CN103762219B - 串联升压太阳能电池单元及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能技术领域，为实现抑制SEE产生的电荷在芯片中的扩散，本发明采用的技术方案是，串联升压太阳能电池单元制备方法，包括如下步骤：1)在轻掺杂的P^‑型硅衬底上制备浅沟槽隔离区；2)在浅沟槽隔离区间的器件有源区内制备一个中等掺杂的N阱；3)利用离子注入工艺在N型基底中制备一个大面积、重掺杂的P⁺有源区；4)利用离子注入工艺在所述P⁺有源区外侧的N型基底上制备重掺杂的N⁺接触区；5)在晶片表面淀积合适厚度的介质层；6)在器件上表面制备出所述两种太阳能电池的阳极电极和阴极电极；7)制作串联升压电池单元的阳极和阴极。本发明主要应用于太阳能电池的设计制造。

Description

串联升压太阳能电池单元及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，涉及一种与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的微型太阳能电池结构；涉及利用氧化、光刻、刻蚀、离子注入、金属化等一系列标准CMOS工艺技术实现此种器件的制备方法，具体讲，涉及串联升压太阳能电池单元及其制备方法。

背景技术

随着全球生态环境不断恶化，以及传统石化能源日益短缺，迫切需要一种清洁、无污染且供给丰富的新能源来推动人类文明和社会经济的持续发展，这已成为世界各国持续关注和不断探索的科学问题之一。

随着集成电路工艺节点的持续缩减，对于射频识别和无线传感网络节点等周期性工作的微系统而言，系统芯片的工作电压和功率消耗不断降低。因此，对于以上所述的微功耗系统芯片而言，利用外界环境能量实现系统能源的自供给成为可能。目前，学术界已报道了采用机械振动、温度梯度及太阳能等多种能量获取方式。与其他能量获取方式相比，以光作为能量来源的太阳电池转换效率高、技术成熟，无需交流-直流转换，是一种取之不尽、用之不竭的绿色环保能源。

尽管采用常规的分立太阳能电池单元可实现电子系统能源的自供给，但太阳能电池的常规制造工艺使得其无法与基于标准CMOS工艺的电子电路单片集成，因而整体系统的体积大、成本高，难以适应微型化的发展需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，实现射频识别、无线传感网络节点等周期性工作的微功耗系统芯片的能量自动获取，本发明采用的技术方案是，串联升压太阳能电池单元制备方法，包括如下步骤：

1)在轻掺杂的P^-型硅衬底上制备浅沟槽隔离区，其作用是实现太阳能电池间，以及太阳能电池和CMOS电子电路之间的电学隔离，避免相互影响；

2)在浅沟槽隔离区间的器件有源区内制备一个中等掺杂的N阱，该区域用作P⁺/N阱型太阳能电池D₁的N型基底；

3)利用离子注入工艺在N型基底中制备一个大面积、重掺杂的P⁺有源区，同时在衬底上制备一个衬底接触区，所述P⁺有源区与N型基底构成P⁺/N阱型太阳能电池D₁；

4)利用离子注入工艺在所述P⁺有源区外侧的N型基底上制备重掺杂的N⁺接触区，同时在N型基底外侧的衬底上制备出重掺杂的N⁺有源区，所述N⁺有源区和P型衬底构成N⁺/P衬底型太阳能电池D₂；

5)在晶片表面淀积合适厚度的介质层，所述介质层同时兼作太阳能电池的抗反射膜，增加太阳光的入射效率；

6)利用光刻和金属化工艺步骤，在器件上表面制备出所述两种太阳能电池的阳极电极和阴极电极；

7)利用互连工艺将P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阴极电极和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阳极电极短路连接，并将P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阳极电极和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阴极电极引出，分别作为串联升压电池单元的阳极和阴极。

在<100>晶向的P^-型硅衬底上依次淀积50nm的氧化硅和200nm氮化硅介质层，然后采用标准CMOS工艺中的光刻、刻蚀工艺步骤定义出浅沟槽隔离区，沟槽深度在0.5～1μm，沟槽宽度为0.5μm，采用高密度等离子体化学气相淀积技术（HDP CVD）淀积氧化物填充沟槽，氧化物的厚度略超过沟槽深度，最后用化学机械抛光工艺实施全局整平，用热磷酸去除表面氮化硅，制备出浅沟槽隔离区。

对制备出浅槽隔离区的衬底进行太阳能电池的N型基底光刻，N型基底的窗口面积为50×50μm²，利用标准CMOS工艺的N阱注入对所述窗口进行N型掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，深度约为1μm。

光刻太阳能电池的P⁺有源区窗口和衬底接触区窗口，利用标准CMOS工艺中PMOS晶体管的P⁺源/漏注入对所述P⁺有源区和衬底接触区进行掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深约为0.1～0.2μm。

光刻出太阳能电池的N阱接触区和N⁺有源区，利用标准CMOS工艺中NMOS晶体管的N⁺源/漏注入对所述N阱接触区和N⁺有源区进行掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深约为0.1～0.2μm。

用高密度等离子体化学气相淀积技术（HDP CVD）在表面淀积一层结构致密、厚度在80～140nm的氧化硅介质层，所述介质膜同时兼作太阳能电池的抗反射膜，用于增强400～800nm范围太阳光谱的入射效率；利用接触孔掩膜版进行光刻，并用反应离子刻蚀技术在介质层上刻蚀出数个P⁺有源区、N阱接触区、N⁺有源区和衬底接触区的接触孔，接触孔面积为0.5×0.5μm²。

利用溅射淀积技术在表面淀积50nm厚的硅化物金属，并进行快速热处理，形成硅化物，降低接触电阻。所述硅化物金属包括，但不限于Ti，Co，W及Ni；采用过氧化氢和硫酸混合液腐蚀未反应的Ti，Co，W或Ni等金属；淀积电极金属材料，并采用标准CMOS的金属化工艺制备P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阳极电极和阴极电极，以及N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阳极电极和阴极电极，所述电极金属材料包括，但不限于Al，Cu，W，Pt,TaN及其组合或合金。

在轻掺杂的P^-型硅衬底上制备有浅沟槽隔离区，在浅沟槽隔离区间的有源区内制备有中等掺杂的N阱，该区域用作P⁺/N阱型太阳能电池D₁的N型基底；在N型基底中制备有大面积、重掺杂的P⁺有源区，同时在衬底上制备有衬底接触区，所述P⁺有源区与N型基底构成P⁺/N阱型太阳能电池D₁；在所述P⁺有源区外侧的N型基底上制备有重掺杂的N⁺接触区，同时在N型基底外侧的衬底上制备有重掺杂的N⁺有源区，所述N⁺有源区和P型衬底构成N⁺/P衬底型太阳能电池D₂；在表面淀积介质层，所述介质层同时兼作太阳能电池的抗反射膜，增加太阳光的入射效率；在表面部位制备有所述两种太阳能电池的阳极电极和阴极电极；P+/N阱型太阳能电池D1的阴极电极和N+/P衬底型太阳能电池D2的阳极电极短路连接，P+/N阱型太阳能电池D1的阳极电极和N+/P衬底型太阳能电池D2的阴极电极引出，分别作为串联升压电池单元的阳极和阴极。

在表面淀积介质层为氧化硅介质层，介质层上刻蚀有数个P⁺有源区、N阱接触区、N⁺有源区和衬底接触区的接触孔，接触孔面积为0.5×0.5μm²。

本发明的技术特点及效果：

1、本发明提出的太阳能电池单元利用标准CMOS工艺的结构特点来设计和实现，在NMOS和PMOS器件制备过程中可实现P⁺/N阱、N⁺\P衬底及N阱/P衬底等多种结构的PN结型太阳能电池，无需额外增加制造工序。

2、所述太阳能电池制备工艺和CMOS电子电路工艺完全兼容，可在同一芯片上实现微型太阳能电池和电子电路的单片集成，降低系统体积和成本，提高集成度。

3、本发明提出的太阳能电池单元可实现串联升压，开路输出电压达0.9V以上，有望直接驱动低压电子电路，避免电荷泵等升压装置，简化供电系统。

附图说明

图1：本发明提出的串联升压单元的等效电路图。

图2：本发明的P⁺/N阱型和N⁺/P衬底型太阳能电池串联升压单元剖面图。

图3：本发明的P⁺/N阱型和N⁺/P衬底型太阳能电池串联升压单元顶视图。

具体实施方式

若采用与标准CMOS工艺兼容的微型太阳能电池与微功耗系统芯片单片集成，即可实现片上供电，降低系统体积和成本，又使系统的集成度和功能不断提高，实现真正意义的自供电系统芯片。

为克服常规太阳能电池体积大、成本高等不利因素，实现射频识别、无线传感网络节点等周期性工作的微功耗系统芯片的能量自动获取，本发明提出一种与标准CMOS工艺兼容的片上集成串联升压太阳能电池单元，该电池单元有望直接驱动射频识别、无线传感网络节点等低压、微功耗电子系统。

本发明提出的串联升压太阳能电池单元如图1所示，由P⁺/N阱型太阳能电池D₁和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂串行连接，实现输出电压倍增。具体可通过如下技术方案予以实现：

1)在轻掺杂的P^-型硅衬底上制备浅沟槽隔离区，其作用是实现太阳能电池间，以及太阳能电池和CMOS电子电路之间的电学隔离，避免相互影响。

2)在浅沟槽隔离区间的器件有源区内制备一个中等掺杂的N阱，该区域用作P⁺/N阱型太阳能电池D₁的N型基底。

3)利用离子注入工艺在N型基底中制备一个大面积、重掺杂的P⁺有源区，同时在衬底上制备一个衬底接触区，所述P⁺有源区与N型基底构成P⁺/N阱型太阳能电池D₁。

4)利用离子注入工艺在所述P⁺有源区外侧的N型基底上制备重掺杂的N⁺接触区，同时在N型基底外侧的衬底上制备出重掺杂的N⁺有源区，所述N⁺有源区和P型衬底构成N⁺/P衬底型太阳能电池D₂。

5)在晶片表面淀积合适厚度的介质层，所述介质层同时兼作太阳能电池的抗反射膜，增加太阳光的入射效率。

6)利用光刻和金属化工艺步骤，在器件上表面制备出所述两种太阳能电池的阳极电极和阴极电极。

7)利用互连工艺将P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阴极电极和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阳极电极短路连接，并将P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阳极电极和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阴极电极引出，分别作为串联升压电池单元的阳极和阴极。

下面结合附图2和附图3，对P⁺/N阱型和N⁺/P衬底型太阳能电池串联升压单元的制备工艺进行详细阐述。

1、在<100>晶向的P^-型硅衬底1上依次淀积50nm的氧化硅和200nm氮化硅介质层，然后采用标准CMOS工艺中的光刻、刻蚀等工艺步骤定义出浅沟槽隔离区2，沟槽深度在0.5～1μm，沟槽宽度为0.5μm，采用高密度等离子体化学气相淀积技术（HDP CVD）淀积氧化物填充沟槽，氧化物的厚度略超过沟槽深度，最后用化学机械抛光工艺实施全局整平，用热磷酸去除表面氮化硅，制备出浅沟槽隔离区2。

2、对制备出浅槽隔离区2的衬底1进行太阳能电池的N型基底光刻，N型基底3的窗口面积为50×50μm²，利用标准CMOS工艺的N阱注入对所述窗口进行N型掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，深度约为1μm。

3、光刻太阳能电池的P⁺有源区4窗口和衬底接触区7窗口，利用标准CMOS工艺中PMOS晶体管的P⁺源/漏注入对所述P⁺有源区4和衬底接触区7进行掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深约为0.1～0.2μm。

4、光刻出太阳能电池的N阱接触区5和N⁺有源区6，利用标准CMOS工艺中NMOS晶体管的N⁺源/漏注入对所述N阱接触区5和N⁺有源区6进行掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深约为0.1～0.2μm。

5、用高密度等离子体化学气相淀积技术（HDP CVD）在晶片表面淀积一层结构致密、厚度在80～140nm的氧化硅介质层8，所述介质膜8同时兼作太阳能电池的抗反射膜，用于增强400～800nm范围太阳光谱的入射效率；利用接触孔掩膜版进行光刻，并用反应离子刻蚀技术在介质层8上刻蚀出数个P⁺有源区4、N阱接触区5、N⁺有源区6和衬底接触区7的接触孔，接触孔面积为0.5×0.5μm²。

6、利用溅射淀积技术在晶片上表面淀积50nm厚的硅化物金属，并进行快速热处理，形成硅化物，降低接触电阻。所述硅化物金属包括，但不限于Ti，Co，W及Ni。

7、采用过氧化氢和硫酸混合液腐蚀未反应的Ti，Co，W或Ni等金属。

8、淀积电极金属材料，并采用标准CMOS的金属化工艺制备P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阳极电极9和阴极电极10，以及N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阳极电极11和阴极电极12。所述电极金属材料包括，但不限于Al，Cu，W，Pt,TaN及其组合或合金。

9、采用标准CMOS工艺的互连工艺实现P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阴极电极10和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阳极电极11短路连接，并将P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阳极电极9和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阴极电极12引出，分别作为串联升压电池单元的阳极14和阴极15。

所述互连金属材料包括，但不限于Al，Cu，W，Pt,TaN及其组合或合金。

溅射淀积的硅化物金属在有氧化物介质层的地方位于氧化物层上，在接触窗口处，硅化物金属位于硅表面。随后的退火热处理过程中，金属和硅形成硅化物，减小接触电阻，而氧化物上的金属不与氧化物反应，随后被化学溶液腐蚀掉。

Claims (7)

1.一种串联升压太阳能电池单元制备方法，其特征是，包括如下步骤：

1)在轻掺杂的P^-型硅衬底上制备浅沟槽隔离区，其作用是实现太阳能电池间，以及太阳能电池和CMOS电子电路之间的电学隔离，避免相互影响；

2)在浅沟槽隔离区间的器件有源区内制备一个中等掺杂的N阱，该N阱区域用作P⁺/N阱型太阳能电池D₁的N型基底；

3)利用离子注入工艺在N型基底中制备一个大面积、重掺杂的P⁺有源区，同时在衬底上制备一个衬底接触区，所述P⁺有源区与N型基底构成P⁺/N阱型太阳能电池D₁；

4)利用离子注入工艺在所述P⁺有源区外侧的N型基底上制备重掺杂的N⁺接触区，同时在N型基底外侧的衬底上制备出重掺杂的N⁺有源区，所述N⁺有源区和P型衬底构成N⁺/P衬底型太阳能电池D₂；

5)在晶片表面淀积厚度在80～140nm的介质层，所述介质层同时兼作太阳能电池的抗反射膜，增加太阳光的入射效率；

6)利用光刻和金属化工艺步骤，在器件上表面制备出太阳能电池的阳极电极和阴极电极；

7)利用互连工艺将P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阴极电极和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阳极电极短路连接，并将P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阳极电极和N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阴极电极引出，分别作为串联升压电池单元的阳极和阴极。

2.如权利要求1所述的串联升压太阳能电池单元制备方法，其特征是，在＜100＞晶向的P^-型硅衬底上依次淀积50nm的氧化硅和200nm氮化硅介质层，然后采用标准CMOS工艺中的光刻、刻蚀工艺步骤定义出浅沟槽隔离区，沟槽深度在0.5～1μm，沟槽宽度为0.5μm，采用高密度等离子体化学气相淀积技术(HDP CVD)淀积氧化物填充沟槽，氧化物的厚度略超过沟槽深度，最后用化学机械抛光工艺实施全局整平，用热磷酸去除表面氮化硅，制备出浅沟槽隔离区。

3.如权利要求1所述的串联升压太阳能电池单元制备方法，其特征是，对制备出浅槽隔离区的衬底进行太阳能电池的N型基底光刻，N型基底的窗口面积为50×50μm²，利用标准CMOS工艺的N阱注入对所述窗口进行N型掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，深度为1μm。

4.如权利要求1所述的串联升压太阳能电池单元制备方法，其特征是，光刻太阳能电池的P⁺有源区窗口和衬底接触区窗口，利用标准CMOS工艺中PMOS晶体管的P⁺源/漏注入对所述P⁺有源区和衬底接触区进行掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深为0.1～0.2μm。

5.如权利要求1所述的串联升压太阳能电池单元制备方法，其特征是，光刻出太阳能电池的N阱接触区和N⁺有源区，利用标准CMOS工艺中NMOS晶体管的N⁺源/漏注入对所述N阱接触区和N⁺有源区进行掺杂和退火热处理，所述区域的平均掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结深为0.1～0.2μm。

6.如权利要求1所述的串联升压太阳能电池单元制备方法，其特征是，用高密度等离子体化学气相淀积技术(HDP CVD)在表面淀积一层结构致密氧化硅介质层，所述结构致密氧化硅介质层同时兼作太阳能电池的抗反射膜，用于增强400～800nm范围太阳光谱的入射效率；利用接触孔掩膜版进行光刻，并用反应离子刻蚀技术在介质层上刻蚀出数个P⁺有源区、N阱接触区、N⁺有源区和衬底接触区的接触孔，接触孔面积为0.5×0.5μm²。

7.如权利要求1所述的串联升压太阳能电池单元制备方法，其特征是，利用溅射淀积技术在表面淀积50nm厚的硅化物金属，并进行快速热处理，形成硅化物，降低接触电阻；所述硅化物金属包括，但不限于Ti，Co，W及Ni；采用过氧化氢和硫酸混合液腐蚀未反应的Ti，Co，W或Ni等金属；淀积电极金属材料，并采用标准CMOS的金属化工艺制备P⁺/N阱型太阳能电池D₁的阳极电极和阴极电极，以及N⁺/P衬底型太阳能电池D₂的阳极电极和阴极电极，所述电极金属材料包括，但不限于Al，Cu，W，Pt,TaN及其组合或合金。