(57)【要約】【課題】太陽電池及び他の半導体素子は、注入ドーピング製造装置を用いてより効率的に低コストで製造される。【解決手段】半導体基板のイオン注入装置は、イオン源（例えば単一シード送出モジュール）と、イオン源から１５０ｋｅＶ未満のエネルギを有するイオンビームを発生する加速器と、基板をビームに暴露するビーム照準器とを備える。一実施の形態において、イオン源は、単一ガス送出素子及び単一イオン源からなる単一シード送出モジュールである。あるいは、イオン源は、プラズマビームを発生するのに用いられるプラズマ源である。イオン注入装置は、低濃度ドーピング光受容領域及びより高濃度にドーピングされたグリッド線を有する太陽電池を製造するのに用いられる。この構造は、「不感層」の形成を減らし、コンタクトの抵抗率を改善し、それによって太陽電池の効率を向上させる。
2011525301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板にイオン注入するイオン注入装置において、
イオン源と、
上記イオン源からのビームを加速して、エネルギが１５０ｋｅＶ未満のビームを生成する加速器と、
上記基板を上記ビームに暴露するビーム誘導器とを備えるイオン注入装置。
【請求項２】
上記イオン源は、単一ガス送出要素及び単一イオン源からなる単一シード送出モジュールであることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項３】
上記ビーム誘導器は、集束素子からなり、該集束素子は、上記基板上に上記ビームを集束する磁気光学系、電磁光学系又はその両方を備えることを特徴とする請求項２記載のイオン注入装置。
【請求項４】
上記単一イオン源のビームスロットの長さは、５〜１０ｃｍであり、幅は、５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項２記載のイオン注入装置。
【請求項５】
上記ビームは、プラズマビームであることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項６】
上記イオン源は、アンチモン、ヒ素及び燐からなるグループから選択されるｎ型ドーパントを含むことを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項７】
上記イオン源は、ｐ型ドーパントを含むことを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項８】
上記ビームは、少なくとも５ｋＷ／ｃｍ２の出力密度を有することを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項９】
上記イオン源、上記加速器又はその両方は、当該イオン注入装置に対してプラグコンパチブルであることを特徴とする請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項１０】
上記ビームを、上記基板全体に直交方向に走査する走査素子を更に備える請求項１記載のイオン注入装置。
【請求項１１】
半導体素子を製造する半導体素子製造方法において、
基板内の光受容領域を第１の濃度にドーピングする工程と、
上記光受容領域を上記第１の濃度よりも高い第２の濃度にドーピングして、該光受容領域の最上の表面から上記基板内に延びるグリッド線を形成する工程と、
上記グリッド線に金属フィンガを接続する工程とを有し、
上記光受容領域及び上記グリッド線は、単一シード送出モジュールを備える装置を用いてドーピングされることを特徴とする半導体素子製造方法。
【請求項１２】
上記基板は、他の基板とは別にドーピングされることを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項１３】
上記グリッド線を形成する工程は、
上記基板を、該基板の表面から置換されたマスクを介して、ドーパントを含むイオンビームに暴露する工程を有し、
上記マスクは、上記グリッド線の幅と同じ開口を有することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項１４】
上記グリッド線を形成する工程は、
上記基板を、該基板の表面に接続されたマスクを介して、ドーパントを含むイオンビームに暴露する工程を有し、
上記マスクは、上記グリッド線を形成する場所に隣接した開口を有することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項１５】
上記グリッド線を形成する工程は、
ドーパントを含むビームを、上記グリッド線の幅に成形する工程と、
上記ビームを、上記光受容領域に向ける工程とを有することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項１６】
上記ビームを向ける工程は、
上記光受容領域全体を上記ビームで走査して、上記グリッド線を順次形成する工程を有することを特徴とする請求項１５記載の半導体素子製造方法。
【請求項１７】
上記ビームを向ける工程は、
上記グリッド線を同時に形成するように上記ビームを発生する工程を有することを特徴とする請求項１５記載の半導体素子製造方法。
【請求項１８】
上記第１の濃度は、１Ｅ１５／ｃｍ２未満であることを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項１９】
上記光受容領域は、少なくとも１００Ω／□の抵抗率を有することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項２０】
上記グリッド線は、１０〜３０Ω／□の抵抗率を有することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項２１】
上記グリッド線の幅は、２００ミクロン未満であることを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項２２】
上記グリッド線の間隔は、５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項２３】
上記基板を４００〜５００℃で熱処理する工程を更に有する請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項２４】
上記基板の背面に接点を形成する工程を更に有する請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項２５】
上記グリッド線に金属フィンガを接続する前に、上記グリッド線のそれぞれの上にシードをイオン注入する工程を更に有する請求項１１記載の半導体素子製造方法。
【請求項２６】
太陽電池を製造する太陽電池製造方法において、
１５０ｋｅＶ未満のエネルギを有するイオンビームを用いて、基板内に光受容領域を第１の濃度にドーピングする工程と、
上記イオンビームを用いて、上記光受容領域を上記第１の濃度よりも高い第２の濃度にドーピングして、該光受容領域の最上の表面から上記基板内に延びるグリッド線を形成する工程と、
上記グリッド線に金属フィンガを接続する工程とを有し、
上記基板は、１５６ｍｍ×１５６ｍｍであり、上記光受容領域は、単一シード送出モジュールを備える装置を用いてドーピングされ、該装置のスループットは、毎時少なくともウェーハ１０００枚あることを特徴とする太陽電池製造方法。
【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「APPLICATIONS 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 IMPLANTATION AND ANNEAL METHODS」、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、半導体素子製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池を製造する太陽電池製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体素子は、多目的な半導体製造ツール（multi-purpose semiconductor fabrication tools）を用いて製造される。現在の半導体素子の寸法は、常に縮小化されているので、これらの半導体製造ツールは、厳密な仕様に基づいて半導体素子を製造する。これらの半導体製造ツールは、多目的であるので、エネルギ範囲が広いイオンビームを用いて、製造工程毎に異なる化学種のイオンを発生する。これらの半導体製造ツールは、小さな寸法の半導体素子を製造可能にするために、厳密な走査寸法を有する。また、半導体製造ツールは、汚染を削減するために、質量分離（mass analyses）を実行し、基板上の集中電荷（collected charge）を中和するために、特別なモジュールを備えている。これらの半導体製造ツールは、非常に複雑であり、それらに対する要求が非常に厳しいので、それらの生産能力は、比較的少なく、毎時ウェーハ約２００枚だけである。
【０００４】
図１は、半導体素子の製造の一工程として、基板にイオン注入する従来のイオン注入装置１００の構成を示すブロック図である。複数のウェーハ１０１は、１対のロードロック（twin load locks）１０５を介して、イオン注入装置１００に搬入される。多重ガス送出モジュール（multiple gas delivery module）１１０は、ｎ型イオン及びｐ型イオン（ドーパント）が抽出される複数のガスを含んでいる。イオンは、前段加速器１２０で加速され、前段加速器１２０は、イオンを、汚染を削減させるための質量分離を実行する磁石１２５に送る。そして、イオンは、後段加速器１３０に送られ、そして、電荷中和モジュール１３５に送られる。イオンビームは、ビーム走査機構１４０を用いて、ウェーハ１０１の表面全体を走査され、あるいは、ウェーハ１０１自体がイオンビームに対して相対的に動かされる。そして、測定及び制御ユニット１４５は、ウェーハ１０１を解析する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
イオン注入装置１００は、異なるドーパントを注入できなければならないので、前段加速器１２０及び磁石１２５の動作範囲は、通常、１０ｋｅＶ未満から、全ての種類のドーパントシードを注入するのに十分な２００ｋｅＶまでと広くする必要がある。また、イオン注入装置１００は、先進の形状寸法の厳しい要求条件（６５ｎｍ未満）を満たすことができなければならない。一例として、均一性が０．５％未満となるように要求すると、ビーム走査が複数回必要となり、これによって、システム生産性が減少する。
【０００６】
もう１つの欠点は、半導体素子の製造の異なる段階において、半導体素子の特徴が変化することである。半導体素子の特徴は、高温又は暴露された集中電荷に耐えることができない。さらに、半導体素子の特徴自体が、例えば絶縁膜を形成中に、絶縁膜が電荷を集中したとき、注入ビームに悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００７】
一部の例外を除き、半導体素子の製造には、大出力密度（large power densities）を有するビームと、高温の発生とが必要とされる。通常、これらの制約によって、従来の製造装置は、複雑になっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の特徴として、半導体基板にイオン注入するイオン注入装置は、イオン源と、イオン源からエネルギが１５０ｋｅＶ未満のビームを生成する加速器と、基板をビームに暴露するビーム誘導器（beam director）とを備える。一実施の形態において、イオン源は、単一ガス送出要素（single-gas delivery element）及び単一イオン源（single-ion source）からなる単一シード送出モジュール（single-species delivery module）である。ビーム誘導器は、集束素子からなり、集束素子は、基板上にビームを集束する又は成形する電気光学系、電磁気光学系又はその両方を備える。他の実施の形態において、イオン源は、抽出されるイオンを発生するプラズマ源（例えば単一イオンプラズマ源）を備える。また、この他の実施の形態は、加速器と、基板を包み込む又は完全に覆うようにイオンを拡散するビーム誘導器とを備える。
【０００９】
一実施の形態において、単一イオンプラズマ源は、長さが５〜１０ｃｍであって幅が５ｍｍ未満のビームスロットを備える。あるいは、単一イオンプラズマ源は、長さ、幅、又はその両方がこれよりも大きいビームスロットを備える。さらに、マグネトロン発生プラズマ源（magnetron generated plasma source）を用いて、イオン注入のために基板を包み込むことができる非常に大きなプラズマを発生することができる。イオン源は、ｎ型ドーパント、例えばアンチモン、ヒ素又は燐を含んでいる。当然、他のｎ型ドーパントを用いることもできる。あるいは、イオン源は、ｎ型ドーパント例えばホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム又はＢＦ２を含んでいる。また、他のｐ型ドーパントも用いることができる。
【００１０】
ビームは、１ｃｍ２当たり約５ｋＷの出力密度を有する。一実施の形態において、単一イオン源は、装置、例えば単一シード送出モジュールにプラグコンパチブルである。
【００１１】
一実施の形態において、ビーム誘導器は、ビームを基板全体に直交方向に進める走査要素を備える。
【００１２】
第２の特徴として、半導体素子を製造する半導体素子製造方法は、基板内に光受容領域（photo-receptive regions）を形成する工程と、光受容領域をドーピングしてグリッド線（gridlines）を形成する工程と、金属フィンガをグリッド線に接続する工程とを有する。光受容領域には、ドーパントが第１の濃度でドーピングされており、ドーパントが第１の濃度よりも高い第２の濃度でドーピングされて、グリッド線が形成されている。グリッド線は、光受容領域の一番上の表面から下方に基板内に延びている。単一シード送出モジュールを備える装置を用いて、光受容領域はドーピングされ、グリッド線が形成される。金属フィンガは、グリッド線に接続される。このようにして、基板は、低濃度ドーパント分布の光受容領域と、金属フィンガの下の高濃度ドーパント分布領域とを有する。
【００１３】
一実施の形態において、基板は、他の基板とは別に、単独でドーピングされる。他の実施の形態において、基板は、他の基板と一緒に、グループでドーピングされる。
【００１４】
一実施の形態において、グリッド線は、基板を、マスクを介してドーパントを含むイオンビームに暴露することによって形成される。グリッド線の幅と同じ大きさの開口を有するマスクは、基板表面から取り除かれる。あるいは、開口の幅は、グリッド線の幅に対して既知の偏差（known deviation）がある。他の実施の形態においては、マスクは、基板の表面に配置され、グリッド線を形成する位置に隣接した開口を有する。さらに、他の実施の形態において、グリッド線は、ドーパントを含むプラズマビームをグリッド線の幅に成形又はパルス駆動し、光受容領域に向けることによって、形成される。この後者の実施の形態において、プラズマビームは、動かない（stationary）。他の実施の形態において、ビームは、グリッド線を順次形成するために、光受容領域全体を走査する。あるいは、ビームは、グリッド線を同時に形成するように発生される。
【００１５】
一実施の形態において、第１の濃度（ドーズ量）は、１Ｅ１５／ｃｍ２未満である。光受容領域の抵抗率は、約１００Ω／□である。グリッド線の抵抗率は、１０〜３０Ω／□である。グリッド線の幅は、２００ミクロン未満であり、グリッド線の間隔は、５ｍｍ未満である。一実施の形態において、グリッド線の間隔は、約３ｍｍである。
【００１６】
半導体素子製造方法は、グリッド線を金属フィンガに接続する前に、金属シードを各グリッド線に注入する工程を有し、これによって、金属シリサイドを形成する。
【００１７】
一実施の形態において、また、半導体素子製造方法は、例えば炉、フラッシュランプ、又はレーザを用いて、基板をアニーリングする工程を有する。基板を、一工程で、低温、例えば４００〜５００℃でアニーリングすることができる。
【００１８】
第３の特徴として、太陽電池を製造する太陽電池製造方法は、１５０ｋｅＶ未満のエネルギを有するイオンビームを用いて、基板内に光受容領域を第１の濃度にドーピングする工程と、イオンビームを用いて、光受容領域を第１の濃度よりも高い第２の濃度にドーピングして、グリッド線を形成する工程と、グリッド線に金属フィンガを接続する工程とを有する。グリッド線は、光受容領域の一番上の表面から下方に基板内に延びている。基板は、１５６ｍｍ×１５６ｍｍであり、光受容領域は、単一シード送出モジュールを備える装置を用いてドーピングされる。イオン注入装置のスループットは、毎時少なくともウェーハ１０００枚である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の半導体素子の製造装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態における半導体素子の製造装置の構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】実施の形態におけるイオンビームを成形するイオンビーム光学系の構成を示す図である。
【図３Ｂ】実施の形態におけるイオンビームを成形するイオンビーム光学系の構成を示す図である。
【図４】一実施の形態における太陽電池の低濃度ドーピング光受容領域を示す図である。
【図５Ａ】他の実施の形態に基づいて、図４の光受容領域をドーピングすることによってグリッド線を形成する様子を示す図である。
【図５Ｂ】他の実施の形態に基づいて、図４の光受容領域をドーピングすることによってグリッド線を形成する様子を示す図である。
【図５Ｃ】他の実施の形態に基づいて、図４の光受容領域をドーピングすることによってグリッド線を形成する様子を示す図である。
【図６】一実施の形態に基づいて、シードを用いて図４の太陽電池のグリッド線を金属フィンガに接続する様子を示す図である。
【図７】一実施の形態に基づいてグラフを調整するプロフィールを示す図である。
【図８】拡散を用いてドーピングされる太陽電池にプロファイル調整機能が無いことを説明するためのグラフである。
【図９Ａ】一実施の形態に基づくイオン注入を用いてドーピングされる太陽電池のプロファイル調整機能が優れていることを説明するためのグラフである。
【図９Ｂ】一実施の形態に基づくイオン注入を用いてドーピングされる太陽電池のプロフィール調整機能が優れていることを説明するためのグラフである。
【図１０】一実施の形態に基づいて太陽電池を製造するプロセスの工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に基づくイオン注入装置は、特に、特定の半導体素子、例えば太陽電池を製造するために調整されている。これらのイオン注入装置は、他の半導体素子を製造するのに要求される精度（tolerances）よりも緩和された精度を用いる。このイオン注入装置は、従来のイオン注入装置よりも、高速、低費用、省スペースで半導体素子を製造する。このようなイオン注入装置は、毎時少なくとも１０００枚の太陽電池を生産する能力を有する。
【００２１】
さらに、イオン注入装置は、ウェーハが特徴的な被覆（featured coverings）を有しないことから、電荷の中和は必要なく、走査が簡単であり、質量分離（mass analyses）を他の方法によって実行できるので、単純である。これらの全ての効果によって、従来の半導体製造装置を用いて実現されるよりも高い生産量を得ることができる。
【００２２】
また、実施の形態に基づくイオン注入装置は、効率が高い太陽電池、すなわち抵抗損（ohmic losses）及び不感層の影響を減少させるように調整されたドーピングプロフィールを有する太陽電池を製造する。
【００２３】
図２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２００の構成を示すブロック図である。イオン注入装置２００は、図１に示す従来のイオン注入装置よりも単純である。イオン注入装置２００は、より高い生産性を有し、設置面積がより狭く、プラグコンパチブル部品（取り外して、他の種特異的モジュール（species-specific modules）に置換することができる）を備える。イオン注入装置２００は、単一ガス送出モジュール２０５と、イオン源２１０と、加速器２１５と、傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール２２０と、測定及び制御モジュール２２５と、１枚の太陽電池（single solar cell）２０１を処理する単一ロードロック（single load lock）２３０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２０５及びイオン源２１０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２２０は、太陽電池２０１上にプラズマビームを広げるスプレッダ（spreader）に置き換えられる。
【００２４】
イオン注入装置２００は、特別な能力を有する。全ての実施の形態がこれらの能力を有するとは限らないことは、言うまでもない。イオン源２１０は、長いスロットを有する。他の実施の形態において、イオン源２１０は、ブロードビーム（broad beam）及びナロービーム（narrow beam）を形成するための複数のイオン源、又はプラズマビームを含んでいる。イオン源２１０は、全てのシードの１００ｍＡまでのビーム電流を生成するが、一度に１つのシード専用である。イオン源２１０は、特別な用途毎にプラグコンパチブルであり、異なるイオン源を有する新たな用途が必要とされるとき、イオン源２１０は、引き抜かれ、次の用途の要件（例えば異なるドーパント）に合ったものに置き換えることができる。イオン源２１０は、５〜１０ｃｍ未満のビームスロット及び１〜２ｍｍの幅を有する。あるいは、イオン源２１０は、プラズマ源であり、ブロードビームを生成することができる。イオン源２１０の長さは、１５６ｍｍ×１５６ｍｍの基板の一方向の長さ又は基板の両方向の長さをカバーするために、延ばすことができる。
【００２５】
動作において、単一ガス送出モジュール２０５及びイオン源２１０は、協力してイオンビームを発生し、加速器２１５は、イオンビームを直流方式又はパルスで加速する。一実施の形態（図３）において、加速器２１５は、例えば１５〜１５０ｋｅＶの限られたエネルギ範囲を有する元素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２００のエネルギ必要量を制限するために、加速器２１５は、１００ｋｅＶ以上では動作しない。
【００２６】
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２２０を用いて制御される。ビームは、太陽電池２０１となる単一ウェーハ（single wafer、以下、単一ウェーハ２０１ともいう。）に衝突する前又は同時に、測定及び制御モジュール２２５によって測定及び制御される。単一ウェーハ２０１をビームの正面に進め、単一ウェーハ２０１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。一実施の形態において、単一ウェーハ２０１は、１５６ｍｍ×１５６ｍｍであるが、イオン注入装置２００は、他の寸法のウェーハも処理する能力を有する。他の実施の形態では、ウェーハは、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枚以上のウェーハが、トレイに入れられて、ビーム又はプラズマに暴露される。
【００２７】
最後に、イオン注入装置２００から、処理された単一ウェーハ２０１が単一ロードロック２３０を介して取り出される。
【００２８】
図３Ａ、３Ｂは、基板４０１にドーパントを注入するビームスポットを成形する２つの実施の形態に基づいたビーム成形器（また、「ビーム光学系（beam optics）」ともいう。）３００、３５０を示す図である。一実施の形態において、ビーム成形器３００、３５０は、図２の傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール２２０の一部を構成している。ビーム成形器３００、３５０は、それぞれ磁気レンズ又は静電レンズからなる。後述するように、ビーム成形器３００、３５０を用いて、半導体太陽電池に選択的エミッタ（selective emitters）を注入することができる。
【００２９】
ビーム成形器３００は、「大型（large dimension）」の成形器である。ビーム成形器３００は、第１の幅を有するビーム３０１Ａが入射され、ビーム３０１Ａを成形して、第１の幅よりも広い、基板及び基板ホルダ（holder）の寸法に匹敵する約５〜１０ｃｍの第２の幅を有するビーム３０１Ｂを生成する。あるいは、第２の幅は、約１５．６ｃｍである。
【００３０】
ビーム成形器３５０は、「小型（short dimension）」の成形器である。ビーム成形器３５０は、第１の幅を有するビーム３５１Ａが入射され、ビーム３５１Ａを成形して、第１の幅よりも狭い約２００ミクロンの第２の幅を有するビーム３５１Ｂを生成する。あるいは、第２の幅は、約５０ミクロンである。
【００３１】
また、ビーム成形器３００、３５０は、ビーム内に同伴される不必要な汚染物（unwanted impurities entrained）を除去することができる。例えば、走査角度（scanning angle）を僅かに変えることにより、異なる電荷対質量比（charge-to-mass ratios）を有する不必要な中性粒子（neutral particles）又は化学種を除去することができる。あるいは、イオンビームを収容するチャンバ内部の内部被覆（internal cladding）は、特にビームがプラズマビームであるときに、側壁汚染（side wall contamination）を最小にするように製作することができる。
【００３２】
傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール２２０（図２参照）は、ビーム成形器３００、３５０を用いて、様々な寸法の半導体にイオン注入するためのビームを「成形する（shape）」ことができる。
【００３３】
好ましくは、ビームスポットの大きさ、ビーム電流及び走査方法は、５ｋＷ／ｃｍ２のビーム出力密度（beam power density）を有し、単一ウェーハ２０１（図２参照）のバルク部分の平均温度を１５０℃以上には上げない。単一ウェーハ２０１は、背面冷却（back side cooling）、エラストマ方法（elastomeric methods）又は電気的冷却方法（electrical cooling methods）を用いて冷却される。
【００３４】
また、パルス制限ビーム成形方法（Beam-limited pulse-shaping methods）を用いてもウェーハを冷却することができる。ウェーハの温度は、この方法を用いて、すなわち自動制御を用いる全てのウェーハの１枚以上のバッチ内において、あらゆる他の単一ウェーハ間でビームを共有することにより、制限される。あるいは、イオン注入装置２００は、パルスプラズマ源を用いて熱を、位置ではなく、時間的に分配することができる。
【００３５】
上述したように、本発明の実施の形態は、半導体太陽電池を製造するのに適している。太陽電池を製造する異なる方法を説明した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、代理番号SITI-00100）、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、代理番号SITI-00300）、２００９年６月１１日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４７０９０「Solar Cell Fabrication with Faceting and Ion Implantation」（発明者Babak Adibi及びEdward S. Murrer、代理番号SITI-00400）は、引用することにより、本願に援用される。図４、図５Ａ〜５Ｃ、図６は、イオン注入装置２００（図２参照）を用いて、太陽電池を製造する実施の形態を示す図である。
【００３６】
太陽電池は、ドーピング半導体基板上（doped semiconductor substrate）に形成された低濃度ドーピング受容表面（lightly doped photo-receptive surface）で光エネルギを受けて、電子正孔対（electron-hole pairs）を生成することによって機能する。これらの電子正孔対における電子は、電流を形成し、基板内の層に沿って移動し、それをグリッド線（gridlines）に引きつける高濃度ドーピング選択的エミッタ（heavily doped selective emitter）に移動し、金属フィンガ及びバスバーに移動し、最終的には負荷に移動する。そして、電子は、基板のバルク部分に戻り、バルク部分において、分離された正孔と再結合する。
【００３７】
通常、光受容領域（photo-receptive regions）は、同じ工程でドーピングされ、したがって、光受容領域のドーピング濃度は、グリッド線の下の領域のドーピング濃度と同じである。このようなドーピング用の拡散法（diffusion methods）を用いることによって、基板の表面の近傍には非常に過剰な不活性ドーパントシード（un-activated dopant species）が生じる。これは、「不感層（dead layer）」となる。光受容領域は、低濃度にドーピングする必要があるが、過剰な不活性ドーパントを有するので、光が太陽電池に衝突したときに、励起された電子（captivated electrons）が形成され、これらの電子は、いかなる電流を発生する前に、不対の正孔と再結合する。この影響によって、太陽電池の効率は低下する。
【００３８】
不感層は、基板の表面領域に近傍の不活性ドーパントをより適切に制御することによって、減少させることができる。図４及び図５Ａ〜５Ｃは、光受容領域を、グリッド線の谷間のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度にドーピングすることによって、選択的エミッタを形成する実施の形態を示す図である。
【００３９】
図４は、太陽電池内に形成され、低濃度ドーピング光受容領域（以下、単に光受容領域ともいう。）５０５を有する基板５００の横断面図である。この実施の形態において、基板５００は、ｐ型半導体基板であり、光受容領域５０５は、ｎ型イオンで第１の濃度にドーピングされている。光受容領域５０５は、約１００Ω／□の抵抗率を有する。すなわち、過剰なドーパントは、ドーパント電荷キャリア（dopant charge carriers）の生成及び輸送を妨げる。光受容領域５０５は、通常、約５０〜１００ｋｅＶの注入エネルギで、１Ｅ１５／ｃｍ２未満の濃度で注入される。幾つかの例では、ｎ型ドーパントの具体例としては、アンチモン、ヒ素及び燐がある。
【００４０】
実施の形態において、基板５００は、全体をカバーするように広げられたビーム、あるいは、基板５００全体をカバーするようにｘ方向、ｙ方向又はその両方の方向に高速に走査するビーム（図２の傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール２２０）を用いて、ドーピングされる。太陽電池の有効範囲（coverage）の不均一性は、５％未満（例えば有効範囲の均一性は９５％以上）と推定されており、したがって、ビームスポットのプロフィールも同程度の均一性を必要とする。図３Ａ、３Ｂに示すビーム成形器３００、３５０は、生産性が高い注入を行うことができる。
【００４１】
図５Ａ〜５Ｃは、基板５００を、ｎ型ドーパントで、低濃度ドーピング光受容領域５０５よりも高濃度にドーピングして、グリッド線５８０Ａ〜５８０Ｃを形成することによって、不感層の形成を減らす他の方法を説明するための図である。図５Ａに示す実施の形態において、物理的マスク５１５は、光受容領域５０５の上方に配置される。物理的マスク５１５は、所望のグリッド線５８０Ａの寸法に成形された開口を有し、あるいは、開口は、グリッド線５８０Ａの寸法よりも僅かに既知量だけ大きい。そして、イオンビーム６００は、物理的マスク５１５上に向けられ、それによって、グリッド線５８０Ａを形成する。他の実施の形態においては、イオンビーム６００は、プラズマビームであり、このプラズマビームに基板５００が暴露される。この配置を、例えば上述したビーム走査方法又はビーム成形方法と一緒に用いることによって、ビームの利用率を最大にすることができる。
【００４２】
図５Ｂに示す実施の形態では、マスク５５０を、光受容領域５０５上に配置する。マスク５５０は、ハードマスク又はソフトマスクであってもよく、リソグラフィ、密着焼付け（contact printing）又はスクリーン印刷を用いて形成することができる。あるいは、コンタクト蒸着（contact deposition）用の既存のマスクを用いることもできる。また、イオンビーム６１０は、マスク５５０上に向けられ、それによって、グリッド線５８０Ａを注入する。他の実施の形態においては、イオンビーム６１０の代わりに、プラズマビームを用いる。
【００４３】
図５Ｃに示す実施の形態では、注入ビーム６２０を成形して、基板５００をドーピングし、これによって、グリッド線５８０Ｃを形成する。この配置では、基板５００全体を描画する単一走査及びステッピングビームスポット（single scanning and stepping beam spot）を用いて同時に暴露するための一連のイオンビームを用いることができる。あるいは、ブロード及びナロービーム（broad and narrow beam）を用いて、１本の又は任意の数のグリッド線５８０Ｃを別々に暴露することができる。
【００４４】
図６は、金属／半導体領域を形成することによって仕事関数及びバンドギャップを調整する後続の処理工程を経た後の基板５００の構成を示す縦断面図である。図６に示すように、金属シード７００は、接点フィンガ（contact fingers）の下の領域であって、グリッド線５８０（グリッド線５８０Ａ〜５８０Ｃのうちの任意の１つ）の上に、また基板５００の背面（図示せず）に注入される。このような“シード”の注入によって、金属フィンガ（グリッド線及び負荷に接続される）に対するコンタクト性能は、向上する。
【００４５】
図６に示すように、隣接するグリッド線５８０間のドーピング領域の抵抗率は、約１００Ω／□であり、グリッド線５８０の下のドーピング領域の抵抗率は、１０〜３０Ω／□未満であり、グリッド線５８０間の間隔Ｘは、約３ｍｍであり、１ｍｍに短縮されることが予想され、金属シード（金属フィンガ）の幅Ｙは、約２００ミクロンであり、５０ミクロンに短縮されることが予想されている。
【００４６】
基板５００には、シングル、すなわち単結晶（single or mono-crystalline）シリコン、ポリ結晶、すなわち多結晶（poly-crystalline, or multi-crystalline）シリコン、薄膜シリコン（thin- film deposited silicon）、又は太陽電池を製造するのに用いられるあらゆる他の材料を成長させることができる。他の種類の基板及びドーピングを用いることができることは言うまでもない。単に一例として、基板５００をｎ型とし、グリッド線５８０Ａをｐ型とすることができる。ｐ型ドーパントには、例えばホウ素及び二フッ化ホウ素が含まれる。当業者には明らかなように、半導体の種類、イオン、ドーピングレベル及び他の特性の多くの他の組合せがある。
【００４７】
図７、図８、図９Ａ、図９Ｂは、実施の形態に基づく装置（例えば図２のイオン注入装置２００）が、不感層の形成及び抵抗損を削減するために、どのようにドーパントプロフィールを調整するかを説明するための図である。
【００４８】
図７は、本発明の原理に基づくプロファイル調整グラフ（profile tailoring graph）８００も一実施の形態を示す図である。プロファイル調整グラフ８００は、ドーピング濃度（原子／ｃｍ３）対そのドーピング深さ（Å）に関する太陽電池の原子プロフィールを示している。全原子プロフィールは、線８１０によって表される。異なる濃度対深さドーピングプロフィールを有する多重イオン注入（multiple ion implants）を用いることにより、太陽電池のドーパント濃度（したがって、抵抗率）を、ユーザによって、所定の深さに亘って正確に調整することができる。プロファイル調整グラフ８００は、３つの異なる注入プロフィール８１２、８１４、８１６を示している。これら３つの注入プロフィール８１２、８１４、８１６の組合せが、太陽電池の全プロフィール８１０になる。
【００４９】
個々の注入は、ガウス分布又は擬似ガウス分布に限定できるが、本発明では、個々の注入を組み合わせて、全原子プロフィールの形状を効果的に調整する。複数の独立した注入を用いて、全原子プロフィールを制御する際、本発明により、ユーザは、注入された１つの型のドーパント（例えばｎ型ドーパント）が、プリドーピングされている背面領域８２０のドーパント（例えばｐ型ドーパント）に接触する接合深さ（junction depth）８４０を効果的に制御することができる。また、ユーザは、太陽電池の表面又はその近傍のドーパント濃度８３０を制御することができる。本発明により、ユーザは、表面のドーパント濃度８３０と接合深さ８４０とを互いに独立して制御することができる。幾つかの実施の形態においては、原子プロフィールは、約０．０１μｍ〜約０．５μｍの接合深さを有するように調整される。幾つかの実施の形態においては、原子プロフィールは、約５Ｅ１８原子／ｃｍ３〜約４．８Ｅ２１原子／ｃｍ３の表面濃度を有するように調整される。なお、原子プロフィールは、異なる接合深さ及び表面濃度を有するように調整することができる。
【００５０】
従来、原子プロフィールの調整は、制限されていた。図８は、拡散を用いてドーピングされる太陽電池にプロファイル調整機能（profile tailoring ability）が無いことを説明するためのグラフ９００を示す。このグラフ９００において、線９１０は、太陽電池の原子プロフィール（以下、単にプロファイル９１０ともいう。）を示している。半導体ウェーハをドーピングするために拡散を用いることによって、ユーザは、表面濃度と接合深さとを独立して制御することができない。ユーザは、表面濃度及び接合深さの両方を単に線９１０’に増加させることによって、原始プロフィール９１０をより深くし、あるいは、表面濃度及び接合深さの両方を線９１０’’に減少させることによって、原子プロフィール９１０をより浅くするかに制限される。ユーザは、原子プロフィールの形状を変えることができず、原子プロフィールの一方の特性に、他方の特性よりも多くの影響を与えることができない。
【００５１】
図９Ａ〜９Ｂは、本発明の原理に基づくイオン注入を用いてドーピングされる太陽電池のプロファイル調整機能が優れていることを説明するためのグラフである。図９Ａのグラフ１０００は、従来の方法を用いて形成された太陽電池の濃度対深さに対する原子プロフィール１０１０を示している。ここで、原子プロフィール１０１０は、単純なガウス分布に限定されており、これによって、電子正孔対発生領域（electron-hole pair generating region）で発生した電子は、接点フィンガまで移動することが難しくなる。原子プロフィール１０１０の急な勾配は、電子がウェーハの表面の導電性接点に向かって移動するにつれて、ドーパント濃度（したがって、抵抗率）が大幅に増加することを表している。この急な勾配によって、電子が接点に到達することがより難しくなり、したがって、結果として、発生電力の望ましくない損失となる。
【００５２】
図９Ｂのグラフ１０００’は、本発明の多重イオン注入を用いて形成された太陽電池の濃度対深さに対する原子プロフィール１０１０’を示している。原子プロフィール１０１０’は、電子が半導体ウェーハの表面の接点に向かって移動するにつれて、濃度がより緩やかな（急でない）勾配で増加するように、形成することができる。この原子プロフィール１０１０’は、多重イオン注入を用い、注入と注入の間に、接合深さと表面濃度とを、必ずしも両方ではないが、独立して制御することによって調整することができる。
【００５３】
図７において、異なる注入プロファイル８１２、８１４、８１６によって、太陽電池の異なる特徴を決定することができる。例えば、幾つかの実施の形態において、注入プロファイル８１２（中央部の注入）は、均一なエミッタを決定し、一方、注入プロファイル８１４、８１６は、選択的エミッタ領域を形成するために、一連の選択的注入として追加される。これらの注入処理（implantation steps）は、太陽電池の製造に必要なテクスチャリングを行う表面だけでなく、あらゆるカバーなしで基板全面（on blanket substrates）に対して、あるいは任意の反射防止カバー（例えば窒化物、酸化物、又はあらゆる他の膜）を介して実行することができる。テクスチャリングを行う場合、イオン注入は、表面形状（surface contour）に対する良好な密着性を提供し、したがって、コンタクト形成（contact formation）を改良する。テクスチャリングについては、米国仮特許出願第６１／１３３，０２８号に記載されており、この仮特許出願は、上述したように、引用することにより、本願に援用される。図７のプロファイル調整グラフ８００には、例えば上述した反射防止コーティングからなる表面被覆８５０を示している。この反射防止コーティングは、その厚さを任意とすることができる。
【００５４】
図１０は、実施の形態に基づいて太陽電池を製造するプロセス１１００の工程を示すフローチャートである。図２、図１０に示すように、工程１１０１において、プロセス１１００を開始し、この工程１１０１において、処理アプリケーションに適合するのに必要な特定のイオン源２１０をイオン注入装置２００に接続する。工程１１０３において、１枚のウェーハを単一ロードロック２３０内に配置する。工程１１０５において、光受容領域を１つの濃度と、より高い濃度とでドーピングして、グリッド線を形成する。この工程１１０５は、複数回のドーピングサイクルを含むことができる。
【００５５】
次に、工程１１０７において、接点シード（contact seeds）、印刷又はインクジェット印刷金属フィンガ、バスバー及び他の接点を形成する。工程１１０９において、接点を確定し、活性化し、基板のドーピングをアニーリングするために、ウェーハを加熱（fired）する。ウェーハは、例えば炉、フラッシュランプ、レーザ等を用いて、従来の装置を用いる際に必要とされる温度よりも低い４００〜５００℃の温度で、アニーリングすることができる。好ましくは、唯１回のアニーリング工程のみが必要である。また、ウェーハは、異なる温度で、同じ結果が得られる時間アニーリングすることもできる。
【００５６】
工程１１１１において、ウェーハの性能を測定し、そして、選別する。工程１１１３において、プロセス１１００は、終了する。
【００５７】
好ましくは、工程１１００は、（１）コンピュータ読取可能な媒体に記憶されたコンピュータで実行可能な命令と、（２）この命令を実行するプロセッサとを用いたコントローラによって実行される。図２に示すように、一実施の形態において、このコントローラ（図示せず）は、傾斜ビーム走査／質量分離／ビーム成形モジュール２２０、測定及び制御モジュール２２５、又はその両方に接続されている。
【００５８】
実施の形態においては、太陽電池について説明したが、実施の形態に基づいて他の半導体素子を製造できることは言うまでもない。
【００５９】
特許請求の範囲によって定義される発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、実施の形態を変更できることは、当業者には明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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