CN113169242A - 半导体器件和用于分离具有pn结的半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体器件(1a、1b)，具有正面和相对的背面以及侧面，以及具有至少一个发射极(2a、2b)和至少一个基极(3a、3b)，其中，在发射极(2a、2b)和基极(3a、3b)之间构成pn结(4a、4b)，并且发射极(2a、2b)平行于正面和/或背面延伸。重要的是，至少一个侧面是钝化的分离面(T)，在所述分离面上设置有分离面钝化层(6a、6b)，所述分离面钝化层具有位置固定的电荷，所述电荷在分离面(T)上具有数值上大于或等于1012cm‑2的电荷面密度。本发明还涉及一种用于分离具有pn结的半导体器件(1a、1b)的方法。

Description

半导体器件和用于分离具有PN结的半导体器件的方法
技术领域
本发明涉及一种根据方案1所述的半导体器件以及一种根据方案7所述的用于分离具有pn结的半导体器件的方法。
背景技术
在制造半导体器件时，通常希望的是，将多个在基体上制成的半导体器件分离，其方式是，在至少一个分离面上将基体分开，从而使半导体器件分离。这样的分离在制造计算处理器时是必要的，因为通常要在一个硅晶片上制造多个计算处理器。此外，光伏太阳能电池的分离得到越来越多的应用。
当前，光伏模块通常由边长约为156mm的硅太阳能电池制成。通过利用导电元件(多数是所谓的单体连接器)通过导电连接来实现互连，所述导电元件分别交替地在正面和背面与太阳能电池连接。这种互连的缺点是，各单个太阳能电池的高电流(高达约10A)的前提条件是单体连接器具有很高的导电性并且由此具有高导体横截面。
用于避免出现这个缺点的一个已知的可能性是，在一个硅晶片上设置两个或更多个太阳能电池，以便相应成比例地降低每个太阳能电池的电流。这些太阳能电池在处理过程结束时才分离，以便尽可能长时间地使用大的初始晶片进行生产并且由此可以保持较高的生产率并且可以使用现有的生产设备。
如果太阳能电池仍然如上面所述通过单体连接器电连接，则在太阳能电池之间留出这样的空间，所述空间不是光伏有效的并且因此会导致模块效率的降低。
一种已知的用于避免这个缺点的方法是所谓的太阳能电池的叠瓦设置，其中，将一个太阳能电池的一个端部的上侧直接与下一个电池的下侧连接。为此，需要在太阳能电池分别相对置的边缘上在正面和背面实现外部的触点。由于在太阳能电池中不存在导电性很高的接触元件并且是对于这种基于大的传统太阳能电池的叠瓦设计，因此为了使遮蔽最小化，接触指中的到位于外部的外部触点的电流必须流过的路段变得非常大，在处理太阳能电池之后要将硅晶片切割成窄条，从而由此实现多个具有常规的矩形形状的光伏太阳能电池，以便在叠瓦时使太阳能电池的指状触点中的功率损失最小化。
将在基体、特别是硅晶片上制造的半导体器件分离会导致周长与面积的比例增大并且由此导致由于边缘复合带来的面积标准化
Figure BDA0003078317510000021
功率损失升高。研究显示(J.Dicker,"Analyse und Simulation von hocheffizienten Silizium-Solarzellenstrukturen für industrielle Fertigungstechniken",Dissertation,
Figure BDA0003078317510000022
Konstanz,2003)，特别是在pn结出现在进行分离的分离面的区域中时会导致功率损失。其原因特别是在发射极和基极的准中性的区域内以及如前面所述特别是在空间电荷区中的边缘复合。此外还出现的是，分离的半导体器件的分离在所产生的边缘上会导致复合率本身的明显提高。如果半导体器件在另一个表面上由于钝化层或其他钝化机制而具有高电子品质、特别是具有低复合率时，这种影响是很重要的。
因此存在这样的需求，即将半导体器件分离，但不会由于分离面、特别是由于分离面上的复合效应使电子品质明显降低。
已知的是，对于硅太阳能电池，在分离面上原生的二氧化硅层在照射强度较小时会减轻不利影响(M.Hermle,J.Dicker,W.Warta,S.W.Glunz和G.Willeke,“Analysis ofedge recombination for high-efficiency solar cells at low illuminationdensities”,2003,pp.1009-1012.)。但在硅太阳能电池收到正常光照的情况下只能实现微小的改进。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种半导体器件以及一种用于分离半导体器件的方法，从而减小分离面对电子品质的不利影响。
所述目的通过根据方案1的半导体器件以及根据方案7的方法来实现。有利的实施形式在从属权利要求中给出。
根据本发明的方法优选构造成用于制造根据本发明的半导体器件、特别是所述半导体器件的一个优选实施形式。根据本发明的半导体器件优选通过根据本发明的方法、特别是所述方法的一个实施形式来构成。
根据本发明的半导体器件具有正面和相对的背面以及侧面。此外，所述半导体器件还具有至少一个发射极和至少一个基极，在所述发射极和所述基极之间构成pn结。所述发射极平行于所述正面和/或所述背面延伸。所述半导体器件由此可以例如构造成光伏太阳能电池或晶体管。所述发射极可以按本身已知的方式构成。特别是通过扩散和/或注入产生的发射极以及异质发射极和取向附生地制成的发射极都在本发明的范围内。
重要的是，至少一个侧面是钝化的分离面，在所述分离面上设置分离面钝化层。所述分离面钝化层具有位置固定的电荷，所述电荷具有数值上大于或等于1012cm-2的电荷面密度。所述电荷面密度因此可以是正电或负电的。重要的是，电荷面密度的值大于或等于1012cm-2，就是说，对于正电荷，大于或等于1012cm-2，而对于负电荷，小于或等于-1×1012cm-2。
本发明基于这样的认知，在分离面上出现的不利效应能够特别有效地通过具有在数值上≥1012cm-2的电荷面密度的分离面钝化层来减小。尽管在半导体器件中并且特别是在光伏太阳能电池中都已知降低载荷子的表面复合速度的钝化层。但申请人的研究显示，通过前面描述的分离面钝化层能特别有效地降低分离面上的负面效应。其原因首先在于，分离面钝化层中位置固定的电荷阻止半导体器件中、特别是半导体器件的硅层中的载荷子到达分离面。特别是在硅层中，从分离面直至约20nm的深度阻止载荷子。这样做的优点是，可以容忍分离过程对分离表面造成的近表面损伤，其深度可达约20nm。在不损伤半导体的体积表面上的多个原子层的情况下，机械的分离通常是不可能的。但可以通过适当的工艺选择将其限制在小于20nm的深度。因此有利地这样来实施这种方法，使得通过下面所述方法之一来进行分离：TLS、LIC或LDC，因为这些方法具有较小的损伤深度。
有利的是，所述分离面钝化层至少覆盖pn结与分离面邻接的区域，或者如果pn结没有与所述分离面邻接，则所述分离面钝化层至少覆盖pn结延长到与所述分离面相接的区域。
这样来实现对分离面特别有利的钝化，即，在一个有利的实施形式中，分离面钝化层在整个分离面上延伸。
根据本发明的半导体器件具有这样的优点，即，由于通过分离面钝化层对分离面的钝化，可以有效地利用半导体器件的面积并由此发射极可以一直延伸到分离面。特别是在先已知的用于避免分离面的负面影响的方法是通过绝缘沟和/或通过构成发射极窗口使pn结与分离面隔开实现绝缘，这些方法现在不再需要或者不是必需的。甚至通过使pn结不是直接延伸到分离面上，可以提高这种有利效应，但为了实现这种提高，较小的间隔就足够了。
因此，pn结有利地与分离面隔开小于50μm、特别是小于20μm的间距。特别有利的是，pn结与分离面邻接，由此实现了简化的制造方法。
所述分离面钝化层优选构造成介电层，特别是构造成氧化铝层、氮化硅层或氮氧化硅层。这些层可以按本身已知的方式产生并设置有高电荷面密度。特别是在本发明范围内的是，分离面钝化层利用以下方法之一构成：
-CVD(见下文)；
-ALD(见下文)；
-印刷技术，特别是通过丝网印刷、喷墨、挤出或点胶进行的印刷；
-喷涂；
-通过介质向分离面上施加层材料。
半导体器件可以构造成晶体管。有利的是，所述半导体器件构造成光伏太阳能电池。由于特别是在光伏太阳能电池中，发射极和基极中的少数载荷子的长寿命对于高效率是必要的，这里分离面的钝化具有特殊的重要性。
因此，半导体器件有利地构造成光伏太阳能电池，所述光伏太阳能电池至少具有一个硅层，所述硅层中至少构成有基极。这里，在本发明范围内的是，发射极以及基极都在硅层中构成。同样在本发明范围内的是，设置单独的层、特别是单独的硅层以便在基极上构成发射极。
半导体器件在分离面上的分离有利地这样进行，即，形成具有小深度的损伤区。特别有利的是，所述半导体器件在分离面上具有损伤区，所述损伤区中的电流载荷子至少在基极中具有<1μs的载荷子寿命，所述损伤区垂直于分离面具有<20nm的厚度。特别有利的是，至少在基极中，在与损伤区邻接的区域中，载荷子具有>10μs的载荷子寿命，如在光伏太阳能电池中常见的那样。
根据本发明的用于分离具有pn结的半导体器件的方法具有以下方法步骤：
在方法步骤A中进行的是，提供半导体器件，所述半导体器件具有至少一个发射极和至少一个基极，在所述发射极和所述基极之间构成pn结，
在方法步骤B中进行的是，通过在至少一个分离面上分离成至少两个分器件来将所述半导体器件分离。
重要的是，在方法步骤B之后，在所述分离面上设置分离面钝化层，所述分离面钝化层构造成具有位置固定的电荷，所述电荷具有数值大于或等于1012cm-2的电荷面密度。由此得到在说明根据本发明的半导体器件时提及的优点。
所述分离面钝化层优选构造成覆盖整个分离面，以便实现尽可能有效地降低分离面对半导体器件的电子品质的不利影响。
在本发明范围内的是，在方法步骤B中通过利用本身已知的方法来分离半导体器件。半导体器件在方法步骤B中的分离因此可以按本身已知的方式进行，特别是通过一个或多个下面所述的方法进行：
a)通过芯片锯进行分离(W.P.Mulligan,A.Terao,D.D.Smith,P.J.Verlinden,andR.M.Swanson,“Development of chip-size silicon solar cells”,in Proceedings ofthe 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,Anchorage,USA,2000,pp.158-163)；
b)利用激光连同后续的机械断裂产生沟(M.Oswald,M.Turek,J.Schneider,andS.
Figure BDA0003078317510000061
“Evaluation of silicon solar cell separation techniques foradvanced module concepts”,in Proceedings of the 28th European PhotovoltaicSolar Energy Conference and Exhibition,Paris,France,2013,pp.1807-1812)；
c)热激光分离(TLS)：M.Oswald,M.Turek,J.Schneider,and S.
Figure BDA0003078317510000062
“Evaluation of silicon solar cell separation techniques for advanced moduleconcepts”,in Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar EnergyConference and Exhibition,Paris,France,2013,pp.1807-1812；S.Eiternick,F.Kaule,H.-U.Zühlke,T.Kieβling,M.Grimm,S.Schoenfelder,and M.Turek,“High quality half-cell processing using thermal laser Separation”,Energy Procedia,vol.77,pp.340-345,2015。
d)激光诱导切割(LIC)：S.Weinhold,A.Gruner,R.Ebert,J.Schille,andH.Exner,“Study of fast laser induced cutting of silicon materials”,inProc.SPIE 8967,Laser Applications in Microelectronic and OptoelectronicManufacturing(LAMOM),San Francisco,USA,2014,89671J。
研究显示，在方法步骤B中通过TLS或LIC进行分离特别有利。TLS方法的基础是，通过第一激光束产生短的激光沟，所述激光沟此时基于同时加热(例如通过第二激光束)和冷却(例如通过空气-水混合物)沿要产生的边缘通过沿任意方向引入的热机械应力导致晶片分离。由此，特别是分离面与要分离的晶片的晶体方向无关地实现。LIC法与TLS法很类似，其中，在LIC中，没有在加热(例如通过激光束)之后补充进行有效的冷却。LIC法也以名称LDC法(激光直接切割)已知。
根据本发明的方法特别是具有这样的优点，即，可以在制造完成之后或至少基本上制造完成半导体器件之后进行分离。因此，有利地在方法步骤B之前在半导体器件的正面和/或背面上施加钝化层。特别有利的是，在方法步骤B之前，在半导体器件的正面和/或背面上施加一个或多个金属的接触结构，以便输入和/或导出载荷子。
为了改进分离面钝化层的钝化品质，有利的是，在施加所述分离面钝化层之后，对分离面钝化层进行热处理，特别是将其加热到大于或等于150℃的温度并持续至少1分钟的时长。
此外，为了改进钝化品质可能有利的是，在确定的气氛中，特别是含氢的气氛中执行所述热处理。
所述热处理可以整体地进行，其方式是，加热整个半导体器件。在一个有利的实施形式中，通过连续的局部加热、特别是通过激光进行分离面钝化层的热处理。在这种情况下，由此依次加热分离面钝化层各局部的分区域，特别是优选的是，如前面所述，在含氢的气氛中进行加热。
如前面说明的那样，根据本发明的方法可以特别有利地用于分离光伏太阳能电池。所述半导体器件因此优选构造成光伏太阳能电池，特别是优选至少所述基极在硅层中构成。
在另一个有利的设计方案中，分离面钝化层附加地至少在半导体器件的正面或至少在背面上构成。这具有这样的优点，分离面钝化层可以附加地以另外的功能用在正面和/或背面上。特别是在半导体器件构造成光伏太阳能电池时，作为另外的光学层将分离面钝化层施加在使用太阳能电池时朝向入射光线的一面上、特别是施加正面上使得可以提高太阳能模块中的光输入。因此，在根据本发明的方法中，特别是在分离面上形成分离面钝化层期间，附加地在半导体器件的正面和/或背面上形成分离面钝化层。
特别有利的是，如前面所述的那样，在半导体器件的至少一个面上施加钝化层，并且将分离面钝化层施加到所述钝化层和施加到要钝化的分离面上。特别有利的是，所述钝化层附加地构造成载荷子阻隔层。由此，避免了在分离面钝化层覆盖载荷子阻隔层的面上在分离面钝化层中形成位置固定的电荷。其原因在于，所述载荷子阻隔层起到隧道势垒的作用，来自半导体的载荷子不能进入分离面钝化层并且由此分离面钝化层不能形成位置固定的电荷。载荷子阻隔层有利地构造成介电层，特别是构造成氮化硅层、氧化硅层、氮氧化硅层或氧化铝层。
本方法的另一个优点是，分离面不是必需平行于优选方向，半导体器件的半导体基体在所述优选方向上具有最弱的键合。对于晶体的硅晶片，在断裂时通常相对于硅晶片的边缘沿45°的方向进行断裂，因为由于晶体定向沿这个方向存在较小的键合。但本方法使得能够实现沿任意角度的分离面，特别是平行于硅晶片的边缘的分离面。
因此，所述分离面优选平行于半导体器件的边缘，特别是平行于半导体器件的硅晶片的边缘。
附图说明
下面借助于实施例和附图来说明本发明其他有利的特征和实施形式。其中：
图1示出根据本发明的半导体器件的两个实施例和根据本发明的方法的两个实施例的部分步骤；
图2中示出硅晶片从上面观察的示意性俯视图，以说明分离面的位置。
在图中示出不符合比例的示意图。特别是，为了更好的显示，各个层的宽度和厚度不是对应于实际的比例。
附图标记列表
1a、1b 半导体器件
2a、2b 发射极
3a、3b 基极
4a、4b pn结
5b 横向导通避免区域
6a、6b 分离面钝化层
T 分离面
具体实施方式
图1示出两个实施例A和B，分别带有根据本发明的方法的一个实施例的部分步骤。在图1a，iii中相应地示出根据本发明的半导体器件的第一实施例，而在图1b，iii中示出根据本发明的半导体器件的第二实施例。
作为实施例，下面作为半导体器件说明光伏太阳能电池。同样所示出的半导体器件在该实施例的一个改型方案中可以构造成晶体管。
根据在图1a中示出的部分步骤来说明根据本发明的方法的第一实施例：
在方法步骤A中，提供半导体器件1a。所述半导体器件在当前情况下具有通过气相的扩散形成的n掺杂型的发射极2a和相应地基极3a，所述基极用p掺杂型的掺杂物质掺杂。相应地，在发射极2a和基极3a之间构成pn结4a。发射极和基极在硅晶片中构成。此外，已经制作了太阳能电池的附加的本身已知的部件：这包括位于上方的正面上的和位于下方的背面上的钝化层、正面和背面上的用于导出载荷子的金属化结构、正面以及必要时还有背面上的用于提高吸光率的防反射层。在所述实施例的一个变型方案中，通过从事先施加的掺杂层进行的扩散或通过注入来形成发射极。发射极和基极的掺杂类型也可以互换。
接下来，在方法步骤B中利用前面描述的TLS法在分离面T处进行切割来进行分离。所述分离面T垂直于图1中的图面并且由此穿过基极3a以及发射极2a。
TLS法从背面出发执行，就是说，首先通过激光在位于下方的背面上在分离线T与背面相交的区域内形成初始沟。初始沟在半导体器件的一个边缘上开始。但所述初始沟不是在半导体器件的整个宽度上延伸。常见的初始沟具有在200μm至4mm的范围内的长度，通常小于2mm。接着，如前面说明的那样通过同时加热和冷却实现半导体器件的分离。在所述实施例的一个变型方案中，从正面出发进行TLS法，从而在处理过程中不必转动太阳能电池。
在图1a，ii中示出了结果：由此产生两个镜像对称的半导体器件，这两个半导体器件分别具有一个pn结4a，所述pn结与分离面T邻接。
在方法步骤B之后，在分离面T上构成分离面钝化层6a。这种构成通过工业上常用的化学气相沉积进行(英文：Chemical Vapor Deposition，CVD)或者在一个变型方案中通过原子层沉积(英文：Atomic Layer Deposition，ALD)进行。
分离面钝化层6a因此在整个分离面T上延伸。分离面钝化层构造成氧化铝层，所述氧化铝层在与分离面T的边界面上具有数值≥1012cm-2，在当前情况下为-3x1012cm-2的电荷面密度，并且所述分离面钝化层具有少数几个原子层的厚度，这个厚度在少数几个nm直至多个10nm的范围上，在当前情况下为6nm。
在图1b中示出根据本发明的方法的第二实施例。为了避免重复，下面仅说明主要区别：
半导体器件1b同样具有发射极2b以及基极3b，从而在发射极和基极之间构成pn结4b。但如前面所述，在方法步骤A和B之间，就是说在分离之前，在方法步骤B0中进行的是，构成横向导通避免区域5b。如在图1b中示出的那样，通过激光消融构成一个构造成分离沟的横向导通避免区域5b，所述横向导通避免区域完全穿过发射极2b并且也穿过pn结4b。由此，避免了载荷子通过发射极到达分离面T的横向导通并且由此附加地减小了分离面使半导体器件的电子品质降低的不利影响。
如在图1b，2ii中示出的那样，类似于第一实施例，接下来在分离面T上对半导体器件进行切割，并由此进行分离。在这个实施例中，所述切割通过前面所述的LIC法进行。
如在图1b，3iii中示出的那样，接下来进行的是，施加分离面钝化层6b。分离面钝化层在当前情况下构造成氧化铝层，所述氧化铝层在与基极和发射极的边界面上具有数值大于或等于1012cm-2，在当前情况下为-3x1012cm-2的电荷面密度，并且分离面钝化层具有少数几个原子层的厚度，这个厚度在少数几个nm直至多个10nm的范围上，在当前情况下为6nm。所述分离面钝化层6b通过ALD产生。由此，不仅在分离面T上，而且同样在构造成分离沟的横向导通避免区域5b的壁部上实现构成分离面钝化层。
在图1中，为了能更好地显示，分别仅示出一个分离面。
在分离光伏太阳能电池时，例如为了根据前面所述的叠瓦技术构成模块，通常从一个硅晶片出发进行多个太阳能电池的分离。
在图2中示出硅晶片从上面观察的示意性俯视图，在所述硅晶片中已经构成光伏太阳能电池。在多个、当前是四个分离面T上执行前面说明的方法，从而在分离之后存在五个半导体器件。

Claims (15)

1.半导体器件(1a、1b)，具有正面和相对的背面以及侧面，以及具有至少一个发射极(2a、2b)和至少一个基极(3a、3b)，在所述发射极(2a、2b)和所述基极(3a、3b)之间构成pn结(4a、4b)，并且所述发射极(2a、2b)平行于所述正面和/或所述背面延伸，其特征在于，至少一个侧面是钝化的分离面(T)，所述分离面上设置有分离面钝化层(6a、6b)，所述分离面钝化层具有位置固定的电荷，所述电荷在分离面(T)上具有数值上大于或等于1012cm-2的电荷面密度。
2.根据权利要求1所述的半导体器件(1a、1b)，其特征在于，所述分离面钝化层(6a、6b)在整个所述分离面(T)上延伸。
3.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(1a、1b)，其特征在于，所述pn结(4a、4b)与所述分离面(T)隔开小于50μm、特别是小于20μm的间距，特别是，所述pn结(4a、4b)与所述分离面(T)邻接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(1a、1b)，其特征在于，所述分离面钝化层(6a、6b)构造成介电层，特别是构造成氧化铝层、氮化硅层或氮氧化硅层。
5.半导体器件(1a、1b)，其特征在于，所述半导体器件(1a、1b)构造成光伏太阳能电池，特别是具有至少一个硅层，在所述至少一个硅层中构成基极(3a、3b)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(1a、1b)，其特征在于，所述半导体器件(1a、1b)在所述分离面(T)上具有损伤区，所述损伤区中的电流载荷子至少在基极(3a、3b)中具有小于1μs的载荷子寿命，所述损伤区垂直于所述分离面(T)具有小于20nm的厚度，特别是，至少在基极(3a、3b)中，在与损伤区邻接的区域中，电流载荷子具有大于10μs的载荷子寿命。
7.用于分离具有pn结(4a、4b)的半导体器件(1a、1b)的方法，所述方法具有以下方法步骤：
A.提供半导体器件(1a、1b)，所述半导体器件具有至少一个发射极(2a、2b)和至少一个基极(3a、3b)，在所述发射极(2a、2b)和所述基极(3a、3b)之间构成pn结(4a、4b)，
B.通过在至少一个分离面(T)上分离成至少两个分器件来对所述半导体器件(1a、1b)进行分离，
其特征在于，在方法步骤B之后，在分离面(T)上设置分离面钝化层(6a、6b)，所述分离面钝化层具有位置固定的电荷，所述电荷具有数值上大于或等于1012cm-2的电荷面密度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分离面钝化层(6a、6b)构造成覆盖整个所述分离面(T)。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤B中，分离是通过热激光分离(TLS、LIC或LDC)进行的。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤B之前，在所述半导体器件(1a、1b)的正面和/或背面上施加钝化层，特别是，在方法步骤B之前，在所述半导体器件(1a、1b)的正面和/或背面上施加一个或多个金属的接触结构。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，在施加所述分离面钝化层(6a、6b)之后，对所述分离面钝化层(6a、6b)进行热处理，特别是将其加热到大于或等于150℃的温度并持续至少1分钟的时长。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过连续的局部加热、特别是利用激光器进行所述热处理。
13.根据权利要求11和12所述的方法，其特征在于，在含氢的气氛中、特别是在氢气氛中或在氢/氮气氛中执行所述热处理。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述分离面钝化层附加地施加在半导体器件的正面或背面中的至少一个面上，优选施加在正面上。
15.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体器件(1a、1b)构造成光伏太阳能电池，特别是，至少所述基极(3a、3b)在硅层中构成。
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