(57)【要約】【課題】結晶品質のよい多結晶半導体膜を形成して、半導体デバイスの性能の向上を図る。【解決手段】エアロゾルチャンバー１５において、シリコンなどのナノ粒子ＮＰを、ボンベ１９から供給されるキャリアガスと混合し、キャリアガスによって、ノズル１４からワークＷ（基板）に、高速で衝突させる。これにより、結晶品質のよい結晶粒を有する多結晶半導体膜が形成される。ナノ粒子ＮＰとしてシリコンのナノ粒子ＮＰを用い、ｐ型ポリシリコン膜とｎ型ポリシリコン膜とを堆積して、ポリシリコンｐｎ接合部を光電変換部とする太陽電池を製造することにより、品質の向上だけでなく、製造コストの低減を図ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾルデポジション法により、基板上に半導体結晶の粉末を堆積して多結晶半導体膜を形成する工程（ａ）と、
上記多結晶半導体膜を要素として含む半導体デバイスを形成する工程（ｂ）と、
を含む半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体デバイスの製造方法において、
上記工程（ａ）の前に、半導体結晶体から半導体結晶の粉末を形成する工程（ｃ）をさらに含む半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体デバイスの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記半導体結晶体として、再生用半導体ウエハを用いる、半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の半導体デバイスの製造方法において、
上記工程（ａ）と同時または後に、上記多結晶半導体膜に少なくとも第１導電型領域および第２導電型領域を形成し、
上記工程（ｂ）では、上記多結晶半導体膜を用いて、太陽電池を形成する、半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶の粉末を用いて半導体デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、たとえば特許文献１に開示されているように、プラズマ溶射法により、基板上にｐｎ接合を有するポリシリコン膜を形成し、このポリシリコン膜を用いて、太陽電池などを形成する方法が知られている。
【特許文献１】特開平１０−２６１８１２号公報
【特許文献２】特開２０００−２２１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１の溶射法によって形成されたポリシリコン膜は、結晶品質が悪く、太陽電池の性能（光電変換効率）が向上しないことが指摘されている（特許文献２段落［０００３］参照）。
【０００４】
そこで、特許文献２の技術では、プラズマ溶射を行う原料として、半導体に酸化物または窒化物が含まれる半導体微粒子を用い、シリコン結晶粒界に薄い酸化物または窒化物の膜を形成することにより、結晶粒径が大きい高品質なシリコン薄膜を形成して、太陽電池の光電変換効率の向上を図っている。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２の技術においても、ポリシリコン膜中の欠陥密度の低減等は可能としても、結晶粒界に絶縁体である酸化物または窒化物が介在していることから、必ずしも所望の光電変換効率が得られていない。
【０００６】
本発明の目的は、結晶粒界に酸化膜や窒化膜を形成することなく、結晶品質の良好な多結晶半導体膜を形成する手段を講ずることにより、高性能の半導体デバイスを製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置デバイスの製造方法は、エアロゾルデポジション法により、基板上に半導体結晶の粉末を堆積して多結晶半導体膜を形成した後、この多結晶半導体膜を要素として含む半導体デバイスを形成する方法である。
【０００８】
この方法により、半導体結晶の粉末を溶融することなく粒状で堆積することで、比較的粒径が大きく、結晶性の良好な、しかも、境界に酸化物や窒化物が介在していない結晶粒を有する多結晶半導体膜が形成される。したがって、この多結晶半導体膜を要素とする、高性能の半導体デバイスを形成することができる。また、エアロゾルデポジション法による多結晶半導体膜の堆積能率は、非常に高いので、製造コストも安価である。
多結晶半導体膜によって構成される半導体デバイスの要素としては、半導体デバイスのキャリアが走行するｐｎ接合領域や、ＭＯＳＦＥＴにおけるゲート電極などがある。
また、半導体としては、シリコン（Ｓｉ），ガリウム砒素（ＧａＡｓ），炭化珪素（ＳｉＣ），ガリウムナイトライド（ＧａＮ），ゲルマニウム（Ｇｅ）などがある。
【０００９】
多結晶半導体膜を形成する工程の前に、半導体結晶体から半導体結晶の粉末を形成する工程をさらに含むことができる。半導体結晶体の性状としては、ウエハ状，インゴット状，チャンク状，顕粒状などがある。
特に、半導体結晶体としての再生用半導体ウエハを粉砕して、半導体結晶の粉末を形成することにより、半導体デバイスのトータルの製造コストの低減を図ることができる。再生用半導体ウエハとしては、半導体プロセスの管理のために用いられたモニタウエハや、半導体プロセスで発生した不良ウエハがある。
【００１０】
特に、半導体デバイスとして、太陽電池を製造することにより、性能のよい多結晶半導体膜を光電変換部とする太陽電池を安価に製造することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体デバイスの製造方法により、結晶性のよい多結晶半導体膜を形成し、これを利用して高性能の半導体デバイスを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
−半導体デバイスの製造方法−
図１は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。同図に示すように、本実施の形態における半導体デバイスの製造工程は、ウエハ状，インゴット状，チャンク状，顕粒状などの半導体結晶体を洗浄する工程Ｓ１と、半導体結晶体を粗粉砕する工程Ｓ２と、粗粉砕された半導体結晶の粒径を順次小さくしていく微粉砕工程Ｓ３および超微粉砕工程Ｓ４と、エアロゾルデポジション法を用いてウエハ上に多結晶半導体膜を成膜する工程Ｓ５と、太陽電池を形成する工程Ｓ６とを含んでいる。
【００１３】
（１）洗浄工程Ｓ１
半導体結晶体を洗浄する工程Ｓ１では、以下の処理を行う。
ａ．１次洗浄
まず、半導体結晶体の真空超音波洗浄を行なった後、純水によるリンス洗浄を行う。純水は、フィルタリングして繰り返し使用することができる。
ｂ．２次洗浄
半導体結晶体の真空超音波洗浄を行なった後、ＩＰＡもしくは炭化水素系有機溶媒を用いた洗浄を行う。その後、水の置換作用を利用して乾燥工程の前処理を行う。
ｃ．３次洗浄
２次洗浄と同じ洗浄を繰り返す。すなわち、半導体結晶体の真空超音波洗浄を行なった後、ＩＰＡもしくは炭化水素系有機溶媒を用いた洗浄を行う。その後、水の置換作用を利用して乾燥工程の前処理を行う。
ｄ．乾燥工程
半導体結晶体を真空（減圧）装置に収納し、真空中で、水分を蒸発させて、乾燥を行う。
【００１４】
（２）粗粉砕工程Ｓ２
粗粉砕工程Ｓ２では、洗浄工程を終了した半導体結晶体を粒径１ｍｍオーダーの粗粒子まで粉砕する。
この工程では、アルゴン，ヘリウム，窒素などの不活性ガス雰囲気中で、クラッシャーにより、半導体結晶体を粉砕するが、その際、工程途中の中間粗粒子を複数の粒径範囲に区分けするメッシュ管理を行なうことにより、粉砕効率を高めることができる。
その後、次の微粉砕工程Ｓ２または超微粉砕工程Ｓ３に進む。
【００１５】
（３）微粉砕工程Ｓ３
微粉砕工程Ｓ３では、粒径１ｍｍオーダーの粗粒子を粒径１００μｍオーダーの微粒子まで粉砕する。この工程では、アルゴン，ヘリウム，窒素などの不活性ガス雰囲気中で、アルミナなどのセラミック製のポットおよびボールを用いたボールミル（機械式ミル）により、粗粒子を粉砕する。
【００１６】
（４）超微粉砕工程Ｓ４
超微粉砕工程Ｓ４では、粒径１００μｍオーダーの微粒子を粒径０．５μｍオーダー（０．０５〜２μｍ）のナノ粒子まで粉砕する。この工程では、金属汚染を防止するために、アルミナなどのセラミックで内壁が構成されたチャンバーを用い、アルゴン，ヘリウム，窒素などの不活性ガス雰囲気中で、ジェットミルにより、音速の２〜５倍程度の流速中で行われる。
その際、シリコンナノ粒子を製造する場合には、この工程でシリコンナノ粒子中にドーパントを導入して、ｎ型シリコンナノ粒子およびｐ型シリコンナノ粒子を製造することが好ましい。これにより、ポリシリコン膜中にドーパントイオンを注入するよりも製造コストの低減を図ることができる。また、ｐｉｎダイオードを形成する場合には、ドーパントを導入しないシリコンナノ粒子を製造しておく。
なお、ジェットミルを使用することにより、質量の小さなナノ粒子から随時チャンバーから排出されていくので、分級は容易である。
【００１７】
（５）成膜工程Ｓ５
以上の工程Ｓ１〜Ｓ４により、でナノ粒子が得られると、このナノ粒子を用いて、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法という）による成膜を行う。本実施の形態においては、シリコンナノ粒子を用いて、ポリシリコン膜を形成し、これを太陽電池に応用する例について説明する。
【００１８】
図２は、実施の形態に係るＡＤ装置（エアロゾルデポジション装置）１０の構造を示す図である。同図に示すように、本実施の形態のＡＤ装置１０は、デポジションチャンバー１１と、デポジションチャンバー１１内を真空引きするための真空装置１９と、デポジションチャンバー１１内に取り付けられたワークホルダー１２と、ワークホルダー１２上に取り付けられたワークＷにナノ粒子ＮＰを吹き付けるためのノズル１４と、ナノ粒子ＮＰとキャリアガスとを混合するためのエアロゾルチャンバー１５と、キャリアガスを供給するためのボンベ１８とを備えている。ノズル１４は、細長いオリフィス状の断面形状を有している。ノズル１４のオリフィスのサイズは５×０．３ｍｍ２〜１０×０．４ｍｍ２であり、ノズル１４とワークＷ間の距離は、１〜２０ｍｍ程度である。
【００１９】
高圧状態のボンベ１８から配管１７を介してキャリアガスが高速でエアロゾルチャンバー１５に送られると、エアロゾルチャンバー内で、ナノ粒子ＮＰとキャリアガスとが混合されて、細長いオリフィス状の配管１６を介してノズル１４に送られる。ナノ粒子ＮＰは、図２に示すごとく、エアロゾルチャンバー１５内に予め貯留されていてもよいし、ホッパー等からエアロゾルチャンバー１５に随時供給されてもよい。
【００２０】
そして、本実施の形態においては、図２の部分拡大図に示すように、ワークＷの上にポリシリコン膜ＰＳを堆積する。ノズル１４は水平方向に走査されるので、ワークＷの全面上にほぼ均一な厚みのポリシリコン膜ＰＳが堆積されていく。
【００２１】
図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明を太陽電池の光電変換部であるｐｎ接合部の形成工程に適用した例を示す断面図である。
【００２２】
まず、図３（ａ）〜（ｂ）に示す工程で、デポジションチャンバー１１内のワークホルダー１２に、たとえばガラス基板（不図示）の上に設けられた裏面電極２１を有するワークＷを取り付けた後、真空装置１９により、デポジションチャンバー１１内を圧力５０〜１×１０３Ｐａ程度まで減圧する。一方、エアロゾルチャンバー１５にｐ型シリコンのナノ粒子ＮＰを貯留しておいて、エアロゾルチャンバー１５を圧力１〜１×１０４Ｐａ程度まで減圧し、ボンベ１８からＨｅ，Ａｉｒ，Ｎ２等のキャリアガスをエアロゾルチャンバー１５に高速で供給する。そして、デポジションチャンバー１１内で、ワークＷの温度を３００Ｋ程度（ほぼ常温）に維持した状態で、ワークＷの最上部に設けられた裏面電極２１の上に、ｐ型シリコンのナノ粒子ＮＰを高速（たとえば数百ｍ／sec）で衝突させて、ナノ粒子ＮＰ同士を強固に結合させ、厚みが約１．０μｍのｐ型ポリシリコン膜２２を堆積する。このとき、成膜速度は、１〜１０（μｍ／min）程度である。
【００２３】
次に、図３（ｃ）に示す工程で、エアロゾルチャンバー１５内のナノ粒子ＮＰをｎ型シリコンのナノ粒子ＮＰに置換して、前工程（上述）と同じ条件で、ｐ型ポリシリコン膜２２の上に、ｎ型シリコンのナノ粒子ＮＰを高速（たとえば数百ｍ／sec）で衝突させて、ナノ粒子ＮＰ同士を強固に結合させ、ｐ型ポリシリコン膜２２の上に、厚みが約０．５μｍのｎ型ポリシリコン膜２３を堆積する。これにより、光電変換部となるポリシリコンｐｎ接合部が形成される。
【００２４】
次に、図３（ｄ）に示す工程で、ワークＷをデポジションチャンバー１１から取り出して、一般的なＣＶＤ法により、ｎ型ポリシリコン膜２３の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる反射防止膜２４を形成する。反射防止膜２４を構成する材料としては、シリコンよりも屈折率が低い透明材料であればよく、酸化シリコンに限定されるものではない。
なお、図３（ｄ）に示す工程で、ＡＤ法により、酸化シリコンの微粒子をｎ型ポリシリコン膜２３の上に高速で衝突させて、反射防止膜２４を形成してもよい。
【００２５】
その後の工程の図示は省略するが、一般的な太陽電池の製造プロセスにより、太陽電池を製造することができる。図４は、太陽電池の立体構造の一例を示す斜視図である。この例では、図３（ａ）〜（ｄ）に示す工程よって形成された積層体の上に、フィンガー電極２５が設けられており、フィンガー電極２５は、反射防止膜２４の一部に設けられた開口（図示せず）を介してｎ型ポリシリコン膜２３に接触している。
【００２６】
上記実施の形態においては、ｐ型ポリシリコン膜２２とｎ型ポリシリコン膜２３とを直接接触させて、ポリシリコンｐｎ接合部を有する太陽電池を製造したが、ｐ型ポリシリコン膜２２とｎ型ポリシリコン膜２３との間に、ドーパントをほとんど含まないｉ型ポリシリコン膜を介在させて、ポリシリコンｐｉｎ接合部を有する太陽電池を製造することもできる。また、先にｎ型ポリシリコン膜を堆積し、その上にｐ型ポリシリコン膜を堆積してもよい。
【００２７】
本実施の形態によると、ＡＤ法（エアロゾルデポジション法）により、ガラス基板上の裏面電極２１の上に、多結晶半導体膜であるｐ型ポリシリコン膜２２およびｎ型ポリシリコン膜２３を堆積して、ポリシリコンｐｎ接合部を設けているので、効率のよい太陽電池などの半導体デバイスを製造することができる。
すなわち、ＡＤ法の場合、プラズマ溶射法などとは異なり、ナノ粒子ＮＰをいったん溶融するのではなく、常温で基板上に衝突させているので、ナノ粒子ＮＰの結晶がほぼそのまま維持されて、結晶品質のよいポリシリコン膜２２，２３が形成される。また、結晶粒界に窒化物や酸化物がほとんど存在していない。よって、太陽電池における光電変換効率など、半導体デバイスの性能の向上を図ることができる。さらに、ＡＤ法による成膜速度は、１〜１０（μｍ／min）と極めて能率的であるので、太陽電池等の半導体デバイスの製造コストも安価にである。
【００２８】
また、ＡＤ法による成膜は、基板温度がほぼ常温で行われるので、基板の種類に対する制限が緩和され、半導体デバイスの性能にもっとも適した種類の基板を選択することができる。
【００２９】
上記実施の形態のポリシリコンｐｎ接合部の上に、バンドギャップがシリコンよりも大きい、いわゆるワイドバンドギャップ半導体であるガリウム砒素（ＧａＨｓ），ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などのｐｎ接合部を形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンよりも短波長領域の光を吸収して励起されるので、ポリシリコンｐｎ接合部と併せて、光電変換機能の向上をはかることができる。
【００３０】
また、半導体ウエハを用いずに、基板上に薄い半導体膜を形成することにより、半導体材料の使用量を大幅に低減することができ、製造コストの低減を図ることができる。さらに、半導体ウエハに比較し、ガラス基板等の基板の面積は、大幅な大面積化が可能であり、ＡＤ装置１０による成膜は、大面積の基板に容易に対応できるので、さらなる製造コストの低減も可能である。
【００３１】
特に、半導体結晶体としてモニターウエハ，不良ウエハなどの再生用ウエハを利用し、再生用ウエハを粉砕してナノ粒子ＮＰを用いて、ＡＤ法により半導体デバイスを製造することにより、再生用ウエハを活用して製造コストの大幅な低減を図ることができる。本発明者達の試算によると、太陽電池の製造コストを現在の製品の１／２０程度までに低減することができる。
【００３２】
上記実施の形態においては、ＡＤ法により、ポリシリコンｐｎ接合部を形成したが、本発明はかかる実施の形態に限定されるものではなく、たとえばＭＯＳＦＥＴのポリシリコンゲート電極膜をＡＤ法によって堆積してもよい。その場合にも、原料となるシリコン微粒子の粒径、つまり、ポリシリコン膜の各結晶粒の粒径を適宜調整することにより、半導体デバイスの性能の向上を図ることができる。
【００３３】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の半導体デバイスの製造方法は、太陽電池、ＭＯＳＦＥＴなど、各種半導体デバイスの製造に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施の形態に係る半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図２】実施の形態に係るＡＤ装置の構造を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明を太陽電池の光電変換部であるｐｎ接合部の形成工程に適用した例を示す断面図である。
【図４】実施の形態のプロセスを利用して形成される太陽電池の立体構造の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    ＡＤ装置
１１    デポジションチャンバー
１２    ワークホルダー
１４    ノズル
１５    エアロゾルチャンバー
１６    配管
１７    配管
１８    ボンベ
１９    真空装置
２１    裏面電極
２２    ｐ型ポリシリコン膜
２３    ｎ型ポリシリコン膜
２４    反射防止膜
２５    フィンガー電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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