专利名称：制备半导体光检测装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备半导体光检测装置例如太阳能电池和光检测器的方法以及根据所述方法制备的产品。本发明对于高功率太阳能电池和光检测器是特别有用的。更具体地，本发明涉及一种将太阳能电池上的防反射涂层图案化的方法，特别是多结太阳能电池，以提供具有最小损失的外延接触区域。
背景技术：
传统的光检测装置具有减小光(如太阳光)电能量转换效率的特征。例如，一部分吸收的光(太阳光)能不能被收集在电极上作为电能并且不得不以热量形式被浪费。对于高功率装置，浪费的热量可能导致明显升高的温度，从而进一步降低装置的性能。希望的是改善半导体光检测装置中的效率，特别是太阳能电池装置中的效率。传统的多结太阳能电池已经广泛用于陆地和空间应用中。多结太阳能电池，通常被认为是高功率太阳能电池，包含串联连接的多个二极管(也称为结)，通过在半导体衬底上以叠层形式生长薄的外延区域而实现。在叠层中的每个结被优化用于吸收太阳光谱的不同部分，从而改善太阳能转换的效率。现有技术的多结太阳能电池加工过程的典型制备步骤已经被D.Danzilio等人在“Overview of EMCOREJ s Mult1-junction Solar Cell Technology and HighVolumeManufacturing Capabilities”，CS MANTECH Conference，May，14-172007，Austin，TX，USA中描述并总结如下。应当注意，下面的清单仅仅给出基本步骤，也可以使用附加的工艺步骤。1.外延生长2.台面光刻和蚀刻3.金属栅光刻沉积和剥离4.顶部光刻和蚀刻5.防反射涂层，沉积、图案化和蚀刻6.背面金属沉积和退火7.切片在现有技术中，传统半导体加工技术用在上述步骤中。在外延生长和切片之间的工艺步骤(步骤2到步骤6)通常不需要按照特定的顺序。现有技术的顶部光刻和蚀刻步骤与防反射涂层的步骤一起与本发明相关，并在下文中为了背景技术的目的进行讨论。顶部蚀刻通常在外延叠层的上部区域(通常称为顶部区域或顶层)是一个半导体区域，它是高度掺杂的以促进良好的金属-半导体点接触，具有低接触电阻。顶部区域可以包括多个不均匀的外延区域。在太阳能电池制造中，顶部区域被图案化成为线网格(顶部栅)，因此，在后续的金属化步骤中，相应的金属栅被沉积在顶部网格上。图案化以及后续的顶部蚀刻通过传统的半导体加工技术实现。
图1A表示典型的(现有技术)半导体基光检测装置的横截面图，其由多结太阳能电池100代表。表示了整个装置，但是根据本发明的方法仅在顶部进行，并且仅影响顶部区域3和前表面场(FSF)区域4，它们是半导体衬底5上生长的多结外延的顶部区域。图1A中所示的太阳能电池100由通过隧道结167和178连接的三个亚电池(结)106-108组成。应当理解，图1A仅仅是典型的多结太阳能电池的一个例子，并且这样的太阳能电池可以包含任何数量的亚电池(sub-cell)。图1B是典型的(现有技术)多结太阳能电池的简化示意图，其仅表示与本专利申请相关的顶部外延区域。参见图1A，FSF区域4是在顶部蚀刻后面向太阳的窗口区域。在FSF区域4下面是形成二极管的顶部P-η结106的发射极区域102。类似的结107和108布置在顶部p_n结下面，从而形成多结电池。FSF区域4对于装置的性能具有重要作用。例如，由于多结太阳能电池是少数载流子型装置，通过在顶部结106的发射极区域102中的光吸收作用产生的少数载流子必须扩散到耗尽区103中，以便在基底104处被收集。在发射极区域102中具有低表面复合速度增大使其到达耗尽区103的少数载流子的数量。FSF区域4的作用因此是通过将从耗尽区103扩散出来的少数载流子反射回去来改善表面区域102上的钝化质量并减小表面复合速度。FSF区域4是薄的(通常IOnm到50nm)外延区域。除了改善在发射极区域102中产生的载流子的收集以外，FSF区域4通常还是吸收区。在FSF4区域中的光生少数载流子通过发射极区域102扩散到顶部结106的耗尽区103被收集。因此，FSF 4的顶部表面14的保护对于改善FSF 4中少数载流子的收集是重要的。在传统制造过程中，在顶部蚀刻步骤之后的工艺流程中，FSF区域4暴露于各种不同的条件。这些条件可以包括但不限于:-暴露于在工艺过程中可能发生的各种不同温度条件下的空气和水，这可能导致FSF区域表面14的氧化。-暴露于渗入到FSF区域表面14上的金属颗粒。-与FSF区域表面14上的各种化学物质和光刻胶接触，可能留下残留物并损坏所述表面。-由于在顶部蚀刻之后的工艺步骤中使用各种化学物质而产生的FSF区域14的部分或全部蚀刻。这样的不利条件明显降低太阳能电池的性能。例如，在FSF区域4被暴露的同时沉积金属栅2的工艺流程中，残余的银或其它金属可能影响、污染和渗入FSF区域4中，并且扩散到内部外延区域45中，从而降低效率并影响太阳能电池的性能。因此，在高功率半导体光检测结构中，一旦FSF区域表面14被暴露，强烈需要保护FSF区域表面14。除了由于后续的光刻步骤产生的缺陷和残余物之外，由与FSF区域4直接接触的栅极金属也产生问题。例如，在FSF4被暴露的同时沉积金属栅2的工艺流程中，银/金属颗粒可能找到它们进入暴露的FSF的途径并扩散到FSF之下的p-n结区域中，使得太阳能电池变得无用。而且，如图2所示，由于光刻的不精确性导致的金属栅图案2相对于顶部栅图案3的不对准可能导致金属2与FSF 4之间的直接接触。金属6在FSF 4上的部分在高温工艺步骤中可能产生进入所述结的金属钉(metal spike)，导致产生不运行的装置。这样的金属相关问题通常以分流电流-电压(IV)特性的形式被观察到。图3(现有技术)比较两种不同太阳能电池的IV特性。IV曲线9来自没有对准问题的高性能太阳能电池，IV曲线8表示由于金属栅的不对准产生的分流电流-电压特性。在现有技术中，为了防止金属栅与FSF接触，针对光刻未对准公差，通常选择顶部栅宽度大于金属栅宽度。更宽的顶部宽度通过增大屏蔽损耗并减小可以获得的电流不利地影响太阳能电池的性能。因此，需要消除与FSF表面的金属接触而不增大屏蔽损耗。防反射涂层在现有技术的多结太阳能电池制造中，所述电池涂覆抗反射涂层(ARC)l(FIG.1)以减少太阳光的反射。ARC I通常是电介质薄膜的叠层，选择其折射率使得在希望的波长范围内的太阳光反射最小化。要求收集性的ARC I区域覆盖半导体面向太阳的整个表面，即包括FSF。过去，在ARC沉积过程中，栅线通常也被覆盖。但是，母线上的ARC必须打开以便允许进行引线接合。这一工艺步骤被称为触点打开(contact opening)，并且通常使用单独的附加光刻步骤实现。在现有技术中，ARC沉积和图案化可能在不同阶段进行，因此不具体要求以工艺流程内的特定顺序实现该步骤。现有技术的问题和性能改进的潜力的总结本文总结了与现有技术的顶部蚀刻和防反射涂层步骤相关的问题。为了制备高性能的多结太阳能电池和其它半导体光检测装置，解决本文所列问题是必须的:1.在随后的工艺步骤中防止FSF表面污染和氧化。2.FSF与金属栅的电隔离，除了通过高度掺杂区域以外。3.栅线附近的额外顶部的去除以便使得屏蔽产生的电流损耗最小化。4.使光刻步骤数量最少，以便使所述工艺直接且节约成本。5.未对准公差栅金属化。6.在ARC沉积后的触点打开步骤中的精确光刻对准，从而可以从接触点区域中去除 ARC。
发明内容
根据本发明，提供了一种制备半导体光检测装置的方法，其中，使用单一的、自对准光刻模块进行顶部蚀刻和抗反射涂层步骤。具体地，以使前表面场区域对污染物的暴露最小化并确保金属与顶部区域对齐因此使顶部上的金属化触点区域最少地阻断入射光的顺序进行这些步骤。在引入半导体光检测装置的外延的所提供的衬底上用顶部蚀刻图案将光刻胶图案化。随后，蚀刻顶部区域，并且在没有去除光刻胶的情况下沉积防反射涂层(ARC)。最后，去除光刻胶，随后剥离在所限定的顶部区域上的ARC。本发明特别适用于高功率光检测装置如高效太阳能电池的制造。在下面的说明书中，参见附图，附图形成说明书的一部分，其中，相同的数字表示相同的部件，并且其中通过可以实现本发明的说明性具体实施方案来表明。
图1A是其中可以使用本发明的多结太阳能电池的横截面图。图1B是图1A的简化图。图2是其中顶部和金属未对准的现有技术电池的一部分的横截面图。
图3是与理想电池对比的现有技术太阳能电池的性能的图。图4A-4E表示根据本发明的工艺步骤。图5是根据本发明制备的结构的一个替代实施方案的说明。图6A-6B是说明具有根据本发明的FSF区域保护的完美对准和不完美对准的电池的横截面图。图7A-7B是说明在根据本发明的顶部上面尺寸过大的金属的横截面图。图8是表示根据本发明制备的装置的一个替代实施方案的横截面图。
具体实施例方式图4A到图4E给出了根据本发明的主要工艺步骤。1.图4A:提供具有外延区域45的半导体衬底，使得顶部部分是顶部区域13，其下是被保护且未污染的窗口(FSF)区域4。2.图4B:应用传统的光刻技术，以便在光刻胶中产生顶部栅结构图案7。3.图4C:蚀刻顶部，使得当FSF 4暴露时蚀刻停止，以便在FSF 4上产生图案化的顶部3的结构。4.图4D:没有去除光刻胶7，并且优选在以前的步骤3中的蚀刻之后立即沉积防反射涂层11和21。5.图4E:去除光刻胶7。在光刻胶21顶上的防反射涂层将被去除，所得的结构将是完全覆盖FSF表面14而不覆盖图案化的顶部3的图案化的防反射涂层11。在本发明中，上述工艺步骤的顺序是至关重要的。但是，可以以各种方式设计和实施其余的工艺步骤。换言之，本发明是根据需要插入其它工艺流程中的工艺步骤中的“工艺模块”。在所述模块之前或所述模块之后的中间步骤可以是传统的半导体加工步骤。在以下的清单中，在外延生长和切片步骤之间的步骤的顺序可以根据需要而变化，并且其它步骤可以添加到所述流程中。外延生长本发明的工艺模块金属栅光刻沉积和剥离台面光刻和蚀刻背面金属沉积和退火切片在该工艺中，形成太阳能电池的亚电池(结)通过外延来串联连接，并且金属栅制备到顶部结的顶部触点，并且底部结通过衬底由背面金属接触。任何时候制备从衬底的前面到光检测装置的触点时，本发明更一般地适用，包括多结太阳能电池中的结各自接触以制备多端子太阳能电池装置的情况。用于这样的装置的工艺流程一般更复杂并且包括更多的步骤。但是，本发明所述的工艺模块可以用来制备顶部触点。本发明解决了如背景技术部分中所述的现有技术的关键问题:1.在顶部蚀刻和防辐射涂层之后，没有与FSF区域的化学接触，如光刻或蚀刻。防止了窗口区域暴露于化学物质、污染物、空气和水。在多结太阳能电池制备过程中可能发生的热循环过程中，可以防止FSF区域的氧化。
2.在加工过程中对FSF区域的机械损伤的可能性被减小。3.用于防反射涂层的常见物质一般也是良好的电绝缘体。作为一个实例，在某些产品中二氧化硅作为顶部区域是优选的。这些氧化物作为高质量绝缘体在半导体工业中已经用了很多年。4.在未对准的情况下，金属将位于高质量电介质材料上。因此，FSF区域被保护并且与金属栅电隔离，除了通过顶部区域以外。在未对准情况下，所述电介质材料防止金属钉入装置层中。5.在顶部蚀刻后暴露的窗口区域被密封并且用防反射涂层保护，在其间没有任何工艺步骤。在后续步骤中发生金属化时，没有金属颗粒到达FSF上并随后迁移到内部装置区域中的可能性。6.由于该工艺，ARC不覆盖金属。因此，不需要单独的触点打开蚀刻步骤来去除母线上的ARC。在图案化的光刻胶的剥离过程中容易实现触点打开。本发明的变化顶部蚀刻和随后的防反射涂层步骤可以插入在整个工艺流程中的希望的位置。在一个优选的实施方案中，顶部蚀刻和随后的防辐射涂层步骤是所述结的外延生长后的半导体加工中的第一步骤。随后，使用剥离使金属栅图案化。在金属化之后，进行台面隔离蚀刻。该工艺最后进行背面金属化和切片。本发明的自对准性质允许获得顶部和金属栅的宽度的多种构造。在一个实施方案中，如图5所不,选择顶部3的宽度大于金属栅2的宽度。在这样的情况下，栅屏蔽由顶部宽度决定而不是由金属宽度决定。在由更宽的顶部不能容许的未对准的情况下，防反射涂层11将作为在顶部3外面落下的金属与FSF 4之间的电隔离阻挡层。在另一个实施方案中，如图6A所示，选择顶部3的宽度与金属栅2的宽度相同。在该实施方案中，屏蔽损耗由金属栅宽度(和未对准)决定，并且可以设计光检测装置以反映最佳性能。在未对准的情况下，如图6B所示，防反射涂层41将作为绝缘顶部，并且在栅线2与窗口区域4之间没有电传导。在另一个实施方案中，如图7A所示，选择顶部3的宽度比金属栅2的宽度窄。在这种情况下，防反射涂层41作为在FSF与金属之间的绝缘阻挡层。总屏蔽损耗由金属栅宽度决定。本实施方案的优点在于，即使在如图7B所示的未对准的情况下，屏蔽损耗仍然将由金属栅2的宽度决定。图8表示另一个实施方案，在该实施方案中，非最佳的工艺条件导致在栅线12附近沉积零散的金属团簇22。自对准的防反射涂层31提供了电绝缘，并且也作为这些颗粒与FSF4之间的物理阻挡层。应当理解，可以利用其它实施方案并且可以进行结构或逻辑变化而不脱离本发明的范围。所以，前面的描述不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求及其等同物确定。
权利要求
1.一种制备半导体光检测装置的方法，包括以下步骤: 提供包含其上具有生长的半导体光检测装置外延的衬底的晶圆，其中， 在所述外延中的所述上部区域是顶部区域；然后 使用光刻技术用顶部蚀刻图案中的顶部蚀刻光刻胶使所述晶圆图案化，所述顶部蚀刻图案限定触点区域；然后 根据所述顶部蚀刻图案蚀刻掉暴露区域中的顶部区域；然后在不去除所述顶部蚀刻光刻胶的情况下在所述晶圆上施加防反射涂层；且然后 使用剥离过程去除顶部蚀刻光刻胶，以暴露触点区域，并且仅剥离在所述触点区域上的防反射涂层，以便对准顶部区域和防反射涂层的图案。
2.根据权利要求1的方法，其中，没有中间步骤地进行权利要求1的所有步骤，使得在晶圆提供步骤之后直接进行晶圆图案化步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中，在晶圆提供步骤和晶圆图案化步骤之间可以进行中间步骤。
4.根据权利要求1的方法，其中，在所述顶部蚀刻图案中的顶部的宽度大于随后施加的上层金属的厚度。
5.根据权利要求1的方法，其中，在所述顶部蚀刻图案中的顶部的宽度小于随后施加的上层金属的厚度。
6.根据权利要求1的方法，其中，在所述顶部蚀刻图案中的顶部与随后施加的上层金属的图案匹配。
7.一种制备半导体光检测装置的方法，包括以下步骤； 提供包含具有外延区域(45)、顶部区域(3)和前表面场区域(4)的衬底的晶圆(5)，所述顶部区域在所述外延区域顶上，所述前表面场区域在所述顶部区域和所述外延区域(45)之间； 使用光刻技术用在自对准顶部蚀刻图案中的顶部蚀刻光刻胶使所述晶圆图案化；然后 根据所述自对准顶部蚀刻图案蚀刻暴露区域中的顶部区域，以暴露前表面区域；然后 在不去除所述顶部蚀刻光刻胶的情况下在所述前表面场区域的暴露区域上施加防反射涂层；且然后 根据剥离过程去除自对准顶部蚀刻光刻胶以剥离所述防反射涂层，从而用防反射涂层完全覆盖所述前表面场区域并产生与图案化的防反射涂层自对准的暴露的触点区域。
8.根据权利要求7的方法，其中，在没有中间步骤的情况下进行权利要求1的所有步骤，使得在晶圆提供步骤之后直接进行晶圆图案化步骤。
9.根据权利要求7的方法，其中，在晶圆提供步骤和晶圆图案化步骤之间可以进行中间步骤。
10.根据权利要求7的方法，其中，在所述顶部蚀刻图案中的顶部的宽度大于随后施加的上层金属的厚度。
11.根据权利要求7的方法，其中，在所述顶部蚀刻图案中的顶部的宽度小于随后施加的上层金属的厚度。
12.根据权利要求7的方法，其中，在所述顶部蚀刻图案中的顶部与随后施加的上层金属的图案匹配。
13.一种半导体光检测装置，其通过以下步骤制备: 提供包含其上生长了半导体光检测装置外延的衬底的晶圆，其中，在所述外延中的上部区域是顶部区域；然后 使用光刻技术用在顶部蚀刻图案中的顶部蚀刻光刻胶使所述晶圆图案化，所述顶部蚀刻图案限定触点区域；然后 根据所述顶部蚀刻图案蚀刻掉暴露区域中的顶部区域；然后在不去除所述顶部蚀刻光刻胶的情况下在所述晶圆上施加防反射涂层；且然后使用剥离过程去除顶部蚀刻光刻胶，以暴露触点区域，并且仅剥离在所述触点区域上的防反射涂层，以便对准顶部区域和防反射涂层的图案， 其中所述防反射涂层仅覆盖所述顶部蚀刻步骤之后暴露的窗口区域并且既不覆盖顶部也不覆盖金属栅。
14.根据权利要求13的装置，其中，零散的金属团簇意外地仅沉积在所述顶部区域和所述防反射涂层上，所述窗口区域没有所述零散的金属团簇。
15.根据权利要求13的装置，其中，提供金属栅，所述金属栅的一部分不与所述顶部区域接触并且在所述防反射涂层上而没有接触到下面的区域。
16.根据权利要求15的装置，其中，零散的金属团簇意外地仅沉积在所述顶部区域上和所述防反射涂层上，所述窗口区域没有所述零散的金属团簇。
17.一种半导体光检测装置，其通过以下过程制备: 提供包含具有外延区域(45)、顶部区域(3)和前表面场区域(4)的衬底的晶圆(5)，所述顶部区域在所述外延区域顶 上，所述前表面场区域在所述顶部区域和所述外延区域(45)之间； 使用光刻技术用在自对准顶部蚀刻图案中的顶部蚀刻光刻胶使所述晶圆图案化；然后 根据所述自对准顶部蚀刻图案蚀刻暴露区域中的顶部区域，以暴露所述前表面区域；然后 在不去除所述顶部蚀刻光刻胶的情况下，在所述前表面场区域的暴露区域上施加防反射涂层；然后 根据剥离过程去除自对准顶部蚀刻光刻胶以剥离所述防反射涂层，从而用防反射涂层完全覆盖前表面场区域并产生与图案化的防反射涂层自对准的暴露的触点区域；且然后通过金属化步骤使所述晶圆金属化，以提供电触点。
全文摘要
本发明提供了一种半导体光检测装置制备技术，其中，在单一的、自对准光刻模块中进行顶部蚀刻和防反射涂层步骤。
文档编号H01L31/18GK103094412SQ20121041533
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月26日 优先权日2011年10月27日
发明者张岚, 埃维莉娜·N.·路科, 奥那尔·费丹尔, 迈克尔·W.·威梅尔 申请人:太阳光电公司