DE102006041424A1 - Verfahren zur simultanen Dotierung und Oxidation von Halbleitersubstraten und dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Dotierung und Oxidation von Halbleitersubstraten sowie derart hergestellte dotierte und oxidierte Halbleitersubstrate. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Solarzellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Dotierung und Oxidation von Halbleitersubstraten sowie derart hergestellte dotierte und oxidierte Halbleitersubstrate. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Solarzellen.
  • Moderne Solarzellenkonzepte enthalten zum einen oberflächennah dotierte Bereiche beispielsweise zur Erzeugung des pn-Übergangs oder sog. Front- oder Backsurfacefields. Hier kann beispielsweise eine Phosphoreindiffusion in p-dotiertes Silicium zur Emittererzeugung angewendet werden. Des Weiteren weisen exzellente Solarzellen dielektrisch passivierte Oberflächenbereiche auf, die die Rekombination der erzeugten Ladungsträgerpaare unterdrücken und auch die optischen Eigenschaften des Halbleiterbauelemen tes vorteilhaft beeinflussen. Derartige Schichten können mit PVD-Verfahren oder durch thermische Prozesse erzeugt werden. Im Falle von Siliciumdioxid auf Silicium wird eine thermische Oxidation unter Beisein von Sauerstoff und für eine feuchte Oxidation unter zusätzlichem Beisein von Wasserdampf durchgeführt. Gegenwärtig werden diese Prozessschritte sequentiell durchgeführt, wodurch der Herstellungsprozess beispielsweise von Solarzellen verkompliziert wird, da er mindestens einen thermischen Diffusionsprozess und einen Oxidationsprozess enthält. Werden diese Schritte sequentiell ausgeführt, ist mit weiteren zusätzlichen Schritten zu rechnen, die gewährleisten, dass in den Prozessschritten nur die dafür vorgesehenen Bereiche der Wafer bearbeitet werden, z.B. Maskierungs- oder Ätzschritte.
  • Im Folgenden sollen die einzelnen Verfahrensschritte, die für die die Solarzellenherstellung von Bedeutung sind, kurz erläutert werden.
  • Eine Diffusion von Dotieratomen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Gemeinsam ist allen aus dem Stand der Technik bekannten Prozessen, dass eine Dotierstoffquelle vorliegt, aus der der Dotierstoff unter geeigneten. Bedingungen in das Silicium übertritt. Diese Dotierquelle kann in der gasförmigen Atmosphäre vorliegen, z.B. POCl3, oder kann durch geeignete Verfahren abgeschieden werden, z.B. kann Phosphorsäure aufgesprüht werden. Des Weiteren können CVD-Prozesse eingesetzt werden um dotierte Schichten zu erzeugen.
  • Beim Vorgang der Zonenimplantation werden die Dotieratome in den Wafer implantiert. Der Wafer wird dazu hochenergetischen, Dotieratome enthaltenden, Teilchenstrahlen ausgesetzt. Die Atome dringen dann in den Wafer ein und es wird die Dotierung in einem nachfolgenden Annealingschritt bei erhöhter Temperatur aktiviert und nach Wunsch umverteilt. Bei der Aktivierung bewegen sich die in das Kristallgitter eingetriebenen Atome auf freie Gitterplätze und können dann als Dotierstoff dienen. Bei der Umverteilung verändert sich durch Diffusion der Dotieratome das Konzentrationsprofil der Dotieratome durch Diffusion innerhalb des Halbleiters. In beiden Fällen liegt während der thermischen Behandlung keine äußere Dotieratomquelle mehr vor und der Teilchenstrahl ist abgeschaltet.
  • Die thermische Oxidation von Silicium ist in der Halbleitertechnologie weit verbreitet. Im Wesentlichen wird in sauerstoffhaltiger Atmosphäre an der Oberfläche des Si-Kristalls befindliches Silicium bei erhöhten Temperaturen oxidiert. Dieses Oxid bildet mit dem darunter liegenden Siliciumsubstrat eine SiO2/Si Grenzfläche. Während des Oxidwachstums wird Silicium in Oxid umgesetzt und die Grenzfläche verschiebt sich so, dass die SiO2-Schichtdicke wächst. Dabei nimmt die Wachstumsrate ab, da die oxidierenden Atmosphärenbestandteile durch immer dicker werdende Oxidschichten an die SiO2/Si Grenzfläche diffundieren müssen. Die Kinetik dieser Reaktion hängt von der Kristallorientierung, Dotierung und von den oxidierenden Atmosphärenbestandteilen ab. Beispielsweise kann durch Hinzugabe von Wasserdampf (Feuchtoxidation) die Oxidation beschleunigt werden. Auch DCE (trans-1,2-dichloroethylene) kann die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen (O. Schultz, High-Efficiency Multicrystalline Silicon Solar Cells, Dissertation an der Universität Konstanz, Fakultät für Physik (2005), S. 103). Weiterhin ist die Kinetik sehr stark von der Temperatur, die bei der Oxidation vor herrscht, bestimmt.
  • Die SiO2/Si Grenzfläche kann bei geeigneter Prozessführung so ausgebildet werden, dass sie passiviert ist. Das bedeutet, dass die Rekombinationsrate der Minoritätsladungsträger gegenüber einer unpassivierten Oberfläche reduziert ist (O. Schultz, High-Efficiency Multicrystalline Silicon Solar Cells, Dissertation an der Universität Konstanz, Fakultät für Physik (2005), S. 104 ff.).
  • Als Gettern bezeichnet man einen Prozess, bei dem gezielt Verunreinigungen von einem Bereich des Halbleiters in einen anderen überführt werden können (A.A. Istratov et al., Advanced Gettering Techniques in UL-SI Technology, MRS Bulletin (2000), S. 33–38). Dieser Vorgang kann durch unterschiedliche Verfahren realisiert werden. Eines ist das Phosphorgettern. Während einer Phosphordiffusion entstehen Siliciumzwischengitteratome, die die Beweglichkeit von vielen Verunreinigungstypen erhöhen. Durch die höhere Löslichkeit dieser Komponenten in hochdotierten Siliciumbereichen, sammeln sich diese während des Hochtemperaturschrittes folglich in diesen Arealen und das Volumen des Halbleiters wird gereinigt.
  • Da während der reinen Oxidation kein Gettern beobachtet wird, ist dieser Prozess besonders anfällig für Verunreinigungen, die sich entweder auf oder in dem Substrat befinden, in verunreinigten Prozess- und Handlingsgeräten bzw. in verunreinigten Prozessgasen oder Prozesshilfsmitteln.
  • Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Verfahren zur Herstellung von Solarzellen hinsichtlich der einzelnen Verfahrens schritte zu optimieren und eine einfachere Herstellung zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das hiernach hergestellte dotierte und oxidierte Halbleitersubstrat mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst. Weiterhin wird die Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 30 bereitgestellt. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur simultanen Dotierung und Oxidation von Halbleitersubstraten bereitgestellt, bei dem zumindest eine Oberfläche des Halbleitersubstrats zumindest bereichsweise mit mindestens einer einen Dotierstoff enthaltenen Schicht beschichtet wird. Es können auch mehrere Dotierstoffe in der mindestens einen Dotierstoff-Schicht enthalten sein. Im Anschluss erfolgt dann eine thermische Behandlung in einer Atmosphäre, die ein Oxidationsmittel für das Halbleitermaterial enthält, wodurch eine Diffusion des Dotierstoffs in das Volumen des Halbleitersubstrats ermöglicht wird. Bei der thermischen Behandlung erfolgt ebenso eine partielle Oxidation der nicht mit der Dotierstoff-Schicht beschichteten Oberflächenbereiche des Halbleitersubstrats. Es können so auf einfache Weise zwei Prozessschritte verbunden werden, was zur Vereinfachung des Gesamtprozesses führt.
  • Vorzugsweise besteht die den Dotierstoff enthaltende Schicht aus einem Material oder enthält ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus amorphem Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Tantaloxid, dielektrischen Materialien, keramischen Materialien, Materialien enthaltend organische Verbindungen, die im Diffusionsprozess chemisch veränderbar sind, nicht-stöchiometrischen Abwandlungen dieser Materialien und Mischungen dieser Materialien. Unter nichtstöchiometrischen Abwandlungen sind beispielsweise im Hinblick auf Siliciumnitrid Zusammensetzungen zu verstehen, die von dem stöchiometrischen Verhältnis Si3N4 abweichen.
  • Ebenso ist es möglich, wie aus der Halbleitertechnologie bekannt, Substanzen einzusetzen, die beispielsweise zunächst in flüssiger oder pastöser Form vorliegen. Diese werden dann auf dem Halbleiter deponiert, beispielsweise durch Aufschleudern, Sprühen, Tauchbeschichten, Drucken oder CVD. Im Anschluss kann dann ein Trockenschritt folgen, in dem ein Teil der organischen Bestandteile austritt. In einem weiteren Schritt kann dann die Substanz in eine glasartige Konsistenz überführt werden, die dann im nachfolgenden Hochtemperaturprozess als Diffusionsquelle oder auch als Barriere dient. Derartige Substanzen können nach dem bekannten Sol-Gel-Verfahren hergestellt und verarbeitet werden.
  • Der Dotierstoff wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphor, Bor, Arsen, Aluminium und Gallium.
  • Vorzugsweise weist die den Dotierstoff enthaltende Schicht einen Konzentrationsgradienten hinsichtlich des Dotierstoffs auf, wobei in dem dem Halbleitersubstrat zugewandten Bereich eine höhere Dotierstoff-Konzentration herrscht.
  • Hinsichtlich der Beschichtung des Halbleitersubstrats bestehen verschiedene Alternativen. So sieht eine erste bevorzugte Variante vor, dass das Halbleitersubstrat auf einer Oberfläche mit einer einen Dotierstoff enthaltenden Schicht durchgängig beschichtet wird und anschließend durch thermische Behandlung mit einer ein Oxidationsmittel enthaltenden Atmosphäre eine partielle Oxidation der nicht-beschichteten Oberflächen, z.B. der Rückseite des Halbleitersubstrats, erfolgt. Eine andere Variante sieht vor, dass eine oder mehrere Oberflächen des Halbleitersubstrats lediglich bereichsweise mit einer einen Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet werden, wodurch auch unbeschichtete Bereiche zurückbleiben. Im anschließenden Oxidationsschritt erfolgt dann eine partielle Oxidation der nicht-beschichteten Oberflächen des Halbleitersubstrats.
  • Grundsätzlich ist es so, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit beliebigen Prozessschritten, die für die Bearbeitung von Halbleitersubstraten und insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen bekannt sind, zu beliebigen Zeitpunkten kombiniert werden können. So ist es z.B. möglich, dass das Halbleitersubstrat vor der Beschichtung mit der den Dotierstoff enthaltenden Schicht zumindest bereichsweise behandelt wurde. Ebenso ist es aber auch möglich, dass eine Behandlung nach der Beschichtung mit der den Dotierstoff enthaltenden Schicht und vor der thermischen Behandlung durchgeführt wird. Die Behandlungsschritte sind hierbei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer nasschemischen oder trockenchemischen Bearbeitung, einer thermischen Bearbeitung, einer Beschichtung, einer mechanischen Bearbeitung, einer lasertechnischen Bearbeitung, einer Metallisierung, einer Siliciumbearbeitung, einer Reinigung, einer nass- oder trockenchemischen Texturierung, einer Beseitigung der Texturierung sowie Kombi nationen aus den genannten Behandlungsschritten. Es gibt hier eine Vielzahl von Kombinationen zwischen den genannten Behandlungsschritten. Beispielsweise können die Halbleitersubstrate nach der Beschichtung mit dem Dotierstoff mit dem Ziel bearbeitet werden, die urbeschichteten Bereiche für die thermische Behandlung vorzubereiten. Dies kann beispielsweise umfassen, dass bestehende Texturen ganz oder teilweise eingeebnet werden oder dass verschiedene Reinigungsvorgänge durchgeführt werden. Die Reinigung kann dabei sowohl nasschemischer wie trockenchemischer Natur sein. Ein anderes Beispiel betrifft die zumindest bereichsweise Entfernung von bestehenden Beschichtungen mit dem Ziel, eine Strukturierung der Beschichtung zu erreichen oder aber auch, um parasitäre Beschichtungen auf beispielsweise der Rückseite zu entfernen.
  • Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass vor der thermischen Behandlung das beschichtete Halbleitersubstrat nass- oder trockenchemisch behandelt wird. Ebenso besteht die Möglichkeit, die unbeschichteten Teile des Halbleiters zu ätzen, während die Beschichtung den restlichen Halbleiter maskiert. Auf diese Weise können geeignete Ausgangsbedingungen für die thermische Oxidation geschaffen werden, insbesondere kann so eine sehr hohe Passivierungsqualität erzielt werden.
  • Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass auf dem Halbleitersubstrat mindestens eine weitere Beschichtung aufgebracht ist. So kann z.B. die den Dotierstoff enthaltende Schicht auf der vom Halbleitersubstrat abgewandten Seite mit einer Deckschicht als Diffusionsbarriere für den Dotierstoff versehen sein, um ein Austreten des Dotierstoffs zu verhindern. Diese Deckschicht besteht vorzugsweise aus einem Materi al, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus amorphem Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Tantaloxid, dielektrischen Materialien, keramischen Materialien, Materialien enthaltend organische Verbindungen, die im Diffusionsprozess chemisch veränderbar sind, nicht-stöchiometrischen Abwandlungen dieser Materialien und Mischungen dieser Materialien. In einer weiteren bevorzugten Variante kann die Deckschicht auch mehrlagig aufgebaut sein, wobei die unterschiedlichen Lagen aus verschiedenen Materialien bestehen.
  • In einer bevorzugten Variante kann die mindestens eine Beschichtung in der Weise erfolgen, dass das Beschichtungsmaterial in flüssiger oder pastöser Form auf dem Halbleitersubstrat oder den bereits auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachten Beschichtungen abgeschieden wird. Dies kann vorzugsweise durch Aufschleudern, Sprühen, Tauchbeschichten, Drucken oder CVD-Verfahren erfolgen. Im Anschluss kann dann ein Trockenschritt erfolgen, in dem ein Teil der organischen Bestandteile entfernt wird. In einem weiteren Schritt kann dann das Beschichtungsmaterial in eine glasartige Konsistenz überführt werden und dient bei dem nachfolgenden Hochtemperaturprozess als Diffusionsquelle oder auch als Barriere. Derartige Beschichtungsmaterialien können ebenso nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt und verarbeitet werden. Ebenso können aber auch Beschichtungsverfahren und Dotierungsverfahren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, angewendet werden. Hierzu wird auf S.K. Ghandhi, VLSI Fabrication Principles: Silicon and Gallium Arsenide, 2. Auflage (1994), Kapitel B. S. 510–586, verwiesen.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass zwischen Halbleitersubstrat und der mindestens einen Dotierstoff-Schicht mindestens eine weitere Schicht aufgebracht ist, durch die die Diffusion des Dotierstoffs in das Volumen des Halbleitersubstrates nicht vollständig unterdrückt bzw. behindert wird. Beispielsweise bildet sich auf Silicium üblicherweise eine native Siliciumdioxidschicht, die so dünn ist, dass eine Dotierung des Silicium dadurch nicht maskiert wird. Ebenso ist es möglich, dass andere Schichten aus vorherigen Prozessen oder Prozessschritten noch vorhanden sind, durch die die Diffusion aber nicht unterdrückt wird.
  • Die thermische Behandlung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt vorzugsweise in einem Rohrofen oder einem Durchlaufofen. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die thermische Behandlung direkt in einem PECVD-Reaktor durchgeführt wird. Die thermische Behandlung erfolgt dabei vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 600 bis 1150 °C.
  • Hinsichtlich des Oxidationsschrittes bestehen verschiedene Verfahrensvarianten. So kann eine trockene Oxidation unter Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel durchgeführt werden. Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass eine feuchte Oxidation durchgeführt wird, d.h. es wird Sauerstoff als Oxidationsmittel in Gegenwart von Wasserdampf eingesetzt. Die für die Oxidation eingesetzte Atmosphäre kann darüber hinaus weitere Verbindungen zur Steuerung des Oxidationsprozesses enthalten. Ebenso können der Atmosphäre Verbindungen zur Reinhaltung derselben zugesetzt werden. Hierzu zählt insbesondere trans-1,2-Dichlorethan.
  • Das Halbleitersubstrat besteht vorzugsweise aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid. Ebenso können auch bereits dotierte Halbleitersubstrate, die z.B. mit Phosphor, Bor, Arsen, Aluminium und/oder Gallium dotiert sind, eingesetzt werden. Es ist aber insbesondere bevorzugt, dass das Halbleitersubstrat in den oberflächennahen Bereichen neben bereits vorhandenen Dotierungen höchstens eine geringfügige Dotierung aufweist, die aus der zuvor abgeschiedenen Dotierstoffquelle stammt und durch eine zusätzliche thermische Behandlung vor der simultanen Diffusion und Oxidation gebildet worden ist. Bei der abschließenden thermischen Behandlung wird dann die Diffusion dieser Dotierstoffe verstärkt.
  • Es ist ebenso möglich, dass das Halbleitersubstrat bereits vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest bereichsweise Strukturen, z.B. in Form einer Maskierung, aufweist, die eine thermische Oxidation des Halbleitersubstrats in diesen Bereichen unterdrücken oder behindern.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass bei dem Verfahren durch Anreicherung von Verunreinigungen in dotierten Bereichen im Halbleitersubstrat ein Getterprozess durchgeführt wird. Dies ist insbesondere bei der Dotierung mit Phosphor im thermischen Prozess möglich. Gettern findet bei der Phosphordiffusion als Nebeneffekt statt. Die Verunreinigungen diffundieren in die Bereiche hoher Phosphorkonzentrationen, da sie dort besser löslich sind als im übrigen Volumen. Dort nehmen sie weniger Einfluss auf das Halbleiterbauelement. Bei einem reinen Oxidationsprozess, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, kommt es dagegen nicht zu einem Gettervorgang, sodass hier sehr hohe Reinheitsanforderungen eingehalten werden müssen. Somit weist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Stand der Technik auch den Vorteil auf, dass hinsichtlich der Reinheitsbedingungen nicht derartig hohe Anforderungen einzuhalten sind, was auf den parallel ablaufenden Gettervorgang zurückzuführen ist.
  • Erfindungsgemäß wird ebenso ein dotiertes und oxidiertes Halbleitersubstrat bereitgestellt, das nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist.
  • Verwendung findet das zuvor beschriebene Verfahren insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen.
  • Die Erfindung soll im Folgenden an dem konkreten Beispiel von einem Bor-dotierten Siliciumsubstrat als Halbleitersubstrat und einem phosphorhaltigen Siliciumdioxid als Dotierstoffquelle dargestellt werden.
  • Der Siliciumwafer 1 wird beispielsweise in einer sog. PECVD-Beschichtungsanlage mit einem Phosphorhaltigen Siliciumoxid 2 einseitig beschichtet (1).
  • Das Siliciumoxid 2 dient als Phosphorquelle und Schicht 3 als Barriere gegen austretenden Phosphor. Die andere Seite der Scheibe verbleibt unbeschichtet. Die so beschichtete Scheibe kann nun noch gereinigt werden, um die unbeschichtete Seite für den nachfolgenden thermischen Prozess vorzubehandeln. Diese Reinigung kann nass- oder trockentechnisch durchgeführt werden. Sind in dieser Reinigung Schritte enthalten, die die Schicht 3 angreifen, sind diese Schritte so kurz zu wählen, dass die Eigenschaft der Schicht 3 als Diffusionsbarriere zu dienen nicht verloren geht. Entsprechend kann auch die Schicht geeignet dick ausgebildet werden.
  • Anschließend erfolgt nun ein Hochtemperaturschritt. Dieser Schritt ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass auf der mit Schicht 2 beschichteten Seite der Phosphor aus Schicht 2 in das Silicium eindringt und eine geeignete Dotierkonzentration 4 in dem Wafer erreicht wird. Simultan bildet sich auf den nicht beschichteten Bereichen des Wafers ein thermisch gewachsenes Siliciumdioxid 5 aus (2). Dieses Siliciumdioxid entsteht, wenn die Atmosphäre in dem Ofen, in welchem der Hochtemperaturprozess durchgeführt wird, Sauerstoff enthält. Zusätzlich zum Sauerstoff können auch Wasserdampf oder andere geeignete Substanzen in der Atmosphäre enthalten sein, die den Oxidationsprozess ermöglichen oder vorteilhaft beeinflussen, beispielsweise beschleunigen. Die oben genannten Schichten 2 und 3 können auch zu einer Schicht zusammengefasst werden, die einen geeigneten Verlauf der Konzentration des Dotierstoffes aufweist, so dass verhindert wird, dass dieser in unerwünschtem Maße aus der Schicht in die Prozessatmosphäre austritt. Im Wesentlichen muss die Schicht lediglich auf geeignete Weise gewährleisten, dass die zu oxidierende Seite nicht durch austretenden Dotierstoff unvorteilhaft beeinflusst wird.
  • Wie bereits zuvor beschrieben, ist auch die bereichsweise Beschichtung möglich. Dies kann durch Verwendung entsprechender Masken oder auch durch gezieltes Rückätzen erfolgen. In 3 ist ein Siliciumwafer 1 vor der thermischen Behandlung zur simultanen Diffusion und Oxidation dargestellt. Eine erste Oberfläche weist hier Bereiche mit einer phosphorhaltigen Siliciumoxidschicht 2 auf. Das Siliciumoxid 2 dient dabei als Phosphorquelle. Gleichzeitig sind auf diesen Bereichen Deckschichten aus Siliciumdioxid 3 abgeschie den. Durch die thermische Behandlung zur Diffusion und Oxidation erhält man dann einen Aufbau, wie er in 4 dargestellt ist. Dieser Hochtemperaturschritt bewirkt, dass auf der mit Schicht 2 beschichteten Seite der Phosphor aus Schicht 2 in den Siliciumwafer 1 eindringt und eine geeignete Dotierkonzentration 4 in dem Wafer erreicht wird. Simultan bildet sich auf den nicht beschichteten Bereichen des Wafers ein thermisch gewachsenes Siliciumdioxid 5 aus.
  • Die oben beschriebene Erfindung kann auf vielfältige Weise, beispielsweise für die Herstellung von Solarzellen, eingesetzt werden. Zwei mögliche Prozessvarianten sind im Folgenden dargestellt:
  • Prozessvariante A
  • Es wird zunächst eine rückseitige geeignete Deckschicht aufgebracht und danach ein Ätzschritt durchgeführt, bei dem die Schichten 2 und 3 entfernt werden. Die Deckschicht schützt dabei die darunter liegende Schicht 5. Die Materialwahl für diese Schicht ist sehr frei. Die Schicht kann beispielsweise aus einem Dielektrikum, einem Metall, einer Keramik oder einem Schichtsystem bestehen. Anschließend wird auf der Vorderseite des Wafers eine Antireflexionsschicht 7 abgeschieden (5).
  • Danach wird mit einem geeigneten Verfahren, z.B. mit einem Laser, das rückseitige Schichtsystem lokal geöffnet (6).
  • Anschließend wird mit einem geeigneten Verfahren auf der Vorderseite und auf der Rückseite in frei wählbarer Reihenfolge eine geeignete Kontaktpaste angeordnet, z.B. mittels Siebdruck. Es können auf der Rück seite auch Pasten kombiniert werden, die eine einfache spätere Verschaltung der Solarzellen in Modulen erlauben (7).
  • Im darauf folgenden Schritt werden die Kontakte ausgebildet, indem die Siliciumscheibe einem geeigneten thermischen Prozess ausgesetzt wird. Dieses sog. Kontaktsintern kann beispielsweise in einem Sinterofen durchgeführt werden, wie er bereits jetzt in der Solarzellenproduktionstechnologie bekannt ist (8).
  • Der Herstellungsprozess der Solarzelle ist nun im Wesentlichen abgeschlossen. Auch hier können weitere Prozessschritte ein- oder angefügt werden, mit denen das Bauelement veredelt wird. Beispielsweise können eingangs nasschemische Oberflächenvorbehandlungen stattfinden, um die Reflexion der Siliciumscheibe durch eine sog. Texturierung zu reduzieren. Darüber hinaus können thermische Ausheilschritte oder Laserprozesse zur Kantenisolation angewendet werden.
  • Prozessvariante B
  • Nach Abscheidung der Antireflexionsschicht gemäß 3 in Variante A, wird hier die Kontaktpaste auf der Vorderseite angeordnet. Die Scheibe wird anschließend in einem geeigneten thermischen Prozess behandelt, wobei sich der Vorderseitenkontakt ausbildet (9).
  • Anschließend wird auf der Rückseite der Solarzelle eine geeignete Metallschicht angeordnet. Dieser Schritt kann auch mit dem vorherigen kombiniert werden. Es ist allerdings hier wesentlich, dass die Metallschicht die darunter liegende Schichtfolge nicht bis zum Silicium durchdringt (10).
  • Abschließend wird die rückseitige Metallschicht mit einem Laser derart bearbeitet, dass sie an dafür vorgesehenen Bereichen die darunter liegende Schichtfolge durchdringt und einen elektrischen Kontakt zum Silicium herstellt. Ist die Metallschicht beispielsweise aluminiumhaltig, so kann sie auch eine lokale p++ Dotierung an den Stellen der Laserbearbeitung ausbilden (11).
  • Der Herstellungsprozess der Solarzelle ist nun im Wesentlichen abgeschlossen. Auch hier können weitere Prozessschritte ein- oder angefügt werden, mit denen das Bauelement veredelt wird. Beispielsweise können eingangs nasschemische Oberflächenvorbehandlungen stattfinden, um die Reflexion der Siliciumscheibe durch eine sog. Texturierung zu reduzieren. Darüber hinaus können thermische Ausheilschritte oder Laserprozesse zur Kantenisolation angewendet werden.

Claims (30)

  1. Verfahren zur simultanen Dotierung und Oxidation von Halbleitersubstraten, bei dem zumindest eine Oberfläche des Halbleitersubstrats zumindest bereichsweise mit mindestens einer mindestens einen Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet wird und anschließend durch eine thermische Behandlung in einer ein Oxidationsmittel für das Halbleitermaterial enthaltenden Atmosphäre eine Diffusion des Dotierstoffs in das Volumen des Halbleitersubstrats ermöglicht und eine Oxidation der nicht mit der Dotierstoff-Schicht beschichteten Oberflächenbereiche des Halbleitersubstrats erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dotierstoff enthaltende Schicht aus einem Material besteht oder ein Material enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus amorphem Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Tantaloxid, dielektrische Materialien, keramische Materialien, Materialien enthaltend organischen Verbindungen, die im Diffusionsprozess chemisch veränderbar sind, nicht-stöchiometrischen Abwandlungen dieser Materialien und Mischungen dieser Materialien.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Phosphor, Bor, Arsen, Aluminium und Gallium.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dotierstoff enthaltende Schicht einen Konzentrationsgradienten hinsichtlich des Dotierstoffs aufweist, wobei in dem dem Halbleitersubstrat zugewandten Bereich eine höhere Dotierstoff-Konzentration herrscht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats mit mindestens einer mindestens einen Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet wird und anschließend durch eine thermische Behandlung in einer ein Oxidationsmittel für das Halbleitermaterial enthaltenden Atmosphäre eine Diffusion des Dotierstoffs in das Volumen des Halbleitersubstrats ermöglicht und eine Oxidation der nicht mit der Dotierstoff-Schicht beschichteten Oberflächen des Halbleitersubstrats erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche des Halbleitersubstrats bereichsweise mit mindestens einer mindestens einen Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet wird und anschließend durch eine thermische Behandlung in einer ein Oxidationsmittel für das Halbleitermaterial enthaltenden Atmosphäre eine Diffusion des Dotierstoffs in das Volumen des Halbleitersubstrats ermöglicht und eine Oxidation der nicht-beschichteten Oberflächenbereiche des Halbleitersubstrats erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat vor der Beschichtung mit der den Dotierstoff enthaltenden Schicht zumindest bereichsweise behandelt wurde.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Beschichtung mit der den Dotierstoff enthaltenden Schicht und vor der thermischen Behandlung mindestens ein weiterer Behandlungsschritt des Halbleitersubstrats erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsschritte ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus einer nasschemischen oder trockenchemischen Bearbeitung, einer thermischen Bearbeitung, einer Beschichtung, einer mechanischen Bearbeitung, einer lasertechnischen Bearbeitung, einer Metallisierung, einer Siliciumbearbeitung, einer Reinigung, einer nass- oder trockenchemischen Texturierung, einer Beseitigung der Texturierung sowie Kombinationen aus den genannten Behandlungsschritten.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleitersubstrat mindestens eine weitere Beschichtung aufgebracht ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Dotierstoff enthaltende Schicht auf der vom Halbleitersubstrat abgewandten Seite mit einer Deckschicht als Diffusionsbarriere für den Dotierstoff versehen ist.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus einem Material besteht oder ein Material enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus amorphem Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Tantaloxid, dielektrische Materialien, keramische Materialien, Materialien enthaltend organischen Verbindungen, die im Diffusionsprozess chemisch veränderbar sind, nichtstöchiometrischen Abwandlungen dieser Materialien und Mischungen dieser Materialien.
  13. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht mehrlagig aufgebaut ist.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Beschichtung in der Weise erfolgt, dass das Beschichtungsmaterial in flüssiger oder pastöser Form auf dem Halbleitersubstrat oder bereits vorliegenden Beschichtungen abgeschieden wird.
  15. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedene Schicht getrocknet sowie anschließend in eine glasartige Konsistenz überführt wird.
  16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Beschichtungsmaterials durch Aufschleudern, Sprühen, Tauchbeschichten, Drucken und/oder CVD erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Beschichtungsmaterial aus einem Sol-Gel besteht.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Halbleitersubstrat und der mindestens einen Dotier stoff-Schicht mindestens eine weitere Schicht aufgebracht ist, durch die die Diffusion des Dotierstoffs in das Volumen des Halbleitersubstrats nicht vollständig unterdrückt wird.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung in einem Rohrofen oder einem Durchlaufofen erfolgt.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 1150 °C durchgeführt wird.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine trockene Oxidation unter Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel durchgeführt wird.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine feuchte Oxidation unter Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel in Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt wird.
  23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Oxida tion eingesetzte Atmosphäre weitere Verbindungen zur Steuerung der Oxidation oder zur Reinhaltung der Atmosphäre, insbesondere trans-1,2-Dichlorethen enthält.
  24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid besteht.
  25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat mit Phosphor, Bor, Arsen, Aluminium und/oder Gallium dotiert ist.
  26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat in den oberflächennahen Bereichen neben bereits vorhandenen Dotierungen höchstens eine geringfügige Dotierung aufweist, die aus der zuvor abgeschiedenen Dotierstoffquelle stammt und durch eine zusätzliche thermische Behandlung vor der simultanen Diffusion und Oxidation gebildet worden ist.
  27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat zumindest bereichsweise Strukturen aufweist, die eine thermische Oxidation des Halb leitersubstrats in diesen Bereichen unterdrücken oder behindern.
  28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren ein Getterprozess durch Anreicherung von Verunreinigungen in den dotierten Bereichen im Halbleitersubstrat erfolgt.
  29. Dotiertes und oxidiertes Halbleitersubstrat herstellbar nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  30. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 28 zur Herstellung von Solarzellen.
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