多晶硅射極太陽電池用的圖案化摻雜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種制造多晶硅太陽能電池的改善的方法。為了形成具有p型區(qū)和n型區(qū)的多晶硅層，所述層在存在一種類型的摻雜物的情況下生長。在形成已摻雜的多晶硅層之后，選擇性地將具有相反摻雜物導電性的離子植入所述多晶硅層的部分中。此選擇性植入可使用蔭罩幕來執(zhí)行。
【專利說明】多晶硅射極太陽電池用的圖案化摻雜
【背景技術(shù)】
[0001]離子植入(ion implantation)是一種用于將改變導電性的雜質(zhì)引入工件中的標準技術(shù)。在離子源中離子化所要的雜質(zhì)材料，使離子加速以形成指定能量的離子束，且將離子束引導到工件的表面上。離子束中的高能離子穿透到工件材料的主體中，并嵌入工件材料的晶格(crystalline lattice)中，從而形成具有所要導電性的區(qū)。
[0002]太陽能電池是使用硅工件的裝置的一個實例。任何針對高性能太陽能電池的制造或生產(chǎn)成本的降低，或任何針對高性能太陽能電池的效率的改善，都會在世界范圍內(nèi)對太陽能電池的實施產(chǎn)生積極的影響。此舉將使得這種無污染能源技術(shù)能得到更廣泛地使用。
[0003]制造太陽能電池所使用的過程通常與制造其他半導體裝置所使用的過程相同，常常使用硅作為基板材料。半導體太陽能電池是具有內(nèi)置電場的簡易裝置，所述內(nèi)置電場對通過半導體材料中的光子吸收產(chǎn)生的電荷載流子進行分離。此電場通常通過p-n接面(二極管)的形成產(chǎn)生，所述p-n接面由半導體材料的不同摻雜產(chǎn)生。用極性相反的雜質(zhì)對半導體基板的一部分(例如，表面區(qū))進行摻雜形成P-n接面，其可用作將光轉(zhuǎn)換成電的光伏裝置。
[0004]圖1所示為典型的太陽能電池100的橫截面，其中p-n接面120遠離被照射的表面。如箭頭所表示，光子10穿過頂部(或被照射的)表面進入所述太陽能電池100。這些光子經(jīng)過抗反射涂層104，所述抗反射涂層104經(jīng)設(shè)計以最大化穿透基板100的光子的數(shù)量并最小化反射遠離基板的光子的數(shù)量。抗反射涂層104(ant1-reflective coating ；ARC)可由31隊層組成。ARC10 4下方可以是鈍化層103，所述鈍化層103可由二氧化硅組成。當然，可使用其他介電質(zhì)。太陽能電池100的背面上是鋁發(fā)射極區(qū)106和鋁層107。在一項實例中，這種設(shè)計可稱作Al背發(fā)射極電池(Al back emitter cell)。
[0005]在內(nèi)部，形成的太陽能電池100具有p-n接面120。雖然此接面圖示為實質(zhì)上平行于太陽能電池100的底部表面,但是存在其他實施方案,在其他實施方案中所述接面可不平行于所述表面。在一些實施例中，使用η型基板101構(gòu)造太陽能電池100。光子10穿過η+摻雜區(qū)進入太陽能電池100,所述η+摻雜區(qū)也被稱作前表面場(front surfacefield ;FSF)102。具有足夠能量(在半導體的帶隙之上)的光子能夠?qū)⒃诎雽w材料的價帶(valence band)之內(nèi)的電子提升至導帶(conduction band)。與這種自由電子相關(guān)聯(lián)的是價帶中的相應(yīng)帶正電荷的電洞(hole)。為了產(chǎn)生可驅(qū)動外部載荷的光電流，這些電子-電洞(e-h)對需要得到分離。這是通過在p-n接面102處的內(nèi)置電場來完成。因此，在p_n接面102的耗盡區(qū)中產(chǎn)生的任何e-h對得到分離，擴散至裝置的耗盡區(qū)的任何其他少數(shù)載流子也得到分離。由于大多數(shù)入射光子10在太陽能電池100的近表面區(qū)中被吸收，因此在發(fā)射極中產(chǎn)生的少數(shù)載流子需要擴散至耗盡區(qū)并被橫掃至另一側(cè)。
[0006]一些光子10經(jīng)過前表面場102并進入P型發(fā)射極106。隨后，這些光子10可激發(fā)在P型發(fā)射極106之內(nèi)的電子，所述電子是自由的，因而移動至前表面場102中。關(guān)聯(lián)的電洞遺留在發(fā)射極106中。由于此p-n接面120的存在造成電荷分離，因此由光子10產(chǎn)生的額外載流子(電子和電洞)隨后可用于驅(qū)動外部載荷以形成回路。[0007]通過從外部將接通前表面場102的基極連接至接通外部載荷的發(fā)射極106，有可能傳導電流并因此提供電力。為達到此目的，觸點105(通常是金屬的，且在一些實施例中是銀質(zhì)的)配置在前表面場102的外表面上。
[0008]圖2顯示了太陽能電池200的第二實施例。在此項實施例中，P-n接面不是在基板201內(nèi)產(chǎn)生。相反，基板201 (通常是η型硅基板)通過薄穿隧氧化層202與背表面隔離。所述穿隧氧化層足夠薄以允許電子穿隧通過穿隧氧化層202，例如，在I納米與4納米之間。此穿隧氧化層202可以是二氧化硅或是另一適合的介電質(zhì)材料。在穿隧氧化層的相對側(cè)上是多晶硅層203。此層具有彼此相鄰定位的η型區(qū)204a和P型區(qū)204b。在這些區(qū)會合的地方，形成P-n接面210。隨后，將觸點25施加于η型區(qū)204a和P型區(qū)204b。在一些實施例中，第二穿隧氧化層206存在于基板201的前表面上。在此實施例中，η型多晶硅層207可施加于第二穿隧氧化層206。
[0009]太陽能電池的此實施例具有若干優(yōu)勢。首先，其效率可大于圖1的傳統(tǒng)太陽能電池。這可歸因于基板內(nèi)載流子的復(fù)合減少。
[0010]然而，這些多晶硅太陽能電池的生產(chǎn)耗時且成本高，需要許多過程步驟。因此，需要制造多晶硅太陽能電池的改進方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明揭示了制造多晶硅太陽能電池的改善的方法。為了形成具有P型區(qū)和η型區(qū)的多晶硅層，所述層在存在一種類型的摻雜物的情況下生長。在形成已摻雜的多晶硅層之后，選擇性地將具有相反摻雜物導電性的離子植入多晶硅層的部分中。此選擇性植入可使用蔭罩幕來執(zhí)行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更好地理解本發(fā)明，將參考附圖，這些附圖以引用的方式并入本文中，且其中:
[0013]圖1是現(xiàn)有技術(shù)太陽能電池的第一實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0014]圖2是現(xiàn)有技術(shù)太陽能電池的第二實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0015]圖3Α至圖3Ε顯示了制造過程步驟的順序的一項實施例。
[0016]圖4Α至圖4Ε顯示了制造過程步驟的順序的第二實施例。
[0017]圖5Α至圖5Β顯示了制造過程步驟的順序的第三實施例。
【具體實施方式】
[0018]太陽能電池的實施例在本文中結(jié)合離子植入機進行描述?？墒褂檬€離子植入機、電衆(zhòng)摻雜離子植入機或淹沒式離子植入機(flood ion implanter)。另外,可使用其他植入系統(tǒng)。例如，也可使用不具備質(zhì)量分析的離子植入機或通過修改電漿鞘來使離子聚焦的電漿工具。本文中所揭示的實施例也可使用經(jīng)聚焦以僅植入太陽能電池的特定部分的離子束，或柵網(wǎng)聚焦電衆(zhòng)系統(tǒng)。然而，也可使用氣相擴散、爐擴散(furnace diffusion)、雷射摻雜、其他電漿處理工具或為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的其他方法。另外，雖然描述了植入，但也可執(zhí)行摻雜層的沉積。同樣，雖然列出了特定η型和P型摻雜物，但可使用其他η型或P型摻雜物來代替，且本文中的實施例并不僅限于列出的摻雜物。因此，本發(fā)明不限于下文所描述的具體實施例。
[0019]如上文所述，多晶硅太陽能電池可提供常規(guī)太陽能電池不可能提供的效率優(yōu)勢。然而，這些多晶硅太陽能電池的當前制造過程昂貴且耗時，從而影響多晶硅太陽能電池的采用。與這些多晶硅太陽能電池的制作相關(guān)聯(lián)的一個主要問題是具有η型區(qū)和P型區(qū)的多晶硅層的形成。
[0020]圖3Α至圖3Ε所示為形成多晶硅太陽能電池300的制造步驟的順序。圖3Α所示為基板301。此基板301可以是任何適合的基板，例如，η型硅基板。基板301具有前表面302和背表面303。所述前表面302曝露在陽光下,而電觸點將形成于所述背表面303上。
[0021]圖3Β所示為在基板301的背表面303上形成的穿隧氧化層304。所述穿隧氧化層的厚度可在約Inm與4nm之間。在一些實施例中，將熱氧化用于生長穿隧氧化層。此過程可在溫度高于800°C的爐中執(zhí)行，從而引起氧(分子氧或水蒸氣)與所述基板的背表面反應(yīng)，從而形成二氧化娃。因此，濕法和干法氧化均可使用。
[0022]圖3C所示為多晶硅層305，其與穿隧氧化物304相鄰。在一項實施例中，所述多晶硅層305在低壓下(例如，低于I托)且在575°C至650°C的溫度范圍內(nèi)通過使用硅烷(SiH4)進行沉積。此過程也稱作低壓化學氣相沉積(10w pressure chemical vapor deposition,LPCVD)。在其他實施例中，大氣壓化學氣相沉積(atmospheric pressure chemical vapordeposition, APCVD)、電衆(zhòng)增強 CVD (plasma enhanced CVD, PECVD)或另一適合的過程可用于生長多晶娃層305。此多晶娃層305可在引入除娃燒之外的含有摻雜物的氣體時生長。在一項實施例中，在沉積過程期間引入乙硼烷(B2H6)15此舉在多晶硅層生長時將P型摻雜物添加至多晶硅層，從而形成遍布多晶硅層305的P型區(qū)。在一項實例中，多晶硅層中的硼的濃度在lel7 / cm3與le20 / cm3之間。在另一項實施例中，在沉積過程期間引入磷化氫(PH3)或砷化氫(AsH3),因而產(chǎn)生遍布多晶娃層305的η型區(qū)。在一項實例中，多晶娃層中的磷(或砷)的濃度在lel7 / cm3與le20 / cm3之間。雖然在一項實施例中此多晶硅層305生長至50nm與500nm之間的厚度，但是可使用其他厚度。
[0023]圖3D所示為多晶硅太陽能電池300的制造過程中的下一個步驟。在基板301的背表面與離子束330之間引入罩幕(例如，蔭罩幕320)。此蔭罩幕320用于阻止離子植入多晶硅層305的部分中。離子的種類所具有導電性類型與在沉積過程期間引入的摻雜物的導電性類型相反。換句話說，如果在沉積期間使用硼基氣體(boron-based gas),則在此步驟期間將植入η型摻雜物(例如，第五族元素，例如，磷)的離子。同樣，如果在沉積期間引入砷化氫或磷化氫，則在此步驟期間將植入P型摻雜物(例如，第三族元素，例如，硼)的離子。
[0024]植入的具有相反導電性的摻雜物的量足以對被植入?yún)^(qū)進行反摻雜(counterdope)。換句話說,如果用P型摻雜物沉積多晶娃層305,則引入某一量的η型摻雜物而將被植入?yún)^(qū)改變成η型區(qū)。此外，具有相反導電性類型的摻雜物的量足以使凈自由載流子(net free carrier)的濃度在 lel7 / cm3 與 le20 / cm3 之間。
[0025]植入?yún)?shù)的選擇應(yīng)使得絕大多數(shù)(例如，>90% )植入的種類駐留在多晶硅層中，且不穿透到穿隧氧化物或基板中。優(yōu)選低于IOkV的植入能量，且尤其優(yōu)選<5kV的植入能量。[0026]在一項實施例中，如圖3C中所示，假設(shè)在沉積期間使用P型摻雜物對多晶硅層進行摻雜。因此，在圖3D中，植入η型摻雜物(例如，磷)的離子。這些步驟的結(jié)果是，在多晶硅層305的被蔭罩幕320覆蓋的那些區(qū)中形成了 P型區(qū)335，且在多晶硅層305的在圖3D中被植入的那些區(qū)中形成了 η型區(qū)336。
[0027]在另一項實施例中，如圖3C中所示，假設(shè)在沉積期間使用η型摻雜物對多晶硅層進行摻雜。因此，在圖3D中，植入P型摻雜物(例如，硼)的離子。這些步驟的結(jié)果是，在多晶硅層305的被蔭罩幕320覆蓋的那些區(qū)中形成了 η型區(qū)335，且在多晶硅層305的在圖3D中被植入的那些區(qū)中形成了 P型區(qū)336。
[0028]圖4Α至圖4Ε所示為形成多晶硅太陽能電池400的制造步驟的順序。圖4Α所示為基板401。此基板401可以是任何適合的基板,例如，η型娃基板。基板401具有如表面402和背表面403。所述前表面402曝露在陽光下，而電觸點將形成于所述背表面303上。
[0029]圖4Β所示為在基板401的背表面403上形成的穿隧氧化層404。所述穿隧氧化層的厚度可在約Inm與4nm之間。在一些實施例中，將熱氧化用于生長穿隧氧化層。此過程可在溫度高于800°C的爐中執(zhí)行，從而引起氧(分子氧或水蒸氣)與所述基板的背表面反應(yīng)，從而形成二氧化娃。因此，濕法和干法氧化均可使用。
[0030]圖4C所示為多晶硅層405，其與穿隧氧化物404相鄰。在一項實施例中，所述多晶硅層305在低壓下(例如，低于I托)且在575°C至650°C的溫度范圍內(nèi)通過使用硅烷(SiH4)進行沉積。此過程也稱作低壓化學氣相沉積(LPCVD)。在其他實施例中，大氣壓化學氣相沉積(APCVD)、電漿增強CVD (PECVD)或另一適合的過程可用于生長多晶硅層405。在沉積期間可在不引入摻雜物氣體的情況下生長多晶硅層405，眾所周知，這是為了改善沉積的均勻性。
[0031]圖4D所示為多晶硅太陽能電池400的制造過程中的下一個步驟。將第一摻雜物425的離子植入多晶娃層405中，從而形成具有所述第一摻雜物的導電性的多晶娃層405。例如，如果植入磷或另一第五族元素，則多晶硅層405將變成η型。相反，如果植入硼或另一第三族元素，則多晶硅層405將變成P型。植入的摻雜物的濃度在lel7 / cm3與le20 /cm3之間。這是毪覆式(blanket)植入,其中多晶娃層405的整個表面受到植入。
[0032]圖4E所示為多晶硅太陽能電池400的制造過程中的下一個步驟。在基板401的背表面與離子束430之間引入罩幕(例如，蔭罩幕420)。此蔭罩幕420用于阻止離子植入多晶硅層405的部分中。離子的種類所具有導電性類型與在圖4D的植入過程期間植入的摻雜物的導電性類型相反。換句話說，如果之前植入第三族元素的離子，則在此步驟期間將植入η型摻雜物(例如，第五族元素，例如，磷)的離子。同樣，如果之前植入第五族元素的離子，則在此步驟期間將植入P型摻雜物(例如，第三族元素，例如，硼)的離子。
[0033]應(yīng)注意，圖4D和圖4Ε中所示的步驟可以相反的次序完成。換句話說，可首先執(zhí)行圖案化植入，隨后執(zhí)行毯覆式植入。
[0034]植入的具有相反導電性的摻雜物的量足以對被植入?yún)^(qū)進行反摻雜。換句話說，如果用P型摻雜物沉積多晶硅層305，則引入某一量的η型摻雜物而將被植入?yún)^(qū)改變成η型區(qū)。
[0035]此外，具有相反導電性類型的摻雜物的量足以使凈自由載流子的濃度在lel7 /cm3 與 le20 / cm3 之間。[0036]植入?yún)?shù)的選擇應(yīng)使得絕大多數(shù)(例如，>90% )植入的種類駐留在多晶硅層中，且不穿透到穿隧氧化物或基板中。優(yōu)選低于IOkV的植入能量，且尤其優(yōu)選<5kV的植入能量。
[0037]在植入離子之后，對太陽能電池進行熱處理以擴散摻雜物并消除由植入引起的損傷。由于使用多晶硅，因此可在更低溫度下、在持續(xù)時間更短的熱過程中完成擴散。例如，針對幾秒鐘至幾分鐘的持續(xù)時間，可使用500°C至600°C的熱循環(huán)。在另一項實施例中，可使用快速熱退火(rapid thermal anneal, RTP)。
[0038]人們認識到，如圖3E中所示，當重摻雜P型和η型區(qū)彼此接觸時，由于穿隧或其他機制，存在寄生分流(parasitic shunting)的風險。這在具有大量缺陷的多晶娃材料中尤其重要。因此，在一些實施例中，執(zhí)行物理地分離P型區(qū)335與η型區(qū)336的處理步驟以避免寄生分流路徑。例如，可使用雷射在η型與P型區(qū)之間形成溝槽。或者可使用濕法化學蝕刻形成溝槽。
[0039]在另一項實施例中，如圖4Α至圖4C中所示制備基板。在這些步驟之后，隨后用第一種類的離子510植入基板(使用如圖5Α中所示的圖案化植入)。此圖案化植入使用第一罩幕515來植入具有第一導電性類型的種類。在一項實施例中，第一種類是磷或另一第五族元素。在另一項實施例中，第一種類是硼或另一第三族元素。此植入形成被植入?yún)^(qū)520。
[0040]如步驟5Β中所示，隨后執(zhí)行使用第二罩幕530 (其對準于所述第一罩幕515)的第二圖案化植入。使用第二種類的離子540的植入形成被植入?yún)^(qū)550。在所述第一種類是第五族元素的情況下，所述第二種類可以是硼或另一第三族元素。同樣，在第一種類是第三族元素的情況下，第二種類可以是磷或另一第五族元素。
[0041]這兩種罩幕設(shè)計成不重疊且保證了鄰近的被植入?yún)^(qū)520、550之間的間隙560。如上文所述，η型區(qū)與P型區(qū)之間的間隙的存在減少因穿隧引起的寄生分流。
[0042]本發(fā)明的范圍不應(yīng)受本文所描述的具體實施例限制。實際上，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員根據(jù)以上描述和附圖將了解(除本文所描述的那些實施例和修改外)本發(fā)明的其他各種實施例和對本發(fā)明的修改。因此，此類其他實施例和修改既定屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。此夕卜，盡管本文已出于特定目的而在特定實施方案情況下以特定環(huán)境描述了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域一般技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的效用不限于此，并且本發(fā)明可有利地在許多環(huán)境中實施用于許多目的。因此，應(yīng)鑒于如本文所描述的本發(fā)明的整個廣度和精神來解釋隨附的申請專利范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種生產(chǎn)太陽能電池的方法，使用具有第一表面和第二表面的基板，所述生產(chǎn)太陽能電池的方法包含: 在所述基板的所述第二表面上形成穿隧氧化層； 在所述穿隧氧化層上形成內(nèi)部含有第一摻雜物的多晶硅層，所述多晶硅層具有第一導電性類型； 在所述多晶硅層與離子束之間引入罩幕，從而為所述多晶硅層的區(qū)域阻擋所述離子束； 將第二摻雜物的離子植入所述多晶硅層的所述區(qū)域中，所述第二摻雜物具有與所述第一導電性相反的第二導電性，所述第二摻雜物的離子的量足以使被植入的所述區(qū)域的導電性改變成所述第二導電性，從而形成具有所述第一導電性的第一被植入?yún)^(qū)以及具有與所述第一被植入?yún)^(qū)的導電性相反的導電性的第二被植入?yún)^(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)太陽能電池的方法，其中通過包含硅烷的氣體和摻雜物氣體的沉積來形成所述多晶硅層，所述摻雜物氣體選自由乙硼烷、磷化氫和砷化氫組成的群組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)太陽能電池的方法，其中所述摻雜物氣體包含乙硼烷，且所述第二摻雜物包含第五族元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)太陽能電池的方法，其中所述摻雜物氣體包含磷化氫或砷化氫，且所述第二摻雜物包含第三族元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)太陽能電池的方法，進一步包含在植入之后對所述基板進行熱處理，其中所述熱處理是在500°C與600°C之間的溫度下執(zhí)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)太陽能電池的方法，進一步包含在所述第一被植入?yún)^(qū)與所述第二被植入?yún)^(qū)之間形成溝槽，從而阻止所述第一被植入?yún)^(qū)和所述第二被植入?yún)^(qū)中的每一個發(fā)生接觸。
7.一種生產(chǎn)太陽能電池的方法，使用具有第一表面和第二表面的基板，所述生產(chǎn)太陽能電池的方法包含: 在所述基板的所述第二表面上形成穿隧氧化層； 在所述穿隧氧化層上形成多晶硅層； 將具有第一導電性的第一摻雜物的離子植入所述多晶硅層中； 在所述多晶硅層與離子束之間引入罩幕，從而為所述多晶硅層的區(qū)域阻擋所述離子束； 將第二摻雜物的離子植入所述多晶硅層的所述區(qū)域中，所述第二摻雜物具有與所述第一導電性相反的第二導電性，所述第二摻雜物的離子的量足以使所述被植入的所述區(qū)域的導電性改變成所述第二導電性，從而形成具有所述第一導電性的第一被植入?yún)^(qū)以及具有與所述第一被植入?yún)^(qū)的導電性相反的導電性的第二被植入?yún)^(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生產(chǎn)太陽能電池的方法，其中進一步包含在所述第一被植入?yún)^(qū)與所述第二被植入?yún)^(qū)之間形成溝槽，從而阻止所述第一被植入?yún)^(qū)和所述第二被植入?yún)^(qū)中的每一個發(fā)生接觸。
9.一種生產(chǎn)太陽能電池的方法,使用具有第一表面和第二表面的基板，所述生產(chǎn)太陽能電池的方法包含:在所述基板的所述第二表面上形成穿隧氧化層； 在所述穿隧氧化層上形成多晶硅層； 在所述多晶硅層與離子束之間引入第一罩幕，從而為所述多晶硅層的區(qū)域阻擋所述離子束； 將具有第一導電性的第一摻雜物的離子植入所述多晶娃層中，從而形成第一被植入?yún)^(qū)； 在所述多晶硅層與所述離子束之間引入第二罩幕，從而為所述多晶硅層的區(qū)域阻擋所述離子束； 植入第二摻雜物的離子，所述第二摻雜物具有與所述第一導電性相反的第二導電性，從而形成具有與所述第一被植入?yún)^(qū)的導電性相反的導電性的第二被植入?yún)^(qū)，其中所述第二罩幕對準于所述第一罩幕， 以使所述第一被植入?yún)^(qū)與所述第二被植入?yún)^(qū)不發(fā)生接觸。
【文檔編號】H01L31/068GK103608930SQ201280028995
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月15日
【發(fā)明者】約翰·W·葛拉夫 申請人:瓦里安半導體設(shè)備公司