WO2017108592A1 - Verfahren zur dotierung von halbleitersubstraten mittels eines co-diffusionsprozesses sowie mit diesem verfahren hergestelltes dotiertes halbleitersubstrat - Google Patents

Verfahren zur dotierung von halbleitersubstraten mittels eines co-diffusionsprozesses sowie mit diesem verfahren hergestelltes dotiertes halbleitersubstrat Download PDF

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Andreas Wolf
Sebastian Meier
Daniel Biro
Sabrina Werner
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Definitions

  • the present invention relates to a method for doping semiconductor substrates by means of a co-diffusion process.
  • semiconductor substrates are first coated on at least one side with a layer containing at least one first dopant.
  • two of these semiconductor substrates are arranged in a process chamber so that two of their coated sides are brought into direct contact.
  • the present invention also relates to a doped semiconductor substrate produced by the method according to the invention. Co-diffusion processes serve the simultaneous doping of a wafer with boron and phosphorus. According to the current state of the art, which eg in P.
  • a boron-containing source is e.g. applied by chemical vapor deposition at atmospheric pressure (APCVD) or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) on one side of the wafer. Subsequently, one wafer each is loaded into each slot of a quartz boat and exposed in a tube furnace to a POCb-containing atmosphere. During the high-temperature step, boron diffuses from the boron-containing source and phosphorus from the process atmosphere into the wafer.
  • APCVD atmospheric pressure
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • BRL boron-rich layer
  • Prior art processing during the heating phase of the high temperature process doping atoms from the tube wall into the wafer and produce an inhomogeneous doping.
  • the back-to-back method can be used, as described, for example, in US Pat
  • WO 2008/061806 AI is described.
  • two wafers each are introduced into a slot of a diffusion boat, thereby doubling the throughput
  • only one dopant is introduced into the process atmosphere during diffusion by means of the "backtoback” method.
  • two high-temperature steps are therefore necessary. After doping the one wafer side with a dopant, the wafers must be rotated by 180 °, so that now in a second process step, the other side can react with the second dopant.
  • the invention thus provides a method for doping semiconductor substrates by means of a co-diffusion process, in which a) semiconductor substrates are coated at least on one side with a layer containing at least a first dopant, b) two of these coated semiconductor substrates are arranged in a process chamber so that two of their coated sides are brought into direct contact, c) then at least one second dopant in the form a gaseous dopant source is introduced into the process chamber, and d) driving in the first dopant and the second
  • Dopant occurs in the semiconductor substrates, wherein the first dopant and the second dopant at the same time at least partially diffuse into the semiconductor substrate.
  • step a semiconductor substrates are provided at least on one side with a layer containing at least one first dopant, i. a layered dopant source coated.
  • a first dopant i. a layered dopant source coated.
  • two of these semiconductor substrates are then arranged in step b) in a process chamber such that two of their coated sides, that is to say sides which have the layer applied in step a), are brought into direct contact.
  • step c) at least one second dopant in the form of a gaseous dopant source is introduced into the process chamber.
  • step d) a driving in of the first takes place
  • the first dopant diffuses from the layer applied in step a), i. from the layered dopant source into the semiconductor substrates.
  • the second dopant diffuses out of the gaseous dopant source into the semiconductor substrate, wherein this can also be done by first of all by the interaction of the semiconductor substrate with the gaseous
  • Dopant source in step d) forms a second dopant-containing layer on the substrate, from which then the second dopant diffuses into the substrate.
  • the first dopant can only be included in the semi- Conductor substrates diffuse where the layer containing the first dopant was applied in step a).
  • Dopant source diffuse only at the points in the semiconductor substrates, which are exposed and therefore come into contact with the atmosphere of the process chamber.
  • step a only the front side of the semiconductor substrates are coated with the layer containing the first dopant, wherein the coating of the front side would take place over the entire area.
  • step b) in each case two of these coated semiconductor substrates would be arranged so that the two full-surface coated front sides are brought into direct contact.
  • step d) the first dopant could only diffuse into the semiconductor substrates at the front side in each case.
  • the second dopant introduced in step c) in the form of a gaseous dopant source could only diffuse into the semiconductor substrates at the rear side, since only these, in contrast to the front sides, are exposed.
  • the semiconductor substrates are doped on one side with the first dopant and on the other side with the second dopant, whereby only a driving-in step is required.
  • step a) semiconductor substrates are coated at least on one side with a layer containing at least one first dopant. This layer is thus a dopant source, e.g.
  • a boron source which is deposited in layers on the semiconductor substrates.
  • the layer may be coated by means of a coating method, e.g. by chemical vapor deposition at atmospheric pressure (APCVD), plasma assisted chemical vapor deposition (PECVD), inkjet printing, screen printing or spin coating on the semiconductor substrates.
  • the layer applied in step a) preferably consists of borosilicate glass (BSG), of a boron-containing screen printing paste or of inkjet ink.
  • the second dopant may be phosphorus, e.g. Gas phases POCI3-
  • the layer applied in step a) may be a phosphosilicate glass (PSG), a phosphorus-containing screen printing paste or an inkjet ink.
  • PSG phosphosilicate glass
  • the semiconductor substrates may be coated in step a) e.g. only on one side and on this one side are completely coated with the layer containing the first dopant. If the semiconductor substrates include e.g. each one front side and one back side can e.g. the front sides are provided over the entire area with the layer containing the first dopant and the backs remain uncoated.
  • the semiconductor substrates In step a), it is also possible for the semiconductor substrates to be coated on several sides or on two sides with the layer containing the first dopant. If the semiconductor substrates include e.g. each one front side and one back side can e.g. the front sides are provided over the entire surface with the layer containing the first dopant and, moreover, the back sides are provided only partially with the layer containing the first dopant. Such a variant of the method comes e.g. when, during step a), the front surface is provided over its entire area with the layer containing the first dopant and, for technological reasons, the layer is wrapped around the wafer edge on the back side of the substrate.
  • step a) and step b) there is no targeted driving of the first dopant into the semiconductor substrate, e.g. by a targeted heating of the layer applied in step a) or of the coated semiconductor substrates.
  • the layer applied in step a) is a printed layer, a drying process can be carried out between step a) and step b), which, however, does not lead to any significant diffusion of the first dopant into the substrate.
  • step b) in each case two of the semiconductor substrates coated in step a) are arranged in a process chamber such that two of their coated sides are brought into direct contact.
  • This corresponds to a "backtoback" charge, in which case the two coated sides of the two semiconductor substrates are preferably congruently and positively joined together.
  • it is exclusively the semiconductor substrates which have been coated in step a) at least on one side with a layer containing the first dopant and also have this layer.
  • the semiconductor substrates each have a front side and a rear side, and if only the front sides have been coated in step a), then in step b) two of these semiconductor substrates coated only on one side can be arranged in a process chamber such that the front side of the one semiconductor substrate is brought into direct contact with the front side of the other semiconductor substrate and the two front sides are congruent and positively joined together.
  • the semiconductor substrates include e.g. each have a front side and a back side and are in step a). the front sides coated over the entire surface and the backs have been only partially coated, so in step b) two of these two-sided coated semiconductor substrates can be arranged in a process chamber, for example, that the fully coated front side of a semiconductor substrate in direct contact with the fully coated front side of the other semiconductor substrate is brought and the two full-surface coated front sides while congruent and positively joined together.
  • the semiconductor substrates preferably have a front side and a rear side.
  • the semiconductor substrates may be wafers.
  • back-to-back charge means that twice the throughput of semiconductor substrates can be achieved, resulting in a very fast and cost-effective process.
  • Dopant-containing layer i. a layered dopant source, previously applied in step a) on these sides.
  • a preferred variant of the method according to the invention is characterized in that in step a) semiconductor substrates are coated at least on one side with a layer containing at least a first dopant, wherein one side of each semiconductor substrate is coated over its entire area, and in step b) two of these coated semiconductor substrates be arranged in a process chamber that two of their full-surface coated pages are brought into direct contact.
  • the particle concentration of the gaseous dopant source in the atmosphere within the process chamber is less than 0.5%, preferably less than 0.1%.
  • a further preferred variant is characterized in that during step d) the atmosphere within the process chamber contains oxygen, the oxygen concentration in the atmosphere within the process chamber being preferably higher than 0.1% and lower than 5%, especially preferably greater than 0.1% and less than 3%, even more preferably greater than 0.1% and less than 1%. Too high an oxygen concentration in the atmosphere of the process chamber will cause the first
  • Dopant diffused in certain places in too low amounts in the semiconductor substrate By means of a correspondingly low concentration of oxygen, the interaction of the oxygen in the atmosphere of the process chamber with the layer containing the first dopant can be kept low. Thus, it can be avoided that the first dopant diffuses into the semiconductor substrate in certain places in too low amounts. Also in this way the homogeneity of the doping can be increased.
  • a further preferred variant is characterized in that during step d) the oxygen content of the process atmosphere within the process chamber is increased, the oxygen concentration preferably at the beginning of step d) less than 5% and at the end of step d) higher than 10%, especially preferably less than 1% at the beginning of step d) and higher than 40% at the end of step d), more preferably less than 0.1% at the beginning of step d) and higher than 60% at the end of step d), is. Furthermore, it is preferred that after step d) during the cooling process of
  • Oxygen content of the process atmosphere is increased within the process chamber, wherein the oxygen concentration is preferably higher than 10%, more preferably higher than 40%, most preferably higher than 60%. This ensures that initially at the beginning of step d) a sufficient amount of first dopant diffuses out of the layer into the semiconductor substrate. A possibly forming BRL is converted back to oxygen by the subsequently increased concentration of oxygen.
  • this variant can reduce the surface concentration on the second dopant on the uncoated side of the semiconductor substrate to below 1020 atoms / cm.sup.-3.
  • An initially higher surface concentration above 1020 atoms / cm-3 second dopant on the uncoated side of the semiconductor substrate causes more removal of impurities from the semiconductor substrate (gettering). Both properties, gettering by an initially high surface concentration of second dopant at the beginning of step d) and a low surface Concentration at the end of the process, reduce the charge carrier recombination and increase the solar cell efficiency.
  • An increase in the homogeneity of the doping can thus in the method according to the invention, e.g. can be achieved by keeping the interaction between the layer containing the first dopant and the gaseous dopant source in the atmosphere of the process chamber low. Namely, such an interaction does not take place uniformly over the entire layer due to the "backtoback" loading of the semiconductor substrates, but mainly at the edge of the semiconductor substrates where the layer containing the first dopant is in gaseous form
  • Dopant source can come into contact.
  • An interaction between the layer containing the first dopant and the gaseous dopant source in the atmosphere of the process chamber influences the doping with the first dopant. If such an interaction takes place mainly only in the edge regions of the semiconductor substrate, this leads to an inhomogeneous doping. Minimizing the interaction between the layer containing the first dopant and the gaseous dopant source in the atmosphere of the process chamber thus ultimately leads to an increase in the homogeneity of the doping.
  • the formation of a BRL is prevented by in situ oxidation, but this is not possible in the process according to the invention, since a full-surface interaction of the be
  • concentration of the first dopant in the layer produced in step a) or the proportion of dopant atoms in the total atoms of the layer produced in step a) can be determined by secondary ion mass spectrometry or atomic emission spectrometry become.
  • the driving of the first and second dopant in step d) takes place at temperatures of 800 to 1000 ° C and / or over a period of 1 to 120 min.
  • the temperatures of several, preferably all, regions within the process chamber deviate from one another by less than 5 ° C. By controlling an almost equal temperature in the process chamber, the homogeneity of the doping can be increased.
  • step c) takes place before and / or at the beginning of step d).
  • step c) a temperature of 850 ° C, preferably 800 ° C, within the process chamber is not exceeded. As a result, uneven formation of a dopant layer of the second dopant can be avoided.
  • the outdiffusion of dopant from the walls of the process chamber can lead to an inhomogeneous doping of the semiconductor substrate. This can be reduced by introducing the gaseous dopant source into the process chamber as early as possible, in particular before the maximum temperature of the drive-in step has been reached.
  • the temperature within the process chamber is increased by 50 to 250 ° C, preferably by 50 to 200 ° C from step c) to step d).
  • This temperature increase is preferably carried out at the end of step c) or directly after step c).
  • the temperatures of several, preferably all, regions within the process chamber deviate from one another by less than 5 ° C.
  • a further preferred variant of the method according to the invention is characterized in that between step b) and c) the temperature is increased several times.
  • Rer preferably all, areas within the process chamber is set so that the temperatures of these areas differ by less than 5 ° C, in which case preferably a temperature of 850 ° C, preferably 800 ° C, within the process chamber is not exceeded.
  • step c) takes place no later than 60 seconds after, preferably immediately after, the moment in which the temperatures of the regions within the process chamber are set such that they deviate from one another by less than 5 ° C.
  • dopant can already diffuse into the semiconductor substrate during the heating process, it is advantageous if a temperature as similar as possible already prevails in the areas within the process chamber during the heating process so as to avoid inhomogeneities within the doping.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the first dopant is boron and the second dopant is phosphorus or that the first dopant is phosphorus and the second dopant is boron.
  • the second dopant is phosphorus and the gaseous
  • the second dopant is boron and the gaseous dopant source is selected from the group consisting of BBr3, BCI3, B2H6 and mixtures thereof.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the gaseous dopant source in step c) is deposited at a pressure of less than 500 mbar, preferably less than 300 mbar. This allows a dense packing of the substrates in the process chamber and is advantageous for high throughput.
  • a further preferred variant of the method according to the invention is characterized in that the gaseous dopant source is POCl 3 and for introducing the POCl3 into the process chamber a POCb bubbler is used, wherein the carrier gas flow through the POCb bubbler during step c) is less than 1.5 standard liters per minute, preferably less than 1.0 standard liters per minute , A small POCU gas flow is needed to avoid too high a doping with phosphorus, especially in connection with a low oxygen concentration during step d), which is needed for a targeting doping of the layer containing the first dopant.
  • step d Due to the limitation of the oxygen concentration in step d), a previously introduced in step c) high phosphorus dosage is no longer sufficient to compensate by subsequent oxidation of the surface in step d). In addition, such an interaction between the phosphorus-containing process atmosphere and the first
  • Dopant-containing layer can be reduced, whereby a penetration of phosphorus is prevented by the layer containing the first dopant.
  • the coating in step a) takes place by means of chemical vapor deposition at atmospheric pressure (APCVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), inkjet printing, screen printing or spin coating.
  • APCVD atmospheric pressure
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • inkjet printing screen printing or spin coating.
  • the process chamber is a tube furnace or a continuous furnace.
  • step a) the semiconductor substrates are provided on one side only with the layer containing the first dopant, wherein the coating takes place on one side of the entire surface.
  • the semiconductor substrates include e.g. each one front side and one back side can e.g. the front sides are provided with the layer containing the first dopant and the backs remain uncoated.
  • step a) a front side of each semiconductor substrate is provided over its entire area with the layer containing the first dopant, and a rear side of each half opposite the front side is provided.
  • conductor substrate is only partially provided with the layer containing the first dopant, for example, by technologically-induced encroachment of the layer around the wafer edge during step a), wherein in step c) an additional amount of second dopant is introduced into the process chamber, the on overcompensating the back of the semiconductor substrates located portion of the first dopant.
  • the back side of each semiconductor substrate is only coated in those areas which are located less than 1 cm from the edge of the rear side of the respective semiconductor substrate.
  • step d) not only the second
  • step c Inhomogeneities of the doping on the back to counteract, an additional amount of second dopant is introduced into the process chamber in step c), which overcompensates the located on the back of the semiconductor substrate portion of the first dopant. In this way, in spite of an encroachment arising during the coating in step a), a relatively homogeneous doping of the rear side of the semiconductor substrate with the second dopant can be achieved.
  • the present invention also relates to a doped semiconductor substrate, which is produced according to the variant of the method according to the invention just described.
  • This semiconductor substrate according to the invention is characterized in that the semiconductor substrate has a lateral gradient in the dopant profile on its rear side, the proportion of first dopant on the back side of the semiconductor substrate decreasing from the edge of the semiconductor substrate to the center of the semiconductor substrate.
  • Wafers are coated on one side with a borosilicate glass (BSG) layer having a dopant concentration of 2 ⁇ 10 22 cm -3 . Then, two wafers each with the coated sides are introduced into each other in a quartz boat. This quartz boat is then inserted into a quartz tube. After closing the pipe door, the temperature in the individual heating zones on BSG (BSG) layer having a dopant concentration of 2 ⁇ 10 22 cm -3 . Then, two wafers each with the coated sides are introduced into each other in a quartz boat. This quartz boat is then inserted into a quartz tube. After closing the pipe door, the temperature in the individual heating zones on BSG (BSG) layer having a dopant concentration of 2 ⁇ 10 22 cm -3 . Then, two wafers each with the coated sides are introduced into each other in a quartz boat. This quartz boat is then inserted into a quartz tube. After closing the pipe door, the temperature in the individual heating zones on BSG (BSG) layer having a dopant concentration
  • Fig. 1 shows exemplary doping profiles, which were produced by the method according to the invention. From this it is clear that with the method according to the invention a large number of different doping profiles can be produced.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung von Halbleitersubstraten mittels eines Co-Diffusionsprozesses. Hierbei werden zunächst Halbleitersubstrate zumindest einseitig mit einer mindestens einen ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet. Jeweils zwei dieser Halbleitersubstrate werden so in einer Prozess- kammer angeordnet, dass zwei ihrer beschichteten Seiten in unmittel- baren Kontakt gebracht werden

Description

Verfahren zur Dotierung von Halbleitersubstraten mittels eines Co-
Diffusionsprozesses sowie mit diesem Verfahren hergestelltes dotiertes Halbleitersubstrat
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dotierung von Halbleitersubstraten mittels eines Co-Diffusionsprozesses. Hierbei werden zunächst Halbleitersubstrate zumindest einseitig mit einer mindestens einen ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet. Jeweils zwei dieser Halbleitersubstrate werden so in einer Prozesskammer angeordnet, dass zwei ihrer beschichteten Seiten in unmittelbaren Kontakt gebracht werden. Anschließend wird mindestens ein zweiter Dotierstoff in Form einer gasförmigen
Dotierstoffquelle in die Prozesskammer eingeleitet. Schließlich erfolgt ein Eintreiben des ersten Dotierstoffes und des zweiten Dotierstoffes in die Halbleitersubstrate, bei dem der erste Dotierstoff und der zweite Dotierstoff zeitgleich zumindest teilweise in die Halbleitersubstrate diffundieren. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes dotiertes Halbleitersubstrat. Co-Diffusionsprozesse dienen der simultanen Dotierung eines Wafers mit Bor und Phosphor. Nach dem aktuellen Stand der Technik, welcher z.B. in P.
Rothhardt, S. Meier, S. Maier, K. Jiang, A.Wolf, and D. Biro IEEE Journal of Photovoltaics 4, 827 (2014) beschrieben ist, wird diese Dotierung wie folgt erreicht:
Vor dem Diffusionsprozess wird eine borhaltige Quelle z.B. mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) oder plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) einseitig auf den Wafer aufgebracht. Anschließend wird je ein Wafer in je einen Slot eines Quarzbootes verladen und in einem Rohrofen einer POCb-haltigen Atmosphäre ausgesetzt. Während des Hochtemperaturschrittes diffundiert Bor aus der borhalti- gen Quelle und Phosphor aus der Prozessatmosphäre in den Wafer.
Die Herausforderung des Diffusionsprozesses besteht unter anderem darin, ein„boron rieh layer" (BRL) zu vermeiden und gleichzeitig homogen zu dotieren. Nach dem Stand der Technik wird diese durch Verwendung einer hochdotierten Borglasquelle und Zugabe einer hohen Sauerstoffkonzentration in der Prozessatmosphäre erreicht. Die hochdotierte Borglasquelle sorgt dabei für eine homogene Dotierung bei gleichzeitiger Entstehung eines BRL. Dieses BRL wird jedoch zu Prozessende durch die hohe Sauerstoffkonzentration aufoxidiert und kann anschließend einfach nasschemisch entfernt werden. Eine weitere Möglichkeit, die allerdings die Prozesskomplexität erhöht und zu einer erheblichen Kostensteigerung führt, ist die Entfernung des BRLs durch einen weiteren z.B. nasschemischen Prozessschritt.
Eine bisher ungelöste Aufgabe bei Co-Diffusionsprozessen besteht in der reproduzierbar homogenen Dotierung des Wafers. So diffundieren bei
Prozessierung nach dem Stand der Technik während der Aufheizphase des Hochtemperaturprozesses Dotieratome aus der Rohrwand in den Wafer und erzeugen eine inhomogene Dotierung.
Eine weitere Herausforderung betrifft die Homogenität der Dotierung über das Quarzboot. Nach dem Stand der Technik wird die Tür des Quarzrohres geöffnet, um das Quarzboot einzulassen. Dabei kühlt der Teil des Rohres, wel- eher der Tür zugewandt ist, mehr aus als der weiter von der Tür entfernte Teil. Dies führt dazu, dass zumindest während eines Teils der Aufheizphase die unterschiedlichen Zonen im Boot unterschiedliche Temperaturen aufweisen und so ein unerwünschter Unterschied in der Dotierung verschiedener Wafer verursacht wird.
Um den Durchsatz von Diffusionsprozessen zu steigern kann das„backto- back"-Verfahren angewandt werden, wie dies beispielsweise in der
WO 2008/061806 AI beschrieben wird. Beim„backtoback"-Verfahren werden jeweils zwei Wafer in einen Slot eines Diffusionsbootes eingebracht. Hierdurch lässt sich der Durchsatz verdoppeln. Im Stand der Technik wird während einer Diffusion mittels„backtoback"-Verfahren nur ein Dotand in die Prozessatmosphäre eingeleitet. Um Bor- und Phosphordotierung zu erzeugen, sind somit zwei Hochtemperaturschritte notwendig. Nach Dotierung der einen Waferseite mit einem Dotanden müssen die Wafer um 180° gedreht werden, so dass nun in einem zweiten Prozessschritt die jeweils andere Seite mit dem zweiten Dotanden reagieren kann.
Ein Co-Diffusionsprozess unter Nutzung des„backtoback"-Verfahrens ist jedoch nach dem Stand der Technik nicht möglich, da bei Nutzung des„backto- back"-Verfahrens keine homogene Wechselwirkung der bedeckten Waferseite mit Sauerstoff in der Prozessatmosphäre möglich ist und somit die Bildung eines BRLs nicht vollständig vermieden werden kann.
Ausgehend hiervon war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit welchem Halbleitersubstrate kostengünstig und in möglichst kurzer Zeit mit einem ersten Dotierstoff auf einer Seite und einem zweiten Dotierstoff auf einer anderen Seite dotiert werden können.
Diese Aufgabe wird bezüglich eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und bezüglich eines dotierten Halbleitersubstrates mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Dotierung von Halbleitersubstraten mittels eines Co-Diffusionsprozesses angegeben, bei dem a) Halbleitersubstrate zumindest einseitig mit einer mindestens einen ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet werden, b) jeweils zwei dieser beschichteten Halbleitersubstrate so in einer Prozesskammer angeordnet werden, dass zwei ihrer beschichteten Seiten in unmittelbaren Kontakt gebracht werden, c) anschließend mindestens ein zweiter Dotierstoff in Form einer gasförmigen Dotierstoffquelle in die Prozesskammer eingeleitet wird, und d) ein Eintreiben des ersten Dotierstoffes und des zweiten
Dotierstoffes in die Halbleitersubstrate erfolgt, bei dem der erste Dotierstoff und der zweite Dotierstoff zeitgleich zumindest teilweise in die Halbleitersubstrate diffundieren.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst in Schritt a) Halbleitersubstrate zumindest einseitig mit einer mindestens einen ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht, d.h. einer schichtförmigen Dotierstoffquelle, beschichtet. Jeweils zwei dieser Halbleitersubstrate werden dann in Schritt b) so in einer Prozesskammer angeordnet, dass zwei ihrer beschichteten Seiten, also Seiten, welche die in Schritt a) aufgetragene Schicht aufweisen, in unmittelbaren Kontakt gebracht werden. Anschließend wird in Schritt c) mindestens ein zweiter Dotierstoff in Form einer gasförmigen Dotierstoffquelle in die Prozesskammer eingeleitet. Schließlich erfolgt in Schritt d) ein Eintreiben des ersten
Dotierstoffes und des zweiten Dotierstoffes in die Halbleitersubstrate, bei dem der erste Dotierstoff und der zweite Dotierstoff zeitgleich zumindest teilweise in die Halbleitersubstrate diffundieren. Hierbei diffundiert der erste Dotierstoff aus der in Schritt a) aufgetragenen Schicht, d.h. aus der schichtförmigen Dotierstoffquelle, in die Halbleitersubstrate. Zeitgleich diffundiert der zweite Dotierstoff aus der gasförmigen Dotierstoffquelle in die Halbleitersubstrate, wobei dies auch dadurch erfolgen kann, dass sich zunächst durch die Wechselwirkung des Halbleitersubstrates mit der gasförmigen
Dotierstoffquelle in Schritt d) eine den zweiten Dotierstoff enthaltende Schicht auf dem Substrat bildet, aus welcher dann der zweite Dotierstoff in das Substrat diffundiert. Der erste Dotierstoff kann dabei nur dort in die Halb- leitersubstrate diffundieren, wo die den ersten Dotierstoff enthaltene Schicht in Schritt a) aufgetragen wurde. Zudem kann der zweite Dotierstoff aus der sich in der Atmosphäre der Prozesskammer befindlichen gasförmigen
Dotierstoffquelle nur an den Stellen in die Halbleitersubstrate diffundieren, die frei liegen und daher in Berührung mit der Atmosphäre der Prozesskammer kommen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Halbleitersubstrate mit einem ersten Dotierstoff auf einer Seite und einem zweiten Dotierstoff auf der anderen Seite zu dotieren. Hierfür kann z.B. in Schritt a) lediglich die Vorderseite der Halbleitersubstrate mit der den ersten Dotierstoff enthaltenen Schicht beschichtet werden, wobei die Beschichtung der Vorderseite vollflächig erfolgen würde. In Schritt b) würden dann jeweils zwei dieser beschichteten Halbleitersubstrate so angeordnet werden, dass die beiden vollflächig beschichteten Vorderseiten in unmittelbaren Kontakt gebracht werden. Beim
Eintreiben in Schritt d) könnte in diesem Fall der erste Dotierstoff nur jeweils an der Vorderseite in die Halbleitersubstrate diffundieren. Der in Schritt c) in Form einer gasförmigen Dotierstoffquelle eingeleitete zweite Dotierstoff könnte hingegen lediglich jeweils an der Rückseite in die Halbleitersubstrate diffundieren, da nur diese im Gegensatz zu den Vorderseiten freiliegen. Somit kann gewährleistet werden, dass die Halbleitersubstrate auf einer Seite mit dem ersten Dotierstoff und auf der anderen Seite mit dem zweiten Dotierstoff dotiert werden, wobei dafür nur ein Eintreib-Schritt erforderlich ist. In Schritt a) werden Halbleitersubstrate zumindest einseitig mit einer mindestens einen ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet. Bei dieser Schicht handelt es sich folglich um eine Dotierstoffquelle, z.B. eine Borquelle, welche schichtförmig auf den Halbleitersubstraten abgeschieden wird. Die Schicht kann mittels eines Besch ichtungsverfahrens z.B. mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD), Inkjet-Druck, Siebdruck oder Rotationsbeschichtung auf den Halbleitersubstraten aufgebracht werden. Vorzugsweise besteht die in Schritt a) aufgetragene Schicht aus Borsilicatglas (BSG), aus einer borhaltigen Siebdruckpaste oder aus Inkjet-Tinte. Beim zwei- ten Dotierstoff kann es sich um Phosphor handeln, z.B. Gasphasen POCI3-
Diffusion. Wenn es sich beim zweiten Dotierstoff um Bor handelt (z.B. Gas- phasen BBr3-Diffusion), so kann die in Schritt a) aufgetragene Schicht ein Phosphorsilicatglas (PSG), eine Phosphorhaltige Siebdruckpaste oder ein Inkjet-Tinte sein.
Die Halbleitersubstrate können in Schritt a) z.B. lediglich einseitig und auf dieser einen Seite vollflächig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet werden. Weisen die Halbleitersubstrate z.B. jeweils eine Vorderseite und eine Rückseite auf, können z.B. die Vorderseiten jeweils vollflächig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen werden und die Rückseiten unbeschichtet verbleiben.
In Schritt a) ist es auch möglich, dass die Halbleitersubstrate mehrseitig oder zweiseitig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet werden. Weisen die Halbleitersubstrate z.B. jeweils eine Vorderseite und eine Rückseite auf, können z.B. die Vorderseiten vollflächig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen werden und zudem die Rückseiten lediglich teilweise mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen werden. Eine solche Verfahrensvariante kommt z.B. vor, wenn während Schritt a) die Vorderseite vollflächig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen wird und dabei technologisch bedingt ein Umgriff der Schicht um die Wafer-Kante auf die Rückseite des Substrates erfolgt.
Zwischen Schritt a) und Schritt b) erfolgt kein gezieltes Eintreiben des ersten Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat z.B. durch eine zu diesem Zweck durchgeführte gezielte Erwärmung der in Schritt a) aufgebrachten Schicht bzw. der beschichteten Halbleitersubstrate. Handelt es sich bei der in Schritt a) aufgetragenen Schicht um eine gedruckte Schicht, kann zwischen Schritt a) und Schritt b) ein Trocknungsprozess durchgeführt werden, welcher aber zu keiner signifikanten Eindiffusion des ersten Dotierstoffes in das Substrat führt.
In Schritt b) werden jeweils zwei der in Schritt a) beschichteten Halbleitersubstrate so in einer Prozesskammer angeordnet, dass zwei ihrer beschichteten Seiten in unmittelbaren Kontakt gebracht werden. Dies entspricht einer „backtoback"-Beladung. Dabei werden die zwei beschichteten Seiten der beiden Halbleitersubstrate bevorzugt deckungsgleich und formschlüssig zusammengefügt. Bei den in Schritt b) verwendeten beschichteten Substraten han- delt es sich ausschließlich um die Halbleitersubstrate, welche in Schritt a) zumindest einseitig mit einer den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet wurden und diese Schicht auch noch aufweisen. Weisen die Halbleitersubstrate z.B. jeweils eine Vorderseite und eine Rückseite auf und sind in Schritt a) z.B. lediglich die Vorderseiten beschichtet worden, so können in Schritt b) zwei dieser lediglich einseitig beschichteten Halbleitersubstrate beispielsweise so in einer Prozesskammer angeordnet werden, dass die Vorderseite des einen Halbleitersubstrates in unmittelbarem Kontakt mit der Vorderseite des anderen Halbleitersubstrates gebracht wird und die beiden Vorderseiten dabei deckungsgleich und formschlüssig zusammengefügt werden.
Weisen die Halbleitersubstrate z.B. jeweils eine Vorderseite und eine Rücksei- te auf und sind in Schritt a) z.B. die Vorderseiten vollflächig beschichtet und die Rückseiten lediglich teilweise beschichtet worden, so können in Schritt b) zwei dieser zweiseitig beschichteten Halbleitersubstrate beispielsweise so in einer Prozesskammer angeordnet werden, dass die vollflächig beschichtete Vorderseite des einen Halbleitersubstrates in unmittelbarem Kontakt mit der vollflächig beschichteten Vorderseite des anderen Halbleitersubstrates gebracht wird und die beiden vollflächig beschichteten Vorderseiten dabei deckungsgleich und formschlüssig zusammengefügt werden.
Die Halbleitersubstrate weisen bevorzugt eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Bei den Halbleitersubstraten kann es sich um Wafer handeln.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann aufgrund der Verwendung von„back- toback"-Beladung der doppelte Durchsatz an Halbleitersubstraten erreicht werden. Hieraus resultiert ein sehr schneller und kostengünstiger Prozess.
Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten„backtoback"- Verfahren, bei denen die Dotierstoffe jeweils einzeln und in zwei getrennten Schritten in die Halbleitersubstrate eingetrieben werden, erfolgt das Eintreiben des ersten und zweiten Dotierstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Schritt, nämlich in Schritt d). Im Vergleich zu„backtoback"-Verfahren aus dem Stand der Technik wird im erfindungsgemäßen Verfahren also zu- mindest ein Eintreib-Schritt weniger durchgeführt, was zu Kostenersparnissen und auch zu einer Beschleunigung des Verfahrens führt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit ein hoher Durchsatz erzielt werden.
Normalerweise wechselwirken bei einer„backtoback"-Beladung die aneinander liegenden Seiten der Halbleitersubstrate nicht oder nur teilweise mit der Atmosphäre in der Prozesskammer, weswegen eine gleichmäßige Dotierung dieser Seite nicht möglich ist. Im erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Wechselwirkung dieser aneinander liegenden Seiten mit der Atomsphäre in der Prozesskammer allerdings nicht mehr notwendig, da eine einen
Dotierstoff enthaltende Schicht, d.h. eine schichtförmige Dotierstoffquelle, bereits zuvor in Schritt a) auf diesen Seiten aufgebracht wird.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in Schritt a) Halbleitersubstrate zumindest einseitig mit einer mindestens einen ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet werden, wobei dabei eine Seite jedes Halbleitersubstrates vollflächig beschichtet wird, und in Schritt b) jeweils zwei dieser beschichteten Halbleitersubstrate so in einer Prozesskammer angeordnet werden, dass zwei ihrer vollflächig beschichteten Seiten in unmittelbaren Kontakt gebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt während Schritt c) die Teilchen-Konzentration der gasförmigen Dotierstoffquelle in der Atmosphäre innerhalb der Prozesskammer weniger als 0,5 %, vorzugweise weniger als 0,1 %. Durch eine solch niedrige Konzentration der gasförmigen Dotierstoffquelle kann die Wechselwirkung der gasförmigen Dotierstoffquelle mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht gering gehalten werden. Auf diese Weise können sehr homogene Dotierungen erhalten werden. Dabei kann erreicht werden, dass die Dotierung sowohl für verschiedene Halbleitersubstrate als auch für verschieden Positionen auf einem Halbleitersubstrat nahezu identisch ist.
Eine weitere bevorzugte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt d) die Atmosphäre innerhalb der Prozesskammer Sauerstoff enthält, wobei die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre innerhalb der Prozesskammer dabei bevorzugt höher als 0,1 % und niedriger als 5 %, besonders bevorzugt höher als 0,1 % und niedriger als 3 %, ganz besonders bevorzugt höher als 0,1 % und niedriger als 1 %, ist. Eine zu hohe Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre der Prozesskammer führt dazu, dass der erste
Dotierstoff an bestimmten Stellen in zu niedrigen Mengen in das Halbleiter- Substrat diffundiert. Durch eine entsprechend niedrige Konzentration an Sauerstoff kann die Wechselwirkung des Sauerstoffes in der Atmosphäre der Prozesskammer mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht gering gehalten werden. So kann vermieden werden, dass der erste Dotierstoff an bestimmten Stellen in zu niedrigen Mengen in das Halbleitersubstrat diffundiert. Auch auf diese Weise kann die Homogenität der Dotierung erhöht werden.
Eine weitere bevorzugte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt d) der Sauerstoffgehalt der Prozessatmosphäre innerhalb der Prozesskammer erhöht wird, wobei die Sauerstoffkonzentration bevorzugt zu Beginn von Schritt d) niedriger als 5 % und am Ende von Schritt d) höher als 10 %, besonders bevorzugt zu Beginn von Schritt d) niedriger als 1 % und am Ende von Schritt d) höher als 40 %, ganz besonders bevorzugt zu Beginn von Schritt d) niedriger als 0,1 % und am Ende von Schritt d) höher als 60 %, ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass nach Schritt d) während des Abkühlvorgangs der
Sauerstoffgehalt der Prozessatmosphäre innerhalb der Prozesskammer erhöht wird, wobei die Sauerstoffkonzentration bevorzugt höher als 10 %, besonders bevorzugt höher als 40 %, ganz besonders bevorzugt höher als 60 %, ist. Dadurch wird sichergestellt, dass zunächst zu Beginn von Schritt d) eine ausreichende Menge an erstem Dotierstoff aus der Schicht in das Halbleitersubstrat diffundiert. Eine sich möglicherweise dabei bildende BRL wird durch die im Anschluss erhöhte Konzentration an Sauerstoff wieder umgewandelt und aufoxidiert. Gleichzeitig kann durch diese Variante die Oberflächenkonzentra- tion an zweitem Dotierstoff auf der unbeschichteten Seite des Halbleitersubstrats auf unter 1020 Atome /cm-3 gesenkt werden. Eine anfänglich höhere Oberflächenkonzentration über 1020 Atome/cm-3 an zweitem Dotierstoff auf der unbeschichteten Seite des Halbleitersubstrats bewirkt ein stärkeres Entfernen von Verunreinigungen aus dem Halbleitersubstrat (Gettern). Beide Eigenschaften, Gettern durch eine initial hohe Oberflächenkonzentration an zweitem Dotierstoff zu Anfang von Schritt d) sowie eine geringe Oberflächen- konzentration am Prozessende, reduzieren die Ladungsträgerrekombination und erhöhen die Solarzelleneffizienz.
Eine Erhöhung der Homogenität der Dotierung kann also im erfindungsgemä- ßen Verfahren z.B. dadurch erreicht werden, dass die Wechselwirkung zwischen der in den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht und der gasförmigen Dotierstoffquelle in der Atmosphäre der Prozesskammer niedrig gehalten wird. Eine solche Wechselwirkung findet nämlich aufgrund der„backtoback"- Beladung der Halbleitersubstrate nicht gleichmäßig über die gesamte Schicht verteilt statt, sondern hauptsächlich am Rand der Halbleitersubstrate, wo die den ersten Dotierstoff enthaltende Schicht mit der gasförmigen
Dotierstoffquelle in Kontakt kommen kann. Durch eine Wechselwirkung zwischen der in den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht und der gasförmigen Dotierstoffquelle in der Atmosphäre der Prozesskammer wird die Dotierung mit dem ersten Dotierstoff beeinflusst. Findet eine solche Wechselwirkung hauptsächlich nur in den Randbereichen des Halbleitersubstrates statt, führt dies zu einer inhomogenen Dotierung. Eine Minimierung der Wechselwirkung zwischen der in den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht und der gasförmigen Dotierstoffquelle in der Atmosphäre der Prozesskamme führt also letzt- lieh zu einer Erhöhung der Homogenität der Dotierung.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Konzentration des ersten Dotierstoffes in der in Schritt a) erzeugten Schicht (Anteil der Dotierstoffatome an den Gesamtatomen der in Schritt a) erzeugten Schicht) weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 %, beträgt. Durch eine solch niedrige Konzentration kann die
Bildung eines„boron rieh layer" (BRL) verhindert werden. In Co- Diffusionsprozessen aus dem Stand der Technik wird die Bildung eines BRL durch in-situ Oxidation verhindert. Dies ist im erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht möglich, da eine hierfür vollflächige Wechselwirkung der be- schichteten Seiten der Halbleitersubstrate nicht stattfinden kann. Die Konzentration des ersten Dotierstoffes in der in Schritt a) erzeugten Schicht bzw. der Anteil der Dotierstoffatome an den Gesamtatomen der in Schritt a) erzeugten Schicht kann durch Sekundäre-Ionen-Massen-Spektrometrie oder Atomemissionsspektrometrie bestimmt werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Eintreiben des ersten und zweiten Dotierstoffes in Schritt d) bei Temperaturen von 800 bis 1000 °C und/oder über einen Zeitraum von 1 bis 120 min. Während Schritt d) ist es bevorzugt, dass die Temperaturen mehrerer, bevorzugt aller, Bereiche innerhalb der Prozesskammer um weniger als 5 °C voneinander abweichen. Durch das Herrschen einer nahezu gleichen Temperatur in der Prozesskammer kann die Homogenität der Dotierung erhöht werden.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Schritt c) vor und/oder zu Beginn des Schrittes d) erfolgt.
Zudem ist es bevorzugt, dass während Schritt c) eine Temperatur von 850 °C, bevorzugt 800 °C, innerhalb der Prozesskammer nicht überschritten wird. Hierdurch kann ein ungleichmäßiges Ausbilden einer Dotierstoffschicht des zweiten Dotierstoffes vermieden werden.
Bei Diffusionsprozessen kann die Ausdiffusion von Dotierstoff aus den Wänden der Prozesskammer zu einer inhomogenen Dotierung des Halbleitersubstrats führen. Dies kann reduziert werden, indem die Einleitung der gasförmigen Dotierstoffquelle in die Prozesskammer möglichst frühzeitig erfolgt, insbesondere bevor die maximale Temperatur des Eintreib-Schrittes erreicht ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird von Schritt c) zu Schritt d) die Temperatur innerhalb der Prozesskammer um 50 bis 250 °C, bevorzugt um 50 bis 200 °C, erhöht. Diese Temperaturerhöhung wird vorzugweise am Ende von Schritt c) oder direkt im Anschluss an Schritt c) durchgeführt. Beispielsweise beträgt die Temperatur während Schritt c) 800 °C und während Schritt d) 900 °C, wobei eine Erhöhung von Schritt c) zu Schritt d) um 100 °C vorgenommen wird. Während der Temperaturerhöhung von Schritt c) auf Schritt d) ist es bevorzugt, dass die Temperaturen mehrerer, bevorzugt aller, Bereiche innerhalb der Prozesskammer um weniger als 5 °C voneinander abweichen.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt b) und c) die Temperatur mehre- rer, bevorzugt aller, Bereiche innerhalb der Prozesskammer so eingestellt wird, dass die Temperaturen dieser Bereiche um weniger als 5 °C voneinander abweichen, wobei hierbei bevorzugt eine Temperatur von 850 °C, vorzugsweise 800 °C, innerhalb der Prozesskammer nicht überschritten wird.
Hierbei ist es bevorzugt, dass Schritt c) spätestens 60 s nach, bevorzugt direkt nach, dem Moment erfolgt, in dem die Temperaturen der Bereiche innerhalb der Prozesskammer so eingestellt sind, dass sie um weniger als 5 °C voneinander abweichen.
Da bereits während dem Aufheizprozess Dotierstoff in die Halbleitersubstrate eindiffundieren kann, ist es vorteilhaft, wenn bereits während des Aufheizprozesses eine möglichst ähnliche Temperatur in den Bereichen innerhalb der Prozesskammer herrscht, um so Inhomogenitäten innerhalb der Dotierung zu vermeiden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierstoff Bor und der zweite Dotierstoff Phosphor ist oder dass der erste Dotierstoff Phosphor und der zweite Dotierstoff Bor ist.
Weiterhin ist bevorzugt, dass
• der zweite Dotierstoff Phosphor ist und die gasförmige
Dotierstoffquelle POCI3 und/oder PH3 ist, oder
• der zweite Dotierstoff Bor ist und die gasförmige Dotierstoffquelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BBr3, BCI3, B2H6 und Mischungen hiervon.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Dotierstoffquelle in Schritt c) bei einem Druck geringer als 500 mBar, vorzugsweise geringer als 300 mBar, abgeschieden wird. Dies ermöglicht eine dichte Packung der Substrate in der Prozesskammer und ist für einen hohen Durchsatz von Vorteil.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemä en Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Dotierstoffquelle POCI3 ist und zum Einleiten des POCI3 in die Prozesskammer ein POCb-Bubbler verwendet wird, wobei der Trägergasfluss durch den POCb-Bubbler während Schritt c) weniger als 1,5 Standard-Liter pro Minute, vorzugsweise weniger als 1,0 Standard-Liter pro Minute, beträgt. Ein geringer POCU-Gasfluss wird benötigt, um eine zu hohe Dotierung mit Phosphor zu vermeiden, insbesondere in Zusammenhang mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration während Schritt d), welche für eine zielführende Dotierung aus der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht benötigt wird. Durch die Limitierung der Sauerstoffkonzentration in Schritt d) ist eine zuvor in Schritt c) eingebrachte hohe Phosphordosierung nicht mehr ausreichend durch anschließende Aufoxidation der Oberfläche in Schritt d) zu kompensieren. Zudem kann so eine Wechselwirkung zwischen der Phosphor-haltigen Prozessatmosphäre und der den ersten
Dotierstoff enthaltenden Schicht vermindert werden, wodurch ein Durchdringen von Phosphor durch die den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht vermieden wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Beschichtung in Schritt a) mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD), Inkjet-Druck, Siebdruck oder Rotationsbeschichtung.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Prozesskammer ein Rohrofen oder ein Durchlaufofen ist.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt a) die Halbleitersubstrate lediglich einseitig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen, wobei die Beschichtung auf der einen Seite vollflächig erfolgt. Weisen die Halbleitersubstrate z.B. jeweils eine Vorderseite und eine Rückseite auf, können z.B. die Vorderseiten mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen werden und die Rückseiten unbeschichtet verbleiben.
Eine alternative Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in Schritt a) eine Vorderseite eines jeden Halbleitersubstrates vollflächig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen wird und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite eines jeden Halb- leitersubstrates lediglich teilweise mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen wird, z.B. durch technologisch bedingten Umgriff der Schicht um die Wafer-Kante während Schritt a), wobei in Schritt c) eine zusätzliche Menge an zweitem Dotierstoff in die Prozesskammer eingeleitet wird, die den auf der Rückseite der Halbleitersubstrate befindlichen Teil des ersten Dotierstoffes überkompensiert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Rückseite eines jeden Halbleitersubstrates nur in den Bereichen beschichtet, die weniger als 1 cm vom Rand der Rückseite des jeweiligen Halbleitersubstrates entfernt liegen.
Einige Dotierstoffmedien können nicht lediglich einseitig auf die Vorderseite eines Halbleitersubstrats aufgebracht werden, sondern erzeugen einen Umgriff auf die Rückseite von weniger als 1 cm. Die Vorderseite wird hier demnach vollständig beschichtet, wohingegen die Rückseite nur teilweise beschichtet wird. Dies führt dazu, dass in Schritt d) nicht nur der zweite
Dotierstoff sondern auch der erste Dotierstoff auf der Rückseite in das Halbleitersubstrat diffundiert. Um daraus resultierende Nachteile, wie z.B.
Inhomogenitäten der Dotierung auf der Rückseite, entgegenzuwirken, wird in Schritt c) eine zusätzliche Menge an zweitem Dotierstoff in die Prozesskammer eingeleitet, welche den auf der Rückseite der Halbleitersubstrate befindlichen Teil des ersten Dotierstoffes überkompensiert. Auf diese Weise kann trotz eines bei der Beschichtung in Schritt a) entstehenden Umgriffs eine relativ homogene Dotierung der Rückseite des Halbleitersubstrats mit dem zweiten Dotierstoff erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein dotiertes Halbleitersubstrat, welches nach der eben beschriebenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Dieses erfindungsgemäße Halbleitersubstrat ist dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat auf seiner Rückseite einen lateralen Gradienten im Dotierstoffprofil aufweist, wobei auf der Rückseite des Halbleitersubstrats der Anteil an erstem Dotierstoff von der Kante des Halbleitersubstrates hin zur Mitte des Halbleitersubstrates abnimmt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren sowie des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne die Erfindung auf die speziell dargestellten Parameter zu beschränken. Ausführungsbeispiel
Wafer werden einseitig mit einer Borsilicatglass (BSG) Schicht mit einer Dotierstoffkonzentration von 2 · 1022 cm-3 beschichtet. Dann werden jeweils zwei Wafer mit den beschichteten Seiten zueinander in ein Quarzboot eingebracht. Dieses Quarzboot wird dann in ein Quarzrohr eingeführt. Nach Schließen der Rohrtür wird die Temperatur in den einzelnen Heizzonen auf
(750 ± 5) °C gebracht. Daraufhin wird POCU in die Atmosphäre eingebracht, wobei dies entweder vor oder während des Aufheizvorgangs geschehen kann. Der Aufheizvorgang führt zum Erreichen einer Spitzentemperatur von 950 °C. Während dieses Aufheizvorgangs weichen die Temperaturen in den fünf Heizzonen des Quarzrohres um weniger als 5 °C voneinander ab. Nach Abschluss des Hochtemperaturprozesses werden die Wafer dann aus dem Ofen entnommen.
Solarzellen, die nach dem hier beschriebenen Verfahren diffundiert wurden, erreichen folgende IV Parameter: Voc = 653 mV, Jxc = 38,6 mA/cm2, FF = 79,6 %, Konversionseffizienz = 20,1 %.
Fig. 1 zeigt beispielhafte Dotierprofile, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurden. Hieraus geht klar hervor, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Großzahl verschiedener Dotierprofile erzeugt werden kann.
Fig. 2 zeigt Dunkelsättigungsströme Bor-dotierter Bereiche für unterschiedliche Dotierquellen bei einfacher Beladung und„backtoback"-Beladung. Aus dieser Figur geht klar hervor, dass durch die Verwendung des„backtoback"- Verfahrens die Rekombination reduziert und damit die Funktionsweise der Solarzelle verbessert wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Dotierung von Halbleitersubstraten mittels eines Co- Diffusionsprozesses, bei dem a) Halbleitersubstrate zumindest einseitig mit einer mindestens einen ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht beschichtet werden, b) jeweils zwei dieser beschichteten Halbleitersubstrate so in einer Prozesskammer angeordnet werden, dass zwei ihrer beschichteten Seiten in unmittelbaren Kontakt gebracht werden, c) anschließend mindestens ein zweiter Dotierstoff in Form einer gasförmigen Dotierstoffquelle in die Prozesskammer eingeleitet wird, und d) ein Eintreiben des ersten Dotierstoffes und des zweiten
Dotierstoffes in die Halbleitersubstrate erfolgt, bei dem der erste Dotierstoff und der zweite Dotierstoff zeitgleich zumindest teilweise in die Halbleitersubstrate diffundieren.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt c) die Teilchen-Konzentration der gasförmigen Dotierstoffquelle in der Atmosphäre innerhalb der Prozesskammer weniger als 0,5 %, vorzugweise weniger als 0,1 %, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt d) die Atmosphäre innerhalb der Prozesskammer Sauerstoff enthält, wobei die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre innerhalb der Prozesskammer dabei bevorzugt höher als 0,1 % und niedriger als 5 %, besonders bevorzugt höher als 0,1 % und niedriger als 3 %, ganz besonders bevorzugt höher als 0,1 % und niedriger als 1 %, ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt d) der Sauerstoffgehalt der Prozessatmosphäre innerhalb der Prozesskammer erhöht wird, wobei die Sauerstoffkonzentration bevorzugt zu Beginn von Schritt d) niedriger als 5 % und am Ende von Schritt d) höher als 10 %, besonders bevorzugt zu Beginn von Schritt d) niedriger als 1 % und am Ende von Schritt d) höher als 40 %, ganz besonders bevorzugt zu Beginn von Schritt d) niedriger als 0,1 % und am Ende von Schritt d) höher als 60 %, ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) während des Abkühlvorgangs der Sauerstoffgehalt der Prozessatmosphäre innerhalb der Prozesskammer erhöht wird, wobei die Sauerstoffkonzentration bevorzugt höher als 10 %, besonders bevorzugt höher als 40 %, ganz besonders bevorzugt höher als 60 %, ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des ersten Dotierstoffes in der in Schritt a) erzeugten Schicht weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 %, beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintreiben des ersten und zweiten
Dotierstoffes in Schritt d) bei Temperaturen von 800 bis 1000 °C und/oder über einen Zeitraum von 1 bis 120 min erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) vor und/oder zu Beginn des Schrittes d) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt c) eine Temperatur von 850 °C, bevorzugt 800 °C, innerhalb der Prozesskammer nicht überschritten wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von Schritt c) zu Schritt d) die Temperatur inner- halb der Prozesskammer um 50 bis 250 °C, bevorzugt um 50 bis 200 °C, erhöht wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt b) und c) die Temperatur mehrerer, bevorzugt aller, Bereiche innerhalb der Prozesskammer so eingestellt wird, dass die Temperaturen dieser Bereiche um weniger als 5 °C voneinander abweichen, wobei hierbei bevorzugt eine Temperatur von 850 °C, vorzugsweise 800 °C, innerhalb der Prozesskammer nicht überschritten wird.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) spätestens 60 s nach, bevorzugt direkt nach, Abschluss der Einstellung der Temperatur in den Bereichen der Prozesskammer erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dotierstoff Bor und der zweite Dotierstoff Phosphor ist oder dass der erste Dotierstoff Phosphor und der zweite Dotierstoff Bor ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
• der zweite Dotierstoff Phosphor ist und die gasförmige
Dotierstoffquelle POCI3 und/oder PH3 ist, oder
• der zweite Dotierstoff Bor ist und die gasförmige Dotierstoffquelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus BBr3, BCI3, B2H6 und Mischungen hiervon.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Dotierstoffquelle in Schritt c) bei einem Druck geringer als 500 mBar, vorzugsweise geringer als 300 mBar, abgeschieden wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Dotierstoffquelle POCI3 ist und zum Einleiten des POCI3 in die Prozesskammer ein POCb-Bubbler verwendet wird, wobei der Träge rgasfluss durch den POCb-Bubbler während Schritt c) weniger als 1,5 Standard-Liter pro Minute, vorzugsweise weniger als 1,0 Standard-Liter pro Minute, beträgt.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in Schritt a) mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD), Inkjet-Druck, Siebdruck oder Rotationsbeschichtung erfolgt.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer ein Rohrofen oder ein Durchlaufofen ist.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Halbleitersubstrate lediglich einseitig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen werden, wobei die Beschichtung auf der einen Seite vollflächig erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Vorderseite eines jeden Halbleitersubstrates vollflächig mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen wird und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite eines jeden Halbleitersubstrates lediglich teilweise mit der den ersten Dotierstoff enthaltenden Schicht versehen wird, wobei in Schritt c) eine zusätzliche Menge an zweitem Dotierstoff in die Prozesskammer eingeleitet wird, die den auf der Rückseite der Halbleitersubstrate befindlichen Teil des ersten Dotierstoffes überkompensiert.
21. Dotiertes Halbleitersubstrat hergestellt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat auf seiner Rückseite einen lateralen Gradienten im Dotierstoffprofil aufweist, wobei auf der Rückseite des Halbleitersubstrats der Anteil an erstem Dotierstoff von der Kante des Halbleitersubstrates hin zur Mitte des Halbleitersubstrates abnimmt.
PCT/EP2016/081335 2015-12-22 2016-12-16 Verfahren zur dotierung von halbleitersubstraten mittels eines co-diffusionsprozesses sowie mit diesem verfahren hergestelltes dotiertes halbleitersubstrat Ceased WO2017108592A1 (de)

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