CN117936638A - 一种硅片吸杂处理方法及硅片和硅基半导体物理器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅片吸杂处理方法及硅片和硅基半导体物理器件，硅片吸杂处理方法包括以下步骤：在硅片表面沉积硅化物层，所述硅化物层为碳和/或氮掺杂的含磷或硼或不含磷、硼的非晶硅；对硅片进行高温处理，在硅片表面形成扩散层；对硅片表面进行氢化处理；刻蚀处理，依次去除氢化层、硅化物层和硅片表面的扩散层。本发明以含碳和/或含氮的掺杂非晶硅作为源层，通过高温处理，碳/氮元素会扩散进去硅片内部，在后续氢化处理时，利用碳/氮原子对氢原子的捕获作用，可以提升硅片内部的氢浓度，利用氢对缺陷的钝化作用，从而显著提高硅片的体寿命，进而提升基于低温工艺的硅半导体器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及，主要面向太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种硅片吸杂处理方法及硅片和硅基半导体物理器件，主要面向低温的硅基半导体物理器件。
背景技术
硅片质量对于硅基半导体物理器件的性能有直接影响。以异质结(HJT)晶体硅太阳电池为例，其制备技术采用PECVD法在硅片表面沉积非晶硅、微晶硅或非晶氧化硅等材料，可以实现极为优异的表面钝化效果，其单面饱和电流密度值(J0,s)可以低至约0.5fA/cm2。然而，量产型异质结太阳电池的实际效率与理论值仍然有较大的差异，且效率分布区间较大。深入分析可以发现，在表面钝化已经非常好的情况下，异质结太阳电池的硅片寿命普遍较低是制约其效率提升的主要因素。
为了克服硅片寿命对硅基半导体物理器件性能的影响，提高硅片的体寿命，产业上会对硅片进行基于磷扩散的吸杂处理。具体方法如下：采用低压扩散炉，以POCl3为源，在硅片表面沉积一层富磷的硅氧化物层(PSG)；然后通过高温处理，使磷进行表面扩散，同时将硅片中的金属杂质吸除，从而提高硅片寿命；最后将PSG及近表面硅层进行清洗刻蚀，完成吸杂过程。该方法可以在一定程度上提升硅片的体寿命，但是在吸杂完成后，钝化片体寿命仍然难以突破10ms。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是如何提高硅片寿命，从而提高硅基半导体物理器件的性能。
为解决上述问题，本发明的第一方面提供一种硅片吸杂处理方法，包括以下步骤：
S1、在硅片表面沉积硅化物层，所述硅化物层为含碳和/或含氮的掺杂非晶硅，所述硅化物层掺杂磷/硼元素；
S2、对硅片进行高温处理，在硅片表面形成扩散层；
S3、对硅片表面进行氢化处理；
S4、刻蚀处理，依次去除氢化层、硅化物层和硅片表面的扩散层。
本发明以碳和/或氮掺杂的非晶硅作为源层，通过高温处理，碳/氮元素会扩散进去硅片内部，在后续氢化处理时，利用碳/氮原子对氢原子的捕获作用，可以提升硅片内部的氢浓度，利用氢对缺陷的钝化作用，从而显著提高硅片的体寿命。
进一步地，所述硅化物层中，碳和/或氮原子的掺杂总浓度为1at％～25at％。
进一步地，所述硅化物层的掺杂元素为磷，掺杂浓度为5E17～5E21cm-3。本发明保留常规磷吸杂的优势，通过表面含磷的硅化物进行磷扩散，在高温处理下，金属杂质会扩散至硅片近表面区发生沉淀，从而有效去除硅片中的金属杂质，提高体寿命。
进一步地，所述步骤S2中，高温处理温度为700～1200℃。
进一步地，所述步骤S4中，去除氢化层、硅化物层后对硅片表面的刻蚀深度为10～1000nm。高温处理后金属杂质扩散至硅片近表面，刻蚀去除扩散层，从而有效去除硅片中的金属杂质，提高体寿命。
进一步地，所述步骤S3中，氢化处理方法选自以下任意一种：氮气加氢气混合气热处理、水汽热处理、沉积含氢薄膜并进行退火处理。
进一步地，所述步骤S1中，沉积硅化物层的方法选自PECVD、MWCVD、LPCVD、PVD中的一种。
本发明的第二方面提供一种硅片，由上述的硅片吸杂处理方法处理后得到。
进一步地，所述硅片表面部位的碳和/或氮浓度为1e18～1e22cm-3，氢浓度为1e17～5e20cm-3，随深度增加，硅片中的碳和/或氮浓度、氢浓度逐渐降低。碳/氮元素能提高硅片的机械强度，在降低硅片厚度的情况下，减少发生碎片的风险；高浓度氢原子在硅片体内分布，起到缺陷钝化作用，从而提高硅片的体寿命。
本发明的第三方面提供一种硅基半导体物理器件，包括上述的硅片，所述硅基半导体物理器件的制程温度不超过400℃。
进一步地，硅基半导体物理器件为异质结晶体硅太阳电池或硅探测器。
采用常规硅片，硅基半导体物理器件的钝化片体寿命通常为4～8ms；采用本发明硅片，可以将钝化片体寿命提升至10ms以上，对应地，异质结电池效率可以提升0.1％以上。
综上所述，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的硅片吸杂处理方法先在硅片表面沉积碳和/或氮掺杂的硅化物层，然后通过高温处理，使碳/氮元素扩散到硅片内部，在进行氢化处理，利用碳/氮原子对氢原子的捕获作用，提升硅片内部的氢浓度，利用氢对缺陷的钝化作用，从而显著提高硅片的体寿命，变现为体复合饱和电流密度(J0,SRH,bulk)得到进一步下降。
(2)碳/氮元素扩散到硅片内部，还能提高硅片的机械强度，在降低硅片厚度的情况下，减少发生碎片的风险。
(3)本发明吸杂处理方法保留常规磷/硼吸杂的优势，通过高温处理使金属杂质扩散至近表面区发生沉淀，从而有效去除硅片中的金属杂质，提高体寿命。
(4)采用本发明硅片的异质结电池，其钝化片体寿命可以提升至10ms以上，从而使硅基半导体物理器件性能有效提升，能够提高异质结晶体硅太阳电池的隐含填充因子(iFF)、填充因子(FF)及电池的转化效率。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中硅片吸杂处理方法的流程示意图。
图2为本发明实施例1的钝化片中氢、碳原子分布图。
图3为本发明实施例3的钝化片中氢、碳原子分布图。
图4为本发明实施例5的钝化片的少子寿命曲线图。
图5为本发明实施例6的钝化片的少子寿命曲线图。
图6为本发明对比例1的钝化片的少子寿命曲线图。
图7为本发明对比例3的钝化片的少子寿命曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的具体实施方式提供一种硅片吸杂处理方法，结合图1所示，该方法包括以下步骤：
S1、沉积源层：在硅片表面沉积硅化物层，硅化物层为含碳和/或含氮掺杂的含磷或硼的非晶硅。具体实施例中，碳、氮原子的掺杂总浓度为1at％～60at％。沉积硅化物层的方法可选择PECVD、MWCVD、LPCVD、PVD等。
优选地，硅化物层掺杂磷元素，掺杂浓度为5E17～5E21cm-3。
S2、高温退火处理：对硅片进行高温处理，在硅片表面形成扩散层。具体实施例中，处理温度为700～1200℃。在高温处理下，碳/氮元素会扩散进去硅片内部，且金属杂质会扩散至硅片近表面区发生沉淀。
S3、氢化处理：对硅片表面进行氢化处理，具体实施例中，氢化处理过程可以有不同的实现方式，包括但不局限于：氮气加氢气混合气的热处理(FGA)；水汽热处理；沉积一层富氢的氧化铝层结合后退火处理；沉积一层富氢的氮化硅层结合后退火处理；沉积不同富氢材料层的组合结构后退火处理。
S4、刻蚀处理：依次去除氢化层、硅化物层和硅片表面的扩散层(刻蚀深度约50-500nm)，获得可以用于异质结太阳电池制备的硅片。
上述方法处理后得到的高体寿命硅片特征如下：1)硅片从表面到体内含有碳/氮元素。硅片近表面碳、氮浓度可以达到1e18～1e22cm-3的浓度范围，通常为～1e21cm-3，随着深度增加，碳、氮浓度逐步降低。碳、氮分布深度与扩散阶段的退火温度及退火时间有关，温度越高、时间越长，碳、氮的浓度分布越大。2)硅片从表面到体内也含有氢元素，近表面部位的氢浓度可以达到1e17～5e20cm-3的浓度范围，通常为～1e20cm-3，随着深度增加，氢浓度逐步降低。3)硅片表面能检测到少量磷/硼元素。4)该硅片用于制备硅基半导体物理器件，不能再经过高于400℃的高温处理。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案和效果进行说明。
实施例1
准备硅片电阻率约为1Ωcm的N型硅片，采用PECVD在硅片表面沉积含碳的掺磷非晶硅作为源层，碳原子的掺杂浓度为3at％；在管式退火炉中进行高温退火处理，以800℃处理30min，N2作为保护气；在表面沉积AlOx/SiNx叠层，然后在400℃下退火30min进行氢化处理。刻蚀去除氢化层、源层和硅片表面的扩散层，对硅片表面的刻蚀深度为200nm。
采用非晶硅对经过吸杂处理的硅片前后表面进行钝化，具体过程如下：将经过标准RCA清洗的硅片置于PECVD中，衬底温度220℃，以硅烷和氢气作为前驱体，沉积～10nm非晶硅。测试钝化片中氢、碳原子分布，结果如图2所示。经过测试，钝化片的体寿命为5.6ms；测试钝化片的隐含开路电压(iVoc)为749.3mV。
实施例2
本实施例对N型硅片进行吸杂处理，并对硅片前后表面进行钝化。本实施例与实施例1不同之处在于，高温退火步骤的处理温度为850℃，处理时间为90min。本实施例得到的钝化片的体寿命为5.8ms，隐含开路电压为749.5mV。
实施例3
准备硅片电阻率约为1Ωcm的N型硅片，采用PECVD在硅片表面沉积含氮的掺磷非晶硅作为源层，氮原子的掺杂浓度为20at％；在管式退火炉中进行高温退火处理，以900℃处理20min，N2作为保护气；在表面沉积AlOx/SiNx叠层，然后在450℃下退火30min进行氢化处理。刻蚀去除氢化层、源层和硅片表面的扩散层，对硅片表面的刻蚀深度为250nm。
采用与实施例1相同的工艺对经过吸杂处理的硅片前后表面进行钝化，测试钝化片中氢、氮原子分布，结果如图3所示。经过测试，钝化片的体寿命为6.5ms；测试钝化片的隐含开路电压为750.3mV。
实施例4
本实施例对N型硅片进行吸杂处理，并对硅片前后表面进行钝化。本实施例与实施例3不同之处在于，高温退火步骤为920℃处理时间为30min。本实施例得到的钝化片的体寿命为6.9ms，隐含开路电压为750.7mV。
实施例5
本实施例对N型硅片进行吸杂处理，并对硅片前后表面进行钝化。本实施例与实施例3不同之处在于，采用硅片电阻率约为2Ωcm的N型硅片。测试钝化片的少子寿命，结果如图4所示，本实施例得到的钝化片的体寿命为16.1ms，隐含开路电压为752.1mV。
实施例6
本实施例对N型硅片进行吸杂处理，并对硅片前后表面进行钝化。本实施例与实施例4不同之处在于，采用硅片电阻率约为2Ωcm的N型硅片。测试钝化片的少子寿命，结果如图5所示，本实施例得到的钝化片的体寿命为16.5ms，隐含开路电压为752.2mV。
实施例7
准备硅片电阻率约为2Ωcm的N型硅片，采用PECVD在硅片表面沉积含碳和氮的掺磷非晶硅作为源层，碳原子的掺杂浓度为5at％，氮原子的掺杂浓度为10at％；在管式退火炉中进行高温退火处理，以940℃处理60min，N2作为保护气；在表面沉积AlOx/SiNx叠层，然后在400℃下退火60min进行氢化处理。刻蚀去除氢化层、源层和硅片表面的扩散层，对硅片表面的刻蚀深度为100nm。
采用与实施例1相同的工艺对经过吸杂处理的硅片前后表面进行钝化。测试钝化片的体寿命为17.2ms；测试钝化片的隐含开路电压为752.4mV。
对比例1
准备N型硅片，不进行吸杂处理，直接采用与实施例1相同的工艺对硅片前后表面进行钝化。测试钝化片的少子寿命，结果如图6所示，钝化片的体寿命为3.5ms；测试钝化片的隐含开路电压为743.3mV。
对比例2
准备硅片电阻率约为1Ωcm的N型硅片，在低压扩散炉进行850℃下的POCl3吸杂处理，然后采用与实施例1相同的工艺对硅片前后表面进行钝化。经过测试，钝化片的体寿命为7.5ms；测试钝化片的隐含开路电压为747.1mV。
对比例3
准备硅片电阻率约为2Ωcm的N型硅片，在低压扩散炉进行850℃下的POCl3吸杂处理，然后采用与实施例1相同的工艺对硅片前后表面进行钝化。测试钝化片的少子寿命，结果如图7所示，钝化片的体寿命为9.5ms；测试钝化片的隐含开路电压为748.7mV。
具体未吸杂与吸杂硅片分别做优质非晶硅钝化的测试结果如下表1所示。其中，J0,d指钝化硅片双面饱和电流密度；iVoc指钝化硅片隐含开路电压；τeff指钝化硅片有效少子寿命；iFF指钝化硅片隐含填充因子；J0,SRH,bulk指体内SRH复合电流密度。
表1未吸杂与吸杂硅片分别做优质非晶硅钝化的结果
结果显示，采用本发明的吸杂处理方法可以提高异质结电池的钝化片体寿命，从而使异质结电池的性能提升。需要说明的是，受实验室电池工艺技术水平限制，实施例中的电池效率低于产线量产电池效率。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种硅片吸杂处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在硅片表面沉积硅化物层，所述硅化物层为含碳和/或含氮的掺杂非晶硅，所述硅化物层掺杂磷/硼元素；
S2、对硅片进行高温处理，在硅片表面形成扩散层；
S3、对硅片表面进行氢化处理；
S4、刻蚀处理，依次去除氢化层、硅化物层和硅片表面的扩散层。
2.根据权利要求1所述的硅片吸杂处理方法，其特征在于，所述硅化物层中，碳和/或氮原子的掺杂总浓度为0.1at％～60at％。
3.根据权利要求1所述的硅片吸杂处理方法，其特征在于，所述硅化物层中，所述硅化物层的掺杂元素为磷，掺杂浓度为5E17～5E21cm-3。
4.根据权利要求1所述的硅片吸杂处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，高温处理温度为700～1200℃。
5.根据权利要求1所述的硅片吸杂处理方法，其特征在于，所述步骤S4中，去除氢化层、硅化物层后对硅片表面的刻蚀深度为10～1000nm。
6.根据权利要求1-5任一所述的硅片吸杂处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，氢化处理方法选自以下任意一种：氮气加氢气混合气热处理、水汽热处理、沉积含氢薄膜并进行退火处理。
7.根据权利要求1-5任一所述的硅片吸杂处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，沉积硅化物层的方法选自PECVD、MWCVD、LPCVD、PVD中的一种。
8.一种硅片，其特征在于，由如权利要求1-7任一所述的硅片吸杂处理方法处理后得到。
9.根据权利要求8所述的硅片，其特征在于，所述硅片表面部位的碳和/或氮浓度为1e18～1e22 cm-3，氢浓度为1e17～5e20 cm-3，随深度增加，硅片中的碳和/或氮浓度、氢浓度逐渐降低。
10.一种硅基半导体物理器件，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的硅片，所述硅基半导体物理器件的制程温度不超过400℃。
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| CN202410044221.2A CN117936638A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 一种硅片吸杂处理方法及硅片和硅基半导体物理器件 |
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| CN117936638A true CN117936638A (zh) | 2024-04-26 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410044221.2A Pending CN117936638A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 一种硅片吸杂处理方法及硅片和硅基半导体物理器件 |
Country Status (1)
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2024
- 2024-01-12 CN CN202410044221.2A patent/CN117936638A/zh active Pending
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