JP5723204B2 - Method for manufacturing semiconductor substrate - Google Patents

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Description

絶縁表面に単結晶シリコン層が設けられた半導体基板の作製方法及び光電変換装置の作製方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate in which a single crystal silicon layer is provided over an insulating surface and a method for manufacturing a photoelectric conversion device.

単結晶シリコンのインゴットを薄くスライスして作製される単結晶シリコン基板とともに、絶縁表面に薄い単結晶シリコン層を設けたシリコン・オン・インシュレータ(Silicon on Insulator、以下、「SOI」ともいう。)と呼ばれる半導体基板を使った集積回路が開発されている。SOI基板を使った集積回路は、トランジスタのドレインと基板間における寄生容量を低減し、半導体集積回路の性能を向上させるものとして注目を集めている。 A silicon on insulator (hereinafter also referred to as “SOI”) in which a thin single crystal silicon layer is provided on an insulating surface together with a single crystal silicon substrate manufactured by thinly slicing a single crystal silicon ingot. Integrated circuits using a so-called semiconductor substrate have been developed. An integrated circuit using an SOI substrate has attracted attention as an element that reduces the parasitic capacitance between the drain of the transistor and the substrate and improves the performance of the semiconductor integrated circuit.

SOI基板を作製する方法としては、水素イオン注入剥離法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。水素イオン添加剥離法は、単結晶シリコン基板に水素イオンを添加することによって表面から所定の深さに微小気泡層を形成し、該微小気泡層を劈開面とし、ベース基板に薄い単結晶シリコン層を接合するSOI基板の作製方法である。 As a method for manufacturing an SOI substrate, a hydrogen ion implantation separation method is known (see, for example, Patent Document 1). In the hydrogen ion addition peeling method, a microbubble layer is formed at a predetermined depth from the surface by adding hydrogen ions to a single crystal silicon substrate, the microbubble layer is used as a cleavage plane, and a thin single crystal silicon layer is formed on a base substrate. This is a method for manufacturing an SOI substrate for bonding the substrates.

上述のような方法で形成される単結晶シリコン層は、通常、50nm乃至300nm程度であって、非常に薄い。このため、上述のような方法で形成される単結晶シリコン層は、高集積、高速駆動、低消費電力が要求されるトランジスタの用途には極めて適している。一方で、パワーデバイスや光電変換装置などの用途を考える場合、耐圧の向上、光電変換効率の向上などの観点から、単結晶シリコン層に対して一定の厚さが要求される。 The single crystal silicon layer formed by the method as described above is usually about 50 nm to 300 nm and is very thin. Therefore, the single crystal silicon layer formed by the above-described method is extremely suitable for a transistor application that requires high integration, high-speed driving, and low power consumption. On the other hand, when considering applications such as a power device and a photoelectric conversion device, a certain thickness is required for the single crystal silicon layer from the viewpoint of improvement in breakdown voltage and improvement in photoelectric conversion efficiency.

水素イオン注入剥離法を用いて形成される単結晶シリコン層の厚さは、主として、イオン注入の際の加速電圧に依存する。加速電圧を小さくすればイオン注入層は浅い領域に形成されるため、単結晶シリコン層は薄くなる。反対に、加速電圧を大きくすれば、単結晶シリコン層は厚くなる。 The thickness of the single crystal silicon layer formed using the hydrogen ion implantation separation method mainly depends on the acceleration voltage at the time of ion implantation. If the acceleration voltage is reduced, the ion-implanted layer is formed in a shallow region, so that the single crystal silicon layer becomes thinner. Conversely, if the acceleration voltage is increased, the single crystal silicon layer becomes thicker.

このことから、単結晶シリコン層を厚くするためには、単純に加速電圧を大きくすればよいことが分かる。しかしながら、現実には、加速電圧を大きくして厚い単結晶シリコン層を形成することは容易ではない。これは、量産に適したイオンの注入装置(大電流が実現可能な装置)を用いる場合、装置上の制限から、加速電圧を一定以上に大きくすることができないためである。電流が小さいイオン注入装置を用いる場合には加速電圧を高めることが可能だが、所定の注入量を得るためには時間を要することになり、生産性の面で好ましくない。また、100kVを超える高電圧でイオンを加速させる場合には、有害な放射線が発生することもあり、安全性の面で問題がある。 From this, it can be seen that in order to increase the thickness of the single crystal silicon layer, the acceleration voltage is simply increased. However, in reality, it is not easy to increase the acceleration voltage and form a thick single crystal silicon layer. This is because when an ion implantation apparatus suitable for mass production (an apparatus capable of realizing a large current) is used, the acceleration voltage cannot be increased beyond a certain level due to limitations on the apparatus. When an ion implantation apparatus with a small current is used, the acceleration voltage can be increased. However, it takes time to obtain a predetermined implantation amount, which is not preferable in terms of productivity. Further, when ions are accelerated at a high voltage exceeding 100 kV, harmful radiation may be generated, which is problematic in terms of safety.

上述のような問題を解消するため、イオン注入の際の加速電圧によってではなく、エピタキシャル成長によって単結晶シリコン層を厚膜化する方法が検討されている(例えば、特許文献1、2参照。)。 In order to solve the above-described problems, a method of thickening a single crystal silicon layer by epitaxial growth rather than by an acceleration voltage at the time of ion implantation has been studied (for example, see Patent Documents 1 and 2).

特許文献1では、CVD(Chemical Vapor Deposition)法の気相成長(気相エピタキシャル成長)によって、シラン系ガスを水素還元させ、1100〜1200℃で単結晶シリコン層上にエピタキシャル成長させる。あるいは、分子線エピタキシー法により、600〜900℃でエピタキシャル成長させている。 In Patent Document 1, a silane-based gas is reduced by hydrogen by vapor phase growth (vapor phase epitaxial growth) using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and epitaxially grown on a single crystal silicon layer at 1100 to 1200 ° C. Alternatively, epitaxial growth is performed at 600 to 900 ° C. by molecular beam epitaxy.

特許文献2では、プラズマ励起CVD(PECVD)法などで単結晶半導体層の表面にアモルファスシリコン層を設ける。その後、1100℃以上、60分の熱処理により、単結晶半導体層を核としてアモルファスシリコン層を固相成長(固相エピタキシャル成長)させている。 In Patent Document 2, an amorphous silicon layer is provided on the surface of a single crystal semiconductor layer by a plasma enhanced CVD (PECVD) method or the like. Thereafter, an amorphous silicon layer is solid-phase grown (solid-phase epitaxial growth) using the single crystal semiconductor layer as a nucleus by heat treatment at 1100 ° C. or more for 60 minutes.

特許文献3では、単結晶シリコン層上に結晶性の高いシリコン層を形成している。結晶性の高いシリコン層上に結晶性の低いシリコン層を形成し、熱処理をすることで単結晶を固相エピタキシャル成長させている。結晶性の高いシリコン層の形成は、シラン系ガスに対する水素ガスの流量比を50倍以上とするPECVD法により行う。このため、成長速度が小さい傾向にある。この方法で、単結晶シリコン層上に新たに500nmの結晶層が形成でき、ラマンスペクトルのピーク値519.1cm−1、半値全幅(FWHM:Full Width at Half Maximum)5.33cm−1が得られている。 In Patent Document 3, a silicon layer having high crystallinity is formed over a single crystal silicon layer. A single crystal is solid-phase epitaxially grown by forming a silicon layer with low crystallinity on a silicon layer with high crystallinity and performing heat treatment. Formation of a silicon layer with high crystallinity is performed by PECVD with a flow rate ratio of hydrogen gas to silane gas of 50 times or more. For this reason, the growth rate tends to be low. By this method, a new crystal layer of 500 nm can be formed on the single crystal silicon layer, and a Raman spectrum peak value 519.1 cm −1 and full width at half maximum (FWHM) 5.33 cm −1 are obtained. ing.

特開2000−30995号公報JP 2000-30995 A 特開平11−74209号公報JP-A-11-74209 特開2009−283923号公報JP 2009-283923 A

水素イオン注入剥離法では、低温で均一な単結晶シリコン薄膜を形成できる。また、単結晶シリコン薄膜を分離した後の単結晶シリコン基板を再利用することが可能であり、資源の有効活用を図ることができる。 In the hydrogen ion implantation separation method, a uniform single crystal silicon thin film can be formed at a low temperature. Further, the single crystal silicon substrate after the single crystal silicon thin film is separated can be reused, and resources can be effectively used.

水素イオン注入剥離法を用いる場合、イオンの加速電圧により単結晶シリコン基板に対するイオンの侵入深さが決まり、得られる単結晶シリコン層の厚さが決定されることになる。単結晶シリコン層は、光電変換装置の光電変換効率を高める厚さとすることが望ましい。 In the case of using the hydrogen ion implantation separation method, the penetration depth of ions into the single crystal silicon substrate is determined by the ion acceleration voltage, and the thickness of the obtained single crystal silicon layer is determined. The single crystal silicon layer is desirably thick enough to increase the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device.

一方で、イオン注入装置の加速電圧には装置上の制限があり、また、加速電圧を高めることで安全上問題となる放射線の発生が懸念される。このため、加速電圧を高めて単結晶シリコン基板中の所望の深さまでイオンを侵入させることは容易ではない。また、従来の装置では、加速電圧を高めつつ大量のイオンを照射することは困難であり、所定の注入量を得るためには長時間を要するためタクトタイムが悪化するという懸念もある。 On the other hand, the acceleration voltage of the ion implantation apparatus has a limitation on the apparatus, and there is a concern about generation of radiation that causes a safety problem by increasing the acceleration voltage. For this reason, it is not easy to increase the acceleration voltage and allow ions to penetrate to a desired depth in the single crystal silicon substrate. In addition, in the conventional apparatus, it is difficult to irradiate a large amount of ions while increasing the acceleration voltage, and there is a concern that the takt time may be deteriorated because it takes a long time to obtain a predetermined implantation amount.

また、従来の作製方法では、エピタキシャル成長による成長速度を一定以上に高めることが難しいという問題がある。また、成長速度を高めるためには、高温で熱処理を行わなければならず、耐熱性の低い基板に応用することが不可能である。 Further, the conventional manufacturing method has a problem that it is difficult to increase the growth rate by epitaxial growth beyond a certain level. Further, in order to increase the growth rate, heat treatment must be performed at a high temperature, and it is impossible to apply to a substrate having low heat resistance.

上述のような課題を鑑み、厚膜化した結晶性の高いシリコン層を有する半導体基板を生産性高く提供することを課題の一とする。 In view of the problems as described above, it is an object to provide a semiconductor substrate having a thick silicon layer with high crystallinity with high productivity.

また、限りある資源を有効活用しつつ、優れた光電変換特性を有する光電変換装置を提供することを課題の一とする。 Another object is to provide a photoelectric conversion device having excellent photoelectric conversion characteristics while effectively using limited resources.

本発明の一様態は、絶縁層を介してベース基板上に設けられた単結晶シリコン層を用意し、基板温度280℃超過ベース基板の歪み点未満で、かつシリコンを含む堆積性ガスを希釈しないで用いるPECVD法により、単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理で前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることである。ここでシリコンを含む堆積性ガスとは、SiHやSiなどのシラン系ガスに加えSiFなども含まれる。 According to one embodiment of the present invention, a single crystal silicon layer provided over a base substrate through an insulating layer is prepared, a substrate temperature is higher than 280 ° C., and the deposition gas containing silicon is not diluted. A silicon layer partially including a needle crystal region having the same crystal orientation as that of the single crystal silicon layer is formed by PECVD method used in the above process, and the needle crystal region is used as a seed crystal in the subsequent heat treatment. A solid phase growth of the part to make the silicon layer a crystalline silicon layer. Here, the deposition gas containing silicon includes SiF 4 in addition to silane-based gases such as SiH 4 and Si 2 H 6 .

また、本発明の一様態は、絶縁層を介してベース基板上に設けられた単結晶シリコン層を用意し、レーザービーム照射で単結晶シリコン層の一部、または全部を溶融し、再結晶化し、平坦化と欠陥の回復を行い、基板温度280℃超過ベース基板の歪み点未満で、電力密度は612mW/cm未満、好ましくは102mW/cm以上255mW/cm以下、かつシラン系ガスを希釈しないで用いるPECVD法により、単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理で前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることである。 In one embodiment of the present invention, a single crystal silicon layer provided over a base substrate with an insulating layer interposed therebetween is prepared, and part or all of the single crystal silicon layer is melted and recrystallized by laser beam irradiation. Then, planarization and defect recovery are performed, the substrate temperature is over 280 ° C., and the power density is less than 612 mW / cm 2 , preferably 102 mW / cm 2 or more and 255 mW / cm 2 or less, and a silane-based gas is used. A silicon layer partially including a needle crystal region having the same crystal orientation as that of the single crystal silicon layer is formed by a PECVD method used without being diluted, and the silicon layer is formed by using the needle crystal region as a seed crystal in a subsequent heat treatment. The other part is solid-phase grown to make the silicon layer a crystalline silicon layer.

また、本発明の一様態は、単結晶シリコン基板に水素イオンを照射することによって表面から所定の深さに脆化領域を形成し、該脆化領域を劈開面とし、単結晶シリコン基板を劈開することで、ベース基板に薄い単結晶シリコン層を接合するものである。次に、半導体基板を構成する薄膜の単結晶シリコン層上に、単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理で前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることである。当該シリコン層の形成方法は、シラン系ガスを希釈せずに用い、基板温度280℃超過ベース基板の歪み点未満とし、かつ電力密度が612mW/cm未満のPECVD法により形成することができる。基板温度を280℃超過とすることで、基板表面での成膜種のマイグレーションが起こりやすくなり、下地である単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を形成することができる。一方、電力密度が612mW/cm以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。また、シリコン層中の平均水素濃度を2×1018atoms/cm以上3.5×1021atoms/cm未満とすることができ、シリコン層の歪みが小さくなり、シリコン層の剥離を抑制することができる。なお、単位がatoms/cmである濃度は二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)によって測定可能である。 Further, according to one embodiment of the present invention, a single crystal silicon substrate is irradiated with hydrogen ions so that an embrittled region is formed at a predetermined depth from the surface, the embrittled region is used as a cleavage plane, and the single crystal silicon substrate is cleaved. Thus, a thin single crystal silicon layer is bonded to the base substrate. Next, a silicon layer partially including a needle crystal region having the same crystal orientation as the single crystal silicon layer is formed on the single crystal silicon layer of the thin film constituting the semiconductor substrate, and the needle crystal is then subjected to heat treatment. Using the region as a seed crystal, the other part of the silicon layer is solid-phase-grown to form the silicon layer as a crystalline silicon layer. The silicon layer can be formed by a PECVD method using a silane-based gas without diluting, a substrate temperature exceeding 280 ° C. and less than the strain point of the base substrate, and a power density of less than 612 mW / cm 2 . When the substrate temperature exceeds 280 ° C., the migration of film formation species on the substrate surface is likely to occur, and a needle-like crystal region having the same crystal orientation as that of the single crystal silicon layer that is the base can be formed. On the other hand, when the power density is 612 mW / cm 2 or more, the deposition rate exceeds the time until the crystal region is formed due to migration of the film formation species on the substrate surface, and the acicular crystal region cannot be formed. Further, the average hydrogen concentration in the silicon layer can be set to 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 , so that the distortion of the silicon layer is reduced and the peeling of the silicon layer is suppressed. can do. In addition, the density | concentration whose unit is atoms / cm < 3 > can be measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry).

なお、本明細書において、水素イオン照射工程は、イオン注入法、もしくはイオンドーピング法を用いることができる。また、シリコンを含む堆積性ガスを希釈せずに用いるとは、シリコンを含む堆積性ガスが希釈されるような意図的な他のガス等の混合を除くという意味である。例えば水素等をシラン系ガスと共にCVD装置のチャンバーに加えるような、他のガス等の混合を除くものである。換言すれば、本明細書でのシリコンを含む堆積性ガスを希釈せずに用いるとは、チャンバー内の雰囲気をシリコンを含む堆積性ガスのみとすることを指すものである。しかし、シリコンを含む堆積性ガスに対して制御不能な他成分の含有をも排除するものではない。 Note that in this specification, an ion implantation method or an ion doping method can be used for the hydrogen ion irradiation step. Further, using the deposition gas containing silicon without diluting means that the intentional mixing of other gas or the like that dilutes the deposition gas containing silicon is removed. For example, mixing of other gases or the like, such as adding hydrogen or the like together with a silane-based gas to the chamber of the CVD apparatus, is excluded. In other words, using the deposition gas containing silicon in this specification without diluting means that the atmosphere in the chamber is only the deposition gas containing silicon. However, the inclusion of other components that cannot be controlled with respect to the deposition gas containing silicon is not excluded.

なお、本明細書において、単結晶とは、結晶構造が一定の規則性を持って形成されており、どの部分においても結晶軸が一定の方向を向いているものをいう。もっとも、本明細書においては、欠陥や格子歪みなどの規則性の乱れを除外するものではない。また、同じ結晶方位である、とは、結晶の面方位がプラスマイナス10度の範囲の角度揺らぎを持つものを含む。 Note that in this specification, a single crystal refers to a crystal whose crystal structure is formed with a certain regularity and whose crystal axis is oriented in a certain direction in any part. However, the present specification does not exclude disorder of regularity such as defects and lattice distortion. Further, the same crystal orientation includes a crystal whose plane orientation has an angle fluctuation in a range of plus or minus 10 degrees.

本発明の一様態では、単結晶シリコン層上に針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理を行うことによって、結晶性の高い結晶シリコン層を有する半導体基板を生産性高く作製できる。また、本発明の一様態により、単結晶シリコン層上に形成されるシリコン層は剥離しにくいため、半導体基板の歩留まりを向上することができる。また、上記半導体基板を用いることで、資源を有効活用し、生産性よく、かつ歩留まりよく、優れた光電変換特性を有する光電変換装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor layer having a crystalline silicon layer with high crystallinity is formed by forming a silicon layer partially including a needle crystal region over a single crystal silicon layer and performing heat treatment thereafter. Can be made high. Further, according to one embodiment of the present invention, a silicon layer formed over a single crystal silicon layer is difficult to peel, so that the yield of a semiconductor substrate can be improved. In addition, by using the semiconductor substrate, it is possible to provide a photoelectric conversion device that effectively uses resources, has high productivity, has high yield, and has excellent photoelectric conversion characteristics.

半導体基板の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a semiconductor substrate. 半導体基板の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a semiconductor substrate. 半導体基板の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a semiconductor substrate. 光電変換装置の一例を示す平面図及び断面図。The top view and sectional drawing which show an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置のユニットセルの断面図と対応するエネルギーバンド図。The energy band figure corresponding to sectional drawing of the unit cell of a photoelectric conversion apparatus. 実施例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in an Example. 実施例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in an Example. 実施例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in an Example. 実施例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in an Example. 比較例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in a comparative example. 比較例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in a comparative example. 比較例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in a comparative example. 比較例における観察結果を示す図。The figure which shows the observation result in a comparative example. 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of a photoelectric conversion apparatus. タンデム型の光電変換装置の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of a tandem photoelectric conversion apparatus. タンデム型の光電変換装置の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of a tandem photoelectric conversion apparatus. タンデム型の光電変換装置のユニットセルの断面図と対応するエネルギーバンド図。The energy band figure corresponding to sectional drawing of the unit cell of a tandem-type photoelectric conversion apparatus. スタック型の光電変換装置の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of a stack type photoelectric conversion apparatus. スタック型の光電変換装置のユニットセルの断面図と対応するエネルギーバンド図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a unit cell of a stacked photoelectric conversion device and an energy band diagram corresponding to the unit cell. 太陽光発電モジュールの構成を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the structure of a photovoltaic power generation module. 太陽光発電システムの例を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the example of a solar energy power generation system.

本発明の一態様に係る実施の形態及び実施例について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更しうることは当業者であれば容易に理解される。従って、実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の一態様において、同じ物を指し示す符号は異なる図面間において共通とする。 Embodiments and examples according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments and examples. Note that in one embodiment of the invention described below, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings.

また、以下に説明する実施の形態において、特に断りがない限り、本明細書に記載されている他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。 Further, the embodiment described below can be implemented in appropriate combination with the other embodiments described in this specification unless otherwise specified.

(実施の形態1)
図1を用いて、半導体層が設けられた基板の作製方法の一例について説明する。具体的には、絶縁層を介して単結晶シリコン層が設けられた基板の作製方法(半導体基板の作製方法)について説明する。
(Embodiment 1)
An example of a method for manufacturing a substrate provided with a semiconductor layer will be described with reference to FIGS. Specifically, a method for manufacturing a substrate provided with a single crystal silicon layer through an insulating layer (a method for manufacturing a semiconductor substrate) will be described.

はじめに、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法について説明する。 First, a method for providing a single crystal silicon layer over a base substrate is described.

まず、単結晶シリコン基板100を準備する(図1(A)参照。)。 First, a single crystal silicon substrate 100 is prepared (see FIG. 1A).

市販の単結晶シリコン基板としては、直径5インチ(125mm)、直径6インチ(150mm)、直径8インチ(200mm)、直径12インチ(300mm)、直径16インチ(400mm)サイズの円形のものが代表的であり、いずれのサイズの単結晶シリコン基板も用いることができる。なお、単結晶シリコン基板100の形状は円形に限られず、矩形状等に加工して用いることも可能である。 As a commercially available single crystal silicon substrate, a circular substrate having a diameter of 5 inches (125 mm), a diameter of 6 inches (150 mm), a diameter of 8 inches (200 mm), a diameter of 12 inches (300 mm), and a diameter of 16 inches (400 mm) is representative. Any size single crystal silicon substrate can be used. Note that the shape of the single crystal silicon substrate 100 is not limited to a circular shape, and the single crystal silicon substrate 100 can be processed into a rectangular shape or the like.

次に、単結晶シリコン基板100の表面に絶縁層101を形成する(図1(B)参照。) Next, the insulating layer 101 is formed on the surface of the single crystal silicon substrate 100 (see FIG. 1B).

絶縁層101は単層構造でも2層以上の積層構造でもよいが、その表面は一定の平坦性を有していることが好ましい。一定の平坦性を有することにより、強固な貼り合わせが実現されるためである。例えば、平均面粗さ(Ra)が、0.5nm以下となるように絶縁層101を形成する。より好ましくは0.3nm以下である。なお、本明細書における平均面粗さ(Ra)とは、JIS B0601で定義されている中心線平均粗さを、面に対して適用できるよう拡張したものである。また、最表面は、親水性を有していることが望ましい。上記絶縁層101としては、例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層などを形成することができる。絶縁層101の形成方法としては、PECVD法、光CVD法、熱CVD法などのCVD法を挙げることができる。特に、PECVD法を適用することで、平均面粗さ(Ra)が0.5nm以下(好ましくは0.3nm以下)の平坦な絶縁層101を形成することができる。 The insulating layer 101 may have a single-layer structure or a stacked structure of two or more layers, but the surface thereof preferably has a certain flatness. This is because strong bonding is realized by having a certain flatness. For example, the insulating layer 101 is formed so that the average surface roughness (Ra) is 0.5 nm or less. More preferably, it is 0.3 nm or less. The average surface roughness (Ra) in the present specification is an extension of the centerline average roughness defined in JIS B0601 so that it can be applied to the surface. Moreover, it is desirable that the outermost surface has hydrophilicity. As the insulating layer 101, for example, a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, a silicon oxynitride layer, a silicon nitride oxide layer, or the like can be formed. As a method for forming the insulating layer 101, a CVD method such as a PECVD method, a photo CVD method, or a thermal CVD method can be given. In particular, by applying the PECVD method, the flat insulating layer 101 having an average surface roughness (Ra) of 0.5 nm or less (preferably 0.3 nm or less) can be formed.

なお、上記絶縁層101としては、特に、有機シランを用いてCVD法により作製される酸化シリコン層を用いるとよい。有機シランとしては、珪酸エチル(TEOS:Si(OC)、トリメチルシラン(TMS:(CHSiH)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリエトキシシラン(SiH(OC)、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH)等を用いることができる。もちろん、モノシラン、ジシラン、またはトリシラン等の無機シランを用いて、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを形成してもよい。 Note that as the insulating layer 101, a silicon oxide layer formed using an organic silane by a CVD method is particularly preferable. As the organic silane, ethyl silicate (TEOS: Si (OC 2 H 5 ) 4 ), trimethylsilane (TMS: (CH 3 ) 3 SiH), tetramethylcyclotetrasiloxane (TMCTS), octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS) , Hexamethyldisilazane (HMDS), triethoxysilane (SiH (OC 2 H 5 ) 3 ), trisdimethylaminosilane (SiH (N (CH 3 ) 2 ) 3 ), and the like can be used. Needless to say, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, silicon nitride oxide, or the like may be formed using inorganic silane such as monosilane, disilane, or trisilane.

ここで、酸化窒化シリコンとは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が50原子%以上70原子%以下、窒素が0.5原子%以上15原子%以下、珪素が25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成において、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が5原子%以上30原子%以下、窒素が20原子%以上55原子%以下、珪素が25原子%以上35原子%以下、水素が10原子%以上25原子%以下の範囲で含まれるものをいう。但し、上記範囲は、ラザフォード後方散乱法(RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)や、水素前方散乱法(HFS:Hydrogen Forward Scattering)を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が100原子%を超えない値をとる。 Here, silicon oxynitride indicates a composition having a higher oxygen content than nitrogen. For example, oxygen is 50 atomic% to 70 atomic%, and nitrogen is 0.5 atomic% to 15 atomic%. Hereinafter, silicon is contained in the range of 25 atomic% to 35 atomic% and hydrogen in the range of 0.1 atomic% to 10 atomic%. Silicon nitride oxide refers to a composition having a nitrogen content higher than that of oxygen. For example, oxygen is 5 atomic% to 30 atomic%, nitrogen is 20 atomic% to 55 atomic%, silicon In the range of 25 atomic% to 35 atomic% and hydrogen in the range of 10 atomic% to 25 atomic%. However, the above ranges are those measured using Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) or Hydrogen Forward Scattering (HFS). Further, the content ratio of the constituent elements takes a value that the total does not exceed 100 atomic%.

本実施の形態では、熱酸化法を用いて絶縁層101(ここでは、SiO)を形成する方法を示す。この場合には、主成分のガスを酸素(O)として、ハロゲンを含む酸化性雰囲気中で熱酸化することが好ましい。例えば、塩素(Cl)を含む酸化性雰囲気中で単結晶シリコン基板100に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された絶縁層101を形成する。この場合、絶縁層101は、塩素原子を含有する絶縁層となる。絶縁層101中に含有された塩素原子は、歪みを形成する。その結果、絶縁層101の水分吸収割合が向上し、拡散速度が増大する。つまり、絶縁層101表面に水分が存在する場合に、当該表面に存在する水分を絶縁層101中が素早く吸収し、拡散させることができる。 In this embodiment mode, a method for forming the insulating layer 101 (here, SiO x ) using a thermal oxidation method is described. In this case, it is preferable that the main component gas is oxygen (O 2 ) and is thermally oxidized in an oxidizing atmosphere containing halogen. For example, the single crystal silicon substrate 100 is subjected to thermal oxidation treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine (Cl), whereby the insulating layer 101 that has been chlorinated is formed. In this case, the insulating layer 101 is an insulating layer containing chlorine atoms. Chlorine atoms contained in the insulating layer 101 form strain. As a result, the moisture absorption rate of the insulating layer 101 is improved and the diffusion rate is increased. That is, when moisture exists on the surface of the insulating layer 101, the insulating layer 101 can quickly absorb and diffuse moisture present on the surface.

熱酸化処理の一例としては、酸素に対し塩化水素(HCl)を0.5〜10体積%(代表的には3体積%)の割合で含む酸化性雰囲気中で、900℃〜1150℃の温度(代表的には1000℃)で行うことができる。処理時間は0.1〜6時間、好ましくは0.5〜1時間とすればよい。熱酸化処理により形成される酸化膜の厚さは、10nm〜1000nm(好ましくは50nm〜300nm)、例えば100nmとすればよい。 As an example of the thermal oxidation treatment, a temperature of 900 ° C. to 1150 ° C. in an oxidizing atmosphere containing hydrogen chloride (HCl) at a ratio of 0.5 to 10% by volume (typically 3% by volume) with respect to oxygen. (Typically 1000 ° C.). The treatment time may be 0.1 to 6 hours, preferably 0.5 to 1 hour. The thickness of the oxide film formed by the thermal oxidation treatment may be 10 nm to 1000 nm (preferably 50 nm to 300 nm), for example, 100 nm.

次に、絶縁層101を介して運動エネルギーを有する水素イオン103を単結晶シリコン基板100全面に照射する(図1(C)参照。)。この結果、単結晶シリコン基板100の表面から所定の深さに結晶構造が損傷された脆化領域105を形成することができる(図1(D)参照。)。 Next, the entire surface of the single crystal silicon substrate 100 is irradiated with hydrogen ions 103 having kinetic energy through the insulating layer 101 (see FIG. 1C). As a result, an embrittled region 105 whose crystal structure is damaged to a predetermined depth from the surface of the single crystal silicon substrate 100 can be formed (see FIG. 1D).

水素イオン照射工程は、イオンドーピング装置によるイオンドーピング法、またはイオン注入装置によるイオン注入法で行うことができる。 The hydrogen ion irradiation step can be performed by an ion doping method using an ion doping apparatus or an ion implantation method using an ion implantation apparatus.

本実施の形態においては、イオンドーピング装置を用いることで、質量分離されていないイオンを単結晶シリコン基板100に照射する例を示す。イオンドーピング装置としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種をチャンバー内に配置された被処理体に照射する非質量分離型の装置である。本明細書においては、イオンドーピング装置を用いて、ソースガス(原料ガス)から生成されるイオンを質量分離せず対象物に照射する方法を「イオンドーピング法」と呼ぶ。 In this embodiment, an example in which an ion doping apparatus is used to irradiate the single crystal silicon substrate 100 with ions that are not mass-separated is described. The ion doping apparatus is a non-mass separation type apparatus that irradiates an object to be processed disposed in a chamber with all ion species generated by plasma excitation of a process gas. In this specification, a method of using an ion doping apparatus to irradiate an object without mass separation of ions generated from a source gas (raw material gas) is referred to as an “ion doping method”.

イオンドーピング装置の主要な構成は、被処理物を配置するチャンバーと、所望のイオンを発生させるイオン源と、イオンを加速し、照射するための加速機構である。イオン源は、所望のイオン種を生成するためのソースガスを供給するガス供給装置、ソースガスを励起して、プラズマを生成させるための電極等で構成される。プラズマを形成するための電極としては、フィラメント型の電極や容量結合高周波放電用の電極等が用いられる。加速機構は、引出電極、加速電極、減速電極、接地電極等の電極、及びこれらの電極に電力を供給するための電源等で構成される。加速機構を構成する電極には複数の開口やスリットが設けられており、イオン源で生成されたイオンは電極に設けられた開口やスリットを通過して加速される。なお、イオンドーピング装置の構成は上述したものに限定されず、必要に応じた機構が設けられる。 The main configuration of the ion doping apparatus is a chamber in which an object to be processed is arranged, an ion source that generates desired ions, and an acceleration mechanism for accelerating and irradiating the ions. The ion source includes a gas supply device that supplies a source gas for generating a desired ion species, an electrode for generating a plasma by exciting the source gas, and the like. As an electrode for forming plasma, a filament-type electrode, an electrode for capacitively coupled high-frequency discharge, or the like is used. The acceleration mechanism includes electrodes such as an extraction electrode, an acceleration electrode, a deceleration electrode, and a ground electrode, and a power source for supplying power to these electrodes. The electrode constituting the acceleration mechanism is provided with a plurality of openings and slits, and ions generated by the ion source are accelerated through the openings and slits provided in the electrodes. Note that the configuration of the ion doping apparatus is not limited to that described above, and a mechanism according to need is provided.

なお、イオンを照射する装置としては、イオンドーピング装置の他にイオン注入装置がある。イオン注入装置は、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する装置(質量分離型の装置)であり、この点でイオンドーピング装置とは大きく異なるものである。 As an apparatus for irradiating ions, there is an ion implantation apparatus in addition to an ion doping apparatus. An ion implantation apparatus is an apparatus (mass separation type apparatus) that mass-separates ion species in plasma and irradiates an object to be processed with ion species having a specific mass, and is greatly different from an ion doping apparatus in this respect. Is.

続いて、ベース基板130を準備する(図1(E)参照。)。ベース基板130を用いるに際し、ベース基板130の表面を予め洗浄しておくことが好ましい。具体的には、ベース基板130の表面を、塩酸過水(HPM)、硫酸過水(SPM)、アンモニア過水(APM)、希フッ化水素酸(DHF)等を用いて超音波洗浄を行う。このような洗浄処理を行うことによって、ベース基板130表面の平坦化の実現や残存する研磨粒子を除去することができる。 Subsequently, a base substrate 130 is prepared (see FIG. 1E). When using the base substrate 130, it is preferable to clean the surface of the base substrate 130 in advance. Specifically, the surface of the base substrate 130 is subjected to ultrasonic cleaning using hydrochloric acid / hydrogen peroxide (HPM), sulfuric acid / hydrogen peroxide (SPM), ammonia / hydrogen peroxide (APM), dilute hydrofluoric acid (DHF), or the like. . By performing such a cleaning process, planarization of the surface of the base substrate 130 and remaining abrasive particles can be removed.

ベース基板130としては、絶縁基板を用いることが好ましい。絶縁基板の具体例としては、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種のガラス基板や、石英基板、セラミック基板、サファイア基板、プラスチック基板がある。また、ベース基板130として単結晶半導体基板(例えば、単結晶シリコン基板)や多結晶半導体基板(例えば、多結晶シリコン基板)を用いることも可能であるが、量産性やコストの面を考慮すると、大面積化が可能で安価な絶縁基板を用いることが好ましい。本実施の形態では、ベース基板130として絶縁基板の一つであるガラス基板を用いる。 As the base substrate 130, an insulating substrate is preferably used. Specific examples of the insulating substrate include various glass substrates used in the electronic industry such as aluminosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and barium borosilicate glass, quartz substrate, ceramic substrate, sapphire substrate, and plastic substrate. In addition, a single crystal semiconductor substrate (for example, a single crystal silicon substrate) or a polycrystalline semiconductor substrate (for example, a polycrystalline silicon substrate) can be used as the base substrate 130, but in view of mass productivity and cost, It is preferable to use an inexpensive insulating substrate capable of increasing the area. In this embodiment, a glass substrate which is one of insulating substrates is used as the base substrate 130.

なお、ベース基板130上に窒化シリコン層や窒化酸化シリコン層などの窒素を含有するシリコン絶縁層を形成し、これを絶縁層101と密着させる構成としてもよい。この場合、ベース基板130からのアルカリ金属やアルカリ土類金属などによる半導体の汚染を防止できる。 Note that a silicon insulating layer containing nitrogen such as a silicon nitride layer or a silicon nitride oxide layer may be formed over the base substrate 130 and may be in close contact with the insulating layer 101. In this case, contamination of the semiconductor by alkali metal, alkaline earth metal, or the like from the base substrate 130 can be prevented.

次に、絶縁層101を介して単結晶シリコン基板100とベース基板130とを貼り合わせる(図1(F)参照。)。 Next, the single crystal silicon substrate 100 and the base substrate 130 are attached to each other with the insulating layer 101 interposed therebetween (see FIG. 1F).

なお、上記貼り合わせを行う前に、ベース基板130の表面を酸素プラズマ処理またはオゾン処理して、その表面を親水性にしてもよい。この処理によって、ベース基板130の表面に水酸基が付加するため、貼り合わせに係る界面に水素結合を形成することができる。 Note that before the bonding, the surface of the base substrate 130 may be subjected to oxygen plasma treatment or ozone treatment to make the surface hydrophilic. By this treatment, a hydroxyl group is added to the surface of the base substrate 130, so that a hydrogen bond can be formed at the interface for bonding.

次に、熱処理を行い、脆化領域105において単結晶シリコン基板100を分離することにより、ベース基板130上に単結晶シリコン層131を設ける(図1(G)参照。)。熱処理を行うことにより、脆化領域105に微小な孔が形成され、この微小な孔の中にイオンの照射により添加された元素が析出し、微小な孔の内部の圧力が上昇する。当該圧力の上昇によって脆化領域105の微小な孔に体積変化が起こり、脆化領域105に亀裂が生じるため、脆化領域105に沿って単結晶シリコン基板100が分離する。この結果、単結晶シリコン基板100から分離された単結晶シリコン層131が、絶縁層101を介してベース基板130上に形成される。分離後に形成される単結晶シリコン層131の厚さは、例えば10nm以上500nm以下とすればよく、好ましくは50nm以上200nm以下とする。なお、熱処理を行うための加熱手段としては、抵抗加熱炉等の加熱炉、RTA(瞬間熱アニール、Rapid Thermal Anneal)装置、マイクロ波加熱装置等を用いることができる。例えば、RTA装置を用いる場合、加熱温度550℃以上730℃以下、処理時間0.5分以上60分以内で加熱すればよい。 Next, heat treatment is performed to separate the single crystal silicon substrate 100 in the embrittled region 105, so that a single crystal silicon layer 131 is provided over the base substrate 130 (see FIG. 1G). By performing the heat treatment, minute holes are formed in the embrittled region 105, and elements added by ion irradiation are precipitated in the minute holes, and the pressure inside the minute holes increases. As the pressure rises, volume changes occur in minute holes in the embrittled region 105 and cracks occur in the embrittled region 105, so that the single crystal silicon substrate 100 is separated along the embrittled region 105. As a result, a single crystal silicon layer 131 separated from the single crystal silicon substrate 100 is formed over the base substrate 130 with the insulating layer 101 interposed therebetween. The thickness of the single crystal silicon layer 131 formed after the separation may be, for example, 10 nm to 500 nm, preferably 50 nm to 200 nm. Note that as a heating means for performing the heat treatment, a heating furnace such as a resistance heating furnace, an RTA (rapid thermal annealing) apparatus, a microwave heating apparatus, or the like can be used. For example, when an RTA apparatus is used, heating may be performed at a heating temperature of 550 ° C. or higher and 730 ° C. or lower and a processing time of 0.5 minutes or longer and within 60 minutes.

なお、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法として、上記方法の代わりに以下の方法を用いることができる。単結晶シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を形成する。次に、当該多孔質シリコン層上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。次に、単結晶シリコン層上に酸化シリコン層を形成する。次に、ベース基板及び酸化シリコン層を貼り合わせた後、ウォータージェットなどで単結晶基板から単結晶シリコン層を分離する方法を用いて、ベース基板上に単結晶シリコン層131を形成してもよい。 Note that as a method for providing a single crystal silicon layer over a base substrate, the following method can be used instead of the above method. A porous silicon layer is formed by anodizing the surface of the single crystal silicon substrate. Next, a single crystal silicon layer is epitaxially grown on the porous silicon layer. Next, a silicon oxide layer is formed over the single crystal silicon layer. Next, after the base substrate and the silicon oxide layer are bonded to each other, the single crystal silicon layer 131 may be formed over the base substrate by a method of separating the single crystal silicon layer from the single crystal substrate with a water jet or the like. .

上述のようにして得られた半導体基板上に、結晶シリコン層をエピタキシャル成長する方法を図2を用いて説明する。 A method of epitaxially growing a crystalline silicon layer on the semiconductor substrate obtained as described above will be described with reference to FIG.

図1(G)で作製した半導体基板を用意する(図2(A)参照。)。 A semiconductor substrate manufactured in FIG. 1G is prepared (see FIG. 2A).

次に、単結晶シリコン層131上にPECVD法によりシリコン層136を形成する(図2(B)参照。)。シリコン層136は堆積初期の針状結晶領域132及び、非晶質シリコン層133で構成される。針状結晶領域132は、シリコン層136を形成する際に、下地である単結晶シリコン層131と同じ結晶方位である結晶シリコンが気相エピタキシャル成長することで形成される。つまり、シリコン層136を構成する針状結晶領域132と非晶質シリコン層133は一度に形成される。なお、ここで発生させるプラズマは、例えばRF(3〜30MHz、代表的には13.56MHz、27.12MHz)プラズマ、VHFプラズマ(30MHz〜300MHz、代表的には60MHz)、マイクロ波(1Ghz以上、代表的には2.45GHz)プラズマを用いることができる。また、プラズマはパルス発振により発生させることが好ましい。 Next, a silicon layer 136 is formed over the single crystal silicon layer 131 by a PECVD method (see FIG. 2B). The silicon layer 136 is composed of an acicular crystal region 132 at the initial stage of deposition and an amorphous silicon layer 133. The needle-like crystal region 132 is formed by vapor phase epitaxial growth of crystal silicon having the same crystal orientation as that of the single crystal silicon layer 131 as a base when the silicon layer 136 is formed. That is, the acicular crystal region 132 and the amorphous silicon layer 133 constituting the silicon layer 136 are formed at a time. Note that plasma generated here is, for example, RF (3 to 30 MHz, typically 13.56 MHz, 27.12 MHz) plasma, VHF plasma (30 MHz to 300 MHz, typically 60 MHz), microwave (1 Ghz or more, Plasma (typically 2.45 GHz) can be used. The plasma is preferably generated by pulse oscillation.

シリコン層136は、原料ガスとして、シリコンを含む堆積性ガス、例えばSiHのみを用いて形成する。ここでシリコンを含む堆積性ガスは、SiやSiFなども含まれる。このとき、電力密度は612mW/cm未満とする。好ましくは102mW/cm以上255mW/cm以下とする。例えば、60MHzの高周波電源を用いることができる。このとき、基板温度を280℃超過ベース基板の歪み点未満、好ましくは400℃以上ベース基板の歪み点未満とすることで、ベース基板130表面で成膜種のマイグレーションが起きやすくなり、下地である単結晶シリコン層131と同じ結晶方位である針状結晶領域132を形成することができる。一方、電力密度が612mW/cm以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。そのため、電力密度は基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間に対し、十分堆積速度が遅くなるようにする。ただし、電力密度が小さすぎると、厚さを十分厚くするための時間が長くなるため、電力密度を制御することが望ましい。 The silicon layer 136 is formed using only a deposition gas containing silicon, for example, SiH 4 as a source gas. Here, the deposition gas containing silicon includes Si 2 H 6 and SiF 4 . At this time, the power density is less than 612 mW / cm 2 . Preferably, it is 102 mW / cm 2 or more and 255 mW / cm 2 or less. For example, a high frequency power source of 60 MHz can be used. At this time, when the substrate temperature is higher than 280 ° C. and lower than the strain point of the base substrate, preferably 400 ° C. or higher and lower than the strain point of the base substrate, migration of the film formation species easily occurs on the surface of the base substrate 130, which is the base. The acicular crystal region 132 having the same crystal orientation as that of the single crystal silicon layer 131 can be formed. On the other hand, when the power density is 612 mW / cm 2 or more, the deposition rate exceeds the time until the crystal region is formed due to migration of the film formation species on the substrate surface, and the acicular crystal region cannot be formed. Therefore, the power density is set so that the deposition rate is sufficiently slow with respect to the time until the crystal region is formed by migration of the film-forming species on the substrate surface. However, if the power density is too small, it takes a long time to make the thickness sufficiently thick, so it is desirable to control the power density.

なお、シリコン層中に含有させた水素の存在により、固相エピタキシャル成長時のシリコンの再配列を円滑に進行させることができる。シリコンを含む堆積性ガスを水素希釈すると、シリコンに結合された水素原子が脱離しやすくなり、シリコン層中の水素量が少なくなってしまう。したがって、水素希釈またはその他のガスでシリコンを含む堆積性ガスを希釈しないことで、形成した非晶質シリコン層中に水素を含有させるとよい。シリコンを含む堆積性ガスとしては、上記のSiHを用いることに限定されず、SiやSiFを用いてもよい。 Note that, due to the presence of hydrogen contained in the silicon layer, the rearrangement of silicon during solid phase epitaxial growth can proceed smoothly. When the deposition gas containing silicon is diluted with hydrogen, hydrogen atoms bonded to silicon are easily desorbed, and the amount of hydrogen in the silicon layer is reduced. Therefore, hydrogen is preferably contained in the formed amorphous silicon layer by not diluting the deposition gas containing silicon with hydrogen dilution or other gas. The deposition gas containing silicon is not limited to using SiH 4 described above, and Si 2 H 6 or SiF 4 may be used.

このとき、非晶質シリコン層133中の平均水素濃度を2×1018atoms/cm以上3.5×1021atoms/cm未満とすると、固相エピタキシャル成長が進行しやすくなり、かつ非晶質シリコン層133の歪みを低減し、剥離を抑制することができて好ましい。 At this time, if the average hydrogen concentration in the amorphous silicon layer 133 is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 , solid phase epitaxial growth is likely to proceed, and amorphous This is preferable because distortion of the quality silicon layer 133 can be reduced and peeling can be suppressed.

PECVD法を用いて、シリコン層136を形成する際のその他の条件は、チャンバー内圧力が150Pa、電極間隔が10mm、SiHガス流量が800sccmである。なお、上記の形成条件は一例に過ぎず、本実施の形態はこれに限定して解釈されるものではない。 Other conditions for forming the silicon layer 136 using the PECVD method are a chamber internal pressure of 150 Pa, an electrode interval of 10 mm, and a SiH 4 gas flow rate of 800 sccm. Note that the above formation conditions are merely examples, and the present embodiment is not construed as being limited thereto.

なお、シリコン層136の形成を行う前に、単結晶シリコン層131の表面に形成されている自然酸化層などの酸化層は除去しておくことが好ましい。これは、単結晶シリコン層131の表面に酸化層が存在する場合には、単結晶シリコン層131の直上からエピタキシャル成長を進行させることができず、結晶性が低下してしまうためである。ここで、上記の酸化層の除去は、フッ化水素酸系の溶液または水素プラズマなどの暴露により行うことができる。 Note that before the silicon layer 136 is formed, an oxide layer such as a natural oxide layer formed on the surface of the single crystal silicon layer 131 is preferably removed. This is because when an oxide layer is present on the surface of the single crystal silicon layer 131, the epitaxial growth cannot proceed from directly above the single crystal silicon layer 131, and the crystallinity is lowered. Here, the removal of the oxide layer can be performed by exposure to a hydrofluoric acid solution or hydrogen plasma.

その後、窒素などの不活性雰囲気中で500℃超過ベース基板歪み点未満で熱処理を行う。熱処理は抵抗加熱炉、RTA装置やマイクロ波加熱装置を用いることができる。なお、最大温度に上昇させる前に、シリコン層形成時の基板温度以上シリコン層の固相エピタキシャル成長が起こる温度未満で1時間から2時間程度保持しておくと好ましい。こうすることで、シリコン層中で緩やかな脱水素化が起こり、急熱した場合と比べシリコン層の剥離を抑制することができる。また、脱水素化により欠陥が生じるため、固相エピタキシャル成長に係るシリコン原子の再配列が助長されることで、より結晶性の高いシリコン層をエピタキシャル成長させることができる。本実施の形態では抵抗加熱炉を用いて600℃の温度で1時間の熱処理を行う。これにより、非晶質シリコン層133が固相エピタキシャル成長する。本実施の形態により、厚さの厚い結晶シリコン層134を形成することができる(図2(C)参照。)。この際、針状結晶領域132は種結晶として機能し、上層の非晶質シリコン層133をエピタキシャル成長させることができる。 Thereafter, heat treatment is performed in an inert atmosphere such as nitrogen at a temperature exceeding 500 ° C. and below the base substrate strain point. For the heat treatment, a resistance heating furnace, an RTA apparatus, or a microwave heating apparatus can be used. In addition, before raising to the maximum temperature, it is preferable to hold for about 1 to 2 hours at a temperature equal to or higher than the substrate temperature at the time of forming the silicon layer and lower than the temperature at which the solid phase epitaxial growth of the silicon layer occurs. By doing so, gradual dehydrogenation occurs in the silicon layer, and the peeling of the silicon layer can be suppressed as compared with the case of rapid heating. Further, since defects are generated by dehydrogenation, a rearrangement of silicon atoms related to solid phase epitaxial growth is promoted, so that a silicon layer with higher crystallinity can be epitaxially grown. In this embodiment, heat treatment is performed for 1 hour at a temperature of 600 ° C. using a resistance heating furnace. Thereby, the amorphous silicon layer 133 is solid phase epitaxially grown. According to this embodiment, a thick crystalline silicon layer 134 can be formed (see FIG. 2C). At this time, the needle crystal region 132 functions as a seed crystal, and the upper amorphous silicon layer 133 can be epitaxially grown.

当該エピタキシャル成長させるための熱処理により、同時に単結晶シリコン層131において、水素イオン照射時に生じた欠陥などの回復が起こり、より結晶性の高い単結晶シリコン層135とすることができる。 By the heat treatment for the epitaxial growth, the single crystal silicon layer 131 is simultaneously recovered with defects or the like generated during the hydrogen ion irradiation, whereby the single crystal silicon layer 135 with higher crystallinity can be obtained.

以上により、厚膜化された結晶シリコン層を有する半導体基板を得ることができる。本実施の形態では、従来の固相エピタキシャル成長を用いた手法と比較すると、非常に低温で固相エピタキシャル成長させることができる。これは、固相エピタキシャル成長させるシリコン層の形成方法によるものである。シリコン層中に水素を多く含有させ、固相エピタキシャル成長時に、層中の水素を放出することでシリコン結合の再配列が助長されることに加え、種結晶として針状結晶領域が存在することにより、低温の熱処理でも良好に固相エピタキシャル成長を行うことができる。 Thus, a semiconductor substrate having a thickened crystalline silicon layer can be obtained. In the present embodiment, solid phase epitaxial growth can be performed at a very low temperature as compared with a conventional method using solid phase epitaxial growth. This is due to the method of forming a silicon layer for solid phase epitaxial growth. In addition to promoting the rearrangement of silicon bonds by releasing a large amount of hydrogen in the silicon layer and releasing the hydrogen in the layer during solid phase epitaxial growth, the needle crystal region exists as a seed crystal, Solid phase epitaxial growth can be performed satisfactorily even at low temperature heat treatment.

また、本実施の形態では、エピタキシャル成長するシリコン層の成長速度を大きくすることができるため、半導体基板作製におけるスループットを向上することができる。 In this embodiment, the growth rate of the epitaxially grown silicon layer can be increased, so that the throughput in manufacturing the semiconductor substrate can be improved.

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1と比較して、さらに、結晶性の高い結晶シリコン層を有する半導体基板の作製方法について、図1及び図3を用いて説明する。本実施の形態では、実施の形態1において、単結晶シリコン層131をベース基板130へ転載した後、レーザービーム照射により、単結晶シリコン層131を再結晶化し、同時に平坦化、欠陥の回復を行う形態を示す。従って、実施の形態1と同一部分または同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor substrate having a crystalline silicon layer with higher crystallinity than that in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. In this embodiment mode, after the single crystal silicon layer 131 is transferred to the base substrate 130 in Embodiment Mode 1, the single crystal silicon layer 131 is recrystallized by laser beam irradiation, and at the same time, planarization and defect recovery are performed. The form is shown. Therefore, repetitive description of the same portion as in Embodiment 1 or a portion having a similar function is omitted.

実施の形態1と同様に、図1(A)乃至図1(G)の工程を経て、単結晶シリコン層131をベース基板130に転載する。なお、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法として、上記方法の代わりに以下の方法を用いることができる。単結晶シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を形成する。次に、当該多孔質シリコン層上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。次に、単結晶シリコン層上に酸化シリコン層を形成する。次に、ベース基板及び酸化シリコン層を貼り合わせた後、ウォータージェットなどで単結晶基板から単結晶シリコン層を分離する方法を用いて、ベース基板上に単結晶シリコン層131を形成してもよい。 As in Embodiment Mode 1, the single crystal silicon layer 131 is transferred to the base substrate 130 through the steps of FIGS. Note that as a method for providing a single crystal silicon layer over a base substrate, the following method can be used instead of the above method. A porous silicon layer is formed by anodizing the surface of the single crystal silicon substrate. Next, a single crystal silicon layer is epitaxially grown on the porous silicon layer. Next, a silicon oxide layer is formed over the single crystal silicon layer. Next, after the base substrate and the silicon oxide layer are bonded to each other, the single crystal silicon layer 131 may be formed over the base substrate by a method of separating the single crystal silicon layer from the single crystal substrate with a water jet or the like. .

次に、単結晶シリコン層131に対し、レーザービーム140を照射する(図3(A)参照。)。レーザービーム140を単結晶シリコン層131に照射して、単結晶シリコン層131の一部または全部を溶融し、再結晶化させることで、単結晶シリコン層131の結晶欠陥を回復することができる。レーザービームの照射による単結晶シリコン層の溶融は、部分溶融とすることが好ましい。単結晶シリコン層を完全溶融させた場合は、液相となった後の単結晶シリコンが無秩序な核発生により微結晶化し、結晶性が低下するおそれがあるからである。これに対し、単結晶シリコン層を部分溶融させた場合は、溶融されていない固相部分から結晶成長が進行するため、結晶性を低下させることなく、結晶欠陥を回復することができる。なお、本明細書において、完全溶融とは、単結晶シリコン層が下部界面付近まで溶融されて、液相状態になることをいう。部分溶融とは、単結晶シリコン層の一部(例えば上層部)は溶融されて液相となるが、その他(例えば下層部)は溶融せずに固相のままであることをいう。 Next, the single crystal silicon layer 131 is irradiated with a laser beam 140 (see FIG. 3A). By irradiating the single crystal silicon layer 131 with the laser beam 140 to melt or recrystallize part or all of the single crystal silicon layer 131, crystal defects in the single crystal silicon layer 131 can be recovered. The melting of the single crystal silicon layer by laser beam irradiation is preferably partial melting. This is because when the single crystal silicon layer is completely melted, the single crystal silicon after becoming a liquid phase may be microcrystallized due to disordered nucleation and crystallinity may be lowered. On the other hand, when the single crystal silicon layer is partially melted, crystal growth proceeds from a solid phase portion that is not melted, so that crystal defects can be recovered without reducing crystallinity. Note that in this specification, complete melting means that the single crystal silicon layer is melted to the vicinity of the lower interface to be in a liquid phase. Partial melting means that a part of the single crystal silicon layer (for example, the upper layer part) is melted to become a liquid phase, while the other (for example, the lower layer part) is not melted and remains in a solid phase.

例えば、単結晶シリコン層131に対し、レーザービーム140を照射することで、単結晶シリコン層131の少なくとも表面側は溶融し、固相状態の下層部をシード層として、その後の冷却過程で再結晶化する。その過程で表面が平坦化し結晶欠陥が回復した単結晶シリコン層141が形成される(図3(B)参照。)。レーザービーム140としては、例えば、XeClエキシマレーザーやYAGレーザーの第2高調波を適用することが好ましい。 For example, by irradiating the single crystal silicon layer 131 with the laser beam 140, at least the surface side of the single crystal silicon layer 131 is melted and recrystallized in the subsequent cooling process using the lower layer portion in the solid state as a seed layer. Turn into. In that process, a single crystal silicon layer 141 whose surface is flattened and crystal defects are recovered is formed (see FIG. 3B). As the laser beam 140, for example, it is preferable to apply a second harmonic of a XeCl excimer laser or a YAG laser.

単結晶シリコン層131の結晶欠陥を低減する方法としてレーザービーム処理を適用すると、ベース基板130が直接加熱されず、該ベース基板130の温度上昇を抑えることができるため好ましい。特に、ベース基板130として耐熱性の低いガラス基板を適用する場合には、レーザービーム処理による結晶欠陥回復が好適である。 Applying laser beam treatment as a method for reducing crystal defects in the single crystal silicon layer 131 is preferable because the base substrate 130 is not directly heated and an increase in temperature of the base substrate 130 can be suppressed. In particular, when a glass substrate with low heat resistance is applied as the base substrate 130, crystal defect recovery by laser beam treatment is preferable.

また、上記レーザービーム処理のとき、少なくともレーザービーム140の照射領域は250℃乃至600℃の温度に加熱されていることが好ましい。照射領域を加熱しておくことで、レーザービーム140の照射による溶融時間を長くすることができ、欠陥の回復を効果的に行うことができる。レーザービーム140は単結晶シリコン層131の表面側を溶融させるものの、ベース基板130はほとんど加熱しないので、ガラス基板のような耐熱性の低いベース基板を用いることが可能になる。 In the laser beam treatment, it is preferable that at least an irradiation region of the laser beam 140 is heated to a temperature of 250 ° C. to 600 ° C. By heating the irradiation region, the melting time by irradiation with the laser beam 140 can be lengthened, and defect recovery can be performed effectively. Although the laser beam 140 melts the surface side of the single crystal silicon layer 131, the base substrate 130 is hardly heated, so that a base substrate with low heat resistance such as a glass substrate can be used.

次に、単結晶シリコン層141上にPECVD法によりシリコン層146を形成する(図3(C)参照。)。シリコン層146は膜成長初期の針状結晶領域142、及び非晶質シリコン層143で構成される。シリコン層146を構成する針状結晶領域142と非晶質シリコン層143は一度に形成される。なお、ここで発生させるプラズマは、例えばRF(3〜30MHz、代表的には13.56MHz、27.12MHz)プラズマ、VHFプラズマ(30MHz〜300MHz、代表的には60MHz)、マイクロ波(1Ghz以上、代表的には2.45GHz)プラズマを用いることができる。また、プラズマはパルス発振により発生させることが好ましい。 Next, a silicon layer 146 is formed over the single crystal silicon layer 141 by a PECVD method (see FIG. 3C). The silicon layer 146 includes a needle crystal region 142 in the initial stage of film growth and an amorphous silicon layer 143. The acicular crystal region 142 and the amorphous silicon layer 143 constituting the silicon layer 146 are formed at a time. Note that plasma generated here is, for example, RF (3 to 30 MHz, typically 13.56 MHz, 27.12 MHz) plasma, VHF plasma (30 MHz to 300 MHz, typically 60 MHz), microwave (1 Ghz or more, Plasma (typically 2.45 GHz) can be used. The plasma is preferably generated by pulse oscillation.

シリコン層146は、シリコンを含む堆積性ガス、例えばSiHのみで形成する。このとき、電力密度は612mW/cm未満とする。好ましくは102mW/cm以上255mW/cm以下とする。例えば、60MHzの高周波電源を用いることができる。このとき、基板温度を280℃超過ベース基板の歪み点未満、好ましくは400℃以上ベース基板の歪み点未満とすることで、ベース基板130表面で成膜種のマイグレーションが起きやすくなり、単結晶シリコン層141と同じ結晶方位である針状結晶領域142を形成することができる。一方、電力密度が612mW/cm以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。そのため、電力密度は基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間に対し、十分堆積速度が遅くなるようにする。ただし、電力密度が小さすぎると、厚さを十分厚くするための時間が長くなるため、電力密度を制御することが望ましい。 The silicon layer 146 is formed using only a deposition gas containing silicon, for example, SiH 4 . At this time, the power density is less than 612 mW / cm 2 . Preferably, it is 102 mW / cm 2 or more and 255 mW / cm 2 or less. For example, a high frequency power source of 60 MHz can be used. At this time, when the substrate temperature is higher than 280 ° C. and lower than the strain point of the base substrate, preferably 400 ° C. or higher and lower than the strain point of the base substrate, migration of the film formation species easily occurs on the surface of the base substrate 130. The acicular crystal region 142 having the same crystal orientation as that of the layer 141 can be formed. On the other hand, when the power density is 612 mW / cm 2 or more, the deposition rate exceeds the time until the crystal region is formed due to migration of the film formation species on the substrate surface, and the acicular crystal region cannot be formed. Therefore, the power density is set such that the deposition rate is sufficiently slow with respect to the time until the crystal region is formed by migration of the film formation species on the substrate surface. However, if the power density is too small, it takes a long time to make the thickness sufficiently thick, so it is desirable to control the power density.

このとき、非晶質シリコン層143中の平均水素濃度を2×1018以上3.5×1021未満とすると、固相エピタキシャル成長が進行しやすく、かつ非晶質シリコン層143の歪みを低減し、剥離を抑制することができて好ましい。 At this time, if the average hydrogen concentration in the amorphous silicon layer 143 is 2 × 10 18 or more and less than 3.5 × 10 21 , solid phase epitaxial growth is likely to proceed, and distortion of the amorphous silicon layer 143 is reduced. It is preferable because peeling can be suppressed.

PECVD法を用いて、シリコン層146を形成する際のその他の条件は、チャンバー内圧力が150Pa、電極間隔が10mm、SiHガス流量が800sccmである。なお、上記の形成条件は一例に過ぎず、本実施の形態はこれに限定して解釈されるものではない。 Other conditions for forming the silicon layer 146 using the PECVD method are a chamber internal pressure of 150 Pa, an electrode interval of 10 mm, and a SiH 4 gas flow rate of 800 sccm. Note that the above formation conditions are merely examples, and the present embodiment is not construed as being limited thereto.

なお、シリコン層146の形成を行う前に、単結晶シリコン層141表面に形成されている自然酸化層などの酸化層は除去しておくことが好ましい。これは、単結晶シリコン層141の表面に酸化層が存在する場合には、単結晶シリコン層141からエピタキシャル成長を進行させることができず、結晶性が低下してしまうためである。ここで、上記の酸化層の除去は、フッ化水素酸系の溶液または水素プラズマなどを用いて行うことができる。 Note that before the silicon layer 146 is formed, an oxide layer such as a natural oxide layer formed on the surface of the single crystal silicon layer 141 is preferably removed. This is because when an oxide layer is present on the surface of the single crystal silicon layer 141, epitaxial growth cannot proceed from the single crystal silicon layer 141, and crystallinity is lowered. Here, the removal of the oxide layer can be performed using a hydrofluoric acid-based solution or hydrogen plasma.

その後、窒素などの不活性雰囲気中で500℃超過ベース基板歪み点未満で熱処理を行う。熱処理は抵抗加熱炉、RTA装置やマイクロ波加熱装置を用いることができる。なお、最大温度に上昇させる前に、成膜時の基板温度以上固相エピタキシャル成長が起こる温度未満で1時間から2時間程度保持しておくと好ましい。本実施の形態では抵抗加熱炉を用いて600℃の温度で1時間の熱処理を行う。これにより、非晶質シリコン層143が固相エピタキシャル成長する。本実施の形態により、厚さの厚い結晶シリコン層144を形成することができる(図3(D)参照。)。この際、針状結晶領域142は種結晶として機能し、上層の非晶質シリコン層143をエピタキシャル成長させることができる。 Thereafter, heat treatment is performed in an inert atmosphere such as nitrogen at a temperature exceeding 500 ° C. and below the base substrate strain point. For the heat treatment, a resistance heating furnace, an RTA apparatus, or a microwave heating apparatus can be used. In addition, before raising to the maximum temperature, it is preferable to hold for about 1 to 2 hours at a temperature equal to or higher than the substrate temperature at the time of film formation and below a temperature at which solid phase epitaxial growth occurs. In this embodiment, heat treatment is performed for 1 hour at a temperature of 600 ° C. using a resistance heating furnace. As a result, the amorphous silicon layer 143 undergoes solid phase epitaxial growth. According to this embodiment, a thick crystalline silicon layer 144 can be formed (see FIG. 3D). At this time, the needle crystal region 142 functions as a seed crystal, and the upper amorphous silicon layer 143 can be epitaxially grown.

当該レーザービーム照射により、単結晶シリコン層131の分離時に生じた表面凹凸を低減し、さらには水素イオン照射時に生じた結晶欠陥の回復ができる。そのため、結晶シリコン層144は平坦で結晶欠陥を少なくすることができる。本実施の形態で作製する半導体基板の結晶性について、実施例1にて後述する。 By the laser beam irradiation, surface irregularities generated when the single crystal silicon layer 131 is separated can be reduced, and further, crystal defects generated during the hydrogen ion irradiation can be recovered. Therefore, the crystalline silicon layer 144 is flat and crystal defects can be reduced. The crystallinity of the semiconductor substrate manufactured in this embodiment will be described later in Example 1.

以上により、平坦化かつ厚膜化された単結晶シリコン層を有する半導体基板を得ることができる。また、本実施の形態では、エピタキシャル成長するシリコン層の成長速度を大きくすることができる。また、表面の凹凸が少ないため、改めての表面研磨等の平坦化処理を行う必要がなく、半導体基板作製におけるスループットを向上することができる。 Through the above steps, a semiconductor substrate having a flat and thick single crystal silicon layer can be obtained. In this embodiment, the growth rate of the epitaxially grown silicon layer can be increased. In addition, since there are few surface irregularities, it is not necessary to perform another planarization process such as surface polishing, and the throughput in manufacturing a semiconductor substrate can be improved.

本実施の形態は、本明細書の他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments in this specification as appropriate.

(実施の形態3)
実施の形態1及び実施の形態2の方法で作製した半導体基板を用いて光電変換装置を作製する形態を示す。従って、実施の形態1、実施の形態2と同一部分または同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。
(Embodiment 3)
An embodiment in which a photoelectric conversion device is manufactured using the semiconductor substrate manufactured by the method of Embodiments 1 and 2 is described. Therefore, repetitive description of the same portions as in Embodiment Modes 1 and 2 or portions having similar functions is omitted.

図4(A)に、本実施の形態に係る光電変換装置200の上面の模式図(平面図)を示す。また、図4(B)に、本実施の形態に係る光電変換装置200の断面の模式図を示す。なお、図4(B)は、図4(A)中のO−P切断線に対応する断面図の一形態である。 FIG. 4A is a schematic diagram (plan view) of the top surface of the photoelectric conversion device 200 according to this embodiment. FIG. 4B is a schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion device 200 according to this embodiment. Note that FIG. 4B is an example of a cross-sectional view corresponding to the line OP cut in FIG.

本実施の形態で示す光電変換装置200は、ベース基板202上に、絶縁層204、第1の電極206、ユニットセル220が順に積層された構造を有している。ここで、ユニットセル220は、一導電型の第1の不純物半導体層208、単結晶シリコン層251、結晶シリコン層253、及び前記一導電型とは異なる導電型である第2の不純物半導体層214の積層構造となっている。 A photoelectric conversion device 200 described in this embodiment has a structure in which an insulating layer 204, a first electrode 206, and a unit cell 220 are sequentially stacked over a base substrate 202. Here, the unit cell 220 includes a first impurity semiconductor layer 208 having one conductivity type, a single crystal silicon layer 251, a crystal silicon layer 253, and a second impurity semiconductor layer 214 having a conductivity type different from the one conductivity type. It has a laminated structure.

上記第1の電極206のユニットセル220が形成されていない領域には、補助電極216が形成されており、これにより、電気エネルギーの外部への取り出しを可能としている。また、ユニットセル220上には第2の電極218が形成されている。つまり、電気エネルギーを外部に取り出すための電極は、ベース基板202の一方の面に露出するように形成されていることになる。なお、第2の電極218は、格子状(櫛状、櫛形、櫛歯状)になっている。このような形状とすることにより、ユニットセル220の受光面積を十分に大きくすることができる。 An auxiliary electrode 216 is formed in a region where the unit cell 220 of the first electrode 206 is not formed, thereby enabling extraction of electric energy to the outside. A second electrode 218 is formed on the unit cell 220. That is, the electrode for taking out electric energy to the outside is formed so as to be exposed on one surface of the base substrate 202. Note that the second electrode 218 has a lattice shape (comb shape, comb shape, comb tooth shape). By adopting such a shape, the light receiving area of the unit cell 220 can be sufficiently increased.

ベース基板202は、実施の形態1に示すベース基板130に列挙する絶縁表面を有する基板または絶縁基板を用いることができる。 As the base substrate 202, a substrate having an insulating surface listed in the base substrate 130 described in Embodiment 1 or an insulating substrate can be used.

絶縁層204はベース基板202と第1の電極206とを接着する機能を有している。この意味において、絶縁層204を接合層と呼ぶことができる。また、第1の電極206はユニットセル220と接して形成されているため、ユニットセル220は絶縁層204によってベース基板202に固定されることになる。 The insulating layer 204 has a function of bonding the base substrate 202 and the first electrode 206. In this sense, the insulating layer 204 can be referred to as a bonding layer. In addition, since the first electrode 206 is formed in contact with the unit cell 220, the unit cell 220 is fixed to the base substrate 202 by the insulating layer 204.

なお、絶縁層204のベース基板202(または第1の電極206)との貼り合わせに係る表面は、一定の平坦性を有していることが好ましい。一定の平坦性を有することにより、強固な貼り合わせが実現されるためである。例えば、平均面粗さ(Ra)が、0.5nm以下となるように絶縁層204を形成する。より好ましくは0.3nm以下である。 Note that the surface of the insulating layer 204 which is attached to the base substrate 202 (or the first electrode 206) preferably has a certain flatness. This is because strong bonding is realized by having a certain flatness. For example, the insulating layer 204 is formed so that the average surface roughness (Ra) is 0.5 nm or less. More preferably, it is 0.3 nm or less.

ユニットセル220において、第1の不純物半導体層208と、第2の不純物半導体層214は、所定の導電型を付与する不純物元素が添加されたシリコン層である。ここで、第1の不純物半導体層208と、第2の不純物半導体層214とは、異なる導電型が付与されている。つまり、第1の不純物半導体層208をp型とする場合には、第2の不純物半導体層214はn型となり、第1の不純物半導体層208をn型とする場合には、第2の不純物半導体層214はp型となる。p型を付与する不純物元素としてはホウ素、アルミニウムなどの第13族元素を用いることができ、n型を付与する不純物元素としてはリン、ヒ素などの第15族元素を用いることができる。 In the unit cell 220, the first impurity semiconductor layer 208 and the second impurity semiconductor layer 214 are silicon layers to which an impurity element imparting a predetermined conductivity type is added. Here, the first impurity semiconductor layer 208 and the second impurity semiconductor layer 214 have different conductivity types. That is, when the first impurity semiconductor layer 208 is p-type, the second impurity semiconductor layer 214 is n-type, and when the first impurity semiconductor layer 208 is n-type, the second impurity semiconductor layer 208 is n-type. The semiconductor layer 214 is p-type. As the impurity element imparting p-type, a Group 13 element such as boron or aluminum can be used. As the impurity element imparting n-type, a Group 15 element such as phosphorus or arsenic can be used.

単結晶シリコン層251は、単結晶シリコン基板を分割して形成することができる。例えば、単結晶シリコン基板中に水素などのイオンを高濃度に導入することで脆化領域を形成し、単結晶基板とベース基板とを貼り合わせた後で、該脆化領域において単結晶シリコン基板を分割しベース基板に転写する。その後レーザービーム照射を行うことで単結晶シリコン層251を形成することができる。上記の単結晶シリコン基板としては、単結晶シリコンウエハを用いればよい。なお、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法として、上記方法の代わりに以下の方法を用いることができる。単結晶シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を形成する。次に、当該多孔質シリコン層上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。次に、単結晶シリコン層上に酸化シリコン層を形成する。次に、ベース基板及び酸化シリコン層を貼り合わせた後、ウォータージェットなどで単結晶基板から単結晶シリコン層を分離する方法を用いて、ベース基板上に単結晶シリコン層251を形成してもよい。レーザービームとしては、例えば、XeClエキシマレーザーやYAGレーザーの第2高調波を適用することが好ましい。 The single crystal silicon layer 251 can be formed by dividing a single crystal silicon substrate. For example, after an ion such as hydrogen is introduced into a single crystal silicon substrate at a high concentration to form an embrittlement region, the single crystal substrate and the base substrate are bonded together, and then the single crystal silicon substrate is formed in the embrittlement region Is divided and transferred to the base substrate. After that, the single crystal silicon layer 251 can be formed by laser beam irradiation. As the single crystal silicon substrate, a single crystal silicon wafer may be used. Note that as a method for providing a single crystal silicon layer over a base substrate, the following method can be used instead of the above method. A porous silicon layer is formed by anodizing the surface of the single crystal silicon substrate. Next, a single crystal silicon layer is epitaxially grown on the porous silicon layer. Next, a silicon oxide layer is formed over the single crystal silicon layer. Next, after the base substrate and the silicon oxide layer are bonded to each other, the single crystal silicon layer 251 may be formed over the base substrate by a method of separating the single crystal silicon layer from the single crystal substrate with a water jet or the like. . As the laser beam, for example, it is preferable to apply a second harmonic of a XeCl excimer laser or a YAG laser.

結晶シリコン層253は、単結晶シリコン層251上に形成したシリコン層を元に形成する。具体的には、該シリコン層に加熱処理を施して、単結晶シリコン層251を種結晶とするエピタキシャル成長を進行させて結晶シリコン層253を形成する。 The crystalline silicon layer 253 is formed based on a silicon layer formed over the single crystal silicon layer 251. Specifically, the silicon layer is subjected to heat treatment, and epitaxial growth using the single crystal silicon layer 251 as a seed crystal proceeds to form the crystalline silicon layer 253.

ここで、結晶シリコン層253となるシリコン層は、実施の形態1で、図2(C)に示した結晶シリコン層134と同様の方法で形成する。 Here, the silicon layer to be the crystalline silicon layer 253 is formed by a method similar to that of the crystalline silicon layer 134 illustrated in FIG.

光電変換効率を考慮すると、単結晶シリコン層251と結晶シリコン層253とを合わせた厚さは800nm以上とし、好ましくは10μm以上とする。単結晶シリコン層251の厚さは、10nm以上500nm以下とすればよく、好ましくは50nm以上200nm以下程度とし、結晶シリコン層253の厚さは300nm以上、好ましくは10μm以上とする。 In consideration of photoelectric conversion efficiency, the combined thickness of the single crystal silicon layer 251 and the crystal silicon layer 253 is 800 nm or more, preferably 10 μm or more. The thickness of the single crystal silicon layer 251 may be 10 nm or more and 500 nm or less, preferably about 50 nm or more and 200 nm or less, and the thickness of the crystalline silicon layer 253 is 300 nm or more, preferably 10 μm or more.

なお、上記単結晶シリコン層251と結晶シリコン層253の導電型は異なる場合がある。例えば、p型の単結晶シリコン基板を用いて作製した単結晶シリコン層251はp型となり、n型の単結晶シリコン基板を用いて作製した単結晶シリコン層251はn型となる。一方で、結晶シリコン層253は、形成の際の原料ガスに導電型を付与する不純物を含まない場合にはi型(真性半導体)となる。 Note that the single crystal silicon layer 251 and the crystalline silicon layer 253 may have different conductivity types. For example, a single crystal silicon layer 251 manufactured using a p-type single crystal silicon substrate is p-type, and a single crystal silicon layer 251 manufactured using an n-type single crystal silicon substrate is n-type. On the other hand, the crystalline silicon layer 253 is i-type (intrinsic semiconductor) when an impurity imparting conductivity type is not included in the source gas at the time of formation.

次に、本実施の形態に係る光電変換装置200の製造方法の一例について、図5乃至図7を参照して説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device 200 according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

はじめに、単結晶シリコン基板203を準備する。該単結晶シリコン基板203は、その一表面から所定の深さの領域に脆化領域205が形成され、一表面付近には第1の不純物半導体層208が形成されている。また、単結晶シリコン基板203の一表面上(第1の不純物半導体層208上)には第1の電極206と絶縁層204が順に形成されている(図5(E)参照。)。 First, a single crystal silicon substrate 203 is prepared. In the single crystal silicon substrate 203, an embrittled region 205 is formed in a region having a predetermined depth from one surface thereof, and a first impurity semiconductor layer 208 is formed in the vicinity of the one surface. A first electrode 206 and an insulating layer 204 are sequentially formed over one surface of the single crystal silicon substrate 203 (on the first impurity semiconductor layer 208) (see FIG. 5E).

脆化領域205、第1の不純物半導体層208、第1の電極206、絶縁層204の形成順序は特に限定されず、例えば、以下の(1)乃至(4)に示す順序を採用することができる。 The formation order of the embrittlement region 205, the first impurity semiconductor layer 208, the first electrode 206, and the insulating layer 204 is not particularly limited, and for example, the order shown in the following (1) to (4) may be adopted. it can.

(1)単結晶シリコン基板の一表面上に保護層を形成し、該保護層の表面から一導電型を付与する不純物元素を照射して単結晶シリコン基板の一表面側に第1の不純物半導体層を形成した後、保護層の表面からイオンを照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成する。保護層を除去した後、第1の不純物半導体層上に第1の電極を形成し、該第1の電極上に絶縁層を形成する。 (1) A protective layer is formed on one surface of a single crystal silicon substrate, and an impurity element imparting one conductivity type is irradiated from the surface of the protective layer to form a first impurity semiconductor on one surface side of the single crystal silicon substrate. After the layer is formed, ions are irradiated from the surface of the protective layer to form an embrittled region in a region having a predetermined depth of the single crystal silicon substrate. After the protective layer is removed, a first electrode is formed over the first impurity semiconductor layer, and an insulating layer is formed over the first electrode.

(2)単結晶シリコン基板の一表面上に保護層を形成し、該保護層の表面にイオン照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成した後、保護層の表面から一導電型を付与する不純物元素を照射して単結晶シリコン基板の一表面側に第1の不純物半導体層を形成する。保護層を除去した後、第1の不純物半導体層上に第1の電極を形成し、該第1の電極上に絶縁層を形成する。 (2) After forming a protective layer on one surface of the single crystal silicon substrate and irradiating the surface of the protective layer with ions to form an embrittled region in a predetermined depth region of the single crystal silicon substrate, the protective layer A first impurity semiconductor layer is formed on one surface side of the single crystal silicon substrate by irradiating an impurity element imparting one conductivity type from the surface. After the protective layer is removed, a first electrode is formed over the first impurity semiconductor layer, and an insulating layer is formed over the first electrode.

(3)単結晶シリコン基板の一表面上に第1の電極を形成する。該第1の電極の表面にイオンを照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成する。さらに、第1の電極の表面に一導電型を付与する不純物元素を照射して、単結晶シリコン基板の一表面側に第1の不純物半導体層を形成する。その後、第1の電極上に絶縁層を形成する。 (3) A first electrode is formed on one surface of the single crystal silicon substrate. The surface of the first electrode is irradiated with ions to form an embrittled region in a region having a predetermined depth of the single crystal silicon substrate. Further, the surface of the first electrode is irradiated with an impurity element imparting one conductivity type, so that a first impurity semiconductor layer is formed on one surface side of the single crystal silicon substrate. After that, an insulating layer is formed over the first electrode.

(4)単結晶シリコン基板の一表面上に第1の電極を形成する。該第1の電極の表面に一導電型を付与する不純物元素を照射して、単結晶シリコン基板の一表面側に第1の不純物半導体層を形成する。さらに、第1の電極の表面にイオンを照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成した後、第1の電極上に絶縁層を形成する。 (4) A first electrode is formed on one surface of the single crystal silicon substrate. The surface of the first electrode is irradiated with an impurity element imparting one conductivity type, and a first impurity semiconductor layer is formed on one surface side of the single crystal silicon substrate. Further, ions are irradiated onto the surface of the first electrode to form an embrittled region in a region having a predetermined depth of the single crystal silicon substrate, and then an insulating layer is formed over the first electrode.

なお、本実施の形態では、上記(1)の場合について、図5を用いて説明する。 In the present embodiment, the case (1) will be described with reference to FIG.

まず、単結晶シリコン基板203の一表面上に保護層207を形成する。そして、保護層207の表面に一導電型を付与する不純物元素230を照射する(図5(A)参照。)。この結果、単結晶シリコン基板203に不純物元素230を添加して、第1の不純物半導体層208を形成することができる(図5(B)参照。)。 First, the protective layer 207 is formed over one surface of the single crystal silicon substrate 203. Then, the surface of the protective layer 207 is irradiated with an impurity element 230 imparting one conductivity type (see FIG. 5A). As a result, the first impurity semiconductor layer 208 can be formed by adding the impurity element 230 to the single crystal silicon substrate 203 (see FIG. 5B).

単結晶シリコン基板203の平面形状は特に限定されないが、後に固定するベース基板が矩形の場合には、単結晶シリコン基板203も矩形とすることが望ましい。また、単結晶シリコン基板203の表面は、鏡面研磨されていることが望ましい。 The planar shape of the single crystal silicon substrate 203 is not particularly limited, but when the base substrate to be fixed later is rectangular, the single crystal silicon substrate 203 is preferably rectangular. The surface of the single crystal silicon substrate 203 is preferably mirror-polished.

保護層207としては、酸化シリコンまたは窒化シリコンを用いることが好ましい。作製方法としては、例えば、PECVD法やスパッタリング法などを用いればよい。また、酸化性の薬液や酸素ラジカルにより単結晶シリコン基板203の表面を酸化処理することで、保護層207を形成することができる。または、熱酸化法により単結晶シリコン基板203の表面を酸化して保護層207を形成してもよい。保護層207を形成することで、単結晶シリコン基板203に脆化領域を形成する際、または単結晶シリコン基板203に一導電型を付与する不純物元素230を添加する際に、単結晶シリコン基板203の表面が損傷することを防ぐことができる。 As the protective layer 207, silicon oxide or silicon nitride is preferably used. As a manufacturing method, for example, a PECVD method or a sputtering method may be used. Further, the protective layer 207 can be formed by oxidizing the surface of the single crystal silicon substrate 203 with an oxidizing chemical solution or oxygen radical. Alternatively, the protective layer 207 may be formed by oxidizing the surface of the single crystal silicon substrate 203 by a thermal oxidation method. By forming the protective layer 207, when the embrittlement region is formed in the single crystal silicon substrate 203 or when the impurity element 230 imparting one conductivity type is added to the single crystal silicon substrate 203, the single crystal silicon substrate 203 is formed. It is possible to prevent the surface of the glass from being damaged.

第1の不純物半導体層208は、単結晶シリコン基板203に一導電型を付与する不純物元素230を添加することで形成される。なお、単結晶シリコン基板203上には保護層207が形成されているため、一導電型を付与する不純物元素230は保護層207を通過して単結晶シリコン基板203に添加されることになる。ここで、第1の不純物半導体層208の厚さは、10nm乃至150nm、好ましくは10nm乃至50nmとする。 The first impurity semiconductor layer 208 is formed by adding an impurity element 230 imparting one conductivity type to the single crystal silicon substrate 203. Note that since the protective layer 207 is formed over the single crystal silicon substrate 203, the impurity element 230 imparting one conductivity type passes through the protective layer 207 and is added to the single crystal silicon substrate 203. Here, the thickness of the first impurity semiconductor layer 208 is 10 nm to 150 nm, preferably 10 nm to 50 nm.

上記一導電型を付与する不純物元素230としては、例えば、ホウ素を用いる。これにより、p型の第1の不純物半導体層208を形成することができる。なお、第1の不純物半導体層208は、熱拡散法により形成することもできる。ただし、熱拡散法では、900℃程度またはそれ以上の高温処理が行われるため、脆化領域を形成する前に行うことが必要となる。 As the impurity element 230 imparting one conductivity type, for example, boron is used. Thus, the p-type first impurity semiconductor layer 208 can be formed. Note that the first impurity semiconductor layer 208 can also be formed by a thermal diffusion method. However, in the thermal diffusion method, high-temperature treatment at about 900 ° C. or higher is performed, and therefore, it is necessary to perform it before forming the embrittled region.

上記の方法で形成される第1の不純物半導体層208は、光入射面とは反対側の面に配置されることになる。ここで、単結晶シリコン基板203としてp型基板を用いる場合には、第1の不純物半導体層208は、高濃度のp型領域となる。これにより、光入射面とは反対側から、高濃度p型領域と低濃度p型領域が順に配置されることになり、裏面電界(BSF;Back Surface Field)が形成される。すなわち、高濃度p型領域には電子が入り込むことができず、光励起により生じたキャリアの再結合を低減することができる。 The first impurity semiconductor layer 208 formed by the above method is disposed on the surface opposite to the light incident surface. Here, in the case where a p-type substrate is used as the single crystal silicon substrate 203, the first impurity semiconductor layer 208 is a high-concentration p-type region. As a result, the high-concentration p-type region and the low-concentration p-type region are sequentially arranged from the side opposite to the light incident surface, and a back surface field (BSF) is formed. That is, electrons cannot enter the high-concentration p-type region, and carrier recombination caused by photoexcitation can be reduced.

次に、保護層207の表面にイオン240を照射する(図5(C)参照。)。この結果、単結晶シリコン基板203中に脆化領域205を形成することができる(図5(D)参照。)。ここで、イオン240としては、水素を含む原料ガスを用いて生成するイオン(特に、H、H 、H など)を用いることが好ましい。なお、脆化領域205が形成される深さは、イオン240を照射する際の加速電圧によって制御される。また、脆化領域205を形成する深さによって単結晶シリコン基板203から分離される単結晶シリコン層の厚さが決定される。 Next, the surface of the protective layer 207 is irradiated with ions 240 (see FIG. 5C). As a result, the embrittled region 205 can be formed in the single crystal silicon substrate 203 (see FIG. 5D). Here, as the ions 240, it is preferable to use ions generated using a source gas containing hydrogen (in particular, H + , H 2 + , H 3 + and the like). Note that the depth at which the embrittled region 205 is formed is controlled by the acceleration voltage when the ions 240 are irradiated. Further, the thickness of the single crystal silicon layer separated from the single crystal silicon substrate 203 is determined by the depth at which the embrittlement region 205 is formed.

脆化領域205は、単結晶シリコン基板203の表面(正確には、第1の不純物半導体層208の表面)から500nm以下の深さ、好ましくは400nm以下の深さ、より好ましくは50nm以上300nm以下の深さに形成する。脆化領域205を浅い領域に形成することで、分離後の単結晶シリコン基板が厚く残存するため、単結晶シリコン基板の繰り返し利用回数を増加させることができる。ただし、脆化領域205を浅い領域に形成する場合には、加速電圧を低くすることになるため、生産性などについての考慮が必要となる。 The embrittlement region 205 has a depth of 500 nm or less, preferably a depth of 400 nm or less, more preferably 50 nm or more and 300 nm or less from the surface of the single crystal silicon substrate 203 (more precisely, the surface of the first impurity semiconductor layer 208). To a depth of. When the embrittled region 205 is formed in a shallow region, the separated single crystal silicon substrate remains thick, so that the number of times the single crystal silicon substrate is repeatedly used can be increased. However, in the case where the embrittled region 205 is formed in a shallow region, the acceleration voltage is lowered, so it is necessary to consider productivity and the like.

上記イオン240の照射は、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置は通常、質量分離を伴わないため、単結晶シリコン基板203が大型化しても、単結晶シリコン基板203の全面に均一にイオン240を照射することができる。 The irradiation with the ions 240 can be performed using an ion doping apparatus or an ion implantation apparatus. Since an ion doping apparatus usually does not involve mass separation, even if the single crystal silicon substrate 203 is enlarged, the entire surface of the single crystal silicon substrate 203 can be irradiated with ions 240 uniformly.

なお、第1の不純物半導体層208を通じて上記のイオン240を照射することになるため、第1の不純物半導体層208の水素化を兼ねることもできる。 Note that since the ions 240 are irradiated through the first impurity semiconductor layer 208, the first impurity semiconductor layer 208 can also be hydrogenated.

上記脆化領域205の形成後、保護層207を除去して、第1の不純物半導体層208上に第1の電極206及び絶縁層204を形成する(図5(E)参照。)。 After the embrittlement region 205 is formed, the protective layer 207 is removed, and the first electrode 206 and the insulating layer 204 are formed over the first impurity semiconductor layer 208 (see FIG. 5E).

ここで、第1の電極206は、後の工程における熱処理に耐え得るものとする必要がある。このため、第1の電極206は、高融点金属材料を用いて形成することが好ましい。例えば、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、クロム、ニッケルなどを用いることができる。また、前述の金属材料と、前述の金属材料の窒化物との積層構造としてもよい。例えば、窒化チタン層とチタン層の積層構造、窒化タンタル層とタンタル層の積層構造、窒化タングステン層とタングステン層の積層構造などを用いることができる。上記のような窒化物との積層構造とする場合には、第1の不純物半導体層208と接するように窒化物を形成するとよい。このように窒化物を形成することで、第1の電極206と第1の不純物半導体層208との密着性を向上させることができる。なお、第1の電極206は、蒸着法やスパッタリング法を用いて形成することができる。また、その厚さは30nm以上とすることが好ましい。 Here, the first electrode 206 needs to be able to withstand heat treatment in a later step. Therefore, the first electrode 206 is preferably formed using a refractory metal material. For example, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, chromium, nickel, or the like can be used. Alternatively, a stacked structure of the above metal material and a nitride of the above metal material may be employed. For example, a stacked structure of a titanium nitride layer and a titanium layer, a stacked structure of a tantalum nitride layer and a tantalum layer, a stacked structure of a tungsten nitride layer and a tungsten layer, or the like can be used. In the case of using a stacked structure of nitride as described above, nitride is preferably formed so as to be in contact with the first impurity semiconductor layer 208. By forming nitride in this manner, adhesion between the first electrode 206 and the first impurity semiconductor layer 208 can be improved. Note that the first electrode 206 can be formed by an evaporation method or a sputtering method. The thickness is preferably 30 nm or more.

絶縁層204は実施の形態1に示す絶縁層101と同様に形成することができる。 The insulating layer 204 can be formed in a manner similar to that of the insulating layer 101 described in Embodiment 1.

なお、第1の電極206の表面が一定の平坦性を有する場合、具体的には、平均面粗さ(Ra)が0.5nm以下(好ましくは0.3nm以下)である場合には、絶縁層204を形成しなくとも貼り合わせ可能な場合がある。この場合には、絶縁層204を形成しない構成としてもよい。 Note that when the surface of the first electrode 206 has a certain flatness, specifically, when the average surface roughness (Ra) is 0.5 nm or less (preferably 0.3 nm or less), insulation is performed. In some cases, the layers 204 can be attached without being formed. In this case, the insulating layer 204 may not be formed.

次に、上記絶縁層204の一表面とベース基板202の一表面を密着させて加圧することで、単結晶シリコン基板203を含む積層構造と、ベース基板202とを貼り合わせる(図6(A)参照。)。 Next, the surface of the insulating layer 204 and the surface of the base substrate 202 are brought into close contact with each other and pressed, so that the stacked structure including the single crystal silicon substrate 203 is bonded to the base substrate 202 (FIG. 6A). reference.).

この際、貼り合わせに係る面(ここでは、絶縁層204の一表面とベース基板202の一表面)は十分に清浄化しておく。貼り合わせに係る面に微小なゴミや有機汚染などが存在すると、貼り合わせ不良の発生確率が高まるためである。 At this time, surfaces to be bonded (here, one surface of the insulating layer 204 and one surface of the base substrate 202) are sufficiently cleaned. This is because if there is minute dust or organic contamination on the surface related to the bonding, the probability of occurrence of bonding failure increases.

なお、ベース基板202上に窒化シリコン層や窒化酸化シリコン層などの窒素を含有するシリコン絶縁層を形成し、これを絶縁層204と密着させる構成としてもよい。この場合にも、ベース基板202からのアルカリ金属やアルカリ土類金属などによる半導体の汚染を防止できる。 Note that a silicon insulating layer containing nitrogen such as a silicon nitride layer or a silicon nitride oxide layer may be formed over the base substrate 202 and may be in close contact with the insulating layer 204. Also in this case, the contamination of the semiconductor by the alkali metal or alkaline earth metal from the base substrate 202 can be prevented.

次に、熱処理を施して、貼り合わせ強度を高める。この際の温度は、脆化領域205における分離が進行しない条件とする必要がある。例えば、400℃未満、好ましくは300℃以下とすることができる。熱処理時間については特に限定されず、処理速度と貼り合わせ強度との関係から最適な条件を適宜設定すればよい。一例としては、200℃、2時間の程度の熱処理条件を採用することができる。ここで、貼り合わせに係る領域のみにマイクロ波を照射して、局所的な熱処理を行うことも可能である。なお、貼り合わせ強度に問題がない場合は、上記加熱処理を省略してもよい。 Next, heat treatment is performed to increase the bonding strength. The temperature at this time needs to be set so that the separation in the embrittled region 205 does not proceed. For example, it can be less than 400 ° C, preferably 300 ° C or less. The heat treatment time is not particularly limited, and optimal conditions may be set as appropriate based on the relationship between the processing speed and the bonding strength. As an example, heat treatment conditions of about 200 ° C. for 2 hours can be employed. Here, it is also possible to perform local heat treatment by irradiating only the region related to bonding with microwaves. Note that the heat treatment may be omitted when there is no problem in the bonding strength.

次に、脆化領域205にて、単結晶シリコン基板203から単結晶シリコン層210を分離する(図6(B)参照。)。単結晶シリコン基板203の分離は、熱処理により行う。該熱処理の温度は、ベース基板202の耐熱温度を目安にすることができる。例えば、ベース基板202としてガラス基板を用いる場合には、熱処理温度は400℃以上650℃以下とすることが好ましい。ただし、短時間であれば、400℃以上700℃以下の熱処理を行ってもよい。もちろん、ガラス基板の耐熱温度が700℃より高い場合には、熱処理温度を700℃より高く設定してもよい。 Next, the single crystal silicon layer 210 is separated from the single crystal silicon substrate 203 in the embrittlement region 205 (see FIG. 6B). The single crystal silicon substrate 203 is separated by heat treatment. The heat treatment temperature can be based on the heat resistant temperature of the base substrate 202. For example, when a glass substrate is used as the base substrate 202, the heat treatment temperature is preferably 400 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. However, if it is a short time, you may perform the heat processing of 400 to 700 degreeC. Of course, when the heat resistant temperature of the glass substrate is higher than 700 ° C., the heat treatment temperature may be set higher than 700 ° C.

上述のような熱処理を行うことで、脆化領域205に形成された微小な空孔の体積変化が生じ、脆化領域205に亀裂が生ずる。その結果、脆化領域205に沿って単結晶シリコン基板203が分割される。絶縁層204はベース基板202と貼り合わせられているので、ベース基板202上には単結晶シリコン基板203から分離された単結晶シリコン層210が残存することになる。また、この熱処理で、ベース基板202と絶縁層204の貼り合わせに係る界面が加熱されるため、貼り合わせに係る界面に共有結合が形成され、ベース基板202と絶縁層204の結合力が一層向上する。 By performing the heat treatment as described above, a volume change of minute holes formed in the embrittled region 205 occurs, and a crack occurs in the embrittled region 205. As a result, the single crystal silicon substrate 203 is divided along the embrittled region 205. Since the insulating layer 204 is bonded to the base substrate 202, the single crystal silicon layer 210 separated from the single crystal silicon substrate 203 remains on the base substrate 202. In addition, this heat treatment heats the interface related to the bonding between the base substrate 202 and the insulating layer 204, so that a covalent bond is formed at the interface related to the bonding and the bonding force between the base substrate 202 and the insulating layer 204 is further improved. To do.

なお、単結晶シリコン層210と第1の不純物半導体層208を合わせた厚さは、脆化領域205が形成される深さにほぼ対応しており、500nm以下、好ましくは400nm以下、より好ましくは50nm以上300nm以下となる。 Note that the total thickness of the single crystal silicon layer 210 and the first impurity semiconductor layer 208 substantially corresponds to the depth at which the embrittlement region 205 is formed, and is 500 nm or less, preferably 400 nm or less, more preferably 50 nm or more and 300 nm or less.

以上の工程により、ベース基板202上に固定された単結晶シリコン層210を得ることができる。なお、分離した単結晶シリコン基板203は、再生処理を行った後、再利用することができる。再生処理後の単結晶シリコン基板203は、単結晶シリコン層を得るための基板として用いてもよいし、その他の用途に用いてもよい。単結晶シリコン層を得るための基板として用いる場合には、1枚の単結晶シリコン基板から複数の光電変換装置を製造できることになる。 Through the above steps, the single crystal silicon layer 210 fixed over the base substrate 202 can be obtained. Note that the separated single crystal silicon substrate 203 can be reused after being subjected to a regeneration process. The single crystal silicon substrate 203 after the regeneration treatment may be used as a substrate for obtaining a single crystal silicon layer, or may be used for other purposes. When used as a substrate for obtaining a single crystal silicon layer, a plurality of photoelectric conversion devices can be manufactured from one single crystal silicon substrate.

次に、単結晶シリコン層210に対し、レーザービーム250を照射する(図6(C)参照。)この結果、単結晶シリコン層210の少なくとも表面側は溶融し、固相状態の下層部をシード層として、その後の冷却過程で再結晶化する(図6(D)参照。)。その過程で、単結晶シリコン層210を平坦化し結晶欠陥を回復した単結晶シリコン層251を形成することができる。レーザービーム250としては、例えば、XeClエキシマレーザーやYAGレーザーの第2高調波を適用することが好ましい。 Next, the single crystal silicon layer 210 is irradiated with a laser beam 250 (see FIG. 6C). As a result, at least the surface side of the single crystal silicon layer 210 is melted, and the lower layer portion in the solid phase is seeded. As a layer, it is recrystallized in the subsequent cooling process (see FIG. 6D). In that process, the single crystal silicon layer 251 in which the single crystal silicon layer 210 is planarized and crystal defects are recovered can be formed. As the laser beam 250, for example, it is preferable to apply a second harmonic of a XeCl excimer laser or a YAG laser.

単結晶シリコン層210の結晶欠陥を低減する方法としてレーザービーム処理を適用すると、ベース基板202が直接加熱されず、該ベース基板202の温度上昇を抑えることができるため好ましい。特に、ベース基板202として耐熱性の低いガラス基板を適用する場合には、レーザービーム処理による結晶欠陥回復が好適である。 Applying laser beam treatment as a method for reducing crystal defects in the single crystal silicon layer 210 is preferable because the base substrate 202 is not directly heated and an increase in temperature of the base substrate 202 can be suppressed. In particular, when a glass substrate with low heat resistance is applied as the base substrate 202, crystal defect recovery by laser beam treatment is preferable.

また、上記レーザービーム処理のとき、少なくともレーザービームの照射領域は250℃乃至600℃の温度に加熱されていることが好ましい。照射領域を加熱しておくことで、レーザービームの照射による溶融時間を長くすることができ、欠陥の回復を効果的に行うことができる。レーザービーム250は単結晶シリコン層210の表面側を溶融させるものの、ベース基板202はほとんど加熱されないので、ガラス基板のような耐熱性の低いベース基板を用いることが可能になる。 In the laser beam treatment, it is preferable that at least a laser beam irradiation region is heated to a temperature of 250 ° C. to 600 ° C. By heating the irradiation region, the melting time by the laser beam irradiation can be lengthened, and the defect can be effectively recovered. Although the laser beam 250 melts the surface side of the single crystal silicon layer 210, the base substrate 202 is hardly heated, so that a base substrate with low heat resistance such as a glass substrate can be used.

次に、単結晶シリコン層251上に針状結晶領域252及び非晶質シリコン層211から成るシリコン層256を形成する(図6(E)参照。)。シリコン層256を形成する際、気相エピタキシャル成長にて単結晶シリコン層251上に針状結晶領域252が形成される。針状結晶領域252は、成長途中で気相エピタキシャル成長が止まり、途中から非晶質シリコン層211が成長する。これは、ベース基板に耐熱性の低いガラス基板などを用いた場合、完全に気相成長させるほどの高温成膜ができないためである。この場合、針状結晶領域252は、単結晶シリコン層251と同じ結晶方位であるシリコン層となる。なお、ここで発生させるプラズマは、例えばRF(3〜30MHz、代表的には13.56MHz、27.12MHz)プラズマ、VHFプラズマ(30MHz〜300MHz、代表的には60MHz)、マイクロ波(1Ghz以上、代表的には2.45GHz)プラズマを用いることができる。また、プラズマはパルス発振により発生させることが好ましい。 Next, a silicon layer 256 including a needle crystal region 252 and an amorphous silicon layer 211 is formed over the single crystal silicon layer 251 (see FIG. 6E). When the silicon layer 256 is formed, the needle crystal region 252 is formed on the single crystal silicon layer 251 by vapor phase epitaxial growth. The acicular crystal region 252 stops vapor phase epitaxial growth during the growth, and the amorphous silicon layer 211 grows from the middle. This is because when a glass substrate having low heat resistance is used as the base substrate, film formation at a high temperature sufficient for complete vapor phase growth cannot be performed. In this case, the needle crystal region 252 is a silicon layer having the same crystal orientation as that of the single crystal silicon layer 251. Note that plasma generated here is, for example, RF (3 to 30 MHz, typically 13.56 MHz, 27.12 MHz) plasma, VHF plasma (30 MHz to 300 MHz, typically 60 MHz), microwave (1 Ghz or more, Plasma (typically 2.45 GHz) can be used. The plasma is preferably generated by pulse oscillation.

シリコン層256は、シリコンを含む堆積性ガス、例えばSiHのみで形成する。このとき、電力密度は612mW/cm未満とする。好ましくは102mW/cm以上255mW/cm以下とする。例えば、60MHzの高周波電源を用いることができる。このとき、基板温度を280℃超過ベース基板の歪み点未満、好ましくは400℃以上ベース基板の歪み点未満とすることで、ベース基板202表面で成膜種のマイグレーションが起きやすくなり、単結晶シリコン層251と同じ結晶方位である針状結晶領域252を形成することができる。一方、電力密度が612mW/cm以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。そのため、電力密度は基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間に対し、十分堆積速度が遅くなるようにする。ただし、電力密度が小さすぎると、厚さを十分厚くするための時間が長くなるため、電力密度を制御することが望ましい。 The silicon layer 256 is formed only with a deposition gas containing silicon, for example, SiH 4 . At this time, the power density is less than 612 mW / cm 2 . Preferably, it is 102 mW / cm 2 or more and 255 mW / cm 2 or less. For example, a high frequency power source of 60 MHz can be used. At this time, when the substrate temperature is higher than 280 ° C. and lower than the strain point of the base substrate, preferably 400 ° C. or higher and lower than the strain point of the base substrate, migration of the film formation species easily occurs on the surface of the base substrate 202, and single crystal silicon A needle crystal region 252 having the same crystal orientation as the layer 251 can be formed. On the other hand, when the power density is 612 mW / cm 2 or more, the deposition rate exceeds the time until the crystal region is formed due to migration of the film formation species on the substrate surface, and the acicular crystal region cannot be formed. Therefore, the power density is set such that the deposition rate is sufficiently slow with respect to the time until the crystal region is formed by migration of the film formation species on the substrate surface. However, if the power density is too small, it takes a long time to make the thickness sufficiently thick, so it is desirable to control the power density.

なお、非晶質シリコン層中に含有させた水素の存在により、固相エピタキシャル成長時のシリコンの再配列を円滑に進行させることができる。シリコンを含む堆積性ガスを水素希釈すると、シリコンに結合された水素原子が脱離しやすくなり、非晶質シリコン層中の水素量が少なくなってしまう。したがって、水素希釈またはその他のガスで希釈しないことで、形成した非晶質シリコン層中に水素を含有させるとよい。シリコンを含む堆積性ガスとしては、上記のSiHを用いることに限定されず、SiやSiFを用いてもよい。 Note that due to the presence of hydrogen contained in the amorphous silicon layer, the rearrangement of silicon during solid phase epitaxial growth can proceed smoothly. When the deposition gas containing silicon is diluted with hydrogen, hydrogen atoms bonded to silicon are easily desorbed, and the amount of hydrogen in the amorphous silicon layer is reduced. Therefore, it is preferable that hydrogen be contained in the formed amorphous silicon layer by not diluting with hydrogen or other gas. The deposition gas containing silicon is not limited to using SiH 4 described above, and Si 2 H 6 or SiF 6 may be used.

このとき、非晶質シリコン層211中の平均水素濃度を2×1018atoms/cm以上3.5×1021atoms/cm未満とすると、固相エピタキシャル成長が進行しやすく、かつ非晶質シリコン層211の歪みを低減し、剥離を抑制することができて好ましい。 At this time, if the average hydrogen concentration in the amorphous silicon layer 211 is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 , solid-phase epitaxial growth is likely to proceed, and the amorphous silicon layer 211 is amorphous. This is preferable because distortion of the silicon layer 211 can be reduced and peeling can be suppressed.

PECVD法を用いて、シリコン層256を形成する際のその他の条件は、チャンバー内圧力が150Pa、電極間隔が10mm、SiHガス流量が800sccmである。なお、上記の形成条件は一例に過ぎず、本実施の形態はこれに限定して解釈されるものではない。 Other conditions for forming the silicon layer 256 using the PECVD method are a chamber internal pressure of 150 Pa, an electrode interval of 10 mm, and a SiH 4 gas flow rate of 800 sccm. Note that the above formation conditions are merely examples, and the present embodiment is not construed as being limited thereto.

なお、シリコン層256の形成を行う前に、単結晶シリコン層251の表面に形成されている自然酸化層などは除去しておくことが好ましい。 Note that a natural oxide layer or the like formed over the surface of the single crystal silicon layer 251 is preferably removed before the silicon layer 256 is formed.

その後、窒素などの不活性雰囲気中で500℃超過ベース基板歪み点未満で熱処理を行う。熱処理は抵抗加熱炉、RTA装置やマイクロ波加熱装置を用いることができる。なお、最大温度に上昇させる前に、成膜時の基板温度以上固相エピタキシャル成長が起こる温度未満で1時間から2時間程度保持しておくと好ましい。本実施の形態では抵抗加熱炉を用いて600℃の温度で1時間熱処理を行う。これにより、非晶質シリコン層211が固相エピタキシャル成長する。本実施の形態により、厚さの厚い結晶シリコン層253を形成することができる(図7(A)参照。)。この際、針状結晶領域252は種結晶として機能し、上層の非晶質シリコン層211を固相エピタキシャル成長させることができる。 Thereafter, heat treatment is performed in an inert atmosphere such as nitrogen at a temperature exceeding 500 ° C. and below the base substrate strain point. For the heat treatment, a resistance heating furnace, an RTA apparatus, or a microwave heating apparatus can be used. In addition, before raising to the maximum temperature, it is preferable to hold for about 1 to 2 hours at a temperature equal to or higher than the substrate temperature at the time of film formation and below a temperature at which solid phase epitaxial growth occurs. In this embodiment, heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. for 1 hour using a resistance heating furnace. Thereby, the amorphous silicon layer 211 is solid phase epitaxially grown. According to this embodiment, a thick crystalline silicon layer 253 can be formed (see FIG. 7A). At this time, the needle-like crystal region 252 functions as a seed crystal, and the upper amorphous silicon layer 211 can be solid-phase epitaxially grown.

以上により、単結晶シリコン層251と結晶シリコン層253の積層構造が形成される。ここで、光電変換効率を考慮すると、光電変換装置には800nm以上の厚さの結晶性の高いシリコン層が要求される。このため、例えば、単結晶シリコン層251の厚さを300nmとする場合には、結晶シリコン層253を少なくとも500nm以上とすることが好ましい。ここで、500nm以上の厚さの結晶シリコン層253を形成するために、気相エピタキシャル成長法のみを用いることは、形成速度の点から好ましくない。一方で、固相エピタキシャル成長法のみを用いて結晶シリコン層253を形成する場合には、固相成長の際の熱処理などに起因して半導体層の剥離の問題が生じることになる。これは、形成直後のシリコン層(例えば、非晶質シリコン層)が多量の水素を含有することに起因する。 Thus, a stacked structure of the single crystal silicon layer 251 and the crystal silicon layer 253 is formed. Here, in consideration of the photoelectric conversion efficiency, the photoelectric conversion device is required to have a silicon layer with a thickness of 800 nm or more and high crystallinity. Therefore, for example, when the thickness of the single crystal silicon layer 251 is 300 nm, the crystal silicon layer 253 is preferably at least 500 nm or more. Here, in order to form the crystalline silicon layer 253 having a thickness of 500 nm or more, it is not preferable from the viewpoint of formation speed to use only the vapor phase epitaxial growth method. On the other hand, when the crystalline silicon layer 253 is formed using only the solid phase epitaxial growth method, a problem of peeling of the semiconductor layer occurs due to heat treatment or the like during the solid phase growth. This is because a silicon layer (for example, an amorphous silicon layer) immediately after formation contains a large amount of hydrogen.

本実施の形態では、シリコン層256を形成する際に、気相エピタキシャル成長により針状結晶領域252が形成される。その後、固相エピタキシャル成長を行うことで、非晶質シリコン層211を結晶シリコン層253としている。このとき、シリコン層256の形成時基板温度を280℃超過とすることで、膜中の平均水素濃度を2×1018atoms/cm以上3.5×1021atoms/cm未満としている。これにより、形成速度を確保しつつ、シリコン層の剥離の問題を解消することができる。つまり、生産性よく、かつ、歩留まりよく、結晶シリコン層を形成することができる。 In the present embodiment, when the silicon layer 256 is formed, the needle crystal region 252 is formed by vapor phase epitaxial growth. After that, by performing solid phase epitaxial growth, the amorphous silicon layer 211 is changed to a crystalline silicon layer 253. At this time, by setting the substrate temperature at the time of forming the silicon layer 256 to exceed 280 ° C., the average hydrogen concentration in the film is set to 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 . Thereby, the problem of peeling of the silicon layer can be solved while ensuring the formation speed. That is, a crystalline silicon layer can be formed with high productivity and high yield.

次に、結晶シリコン層253の一表面側(単結晶シリコン層251と接しない面側)に第1の不純物半導体層208とは異なる導電型を付与する不純物元素260を添加する(図7(B)参照。)。この結果、第2の不純物半導体層214を形成することができる(図7(C)参照。)。例えば、不純物元素260としてリンまたはヒ素を添加し、n型の第2の不純物半導体層214を形成する。ベース基板202としてガラス基板を適用する場合、熱拡散法のプロセス温度には耐えられないため、イオン注入やイオンドーピングにより不純物元素を添加することになる。 Next, an impurity element 260 imparting a conductivity type different from that of the first impurity semiconductor layer 208 is added to one surface side of the crystalline silicon layer 253 (a surface side not in contact with the single crystal silicon layer 251) (FIG. 7B )reference.). As a result, the second impurity semiconductor layer 214 can be formed (see FIG. 7C). For example, phosphorus or arsenic is added as the impurity element 260, and the n-type second impurity semiconductor layer 214 is formed. In the case where a glass substrate is used as the base substrate 202, an impurity element is added by ion implantation or ion doping because it cannot withstand the process temperature of the thermal diffusion method.

また、第2の不純物半導体層214を、結晶シリコン層253上に非晶質シリコンにより形成してもよい。主に光電変換層として機能する領域は単結晶シリコン層で形成されているため、第2の不純物半導体層214を非晶質半導体で形成しても大きな問題とはならない。 Alternatively, the second impurity semiconductor layer 214 may be formed using amorphous silicon over the crystalline silicon layer 253. Since the region mainly functioning as a photoelectric conversion layer is formed using a single crystal silicon layer, even if the second impurity semiconductor layer 214 is formed using an amorphous semiconductor, there is no significant problem.

なお、第2の不純物半導体層214の厚さは20nm以上200nm以下程度、好ましくは10nm以上100nm以下程度とすることが好ましい。第2の不純物半導体層214を薄く形成することにより、第2の不純物半導体層214でのキャリアの再結合を防止できる。 Note that the thickness of the second impurity semiconductor layer 214 is preferably about 20 nm to 200 nm, preferably about 10 nm to 100 nm. By forming the second impurity semiconductor layer 214 to be thin, carrier recombination in the second impurity semiconductor layer 214 can be prevented.

以上により、一導電型の第1の不純物半導体層208、単結晶シリコン層251、結晶シリコン層253、前記一導電型とは異なる導電型である第2の不純物半導体層214が順に積層されたユニットセル220を得ることができる。 As described above, a unit in which the first impurity semiconductor layer 208 of one conductivity type, the single crystal silicon layer 251, the crystal silicon layer 253, and the second impurity semiconductor layer 214 having a conductivity type different from the one conductivity type are sequentially stacked. A cell 220 can be obtained.

その後、第1の電極206上に設けられた第1の不純物半導体層208、単結晶シリコン層251、結晶シリコン層253及び第2の不純物半導体層214をエッチングして、第1の電極206の一部(好ましくは第1の電極206の端部)を露出させる(図7(D)参照。)。 After that, the first impurity semiconductor layer 208, the single crystal silicon layer 251, the crystal silicon layer 253, and the second impurity semiconductor layer 214 which are provided over the first electrode 206 are etched, and one of the first electrodes 206 is etched. A portion (preferably an end portion of the first electrode 206) is exposed (see FIG. 7D).

ここで、第1の電極206の一部を露出させるのは、後に補助電極(または補助配線)を形成するためである。光電変換装置として機能させるためには、正極と負極に対応する電極から電気エネルギーを取り出せることが必要となるが、第1の電極206の上部は単結晶シリコン層などに覆われており、第1の電極の下方にはベース基板202が設けられているため、そのままでは電気エネルギーを取り出しにくい。そこで、第1の電極206の上方に形成されている層の一部をエッチングし、第1の電極206の一部を露出させ、引き回すことができる補助電極(または補助配線)を形成できるようにする。 Here, part of the first electrode 206 is exposed in order to form an auxiliary electrode (or auxiliary wiring) later. In order to function as a photoelectric conversion device, it is necessary to extract electric energy from the electrodes corresponding to the positive electrode and the negative electrode, but the upper portion of the first electrode 206 is covered with a single crystal silicon layer or the like, and the first Since the base substrate 202 is provided below the electrodes, it is difficult to extract electric energy as it is. Therefore, a part of the layer formed above the first electrode 206 is etched so that a part of the first electrode 206 is exposed and an auxiliary electrode (or auxiliary wiring) that can be routed can be formed. To do.

具体的には、第2の不純物半導体層214上にレジストや窒化シリコン層などの絶縁層を用いてマスクを形成し、該マスクを用いてエッチングを行えばよい。エッチングは、例えば、NF、SFなどのフッ素系ガスを用いたドライエッチングとすることができ、少なくとも第1の電極206と、第1の電極206の上方に形成されている層(第1の不純物半導体層208、単結晶シリコン層251、結晶シリコン層253、第2の不純物半導体層214)との選択比が充分に確保できる条件で行えばよい。なお、エッチング後、不要となったマスクは除去する。また、マスクを用いてエッチングする代わりに、レーザースクライブ法を用いてもよい。 Specifically, a mask may be formed over the second impurity semiconductor layer 214 using an insulating layer such as a resist or a silicon nitride layer, and etching may be performed using the mask. The etching can be dry etching using, for example, a fluorine-based gas such as NF 3 or SF 6 , and at least the first electrode 206 and the layer (the first layer formed above the first electrode 206) And the impurity semiconductor layer 208, the single crystal silicon layer 251, the crystal silicon layer 253, and the second impurity semiconductor layer 214) may be performed under such a condition that a sufficient selection ratio can be secured. Note that the unnecessary mask is removed after the etching. Further, a laser scribing method may be used instead of etching using a mask.

本実施の形態では第2の不純物半導体層214を形成した後に第1の電極206を露出させる例を示したが、第1の電極206を露出させた後に第2の不純物半導体層214を形成してもよい。 Although the example in which the first electrode 206 is exposed after the second impurity semiconductor layer 214 is formed is described in this embodiment mode, the second impurity semiconductor layer 214 is formed after the first electrode 206 is exposed. May be.

次に、露出させた第1の電極206に接する補助電極216、及び、第2の不純物半導体層214上の第2の電極218を形成する(図7(E)参照。)。 Next, the auxiliary electrode 216 in contact with the exposed first electrode 206 and the second electrode 218 over the second impurity semiconductor layer 214 are formed (see FIG. 7E).

補助電極216は、光電変換された電気エネルギーを取り出しやすくするために設けられている。すなわち、補助電極216は取り出し電極(集電極ともいう。)として機能する。 The auxiliary electrode 216 is provided to facilitate extraction of photoelectrically converted electric energy. That is, the auxiliary electrode 216 functions as an extraction electrode (also referred to as a collecting electrode).

第2の電極218は、図4(A)に示すように上方から見て格子状(または櫛状、櫛形、櫛歯状)となるように形成する。このような形状とすることで、ユニットセル220に十分な光を入射することができ、ユニットセル220の光吸収効率を向上させることができる。第2の電極218の形状は特に限定されるものではないが、ユニットセル220(第2の不純物半導体層214)上における第2の電極218の面積が小さいほど、光吸収効率が向上することは言うまでもない。なお、第2の電極218は補助電極216と同じ工程で形成することができる。 As shown in FIG. 4A, the second electrode 218 is formed to have a lattice shape (or comb shape, comb shape, or comb tooth shape) when viewed from above. By setting it as such a shape, sufficient light can enter into the unit cell 220, and the light absorption efficiency of the unit cell 220 can be improved. The shape of the second electrode 218 is not particularly limited, but the smaller the area of the second electrode 218 on the unit cell 220 (second impurity semiconductor layer 214), the more the light absorption efficiency is improved. Needless to say. Note that the second electrode 218 can be formed in the same step as the auxiliary electrode 216.

補助電極216と第2の電極218は、アルミニウム、銀、鉛スズ(半田)などを用いて、印刷法などの方法で形成すればよい。例えば、銀ペーストを用いてスクリーン印刷法で形成することができる。 The auxiliary electrode 216 and the second electrode 218 may be formed by a printing method or the like using aluminum, silver, lead tin (solder), or the like. For example, it can be formed by a screen printing method using a silver paste.

以上により、光電変換装置200を製造することができる。 Thus, the photoelectric conversion device 200 can be manufactured.

なお、ユニットセル220の露出部及び第1の電極206の露出部には、反射防止機能を有するパッシベーション層219を形成することが好ましい(図8参照。)。 Note that a passivation layer 219 having an antireflection function is preferably formed on the exposed portion of the unit cell 220 and the exposed portion of the first electrode 206 (see FIG. 8).

パッシベーション層219には、屈折率がユニットセル220の入射面(本実施の形態においては、第2の不純物半導体層214)と空気の中間である材料を用いる。また、ユニットセル220への光の入射を妨げないように、所定の波長の光に対する透過性を有する材料を用いる。このような材料を用いることで、ユニットセル220の入射面における反射を防ぐことができる。なお、このような材料としては、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ化マグネシウムなどを挙げることができる。また、パッシベーション層219があることにより、結晶シリコン表面におけるキャリアの再結合を低減することができ、光電変換効率を高めることができる。 For the passivation layer 219, a material whose refractive index is intermediate between the incident surface of the unit cell 220 (in this embodiment, the second impurity semiconductor layer 214) and air is used. In addition, a material that transmits light of a predetermined wavelength is used so as not to prevent light from entering the unit cell 220. By using such a material, reflection on the incident surface of the unit cell 220 can be prevented. Examples of such a material include silicon nitride, silicon nitride oxide, and magnesium fluoride. In addition, the presence of the passivation layer 219 can reduce carrier recombination on the surface of the crystalline silicon and can increase photoelectric conversion efficiency.

パッシベーション層219は、ユニットセル220の露出部及び第1の電極206の露出部を覆うように設ける。例えば、ユニットセル220上及び第1の電極206上にパッシベーション層219を形成した後、第2の不純物半導体層214と第1の電極206の一部が露出するようにパッシベーション層219をエッチングする。そして、第1の電極206と接する補助電極216と、第2の不純物半導体層214と接する第2の電極218を形成する。なお、補助電極216及び第2の電極218を形成した後、パッシベーション層219を形成し、補助電極216及び第2の電極218の一部をエッチングにより露出させてもよい。 The passivation layer 219 is provided so as to cover the exposed portion of the unit cell 220 and the exposed portion of the first electrode 206. For example, after the passivation layer 219 is formed over the unit cell 220 and the first electrode 206, the passivation layer 219 is etched so that the second impurity semiconductor layer 214 and a part of the first electrode 206 are exposed. Then, an auxiliary electrode 216 in contact with the first electrode 206 and a second electrode 218 in contact with the second impurity semiconductor layer 214 are formed. Note that after the auxiliary electrode 216 and the second electrode 218 are formed, the passivation layer 219 may be formed so that the auxiliary electrode 216 and the second electrode 218 are partially exposed by etching.

図9(A)には、光電変換装置のユニットセル220の断面模式図の一例を示す。ここでは、高濃度にp型不純物元素が添加された第1の不純物半導体層208(p層)と、p型の単結晶シリコン層251(p層)と、i型の結晶シリコン層253(i層)と、n型不純物元素が添加された第2の不純物半導体層214(n層、またはn層)が順に配置された構成を示しているが、開示する発明の一態様はこれに限定して解釈されない。なお、単結晶シリコン層の場合には、そのバンドギャップエネルギーは約1.12eVである。また、光(エネルギー:hν)は第2の不純物半導体層214側から入射する。 FIG. 9A illustrates an example of a schematic cross-sectional view of the unit cell 220 of the photoelectric conversion device. Here, a first impurity semiconductor layer 208 (p + layer) to which a p-type impurity element is added at a high concentration, a p-type single crystal silicon layer 251 (p layer), and an i-type crystal silicon layer 253 ( i layer) and a second impurity semiconductor layer 214 to which an n-type impurity element is added (an n + layer or an n layer) are sequentially arranged. One embodiment of the disclosed invention is described here. It is not interpreted in a limited way. In the case of a single crystal silicon layer, the band gap energy is about 1.12 eV. Light (energy: hν) is incident from the second impurity semiconductor layer 214 side.

図9(B)は、図9(A)に示すユニットセル220のエネルギーバンド図である。ここで、Ecは伝導帯の底を、Evは価電子帯の頂上を示している。また、Efはフェルミ準位のエネルギーを示す。また、Egcは単結晶シリコン層251及び結晶シリコン層253におけるバンドギャップエネルギーである。 FIG. 9B is an energy band diagram of the unit cell 220 illustrated in FIG. Here, Ec indicates the bottom of the conduction band, and Ev indicates the top of the valence band. Ef represents Fermi level energy. Egc 1 is the band gap energy in the single crystal silicon layer 251 and the crystal silicon layer 253.

図9(B)に示されるバンド構造に起因して、光励起により生成された電子はn層(またはn層)の方向に流れ、光励起により生成された正孔はp層の方向に流れる。これが、光電変換の基本的な原理である。ここで、光電変換の効率を高めるためには、光励起により生じるキャリアの数を増大させることが重要である。光励起キャリアを増大させるためには、光吸収層(本実施の形態においては単結晶シリコン層)にある程度の厚みを持たせてやればよい。光吸収層として結晶シリコン層を用いる場合には、結晶シリコン層の光吸収係数や、太陽光のスペクトルから、その厚さを800nm以上とすればよい。 Due to the band structure shown in FIG. 9B, electrons generated by photoexcitation flow in the direction of the n + layer (or n layer), and holes generated by photoexcitation flow in the direction of the p + layer. . This is the basic principle of photoelectric conversion. Here, in order to increase the efficiency of photoelectric conversion, it is important to increase the number of carriers generated by photoexcitation. In order to increase photoexcited carriers, the light absorption layer (in this embodiment, a single crystal silicon layer) may have a certain thickness. In the case where a crystalline silicon layer is used as the light absorption layer, the thickness may be set to 800 nm or more from the light absorption coefficient of the crystalline silicon layer and the spectrum of sunlight.

この点、本実施の形態では、エピタキシャル成長技術を利用して結晶シリコン層の厚膜化を図っており、単結晶シリコン層251と結晶シリコン層253を合わせて800nm以上の厚さとしている。このため、単結晶シリコン層において十分なキャリアを発生させることが可能であり、光電変換効率を向上させることができる。 In this respect, in this embodiment, the thickness of the crystalline silicon layer is increased by using an epitaxial growth technique, and the single crystal silicon layer 251 and the crystalline silicon layer 253 are combined to have a thickness of 800 nm or more. Therefore, sufficient carriers can be generated in the single crystal silicon layer, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

以上、本実施の形態に示すエピタキシャル成長技術を用いることにより、光電変換層として機能する800nm以上の結晶性の高いシリコン層を得ることができる。これにより、バルクの単結晶シリコン基板を用いる場合と比較して、単結晶シリコンの消費量を抑えることができる。なお、従来では、光電変換装置を支持する構造体も単結晶シリコンで形成していたが、単結晶シリコン基板を薄片化した単結晶シリコン層を用いることで、単結晶シリコンの消費量を大幅に低減することができる。また、単結晶シリコン層を分離した後の単結晶シリコン基板は繰り返し利用することができるため、資源を有効に活用することができる。 As described above, by using the epitaxial growth technique described in this embodiment, a silicon layer with high crystallinity of 800 nm or more that functions as a photoelectric conversion layer can be obtained. Thereby, compared with the case where a bulk single crystal silicon substrate is used, the consumption of single crystal silicon can be suppressed. In the past, the structure supporting the photoelectric conversion device was also formed of single crystal silicon. However, by using a single crystal silicon layer obtained by slicing a single crystal silicon substrate, the consumption of single crystal silicon was greatly increased. Can be reduced. Further, since the single crystal silicon substrate after the single crystal silicon layer is separated can be repeatedly used, resources can be effectively used.

さらに、本実施の形態では、平均水素濃度が2×1018atoms/cm以上3.5×1021atoms/cm未満となるシリコン層を用いる。これにより、単結晶シリコン層を厚く形成する場合であっても、単結晶シリコン層の剥離を防止することができる。つまり、必要な厚さを有する光電変換層を、歩留まりよく、必要最小限の材料のみを用いて形成することができる。 Further, in this embodiment, a silicon layer having an average hydrogen concentration of 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 is used. Accordingly, even when the single crystal silicon layer is formed thick, peeling of the single crystal silicon layer can be prevented. That is, a photoelectric conversion layer having a necessary thickness can be formed using only a minimum necessary material with a high yield.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、先の実施の形態と異なる光電変換装置の製造方法の例について説明する。具体的には、先の実施の形態では、脆化領域205、第1の不純物半導体層208、第1の電極206、絶縁層204の形成順序について、(1)を例に説明したが、本実施の形態では、(2)、(3)、(4)の例について説明する。なお、脆化領域205、第1の不純物半導体層208、第1の電極206、絶縁層204の形成順序以外については先の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device, which is different from that in the above embodiment, will be described. Specifically, in the above embodiment, the formation order of the embrittlement region 205, the first impurity semiconductor layer 208, the first electrode 206, and the insulating layer 204 has been described using (1) as an example. In the embodiment, examples of (2), (3), and (4) will be described. Note that the order other than the formation order of the embrittlement region 205, the first impurity semiconductor layer 208, the first electrode 206, and the insulating layer 204 is the same as that in the above embodiment; thus, description thereof is omitted.

以下、(2)の例について、図18を用いて説明する。 Hereinafter, the example (2) will be described with reference to FIG.

まず、単結晶シリコン基板203の一表面上に保護層207を形成する。そして、保護層207の表面にイオン240を照射する(図18(A)参照。)。この結果、単結晶シリコン基板203中に脆化領域205が形成される(図18(B)参照。)。 First, the protective layer 207 is formed over one surface of the single crystal silicon substrate 203. Then, the surface of the protective layer 207 is irradiated with ions 240 (see FIG. 18A). As a result, an embrittled region 205 is formed in the single crystal silicon substrate 203 (see FIG. 18B).

次に、保護層207の表面に一導電型を付与する不純物元素230を照射する(図18(C)参照。)。この結果、不純物元素230の添加された単結晶シリコン基板203の領域を、第1不純物半導体層208とすることができる(図18(D)参照。)。なお、ここでは既に脆化領域205が形成されているため、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素230を添加することが好ましい。これは、熱拡散法のような高温処理を必要とする方法を用いる場合、単結晶シリコン基板203が脆化領域205において分離してしまう可能性が高いためである。 Next, the surface of the protective layer 207 is irradiated with an impurity element 230 imparting one conductivity type (see FIG. 18C). As a result, the region of the single crystal silicon substrate 203 to which the impurity element 230 is added can be the first impurity semiconductor layer 208 (see FIG. 18D). Note that since the embrittlement region 205 is already formed here, the impurity element 230 is preferably added by an ion implantation method or an ion doping method. This is because there is a high possibility that the single crystal silicon substrate 203 is separated in the embrittled region 205 when a method that requires high temperature treatment such as a thermal diffusion method is used.

その後、保護層207を除去し、第1の電極206を形成する。その後、第1の電極206上に絶縁層204を形成する(図18(E)参照。)。この後の工程は、先の実施の形態と同様である。 After that, the protective layer 207 is removed, and the first electrode 206 is formed. After that, the insulating layer 204 is formed over the first electrode 206 (see FIG. 18E). The subsequent steps are the same as in the previous embodiment.

このように(2)においては、不純物元素230が添加されていない単結晶シリコン基板にイオン240を照射して脆化領域を形成することになる。 As described above, in (2), the embrittled region is formed by irradiating the single crystal silicon substrate to which the impurity element 230 is not added with the ions 240.

以下、(3)の例について、図19を用いて説明する。 Hereinafter, the example (3) will be described with reference to FIG.

まず、単結晶シリコン基板203の一表面上に第1の電極206を形成し、第1の電極206の表面にイオン240を照射する(図19(A)参照。)。この結果、単結晶シリコン基板203中に脆化領域205を形成する(図19(B)参照。)。 First, the first electrode 206 is formed over one surface of the single crystal silicon substrate 203, and the surface of the first electrode 206 is irradiated with ions 240 (see FIG. 19A). As a result, an embrittled region 205 is formed in the single crystal silicon substrate 203 (see FIG. 19B).

その後、第1の電極206の表面に一導電型を付与する不純物元素230を照射する(図19(C)参照。)。この結果、不純物元素230の添加された単結晶シリコン基板203の領域を、第1の不純物半導体層208とすることができる(図19(D)参照。)。 After that, the surface of the first electrode 206 is irradiated with an impurity element 230 imparting one conductivity type (see FIG. 19C). As a result, the region of the single crystal silicon substrate 203 to which the impurity element 230 is added can be the first impurity semiconductor layer 208 (see FIG. 19D).

そして、第1の電極206上に絶縁層204を形成する(図19(E)参照。)。この後の工程は、先の実施の形態と同様である。 Then, the insulating layer 204 is formed over the first electrode 206 (see FIG. 19E). The subsequent steps are the same as in the previous embodiment.

このように(3)においては、第1の電極206が保護層として機能するため、保護層を別途設ける必要がなく、工程の短縮につながる。 As described above, in (3), since the first electrode 206 functions as a protective layer, it is not necessary to separately provide a protective layer, which leads to shortening of the process.

以下、(4)の例について、図20を用いて説明する。 Hereinafter, the example (4) will be described with reference to FIG.

まず、単結晶シリコン基板203の一表面上に第1の電極206を形成し、次に、第1の電極206の表面に一導電型を付与する不純物元素230を照射する(図20(A)参照。)。この結果、不純物元素230の添加された単結晶シリコン基板203の領域を、第1の不純物半導体層208とすることができる(図20(B)参照。)。 First, the first electrode 206 is formed over one surface of the single crystal silicon substrate 203, and then the surface of the first electrode 206 is irradiated with the impurity element 230 imparting one conductivity type (FIG. 20A). reference.). As a result, the region of the single crystal silicon substrate 203 to which the impurity element 230 is added can be the first impurity semiconductor layer 208 (see FIG. 20B).

その後、第1の電極206の表面にイオン240を照射する(図20(C)参照。)。この結果、単結晶シリコン基板203中に脆化領域205を形成する(図20(D)参照。)。 After that, the surface of the first electrode 206 is irradiated with ions 240 (see FIG. 20C). As a result, an embrittled region 205 is formed in the single crystal silicon substrate 203 (see FIG. 20D).

そして、第1の電極206上に絶縁層204を形成する(図20(E)参照。)。この後の工程は、先の実施の形態と同様である。 Then, the insulating layer 204 is formed over the first electrode 206 (see FIG. 20E). The subsequent steps are the same as in the previous embodiment.

このように(4)においては、第1の電極206が保護層として機能するため、保護層を別途設ける必要がなく、工程の短縮につながる。 As described above, in (4), since the first electrode 206 functions as a protective layer, it is not necessary to separately provide a protective layer, which leads to shortening of the process.

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態5)
本実施の形態では、光電変換装置の作製方法の別の形態について説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, another embodiment of a method for manufacturing a photoelectric conversion device will be described.

図21に、第1の電極206とベース基板202とを直接貼り合わせて形成した光電変換装置の形態を示す。第1の電極206の表面が平坦である場合、例えば、第1の電極206の表面の平均面粗さ(Ra)が0.5nm以下、好ましくは0.3nm以下である場合には、絶縁層204(図5等参照)を形成しなくとも、第1の電極206とベース基板202とを貼り合わせることができる。 FIG. 21 shows a mode of a photoelectric conversion device in which the first electrode 206 and the base substrate 202 are directly bonded to each other. When the surface of the first electrode 206 is flat, for example, when the average surface roughness (Ra) of the surface of the first electrode 206 is 0.5 nm or less, preferably 0.3 nm or less, the insulating layer The first electrode 206 and the base substrate 202 can be bonded to each other without forming 204 (see FIG. 5 and the like).

上記の貼り合わせは、十分に清浄化された第1の電極206の表面と、ベース基板202の表面を密着させることで行われる。貼り合わせの前に、第1の電極206の表面やベース基板202の表面を活性化させておいてもよい。また、貼り合わせ後には、熱処理や加圧処理を行ってもよい。本実施の形態のように表面が平坦な第1の電極206を形成することで、絶縁層204を設ける必要がなくなり、工程が短縮されることになる。なお、上記の記載は、絶縁層204の形成を除外するものではない。例えば、ブロッキング層として機能する絶縁層などを形成することは、信頼性向上の点からも好ましいと言える。 The above bonding is performed by bringing the surface of the sufficiently cleaned first electrode 206 into close contact with the surface of the base substrate 202. Prior to bonding, the surface of the first electrode 206 or the surface of the base substrate 202 may be activated. Further, heat treatment or pressure treatment may be performed after the bonding. By forming the first electrode 206 having a flat surface as in this embodiment mode, it is not necessary to provide the insulating layer 204 and the process is shortened. Note that the above description does not exclude the formation of the insulating layer 204. For example, it can be said that forming an insulating layer or the like that functions as a blocking layer is preferable from the viewpoint of improving reliability.

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態6)
本実施の形態では、ユニットセルを複数積層した、いわゆるタンデム型の光電変換装置の例について説明する。なお、本実施の形態では、ユニットセルを2層積層する場合について説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example of a so-called tandem photoelectric conversion device in which a plurality of unit cells are stacked is described. In this embodiment, a case where two unit cells are stacked will be described.

図22に、本実施の形態に係るタンデム型の光電変換装置300の断面の模式図を示す。光電変換装置300は、ベース基板202上にユニットセル220(第1のユニットセルと呼んでもよい)と、ユニットセル330(第2のユニットセルと呼んでもよい)が積層された構造を有する。ベース基板202とユニットセル220の間には第1の電極206が設けられ、第1の電極206とベース基板202との間には絶縁層204が設けられている。本実施の形態において、ベース基板202、絶縁層204、第1の電極206、ユニットセル220の構成及び作製方法は実施の形態3と同様であるから、重複する部分の説明は省略する。 FIG. 22 is a schematic cross-sectional view of a tandem photoelectric conversion device 300 according to this embodiment. The photoelectric conversion device 300 has a structure in which a unit cell 220 (may be referred to as a first unit cell) and a unit cell 330 (may be referred to as a second unit cell) are stacked on a base substrate 202. A first electrode 206 is provided between the base substrate 202 and the unit cell 220, and an insulating layer 204 is provided between the first electrode 206 and the base substrate 202. In this embodiment mode, the structures and manufacturing methods of the base substrate 202, the insulating layer 204, the first electrode 206, and the unit cell 220 are the same as those in Embodiment Mode 3, and thus description of overlapping portions is omitted.

光電変換装置300は、図中の上方(ユニットセル330の表面側)から光が入射する構成となっている。また、ユニットセル330を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーはユニットセル220を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい。例えば、ユニットセル330には非単結晶半導体層を用い、ユニットセル220には単結晶半導体層を用いることができる。バンドギャップの異なる光電変換層を積層することで、効率よく吸収できる波長帯域が広がり、光電変換効率を向上させることができる。特に、太陽光は、その波長帯域が短波長側から長波長側まで広範囲に渡っており、本実施の形態のような構成を採用することは、極めて有効である。また、光の入射側にバンドギャップの大きい光電変換層を配置することで、効率よく光を吸収することができるようになる。 The photoelectric conversion device 300 is configured such that light enters from above (in the surface side of the unit cell 330) in the drawing. Further, the band gap energy of the semiconductor layer constituting the unit cell 330 is larger than the band gap energy of the semiconductor layer constituting the unit cell 220. For example, a non-single-crystal semiconductor layer can be used for the unit cell 330, and a single-crystal semiconductor layer can be used for the unit cell 220. By laminating photoelectric conversion layers having different band gaps, a wavelength band that can be efficiently absorbed is expanded, and photoelectric conversion efficiency can be improved. In particular, sunlight has a wide wavelength band from the short wavelength side to the long wavelength side, and it is extremely effective to adopt the configuration as in this embodiment. Moreover, light can be efficiently absorbed by disposing a photoelectric conversion layer having a large band gap on the light incident side.

ユニットセル330は、ユニットセル220上に、一導電型が付与された第3の不純物半導体層322と、非単結晶半導体層324と、第3の不純物半導体層322とは異なる導電型が付与された第4の不純物半導体層326とが、順に積層された構造を有する。ここで、第3の不純物半導体層322には、ユニットセル220の第2の不純物半導体層214とは逆の導電型が付与される。 The unit cell 330 has a conductivity type different from that of the third impurity semiconductor layer 322, the non-single-crystal semiconductor layer 324, and the third impurity semiconductor layer 322 to which one conductivity type is imparted over the unit cell 220. In addition, the fourth impurity semiconductor layer 326 has a stacked structure. Here, the third impurity semiconductor layer 322 has a conductivity type opposite to that of the second impurity semiconductor layer 214 of the unit cell 220.

ユニットセル330の非単結晶半導体層324には、非晶質シリコン、微結晶シリコンなどを用いることができる。第3の不純物半導体層322と第4の不純物半導体層326は、所定の導電型の不純物元素を含む非晶質半導体層または微結晶半導体層である。その他、非晶質シリコンカーバイドなどを用いてもよい。第3の不純物半導体層322をp型とする場合、第4の不純物半導体層326はn型となるが、第3の不純物半導体層322をn型として、第4の不純物半導体層326をp型としてもよい。 For the non-single-crystal semiconductor layer 324 of the unit cell 330, amorphous silicon, microcrystalline silicon, or the like can be used. The third impurity semiconductor layer 322 and the fourth impurity semiconductor layer 326 are an amorphous semiconductor layer or a microcrystalline semiconductor layer containing an impurity element having a predetermined conductivity type. In addition, amorphous silicon carbide or the like may be used. In the case where the third impurity semiconductor layer 322 is p-type, the fourth impurity semiconductor layer 326 is n-type, but the third impurity semiconductor layer 322 is n-type and the fourth impurity semiconductor layer 326 is p-type. It is good.

非単結晶半導体層324は、PECVD法により形成することができる。例えば、シリコンを含む堆積性ガスを用いて非晶質シリコン層を形成すればよい。なお、非単結晶半導体層324はスパッタリング法を用いて形成することもできる。非単結晶半導体層324は、厚さを50nm以上600nm以下、好ましくは100nm以上200nm以下とする。非晶質シリコンのバンドギャップは約1.75eVであるから、このような厚さにすることで、600nmよりも短い波長帯域の光を十分に吸収させることができる。 The non-single-crystal semiconductor layer 324 can be formed by a PECVD method. For example, an amorphous silicon layer may be formed using a deposition gas containing silicon. Note that the non-single-crystal semiconductor layer 324 can also be formed by a sputtering method. The non-single-crystal semiconductor layer 324 has a thickness of 50 nm to 600 nm, preferably 100 nm to 200 nm. Since the band gap of amorphous silicon is about 1.75 eV, light having a wavelength band shorter than 600 nm can be sufficiently absorbed by using such a thickness.

また、非単結晶半導体層324には、微結晶半導体(代表的には微結晶シリコン)を用いてもよい。この場合には、ユニットセル220上に数nm程度のごく薄い非晶質半導体層を形成した後に微結晶半導体を形成するとよい。このようにすることで、単結晶半導体層からエピタキシャル成長が進行して単結晶半導体層が形成されてしまうことを防止できる。なお、第3の不純物半導体層322は単結晶半導体層で形成しても構わないため、この場合には、数nm程度の薄い非晶質半導体層は第2の不純物半導体層214上または第3の不純物半導体層322上に形成すればよい。 For the non-single-crystal semiconductor layer 324, a microcrystalline semiconductor (typically, microcrystalline silicon) may be used. In this case, a microcrystalline semiconductor is preferably formed after a very thin amorphous semiconductor layer of about several nm is formed over the unit cell 220. By doing so, it is possible to prevent the single crystal semiconductor layer from being formed due to the epitaxial growth from the single crystal semiconductor layer. Note that the third impurity semiconductor layer 322 may be formed using a single crystal semiconductor layer; in this case, a thin amorphous semiconductor layer having a thickness of about several nm is formed over the second impurity semiconductor layer 214 or the third impurity semiconductor layer 214. May be formed over the impurity semiconductor layer 322.

ユニットセル220のベース基板202側には第1の電極206が設けられ、ユニットセル330の表面側には第2の電極332が設けられている。また、第1の電極206に接続する補助電極317、及び第2の電極332に接続する補助電極319が設けられている。補助電極317と補助電極319は、光電変換層にて変換された電気エネルギーを取り出す取り出し電極(集電極ともいう。)として機能する。 A first electrode 206 is provided on the base substrate 202 side of the unit cell 220, and a second electrode 332 is provided on the surface side of the unit cell 330. Further, an auxiliary electrode 317 connected to the first electrode 206 and an auxiliary electrode 319 connected to the second electrode 332 are provided. The auxiliary electrode 317 and the auxiliary electrode 319 function as extraction electrodes (also referred to as collecting electrodes) that extract electric energy converted by the photoelectric conversion layer.

ユニットセル330を非単結晶半導体で形成する場合にはキャリアのライフタイムが短くなる傾向にあり、これに起因して光電変換効率が低下するおそれがある。これを防ぐために、本実施の形態では第2の電極332を基板全面に形成している。ここで、ユニットセル330及びユニットセル220に十分な光を入射させるため、第2の電極332は太陽光の透過率が高い材料を用いて形成する。また、第2の電極332に接する補助電極319は格子状(または櫛状、櫛形、櫛歯状)としている。 In the case where the unit cell 330 is formed of a non-single crystal semiconductor, the carrier lifetime tends to be shortened, which may cause a decrease in photoelectric conversion efficiency. In order to prevent this, in this embodiment mode, the second electrode 332 is formed over the entire surface of the substrate. Here, in order to allow sufficient light to enter the unit cell 330 and the unit cell 220, the second electrode 332 is formed using a material having high sunlight transmittance. Further, the auxiliary electrode 319 in contact with the second electrode 332 has a lattice shape (or comb shape, comb shape, or comb tooth shape).

次に、本実施の形態に係る光電変換装置300の作製方法の一例について、図23を参照して説明する。なお、第2の不純物半導体層214の作製方法までは、実施の形態3と同様であるため、ここでは説明を省略する。 Next, an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device 300 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. Note that since the manufacturing method of the second impurity semiconductor layer 214 is similar to that of Embodiment Mode 3, description thereof is omitted here.

第2の不純物半導体層214を形成した後、該第2の不純物半導体層214上に、第3の不純物半導体層322、非単結晶半導体層324、第4の不純物半導体層326を順に形成する(図23(A)参照。)。 After the second impurity semiconductor layer 214 is formed, a third impurity semiconductor layer 322, a non-single-crystal semiconductor layer 324, and a fourth impurity semiconductor layer 326 are sequentially formed over the second impurity semiconductor layer 214 ( (See FIG. 23A).

ここで、第3の不純物半導体層322は、第2の不純物半導体層214とは異なる導電型の非晶質半導体層または微結晶半導体層とする。例えば、第2の不純物半導体層214がn型である場合には、第3の不純物半導体層322をp型の非晶質半導体層(例えば、p型の非晶質シリコン層)またはp型の微結晶半導体層(例えば、p型の微結晶シリコン層)とする。第3の不純物半導体層322の厚さは、10nm以上100nm以下程度とすればよい。 Here, the third impurity semiconductor layer 322 is an amorphous semiconductor layer or a microcrystalline semiconductor layer having a conductivity type different from that of the second impurity semiconductor layer 214. For example, when the second impurity semiconductor layer 214 is n-type, the third impurity semiconductor layer 322 may be a p-type amorphous semiconductor layer (for example, a p-type amorphous silicon layer) or a p-type amorphous semiconductor layer. A microcrystalline semiconductor layer (eg, a p-type microcrystalline silicon layer) is used. The thickness of the third impurity semiconductor layer 322 may be approximately 10 nm to 100 nm.

また、非単結晶半導体層324は、導電型を付与する不純物元素を含まない真性半導体層(例えば、i型の非晶質シリコン層またはi型の微結晶シリコン層)とすることが好ましい。厚さは、50nm以上600nm以下、好ましくは100nm以上200nm以下とする。 The non-single-crystal semiconductor layer 324 is preferably an intrinsic semiconductor layer that does not contain an impurity element imparting conductivity type (eg, an i-type amorphous silicon layer or an i-type microcrystalline silicon layer). The thickness is 50 nm to 600 nm, preferably 100 nm to 200 nm.

また、第4の不純物半導体層326は、第3の不純物半導体層322とは異なる導電型の非晶質半導体層または微結晶半導体層とする。例えば、第3の不純物半導体層322がp型である場合には、第4の不純物半導体層326をn型の非晶質半導体層(例えば、n型の非晶質シリコン層)またはn型の微結晶半導体層(例えば、n型の微結晶シリコン層)とする。第4の不純物半導体層326の厚さは、10nm以上100nm以下程度とすればよい。 The fourth impurity semiconductor layer 326 is an amorphous semiconductor layer or a microcrystalline semiconductor layer having a conductivity type different from that of the third impurity semiconductor layer 322. For example, in the case where the third impurity semiconductor layer 322 is p-type, the fourth impurity semiconductor layer 326 is changed to an n-type amorphous semiconductor layer (eg, an n-type amorphous silicon layer) or an n-type amorphous semiconductor layer. A microcrystalline semiconductor layer (eg, an n-type microcrystalline silicon layer) is used. The thickness of the fourth impurity semiconductor layer 326 may be approximately 10 nm to 100 nm.

第3の不純物半導体層322、非単結晶半導体層324、第4の不純物半導体層326は、CVD法やスパッタリング法を用いて形成することができる。なお、PECVD法などの気相成長法を用いて非単結晶シリコン層を形成する場合には、原料ガスにジボランなどを添加することでp型を付与することができる。一方、n型を付与したい場合には、原料ガスにホスフィンなどを添加すればよい。 The third impurity semiconductor layer 322, the non-single-crystal semiconductor layer 324, and the fourth impurity semiconductor layer 326 can be formed by a CVD method or a sputtering method. Note that in the case where a non-single-crystal silicon layer is formed by a vapor deposition method such as a PECVD method, p-type can be imparted by adding diborane or the like to a source gas. On the other hand, when it is desired to impart n-type, phosphine or the like may be added to the source gas.

以上により、一導電型が付与された第3の不純物半導体層322、非単結晶半導体層324、第3の不純物半導体層322とは異なる導電型が付与された第4の不純物半導体層326が順に積層されたユニットセル330を得ることができる。 Through the above steps, the third impurity semiconductor layer 322 to which one conductivity type is imparted, the non-single-crystal semiconductor layer 324, and the fourth impurity semiconductor layer 326 to which a conductivity type different from that of the third impurity semiconductor layer 322 is imparted are sequentially formed. A stacked unit cell 330 can be obtained.

次に、第4の不純物半導体層326上に第2の電極332を形成する(図23(B)参照。)。第2の電極332はスパッタリング法や真空蒸着法を用いて形成することができる。また、第2の電極332は太陽光を十分に透過する材料を用いて形成することが好ましい。上記材料としてはインジウムスズ酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、酸化スズ、などの導電性を有する金属酸化物を用いればよい。第2の電極332は、その厚さが40nm以上200nm以下程度(好ましくは50nm以上100nm以下程度)、シート抵抗が200Ω/sq.以下程度となるように形成すればよい。 Next, the second electrode 332 is formed over the fourth impurity semiconductor layer 326 (see FIG. 23B). The second electrode 332 can be formed by a sputtering method or a vacuum evaporation method. The second electrode 332 is preferably formed using a material that sufficiently transmits sunlight. As the material, a metal oxide having conductivity such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, zinc oxide, tin oxide may be used. The second electrode 332 has a thickness of about 40 nm to 200 nm (preferably about 50 nm to 100 nm) and a sheet resistance of 200 Ω / sq. What is necessary is just to form so that it may become the following grade.

本実施の形態では、第2の電極332は、ユニットセル330上に選択的に形成する。例えば、シャドーマスクを用いて第2の電極332を形成する。第2の電極332を選択的に形成することで、後に第1の電極206の一部(好ましくは端部)を露出させる際のエッチング用マスクとして用いることができる。 In this embodiment mode, the second electrode 332 is selectively formed over the unit cell 330. For example, the second electrode 332 is formed using a shadow mask. By selectively forming the second electrode 332, it can be used as an etching mask when a part (preferably an end portion) of the first electrode 206 is exposed later.

なお、第2の電極332は、導電性高分子材料(導電性ポリマーともいう。)を用いて形成してもよい。導電性高分子材料としては、π電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンやポリピロール、ポリチオフェンもしくはその誘導体、またはアニリン、ピロールおよびチオフェンの2種以上からなる共重合体もしくはその誘導体などを用いればよい。 Note that the second electrode 332 may be formed using a conductive high molecular material (also referred to as a conductive polymer). As the conductive polymer material, a π-electron conjugated conductive polymer can be used. For example, polyaniline, polypyrrole, polythiophene or a derivative thereof, or a copolymer of two or more of aniline, pyrrole, and thiophene or a derivative thereof may be used.

次に、第2の電極332をマスクとして、第4の不純物半導体層326、非単結晶半導体層324、第3の不純物半導体層322、第2の不純物半導体層214、結晶シリコン層253、単結晶シリコン層251及び第1の不純物半導体層208をエッチングして、第1の電極206の一部を露出させる(図23(C)参照。)。 Next, using the second electrode 332 as a mask, the fourth impurity semiconductor layer 326, the non-single-crystal semiconductor layer 324, the third impurity semiconductor layer 322, the second impurity semiconductor layer 214, the crystalline silicon layer 253, the single crystal The silicon layer 251 and the first impurity semiconductor layer 208 are etched to expose part of the first electrode 206 (see FIG. 23C).

上記のエッチングは、NF、SFなどのフッ素系ガスを用いたドライエッチングとすればよく、第1の電極206と、第1の電極206の上方に形成されている積層(ユニットセル220及びユニットセル330を構成する各層)との選択比が充分に確保できる条件で行えばよい。ここでは第2の電極332をマスクとして用いることができるため、エッチング用のマスクを新たに設ける必要がない。もちろん、レジストや絶縁層を用いてマスクを形成してもよい。また、マスクを用いてエッチングする代わりに、レーザースクライブ法を用いてもよい。 The above etching may be dry etching using a fluorine-based gas such as NF 3 or SF 6 , and the first electrode 206 and the stack formed above the first electrode 206 (unit cell 220 and What is necessary is just to carry out on the conditions which can fully ensure the selection ratio with each layer which comprises the unit cell 330). Here, since the second electrode 332 can be used as a mask, it is not necessary to newly provide an etching mask. Of course, the mask may be formed using a resist or an insulating layer. Further, a laser scribing method may be used instead of etching using a mask.

その後、第1の電極206に接続する補助電極317と、第2の電極332に接続する補助電極319を形成する(図23(D)参照。)。 After that, an auxiliary electrode 317 connected to the first electrode 206 and an auxiliary electrode 319 connected to the second electrode 332 are formed (see FIG. 23D).

補助電極319は、図4に示す第2の電極218ように、上方から見て格子状(または櫛状、櫛形、櫛歯状)となるように形成する。このような形状とすることで、ユニットセル330及びユニットセル220に十分な光を入射させることができ、光吸収効率を向上させることができる。また、補助電極317は、先のエッチングにより露出させた第1の電極206と接して形成する。 The auxiliary electrode 319 is formed in a lattice shape (or a comb shape, a comb shape, or a comb tooth shape) as viewed from above, like the second electrode 218 shown in FIG. By setting it as such a shape, sufficient light can enter into the unit cell 330 and the unit cell 220, and light absorption efficiency can be improved. The auxiliary electrode 317 is formed in contact with the first electrode 206 exposed by the previous etching.

補助電極317、補助電極319は、アルミニウム、銀、鉛スズ(半田)などを用いて、印刷法などの方法で形成すればよい。例えば、銀ペーストを用いてスクリーン印刷法で形成することができる。 The auxiliary electrode 317 and the auxiliary electrode 319 may be formed by a method such as a printing method using aluminum, silver, lead tin (solder), or the like. For example, it can be formed by a screen printing method using a silver paste.

以上により、いわゆるタンデム型の光電変換装置300を作製することができる。 Through the above steps, a so-called tandem photoelectric conversion device 300 can be manufactured.

なお、本実施の形態においては図示していないが、上記タンデム型の光電変換装置300に関しても、反射防止機能を有する図8に示すパッシベーション層219と同様のパッシベーション層を形成することが好ましい。 Although not shown in this embodiment mode, it is preferable to form a passivation layer similar to the passivation layer 219 shown in FIG. 8 having an antireflection function also for the tandem photoelectric conversion device 300.

図24(A)には、光電変換装置のユニットセル220とユニットセル330の断面模式図の一例を示す。ここでは、高濃度にp型不純物元素が添加された第1の不純物半導体層208(p層)と、p型の単結晶シリコン層251(p層)と、i型の結晶シリコン層253(i層)と、n型不純物元素が添加された第2の不純物半導体層214(n層、またはn層)が順に積層されたユニットセル220及び、p型の第3の不純物半導体層322(p層、またはp層)と、i型の非単結晶半導体層324(i層)と、n型の第4の不純物半導体層326(n層、またはn層)が順に配置されたユニットセル330について示しているが、開示する発明の一態様はこれに限定して解釈されない。なお、ユニットセル220中の単結晶半導体層を単結晶シリコンとする場合には、そのバンドギャップエネルギーは約1.12eVであり、ユニットセル330中の非単結晶半導体層を非晶質シリコンとする場合には、そのバンドギャップエネルギーは約1.75eVである。また、光(エネルギー:hν)は第4の不純物半導体層326側から入射する。 FIG. 24A illustrates an example of a schematic cross-sectional view of the unit cell 220 and the unit cell 330 of the photoelectric conversion device. Here, a first impurity semiconductor layer 208 (p + layer) to which a p-type impurity element is added at a high concentration, a p-type single crystal silicon layer 251 (p layer), and an i-type crystal silicon layer 253 ( unit cell 220 in which an i layer) and a second impurity semiconductor layer 214 to which an n-type impurity element is added (an n + layer or an n layer) are sequentially stacked, and a p-type third impurity semiconductor layer 322 ( p + layer or p layer), an i-type non-single-crystal semiconductor layer 324 (i layer), and an n-type fourth impurity semiconductor layer 326 (n + layer or n layer) are arranged in this order. Although the cell 330 is shown, one embodiment of the disclosed invention is not construed as being limited thereto. Note that when the single crystal semiconductor layer in the unit cell 220 is made of single crystal silicon, the band gap energy is about 1.12 eV, and the non-single crystal semiconductor layer in the unit cell 330 is made of amorphous silicon. In some cases, the band gap energy is about 1.75 eV. Light (energy: hν) is incident from the fourth impurity semiconductor layer 326 side.

図24(B)は、図24(A)に示すユニットセル220とユニットセル330のエネルギーバンド図である。ここで、Ecは伝導帯の底を、Evは価電子帯の頂上を示している。また、Efはフェルミ準位のエネルギーを示す。また、Egcはユニットセル220におけるバンドギャップエネルギー(約1.12eV)であり、Egcはユニットセル330におけるバンドギャップエネルギー(約1.75eV)である。 FIG. 24B is an energy band diagram of the unit cell 220 and the unit cell 330 illustrated in FIG. Here, Ec indicates the bottom of the conduction band, and Ev indicates the top of the valence band. Ef represents Fermi level energy. Egc 1 is the band gap energy (about 1.12 eV) in the unit cell 220, and Egc 2 is the band gap energy (about 1.75 eV) in the unit cell 330.

図24(B)に示されるバンド構造に起因して、各ユニットセルで光励起により生成された電子は、各ユニットセルのn層(またはn層)の方向に流れ、また、正孔は、各ユニットセルのp層(またはp層)の方向に流れることになる。これが、光電変換の基本的な原理である。ユニットセル220とユニットセル330の接続部分では再結合電流が流れるため、外部に電流を取り出すことができる。 Due to the band structure shown in FIG. 24B, electrons generated by photoexcitation in each unit cell flow in the direction of the n + layer (or n layer) of each unit cell. It flows in the direction of the p + layer (or p layer) of each unit cell. This is the basic principle of photoelectric conversion. Since a recombination current flows at a connection portion between the unit cell 220 and the unit cell 330, the current can be taken out to the outside.

単結晶半導体層を有するユニットセル220をボトムセルとして用いることで、800nm以上の波長の光を吸収して光電変換することが可能となる。また、非単結晶半導体層を有するユニットセル330をトップセルとして用いることで、単結晶半導体層に比べて効率的にエネルギーが吸収されない800nm未満の波長の光を吸収して光電変換することが可能となる。このようなバンドギャップの異なるユニットセルを積層した構造(いわゆるタンデム型の構造)とすることで、光電変換効率を大きく向上させることができる。 By using the unit cell 220 having a single crystal semiconductor layer as a bottom cell, light having a wavelength of 800 nm or more can be absorbed and subjected to photoelectric conversion. In addition, by using the unit cell 330 having a non-single-crystal semiconductor layer as a top cell, it is possible to absorb and photoelectrically convert light having a wavelength of less than 800 nm, in which energy is not absorbed more efficiently than the single-crystal semiconductor layer. It becomes. By adopting a structure in which unit cells having different band gaps are stacked (so-called tandem structure), photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態7)
本実施の形態では、ユニットセルを複数積層した光電変換装置の一例について説明する。具体的には、ユニットセルを3層積層した、いわゆるスタック型の光電変換装置400について説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, an example of a photoelectric conversion device in which a plurality of unit cells is stacked is described. Specifically, a so-called stacked photoelectric conversion device 400 in which three unit cells are stacked will be described.

図25に、本実施の形態に係るスタック型の光電変換装置400の断面の模式図を示す。光電変換装置400は、ベース基板202上にユニットセル220(第1のユニットセルと呼んでも良い。)と、ユニットセル330(第2のユニットセルと呼んでも良い。)と、ユニットセル440(第3のユニットセルと呼んでも良い。)が積層された構造を有する。ベース基板202とユニットセル220の間には第1の電極206が設けられ、第1の電極206とベース基板202との間には絶縁層204が設けられている。本実施の形態において、ベース基板202、絶縁層204、第1の電極206、ユニットセル220の構成及び作製方法は実施の形態3と同様であるから、重複する部分の説明は省略する。また、ユニットセル330の構成及び作製方法は実施の形態6と同様であるから、重複する部分の説明は省略する。 FIG. 25 is a schematic cross-sectional view of the stack type photoelectric conversion device 400 according to this embodiment. The photoelectric conversion device 400 includes a unit cell 220 (may be referred to as a first unit cell), a unit cell 330 (may be referred to as a second unit cell), and a unit cell 440 (first unit cell) on the base substrate 202. 3 may be referred to as a unit cell 3). A first electrode 206 is provided between the base substrate 202 and the unit cell 220, and an insulating layer 204 is provided between the first electrode 206 and the base substrate 202. In this embodiment mode, the structures and manufacturing methods of the base substrate 202, the insulating layer 204, the first electrode 206, and the unit cell 220 are the same as those in Embodiment Mode 3, and thus description of overlapping portions is omitted. In addition, since the configuration and the manufacturing method of the unit cell 330 are the same as those in Embodiment 6, the description of the overlapping parts is omitted.

光電変換装置400は、図中の上方(ユニットセル440の表面側)から光が入射する構成となっている。また、ユニットセル440、ユニットセル330、ユニットセル220を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーは、光の入射側ほど大きくなっている。つまり、バンドギャップエネルギーは、大きい順にユニットセル440、ユニットセル330、ユニットセル220である。このように、各ユニットセルのバンドギャップエネルギーを異ならせ、バンドギャップエネルギーが大きい順に入射側から配置することで、効率よく光を吸収できるようになる。 The photoelectric conversion device 400 has a structure in which light is incident from above (the surface side of the unit cell 440) in the drawing. Further, the band gap energy of the semiconductor layers constituting the unit cell 440, the unit cell 330, and the unit cell 220 is larger toward the light incident side. That is, the band gap energy is the unit cell 440, the unit cell 330, and the unit cell 220 in descending order. In this way, by making the band gap energy of each unit cell different and arranging them from the incident side in the descending order of the band gap energy, light can be efficiently absorbed.

例えば、ユニットセル220を構成する半導体層として、単結晶シリコンを用いる場合には、そのバンドギャップエネルギーは約1.12eVであるから、ユニットセル330及びユニットセル440には、バンドギャップエネルギーがより大きい材料を用いる。具体的には、例えば、ユニットセル330の半導体層としてバンドギャップエネルギーが1.45eV以上1.65eV以下程度の材料(非晶質シリコンゲルマニウムなど)を用い、また、ユニットセル440の半導体層としてバンドギャップエネルギーが1.7eV以上2.0eV以下程度の材料(非晶質シリコン、非晶質シリコンカーバイドなど)を用いればよい。 For example, when single crystal silicon is used as the semiconductor layer constituting the unit cell 220, the band gap energy is about 1.12 eV, so that the unit cell 330 and the unit cell 440 have a larger band gap energy. Use materials. Specifically, for example, a material (such as amorphous silicon germanium) having a band gap energy of about 1.45 eV to 1.65 eV is used as the semiconductor layer of the unit cell 330, and a band is used as the semiconductor layer of the unit cell 440. A material having a gap energy of about 1.7 eV or more and 2.0 eV or less (amorphous silicon, amorphous silicon carbide, or the like) may be used.

ユニットセル440は、ユニットセル330上に、一導電型が付与された第5の不純物半導体層442と、非単結晶半導体層444と、第5の不純物半導体層442とは異なる導電型が付与された第6の不純物半導体層446とが順に積層された構造を有する。ここで、第5の不純物半導体層442には、ユニットセル330の第4の不純物半導体層326とは逆の導電型が付与される。 The unit cell 440 has a conductivity type different from that of the fifth impurity semiconductor layer 442 to which one conductivity type is imparted, the non-single-crystal semiconductor layer 444, and the fifth impurity semiconductor layer 442 over the unit cell 330. The sixth impurity semiconductor layer 446 is stacked in order. Here, the fifth impurity semiconductor layer 442 has a conductivity type opposite to that of the fourth impurity semiconductor layer 326 of the unit cell 330.

ユニットセル220のベース基板202側には第1の電極206が設けられ、ユニットセル440の表面側には第2の電極452が設けられている。また、第1の電極206に接続する補助電極453、及び第2の電極452に接続する補助電極454が設けられている。補助電極453と補助電極454は、光電変換層にて変換された電気エネルギーを取り出す取り出し電極(集電極ともいう。)として機能する。 A first electrode 206 is provided on the base substrate 202 side of the unit cell 220, and a second electrode 452 is provided on the surface side of the unit cell 440. In addition, an auxiliary electrode 453 connected to the first electrode 206 and an auxiliary electrode 454 connected to the second electrode 452 are provided. The auxiliary electrode 453 and the auxiliary electrode 454 function as extraction electrodes (also referred to as collecting electrodes) that extract electric energy converted by the photoelectric conversion layer.

図26(A)に、光電変換装置のユニットセル220とユニットセル330とユニットセル440の断面模式図の一例を示す。ここでは、高濃度にp型不純物元素が添加された第1の不純物半導体層208(p層)と、p型の単結晶シリコン層251(p層)と、i型の結晶シリコン層253(i層)と、n型不純物元素が添加された第2の不純物半導体層214(n層、またはn層)が順に積層されたユニットセル220、p型の第3の不純物半導体層322(p層、またはp層)と、i型の非単結晶半導体層324(i層)と、n型の第4の不純物半導体層326(n層、またはn層)が順に配置されたユニットセル330、及びp型の第5の不純物半導体層442(p層、またはp層)と、i型の非単結晶半導体層444(i層)と、n型の第6の不純物半導体層446(n層、またはn層)が順に配置されたユニットセル440について示しているが、開示する発明の一態様はこれに限定して解釈されない。 FIG. 26A illustrates an example of a schematic cross-sectional view of the unit cell 220, the unit cell 330, and the unit cell 440 of the photoelectric conversion device. Here, a first impurity semiconductor layer 208 (p + layer) to which a p-type impurity element is added at a high concentration, a p-type single crystal silicon layer 251 (p layer), and an i-type crystal silicon layer 253 ( unit cell 220 in which an i layer) and a second impurity semiconductor layer 214 (n + layer or n layer) to which an n-type impurity element is added are sequentially stacked, a p-type third impurity semiconductor layer 322 (p + Layer or p layer), an i-type non-single-crystal semiconductor layer 324 (i layer), and an n-type fourth impurity semiconductor layer 326 (n + layer or n layer) are sequentially arranged. 330 and a p-type fifth impurity semiconductor layer 442 (p + layer or p-layer), an i-type non-single-crystal semiconductor layer 444 (i-layer), and an n-type sixth impurity semiconductor layer 446 ( n + layer or an n layer) is shown for the unit cell 440 arranged in this order, It is but one embodiment of the disclosed invention is not construed as being limited thereto.

図26(B)は、図26(A)に示すユニットセル220、ユニットセル330、ユニットセル440のエネルギーバンド図である。ここで、Ecは伝導帯の底を、Evは価電子帯の頂上を示している。また、Efはフェルミ準位のエネルギーを示す。また、Egcはユニットセル220のバンドギャップエネルギーであり、Egcはユニットセル330のバンドギャップエネルギーであり、Egcはユニットセル440のバンドギャップエネルギーである。 FIG. 26B is an energy band diagram of the unit cell 220, the unit cell 330, and the unit cell 440 illustrated in FIG. Here, Ec indicates the bottom of the conduction band, and Ev indicates the top of the valence band. Ef represents Fermi level energy. Egc 1 is the band gap energy of the unit cell 220, Egc 2 is the band gap energy of the unit cell 330, and Egc 3 is the band gap energy of the unit cell 440.

図26(B)に示されるバンド構造に起因して、各ユニットセルで光励起により生成された電子は、各ユニットセルのn層(またはn層)の方向に流れ、また、正孔は、各ユニットセルのp層(またはp層)の方向に流れることになる。これが、光電変換の基本的な原理である。ユニットセル220とユニットセル330の接続部分、ユニットセル330とユニットセル440の接続部分では再結合電流が流れるため、外部に電流を取り出すことができる。 Due to the band structure shown in FIG. 26B, electrons generated by photoexcitation in each unit cell flow in the direction of the n + layer (or n layer) of each unit cell. It flows in the direction of the p + layer (or p layer) of each unit cell. This is the basic principle of photoelectric conversion. Since a recombination current flows in the connection portion between the unit cell 220 and the unit cell 330 and in the connection portion between the unit cell 330 and the unit cell 440, the current can be taken out to the outside.

以上のように、いわゆるスタック型の構造とすることで、効率のよい吸収波長帯域を広く採ることができるため、光電変換効率を大きく向上させることができる。 As described above, by adopting a so-called stack type structure, a wide efficient absorption wavelength band can be taken, so that the photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態8)
実施の形態3乃至7などにより得られる光電変換装置を用いて、太陽光発電モジュールを製造することができる。本実施の形態では、実施の形態3に示す光電変換装置を用いた太陽光発電モジュールの例を図27(A)に示す。太陽光発電モジュール1028は、ベース基板202上に設けられたユニットセル220により構成されている。ベース基板202とユニットセル220の間には、ベース基板202側から絶縁層204、第1の電極206が設けられている。また、第1の電極206は補助電極216と接続している。
(Embodiment 8)
A photovoltaic power generation module can be manufactured using the photoelectric conversion device obtained in any of Embodiments 3 to 7, for example. In this embodiment, an example of a solar power generation module using the photoelectric conversion device described in Embodiment 3 is illustrated in FIG. The photovoltaic power generation module 1028 includes a unit cell 220 provided on the base substrate 202. Between the base substrate 202 and the unit cell 220, an insulating layer 204 and a first electrode 206 are provided from the base substrate 202 side. Further, the first electrode 206 is connected to the auxiliary electrode 216.

補助電極216及び第2の電極218はベース基板202の一表面側(ユニットセル220が形成されている側)に形成され、ベース基板202の端部で外部端子コネクタ用の裏面電極1026及び裏面電極1027とそれぞれ接続する。図27(B)は、図27(A)のC−Dに対応する断面図であり、ベース基板202の貫通口を通じて、補助電極216が裏面電極1026と接続し、第2の電極218が裏面電極1027と接続する様子を示している。 The auxiliary electrode 216 and the second electrode 218 are formed on one surface side of the base substrate 202 (side on which the unit cell 220 is formed), and a back electrode 1026 and a back electrode for an external terminal connector at the end of the base substrate 202 1027, respectively. FIG. 27B is a cross-sectional view corresponding to CD in FIG. 27A, in which the auxiliary electrode 216 is connected to the back electrode 1026 through the through hole of the base substrate 202, and the second electrode 218 is the back surface. A state of connection with the electrode 1027 is shown.

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

(実施の形態9)
図28に、実施の形態7で示した太陽光発電モジュール1028を用いた太陽光発電システムの例を示す。充電制御回路1029は、一または複数の太陽光発電モジュール1028から供給される電力を用いて、蓄電池1030を充電する。また、蓄電池1030が十分に充電されている場合には、太陽光発電モジュール1028から供給される電力を負荷1031に直接出力する。
(Embodiment 9)
FIG. 28 illustrates an example of a solar power generation system using the solar power generation module 1028 described in Embodiment 7. The charge control circuit 1029 charges the storage battery 1030 using electric power supplied from one or a plurality of photovoltaic power generation modules 1028. Further, when the storage battery 1030 is sufficiently charged, the power supplied from the solar power generation module 1028 is directly output to the load 1031.

蓄電池1030として電気二重層キャパシタを用いると、充電に化学反応を必要としないため、急速な充電が可能である。また、化学反応を利用する鉛蓄電池などに比べ、寿命を8倍程度、充放電効率を1.5倍程度に高めることができる。本実施の形態において示す太陽光発電システムは、照明、電子機器など、電力を使用する様々な負荷1031に対して用いることができる。 When an electric double layer capacitor is used as the storage battery 1030, a chemical reaction is not required for charging, and thus rapid charging is possible. Moreover, compared with the lead acid battery etc. which utilize a chemical reaction, a lifetime can be raised about 8 times and charging / discharging efficiency can be raised about 1.5 times. The solar power generation system described in this embodiment can be used for various loads 1031 that use electric power, such as lighting and electronic devices.

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.

本実施例では、開示する発明の一様態を用いてガラス基板上に形成された単結晶シリコン層について説明する。 In this example, a single crystal silicon layer formed over a glass substrate is described using one embodiment of the disclosed invention.

まず、実施の形態2において説明した方法を用いて、ガラス基板上に単結晶シリコン層を形成する。本実施例では、厚さ0.7mmのガラス基板上に、厚さ100nmの酸化シリコン層と、厚さ150nmの単結晶シリコン層からなる積層構造を形成した。そして、上記単結晶シリコン層上に、針状結晶領域、非晶質シリコン層を一度の工程で形成した。 First, a single crystal silicon layer is formed over a glass substrate using the method described in Embodiment Mode 2. In this example, a stacked structure including a silicon oxide layer having a thickness of 100 nm and a single crystal silicon layer having a thickness of 150 nm was formed on a glass substrate having a thickness of 0.7 mm. Then, a needle crystal region and an amorphous silicon layer were formed on the single crystal silicon layer in a single step.

針状結晶領域及び非晶質シリコン層の形成条件は以下の通りである。
・成膜法:PECVD
・原料ガス:SiH(800sccm)
・電力密度(周波数):102mW/cm(60MHz)
・圧力:150Pa
・電極間隔:10mm
・基板温度:400℃
・厚さ:1μm
The conditions for forming the acicular crystal region and the amorphous silicon layer are as follows.
・ Film formation method: PECVD
・ Raw material gas: SiH 4 (800 sccm)
-Power density (frequency): 102 mW / cm 2 (60 MHz)
・ Pressure: 150Pa
・ Electrode spacing: 10 mm
-Substrate temperature: 400 ° C
・ Thickness: 1μm

上記針状結晶領域及び非晶質シリコン層を形成した段階で、シリコン層の特性を調査した。具体的にはラマンスペクトル評価、断面STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)、SIMS分析を行った。なお、ラマンスペクトル評価には、ホリバ・ジョバンイボン社製ダブルラマン分光装置 U1000を用いた。STEMの評価には株式会社日立ハイテクノロジーズ製HD−2300形 超薄膜評価装置を用いた。SIMS分析には、アルバック・ファイ株式会社製四重極型二次イオン質量分析装置 PHI ADEPT1010を用いた。SIMS分析の際は、加速電圧1.0kVのCsを一次イオンとして照射した。 At the stage where the needle crystal region and the amorphous silicon layer were formed, the characteristics of the silicon layer were investigated. Specifically, Raman spectrum evaluation, cross-section STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), and SIMS analysis were performed. For Raman spectrum evaluation, a double Raman spectroscope U1000 manufactured by Horiba Joban Yvon was used. For evaluation of STEM, an HD-2300 type ultra-thin film evaluation apparatus manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation was used. For the SIMS analysis, a quadrupole secondary ion mass spectrometer PHI ADEPT1010 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used. In the SIMS analysis, Cs + having an acceleration voltage of 1.0 kV was irradiated as primary ions.

その後、固相エピタキシャル成長により、非晶質シリコン層を結晶化した。具体的には、抵抗加熱炉を用いて、窒素雰囲気中にて、600℃の温度で1時間の熱処理を行った。また、この段階で上記針状結晶領域及び非晶質シリコン層の剥離は発生しなかった。上記の熱処理後、ラマンスペクトル評価、断面STEM像観察、SIMS分析を行った。 Thereafter, the amorphous silicon layer was crystallized by solid phase epitaxial growth. Specifically, heat treatment was performed for 1 hour at a temperature of 600 ° C. in a nitrogen atmosphere using a resistance heating furnace. At this stage, the acicular crystal region and the amorphous silicon layer were not peeled off. After the above heat treatment, Raman spectrum evaluation, cross-sectional STEM image observation, and SIMS analysis were performed.

図10(A)に、熱処理前の試料の断面STEM像を示す。試料は、ガラス基板1300、酸化シリコン層1301、単結晶シリコン層1302、針状結晶領域1303及び非晶質シリコン層1304で構成される。このときコーティング1305及びコーティング1306は断面STEM観察しやすさのために設けられる。図10(B)は、図10(A)よりも拡大された試料の断面STEM像である。ここで、DIFF1、DIFF2、DIFF3で示す箇所の電子線回折像を評価した。図10(A)の倍率は、50,000倍であり、図10(B)の倍率は200,000倍である。また、図10(B)のDIFF1、DIFF2、及びDIFF3における電子線回折像をそれぞれ、図10(C)、図10(D)、及び図10(E)に示す。図10(C)より、DIFF1は電子線回折が観測されず、非晶質であることがわかる。図10(D)及び図10(E)はほとんど同一の電子線回折像を示しており、DIFF2の針状結晶領域がDIFF3の単結晶シリコン層と同じ結晶方位であることがわかる。針状結晶領域が単結晶シリコン層と同じ結晶方位であることは、本発明において重要な特徴の一つである。 FIG. 10A shows a cross-sectional STEM image of the sample before the heat treatment. The sample includes a glass substrate 1300, a silicon oxide layer 1301, a single crystal silicon layer 1302, a needle crystal region 1303, and an amorphous silicon layer 1304. At this time, the coating 1305 and the coating 1306 are provided to facilitate cross-sectional STEM observation. FIG. 10B is a cross-sectional STEM image of the sample enlarged from FIG. Here, the electron diffraction patterns of the portions indicated by DIFF1, DIFF2, and DIFF3 were evaluated. The magnification of FIG. 10 (A) is 50,000 times, and the magnification of FIG. 10 (B) is 200,000 times. Further, electron diffraction images in DIFF1, DIFF2, and DIFF3 in FIG. 10B are shown in FIGS. 10C, 10D, and 10E, respectively. FIG. 10C shows that DIFF1 is amorphous because no electron diffraction is observed. 10D and 10E show almost the same electron beam diffraction images, and it can be seen that the needle crystal region of DIFF2 has the same crystal orientation as the single crystal silicon layer of DIFF3. It is one of the important features in the present invention that the acicular crystal region has the same crystal orientation as the single crystal silicon layer.

図11に上記試料のラマンスペクトル評価及び断面STEM像を示す。熱処理前の試料のラマンスペクトルを図11(A)に示し、熱処理前の試料の断面STEM像を図11(C)に示す。また、熱処理後の試料のラマンスペクトルを図11(B)に示し、熱処理後の試料の断面STEM像を図11(D)に示す。熱処理を行うことにより、針状結晶領域1303及び非晶質シリコン層1304が結晶シリコン層1310となる。これらの比較から、熱処理の前後において、シリコン層の特性が大きく変化していることがわかる。例えば、熱処理後の試料のラマンスペクトルのピーク波数は519.85cm−1であり、また、FWHMは3.20cm−1である。単結晶シリコンのラマンスペクトル評価におけるピーク波数が520cm−1であることから、エピタキシャル成長したシリコン層は、単結晶に極めて近い結晶性であることがわかる。 FIG. 11 shows the Raman spectrum evaluation and cross-sectional STEM image of the sample. FIG. 11A shows a Raman spectrum of the sample before the heat treatment, and FIG. 11C shows a cross-sectional STEM image of the sample before the heat treatment. FIG. 11B shows a Raman spectrum of the heat-treated sample, and FIG. 11D shows a cross-sectional STEM image of the heat-treated sample. By performing the heat treatment, the acicular crystal region 1303 and the amorphous silicon layer 1304 become the crystalline silicon layer 1310. From these comparisons, it can be seen that the characteristics of the silicon layer change greatly before and after the heat treatment. For example, the peak wave number of the Raman spectrum of the sample after the heat treatment is 519.85 cm −1 and the FWHM is 3.20 cm −1 . Since the peak wave number in the Raman spectrum evaluation of single crystal silicon is 520 cm −1 , it can be seen that the epitaxially grown silicon layer has crystallinity very close to that of the single crystal.

図12に熱処理前の試料のSIMS分析結果を示す。また、図13に熱処理後の試料のSIMS分析結果を示す。図12と図13を比較することにより、熱処理前の非晶質シリコン層と比べ、熱処理後の結晶シリコン層中の平均水素濃度が低減していることがわかる。固相エピタキシャル成長の熱処理により、Si−H結合が切れて非晶質シリコン層中の水素が脱離し、Si−Si結合の再配列が助長されたためと推測される。 FIG. 12 shows the SIMS analysis result of the sample before the heat treatment. FIG. 13 shows the SIMS analysis result of the sample after the heat treatment. By comparing FIG. 12 and FIG. 13, it can be seen that the average hydrogen concentration in the crystalline silicon layer after the heat treatment is reduced as compared with the amorphous silicon layer before the heat treatment. This is presumably because the Si—H bond was broken by the heat treatment of the solid phase epitaxial growth, the hydrogen in the amorphous silicon layer was desorbed, and the rearrangement of the Si—Si bond was promoted.

このような結晶性の良好なシリコン層を用いることで、優れた特性の光電変換装置を作製することができる。 By using such a silicon layer with favorable crystallinity, a photoelectric conversion device having excellent characteristics can be manufactured.

(比較例1)
比較のため、単結晶シリコン層上に、基板温度を210℃、280℃、400℃、電力密度を102mW/cm、612mW/cm、1633mW/cmとしてシリコン層を形成した例を示す。
(Comparative Example 1)
For comparison, an example is shown in which a silicon layer is formed on a single crystal silicon layer with a substrate temperature of 210 ° C., 280 ° C., 400 ° C. and a power density of 102 mW / cm 2 , 612 mW / cm 2 , and 1633 mW / cm 2 .

なお、その他のシリコン層の形成条件は以下の通りである。
・成膜法:PECVD
・原料ガス:SiH(800sccm)
・電源周波数:60MHz
・圧力:150Pa
・電極間隔:10mm
・厚さ:1μm
The other silicon layer formation conditions are as follows.
・ Film formation method: PECVD
・ Raw material gas: SiH 4 (800 sccm)
・ Power supply frequency: 60 MHz
・ Pressure: 150Pa
・ Electrode spacing: 10 mm
・ Thickness: 1μm

図14に単結晶シリコン層上に異なる基板温度、電力密度でシリコン層を形成した試料の断面STEMを示す。図14(A)〜(C)は基板温度が210℃である。図14(D)〜(F)は基板温度が280℃である。図14(G)〜(I)は基板温度が400℃である。また、図14(A)、図14(D)、図14(G)は電力密度が102mW/cmである。図14(B)、図14(E)、図14(H)は電力密度が612mW/cmである。図14(C)、図14(F)、図14(I)は電力密度が1633mW/cmである。このとき、図14(G)のみ、針状結晶領域1303が観測された。また、抵抗加熱炉にて窒素雰囲気中で600℃、1時間の熱処理を行ったところ、図14(G)を除いて基板の一部もしくは全面で非晶質シリコン層1304の剥離が見られた。非晶質シリコン層1304の剥離は、基板温度が高いほど、ついで電力密度が小さいほど、程度が軽くなった。 FIG. 14 shows a cross-sectional STEM of a sample in which a silicon layer is formed on a single crystal silicon layer at different substrate temperatures and power densities. 14A to 14C, the substrate temperature is 210 ° C. 14D to 14F, the substrate temperature is 280 ° C. In FIGS. 14G to 14I, the substrate temperature is 400.degree. In addition, in FIGS. 14A, 14D, and 14G, the power density is 102 mW / cm 2 . In FIGS. 14B, 14E, and 14H, the power density is 612 mW / cm 2 . In FIGS. 14C, 14F, and 14I, the power density is 1633 mW / cm 2 . At this time, the acicular crystal region 1303 was observed only in FIG. Further, when heat treatment was performed at 600 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere in a resistance heating furnace, peeling of the amorphous silicon layer 1304 was observed on a part or the whole surface of the substrate except for FIG. . The peeling of the amorphous silicon layer 1304 became lighter as the substrate temperature was higher and the power density was lower.

図14において、非晶質シリコン層1304の剥離が起きた試料の一部及び剥離の起きなかった試料で非晶質シリコン層1304のSIMS分析を行った。このときの水素濃度を図15に示す。実線1401は図14(G)に示す試料の水素濃度を示し、実線1402は図14(H)に示す試料の水素濃度を示し、実線1403は図14(D)に示す試料の水素濃度を示し、実線1404は図14(A)に示す試料の水素濃度を示す。また、破線1405は水素濃度3.5×1021atoms/cmを示す。剥離の起きた条件は、いずれも膜中の平均水素濃度が3.5×1021atoms/cm以上と高く、非晶質シリコン層に歪みが生じていた可能性がある。 In FIG. 14, SIMS analysis of the amorphous silicon layer 1304 was performed on a part of the sample where the amorphous silicon layer 1304 was peeled off and a sample where peeling was not caused. The hydrogen concentration at this time is shown in FIG. A solid line 1401 indicates the hydrogen concentration of the sample illustrated in FIG. 14G, a solid line 1402 indicates the hydrogen concentration of the sample illustrated in FIG. 14H, and a solid line 1403 indicates the hydrogen concentration of the sample illustrated in FIG. A solid line 1404 indicates the hydrogen concentration of the sample shown in FIG. A broken line 1405 indicates a hydrogen concentration of 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 . As for the conditions where peeling occurred, the average hydrogen concentration in the film was as high as 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 or more, and there was a possibility that the amorphous silicon layer was distorted.

本比較例において、単結晶シリコン層上に結晶シリコン層をエピタキシャル成長させるためには、シリコン層の形成条件が重要であることがわかった。また、単結晶シリコン層上のシリコン層は膜中の水素濃度によっては剥離しやすいことがわかった。本比較例によって、開示する発明の一様態が歩留まり向上に有効であることが確認できる。 In this comparative example, it was found that the conditions for forming the silicon layer are important for epitaxial growth of the crystalline silicon layer on the single crystal silicon layer. It was also found that the silicon layer on the single crystal silicon layer was easily peeled depending on the hydrogen concentration in the film. By this comparative example, it can be confirmed that the disclosed embodiment is effective in improving the yield.

(比較例2)
比較のため、SiHをHで希釈した原料ガスを用いて、単結晶シリコン層上での結晶シリコン層のエピタキシャル成長を試みた例を示す(試料1)。
(Comparative Example 2)
For comparison, an example is shown in which epitaxial growth of a crystalline silicon layer on a single crystal silicon layer is attempted using a source gas obtained by diluting SiH 4 with H 2 (Sample 1).

なお、試料1におけるシリコン層の形成条件は以下の通りである。
・成膜法:PECVD
・原料ガス:SiH(290sccm)+H(1740sccm)
・電力密度(周波数):60mW/cm(60MHz)
・基板温度:280℃
・圧力:140Pa
・電極間隔:15mm
・厚さ:500nm
The formation conditions of the silicon layer in sample 1 are as follows.
・ Film formation method: PECVD
Source gas: SiH 4 (290 sccm) + H 2 (1740 sccm)
-Power density (frequency): 60 mW / cm 2 (60 MHz)
-Substrate temperature: 280 ° C
・ Pressure: 140Pa
・ Electrode spacing: 15mm
・ Thickness: 500nm

開示する発明の一様態におけるシリコン層の形成条件を以下に示す。
・成膜法:PECVD
・原料ガス:SiH(800sccm)
・電力密度(周波数):102mW/cm(60MHz)
・基板温度:400℃
・圧力:150Pa
・電極間隔:10mm
・厚さ:1μm
The conditions for forming the silicon layer in one embodiment of the disclosed invention are described below.
・ Film formation method: PECVD
・ Raw material gas: SiH 4 (800 sccm)
-Power density (frequency): 102 mW / cm 2 (60 MHz)
-Substrate temperature: 400 ° C
・ Pressure: 150Pa
・ Electrode spacing: 10 mm
・ Thickness: 1μm

図16に熱処理前の試料の断面STEMを比較して示す。開示する発明の一様態の試料の断面STEM像を図16(A)に示す。また、試料1の断面STEM像を図16(B)に示す。図16(A)が針状結晶領域1303及び非晶質シリコン層1304で構成されるのに対し、図16(B)は結晶シリコン層1307及び非晶質シリコン層1308から構成されることがわかる。図17に熱処理後の試料のラマンスペクトル及び断面STEM像を示す。ここで熱処理とは、抵抗加熱炉を用いて窒素雰囲気中で600℃、1時間の熱処理のことである。このとき、図17(A)は開示する発明の一様態の試料のラマンスペクトルを示し、図17(C)は開示する発明の一様態の試料の断面STEM像を示す。また、図17(B)は試料1のラマンスペクトルを示し、図17(D)は試料1の断面STEM像を示す。試料1は、形成後の熱処理で均一な固相エピタキシャル成長が進まず、多結晶シリコン領域1311が形成される。このシリコン層のラマンスペクトル評価の結果、ピーク波数が518.90cm−1、FWHMが5.18cm−1であった。また、開示する発明の一様態を用いた場合、ピーク波数は519.85cm−1であり、また、FWHMは3.20cm−1であった。開示する発明の一様態は、単結晶シリコンのピーク波数520cm−1に近く、FWHMも小さいことから結晶性が良好であることがわかる。 FIG. 16 shows a comparison of cross-sectional STEMs of samples before heat treatment. A cross-sectional STEM image of a sample of one embodiment of the disclosed invention is illustrated in FIG. A cross-sectional STEM image of Sample 1 is shown in FIG. FIG. 16A is composed of a needle crystal region 1303 and an amorphous silicon layer 1304, whereas FIG. 16B is composed of a crystalline silicon layer 1307 and an amorphous silicon layer 1308. . FIG. 17 shows a Raman spectrum and a cross-sectional STEM image of the sample after the heat treatment. Here, the heat treatment means heat treatment at 600 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere using a resistance heating furnace. At this time, FIG. 17A shows a Raman spectrum of the sample of the disclosed invention, and FIG. 17C shows a cross-sectional STEM image of the sample of the disclosed invention. FIG. 17B shows a Raman spectrum of Sample 1, and FIG. 17D shows a cross-sectional STEM image of Sample 1. In the sample 1, uniform solid phase epitaxial growth does not proceed by the heat treatment after formation, and a polycrystalline silicon region 1311 is formed. As a result of Raman spectrum evaluation of this silicon layer, the peak wave number was 518.90 cm −1 and the FWHM was 5.18 cm −1 . In addition, in the case of using one embodiment of the disclosed invention, the peak wave number was 519.85 cm −1 and the FWHM was 3.20 cm −1 . One embodiment of the disclosed invention is close to the peak wave number of 520 cm −1 of single crystal silicon and has a small FWHM, which indicates that crystallinity is favorable.

比較例に対して、開示する発明の一様態ではシリコン層の結晶性が優れることがわかった。結晶性の優れるシリコン層を用いることで、良好な特性の光電変換装置を作製することができる。 In contrast to the comparative example, it was found that the crystallinity of the silicon layer was excellent in one embodiment of the disclosed invention. By using a silicon layer with excellent crystallinity, a photoelectric conversion device with favorable characteristics can be manufactured.

100 単結晶シリコン基板
101 絶縁層
103 水素イオン
105 脆化領域
130 ベース基板
131 単結晶シリコン層
132 針状結晶領域
133 非晶質シリコン層
134 結晶シリコン層
135 単結晶シリコン層
136 シリコン層
140 レーザービーム
141 単結晶シリコン層
142 針状結晶領域
143 非晶質シリコン層
144 結晶シリコン層
146 シリコン層
200 光電変換装置
202 ベース基板
203 単結晶シリコン基板
204 絶縁層
205 脆化領域
206 第1の電極
207 保護層
208 第1の不純物半導体層
210 単結晶シリコン層
211 非晶質シリコン層
212 結晶シリコン層
214 第2の不純物半導体層
216 補助電極
218 第2の電極
219 パッシベーション層
220 ユニットセル
230 不純物元素
240 イオン
250 レーザービーム
251 単結晶シリコン層
252 針状結晶領域
253 結晶シリコン層
256 シリコン層
260 不純物元素
280 基板温度
300 光電変換装置
317 補助電極
319 補助電極
322 第3の不純物半導体層
324 非単結晶半導体層
326 第4の不純物半導体層
330 ユニットセル
332 第2の電極
400 光電変換装置
440 ユニットセル
442 第5の不純物半導体層
444 非単結晶半導体層
446 第6の不純物半導体層
452 第2の電極
453 補助電極
454 補助電極
550 加熱温度
1026 裏面電極
1027 裏面電極
1028 太陽光発電モジュール
1029 充電制御回路
1030 蓄電池
1031 負荷
1300 ガラス基板
1301 酸化シリコン層
1302 単結晶シリコン層
1303 針状結晶領域
1304 非晶質シリコン層
1305 コーティング
1306 コーティング
1307 結晶シリコン層
1308 非晶質シリコン層
1310 結晶シリコン層
1401 実線
1402 実線
1403 実線
1404 実線
1405 破線
100 single crystal silicon substrate 101 insulating layer 103 hydrogen ion 105 embrittlement region 130 base substrate 131 single crystal silicon layer 132 acicular crystal region 133 amorphous silicon layer 134 crystalline silicon layer 135 single crystal silicon layer 136 silicon layer 140 laser beam 141 Single crystal silicon layer 142 Acicular crystal region 143 Amorphous silicon layer 144 Crystal silicon layer 146 Silicon layer 200 Photoelectric conversion device 202 Base substrate 203 Single crystal silicon substrate 204 Insulating layer 205 Embrittlement region 206 First electrode 207 Protective layer 208 First impurity semiconductor layer 210 Single crystal silicon layer 211 Amorphous silicon layer 212 Crystal silicon layer 214 Second impurity semiconductor layer 216 Auxiliary electrode 218 Second electrode 219 Passivation layer 220 Unit cell 230 Impurity element 240 ON 250 laser beam 251 single crystal silicon layer 252 acicular crystal region 253 crystal silicon layer 256 silicon layer 260 impurity element 280 substrate temperature 300 photoelectric conversion device 317 auxiliary electrode 319 auxiliary electrode 322 third impurity semiconductor layer 324 non-single crystal semiconductor layer 326 Fourth impurity semiconductor layer 330 Unit cell 332 Second electrode 400 Photoelectric conversion device 440 Unit cell 442 Fifth impurity semiconductor layer 444 Non-single crystal semiconductor layer 446 Sixth impurity semiconductor layer 452 Second electrode 453 Auxiliary electrode 454 Auxiliary electrode 550 Heating temperature 1026 Back surface electrode 1027 Back surface electrode 1028 Photovoltaic power generation module 1029 Charge control circuit 1030 Storage battery 1031 Load 1300 Glass substrate 1301 Silicon oxide layer 1302 Single crystal silicon layer 1303 Needle crystal region 304 amorphous silicon layer 1305 coated 1306 coating 1307 crystal silicon layer 1308 amorphous silicon layer 1310 crystal silicon layer 1401 solid 1402 solid 1403 solid 1404 solid 1405 dashed

Claims (3)

ベース基板上に絶縁膜を介して単結晶シリコン層を有するSOI基板を用意し、
原料ガスが堆積性ガス100%のプラズマ励起CVD法により、前記単結晶シリコン層上にシリコン層を形成し、
前記シリコン層は、針状結晶領域と非晶質領域とを有し、前記シリコン層中の水素濃度が2×1018atoms/cm以上3.5×1021atoms/cm未満であり、
前記針状結晶領域を種結晶として、前記非晶質領域を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることを特徴とする半導体基板の作製方法。
Prepare an SOI substrate having a single crystal silicon layer over an insulating film on a base substrate,
A silicon layer is formed on the single crystal silicon layer by a plasma enhanced CVD method using a source gas of 100% deposition gas,
The silicon layer has an acicular crystal region and an amorphous region, and a hydrogen concentration in the silicon layer is 2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and less than 3.5 × 10 21 atoms / cm 3 ,
A method for manufacturing a semiconductor substrate, wherein the acicular crystal region is used as a seed crystal, the amorphous region is solid-phase grown, and the silicon layer is a crystalline silicon layer.
請求項において、
前記プラズマ励起CVD法は、612mW/cm未満の高周波電源からの電力を供給し、基板温度を400℃以上前記ベース基板の歪み点未満で行うことを特徴とする半導体基板の作製方法。
In claim 1 ,
The plasma-excited CVD method is performed by supplying power from a high-frequency power source of less than 612 mW / cm 2 and performing the substrate temperature at 400 ° C. or higher and lower than the strain point of the base substrate.
請求項または請求項において、
前記堆積性ガスは、SiH、Si、またはSiFであることを特徴とする半導体基板の作製方法。
In claim 1 or claim 2 ,
The method for manufacturing a semiconductor substrate, wherein the deposition gas is SiH 4 , Si 2 H 6 , or SiF 4 .
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