DE69731485T2

DE69731485T2 - Halbleitervorrichtung mit selektiv diffundierten bereichen

Info

Publication number: DE69731485T2
Application number: DE69731485T
Authority: DE
Inventors: Jörg Horzel; Mia Honore; Johan Nijs; Jozef Szlufcik
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2017-12-23
Also published as: ES2232887T3; CN1155104C; CA2276008C; DK0960443T3; CA2276008A1; CN1241298A; JP3999820B2; AU741153B2; JP2007235174A; EP0960443B1; EP0851511A1; DE69731485D1; EP0960443A1; ATE281698T1; WO1998028798A1; AU5955598A; JP2002503390A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben, und insbesondere eine photovoltaische Zelle, welche zwei oder mehrere selektiv diffundierte Bereiche aufweist, welche in einem einzigen Diffusionsschritt erzeugt werden.
Technischer Hintergrund
Viele Halbleitervorrichtungen verwenden verschieden dotierte Bereiche desselben Leitfähigkeitstyps (p oder n), um eine höhere Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu erreichen. Die Bildung dieser verschieden dotierten Bereiche setzt zusätzliche Verfahrensschritte voraus, welche die Herstellungskosten erhöhen. Eine typische Halbleitervorrichtung 1 ist in einer Aufsicht in 1 dargestellt, welche eine photovoltaische Zelle sein kann, welche auch als Solarzelle bezeichnet wird. Ein Halbleitersubstrat 2 eines ersten Leitfähigkeitstyps hat dotierte Oberflächenbereiche 5, typischerweise aus einem zweiten Leitfähigkeitstyp und ein Metallisierungsmuster 3 auf mindestens einer Hauptoberfläche. Die Metallisierungsmuster 3 beinhalten gewöhnlicherweise längliche metallische Elektroden 4, zwischen und unter welchen dotierte Bereiche 5 zum Beispiel Emitter, Kollektor oder Gatebereiche angeordnet sind. Die Elektroden 4 können ohmsche Kontakte zu stark dotierten Bereichen 6 (am besten in 3 und 4 dargestellt) des unterhalb liegenden Substrats 2 bilden. Die Elektroden 4 nehmen Strom aus den Bereichen 5 auf oder führen den Bereichen 5 Strom zu, wobei die Bereich 5 Halbleitervorrichtungen beinhalten können. Für eine Solarzelle ist der Bereich 5 typischerweise der Emitterbereich.
Solarzellen leiden allgemeinerweise unter Verlusten in dem Emitterbereich 5. Für eine optimale Leistungsfähigkeit sollte das Dotierstoffniveau in dem Emitterbereich 5 auf einem niedrigen Niveau für optimiertes Photoneneinfangen und -umwandeln sein, wobei die Bereiche 6 stark und tief dotiert sein sollten, um gute ohmsche Kontakte zu den metallischen Mustern 4 zu erreichen ohne den vergrabenen Übergang 8 kurzzuschließen (siehe 2, 3). Die Gesamtsystemkosten können durch Auswählen der besten Kombination aus geringen Herstellungskosten und Vorrichtungsverlusten optimiert werden.
Ein homogenes Emitter-/Kollektor-Design für Solarzellen, wie schematisch in dem Querschnitt in 2 dargestellt, weist vordere Metallkontakte 4, rückwärtige Metallkontakte 9, einen Diffusionsbereich 7 und einen Übergang 8 auf. Derselbe Diffusionsbereich 7 über die gesamte Vorderseite kombiniert mit einer kostengünstigen Metallisierungstechnik, wie einem Siebdruck, der vorderen Metallkontakte 4 führt zu beträchtlichen Effizienzverlusten. Dies erfolgt deshalb, da das Diffusionsprofil der Diffusionsbereich 7 (Dotierstoff-Oberflächen-konzentration und Emitter-/Kollektortiefe von der Oberfläche zu dem Übergang 8), welches benötigt wird, um gute ohmsche Kontakte mit der Metallisierungstechnik zu bilden, nicht ideal für die Umwandlung von Licht in elektrische Energie in den zwischenliegenden Emitter-/Kollektorbereichen 5 ist.
Eine typische homogene Emitter-/Kollektorprozesssequenz beinhaltet typischerweise ein Strukturierung und eine chemische Aufbereitung der Waferoberflächen, einen Diffusionsschritt (ein Eindiffundieren des Dotierstoffs von der/den Oberfläche(n)), einen optionalen Oxidierungspassivierungsschritt, einen optionalen Antireflektions-Beschichtungsschritt (z. B. TiO₂ oder Si₃N₄), weicher eine zusätzliche Passivierung vorsehen kann und eine Metallisierungssequenz (vorzugsweise auch Siebdruck).
Eine Verbesserung ist in 3 dargestellt, in welcher die Bereiche 5 bis zu einer Tiefe geätzt werden, so dass die selektiven Emitter-/Kollektorbereiche gebildet werden. Die Tiefe der Dotierschicht zwischen den Emitter-/Kollektorfingern 4 wird reduziert und daher das Dotierstoffniveau reduziert. Solche Vorrichtungen sind in dem Artikel „Simple integral screen printing process for selective emitter polycrystalline silicon solar cells" von Sz Lufcek und andere, applied physical letters volume 59, issue 13, ff 1583–1584, 1991 und in DE 44 01 782 beschrieben, nach welchem die Diffusionsbereiche zwischen den Emittern teilweise geätzt werden, nachdem die Metallkontakte durch eine Schutzschicht geschützt wurden. Ein Aufbringen der Schutzschicht, typischerweise eine Polymerpaste, benötigt einen zusätzlichen Maskierungsschritt. Diese letzte Technik hat den Nachteil einer zusätzlichen Maskierung und eines schwierigen Ätzschrittes, wodurch die Komplexität und die Kosten der Herstellung erhöht wurden.
4 zeigt schematisch in einem Querschnitt die effektivere Lösung eines selektiven Emitters/Kollektors, welche tiefe Emitter-/Kollektordotierstoffprofilbereiche 6 mit einer hohen Dotierstoffoberflächenkonzentration unter den vorderen Metallkontakten 3 und einem geringen Dotierstoffprofil aufweist, welches zum Einfangen von Ladungen in benachbarten Bereichen 5 optimiert ist. Jedoch benötigt die selektive Emitter-/Kollektorstruktur ein komplizierteres Herstellungsverfahren, wie z. B. in der DE 42 17 428 beschrieben, in welchem eine flache Emitterschicht über die gesamte vordere Oberfläche des Substrats diffundiert wird, gefolgt durch die Bildung von Passivierungs-/Oxidschichten. Dann werden Öffnungen in den Oxidschichten unter Verwendung eines Laserstrahls gebildet und die Oxidschichten als Maske für einen tiefen Diffusionsschritt der Emitterkontaktflächen verwendet. Die Metallkontakte 3, 4 werden dann in von Laser geöffneten Gräben gebildet.
Aus der EP-A-680 099 ist eine Solarzelle bekannt, welche eine erste n-Typschicht beinhaltet, welche auf der gesamten oberen Oberfläche eines p-Typ-Siliziumsubstrats gebildet ist, eine p-Typschicht, welche auf der Rückseite des Substrats gebildet ist und welche eine Dotierstoffkonzentration aufweist, welche höher ist als die des Substrats, und eine zweite n-Typschicht, welche mindestens auf der Seitenfläche des Substrats gebildet ist, um die erste n-Typschicht und die p-Typschicht zu verbinden. Die zweite n-Typschicht hat eine Dotierstoffkonzentration, welche geringer ist als die der ersten n-Typschicht, um dem Bereich in einem Kontakt mit der p-Typschicht und kann durch Ausdiffundieren einer flüssigen Dotierstoffquelle gebildet werden, welche auf die obere Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgebracht wird.
Die US 4,152,824 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle, welche eine zusammengesetzte flache/tiefe Übergangs-Vorrichtungskonstruktion aufweist. Die Solarzelle hat gitterförmige Kontakte auf ihrer vorderen energieempfangenen Seite, wobei jeder Teil von jedem Kontakt koinzidiert, d. h. an den tiefen Übergangsbereichen ausgerichtet ist, während die flachen Übergangsbereiche der einfallenden Strahlung ausgesetzt sind. Der zusammengesetzte Übergang und die Kontakte werden durch ein Verfahren gebildet, welches herkömmliche Techniken verwendet, insbesondere die Verwendung von dotierten Oxidfilmen als Diffusionsquellen, welche strukturiert werden und eine gasförmige Diffusion wird auf das exponierte Substrat angewandt, um hochdotierte Bereiche zu bilden.
Die GB 1,470,241 beschreibt eine Photozelle, welche einen ersten n⁺-Bereich aufweist, welcher unterhalb des Kollektorgitters oder einer Elektrode gebildet ist, und ein zweiter n^–-Bereich, welcher weniger stark dotiert ist und dünner als der n⁺-Bereich ist, und in den Zwischenräumen des Gitters der n⁺-Bereiche gebildet ist. Diese n⁺- und n^–-Bereiche werden mit bekannten Verfahren einer selektiven Doppeldiffusion, Maskierung und/oder photografischen Verfahren hergestellt.
Bekannte Herstellungsverfahren eines selektiven Emitters/Kollektors, welche kostengünstige Metallisierungs-Techniken wie Siebdruck verwenden, benötigen einen zweiten Diffusionsschritt und/oder eine Maskierung und/oder Ätzschritte, welche eine Ausrichtung das Metallisierungsmuster 3 mit den höher dotierten Bereichen 6 an der vorderen Seite der Halbleitervorrichtung 1 notwendig machen.
Allgemeine Verfahren zum Herstellen von photovoltaischen Vorrichtungen sind in „Physics, technology and use of photovoltaics" von R. J. Overstraeten und R. P. Mertens, Adam Higler Ltd., 1986 beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen 1 bis 10 festgelegt. Die Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen 11 bis 19 festgelegt.
Die vorliegende Erfindung wird vorrangig auf die Bildung von zwei unterschiedlichen, selektiv diffundierten Bereichen auf Halbleitersubstraten mit verschiedenen Dotierstoffniveaus angewandt. Die vorteilhafte Gestaltung der selektiven Emitter- oder Kollektorstruktur wird ohne einen zusätzlichen Verfahrensschritt oder eine Verkomplizierung eines Verfahrens im Vergleich zu homogenen Emitter-/Kollektorstrukturen realisiert. Die am meisten bevorzugte Verfahrenssequenz benutzt den Siebdruck von Festkörper-basierten Dotierstoffpasten, um die Diffusionsbereiche durch einen ersten Hochtemperatur-Wärmebehandlungs-schritt zu bilden, und den ein Siebdruck einer Metallpaste, um die Metallisierung durch einen zweiten Hochtemperatur-Wärmebehandlungsschritt bereitzustellen.
Das selektive Emitter- oder Kollektorverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, z. B. für eine photovoltaische Vorrichtung, kann dieselbe Anzahl an Verfahrensschritten wie ein typisches homogenes Emitter-Kollektorverfahren aufweisen und weniger Schritte wie ein herkömmliches selektives Emitter-/Kollektorverfahren. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung sieht ein einfaches und ökonomisches Herstellungsverfahren für photovoltaische Vorrichtungen vor, welches vorteilhafte Ergebnisse gegenüber bekannten homogene Emitter-/Kollektorstrukturen aufweist. Verglichen mit den homogenen Emitter-/Kollektorverfahren wird weniger Dotierstoffmaterial benötigt, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden, während die abschließende Zellenleistungsfähigkeit verbessert wird.
Die vorliegende Erfindung ist eine Vereinfachung bekannter selektiver Emitter- oder Kollektor-Gestaltungsverfahrenssequenzen. Die selektive Emitter- oder Kollektorstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird in nur einem Diffusionsschritt gebildet. Keine zusätzlichen Maskierungs- und/oder Ätzverfahrensschritte werden benötigt, um den selektiven Emitter oder Kollektor zu bilden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Aufsicht einer bekannten Halbleitervorrichtung.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer bekannten Solarzelle mit einer homogenen Emitter-/Kollektorstruktur.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer bekannten Solarzelle mit einer selektiven Emitter-/Kollektorstruktur.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer weiteren bekannten Solarzelle mit einer selektiven Emitter-/Kollektorstruktur.
5 bis 10 zeigen schematisch Schritte der Herstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt schematisch das direkte und indirekte Diffusionsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine Darstellung eines lateralen Verteilungswiderstandes einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
13 bis 16 zeigen schematisch Schritte der Herstellung einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von illustrativen Ausführungsformen
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsformen und mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf, sondern nur durch die Ansprüche beschränkt. In den Zeichnungen sind manche Abmessungen, z. B. die Dicke der Schichten, aus Gründen der Klarheit übertrieben. Insbesondere wird die Erfindung mit Bezug auf eine photovoltaische Vorrichtung erklärt, welche auch als Solarzelle bezeichnet wird, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern kann allgemein Anwendung in Halbleitervorrichtungen finden. Desweiteren wird die Erfindung hauptsächlich mit Bezug auf die Bildung von differenzierten n⁺⁺ und n⁺ Typ-Bereich in einem p-Substrat beschrieben. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können auf die Bildung von unterschiedlichen p-Typ-Bereich in einem n-Typ-Substrat oder die Bildung von n⁺⁺ und n⁺ Typ-Bereich in einem undotierten oder einem n-Typ-Substrat oder p⁺⁺ und p⁺-Typ-Bereich in einem undotierten der einem p-Typ-Substrat angewandt werden. Weiter wird die Erfindung hauptsächlich mit Bezug auf eine einseitige Solarzelle beschrieben, aber die Erfindung kann genauso auf zweiseitige Solarzellen angewandt werden.
Die Verwendung des einfachen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, um z. B. einen Emitter oder einen Kollektor mit verschieden dotierten Bereichen mit nur einem Hochtemperaturschritt und ohne Verwendung von Ätz- oder Maskierungstechniken zu bilden, ist nicht auf Solarzellen beschränkt. Diese Technik kann in mikroelektronischen Herstellungsverfahren verwendet werden, solange wie ähnliche Toleranzen in den lateralen Abmessungen der dotierten Bereiche und der Metallkontakte und den Diffusionsprofilen bestehen. Photodetektoren und mikrostrukturierte Sensoren aller Typen, Wärmeumwandler-Halbleitervorrichtungen, wie auch Halbleitervorrichtungen aller Typen wie Thyristoren und andere Vorrichtungen, kann eine Reduzierung der Produktionskosten durch Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
5 bis 10 zeigen schematisch ein selektives Emitter- oder Kollektor-Herstellungsverfahren, angewandt auf eine Solarzelle 1. In einem kostengünstigen Herstellungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beginnt das Verfahren mit einem gesägtem Halbleitersubstrat 2. Das Substrat 2 kann ein einkristallines, polykristallines oder amorphes Silizium sein. Die Qualität des Substrats kann geringer sein, als für Transistorvorrichtungen benötigt, z. B. eine Siliziumqualität für Solarzellen, wie in „Solar cells" von Martin Greene, University of New South Wales, 1992, offenbart. Hinsichtlich der Abmessungen des Substrats 2 werden keine Einschränkungen erwartet und die Abmessungen werden von kommerziell erhältlichen Materialien abhängig sein. Im Moment werden 10 cm × 10 cm Siliziumsubstrate mit einer Dicke von 200–400 Mikrometern verwendet, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Das Substrat 2 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise Silizium, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Das Substrat 2 kann GaAs oder ein ähnliches Halbleitersubstrat 2 sein, welches benachbarte diffundierte dotierte Bereiche mit einem selektiven Unterschied von Dotierstoffniveaus benötigt.
Zu Beginn wird das Halbleitersubstrat 2 chemisch gereinigt und das Substrat 2 wird nachfolgend geätzt, um Sägeschäden von der Oberfläche zu entfernen, z. B. mit 40 Gewichtsprozent von NaOH in einer deionisierten Wasser (DI-Wasser)-Lösung bei 80°C für 2 bis 4 Minuten. Das Substrat kann dann in DI-Wasser mit bis zu 8 MOhmcm gespült werden. Wahlweise kann eine Textur, z. B. eine pyramidale Struktur, mechanisch oder chemisch auf eine oder beide Hauptoberflächen des Substrats 2 aufgebracht werden, wie z. B. in dem Artikel „Texturization methods for multicrystalline silicon solar cells" von Willeke und Fath, Proc. 13^th European Photovoltage Solar Energy Conf. and Exhibition, Frankreich, 23.–27. Oktober 1995, beschrieben. Z. B. beinhaltet eine geeignete Ätze für diese Zwecke eine Lösung aus 1,3 Gewichtsprozent NaOH und 5 Volumenprozent Isopropylalkohol in DI-Wasser bei 90°C für 10 Minuten. Nach einem Ätzen wird das Substrat 2 chemisch gereinigt und in DI-Wasser, wie zuvor gespült. In den Zeichnungen wurde die Textur aus Gründen der Klarheit weggelassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung müssen stark dotierte tiefe Diffusionsbereiche 12 unter den vorderen Oberflächenmetallkontaktbereichen 20 (8 und 9) gebildet werden und ein flacher, schwach dotierter Emitter- oder Kollektorbereich 5 muss woanders gebildet werden (6). Wie schematisch in 5 dargestellt, wird eine festkörperbasierte Dotierstoffquelle 11, welche einen geeigneten Dotierstoff in Form einer Paste oder ähnlichem beinhaltet, selektiv auf mindestens eine Hauptoberfläche des Substrats 2 in einem vorbestimmten Muster aufgebracht, welches die Form von Linien und/oder Flächen annehmen kann. Die Paste wird selektiv auf diese Bereiche der Substratoberfläche aufgebracht, wo in einem späteren Schritt tiefe Diffusionsbereiche 12 gebildet werden sollen. Vielfältige Techniken können verwendet werden, um die Dotierstoffpaste 11 selektiv auf das Substrat 2 aufzubringen. Ein Aufbringen der Dotierstoffpaste 11 wird vorzugsweise in einer sehr definierten und reproduzierbaren Weise ausgeführt. Bevorzugte Techniken weisen eine gute Wiederholgenauigkeit auf, wie z. B. Siebdruck, Offsetdruck, Gravieren, Tintendruck oder Pastenschreiben. Die Paste 11 wird vorzugsweise auf das Substrat durch Dickfilmtechniken, wie dem Siebdruck aufgedruckt, um eine gute Wiederholgenauigkeit in großvolumigen Herstellungsverfahren zu erhalten. Da die vorderen Oberflächen-Metallisierungsmuster 20 (8 und 9) nachträglich auf das Substrat, ausgerichtet an den tiefen Bereichen 12, wo die Dotierstoffpaste zuvor aufgebracht wurde, aufgebracht werden müssen, ist es sehr vorteilhaft, die selben Techniken zum Aufbringen der Dotierstoffpaste 11 und der Vorderseitenmetallpaste 18 zu verwenden. Die gute Wiederholgenauigkeit des Siebdruckes ermöglicht eine nachfolgendes Aufbringen einer Metallpaste 18, um vordere Oberflächen-Metallisierungsmuster 20 (8) zu bilden, wobei die selbe Technik verwendet wird, und wobei die selben Typen der Masken verwendet werden, wie sie zum Aufbringen der Paste 11 verwendet wurden (5). Ein DEK-Modell 1760 RS Siebdrucker kann zum Aufbringen der Paste 11 verwendet werden.
Pasten 11, welche Dotierstoffquellen wie P, B, As usw. enthalten, können in Abhängigkeit des Leitfähigkeitstyps und der chemischen Natur des Substrats 2 verwendet werden. Wenn das Substrat 2 Silizium ist und eine p-Typ-Leitfähigkeit aufweist, kann die Paste eine Phosphor enthaltende Paste 11 sein, wie in EP-0 108 065 beschrieben oder eine kommerziell erhältliche Paste wie P101 von Soltech NV, Belgien. Alternativ, wenn das Substrat 2 Silizium ist und eine n-Typ-Leitfähigkeit aufweist, kann die Paste 11 Bor oder Aluminium aufweisen. Das bevorzugte kostengünstige Solarzellen-Herstellungsverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet ein p-Typ kristallines Siliziumsubstrat 2 und Phosphor als Dotierstoffquelle, um einen n-Typ Emitter 12, 15 an der vorderen Seite herzustellen.
Die Viskosität der Paste 11 sollte so gewählt werden, dass sie akkurat mit einer geeigneten Technik aufgebracht werden kann, z. B. im Siebdruck, aber nicht wesentlich auf dem Substrat 2 verfließt oder sich verteilt. Die Paste 11 ist vorzugsweise thixotrop. Die Viskosität der Dotierstoffpaste 11 ist vorzugsweise groß genug, um einen wesentlichen lateralen Fluss vor oder während des Trocknens oder während eines Wärmebehandlungsschrittes zu verhindern, welcher zu signifikant breiteren Linien oder Bereichen der aufgebrachten Dotierstoffpaste 11 als die Breite der vorderen Oberflächen-Metallkontakte 20, welche nachfolgend aufgebracht werden, führen würde. Jedoch kann eine geringere laterale Aufweitung der Linien oder Bereiche der Paste 11 über die vorgesehenen Linien oder Bereiche hinaus, welche nachfolgend durch die Metallkontakte 20 bedeckt werden, gewünscht sein, um ein Kurzschließen des Übergangs 8 durch die Metallkontakte 20 zu verhindern. Das Aufbringen der nachfolgenden Metallkontakte 20 wird innerhalb einer gewissen Toleranz durchgeführt und vorzugsweise sind die Pastenlinien und Bereiche 11 etwas größer als die nachfolgenden Metallkontaktflächen und Linien 20, so dass die Ausrichtung der Metallpastenlinien und Bereiche 18 mit den tiefen dotierten Bereichen 12 wiederholbar und akkurat ausgeführt werden kann.
Vorzugsweise wird die Paste 11 unmittelbar nach dem Aufbringen getrocknet. Das strukturierte Substrat 2 wird vorzugsweise so schnell wie möglich in einen Trocknungsofen geladen, in welchem die zähflüssige Paste 11 bei Temperaturen zwischen 150 und 350°C getrocknet wird, vorzugsweise zwischen 150 und 200°C für etwa 1–10 Minuten, um ihre Position auf dem Substrat 2 zu fixieren. Zum Trocknen kann ein Tempress-Förderbandtrockner, ein DEK-Infrarotbandtrockner oder Ähnliches verwendet werden. Nach dem Trocknen der Paste wird das Substrat 2 vorzugsweise einem zweiphasigen Wärmebehandlungsschritt ausgesetzt. Das Substrat 2 mit der getrockneten Paste wird direkt in einen Diffusionsofen, wie einen Tempress/Lindberg-Förderbandbrennofen, z. B. von Gemco aus den Niederlanden, geladen. In einer ersten Phase wird die Temperatur um etwa 100–150°C pro Minute bis zu 600°C erhöht und die verbleibenden organischen Anteile von der Dotierstoffpaste 11 herausgebrannt, vorzugsweise in Luft oder einer Sauerstoffatmosphäre.
In einer zweiten Phase wird der Dotierstoff bei einer hohen Temperatur aus der Paste 11 direkt in das Substrat 2 getrieben. Diese zweite Wärmebehandlungsphase wird vorzugsweise in einer inerten Gasatmosphäre ausgeführt. Ein tiefer dotierter Bereich 12 wird während diesem Hochtemperaturschritt gebildet, wie schematisch in 6 dargestellt, in welchem der Dotierstoff aus der Dotierstoffpaste 11 direkt in das Substrat 2 unmittelbar unterhalb der Pastenflächen und Linien 11 diffundert. Zugleich werden flache Bereiche 15 durch indirekte Diffusion aus dem Dotierstoff 11 in die umgebende Atmosphäre und von dort in die offenliegenden Flächen des Substrats 2 gebildet.
Vorzugsweise wird das gemusterte Substrat 2 auf einem horizontal beweglichen Band in einem durchgehenden Ofen angeordnet, z. B. einem Tempress/Lindberg-Förderband-Diffusions-brennofen, welcher zuvor erwähnt wurde, und einer inerten Gasatmosphäre, wie z. B. Stickstoff gehalten. Die Temperatur wird auf 800–1100°C, vorzugsweise 900–950°C, angehoben, wobei ein Temperaturgradient von etwa 150°C/Minute aufrecht erhalten wird. Das Substrat 2 wird vorzugsweise bei dieser Temperatur für 10–60 Minuten gehalten. Es gibt nicht nur ein Eindiffundieren des Dotierstoffs aus der Paste 11 in das Substrat 2 an den Orten, wo die Paste 11 in unmittelbaren Kontakt mit dem Substrat 2 ist, sondern es gibt auch ein Ausdiffundieren des Dotierstoffs in die umgebende Atmosphäre, von wo die Dotierstoffatome wieder in das Substrat 2 indirekt eintreten können. Die indirekte Diffusion bildet zweite Diffusionsbereiche 15 an Orten, welche zu den Bereichen benachbart sind, wo die Dotierstoffpaste 11 aufgebracht ist. Wie schematisch in 11 dargestellt, beginnen die Dotierstoffatome aus der Paste 11 in alle Richtungen zu diffundieren. Das unterhalb liegende Halbleitersubstrat 2 erfährt ein relativ starkes Eindiffundieren der Dotierstoffatome in den Bereichen 12, wo die Paste 11 in direktem Kontakt ist, verglichen zu den anderen Bereichen der Substratoberfläche. Der Dotierstoff diffundiert aus der umgebenden Atmosphäre in das Substrat 2 an den Orten, wo keine Dotierstoffpaste 11 selektiv aufgebracht wurde. Die indirekte Dotierung kann eine zweite Diffusionsschicht 15 in dem Substrat 2 bilden, welche eine geringere Konzentration aufweist, als die ersten Diffusionsbereiche 12 des Substrats 2, unmittelbar unterhalb der Bereiche, wo die Paste 11 aufgebracht wurde. Die geringe Konzentration der Dotierstoffatome in der Atmosphäre, welche das Substrat 2 umgibt, während dem Hochtemperaturschritt kann ebenfalls zu flacheren zweiten Diffusionsbereichen 15 verglichen mit den ersten Diffusionsbereichen 12 führen. Die Konzentration der Dotierstoffatome in der umgebenden Gasatmosphäre kann sehr viel geringer sein als in der Paste 11 selbst, und deshalb ist die Diffusionsrate viel geringer. Dies führt zu einem relativ tiefen dotierten Bereich 12, wo die Dotierstoffquelle 11 in unmittelbarem Kontakt mit dem Substrat 2 ist, und zu schwach und flacheren dotierten Bereichen 15 an den Substrat-Gas-Grenzflächen. Die Unterschiede in den zwei Diffusionsbereichen können selektiv durch Ändern der Dotierstoffpasten-Zusammensetzung, der Atmosphäre, der Diffusionszeit und der Diffusionstemperatur gesteuert werden. Die Bedingungen können optimiert werden, um einen flachen zweiten Diffusionsbereich 15 herzustellen, während die ersten Diffusionsbereiche 12 tief genug sein sollten, um die Bildung von guten ohmschen Oberflächenmetallkontakten 20 zu bilden, ohne den Übergang 8 kurzzuschließen. Es ist ebenso möglich, die Diffusionssequenz auszuführen, indem eine gasförmige Dotierstoffatmosphäre, wie z. B. POCl₃, BBr₃, usw., in einem geschlossenen röhrenförmigen Brennofen verwendet wird. Durch Anpassen der relativen Menge der direkten Diffusion des gasförmigen Dotierstoffgases und der indirekten Diffusion aus der Dotierstoffpaste 11 in den zweiten Diffusionsbereich 15 ist es möglich, die Diffusionsprofile der ersten und zweiten Diffusionsbereiche 12, 15 selektiv und unabhängig zu steuern. Weiter kann mehr als eine Paste 11 verwendet werden, um durch eine Wärmebehandlung verschiedene Bereiche in dem Substrat 2 selektiv zu bilden. Die unterschiedlichen Pasten 11 können unterschiedliche Konzentrationen von Dotierstoffatomen aufweisen oder verschiedene Dotierstofftypen beinhalten. Des Weiteren kann etwas der Paste 11 keine Dotierstoffatome beinhalten und hauptsächlich als Maske verwendet werden, um indirektes Dotieren in die unterhalb liegende Schicht des Substrats 2 zu verhindern.
Falls die Halbleitervorrichtung 1 eine photovoltaische Zelle ist, können Variationen in der Tiefe der Dotierstoffkonzentration von den tiefen ersten Diffusionsbereichen 12, welche Teile der Emitter- oder Kollektorbereiche bilden, die Leistungsfähigkeit der Zelle nicht stark beeinflussen, wohingegen Variationen in den flachen zweiten Diffusionsbereichen 15 eine größere Auswirkung auf die Charakteristik der Zelle aufweisen können. Der zweite Diffusionsbereich 15 weist normalerweise eine geringere Oberflächen-Dotierstoffkonzentration und -tiefe auf als die tiefen Bereiche 12. Die Dotierungsbedingungen für den zweiten Diffusionsbereich 15 sind vorteilhafterweise für ein Einfangen der Ladungsträger optimiert. Das Einfangen der Ladungsträger ist abhängig von der Dotierstoffkonzentration und -tiefe. Andererseits muss die Diffusion in dem ersten Bereich 12, an den Orten, wo die Diffusionspaste 12 aufgebracht wurde und die Metallisierungsmuster 18 in einer nachfolgenden Prozesssequenz aufgedruckt werden, nur tief genug sein und eine ausreichend große Oberflächen-Dotierstoffkonzentration aufweisen, so dass gute ohmsche Kontakte 20 mit dem Emitter- oder Kollektorbereich 12 gebildet werden, ohne den Übergang 8 kurzzuschließen.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können differenziert tiefe und flache dotierte Bereiche 12, 15 in einem einzigen Dotierschritt hergestellt werden.
Oberflächenkonzentrationen können z. B. in dem typischen Wertebereich oberhalb von 10²⁰ Phosphoratomen/cm³ für tiefe dotierte Bereiche 12 und in dem Wertebereich von 5 × 10¹⁸ bis 10²⁰, typischerweise 1 × 10¹⁹ bis 5 × 10¹⁹ Phosphoratome/cm³ für flache dotierte Bereiche 15 liegen. Übergangstiefen für tiefer dotierte Bereiche 12 sind vorzugsweise mindestens 0,3 Mikrometer, bevorzugter mindestens 0,5 Mikrometer und typischerweise 0,6 Mikrometer und für die flachen dotierten Bereiche 15 bis zu 0,3 Mikrometer, typischerweise 0,2 Mikrometer. 12 zeigt eine Abtastung des lateral verteilten Widerstands einer selektiven Emitter- oder Kollektorstruktur, welche für eine Solarzelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, welche in Übereinstimmung mit dem Artikel „Spreading resistance measurements – An overview" von J. R. Ehrstein, D. C. (Gupta und P. H. Langer, Emerging Semiconductor Technology, ASTM STP 960, Am. Soc. for Test. und Mat. 1986 ausgeführt wird. Pastenlinien 11 einer Breite von 100 Mikrometern sind in einem Abstand von 3 mm zueinander beabstandet. Die selektive Emitter- oder Kollektorstruktur weist einen geringen Widerstand, tief und stark diffundierte Bereiche 12, wo die Metallisierung 20 aufgebracht werden muss, und flache und schwache Diffusionsbereiche 15 in dem Emitter- oder Kollektorbereich, wo Photonen absorbiert werden und Träger erzeugt werden, auf. Wie in 12 gesehen werden kann, führt die Paste zu geringen Widerstandsbereichen 12 über eine geringe Distanz entsprechend einer Abmessung von ungefähr ihrer eigenen Breite. Der Widerstand verringert sich monoton in Richtung zu den flachen Bereichen 15 über eine Distanz von 1 mm. Das Widerstandsverhältnis der tiefen zu den flachen Bereichen 12, 15 ist größer als 5 und für eine Solarzelle größer als 10 oder größer. Dies wird durch eine ähnliche Änderung in der Dotierstoffatomkonzentration in diesen Bereichen verursacht. In einer vollständigen Vorrichtung würden die tiefen diffundierten Bereiche 12 und die flachen diffundierten Bereiche 15 sich periodisch abwechseln, wobei ein steiler Gradient an der Übergangsbereichen auftritt, wo die Oberflächenkonzentration der Dotierstoffatome sich ungefähr um eine Größenordnung unterscheidet. Je höher die Dotierstoffkonzentration ist, um so geringer ist der elektrische Widerstand. Die monotone Erhöhung in der Dotierstoffkonzentration und die zugehörige Verringerung des elektrischen Widerstands von den schwach dotierten Bereichen 15 zu den tiefen diffundierten Bereichen 12, wo die Metallkontakte 20 in einer fertiggestellten Solarzelle angeordnet werden, ermöglicht eine ausgezeichnete Ladungsträgereinfang-Eigenschaft. Der sich erhöhende Gradient in der Oberflächenkonzentration der Dotierstoffatome hinzu den Bereichen, wo die Metallkontakte 20 in einer fertiggestellten Solarzelle angeordnet werden, vereinfacht den Ladungsträgertransport zu diesen Metallkontakten 20. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann eine monotone Erhöhung der Dotierstoffkonzentration in dem Oberflächenbereich des Substrats 2 zwischen den flachen Bereichen 15 und den tiefen Bereichen 12 Unterschied zwischen der Dotierstoffdichte in den flachen Bereichen 15 und der Dotierstoffdichte in den tiefen Bereichen 12 mindestens dem fünffachen und typischerweise einer Größenordnung oder mehr, erhalten werden. Es ist möglich, Solarzellen mit der Verfahrenssequenz dieser Erfindung mit einer bis zu > 1% absoluten höheren Effizienz herzustellen, verglichen zu Solarzellen, welche mit einem homogenen Emitter- oder Kollektorverfahren ohne weitere Herstellungsschritte hergestellt werden und wobei die Kosten (Dotierstoffquelle) der Diffusionssequenz reduziert werden.
Nach dem Diffusionsschritt wird das verbleibende Diffusionsglas an der Siliziumsubstratoberfläche mit einer chemischen Ätzlösung mit ungefähr 25°–50% HF in DI-Wasser entfernt und das Substrat 2 wird danach gesäubert und gespült. Die vorliegende Erfindung beinhaltet, dass das Diffusionsglas optional nicht entfernt wird und das Verfahren mit einem Oxydations/Passivierungsschritt fortgeführt wird. Damit kann ein HF-Säuresäuberungsschritt vermieden werden, was einen ökologischen Vorteil darstellt.
Wie schematisch in 7 dargestellt, kann der Diffusionssequenz ein optionaler Oxydationsschritt folgen, wobei eine SiO₂-Schicht 16a und 16b auf den Oberflächen des Substrats gebildet wird, indem die Substrate einer O₂-Atmosphäre, typischerweise in einem Quarzboot, für 1–20 Minuten bei Temperaturen im Bereich von 800–950°C ausgesetzt werden. Diese SiO₂-Schicht 16a, 16b dient, Defekte in dem Oberflächenemitter/Kollektorbereich 15 des Substrats zu passivieren, welche die Leistungsfähigkeit der Solarzelle verringern könnten. Passivierung, welche eine Oxydschicht verwendet, reduziert die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit, was den Verlust an Trägern verringert und somit die Effizienz verbessert. Optional kann nicht nur eine Passivierungsschicht 16a, 16b wie ein Oxyd aufgebracht werden, sondern ebenso eine Antireflexbeschichtung (ARC) 17. Die ARC-Schicht 17 kann durch chemische Dampfabscheidung (CVD, z. B. eine TiO₂-Schicht), Plasma unterstützte CVD (PECVD, z. B. eine Siliziumnitridschicht) oder ähnlichen Techniken aufgebracht werden. Das Aufbringen der ARC-Schicht kann in einer exzellenten Passivierung der Oberfläche und des Körpers des Halbleitersubstrats resultieren.
Abschließend weist die Metallisierungssequenz gewöhnlicherweise zwei oder drei Kontaktaufdruckschritte auf: Vorderkontakt 20 und einen oder zwei Rückkontaktmuster 21, in Abhängigkeit, wie viele verschiedene Metalle verwendet werden. Wie schematisch in 8 dargestellt, ist die Metallpaste 18 selektiv auf die vordere Seite des Substrats 2 aufgebracht, ausgerichtet an den Bereichen 12, welche stark dotiert sind. Eine weitere Metallpaste 19 wird entweder selektiv oder nicht selektiv auf die Rückseite des Substrats 2 aufgebracht. Siebdruck und nachfolgendes Trocknen ist der am meisten bevorzugte Weg, um diese Kontakte aufzubringen, jedoch können statt dessen andere Dickfilmtechniken, welche zuvor erwähnt wurden, Verdampfen oder Metallabscheidung (metal plating) aus einer wässrigen Lösung verwendet werden. Jeder Druckschritt wird durch einen Trocknungsschritt bei moderaten Temperaturen von 250°C, z. B. durch Infrarotheizer, gefolgt. Wie in 9 dargestellt, werden die Metallpasten 18, 19 danach bei hohen Temperaturen im Bereich von 650 bis 900°C für typischerweise von 30 bis 200 Sekunden gesintert, um gute ohmsche Kontakte 20 auf der Vorderseite des Substrats, ohne den Übergang 8 kurzzuschließen, und auch gute ohmsche Kontakte 21 auf der Rückseite des Substrats 2 zu bilden. Die Kontakte 20 und 21 werden durch eine beliebige ARC- oder Oxydschicht 16b; 17 gebildet. Die Spitzentemperatur, das Temperaturprofil (Temperatur über die Zeit) sind sehr wichtig und müssen für jede Metallisierungspaste und Verfahrenssequenz getrennt angepasst werden. Typischerweise werden die Vorderseiten- und Rückseitenkontakte, welche mit Metallpasten 18, 19 siebgedruckt sind, zusammen in einem Hochtemperaturschritt gesintert, nachdem sie getrennt getrocknet wurden. Optional kann eine Rückseiten-Oberflächenfeld-(BSF) Schicht 22 zur selben Zeit auf der Rückseite des Substrats 2 gebildet werden, wie schematisch in 9 dargestellt. Um eine BSF 22 zu bilden, ist vorzugsweise, eine hohe Temperatur und Aluminiumpaste für die Herstellung der rückwärtigen Oberflächenmetallkontakte 21 zu verwenden.
Optional, wie in 10 dargestellt, kann eine Antireflektionsschicht (ARC) 23 nach der Metallisierung aufgebracht werden, anstatt der ARC-Schicht 17, welche vor der Metallisierung aufgebracht wird und mit Bezug auf 8 beschrieben ist. Typische ARC-Schichten können TiO₂, Si₃N₄ oder Ta₂O₅ oder ähnliche Materialien aufweisen und mit vielfältigen Techniken aufgebracht werden. Metallkontakt-Sintertemperaturen von 800°C können für die Kontaktbildung ohne Kurzschließen des Übergangs 8 verwendet werden. Wenn Aluminium für die Metallkontakte verwendet wird, weist das Sintern bei solch hohen Temperaturen zusätzliche Vorteile, wie z. B. Aluminiumgettern und BSF-Bildung, auf.
Dickfilmtechniken zum Aufbringen von Metall und/oder Dotierstoffpasten wie durch Siebdruck, weisen eine exzellente Wiederholbarkeit auf. Die Substrate 2 können jeder Zeit durch den Siebdrucker an die gleiche Position unterhalb des Siebs mittels eines CCD-Kamera gesteuerten Positionierungssystems geladen werden. Eine Ausrichtung der Metallisierungs- und Diffusionsmuster kann gesteuert werden, falls Oxyde und/oder ARC-Schichten 16a, 16b; 17, 23 aufgebracht wurden, wobei die verschiedenen Farben der leicht breiteren ersten Bereiche 12 unter einem Mikroskop verwendet werden. Bei einer Abscheidung einer ARC-Schicht 17, 23 zeigt das Substrat 2 eine andere Farbe an den Orten, wo das Substrat höhere Dotierstoff-Oberflächenkonzentrationen aufweist. Dies begründet sich darin, dass die unterhalb liegende Oxydschicht 16b an Plätzen mit höherer Dotierstoffkonzentration dicker wird als die Oxydschicht 16a über den Bereichen 15 mit geringem Dotierniveau. Solang die Antireflektionsschicht (ARC) 17 oder 23 aufgebracht wird, ist das darunter liegende Muster sichtbar. Der Grund dafür ist die schnellere Oxydation an Orten mit einer höheren Oberflächenkonzentration, welche in einer dickeren Oxydschicht 16 resultiert. Nach dem Aufbringen einer ARC-Schicht 17 oder 23 wird dieser Unterschied in der Oxydschicht als unterschiedliche optische Dichte und einer unterschiedlichen Farbe der Schichten 16b + 17 oder 23 verglichen zu 16a + 17 oder 23 sichtbar.
Es ist möglich, mit einer einfachen Verfahrenssequenz gemäß der vorliegenden Erfindung selektive Emitter/Kollektorsolarzellen mit verbesserter Zellenleistungsfähigkeit (Sammeleffizienz) herzustellen, ohne das Verfahren zu verkomplizieren oder die Herstellungskosten zu erhöhen. Das Ergebnis ist eine kosteneffizientere Herstellung der Solarzellen. Keine zusätzlichen oder komplizierten Verfahrenseinrichtungen werden benötigt, wenn Siebdruckdiffusion schon verwendet wurde. Zugleich kann die Herstellungstoleranz durch Verwendung eines selektiven Emitters erhöht werden. Änderungen von verschiedenen Verfahrensparametern wie z. B. in dem Metallisierungssinterschritt sind weniger kritisch als in einem homogenen Emitter- oder Kollektorverfahren. Dies führt zu einer höheren Verfahrensausbeute, welche das Verfahren kosteneffizienter macht.
13 bis 16 zeigen schematisch die Herstellungsschritte einer Halbleitervorrichtung 30 in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert wurde mit Bezug auf die 5 bis 10 beschrieben, wird die Beschreibung einer weiteren Ausführungsform nicht im Detail vorgenommen. Die Bildung der Passivierungsschichten, die Reinigungsschritte oder andere Details des Verfahrens, andere als die Hauptdotierschritte, werden nicht beschrieben. Das Verfahren der weiteren Ausführungsform ist geeignet, um eine photovoltaische Vorrichtung zu bilden.
Wie in 13 dargestellt, wird ein erstes dotiertes Pastenmuster 31 selektiv auf ein Halbleitersubstrat 2 aufgebracht, welches ein Siliziumsubstrat sein kann und undotiert oder eine p-Typ oder n-Typ-Leitfähigkeit aufweist. Die Paste 31 kann durch eine der Dickfilmtechniken, welche zuvor beschrieben wurden, aufgebracht werden. Das Pastenmuster 31 wird danach getrocknet. Die erste Dotierstoffpaste 31 kann entweder die erste oder zweite Leitfähigkeit aufweisen. Das erste Pastenmuster 31 wird optional durch Aufbringen einer Schicht eines weiteren Materials, z. B. einer weiteren Paste 32, geschützt. Die Paste 32 kann eine andere Konzentration oder Typ ab die Paste 31 aufweisen oder undotiert sein. Paste 32 kann auf eine Hauptoberfläche des Substrats 2 aufgebracht werden. Die Pastenschicht 32 wird danach getrocknet.
Wie in 14 dargestellt, kann das dritte Pastenmuster 33 optional selektiv auf eine weitere Hauptoberfläche des Substrats 2 aufgebracht werden. Das Pastenmuster wird nachgetrocknet. Die Paste 33 kann entweder die erste oder zweite Leitfähigkeit aufweisen. Das Pastenmuster 33 und andere ausgewählte Teile der Oberfläche des Substrats 2 können durch selektives Aufbringen eines undotierten Materials 34, welches eine Paste sein kann, geschützt werden. Die Paste 34 kann durch eine der bereits erwähnten Dickfilmtechniken aufgebracht werden. Das Pastenmuster 34 wird danach getrocknet.
Wie in 15 dargestellt, kann ein anderes dotiertes Pastenmuster 35 selektiv auf eine Hauptoberfläche des Substrats 2 aufgebracht werden. Die Paste 35 kann einen Dotierstoff von einem der Leitfähigkeitstypen beinhalten. Die Paste 35 kann durch eine der zuvor erwähnten Dickfilmtechniken aufgebracht werden. Das Pastenmuster 35 wird danach getrocknet.
Das strukturierte Substrat 2 wird danach in einem Brennofen angeordnet und die Dotierstoffe aus den Pasten, welche Dotierstoffatome, z. B. 31, 33, 35, aufweisen, werden in das Substrat 2 getrieben, um dotierte Schichten 37, 39 bzw. 41 zu bilden. Zu derselben Zeit diffundieren die diffunderten Dotierstoffatome aus den nicht geschützten Pasten indirekt in Bereiche 42 des Substrats, welches nicht geschützt ist, um flache schwach dotierte Bereiche 42 zu bilden. Schließlich werden Metallpasten ausgerichtet an den Bereichen 37, 39 und optional 41 aufgebracht und bei hohen Temperaturen gesintert, um Metallkontakte 36, 38 bzw. optional 40 zu bilden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat 2 ein p-Typ Silizium aufweisen, Pasten 31, 35 und optional 32 können Phosphor enthaltende Pasten sein, Paste 33 kann eine Bor oder Aluminium enthaltende Paste sein und Paste 34 kann undotiert sein. Wenn eine Schicht 32 einen Dotierstoff beinhaltet, führt der Hochtemperatur-Eintreibenden Schritt zu dotierten Bereichen 43 zwischen den hochdotierten Bereichen 37 auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats (angedeutet in 16 durch eine gepunktete Linie). Wahlweise kann die schützende Paste 32 in den 13 und 14 weggelassen werden, was zu indirekt diffundierten schwachdotierten Bereichen 43 zwischen hochdotierten Bereichen 37 (angedeutet durch eine gepunktete Linie in 16) nach dem Eintreiben-Schritt führt. Als weitere Modifikation können die Schichten 32 und 31 in 14 weggelassen werden, was zu einer indirekt diffundierten Schicht 43 über die gesamte erste Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (angedeutet in 16 durch eine gepunktete Linie) führt, welche zu einem schwebenden Übergang nach dem hineintreibenden Schritt führt.
Die Vorrichtung, welche mit einem einzelnen Diffusionsschritt in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann eine Solarzelle sein, welche einen selektiven Emitter auf einer oberen Seite und eine schwebende Sperrschicht auf der unteren Seite aufweist. Solch eine photovoltaische Vorrichtung kann eine bessere Zellenleistungsfähigkeit aufweisen als eine einseitige Zelle mit einer herkömmlichen Rückseitenmetallisierung über die gesamte Rückseite. Die Vorrichtung, welche mit dem Verfahren nach einer weiteren Ausführungsform hergestellt wird, kann zusätzlich als zweiseitige Solarzelle verwendet werden.
Das Verfahren gemäß der weiteren Ausführungsform hat den Vorteil, dass Solarzellen hergestellt werden können, welche verbesserte Effizienzwerte aufweisen und verbesserte Kurzschlussströme, als Folge einer verbesserten Emitter/Kollektorstruktur und einem verbesserten Rückkontakt. Der Rückkontakt in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform weist keine Metallisierung über die gesamte rückwärtige Hauptoberfläche des Substrats 2 auf, was zu einer besseren rückseitigen Oberflächenreflektion führt oder zu seiner Verwendung in zweiseitigen Zellengestaltungen.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung zuvor detailliert beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass vielfältige Änderungen und Modifikationen von einen Fachmann vorgenommen werden können ohne den Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, welche ein Halbleitersubstrat (2) in der Form einer Scheibe aufweist, wobei das Verfahen die Schritte aufweist: Schritt 1) selektives Aufbringen eines Musters einer Festkörper-basierten Dotierstoffquelle (11) auf eine erste Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (2); Schritt 2) Diffundieren der Dotieratome von der Festkörper-basierten Dotierstoffquelle (11) in das Substrat (2) durch einen kontrollierten Wärmebehandlungsschritt in einer gasförmigen Umgebung, welche das Halbleitersubstrat umgibt, wobei die Dotierung der Festkörper-basierten Dotierstoffquelle direkt in das Substrat diffundieren, um einen ersten Diffusionsbereich (12) in dem Substrat unmittelbar unterhalb des Musters der Festkörperdotierstoffquelle (11) auszubilden, und wobei zur selben Zeit der Dotierstoff von der Festkörper-basierten Dotierstoffquelle indirekt über der gasförmige Umgebung in das Substrat diffundiert, um einen zweiten Diffusionsbereich (15) in mindestens einigen Bereichen des Substrats auszubilden, welche nicht durch das Muster angedeckt sind; und Schritt 3) Ausbilden eines Metallkontaktmusters (20), welches im Wesentlichen an dem ersten Diffusionsbereich (12) ausgerichtet ist und den ersten Diffusionsbereich (12) bedeckt, ohne im Wesentlichen den zweiten Diffusionsbereich geätzt zu haben.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der selektive Aufbringungsschritt 1) ein selektives Deponieren einer Festkörper-basierten Dotierstoffquelle beinhaltet.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, wobei das Substrat den ersten Leifähigkeitstyp und die Dotierung der Festkörper-basierten Dotierstoffquelle den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin einen Schritt zum Aufbringen einer passivierenden Schicht nach dem Diffusionsschritt 2) und vor dem Metallkontaktausbildungsschritt 3) aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin einen Schritt zum Texturieren des Halbleitersubstrats vor dem selektiven Dotierstoffquellen-Aufbringungsschritt 1) aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin einen Schritt zum Aufbringen einer Antireflexschicht aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 6, wobei der Schritt 3) zum Ausbilden eines Metallkontaktmusters ein Ausbilden ohmscher Kontakte zwischen den Metallkontaktmustern und dem ersten Diffusionsbereich durch Sintern durch die Passivierungs- und/oder Antireflexbeschichtung aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der selektive Dotierstoffquellenaufbringungsschritt 1) ein Aufbringen eines oder mehrerer weiterer Festkörper-basierter Materialien auf eine oder mehrere Hauptoberflächen des Substrats umfasst, wobei jedes der weiteren Festkörper-basierenden Materialien eine weitere Dotierstoffquelle des selben Leifähigkeitstyps wie die Festkörper-basierte Dotierstoffquelle ist, aber mit einer anderen Konzentration, oder eine weitere Dotierstoffquelle eines anderen Leitfähigkeitstyps ist oder undotiert ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Diffusionsbereich im Wesentlichen breiter als die erste Diffusionsbereich ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Dotierungsgrad in dem ersten Bereich und in dem zentralen Teil des zweiten Bereich mindestens fünf, und bevorzugt um 10, oder größer beträgt.
Halbleitervorrichtung, welche aufweist: ein Halbleitersubstrat (2) in der Form einer Scheibe, einen ersten (12) und einen zweiten (15) dotierten Bereich mit demselben Leitfähigkeitstyp in einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats; wobei der erste dotierte Bereich (12) eine höhere Oberflächen-Dotierungskonzentration als der zweite dotierte Bereich (15) hat; und ein Metallkontaktmuster, welches im Wesentlichen an dem ersten dotierten Bereich (12) ausgerichtet ist und den ersten dotierten Bereich (12) bedeckt, wobei die Oberflächen-Dotierungskonzentration des zweiten dotierten Bereich (15) monoton mit dem Abstand in einem Übergangsbereich innerhalb des zweiten dotierten Bereichs hin zu dem ersten dotierten Bereich (12) zunimmt, wobei der anstehende Gradient in der Oberflächenkonzentration des Dotierstoffs den Trägerstransport zu dem Metallkontaktmuster (20) erleichtert.
Halbleichtervorrichtung gemäß dem Ansprruch 11, wobei die Erhöhung der Oberflächen-Dotierungskonzentration über einen Abstand von 1 mm erfolgt.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Substrat einen ersten Leitfähigkeitstyp und der Dotierstoff des ersten dotierten Bereichs einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, welche weiter eine Antireflexbeschitung und/oder eine Passivierungsschicht über dem ersten und zweiten dotiertem Bereich aufweist.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Oberfläche des Halbleitersubstrates texturiert ist.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der zweite dotierte Bereich einen Emitter- oder einen Kollektorbereich in dem Halbleitersubstrat ausbildet.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Verhältnis der Oberflächen-Dotierungskonzetration zwischen dem ersten dotierten Bereich und dem zentralen Teil des zweiten dotierten Bereichs mindestens 5, bevorzugt um 10 oder größer beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der zweite dotierte Bereich einen zentralen Bereich mit im Wesentlich gleichmäßiger Oberflächenkonzentration hat.
Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei das Metallkontaktmuster einen Ohmschen Kontakt mit dem ersten dotierten Bereich ausbildet.