DE112012002807B4

DE112012002807B4 - Photovoltaische Einheit mit einer Multimetall-Halbleiter-Legierung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE112012002807B4
Application number: DE112012002807.4T
Authority: DE
Inventors: Qiang Huang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: DE112012002807T5; CN103797589A; US20130065345A1; US20130061917A1; US8884159B2; WO2013038334A1; CN103797589B

Abstract

Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Einheit, das aufweist:Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (10), das einen pn-Übergang mit einem p-leitenden Halbleiteranteil (10A) und einem n-leitenden Halbleiteranteil (10B) übereinander beinhaltet, wobei eine freiliegende Oberseite von einem der Halbleiteranteile eine Oberfläche (12) einer Vorderseite des Halbleitersubstrats (10) repräsentiert;Bilden von strukturierten Antireflexbeschichtungen (14') auf der Oberfläche (12) der Vorderseite des Halbleitersubstrats (10), um ein Gittermuster auf der Oberfläche der Vorderseite bereitzustellen, wobei das Gittermuster freiliegende Anteile (16) der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufweist;Bilden einer Schicht (18) aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung auf den freiliegenden Anteilen (16) der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats, wobei die Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung wenigstens ein erstes elementares Metall, das bei einer Wärmebehandlung bei einer ersten Temperatur eine Halbleiterlegierung bildet, sowie wenigstens ein zweites elementares Metall aufweist, das sich von dem ersten elementaren Metall unterscheidet und bei der ersten Temperatur keine Metall-Halbleiter-Legierung bildet; undelektrolytisches Abscheiden einer Kupfer enthaltenden Schicht (22) oben auf der Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung,wobei das Bilden der Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung auf den freiliegenden Anteilen (16) der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats ein elektrolytisches Abscheiden einer Multimetallschicht, die das erste und das zweite elementare Metall beinhaltet, sowie ein zweite Wärmebehandlung bei einer zweiten Temperatur aufweist, welche die gleiche wie oder höher als die erste Temperatur ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Einheit sowie auf ein Verfahren zum Herstellen derselben.
HINTERGRUND
Eine photovoltaische Einheit ist eine Einheit, welche die Energie von einfallenden Photonen in eine elektromorische Kraft (e.m.f., electromotive force) umwandelt. Typische photovoltaische Einheiten beinhalten Solarzellen, die so konfiguriert sind, dass sie die Energie in der elektromagnetischen Strahlung von der Sonne in elektrische Energie umwandeln. Jedes Photon weist eine Energie auf, die durch die Formel E = hv gegeben ist, in der die Energie E gleich dem Produkt aus der Planck-Konstanten h und der Frequenz v der mit dem Photon verknüpften elektromagnetischen Strahlung ist.
Ein Photon mit einer Energie, die größer als die Bindungsenergie der Elektronen einer Materie ist, kann mit der Materie wechselwirken und ein Elektron aus der Materie befreien. Wenngleich die Wahrscheinlichkeit für eine Wechselwirkung jedes Photons mit jedem Atom probabilistisch ist, kann eine Struktur mit einer ausreichenden Dicke aufgebaut werden, um eine Wechselwirkung von Photonen mit der Struktur mit einer hohen Wahrscheinlichkeit hervorzurufen. Wenn ein Elektron mittels eines Photons von einem Atom herausgeschlagen wird, wird die Energie des Photons in eine elektrostatische Energie und eine kinetische Energie des Elektrons, des Atoms und/oder des Kristallgitters, welches das Atom beinhaltet, umgewandelt. Es ist nicht notwendig, dass das Elektron eine ausreichende Energie aufweist, um aus dem ionisierten Atom zu entfliehen. In dem Fall eines Materials mit einer Bandstruktur ist es möglich, dass das Elektron lediglich einen Übergang in ein anderes Band vornimmt, um die Energie von dem Photon zu absorbieren.
Die positive Ladung des ionisierten Atoms kann auf dem ionisierten Atom lokalisiert bleiben oder kann in dem Gitter, welches das Atom beinhaltet, geteilt werden. Wenn die positive Ladung von dem gesamten Gitter geteilt wird, wodurch sie zu einer nichtlokalisierten Ladung wird, wird diese Ladung als ein Loch in einem Valenzband des Gitters beschrieben, welches das Atom beinhaltet. In ähnlicher Weise kann das Elektron nicht-lokalisiert sein und von sämtlichen Atomen in dem Gitter geteilt werden. Diese Situation tritt in einem Halbleitermaterial auf und wird als eine Photoerzeugung eines Elektron-Loch-Paars bezeichnet. Die Bildung von Elektron-Loch-Paaren und die Effizienz der Photoerzeugung sind von der Bandstruktur des bestrahlten Materials und der Energie des Photons abhängig. Für den Fall, dass das bestrahlte Material ein Halbleitermaterial ist, tritt eine Photoerzeugung auf, wenn die Energie eines Photons größer als die Energie der Bandlücke ist, d.h. als die Energiedifferenz des Leitungsbandes und des Valenzbandes.
Die Bewegungsrichtung von geladenen Teilchen, d.h. der Elektronen und der Löcher, in einem bestrahlten Material ist ausreichend zufällig (bekannt als „Diffusion“ von Ladungsträgern). Somit resultiert eine Photoerzeugung von Elektron-Loch-Paaren in der Abwesenheit eines elektrischen Feldes lediglich in einer Erwärmung des bestrahlten Materials. Ein elektrisches Feld kann jedoch die räumliche Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen unterbrechen, um die mittels der Photoerzeugung gebildeten Elektronen und Löcher nutzbar zu machen.
Ein exemplarisches Verfahren zur Bereitstellung eines elektrischen Feldes besteht darin, um das bestrahlte Material herum einen pn- oder einen pin-Übergang zu bilden. Aufgrund der höheren potentiellen Energie von Elektronen (entsprechend der niedrigeren potentiellen Energie von Löchern) in dem p-dotierten Material in Bezug auf das n-dotierte Material driften Elektronen und Löcher, die in der Nähe des pn-Übergangs erzeugt werden, zu dem n-dotierten beziehungsweise dem p-dotierten Bereich. Somit werden die Elektron-Loch-Paare systematisch gesammelt, um positive Ladungen an dem p-dotierten Bereich und negative Ladungen an dem n-dotierten Bereich bereitzustellen. Der pn- oder der pin-Übergang bildet das Kernstück dieses Art einer photovoltaischen Einheit, die eine elektromotorische Kraft bereitstellt, die eine Einheit, die mit dem positiven Knoten an dem p-dotierten Bereich und dem negativen Knoten an dem n-dotierten Bereich verbunden ist, mit Energie versorgen kann.
Die Mehrheit von Solarzellen, die gegenwärtig in der Produktion sind, sind auf der Grundlage von Siliciumwafern mit siebgedruckten Metallpasten als elektrischen Kontakten hergestellt. Siebdrucken ist aufgrund seiner Einfachheit im Prozessablauf und der Fähigkeit zu einem hohen Durchsatz attraktiv; der hohe Kontaktwiderstand, die hohen Kosten für die Paste, das Abschatten durch breite leitfähige Leitungen, der Prozessablauf bei hoher Temperatur sowie mechanische Ausbeuteverluste sind jedoch Nachteile, die selbst nach dreißig plus Jahren Forschung und Entwicklung nicht überwunden wurden.
Für Solarzellen in Laboratorien, die hochentwickelt sind und einen experimentellen hohen Wirkungsgrad aufweisen, können Metallisierungsprozesse auf der Grundlage von Vakuum bei unvermeidbaren höheren Kosten und einem geringen Durchsatz verwendet werden.
In jüngster Zeit wurde eine Metallisierung mit einem plattierten Kupfergitter berichtet. Das plattierte Kupfer kann jedoch leicht in die Silicium-Solarzellen diffundieren und die Leistungsfähigkeit der Solarzellen beeinträchtigen. Um diesen nachteiligen Effekt zu verhindern, wurden Diffusionsbarrieren eingesetzt, wie beispielsweise Nickelsilicid und/oder Nickel. Nickelsilicid kann einen guten Kontaktwiderstand zu Silicium bereitstellen und gleichzeitig bis zu einem gewissen Grad eine Kupferdiffusion verhindern. Eine Nickelschicht kann dazu verwendet werden, Haftungs- oder Diffusionseigenschaften zu verbessern. Selbst mit diesen Diffusionsbarrieren kann die Leistungsfähigkeit der Solarzellen jedoch weiterhin bei einer bestimmten erhöhten Temperatur oder nach einer bestimmten langen Betriebsdauer degradieren.
Darüber hinaus wird eine Kupfermetallisierung typischerweise unter Verwendung einer Elektroplattierung erreicht. Die elektroplattierte Ni-Schicht muss zusammenwachsend sein, um eine durchgehende Ni-Silicid-Schicht zu bilden. Daher ist die Ni-Schicht, die mittels Elektroplattieren gebildet wird, im Allgemeinen eine dicke Schicht. Des Weiteren kann die plattierte Ni-Schicht Schwankungen in ihrer Dicke aufweisen. Von daher bildet sich, wenn das plattierte Ni während des Silicidierungsprozesses vollständig in Ni-Silicium umgewandelt wird, ein vergleichsweise dickes Ni-Silicid oder eine Ni-Silicid-Schicht mit vergleichsweise großen Schwankungen der Dicke. Wenn das plattierte Ni lediglich teilweise in Ni-Silicid umgewandelt wird, indem der Silicidierungsprozess gesteuert wird, zum Beispiel die Temperatur, kann die Dicke des Ni-Silicids eine hohe Schwankung aufweisen, wenn das Substrat der Solarzelle Schwankungen in seinen Eigenschaften aufweist, was zu sowohl keinem Silicid als auch einem dicken Ni-Silicid an bestimmten unterschiedlichen Stellen führt. Dieses dicke Ni-Silicid kann dicker als der pn-Übergang in der Solarzelle sein, und als ein Ergebnis kann die Bildung eines dicken Ni-Silicids die Zelle schädigen.
Daher ist eine mit Kupfer metallisierte Solarzellenstruktur mit einem guten Kontaktwiderstand zwischen dem Metall und dem Halbleitersubstrat und eine weiter verbesserte Lebensdauer der Solarzelle notwendig.
Des Weiteren ist ein Verfahren zum Herstellen einer mit Kupfer metallisierten Solarzelle mit einer gleichmäßigen Metall-Silicid-Schicht notwendig. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere für Solarzellen mit einem Halbleitersubstrat notwendig, das große Schwankungen in seinen Eigenschaften aufweist.
Die DE 10 2008 033 223 A1 betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Kontakt-Struktur mit selektivem Emitter umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines flächig ausgebildeten Halbleiter-Substrats mit einer ersten Seite und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite, bereichsweises Abscheiden einer Keimschicht auf mindestens einer der Seiten des Halbleiter-Substrats, wobei die mindestens eine Keimschicht mindestens einen Dotierstoff zur Dotierung des Halbleiter-Substrats enthält, Tempern des Halbleiter-Substrats mit der Keimschicht zur Diffusion des Dotierstoffes aus der Keimschicht in das Halbleiter-Substrat. Die DE 10 2008 033 223 A1 betrifft ferner ein Halbleiter-Bauelement, insbesondere Solarzelle, umfassend ein flächig ausgebildetes Halbleiter-Substrat mit einer ersten Seite und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite, mindestens eine Kontakt-Struktur, welche auf mindestens einer der Seiten angeordnet und mit dem Halbleiter-Substrat elektrisch leitend verbunden ist, wobei das Halbleiter-Substrat in einem an die Kontakt-Struktur angrenzenden Bereich einen stärkeren Dotierungsgrad aufweist als außerhalb dieses Bereichs.
Die DE 10 2008 028 104 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kontaktstruktur eines Halbleiter-Bauelement, insbesondere einer Solarzelle, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Halbleiter-Substrats mit einer ersten Seite, einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite, mindestens einem p-dotierten Bereich und mindestens einem n-dotierten Bereich, zumindest abschnittsweises Metallisieren der Bereiche zur Herstellung - mindestens eines p-Kontakts in elektrischem Kontakt mit dem mindestens einen p-dotierten Bereich und mindestens eines n-Kontakts in elektrischem Kontakt mit dem mindestens einen n-dotierten Bereich, -wobei der mindestens eine p-Kontakt und der mindestens eine n-Kontakt gleichzeitig hergestellt werden.
Die DE 10 2009 022 018 A1 betrifft ein Metallisierungsverfahren zur Herstellung von Solarzellen aufweisend die Verfahrensschritte des Aufbringens eines dotierstoffhaltigen Mediums auf ein zu metallisierendes Solarzellensubstrat, des lokalen Erhitzens des Mediums zum Zweck einer lokalen Eindiffusion von Dotierstoff aus dem dotierstoffhaltigen Medium in das Solarzellensubstrat und des elektrochemischen Abscheidens eines Metalls auf Bereichen, in welche lokal Dotierstoff eindiffundiert wurde, wobei diese Bereiche als eine Elektrode für die elektrochemische Abscheidung verwendet werden, sowie Solarzelle.
Die Veröffentlichung „Phase Separation and Layer swuence Reversal During Silicide Formation with Ni-Cr alloys and Ni-Cr bilayers“ betrifft Festkörperreaktionen von dünnen Schichten aus Ni-Cr-Legierungen und Ni-Cr-Doppelschichten mit Si (APPELBAUM A., EINZENBERG M., BERNER R.: Phase Separation and Layer Sequence Reversal During Silicide Formation with Ni-Cr alloys and Ni-Cr bilayers. In: J. Appl. Phys.., 1984, Vol. 55, No. 4, S. 914-919).
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von einem Gesichtspunkt aus gesehen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Einheit bereit, die eine Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet ein Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, das einen pn-Übergang mit einem p-leitenden Halbleiteranteil und einem n-leitenden Halbleiteranteil übereinander beinhaltet, wobei eine freiliegende Oberseite von einem der Halbleiteranteile eine Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats repräsentiert. Auf der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats werden strukturierte Antireflexbeschichtungen gebildet, um ein Gittermuster auf der Oberfläche der Vorderseite bereitzustellen. Das Gittermuster beinhaltet freiliegende Anteile der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats. Auf den freiliegenden Anteilen der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats wird dann eine Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung gebildet. Die Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung beinhaltet wenigstens ein erstes elementares Metall, das bei einer Wärmebehandlung bei einer ersten Temperatur eine Halbleiter-Legierung bildet, sowie wenigstens ein zweites elementares Metall, das sich von dem ersten elementaren Metall unterscheidet und bei der ersten Temperatur keine Metall-Halbleiter-Legierung bildet. Anschließend wird eine Kupfer enthaltende Schicht oben auf der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung elektrolytisch abgeschieden. Das Bilden der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung auf den freiliegenden Anteilen der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats weist ein elektrolytisches Abscheiden einer Multimetallschicht, die das erste und das zweite elementare Metall beinhaltet, sowie eine zweite Wärmebehandlung bei einer zweiten Temperatur auf, welche die gleiche wie oder höher als die erste Temperatur ist.
Von einem anderen Gesichtspunkt aus gesehen, stellt die vorliegende Erfindung eine photovoltaische Einheit bereit. Die photovoltaische Einheit beinhaltet ein Halbleitersubstrat, das einen pn-Übergang mit einem p-leitenden Halbleiteranteil und einem n-leitenden Halbleiteranteil übereinander beinhaltet, wobei eine freiliegende Oberseite von einem der Halbleiteranteile eine Oberfläche einer Vorderseite des Halbleitersubstrats repräsentiert. Die Einheit beinhaltet des Weiteren strukturierte Antireflexbeschichtungen auf der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats, wobei die strukturierten Antireflexbeschichtungen einige Anteile der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats schützen, während sie andere Anteile der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats freiliegend belassen. Die anderen Anteile der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats, die freiliegend sind, bilden ein Gittermuster auf der Oberfläche der Vorderseite. Die Einheit beinhaltet noch weiter eine Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung, die sich auf den anderen Anteilen der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats befinden, die freiliegend sind. Gemäß diesem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung wenigstens ein erstes elementares Metall, das mit einem Halbleitermaterial eine Legierung bildet, sowie wenigstens ein zweites elementares Metall, das sich von dem ersten elementaren Metall unterscheidet und bei der gleichen Temperatur wie das erste elementare Metall keine Legierung mit dem Halbleitermaterial bildet. Die Multimetall-Halbleiter-Legierung weist eine unterste Oberfläche unter einer obersten Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats auf. Die photovoltaische Einheit beinhaltet außerdem eine optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht, die sich auf der Schicht aus der Metall-Halbleiter-Legierung befindet, sowie eine Kupfer enthaltende Schicht, die sich oben auf entweder der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung befindet. Die Kupfer enthaltende Schicht weist Seitenwände auf, die vertikal zusammenfallen mit Seitenwänden der Multimetall-Halbleiter-Legierung, und wobei das erste elementare Metall Ni ist, das zweite elementare Metall Co ist und die Metalldiffusionbarrierenchicht eine Legierung aus Ni und Co ist.
Figurenliste
Nunmehr werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen detailliert beschrieben, in denen:

1 eine bildhafte Darstellung (durch eine Querschnittansicht) ist, die eine anfängliche Struktur darstellt, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
2 eine bildhafte Darstellung (durch eine Querschnittansicht) ist, welche die anfängliche Struktur von 1 nach einem Bilden einer flächendeckenden Schicht einer Antireflexbeschichtung auf einer Oberfläche einer Vorderseite der anfänglichen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine bildhafte Darstellung (durch eine Querschnittansicht) ist, welche die Struktur von 2 nach einem Strukturieren der flächendeckenden Schicht der Antireflexbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei eine Vielzahl von strukturierten Antireflexbeschichtungen gebildet wird, die ein oder eine Vielzahl von offenen Gittermustern aufweisen;
4 eine bildhafte Darstellung (durch eine Querschnittansicht) ist, welche die Struktur von 3 nach einem Bilden einer Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung in das offene Gittermuster hinein gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 eine bildhafte Darstellung (durch eine Querschnittansicht) ist, welche die Struktur von 4 nach einem elektrolytischen Abscheiden, d.h. einem Elektroplattieren, einer optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht auf der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 eine bildhafte Darstellung (durch eine Querschnittansicht) ist, welche die Struktur von 5 nach einer elektrolytischen Abscheidung einer Kupfer enthaltenden Schicht auf einer Oberseite der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 eine graphische Darstellung des Stroms, I (mA/cm²), in Abhängigkeit vom Potential, E (V), für eine Solarzelle des Standes der Technik, die Si/NiSi/Ni/Cu enthält, nach einer Wärmebehandlung in N₂ bei 300 °C ist und
8 eine graphische Darstellung des Stroms, I (mA/cm²), in Abhängigkeit vom Potential, E (V), für eine Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Si/Ni_xCo_ySi/Ni/Cu enthält, nach einer Wärmebehandlung in N₂ bei 300 °C ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In einer bevorzugten Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine photovoltaische Einheit sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben. Spezieller beziehen sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine photovoltaische Einheit, wie beispielsweise eine Solarzelle, die eine Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung beinhaltet. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen außerdem Verfahren zum Bilden derselben bereit. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen außerdem Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Einheit bereit, die eine Schicht aus einer Einzelmetall-Halbleiter-Legierung enthält, die aus einer Multimetallschicht gebildet wird.
Nunmehr werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die photovoltaische Einheiten, wie beispielsweise Solarzellen, die eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweisen, insbesondere eine verbesserte Lebensdauer, sowie Verfahren zum Bilden derartiger Einheiten bereitstellen, unter Bezugnahme auf die folgende Erörterung und die Zeichnungen, welche die vorliegende Anmeldung begleiten, detaillierter beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen der vorliegenden Anmeldung für illustrative Zwecke bereitgestellt werden, und von daher sind die Zeichnungen nicht maßstäblich gezeichnet.
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise spezielle Strukturen, Komponenten, Materialien, Abmessungen, Prozessschritte und Techniken, um ein Verständnis von einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Für einen Fachmann ist jedoch ersichtlich, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen wurden allgemein bekannte Strukturen oder Prozessschritte nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung unklar gemacht werden.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element, wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat, als „auf“ oder „über“ einem weiteren Element liegend bezeichnet wird, dieses direkt auf dem weiteren Element liegen kann oder auch zwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind keine zwischenliegenden Elemente vorhanden, wenn ein Element als „direkt auf“ oder „direkt über“ einem weiteren Element liegend bezeichnet wird. Es versteht sich außerdem, dass, wenn ein Element als „unterhalb von“ oder „unter“ einem weiteren Element liegend bezeichnet wird, dieses direkt unterhalb von oder unter dem weiteren Element liegen kann oder zwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind keine zwischenliegenden Elemente vorhanden, wenn ein Element als „direkt unterhalb von“ oder „direkt unter“ einem weiteren Element liegend bezeichnet wird.
Nunmehr bezugnehmend auf 1, ist eine anfängliche Struktur 8 dargestellt, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die anfängliche Struktur 8 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 10, das eine Oberfläche 12 einer Vorderseite und eine Oberfläche 13 einer Rückseite aufweist, die entgegengesetzt zu der Oberfläche 12 der Vorderseite ist.
Das Halbleitersubstrat 10 kann irgendein Halbleitermaterial aufweisen, das Si, Ge, SiGe, SiC, SiGeC, GaAs, GaN, InAs, InP, CdTe, CuInSe₂, Cu(InGa)Se₂ und sämtliche weiteren II/V-, II/VI- oder I/III/VI-Verbindungshalbleiter beinhaltet, jedoch nicht darauf beschränkt ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Halbleitersubstrat 10 aus Silicium. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Halbleitersubstrat 10 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Halbleitersubstrat 10 aus einem multikristallinen Halbleitermaterial. In noch einer weiteren Ausführungsform besteht das Halbleitersubstrat 10 aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, zum Beispiel mit unterschiedlichen Energiebandlücken.
Das in 1 dargestellte Halbleitersubstrat 10 beinhaltet einen p-leitenden Halbleiteranteil 10A, der einen Dotierstoff vom p-Typ beinhaltet, sowie einen darüber liegenden n-leitenden Halbleiteranteil 10B, der einen Dotierstoff vom n-Typ beinhaltet. In einigen Ausführungsformen (nicht gezeigt) liegt der p-leitende Halbleiteranteil des Substrats über dem n-leitenden Halbleiteranteil. In einer derartigen Ausführungsform ist die Reihenfolge der Halbleiteranteile 10A und 10B umgekehrt zu jener gezeigten, d.h. der p-leitende Halbleiteranteil 10A befindet sich oben auf dem n-leitenden Halbleiteranteil 10B. Außerdem wird in einer derartigen Ausführungsform eine freiliegende Oberfläche des p-leitenden Halbleiteranteils 10A als die Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 verwendet. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Halbleiteranteile 10A und 10B eine gleichmäßige Dicke auf. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Halbleiteranteile 10A und 10B an verschiedenen Stellen unterschiedliche Dicken auf.
Der Ausdruck „Dotierstoff vom n-Typ“ wird in der vorliegenden Beschreibung durchweg dazu verwendet, ein Atom aus der Gruppe VA des Periodensystems der Elemente zu bezeichnen, die zum Beispiel P, As und/oder Sb beinhaltet. Der Ausdruck „Dotierstoff vom p-Typ“ wird in der vorliegenden Beschreibung durchweg dazu verwendet, ein Atom aus der Gruppe IIIA des Periodensystems der Elemente zu bezeichnen, die zum Beispiel B, Al, Ga und/oder In beinhaltet.
Die Konzentration des Dotierstoffs innerhalb des Halbleitermaterials kann in Abhängigkeit von dem endgültigen Verwendungszweck des Halbleitersubstrats und der Art des Dotierstoffatoms variieren, das eingesetzt wird. Der p-leitende Halbleiteranteil 10A des Halbleitersubstrats 10 weist typischerweise eine Konzentration des Dotierstoffs vom p-Typ von 1e15 Atomen/cm³ bis 1e17 Atomen/cm³ auf, wobei eine Konzentration des Dotierstoffs vom p-Typ von 5e15 Atomen/cm³ bis 5e16 Atomen/cm³ noch typischer ist. Der n-leitende Halbleiteranteil 10B des Halbleitersubstrats 10 weist typischerweise eine Konzentration des Dotierstoffs vom n-Typ von 1e16 Atomen/cm³ bis 1e22 Atomen/cm³ auf, wobei eine Konzentration des Dotierstoffs vom n-Typ von 1e19 Atomen/cm³ bis 1e21 Atomen/cm³ noch typischer ist. Der Flächenwiderstand des n-leitenden Halbleiteranteils 10B ist typischerweise größer als 50 Ohm/cm², wobei ein Bereich des Flächenwiderstands des n-leitenden Halbleiteranteils 10B von 60 Ohm/cm² bis 200 Ohm/cm² noch typischer ist.
Der Dotierstoff (vom n-Typ und/oder vom p-Typ) kann unter Verwendung von Techniken, die dem Fachmann allgemein bekannt sind, in ein anfänglich dotiertes oder undotiertes Halbleitermaterial eingebracht werden. Der Dotierstoff vom n-Typ und/oder vom p-Typ kann zum Beispiel mittels einer Ionenimplantation, einer Gasphasendotierung, einer Dotierung mit einem Laser, einer Dotierung mit einem Spray/Nebel einer flüssigen Lösung und/oder einer Ausdiffusion eines Dotierstoffatoms aus einer darüber liegenden Opferschicht aus einem Dotierstoffmaterial, die auf dem Substrat gebildet und nach dem Ausdiffusionsprozess entfernt werden kann, in das Halbleitermaterial eingebracht werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann (können) der (die) Dotierstoff(e) während der Bildung des Halbleitersubstrats 10 in dasselbe eingebracht werden. Zum Beispiel kann ein epitaxialer Wachstumsprozess in-situ dazu verwendet werden, ein dotiertes Halbleitersubstrat 10 zu bilden.
Die Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 kann nicht-texturiert oder texturiert sein. In Solarzellenanwendungen wird eine texturierte (d.h. speziell aufgeraute) Oberfläche verwendet, um die Effizienz der Lichtabsorption zu erhöhen. Die texturierte Oberfläche verringert den Bruchteil des einfallenden Lichts, der an die Reflexion verloren geht, relativ zu dem Bruchteil des einfallenden Lichts, der in die Zelle transmittiert wird, da Photonen, die auf die Seite eines angewinkelten Elements einfallen, auf die Seiten von angrenzenden angewinkelten Elementen reflektiert werden und somit eine weitere Chance haben, absorbiert zu werden. Darüber hinaus erhöht die texturierte Oberfläche die interne Absorption, da Licht, das auf eine angewinkelte Silicium-Oberfläche einfällt, typischerweise abgelenkt wird, um sich unter einem schrägen Winkel durch das Substrat auszubreiten, wodurch die Länge des Weges bis zum Erreichen der Rückseite des Substrats erhöht wird, ebenso wie es wahrscheinlicher gemacht wird, dass Photonen, die von der Rückseite des Substrats reflektiert werden, unter Winkeln auf die Vorderseite auftreffen, die kompatibel mit der internen Totalreflexion und einem Lichteinfang sind. Das Texturieren der Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 kann unter Verwendung üblicher Techniken durchgeführt werden, die auf dem Fachgebiet allgemein bekannt sind. In einer Ausführungsform kann eine Lösung auf der Grundlage von KOH dazu verwendet werden, die Oberfläche 12 der Vorderseite eines Halbleitersubstrats aus einkristallinem Silicium zu texturieren. In einer weiteren Ausführungsform kann eine HNO₃/HF-Lösung dazu verwendet werden, eine Waferoberfläche aus multikristallinem Silicium zu texturieren. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Texturieren erreicht werden, indem eine Kombination aus reaktivem lonenätzen (RIE) und einer Maske verwendet wird, die dicht gepackte selbstorganisierende Polymerkugeln aufweist.
Wenngleich die folgenden Zeichnungen und die folgende Beschreibung ein Bearbeiten des n-leitenden Halbleiteranteils 10B des Halbleitersubstrats 10 darstellt, kann die folgende Beschreibung auch auf ein Bearbeiten des p-leitenden Halbleiteranteils 10A des Halbleitersubstrats 10 in Ausführungsformen angewendet werden, in denen sich der p-leitende Halbleiteranteil 10A oben auf dem n-leitenden Halbleiteranteil 10B befindet.
Nunmehr bezugnehmend auf 2 ist die Struktur von 1 nach einem Bilden einer flächendeckenden Schicht einer Antireflexbeschichtung (ARC, AntiReflective Coating) 14 auf der Oberfläche 12 der Vorderseite des n-leitenden Halbleiteranteils 10B des Halbleitersubstrats 10 dargestellt. Wenngleich eine einzelne Beschichtung beschrieben und dargestellt ist, kann die ARC 14, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, mehr als eine Beschichtung beinhalten. Die flächendeckende Schicht der ARC 14, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, beinhaltet ein übliches ARC-Material, wie zum Beispiel eine anorganische ARC oder eine organische ARC. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das ARC-Material Siliciumnitrid auf. Die flächendeckende Schicht der ARC 14 kann unter Verwendung von Techniken gebildet werden, die dem Fachmann allgemein bekannt sind. Zum Beispiel kann eine ARC-Zusammensetzung unter Verwendung eines üblichen Abscheidungsprozesses, der zum Beispiel Rotationsbeschichtung, Tauchbeschichtung, Verdampfung, Abscheidung aus einer chemischen Lösung, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) beinhaltet, an der Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 (d.h. direkt auf die freiliegende Oberseite des n-leitenden Halbleiteranteils 10B) angebracht werden. Nach der Anbringung der ARC-Zusammensetzung, insbesondere jener aus einer flüssigen Phase, wird üblicherweise ein Ausheizschritt nach der Abscheidung eingesetzt, um unerwünschte Komponenten zu entfernen, wie beispielsweise ein Lösungsmittel, und um ein Quervernetzen zu bewirken. Der Ausheizschritt der ARC-Zusammensetzung nach der Abscheidung wird typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise immer, bei einer Temperatur von 80 °C bis 300 °C durchgeführt, wobei eine Ausheiztemperatur von 120 °C bis 200 °C noch typischer ist.
In einigen Ausführungsformen kann die ARC-Zusammensetzung, wie sie abgeschieden ist, einer Behandlung nach der Abscheidung unterworfen werden, um die Eigenschaften der gesamten Schicht oder der Oberfläche der ARC zu verbessern. Diese Behandlung nach der Abscheidung kann aus einer Wärmebehandlung, einer Einstrahlung einer elektromagnetischen Welle (wie beispielweise von ultraviolettem Licht), einem Teilchenstrahl (wie beispielsweise einem Elektronenstrahl oder einem lonenstrahl), einer Plasmabehandlung, einer chemischen Behandlung durch eine Gasphase oder eine flüssige Phase (wie beispielsweise einer Anbringung einer Monoschicht eines Oberflächenwandlers) oder irgendeiner Kombination derselben ausgewählt werden. Diese Behandlung nach der Abscheidung kann flächendeckend oder strukturartig sein.
Die Oberfläche 13 der Rückseite des p-leitenden Halbleiteranteils 10A des Halbleitersubstrats 10 kann an diesem Punkt in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bearbeitet werden, um einen elektrischen Kontakt aus Metall an der Oberfläche der Rückseite (nicht gezeigt) zu bilden. Wenn das Substrat 10 einen p-leitenden Halbleiteranteil oben auf einem n-leitenden Halbleiteranteil beinhaltet, repräsentiert die unterste Oberfläche des n-leitenden Halbleiteranteils die Oberfläche der Rückseite des Substrats, die so bearbeitet werden kann, dass sie einen elektrischen Kontakt aus Metall an der Oberfläche der Rückseite beinhaltet. In einer Ausführungsform kann der elektrische Kontakt aus Metall an der Oberfläche der Rückseite gebildet werden, indem eine metallische Paste, wie beispielsweise eine Al-Paste, eine Ag-Paste oder eine AlAg-Paste, an der Oberfläche 13 der Rückseite des Halbleitersubstrats 10 angebracht wird. Nach dem Anbringen der metallischen Paste wird die angebrachte metallische Paste auf eine erhöhte Temperatur erwärmt (typischerweise zwischen 700 °C und 900 °C), was bewirkt, dass die metallische Paste fließt und einen Bereich aus Metall an der rückwärtigen Oberfläche, d.h. den elektrischen Kontakt an der Oberfläche der Rückseite, der Struktur bildet.
Nunmehr bezugnehmend auf 3 ist die Struktur von 2 nach einem Strukturieren der flächendeckenden Schicht der ARC 14 dargestellt, bei dem eine Vielzahl von strukturierten Antireflexbeschichtungen (ARCs) 14' gebildet wird, die ein darin befindliches offenes Gittermuster 16 aufweisen. Wenngleich die Querschnittzeichnungen das Vorhandensein einer einzelnen Öffnung zeigen, die in der flächendeckenden Schicht der ARC 14 ausgebildet ist, kann eine Vielzahl derartiger Öffnungen ausgebildet sein, die ein Gittermuster an der Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 bereitstellen. In einer Ausführungsform kann die Vielzahl strukturierter ARCs 14' mittels Lithographie und Ätzen gebildet werden.
Der Lithographieprozess beinhaltet ein Anbringen eines Photoresists (nicht gezeigt) an einer Oberseite der flächendeckenden Schicht der ARC 14, ein Belichten des Photoresists mit einem gewünschten Strahlungsmuster und ein Entwickeln des belichteten Photoresists unter Verwendung eines üblichen Resistentwicklers. Somit wird ein strukturiertes Photoresist bereitgestellt. Die Struktur in dem Photoresist wird unter Verwendung eines Ätzprozesses, wie zum Beispiel eines Trockenätzvorgangs oder eines chemischen Nassätzvorgangs, auf die flächendeckende Schicht der ARC 14 transferiert. Nach dem Transferieren des Musters von dem strukturierten Photoresist auf die darunter liegende flächendeckende Schicht der ARC 14 wird das strukturierte Photoresist typischerweise unter Verwendung eines üblichen Resistablöseprozesses, wie zum Beispiel Veraschen, von der Struktur entfernt. In einer weiteren Ausführungsform kann die flächendeckende Schicht der ARC 14 unter Verwendung von Tintenstrahldrucken oder Laserablation strukturiert werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die freiliegende Oberfläche 12 der Vorderseite in dem offenen Gittermuster 16 weiter behandelt werden, um das Dotierniveau zu erhöhen. In diesen Fällen ist der obere Anteil des Halbleitermaterials dicker oder weist eine höhere Konzentration des Dotierstoffs unter dem freiliegenden Bereich der Oberfläche 12 der Vorderseite auf.
Nunmehr bezugnehmend auf 4 ist die Struktur von 3 nach einem Bilden einer Schicht 18 aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung in das offene Gittermuster 16 hinein dargestellt, d.h. oben auf die freiliegenden Anteile des n-leitenden Halbleiteranteils 10B des Halbleitersubstrats 10, die nicht von den strukturierten ARC-Schichten 14' bedeckt sind.
Wenngleich die folgenden Zeichnungen und die folgende Beschreibung die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung als eine Schicht aus einer Halbleiterlegierung mit zwei Metallelementen und einem Halbleiterelement darstellen, kann die folgende Beschreibung auch auf Strukturen und Prozesse angewendet werden, die eine Schicht aus einer Halbleiterlegierung mit mehr als zwei Metallelementen, z.B. drei, vier, fünf etc., und einem Halbleiterelement enthalten.
Es ist außerdem anzumerken, dass die folgende Beschreibung auch in Ausführungsformen verwendet werden kann, in denen eine Einzelmetall-Halbleiter-Legierung aus einer Multimetallschicht gebildet wird. In einer derartigen Ausführungsform ist lediglich das erste elementare Metall in der Halbleiterlegierung vorhanden. Wenn eine Schicht aus einer Einzelmetall-Halbleiter-Legierung gebildet wird, besteht die Schicht aus der Einzelmetall-Halbleiter-Legierung im Wesentlichen aus dem ersten elementaren Metall und einer Halbleiterkomponente; das zweite elementare Metall wird nach der Bildung der Metall-Halbleiter-Legierung aus der Struktur entfernt. Die hierin bereitgestellten Zeichnungen sind auch auf Fälle anwendbar, in denen eine Einzelmetall-Halbleiter-Legierung gebildet wird. In derartigen Fällen kann das Element 18 auch dazu verwendet werden, die Einzelmetall-Halbleiter-Legierung zu repräsentieren, die gebildet wird.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung wenigstens ein erstes elementares Metall, das bei einer ersten Temperatur mit einem Halbleitermaterial eine Legierung bildet, sowie wenigstens ein zweites elementares Metall, das sich von dem ersten elementaren Metall unterscheidet und das mit dem Halbleitermaterial bei der ersten Temperatur keine Legierung bildet. Das zweite elementare Metall kann mit einem Halbleitermaterial bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, eine Legierung bilden, oder das zweite elementare Metall bildet keine Legierung mit einem Halbleitermaterial. In Abhängigkeit von der Bedingung für die Bildung der Multimetall-Halbleiter-Legierung kann die Multimetall-Halbleiter-Legierung eine homogene einzelne Legierung mit beiden Metallelementen und einem Halbleiter, ein Gemisch von verschiedenen Metall-Halbleiter-Legierungen mit beiden Metallelementen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen oder ein Gemisch aus der Metall-Halbleiter-Legierung aus dem ersten Metallelement und dem zweiten elementaren Metall sein. Daher und in einigen Ausführungsformen der Erfindung kann somit die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung als eine Legierung aus einem ersten Metall und einem Halbleiter bezeichnet werden, die des Weiteren ein zweites elementares Metall beinhaltet, das nicht mit einem Halbleitermaterial legiert ist. Mit anderen Begriffen erklärt, kann die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung als eine Metall-Halbleiter-Legierung (bei der das erste elementare Metall mit einem Halbleitermaterial legiert ist) bezeichnet werden, die ein nicht-legiertes zweites elementares Metall innerhalb der Matrix der Metall-Halbleiter-Legierung enthält. Von daher kann das zweite elementare Metall, das in der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung vorhanden ist, als ein Dotierstoff oder ein Additiv betrachtet werden, der/das innerhalb der Matrix der Legierung aus dem ersten elementaren Metall und dem Halbleiter vorhanden ist.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das zweite elementare Metall in der vorstehenden Beschreibung ein zweites elementares Metall auf, das sich von dem ersten Metall unterscheidet und das bei der gleichen Temperatur wie das erste Metall keine Halbleiterlegierung bildet. In einer weiteren Ausführungsform kann das zweite elementare Metall zwei oder mehr zweite elementare Metalle aufweisen, die sich von dem ersten elementaren Metall unterscheiden und bei der gleichen Temperatur wie das erste elementare Metall keine Halbleiterlegierung bilden.
Die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung wird gebildet, indem eine Multimetallschicht (nicht gezeigt) auf den freiliegenden Anteilen des n-leitenden Halbleiteranteils 10B des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt wird, die nicht von den strukturierten ARC-Schichten 14' geschützt sind, und die Struktur anschließend einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur ausgesetzt wird, welche die gleiche wie oder höher als die erste Temperatur ist. Die Multimetallschicht beinhaltet wenigstens ein erstes elementares Metall, das bei einer ersten Temperatur mit einem Halbleitermaterial eine Legierung bildet, sowie wenigstens ein zweites elementares Metall, das bei der ersten Temperatur keine Legierung mit dem Halbleitermaterial bildet. In einer Ausführungsform kann das zweite elementare Metall bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, eine Legierung mit einem Halbleitermaterial bilden. In einer weiteren Ausführungsform bildet das zweite elementare Metall keinerlei Legierung mit einem Halbleitermaterial.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis des ersten elementaren Metalls in der Multimetallschicht (nicht gezeigt), das bei der ersten Temperatur eine Legierung mit einem Halbleitermaterial bildet, zu dem zweiten elementaren Metall, das bei der ersten Temperatur keine Legierung mit einem Halbleitermaterial bildet, von 10.000 : 1 bis 1 : 100. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis des ersten elementaren Metalls, das bei der ersten Temperatur eine Legierung mit einem Halbleitermaterial bildet, zu dem zweiten elementaren Metall, das bei der ersten Temperatur keine Legierung mit einem Halbleitermaterial bildet, von 100 : 1 bis 1 : 100. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis des ersten elementaren Metalls, das bei der ersten Temperatur eine Legierung mit einem Halbleitermaterial bildet, zu dem zweiten elementaren Metall, das bei der ersten Temperatur keine Legierung mit einem Halbleitermaterial bildet, von 10 : 1 bis 1 : 10.
In einer Ausführungsform reagiert das erste elementare Metall mit den Halbleiteratomen von dem darunter liegenden n-leitenden Halbleiteranteil 10B, wobei eine Metall-Halbleiter-Legierung gebildet wird, und das zweite elementare Metall reagiert nicht mit den Halbleiteratomen, sondern diffundiert in die Matrix der Metall-Halbleiter-Legierung des ersten elementaren Metalls hinein, was in einer Multimetall-Halbleiter-Legierung 18 mit der Metall-Halbleiter-Legierung des ersten elementaren Metalls und dem zweiten elementaren Metall innerhalb der Matrix derselben resultiert.
In einer weiteren Ausführungsform reagieren das erste elementare Metall und das zweite elementare Metall beide mit den Halbleiteratomen von dem darunter liegenden n-leitenden Halbleiteranteil 10B, wobei eine Multimetall-Halbleiter-Legierung 18 gebildet wird, wobei das erste und das zweite elementare Metall mit Halbleiterelementen legieren. In einer Ausführungsform weist die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung eine einzelne homogene Multimetall-Halbleiter-Legierung auf, die sowohl das erste als auch das zweite elementare Metall aufweist. In einer weiteren Ausführungsform weist die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung ein Gemisch von Metall-Halbleiter-Legierungen auf, die das erste und das zweite elementare Metall aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung ein Multimetall-Silicid auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung ein Multimetall-Germanid auf.
Das erste elementare Metall, das in der Multimetallschicht vorhanden ist, beinhaltet Ni, Co, Fe, Mo, Pt und Pd, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform ist das erste elementare Metall Ni. In einer weiteren Ausführungsform ist das erste elementare Metall Co. Das zweite elementare Metall, das in der Multimetallschicht vorhanden ist, beinhaltet Co, Fe, Mo, Pt, Pd, Ru, W, Zn, Sn und Ag, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Beispiele für Multimetallschichten, die verwendet werden können, beinhalten somit NiCo, NiPt, NiPd, CoPd, NiRu, CoRu, NiW und CoW, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele für Multimetallschichten, die mehr als ein zweites elementares Metall aufweisen, die verwendet werden können, beinhalten NiCoPt, NiCoPd, NiRuPd und NiCoW, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
In einigen Ausführungsformen und vor der elektrolytischen Abscheidung der Multimetallschicht können die freiliegende(n) Oberfläche(n) der Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung eines üblichen Reinigungsprozesses gereinigt werden, der dem Fachmann allgemein bekannt ist, der in der Lage ist, Oberflächenoxide und andere Kontaminationsstoffe von der (den) freiliegenden Oberfläche(n) des Halbleitermaterials zu entfernen. Zum Beispiel kann eine verdünnte HF-Lösung dazu verwendet werden, die freiliegende Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 zu reinigen.
Die Multimetallschicht (die nicht gezeigt ist) kann mittels einer elektrolytischen Abscheidung gebildet werden. Das elektrolytische Abscheidungsverfahren, das bei dem Bilden der Multimetallschicht eingesetzt wird, beinhaltet die Verwendung von irgendeiner üblichen Elektroplattiervorrichtung, die dem Fachmann allgemein bekannt ist. Eine elektrolytische Abscheidung, d.h. ein Elektroplattieren, ist ein Plattierprozess, bei dem Metallionen in einer Lösung durch ein elektrisches Feld bewegt werden, um eine Elektrode zu beschichten. Der Prozess verwendet einen elektrischen Strom, um Kationen eines gewünschten Materials aus einer Lösung zu reduzieren und ein leitfähiges Objekt mit einer dünnen Schicht aus dem Material zu beschichten, wie beispielsweise einem Metall. Bei der elektrolytischen Abscheidung, d.h. dem Elektroplattieren, ist der Teil, der zu plattieren ist, die Kathode des Schaltkreises. In Ausführungsformen der aktuellen Erfindung werden die freiliegenden Anteile der Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats 10 (d.h. entweder der n-leitende Halbleiteranteil 10B, wenn sich der n-leitende Halbleiteranteil oben auf dem p-leitenden Halbleiteranteil befindet, oder der p-leitende Halbleiteranteil, wenn sich der p-leitende Halbleiteranteil oben auf dem n-leitenden Halbleiteranteil befindet) als die Kathode des Schaltkreises eingesetzt. Die Anode, die in dem elektrolytischen Abscheidungsprozess eingesetzt wird, kann aus dem gleichen Metall wie das zu plattierende bestehen oder nicht. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die in 3 gezeigte Struktur in ein Elektroplattierbad (z.B. einen Elektrolyten) eingetaucht, das eine Anode und zwei gelöste Metallsalze (die nachstehend hierin weiter zu definieren sind) ebenso wie weitere Ionen enthält, die den Fluss von Elektrizität erlauben. Eine Leistungsversorgung führt der Anode einen Gleichstrom zu, und ein Plattieren tritt an der Kathode auf (d.h. der freiliegenden Oberfläche 12 der Vorderseite des Halbleitersubstrats).
Das Elektroplattierbad, das in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, beinhaltet zwei oder mehr Metallionen, um die Multimetallschicht zu plattieren. Die Quellen für die Metallionen stellen Metallionen bereit, die Ni, Co, Fe, Mo, Pt, Pd, W, Zn, Sn, Ag und Ru beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. In einer Ausführungsform wird Ni als ein erstes elementares Metall gewählt, das aus dem Elektroplattierbad zu plattieren ist, und Co, Pt, Pd, W, Mo oder Ru werden als ein zweites elementares Metall gewählt, das aus dem Elektroplattierbad zu plattieren ist. In einer weiteren Ausführungsform wird Ni als ein erstes elementares Metall gewählt, das aus dem Elektroplattierbad zu plattieren ist, und CoPt, CoPd, CoW, CoMo oder CoRu werden als ein zweites elementares Metall gewählt, das aus dem Elektroplattierbad zu plattieren ist.
Die eine oder die mehreren Quellen für die Metallionen, die in dem Elektroplattierbad vorhanden sein können, beinhalten Metallsalze. Die Metallsalze, die verwendet werden können, beinhalten Metallhalogenide, Metallnitrate, Metallsulfate, Metallsulfamate, Metallpyrophosphat, Metallalkansulfonate, Metallalkanolsulfonat, Metallcyanide, Metallacetate oder Metallcitrate, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Einige der verschiedenen Arten von Metallsalzen, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, werden nunmehr detaillierter beschrieben.
Nickel(Ni)-Salze, die in dem Elektroplattierbad verwendet werden können, beinhalten eines oder mehrere von Nickelchlorid, Nickelsulfamat, Nickelacetat, Nickelammoniumsulfat und Nickelsulfat, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Palladium(Pd)-Salze, die in dem Elektroplattierbad verwendet werden können, beinhalten eines oder mehrere von Palladiumchlorid, Palladiumnitrat, Palladiumsulfat und Natriumchlorpalladat, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Platin(Pt)-Salze, die verwendet werden können, beinhalten eines oder mehrere von Platintetrachlorid, Platinsulfat und Natriumchlorplatinat, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Cobalt(Co)-lonen beinhalten eines oder mehrere von Cobalthalogeniden, Cobaltnitraten, Cobaltsulfaten, Cobaltsulfamaten, Cobaltalkansulfonaten, Cobaltalkanolsulfonat, Cobaltpyrophosphat, Cobaltcyaniden, Cobaltacetaten und Cobaltcitraten, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Eisen(Fe)-lonen beinhalten eines oder mehrere von Eisenhalogeniden, Eisensulfaten, Eisensulfamaten, Eisenalkansulfonaten, Eisenalkanolsulfonat, Eisenpyrophosphat, Eisencyaniden, Eisenacetaten und Eisencitraten, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Wolfram(W)-Ionen beinhalten eines oder mehrere von Natriumwolframat und Kaliumwolframat, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Molybdän(Mo)-lonen beinhalten eines oder mehrere von Natriummolybdat, Ammoniummolybdat, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Zink(Zn)-lonen beinhalten eines oder mehrere von Zinkoxid, Zinkhalogeniden, Zinksulfaten, Zinksulfamaten, Zinkalkansulfonaten, Zinkalkanolsulfonat, Zinkpyrophosphat, Zinkcyaniden, Zinkacetaten und Zinkcitraten, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Zinn(Sn)-lonen beinhalten eines oder mehrere von Zinnoxid, Zinnhalogeniden, Zinnsulfaten, Zinnsulfamaten, Zinnalkansulfonaten, Zinnalkanolsulfonat, Zinnpyrophosphat, Zinncyaniden, Zinnacetaten und Zinncitraten, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Silber(Ag)-lonen beinhalten eines oder mehrere von Silbernitrat, Silbersulfaten, Silberacetaten und Silbercyanid, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Quellen für Ruthenium(Ru)-Ionen beinhalten eines oder mehrere von Rutheniumhalogeniden, Rutheniumsulfat und Rutheniumnitrohalogeniden, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Im Allgemeinen sind die Metallsalze derart in dem Elektroplattierbad enthalten, dass Metallionen in einem Konzentrationsbereich von 0,01 g/l bis 200 g/l liegen, oder wie beispielsweise von 0,5 g/l bis 150 g/l oder wie beispielsweise von 1 g/l bis 100 g/l oder wie beispielsweise von 5 g/l bis 50 g/l. Typischerweise sind Metallsalze derart in Mengen enthalten, dass die Metallionenkonzentrationen in einem Bereich von 0,01 bis 100 g/l liegen, noch typischer von 0,1 g/l bis 60 g/l.
Das Elektroplattierbad, das verwendet werden kann, kann ein oder mehrere übliche Verdünnungsmittel beinhalten. Typischerweise ist das Elektroplattierbad wässrig; wenn gewünscht, können jedoch übliche organische Verdünnungsmittel verwendet werden. Es können auch optionale übliche Elektroplattierbad-Additive enthalten sein. Derartige Additive beinhalten einen oder mehrere von Komplexbildnern, Aufhellern, Suppressoren, Tensiden, den pH-Wert einstellenden Verbindungen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Diese Additive können anorganische oder organische Verbindungen sein.
Alkalimetallsalze, die in dem Elektroplattierbad enthalten sein können, beinhalten Natrium- und Kaliumsalze von Halogenen, wie beispielsweise Chlorid, Fluorid und Bromid, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Typischerweise wird Chlorid verwendet. Derartige Alkalimetallsalze werden in üblichen Mengen verwendet.
Zusätzlich zu den Vorstehenden kann das Elektroplattierbad außerdem Härtemittel, Modifikatoren für die Formbarkeit, das Dehnvermögen und die Abscheidung und dergleichen beinhalten.
Der gemessene pH-Wert des Elektroplattierbads kann in einem Bereich von -1 bis 14 liegen oder wie beispielsweise von 0 bis 12. Typischerweise liegt der pH-Wert des Elektroplattierbads in einem Bereich von 0 bis 5 oder von 8 bis 12, noch typischer von 0 bis 3 oder von 9 bis 12. Es können übliche puffernde Verbindungen enthalten sein, um den pH-Wert des Elektroplattierbads zu steuern.
Die Elektroplattierbäder werden typischerweise in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 110 °C gehalten, wobei eine Temperatur von 20 °C bis 50 °C noch typischer ist. Die Plattiertemperaturen können in Abhängigkeit von dem zu plattierenden Metall variieren.
Der elektrolytische Abscheidungsprozess, der beim Bilden der Multimetallschicht eingesetzt wird, verwendet Stromkurvenverläufe, die dem Fachmann allgemein bekannt sind. In einer Ausführungsform kann der Stromkurvenverlauf anfänglich eine hohe Stromdichte beinhalten, und nach einer vorgegebenen Zeitspanne kann die Stromdichte auf eine niedrigere Stromdichte verringert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Stromkurvenverlauf anfänglich eine niedrige Stromdichte beinhalten, und nach einer vorgegebenen Zeitspanne kann die Stromdichte auf eine höhere Stromdichte erhöht werden. In noch einer weiteren Ausführungsform kann ein einziger Kurvenverlauf eingesetzt werden, um die Multimetallschicht zu plattieren.
Mit „niedriger Stromdichte“ ist eine Plattierdichte innerhalb eines Bereichs von 1 mA/cm² bis 20 mA/cm² gemeint. Mit „hoher Stromdichte“ ist eine Plattierdichte von mehr als 20 mA/cm² gemeint (ein allgemeiner Bereich für den Bereich hoher Stromdichte geht von mehr als 20 mA/cm² bis 200 mA/cm²). Die Erhöhung von dem Bereich niedriger Stromdichte zu dem Bereich hoher Stromdichte oder die Abnahme von dem Bereich hoher Stromdichte zu dem Bereich niedriger Stromdichte können eine kontinuierliche Rampe beinhalten oder können verschiedene Rampen- und Halte-Zyklen beinhalten, die eine Abfolge von konstanten Stromplateaus beinhalten.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Beleuchtung mit Licht dazu verwendet werden, die Nukleation und das Wachstum des Metalls während des elektrolytischen Abscheidungsprozesses zu erhöhen. Insbesondere kann eine Beleuchtung mit Licht in Ausführungsformen verwendet werden, bei denen Solarzellen oder photovoltaische Zellen herzustellen sind, um freie Elektronen zu erzeugen, die während des elektrolytischen Abscheidungsprozesses verwendet werden können. Wenn eine Beleuchtung mit Licht während des elektrolytischen Abscheidungsprozesses eingesetzt wird, kann irgendeine übliche Lichtquelle verwendet werden. Die Intensität des Lichts, die eingesetzt wird, kann variieren und ist typischerweise höher als 10 W/m², wobei eine Intensität des Lichts von 100 W/m² bis 500 W/m² noch typischer ist. Die Kombination des zuvor erwähnten Kurvenverlaufs und der Beleuchtung mit Licht ermöglicht, eine vollständige Bedeckung einer metallischen Dünnschicht auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats bereitzustellen, das in Solarzellenanwendungen verwendet wird.
Die Dicke der Multimetallschicht, die gebildet wird und beim Bilden der Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung verwendet wird, liegt typischerweise innerhalb des Bereichs von 20 nm bis 500 nm, wobei eine Dicke von 100 nm bis 300 nm noch typischer ist. In der vorliegenden Anmeldung können auch weitere Dicken eingesetzt werden, die oberhalb oder unterhalb der vorstehend erwähnten Dickenbereiche liegen.
Nach dem Bilden der Multimetallschicht und wie vorstehend erwähnt wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, die bewirkt, dass die Metallatome der Multimetallschicht mit Halbleiteratomen von dem darunter liegenden Halbleitersubstrat 10 reagieren, wobei die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung gebildet wird. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, welche die gleiche wie oder höher als die erste Temperatur ist, bei der das erste elementare Metall eine Legierung mit dem darunter liegenden Halbleitermaterial bildet. Die Wärmebehandlung kann in einem einzigen Schritt durchgeführt werden, oder es kann ein Wärmebehandlungsprozess mit mehreren Schritten verwendet werden. In einer Ausführungsform wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 250 °C oder höher durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 300 °C bis 700 °C durchgeführt. Die Wärmebehandlung kann in Luft, Formiergas, He, Ar, Ne, Kr, N₂ oder der Kombination derselben durchgeführt werden. Die Wärmebehandlung beinhaltet eine Wärmebehandlung in einem Ofen, eine schnelle thermische Wärmebehandlung, eine Spike-Wärmebehandlung, eine Mikrowellen-Wärmebehandlung oder eine Wärmebehandlung mit einem Laser. Typischerweise ist die Wärmebehandlung eine schnelle thermische Wärmebehandlung, eine Wärmebehandlung in einem Förderbandofen oder eine Wärmebehandlung in einem Ofen, bei der die Wärmebehandlungszeit typischerweise weniger als etwa 60 Minuten beträgt. Im Anschluss an den letzten Schritt der Wärmebehandlung wird jegliche Schicht aus nicht reagiertem Metall von der Struktur entfernt, indem ein Ätzprozess verwendet wird, der selektiv das nicht reagierte Metall von der Struktur entfernt.
Die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung, die nach der Wärmebehandlung ausgebildet ist, weist eine Dicke auf, die typischerweise von 10 nm bis 300 nm beträgt, wobei eine Dicke von 10 nm bis 150 nm noch typischer ist. In Abhängigkeit von der anfänglichen Dicke der Multimetallschicht, dem Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht und den Bedingungen der Wärmebehandlung, die dazu verwendet wird, die Multimetallschicht in die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umzuwandeln, sind auch weitere Dicken oberhalb und unterhalb der vorstehend erwähnten Bereiche möglich.
In einigen Ausführungsformen und wie in 4 gezeigt, ist die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung eine durchgehende Schicht. Mit „durchgehend“ ist gemeint, dass die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung, die gebildet wird, in der gesamten Länge des Substrats, auf dem sie gebildet wird, keine Unterbrechungen aufweist.
In einigen Ausführungsformen sind die Wärmebehandlungsbedingung, die anfängliche Dicke der Multimetallschicht sowie das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht derart, dass sämtliches erstes elementares Metall in der Multimetallschicht vollständig mit dem Halbleiter reagiert, ein gewisser Anteil des zweiten elementaren Metalls in die Halbleiterlegierung des ersten Metalls diffundiert und der nicht reagierte Anteil des zweiten elementaren Metalls nach der Wärmebehandlung entfernt wird.
In einigen weiteren Ausführungsformen sind die Wärmebehandlungsbedingung, die anfängliche Dicke der Multimetallschicht und das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht derart, dass lediglich ein gewisser Anteil des ersten elementaren Metalls in der Multimetallschicht mit dem Halbleiter reagiert, ein gewisser Anteil des zweiten elementaren Metalls in die Halbleiterlegierung des ersten Metalls diffundiert und der nicht reagierte Anteil des ersten elementaren Metalls und der nicht reagierte Anteil des zweiten elementaren Metalls nach der Wärmebehandlung entfernt werden.
In einigen weiteren Ausführungsformen sind die Wärmebehandlungsbedingung, die anfängliche Dicke der Multimetallschicht sowie das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht derart, dass sämtliches erstes elementares Metall und ein gewisser Anteil des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht mit dem Halbleiter reagieren und der nicht reagierte Anteil des zweiten elementaren Metalls nach der Wärmebehandlung entfernt wird.
In einigen weiteren Ausführungsformen sind die Wärmebehandlungsbedingung, die anfängliche Dicke der Multimetallschicht und das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht derart, dass ein gewisser Anteil des ersten elementaren Metalls und ein gewisser Anteil des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht mit dem Halbleiter reagieren und der nicht reagierte Anteil des ersten elementaren Metalls und der nicht reagierte Anteil des zweiten elementaren Metalls nach der Wärmebehandlung entfernt werden.
Das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung ist von der Wärmebehandlungsbedingung, der anfänglichen Dicke der Multimetallschicht und dem Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht abhängig. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls von 10.000 : 1 bis 1 : 100. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls von 100 : 1 bis 1 : 10. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls 10 : 1 bis 1 : 10.
Wie vorstehend angemerkt und in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Wärmebehandlungsbedingung, die anfängliche Dicke der Multimetallschicht und das Verhältnis des ersten und des zweiten elementaren Metalls in der Multimetallschicht derart, dass lediglich das erste elementare Metall in der Multimetallschicht mit dem Halbleiter reagiert, das zweite elementare Metall in der Metall-Halbleiter-Legierung nicht vorhanden ist und die Halbleiterlegierung eine Legierung aus einem einzigen Metall und einem Halbleiter ist.
Nunmehr bezugnehmend auf 5 ist die Struktur von 4 nach einem Bilden einer optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 innerhalb des Gittermusters und auf einer freiliegenden Oberfläche der Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 von der Struktur weggelassen werden. Die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 wird mittels einer elektrolytischen Abscheidung gebildet, d.h. mittels Elektroplattieren. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 dazu, die Diffusion von Kupfer von einer darüber liegenden, Kupfer enthaltenden Schicht zu erschweren, die nachfolgend zu bilden ist.
Die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20, die gebildet wird, beinhaltet ein anderes Metall oder eine andere Metalllegierung als Kupfer oder eine Kupferlegierung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung kann die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 aus Ni, Co, Zn, Pt, Ag, Pd, Sn, Fe, P, S, As, Sb, Mo, W, In oder Legierungen derselben bestehen. In einer weiteren Ausführungsform kann die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 aus Ni, Co, Zn, Pt, Fe oder Legierungen derselben bestehen. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 aus Ni oder einer Ni-Legierung bestehen. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 aus Co oder einer Co-Legierung bestehen. In jeglicher der vorstehend erwähnten Ausführungsformen beinhaltet die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 selbst kein Kupfer oder keine Kupferlegierung.
Das elektrolytische Abscheidungsverfahren, das beim Bilden der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 eingesetzt wird, ist das gleiche wie jenes vorstehend bei dem Bilden der Multimetallschicht beschriebene. Das Elektroplattierbad, das in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, beinhaltet eine oder mehrere Quellen von Metallionen, um die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 zu plattieren. Die eine oder die mehreren Quellen von Metallionen stellen Metallionen bereit, die Ni, Co, Zn, Pt, Ag, Pd, Sn, Fe, P, S, As, Sb, Mo, W und In beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Legierungen, die elektrolytisch abgeschieden (oder plattiert) werden können, beinhalten binäre und ternäre Legierungen der vorstehenden Metalle, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform werden Metalle, die aus Ni, Co, Zn, Pt und Fe ausgewählt werden, aus dem Elektroplattierbad plattiert. In einer weiteren Ausführungsform werden Ni oder eine Ni-Legierung aus dem Elektroplattierbad plattiert. In noch einer weiteren Ausführungsform werden Co oder eine Co-Legierung aus dem Elektroplattierbad plattiert.
Die eine oder die mehreren Quellen von Metallionen, die in dem Elektroplattierbad vorhanden sein können, beinhalten Metallsalze. Die Metallsalze, die verwendet werden können, beinhalten Metallhalogenide, Metallnitrate, Metallsulfate, Metallsulfamate, Metallalkansulfonate, Metallakanolsulfonat, Metallcyanide, Metallacetate oder Metallcitrate, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Einige der verschiedenen Arten von Metallsalzen, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind die gleichen wie in der vorstehenden Beschreibung.
Die Konzentration der Metallionen innerhalb des Plattierbades, die bei dem Bilden der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 verwendet werden, liegt in dem vorstehend erwähnten Bereich. Das Plattierbad, das bei dem Bilden der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 verwendet wird, kann Verdünnungsmittel (wässrige oder organische), Additive sowie Modifikatoren beinhalten, wie auch vorstehend für das Plattieren der Multimetallschicht erwähnt.
Die Bedingungen der elektrolytischen Abscheidung (d.h. die Badtemperatur, die Stromdichte und eine optionale Beleuchtung mit Licht), die bei dem Bilden der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 verwendet werden können, sind die gleichen, wie vorstehend für das Bilden der Multimetallschicht erwähnt.
Die Dicke der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20, die elektrolytisch abgeschieden wird, kann in Abhängigkeit von der Art der Metallquelle, die elektrolytisch abgeschieden wird, von der Art des Elektroplattierbads, das eingesetzt wird, ebenso wie von der Dauer des Prozesses der elektrolytischen Abscheidung selbst variieren. Typischerweise weist die optionale Metalldiffusionsbarrierenschicht 20, die gebildet wird, eine Dicke von 10 nm bis 1.000 nm auf, wobei eine Dicke von 50 nm bis 300 nm noch typischer ist.
Nunmehr bezugnehmend auf 6 ist die Struktur von 5 nach einem elektrolytischen Abscheiden einer Kupfer enthaltenden Schicht 22 oben auf der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 dargestellt. In Ausführungsformen, in denen die optionale Diffusionsbarrierenschicht 20 aus der Struktur weggelassen ist, wird die Kupfer enthaltende Schicht 22 auf einer freiliegenden Oberseite der Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung gebildet. Die Kupfer enthaltende Schicht 22, die gebildet wird, weist Kupfer oder eine Kupfer-Legierung auf.
Die elektrolytische Abscheidung der Kupfer enthaltenden Schicht 22 oben auf entweder der Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung oder der optionalen Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 ist die gleiche wie jene vorstehend für die elektrolytische Abscheidung der Multimetallschicht beschriebene, mit der Ausnahme, dass eine Kupfer-Quelle in dem Bad vorliegt, das bei dem Bilden der Kupfer enthaltenden Schicht 22 verwendet wird.
Die eine oder die mehreren Quellen von Kupfer-Ionen, die in dem Elektroplattierbad vorhanden sein können, um die Kupfer enthaltende Schicht 22 zu bilden, beinhalten Kupfersalze, wie beispielsweise Kupferhalogenide, Kupfernitrate, Kupfersulfate, Kupfersulfamate, Kupferalkansulfonate, Kupferalkanolsulfonat, Kupferpyrophosphat, Kupfercyanide, Kupferacetate und Kupfercitrate, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Die Kupfersalze sind in dem Elektroplattierbad derart enthalten, dass die Kupfer-Ionen in einem Konzentrationsbereich von 0,01 g/l bis 200 g/l liegen, oder wie beispielsweise von 0,5 g/l bis 150 g/l oder wie beispielweise von 1 g/l bis 100 g/l oder wie beispielsweise von 5 g/l bis 50 g/l. Typischerweise sind die Kupfersalze in Mengen derart enthalten, dass die Konzentrationen der Kupfer-Ionen in einem Bereich von 0,1 g/l bis 100 g/l liegen, noch typischer von 1 g/l bis 60 g/l.
Das Elektroplattierbad für Kupfer, das dazu verwendet werden kann, die Kupfer enthaltende Schicht 22 zu bilden, kann ein oder mehrere übliche Additive beinhalten. Derartige Additive beinhalten einen oder mehrere von Aufhellern, Suppressoren, Tensiden, Nivellierern, anorganischen Säuren, organischen Säuren, Verbindungen zur Verhinderung eines Versagens des Aufhellers, Alkalimetallsalzen und den pH-Wert einstellenden Verbindungen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Suppressoren beinhalten eine oder mehrere von Sauerstoff enthaltenden Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, wie beispielsweise Carboxymethylcellulose, Nonylphenolpolyglycolether, Octandiolbis-(polyalkylenglycolether), Octanolpolyalkylenglycolether, Oleinsäurepolyglycolester, Polyethylenpropylenglycol, Polyethylenglycol, Polyethylenglycoldimethylether, Polyoxypropylenglycol, Polypropylenglycol, Polyvinylalkohol, Stearinsäurepolyglycolester und Stearylalkoholpolyglycolether. Typischerweise werden Poly(alkoxylated)glycole verwendet. Derartige Suppressoren können in dem Elektroplattierbad in üblichen Mengen enthalten sein, wie beispielsweise von 0,01 g/l bis 10 g/l oder wie beispielsweise von 0,5 g/l bis 5 g/l.
In einigen Ausführungsformen kann die elektrolytische Abscheidung der Kupfer enthaltenden Schicht 22 auch eine Beleuchtung mit Licht beinhalten (wie vorstehend erwähnt), um eine Nukleation und ein Wachstum des Metalls während des elektrolytischen Abscheidungsprozesses zu erhöhen.
Die Kupfer enthaltende Schicht 22, die obenauf elektroplattiert wird, weist eine Dicke auf, die im Allgemeinen größer als die Dicke der Metalldiffusionsbarrierenschicht 20 ist. In einer Ausführungsform weist die Kupfer enthaltende Schicht 22 eine Dicke von 100 nm bis 50.000 nm auf. In einer weiteren Ausführungsform weist die Kupfer enthaltende Schicht 22 eine Dicke von 1.000 nm bis 10.000 nm auf.
Nach dem Bilden der Kupfer enthaltenden Schicht 22 kann die Kupfer enthaltende Schicht 22 weiter bearbeitet werden, um weitere Materialschichten zu beinhalten, wie beispielsweise Diffusionsbarrierenschichten und/oder Passivierungsschichten, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Es ist anzumerken, dass photovoltaische Einheiten, welche die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten, eine bessere Gleichmäßigkeit der Dicke der Metall-Halbleiter-Legierung mit einer leichteren Steuerung im Vergleich zu einer äquivalenten Einheit aufweisen, welche die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung nicht beinhaltet. Mit „Gleichmäßigkeit der Dicke“ ist gemeint, dass die Schwankung in der Dicke der Schicht aus der Halbleiterlegierung mit der Gitteröffnung innerhalb von +/- 30 nm liegt.
Die Dicke der Metall-Halbleiter-Legierung, die durch die Wärmebehandlung gebildet wird, ist von der Temperatur der Wärmebehandlung, der Dicke der anfänglichen Multimetallschicht, den Eigenschaften der anfänglichen Multimetallschicht und des Halbleiters sowie den Störstellen desselben abhängig. Für eine plattierte Einzelmetallschicht aus einem ersten elementaren Metall auf einem bestimmten Halbleitermaterial kann die Dicke der Metall-Halbleiter-Legierung, die im Anschluss gebildet wird, in Abhängigkeit von den lokalen Schwankungen der Dicke und der Eigenschaften der Metallschicht und des Halbleiters variieren. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die plattierte anfängliche Multimetallschicht nicht nur das erste elementare Metall, das bei einer ersten Temperatur eine Halbleiterlegierung bildet, sondern auch das wenigstens eine zweite elementare Metall auf, das bei der ersten Temperatur keine Halbleiterlegierung bildet. Die Schwankung der Menge des ersten elementaren Metalls in der anfänglichen Multimetallschicht ist geringer als die Schwankung der Gesamtmenge der Metalle.
Mit anderen Worten weist die Menge des ersten elementaren Metalls, das zur Verfügung steht, um die Metall-Halbleiter-Legierung zu bilden, im Vergleich zu der Gesamtmenge des plattierten Metalls viel geringere Schwankungen auf. Daher weist die Dicke der Schicht aus der Metall-Halbleiter-Legierung, die aus der Multimetallschicht gebildet wird, bei einer Temperatur, bei der das zweite elementare Metall keine Metall-Halbleiter-Legierung bildet, im Vergleich zu einer Metall-Halbleiter-Legierung, die aus einer anfänglichen Metallschicht aus lediglich dem ersten elementaren Metall gebildet wird, eine geringere Schwankung der Dicke auf.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reagiert das erste elementare Metall in der anfänglichen Multimetallschicht vollständig mit dem darunter liegenden Halbleitermaterial.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reagiert das erste elementare Metall in der anfänglichen Multimetallschicht teilweise mit dem darunter liegenden Halbleitermaterial.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reagieren das eine oder die mehreren zweiten elementaren Metalle in der anfänglichen Multimetallschicht nicht mit dem darunter liegenden Halbleitermaterial.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reagieren das eine oder die mehreren zweiten elementaren Metalle in der anfänglichen Multimetallschicht mit dem darunter liegenden Halbleitermaterial, was zu einer Metall-Halbleiter-Legierung mit wenigstens zwei Metallen führt. Photovoltaische Einheiten, welche die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung mit wenigstens zwei Metallelementen beinhalten, weisen im Vergleich zu einer äquivalenten Einheit, welche die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung nicht beinhaltet, eine bessere Diffusionseigenschaft für Cu auf.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden verbessert das Vorhandensein der Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung in einer photovoltaischen Einheit die Lebensdauer der Einheit im Vergleich zu einer äquivalenten Einheit, welche die Schicht 18 aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung nicht beinhaltet. Dies ist zum Beispiel in den 7 und 8 gezeigt. Im Einzelnen ist 7 eine graphische Darstellung des Stroms, I (mA/cm²), in Abhängigkeit vom Potential, E (V), für eine Solarzelle des Standes der Technik, die Si/NiSi/Ni/Cu enthält, nach einer Wärmebehandlung in N₂ bei 300 °C, während 8 eine graphische Darstellung des Stroms, I(mA/cm²), in Abhängigkeit vom Potential, E (V), für eine Solarzelle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die Si/Ni_xCo_ySi/Ni/Cu enthält, nach einer Wärmebehandlung in N₂ bei 300 °C ist. Es ist zu beachten, dass die in 7 gezeigte Solarzelle nach der Wärmebehandlung signifikante Nebenschlüsse zeigt, während die in 8 gezeigte Solarzelle keine Degradation der Leistungsfähigkeit der Einheit zeigt.
Nunmehr wird auf das folgende Beispiel Bezug genommen, das einige Vorteile aufzeigt, die mittels Bilden einer Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung innerhalb einer Solarzelle im Vergleich zu einer Solarzelle erreicht werden können, die eine Schicht aus einer Einzelmetall-Halbleiter-Legierung beinhaltet.
BEISPIEL
Wie vorstehend angegeben, vergleicht dieses Beispiel Solarzellen, die eine Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten, im Vergleich zu Solarzellen, die eine Schicht aus einer Einzelmetall-Halbleiter-Legierung beinhalten. Jede der Solarzellen beinhaltete ein Si-Substrat mit einem n-leitenden Si-Anteil, der über einem p-leitenden Si-Anteil lag. Die Oberfläche der Vorderseite jeder Solarzelle war somit die freiliegende Oberseite des n-leitenden Si-Anteils des Si-Substrats. Auf der Oberfläche der Vorderseite war ein Gittermuster ausgebildet, wie vorstehend hierin beschrieben. Nach dem Bilden des Gittermusters auf der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats wurde in einigen Fällen mittels einer elektrolytischen Abscheidung einer Schicht aus Ni und einer anschließenden Wärmebehandlung eine Einzelmetall-Halbleiter-Legierung, d.h. ein Ni-Silicid, auf der freiliegenden Oberfläche der Vorderseite gebildet. In weiteren Fällen wurde mittels einer elektrolytischen Abscheidung einer Bimetallschicht aus Ni und Co und einer anschließenden Wärmebehandlung eine Bimetall-Halbleiter-Legierung, d.h. ein NiCo-Silicid, auf der freiliegenden Oberfläche der Vorderseite gebildet. In diesen Fällen ist das erste elementare Metall Ni und das zweite elementare Metall ist Co. Die Bedingungen, die verwendet wurden, um Ni und eine Bimetallschicht aus Ni und Co zu plattieren, beinhalteten eine Stromdichte von 16 mA/cm² während 50 Sekunden. Zum Vergleich wurde außerdem eine Einzelmetallschicht, d.h. Co, plattiert und wärmebehandelt.
In diesem Beispiel wurde der Gehalt des Ni und des Co innerhalb der Bimetallschicht variiert, wie in der nachstehenden Tabelle gezeigt. Die nachstehende Tabelle zeigt außerdem Bedingungen der Wärmebehandlung und den Flächenwiderstand, Rs (Ohm/cm²), für die verschiedenen Solarzellen, die in der vorstehenden Weise hergestellt wurden. Nach dem Bilden von entweder der Schicht aus der Einzelmetall-Halbleiter-Legierung oder der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung wurde darauf eine Kupfer enthaltende Schicht gebildet, wie vorstehend beschrieben.
Wie in der vorstehenden Tabelle gezeigt, beträgt der Flächenwiderstand, Rs (Ohm/cm²), eines Si-Substrats etwa 90 bis 100 Ohm/cm². Wenn eine Schicht aus einer Metall-Halbleiter-Legierung auf dem Si-Substrat gebildet wurde, fiel der Flächenwiderstand ab. Je niedriger der Rs war, desto dicker war die Schicht aus der Metall-Halbleiter-Legierung. Für reines Ni bildete sich ein Ni-Silicid bei 300 °C bei einer Wärmebehandlung von 120 Sekunden. Für reines Co bildete sich bei einer Temperatur von bis zu 450 °C nichts. Für eine Bimetall-Legierung aus NiCo mit unterschiedlichen prozentualen Ni-Anteilen können bei verschiedenen Temperaturen zwischen 300 °C und 450 °C Metall-Halbleiter-Legierungen mit einer unterschiedlichen Dicke gebildet werden.

Claims

Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Einheit, das aufweist: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (10), das einen pn-Übergang mit einem p-leitenden Halbleiteranteil (10A) und einem n-leitenden Halbleiteranteil (10B) übereinander beinhaltet, wobei eine freiliegende Oberseite von einem der Halbleiteranteile eine Oberfläche (12) einer Vorderseite des Halbleitersubstrats (10) repräsentiert; Bilden von strukturierten Antireflexbeschichtungen (14') auf der Oberfläche (12) der Vorderseite des Halbleitersubstrats (10), um ein Gittermuster auf der Oberfläche der Vorderseite bereitzustellen, wobei das Gittermuster freiliegende Anteile (16) der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufweist; Bilden einer Schicht (18) aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung auf den freiliegenden Anteilen (16) der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats, wobei die Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung wenigstens ein erstes elementares Metall, das bei einer Wärmebehandlung bei einer ersten Temperatur eine Halbleiterlegierung bildet, sowie wenigstens ein zweites elementares Metall aufweist, das sich von dem ersten elementaren Metall unterscheidet und bei der ersten Temperatur keine Metall-Halbleiter-Legierung bildet; und elektrolytisches Abscheiden einer Kupfer enthaltenden Schicht (22) oben auf der Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung, wobei das Bilden der Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung auf den freiliegenden Anteilen (16) der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats ein elektrolytisches Abscheiden einer Multimetallschicht, die das erste und das zweite elementare Metall beinhaltet, sowie ein zweite Wärmebehandlung bei einer zweiten Temperatur aufweist, welche die gleiche wie oder höher als die erste Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste elementare Metall Ni ist und das zweite elementare Metall Co, Fe, Pt, Pd, W, Mo, Ag, Sn, Zn oder Ru ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste elementare Metall Co ist und das zweite elementare Metall Fe, Pt, Pd, W, Mo, Ag, Sn, Zn oder Ru ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung ein Verhältnis des ersten elementaren Metalls zu dem zweiten elementaren Metall von 10.000 : 1 bis 1 : 100 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung ein Verhältnis des ersten elementaren Metalls zu dem zweiten elementaren Metall von 100 : 1 bis 1 : 10 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren ein elektrolytisches Abscheiden einer Metalldiffusionsbarrierenschicht (20) auf einer freiliegenden Oberseite der Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung vor einem elektrolytischen Abscheiden der Kupfer enthaltenden Schicht (22) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Metalldiffusionsbarrierenschicht (20) Ni, Co, P, S und irgendeine Kombination derselben aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der n-leitende Halbleiteranteil (10B) über dem p-leitenden Halbleiteranteil (10A) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, soweit diese sich nicht auf Anspruch 3 beziehen, wobei die Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung Ni als das erste elementare Metall und Co, Fe, Pt, Pd, W, Mo, Ag, Sn, Zn oder Ru als das zweite elementare Metall aufweist, die Metalldiffusionsbarrierenschicht (20) Nickel oder Kobalt aufweist und die Kupfer enthaltende Schicht Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das zweite elementare Metall Co ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, soweit diese sich nicht auf Anspruch 2 beziehen, wobei die Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung Co als das erste elementare Metall und Fe, Pt, Pd, W, Mo, Ag, Sn, Zn oder Ru als das zweite elementare Metall aufweist, die Metalldiffusionsbarrierenschicht (20) Ni oder Co aufweist und die Kupfer enthaltende Schicht (22) Kupfer aufweist.
Photovoltaische Einheit, die aufweist: - ein Halbleitersubstrat (10), das einen pn-Übergang mit einem p-leitenden Halbleiteranteil (10A) und einem n-leitenden Halbleiteranteil (10B) übereinander beinhaltet, wobei eine freiliegende Oberseite von einem der Halbleiteranteile eine Oberfläche (12) einer Vorderseite des Halbleitersubstrats (10) repräsentiert; - strukturierte Antireflexbeschichtungen (14') auf der Oberfläche (12) der Vorderseite des Halbleitersubstrats (10), wobei die strukturierten Antireflexbeschichtungen einige Anteile der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats schützen, während sie andere Anteile der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats freiliegend (16) belassen, wobei die anderen Anteile der Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats, die freiliegend sind, ein Gittermuster auf der Oberfläche der Vorderseite bilden; - eine Schicht aus einer Multimetall-Halbleiter-Legierung (18), die sich auf den anderen Anteilen der Oberfläche (12) der Vorderseite des Halbleitersubstrats (10) befinden, die freiliegend sind, wobei die Multimetall-Halbleiter-Legierung wenigstens ein erstes elementares Metall, das bei einer ersten Wärmebehandlungstemperatur Legierungen mit einem Halbleitermaterial bildet, sowie wenigstens ein zweites elementares Metall aufweist, das sich von dem ersten elementaren Metall unterscheidet und bei der ersten Wärmebehandlungstemperatur keine Legierung mit einem Halbleitermaterial bildet, und wobei Multimetall-Halbleiter-Legierung (18) eine unterste Oberfläche unter einer obersten Oberfläche der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufweist; eine Metalldiffusionbarrierenchicht (20) oben auf der Multimetall-Halbleiter-Legierung (18); und eine Kupfer enthaltende Schicht (22), die sich oben auf der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung (18) befindet, wobei die Kupfer enthaltende Schicht (22) Seitenwände aufweist, die vertikal zusammenfallen mit Seitenwänden der Multimetall-Halbleiter-Legierung (18), und wobei das erste elementare Metall Ni ist, das zweite elementare Metall Co ist und die Metalldiffusionbarrierenchicht (20) eine Legierung aus Ni und Co ist.
Photovoltaische Einheit nach Anspruch 12, wobei der n-leitende Halbleiteranteil (10B) über dem p-leitenden Halbleiteranteil (10A) liegt.
Photovoltaische Einheit nach Anspruch 12 oder 13, die des Weiteren eine Metalldiffusionsbarrierenschicht (20) aufweist, die sich zwischen der Schicht aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung (18) und der Kupfer enthaltenden Schicht (22) befindet.
Photovoltaische Einheit nach Anspruch 14, wobei die Metalldiffusionsbarrierenschicht (20) Ni, Co, P oder S und die Kombination derselben aufweist und die Kupfer enthaltende Schicht (22) Kupfer aufweist.
Photovoltaische Einheit nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Schicht (18) aus der Multimetall-Halbleiter-Legierung ein Verhältnis des ersten elementaren Metalls zu dem zweiten elementaren Metall von 10.000 : 1 bis 1 : 100 aufweist.
Photovoltaische Einheit nach Anspruch 16, wobei das erste elementare Metall Ni ist, das zweite elementare Metall Co ist, die Diffusionsbarrierenschicht (20) Ni ist.
Photovoltaische Einheit nach Anspruch 14, wobei das erste elementare Metall Ni ist, das zweite elementare Metall Co ist, die Diffusionsbarrierenschicht (20) eine NiCo-Legierung ist.
Photovoltaische Einheit nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Halbleitersubstrat (10) eine Komponente einer Solarzelle ist.