KR20110050423A - 솔라 셀 제작에서 사용을 위한 애플리케이션 특정 주입 시스템 및 방법 - Google Patents

솔라 셀 제작에서 사용을 위한 애플리케이션 특정 주입 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20110050423A
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Abstract

솔라 셀(sola cells) 및 다른 반도체 디바이스는 주입된 도핑 제작 시스템을 사용하여 더 효율적이고 더 적은 비용으로 제작된다. 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템은 이온 소스(예를 들어, 단일-종의 전달 모듈), 이온 소스로부터 대략 150kV 미만의 에너지를 갖는 이온 빔을 생성하기 위한 가속 장치, 및 기판을 빔에 노출시키기 위한 빔 디렉터(director)를 포함한다. 하나의 실시예에서, 이온 소스는 단일-가스 전달 요소 및 단일-이온 소스를 포함하는 단일-종의 전달 모듈이다. 대안으로, 이온 소스는 플라즈마(plasma) 빔을 생성하기 위하여 생성되는 플라즈마 소스이다. 이 시스템은 약하게 도핑된 광(photo)-수용 영역과 더 강하게 도핑된 그리드라인(grid line)을 갖는 솔라 셀을 제작하기 위하여 사용된다. 이러한 구조는 "죽은 층"의 형성을 감소시키고, 콘택트(contact) 저항을 향상시켜서, 이로 인하여 솔라 셀의 효율을 증가시킨다.

Description

솔라 셀 제작에서 사용을 위한 애플리케이션 특정 주입 시스템 및 방법{APPLICATION SPECIFIC IMPLANT SYSTEM AND METHOD FOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS}
본 발명은, 발명의 명칭이 "SOLAR CELL FABRICATION USING IMPLANTATION"이고, 2008년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/131,687호, 발명의 명칭이 "APPLICATIONS SPECIFIC IMPLANTATION SYSTEM FOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS"이고, 2008년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허 출원 제 61/131,688호, 발명의 명칭이 "FORMATION OF SOLAR CELL-SELECTIVE EMITTER USING IMPLANT AND ANNEAL METHOD"이고, 2008년 6월 11일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/131,698호, 발명의 명칭이 "SOLAR CELL FABRICATION WITH FACETING AND IMPLANTATION"이고, 2008년 6월 24일 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/133,028호, 및 발명의 명칭이 "ADVANCED HIGH EFFICIENCY CRYSTALLINE SOLAR CELL FABRICATION METHOD"이고, 2009년 3월 20일에 출원되어 공동 계류중인 미국 가특허출원 제 61/210,545호에 대하여, 35 U.S.C.§119(e)하에 우선권을 주장하며, 이들 모두 본 명세서에서 설명되는 것처럼 참조로서 본 명세서에서 병합된다.
본 발명은 반도체 디바이스의 제조에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 솔라 셀 제조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스는 다-목적 반도체 제작 툴(tool)을 사용하여 제조된다. 현재 반도체 디바이스의 계속-작아지는 치수에 기인하여, 이들 툴은 엄격한 규격에 따라 디바이스를 제작한다. 다-목적이기 때문에, 이들 툴은 넓은 범위의 에너지에 걸치는(span) 빔을 사용하여, 상이한 제작 단계에 대해 상이한 이온(ion)종을 생성한다. 작은-외형의 디바이스를 제작할 수 있기 위해 이들 툴은 엄격한 스캐닝(scanning) 치수를 갖는다. 또한, 이들 툴은 기판상에 수집된 전하를 중화시키기 위해 오염을 감소시키고, 특정 모듈을 포함하기 위하여 질량(mass) 분석을 수행한다. 이들 툴이 매우 복잡하고, 이들의 요구사항이 매우 엄격하기에, 이들의 생산량은 비교적 적은, 오직 시간당 대략 200개의 웨이퍼(wafer)이다.
도 1은 반도체 디바이스를 제조하는 하나의 단계로서, 기판에 주입하기 위한 종래 기술의 주입 시스템(100)을 도시한다. 다수의 웨이퍼는 트윈 로드 락(twin load lock)(105)을 통하여 시스템(100)에 도입(introduce)된다. 다수의 가스 전달 모듈(110)은 다수의 가스를 포함할 수 있는데, n-타입 및 p-타입 이온(불순물(dopant))은 상기 다수의 가스로부터 추출된다. 이 이온은 사전-가속 장치(120)에 의해 가속되는데, 이 사전-가속 장치(120)는 오염을 감소시키기 위하여 질량 분석을 수행하는 자석(magnet)(125)에 이들 이온을 전달한다. 그런 후에, 이온은 후-가속 장치(130)에 전달되어, 전하 중화 모듈(135)로 전달된다. 이온의 빔은 빔 스캐닝 메카니즘(140)을 사용하여 다수의 웨이퍼(101)의 표면을 가로질러 스캔된다; 대안으로, 웨이퍼(101) 그 자체가 빔에 대하여 이동된다. 그런 후에, 측정 및 제어 유닛(145)은 웨이퍼(101)를 분석한다.
시스템(100)이 상이한 불순물을 주입할 수 있어야 하기 때문에, 사전 가속 장치(120) 및 자석(125)의 작동 범위는 커야만 하는데, 일반적으로 10keV 미만에서 200keV 이므로, 모든 불순물 타입을 주입하는데 충분하다. 또한 이 시스템(100)은 진보된 형태의 엄중한 요구사항(65nm 보다 작은)을 충족할 수 있어야 한다. 하나의 예시로서, 0.5% 미만의 균일성 요구사항은 다중 빔 스캔을 요구하여, 시스템 생산성을 감소시킨다.
제 2 단점은 디바이스상에 특징부가 디바이스의 제조의 상이한 단계 동안 변하는데 있다. 이들 특징부는 이들 특징부가 노출되는 높은 온도 또는, 수집된 전하에 버틸 수 없다. 게다가, 특징부 그 자체는, 예를 들어, 절연 필름이 이 필름의 형성 동안 전하를 수집할 때, 주입 빔에 악영향을 미칠 수 있다.
소수의 예외를 제외하고, 디바이스 제작은 높은 전력 밀도 및 고온의 생성을 갖는 빔을 요구한다. 일반적으로 이들 제한은 종래 기술의 제작 시스템을 복잡하게 한다.
제 1 양상에서, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템은, 이온 소스, 이온 소스로부터의 대략 150keV 이하의 에너지를 갖는 빔을 생성하기 위한 가속 장치, 및 기판을 빔에 노출시키는 빔 디렉터(director)를 포함한다. 하나의 실시예에서, 이온 소스는 단일-가스 전달 요소 및 단일-이온 소스를 포함하는 단일-종의 전달 모듈을 포함한다. 빔 디렉터는 정전기 및 전자기 광학계(optics)와 같은 집속 요소를 포함하는데, 이 요소는 기판 위에 빔을 집속 시키거나 또는 성형하는데 사용된다. 다른 실시에에서, 이온 소스는 추출되는 이온을 생성하는 플라즈마(plasma) 소스(단일-이온 플라즈마 소스와 같은)를 포함한다. 또한, 이러한 다른 실시예는 기판을 둘러싸거나, 또는 그렇지 않으면 이 기판을 전체적으로 커버(cover)하기 위하여 이온을 분산시키는 가속 장치 및 빔 디렉터를 포함한다.
하나의 실시예에서, 단일-이온 플라즈마 소스는 5cm 내지 10cm의 빔 슬롯 길이와 5mm 미만의 폭을 갖는다. 대안으로, 단일-이온 플라즈마 소스는 더 긴 슬롯 길이, 폭, 또는 모두를 갖는다. 추가로, 마그네트론(magnetron)에 의해 생성된 플라즈마 소스는 매우 큰 플라즈마를 생성하기 위하여 생성될 수 있는데, 기판은 구현을 위하여 이 플라즈마 내에 놓일 수 있다. 이온 소스는 안티몬(antimony), 비소(arsenic), 또는 인(phosphorous)과 같은 n-타입 불순물을 포함한다. 물론, 다른 n-타입 불순물 또한 사용될 수 있다. 대안으로, 이온 소스는 붕소(boron), 알루미늄, 갈륨(gallium), 인듐(indium), 또는 BF2와 같은 p-타입 불순물을 포함한다. 다른 p-타입의 불순물 또한 사용될 수 있다.
빔은 대략 5kW/cm2의 전력 밀도를 갖는다. 하나의 실시예에서, 단일-이온 소스는 시스템, 예를 들어, 단일-종의 전달 모듈과 플러그-호환성(plug-compatible)이 있다.
하나의 실시예에서, 빔 디렉터는 직교 방향으로 기판을 가로질러 빔을 스테핑(step) 하기 위하여 스캐닝 요소를 포함한다.
제 2 양상에서, 반도체 디바이스를 제작하는 방법은 기판 내에 광(photo)-수용 영역을 형성하는 단계, 그리드라인(gridlines)을 형성하기 위하여 광-수용 영역을 도핑하는 단계, 및 금속 핑거(fingers)를 그리드라인에 연결하는 단계를 포함한다. 광-수용 영역은 제 1 농도의 불순물로 도핑되고, 및 그리드라인을 형성하기 위하여 제 1 농도보다 높은 제 2 농도의 불순물로 도핑된다. 그리드라인은 광-수용 영역의 가장 높은(topmost) 영역으로부터 기판 아래로 확장한다. 단일-종의 전달 모듈을 포함하는 시스템을 사용하여 광-수용 영역이 도핑되고, 그리드라인이 형성된다. 금속 핑거는 그리드라인에 연결된다. 따라서, 기판은 금속 핑거 아래에 낮은 불순물 분포 및 높은 불순물 분포의 광-수용 영역을 갖는다.
하나의 실시예에서, 기판은 다른 기판으로부터 개별적으로, 따로따로 도핑된다. 다른 실시예에서, 기판은 다른 기판과 그룹으로 도핑된다.
하나의 실시예에서, 그리드라인은 마스크(mask)를 통하여 기판을 불순물을 포함하는 이온빔에 노출시킴으로써 형성된다. 이 마스크는 기판의 표면으로부터 떨어져 놓이고 그리드라인의 폭으로 치수가 맞춰진 개구부를 갖는다. 대안으로, 폭은 그리드라인의 폭과는 알려진 편차(deviation)를 갖는다. 다른 실시예에서 마스크는 기판의 표면상에 위치되고, 그리드라인이 형성될 위치에 인접한 개구부를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 그리드라인은 불순물을 포함하는 플라즈마 빔을 이 그리드라인의 폭으로 성형 또는 펄싱(pulsing)하고, 빔을 광-수용 영역 위로 향하게 함으로써 형성된다. 이러한 후자의 실시예에서, 플라즈마 빔은 고정적이다. 다른 실시에에서, 이온 빔은 그리드라인을 순차적으로 형성하기 위하여 광-수용 영역을 가로질러 스캔 되거나, 또는 그리드라인을 동시에 형성하기 위하여 생성된다.
하나의 실시예에서, 제 1 농도(조사량(dose))는 1 * 1015/cm2 미만이다. 광-수용 영역은 대략 100Ω/□의 저항을 갖는다. 그리드라인은 대략 10 내지 30Ω/□의 저항을 갖고, 200미크론 미만의 폭을 가지며, 서로 5mm 미만으로 이격된다. 하나의 실시예에서, 그리드라인은 대략 3mm 이격된다.
게다가, 본 방법은 그리드라인을 금속 핑거에 연결하기 전에, 각각의 그리드라인 상에 금속 시드(seed)를 주입하여, 금속 실리사이드(silicide)를 형성하는 단계를 포함한다.
하나의 실시예에서, 또한, 본 방법은 예를 들어, 노(furnace), 플래쉬 램프(flash lamp), 또는 레이저를 사용함으로써, 기판을 어닐링(annealing) 하는 단계를 포함한다. 이 기판은 단일 단계에서 저온으로, 예를 들어 400 내지 500℃로 어닐링될 수 있다.
제 3 양상에서, 솔라 셀을 제작하기 위한 방법은, 150kV 미만의 에너지를 갖는 이온 빔을 사용하여 기판 내의 광-수용 영역을 제 1 농도로 도핑하는 단계, 그리드라인을 형성하기 위하여, 이온 빔을 사용하여 제 1 농도보다 높은 제 2 농도로 광-수용 영역을 도핑하는 단계, 및 금속 핑거를 그리드라인에 연결하는 단계를 포함한다. 그리드라인은 광-수용 영역의 가장 높은 표면으로부터 기판 아래로 확장된다. 기판은 156 mm x 156 mm이고, 광-수용 영역은 단일-종의 전달 모듈을 포함하는 시스템을 사용하여 도핑된다. 시스템은 적어도 시간당 1,000개의 웨이퍼 처리량을 갖는다.
본 발명은 "죽은 층"의 형성을 감소시키고, 콘택트(contact) 저항을 향상시켜서, 이로 인하여 솔라 셀의 효율을 증가시키는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술의 반도체 디바이스 제작 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 실시예에 따른 반도체 디바이스 제작 시스템을 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 실시예에 따른 빔을 성형하기 위한 빔 광학계을 도시하는 도면.
도 4는 일 실시예에 따른 솔라 셀의 약하게 도핑된 광-수용 영역을 도시하는 도면.
도 5a 내지 도 5c는 상이한 실시예에 따라, 도 4의 광-수용 영역을 도핑함으로써 그리드라인의 형성을 도시하는 도면.
도 6은 일 실시예에 따라, 그리드라인을 도 4의 솔라 셀의 금속 핑거에 연결하기 위하여 시드를 사용하는 것을 도시하는 도면.
도 7은 일 실시에에 따라 프로파일 맞춤화(profile tailoring) 그래프를 도시하는 도면.
도 8은 확산(diffusion)을 사용하여 도핑되는 솔라 셀을 위한 프로파일 맞춤화 능력의 단점을 설명하는 그래프.
도 9a 및 도 9b는 하나의 실시예에 따라 이온 주입을 사용하여 도핑되는 솔라 셀에 대한 프로파일 맞춤화 능력의 장점을 설명하는 그래프.
도 10은 하나의 실시예에 따른 솔라 셀을 제작하기 위한 처리의 단계를 도시하는 도면.
본 발명에 따른 시스템은 솔라 셀과 같은 특정 반도체 디바이스를 제작하기 위하여 특별하게 맞추어진다. 이들 시스템은 다른 반도체 디바이스를 제작하기 위하여 요구되는 오차 허용도 보다 더 완화된 오차 허용도를 사용한다. 이들 시스템은 종래 기술의 시스템보다 더 빨리, 덜 비싸게, 그리고 더 작은 공간에서 디바이스를 제작한다. 이러한 시스템은 적어도 시간당 1,000개의 솔라 셀을 생산할 수 있다.
시스템은 더 단순화되는데, 왜냐하면, 웨이퍼가 어떠한 특징을 갖는 커버를 갖지 않고, 스캐닝이 단순화되며, 질량 분석이 다른 방법을 사용하여 수행될 수 있기에, 어떠한 전하 중화도 사용되지 않기 때문이다. 모든 이들 장점은 종래의 반도체 제작 시스템을 사용하여 실현될 수 있는 것보다 더 높은 산출을 초래한다.
또한, 실시예에 따른 시스템은 더 효율적인 솔라 셀을 제작하는데, 이 솔라 셀은 저항 손실 및 죽은 층의 효과를 감소시키기 위하여 맞춤화된 도핑 프로파일을 갖는다.
도 2는 일 실시예에 따라 솔라 셀을 제작하기 위한 시스템을 도시한다. 시스템(200)은 도 1의 종래 기술의 시스템보다 단순하다: 이 시스템(200)은 더 높은 생산성을 갖고, 더 작은 면적(footprint)을 가지며, 플러그-호환성 구성 요소(교환될 수 있고, 다른 종의-특정 모듈과 교체될 수 있는)를 갖는다. 시스템(200)은 단일-가스 전달 모듈(205), 이온 소스(210), 가속 장치(215), 비스듬한(skewed) 빔 스캐닝, 질량 분석, 및 빔 성형 모듈(220), 측정 및 제어 모듈(225), 및 단일 로드 락(230)을 포함하여, 단일 솔라 셀(201)을 다룬다. 다른 실시예(미도시)에서, 단일-가스 전달 모듈(205) 및 이온 소스(210)는 플라즈마 소스 모듈과 교체되고, 빔 성형 모듈(220)은 솔라 셀(201)에 플라즈마 빔을 분산시키기 위한 분산기와 교체된다.
시스템(200)은 특정 능력을 갖는다. 모든 실시예가 이들 능력을 갖지는 않는다는 것이 인식될 것이다. 이온 소스(210)는 긴 슬롯을 갖는다. 대안적인 실시에에서, 이온 소스(210)는 폭이 넓고 좁은 형성을 위한 다중 이온소, 또는 플라즈마 빔을 포함한다. 이온 소스(210)는 한 번에 단일 종에 전용되는 모든 종의 100mA 까지의 빔 전류를 생성한다. 또한, 이온 소스(210)는 각 특정 애플리케이션에 대해 플러그-호환성이 있다: 상이한 이온 빔 소스를 갖는 새로운 애플리케이션이 요구될 때, 이온 소스(210)가 뽑혀져서 다음 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 다른 소스(예를 들어, 상이한 불순물)와 교체된다. 이온 소스(210)는 5cm미만 내지 10cm의 빔 슬롯 및 1mm 내지 2mm의 폭을 갖는다. 대안으로, 이온 소스(210)는 플라즈마 소스이고, 폭이 넓은 빔을 생성하기 위하여 구성될 수 있다. 길이는 156mm x 156mm 기판의 하나의 치수 또는 치수 모두를 커버하기 위하여 늘어날 수 있다.
작동시, 단일-가스 전달 모듈(205) 및 이온 소스(210)는 이온 빔을 함께 생성하는데, 이 이온빔은 DC 방식 또는 펄싱된, 가속 장치(215)에 의해 가속화될 수 있다. 일 실시예(도3)에서, 가속 장치는 15 keV 내지 150 keV와 같은 제한된 에너지 범위를 갖는 추출 및 집속 요소를 갖는다. 다른 실시예에서, 다른 제한된 에너지 범위가 사용된다. 바람직하게, 시스템(200)의 에너지 요구를 제한하기 위하여, 가속 장치(215)는 100 keV 이상에서는 작동하지 않는다.
그 다음에, 초래되는 비스듬한 빔은 빔 스캐닝, 질량 분석, 및 성형 모듈(220)을 사용하여 제어된다. 게다가, 빔은 측정 및 제어 모듈(225)을 사용하여, 빔이 단일 웨이퍼(201)에 충돌하기 전에 또는 동시에 측정되고 제어된다. 단일 웨이퍼(201)는 웨이퍼(201)의 전체 표면을 커버하기 위하여 단일 빔을 사용하여, 사전 결정된 패턴에 따라 불순물을 주입하기 위하여 빔의 앞에서 스테핑 될 수 있다. 하나의 실시예에서, 웨이퍼(201)는 156mm x 156mm이지만, 시스템(200)은 다른 치수의 웨이퍼도 처리할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 웨이퍼는 이동 플레튼(platen) 상에서 빔 앞에 배치되거나, 또는 트레이(tray) 상의 하나 이상의 웨이퍼가 빔에 노출된다.
마지막으로, 처리된 단일 웨이퍼(201)는 단일 로드 락(230)을 통하여 시스템(200)으로부터 제거된다.
도 3a 및 도 3b는 기판(401)에 불순물을 주입하기 위하여 빔 스폿(spot)을 성형하는 2개의 실시예에 따른, 빔 성형기(300 및 350)(또한, "빔 광학계"로 참조되는")이다. 하나의 실시예에서, 빔 성형기(300 및 350)는 도 2의 빔 성형 모듈(220)의 일부를 형성한다. 빔 성형기(300 및 350) 각각은 자기 및 정전기 렌즈를 포함한다. 아래에서 더 구체적으로 논의되는 바와 같이, 성형기(300 및 350)는 반도체 솔라 셀 내에 선택적 에미터(emitters)를 주입하기 위하여 사용될 수 있다.
빔 성형기(300)는 "큰 치수"의 성형기이다. 빔 성형기(300)는 제 1 폭을 갖는 빔(310A)을 받고, 제 1 폭보다 큰, 대략 5cm 내지 10cm의 기판 및 이 기판의 홀더의 치수(holder)까지의 제 2 폭을 갖는 빔(310B)을 생성하기 위하여 빔을 성형한다. 대안으로, 제 2 폭은 대략 15.6 cm이다.
빔 성형기(350)는 "작은 치수" 성형기이다. 빔 성형기(350)는 제 1 폭을 갖는 빔(315A)을 받고, 제 1 폭보다 작은 대략 200 미크론의 제 2 폭을 갖는 빔(351B)을 생성하기 위하여 빔을 성형한다. 대안으로, 제 2 폭은 대략 50 미크론이다.
또한, 빔 성형기(300 및 350)는 빔 내에 혼입된 원치 않는 불순물(impurities)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 앵글의 약간의 변경으로 상이한 전하 대 질량율을 갖는 원치 않는 중성 입자 또는 종을 제거할 수 있다. 대안으로, 빔을 포함하는 체임버(chamber)의 내의 내부 피복은, 구체적으로 빔이 플라즈마 빔일 때, 측벽오염을 최소화하도록 구성될 수 있다.
빔 성형기(300 및 350)를 사용하여, 빔 스캐닝, 질량 분석, 및 성형 모듈(220)(도 2)은 외형이 변화하는 반도체에 주입하기 위하여 빔을 "성형"할 수 있다.
바람직하게, 빔 스폿 치수, 빔 전류, 및 스캐닝 방법은 5 kW/cm2의 빔 전력 밀도를 갖고, 웨이퍼(201)(도 2)의 평균 온도를 그 체적 내에서 150℃이상으로 증가시키지 않는다. 웨이퍼(201)는 후면 냉각(cooling), 탄성 중합체(elastomeric)의 방법, 또는 전기 냉각 방법을 사용하여 냉각된다.
또한, 빔-제한 펄스-성형 방법은 웨이퍼를 냉각시키기 위하여 사용될 수 있다. 이들 방법을 사용하여, 웨이퍼의 온도는 모두가 자동 제어를 사용하는 하나 이상의 웨이퍼의 묶음(batch) 내에서, 임의의 다른 단일의 웨이퍼 사이의 빔을 공유함으로써 제한된다. 대안으로 시스템은 위치가 아닌 시간에 걸쳐서 열을 분산시키기 위하여 펄스 플라즈마 소스를 사용할 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 반도체 솔라 셀을 제작하는데 매우 적합하다. 각각이 본 명세서에서 그 전체가 참조로 통합되는 다음의 공동-계류중인 특허 출원은 솔라 셀을 제작하기 위한 상이한 방식을 서술한다: 이들 특허 출원은 바박 애디비(Babak Adibi) 및 에드워드 S. 머러(Edward S. Murrer)에 의해, 발명의 명칭이 "Solar Cell Fabrication Using Implantation"으로 2009년 6월 11일에 출원되었고, 관리 번호 SITI-00100을 갖는 미국 특허 출원 제 XX/XXX,XXX호, 바박 애디비 및 에드워드 S. 머러에 의해, 발명의 명칭이 "Formation of Solar Cell-Selective Emitter Using Implant And Anneal Method"으로 2009년 6월 11일에 출원되었고, 관리 번호 SITI-00300을 갖는 미국 특허출원 제 XX/XXX,XXX호, 바박 애디비 및 에드워드 S. 머러에 의해, 발명의 명칭이 "Solar Cell Fabrication with Faceting and Ion Implantation"으로 2009년 6월 11일 출원되었고, 관리 번호 SITI-00400을 갖는, 미국 특허출원 제 XX/XXX,XXX호이다. 도 4, 도 5a 내지 도 5c, 및 도 6은 실시예에 따라 솔라 셀을 제작하기 위하여, 시스템(200)(도 2)의 사용을 도시한다.
솔라 셀은 도핑된 반도체 기판 위에 있는 약하게 도핑 된 광-수용 표면상에서 광 에너지를 수신하여, 전자-홀(hole) 쌍을 생성하는 기능을 한다. 이들 쌍에서 전자는 전류를 형성하고, 이들 전류는 기판에서 층을 따라, 그리드라인, 금속 핑거 및 버스바에 이 전자를 흐르게 하는 강하게 도핑된 선택적 에미터로 및 궁극적으론 로드로 이동한다. 그런 후에, 이들 전자는 역으로, 대부분의 기판의 체적으로 이동하고, 여기에서, 이들 전자는 분리된 홀과 재결합한다.
일반적으로, 광-수용 영역은 동일한 단계에서, 그러므로 그리드라인 하의 영역으로서 동일한 농도로 도핑된다. 이러한 도핑에 대하여, 이들 확산(diffusion) 방법의 사용은 기판의 표면에 매우 가까운 비-활성화된 불순물 종의 대량의 초과분(excess)을 생성한다. 이는 "죽은 층"을 초래한다: 광-수용 영역이 약하게 도핑 되어야 하지만, 비-활성화된 불순물의 초과분을 갖기에, 솔라 셀에 충돌하여 광이 임의의 전류를 생성하기 전에, 쌍이 아닌 홀과 결합할 때, 감금(captivated) 전자가 형성된다. 이는 솔라 셀의 효율을 감소시킨다.
죽은 층은 기판의 표면 영역 근처에 비-활성화된 불순물의 더 나은 제어를 통하여 감소될 수 있다. 도 4 및 도 5a 내지 5c에서 도시되는 실시예는, 어떻게 선택적 에미터가 그리드라인 사이보다 더 높은 농도로 광-수용영역을 도핑함으로써 형성될 수 있는지를 도시한다.
도 4는 솔라 셀에 형성될 기판의 측단면도이고, 이는 낮게 도핑된 광-수용 영역(505)을 갖는다. 이러한 예시에서, 기판(500)은 p-타입의 반도체 기판이며, 영역(505)은 제 1 농도의 n-타입 이온으로 도핑 된다. 영역(505)은 대략 100Ω/□의 저항을 갖는다; 초과분 불순물은 불순물 전류 캐리어(carriers)의 생성 및 운반을 방해한다. 영역(505)은 전형적으로 1E15/cm2 미만의 농도로 대략 50-100 keV 미만의 에너지 주입으로 주입된다. n-타입 불순물의 일부 실시예는 안티몬, 비소, 또는 인이다.
실시예에 따라, 기판(500)은 전체 적용 범위를 제공하기 위하여 널리 확장되거나 또는, 전체 기판(500)을 적용하기 위해 x-축 방향, y-축 방향, 또는 양방향으로 신속히 스캔되는(요소(220), 도 2) 빔을 사용하여 도핑된다. 솔라 셀에 대하여, 적용 범위의 비-균일성은 5% 미만으로 측정되어(예를 들어, 95% 이상의 적용범위의 균일성), 빔 스폿 프로파일에서 유사한 균질성을 요구한다. 도 3a 및 도 3b에서 도시된 빔 성형기(300 및 350)는 높은 생산성의 주입을 허용한다.
도 5a 내지 도 5c는 약하게 도핑된 영역(505)보다 더 높은 농도의 n-타입 불순물로 기판(500)을 도핑하여, 그리드라인(580A 내지 580C)을 형성하여, 죽은 층의 형성을 감소시키는 대안적인 방식을 도시한다. 도 5a에 도시된 실시예에서, 물리적인 마스크(515)는 광-수용 영역(505) 위에 위치된다. 이 마스크(515)는 요구된 그리드라인(580A)의 치수로 성형 된 개구부를 갖는다; 대안으로, 이 개구부는 알려진 양만큼, 그리드라인(580A)의 치수보다 약간 더 크다. 그런 후에, 이온 빔(600)은 마스크(515)에 유도되어, 이에 의해 그리드라인(580A)을 형성한다. 대안적인 실시예에서, 빔(600)은 플라즈마 빔이며, 기판(500)은 이 빔에 노출된다. 이 배열은 위에 서술된 바와 같이 빔 스캐닝 또는 빔 성형과 결합되어 사용될 수 있어서, 빔의 활용을 극대화한다.
도 5b에서 도시된 실시예에서, 마스크(550)는 광-수용 영역(505) 상에 위치된다. 이 마스크(550)는 단단하거나 부드러울 수 있고, 리소그래피(lithography), 콘택트 프린팅(contact printing), 스크린 프린팅을 사용하여 형성될 수 있다. 대안으로, 콘택트 증착(deposition)을 위해 사용되는 이미 존재하는 마스크 또한 사용될 수 있다. 다시, 이온 빔(610)은 마스크 상에 유도되어, 이에 의해 그리드라인(580B)을 주입한다. 대안적인 실시예에서, 플라즈마 빔은 이온 빔(610) 대신에 사용된다.
도 5c에 도시된 실시예에서, 주입 빔(620)은 기판(500)을 도핑하고, 그리드라인(580C)을 형성하기 위하여 성형된다. 이러한 배열은 동시 노출을 위하여 일련의 빔 세트(sets)를 사용할 수 있는데, 이 빔 세트는 기판(500)을 가로질러 새기는 단일 스캐닝 및 스테핑 빔 스폿을 사용한다. 대안으로, 넓은 및 좁은 빔은 하나 또는 임의의 개수의 그리드라인(580C)을 개별적으로 노출하기 위하여 사용될 수 있다.
도 6은 작동 기능 및 밴드 갭이 금속/반도체 영역의 형성에 의해 조절되는 처리 단계 이후의 기판(500)을 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 금속종(700)은 콘택트 핑커 아래의 영역, 그리드라인(580)(580A 내지 580C 중 어느 하나)의 위에, 및 또한, 기판(500)(미도시)의 뒷면에 주입된다. 이러한 "시드" 주입은 금속 핑거(그리드 라인에 부착된) 및 로드에 콘택트 성능을 증가시킨다.
도 6을 참조하면, 인접한 그리드라인(580) 사이의 도핑은 대략 100Ω/□이고, 그리드라인(580) 아래의 도핑은 10 내지 30Ω/□이며, 그리드 라인 사이의 거리(X)는 대략 3mm이지만, 1mm로 감소 될 것이라 예상되고, 그리고 금속종(금속 핑거)의 폭(Y)은 대략 200 미크론인데, 50미크론으로 감소될 것이라 예상된다.
기판(500)은 성장한 단일의 또는 단(mono)-결정, 폴리(poly)-결정, 또는 다(multi) 결정 실리콘, 얇은-필름 증착 실리콘, 또는 솔라 셀을 형성하기 위하여 사용되는 임의의 다른 물질일 수 있다. 다른 타입의 기판 및 도핑이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 오직 하나의 예시로서, 기판(500)은 n-타입일 수 있고, 그리드라인(580A)은 p-타입일 수 있다. p-타입 불순물의 예시는 붕소 및 붕소 디플로라이드(diflouride)를 포함한다. 당업자라면, 반도체 타입, 이온, 레벨, 및 다른 특징의 다수의 다른 조합을 인지할 것이다.
도 7, 도 8, 도 9a, 및 도 9b는 본 발명의 실시예{예, 도 2의 시스템(200)}에 따라 어떻게 시스템이 죽은 층의 형성 및 저항 손실을 줄이기 위하여 도핑 프로파일을 맞춤화하는지를 도시하기 위하여 사용된다.
도 7은 본 발명의 원리에 따른 프로파일 맞춤화 그래프(800)의 하나의 실시예를 도시한다. 그래프(800)는 불순물 깊이(Å) 대 불순물 농도(원자/cm3)에 대하여 솔라 셀의 원자 프로파일을 도시한다. 전체 원자의 프로파일은 선(810)에 의해 나타난다. 각각이 상이한 깊이 프로파일-대-농도를 갖는 다수의 이온 주입의 사용을 통하여, 솔라 셀의 불순물 농도(따라서, 고유 저항)는 정밀하게 조절될 수 있고, 사용자에 의해 사전 결정된 깊이를 가로질러 제어될 수 있다. 그래프(800)는 3가지 상이한 주입 프로파일(812, 814, 및 816)을 도시한다. 이들 3가지 프로파일의 조합은 솔라 셀의 전체 프로파일(810)을 초래한다.
각 개별적인 주입이 가우시안(Gaussian) 또는 의사(pseudo)-가우시안 분포에 제한될 수 있지만, 본 발명은 전체 원자 프로파일의 성형을 효율적으로 맞춤화 하기 위하여 이들을 결합한다. 다수의 독립적인 주입의 사용을 통하여 전체 원자 프로파일의 제어에서, 본 발명은 사용자가 접합 깊이(840)를 효율적으로 제어할 수 있게 하고, 여기에서 하나의 타입의 주입된 불순물(예를 들어 n-타입 불순물)이 사전-도핑 된 바탕 영역(820)의 불순물(p-타입 불순물과 같은)을 충족시킨다. 또한, 사용자는 솔라 셀의 표면에서 또는 이 표면 근처에서 불순물 농도(830) 또한 제어할 수 있다. 본 발명은 사용자가 표면 농도(830) 및 접합 깊이(840)를 서로 독립적으로 제어하는 것을 허용한다. 일부 실시예에서, 원자 프로파일은 대략 0.01㎛ 내지 대략 0.5㎛의 범위의 접합 깊이를 갖기 위하여 맞춤화된다. 일부 실시예에서, 원자 프로파일은 대략 5 * 1018 원자/cm3 내지 대략 4.8 * 1021 원자/cm3의 범위로 표면 농도를 갖기 위하여 맞춤화된다. 하지만, 원자 프로파일이 상이한 접합 깊이 및 표면 농도를 갖기 위하여 맞춤화될 수 있다는 것을 고려할 수 있다.
종래 기술에서, 원자 프로파일의 조절은 제한된다. 도 8은 확산을 사용하여 도핑된 솔라 셀에 대한 프로파일 맞춤화 능력의 단점을 설명하는 그래프(900)이다. 여기에서, 선(910)은 솔라 셀에 대한 원자 프로파일을 나타낸다. 반도성 웨이퍼를 도핑하기 위한 확산의 사용은 사용자가 표면 농도 및 접합 깊이를 독립적으로 제어할 수 있는 것을 막는다. 사용자는 농도 및 깊이를 함께 선(910')으로 간단히 증가시킴으로써 프로파일(910)을 더 깊게 할 수 있거나, 또는 농도 및 깊이를 함께 선(910˝)으로 감소시킴으로써, 프로파일(910)을 더 얕게 하는데 제한된다. 사용자는 원자 프로파일의 형태를 변경할 수 없고, 또는 다른 것 이상으로 원자 프로파일에 대한 하나의 양상에 영향을 줄 수 없다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 원리에 따라, 이온 주입을 사용하여 도핑된 솔라 셀에 대한 프로파일 맞춤화 능력의 장점을 도시하는 그래프이다. 도 9a의 그래프(1000)에서, 깊이-대-농도에 대한 원자 프로파일(1010)은 종래 기술의 방법을 사용하여 형성된 솔라 셀에 대하여 도시된다. 여기에서, 프로파일(1010)은 간단한 가우시안 분포로 제한되는데, 영역을 생성하는 전자-홀 쌍에 생성된 전자가 콘택트까지 이동하는 것을 어렵게 한다. 프로파일(1010)의 가파른 기울기는 전자가 웨이퍼 표면의 전도성 콘택트를 향해 이동할 때, 불순물 농도(따라서, 고유저항)의 상당한 증가를 반영한다. 프로파일(1010)의 가파른 경사는 전자가 전도성 콘택트에 도달하는 것을 어렵게 할 수 있어서, 전기의 원치않는 손실을 초래한다.
도 9b의 그래프(1000')에서, 깊이-대-농도에 대한 원자 프로파일(1010')은 본 발명의 다수의 이온 주입을 사용하여 형성되는 솔라 셀에 대하여 도시된다. 프로파일(1010')은 농도의 더 점진적인(덜 가파른) 증가를 형성하기 위하여 성형 될 수 있는데, 이는 전자가 반도성 웨이퍼의 표면에서 콘택트 쪽으로 이동하기 때문이다. 이러한 원자 프로파일의 맞춤화는 접합 깊이 및 표면 농도뿐 아니라 이들 사이의 무엇이라도 독립적으로 제어하기 위하여, 다수의 이온 주입의 사용을 통하여 가능해질 수 있다.
도 7에서, 상이한 주입(812, 814, 및 816)은 솔라 셀의 상이한 양상을 결정할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 선(814 및 816)이 선택적 에미터 영역을 제공하기 위하여 일련의 선택적 주입으로서 추가되는 반면에, 선(812)(중간-범위 주입)은 균질한 에미터를 결정한다. 이들 주입 단계는 솔라 셀 제작을 위해 요구되는 표면 텍스쳐링(texturing) 뿐만이 아니라, 임의의 커버링 없이 블랭킷 방식으로 기판 상에 또는 임의의 반사-방지 커버링(예를 들어, 질소화물(nitride), 산화물(oxide), 또는 임의의 다른 필름)을 통하여 수행될 수 있다. 텍스쳐링의 경우, 이온 주입은 표면 윤곽에 좋은 부착을 제공하여, 콘택트 형성을 향상시킨다. 텍스쳐링은 미국 가출원 번호 61/133,028에 서술되며, 위에서 참조로 통합되었다. 도 7의 그래프(800)는 이전에 논의된 반사-방지 코팅과 같은 표면 코팅(850)을 도시한다. 이러한 코팅은 임의의 두께일 수 있다.
도 10은 실시예에 따라, 솔라 셀을 제작하기 위한 처리(1100)의 단계를 도시하는 흐름도이다. 도 2 및 도 10을 참조하면, 처리는 처리 애플리케이션(application)을 적합시키기 위하여 요구되는 특정 이온 소스(210)가 시스템(200)에 플러그 되는 단계(1101)를 시작한다. 단계(1103)에서, 단일 웨이퍼는 로드 락(230)에 위치된다. 단계(1105)에서, 웨이퍼는 하나의 농도 및 그리드라인을 형성하기 위한 더 높은 농도로 광-수용 영역을 도핑함으로써 처리된다. 이러한 단계는 다수의 도핑 싸이클을 포함할 수 있다.
그 다음에, 단계(1107)에서, 콘택트 시드, 프린트되거나 또는 잉크젯(inkjet)으로 프린트된 금속 핑거, 버스바 및 다른 콘택트가 형성된다. 단계(1109)에서, 웨이퍼는 콘택트를 확립하기 위하여 및 기판 도핑을 활성화하고 어닐링하기 위하여 웨이퍼가 가열될 수 있다. 웨이퍼는 오직 소수의 디바이스만으로 지정된 노, 플래쉬 램프, 또는 레이저를 사용하여, 종래 기술의 시스템을 사용할 시 요구되는 온도보다 낮은 400 내지 500℃의 온도로 어닐링될 수 있다. 바람직하게, 오직 단일 어닐링 단계만이 요구된다. 또한, 웨이퍼는 비교할만한 결과를 초래하는 시간 동안 상이한 온도로 어닐링 될 수 있다.
단계(1111)에서, 웨이퍼는 성능을 위해 측정되고, 그런 후에 분류된다. 이 처리는 단계(1113)에서 종료한다.
바람직하게, 단계(1100)는 (1) 컴퓨터가-판독할 수 있는 매체 상에 저장된 컴퓨터가-실행할 수 있는 지령 및 (2) 이 지령을 실행하는 처리기에 의해 수행된다. 도 2를 참조하면, 하나의 실시예에서, 이러한 제어기(미도시)는 빔 스캐닝, 질량 분석 및 빔 성형 모듈(220) 및 측정 및 제어 모듈(225), 또는 이 두 모듈에 동작 가능하게 연결된다.
실시예가 솔라 셀을 서술하지만, 이 실시예는 다른 반도체 디바이스가 실시예에 따라 제작될 수 있다는 것이 명백하다.
당업자에게 있어서, 청구항에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범주로부터의 이탈 없이도 다른 변형이 실시예로 구현할 수 있다는 것은 이의 없이 명백할 것이다.
100 : 주입 시스템 101 : 웨이퍼(waper)
110 : 가스 전달 모듈 105 : 트윈 로드 락(lock)
125 : 자석(magnet) 130 : 후-가속 장치
135 : 전하 중화 모듈

Claims (26)

  1. 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템에 있어서,
    이온(ion) 소스(source),
    상기 이온 소스로부터 150kV 미만의 에너지를 갖는 빔을 생성하기 위한 가속 장치, 및
    상기 기판을 상기 빔에 노출시키는 빔 디렉터(director)를
    포함하는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이온 소스는 단일-가스 전달 요소 및 단일-이온 소스를 포함하는 단일-종의 전달 모듈인, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 빔 디렉터는 집속 요소를 포함하고, 상기 집속 요소는 상기 기판으로 빔을 집속하기 위해 자기 광학계(manetic optics), 전자기(eletromagnetic) 광학계 또는 이들 모두를 포함하는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 단일-이온 소스는 5cm 내지 10cm의 빔 슬롯 길이와 5mm 미만의 폭을 갖는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 빔은 플라즈마(plasma) 빔인, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 이온 소스는 안티몬(antimony), 비소(arsenic), 및 인(phosphorous)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 n-타입의 불순물을 포함하는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 이온 소스는 p-타입의 불순물을 포함하는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 빔은 적어도 5kW/cm2의 전력 밀도를 갖는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 이온 소스, 상기 가속 장치, 또는 이들 모두는 상기 시스템과 플러그-호환성이 있는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 기판을 가로질러 직교방향으로 빔을 스테핑(step) 하기 위하여, 스캐닝(scanning) 요소를 더 포함하는, 반도체 기판에 주입하기 위한 시스템.
  11. 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법에 있어서,
    기판 내의 광(photo)-수용 영역을 제 1 농도로 도핑(doping)하는 단계,
    그리드라인(gridlines)을 형성하기 위하여 제 1 농도 보다 높은 제 2 농도로 광-수용 영역을 도핑하는 단계로서, 상기 그리드라인은 상기 광-수용 영역의 가장 높은(topmost) 표면으로부터 상기 기판 내의 아래로 확장되는, 도핑 단계, 및
    금속 핑거(finger)를 상기 그리드라인에 연결하는 단계를
    포함하고, 상기 광-수용 영역 및 상기 그리드라인은 단일-종의 전달 모듈을 포함하는 시스템을 사용하여 도핑되는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 기판은 다른 기판으로부터 개별적으로 도핑되는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 그리드라인의 형성은 상기 기판의 표면으로부터 떨어져 위치한 마스크(mask)를 통하여 기판을, 불순물을 포함하는 이온 빔에 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 마스크는 상기 그리드라인의 폭에 치수가 맞춰진 개구부를 갖는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 그리드라인의 형성은 상기 기판의 표면에 연결된 마스크를 통하여 기판을, 불순물을 포함하는 이온 빔에 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 마스크는 상기 그리드라인이 형성될 곳에 인접한 개구부를 갖는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 그리드라인의 형성은 불순물을 포함하는 빔을 상기 그리드라인의 폭으로 성형하고, 상기 빔을 상기 광-수용 영역으로 향하게 하는 단계를 포함하는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 빔을 향하게 하는 단계는 상기 그리드라인을 순차적으로 형성하기 위하여 상기 광-수용 영역을 가로질러 상기 빔을 스캐닝하는 단계를 포함하는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 빔을 향하게 하는 단계는 상기 그리드라인을 동시에 형성하기 위하여 상기 빔을 생성하는 단계를 포함하는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 제 1 농도는 1 * 1015/cm2 미만인, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  19. 제 11항에 있어서, 상기 광-수용 영역은 적어도 100Ω/□의 저항을 갖는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  20. 제 11항에 있어서, 상기 그리드라인은 대략 10 내지 30Ω/□의 저항을 갖는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  21. 제 11항에 있어서, 상기 그리드라인은 폭이 200 미크론 미만인, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  22. 제 11항에 있어서, 상기 그리드라인은 5mm 미만만큼 서로 떨어져 있는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  23. 제 11항에 있어서, 400 내지 500℃으로 상기 기판을 어닐링(annealing) 하는 단계를 더 포함하는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  24. 제 11항에 있어서, 상기 기판의 뒷면 상에 콘택트(contact)를 형성하는 단계를 더 포함하는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  25. 제 11항에 있어서, 상기 그리드라인을 금속 핑거에 연결하기 전에 상기 그리드라인의 각각에 시드를 주입하는 단계를 더 포함하는, 반도체 디바이스를 제작하기 위한 방법.
  26. 솔라 셀을 제작하기 위한 방법에 있어서,
    150kV 미만의 에너지를 갖는 이온 빔을 사용하는 제 1 농도로 기판 내의 광-수용 영역을 도핑하는 단계,
    그리드라인을 형성하기 위하여 상기 이온 빔을 사용하는 상기 제 1 농도보다 강한 제 2 농도로 상기 광-수용 영역을 도핑하는 단계로서, 상기 그리드라인은 상기 광-수용 영역의 가장 높은 포면으로부터 상기 기판 내의 아래로 확장되는, 도핑 단계, 및
    금속 핑거를 상기 그리드라인에 연결하는 단계를
    포함하고, 상기 기판은 156mm x 156mm이고, 상기 광 수용 영역은 단일-종의 전달 모듈을 포함하는 시스템을 사용하여 도핑되며, 상기 시스템의 처리량은 적어도 시간당 1,000개의 웨이퍼인, 솔라 셀을 제작하기 위한 방법.
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