专利名称：尤其指太阳能电池的半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置，尤其是一种太阳能电池。
背景技术：
表面状态会促进复合活性的半导体表面的载流子复合是限制半导体器件和半导体装置效率的一个因素。这个问题对于太阳能电池来说特别重要。因为复合后的载流子无法再用来发电。为了防止发生复合现象，必须借助于相应的表面状态降低载流子复合活性， 以便将半导体表面钝化。目前主要利用各种氧化铝(Al2O3或AlOx，后者统一指铝和氧的任何一种合适的化学计量组成)来钝化半导体表面。氧化铝具有较高的表面负电荷密度，如果直接将氧化铝涂覆在半导体表面或者在半导体表面涂覆中间层后再在该中间层上涂覆氧化铝，就可将半导体表面的载流子转移到半导体内腔。这种场效应钝化作用可有效钝化半导体表面但是，这种氧化铝钝化层的缺点是无法耐受某些制造过程，特别是无法耐受制造太阳能电池时所实施的处理过程，例如湿式化学法中的净化过程或蚀刻过程。因此必须增设覆盖层来为其提供保护。这会增加生产成本，延长生产时间。另外，尤其是在制造太阳能电池的过程中，不仅要注意各层的电特性，还要确保各层的光学特性间的相互匹配。但是，如果钝化层的材料仅采用了氧化铝，那么太阳能电池的设计就会被局限于一定的折射率，这个折射率大约为1. 6。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种半导体装置，特别是太阳能电池，其不仅制造成本相对较低，制造时间相对较短，而且还具有有效且能耐受制造时的各种处理步骤的钝化结构。本发明用以达成上述目的的解决方案是一种具有权利要求1所述特征的半导体装置。本发明的有利改进方案由从属权利要求给出。所述半导体装置优选为一种太阳能电池，其半导体衬底表面的表面钝化经过改良，因而能将入射光更有效地转化成电流。而且，在半导体技术的其他领域，良好的表面钝化同样具有重要意义。本文所述的表面钝化适用于太阳能电池的正面(即太阳能电池的迎光面)、背面(即太阳能电池的背光面)或上述两面。半导体衬底优选由硅构成。该半导体衬底可包括半导体晶片。本发明基于这样一种认识通过在钝化层的氧化铝化合物中进一步添加其他元素，可以优化该钝化层的化学特性、电特性和/或光学特性。无论从表面钝化还是从所述半导体装置上的钝化层在该半导体装置制造期间和/或制成之后所承担的功能性任务看，都是如此。为此，所述钝化层采用一种化合物作为其材料，该化合物含有氧化铝、氮化铝或氮氧化铝以及至少一种除铝以外的其他元素。这种材料的化学式可统一表达成AlxMy0z、AlxMyNz或AlxMmOyNz，其中，通过适当选择x、y、z和m可以达到想要的化学计量比。其中的M 代表上述其他元素。就最后一种情况而言，如果AlxMmOyNz中的M代表其他金属元素，就可通过适当选择化学计量比来调节该材料的折射率，也即，从ζ = 0时的1.6左右调节至y = 0 时的2.0左右。也就是说，通过添加所述其他元素可以改变所述钝化层的折射率，特别是通过选择性地影响所述半导体装置上的钝化层的反射性能和/或吸收性能，使其进一步具有光学功能。上述折射率值是在可见光谱中的测量结果。需要指出的是，只有当从化学计量角度而言，所述其他元素在所述钝化层中达到较大含量时，所述其他元素才能与氧化铝、氮化铝或氮氧化铝形成化合物。也即，所述其他元素不是制造过程中必然会出现的天然杂质。所述其他元素在所述钝化层的材料中的密度至少为ι个原子百分比(at% )。所述其他元素在所述钝化层的材料中的密度优选至少约为 2&{%、53{%、8&{%、1(^{%、153{%或 20at%。根据一种优选实施方式，所述钝化层的化合物中包含有氮、碳、磷、硼和/或氟作为所述其他元素。制造所述钝化层时添加氮或者用氮氧化铝(AlxOyNz)来制造所述钝化层， 可以获得相对较高的稳定性，尤其是化学稳定性。现有技术中，在氧化硅层中添加氮时已经取得了这种效果。添加氮可以提高钝化层的折射率，添加氟则可以减小该折射率。氟化铝的折射率例如约为1. 4。通过掺杂硼或磷还可提高钝化层的耐化学性。此外，经过这种掺杂处理的钝化层还可被用作位于其下方的半导体层的选择性掺杂源，例如借助激光掺杂。通过在氧化铝中添加碳可以影响所述钝化层的其他特性。可以在沉积所述钝化层的过程中通过调节半导体衬底的温度来选择性地控制碳浓度。降低温度可以提高钝化层中的碳浓度。作为替代或补充方案，可以利用二氧化碳等离子体来影响钝化层中的碳浓度。根据一种有利的改进方案，所述钝化层的化合物中包含金属作为所述其他元素。 根据一种特别合理的方案，所述钝化层的化合物中包含稀土金属作为所述其他元素。举例而言，可以通过添加适量的光学活性元素如铒离子(Er 3+)来对上转换 (Up-Conversion)效应加以利用。在此过程中，两个不会被太阳能电池吸收的长波光子生成一个短波光子，半导体将该短波光子吸收后可将其用于发电。一般而言，可以通过添加原子或离子形式的铒、镱或铽来改善频谱转换(上转换、下转换或频移)，同时使半导体衬底表面实现高度的表面钝化。需要指出的是，在氧化铝中添加少量铒会提高结晶温度。其他元素也会产生这种效果。一般而言，由此可以推导出结晶可以提高热稳定性这一结论。这一点对于太阳能电池的电镀而言特别重要，因为电镀过程需要对太阳能电池进行热处理，又称加热步骤。所述钝化层优选直接布置在半导体衬底表面。换言之，在该实施方式中，钝化层和半导体衬底表面之间不存在任何的其他层。在本文所述的所有实施方式中，半导体衬底表面都可具有经过不同掺杂处理的区域，以便在半导体衬底中形成基极区和发射极区。根据一种合理的实施方案，所述钝化结构包括一或多个布置在所述钝化层和所述半导体 衬底表面之间的其他钝化层。例如，可以直接在半导体衬底表面设置具有化学钝化作用的其他钝化层。该其他钝化层可以通过氧化半导体衬底表面或者通过沉积过程而有效产生。
根据一种有利的实施方案，所述钝化结构包括至少一个其他钝化层，所述其他钝化层布置在所述钝化层远离所述半导体衬底表面的一侧。根据一种优选改进方案，所述钝化结构包括由交替布置的所述钝化层和其他钝化层所构成的层序列。该层序列优选包括2到1000个钝化层，更优选包括至少10个或至少 100个钝化层。例如由氧化钛和氧化铝构成的层序列(Ti02/A10x/Ti02/A10x/Ti02/A10x···)或者由氧化硅和氧化铝构成的层序列(Si02/A10x/Si02/A10x/Si02/Al(V··)。构成所述钝化结构的每个钝化层优选都是由相应材料构成的单层，也可以为每个钝化层设置更多的单层， 例如5个、10个或10个以上的单层。 由于各分层/单层可能具有不同于基体材料(bulk material)的物理特性、光学特性和/或电特性，因此这种叠层的性能不同于由两种基体材料构成的叠层。此外，由极薄的单层构成的多层系统的光学特性会发生变化。举例而言，现有技术可以用交替布置的氧化铝层和氧化钛层制造出所谓的纳米板，通过两分层之间的层厚比例可以在1.6(氧化铝的折射率)和2. 4( 二氧化钛的折射率)之间连续调节该纳米板的整体或全局折射率。借助沉积过程制造上述钝化层时，可在沉积过程中将不同的元素添加到起始材料中。既可采用化学气相沉积法，也可采用物理气相沉积法，优选采用等离子体辅助的化学或物理气相沉积法。也可采用湿式化学沉积法。所述钝化层优选是原子层沉积层。换言之，所述钝化层是在用等离子体辅助的原子层沉积(atomic layer deposition-ALD)技术进行制造时形成的。在此过程中可以选择性地添加其他元素，具体方法是将这些元素周期性地送入沉积反应器内的起始材料或等离子气中。这种循环沉积还可以逐步改变层的特性，例如垂直于层表面的折射率。举例而言， 这对太阳能电池迎光面上的光学调整是有利的。此外，通过逐步改变处理参数还可以优化处理速度，因为所述钝化层的密度会在此过程中发生变化，从而对沉积速率产生影响。根据一种优选实施方案，所述钝化层设计为抗反射层、反射层或者抗反射层或反射层的一部分。所述钝化层也可具有其他功能，特别是具有制造所述半导体装置过程中的功能。所述钝化层可以起到例如蚀刻阻挡层、组织化阻挡层和/或扩散阻挡层的作用。
具体实施例方式下面以实施例形式对一个由氮氧化铝(AlxOyNz)构成的钝化层的沉积处理结果进行说明。采用等离子体辅助原子层沉积法，等离子体功率约为150W，反应室压力约为170毫托，将衬底温度保持在200°C。铝前体采用的是剂量时间为20ms的三甲基铝(TMA)。将气体流量为20标准状态毫升/分(sccm)的氩气送入反应室。沉积时间为3. 5秒。用上述参数实施三个氮气(N2)和氧气(O2)的气体浓度各不相同的沉积过程，由此形成的层具有各不相同的折射率和生长率。当N2的气体流量为lOsccm，O2的气体流量为40sCCm时，所产生的氮氧化铝层的生长率约为GPC = 0. 36nm(GPC growth per cycle，每周期的生长)，折射率约为η = 1. 57。当N2的气体流量为25sCCm，O2的气体流量为25sCCm时，所产生的氮氧化铝层的生长率约为GPC = 0. 33nm，折射率约为η = 1. 59。当N2的气体流量为40sCCm，O2的气体流量为IOsccm时，所产生的氮氧化铝层的生长率约为GPC = 0. 29nm，折射率约为η = 1. 63。
在不添加氧气的情况下所形成的层的生长率只有GPC = 0. 06nm左右。
权利要求
1.一种半导体装置，特别是太阳能电池，包括半导体衬底和钝化结构，所述半导体衬底具有半导体衬底表面，所述钝化结构由至少一个钝化层构成，所述钝化结构将所述半导体衬底表面钝化，其中，所述钝化层包含化合物，所述化合物由氧化铝、氮化铝或氮氧化铝以及至少一种其他元素构成。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化层的化合物中包含有氮、 碳、磷、硼和/或氟作为所述其他元素。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化层的化合物中包含金属作为所述其他元素。
4.如权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化层的化合物中包含稀土金属作为所述其他元素。
5.如上述权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化层直接布置在所述半导体衬底表面。
6.如权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化结构包括一或多个布置在所述钝化层和所述半导体衬底表面之间的其他钝化层。
7.如上述权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化结构包括至少一个其他钝化层，所述其他钝化层布置在所述钝化层远离所述半导体衬底表面的一侧。
8.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化结构包括由交替布置的所述钝化层和其他钝化层所构成的层序列。
9.如上述权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化层为原子层沉积层。
10.如上述权利要求中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述钝化层设计为抗反射层、反射层或者抗反射层或反射层的一部分。
全文摘要
本发明涉及一种半导体装置，特别是太阳能电池，包括半导体衬底和钝化结构，所述半导体衬底具有半导体衬底表面，所述钝化结构由至少一个钝化层构成，所述钝化结构将所述半导体衬底表面钝化，其中，所述钝化层包含化合物，所述化合物由氧化铝、氮化铝或氮氧化铝以及至少一种其他元素构成。
文档编号H01L31/0216GK102263142SQ20111013936
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月27日 优先权日2010年5月31日
发明者吉耶斯·丁格门斯, 威海姆斯·马提伊斯·玛丽·克搜斯, 彼得·恩苟哈特, 罗伯特·色金 申请人:Q-电池欧洲公司