濃度ドーパント拡散領域および低濃度ドーパント拡散領域を所望の位置に安定して形成することが可能な太陽電池の製造方法が記載されている。この製造方法の概略は、次の通りである。まず、半導体基板の表面上にｐ型またはｎ型のドーパントを含有するドーパント拡散剤を塗布する。続いて、ドーパント拡散剤の表面上に開口部と厚膜部とを有する拡散抑制マスクを形成する。そして、拡散抑制マスクが形成されたドーパント拡散剤から、半導体基板の表面にドーパントを拡散させる。

特開２００９−５２１８０５号公報 特開２０１０−２０５９６５号公報

本発明の目的は、裏面接合型の光電変換素子において、優れた変換効率を有する構成を得ることである。

ここに開示する光電変換素子の製造方法は、単結晶シリコン基板の片面を覆って、前記基板と同じ導電型のドーパントを供給する第１ドーパント源を１００ｎｍ以上の厚さで形成する工程と、前記第１ドーパント源上の一部である第１領域をマスクして前記第１ドーパント源をエッチングし、前記第１領域に前記第１ドーパント源からなる中間構造体を形成する工程と、前記単結晶シリコン基板の片面および前記中間構造体を覆って、前記基板と異なる導電型のドーパントを供給する第２ドーパント源を形成する工程と、前記基板、前記中間構造体、および前記第２ドーパント源を熱処理する第１熱処理工程と、前記第１熱処理工程後、前記第１領域以外の領域の一部である第２領域をマスクして前記第２ドーパント源をエッチングし、前記第１領域に前記中間構造体と同じ幅であって前記第１ドーパント源からなる第１構造体を形成し、前記第２領域に前記第２ドーパント源からなる第２構造体を形成するパターニング工程と、前記基板、前記第１および第２構造体を、前記第１熱処理工程よりも高い温度および／または長い時間で熱処理する第２熱処理工程とを備える。

ここに開示する光電変換素子は、ドーパントを拡散させた第１および２拡散領域を、片面側の面内方向において互いに隣接した領域に有する単結晶シリコン基板と、前記第１拡散領域に接して設けられた第１電極と、前記第２拡散領域に接して設けられた第２電極と、前記第１電極の周りに形成され、前記第１拡散領域のドーパントと同じドーパントを供給する第１ドーパント源を含む第１構造体と、前記第２電極の周りに形成され、前記第２拡散領域のドーパントと同じドーパントを供給する第２ドーパント源を含む第２構造体とを備え、前記第１拡散領域のドーパントは、前記基板と同じ導電型であり、前記第２拡散領域のドーパントは、前記基板と異なる導電型であり、前記第２拡散領域は、高濃度拡散領域と、前記高濃度拡散領域よりもドーパント濃度の低い低濃度拡散領域とを有する、光電変換素子。

上記の光電変換素子の製造方法の態様によれば、第２熱処理工程は、第１熱処理工程よりも、高い温度および／または長い時間で行われる。そのため、第２熱処理工程で形成された拡散領域は、第１熱処理工程で形成された拡散領域よりも、ドーパント濃度が高い。上記の製造方法の態様によれば、第一領域以外の領域に、基板と異なる導電型であって、ドーパント濃度が相対的に高い領域と低い領域とを作り分けることができる。したがって、コンタクト電極の近傍は高濃度拡散領域としてコンタクト抵抗を低下させるとともに、光生成キャリアが収集される領域を低濃度拡散領域とし、光生成キャリアの再結合を抑制することができる。これにより、短絡電流および曲線因子が増加し、光電変換素子の変換効率を向上させることができる。

上記の光電変換素子の構成によれば、光電変換素子は、基板と異なる導電型である第２拡散領域に、高濃度拡散領域と低濃度拡散領域とを有する。コンタクト電極の近傍は高濃度拡散領域としてコンタクト抵抗を低下させるとともに、光生成キャリアが収集される領域を低濃度拡散領域とし、光生成キャリアの再結合を抑制することができる。この構成により、短絡電流および曲線因子が増加し、光電変換素子の変換効率を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の一実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の一実施形態にかかる光電変化素子の製造方法を、模式的に示す断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図５は、本発明の他の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図６は、本発明の他の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる光電変換素子１０１の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子１０１は、単結晶シリコン基板（以下、基板という）１０と、保護膜６０と、反射防止膜７０と、基板１０の片面に設けられたコンタクト電極９０ａ，９０ｂと、コンタクト電極９０ａの周りに形成された構造体９５ａと、コンタクト電極９０ｂの周りに形成された構造体９５ｂとを備えている。

本実施形態では、基板１０はｎ型の単結晶シリコン基板である。基板１０の厚さは、特に限定されないが、好ましくは１００〜３００μｍである。より好ましくは、１００〜２００μｍである。

コンタクト電極９０ａおよび９０ｂは、例えば銀等の金属である。

基板１０の、コンタクト電極９０ａおよび９０ｂが形成された面と反対側の面には、ランダムなピラミッド型の凹凸からなるテクスチャ構造１０ａが形成されている。テクスチャ構造１０ａは、光の反射を低減するとともに基板１０に入射した光を閉じ込めて、光の利用率を高める。

以下では、基板１０の、テクスチャ構造１０ａが形成されている側の面を受光面、コンタクト電極９０ａおよび９０ｂが形成されている側の面を裏面と呼んで参照する。

基板１０の裏面のうち、コンタクト電極９０ａおよび９０ｂの近傍を除いた部分には、ｐ型拡散領域１０ｃが形成されている。ｐ型拡散領域１０ｃのドーパント濃度は、例えば１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３である。

基板１０の裏面の面積に対するｐ型拡散領域１０ｃの面積の割合（以下、ｐ型拡散領域１０ｃの面積率という）は、高いほど好ましい。既述のとおり、基板１０はｎ型単結シリコン晶基板である。ｐ型拡散領域１０ｃの面積率が高いほど、光生成された電子と正孔とが、ｐｎ接合に到達するまでに移動しなくてはならない距離が減少する。そのため、ｐｎ接合に到達するまでに再結合する電子と正孔の数が減少し、短絡光電流が増加する。したがって、光電変換素子１０１の変換効率が向上する。好ましいｐ型拡散領域１０ｃの面積率は、６０〜８０％である。

また、あるｐ型拡散領域１０ｃから次のｐ型拡散領域１０ｃまでの間隔（ピッチ）は、細かいほど光電変換素子１０１の変換効率が向上する。そのため、ピッチは、細かいほど好ましい。ピッチは例えば、０．１〜２．５ｍｍである。

基板１０の受光面には、ｎ型拡散領域１０ｄが形成されている。ｎ型拡散領域１０ｄは、光生成キャリアが受光面側に拡散するのを防ぐＦＳＦ（表面電界障壁：Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）として機能する。

さらに、基板１０の裏面において、コンタクト電極９０ａと接する箇所には、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅが形成されている。同様に、基板１０の裏面において、コンタクト電極９０ｂと接する箇所には、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆが形成されている。高濃度ｎ型拡散領域１０ｅは、コンタクト電極９０ａよりも大きな面積に形成されていることが好ましい。高濃度ｐ型拡散領域１０ｆは、コンタクト電極９０ｂよりも大きな面積に形成されていることが好ましい。

高濃度ｐ型拡散領域１０ｆのドーパント濃度は、ｐ型拡散領域１０ｃのドーパント濃度よりも高く、例えば１０^１９を超え１０^２０ｃｍ^−３以下である。高濃度ｎ型拡散領域１０ｅのドーパント濃度は、例えば１０^１９〜１０^２０ｃｍ^−３である。

基板１０の受光面の最表面（反射防止膜７０の直下）には、酸化膜１０ｇが形成されている。同様に、基板１０の裏面の最表面（保護膜６０の直下）には、酸化膜１０ｈが形成されている。酸化膜１０ｇおよび１０ｈは、いわゆるパッシベーション膜であり、基板１０の表面での光生成キャリアの再結合を防止する。酸化膜１０ｇおよび１０ｈの厚さは、例えば１０〜１００ｎｍである。

構造体９５ａは、ＰＳＧ（リンドープシリコンガラス：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜２１およびＮＳＧ（ノンドープシリコンガラス：Ｎｏｎｄｏｐｅ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜３２が、この順で積層されて形成されている。構造体９５ａは、酸化膜１０ｈを挟んで、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅの上に形成されている。構造体９５ａの面積は、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅの面積とほぼ等しい。構造体９５ａの厚さは薄い方が好ましい。構造体９５ａと、酸化膜１０ｈと、後述する保護膜６０とを合わせた厚さは、２００μｍ以下であることが好ましい。ＰＳＧ膜２１の厚さと、ＮＳＧ膜３２の厚さとは互いに異なっていても良い。

構造体９５ｂは、ＢＳＧ（ボロンドープシリコンガラス：Ｂｏｒｏｎ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜４１およびＮＳＧ膜５１が、この順で積層されて形成されている。構造体９５ｂは、酸化膜１０ｈを挟んで、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆの上に形成されている。構造体９５ｂの面積は、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆの面積とほぼ等しい。構造体９５ｂの厚さは薄い方が好ましい。構造体９５ｂと、酸化膜１０ｈと、後述する保護膜６０とを合わせた厚さは、２００μｍ以下であることが好ましい。ＢＳＧ膜４１の厚さと、ＮＳＧ膜５１の厚さとは互いに異なっていても良い。

構造体９５ａの厚さと構造体９５ｂの厚さとは、互いにほぼ等しくなるように形成されている。

基板１０の裏面側の酸化膜１０ｈ、構造体９５ａおよび９５ｂを覆って、保護膜６０が形成されている。保護膜６０は、例えばＮＳＧ膜である。

基板１０の受光面側の酸化膜１０ｇを覆って、反射防止膜７０が形成されている。反射防止膜７０は、例えば窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる。反射防止膜７０の厚さは、例えば１０〜１００ｎｍであり、基板１０の受光面側の酸化膜１０ｇの厚さとの関係で調整されている。

［光電変換素子１０１の製造方法］
以下、図２および図３を参照して、光電変換素子１０１の製造方法を説明する。

図２（ａ）に示すように、一方の面にテクスチャ構造１０ａを有する基板１０を準備する。テクスチャ構造１０ａは、基板１０の表面を、例えばアルカリ溶液等によりエッチングすることで形成される。

基板１０の裏面を覆って、ｎ型ドーパント源となるＰＳＧ膜２０を形成する。続いて、ＰＳＧ膜２０を覆って、拡散バリア層となるＮＳＧ膜３０を形成する（図２（ｂ））。ＰＳＧ膜２０およびＮＳＧ膜３０は、例えば、ＡＰＣＶＤ（常圧ＣＶＤ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成される。

ＰＳＧ膜２０およびＮＳＧ膜３０の厚さは、薄いほうが好ましく、例えば、それぞれ１０〜１００ｎｍである。ＰＳＧ膜２０およびＮＳＧ膜３０を形成後、これらの膜を安定化させるために、低温でアニールを行っても良い。アニールは、ＰＳＧ膜２０中のリンが基板１０に拡散しない程度の温度で行うことが好ましい。アニールは、例えば、６５０℃で３０分間行う。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＰＳＧ膜２０およびＮＳＧ膜３０の一部を除去して、ＰＳＧ膜２１およびＮＳＧ膜３１からなる中間構造体９５ｃを形成する。中間構造体９５ｃの形成は、例えば、フォトリソグラフィを利用したパターニングを用いることができる。

パターニング後、例えばＲＣＡ洗浄を行って、表面の不純物やパーティクル等を完全に除去する。

次に、図２（ｄ）に示すように、中間構造体９５ｃおよび基板１０の裏面を覆って、ＢＳＧ膜４０を形成する。続いて、ＢＳＧ膜４０を覆って、ＮＳＧ膜５０を形成する。ＢＳＧ膜４０およびＮＳＧ膜５０は、ＰＳＧ膜２０およびＮＳＧ膜３０と同様に、ＡＰＣＶＤにより形成することができる。ＢＳＧ膜４０およびＮＳＧ膜５０の厚さは、薄い方が好ましく、例えば、それぞれ１０〜１００ｎｍである。ＢＳＧ膜４０の厚さとＮＳＧ膜５０の厚さとは、互いに異なっていても良い。

ＮＳＧ膜５０を形成する際、後述する後の工程のため、図２（ｄ）に破線で示すように、ＢＳＧ膜４０とＮＳＧ膜５０との全体の厚さが、中間構造体９５ｃの厚さよりも薄くなるように形成しておくことが好ましい。

なお、図２（ｄ）に示すように、ＢＳＧ膜４０の幅を、ＰＳＧ膜２１の幅よりも広く形成することが好ましい。後述するように、ＢＳＧ膜４０をドーパント源として、ｐ型拡散領域１０ｃが基板１０内に形成されるためである。

次に、図２（ｅ）を参照して、第１熱処理工程を説明する。ＰＳＧ膜２１およびＢＳＧ膜４０が、基板１０の裏面に接して形成された基板１０を熱処理して、ＰＳＧ膜２１中のリン、およびＢＳＧ膜４０中の硼素を、基板１０内に同時に拡散させる。熱処理は、不活性ガス雰囲気中で、例えば窒素雰囲気中で行う。他の熱処理条件は特に限定されないが、例えば８００℃で１時間行う。

この熱処理により、図２（ｅ）に示すように、基板１０のＰＳＧ膜２１に接している部分にｎ型拡散領域１０ｂが、基板１０のＢＳＧ膜４０に接している部分にｐ型拡散領域１０ｃが、それぞれ同時に形成される。

ここで、ＮＳＧ膜３１は、ＢＳＧ膜４０のドーパントがＰＳＧ膜２１およびｎ型拡散領域１０ｂへ混入するのを防ぐ拡散バリア層として機能する。同様にＮＳＧ膜５０は、ＢＳＧ膜４０のドーパントが外部に拡散するのを防ぐ拡散バリア層として機能する。

ＰＳＧ膜２１のドーパント（リン）とＢＳＧ膜４０のドーパント（硼素）とは、基板１０内への拡散のされやすさが異なる。同時拡散させても所望の特性が得られるように、ＰＳＧ膜２１およびＢＳＧ膜４０のドーパント濃度および／または膜厚を調整することが好ましい。

この熱処理と連続して、図２（ｆ）に示すように、基板１０の受光面側にｎ型拡散領域１０ｄを形成する。ｎ型拡散領域１０ｄは、例えば、オキシ塩化リン（ＰｏＣｌ_３）、窒素、および酸素の混合ガス雰囲気化で基板１０を熱処理することにより形成される。他の熱処理条件は特に限定されないが、例えば７２５℃で３０分間行う。

次に、図２（ｇ）および図２（ｈ）を参照して、パターニング工程を説明する。まず、図２（ｇ）に示すように、ＮＳＧ膜５０上であって、ｐ型拡散領域１０ｃと重畳する領域（換言すれば、中間構造体９５ｃと重畳していない領域）の一部に、マスク９９を形成する。マスク９９は、例えばフォトリソグラフィにより形成する。

続いて、マスク９９が形成された箇所以外の箇所を除去するエッチングを行う。このとき、エッチングの時間を調整して、ＢＳＧ膜４０およびＮＳＧ膜５０のみが除去されるようにし、中間構造体９５ｃが除去されないようにする。好ましくは、さらにエッチング時間を調整して、ＮＳＧ膜３１の表面を部分的にエッチングして、ＮＳＧ膜３２とする。

その後、マスク９９を除去する。ＲＣＡ洗浄を行って、表面の不純物やパーティクル等を完全に除去する。これにより、図２（ｈ）に示すように、ＰＳＧ膜２１およびＮＳＧ膜３２からなる構造体９５ａと、ＢＳＧ膜４１およびＮＳＧ膜５１からなる構造体９５ｂとが形成される。構造体９５ａの幅は、中間構造体９５ｃの幅と同じである。

このとき、エッチング時間を調節して、構造体９５ａの厚さと、構造体９５ｂの厚さとをほぼ等しくすることが好ましい。そのためには、既述のように、ＢＳＧ膜４０とＮＳＧ膜５０との全体の厚さが中間構造体９５ｃの厚さよりも薄くなるように形成しておくことが好ましい。

また、上記のエッチングでは溶解しない硼素とシリコンの化合物が残留する場合がある。これを除去するため、酸素雰囲気で５５０℃程度に加熱して、硼素を酸化してから、再度エッチングを行っても良い。

図３（ａ）に示すように、構造体９５ａ，９５ｂおよび基板１０の裏面を覆って、保護膜６０を形成する。保護膜６０は、例えばＮＳＧ膜であり、ＡＰＣＶＤにより形成される。保護膜６０を形成後、受光面側に回り込んだ酸化膜を除去するため、フッ酸洗浄を行っても良い。

酸化膜１０ｈ、構造体９５ａまたは９５ｂ、および保護膜６０を合わせた厚さが、２００ｎｍ以下であることが好ましい。後述するように、後の工程でこの部分に開口を形成するが、２００ｎｍ以下であればエッチングペーストでの開口が可能になるからである。

次に、図３（ｂ）を参照して、第２熱処理工程を説明する。上記の工程により、構造体９５ａ，９５ｂおよび保護膜６０が形成された基板を熱処理する。熱処理により、ＰＳＧ膜２１中のリン、およびＢＳＧ膜４１中の硼素を、基板１０内に拡散させる。この熱処理は、第１熱処理工程と同様に、不活性雰囲気で、例えば窒素雰囲気で行う。この熱処理は、第１熱処理工程よりも高い温度および／または長い時間で行う。この熱処理の条件は、例えば、９５０℃で５０分間である。

この熱処理により、図３（ｂ）に示すように、基板１０のＰＳＧ膜２１に接している部分、すなわちｎ型拡散領域１０ｂであった箇所に、さらにリンが拡散する。第２熱処理工程は、第１熱処理工程よりも、高い温度および／または長い時間で行われる。そのため、ｎ型拡散領域１０ｂであった箇所は、ドーパント濃度がより高い、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅとなる。

また、基板１０のＢＳＧ膜４１と接している部分に、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆが形成される。第２熱処理工程は、第１熱処理工程よりも、高い温度および／または長い時間で行われる。そのため、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆは、ｐ型拡散領域１０ｃよりも、ドーパント濃度が高い。

第２熱処理工程と連続して、炉内に酸素を導入してドライ酸化を行う。図３（ｃ）に示すように、ドライ酸化によって、基板１０の両面にそれぞれ酸化膜１０ｇおよび１０ｈが形成される。酸化条件は、例えば９７５℃で１０分間である。

次に、図３（ｄ）に示すように、受光面側に反射防止膜７０を形成する。反射防止膜７０は、例えばＳｉ_３Ｎ_４膜であり、プラズマＣＶＤにより形成される。

次に、図３（ｅ）に示すように、コンタクトホール８０ａおよび８０ｂを形成する。コンタクトホール８０ａは、基板１０の裏面側の酸化膜１０ｈ、構造体９５ａ、および保護膜６０を開口して、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅが露出するように形成される。コンタクトホール８０ｂは、基板１０の裏面側の酸化膜１０ｈ、構造体９５ｂ、および保護膜６０を開口して、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆが露出するように形成される。

コンタクトホール８０ａおよび８０ｂは、例えば、フォトリソグラフィによって形成する。ここで、酸化膜１０ｈ、構造体９５ａまたは９５ｂ、および保護膜６０を合わせた厚さが十分に薄い場合、例えば２００ｎｍ以下の場合には、コンタクトホール８０ａおよび８０ｂは、エッチングペーストを用いて形成することができる。具体的には、エッチングペーストをスクリーン印刷法等により所定の箇所に塗布し、加熱処理を行うことで形成される。エッチングペーストは、例えば、エッチング成分としてリン酸、フッ化水素、フッ化アンモニウムおよびフッ化水素アンモニウム等を含み、水、有機溶媒および増粘剤と混合したものである。

コンタクトホール８０ａの直径は、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅの幅よりも小さいことが好ましい。そのため、図３（ｅ）に示すように、構造体９５ａの幅方向における中心付近に、構造体９５ａの幅よりも小さい直径のコンタクトホール８０ａが形成される。同様に、コンタクトホール８０ｂの直径は、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆの幅よりも小さいことが好ましい。そのため、構造体９５ｂの幅方向における中心付近に、構造体９５ｂの幅よりも小さい直径のコンタクトホール８０ｂが形成される。

最後に、図３（ｆ）に示すように、コンタクト電極９０ａおよび９０ｂを形成する。コンタクト電極９０ａは、コンタクトホール８０ａを通じて、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅと接触するように形成する。コンタクト電極９０ｂは、コンタクトホール８０ｂを通じて、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆと接触するように形成する。コンタクト電極９０ａおよび９０ｂは、例えばスクリーン印刷法によって形成する。

以上、光電変換素子１０１の構成および製造方法を説明した。

本実施形態にかかる光電変換素子１０１の構成によれば、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅが、コンタクト電極９０ａに接して形成されている。また、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆが、コンタクト電極９０ｂに接して形成されている。これにより、光電変換素子１０１では、コンタクト抵抗を下げることができる。

一方、コンタクト電極９０ａおよび９０ｂの近傍以外の領域には、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆよりもドーパント濃度の低いｐ型拡散領域１０ｃが形成されている。基板１０はｎ型単結晶シリコン基板であり、ｐ型拡散領域１０ｃとｐｎ結合を形成する。すなわち、光電変換素子１０１は、少数キャリアである正孔が収集されるｐ型領域において、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆとｐ型拡散領域１０ｃとを有している。ｐ型拡散領域１０ｃのドーパント濃度を相対的に低くすることによって、光生成キャリアの再結合が抑制される。これにより、短絡電流および曲線因子が増加し、変換効率を向上させることができる。

本実施形態にかかる光電変換素子１０１の製造方法によれば、第１および第２熱処理工程によって、ｐ型およびｎ型拡散領域を同時に形成する。そのため、ｐ型およびｎ型拡散領域を別々に形成する場合と比較して、ドーパント源をパターニングする工程や、熱処理工程を少なくすることができる。そのため、製造工程を簡略化でき、製造コストを抑えることができる。

また、熱処理工程を少なくすることにより、基板の深さ方向のドーパントのプロファイルを制御しやくなる。すなわち、より急峻なｐｎ接合を形成することができる。さらに、熱処理工程を少なくすることにより、基板１０における光生成キャリアのライフタイムを向上できる。そのため、光電変換素子１０１の変換効率を向上できる。

本実施形態にかかる光電変換素子１０１の製造方法では、ドーパント源および拡散バリア層である構造体９５ａおよび構造体９５ｂを除去する工程を省略している。これらを除去する工程を省略しても、これらを薄く形成しておけば、エッチングペーストを用いて開口させることができる。エッチングペーストを用いたプロセスは、フォトリソグラフィ等によるプロセスと比較して簡便である。そのため、製造工程を簡素化することができる。

また、構造体９５ａおよび構造体９５ｂを形成するパターニング工程において、エッチング時間を調整して構造体９５ａおよび構造体９５ｂの厚さをほぼ等しく形成する。これによって、エッチングペーストを用いた場合であっても、構造体９５ａおよび構造体９５ｂを同時に開口させることができる。そのため、製造工程を簡素化することができる。

本実施形態では基板１０がｎ型単結晶シリコン基板である場合を例として説明したが、本発明は、基板１０がｐ型単結晶シリコン基板であっても適応できる。この場合、ｐ型拡散領域１０ｃに代えてｎ型拡散領域を、高濃度ｐ型拡散領域１０ｆに代えて高濃度ｎ型拡散領域を、高濃度ｎ型拡散領域１０ｅに代えて高濃度ｐ型拡散領域を、それぞれ形成すれば良い。

本実施形態では、ｎ型のドーパント源としてＰＳＧ膜を、ｐ型のドーパント源としてＢＳＧ膜を、拡散バリア層としてＮＳＧ膜を用いた例を説明した。ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜、ＮＳＧ膜の組み合わせは、本発明を実施する上で好適な組み合わせであるが、本発明はこれに限定されない。ｎ型のドーパント源、ｐ型のドーパント源、および拡散バリア層は、種々の材料を用いることができる。

このとき、拡散しやすいドーパントを供給するドーパント源を基板１０側に配置することが好ましい。例えば、ドーパント源がＰＳＧ膜とＢＳＧ膜との組み合わせの場合は、本実施形態のように、ＰＳＧ膜を基板１０側に配置することが好ましい。リンは、硼素に比べて拡散係数が大きいため、拡散バリア層であるＮＳＧ膜を突き抜けてＢＳＧ膜や、ｐ型拡散領域に混入する場合があるからである。

［その他の実施形態］
光電変換素子１０１では、構造体９５ａは、ＰＳＧ膜２１およびＮＳＧ膜３２から構成されている。また、構造体９５ｂは、ＢＳＧ膜４１およびＮＳＧ膜５１から構成されている。しかし、ＮＳＧ膜３２およびＮＳＧ膜５１は、本発明の必須の構成要素でない。すなわち、ＮＳＧ膜３２およびＮＳＧ膜５１のいずれかまたは両方が形成されていなくても良い。

図４は、本発明の他の実施形態にかかる光電変換素子１０２の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子１０２は、構造体９５ｂに代えて、構造体９６ｂを備えている。構造体９６ｂは、ＢＳＧ膜４１からなる。換言すれば、光電変換素子１０２は、光電変換素子１０１から、ＮＳＧ膜５１を削除した構成である。

光電変換素子１０２は、光電変換素子１０１の製造工程において、ＢＳＧ膜４０を覆ってＮＳＧ膜５０を形成する工程（図２（ｄ）の一部）を省略することで得られる。ＮＳＧ膜５０は、第１熱処理工程（図２（ｅ））において、ＢＳＧ膜４０のドーパントが外部（例えば、隣接する基板等）へ拡散することを防ぐ。また、第２熱処理工程（図３（ｂ））において、ＢＳＧ膜４１のドーパントが外部に拡散するのを防ぐ。そのため、ＮＳＧ膜５０は形成されることが好ましい。しかし、外部への拡散を問題としない場合には、ＮＳＧ膜５０は形成されなくても良い。ＮＳＧ膜５０を形成する工程を省略することで、製造工程を簡略化することができる。

図５は、本発明の他の実施形態にかかる光電変換素子１０３の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子１０３は、構造体９５ａに代えて、構造体９６ａを備えている。構造体９６ａは、ＰＳＧ膜２１からなる。換言すれば、光電変換素子１０３は、光電変換素子１０１から、ＮＳＧ膜３２を削除した構成である。

光電変換素子１０３は、光電変換素子１０１の製造工程において、ＰＳＧ膜２０を覆ってＮＳＧ膜３０を形成する工程（図２（ｂ）の一部）を省略することで得られる。ＮＳＧ膜３０は、第１熱処理工程（図２（ｅ））において、ＢＳＧ膜４０のドーパントがＰＳＧ膜２１およびｎ型拡散領域１０ｂへ混入するのを防ぐ。また、第２熱処理工程（図３（ｂ））において、ＰＳＧ膜２１のドーパントが外部へ拡散するのを防ぐ。そのため、ＮＳＧ膜３０は形成されることが好ましい。しかし、ＰＳＧ膜２０をあらかじめ厚く形成しておけば、第１熱処理工程（図２（ｅ））においてＢＳＧ膜４０のドーパントは、ＰＳＧ膜２１内で止まるため、ｎ型拡散領域１０ｂへは影響を与えない。したがって、ＰＳＧ膜２０を厚く形成し、かつ外部への拡散を問題としない場合には、ＮＳＧ膜３０は形成されなくても良い。ＮＳＧ膜３０を形成する工程を省略することで、製造工程を簡略化できる。この場合のＰＳＧ膜２０の厚さは、１００ｎｍ以上である。

光電変換素子１０３はまた、光電変換素子１０１の製造工程において、パターニング工程（図２（ｈ））でＮＳＧ膜３２を完全に除去することでも得られる。

図６は、本発明の他の実施形態にかかる光電変換素子１０４の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子１０４は、構造体９５ａに代えて構造体９６ａを、構造体９５ｂに代えて構造体９６ｂを備えている。すなわち、光電変換素子１０４は、光電変換素子１０１から、ＮＳＧ膜３２およびＮＳＧ膜５１の両方を削除した構成である。

光電変換素子１０４は、光電変換素子１０１の製造工程において、ＰＳＧ膜２０を覆ってＮＳＧ膜３０を形成する工程（図２（ｂ）の一部）、およびＢＳＧ膜４０を覆ってＮＳＧ膜５０を形成する工程（図２（ｄ）の一部）の両方を省略することで得られる。光電変換素子１０３と同様に、ＰＳＧ膜２０を厚く形成しかつ外部への拡散を問題としない場合には、ＮＳＧ膜３０およびＮＳＧ膜５０の形成を省略して製造工程を簡略化できる。この場合のＰＳＧ膜２０の厚さは、１００ｎｍ以上である。

光電変換素子１０４はまた、光電変換素子１０１の製造工程において、ＢＳＧ膜４０を覆ってＮＳＧ膜５０を形成する工程（図２（ｄ）の一部）を省略した後、パターニング工程（図２（ｈ））でＮＳＧ膜３２を完全に除去することでも得られる。この場合も、外部への拡散を問題としないときには、ＮＳＧ膜５０の形成を省略して製造工程を簡略化できる。

以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法として産業上の利用が可能である。

１０ 単結晶シリコン基板、１０ａ テクスチャ構造、１０ｂ，１０ｄ ｎ型拡散領域、１０ｃ ｐ型拡散領域、１０ｅ 高濃度ｎ型拡散領域、１０ｆ 高濃度ｐ型拡散領域、１０ｇ，１０ｈ 酸化膜、２０，２１ ＰＳＧ膜、３０〜３２，５０，５１ ＮＳＧ膜、４０，４１ ＢＳＧ膜、６０ 保護膜、７０ 反射防止膜、８０ａ，８０ｂ コンタクトホール、９０ａ，９０ｂ コンタクト電極、９５ａ，９５ｂ 構造体，９９ マスク

Claims (16)

1. 単結晶シリコン基板の片面を覆って、前記基板と同じ導電型のドーパントを供給する第１ドーパント源を１００ｎｍ以上の厚さで形成する工程と、
   前記第１ドーパント源上の一部である第１領域をマスクして前記第１ドーパント源をエッチングし、前記第１領域に前記第１ドーパント源からなる中間構造体を形成する工程と、
   前記単結晶シリコン基板の片面および前記中間構造体を覆って、前記基板と異なる導電型のドーパントを供給する第２ドーパント源を形成する工程と、
   前記基板、前記中間構造体、および前記第２ドーパント源を熱処理する第１熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程後、前記第１領域以外の領域の一部である第２領域をマスクして前記第２ドーパント源をエッチングし、前記第１領域に前記中間構造体と同じ幅であって前記第１ドーパント源からなる第１構造体を形成し、前記第２領域に前記第２ドーパント源からなる第２構造体を形成するパターニング工程と、
   前記基板、前記第１および第２構造体を、前記第１熱処理工程よりも高い温度および／または長い時間で熱処理する第２熱処理工程とを備える、光電変換素子の製造方法。
2. 単結晶シリコン基板の片面を覆って、前記基板と同じ導電型のドーパントを供給する第１ドーパント源を形成する工程と、
   前記第１ドーパント源を覆って、第１拡散バリア層を形成する工程と、
   前記第１拡散バリア層上の一部である第１領域をマスクして前記第１ドーパント源および前記第１拡散バリア層をエッチングし、前記第１領域に前記第１ドーパント源および前記第１拡散バリア層からなる中間構造体を形成する工程と、
   前記単結晶シリコン基板の片面および前記中間構造体を覆って、前記基板と異なる導電型のドーパントを供給する第２ドーパント源を形成する工程と、
   前記基板、前記中間構造体、および前記第２ドーパント源を熱処理する第１熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程後、前記第１領域以外の領域の一部である第２領域をマスクして前記第２ドーパント源をエッチングし、前記第１領域に前記中間構造体と同じ幅であって前記第１ドーパント源を含む第１構造体を形成し、前記第２領域に前記第２ドーパント源からなる第２構造体を形成するパターニング工程と、
   前記基板、前記第１および第２構造体を、前記第１熱処理工程よりも高い温度および／または長い時間で熱処理する第２熱処理工程とを備える、光電変換素子の製造方法。
3. 単結晶シリコン基板の片面を覆って、前記基板と同じ導電型のドーパントを供給する第１ドーパント源を１００ｎｍ以上の厚さで形成する工程と、
   前記第１ドーパント源上の一部である第１領域をマスクして前記第１ドーパント源をエッチングし、前記第１領域に前記第１ドーパント源からなる中間構造体を形成する工程と、
   前記単結晶シリコン基板の片面および前記中間構造体を覆って、前記基板と異なる導電型のドーパントを供給する第２ドーパント源を形成する工程と、
   前記第２ドーパント源を覆って、第２拡散バリア層を形成する工程と、
   前記基板、前記中間構造体、前記第２ドーパント源および前記第２拡散バリア層を熱処理する第１熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程後、前記第１領域以外の領域の一部である第２領域をマスクして前記第２ドーパント源および第２拡散バリア層をエッチングし、前記第１領域に前記中間構造体と同じ幅であって前記第１ドーパント源からなる第１構造体を形成し、前記第２領域に前記第２ドーパント源および前記第２拡散バリア層からなる第２構造体を形成するパターニング工程と、
   前記基板、前記第１および第２構造体を、前記第１熱処理工程よりも高い温度および／または長い時間で熱処理する第２熱処理工程とを備える、光電変換素子の製造方法。
4. 単結晶シリコン基板の片面を覆って、前記基板と同じ導電型のドーパントを供給する第１ドーパント源を形成する工程と、
   前記第１ドーパント源を覆って、第１拡散バリア層を形成する工程と、
   前記第１拡散バリア層上の一部である第１領域をマスクして前記第１ドーパント源および前記第１拡散バリア層をエッチングし、前記第１領域に前記第１ドーパント源および前記第１拡散バリア層からなる中間構造体を形成する工程と、
   前記単結晶シリコン基板の片面および前記中間構造体を覆って、前記基板と異なる導電型のドーパントを供給する第２ドーパント源を形成する工程と、
   前記第２ドーパント源を覆って、第２拡散バリア層を形成する工程と、
   前記基板、前記中間構造体、前記第２ドーパント源および前記第２拡散バリア層を熱処理する第１熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程後、前記第１領域以外の領域の一部である第２領域をマスクして前記第２ドーパント源および第２拡散バリア層をエッチングし、前記第１領域に前記中間構造体と同じ幅であって前記第１ドーパント源を含む第１構造体を形成し、前記第２領域に前記第２ドーパント源および前記第２拡散バリア層からなる第２構造体を形成するパターニング工程と、
   前記基板、前記第１および第２構造体を、前記第１熱処理工程よりも高い温度および／または長い時間で熱処理する第２熱処理工程とを備える、光電変換素子の製造方法。
5. 前記第２ドーパント源を形成する工程において、前記第２ドーパント源の厚さを、前記中間構造体の厚さよりも薄く形成する、請求項１または２に記載の光電変換素子の製造方法。
6. 前記第２拡散バリア層を形成する工程において、前記第２ドーパント源と前記第２拡散バリア層との全体の厚さを、前記中間構造体の厚さよりも薄く形成する、請求項３または４に記載の光電変換素子の製造方法。
7. 前記パターニング工程は、前記第１構造体の厚さと前記第２構造体の厚さとが、等しくなるようにエッチングを行う、請求項５または６に記載の光電変換素子の製造方法。
8. 前記第１および第２構造体の一部に、エッチングペーストにより開口を形成する工程をさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
9. 前記第１ドーパント源は、前記第２ドーパント源が供給するドーパントよりも拡散しやすいドーパントを供給するドーパント源である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光変換素子の製造方法。
10. 前記単結晶シリコン基板は、ｎ型単結晶シリコン基板であり、
    前記第１ドーパント源は、リンドープシリコンガラス膜であり、
    前記第２ドーパント源は、硼素ドープシリコンガラス膜である、請求項９に記載の光電変換素子の製造方法。
11. ドーパントを拡散させた第１および２拡散領域を、片面側の面内方向において互いに隣接した領域に有する単結晶シリコン基板と、
    前記第１拡散領域に接して設けられた第１電極と、
    前記第２拡散領域に接して設けられた第２電極と、
    前記第１電極の周りに形成され、前記第１拡散領域のドーパントと同じドーパントを供給する第１ドーパント源を含む第１構造体と、
    前記第２電極の周りに形成され、前記第２拡散領域のドーパントと同じドーパントを供給する第２ドーパント源を含む第２構造体とを備え、
    前記第１拡散領域のドーパントは、前記基板と同じ導電型であり、
    前記第２拡散領域のドーパントは、前記基板と異なる導電型であり、
    前記第２拡散領域は、高濃度拡散領域と、前記高濃度拡散領域よりもドーパント濃度の低い低濃度拡散領域とを有する、光電変換素子。
12. 前記第１構造体は、前記第１ドーパント源および第１拡散バリア層がこの順で積層されたものである、請求項１１に記載の光電変換素子。
13. 前記第２構造体は、前記第２ドーパント源および第２拡散バリア層がこの順で積層されたものである、請求項１１または１２に記載の光電変換素子。
14. 前記第１構造体と前記第２構造体とは、厚さが等しい、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
15. 前記第１ドーパント源が供給するドーパントは、前記第２ドーパント源が供給するドーパントよりも、拡散しやすいドーパントである、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の光電変換素子。
16. 前記単結晶シリコン基板は、ｎ型単結晶シリコン基板であり、
    前記第１ドーパント源は、リンドープシリコンガラス膜であり、
    前記第２ドーパント源は、硼素ドープシリコンガラス膜である、請求項１５に記載の光電変換素子。

Images