TW201824410A - 半導體材料之表面的鈍化方法以及半導體基板 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及半導體材料之表面的鈍化方法，其中在一半導體材料之表面上形成一層堆疊，該層堆疊具有一氧化鋁層和一覆蓋層；該氧化鋁層和該覆蓋層分別以一真空程序於真空中形成；該鈍化方法之特徵為：在形成該氧化鋁層和形成該覆蓋層之間的期間中保持真空；以及在形成該氧化鋁層之後且在形成該覆蓋層之前，將氫和氧供應至已形成的該氧化鋁層。本發明另涉及半導體基板。

Description

半導體材料之表面的鈍化方法以及半導體基板
本發明涉及一種半導體材料之表面的鈍化方法及一種半導體基板。
為了使半導體材料之表面鈍化，通常使用由介電質層構成的層堆疊，例如，由氧化鋁層和氮化矽層構成的層堆疊。這些層的沈積通常以真空程序來進行。目前為止，氧化鋁層優先藉由原子層沈積(ALD，Atomic Layer Deposition)來形成。反之，氮化矽層大部份都藉由電漿輔助化學氣相沈積(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)來達成。由於不同的沈積技術，使不同的沈積之間的真空中斷。最先沈積的層，例如先前提到的氧化鋁層，於是會在一段時間中承受一般的環境空氣，在這之前下一層已在另一真空程序中沈積完成。
半導體材料中，理想晶格之偏差(deviation)，例如，其在一表面上的中斷，會在該半導體材料中推動或造成外來物質的儲存或另外使電荷載體重組。在此種情況下，通常稱為電性活化缺陷。基本上，電性活化缺陷亦可存在於非結晶的材料中且可能已被鈍化。所謂鈍化在本文中可理解成使電性活化缺陷之重組活性下降。
隨著半導體材料之表面的鈍化，通常會尋求以下目標：使電荷載體在半導體材料之靠近表面的區域中的重組下降。這另外可藉由所謂場效鈍化來達成，其中在已施加的介電質層中或其至半導體材料的邊界面中設置固定的電荷。此種鈍化形式之相關的特徵是固定總電荷。在經由氧化鋁–氮化矽–層堆疊來鈍化時，在與半導體材料之邊界面上產生負電荷，因此該層堆疊很適合使半導體材料之p-摻雜的區域鈍化。另一鈍化機制為化學鈍化，其中在邊界面上的介面陷阱(interface trap)密度下降。此種化學鈍化例如可藉由氫原子累積在半導體材料表面上已存在的、暴露的化合物上來達成。氫原子於此使該些暴露的化合物飽和且以此方式使其它的電性活化缺陷鈍化。
在上述原因上，本發明的目的是提供一種低成本的使半導體材料之表面良好地鈍化的方法。
此目的藉由申請專利範圍第1項所述之特徵來達成。
此外，本發明的目的是提供一種半導體材料，其具有低成本的鈍化的表面。
此目的藉由具有多個並列的、獨立的申請專利範圍之特徵的半導體材料來達成。
有利的其它形式分別是附屬的申請專利範圍之態樣。
上述真空之中斷導致較長的處理期間。在真空中斷之後，真空首先須重新建立完成。此外，在真空中斷期間半導體材料通常由一塗層設備轉而裝入至另一塗層設備。為了解決上述課題，首先力求避免真空之中斷。為了此一目的，層堆疊之各層須以相同的塗層技術在相同的設備中施加而成。例如，由氧化鋁層和氮化矽層構成的層堆疊可藉由電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)在相同的設備中施加而成。在對應的研究系列之過程中顯示出：在真空不中斷時鈍化作用較少失效。真空中斷因此可改良已施加的層或已施加的層堆疊之鈍化特性。此原因直至目前為止尚未為人所知。可能方式為，空氣成份，大致上是水，在真空中斷期間與層堆疊中之一層發生反應或空氣成份累積於層堆疊之一層中。在隨後的步驟中於高於室溫的溫度時，例如，氮化矽沈積或鍛燒步驟時，反應似乎會發生，所述反應會產生其它固定的電荷或使半導體材料之邊界面上暴露的化合物去飽和。此種過程之科學上的確認目前為止尚未存在。
此外，甚至在相同的設備中試圖形成層堆疊之不同的層，但在氧化鋁層沈積過程和隨後氮化矽層沈積過程之間使沈積物通風。相較於上述真空中斷的省略，以此方式可達成較佳的鈍化效果。然而，較佳的鈍化作用在鈍化作用之後仍保留著，當半導體材料在氧化鋁層和氮化矽層沈積過程之間完全由塗層設備之程序管件驅出時，鈍化作用可自我調整。在上述情況下通風係以慣用的環境空氣來達成。以乾燥的壓縮空氣或氮來通風會使鈍化作用劣化。
在此種原因上，可考慮將水蒸氣導入至所使用的沈積設備之程序管件中，水蒸氣例如藉由蒸氣產生器來產生。然而，此種進行方式幾乎不能與沈積介電質層時所需的真空之形成互相配合或只能以很高的費用才可互相配合。此外，在此種進行方式中存在以下危險性：沈積設備之承受器之內壁被不期望之大量的水佔用。
因此，建議在半導體材料之表面上形成一種層堆疊，使半導體材料之表面鈍化，該層堆疊具有鋁氧化物層和一覆蓋層。該氧化鋁層和該覆蓋層分別以存在著真空的真空程序形成。此真空在該氧化鋁層之形成和該覆蓋層之形成之間的期間中仍保持著。在氧化鋁層形成之後且在該覆蓋層形成之前，氫和氧供應至已形成的氧化鋁層。
本發明的概念中，當程序室，例如，程序管件中之壓力小於10毫巴(mbar)，較佳是小於5毫巴時存在著一種真空。真空程序目前可理解成一種在真空中進行的過程。本發明的概念中，真空的保持可理解成：在保持真空的期間中程序室中的壓力持續地小於1100毫巴，較佳是持續地小於500毫巴且特別優選的是持續地小於100毫巴。於是，在保持真空時，上述為真空而設定的壓力值原則上有時候不可超過10毫巴，或較佳為不可超過5毫巴。然而，理想情況下，該壓力值連續地保持在小於10毫巴的壓力，較佳是小於5毫巴，此乃因由於泵送過程而會造成特別是較小的程序時間延長。
氫和氧在氧化鋁層之形成和氮化矽層之形成之間的期間中供應至氧化鋁層，氫和氧基本上可以任意的適當形式來供應。氫就像氧一樣特別是可以分子鍵結的形式來供應。
藉由上述方法，可以以成本有利的方式使半導體材料之表面鈍化所需的程序時間下降，此乃因真空之中斷是不需要的。”半導體材料由一設備轉而裝入至另一設備中”同樣可省略。於是，可達成與鈍化過程中需要真空中斷時同樣良好的鈍化作用，其中氧化鋁層承受慣用的環境空氣。上述方法之很好的鈍化作用主要可歸因於很好的化學鈍化作用。
在另一形式中，該覆蓋層具有由氮化矽層、氮氧化矽層和氧化矽層構成的群組(group)中的一層或多個層，較佳是氮化矽層。這些層已被證明特別是在由矽構成的半導體材料中有用。
有利的方式是，該覆蓋層具有多個上下配置的層。這些層分別包含矽且另外包含氮及/或氧。此外，所述各層就矽、氧及/或氮而言具有不同的濃度。換言之，這表示：相較於其它提及的層，所述各層就矽、氮及/或氧而言具有不同的濃度。即，上下配置的各層至少在上述元素之一的濃度上是不同的。較佳是，在所述各層之每一層中該些元素之濃度不同於其餘所述各層的濃度。實際上，各覆蓋層顯示出具有三層。特別已驗證的是，各覆蓋層具有氮氧化矽層、其上所配置的第一氮化矽層以及又配置在第一氮化矽層上的第二氮化矽層，其中第一和第二氮化矽層具有不同的組成。
在另一實施形式中，氫和氧以水的形式供應至已形成的氧化鋁層。水的供應與濕氣的供應在意義上相同。特別是，水可以氣體形式的聚集狀態來供應。
有利的方式是，氫和氧是在形成一種臨時電漿下供應。所謂臨時電漿於此可理解成一種在形成氧化鋁層和形成該覆蓋層之間的期間中形成的電漿。該臨時電漿較佳是以PECVD設備來製成。
已顯示出有利的是，在使用笑氣和/或氨的情況下形成該臨時電漿。優先在使用笑氣和氨的情況下形成該臨時電漿。以此方式，可達成很好的鈍化作用。
特別優先的是，在使用笑氣和氨的情況下形成一種臨時電漿且為此目的而在程序室中製備一種由笑氣和氣體形式的氨組成的氣體混合物。已顯示：相較於使真空中斷且使氧化鋁層承受慣用的環境空氣時所用的方法而得到的值而言，以此方式可在邊界面上使介面陷阱密度下降2.8倍。在使用笑氣和氨的情況下形成該臨時電漿最後可使半導體材料–氧化鋁層邊界面上的氫濃度提高。”何種微觀過程係基於此種結果”目前為止仍未知。目前用來解釋此效果而討論到的模型係設置成用來產生OH— 離子，其朝向自已拉動已釋出的氫，然後使界面鈍化
此外，已證實：使用笑氣的情況下形成的臨時電漿可使半導體材料和氧化鋁層之間的邊界面上固定的總電荷提高。詳細的微觀過程亦未為人所知。用來解釋此效果的模型可以是：來自笑氣的氧形成AlO4 — 複合物，其被負充電且因此在所述邊界面上造成較大量之負的固定電荷。
在另一方法中，矽材料之表面被鈍化。與此半導體材料相關聯地，本方法特別是已被證實。
優先方式為，氧化鋁層和覆蓋層藉由PECVD沈積而形成。這較佳是在一種管狀爐中進行。以此方式，可連續地使用相同的、已驗證的沈積技術且可容易地形成該臨時電漿。
特別是，上述方法在太陽能電池基板鈍化時，較佳是在其後側鈍化時，已驗證。所謂太陽能電池基板後側於此可理解成太陽能電池基板之大面積的一側，其在由此製成的太陽能電池正常操作時定向成背離入射的光。本發明的方法在製造所謂PERC-型的太陽能電池之範圍中特別是已驗證，其中PERC表示鈍化的射極背電池(Passivated Emitter Rear Cell)。在以絲網印刷金屬層來製成PERC-太陽能電池的範圍中，可藉由本發明的方法使太陽能電池的表面很良好地鈍化。在太陽能電池製造過程中，跟隨在表面鈍化後的接觸加溫-或調節-/退火步驟可使邊界面上的固定電荷進一步提高且使邊界面上的介面陷阱密度繼續下降。
本發明的半導體基板包括一配置在其表面上的層堆疊，其具有氧化鋁層和覆蓋層。在氧化鋁層和覆蓋層之間配置一種居間層，藉由使用笑氣和氨而形成的電漿，該居間層可經由氧化鋁層的加工而獲得。
在目前的概念中所謂半導體基板是指每一種適合在其表面上設置各種塗層的半導體材料。居間層的本質目前為止仍未為人所知。然而，在傳輸式電子顯微影像中，其在氧化鋁層和覆蓋層之間可辨認成對比用的層，例如，可辨認成亮層。
上述半導體基板具有良好的表面鈍化且在費用上可有利地製成。特別是，其能以本發明的方法製成。
在另一實施形式中，該覆蓋層具有至少一由氮化矽層、氮氧化矽層和氧化矽層構成的群組(group)所構成的層，較佳是氮化矽層。以此方式，可達成良好的表面鈍化。
該覆蓋層較佳是包括多個上下配置的層，該些上下配置的層分別包含矽以及另外包含氮及/或氧。所述各層於此就矽、氧及/或氮而言具有不同的濃度。即，至少在上述各元素之一的濃度上，上下配置的各層是不同的。例如，可設置氮化矽層、氮氧化矽層和氧化矽層。在另一優先的例子中，半導體基板上配置氮氧化矽層，在氮氧化矽層上配置第一氮化矽層且其上又配置第二氮化矽層，其中第一和第二氮化矽層具有不同的組成。
特別優先的是，設有矽基板以作為半導體基板。在此種材料上可達成很好的結果。特別是，此種材料可與矽太陽能電池基板有關，因此與矽基板有關，由此可製成矽太陽能電池。
就氧化鋁層而言，實際上已確認5奈米至20奈米之厚度，特別是已確認5奈米至10奈米之厚度。
該覆蓋層較佳是具有一種50奈米至200奈米之厚度，其中80奈米至150奈米之厚度特別是已確認。
本發明以下將依據圖式來詳述。只要合乎目的，此處相同作用的元件設有相同的參考符號。本發明不限於圖式中所示的實施例–亦不限於與功能特徵有關的實施例。目前的描述及隨後的圖式說明包含很多特徵，其部份地聯合成多個又設定至附屬的請求項。然而，這些特徵及所有其它上述特徵和隨後的圖式說明中揭示的特徵亦都須由此行專家各別考慮且合併成有意義的其它組合。特別是，所有上述特徵可分別各別地且以任意適當的組合來與獨立的請求項之方法及/或半導體基板相組合。
圖1以示意圖顯示半導體基板之表面鈍化用的方法之第一實施例。本實施例中，在半導體基板之表面上形成一種層堆疊，此過程中首先藉由PECVD-沈積而形成氧化鋁層(步驟10)。此氧化鋁層於此形成為5奈米至20奈米之厚度，較佳是5奈米至10奈米。
然後，氫和氧供應至該氧化鋁層(步驟12)。例如，可以水的形態來供應氫和氧。較佳是在形成一種臨時電漿時供應氫和氧。
隨後，藉由PECVD-沈積而形成氮化矽層(步驟14)。氮化矽層的厚度於此是50奈米至200奈米，較佳是施加一種厚度介於80奈米至150奈米之間的氮化矽層。氧化鋁層的PECVD-沈積和氮化矽層的PECVD-沈積較佳是在管狀爐中進行。
在所有目前為止所述的方法之各步驟期間都保持真空(步驟16)。圖1之圖式係藉由虛點線來表示。
已形成的氮化矽層在圖1之實施例中是一覆蓋層，在該覆蓋層形成(步驟14)之前將氫和氧供應至氧化鋁層(步驟12)。然後，在氧化鋁層形成(步驟10)和該覆蓋層形成(步驟14)之間的期間中保持真空。
圖2依據原理說明來顯示另一方法，其中首先藉由PECVD-沈積來形成氧化鋁層(步驟10)。氧化鋁層之厚度較佳是像圖1之實施例的情況那樣來選取。在形成一覆蓋層之前，另外將氫和氧供應至氧化鋁層。這在圖2之實施例中進行，此時在程序室中製備一種由氣體形式之氨和笑氣構成的氣體混合物(步驟22)且形成一種臨時電漿(步驟22)。
此外，形成一覆蓋層。為了此一目的，須重疊地配置多個層，其一起形成該覆蓋層。圖4之實施例中，這是藉由氮氧化矽層之PECVD-沈積(步驟24)、第一氮化矽層之PECVD-沈積(步驟26)和第二氮化矽層之PECVD-沈積(步驟28)來達成。第一氮化矽層於此具有不同於第二氮化矽層之組成。該覆蓋層之每一層都具有矽以及另外具有氮或氧或此二者。此外，元素矽、氮及/或氧以不同濃度存在於該覆蓋層之每一層中。須選擇此種在氮氧化矽層沈積(步驟24)、第一氮化矽層之沈積(步驟26)和第二氮化矽層之沈積(步驟28)中達成的層厚度，使該三層之總厚度及因此使該覆蓋層之厚度為50奈米至200奈米，較佳是80奈米至150奈米。氮氧化矽層沈積(步驟24)、第一氮化矽層之沈積(步驟26)和第二氮化矽層之沈積(步驟28)在本實施例中亦在一管狀爐中進行。在本方法依據圖2而改變時，第一氮化矽層之沈積(步驟26)可由氧化矽層之沈積來取代。
在氧化鋁層之形成(步驟10)和氮氧化矽層沈積(步驟24)之間的期間中以上述概念保持真空(步驟16)。此外，此真空超越圖2中所示的所有步驟而保持著，使真空及隨後的泵送時間都不須中斷即可快速地達成程序導引以重新形成真空。
圖3顯示半導體基板的示意之部份切面圖，其在圖3之實施例中構成為矽太陽能電池基板50。在矽太陽能電池基板50之表面51上配置一層堆疊55，其具有氧化鋁層52和覆蓋層56。在氧化鋁層52和覆蓋層56之間配置一居間層54。藉由使用笑氣和氨而形成的電漿，此居間層54可經由氧化鋁層52之加工而獲得。特別是，此居間層54可經由氧化鋁層52之形成(步驟10)和隨後製備(步驟22)由氨和笑氣構成的氣體混合物以及依據圖2所示的方法來形成(步驟22)一種臨時電漿而獲得。
該覆蓋層56較佳是形成為氮化矽層，其厚度是50奈米至200奈米，且較佳是80奈米至150奈米。氧化鋁層52之厚度共計5奈米至20奈米，較佳是5奈米至10奈米。
圖4之實施例中，亦設置矽太陽能電池基板60作為半導體基板。圖4之另一實施例不同於圖3之實施例之處為：設有一覆蓋層66，其包括多個上下配置的層67、68、69。類似於圖2之實施例，這些層之一是氮氧化矽層67，另一層是第一氮化矽層68且第三層是第二氮化矽層69，其中第一氮化矽層68和第二氮化矽層69具有不同的組成。上述各層與已和圖3結合而詳述的居間層54及氧化鋁層一起形成一種層堆疊65。亦須選取氮氧化矽層67、第一氮化矽層68和第二氮化矽層69之厚度，使其總和的層厚度且因此是該覆蓋層之厚度是50奈米至200奈米，較佳是80奈米至150奈米。
可達成另一實施例，此時圖4之該另一實施例中第一氮化矽層68由氧化矽層取代。
圖4之矽太陽能電池基板可以有利方式藉由圖2之方法來製成。
10‧‧‧藉由PECVD來形成氧化鋁層
12‧‧‧供應氫和氧
14‧‧‧藉由PECVD來形成氮化矽層
16‧‧‧保持真空
22‧‧‧製備由氨和笑氣構成的氣體混合物且形成臨時電漿
24‧‧‧PECVD沈積氮氧化矽層
26‧‧‧PECVD沈積第一氮化矽層
28‧‧‧PECVD沈積第二氮化矽層
50、60‧‧‧矽太陽能電池基板
51‧‧‧表面
52‧‧‧氧化鋁層
54‧‧‧居間層
55、65‧‧‧層堆疊
56、66‧‧‧覆蓋層
67‧‧‧氮氧化矽層
68‧‧‧第一氮化矽層
69‧‧‧第二氮化矽層
圖1係第一種方法之原理說明。 圖2係第二種方法之原理說明。 圖3係一種半導體基板之第一實施例的示意之部份切面圖。 圖4係該半導體基板之第二實施例的示意之部份切面圖。

Claims (18)

  1. 一種半導體材料之表面的鈍化方法，其中 在一半導體材料之表面上形成一層堆疊，該層堆疊具有一氧化鋁層和一覆蓋層； 該氧化鋁層和該覆蓋層分別以一真空程序於真空中形成； 該鈍化方法之特徵為： 在形成該氧化鋁層和形成該覆蓋層之間的期間中保持真空；以及 在形成該氧化鋁層之後且在形成該覆蓋層之前，將氫和氧供應至已形成的該氧化鋁層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鈍化方法，其中，該覆蓋層具有至少一由氮化矽層、氮氧化矽層和氧化矽層構成的群組所構成的層，較佳是氮氧化矽層。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之鈍化方法，其中，該覆蓋層包括多個上下配置的層，該些上下配置的層分別包含矽以及另外包含氮及/或氧，且上述各層就矽、氧及/或氮而言具有不同的濃度。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之鈍化方法，其中，氫和氧以水的形式供應至已形成的該氧化鋁層。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之鈍化方法，其中，氫和氧在形成一種臨時電漿的情況下供應。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之鈍化方法，其中，該臨時電漿在使用笑氣及/或氨的情況下形成，較佳是使用笑氣及氨。
  7. 如請求項6之鈍化方法，其中，該臨時電漿在使用笑氣及氨的情況下形成，且在程序室中製備一種由笑氣和氣體形式的氨組成的氣體混合物。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之鈍化方法，其中，一矽材料之表面被鈍化。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之鈍化方法，其中，該氧化鋁層和該覆蓋層藉由一電漿輔助化學氣相沈積來形成，較佳是在管狀爐中進行。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之鈍化方法，其中，該氧化鋁層形成為5奈米至20奈米之厚度，較佳是5奈米至10奈米之厚度。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之鈍化方法，其中，該覆蓋層形成為50奈米至200奈米之厚度，較佳是80奈米至150奈米之厚度。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之鈍化方法，其中，一太陽能電池基板之表面被鈍化，較佳是其後側被鈍化。
  13. 一種半導體基板，具有 一配置在其表面上的層堆疊，具有一氧化鋁層和一覆蓋層； 一配置在該氧化鋁層和該覆蓋層之間的居間層， 藉由使用笑氣和氨而形成的一電漿，該居間層可經由該氧化鋁層的加工而獲得。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體基板，其中，該覆蓋層具有至少一由氮化矽層、氮氧化矽層和氧化矽層構成的群組所構成的層，較佳是矽氮化物層。
  15. 如申請專利範圍第13或14項所述之半導體基板，其中，該覆蓋層包括多個上下配置的層，該些上下配置的層分別包含矽以及另外包含氮及/或氧，且上述各層就矽、氧及/或氮而言具有不同的濃度。
  16. 如申請專利範圍第13至15項中任一項所述之半導體基板，其中，設有一矽基板以作為該半導體基板。
  17. 如申請專利範圍第13至16項中任一項所述之半導體基板，其中，該氧化鋁層具有5奈米至20奈米之厚度，較佳是5奈米至10奈米之厚度。
  18. 如申請專利範圍第13至17項中任一項所述之半導體基板，其中，該覆蓋層具有50奈米至200奈米之厚度，較佳是80奈米至150奈米之厚度。
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