(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不感層効果を減少させるドーピングプロフィールを形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントがドーピングされたテクスチャ領域と、グリッド線を形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントがドーピングされた、該グリッド線を形成する非テクスチャ領域とを含む表面を有する基板と、
上記グリッド線に接続された導電性のフィンガとを備える半導体装置。
【請求項２】
上記テクスチャ領域は、光受容性であることを特徴する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記テクスチャ領域のそれぞれは、複数のテクスチャ要素を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
上記テクスチャ要素のそれぞれは、ピラミッド形状であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
上記テクスチャ要素のそれぞれは、（１１１）面を有することを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
上記テクスチャ要素のそれぞれは、ドーム形状であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項７】
上記複数のテクスチャ要素のそれぞれ上の上記ドーパントの厚さは、均一であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項８】
上記テクスチャ領域のそれぞれは、反射防止コーティングで保護されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項９】
上記ドーパントは、ｎ型であり、上記基板は、ｐ型であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項１０】
上記ドーパントは、ｐ型であり、上記基板は、ｎ型であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項１１】
上記非テクスチャ領域の上記ドーパントには、金属シードが点在することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項１２】
上記基板は、不純物を含む金属コンタクトに接続された底部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項１３】
太陽電池を製造する太陽電池製造方法において、
基板の非テクスチャ領域及びテクスチャ領域を有する表面をイオンに暴露して、該テクスチャ領域に、不感層効果を減少させるドーピングプロフィールを形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントを注入し、該非テクスチャ領域に、グリッド線を形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントを注入する工程と、
接点フィンガをグリッド線に接続する工程とを有する太陽電池製造方法。
【請求項１４】
上記テクスチャ領域のそれぞれは、複数のテクスチャ要素を備えることを特徴とする請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項１５】
上記複数のテクスチャ要素は、ピラミッド形状であることを特徴とする請求項１４記載の太陽電池製造方法。
【請求項１６】
上記複数のテクスチャ要素は、半球形状であることを特徴とする請求項１４記載の太陽電池製造方法。
【請求項１７】
上記表面を暴露することは、上記ドーパントを含むイオンビームを、該表面に向けることであることを特徴とする請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項１８】
上記イオンビームは、上記ドーパントを上記複数のテクスチャ要素のそれぞれに別々に注入することを特徴とする請求項１７記載の太陽電池製造方法。
【請求項１９】
上記イオンビームを、上記表面全体を線形的に走査する工程を更に有し、
この工程によって、上記ドーパントを注入することを特徴とする請求項１７記載の太陽電池製造方法。
【請求項２０】
上記表面を暴露することは、該表面をプラズマビームによって包み込むことであることを特徴とする請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項２１】
上記テクスチャ領域は、光受容性であることを特徴とする請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項２２】
イオン源が上記複数のテクスチャ要素のそれぞれの表面に対して略垂直であるように、該イオン源、上記基板又はその両方を回転させる工程を更に有する請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項２３】
上記非テクスチャ領域における上記ドーパントの抵抗率は、約２０Ω／□であることを特徴とする請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項２４】
上記テクスチャ領域における上記ドーパントの抵抗率は、約１００Ω／□であることを特徴とする請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項２５】
上記グリッド線を金属接点フィンガに接続する工程を更に有する請求項１３記載の太陽電池製造方法。
【請求項２６】
上記グリッド線と上記金属接点フィンガ間にシリサイドを形成する工程を更に有する請求項２５記載の太陽電池製造方法。
【請求項２７】
太陽電池を製造する太陽電池製造方法において、
基板の上面をエッチングして、平面領域間に、ピラミッド形状の要素を有するテクスチャ光受容領域を形成する工程と、
イオンビームを上記上面向け、不感層効果を減少させるドーピングプロフィールを形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントを、上記テクスチャ光受容領域に注入し、グリッド線を形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントを、グリッド線を形成する上記平面領域に注入する工程と、
上記グリッド線に接点フィンガを接続する工程とを有し、
上記テクスチャ光受容領域における上記ドーパントの抵抗率は、１００Ω／□未満であり、上記平面領域における上記ドーパントの抵抗率は、約２０Ω／□であることを特徴とする太陽電池製造方法。
【請求項２８】
上部層及び下部層を有する基板と、
グリッド線を金属フィンガに接続するシリサイド要素と、
上記下部層に接続された接点とを備え、
上記上部層は、不感層効果を減少させるドーピングプロフィールを形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントがドーピングされた、ピラミッド形状の領域と、グリッド線を形成するための、上面に最も近い第１の注入段階、第２の注入段階、及び、ＰＮ接合に最も近い第３の注入段階で、深さに対する原子濃度が異なるようにドーパントがドーピングされた、上記グリッド線を形成する略平面領域とを含む表面を有し、隣接した略平面領域間の距離は、５０ミクロン未満であり、上記基板の厚さ５０ミクロン未満であることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００８年６月１１日に出願された係属中の米国仮特許出願第６１／１３１，６８７号「Solar Cell Fabrication Using Implantation」、２００８年６月１１日に出願された係属中の米国仮特許出願第６１／１３１，６８８号「Application Specific Implant System for Use in Solar Cell Fabrications」、２００８年６月１１日に出願された係属中の米国仮特許出願第６１／１３１，６９８号「Formation of Solar Cell Selective Emitter Using Implant and Anneal Method」、２００８年６月２４日に出願された係属中の米国仮特許出願第６１／１３３，０２８号「Solar Cell Fabrication with Faceting and Implantation」、２００９年３月２０日に出願された係属中の米国仮特許出願第６１／２１０，５４５号「Advanced High Efficiency Crystalline Solar Cell Fabrications Method」に対する優先権を主張する。これらの仮特許出願は、引用することにより、本願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体素子及びその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、抵抗損（ohmic losses）を減少させた太陽電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体太陽電池は、光を電流に変換することで広く知られている。太陽電池の効率は、抵抗損によってある程度制限され、太陽電池を製造するのに用いられるドーパントの拡散（dopant diffusion）及びコンタクトのスクリーン印刷（contact screen printing）に影響を受ける。
【０００４】
図１は、従来の太陽電池１００の構造を示す斜視図である。太陽電池１００は、その上面の光受容領域１３５に衝突した光を電流に変換し、電流は、負荷１５０に流れる。太陽電池１００は、ｐ型基板１１０上に形成されたｎ型エミッタ層１１５を備え、それによって、ｐｎ接合１１１が画定される。ｎ型エミッタ層１１５は、グリッド線（gridlines）を形成する高濃度ドーピングｎ型ウェル（highly doped n-wells）１１７を含み、反射防止コーティング（anti-reflective coating、以下、ＡＲＣという。）１２０によって保護されている。ｎ型ウェル１１７をバスバー１３０に接続するために、ｎ型ウェル１１７上には、金属製のフィンガ１２５が形成されている。バスバー１３０は、負荷１５０に接続され、次に、負荷１５０は、ｐ型基板１１０の背面の金属コンタクト（metallic contact）１４０に順番に接続されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ｎ型エミッタ層１１５は、ｐ型基板１１０をｎ型イオン源に暴露し、そして、それをｐ型基板１１０の上面に拡散することによって、形成される。太陽電池１００のドーピングプロフィールは、幾つかの欠点を有する。
【０００６】
第一に、このドーピングプロフィールを形成することにより、ドーパントがｐ型基板１１０のバルク部分（bulk）に打ち込まれるにつれて、ｐ型基板１１０の上面の近傍には過剰な不活性ドーパント（un-activated dopants）が生じる。この影響は、光吸収レベルの変化、電子正孔対（electron-hole pairs）の生成、及び電子正孔対の不必要な再結合につながる。これは、「不感層（dead layer）」として知られている。この不感層においては、青色光が光受容領域１３５の上面近くでは吸収されない。光受容領域１３５の表面の近傍のドーピングレベルが高いために、不感層において生成された電子正孔対は、いかなる電流を発生できる前に、急速に再結合してしまう。ファセット（Facetting）が用いられ、電流を発生できる前に、太陽電池から反射される光量を減少させていた。
【０００７】
第二に、従来のドーピングプロフィールを形成するのに用いられる拡散技術は、同種の高抵抗光受容領域及びグリッド線用の低抵抗率領域を有する選択的ドーピング領域と、接点フィンガと、バスバーと、金属／シリコン接合面（metal-silicon interfaces）と、背面の金属被覆（metallization）とを形成するのには最適でない。
【０００８】
第三に、半導体上に金属を直接形成することにより、導電性のフィンガ１２５とｎ型エミッタ層１１５間の接合面（interface）における仕事関数が異なる可能性がある。金属コンタクトとドーピングシリコン間の仕事関数をより一致させるために、幾つかの従来の技術では、フィンガ１２５を融解して、接合面にシリサイドを形成している。シリサイドを形成して、仕事関数を調整することができるが、依然として、好ましくない抵抗損（ohmic losses）及び金属短絡（metal shunting）の可能性がある。
【０００９】
最後に、基板中のドーパントの横方向の位置決め（lateral positioning）は、線幅及びウェハの厚さが縮小するにつれて、難しくなっている。太陽電池のグリッド線の寸法（Geometries）は、約２００ミクロン（microns）から５０ミクロンに縮小され、その後、更に小さくなることが予想される。現在のスクリーン印刷技術は、このような小さな転写（displacements）を有する素子を製造するには、能力が不十分である。さらに、ウェハが益々薄くなるにつれて、垂直方向及びバッチ拡散（vertical and batch diffusion）とスクリーン印刷は、極めて困難になっている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施の形態に基づいて、太陽電池は、下にある半導体基板のバルク部分と、半導体基板の複数の層との全体に、ドーパントを横方向に正確に配置することによって、製造される。イオンビームは、グリッド線を形成する高濃度ドーピング領域を生成し、グリッド線間の低濃度ドーピング領域を生成するように向けられる。パラメータを調整することによって、原子ドーパントプロフィールは、所定の基板ドーピングレベルを用いて、適切な深さに電気的接合を形成するとともに、基板表面に接点を形成するのに必要な抵抗率を得るように、同時に適合される。このような独立した制御は、イオン注入方法に対して独特（unique）である。
【００１１】
第１の特徴として、半導体素子は、ドーパントが第１のドーピングレベルでドーピングされたテクスチャ領域と、ドーパントが第１のドーピングレベルよりも高い第２のドーピングレベルでドーピングされた、グリッド線を形成する非テクスチャ領域とを含む表面を有する基板を備える。半導体基板は、ｐ型基板又はｎ型基板であり、ドーパントは、これとは逆の型である。半導体素子は、グリッド線に接続される導電性のフィンガと、不純物を含む金属コンタクトに接続される底部とを有する。テクスチャ領域は、光受容領域である。
【００１２】
好ましくは、各テクスチャ領域は、複数のテクスチャ要素、例えば、（１１１）面を有するピラミッド形状の要素、ドーム形状の要素、又は光受容領域から反射される光量を減少させるあらゆる他の起伏（上下する）構造を含む。
【００１３】
複数のテクスチャ要素のそれぞれにおけるドーパントは、均一の厚さ又はテクスチャ要素の表面に沿って変化する厚さを有する。
【００１４】
一実施の形態において、各テクスチャ領域は、反射防止コーティングで覆われている。非テクスチャ領域のドーパントは、金属シード（metallic species）が点在している。
【００１５】
第２の特徴として、太陽電池を製造する太陽電池製造方法は、非テクスチャ領域及びテクスチャ領域を有する基板の表面上に、均一のイオンビームを向ける工程を有する。ドーパントを、第１の密度でテクスチャ領域に注入し、グリッド線を形成するために、第１の密度よりも高い第２の密度で非テクスチャ領域に注入する。グリッド線は、接点フィンガに接続される。
【００１６】
一実施の形態において、テクスチャ領域は、複数の個々のテクスチャ要素、例えばピラミッド形状の要素を含む。あるいは、複数のテクスチャ要素は、半球形（semi-spherical）である。ビームは、各テクスチャ要素のそれぞれに、あるいはテクスチャ要素のグループに対して同時にドーパントを注入するように成形することができる。
【００１７】
ビーム、基板、あるいはその両方は、ビームが複数のテクスチャ要素の各表面に対して略垂直となるように回転される。また、ビームは、基板の表面全体を走査することができ、それによって、ドーパントをテクスチャ領域及び非テクスチャ領域に注入することができる。
【００１８】
一実施の形態において、基板全体及び表面のあらゆるテクスチャ形状（textured features）を等写的に（conformally）ドーピングするのに、イオンプラズマ雲（cloud of ion plasma）を用いる。
【００１９】
一実施の形態において、非テクスチャ領域におけるドーパントの抵抗率は、約２０Ω／□であり、テクスチャ領域におけるドーパントの抵抗率は、約１００Ω／□未満である。テクスチャ領域におけるドーパントとテクスチャ領域との間の接合は徐々に移行しており（graded）、又は非テクスチャ領域におけるドーパントと非テクスチャ領域との接合は徐々に移行しており、あるいはその両方は徐々に移行している。
【００２０】
また、太陽電池製造方法は、グリッド線と接点フィンガとの間にシリサイドを形成し、接点フィンガをバスバーに接続する工程を更に有する。
【００２１】
第３の特徴として、太陽電池製造方法は、平面領域の間にテクスチャ光受容領域を形成するために、基板の上面をエッチングする工程を有する。テクスチャ領域は、ピラミッド形状の要素を含んでいる。また、太陽電池製造方法は、基板の上面にイオンビームを向け、それによって、第１の密度でテクスチャ領域にドーパントを注入し、グリッド線を形成するために、第１の密度よりも高い第２の密度で、平面領域にドーパントを注入する工程を有する。テクスチャ領域におけるドーパントの抵抗率は、１００Ω／□未満であり、平面領域におけるドーパントの抵抗率は、約２０Ω／□である。また、太陽電池製造方法は、接点フィンガをグリッド線に接続する工程を有する。
【００２２】
第４の特徴として、太陽電池は、上部層（top layer）及び下部層（bottom layer）を有する基板を備える。上部層は、ドーパントが第１のドーピングレベルでドーピングされた、ピラミッド形状の領域（pyramidal regions）と、ドーパントが第１のドーピングレベルよりも高い第２のドーピングレベルでドーピングされた、グリッド線を形成する略平面領域とを含む表面を有する。隣接した平面領域の間隔は、５０ミクロン未満である。グリッド線は、シリサイド要素によって金属フィンガに接続され、金属コンタクトは、下部層に接続されている。
【００２３】
第５の特徴として、太陽電池製造装置は、イオンを生成するイオン源と、ビーム成形器と、コントローラとを備える。ビーム成形器は、イオンを含むビームを半導体基板に向ける。コントローラは、半導体基板のテクスチャ光受容領域が第１の密度でイオン注入され、グリッド線を画定する半導体基板の平面領域が第１の密度よりも高い第２の密度でイオン注入されるように、ビーム成形器を指示管理する。
【００２４】
コントローラは、ビームが光受容領域のテクスチャ要素をそれぞれ注入するようにビームを進めるように、ビーム成形器を指示する。
【００２５】
また、コントローラは、ビームが半導体基板に向けられたときに、半導体基板を回転、傾斜又は移動させ、あるいはこれらを組み合わせて動かす。コントローラは、光受容領域の抵抗率が１００Ω／□未満であり、平面領域の抵抗率が２０Ω／□未満であるように、ビーム成形器及びイオン注入の時間を指示する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】負荷に接続された従来の太陽電池の構造を示す斜視図である。
【図２】一実施の形態における太陽電池の一部の縦断面図（side cross-sectional view）である。
【図３】図２の太陽電池のピラミッド形状のファセット（pyramidal facet）の平面図である。
【図４】図２の太陽電池の平面領域（planar region）の深さに対するドーピング濃度を示すグラフである。
【図５】図２の太陽電池の非平面（テクスチャ）領域の深さに対するドーピング濃度を示すグラフである。
【図６Ａ】一実施の形態に基づいて、太陽電池セルのエミッタ領域とファセット領域（faceted regions）にイオンを連続して注入する様子を示す図である。
【図６Ｂ】一実施の形態に基づいて、太陽電池セルのエミッタ領域とファセット領域（faceted regions）にイオンを連続して注入する様子を示す図である。
【図７】一実施の形態に基づく均一なドーピング濃度を有する太陽電池の１つのピラミッド形状のファセットを示す図である。
【図８Ａ】他の実施の形態に基づいて、太陽電池のファセット領域にイオンを注入する様子を示す図である。
【図８Ｂ】他の実施の形態に基づいて、太陽電池のファセット領域にイオンを注入する様子を示す図である。
【図８Ｃ】他の実施の形態に基づいて、太陽電池のファセット領域にイオンを注入する様子を示す図である。
【図９Ａ】一実施の形態に基づいて、ピラミッド形状のファセットを形成する一連の製造工程中の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図９Ｂ】一実施の形態に基づいて、ピラミッド形状のファセットを形成する一連の製造工程中の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図９Ｃ】一実施の形態に基づいて、ピラミッド形状のファセットを形成する一連の製造工程中の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図９Ｄ】一実施の形態に基づいて、ピラミッド形状のファセットを形成する一連の製造工程中の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図９Ｅ】一実施の形態に基づいて、ピラミッド形状のファセットを形成する一連の製造工程中の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図９Ｆ】一実施の形態に基づいて、ピラミッド形状のファセットを形成する一連の製造工程中の太陽電池の構造を示す断面図である。
【図１０】一実施の形態に基づいて、太陽電池を製造する工程のフローチャートである。
【図１１】一実施の形態に基づいて、太陽電池を製造するイオン注入装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施の形態は、その選択的エミッタ領域（selective emitter region）を高濃度でドーピングするとともに、その光受容領域（photo-receptive regions）を低濃度でドーピングすることによって太陽電池を製造する方法を目的とするものである。幾つかの実施の形態において、選択的エミッタ領域と光受容領域は、同じ処理工程で形成される。
【００２８】
太陽電池の最高の性能を得るために、光受容領域は、均一で高いシート抵抗を示すように低濃度にドーピングされる。より高濃度の高濃度ドーピング領域は、電子と正孔の再結合の可能性が高いので、光子を電力に変換する効率を低下させる。一実施の形態に基づいて、太陽電池の光受容領域のｎ型ドーピング層（n-doped layer）は、８０〜１６０Ω／□のシート抵抗、好ましくは１００Ω／□のシート抵抗、すなわち約１Ｅ＋１９ｃｍ−３のイオンドーピングを示すように、低濃度でドーピングされる。好ましくは、導電性のフィンガ接点（conductive finger contacts）がその上に形成されたグリッド線は、発生電荷を導電性のフィンガ接点に供給するために、より高濃度にドーピングされる。所望の抵抗率が得られるように、選択的エミッタ領域は、１０〜４０Ω／□、好ましくは２５Ω／□、すなわち約１Ｅ＋２０ｃｍ−３のイオンドーピングでドーピングされる。好ましくは、太陽電池の背面は、ｐ型層が３０〜７０Ω／□のシート抵抗を有するようにドーピングされる。
【００２９】
幾つかの実施の形態では、ドーパントを注入するために、成形された平行ビーム（shaped and parallel beams）を用いることにより、注入プロセスをより高速で完了し、生産性を向上させることができる。これらのビームによって、製造された素子（device）における不必要なドーパントの量を減らすことができる。
【００３０】
図２は、一実施の形態に基づく太陽電池２００の一部の構造を示す図であり、光ビーム２５０が光受容領域２２５に衝突する。なお、全ての図面において、同一の指示符号は、同一の構成要素を示している。太陽電池２００は、ｐ型基板２１０を備え、ｐ型基板２１０は、底部の金属コンタクト２０５とｎ型エミッタ層２１５との間に挟まれる。ｐ型基板２１０は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、薄膜シリコン（thin- film deposited silicon）、又は太陽電池及び他の半導体素子を製造するのに用いられるあらゆる他の材料とすることができる。
【００３１】
ｐ型基板２１０とｎ型エミッタ層２１５間の接合面（interface）は、ｐｎ接合２１３を形成している。光受容領域２２５は、１つ以上のファセット領域（faceted regions）を含んでいる（以下、ファセット領域２２５ともいう）。通常は太陽電池２００から反射されてしまう光を、太陽電池２００上に戻すことによって、ファセット領域２２５は、反射によって無駄になる光量を減少させ、これによって、太陽電池の効率を高めている。一実施の形態において、ファセット領域２２５は、更に反射防止コーティング（anti-reflective coating）によって保護されている。
【００３２】
また、太陽電池２００は、ｎ型ドーピング領域（グリッド線）２２０を備え、ｎ型ドーピング領域２２０は、金属接点フィンガ２４０が接続される略平面の上面を有する。
【００３３】
通常、太陽電池は、図２に示すよりも多くのファセット領域及び選択的エミッタ領域を有する。図２は、図面を簡単にするために、１つのファセット領域（ファセット２３０Ａ、２３０Ｂを含む）及び１つの選択的エミッタ領域のみを示している。
【００３４】
図２の実施の形態において、ファセット２３０Ａ、２３０Ｂはそれぞれ、（１１１）面が露出された４面ピラミッド素子である。
【００３５】
図３は、ピラミッド形状のファセット２３０Ａの最上部を示す平面図である。好ましくは、ファセット２３０Ａは、比較的広い底面（base）を有し、その高さは１０ミクロン未満である。当業者には明らかなように、例示的なファセット２３０Ａは、太陽電池２００の表面に光を反射して戻す他の形状だけでなく、他の寸法を有することができる。他の形状として、ファセット２３０Ａは、ドーム形状（dome shaped）である。
【００３６】
図４は、ドーピング領域（以下、平面領域ともいう。）２２０の太陽電池２００の上面からの深さ（Å）に対する原子濃度をプロットしたグラフ３００を示す図である。グラフ３００は、第１の注入段階（first implant stage）３０１による上面に最も近い濃度と、第２の（メイン）注入段階３０３による濃度と、第３の注入段階３０５によるｐｎ接合２１３に最も近い濃度と、全体の濃度３１０とを示している。
【００３７】
図５は、ファセット領域２２５、すなわち非平面のテクスチャ（例えば露出した（１１１）面を有する）領域（以下、テクスチャ領域２２５ともいう。）に沿った太陽電池２００の上面からの深さ（Å）に対する原子濃度をプロットしたグラフ４００を示す図である。グラフ４００は、第１の注入段階４０１による上面に最も近い濃度と、第２の（メイン）注入段階４０３による濃度と、第３の注入段階４０５によるｐｎ接合２１３に最も近い濃度と、全体の濃度４１０とを示している。このドーピングプロフィールは、「不感層（dead layer）」効果を減少させる。
【００３８】
結晶シリコンの（１１１）面と（１００）面に同時に注入することにより、独特な原子プロフィール（unique atomic profile）が得られる。注入ビームに露呈される表面積は、（１００）面を向いている。幾何的に変化させることによって、（１１１）面に注入されるドーズ量は、同時に（１００）面に注入されるドーズ量の０．５７８である。さらに、異なる配向面に対して入射角を変えることによるイオンの侵入（penetration）は、コサイン関数として変化する。例えば、１２０ｋｅＶのイオンビームの投影飛程は、（１００）面の表面からの１６１０Åから、（１１１）面の表面からの９９８Åの間を変化することができる。
【００３９】
図６Ａ、６Ｂは、連続した工程中に、イオンビーム源５００を用いて、図２の平面領域２２０及びファセット２３０Ａをドーピングする様子を示す図である。図６Ａは、最初に太陽電池２００の表面の上に配置され、略平面の平面領域２２０にｎ型ドーパントを注入するイオンビーム源５００を示す図である。次に、図６Ｂに示すように、ファセット２３０Ａの右側及び左側の一部にｎ型ドーパントを注入するように、イオンビーム源５００を配置する。ファセット２３０Ａの右側及び左側の一部の両方は、所定の濃度及びプロファイルにドーピングされる。都合が良いことに、これらの右側及び左側の一部を処理するために、ウェーハの寸法に対するイオンビーム源５００の正確な位置合せ、あるいは細く集束されたイオンビーム（narrowly focused ion beam）を用いる必要がない。
【００４０】
このように注入角度を変化させて注入された領域は、有効に用いることができる。注入角度が垂直入射（normal incidence）から外れるにつれて、ドーパントの横方向の深さ（lateral depth）は、減少する。同様に、イオンビームは、角度のコサインとして、広い範囲に広がる。したがって、ドーパント照射量（dopant dose）は、減少する。このような変化を用いることによって、ドーピング濃度が高い領域と、ドーピング濃度が低い領域に対する深い接合と、浅い接合とを形成することができる。
【００４１】
ファセット２３０Ａによって表面積を増やすことは、他の効果を有する。一例としては、イオン注入中に、更なる表面積は、イオンビーム源５００によって発生された熱を拡散させるので、生産性を向上させるより高密度のイオンビームを用いることができる。
【００４２】
図６Ａに示すように、ファセット２３０Ａの左側の部分は、底面２４０を有する。一実施の形態においては、ビーム直径は、左側の部分と右側の部分の両方を単一ビーム（single beam）で同時にドーピングできるように、底面２４０よりも大きい。他の実施の形態では、ビーム直径は、複数のファセットを同時に注入できる十分な大きさである。当業者には明らかなように、他のビーム直径を用いてもよい。さらにまた、例えば表面のテクスチャ形状を等写的に（conformally）ドーピングするために、全てを包囲する（encompassing）プラズマビームを用いてもよい。
【００４３】
一実施の形態において、イオンビーム源５００は、平面領域２２０、ファセット２３０Ａの上に配置されたとき、イオンビームを、同じ密度（例えば１秒当たりのイオン）で発生する。ファセット２３０Ａは、イオンビームに対して角度を有するので、イオンビームに対してより広い表面積を有し、結果として、同じ電荷が、平面領域２２０よりもファセット２３０Ａの方がより広い面積に荷電される。したがって、平面領域２２０は、ファセット２３０Ａよりも高い濃度でドーピングされている。
【００４４】
一実施の形態において、例示的なファセット２３０Ａは、シリコン基板を（１１１）面に沿ってエッチングすることによって形成され、その結果、ファセットは、基板表面に対して５４．７度の角度を有する面となる。
【００４５】
図６Ａ、６Ｂに、ファセット２３０Ａの傾斜面（sloping (angled) face）に対して垂直でない（non-perpendicular）イオンビーム源５００を示す。この配置において、ファセット２３０Ａに沿ったドーピングの厚さは、ファセット２３０Ａの底面から頂点に向けて増加する。
【００４６】
図７に、ファセット２３０Ａの傾斜面に対して垂直に配置されたイオンビーム源５５０の配置を示す図である。第１の配置５５０Ａでは、イオンビーム源５５０は、ファセット２３０Ａの左側の傾斜面に対して垂直である。第２の配置５５０Ｂでは、イオンビーム源５５０は、ファセットの右側の傾斜面に対して垂直である。
【００４７】
一実施の形態において、単一ビーム源が、順次第１の配置５５０Ａと第２の配置５５０Ｂに配置される。また、他の実施の形態では、左側の部分及び右側の部分を同時にドーピングするように、別々のイオンビーム源が同時に配置される。
【００４８】
一実施の形態に基づいて、太陽電池２００と１つ以上のイオンビーム源は、異なる方法で相対的に移動され、略平面の平面領域２２０と、ファセット２３０Ａ、２３０Ｂを含むファセット領域２３０とをドーピングする。図面を簡単にするために、図８Ａ〜８Ｃには、１つのファセット領域２３０のみを示している。一例として、図８Ａに、太陽電池２００の上面に対して垂直に向けられた１つ以上のイオンビーム源からのイオンを示す。
【００４９】
一実施の形態において、ファセット２３０Ａ、２３０Ｂは、それらを１つのイオンビームで別々に走査することによって、個々にドーピングされる。代わりに、複数の独立した平行のイオンビームによって、ファセット２３０Ａ、２３０Ｂをそれぞれ同時にドーピングする。この方法では、各ファセット又はファセットのグループのドーピングレベルは、別々に制御することができ、太陽電池２００のドーピングプロフィールを正確に調整することができる。
【００５０】
図８Ｂに垂直矢印及び円弧矢印（vertical and circular line）で示すように、太陽電池２００は、太陽電池２００の表面全体がドーパントによってイオン注入されるように、１つ以上のイオンビーム源に対して相対的に、（ｘ軸に沿って）垂直方向に移動でき、（ｙ軸の回りを）回転でき、傾斜させることができ、あるいはこれらの動きを組み合わせて動かすことができる。図８Ｃに示す例においては、１つ以上のイオンビーム源は、イオンがピラミッド形状のファセットの表面に略垂直となるように、向けられている。また、太陽電池２００は、太陽電池２００の表面全体をドーパントによってイオン注入する１つ以上のイオンビーム源に対して、垂直に移動、回転、傾斜、あるいはこれらを組み合わせて動かすことができる。実際、イオンビームは、これらのテクスチャ形状（textured features）を等写的にドーピングするイオンを含むプラズマとすることができる。このことは、特に、マルチグレードシリコン（multigrade silicon）にとって有益であり、マルチグレードシリコンでは、その表面に形成されるファセットは、固有の寸法を有さず、更に、ピンホール（pin holes）及び視線入力ドーパント方式（line-of-sight dopant system）によって観察される凹部ヒロック形状（re-entrant hillock features）を有することができる。このような等写ドーピング（conformal doping）は、表面形状に関係なく、行うことができる。
【００５１】
更に他の実施の形態では、イオンビームは、平面領域２２０に対して垂直な方向又はファセット２３０Ａ、２３０Ｂの各表面に対して垂直な方向と異なる角度で衝突するように、太陽電池２００上に向けられる。これらの異なる角度は、特定の用途に適合する所望のドーピングプロフィールに基づいて決定される。一実施の形態において、この異なる角度は、基板表面に対して垂直な方向から２０度未満しか離れていない。
【００５２】
図９Ａ〜９Ｆは、一実施の形態に基づいて太陽電池を製造する工程中の半導体素子６００の一部の縦断面図である。通常、太陽電池は、図９Ａ〜９Ｆに示す部分に類似した多くの部分を含んでいる。単に図面を簡単にするために、図９Ａ〜９Ｆの部分を示し、他の部分を示していない。
【００５３】
図９Ａに示すように、ｐ型基板６０１を、領域６５５Ａ、６５５Ｂを露出したまま残し、フォトレジスト材料６５０でマスキングする。フォトレジスト材料６５０は、当業者に周知のフォトリソグラフィ技術、標準的な密着焼付け（standard contact printing）技術又はインクジェット印刷技術を用いてパターン化される。グリッド線を形成するフォトレジスト材料６５０の下の領域は、幅が約５０〜１００ミクロンである。したがって、この広い寸法により、サブミクロンの寸法を有する半導体に要求される技術と比較して精度がより低いフォトリソグラフィ技術を用いることができる。
【００５４】
次に、図９Ｂに示すように、半導体素子６００の表面（top layer）をエッチングして、ファセット領域を形成し、そして、犠牲材料であるフォトレジスト材料６５０を除去して、略平面の平面６０３を露出する。好ましくは、エッチングは、酸性又はアルカリ性のエッチ液、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いて、ｐ型基板６０１の（１１１）面（すなわち、ピラミッド形状のファセット領域６０５Ａ、６０５Ｂを含むテクスチャ領域）を露呈させる。当業者には明らかなように、ファセット領域６０５Ａ、６０５Ｂは、光学的技術、機械的技術及び化学的技術を含む他の技術を用いて、形成することができる。また、当業者には明らかなように、ファセット領域６０５Ａ、６０５Ｂは、ピラミッド形状以外の形状、例えば半ドーム（half domes）、起伏のある波（undulating waves）及び他のテクスチャ形状に形成することができる。
【００５５】
次に、図９Ｃ〜９Ｅに示すように、ファセット領域６０５Ａ、平面６０３及びファセット領域６０５Ｂの全ての領域を、平面６０３に略垂直に向けられたｎ型ドーパントの均一ビームを用いて、それぞれイオン注入し、それによって、領域６１５Ａ、６１３、６１５Ｂをそれぞれ形成する。図６Ａ〜６Ｃを用いて説明したように、領域６１５Ａ、６１５Ｂは、角度の付いた表面を有し、領域６１３は、角度を有さないので、１ｃｍ３当たりのｎ型ドーパントの密度は、領域６１３の方が領域６１５Ａ、６１５Ｂよりも高い。したがって、領域６１５Ａ、６１５Ｂのシート抵抗は、領域６１３のシート抵抗よりも大きい。また、領域６１３を、選択的エミッタ領域とも称する。
【００５６】
図９Ｆは、後の処理工程後の半導体素子６００を示す断面図である。これらの処理工程（図示せず）中に、領域６１３の上面に金属イオンを注入して、薄膜層６２０を形成し、そして、薄膜層６２０を、金属導電性のフィンガ６６０で覆う。金属イオン６１０は、フィンガ６６０と選択的エミッタ領域６１３間の仕事関数をより一致させる。金属イオン６１０の例としては、タンタル、アルミニウム、銅又はこれらの組合せを含むが、これらに限定されるものではない。好ましくは、半導体素子６００は、複数のフィンガ６６０を備え、それらの全てはバスバー（図示せず）に接続される。一実施の形態において、フィンガ６６０は、５０〜１００ミクロンの幅を有し、約２〜３ｍｍの間隔で配置される。当業者には明らかなように、他の幅及び間隔を用いてもよい。
【００５７】
次に、また、これらの後の処理工程の１つとして、ｐ型基板６０１の底部にｐ型イオンを注入して、Ｐ＋領域６３０を形成し、それによって、その後に形成される層の導電率を高めている。そして、Ｐ＋領域６３０に更に金属イオンを注入して、金属シリコン領域６４０を形成し、背面の金属コンタクト（metal back side contact）６４５を取り付ける。金属シリコン領域６４０は、Ｐ＋領域６３０と金属コンタクト６４５間の仕事関数を減少させる。
【００５８】
当業者には明らかなように、図９Ａ〜９Ｆを用いて説明した処理工程は、本明細書で説明する全ての処理工程と同様に、単なる例に過ぎない。処理工程のうちの幾つかは、無くすこともでき、他の処理工程で代用することもでき、処理工程は、異なる順番で実行することもできる。一例としては、半導体素子６００の全表面をファセットとすることもできる。そして、レーザビームを用いて、選択的エミッタを形成する略平面の平面領域（平面６０３）を形成する。レーザビームは、選択的エミッタ領域のファセットを融解し、それによって、ファセットの頂点を融解して、頂点間の谷を埋める。そして、図９Ｃ〜９Ｅを用いて説明したドーピング及び他の工程を実行する。
【００５９】
当業者には明らかなように、実施の形態に基づいて、太陽電池及び他の半導体素子を製造する多くの他の方法がある。一例として、ドーパントは、イオン注入によって、あるいはドーピングペーストを蒸着し（depositing）、そして、基板を、例えばフラッシュランプアニーリング又はレーザアニーリングを用いて高速にアニーリングして、ドーピング層のグリッド線を形成する。
【００６０】
図１０は、一実施の形態に基づいて、太陽電池を製造するプロセス７００の工程を示す図である。工程７０１において、プロセス７００を開始する。工程７０３において、半導体基板上に、平面領域（例えば図９Ｃの要素である領域６１３）及び非平面領域（例えば図９Ｃの要素である領域６１５Ａ、６１５Ｂ）を形成する。次に、工程７０５において、ドーピングプロフィール（例えば図５に示すように、深さに基づくドーピングレベル）を、所望の太陽電池特性に基づいて決定する。次に、工程７０７において、次の要素（例えばエミッタ領域、ファセット領域又は各ファセット）を、イオンビームを用いて、ドーピングする。工程７０９において、プロセス７００は、ドーピングする他の要素（例えば次のファセット）があるかを判定する。別の要素がある場合、工程７１１において、イオンビームを動かし、プロセス７００は、工程７０７に戻る。他の実施の形態では、工程７１１において、イオンビームを進めるのではなく、プラズマを用い、すなわち半導体基板の表面全体を包むプラズマエンガルフィングビーム（plasma engulfing beam）を用いる。別の要素がない場合、プロセス７００は、工程７１３に進む。
【００６１】
半導体基板は、所望のドーピングプロフィールに適合するために、任意の数の段階（any number of stages）に分けてイオン注入することができる。一例としては、イオン注入は、例えば図５の複数のドーピングプロフィールに示す３段階で行う。
【００６２】
工程７１３において、コンタクト（例えば、フィンガ、バスバー及びあらゆる背面のコンタクト）を形成し、続く工程７１５において、半導体基板をアニーリングする。半導体基板をアニーリング、すなわち半導体基板を融解温度以下に加熱して、イオン注入によって受けた結晶構造の損傷を回復する。次に、工程７１７において、後処理工程を行う。これらの後処理工程には、洗浄、半導体基板からのあらゆる汚染物質の除去、完成した半導体基板の保護コーティングが含まれる。最後に、工程７１９において、プロセス７００は、終了する。
【００６３】
一実施の形態において、半導体基板は、その表面に、工程７１１中に、ビームを正しい方向に向けて増大させるのに用いる位置合せマーカ（alignment marker）を有する。
【００６４】
工程７１１ではビームを動かすと説明したが、当業者には明らかなように、ビームを動かすのではなく、例えば図８Ｂ、８Ｃに示すように、半導体基板を動かすようにしてもよい。
【００６５】
図１１は、一実施の形態に基づいて、太陽電池を製造するイオン注入装置８００の構成を示すブロック図である。イオン注入装置８００は、単一ガス送出モジュール（single-gas delivery module）８０５と、イオン源８１０と、加速器８１５と、傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール（skewed Beam Scanning, Mass Analysis, and Beam Shaping module）８２０と、測定及び制御モジュール８２５と、半導体素子６００の基板（以下、単に基板６００ともいう。）を取り扱う単一ロードロック８３０とを備える。他の実施の形態（図示せず）においては、単一ガス送出モジュール８０５とイオン源８１０は、プラズマ源モジュール（plasma source module）に置き換えられ、傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール８２０は、基板６００をプラズマビームで包み込むスプレッダ（spreader）に置き換えられる。
【００６６】
一実施の形態において、イオン源８１０は、長いスロット（long slot）を有する。他の実施の形態においては、イオン源８１０は、幅広く且つ薄く、又はプラズマビームを形成するための複数のイオン源を備える。イオン源８１０は、全てのシードの１００ｍＡまでのビーム電流を発生するが、一度には、１つのシード専用とすることができる。また、イオン源８１０は、特定の用途のそれぞれに対してプラグコンパチブルである。すなわち、異なるイオンビーム源を有する新たな用途が必要なとき、イオン源８１０は、取り外され、次の用途の要求（例えば異なるドーパント）を満たす異なるイオン源に置き換えることができる。イオン源８１０は、５〜１０ｃｍ未満の長さと、１〜２ｍｍの幅のビームスロットを有する。あるいは、イオン源８１０は、ブロードビーム（broad beam）を発生できるプラズマ源である。スロットの長さは、１５６ｍｍ×１５６ｍｍの基板の一辺又は両辺をカバーするように、広げることができる。
【００６７】
動作において、単一ガス送出モジュール８０５及びイオン源８１０は、協力してイオンビームを発生し、加速器８１５は、イオンビームを直流方式又はパルス（in DC fashion or pulsed）で加速する。一実施の形態において、加速器８１５は、例えば１５〜１５０ｋｅＶの限られたエネルギ範囲を有する元素（elements）を抽出及び集束する。他の実施の形態においては、他の限られたエネルギ範囲が用いられる。一実施の形態において、イオン注入装置８００のエネルギ必要量を制限するために、加速器８１５は、１００ｋｅＶ以上では動作しない。一実施の形態において、図９Ｂに示すように、基板６００は、エッチングされた後に、イオン注入装置８００に入れられる。
【００６８】
次に、得られた傾斜ビームは、傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール８２０を用いて制御され、例えば図９Ｃ、９Ｄに示すように、基板６００に対して、あるいは図６Ａ、６Ｂ、図７に示すように、図２の太陽電池（半導体基板）２００に対してイオンを注入する。一実施の形態において、傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール８２０は、ビームを基板６００上に集束又は成形する静電及び電磁光学系（electrostatic and electromagnetic optic）を含んでいる。さらに、ビームは、基板６００に衝突する前又は同時に、測定及び制御モジュール８２５によって測定される。基板６００をビームの正面に進め、基板６００の表面全体をカバーする単一ビームを用いて、所定のパターンに基づき、ドーパントを注入することができる。また、基板６００は、例えば図８Ａ〜８Ｃに示すように、回転、移動、傾斜させることができる。
【００６９】
イオンビームは、基板６００の平面全体に一定のイオン束を供給する、すなわち基板６００の平面全体を走査するブロードビーム（例えば直径が数１０ｃｍ）とすることができる。ビームは、好ましくは、基板６００の平面全体を、すなわち平面領域及びファセット領域全体を均一な速度で走査する。走査速度を変えることにより、ガウス分布のビーム（Gaussian spread of the beam）を重ね合わせることによって高濃度ドーピング領域と低濃度ドーピング領域を変えることを達成することができる。
【００７０】
イオンビームは、局部加熱（localized heating）の原因となる。したがって、幅が広いイオン注入ビームは、走査速度を遅くすることができ、ナロービームでは、走査速度を速くすることができる。必要なドーピング濃度にするためには、例えば図５の３段階のイオンに示すように、複数のパスが必要である。
【００７１】
好ましくは、傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール８２０は、実施の形態に基づいて、基板をドーピングする論理回路（logic）を備える。あるいは、論理回路は、イオン注入装置８００の他の要素内に含まれている。好ましくは、論理回路は、処理工程（例えば図１０に示す工程７０３、７０５、７０７、７０９、７１１、７１３、７１５、７１７のうちの１つ以上）を実行する機械読取可能な命令を格納したメモリと、それらの工程を実行するプロセッサとを備える。
【００７２】
一実施の形態において、基板６００は、１５６ｍｍ×１５６ｍｍであるが、イオン注入装置８００は、他の寸法のウェハも処理する能力を有する。他の実施の形態では、ウェハは、可動盤（moving platen）上に搭載されてビームの前に配置され、あるいは、１枚以上のウェハが、トレイに入れられて、ビーム又はプラズマに暴露される。
【００７３】
最後に、イオン注入装置８００から、処理された１枚の基板６００が単一ロードロック８３０を介して取り出される。
【００７４】
上述の実施の形態は、単に例示に過ぎないことは言うまでもない。例えば、上述の実施の形態では、ｎ型エミッタ層を有するｐ型基板を示した。実施の形態に基づいて、ｐ型エミッタ層を有するｎ型基板を製造できることは言うまでもない。
【００７５】
以下の係属中の特許出願、すなわち、２００９年６月１１日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４７１０２「Solar Cell Fabrication Using Implantation」（発明者Babak Adibi及びEdward S. Murrer、代理人事件簿番号 SITI-00100）、２００９年６月１１日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４７０９４「Application Specific Implant System and Method for Use in Solar Cell Fabrications」（発明者Babak Adibi及びEdward S. Murrer、代理人事件簿番号SITI-00200）、２００９年６月１１日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４７１０９「Formation of Solar Cell-Selective Emitter Using Implant and Anneal Method」（発明者Babak Adibi及びEdward S. Murrer、代理人事件簿番号SITI-00300）は、太陽電池の別の製造方法を記載しており、これらの特許出願は、引用することにより、本願に援用される。
【００７６】
上述した実施の形態では、太陽電池について説明したが、他の実施の形態として、任意の数のドーピングプロフィールを有する他の種類の半導体素子のために用いることができる。これらの分布は、緩やかな及び急速な分布、例えば、電気的障壁の形成を防止する他の分布だけではなく、ボックス接合（box junctions）を含む。
【００７７】
従来の技術の限界を説明したが、各実施の形態が全ての従来の技術の限界を解決するというわけではないことは言うまでもない。幾つかの実施の形態は、幾つかの限界を解決することができ、他の実施の形態は、他の限界を解決することができる。
【００７８】
当業者には明らかなように他の変更が、特許請求の範囲によって定義される発明の精神（spirit）及び範囲から逸脱することなく、上述した実施の形態を変更することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0005520290.tif 000008
【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
0005520290.tif 000013
【図９Ｂ】
0005520290.tif 000014
【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０】
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【図１１】
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