TW201318030A - 半導體光檢測裝置及其製備的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種半導體光檢測裝置製備技術，其在單一的、自對準光刻模組中進行頂部蝕刻和抗反射塗層步驟。

Description

半導體光檢測裝置及其製備的方法
　　本發明涉及一種製備半導體光檢測裝置例如太陽能電池和光檢測器的方法以及根據所述方法製備的產品。本發明對於高功率太陽能電池和光檢測器是特別有用的。更具體地，本發明涉及一種將太陽能電池上的抗反射塗層圖案化的方法，特別是多接面太陽能電池，以提供具有最小損失的磊晶接觸區域(epitaxial contact regions)。
　　傳統的光檢測裝置具有減小光（如太陽光）電能量轉換效率的特徵。例如，一部分吸收的光（太陽光）不能在電極上被收集作為電能並且不得不以熱量形式被浪費。對於高功率裝置，浪費的熱量可能導致明顯升高的溫度，從而進一步降低裝置的性能。希望的是改善半導體光檢測裝置中的效率，特別是太陽能電池裝置中的效率。
　　傳統的多接面太陽能電池已經廣泛用於陸地和空間應用中。多接面太陽能電池，通常被認為是高功率太陽能電池，包含串聯連接的多個二極體（也稱為接面），通過在半導體基材上以堆疊形式生長薄的磊晶區域而實現。在堆疊中的每個接面被優化用於吸收太陽光譜的不同部分，從而改善太陽能轉換的效率。
　　現有技術的多接面太陽能電池加工過程的典型製備步驟已經被D. Danzilio等人在“Overview of EMCORE’s Multi-junction Solar Cell Technology and High Volume Manufacturing Capabilities”, CS MANTECH Conference, May, 14–17 2007, Austin, TX, USA中描述並總結如下。應當注意，下面的清單僅僅給出基本步驟，也可以使用附加的工藝步驟。

  1. 磊晶生長
  2. 臺面(mesa)光刻和蝕刻
  3. 金屬柵(metal grid)光刻沉積和剝離
  4. 頂部(cap)光刻和蝕刻
  5. 抗反射塗層(anti-reflection coating, ARC)、沉積、圖案化和蝕刻
  6. 背面金屬(backside metal)沉積和退火
  7. 切片

　　在現有技術中，傳統半導體加工技術用在上述步驟中。在磊晶生長和切片之間的工藝步驟（步驟2到步驟6）通常不需要按照特定的順序。現有技術的頂部光刻和蝕刻步驟與抗反射塗層步驟與本發明相關，並在下文中為了背景技術的目的進行討論。
　　頂部蝕刻
　　在磊晶堆疊的上部區域（通常稱為頂部區域或頂層）通常是一個高度摻雜以產生具有低接觸電阻的良好的金屬-半導體電接觸的半導體區域。頂部區域可以包括多個不均勻的磊晶區域。在太陽能電池製造中，頂部區域被圖案化成為線網格（頂部柵），因此，在後續的金屬化步驟中，相應的金屬柵被沉積在頂部網格上。圖案化以及後續的頂部蝕刻通過傳統的半導體加工技術實現。
　　圖1A表示典型的（現有技術）基於半導體的光檢測裝置的橫截面圖，其由多接面太陽能電池100代表。它表示了整個裝置，但是根據本發明的方法僅在頂部進行，並且僅影響頂部區域3和前表面場(front surface field, FSF)區域4，它們是半導體基材5上生長的多接面磊晶的頂部區域。圖1A中所示的太陽能電池100由通過穿隧接面167和178連接的三個亞電池（接面）106–108組成。應當理解，圖1A僅僅是典型的多接面太陽能電池的一個例子，並且這樣的太陽能電池可以包含任何數量的亞電池(sub-cells)。圖1B是典型的(現有技術)多接面太陽能電池的簡化示意圖，其僅表示與本專利申請相關的頂部磊晶區域。
　　參見圖1A，FSF區域4是在頂部蝕刻後面向太陽的視窗區域。在FSF區域4下面是形成二極體的頂部p-n接面106的射極區域102。類似的接面107和108佈置在頂部p-n接面下面，從而形成多接面電池。FSF區域4對於裝置的性能具有重要作用。例如，由於多接面太陽能電池是少數載子型裝置，通過在頂部接面106的射極區域102中的光吸收作用產生的少數載子必須擴散到空乏區103中，以便在基極104處被收集。在射極區域102中具有低表面復合速度增大使其到達空乏區103的少數載子的數量。FSF區域4的作用因此是通過將從空乏區103擴散出來的少數載子反射回去來改善表面區域102上的鈍化品質並減小表面復合速度。
　　FSF區域4是薄的（通常10 nm到50 nm）磊晶區域。除了改善在射極區域102中產生的載子的收集以外，FSF區域4通常還是吸收區。在FSF4區域中的光生少數載子通過射極區域102擴散到頂部接面106的空乏區103被收集。因此，FSF 4的頂部表面14的保護對於改善FSF 4中少數載子的收集是重要的。
　　在傳統製造過程中，在頂部蝕刻步驟之後的工藝流程中，FSF區域4暴露於各種不同的條件。這些條件可以包括但不限於：

  • 暴露於在工藝過程中可能發生的各種不同溫度條件下的空氣和水，這可能導致FSF區域表面14的氧化。
  • 暴露於滲入到FSF區域表面14上的金屬顆粒。
  • 與FSF區域表面14上的各種化學物質和光阻接觸，可能會留下殘留物並損壞所述表面。
  • 由於在頂部蝕刻之後的工藝步驟中使用各種化學物質而產生的FSF區域14的部分或全部蝕刻。

　　這樣的不利條件明顯降低太陽能電池的性能。例如，在FSF區域4被暴露的同時沉積金屬柵2的工藝流程中，殘餘的銀或其他金屬可能影響、污染和滲入FSF區域4中，並且擴散到內部磊晶區域45中，從而降低效率並影響太陽能電池的性能。因此，在高功率半導體光檢測結構中，一旦FSF區域表面14被暴露，強烈需要保護FSF區域表面14。
　　除了由於後續的光刻步驟產生的缺陷和殘餘物之外，由與FSF區域4直接接觸的柵金屬也產生問題。例如，在FSF 4被暴露的同時沉積金屬柵2的工藝流程中，銀/金屬顆粒可能找到它們進入暴露的FSF的途徑並擴散到FSF之下的p-n接面區域中，使得太陽能電池變得無用。而且，如圖2所示，由於光刻的不精確性導致的金屬柵圖案2相對於頂部柵圖案3的不對準可能導致金屬2與FSF 4之間的直接接觸。金屬6在FSF 4上的部分在高溫工藝步驟中可能產生進入所述接面的金屬尖凸(metal spike)，導致產生不運行的裝置。這樣的金屬相關問題通常以分流(shunted)電流-電壓（I-V）特性的形式被觀察到。圖3(現有技術)比較兩種不同太陽能電池的I-V特性。I-V曲線9來自沒有對準問題的高性能太陽能電池，I-V曲線8表示由於金屬柵的不對準產生的分流電流-電壓特性。在現有技術中，為了防止金屬柵與FSF接觸，針對光刻未對準公差，通常選擇頂部柵寬度大於金屬柵寬度。更寬的頂部寬度通過增大遮罩損耗並減小可以獲得的電流不利地影響太陽能電池的性能。因此，需要消除與FSF表面的金屬接觸而不增大遮罩損耗。
　　抗反射塗層
　　在現有技術的多接面太陽能電池製造中，所述電池塗覆抗反射塗層(ARC) 1（圖1A-1B）以減少太陽光的反射。ARC 1通常是介電質薄膜的堆疊，選擇其折射率使得在希望的波長範圍內的太陽光反射最小化。要求收集性的ARC 1區域覆蓋半導體面向太陽的整個表面，即包括FSF。過去，在ARC沉積過程中，柵線通常也被覆蓋。但是，母線(busbars)上的ARC必須打開以便允許進行引線接合。這一工藝步驟被稱為觸點打開(contact opening)，並且通常使用單獨的附加光刻步驟實現。在現有技術中，ARC沉積和圖案化可能在不同階段進行，因此不具體要求以工藝流程內的特定順序實現該步驟。
　　現有技術的問題和性能改進的潛力的總結
　　本文總結了與現有技術的頂部蝕刻和抗反射塗層步驟相關的問題。為了製備高性能的多接面太陽能電池和其他半導體光檢測裝置，解決本文所列問題是必須的：

  1. 在隨後的工藝步驟中防止FSF表面污染和氧化。
  2. FSF與金屬柵的電隔離，除了通過高度摻雜區域以外。
  3. 柵線附近的額外頂部的去除以便使得遮罩產生的電流損耗最小化。
  4. 使光刻步驟數量最少，以便使所述工藝直接且節約成本。
  5. 未對準公差柵金屬化。
  6. 在ARC沉積後的觸點打開步驟中的精確光刻對準，從而可以從接觸點區域中去除ARC。
　　根據本發明，提供了一種製備半導體光檢測裝置的方法，其中，使用單一的、自對準光刻模組進行頂部蝕刻和抗反射塗層步驟。具體地，以使前表面場區域對污染物的暴露最小化並確保金屬與頂部區域對齊因此使頂部上的金屬化觸點區域最少地阻斷入射光的順序進行這些步驟。在引入半導體光檢測裝置的磊晶的所提供的基材上用頂部蝕刻圖案將光阻圖案化。隨後，蝕刻頂部區域，並且在沒有去除光阻的情況下沉積抗反射塗層(ARC)。最後，去除光阻，隨後剝離在所限定的頂部區域上的ARC。本發明特別適用於高功率光檢測裝置如高效太陽能電池的製造。
　　在下面的說明書中，參見所附圖式，所附圖式形成說明書的一部分，其中，相同的數字表示相同的部件，並且其中通過可以實現本發明的說明性具體實施方案來表明。
　　圖4A到圖4E給出了根據本發明的主要工藝步驟。
  1. 圖4A：提供具有磊晶區域45的半導體基材，使得頂部部分是頂部區域13，其下是被保護且未污染的視窗(FSF)區域4。
  2. 圖4B：應用傳統的光刻技術，以便在光阻中產生頂部柵結構圖案7。
  3. 圖4C：蝕刻頂部，使得當FSF 4暴露時蝕刻停止，以便在FSF 4上產生圖案化的頂部3的結構。
  4. 圖4D：沒有去除光阻7，並且優選在先前的步驟3中的蝕刻之後立即沉積抗反射塗層11和21。
  5. 圖4E：去除光阻7。在光阻7頂上的抗反射塗層21將被去除，所得的結構將是完全覆蓋FSF表面14而不覆蓋圖案化的頂部3的圖案化的抗反射塗層11。
　　在本發明中，上述工藝步驟的順序是至關重要的。但是，可以以各種方式設計和實施其餘的工藝步驟。換言之，本發明是根據需要插入其他工藝流程中的工藝步驟中的“工藝模組”。在所述模組之前或所述模組之後的中間步驟可以是傳統的半導體加工步驟。在以下的清單中，在磊晶生長和切片步驟之間的步驟的順序可以根據需要而變化，並且其他步驟可以添加到所述流程中。
  • 磊晶生長
  • 本發明的工藝模組
  • 金屬柵光刻沉積和剝離
  • 臺面光刻和蝕刻
  • 背面金屬沉積和退火
  • 切片
　　在該工藝中，形成太陽能電池的亞電池（接面）通過磊晶來串聯連接，並且金屬柵製備到頂部接面的頂部觸點，並且底部接面通過基材由背面金屬接觸。任何時候製備從基材的前面到光檢測裝置的觸點時，本發明更一般地適用，包括多接面太陽能電池中的接面各自接觸以製備多端子太陽能電池裝置的情況。用於這樣的裝置的工藝流程一般更複雜並且包括更多的步驟。但是，本發明所述的工藝模組可以用來製備頂部觸點。
　　本發明解決了如背景技術部分中所述的現有技術的關鍵問題：
  1. 在頂部蝕刻和抗反射塗層之後，沒有與FSF區域的化學接觸，如光刻或蝕刻。防止了視窗區域暴露於化學物質、污染物、空氣和水。在多接面太陽能電池製備過程中可能發生的熱迴圈過程中，可以防止FSF區域的氧化。
  2. 在加工過程中對FSF區域的機械損傷的可能性被減小。
  3. 用於抗反射塗層的常見物質一般也是良好的電絕緣體。作為一個實例，在某些產品中二氧化矽作為頂部區域是優選的。這些氧化物作為高品質絕緣體在半導體工業中已經用了很多年。
  4. 在未對準的情況下，金屬將位於高品質介電質材料上。因此，FSF區域被保護並且與金屬柵電隔離，除了通過頂部區域以外。在未對準情況下，所述介電質材料防止金屬尖凸進入裝置層中。
  5. 在頂部蝕刻後暴露的視窗區域被密封並且用抗反射塗層保護，在其間沒有任何工藝步驟。在後續步驟中發生金屬化時，沒有金屬顆粒到達FSF上並隨後遷移到內部裝置區域中的可能性。
  6. 由於該工藝，ARC不覆蓋金屬。因此，不需要單獨的觸點打開蝕刻步驟來去除母線上的ARC。在圖案化的光阻的剝離過程中容易實現觸點打開。
　　本發明的變化
　　頂部蝕刻和隨後的抗反射塗層步驟可以插入在整個工藝流程中希望的位置。在一個優選的實施方案中，頂部蝕刻和隨後的抗反射塗層步驟是所述接面的磊晶生長後的半導體加工中的第一步驟。隨後，使用剝離使金屬柵圖案化。在金屬化之後，進行臺面隔離蝕刻。該工藝最後進行背面金屬化和切片。
　　本發明的自對準性質允許獲得頂部和金屬柵的寬度的多種構造。
　　在一個實施方案中，如圖5所示，選擇頂部3的寬度大於金屬柵2的寬度。在這樣的情況下，柵遮罩由頂部寬度決定而不是由金屬寬度決定。在由更寬的頂部不能容許的未對準的情況下，抗反射塗層11將作為在頂部3外面落下的金屬與FSF 4之間的電隔離阻擋層。
　　在另一個實施方案中，如圖6A所示，選擇頂部3的寬度與金屬柵2的寬度相同。在該實施方案中，遮罩損耗由金屬柵寬度（和未對準）決定，並且可以設計光檢測裝置以反映最佳性能。在未對準的情況下，如圖6B所示，抗反射塗層41將作為絕緣頂部，並且在柵線2與視窗區域4之間沒有電傳導。
　　在另一個實施方案中，如圖7A所示，選擇頂部3的寬度比金屬柵2的寬度窄。在這種情況下，抗反射塗層41作為在FSF與金屬之間的絕緣阻擋層。總遮罩損耗由金屬柵寬度決定。本實施方案的優點在於，即使在如圖7B所示的未對準的情況下，遮罩損耗仍然將由金屬柵2的寬度決定。
　　圖8表示另一個實施方案，在該實施方案中，非最佳的工藝條件導致在柵線12附近沉積零散的金屬團簇(metal clusters)22。自對準的抗反射塗層31提供了電絕緣，並且也作為這些顆粒與FSF 4之間的物理阻擋層。
　　應當理解，可以利用其他實施方案並且可以進行結構或邏輯變化而不脫離本發明的範圍。所以，前面的描述不是限制性的。本發明的保護範圍由所附之申請專利範圍及其均等範圍為準。
100．．．太陽能電池
102．．．射極區域
103．．．空乏區
104．．．基極
105．．．後表面場
106、107、108．．．亞電池(接面)
167、178．．．穿隧接面
1、11、21、31、41．．．抗反射塗層(ARC)
2、12．．．金屬觸點
3．．．頂部
4．．．前表面場(FSF)
5．．．基材
6．．．金屬
7．．．光阻
8、9．．．I-V曲線
13．．．頂部區域
14．．．FSF表面
22．．．金屬團簇
45．．．磊晶區域
52．．．金屬觸點
　　圖1A是其中可以使用本發明的多接面太陽能電池的橫截面圖。
　　圖1B是圖1A的簡化圖。
　　圖2是其中頂部和金屬未對準的現有技術電池的一部分的橫截面圖。
　　圖3是與理想電池對比的現有技術太陽能電池的性能的圖。
　　圖4A-4E表示根據本發明的工藝步驟。
　　圖5是根據本發明製備的結構的一個替代實施方案的說明。
　　圖6A-6B是說明具有根據本發明的FSF區域保護的完美對準和不完美對準的電池的橫截面圖。
　　圖7A-7B是說明在根據本發明的頂部上面尺寸過大的金屬的橫截面圖。
　　圖8是表示根據本發明製備的裝置的一個替代實施方案的橫截面圖。
　　
　　

Claims (17)

  1. 一種製備半導體光檢測裝置的方法，包括以下步驟：
    　　提供包含其上具有生長的半導體光檢測裝置磊晶的基材的晶圓，其中，在所述磊晶中的所述上部區域是頂部區域；
    　　使用光刻技術用頂部蝕刻圖案中的頂部蝕刻光阻使所述晶圓圖案化，所述頂部蝕刻圖案限定觸點區域；
    　　根據所述頂部蝕刻圖案蝕刻掉暴露區域中的頂部區域；
    　　在不去除所述頂部蝕刻光阻的情況下在所述晶圓上施加抗反射塗層；以及
    　　使用剝離過程去除頂部蝕刻光阻，以暴露觸點區域，並且僅剝離在所述觸點區域上的抗反射塗層，以便對準頂部區域和抗反射塗層的圖案。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，沒有中間步驟地進行申請專利範圍第1項的所有步驟，使得在晶圓提供步驟之後直接進行晶圓圖案化步驟。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在晶圓提供步驟和晶圓圖案化步驟之間可以進行中間步驟。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在所述頂部蝕刻圖案中的頂部的寬度大於隨後施加的上層金屬的厚度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在所述頂部蝕刻圖案中的頂部的寬度小於隨後施加的上層金屬的厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在所述頂部蝕刻圖案中的頂部與隨後施加的上層金屬的圖案匹配。
  7. 一種製備半導體光檢測裝置的方法，包括以下步驟;
    　　提供包含具有磊晶區域、頂部區域和前表面場區域的基材的晶圓，所述頂部區域在所述磊晶區域頂上，所述前表面場區域在所述頂部區域和所述磊晶區域之間；
    　　使用光刻技術用在自對準頂部蝕刻圖案中的頂部蝕刻光阻使所述晶圓圖案化；
    　　根據所述自對準頂部蝕刻圖案蝕刻暴露區域中的頂部區域，以暴露前表面區域；
    　　在不去除所述頂部蝕刻光阻的情況下在所述前表面場區域的暴露區域上施加抗反射塗層；以及
    　　根據剝離過程去除自對準頂部蝕刻光阻以剝離所述抗反射塗層，從而用抗反射塗層完全覆蓋所述前表面場區域並產生與圖案化的抗反射塗層自對準的暴露的觸點區域。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在沒有中間步驟的情況下進行申請專利範圍第7項的所有步驟，使得在晶圓提供步驟之後直接進行晶圓圖案化步驟。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在晶圓提供步驟和晶圓圖案化步驟之間可以進行中間步驟。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在所述頂部蝕刻圖案中的頂部的寬度大於隨後施加的上層金屬的厚度。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在所述頂部蝕刻圖案中的頂部的寬度小於隨後施加的上層金屬的厚度。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之製備半導體光檢測裝置的方法，其中，在所述頂部蝕刻圖案中的頂部與隨後施加的上層金屬的圖案匹配。
  13. 一種半導體光檢測裝置，其通過以下步驟製備：
    　　提供包含其上生長了半導體光檢測裝置磊晶的基材的晶圓，其中，在所述磊晶中的上部區域是頂部區域；
    　　使用光刻技術用在頂部蝕刻圖案中的頂部蝕刻光阻使所述晶圓圖案化，所述頂部蝕刻圖案限定觸點區域；
    　　根據所述頂部蝕刻圖案蝕刻掉暴露區域中的頂部區域；
    　　在不去除所述頂部蝕刻光阻的情況下在所述晶圓上施加抗反射塗層；以及
    　　使用剝離過程去除頂部蝕刻光阻，以暴露觸點區域，並且僅剝離在所述觸點區域上的抗反射塗層，以便對準頂部區域和抗反射塗層的圖案， 其中所述抗反射塗層僅覆蓋所述頂部蝕刻步驟之後暴露的視窗區域並且既不覆蓋頂部也不覆蓋金屬柵。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體光檢測裝置，其中，零散的金屬團簇意外地僅沉積在所述頂部區域和所述抗反射塗層上，所述視窗區域沒有所述零散的金屬團簇。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之半導體光檢測裝置，其中，提供金屬柵，所述金屬柵的一部分不與所述頂部區域接觸並且在所述抗反射塗層上而沒有接觸到下面的區域。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之半導體光檢測裝置，其中，零散的金屬團簇意外地僅沉積在所述頂部區域上和所述抗反射塗層上，所述視窗區域沒有所述零散的金屬團簇。
  17. 一種半導體光檢測裝置，其通過以下過程製備：
    　　提供包含具有磊晶區域、頂部區域和前表面場區域的基材的晶圓，所述頂部區域在所述磊晶區域頂上，所述前表面場區域在所述頂部區域和所述磊晶區域之間；
    　　使用光刻技術用在自對準頂部蝕刻圖案中的頂部蝕刻光阻使所述晶圓圖案化；
    　　根據所述自對準頂部蝕刻圖案蝕刻暴露區域中的頂部區域，以暴露所述前表面區域；
    　　在不去除所述頂部蝕刻光阻的情況下，在所述前表面場區域的暴露區域上施加抗反射塗層；
    　　根據剝離過程去除自對準頂部蝕刻光阻以剝離所述抗反射塗層，從而用抗反射塗層完全覆蓋前表面場區域並產生與圖案化的抗反射塗層自對準的暴露的觸點區域；以及
    　　通過金屬化步驟使所述晶圓金屬化，以提供電觸點。
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