JP2016520996A - シリコンウェーハーのドーピング方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、光起電力セルを製造するためにシリコン板をドープする方法に関する。本方法は、シリコン板の表面（１０）の少なくとも第１の部分の第１のドーピングを実施するステップと、酸化物層（４０）を形成するステップと、シリコン板の表面（１０）の他の部分（１２）がドープされるように、該酸化物層（４０）を通して第２のドーピングを実施するステップと、を含む。【選択図】図１
Description
本発明は、ソーラーパネルに取り付ける光起電力セルを形成するシリコンウェーハーをドープする一般的な方法に関する。
従来技術において、光起電力セルを得るために連続的にシリコンウェーハーをドープすることが知られている。（ドーピングタブまたはドーピングウェルと呼称される）局所的なｎまたはｐドーピングを実行するために、今日の技術は、マイクロエレクトロニクスで使用されるリソグラフィ技術か、あるいは、レーザーアブレーション、または実際、局所化されたレーザーアニールを使用する。都合の悪いことに、これらの技術の全ては、高コストである（処理ステップ数が多い）か、あるいは、自動的に位置調整されない（換言すれば、連続的にドープされる部分が、すでにドープされた部分と重複せず、はっきりと識別されることを保証するために、それぞれのドーピング動作の前に、シリコンウェーハーから幾何学的な参照をとる必要がある）。さらに、（ドープされる部分が注入によって製造される場合には）高温で活性化の共通のアニールを実施する必要がある。（たとえば、燐によってドープされた）ｎ部分と（たとえば、ホウ素によってドープされた）ｐ部分との間で、活性化温度は異なるので、活性化アニールを調整するのは非常に難しい。アルミニウム、ガリウム、インジウム、ヒ素、またはアンチモンなどの種を使用してドーピングを行うことも考えられる。
E. Biermann: "Silicon oxidation rate dependence on dopant pile-up", Solid State Device Research Conference, 1989. ESSDERC '89. 19th European, Vol., No., pp. 49,52, 11-14 September 1989
本発明の目的は、従来技術の上述の欠点に対応することであり、特に、第一に、シリコンウェーハーの別個の部分を連続的にドープする方法であって、ドープされる部分の重複を避けるために、複雑な装置や位置測定のための特定の動作を必要としない方法を提案することである。
これを実施するために、第１の態様において、本発明は、起電力セルを製造するようにシリコンウェーハーをドープする方法であって、
該シリコンウェーハーの表面の少なくとも第１の部分の第１のドーピング操作を実施するステップと、
部分的にドープされた表面に酸化物層を形成するステップと、
該シリコンウェーハーの該表面の他の部分をドープするように、該酸化物層を通して第２のドーピング操作を実施するステップと、含むドーピング方法を提供する。
該シリコンウェーハーの表面の少なくとも第１の部分の第１のドーピング操作を実施するステップと、
部分的にドープされた表面に酸化物層を形成するステップと、
該シリコンウェーハーの該表面の他の部分をドープするように、該酸化物層を通して第２のドーピング操作を実施するステップと、含むドーピング方法を提供する。
本具体化による方法は、シリコン上の酸化物の成長の速度に関し、マイクロエレクトロニクスにおいてよく知られた特性を使用する。酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の成長の速度は、第１のドーピング操作にさらされた表面の第１の部分でより速い。換言すれば、ドープされた第１の部分上において、シリコンウェーハーの表面の残りの部分上においてよりも、酸化物層は厚く、したがって、第２のドーピング操作に対する追加の障壁を提供する。結果として、酸化物全体上で実施される第２のドーピング操作は、シリコンウェーハーの表面の残りの部分上においてのみ有効である。なぜなら、第２のドーピング操作は、薄い酸化物層を貫通することができるが、ドープされた第１の部分の位置に合う厚い化物層を貫通することができないように実施されるからである。結果として、酸化物層は、第２のドーピング操作中にマスクとして機能し、このマスクは、必然的にドープされた第１の部分を覆う。これによって、第２のドーピング操作前に、シリコンウェーハーの表面に形成された酸化物層のために、ドープされた第２の部分は、ドープされた第１の部分と自動的に位置合わせされることが保証される。このように、異なった種類のドープされた領域を得るために、第２のドーピング操作に先立ってシリコンウェーハーに施されるマスクはない。同様に、第１及び第２のドーピング操作の間に、酸化物を洗浄、または除去することはなく、したがって、製造プロセス全体が改善され、製造ラインが簡素化される。
たとえば、第１のドーピング操作が、互いに間隔をあけたドープされた線を形成する場合に、第２のドーピング操作は、ドープされた第１の部分の位置に合った酸化物層を貫通しない（その理由は、酸化物層が局所的により厚いからである）が、ドープされた第１の部分の間に形成された酸化物層を通過し（その理由は、酸化物層がドープされていないシリコン上で局所的に薄いからである）、これらの場所においてシリコンウェーハーはドープされる。このようにして、マスクを使用することなく、中間の洗浄作業なしに、第１のドープされた部分に対して自動的に位置合わせされた複数の線である、ドープされた第２の部分を形成することが可能になる。
一般的に、シリコンウェーハーの一部分のみの上に第２のドーピング操作を実施するために、第１のドーピング操作の後に形成された酸化物層を部分的に洗浄またはエッチングすることはない。第１のドーピング操作を受けたシリコンの部分において酸化物の形成は厚いので、特定の操作を使用することなく、酸化物層がマスクを形成する。したがって、本方法は、操作の数が少ないことを特徴とする。
一つの実施形態において、酸化物層を形成するステップが、ドープされた第１の部分を活性化アニールするステップに含まれる。ドープされた第１の部分の活性化アニールを、酸化物層を形成することと組み合わせるのが有利である。単一のステップが、ドープされた第１の部分を活性化すること、及び酸化物層を提供することの両方の役割を演じる。
他の実施形態において、酸化物層を形成するステップが、酸素富化された雰囲気内で加熱するステップを含む。酸化物層の形成が促進され、よりよく制御される。
他の実施形態において、第２のドーピング操作を実施するステップが、所定の貫通深さまでのドーピングを実施するステップである。
他の実施形態において、酸化物層を形成するステップが、ドープされた第１の部分の位置に合わせて第１の厚さの酸化物を形成し、該表面の残りの部分に、第１の厚さよりも小さい第２の厚さの酸化物を形成するようにするステップであり、該貫通深さが、該第１の厚さと該第２の厚さとの間である。本実施形態は、最適化された方法を保証する。第２のドーピング操作は酸化物層の厚い区域を通過しないので、ドープされた第１の部分に影響しない。他方、第２のドーピング操作は酸化物層の薄い区域を通過するので、シリコンウェーハーのドープされていない部分に到達する。
他の実施形態において、第１のドーピング操作を実施するステップが、プラズマ浸漬において実施される。本方法のこのステップは、たとえば、プラズマガンよりも簡単な装置を使用して実施してもよい。
他の実施形態において、第２のドーピング操作を実施するステップが、プラズマ浸漬において実施される。本方法のこのステップは、たとえば、プラズマガンよりも簡単な装置を使用して実施してもよい。
他の実施形態において、第１のドーピング操作を実施するステップ及び／または第２のドーピング操作を実施するステップが、プラズマ浸漬において実施される。
他の実施形態において、第２のドーピング操作を実施するステップの後に、第２のドーピングを活性化アニールするステップが続く。光起電力セルの操作は、このように最適化される。
他の実施形態において、第１のドーピング操作を実施するステップが、第１の温度での活性化アニールが必要な第１の種でシリコンをドープするステップであり、第２のドーピング操作を実施するステップが、第１の温度よりも低い第２の温度での活性化アニールが必要な第２の種でシリコンをドープするステップである。それぞれのドーピング操作には、特定の温度での活性化アニールが必要である。この実施形態の結果として、第２の活性化アニールの温度は、第１の活性化アニールの温度よりも低いので、第２のアニールは、ドープされた第１の部分の性質に影響を与えない。
他の実施形態において、第１のドーピング操作を実施するステップが、ホウ素でシリコンをドープするステップであり、第２のドーピング操作を実施するステップが、燐でシリコンをドープするステップである。それぞれのドーピング操作には、特定の温度での活性化アニールが必要である。ホウ素ドーピングをアニールするのに理想的な温度は、燐の活性化アニールに理想的な温度よりも高い。この実施形態の結果として、第２の活性化アニールの温度は、第１の活性化アニールの温度よりも低いので、第２のアニールは、ドープされた第１の部分の性質に影響を与えない。
他の実施形態において、第２のドーピング操作を実施するステップの後に、該酸化物層を除去するステップが続く。このステップは、セルが、光起電力セルを製造する後続のステップに準備できるように、単一のステップで、酸化物層全体を除去する。
他の実施形態において、該酸化物層を除去するステップが、フッ化水素酸を含む槽における化学的還元のステップである。この実施形態は、特定の予防措置をとることなく、酸化物層の全てが単一のステップで除去され、迅速で簡単である。
第２の態様において、本発明は、本発明の第１の態様にしたがってドーピングが実施された光起電力セルを提供する。
最後の態様において、本発明は、少なくとも一つの、本発明の第２の態様による光起電力セルを含む太陽光パネルを提供する。
本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な例として与えられ、添付の図面に示された、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、より明確になる。
部分的にドープされたシリコンウェーハー上に酸化ケイ素を成長させることは、E. Biermannによる文献: "Silicon oxidation rate dependence on dopant pile-up", Solid State Device Research Conference, 1989. ESSDERC '89. 19th European, Vol., No., pp. 49,52, 11-14 September 1989
に記載されている。
に記載されている。
要約は、以下のＵＲＬに見いだせる。
http://ieeexplore.ieee. org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5436671&i snumber=5436370
http://ieeexplore.ieee. org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5436671&i snumber=5436370
図１は、本発明の方法の第１のステップの間のシリコンウェーハーの断面図である。
この第１のステップは、シリコンウェーハーの表面１０の第１の部分１１を第１の化学種でドープすることからなる。使用されるドーピング方法は、たとえば、特許文献WO 2012/168575 A2に記載されたプラズマ浸漬ドーピングＰ１である。第１の部分的なドーピング操作を実施するために、シリコンウェーハーはプラズマ容器２０内に配置され、シリコンウェーハーの面１０にマスク３０が施される。マスク３０は、プラズマ容器２０内に発生させたプラズマが、マスク３０の開口部３１と位置の合う、シリコンウェーハーの第１の部分１１のみを浸漬するように、開口部３１及び中実部３２を有する。プラズマ容器２０内において、第１のイオン化された化学種を注入するように、シリコンウェーハーに電圧が加えられる。その結果、図の矢印で示されるように、電界が、第１の化学種のイオンを、シリコンウェーハーにおいて、板（マスク）３０における開口部３１によって覆われずに残された第１の部分１１に注入させる。
図１に示すように、シリコンウェーハーは、第１の部分１１において、第１の化学種によってドープされる。
図２は、本発明の方法の第２のステップを示す図である。第２のステップの間に、酸化物層４０が、部分的にドープされたシリコンウェーハーのシリコン面１０上に生成される。表面１０は、ドープされた第１の部分１１を有するので、表面１０の特性は、特に、酸化物との反応性に関して不均一である。酸化物は、第１の部分１１において、シリコンウェーハーの表面１０の残りの部分よりも迅速に生成される。
本方法の第２のステップは、表面１０におけるケイ素酸化物の成長を加速するために、高温で容器５０内において表面１０を酸素Ｏ２にさらすことを含む。シリコンウェーハーの表面１０に酸化物層４０が生成されている間に、ドープされた第１の部分１１においては、シリコンウェーハーの表面１０の残りの部分においてよりも迅速に成長が行われる。出願人は、第１のドーピング操作がホウ素または燐を使用して実施されれば、酸化物層４０の厚さは、ドープされた第１の部分１１において、シリコンウェーハーの表面１０の残りの部分の２倍乃至３倍であることを見出した。
酸化物層４０を生成するステップは、ドープされた第１の部分１１において、１０ナノメータ（ｎｍ）から６０ｎｍの範囲である第１の厚さＥ１を有し、シリコンウェーハーの表面１０の残りの部分において、４ｎｍから２０ｎｍの範囲である第２の厚さＥ２を有する酸化物層４０を得るように、時間、温度、及び酸素流量によって制御される。ドープされた第１の部分１１とシリコンウェーハーの表面１０の残りの部分との間の移行部において、酸化物層４０の厚さは、図２に示すように、大きな第１の厚さから小さな第２の厚さへ徐々に変化する。
シリコンウェーハーを使用して製造される光起電力セルの効率を増加させるために、高温の活性化アニールによってドープされた第１の部分１１を活性化する必要があり、独創的な実施形態は、高温の活性化アニールのステップの間に酸化物層４０を生成するステップを組み込むことである。
図３は、本発明の方法の第３のステップを示す。第２のドーピング操作が、酸化物層４０を通して、酸化されたシリコンウェーハー上に直接実施される。この目的のため、今回は、シリコンウェーハー上のマスクなしに、プラズマ容器２０内で新たなプラズマ浸漬ステップＰ２を実施することができる。マスクなしの理由は、本発明は、酸化物層４０をマスクとして利用するからである。シリコンウェーハーに電圧を加えることによって、プラズマ容器２０内に同様に電界が生成され、その結果、プラズマ容器２０内のプラズマ中に存在するイオンは、図示の矢印で示されるように、シリコンウェーハーに対して照射される。第２のドーピング操作は、表面１０の残りの部分のみにおいてシリコンウェーハーの表面１０に到達し、ドープされた第１の部分１１や第１の部分１１に隣接する表面１０の部分に到達しないことを保証するのが重要である。この目的のために、シリコンウェーハーに加える電圧、前駆物質ガス流量、イオン化電流、及びプラズマ容器２０内圧力などの、第２のドーピング操作のパラメータは、全て、第２のドーピング操作が、薄い個所では酸化物層４０を透過するが、厚い個所では酸化物層４０を透過しないように制御される。上述のパラメータの制御によって、酸化物層４０の第２の厚さよりも大きいが、酸化物層４０の第１の厚さよりも小さい、第２のドーピング操作中の貫通深さを得ることができる。
第２のドーピング操作は以下のとおりである。
ドープされた第１の部分１１と位置の合う酸化物層４０及びそのすぐ近傍に対しては厳しく制限される。
表面１０の残りの部分においては、酸化物層４０を完全に通過し、シリコンウェーハーの部分の内部に貫通する。
破線によって図３に示されるように、第２のドーピング操作の終了時に、シリコンウェーハーには、第１のドーピング操作中にドープされた第１の部分１１と、第２のドーピング操作中にドープされた第２の部分１２が存在し、上記の二つの部分は、ドープされていない第３の部分によって分離されている。上述の方法は、ドープされた部分の重複なしに、第１のドーピングと自動的に位置合わせされた第２のドーピングを達成することを可能にする。
本発明の方法は、酸化物層４０を除去することからなるステップをさらに含んでもよい。一例として、この操作は、たとえば、フッ化水素酸の槽への浸漬を使用するなど、化学的還元によって実施してもよい（酸化物層４０は、槽を通過する際に、完全に溶解される）。酸の濃度が十分であることを確認しながら、完全な溶解に要求される最小時間よりも長くシリコンウェーハーを浸漬すれば十分であるので、このように槽を通過させることは実施するのが簡単である。その後、製造方法の後続のステップに移行する前に、水切りし、乾燥させれば十分である。
さらに、シリコンウェーハーを使用して得られる起電力セルに対して高い効率を保証するためには、第２のドーピングの高温の活性化アニールを実施することができる。
このように、本発明の方法は、二つの活性化アニールステップを分離し、二つの活性化アニールステップに選択される温度が、活性化されるドーピング種のそれぞれによく適合するようにすることができる。
本発明の好ましい実施形態は、第１の温度における第１の活性化アニールが必要な第１の化学種を使用して第１のドーピング操作を実施し、第１の温度よりも低い第２の温度における第２の活性化アニールが必要な第２の化学種を使用して第２のドーピング操作を実施することからなる。
第１のアニール中に、本実施形態は、酸化層を迅速に形成するために、より高い温度の恩恵を受けることが可能であり、第２の活性化アニール中に、第１の活性化温度に到達しないので、ドープされた第１の部分の活性化への影響を避けることができる。
光起電力セルを製造する方法の一例を以下に記載する。
１．シリコンウェーハーをテクスチャリングまたは研磨する（たとえば、テクスチャリングは、５マイクロメータ（μｍ）から１５μｍの範囲であり、研磨は、５μｍから１５μｍの範囲である）。
２．ホウ素の第１のドーピングが、裏面においてマスク注入を使用して実施される。
３．第１のドーピングの活性化アニール及びシリコンウェーハーの酸化
このステップの間に、約９５０℃でシリコンウェーハーをアニールすることが可能であり、このアニールの間に、シリコンウェーハーを１７分間酸素にさらすと、Gary E. McGuire によって刊行された文献B.E. Deal "Semiconductor materials and process technology handbook: for very large-scale integration (VLSI) and ultra-large scale integration (ULSI)" (pp. 48-57) から得た式及び定数にしたがって、シリコンウェーハーのドープされていない部分に、約１０ｎｍの厚さを有する酸化物層が成長する。ドープされた部分の酸化物層は、約２０ｎｍから３０ｎｍの厚さである。
このステップの間に、約９５０℃でシリコンウェーハーをアニールすることが可能であり、このアニールの間に、シリコンウェーハーを１７分間酸素にさらすと、Gary E. McGuire によって刊行された文献B.E. Deal "Semiconductor materials and process technology handbook: for very large-scale integration (VLSI) and ultra-large scale integration (ULSI)" (pp. 48-57) から得た式及び定数にしたがって、シリコンウェーハーのドープされていない部分に、約１０ｎｍの厚さを有する酸化物層が成長する。ドープされた部分の酸化物層は、約２０ｎｍから３０ｎｍの厚さである。
４．表裏面における全面注入による、燐の第２のドーピング操作
裏面に施される第２のドーピングは、第１のドーピング操作中にドープされた部分の位置に一致する２０ｎｍから３０ｎｍ厚さの酸化物層を通過せずに、第１のドーピング操作中にドープされなかった部分の位置に一致する１０ｎｍの酸化物層を通過するように、１キロボルト（ｋｖ）から２０ｋｖの範囲のシリコンウェーハーへの印加電圧、１０−２ヘクトパスカル（ミリバール）から１０−７ヘクトパスカル（ミリバール）の範囲の容器内圧力、２００ミリアンペア（ｍＡ）のイオン化電流として、プラズマ浸漬内で実施することができる。
裏面に施される第２のドーピングは、第１のドーピング操作中にドープされた部分の位置に一致する２０ｎｍから３０ｎｍ厚さの酸化物層を通過せずに、第１のドーピング操作中にドープされなかった部分の位置に一致する１０ｎｍの酸化物層を通過するように、１キロボルト（ｋｖ）から２０ｋｖの範囲のシリコンウェーハーへの印加電圧、１０−２ヘクトパスカル（ミリバール）から１０−７ヘクトパスカル（ミリバール）の範囲の容器内圧力、２００ミリアンペア（ｍＡ）のイオン化電流として、プラズマ浸漬内で実施することができる。
５．１秒（ｓ）から１２０ｓの範囲の期間、０．５％から２０％の範囲の濃度のフッ化水素酸の槽に入れることによる酸化層の除去
６．１０分から６０分の間の約８５０℃における第２のドーピングの活性化／酸化アニール
７．裏面における不動態化／隔離層の形成（たとえば、２０ｎｍから２２０ｎｍの範囲の厚さを有するＳｉ３Ｎ４の層）
８．おもて面における不動態化／反射防止層の形成（たとえば、５０ｎｍから９０ｎｍの範囲の厚さのＳｉ３Ｎ４）
９．スクリーン印刷によってピンと接触させアニールする（ピンの上にはフリット付、コレクターの上にはフリットなしの銀ペースト、７５０℃から９５０℃の温度範囲で１秒から６０秒の範囲の期間のアニール）。
ＳｉＯ２酸化物層の厚さは、エリプソメータを使用するか、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を使用して測定することができる。ＳＩＭＳによれば、ドーピングの貫通深さを得ることも可能である。これに対して、シリコンウェーハーのある部分が実際にドープされていることを確かめるには、電気伝導度を測定することによって、第２のドーピング操作が、酸化物層をとおって実際にシリコンウェーハーに到達していること、本発明の目的である、ドープされた第１の部分とドープされた第２の部分との間に、ドープされていない区間が実際に存在することを確かめることが可能になる。
添付の特許請求の範囲に規定される発明の範囲を超えることなく、本明細書に記載された本発明の種々の実施形態に、当業者に自明な種々の変更や改良を適用できることは当然である。
Claims (13)
- 起電力セルを製造するようにシリコンウェーハーをドープする方法であって、
該シリコンウェーハーの表面（１０）の少なくとも第１の部分（１１）の第１のドーピング操作を実施するステップと、
部分的にドープされた表面（１０）に酸化物層（４０）を形成するステップと、
該シリコンウェーハーの該表面（１０）の他の部分（１２）をドープするように、該酸化物層（４０）を通して第２のドーピング操作を実施するステップと、含むドーピング方法。 - 酸化物層（４０）を形成するステップが、ドープされた第１の部分（１１）を活性化アニールするステップに含まれる請求項１に記載のドーピング方法。
- 酸化物層（４０）を形成するステップが、酸素富化された雰囲気内で加熱するステップを含む請求項１または２に記載のドーピング方法。
- 第２のドーピング操作を実施するステップが、所定の貫通深さ（Ｐ）までのドーピングを実施するステップを含む請求項１から３のいずれかに記載のドーピング方法。
- 酸化物層（４０）を形成するステップが、ドープされた第１の部分の位置に合わせて第１の厚さ（Ｅ１）の酸化物を形成し、該表面（１０）の残りの部分に、第１の厚さ（Ｅ１）よりも小さい第２の厚さ（Ｅ２）の酸化物を形成するようにするステップであり、
該貫通深さ（Ｐ）が、該第１の厚さ（Ｅ１）と該第２の厚さ（Ｅ２）との間である請求項４に記載のドーピング方法。 - 第１のドーピング操作を実施するステップ及び／または第２のドーピング操作を実施するステップが、プラズマ浸漬において実施される請求項１から５のいずれかに記載のドーピング方法。
- 第２のドーピング操作を実施するステップの後に、第２のドーピングを活性化アニールするステップが続く請求項１から６のいずれかに記載のドーピング方法。
- 第１のドーピング操作を実施するステップが、第１の温度での活性化アニールが必要な第１の種でシリコンをドープするステップであり、
第２のドーピング操作を実施するステップが、第１の温度よりも低い第２の温度での活性化アニールが必要な第２の種でシリコンをドープするステップである請求項１から７のいずれかに記載のドーピング方法。 - 第１のドーピング操作を実施するステップが、ホウ素でシリコンをドープするステップであり、
第２のドーピング操作を実施するステップが、燐でシリコンをドープするステップである請求項８に記載のドーピング方法。 - 第２のドーピング操作を実施するステップの後に、該酸化物層（４０）を除去するステップが続く請求項１から９のいずれかに記載のドーピング方法。
- 該酸化物層（４０）を除去するステップが、フッ化水素酸を含む槽における化学的還元のステップである請求項１０に記載のドーピング方法。
- 請求項１から１１のいずれかに記載のドーピング方法にしたがってドーピングが実施された光起電力セル。
- 少なくとも一つの、請求項１２に記載された光起電力セルを含む太陽光パネル。
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