DE102019119208A1

DE102019119208A1 - Process, in particular for passivating a surface of a semiconductor material, and semiconductor substrate

Info

Publication number: DE102019119208A1
Application number: DE102019119208.0A
Authority: DE
Inventors: Jens-Uwe Fuchs; Viet Xuan Nguyen; Johannes Ziegler; Osama Tobail; Thomas Pernau; Daniela Seiffert; Josef Haase; Lars Guggolz; Sebastian Hubertus Schulz
Original assignee: Centrotherm International AG
Current assignee: Centrotherm International AG
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Verfahren, bei welchem auf einem Halbleitermaterial, insbesondere einem Siliziummaterial, eine Aluminiumoxidschicht abgeschieden wird, sowie Halbleitersubstrat.Method in which an aluminum oxide layer is deposited on a semiconductor material, in particular a silicon material, and semiconductor substrate.

Description

Aus WO 2018/050171 A1 sind in situ Kombinationsschichten von AlOx, SiONx und SiNx bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus dass die Schichtfolge in einer Anlage, ohne Bruch des Vakuums und ohne Umsortieren der Wafer abgeschieden werden kann.Out WO 2018/050171 A1 Combination layers of AlOx, SiONx and SiNx are known in situ. The known method is distinguished by the fact that the layer sequence can be deposited in one system without breaking the vacuum and without re-sorting the wafers.

Aus der Publikation „Silicon Surface Passivation by Industrial Low Frequency PECVD Films - Properties and Performance of SiCx and SiOxNy“ von R. Petres et al. anlässlich der 24. EUPVSEC 2009 sind SiC Schichten bekannt, die der Fachmann auf der in der deutschen Patentanmeldung Nr. 102016117541.2 bzw. WO 2018/050171 A1 beschriebenen PECVD Anlage abscheiden kann. Diese Schichten sind aber nicht zur industriellen Anwendung geeignet da sie eine parasitäre Belegung des Waferträgers verursachen die bei typischer Nutzung zu einem Ausfall des Waferträgers nach 50-100 Beschichtungsfahrten führen. Aufgrund ihrer chemischen Resistenz sind die SiC Schichten nicht durch übliche Reinigungsverfahren ablösbar, der Waferträger kann nicht wie üblich gereinigt und wiederverwendet werden. Damit sind die bisher bekannten SiC Schichten nicht wirtschaftlich nutzbar.From the publication "Silicon Surface Passivation by Industrial Low Frequency PECVD Films - Properties and Performance of SiCx and SiOxNy" by R. Petres et al. on the occasion of the 24th EUPVSEC 2009, SiC layers are known, which the person skilled in the art on the in the German patent application No. 102016117541.2 or WO 2018/050171 A1 described PECVD system can separate. However, these layers are not suitable for industrial use because they cause a parasitic coating on the wafer carrier which, in typical use, leads to failure of the wafer carrier after 50-100 coating runs. Due to their chemical resistance, the SiC layers cannot be removed by conventional cleaning processes, the wafer carrier cannot be cleaned and reused as usual. This means that the previously known SiC layers cannot be used economically.

centrotherm hat aufgrund der hohen chemischen Resistenz die SiC Schichten weiterentwickelt und bietet diese Schichten optional als Grundbeschichtung für Waferträger aus Graphit an. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer der Waferträger im PECVD-Prozess. Diese Schichten wurden optimiert und sind in in der deutschen Patentanmeldung Nummer 102017131040.1 als Beschichtung zur Standzeiterhöhung der Pumpe bekannt.Due to its high chemical resistance, centrotherm has further developed the SiC layers and offers these layers as an optional base coating for graphite wafer carriers. This extends the lifespan of the wafer carrier in the PECVD process. These layers have been optimized and are known in German patent application number 102017131040.1 as a coating for increasing the service life of the pump.

Die WO 2018/050171 A1 beschriebenen AlOx-SiONx Kombinationsschichten haben eine nach derzeitigem Stand der Technik ausreichende Resistenz gegen Potenzialinduzierte Degradation (potential induced degradation PID) der fertigprozessierten Solarzellen, werden aber durch SiC Schichten erreicht oder übertroffen. Außerdem haben SiONx Schichten Nachteile durch hohen Verbrauch an Lachgas, parasitäre Erzeugung von SiO2 Stäuben (Pumpenschäden) und geringe Abscheiderate. Reine SiC Schichten wären aufgrund ihrer Bandlücke als extrem PID-resistenter Ersatz für SiONx Schichten ideal geeignet, kommen aber nicht in Betracht weil sie die Reinigung der Waferträger behindern. Zusätzlich ist gewünscht, die in der deutschen Patentanmeldung Nummer 102017131040.1 beschriebenen Schichten zur Schonung der Vakuumpumpe innerhalb einer normalen (produktiven) Beschichtungsfahrt anzuwenden und nicht wie in der deutschen Patentanmeldung Nummer 102017131040.1 vorgesehen in extra Konditionierungsfahrten, die die nutzbare produktive Zeit der Beschichtungsanlage reduzieren.The WO 2018/050171 A1 AlOx-SiONx combination layers described have sufficient resistance against potential-induced degradation (PID) of the finished processed solar cells according to the current state of the art, but are achieved or surpassed by SiC layers. In addition, SiONx layers have disadvantages due to high consumption of nitrous oxide, parasitic generation of SiO2 dusts (pump damage) and low deposition rate. Due to their band gap, pure SiC layers would be ideally suited as an extremely PID-resistant replacement for SiONx layers, but are out of the question because they hinder the cleaning of the wafer carrier. In addition, it is desired that in the German patent application number 102017131040.1 to apply the layers described to protect the vacuum pump within a normal (productive) coating run and not as in the German patent application number 102017131040.1 provided in extra conditioning runs that reduce the usable productive time of the coating system.

Die zentrale Idee zur Lösung des Problems besteht in Folgendem: Es wurden SiC Schichten mit nicht-stöchiometrischer Zusammensetzung entwickelt, die einerseits eine ausreichend große Bandlücke aufweisen, aber immer noch mit üblichen Reinigungsmethoden (nasschemisches Ätzen) entfernbar sind. Diese Schichten sind Bestandteil von in-situ abgeschiedenen AlOx-SiC-SiNx Kombinationsschichten Die Entwicklung wurde in insgesamt 4 Testphasen über 5 Monate durchgeführt. Die Schichten wurden elektronisch vermessen und als geeigneter Ersatz für SiONx Schichten identifiziert. Die Schichteigenschaften sind über einen weiten Bereich einstellbar, da insbesondere auch SiC-SiNx Kombinationsschichten möglich sind. Dadurch können Bandlücke = PID-Resistenz und Ätzbarkeit getrennt eingestellt werden, insbesondere eine gute Ätzbarkeit bei großer Bandlücke und geringer Absorption im IR. Die Abscheideparameter zur Herstellung der SiC Komponente in den Kombinationsschichten unterscheiden sich deutlich von den Abscheideparametern für nach dem Stand der Technik bekannte. Insbesondere ist die Zusammensetzung nicht technisch naheliegend und auch nicht in einer üblichen Parametervariation von Schichten nach Stand der Technik erreichbar.The central idea for solving the problem is as follows: SiC layers with a non-stoichiometric composition have been developed, which on the one hand have a sufficiently large band gap, but can still be removed using conventional cleaning methods (wet chemical etching). These layers are a component of in-situ deposited AlOx-SiC-SiNx combination layers. The development was carried out in a total of 4 test phases over 5 months. The layers were measured electronically and identified as a suitable replacement for SiONx layers. The layer properties can be adjusted over a wide range, since in particular SiC-SiNx combination layers are also possible. As a result, band gap = PID resistance and etchability can be set separately, in particular good etchability with a large band gap and low absorption in the IR. The deposition parameters for the production of the SiC component in the combination layers differ significantly from the deposition parameters for those known according to the prior art. In particular, the composition is not technically obvious and also cannot be achieved in a conventional parameter variation of layers according to the prior art.

Es wurden SiC Schichten mit nicht-stöchiometrischer Zusammensetzung entwickelt, die einerseits eine ausreichend große Bandlücke aufweisen, andererseits mit üblichen Reinigungsmethoden (nasschemisches Ätzen) verträglich sind. Die Zusammensetzung der Prozessgase wurde angepasst. Beispielsweise können verwendet werden Trimethylaluminium und Lachgas bzw. Silan, Ammoniak und Lachgas, Methan und Silane. Um eine ausreichende Homogenität zur gleichmäßigen Beschichtung der Waferoberfläche zu erreichen, musste die Einkopplung der HF Leistung deutlich angepasst werden. In der deutschen Patentanmeldung Nummer 102017131040.1 wurde die Beschichtung eines unbeladenen Waferträgers mit nur 5,1 m² zu beschichtender Oberfläche beschrieben. Der mit Wafern beladene Waferträger erreicht hingegen mit 11,6 m² Fläche etwas mehr als doppelt so viel. Zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Abscheiderate musste die eingekoppelte Leistungsdichte von ca. 80 W/m² gehalten werden. Das ist durch Sollwerterhöhung am HF Generator möglich. Die durch die reine Leistungserhöhung erzielte Homogenität der Beschichtung ist jedoch unzureichend. Es muss auch das Tastverhältnis der gepulsten HF Leistung angepasst werden.
Die nunmehr auf großer Fläche erreichbaren SiC Schichten sind Bestandteil von in-situ abgeschiedenen AlOx-SiC-SiNx Kombinationsschichten.SiC layers with a non-stoichiometric composition have been developed which on the one hand have a sufficiently large band gap and on the other hand are compatible with conventional cleaning methods (wet chemical etching). The composition of the process gases has been adjusted. For example, trimethyl aluminum and laughing gas or silane, ammonia and laughing gas, methane and silanes can be used. In order to achieve sufficient homogeneity for the uniform coating of the wafer surface, the coupling of the HF power had to be adjusted significantly. In the German patent application number 102017131040.1 describes the coating of an unloaded wafer carrier with a surface of only 5.1 m ² to be coated. The wafer carrier loaded with wafers, on the other hand, achieves slightly more than twice as much with an area of 11.6 m ² . In order to maintain a sufficient deposition rate, the coupled power density of approx. 80 W / m ^{2 had} to be maintained. This is possible by increasing the setpoint on the HF generator. However, the homogeneity of the coating achieved through the mere increase in performance is insufficient. The pulse duty factor of the pulsed RF power must also be adjusted.
The SiC layers that can now be reached over a large area are part of in-situ deposited AlOx-SiC-SiNx combination layers.

Alternativ oder ergänzend zur Anpassung des Tastverhältnisses kann bis max. ca. 10% der Gesamtflussmenge NH3 zugegeben werden. Dadurch wird das Brennverhalten und die Homogenität ebenfalls verbessert, bei minimal schlechteren elektronischen Eigenschaften der SiC Schicht.Alternatively or in addition to the adjustment of the duty cycle, up to max. approx. 10% of the total flow amount of NH3 are added. This ensures the burning behavior and homogeneity also improved, with minimally poorer electronic properties of the SiC layer.

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Schichten wird die PID-Resistenz der damit beschichteten Solarzellen erhöht. Der SiC-Anteil der AlOx-SiC Kombinationsschichten ist ausreichend, um eine lebensdauerverlängernde Wirkung auf die Pumpe zu erreichen. Außerdem reduzieren die SiC Schichten die Belastung der Prozesspumpe mit Oxid-Stäuben bzw. Oxid-Schichten, da die Prozessabgase reduzierend wirken. Die SiC Schicht in der AlOx-SiC Kombinationsschicht erzielt eine höhere Abscheiderate und höhere optische Dichte als bisher bekannte SiONx-Schichten, dadurch reduziert sich die Prozesszeit gegenüber dem bisher bekannten Standardprozess mit SiONx. Gleichzeitig wird durch SiC Anwendung während jeder produktiven Prozessfahrt eine höhere kumulierte SiC-Menge abgeschieden im Vergleich zu der SiC Anwendung in nicht-produktiven Konditionierungsfahrten gem. der deutschen Patentanmeldung Nummer 102017131040.1. Durch die Anwendung der SiC Schicht direkt im produktiven Prozess wird eine Schutzschicht für die Pumpe erreicht, die nicht vergessen oder unterdrückt werden kann (durch versehentliches bzw. absichtliches Auslassen der Konditionierungsfahrten).By using the layers according to the invention, the PID resistance of the solar cells coated with them is increased. The SiC content of the AlOx-SiC combination layers is sufficient to achieve a lifespan-increasing effect on the pump. In addition, the SiC layers reduce the load on the process pump with oxide dusts or oxide layers, since the process exhaust gases have a reducing effect. The SiC layer in the AlOx-SiC combination layer achieves a higher deposition rate and higher optical density than previously known SiONx layers, which reduces the process time compared to the previously known standard process with SiONx. At the same time, a higher cumulative amount of SiC is deposited during each productive process run compared to the SiC application in non-productive conditioning runs according to. German patent application number 102017131040.1. Using the SiC layer directly in the productive process creates a protective layer for the pump that cannot be forgotten or suppressed (by accidentally or deliberately omitting the conditioning runs).

Die Technologie ist unter anderem anwendbar bei allen AlOx-PECVD Anlagen, die mit einer CH4 Gaslinie ausgestattet sind bzw. nachgerüstet werden, insbesondere bei entsprechenden Anlagen der Firma centrotherm.The technology can be used, among other things, with all AlOx-PECVD systems that are equipped or retrofitted with a CH4 gas line, in particular with corresponding systems from centrotherm.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 2018/050171 A1 [0001, 0002, 0004]
DE 102017131040 [0004, 0006]

Claims

Method in which an aluminum oxide layer is deposited on a semiconductor material, in particular a silicon material.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that a silicon carbide layer is deposited on the semiconductor material, preferably on the aluminum oxide layer.

Procedure according to Claim 2 , characterized in that the silicon carbide layer is deposited in a non-stoichiometric composition.

Method according to one of the preceding claims, that a silicon nitride layer is deposited on the semiconductor material, preferably on the silicon carbide layer.

Procedure according to Claim 4 , characterized in that the silicon nitride layer is deposited in a non-stoichiometric composition.

Method according to one of the preceding claims, that a silicon carbide-silicon nitride combination layer is deposited.

Method according to one of the preceding claims, that an aluminum oxide-silicon carbide combination layer is deposited.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one layer, preferably all layers, are deposited by means of PECVD.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a surface of the semiconductor material is passivated by means of the deposited layers.

Semiconductor substrate, preferably silicon substrate, with a layer stack which has an aluminum oxide layer and a silicon carbide layer.

Semiconductor substrate after Claim 10 , characterized in that the layer stack has a silicon nitride layer.

Semiconductor substrate according to one of the Claims 10 to 11 , characterized in that the silicon carbide layer is arranged on the aluminum oxide layer.

Semiconductor substrate according to one of the Claims 11 to 12 , characterized in that the silicon nitride layer is arranged on the silicon carbide layer.