JP5253562B2 - 半導体積層体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体積層体及びその製造方法に関する。
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及び太陽電池のような半導体デバイスの製造においては、シリコン基材等の基材上に積層された１又は複数のシリコン層を用いている。
具体的には、薄膜トランジスタの製造においては、基材上にアモルファスシリコン層を堆積させ、そしてこのアモルファスシリコン層をレーザーなどで結晶化させることによって、ポリシリコン層を形成することが行われている。
この場合、アモルファスシリコン層の結晶化の際に、シリコン結晶が異常成長して、ポリシリコン層の表面に凸部が生ずることがある。このような表面の凸部は、その上に絶縁層を堆積させたときには、層間ショートや層間リークをもたらすことがあり、またその上に電極を形成したときには、コンタクトの不良をもたらすことがあるので、除去することが好ましい。したがって、このような凸部を除去して平坦な表面を得るために、酸によるエッチング、研磨等を行うことが提案されている（特許文献１及び２）。
また、セレクティブエミッタ型又はバックコンタクト型太陽電池でのように選択された領域にドープ層を有する半導体デバイスの製造に関して、ドープされたシリコン粒子を含有するシリコン粒子分散体を基材に適用し、適用した分散体を乾燥し、そして加熱することによって、ドープされたシリコン粒子が焼結されたシリコン層、すなわちドーパント注入層を形成する方法が開発されている（特許文献３〜５）。
このようなシリコン層も、上記のように平坦な表面を有することが好ましいが、シリコン粒子を焼結させて得たシリコン層は一般に、表面に比較的大きな凸部を有している。
上記のように、半導体デバイスの製造においては、平坦な表面を有するシリコン層が必要とされている。
したがって、本発明では、平坦な表面を有するシリコン層が基材上に形成された半導体積層体、及びそのような半導体積層体の製造方法を提供する。
〈１〉基材及び上記基材上の複合シリコン膜を有し、かつ上記複合シリコン膜が、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層、及び上記第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する、半導体積層体。
〈２〉上記複合シリコン層の凸部の高さが１００ｎｍ以下である、上記〈１〉項に記載の半導体積層体。
〈３〉上記〈１〉又は〈２〉項に記載の半導体積層体を有する、半導体デバイス。
〈４〉太陽電池である、上記〈３〉項に記載の半導体デバイス。
〈５〉上記複合シリコン層が、セレクティブエミッタ型太陽電池のセレクティブエミッタ層、又はバックコンタクト型太陽電池のバックコンタクト層を形成するためのものである、上記〈４〉項に記載の半導体デバイス。
〈６〉上記複合シリコン層が、裏面電界層又は表面電界層を形成するためのものである、上記〈４〉又は〈５〉項に記載の半導体デバイス。
〈７〉電界効果トランジスタである、上記〈３〉項に記載の半導体デバイス。
〈８〉下記の工程を含む、半導体積層体の製造方法：
（ａ）基材上にアモルファスシリコン層を形成する工程、
（ｂ）上記アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布し、乾燥させることによって、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子層が積層されている未処理積層体を形成する工程、及び
（ｃ）上記未焼成積層体に光照射を行って、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及び上記第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する複合シリコン層を形成する工程。
〈９〉上記アモルファスシリコン層の厚さが３００ｎｍ以下である、上記〈８〉項に記載の方法。
〈１０〉上記シリコン粒子層の厚さが３００ｎｍ以下である、上記〈８〉又は〈９〉項に記載の方法。
〈１１〉上記シリコン粒子の平均一次粒子径が１００ｎｍ以下である、上記〈８〉〜〈１０〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈１２〉上記光照射を、レーザーを用いて行う、上記〈８〉〜〈１１〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈１３〉上記〈８〉〜〈１２〉項のいずれか一項に記載の方法によって得られる、半導体積層体。
〈１４〉上記〈８〉〜〈１２〉項のいずれか一項に記載の方法によって半導体積層体を作ることを含む、半導体デバイスの製造方法。
〈１５〉上記〈１４〉項に記載の方法によって得られる、半導体デバイス。
〈２〉上記複合シリコン層の凸部の高さが１００ｎｍ以下である、上記〈１〉項に記載の半導体積層体。
〈３〉上記〈１〉又は〈２〉項に記載の半導体積層体を有する、半導体デバイス。
〈４〉太陽電池である、上記〈３〉項に記載の半導体デバイス。
〈５〉上記複合シリコン層が、セレクティブエミッタ型太陽電池のセレクティブエミッタ層、又はバックコンタクト型太陽電池のバックコンタクト層を形成するためのものである、上記〈４〉項に記載の半導体デバイス。
〈６〉上記複合シリコン層が、裏面電界層又は表面電界層を形成するためのものである、上記〈４〉又は〈５〉項に記載の半導体デバイス。
〈７〉電界効果トランジスタである、上記〈３〉項に記載の半導体デバイス。
〈８〉下記の工程を含む、半導体積層体の製造方法：
（ａ）基材上にアモルファスシリコン層を形成する工程、
（ｂ）上記アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布し、乾燥させることによって、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子層が積層されている未処理積層体を形成する工程、及び
（ｃ）上記未焼成積層体に光照射を行って、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及び上記第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する複合シリコン層を形成する工程。
〈９〉上記アモルファスシリコン層の厚さが３００ｎｍ以下である、上記〈８〉項に記載の方法。
〈１０〉上記シリコン粒子層の厚さが３００ｎｍ以下である、上記〈８〉又は〈９〉項に記載の方法。
〈１１〉上記シリコン粒子の平均一次粒子径が１００ｎｍ以下である、上記〈８〉〜〈１０〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈１２〉上記光照射を、レーザーを用いて行う、上記〈８〉〜〈１１〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈１３〉上記〈８〉〜〈１２〉項のいずれか一項に記載の方法によって得られる、半導体積層体。
〈１４〉上記〈８〉〜〈１２〉項のいずれか一項に記載の方法によって半導体積層体を作ることを含む、半導体デバイスの製造方法。
〈１５〉上記〈１４〉項に記載の方法によって得られる、半導体デバイス。
本発明の半導体積層体では、複合シリコン層が平坦な表面を有することができ、したがってその上に絶縁層、電極等を堆積させたときに、良好な特性を有する半導体デバイスを得ることができる。また、半導体積層体を製造する本発明の方法では、表面の凹凸を除去する追加の工程なしに、基材上の複合シリコン層が平坦な表面を有することができる。
《半導体積層体》
本発明の半導体積層体は、基材及び基材上の複合シリコン膜を有し、この複合シリコン膜が、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層、及び第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する。
本発明の半導体積層体は、基材及び基材上の複合シリコン膜を有し、この複合シリコン膜が、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層、及び第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する。
なお、本発明の半導体積層体の複合シリコン層においては、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層とこの第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層との界面が明確である必要はなく、これらの層の間で組成が徐々に変化している遷移層を有意の厚さで有することもできる。
本発明の半導体積層体は、複合シリコン層の凸部の高さが、１００ｎｍ以下、９０ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、７０ｎｍ以下、６０ｎｍ以下、又は５０ｎｍ以下である。なお、本発明に関して、「複合シリコン層の凸部の高さ」は、ＳＥＭの断面観察像における平坦部を基準とした凸部の高さを意味する。
本発明の半導体積層体は例えば、本発明の方法によって製造することができる。
《半導体デバイス》
本発明の半導体デバイスは、本発明の半導体積層体を有する。本発明の半導体デバイスが電界効果トランジスタ又は太陽電池である場合、複合シリコン層が平坦な表面を有することによって、この複合シリコン層上に、絶縁層、電極等を堆積させたときに、安定な特性を提供できる。
本発明の半導体デバイスは、本発明の半導体積層体を有する。本発明の半導体デバイスが電界効果トランジスタ又は太陽電池である場合、複合シリコン層が平坦な表面を有することによって、この複合シリコン層上に、絶縁層、電極等を堆積させたときに、安定な特性を提供できる。
本発明の半導体デバイスは例えば、太陽電池である。
具体的には、本発明の半導体デバイスが太陽電池である場合、複合シリコン層にドーパントを含有させ、この複合シリコン層をドーパント注入層として用いることによって、セレクティブ（選択）エミッタ型太陽電池、バックコンタクト型太陽電池を得ることができる。また同様に、複合シリコン層にドーパントを含有させ、この複合シリコン層をドーパント注入層として用いることによって、裏面電界（ＢＳＦ：Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層及び／又は表面電界（ＦＳＦ：Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層を有する太陽電池を得ることができる。
したがって例えば、本発明のセレクティブエミッタ型太陽電池（５００ａ）では、図４に示すように、ｎ型半導体層（１２、１２ａ）及びｐ型半導体層（１４、１４ａ）を有する半導体基材（１０）を有し、半導体基材（１０）の受光面側表面に受光面側電極（２２）及び保護層（２４）が配置されており、半導体基材（１０）の裏面側表面に裏面側電極（３２）及び保護層（３４）が配置されている。この図では、入射光を矢印１００として示している。
この太陽電池（５００ａ）では、ｎ型半導体層（１２、１２ａ）のうちの電極（２２）に接触する箇所が、ドーパント注入層（５２）としての複合シリコン層に由来するｎ型ドーパントによってドーパント濃度を高められて、セレクティブエミッタ層（１２ａ）にされている。
また、この太陽電池（５００ａ）は、ｐ型半導体層（１４、１４ａ）のうちの裏面側が高ドープされてなる裏面電界層（１４ａ）を有する。なお、この太陽電池の裏面電界層（１４ａ）は、図４の部分図５００ｂで示すように、ドーパント注入層（７０）としての複合シリコン層に由来するｐ型ドーパントによってドーパント濃度を高めて形成することもできる。
また例えば、本発明のバックコンタクト型太陽電池（６００ａ）では、図５に示すように、ｎ型（又はｐ型）半導体からなる半導体基材（１０）を有し、半導体基材（１０）の受光面側表面に保護層（２４）が配置されており、半導体基材（１０）の裏面側表面に裏面側電極（２２、３２）及び保護層（３４）が配置されている。この図では、入射光を矢印１００として示している。
この太陽電池（６００ａ）では、ｎ型半導体からなる半導体基材（１０）のうちの電極（３２、３４）に接触する箇所が、ドーパント注入層（５２、６２）としての複合シリコン層に由来するｎ型及びｐ型ドーパントによってドーパント濃度を高められて、バックコンタクト層（１２ａ、１４ａ）にされている。
また、この太陽電池（６００ａ）では、半導体基材（１０）のうちの受光面側が、ｎ型に高ドープされてなる表面電界層（１２ｂ）を有している。なお、この太陽電池（６００ａ）の表面電界層（１２ｂ）は、図５の部分図６００ｂで示すように、ドーパント注入層（８０）としての複合シリコン層に由来するｎ型ドーパントによってドーパント濃度を高めて形成することもできる。
本発明の半導体デバイスは例えば、電界効果トランジスタである。
具体的には、本発明の半導体デバイスが電界効果トランジスタである場合、本発明の複合シリコン層を活性層として用いることができる。
《半導体積層体の製造方法》
半導体積層体を製造する本発明の方法は、下記の工程を含む：
（ａ）基材上にアモルファスシリコン層を形成する工程、
（ｂ）アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布し、乾燥させることによって、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子層が積層されている未処理積層体を形成する工程、及び
（ｃ）未処理積層体に光照射を行って、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及びこの第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する複合シリコン層を形成する工程。
半導体積層体を製造する本発明の方法は、下記の工程を含む：
（ａ）基材上にアモルファスシリコン層を形成する工程、
（ｂ）アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布し、乾燥させることによって、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子層が積層されている未処理積層体を形成する工程、及び
（ｃ）未処理積層体に光照射を行って、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及びこの第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する複合シリコン層を形成する工程。
このような本発明の方法によれば、本発明の半導体積層体を製造できる。
本発明にて得られる半導体積層体は、図１（ａ）に示すような態様である。アモルファスシリコン層（３２０）及びシリコン粒子層（３３０）の積層体を基材（１０）上に有する場合（左図）、レーザーによる融解、又は焼結は、アモルファスシリコン層とシリコン粒子層の両方で生じる。したがって、レーザー照射を行った場合、シリコン粒子層とアモルファスシリコン層は同様に融解し、アモルファスシリコン由来のシリコン層（３２０ａ）とシリコン粒子由来のシリコン層（３３０ａ、３３０ｂ）とが一体化して、複合シリコン層（３２０ａ、３３０ａ、３３０ｂ）が形成される（右図）。これによれば、表面が平坦な半導体積層体を得ることができる。
したがって、複合シリコン層形成においては、アモルファスシリコン層とシリコン粒子層の一体化により、半導体積層体形成に要する時間は短くて済むため、例えば、パルスレーザー等などを用いたシリコン粒子の融解又は焼結において、レーザーのパルス幅に起因してシリコンの加熱時間が制約される場合でも、表面を平坦化することにおいて顕著な効果が達成できる。
これに対して、単独のアモルファスシリコン層に光照射を行って半導体積層体を製造する場合、得られるシリコン層は、図１（ｂ）に示すように、表面に凸部（３２０ｂ）を有している。これは、アモルファスシリコン層が融解した後で結晶を形成しながら凝固する場合、粒界三重点において最終段に凝固が起こり、この粒界三重点における凝固の際に、体積膨張によって凸部（３２０ｂ）が生じることによる。
また、単独のシリコン粒子層に光照射を行って半導体積層体を製造する場合、得られるシリコン層は、図１（ｃ）に示すように、粒子の焼結によって生じる比較的大きい粒子（３３０ｃ）を有しており、それによって表面が大きい凹凸を有している。
なお、シリコン粒子層及びその上のアモルファスシリコン層を有する積層体に光照射を行って半導体積層体を製造する場合、得られるシリコン層中に空気層が残り、ボイドとなる可能性がある。これは、一般に球形であるシリコン粒子を堆積させたときには、粒子間に空隙が存在しているので、その上にアモルファスシリコン層を堆積させ、そして焼結を行わせると、焼結後にもシリコン粒子間の空隙が残ってしまうことによる。
《半導体積層体の製造方法−工程（ａ）》
半導体積層体を製造する本発明の方法の工程（ａ）では、基材上にアモルファスシリコン層を形成する。
半導体積層体を製造する本発明の方法の工程（ａ）では、基材上にアモルファスシリコン層を形成する。
（基材）
本発明の方法で用いられる基材は、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではない。したがって例えば、基材としてはシリコン基材、ガラス基材などを用いることができる。
本発明の方法で用いられる基材は、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではない。したがって例えば、基材としてはシリコン基材、ガラス基材などを用いることができる。
（アモルファスシリコン層）
本発明の方法で用いられるアモルファスシリコン層は、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではなく、したがって例えばスパッタリング、化学気相成長法（ＣＶＤ）等によって形成された層を用いることができる。
本発明の方法で用いられるアモルファスシリコン層は、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではなく、したがって例えばスパッタリング、化学気相成長法（ＣＶＤ）等によって形成された層を用いることができる。
このアモルファスシリコン層の厚さは、３００ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、又は２００ｎｍ以下であってよい。また、このアモルファスシリコン層の厚さは、５０ｎｍ以上、又は１００ｎｍ以上であってよい。
《半導体積層体の製造方法−工程（ｂ）》
半導体積層体を製造する本発明の方法の工程（ｂ）では、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布し、乾燥させることによって、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子層が積層された未処理積層体を形成する。
半導体積層体を製造する本発明の方法の工程（ｂ）では、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布し、乾燥させることによって、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子層が積層された未処理積層体を形成する。
このシリコン粒子層の厚さは、３００ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、又は２００ｎｍ以下であってよい。また、このシリコン粒子層の厚さは、５０ｎｍ以上、又は１００ｎｍ以上であってよい。
（粒子）
シリコン粒子分散体に含まれるシリコン粒子は、シリコンからなる粒子であれば、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではない。このようなシリコン粒子としては、例えば特許文献４及び５で示されるようなシリコン粒子を用いることができる。具体的には、このシリコン粒子としては、レーザー熱分解法、特にＣＯ２レーザーを用いたレーザー熱分解法によって得られたシリコン粒子を挙げることができる。
シリコン粒子分散体に含まれるシリコン粒子は、シリコンからなる粒子であれば、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではない。このようなシリコン粒子としては、例えば特許文献４及び５で示されるようなシリコン粒子を用いることができる。具体的には、このシリコン粒子としては、レーザー熱分解法、特にＣＯ２レーザーを用いたレーザー熱分解法によって得られたシリコン粒子を挙げることができる。
分散体の粒子は、粒径が比較的小さいことが、光照射によって粒子を溶融及び焼結し、平坦な表面を有する半導体積層体を形成するために好ましいことがある。
例えば、粒子の平均一次粒子径は、１ｎｍ以上、又は３ｎｍ以上であって、１００ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下であることが好ましい。
ここで、本発明においては、粒子の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等による観察によって、撮影した画像を元に直接粒子径を計測し、集合数１００以上からなる粒子群を解析することで、数平均一次粒子径として求めることができる。なお、実施例においては、シリコン粒子の平均一次粒子径は、ＴＥＭ観察を行い、１０万倍の倍率により画像解析を行うことで行うことができる。
シリコン粒子は、ｐ型又はｎ型ドーパントによってドープされていてもよい。ｐ型又はｎ型ドーパントは、例えばホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、チタン（Ｔｉ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、又はそれらの組み合わせからなる群より選択される。
また、シリコン粒子がドーピングされている程度は、ドーパント注入層としての複合シリコン層及び基材における所望のドーパント濃度等に依存して決定することができる。具体的には例えば、粒子は、ドーパントを、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含むことができる。
（分散媒）
分散体の分散媒は、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではなく、したがって例えば本発明で用いるシリコン粒子と反応しない有機溶媒を用いることができる。具体的にはこの分散媒は、非水系溶媒、例えばアルコール、アルカン、アルケン、アルキン、ケトン、エーテル、エステル、芳香族化合物、又は含窒素環化合物、特にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等であってよい。また、アルコールとしては、エチレングリコールのようなグリコール（２価アルコール）を用いることもできる。なお、分散媒は、本発明で用いる粒子の酸化を抑制するために、脱水溶媒であることが好ましい。
分散体の分散媒は、本発明の目的及び効果を損なわない限り制限されるものではなく、したがって例えば本発明で用いるシリコン粒子と反応しない有機溶媒を用いることができる。具体的にはこの分散媒は、非水系溶媒、例えばアルコール、アルカン、アルケン、アルキン、ケトン、エーテル、エステル、芳香族化合物、又は含窒素環化合物、特にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等であってよい。また、アルコールとしては、エチレングリコールのようなグリコール（２価アルコール）を用いることもできる。なお、分散媒は、本発明で用いる粒子の酸化を抑制するために、脱水溶媒であることが好ましい。
〈乾燥〉
この乾燥は、分散体から分散媒を実質的に除去することができる方法であれば特に限定されず、例えば分散体を有する基材を、ホットプレート上に配置して行うこと、加熱雰囲気に配置して行うこと等ができる。
この乾燥は、分散体から分散媒を実質的に除去することができる方法であれば特に限定されず、例えば分散体を有する基材を、ホットプレート上に配置して行うこと、加熱雰囲気に配置して行うこと等ができる。
乾燥温度は例えば、基材、分散体の粒子を劣化等させないように選択することができ、例えば５０℃以上、７０℃以上、９０℃以上であって、１００℃以下、１５０℃以下、２００℃以下、又は２５０℃以下であるように選択できる。
《半導体積層体の製造方法−工程（ｃ）》
半導体積層体を製造する本発明の方法の工程（ｃ）では、未処理積層体に光照射を行って、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及びこの第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する複合シリコン層を形成する。
半導体積層体を製造する本発明の方法の工程（ｃ）では、未処理積層体に光照射を行って、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及びこの第１のシリコン層上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する複合シリコン層を形成する。
（照射される光）
ここで照射される光としては、上記のような複合シリコン層の形成を達成できれば任意の光を用いることができる。例えば、照射される光としては、単一波長からなるレーザー光、特に波長６００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下又は４００ｎｍ以下であって、３００ｎｍ以上の波長を有するレーザー光を用いることができる。また、複合シリコン層への光照射は、特定の帯域の波長範囲（例えば２００〜１１００ｎｍ）の光を一度に照射するフラッシュランプ、例えばキセノンフラッシュランプを用いて行うこともできる。また、上記のような複合シリコン層の形成を達成できれば、パルス状の光、連続発振される光などの光を任意に用いることができる。
ここで照射される光としては、上記のような複合シリコン層の形成を達成できれば任意の光を用いることができる。例えば、照射される光としては、単一波長からなるレーザー光、特に波長６００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下又は４００ｎｍ以下であって、３００ｎｍ以上の波長を有するレーザー光を用いることができる。また、複合シリコン層への光照射は、特定の帯域の波長範囲（例えば２００〜１１００ｎｍ）の光を一度に照射するフラッシュランプ、例えばキセノンフラッシュランプを用いて行うこともできる。また、上記のような複合シリコン層の形成を達成できれば、パルス状の光、連続発振される光などの光を任意に用いることができる。
例えば、光照射をパルス状の光を用いて行う場合、パルス状の光の照射回数は例えば、１回以上、２回以上、５回以上、又は１０回以上であって、３００回以下、２００回以下、又は１５０回以下にすることができる。また、パルス状の光の照射エネルギーは例えば、１５ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以上、５０ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以上、２００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以上、３５０ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以上、又は４００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以上であって、２０００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以下、１５００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以下、１０００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以下、８００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以下、又は６００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）以下にすることができる。さらに、パルス状の光の照射時間は、例えば２００ナノ秒／ｓｈｏｔ以下、１００ナノ秒／ｓｈｏｔ以下、５０ナノ秒／ｓｈｏｔ以下にすることができる。
ここで、光の照射回数が少なすぎる場合には、所望の焼結を達成するために必要とされる１回のパルス当たりのエネルギーが大きくなり、したがってドーパント注入層が破損する恐れがある。また、１回あたりの照射エネルギーが少なすぎる場合には、焼結温度に達しない。また、焼結温度に達する場合であっても、エネルギーが少なすぎる場合には、必要とされる積算のエネルギーを得るために必要な照射の回数が多くなるため、処理時間が長くなる可能性がある。なお、照射エネルギー、照射回数等の最適な条件は、使用する光照射の波長、粒子の特性等に依存しており、当業者であれば、本願明細書を参照して実験を行うことによって最適な値を求めることができる。
（照射雰囲気）
分散体粒子を焼結するための光照射は、非酸化性雰囲気、例えば水素、希ガス、窒素、及びそれらの組合せからなる雰囲気において行うことが、分散体粒子の酸化を防ぐために好ましい。ここで、希ガスとしては、特にアルゴン、ヘリウム、及びネオンを挙げることができる。なお、雰囲気が水素を含有することは、分散体粒子の還元作用があり、酸化された表面部分を還元して、連続層を形成するために好ましいことがある。また、非酸化性雰囲気とするために、雰囲気の酸素含有率は、１体積％以下、０．５体積％以下、０．１体積％以下、又は０．０１体積％以下とすることができる。
分散体粒子を焼結するための光照射は、非酸化性雰囲気、例えば水素、希ガス、窒素、及びそれらの組合せからなる雰囲気において行うことが、分散体粒子の酸化を防ぐために好ましい。ここで、希ガスとしては、特にアルゴン、ヘリウム、及びネオンを挙げることができる。なお、雰囲気が水素を含有することは、分散体粒子の還元作用があり、酸化された表面部分を還元して、連続層を形成するために好ましいことがある。また、非酸化性雰囲気とするために、雰囲気の酸素含有率は、１体積％以下、０．５体積％以下、０．１体積％以下、又は０．０１体積％以下とすることができる。
《半導体デバイスの製造方法》
半導体デバイス、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）又は太陽電池を製造する本発明の方法は、本発明の方法によって半導体積層体層を作る工程を含む。例えば、電界効果トランジスタを製造する本発明の方法は更に、ゲート絶縁体を製造する工程、ソース及びドレイン電極を製造する工程等を含むことができる。
半導体デバイス、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）又は太陽電池を製造する本発明の方法は、本発明の方法によって半導体積層体層を作る工程を含む。例えば、電界効果トランジスタを製造する本発明の方法は更に、ゲート絶縁体を製造する工程、ソース及びドレイン電極を製造する工程等を含むことができる。
また例えば、太陽電池を製造する本発明の方法では、本発明の方法で得られる複合シリコン層を、セレクティブエミッタ型太陽電池のセレクティブエミッタ層、又はバックコンタクト型太陽電池のバックコンタクト層を形成するために用いることができる。また、太陽電池を製造する本発明の方法では、本発明の方法で得られる複合シリコン層を、裏面電界層又は表面電界層を形成するために用いることができる。
〈実施例１〉
（シリコン粒子分散体の調製）
リン（Ｐ）ドープシリコン粒子を、ＳｉＨ４ガス及びＰＨ３ガスを原料として、ＣＯ２レーザーを用いたレーザー熱分解（ＬＰ：Ｌａｓｅｒ Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）法により作製した。得られたリンドープシリコン粒子は、平均一次粒子径が約７ｎｍであった。このリンドープシリコン粒子を、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）中に超音波分散させて、固形分濃度２ｗｔ％のリンドープシリコン粒子分散体を得た。
（シリコン粒子分散体の調製）
リン（Ｐ）ドープシリコン粒子を、ＳｉＨ４ガス及びＰＨ３ガスを原料として、ＣＯ２レーザーを用いたレーザー熱分解（ＬＰ：Ｌａｓｅｒ Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）法により作製した。得られたリンドープシリコン粒子は、平均一次粒子径が約７ｎｍであった。このリンドープシリコン粒子を、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）中に超音波分散させて、固形分濃度２ｗｔ％のリンドープシリコン粒子分散体を得た。
なお、シリコン粒子の平均一次粒子径は、ＴＥＭ観察を行い、１０万倍の倍率により画像解析を行うことで行った。５００個以上の集合を元に、シリコン粒子分散体の平均一次粒子径分散を算出した。
（基材の準備）
ホウ素（Ｂ）ドープシリコン基材（厚さ２８０μｍ、比抵抗５Ωｃｍ以下）を、アセトン及びイソプロピルアルコール中で各５分間ずつ超音波洗浄し、洗浄液（Ｆｒｏｎｔｉｅｒ Ｃｌｅａｎｅｒ、関東化学製）でパーティクル除去を行い、その後、５％フッ化水素水溶液中で１０分間にわたって酸化層を除去し、清浄化された基材を準備した。
ホウ素（Ｂ）ドープシリコン基材（厚さ２８０μｍ、比抵抗５Ωｃｍ以下）を、アセトン及びイソプロピルアルコール中で各５分間ずつ超音波洗浄し、洗浄液（Ｆｒｏｎｔｉｅｒ Ｃｌｅａｎｅｒ、関東化学製）でパーティクル除去を行い、その後、５％フッ化水素水溶液中で１０分間にわたって酸化層を除去し、清浄化された基材を準備した。
（アモルファスシリコン層の形成）
洗浄後の基材に対し、スパッタリング装置によってアモルファスシリコン層を形成した。スパッタリング条件は、圧力４×１０−３Ｔｏｒｒ、コンデンサー３００ｐｆ、Ａｒ流量１００ｓｃｃｍ、電力３００Ｗ、スパッタ時間２０分（厚さ１５０ｎｍ）とした。
洗浄後の基材に対し、スパッタリング装置によってアモルファスシリコン層を形成した。スパッタリング条件は、圧力４×１０−３Ｔｏｒｒ、コンデンサー３００ｐｆ、Ａｒ流量１００ｓｃｃｍ、電力３００Ｗ、スパッタ時間２０分（厚さ１５０ｎｍ）とした。
（シリコン粒子層の形成）
リンドープシリコン粒子分散体を、アモルファスシリコン層を形成した基材上に数滴滴下し、５００ｒｐｍで５秒間にわたって、そして４０００ｒｐｍで１０秒間にわたって、スピンコートすることにより、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布した。
リンドープシリコン粒子分散体を、アモルファスシリコン層を形成した基材上に数滴滴下し、５００ｒｐｍで５秒間にわたって、そして４０００ｒｐｍで１０秒間にわたって、スピンコートすることにより、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布した。
リンドープシリコン粒子分散体が塗布された基材を、７０℃のホットプレート上で乾燥させることによって、シリコン粒子分散体中の分散媒であるイソプロピルアルコールを除去し、それによってアモルファスシリコン層上にシリコン粒子層（厚さ２００ｎｍ）を有する未処理積層体を形成した。
（光照射）
次に、未処理積層体に対して、レーザー光照射装置（Ｑｕａｎｔｒｏｎｉｘ社製、商品名Ｏｓｐｒｅｙ ３５５−２−０）を用いて、アルゴン雰囲気でＹＶＯ４レーザー（波長３５５ｎｍ）を照射し、焼成して、複合シリコン層を有する半導体積層体を得た。
次に、未処理積層体に対して、レーザー光照射装置（Ｑｕａｎｔｒｏｎｉｘ社製、商品名Ｏｓｐｒｅｙ ３５５−２−０）を用いて、アルゴン雰囲気でＹＶＯ４レーザー（波長３５５ｎｍ）を照射し、焼成して、複合シリコン層を有する半導体積層体を得た。
ここで、照射したＹＶＯ４レーザーは、断面が直径１００μｍの円形であり、それを基材上で走査させることにより、未処理積層体を処理して複合シリコン膜を得た。レーザー光照射条件は、照射エネルギー５００ｍＪ／（ｃｍ２・ｓｈｏｔ）、ショット数２０回、及び照射時間３０ナノ秒／ショットとした。
（評価−表面形態観察）
作製された複合シリコン層の表面形態を、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）（日立ハイテクノロジーズ製、Ｓ５２００型）にて観察した。この表面形態観察結果を図２に示す。図２からは、この複合シリコン層が、平坦な表面を有することが観察される。具体的には、この複合シリコン層の凸部の高さ、すなわち平坦部を基準とした凸部の高さは、５０ｎｍ程度であった。
作製された複合シリコン層の表面形態を、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）（日立ハイテクノロジーズ製、Ｓ５２００型）にて観察した。この表面形態観察結果を図２に示す。図２からは、この複合シリコン層が、平坦な表面を有することが観察される。具体的には、この複合シリコン層の凸部の高さ、すなわち平坦部を基準とした凸部の高さは、５０ｎｍ程度であった。
〈比較例１〉
アモルファスシリコン層の形成を行わなかったこと、すなわちシリコン粒子層のみを用いたこと以外は実施例１と実質的に同様にして、半導体積層体を得た。
アモルファスシリコン層の形成を行わなかったこと、すなわちシリコン粒子層のみを用いたこと以外は実施例１と実質的に同様にして、半導体積層体を得た。
（評価−表面形態観察）
作製されたシリコン粒子由来のシリコン層の表面形態を、実施例１と同様にして観察した。この表面形態観察結果を図３に示す。図３からは、このシリコン層が、実施例１についての図２と比較して平坦化されていないことが観察される。具体的には、このシリコン層の凸部の高さ、すなわち平坦部を基準とした凸部の高さは、１００ｎｍ以上であった。ただし、このシリコン層は明確な平坦部を有しておらず、したがって正確な凸部の高さの評価は困難であった。
作製されたシリコン粒子由来のシリコン層の表面形態を、実施例１と同様にして観察した。この表面形態観察結果を図３に示す。図３からは、このシリコン層が、実施例１についての図２と比較して平坦化されていないことが観察される。具体的には、このシリコン層の凸部の高さ、すなわち平坦部を基準とした凸部の高さは、１００ｎｍ以上であった。ただし、このシリコン層は明確な平坦部を有しておらず、したがって正確な凸部の高さの評価は困難であった。
３１０ 基材
３２０ アモルファスシリコン層
３２０ａ アモルファスシリコン由来のシリコン層（平坦部）
３２０ｂ アモルファスシリコン由来のシリコン層（凸部）
３３０ シリコン粒子層
３３０ａ、ｂ、ｃ シリコン粒子由来のシリコン層
５００ａ セレクティブエミッタ型太陽電池
６００ａ バックコンタクト型太陽電池
３２０ アモルファスシリコン層
３２０ａ アモルファスシリコン由来のシリコン層（平坦部）
３２０ｂ アモルファスシリコン由来のシリコン層（凸部）
３３０ シリコン粒子層
３３０ａ、ｂ、ｃ シリコン粒子由来のシリコン層
５００ａ セレクティブエミッタ型太陽電池
６００ａ バックコンタクト型太陽電池
Claims (15)
- 基材及び前記基材上の複合シリコン膜を有し、
前記複合シリコン膜が、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及びその上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有し、かつ
前記複合シリコン膜が、前記アモルファスシリコン層と前記シリコン粒子層とが共に融解して一体化することによって形成されている、
半導体積層体。 - 前記複合シリコン層の凸部の高さが１００ｎｍ以下である、請求項１に記載の半導体積層体。
- 請求項１又は２に記載の半導体積層体を有する、半導体デバイス。
- 太陽電池である、請求項３に記載の半導体デバイス。
- 前記複合シリコン層が、セレクティブエミッタ型太陽電池のセレクティブエミッタ層、又はバックコンタクト型太陽電池のバックコンタクト層を形成するためのものである、請求項４に記載の半導体デバイス。
- 前記複合シリコン層が、裏面電界層又は表面電界層を形成するためのものである、請求項４又は５に記載の半導体デバイス。
- 電界効果トランジスタである、請求項３に記載の半導体デバイス。
- 下記の工程を含む、半導体積層体の製造方法：
（ａ）基材上にアモルファスシリコン層を形成する工程、
（ｂ）前記アモルファスシリコン層上にシリコン粒子分散体を塗布し、乾燥させることによって、アモルファスシリコン層上にシリコン粒子層が積層されている未処理積層体を形成する工程、及び
（ｃ）前記未焼成積層体に光照射を行って、前記アモルファスシリコン層とその上の前記シリコン粒子層とを共に融解して一体化することによって、アモルファスシリコン由来の第１のシリコン層及びその上のシリコン粒子由来の第２のシリコン層を有する複合シリコン層を形成する工程。 - 前記アモルファスシリコン層の厚さが３００ｎｍ以下である、請求項８に記載の方法。
- 前記シリコン粒子層の厚さが３００ｎｍ以下である、請求項８又は９に記載の方法。
- 前記シリコン粒子の平均一次粒子径が１００ｎｍ以下である、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記光照射を、レーザーを用いて行う、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法によって得られる、半導体積層体。
- 請求項８〜１２のいずれか一項に記載の方法によって半導体積層体を作ることを含む、半導体デバイスの製造方法。
- 請求項１４に記載の方法によって得られる、半導体デバイス。
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