JP4314716B2 - 結晶シリコン薄膜光起電力素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶シリコン薄膜半導体装置、結晶シリコン薄膜光起電力素子、および結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法に関し、特に、非晶質シリコンを種結晶に用いて多結晶シリコン薄膜を生成する結晶シリコン薄膜半導体装置、結晶シリコン薄膜光起電力素子、および結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池等の半導体装置において、導電膜を有するガラス基板上に１〜４μｍ程度の厚さを持つ良質な結晶シリコン系デバイスを形成するためには、導電膜を有するガラス基板上に良質な種結晶を直接形成する必要がある。この種結晶を形成する上で必要な条件としては、
（１）高い結晶性（高結晶化率）を有すること、
（２）配向性を有すること、
（３）一度に大量の処理が可能なこと、
（４）一般のガラス基板が使用可能な低温プロセスであること、
等があげられる。
【０００３】
従来、太陽電池の製造は、ガラス等の異種基板上に多結晶シリコン薄膜を形成する方法が用いられていた。この方法によれば、大面積や高品質のシリコン結晶基板を必要とせず、大幅なコストダウンが見込まれる。しかし、特性の良い半導体装置を作製するためには、多結晶シリコン薄膜の高品質化を図る必要がある。このため、通常、高温度に耐える石英等を基板に用い、この基板に高温度の堆積処理を行うことにより、結晶性の良いシリコン薄膜を形成している。しかし、この方法では、基板に高価な石英等を用いているため、低コスト化を図ることができない。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ等によるＩＥＥＥ「First World Conference on Photovoltaic Energy Conversion」１９９４（ｐ. 1575〜1578）に提案がある。この方法は、非晶質薄膜シリコンをレーザーアニール等の方法で溶融結晶化し、基板表面に成膜することで結晶性の良い多結晶薄膜シリコンを得ようとするもので、基板の温度上昇を抑制できるので、低コストの基板材料を使用することが可能になる。また、導電膜を有するガラス基板等にプラズマＣＶＤ（Plasma Chemical Vapore Deposition ）によって多結晶シリコンを直接に形成する試みも行われている。
【０００５】
上記の問題を解決する他の方法として、特開平９−８２９９７号公報がある。この方法は、金属触媒を用いて非晶質シリコンの結晶化を行い、ｐまたはｎの同一の導電型である結晶層の全て或いはＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層を含むｐまたはｎの同一の導電型の結晶層の全てを結晶化させる方法が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の結晶シリコン薄膜半導体装置および結晶シリコン薄膜光起電力素子によると、ガラス基板上で非晶質シリコンをレーザーアニールにより結晶化させた場合、一度の処理で多数枚の基板を処理することが困難なため、スループットの面で問題がある。つまり、非晶質薄膜シリコンを溶融結晶化法により均一な粒径の多結晶層にするためには、プラズマＣＶＤ法を用いて非晶質薄膜シリコンを形成した後、この非晶質薄膜シリコン中の水素を熱的に放出させ、その後にレーザーアニールを行う必要がある。このため、製造に手間と時間がかかり、コストアップになる。
【０００７】
また、プラズマＣＶＤを用いてガラス基板等に多結晶シリコンを直接形成する製造方法は、得られる多結晶シリコンの結晶化率が低い等、品質の面で問題がある。太陽電池で一般的なｐｎ構造やｐｉｎ構造では、表面に導電性膜を有するガラス基板上にｐ導電型やｎ導電型の多結晶シリコン薄膜を直接形成する必要があるが、プラズマＣＶＤ法によってガラス基板上に直接形成された多結晶シリコン薄膜は、結晶化率が低い、キャリアライフタイムが短い等の問題を有することが知られている。特に、プラズマＣＶＤで得られるｐ導電型の多結晶シリコン薄膜は、結晶化率が非常に低いとともに配向性が乏しく、大きな技術的課題となっている。
【０００８】
さらに、特開平９−８２９９７号公報の方法によると、他の導電型との接合部にＮｉシリサイド（ＳｉとＮｉの合金）が残り易く、また、残されたＮｉシリサイドをエッチングにより除去した場合でも欠陥が生じ易いため、接合部における再結合が増大し、太陽電池素子としての特性が大きく低下する可能性がある。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、得られる多結晶シリコンの結晶化率が高く、配向性に優れ、高特性を持ち、生産性の高い結晶シリコン薄膜半導体装置、結晶シリコン薄膜光起電力素子、および結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１１】
この構成によれば、第１の多結晶シリコン層は、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行うことにより、金属触媒元素の作用により低温で配向性を有する多結晶シリコン層に変換される。この第１のシリコン層を種結晶にして、表面に第２の多結晶シリコン層を形成することにより、下地となる第１の多結晶シリコン層と同じ配向性を有し、高い結晶性をもった多結晶シリコン層が得られる。さらに、第２の多結晶シリコン層を下地にして形成された第３の多結晶シリコン層は、同様に高い結晶性を有し、かつ、配向性を持ったものとなる。この結果、結晶化率が高く、配向性に優れ、高特性を持ち、生産性の高い結晶シリコン薄膜半導体装置を得ることができる。また、他の導電型との接合部にシリサイドが残らないので、除去工程を必要とせず、シリサイドに起因する欠陥も生じない。
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、導電性の基板または表面に導電層が形成された絶縁性の基板と、前記導電性の基板または前記導電層の表面に形成された非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、前記非晶質シリコン層の熱処理により、前記非晶質シリコン層に前記金属触媒元素が拡散して、前記非晶質シリコン層が結晶化することにより形成された第１の導電型を有する第１の多結晶シリコン層と、前記第１の多結晶シリコン層を種結晶にして形成された前記第１の導電型と同一の導電型を有する第２の多結晶シリコン層と、前記第２の多結晶シリコン層上に形成された実質的にｉ型の第３の多結晶シリコン層と、前記第３の多結晶シリコン層上に形成され、前記第１の導電型とは異なる導電型の第２導電型を有する第４の多結晶シリコン層と、前記第４の多結晶シリコン層上に形成された電極部を有し、前記金属触媒元素は、Ｎｉであり、前記第１の多結晶シリコン層は、（１１０）配向し、前記第２の多結晶シリコン層は、前記第１の多結晶シリコン層を下地にして形成されることにより、前記第１の多結晶シリコン層の配向性に従って（１１０）配向すると共に、前記第３の多結晶シリコン層及び前記第４の多結晶シリコン層がいずれも（１１０）配向ことを特徴とする結晶シリコン薄膜光起電力素子を提供する。
【００１３】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第３の特徴として、表面に電極が形成された絶縁性の基板と、前記絶縁性の基板の前記電極上に形成された非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、前記非晶質シリコン層の熱処理により、前記非晶質シリコン層に前記金属触媒元素が拡散して、前記非晶質シリコン層が結晶化することにより形成された第１の導電型の第１の多結晶シリコン層と、前記第１の多結晶シリコン層を種結晶にして形成された第１の導電型の第２の多結晶シリコン層と、前記第２の多結晶シリコン層上に形成された第２の導電型の第３の多結晶シリコン層と、前記第３の多結晶シリコン層上に形成された電極部を有し、前記金属触媒元素は、Ｎｉであり、前記第１の多結晶シリコン層は、（１１０）配向し、前記第２の多結晶シリコン層は、前記第１の多結晶シリコン層を下地にして形成されることにより、前記第１の多結晶シリコン層の配向性に従って（１１０）配向すると共に、前記第３の多結晶シリコン層が（１１０）配向することを特徴とする結晶シリコン薄膜光起電力素子を提供する。
【００１４】
上記第２および第３の特徴を備えた構成によれば、第１の多結晶シリコン層は、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行うことにより、金属触媒元素の作用により低温で配向性を有する多結晶シリコン層に変換される。この第１のシリコン層を種結晶にして、表面に第２の多結晶シリコン層を形成することにより、下地となる第１の多結晶シリコン層と同じ配向性を有し、高い結晶性をもった多結晶シリコン層が得られる。さらに、第２の多結晶シリコン層を下地にして形成された第３の多結晶シリコン層は、同様に高い結晶性を有し、かつ、配向性を有したものとなる。したがって、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜光起電力素子を得ることができる。
【００１６】
この方法によれば、基板の表面に非晶質シリコン薄膜を形成し、この非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、この非晶質シリコン層に熱処理を施すと、非晶質シリコン層を低温により結晶化でき、配向性を持った第１の多結晶シリコン層を形成できる。この第１の多結晶シリコン層を種結晶にして、第１の多結晶シリコン層と同一の導電型を有する第２の多結晶シリコン層を第１の多結晶シリコン層上に形成することにより、第２の多結晶シリコン層は第１の多結晶シリコン層と同一の配向性を持った多結晶シリコン層に変換される。さらに、第２の多結晶シリコン層上に、これとは異なる導電型の第３の多結晶シリコン層を形成することにより、ｐｎ構造を持つ半導体装置を構成できる。したがって、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜半導体装置を製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１および図２は本発明による結晶シリコン薄膜半導体装置（結晶シリコン薄膜光起電力素子、すなわちｐｉｎ型の太陽電池）の第１の実施の形態を示す。ここで、図１は本発明の第１の実施の形態の途中工程を示す。また、図２は図１の結晶シリコン薄膜半導体装置の完成状態を示す。本実施の形態は、ガラス基板を用い、その片面にスズ酸化物を主体とする透明電極を形成したものを基板とし、前記透明電極上に太陽電池を形成した半導体装置の例である。
【００１８】
図１に示す様に、基板として、ガラス基板１の主表面に８００ｎｍの厚さに透明電極２を形成したものを用いた。透明電極２にはＳｎＯ2 を用い、表面に凹凸（図１では凹凸形状の図示を省略）を設けた。透明電極２の表面に、Ｈ2 、ＳｉＨ4 （シラン）、およびＢ2 Ｈ6 （ジボラン）の混合ガスを導入し、圧力を０．５Ｔｏｒｒに維持し、基板温度４２０℃にして、周波数６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法によりｐ型のドーパントを含む非晶質シリコン層３を２０ｎｍの厚さに形成した。非晶質シリコン層３の厚みは５０ｎｍ以下とし、できるだけ薄いことが望ましい。その理由は、金属触媒元素によって結晶化させる際、非晶質シリコン層３を種結晶として用いるためである。
【００１９】
次に、金属触媒元素として、Ｎｉ層４を蒸着法により１ｎｍの厚さに形成した。次に、窒素雰囲気中において温度４５０〜７００℃（具体的には、５００℃〜６００℃の温度範囲）で加熱処理し、金属触媒元素（Ｎｉ）の拡散を行った。なお、この加熱処理は窒素雰囲気に限定されるものではなく、真空雰囲気、水素雰囲気、Ａｒ雰囲気、或いはハロゲン化物雰囲気において行った場合でも、窒素雰囲気における場合と同等の結晶化効果が得られた。
【００２０】
さらに、熱処理加工は２段階に分けて実施した。まず、水素雰囲気中で４００℃で加熱し、非晶質シリコン層３内の水素量を１％以下、望ましくは０．３％以下にした。ついで、５５０℃で加熱したところ、配向性の良いｐ型の多結晶シリコン層３Ａ（図２に示す）が得られた。この多結晶シリコン層３Ａの配向は、（１１０）であった。なお、上記の説明では、非晶質シリコン層３を先にガラス基板１上に形成し、ついで金属触媒元素を導入するものとしたが、最初にガラス基板１上に金属触媒層（Ｎｉ層４）を直接に堆積させ、その後に非晶質シリコン層３を形成するようにしてもよい。
【００２１】
金属触媒元素としては、Ｎｉのほか、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕ等を用いることができる。金属触媒層の形成方法として、膜状に形成する場合はプラズマ処理法、蒸着法、スピンコート法等を利用することができる。また、ライン状や島状に形成する場合は、例えば、蒸着法で金属マスクで蒸着しない部分を覆って形成することができる。
さらに、膜中に導入する方法としては、例えば、イオン注入法やプラズマドーピング法等がある。また、金属触媒層は触媒効果のためにあるので、その濃度は極めて低濃度でよい。通常は、２〜３層の厚さにして数オングストロームにするが、一層の金属層であっても、これが結晶化表面層を反応とともに進行し、対向面に到達したときに全面が結晶化するのであれば、一層であってもよい。また、その種結晶の質にこだわらない場合は、触媒金属が膜中に留まる条件で結晶化を行ってもよい。
【００２２】
以上の様な熱処理によって、金属触媒元素は非晶質シリコン層３内を拡散して対向面側の非晶質シリコン層３と透明電極層２の間の付近に析出し（つまり、ｐ型の多結晶シリコン層３Ａの最表面に金属触媒元素が移動し）、多結晶シリコン層３Ａ中にはトレース量しか残らないため、高品位のｐ型の多結晶シリコン層３Ａが得られた。なお、結晶性が悪い場合、膜中にＮｉ原子が取り残されるが、種結晶部分の占める膜厚は太陽電池素子の全体に対して２％以下であるため、太陽電池素子としての性能に大きな影響を及ぼすことはない。
このように、Ｎｉを含む種結晶の多結晶シリコン層３Ａは、厚みが５ｎｍ以下でも、品質を損なうことなく形成することができ、発電に寄与する大部分にＮｉを含まない高品位な素子を作成することができる。さらに、太陽電池素子で重要である導電型の違う結晶層が接する接合部において、金属触媒の残留や、その部位のエッチング等によるダメージなどが存在しないので、理想的な接合部を形成できる。
【００２３】
次に、Ｂ2 Ｈ6 、Ｈ2 、およびＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、圧力を０．５Ｔｏｒｒに維持し、基板温度２００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｐ導電型の多結晶シリコン層５を４０ｎｍの厚さに形成した。ついで、Ｈ2 とＳｉＨ4 を導入し、基板温度３００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｉ型の多結晶シリコン層６を形成した。この厚さは光吸収に必要な厚さとなるが、少なくとも５００ｎｍ以上、１０μｍ程度が好ましいが、５０μｍ程度までは使うことができる。このとき、膜中には、条件により０．５％〜８％の水素が含有されていた。多結晶シリコン層５は、金属触媒によって結晶化されたシリコン層３Ａを下地にして形成されているため、シリコン層３Ａの配向性に従った（１１０）配向を有しており、ガラス基板等の上に直接形成したものに比べて、非常に結晶性が良く、太陽電池素子に適したものであった。
【００２４】
さらに、ｉ型の多結晶シリコン層６を下地にして、Ｈ2 、ＳｉＨ4 、およびＰＨ3 （ホスフィン）の混合ガスを導入し、圧力を０．３Ｔｏｒｒに維持し、基板温度２００℃、１３．５６ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｎ型の多結晶シリコン層７を５０ｎｍの厚さに形成した。多結晶シリコン層７の最適厚は結晶性によっても異なるが、１０ｎｍ〜１００ｎｍ（望ましくは、３０ｎｍ〜６０ｎｍ）が適当であった。最後に、蒸着法によりＡｌ膜８を１μｍの厚さに形成し、これを裏面電極とした。
以上の構成により、基板上の独立した素子の表面側電極と裏面電極を直列に繋ぐ周知の接続方法によって５０段の接続を行ったところ、ほぼ、個々のブロックの出力電圧を足し合わせた特性が得られた。
【００２５】
上記の構成において、基板材料には、例えば、セラミックス、石英、サファイア等を用いることができる。また、裏面電極にはＡｌ膜を用いたが、このほかにＡｇ、Ｍｏ等の金属を用いることができる。
【００２６】
上記した第１の実施の形態は、ガラス基板を用い、このガラス基板側から光を入射する構成であったが、ガラス基板に代えて金属基板を用い、薄膜表面側から光入射を行う構成も可能である。この構成例について以下に説明する。
（第２の実施の形態）
図３および図４は本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置の第２の実施の形態（ｐｉｎ型の太陽電池）を示す。図３は途中工程までの状態を示し、図４は完成状態を示す。
フレキシブルなＳＵＳ基板９上に絶縁膜としてのＳｉ０2 膜１０を２００ｎｍの厚さに形成した。ついで、Ｓｉ０2 膜１０の表面にＳＵＳ膜１１を５００ｎｍの厚さに形成し、このＳＵＳ膜１１を裏面電極とした。次に、ＳＵＳ膜１１上に１０ｎｍのｐ型ドーパントを含む非晶質シリコン層１２をシリコンターゲットからスパッタ法により形成した。Ｓｉ０2 膜１０内の水素量は、０．１％以下であった。さらに、非晶質シリコン層１２の表面にニッケル塩溶液をスピン塗布し、これを乾燥させてＮｉ層１３を形成した。
【００２７】
ついで、１ＴｏｒｒのＨ2 雰囲気中で５５０℃の熱処理を３０分間行い、非晶質シリコン層１２を結晶化し、ｐ型の多結晶シリコン層１２Ａを生成した（図４）。このとき、Ｎｉ層１３中のＮｉは、ＳＵＳ膜１１とｐ型の多結晶シリコン層１２Ａの界面近傍に析出し、ｐ型の多結晶シリコン層１２Ａ中には殆ど残らなかった。また、ｐ型の多結晶シリコン層１２Ａ中には殆ど水素が存在しないため、結晶化が良好に進行した。このｐ型の多結晶シリコン層１２Ａ上にＢ2 Ｈ6 、Ｈ2 、およびＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、０．５Ｔｏｒｒの圧力を維持し、基板温度２００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、実質的にｐ導電型の多結晶シリコン層１４を４０ｎｍの厚さに形成した。その後、Ｈ2 とＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、基板温度３００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、実質的にｉ型の多結晶シリコン層１５を２μｍの厚さに形成した。
【００２８】
さらに、Ｈ2 、ＳｉＨ4 、およびＰＨ3 の混合ガスを導入し、０．３Ｔｏｒｒの圧力を維持し、基板温度３００℃、１３．５６ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｎ型の多結晶シリコン層１６を２０ｎｍの厚さに形成した。さらに、透明電極としてのＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜１７を７０ｎｍの厚さに形成し、Ａｌによる金属電極１８を１μｍの厚さにして部分的に形成した。この際、得られた多結晶シリコン層１４，１５，１６のそれぞれは、（１１０）面に配向していた。多結晶シリコン層１６は、Ｐ−ＣＶＤの条件により（１１１）面に配向させることもできる。（１１０）面に配向した多結晶シリコンは、（１１１）面に比べ、自然なテクスチャーが形成されるという特徴が見られた。
【００２９】
（第１の比較例）
薄膜多結晶シリコン太陽電池素子を作成する際、従来より一般的に用いられた方法として、ｐ−ＣＶＤ法によって全ての多結晶シリコン層を形成する方法がある。この方法で、本発明の第１の実施の形態と同一構造を持つ薄膜多結晶シリコン太陽電池を以下の様に作成し、本発明との比較を行った。
ｐ型多結晶シリコン層は、Ｈ2 、ＳｉＨ4 、およびＢ2 Ｈ6 の混合ガスを導入し、圧力０．５Ｔｏｒｒおよび基板温度２００℃、５０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法で作成した。また、ｉ層は、Ｈ2 とＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、０．５Ｔｏｒｒに圧力を維持し、基板温度３００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法で作成し、ｎ層はＨ2 、ＳｉＨ4 、およびＰＨ3 の混合ガスを導入し、０．３Ｔｏｒｒの圧力を維持し、基板温度３００℃、１３．５６ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法で作成した。
【００３０】
こうして製作した太陽電池素子の電流−電圧測定を行ったところ、太陽電池の性能を表す指数であるフィルファクターＦＦ（ curve fill factor：曲線因子、ＦＦ＝最大出力をＰmax 、開放電圧をＶOC、短絡光電流密度をＪSCとすると、ＦＦ＝Ｐmax ／（ＶOC×ＪSC）で表される）に変化が見られた。つまり、第１の比較例の多結晶シリコン太陽電池素子に対し、第１の実施の形態による多結晶シリコン太陽電池素子のフィルファクターＦＦは、１．４７倍であった。本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン太陽電池素子は、金属触媒により結晶化されたｐ層（多結晶シリコン層１２Ａ）を種結晶として用いたことにより、ｐ−ＣＶＤ法で全ての多結晶シリコン層を形成した第１の比較例の太陽電池素子に比べ、良好な特性を持つ太陽電池素子が得られた。
【００３１】
（第２の比較例）
第１の比較例と同様に、本発明の第２の実施の形態の構造と同一構造を有する第２の比較例をｐ−ＣＶＤで作成し、上記第２の実施の形態の多結晶シリコン太陽電池素子との比較を行った。その結果、第２の比較例で作成した太陽電池に対し、本発明の第２の実施の形態による多結晶シリコン太陽電池素子のフィルファクターＦＦは、１．４４倍であった。第１の実施の形態と同様に本発明の第２の実施の形態においても、金属触媒によって結晶化されたｐ層を種結晶に用いたことにより、従来方法で作製された太陽電池素子よりも良好な特性を持つ太陽電池素子が得られた。
【００３２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。上記第１および第２の実施の形態においては、金属触媒を導入して結晶化を行った非晶質シリコン層３，１２は、配向が（１１０）面であった。これに対し、第３の実施の形態は、第１の実施の形態における透明電極２上に、ｐ導電型のドーパントを含む非晶質シリコン層を１８ｎｍの厚さに形成し、この非晶質シリコン層上にＨ2 、ＳｉＨ4 、およびＢ2 Ｈ6 の混合ガスを導入し、ＶＨＦ(very high frequency) 域の周波数によるｐ−ＣＶＤにより、（１１１）配向となる条件で多結晶シリコン層を約２ｎｍの厚さに形成した。ついで、この（１１１）配向の多結晶シリコン層上にニッケル層を約２ｎｍの厚さに蒸着法により形成した後、５００℃で１時間の熱処理を行った。この熱処理により、非晶質シリコン層から変換された多結晶シリコン層は（１１１）配向を有していた。ついで、上記第１の実施の形態と同様の手法でｐｉｎ構造を形成したところ、全てのシリコン層は（１１１）面に配向していた。この第３の実施の形態による太陽電池素子の電気的特性を測定したところ、本発明の第１の実施の形態による太陽電池素子に対し、フィルファクターＦＦは０．９８倍であった。
【００３３】
以上はｐｉｎ構造の太陽電池素子の実施例であったが、本発明の方法で得られる結晶シリコンの特性が良好であることから、ｐｎ型の太陽電池の作製も可能となった。このｐｎ型の太陽電池について、以下に第４の実施の形態として説明する。
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態は、ガラス基板上に結晶シリコン薄膜光起電力素子としてのｐｎ型太陽電池を構成したものである。ガラス基板２７に絶縁層となるＳｉＯ2 膜１９を２００ｎｍの厚さに形成し、さらに裏面電極としてＳＵＳ膜２０を５００ｎｍの厚さに形成した。ついで、ｎ型のドーパントを含む非晶質シリコン２１をスパッタリングにより１０ｎｍの厚さに形成した。その上部に図２または図４に示した様にＮｉ触媒層（図示せず）を２ｎｍの厚さに形成し、その後、５００℃の熱処理を行うことにより、非晶質シリコン層２１を多結晶シリコン層２２Ａに変換した。この多結晶シリコン層２２Ａを種結晶にしてＶＨＦのｐ−ＣＶＤを行い、ｎ型の多結晶シリコン層（図示せず）を２μｍの厚さに形成した。このｎ型の多結晶シリコン層の抵抗は２０〜１００Ωｃｍであった。さらに、ｎ型の多結晶シリコン層の上部にＶＨＦのｐ−ＣＶＤを行って、ｐ型多結晶シリコン層２３を５００ｎｍの厚さに形成した。このｐ型多結晶シリコン層２３の抵抗は０．１〜３０Ωｃｍであった。さらにｐ型多結晶シリコン層２３上に、透明電極としてのＩＴＯ膜２４を７０ｎｍの厚さに形成し、このＩＴＯ膜２４上にＡｌ電極２５を形成し、このＡｌ電極２５上に部分的に金属電極２６を形成した。
第４の実施の形態で作製された太陽電池についても、裏面電極と表面電極を直列に繋いだところ、５０段の接続を行っても個々の電圧を足し合わせた電圧が得られた。
【００３４】
図６は、本発明の第５の実施例の形態を示す。本実施例の形態は、ガラス基板上にシリコン薄膜光励起電力素子としてＰＩＮ型太陽電池を構成したものである。ガラス基板２８に透明電極２９を形成した。透明電極２９にはＳｎＯ2 を用いた。透明電極２９上にＮｉを形成した後、ｎ型のドーパントを含んだ非結晶シリコン層を２０ｎｍ形成し、続いて５５０℃の窒素雰囲気にてＮｉ金属触媒層の拡散をすることで非晶質Ｓｉ層の結晶化を行った。続いてＨ２、ＳｉＨ4 、Ｂ2 Ｈ6 の混合ガスを導入し、ＶＨＦ（ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｅｎｃｙ）域の周波数によるプラズマＣＶＤにより、ｐ型の多結晶シリコン層３１を４０ｎｍ形成した。この多結晶シリコン層３１は（１１１）面に配向していた。さらにＨ2 、ＳｉＨ4 の混合ガスを導入してＶＨＦプラズマＣＶＤをによってｉ型の多結晶シリコン層３２を１μｍ形成し、さらにＰＨ3 、Ｈ2 、ＳｉＨ4 の混合ガスを導入してＶＨＦプラズマＣＶＤによってｎ型の多結晶シリコン層３３を５０ｎｍ形成した。ｉ層、ｎ層は状件によって堯（１１０）面に配向させることができた。最後に、蒸着法によってＡｌ膜３４を１μｍ形成してこれを裏面電極とした。この多結晶シリコン薄膜は表面がテキスチャー構造となり、光励起電力素子として適した構造となった。さらに下地のｐ層が高い結晶化率であることからＳｎＯ2 に直接プラズマＣＶＤでｐ層を形成した素子よりも、高い特性が得られた。
【００３５】
( 比較例）
同一構造を持つ太陽電池素子をプラズマＣＶＤのみで形成し、上記の例と特性を比較した。これに対して、上記第５の実施例で作製された太陽電池素子はフィルファクターＦＦは１．５１倍であった。金属触媒を用いて結晶化させることにより、従来の方法で作製した太陽電池素子よりも良好な特性を持つ太陽電池素子が得られた。
【００３６】
上記した本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置および結晶シリコン薄膜光起電力素子は、太陽電池に適用した場合、家庭用の電力供給システム、さらには電卓や時計等の携帯機器等、各種の用途に利用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置によれば、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行うことにより、金属触媒元素の作用により低温で配向性を有する多結晶シリコン層に変換して得た第１の多結晶シリコン層と、この第１のシリコン層を種結晶にして、高結晶化率で同一配向性を有する構造に設けられた第２の多結晶シリコン層と、この第２の多結晶シリコン層を下地にして形成された第３の多結晶シリコン層とを備えた構成にしたので、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜半導体装置を得ることができる。特に、ガラス基板等の安価な基板上に薄膜太陽電池を容易に形成でき、ローコストで高性能な結晶シリコン薄膜半導体装置を得ることができる。他の導電型との接合部にシリサイドが残らない為、シリサイドに起因する欠陥は生じない。
【００３８】
また、本発明の結晶シリコン薄膜光起電力素子によれば、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行って金属触媒元素の作用により配向性を有する多結晶シリコン層に変換された第１の多結晶シリコン層と、この第１のシリコン層を種結晶にして表面に形成された第１の多結晶シリコン層と同一の配向性および高い結晶性を持った第２の多結晶シリコン層と、この第２の多結晶シリコン層上に高い結晶性と配向性を有するように形成された第３の多結晶シリコン層とを備える構成にしたので、結晶化率が高く、配向性に優れ、高特性を持ち、生産性に優れた結晶シリコン薄膜光起電力素子を得ることができる。
【００３９】
さらに、本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法によれば、基板の表面に非晶質シリコン薄膜を形成し、この非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素を導入し、前記非晶質シリコン層に熱処理を施して非晶質シリコン層を低温で結晶化して配向性を持った第１の多結晶シリコン層を形成し、この第１の多結晶シリコン層を種結晶にして、第１の多結晶シリコン層と同一の導電型と配向性を有する第２の多結晶シリコン層を第１の多結晶シリコン層上に形成し、第２の多結晶シリコン層上に、これとは異なる導電型の第３の多結晶シリコン層を形成する方法にしたので、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜半導体装置を製造することができる。特に、薄膜太陽電池に適用した場合、ガラス基板等の安価な基板を用いることが可能になるので、ローコストに高性能な製半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の第１の実施の形態の作製途中を示す模式断面図である。
【図２】図１の太陽電池の完成状態を示す模式断面図である。
【図３】本発明の太陽電池の第２の実施の形態の作製途中を示す模式断面図である。
【図４】図３の太陽電池の完成状態を示す模式断面図である。
【図５】本発明の太陽電池の第４の実施の形態の作成途中を示す模式断面図である。
【図６】本発明の太陽電池の第５の実施の形態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１，２７ ガラス基板
２ 透明電極
３，１２，２１ 非晶質シリコン層
３Ａ，５，１２Ａ，１４，２２Ａ，２３ ｐ型の多結晶シリコン層
４，１３ Ｎｉ層
６，１５ ｉ型の多結晶シリコン層
７，１６ ｎ型の多結晶シリコン層
８，２５ Ａｌ膜
９ ＳＵＳ基板
１０，１９ Ｓｉ０2 膜
１１，２０ ＳＵＳ膜
１７，２４ ＩＴＯ膜
１８，２６ 金属電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶シリコン薄膜半導体装置、結晶シリコン薄膜光起電力素子、および結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法に関し、特に、非晶質シリコンを種結晶に用いて多結晶シリコン薄膜を生成する結晶シリコン薄膜半導体装置、結晶シリコン薄膜光起電力素子、および結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池等の半導体装置において、導電膜を有するガラス基板上に１〜４μｍ程度の厚さを持つ良質な結晶シリコン系デバイスを形成するためには、導電膜を有するガラス基板上に良質な種結晶を直接形成する必要がある。この種結晶を形成する上で必要な条件としては、
（１）高い結晶性（高結晶化率）を有すること、
（２）配向性を有すること、
（３）一度に大量の処理が可能なこと、
（４）一般のガラス基板が使用可能な低温プロセスであること、
等があげられる。
【０００３】
従来、太陽電池の製造は、ガラス等の異種基板上に多結晶シリコン薄膜を形成する方法が用いられていた。この方法によれば、大面積や高品質のシリコン結晶基板を必要とせず、大幅なコストダウンが見込まれる。しかし、特性の良い半導体装置を作製するためには、多結晶シリコン薄膜の高品質化を図る必要がある。このため、通常、高温度に耐える石英等を基板に用い、この基板に高温度の堆積処理を行うことにより、結晶性の良いシリコン薄膜を形成している。しかし、この方法では、基板に高価な石英等を用いているため、低コスト化を図ることができない。
【０００４】
このような問題を解決するものとして、Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ等によるＩＥＥＥ「First World Conference on Photovoltaic Energy Conversion」１９９４（ｐ. 1575〜1578）に提案がある。この方法は、非晶質薄膜シリコンをレーザーアニール等の方法で溶融結晶化し、基板表面に成膜することで結晶性の良い多結晶薄膜シリコンを得ようとするもので、基板の温度上昇を抑制できるので、低コストの基板材料を使用することが可能になる。また、導電膜を有するガラス基板等にプラズマＣＶＤ（Plasma Chemical Vapore Deposition ）によって多結晶シリコンを直接に形成する試みも行われている。
【０００５】
上記の問題を解決する他の方法として、特開平９−８２９９７号公報がある。この方法は、金属触媒を用いて非晶質シリコンの結晶化を行い、ｐまたはｎの同一の導電型である結晶層の全て或いはＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層を含むｐまたはｎの同一の導電型の結晶層の全てを結晶化させる方法が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の結晶シリコン薄膜半導体装置および結晶シリコン薄膜光起電力素子によると、ガラス基板上で非晶質シリコンをレーザーアニールにより結晶化させた場合、一度の処理で多数枚の基板を処理することが困難なため、スループットの面で問題がある。つまり、非晶質薄膜シリコンを溶融結晶化法により均一な粒径の多結晶層にするためには、プラズマＣＶＤ法を用いて非晶質薄膜シリコンを形成した後、この非晶質薄膜シリコン中の水素を熱的に放出させ、その後にレーザーアニールを行う必要がある。このため、製造に手間と時間がかかり、コストアップになる。
【０００７】
また、プラズマＣＶＤを用いてガラス基板等に多結晶シリコンを直接形成する製造方法は、得られる多結晶シリコンの結晶化率が低い等、品質の面で問題がある。太陽電池で一般的なｐｎ構造やｐｉｎ構造では、表面に導電性膜を有するガラス基板上にｐ導電型やｎ導電型の多結晶シリコン薄膜を直接形成する必要があるが、プラズマＣＶＤ法によってガラス基板上に直接形成された多結晶シリコン薄膜は、結晶化率が低い、キャリアライフタイムが短い等の問題を有することが知られている。特に、プラズマＣＶＤで得られるｐ導電型の多結晶シリコン薄膜は、結晶化率が非常に低いとともに配向性が乏しく、大きな技術的課題となっている。
【０００８】
さらに、特開平９−８２９９７号公報の方法によると、他の導電型との接合部にＮｉシリサイド（ＳｉとＮｉの合金）が残り易く、また、残されたＮｉシリサイドをエッチングにより除去した場合でも欠陥が生じ易いため、接合部における再結合が増大し、太陽電池素子としての特性が大きく低下する可能性がある。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、得られる多結晶シリコンの結晶化率が高く、配向性に優れ、高特性を持ち、生産性の高い結晶シリコン薄膜半導体装置、結晶シリコン薄膜光起電力素子、および結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１１】
この構成によれば、第１の多結晶シリコン層は、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行うことにより、金属触媒元素の作用により低温で配向性を有する多結晶シリコン層に変換される。この第１のシリコン層を種結晶にして、表面に第２の多結晶シリコン層を形成することにより、下地となる第１の多結晶シリコン層と同じ配向性を有し、高い結晶性をもった多結晶シリコン層が得られる。さらに、第２の多結晶シリコン層を下地にして形成された第３の多結晶シリコン層は、同様に高い結晶性を有し、かつ、配向性を持ったものとなる。この結果、結晶化率が高く、配向性に優れ、高特性を持ち、生産性の高い結晶シリコン薄膜半導体装置を得ることができる。また、他の導電型との接合部にシリサイドが残らないので、除去工程を必要とせず、シリサイドに起因する欠陥も生じない。
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、導電性の基板または表面に導電層が形成された絶縁性の基板と、前記導電性の基板または前記導電層の表面に形成された非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、前記非晶質シリコン層の熱処理により、前記非晶質シリコン層に前記金属触媒元素が拡散して、前記非晶質シリコン層が結晶化することにより形成された第１の導電型を有する第１の多結晶シリコン層と、前記第１の多結晶シリコン層を種結晶にして形成された前記第１の導電型と同一の導電型を有する第２の多結晶シリコン層と、前記第２の多結晶シリコン層上に形成された実質的にｉ型の第３の多結晶シリコン層と、前記第３の多結晶シリコン層上に形成され、前記第１の導電型とは異なる導電型の第２導電型を有する第４の多結晶シリコン層と、前記第４の多結晶シリコン層上に形成された電極部を有し、前記金属触媒元素は、Ｎｉであり、前記第１の多結晶シリコン層は、（１１０）配向し、前記第２の多結晶シリコン層は、前記第１の多結晶シリコン層を下地にして形成されることにより、前記第１の多結晶シリコン層の配向性に従って（１１０）配向すると共に、前記第３の多結晶シリコン層及び前記第４の多結晶シリコン層がいずれも（１１０）配向ことを特徴とする結晶シリコン薄膜光起電力素子を提供する。
【００１３】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第３の特徴として、表面に電極が形成された絶縁性の基板と、前記絶縁性の基板の前記電極上に形成された非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、前記非晶質シリコン層の熱処理により、前記非晶質シリコン層に前記金属触媒元素が拡散して、前記非晶質シリコン層が結晶化することにより形成された第１の導電型の第１の多結晶シリコン層と、前記第１の多結晶シリコン層を種結晶にして形成された第１の導電型の第２の多結晶シリコン層と、前記第２の多結晶シリコン層上に形成された第２の導電型の第３の多結晶シリコン層と、前記第３の多結晶シリコン層上に形成された電極部を有し、前記金属触媒元素は、Ｎｉであり、前記第１の多結晶シリコン層は、（１１０）配向し、前記第２の多結晶シリコン層は、前記第１の多結晶シリコン層を下地にして形成されることにより、前記第１の多結晶シリコン層の配向性に従って（１１０）配向すると共に、前記第３の多結晶シリコン層が（１１０）配向することを特徴とする結晶シリコン薄膜光起電力素子を提供する。
【００１４】
上記第２および第３の特徴を備えた構成によれば、第１の多結晶シリコン層は、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行うことにより、金属触媒元素の作用により低温で配向性を有する多結晶シリコン層に変換される。この第１のシリコン層を種結晶にして、表面に第２の多結晶シリコン層を形成することにより、下地となる第１の多結晶シリコン層と同じ配向性を有し、高い結晶性をもった多結晶シリコン層が得られる。さらに、第２の多結晶シリコン層を下地にして形成された第３の多結晶シリコン層は、同様に高い結晶性を有し、かつ、配向性を有したものとなる。したがって、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜光起電力素子を得ることができる。
【００１６】
この方法によれば、基板の表面に非晶質シリコン薄膜を形成し、この非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、この非晶質シリコン層に熱処理を施すと、非晶質シリコン層を低温により結晶化でき、配向性を持った第１の多結晶シリコン層を形成できる。この第１の多結晶シリコン層を種結晶にして、第１の多結晶シリコン層と同一の導電型を有する第２の多結晶シリコン層を第１の多結晶シリコン層上に形成することにより、第２の多結晶シリコン層は第１の多結晶シリコン層と同一の配向性を持った多結晶シリコン層に変換される。さらに、第２の多結晶シリコン層上に、これとは異なる導電型の第３の多結晶シリコン層を形成することにより、ｐｎ構造を持つ半導体装置を構成できる。したがって、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜半導体装置を製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１および図２は本発明による結晶シリコン薄膜半導体装置（結晶シリコン薄膜光起電力素子、すなわちｐｉｎ型の太陽電池）の第１の実施の形態を示す。ここで、図１は本発明の第１の実施の形態の途中工程を示す。また、図２は図１の結晶シリコン薄膜半導体装置の完成状態を示す。本実施の形態は、ガラス基板を用い、その片面にスズ酸化物を主体とする透明電極を形成したものを基板とし、前記透明電極上に太陽電池を形成した半導体装置の例である。
【００１８】
図１に示す様に、基板として、ガラス基板１の主表面に８００ｎｍの厚さに透明電極２を形成したものを用いた。透明電極２にはＳｎＯ2 を用い、表面に凹凸（図１では凹凸形状の図示を省略）を設けた。透明電極２の表面に、Ｈ2 、ＳｉＨ4 （シラン）、およびＢ2 Ｈ6 （ジボラン）の混合ガスを導入し、圧力を０．５Ｔｏｒｒに維持し、基板温度４２０℃にして、周波数６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法によりｐ型のドーパントを含む非晶質シリコン層３を２０ｎｍの厚さに形成した。非晶質シリコン層３の厚みは５０ｎｍ以下とし、できるだけ薄いことが望ましい。その理由は、金属触媒元素によって結晶化させる際、非晶質シリコン層３を種結晶として用いるためである。
【００１９】
次に、金属触媒元素として、Ｎｉ層４を蒸着法により１ｎｍの厚さに形成した。次に、窒素雰囲気中において温度４５０〜７００℃（具体的には、５００℃〜６００℃の温度範囲）で加熱処理し、金属触媒元素（Ｎｉ）の拡散を行った。なお、この加熱処理は窒素雰囲気に限定されるものではなく、真空雰囲気、水素雰囲気、Ａｒ雰囲気、或いはハロゲン化物雰囲気において行った場合でも、窒素雰囲気における場合と同等の結晶化効果が得られた。
【００２０】
さらに、熱処理加工は２段階に分けて実施した。まず、水素雰囲気中で４００℃で加熱し、非晶質シリコン層３内の水素量を１％以下、望ましくは０．３％以下にした。ついで、５５０℃で加熱したところ、配向性の良いｐ型の多結晶シリコン層３Ａ（図２に示す）が得られた。この多結晶シリコン層３Ａの配向は、（１１０）であった。なお、上記の説明では、非晶質シリコン層３を先にガラス基板１上に形成し、ついで金属触媒元素を導入するものとしたが、最初にガラス基板１上に金属触媒層（Ｎｉ層４）を直接に堆積させ、その後に非晶質シリコン層３を形成するようにしてもよい。
【００２１】
金属触媒元素としては、Ｎｉのほか、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕ等を用いることができる。金属触媒層の形成方法として、膜状に形成する場合はプラズマ処理法、蒸着法、スピンコート法等を利用することができる。また、ライン状や島状に形成する場合は、例えば、蒸着法で金属マスクで蒸着しない部分を覆って形成することができる。
さらに、膜中に導入する方法としては、例えば、イオン注入法やプラズマドーピング法等がある。また、金属触媒層は触媒効果のためにあるので、その濃度は極めて低濃度でよい。通常は、２〜３層の厚さにして数オングストロームにするが、一層の金属層であっても、これが結晶化表面層を反応とともに進行し、対向面に到達したときに全面が結晶化するのであれば、一層であってもよい。また、その種結晶の質にこだわらない場合は、触媒金属が膜中に留まる条件で結晶化を行ってもよい。
【００２２】
以上の様な熱処理によって、金属触媒元素は非晶質シリコン層３内を拡散して対向面側の非晶質シリコン層３と透明電極層２の間の付近に析出し（つまり、ｐ型の多結晶シリコン層３Ａの最表面に金属触媒元素が移動し）、多結晶シリコン層３Ａ中にはトレース量しか残らないため、高品位のｐ型の多結晶シリコン層３Ａが得られた。なお、結晶性が悪い場合、膜中にＮｉ原子が取り残されるが、種結晶部分の占める膜厚は太陽電池素子の全体に対して２％以下であるため、太陽電池素子としての性能に大きな影響を及ぼすことはない。
このように、Ｎｉを含む種結晶の多結晶シリコン層３Ａは、厚みが５ｎｍ以下でも、品質を損なうことなく形成することができ、発電に寄与する大部分にＮｉを含まない高品位な素子を作成することができる。さらに、太陽電池素子で重要である導電型の違う結晶層が接する接合部において、金属触媒の残留や、その部位のエッチング等によるダメージなどが存在しないので、理想的な接合部を形成できる。
【００２３】
次に、Ｂ2 Ｈ6 、Ｈ2 、およびＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、圧力を０．５Ｔｏｒｒに維持し、基板温度２００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｐ導電型の多結晶シリコン層５を４０ｎｍの厚さに形成した。ついで、Ｈ2 とＳｉＨ4 を導入し、基板温度３００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｉ型の多結晶シリコン層６を形成した。この厚さは光吸収に必要な厚さとなるが、少なくとも５００ｎｍ以上、１０μｍ程度が好ましいが、５０μｍ程度までは使うことができる。このとき、膜中には、条件により０．５％〜８％の水素が含有されていた。多結晶シリコン層５は、金属触媒によって結晶化されたシリコン層３Ａを下地にして形成されているため、シリコン層３Ａの配向性に従った（１１０）配向を有しており、ガラス基板等の上に直接形成したものに比べて、非常に結晶性が良く、太陽電池素子に適したものであった。
【００２４】
さらに、ｉ型の多結晶シリコン層６を下地にして、Ｈ2 、ＳｉＨ4 、およびＰＨ3 （ホスフィン）の混合ガスを導入し、圧力を０．３Ｔｏｒｒに維持し、基板温度２００℃、１３．５６ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｎ型の多結晶シリコン層７を５０ｎｍの厚さに形成した。多結晶シリコン層７の最適厚は結晶性によっても異なるが、１０ｎｍ〜１００ｎｍ（望ましくは、３０ｎｍ〜６０ｎｍ）が適当であった。最後に、蒸着法によりＡｌ膜８を１μｍの厚さに形成し、これを裏面電極とした。
以上の構成により、基板上の独立した素子の表面側電極と裏面電極を直列に繋ぐ周知の接続方法によって５０段の接続を行ったところ、ほぼ、個々のブロックの出力電圧を足し合わせた特性が得られた。
【００２５】
上記の構成において、基板材料には、例えば、セラミックス、石英、サファイア等を用いることができる。また、裏面電極にはＡｌ膜を用いたが、このほかにＡｇ、Ｍｏ等の金属を用いることができる。
【００２６】
上記した第１の実施の形態は、ガラス基板を用い、このガラス基板側から光を入射する構成であったが、ガラス基板に代えて金属基板を用い、薄膜表面側から光入射を行う構成も可能である。この構成例について以下に説明する。
（第２の実施の形態）
図３および図４は本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置の第２の実施の形態（ｐｉｎ型の太陽電池）を示す。図３は途中工程までの状態を示し、図４は完成状態を示す。
フレキシブルなＳＵＳ基板９上に絶縁膜としてのＳｉ０2 膜１０を２００ｎｍの厚さに形成した。ついで、Ｓｉ０2 膜１０の表面にＳＵＳ膜１１を５００ｎｍの厚さに形成し、このＳＵＳ膜１１を裏面電極とした。次に、ＳＵＳ膜１１上に１０ｎｍのｐ型ドーパントを含む非晶質シリコン層１２をシリコンターゲットからスパッタ法により形成した。Ｓｉ０2 膜１０内の水素量は、０．１％以下であった。さらに、非晶質シリコン層１２の表面にニッケル塩溶液をスピン塗布し、これを乾燥させてＮｉ層１３を形成した。
【００２７】
ついで、１ＴｏｒｒのＨ2 雰囲気中で５５０℃の熱処理を３０分間行い、非晶質シリコン層１２を結晶化し、ｐ型の多結晶シリコン層１２Ａを生成した（図４）。このとき、Ｎｉ層１３中のＮｉは、ＳＵＳ膜１１とｐ型の多結晶シリコン層１２Ａの界面近傍に析出し、ｐ型の多結晶シリコン層１２Ａ中には殆ど残らなかった。また、ｐ型の多結晶シリコン層１２Ａ中には殆ど水素が存在しないため、結晶化が良好に進行した。このｐ型の多結晶シリコン層１２Ａ上にＢ2 Ｈ6 、Ｈ2 、およびＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、０．５Ｔｏｒｒの圧力を維持し、基板温度２００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、実質的にｐ導電型の多結晶シリコン層１４を４０ｎｍの厚さに形成した。その後、Ｈ2 とＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、基板温度３００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、実質的にｉ型の多結晶シリコン層１５を２μｍの厚さに形成した。
【００２８】
さらに、Ｈ2 、ＳｉＨ4 、およびＰＨ3 の混合ガスを導入し、０．３Ｔｏｒｒの圧力を維持し、基板温度３００℃、１３．５６ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法により、ｎ型の多結晶シリコン層１６を２０ｎｍの厚さに形成した。さらに、透明電極としてのＩＴＯ（酸化インジウム錫）膜１７を７０ｎｍの厚さに形成し、Ａｌによる金属電極１８を１μｍの厚さにして部分的に形成した。この際、得られた多結晶シリコン層１４，１５，１６のそれぞれは、（１１０）面に配向していた。多結晶シリコン層１６は、Ｐ−ＣＶＤの条件により（１１１）面に配向させることもできる。（１１０）面に配向した多結晶シリコンは、（１１１）面に比べ、自然なテクスチャーが形成されるという特徴が見られた。
【００２９】
（第１の比較例）
薄膜多結晶シリコン太陽電池素子を作成する際、従来より一般的に用いられた方法として、ｐ−ＣＶＤ法によって全ての多結晶シリコン層を形成する方法がある。この方法で、本発明の第１の実施の形態と同一構造を持つ薄膜多結晶シリコン太陽電池を以下の様に作成し、本発明との比較を行った。
ｐ型多結晶シリコン層は、Ｈ2 、ＳｉＨ4 、およびＢ2 Ｈ6 の混合ガスを導入し、圧力０．５Ｔｏｒｒおよび基板温度２００℃、５０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法で作成した。また、ｉ層は、Ｈ2 とＳｉＨ4 の混合ガスを導入し、０．５Ｔｏｒｒに圧力を維持し、基板温度３００℃、６０ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法で作成し、ｎ層はＨ2 、ＳｉＨ4 、およびＰＨ3 の混合ガスを導入し、０．３Ｔｏｒｒの圧力を維持し、基板温度３００℃、１３．５６ＭＨｚのｐ−ＣＶＤ法で作成した。
【００３０】
こうして製作した太陽電池素子の電流−電圧測定を行ったところ、太陽電池の性能を表す指数であるフィルファクターＦＦ（ curve fill factor：曲線因子、ＦＦ＝最大出力をＰmax 、開放電圧をＶOC、短絡光電流密度をＪSCとすると、ＦＦ＝Ｐmax ／（ＶOC×ＪSC）で表される）に変化が見られた。つまり、第１の比較例の多結晶シリコン太陽電池素子に対し、第１の実施の形態による多結晶シリコン太陽電池素子のフィルファクターＦＦは、１．４７倍であった。本発明の第１の実施の形態の多結晶シリコン太陽電池素子は、金属触媒により結晶化されたｐ層（多結晶シリコン層１２Ａ）を種結晶として用いたことにより、ｐ−ＣＶＤ法で全ての多結晶シリコン層を形成した第１の比較例の太陽電池素子に比べ、良好な特性を持つ太陽電池素子が得られた。
【００３１】
（第２の比較例）
第１の比較例と同様に、本発明の第２の実施の形態の構造と同一構造を有する第２の比較例をｐ−ＣＶＤで作成し、上記第２の実施の形態の多結晶シリコン太陽電池素子との比較を行った。その結果、第２の比較例で作成した太陽電池に対し、本発明の第２の実施の形態による多結晶シリコン太陽電池素子のフィルファクターＦＦは、１．４４倍であった。第１の実施の形態と同様に本発明の第２の実施の形態においても、金属触媒によって結晶化されたｐ層を種結晶に用いたことにより、従来方法で作製された太陽電池素子よりも良好な特性を持つ太陽電池素子が得られた。
【００３２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。上記第１および第２の実施の形態においては、金属触媒を導入して結晶化を行った非晶質シリコン層３，１２は、配向が（１１０）面であった。これに対し、第３の実施の形態は、第１の実施の形態における透明電極２上に、ｐ導電型のドーパントを含む非晶質シリコン層を１８ｎｍの厚さに形成し、この非晶質シリコン層上にＨ2 、ＳｉＨ4 、およびＢ2 Ｈ6 の混合ガスを導入し、ＶＨＦ(very high frequency) 域の周波数によるｐ−ＣＶＤにより、（１１１）配向となる条件で多結晶シリコン層を約２ｎｍの厚さに形成した。ついで、この（１１１）配向の多結晶シリコン層上にニッケル層を約２ｎｍの厚さに蒸着法により形成した後、５００℃で１時間の熱処理を行った。この熱処理により、非晶質シリコン層から変換された多結晶シリコン層は（１１１）配向を有していた。ついで、上記第１の実施の形態と同様の手法でｐｉｎ構造を形成したところ、全てのシリコン層は（１１１）面に配向していた。この第３の実施の形態による太陽電池素子の電気的特性を測定したところ、本発明の第１の実施の形態による太陽電池素子に対し、フィルファクターＦＦは０．９８倍であった。
【００３３】
以上はｐｉｎ構造の太陽電池素子の実施例であったが、本発明の方法で得られる結晶シリコンの特性が良好であることから、ｐｎ型の太陽電池の作製も可能となった。このｐｎ型の太陽電池について、以下に第４の実施の形態として説明する。
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態は、ガラス基板上に結晶シリコン薄膜光起電力素子としてのｐｎ型太陽電池を構成したものである。ガラス基板２７に絶縁層となるＳｉＯ2 膜１９を２００ｎｍの厚さに形成し、さらに裏面電極としてＳＵＳ膜２０を５００ｎｍの厚さに形成した。ついで、ｎ型のドーパントを含む非晶質シリコン２１をスパッタリングにより１０ｎｍの厚さに形成した。その上部に図２または図４に示した様にＮｉ触媒層（図示せず）を２ｎｍの厚さに形成し、その後、５００℃の熱処理を行うことにより、非晶質シリコン層２１を多結晶シリコン層２２Ａに変換した。この多結晶シリコン層２２Ａを種結晶にしてＶＨＦのｐ−ＣＶＤを行い、ｎ型の多結晶シリコン層（図示せず）を２μｍの厚さに形成した。このｎ型の多結晶シリコン層の抵抗は２０〜１００Ωｃｍであった。さらに、ｎ型の多結晶シリコン層の上部にＶＨＦのｐ−ＣＶＤを行って、ｐ型多結晶シリコン層２３を５００ｎｍの厚さに形成した。このｐ型多結晶シリコン層２３の抵抗は０．１〜３０Ωｃｍであった。さらにｐ型多結晶シリコン層２３上に、透明電極としてのＩＴＯ膜２４を７０ｎｍの厚さに形成し、このＩＴＯ膜２４上にＡｌ電極２５を形成し、このＡｌ電極２５上に部分的に金属電極２６を形成した。
第４の実施の形態で作製された太陽電池についても、裏面電極と表面電極を直列に繋いだところ、５０段の接続を行っても個々の電圧を足し合わせた電圧が得られた。
【００３４】
図６は、本発明の第５の実施例の形態を示す。本実施例の形態は、ガラス基板上にシリコン薄膜光励起電力素子としてＰＩＮ型太陽電池を構成したものである。ガラス基板２８に透明電極２９を形成した。透明電極２９にはＳｎＯ2 を用いた。透明電極２９上にＮｉを形成した後、ｎ型のドーパントを含んだ非結晶シリコン層を２０ｎｍ形成し、続いて５５０℃の窒素雰囲気にてＮｉ金属触媒層の拡散をすることで非晶質Ｓｉ層の結晶化を行った。続いてＨ２、ＳｉＨ4 、Ｂ2 Ｈ6 の混合ガスを導入し、ＶＨＦ（ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｅｎｃｙ）域の周波数によるプラズマＣＶＤにより、ｐ型の多結晶シリコン層３１を４０ｎｍ形成した。この多結晶シリコン層３１は（１１１）面に配向していた。さらにＨ2 、ＳｉＨ4 の混合ガスを導入してＶＨＦプラズマＣＶＤをによってｉ型の多結晶シリコン層３２を１μｍ形成し、さらにＰＨ3 、Ｈ2 、ＳｉＨ4 の混合ガスを導入してＶＨＦプラズマＣＶＤによってｎ型の多結晶シリコン層３３を５０ｎｍ形成した。ｉ層、ｎ層は状件によって堯（１１０）面に配向させることができた。最後に、蒸着法によってＡｌ膜３４を１μｍ形成してこれを裏面電極とした。この多結晶シリコン薄膜は表面がテキスチャー構造となり、光励起電力素子として適した構造となった。さらに下地のｐ層が高い結晶化率であることからＳｎＯ2 に直接プラズマＣＶＤでｐ層を形成した素子よりも、高い特性が得られた。
【００３５】
( 比較例）
同一構造を持つ太陽電池素子をプラズマＣＶＤのみで形成し、上記の例と特性を比較した。これに対して、上記第５の実施例で作製された太陽電池素子はフィルファクターＦＦは１．５１倍であった。金属触媒を用いて結晶化させることにより、従来の方法で作製した太陽電池素子よりも良好な特性を持つ太陽電池素子が得られた。
【００３６】
上記した本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置および結晶シリコン薄膜光起電力素子は、太陽電池に適用した場合、家庭用の電力供給システム、さらには電卓や時計等の携帯機器等、各種の用途に利用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置によれば、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行うことにより、金属触媒元素の作用により低温で配向性を有する多結晶シリコン層に変換して得た第１の多結晶シリコン層と、この第１のシリコン層を種結晶にして、高結晶化率で同一配向性を有する構造に設けられた第２の多結晶シリコン層と、この第２の多結晶シリコン層を下地にして形成された第３の多結晶シリコン層とを備えた構成にしたので、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜半導体装置を得ることができる。特に、ガラス基板等の安価な基板上に薄膜太陽電池を容易に形成でき、ローコストで高性能な結晶シリコン薄膜半導体装置を得ることができる。他の導電型との接合部にシリサイドが残らない為、シリサイドに起因する欠陥は生じない。
【００３８】
また、本発明の結晶シリコン薄膜光起電力素子によれば、基板上に形成された非晶質シリコン層の膜中または層に接して金属触媒元素を導入し、その後に加熱処理を行って金属触媒元素の作用により配向性を有する多結晶シリコン層に変換された第１の多結晶シリコン層と、この第１のシリコン層を種結晶にして表面に形成された第１の多結晶シリコン層と同一の配向性および高い結晶性を持った第２の多結晶シリコン層と、この第２の多結晶シリコン層上に高い結晶性と配向性を有するように形成された第３の多結晶シリコン層とを備える構成にしたので、結晶化率が高く、配向性に優れ、高特性を持ち、生産性に優れた結晶シリコン薄膜光起電力素子を得ることができる。
【００３９】
さらに、本発明の結晶シリコン薄膜半導体装置の製造方法によれば、基板の表面に非晶質シリコン薄膜を形成し、この非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素を導入し、前記非晶質シリコン層に熱処理を施して非晶質シリコン層を低温で結晶化して配向性を持った第１の多結晶シリコン層を形成し、この第１の多結晶シリコン層を種結晶にして、第１の多結晶シリコン層と同一の導電型と配向性を有する第２の多結晶シリコン層を第１の多結晶シリコン層上に形成し、第２の多結晶シリコン層上に、これとは異なる導電型の第３の多結晶シリコン層を形成する方法にしたので、結晶化率が高く、配向性、高特性、および生産性に優れた結晶シリコン薄膜半導体装置を製造することができる。特に、薄膜太陽電池に適用した場合、ガラス基板等の安価な基板を用いることが可能になるので、ローコストに高性能な製半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池の第１の実施の形態の作製途中を示す模式断面図である。
【図２】図１の太陽電池の完成状態を示す模式断面図である。
【図３】本発明の太陽電池の第２の実施の形態の作製途中を示す模式断面図である。
【図４】図３の太陽電池の完成状態を示す模式断面図である。
【図５】本発明の太陽電池の第４の実施の形態の作成途中を示す模式断面図である。
【図６】本発明の太陽電池の第５の実施の形態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１，２７ ガラス基板
２ 透明電極
３，１２，２１ 非晶質シリコン層
３Ａ，５，１２Ａ，１４，２２Ａ，２３ ｐ型の多結晶シリコン層
４，１３ Ｎｉ層
６，１５ ｉ型の多結晶シリコン層
７，１６ ｎ型の多結晶シリコン層
８，２５ Ａｌ膜
９ ＳＵＳ基板
１０，１９ Ｓｉ０2 膜
１１，２０ ＳＵＳ膜
１７，２４ ＩＴＯ膜
１８，２６ 金属電極
Claims (3)
- 導電性の基板または表面に導電層が形成された絶縁性の基板と、
前記導電性の基板または前記導電層の表面に形成された非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、前記非晶質シリコン層の熱処理により、前記非晶質シリコン層に前記金属触媒元素が拡散して、前記非晶質シリコン層が結晶化することにより形成された第１の導電型を有する第１の多結晶シリコン層と、
前記第１の多結晶シリコン層を種結晶にして形成された前記第１の導電型と同一の導電型を有する第２の多結晶シリコン層と、
前記第２の多結晶シリコン層上に形成された実質的にｉ型の第３の多結晶シリコン層と、
前記第３の多結晶シリコン層上に形成され、前記第１の導電型とは異なる導電型の第２導電型を有する第４の多結晶シリコン層と、
前記第４の多結晶シリコン層上に形成された電極部と
を有し、
前記金属触媒元素は、Ｎｉであり、
前記第１の多結晶シリコン層は、（１１０）配向し、
前記第２の多結晶シリコン層は、前記第１の多結晶シリコン層を下地にして形成されることにより、前記第１の多結晶シリコン層の配向性に従って（１１０）配向すると共に、前記第３の多結晶シリコン層及び前記第４の多結晶シリコン層がいずれも（１１０）配向することを特徴とする結晶シリコン薄膜光起電力素子。 - 前記導電性の基板は、ステンレスであり、
前記表面に導電層が形成された基板は、ガラスであることを特徴とする請求項１記載の結晶シリコン薄膜光起電力素子。 - 表面に電極が形成された絶縁性の基板と、
前記絶縁性の基板の前記電極上に形成された非晶質シリコン層の内部または表層部に接して金属触媒元素が導入され、前記非晶質シリコン層の熱処理により、前記非晶質シリコン層に前記金属触媒元素が拡散して、前記非晶質シリコン層が結晶化することにより形成された第１の導電型を有する第１の多結晶シリコン層と、
前記第１の多結晶シリコン層を種結晶にして形成された前記第１の導電型と同一の導電型を有する第２の多結晶シリコン層と、
前記第２の多結晶シリコン層上に形成され、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する第３の多結晶シリコン層と、
前記第３の多結晶シリコン層上に形成された電極部を有し、
前記金属触媒元素は、Ｎｉであり、
前記第１の多結晶シリコン層は、（１１０）配向し、
前記第２の多結晶シリコン層は、前記第１の多結晶シリコン層を下地にして形成されることにより、前記第１の多結晶シリコン層の配向性に従って（１１０）配向すると共に、前記第３の多結晶シリコン層が（１１０）配向することを特徴とする結晶シリコン薄膜光起電力素子。
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