WO2012171682A2 - Verfahren zur herstellung einer halbleitereinrichtung - Google Patents

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semiconductor device, in particular a silicon-based solar cell, having at least one
  • the passivation layer has a first partial layer of an oxide or nitride of the substrate material and above this a second partial layer containing charge-inducing metal ions. It further relates to an arrangement for carrying out this method.
  • an n-doped front emitter is generally used, which is passivated with silicon nitride (SiN).
  • SiN silicon nitride
  • the resulting layer system contains a high density of positive charges, which generate an accumulation area on the silicon surface.
  • This field effect has a positive effect on the surface passivation, since minority carriers are "repelled" by the interface.
  • the positive charges of the SiN adversely affect, since in this case minority carriers (electrons) are pulled to the silicon surface. For this reason, it is necessary to use dielectric layers with negative charges for passivation. This is the case both with boron-doped emitters and with the backside passivation in so-called PERC cells.
  • Al 2 O 3 which was preferably deposited by ALD (Atomic Layer Deposition); see. see B. Hoex, J. Schmidt, R. Bock, PP Altermatt, MCM van de Sanden, and WMM Kessels, Excellent passivation of highly doped p-type Al 2 O 3 Appl. Phys. Lett. 91, 112107 (2007),
  • Aluminum oxide induces solid negative charges and is thus able to prevent the accumulation of minority charge carriers on the surface.
  • During the deposition of Al 2 0 3 usually forms a thin Si0 2 layer between Al 2 0 3 and Si substrate. This is necessary to reduce the density of surface states.
  • FIGS. 1 and 2 show a stack of thin ALD-Al2O3 / PECVD-S1N for the stated purpose.
  • Known passivation layer arrangements are shown schematically in FIGS. 1 and 2. While FIG. 1 shows as the simplest configuration an Al 2 O 3 passivation layer 11 on a p-doped silicon substrate 10, FIG. 2 shows a layer stack (stack) comprising an Al 2 O 3 layer 11 and an SiN layer lying above it. Layer 12.
  • ALD Advanced Layer Deposition
  • the invention provides a method having the features of claim 1. Furthermore, an arrangement with the features of claim 16 for carrying out this method is proposed. In addition to lower costs, the proposed method, at least in certain embodiments, the other advantages of improved fire stability (in the so-called firing of contact structures) and, if necessary, a lower Dit (interface state density).
  • the charge-inducing metal ion-containing layer is formed to a thickness ranging between 0.1 monolayer and 10 monolayers, more preferably about one monolayer thick.
  • an aluminum ion-containing process bath is used to form the charge-inducing metal ion-containing layer. Specifically, the process bath contains an aqueous solution of a Aluminum salt, in particular aluminum nitrate, aluminum chloride or
  • the formation of the charge-inducing metal ions-containing layer containing a metal ion with a concentration between 1 ⁇ / ⁇ and 0.1 mol / l, in particular between 10 ⁇ / ⁇ and 10 mmol / 1, containing process bath is used.
  • the charge-inducing metal ion-containing layer in a temperature range between 0 ° C and 100 ° C, in particular between 25 ° C and 60 ° C, preferably with a process time in the range between 1 min and 60 min, in particular between 2 min and 10 min, formed. More preferably, the charge-inducing metal ion-containing layer is formed in a process bath at a pH between 4 and 11, in particular between 5 and 8.
  • the charge-inducible metal ion-containing layer is formed in a process bath comprising an oxidizing component for promoting the formation of silanol groups on the substrate surface, in particular HNO 3 , H 2 O 2 , a perchlorate, a permanganate and / or dissolved ozone , contains.
  • an oxidizing component for promoting the formation of silanol groups on the substrate surface in particular HNO 3 , H 2 O 2 , a perchlorate, a permanganate and / or dissolved ozone.
  • a method according to the invention may comprise the following steps:
  • the deposition of a cover layer of SiN is expedient. This supplies additional hydrogen during the firing process and fulfills the task of optical reflection.
  • the use of the presented passivation layers for the back passivation of PERC cells is conceivable.
  • FIG. 3 again, like that according to FIG. 2, comprises a SiN cover layer 12, but below this a SiO 2 layer 13 and a thin charge-inducing metal oxide layer 14. While the thickness of the SiN cover layer is typically between 200 nm and that of the lowermost sub-layer is 13 to 100 nm, the metal oxide layer 14 is
  • FIG. 4 shows, as an alternative to the configuration of FIG. 3, a layer stack in which the charge-inducing metal oxide layer 14 is enclosed between a first and a second Si0 2 layer 13, 15.
  • FIG. 5 shows a passivation layer structure in which the charge-inducing metal oxide layer 14 is arranged directly on the substrate 10 and a Si0 2 layer 15 is located above the latter.
  • a SiN layer 16 then follows as the cover layer.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle auf Silizium-Basis, mit einem mindestens abschnittsweise p-dotierten Halbleitersubstrat und einer auf dem Substrat angeordneten Passivierungsschicht, wobei die Passivierungsschicht eine ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht aufweist, welche auf nasschemischem Weg erzeugt wird.

Description

Titel
Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtunq
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle auf Silizium-Basis, mit einem mindestens
abschnittsweise p-dotierten Halbleitersubstrat und einer auf dem Substrat angeordneten Passivierungsschicht, wobei die Passivierungsschicht eine erste Teil- schicht aus einem Oxid oder Nitrid des Substratmaterials und über dieser eine zweite Teilschicht aufweist, die ladungsinduzierende Metallionen enthält. Sie betrifft des Weiteren eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Stand der Technik
Solarzellen auf der Basis von kristallinem Halbleitermaterial, insbesondere mono- oder polykristallinem Silizium, sind in der Effizienz der photovoltaischen Energiewandlung nach wie vor unerreicht und dominieren daher die Stromerzeugung aus Sonnenenergie. Um ihre führende Position gegenüber jüngeren Konzepten, speziell Dünnschicht-Solarzellen, zu behaupten, werden umfangreiche Entwicklungen zur weiteren Steigerung der Effizienz sowie zur Verringerung der Herstellungskosten unternommen.
Bei industrieüblichen Solarzellen wird allgemein ein n-dotierter Vorderseitenemit- ter eingesetzt, welcher mit Siliziumnitrid (SiN) passiviert wird. Insbesondere wenn SiN per PECVD direkt auf Silizium abgeschieden wird, enthält das entstehende Schichtsystem eine hohe Dichte an positiven Ladungen, welche auf der Siliziumoberfläche einen Akkumulationsbereich erzeugen. Dieser Feldeffekt hat positive Auswirkungen auf die Oberflächenpassivierung, da durch ihn Minoritäts- ladungsträger vom Interface„abgestossen" werden. Für neuartige Hocheffizienzsolarzellen ist es notwendig, auch p-dotierte Oberflächen zu passivieren. Hier wirken sich die positiven Ladungen des SiN nachteilig aus, da in diesem Fall Minoritätsladungsträger (Elektronen) zur Siliziumoberfläche gezogen werden. Aus diesem Grunde ist es notwendig, dielektrische Schichten mit negativen Ladungen zur Passivierung zu nutzen. Dies ist sowohl bei Bor- dotierten Emittern als auch bei der Rückseitenpassivierung bei sogenannten PERC-Zellen der Fall.
Es wurde gezeigt, dass durch Verwendung eines Stapels von SiO/SiN die Passivierung von p-Oberflächen gegenüber reinem SiN deutlich verbessert werden kann. Dabei kann sowohl thermisches als auch chemisches Oxid verwendet werden, vgl. V. D. Mihailetchi et al, Nitric acid pretreatment for the passivation of boron emitters for n-type base Silicon solar cells, Appl. Phys. Lett.92, 063510 (2008). Der Vorteil dieses Schichtsystems gegenüber SiN ist in der Reduktion von Oberflächenzuständen (Dit) und einer Reduktion der positiven Ladungen begrün- det. Da selbst gutes thermisches Oxid eine positive Festladung besitzt, ist diese Lösung aber immer noch suboptimal.
Eine sehr vielversprechende Option ist die Verwendung von Al203, welches vorzugsweise per ALD (Atomic Layer Deposition) abgeschieden wurde; vgl. dazu B. Hoex, J. Schmidt, R. Bock, P. P. Altermatt, M. C. M. van de Sanden, and W. M. M. Kessels, Excellent passivation of highly doped p-type Si surfaces by the negative-charge-dielectric Al203 Appl. Phys. Lett.91, 112107 (2007),
DOI: 10.1063/1.2784168. Aluminiumoxid induziert feste negative Ladungen und ist so in der Lage die Anreicherung von Minoritätsladungsträgern an der Ober- fläche zu verhindern. Während der Abscheidung von Al203 bildet sich üblicherweise eine dünne Si02-Schicht zwischen Al203 und Si-Substrat. Diese ist notwendig, um die Dichte der Oberflächenzustände zu reduzieren.
Es ist auch bekannt, zu dem genannten Zweck einen Stack aus dünnem ALD- AI2O3/PECVD-S1N einzusetzen. Bekannte Passivierungs-Schichtanordnungen sind in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. Während Fig. 1 als einfachste Konfiguration eine Al203-Passi- vierungsschicht 11 auf einem p-dotierten Siliziumsubstrat 10 zeigt, zeigt Fig. 2 einen Schichtstapel (Stack) aus einer Al203-Schicht 11 und einer darüber liegenden SiN-Schicht 12.
Es wurde bereits in der Literatur gezeigt, dass auch mit sehr dünnen ALD-Al203 Schichten hinreichend gute Passivierung erreicht werden kann; vgl. N.M. Terlinden et al, Role of field-eflect on c-Si surface passivation by ultrathin (2-20 nm) afomic layer deposited Al203, Appl. Phys. Lett. 96, 112101 (2010). Für die
Abscheidung von sehr dünnen Schichten kommt ein Gasphasenprozess üblicherweise ALD (Atomic Layer Deposition), zum Einsatz, da es mit diesem Verfahren möglich ist, sehr dünne geschlossene Filme abzuscheiden.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Des Weiteren wird eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen. Neben geringeren Kosten hat das vorgeschlagene Verfahren, jedenfalls in bestimmten Ausführungsformen, die weiteren Vorteile einer verbesserten Feuerstabilität (beim sogenannten Durchfeuern von Kontaktstrukturen) und ggfs. eines geringeren Dit (Grenzflächenzustandsdichte). In einer Ausführung der Erfindung wird die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 Monolagen und 10 Monolagen erzeugt, weiter bevorzugt mit einer Dicke von ungefähr einer Mono- lage. In einer weiteren Ausführung wird zur Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht ein Aluminium-Ionen enthaltendes Prozessbad eingesetzt. Speziell enthält hierbei das Prozessbad eine wässrige Lösung eines Aluminiumsalzes, insbesondere Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid oder
Aluminiumsulfat oder ähnliches. Des Weiteren ist in Ausführungen der Erfindung vorgesehen, dass zur Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht ein die Metallionen mit einer Konzentration zwischen 1 μιτιοΙ/Ι und 0,1 mol/l, insbesondere zwischen 10 μιτιοΙ/Ι und 10 mmol/1, enthaltendes Prozessbad eingesetzt wird.
In weiteren Ausführungen der Erfindung wird die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und 100°C, insbesondere zwischen 25°C und 60°C, und zwar bevorzugt mit einer Prozesszeit im Bereich zwischen 1 min und 60 min, insbesondere zwischen 2 min und 10 min, gebildet. Weiter bevorzugt wird die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht in einem Prozessbad bei einem pH-Wert zwischen 4 und 11, insbesondere zwischen 5 und 8, gebildet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht in einem Prozessbad gebildet, welches eine oxidierende Komponente zur Förderung der Bildung von Silanolgruppen auf der Substratoberfläche, insbesondere HN03, H202, ein Perchclorat, ein Permanganat und/oder gelöstes Ozon, enthält. Weitere Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass die Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht nach einer Vorreinigung, insbesondere mit SC2, HN03, H202 oder einer 03-haltigen Lösung, erfolgt.
Je nach vorgesehener Solarzellenkonfiguration bzw. -kontaktierung kann eine Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht als Batch- Prozess in einem Tauchbad, insbesondere gleichzeitig auf beiden Hauptoberflächen eines Halbleiterwafers, oder aber im Durchlauf durch eine Benetzungsan- lage, insbesondere einseitig auf einer Hauptoberfläche eines Halbleiterwafers, zweckmäßig sein. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann folgende Schritte umfassen:
1. Sägeschadenätzung von p-Typ-Wafern
2. Reinigungsequenz SC1/HF/SC2. Der SC2 Schritt sorgt hierbei für die Hydro- philisierung der Waferoberfläche und damit für die Bildung einer hohen Dichte an -OH Gruppen.
3. Eintauchen des Wafers in Aluminiumnitrid-Lösung (Raumtemperatur, DI- Wasser mit pH 8).
4. Spülen und Trocknen
5. Feuchte Oxidation bei 825°C/30 min
Da die Sauerstoffaffinität von Aluminium sehr hoch ist und AI eine extrem geringe Mobilität in Si02 aufweist, ist davon auszugehen, dass die aufgebrachten AI- Ionen in das in Schritt 5 gewachsene Oxid eingebaut werden und damit zu einer negativen Effektivladung führen. Bereits ab einem Al-Ionen-Gehalt in der Lösung von 50 pmol/l wurde die üblicherweise vorhandene positive Oberflächenladung kompensiert und eine negative Effektivladung eingeführt. Untersuchungen des Erfinders haben gezeigt, dass eine Oxidation des Wafer nicht erforderlich ist und die eingebrachte AI203-Schicht bereits durch den üblichen Feuerprozess
„aktiviert" werden kann.
Zur Vervollständigung der Passivierschicht ist die Abscheidung einer Deckschicht aus SiN zweckmäßig. Diese liefert während des Feuerprozesses zusätzlichen Wasserstoff und erfüllt die Aufgabe der optischen Enspiegelung. In einer weiteren Variante ist der Einsatz der vorgestellten Passivierschichten zur rückseitigen Passivierung von PERC-Zellen denkbar. Ebenso ist neben der
Abscheidung durch lonenadsorption auch die Abscheidung von Al203 durch Chemical Bath Deposition denkbar. Durch diese Verfahren können dickere Al203-Schich- ten erzielt werden, was allerdings auch einen deutlich komplexeren Prozess nach sieht zieht. Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 bekannte Passivierungs-Schichtanordnungen auf
p-dotiertem Silizium und
Fig. 3 bis 6 beispielhafte Passivierungs-Schichtanordnungen auf p-dotiertem Silizium, bei deren Bildung das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird. Die Konfiguration gemäß Fig. 3 umfasst wiederum, wie diejenige nach Fig. 2, eine SiN-Deckschicht 12, unter dieser jedoch eine Si02-Schicht 13 und eine dünne ladungsinduzierende Metalloxidschicht 14. Während die Dicke der SiN- Deckschicht typischerweise zwischen den 200 nm liegt und diejenige der untersten Teilschicht 13 bis 100 nm beträgt, ist die Metalloxidschicht 14
typischerweise nur zwischen 0,1 und 10 nm dick. Fig. 4 zeigt als Alternative zur Konfiguration nach Fig. 3 einen Schichtstapel, bei dem die ladungsinduzierende Metalloxidschicht 14 zwischen einer ersten und einer zweiten Si02-Schicht 13, 15 eingeschlossen ist. Fig. 5 schließlich zeigt einen Passivierungs-Schichtaufbau, bei dem die ladungsinduzierende Metalloxidschicht 14 unmittelbar auf dem Substrats 10 angeordnet ist und sich über dieser eine Si02-Schicht 15 befindet. In der in Fig. 6 gezeigten Abwandlung folgt hierauf als Deckschicht noch eine SiN-Schicht 16. Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere einer Solarzelle auf Silizium-Basis, mit einem mindestens abschnittsweise p-dotierten Halbleitersubstrat (10) und einer auf dem Substrat angeordneten Passivierungsschicht, wobei die Passivierungsschicht eine ladungsindu- zierende Metallionen enthaltende Schicht (14) aufweist, welche auf nasschemischem Weg erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht (14) mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,1 Monolagen und 10 Monolagen erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei zur Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht (14) ein Aluminium-Ionen enthaltendes Prozessbad eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
wobei das Prozessbad eine wässrige Lösung eines Aluminiumsalzes, insbesondere Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid oder Aluminiumsulfat, enthält.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei zur Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht (14) ein die Metallionen mit einer Konzentration zwischen 1 pmol/l und 0,1 mol/l, insbesondere zwischen 10 pmol/l und 10 mmol/1, enthaltendes Prozessbad eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht (14) in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und 100°C, insbesondere zwischen 25°C und 60°C, gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht (14) mit einer Prozesszeit im Bereich zwischen 1 min und 60 min, insbesondere zwischen 2 min und 10 min, gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht (14) in einem Prozessbad bei einem pH-Wert zwischen 4 und 11, insbesondere zwischen 5 und 8, gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht (14) in einem Prozessbad gebildet wird, welches eine oxidierende Komponente zur Förderung der Bildung von Silanolgruppen auf der Substratoberfläche, insbesondere HN03, H202, ein Perchclorat, ein Permanganat und/oder gelöstes Ozon, enthält.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht (14) nach einer Vorreinigung, insbesondere mit SC2, HN03, H202 oder einer 03-haltigen oder HF-haltigen Lösung, erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht (14) als Batch-Prozess in einem Tauchbad, insbesondere gleichzeitig auf beiden Hauptoberflächen eines Halbleiterwafers, ausgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht (14) im Durchlauf durch eine Benetzungsanlage, insbesondere einseitig auf einer Hauptoberfläche eines Halbleiterwafers, ausgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei unmittelbar auf dem Substrat (10) eine Oxidschicht (13) als erste Teilschicht und hierauf die ladungsinduzierende Metallionen enthaltende Schicht (14) als zweite Teilschicht der Passivierungsschicht gebildet wird
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei nach der Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht (14) eine Nitridschicht , insbesondere als dritte Teilschicht (12) mittels PECVD gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13,
wobei die erste Teilschicht und/oder nach Bildung der ladungsinduzierende Metallionen enthaltenden Schicht (14) eine SiOx-Schicht (12) als dritte Teilschicht auf thermischem Weg gebildet wird. 16. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden
Ansprüche, mit Mitteln zur Benetzung der Substratoberfläche mit einem die ladungsinduzierenden Metallionen enthaltenden Prozessbad, insbesondere einem Tauchbehälter oder einer Durchlauf-Benetzungseinrichtung für Halb- leiterwafer.
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CN104319308A (zh) * 2014-09-16 2015-01-28 上饶光电高科技有限公司 一种提高晶体硅太阳能电池扩散均匀性的方法

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