CN102405528A - 一种用于制备具有局部开口的电介质层的半导体装置特别是太阳能电池的方法以及相应的半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制备半导体装置(100)的方法和相应的半导体装置。上述制备方法包括如下步骤：提供硅衬底(1)；在上述硅衬底(1)的表面上形成由非晶硅构成的第一层(3)；在上述第一层(3)上形成由电介质构成的第二层(5)；和通过用激光(7)照射上述硅衬底(1)和位于其上的层(3，5)，在烧蚀区域(9)局部地去除上述第二层(5)。上述激光(7)主要在上述非晶硅层(3)中被吸收，其中非晶硅的蒸发引起位于非晶硅上方的上述电介质层(5)的烧蚀。然而，上述非晶硅层(3)没有被完全去除。剩余层保留并用于与上述硅衬底(1)可靠地形成电接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制备半导体装置特别是太阳能电池的方法，其中形成在硅衬底的表面上的电介质层被局部开口。本发明还涉及一种相应的半导体装置。
背景技术
对于多数半导体装置，可能必须将硅衬底的表面局部地与金属接点相接触。例如，局部地附接在太阳能电池上的金属接点可以用来导走产生在该太阳能电池中的电流。例如为了局部地接触硅衬底，用作绝缘层的电介质层可以沉积在衬底表面上并且随后在待接触区域被局部地去除。然后可将金属层沉积在该电介质层之上，其中在电介质层被预先局部地去除的区域，金属层可以直接地接触位于其下的硅衬底。
为了局部地开口电介质层，常规的光刻法是已知的，其中电介质层表面起初被清漆局部地保护，在局部曝光之后该清漆随后在部分区域被去除，并且随后在这些部分区域，位于其下的该电介质层被蚀刻溶液局部地蚀刻掉。
或者，可以使用蚀刻膏，其被局部地印刷在电介质层上并且于此蚀刻掉所述电介质层。
现有技术中用于局部去除电介质层的另一种方法被称为“激光烧蚀”。其中，高强度激光被集中在待去除的电介质层的区域。为了达到烧蚀所需能量密度，该激光通常以脉冲方式照射。该激光在位于电介质层之下的硅衬底中被极大地吸收。在那里突然发生硅材料的加热和蒸发，结果是位于其上的电介质层的区域被“吹落”，即局部脱落。这样，例如，二氧化硅层或氮化硅层可以被局部地烧蚀。
由于在激光的吸收期间发生的硅衬底的表面区域的显著加热或熔融，因此那里的硅的晶体结构被损坏。在极端情况下，靠近表面的硅衬底的区域与位于其上的电介质层一起被烧蚀。对晶体结构的损坏和不需要的硅衬底表面自身的烧蚀可能导致该半导体装置的损坏。例如，对于太阳能电池，该薄的、灵敏的发射极可能直接位于硅衬底的表面。该发射极层的损坏乃至烧蚀可能导致载荷子寿命的减少乃至导致太阳能电池中的分流并最终导致效率损失。
发明内容
因此需要一种用于制备半导体装置的方法，其中沉积在硅衬底上的电介质层可以被局部地去除而在电子特性方面不显著地损坏硅衬底表面。此外，需要一种半导体装置，特别是一种硅太阳能电池，其具有一种结构，特别是由于这种易控制的制备方法而产生的结构，其中硅衬底在位于其上的电介质层被局部地去除的区域的损坏得以防止。
这种需要可以通过根据独立权利要求的制备半导体装置的方法或半导体装置来实现。优选的实施方式体现在从属权利要求中。
根据本发明的第一方面，提出一种用于制备半导体装置特别是太阳能电池的方法。该方法包括优选按所示顺序的如下步骤：(a)提供硅衬底；(b)在上述硅衬底的表面上形成由非晶硅构成的第一层；(c)在上述第一层上形成由电介质构成的第二层；和(d)通过用激光照射上述硅衬底和位于其上的层，在烧蚀区域局部地去除上述第二层。
根据本发明的第二方面，提出一种半导体装置。它具有硅衬底、在上述硅衬底的表面上的由非晶硅构成的第一层和在上述第一层上的由电介质层构成的第二层。上述第二层在烧蚀区域被局部地去除。上述第一层在上述烧蚀区域具有至少1nm，优选至少5nm的厚度。
本发明的各方面可以被认为基于如下想法：在硅衬底上在电介质层(其用作例如电绝缘层)和衬底表面之间沉积一附加层，该附加层应该有助于制备半导体装置。该附加层由非晶硅(a-Si)形成。在电介质层的烧蚀即局部地去除期间，可以形成该a-Si层以防止位于其下的硅衬底的表面被损坏。此外更有利地，例如由于其高氢含量，a-Si层可有效地用于硅衬底的表面的钝化。此外更有利地，根据经验，铝层和a-Si层之间的电接触很小且尤其是产生可靠的可重现的小电接触电阻。
在根据本发明的方法或根据本发明的半导体装置的指导下，硅衬底的表面可以是暴露的并且例如在沉积于硅衬底之上的电介质层被局部地去除的区域中可以局部电接触。此外，一方面，靠近硅衬底的表面的损坏可以避免，另一方面，通过形成金属接点且在电介质层中被预先局部开口的、暴露的区域接触硅衬底的铝层，可以实现尤其是在未暴露区域的良好的表面钝化和以可靠重复方式的低接触电阻。
根据本发明的制备方法或半导体装置的实施例的进一步特征和优点将在下面详细描述。
根据本发明的方法可用于制备任何需要的半导体装置，其中用作例如绝缘层的电介质层的局部去除是必需的。这种半导体装置的实例可以包括太阳能电池，发光二极管以及集成到硅衬底上的复杂电路。此处的电介质层可通过激光烧蚀进行局部开口，以便暴露出其中位于其下的硅衬底可被接触例如被电接触的区域。
硅衬底以例如硅片或硅薄膜的形式提供。
由非晶硅构成的第一层优选直接形成在硅衬底的表面上，即没有另外的中间层位于硅衬底表面和非晶硅层之间。换句话说，非晶硅层可与硅衬底的表面直接接触。如此，非晶硅层可有效的钝化衬底表面，例如悬空键为饱和的或包含在非晶硅层中的氢可扩散到硅衬底表面中。如下所述，非晶硅层可以具有特定结构和化学特性以例如在接触非晶硅层的铝层和硅衬底之间提供具有好的表面钝化特性的非晶硅层，并确保低的接触电阻。
第二层由电介质形成，例如氧化硅(SiO或SiO2)或氮化硅(SiNx，例如Si3N4)。该电介质层可直接接触非晶硅层。可选地，对于使用的激光优选为光学透明的其他层也可以设置在电介质层和非晶硅层之间。电介质层可由单个均质层或多个不同层堆叠形成。电介质层可用作例如沉积在其上的铝层和在预先开口的烧蚀区域外侧的区域中的硅衬底之间的电绝缘。可代替地或附加地，电介质层还可以实现更多目的。例如，其可以用作太阳能电池的抗反射层或后侧镜，或在例如燃烧用于金属接触形成的含金属膏期间的高温工序中，对非晶硅层的钝化起到稳定影响。
在随后的电介质层的局部去除中，带有位于其上的非晶硅层和也位于其上的电介质层的硅衬底用激光进行局部照射。激光的特性是可以选择的，以便产生电介质层的局部烧蚀。影响参数包括激光的聚焦，激光的功率密度，激光的波长和照射的持续时间。
根据本发明的一个实施例，用于制备装置的方法还包括至少在其中预先沉积的电介质层被局部地去除的烧蚀区域沉积铝层。铝层可与位于其下的、由非晶硅构成且暴露在烧蚀区中的第一层之间形成良好的欧姆接触。
为了进一步保证这种良好电接触的形成，该制备方法还包括铝层在至少180℃优选至少200℃下回火例如多于10分钟优选多于1小时的工序。借助于铝层的金属接触的形成已证明是有益的，所述铝层接触位于其下的非晶硅且优选被相应地回火。这种接触有时被称为“COSIMA”接触(通过退火方式与a-Si:H钝化硅接触)。这种接触的特点在于铝和非晶硅之间的不变的低接触电阻，以及由此产生的例如太阳能电池的低串联电阻。COSIMA接触的形成和特性描述在例如H.Plagwitz等人的“a-Si:H钝化硅片的局部铝接触的低温形成”，光电发展：研究和应用，2004；12：47-54中。
根据本发明的一个实施例，选择烧蚀所用的激光的特性和非晶硅层的特性，使得在烧蚀区域局部去除电介质层期间，至多位于其下的非晶硅层的一部分同时被去除，由此至少非晶硅层的剩余厚度保留至少1nm，优选3nm，优选至少6nm。为此，例如最初沉积的非晶硅层的厚度可选为相应大。例如，非晶硅层沉积有在1nm和100nm之间，优选在5nm和50nm之间，更优选在10nm和30nm之间的厚度。非晶硅层的厚度可被选择的足够厚，使得在局部去除电介质层的基础上，即使部分烧蚀非晶硅层的情况下，也会保留足够厚的剩余非晶硅层。该保留的非晶硅层可实现尤其是与随后沉积在非晶硅层之上的铝层形成了良好的欧姆接触的目的。其中，现在假设在回火工序中非晶硅层的硅结合到铝中，结果是，形成非常可靠的欧姆接触。此外，保留的非晶硅层还可以确保在去除了电介质层的烧蚀区域位于其下的硅衬底的表面的可靠钝化。另一方面，非晶硅层的厚度应不超出某一上限。太厚的非晶硅层对半导体装置的性能具有负面影响。例如，对于太阳能电池，厚的非晶硅层可导致照射光的过多吸收，从而导致效率损失。
烧蚀所用的激光的特性和非晶硅层的特性还应彼此适合，以致实现在非晶硅层中优选非晶硅层的外表面对激光尽可能高的吸收。因此，可实现非晶硅层通过激光照射被显著地局部加热且优选地该部分突然蒸发，使得位于其上的电介质层被局部“吹落”。激光的特性和电介质层的特性优选应被调整，使得在任何情况下，电介质层中产生少量激光吸收，以此电介质层仅被加热且并不蒸发，相反绝大多数激光功率仅在非晶硅层被吸收。
用于烧蚀的激光优选以脉冲方式照射，具有在1ps和100ns之间，优选在2ps和5ns之间，更优选在5ps和200ps之间的脉冲持续时间。一方面，选择足够短的光脉冲是有利的，使得在光脉冲期间介入的热不会产生显著的分布，而输入激光功率优选实现吸收性的非晶硅材料的瞬时蒸发同时不显著地加热周围的区域。另一方面，不选择太短的光脉冲是有利的，例如短于1ps或尤其是短于100fs，以避免可在这种短脉冲持续时间中产生的非线性光吸收效应产生，尤其是避免通常与其相关的高功率密度。这种非线性吸收现象使激光不再优选被非晶硅层吸收，而是也被位于其上的电介质层吸收。
优选照射波长小于450nm，更优选小于380nm的激光，即波长在蓝光或UV范围内。这种短波光主要通过电介质层传输，但是大量的是在非晶硅层中被吸收，使得在非晶硅层的外表面可直接发生显著的局部加热。然而，即使使用较长波光时，非晶硅层可产生足够吸收，其中由于较长波光的较大穿透深度，形成具有较大厚度的非晶硅层是有利的。
根据本发明的另一实施例，非晶硅层具有适于硅衬底的表面的钝化的氢含量。已知非晶硅层可以包含结合在其中的某一比例的氢原子或分子。这种非晶硅通常被称为a-Si:H。被结合的氢可以扩散至相邻的硅衬底之间的悬空键或间断中且对其钝化。这种扩散可通过高温回火实现。因此，在硅衬底中载荷子寿命可显著增加。
上面描述了本发明的实施例，特征和优点，下面描述部分涉及根据本发明的用于半导体装置例如太阳能电池的制备方法，以及部分涉及特别是可利用这种制备方法制备的半导体装置或太阳能电池。本领域技术人员将认识到，除另外说明的，本发明的实施例和特征在所有情况下还可以转换为半导体装置或制备方法的类似方法，反之亦然。特别是，不同实施例的特征还可以任何所需方式彼此结合。
还应理解，根据本发明的制备方法可以包括除已经描述的制备工序之外的其它制备工序，且根据本发明的半导体装置可以包括除描述的特征或结构之外的其它特征或结构。例如，该制备方法还可以包括清洗工序，扩散工序，高温工序，退火工序，金属化工序，钝化工序，等等。半导体装置可以还包括附加层或结构，例如，以电介质层或金属层或类似结构的形式。
附图说明
参照下列例示性的实施例的说明以及参照附图，但其不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员容易理解本发明的进一步特征和优点。
附图1a)-1c)为根据本发明一实施例的制备半导体装置的方法的不同阶段。
附图仅是示意性的而并非是实际尺寸。
具体实施方式
参照附图1a)至1c)，描述了根据本发明一实施例的半导体装置100的制备中的关键方法步骤。
约为10-20nm厚、由非晶硅构成的第一层3被沉积在晶体硅衬底1上。沉积非晶硅层使得其具有高达10％-40％的氢含量。一种可行制备方法为例如PECVD(等离子体增强化学气相沉积)。其中，该两个可行方案，直接等离子体方法和远程等离子体方法，是有区别的。另一可行方案称为热丝化学气相沉积(Hot Wire CVD)。由氮化硅或氧化硅构成的第二层5被沉积在非晶硅层上。该层可通过例如PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积。
如附图1b所示，带有位于其上的非晶硅层3的硅衬底1和形成在它们上方的电介质层5可用激光束7局部照射。激光束7具有这样的波长，其中电介质层5几乎不吸收，但非晶硅3呈现为明显吸收。激光束以例如1010-1012W/cm2的高功率密度照射。该高功率密度由非晶硅层3的最上面的边缘区域极大地吸收且导致此处非晶硅的突然蒸发，且伴随着位于其上方的电介质层的吹落(blasting off)。电介质层5在称为烧蚀区域9的区域被局部地去除。同时，该非晶硅层的上边缘区域也在此时被去除，其中非晶硅层的厚度被选择为足够厚以至如果发生烧蚀，并非整个非晶硅层7被去除，而至少保留至少1nm的剩余厚度。该保留的非晶硅层在随后的铝层的沉积中使得欧姆接触可靠形成。在随后工序中，铝层11随后被沉积在硅衬底1的整个表面上，且其中覆盖非烧蚀区域13中的电介质层5和烧蚀区9中的局部非晶硅层3。因此在烧蚀区域9的铝层11和非晶硅层3之间局部产生电接触，其中非烧蚀区域13中的铝层11通过位于其间的电介质层5与非晶硅层3电绝缘。通过之后的回火，非晶硅被结合到铝层中。在硅衬底1和铝层11之间最终形成可靠的COSIMA接触。
应当理解到术语“包括”，“具有”等并不排除更多部件的存在。术语“一个”并不排除多个部件的存在。权利要求中的附图标记仅用于便于阅读且并不以任何方式限制权利要求的保护范围。
附图标记说明
1硅衬底
3第一层/非晶硅层
5第二层/电介质层
7激光束
9烧蚀区域
11铝层
13非烧蚀区域
100半导体装置
Claims (11)
1.一种用于制备半导体装置特别是太阳能电池的方法，上述方法包括：
提供硅衬底(1)；
在上述硅衬底(1)的表面上形成由非晶硅构成的第一层(3)；
在上述第一层(3)上形成由电介质构成的第二层(5)；和
通过用激光(7)照射上述硅衬底(1)和位于其上的层(3，5)，在烧蚀区域(9)局部地去除上述第二层(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，上述方法还包括：
在烧蚀区域(9)沉积铝层(11)。
3.根据权利要求2所述的方法，上述方法还包括：
上述铝层(11)在至少180℃回火。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，调整上述激光的特性和上述第一层(3)的特性，使得在上述烧蚀区域局部去除上述第二层期间，至多上述第一层(3)的一部分厚度被同时去除并且至少上述第一层(3)的剩余厚度保留至少1nm。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，上述第一层(3)形成有在1nm和100nm之间的厚度。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，调整上述激光(7)的特性和上述第二层(5)的吸收特性，使得在上述第二层不发生对激光的明显吸收。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，上述激光(7)以脉冲方式照射，具有在1ps和100ns之间的脉冲持续时间。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，上述激光(7)采用小于450nm的波长照射。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中，上述第一层(3)具有适于上述硅衬底(1)的表面的钝化的氢含量。
10.一种半导体装置，包括：
硅衬底(1)；
在上述硅衬底(1)的表面上的由非晶硅构成的第一层(3)；
在上述第一层(3)上的由电介质构成的第二层(5)；和
上述第二层(5)在烧蚀区域(9)被局部地去除；
上述第一层(3)在上述烧蚀区域(9)具有至少1nm的厚度。
11.根据权利要求10所述的半导体装置，还包括：
铝层(11)，上述铝层(11)至少在上述烧蚀区域(9)接触上述第一层。
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