在半导体应用上的结晶处理的制作方法
【专利说明】在半导体应用上的结晶处理
[0001] 本申请是申请日为2010年11月23日、申请号为201080053714. 9、名称为"在半 导体应用上的结晶处理"的发明专利申请的分案申请。
[0002]
[0003] 在此描述的实施例涉及半导体器件的制造。更具体地说，在此描述的实施例涉及 形成用于能量、存储器、逻辑或光子器件的结晶半导体层。
[0004] Μ?
[0005] 光伏能量发电在2007年是增长最快的能量来源。在2008,已安装的光伏容量增 加大约2/3达到约15GW。据估计，光伏发电的全球市场在2008与2013之间将以32%的复 合年利率成长，达到超过22GW，同时所安装的容量以每年20%至30%或更多的平均速率成 长，在2013年可能达到35GW。可用的太阳能能源估计为120, 000TW，使用少于0. 013 %的这 些可用能源可取代石化燃料以及核能作为电力来源。在2005年总的全球能量消耗为16TW， 低于入射至地球的可用的太阳能的0. 02%。
[0006] 在具有如此大潜力的情况下，世界上许多国家与公司竞相增加光伏发电的效率以 及降低成本。在一般的太阳能电池中，半导体材料暴露给太阳光以移动电子。半导体材料 的某些部分以富电子的元素掺杂，而其它部分以缺电子的元素掺杂，以提供驱动力给移动 的电子使之朝电流收集器流动。电子从电流收集器流出至外部电路，以提供电力。
[0007] 半导体材料的晶体结构影响电池的光吸收特性与将光转换成电力的效率。在无定 形半导体材料中，很少有直的路径供电子行进，所以电子迀移率较低，而需要使电子移动的 能量较高。无定形硅材料因此具有较大的带隙，并且吸收波长比由结晶硅材料所吸收的光 短的光。微晶材料或纳米晶材料具有某些晶体结构，平均产生较高的电子迀移率以及较低 的带隙。多晶与单晶材料具有更高的迀移率以及较低的带隙。
[0008] 虽期望包括具有不同形态的吸收剂以捕捉更多入射光谱，但是只需少量的例如无 定形材料提供吸收度上的成效。太多的无定形材料造成较低的效率，这是因为电子行进通 过无定形材料较缓慢，当电子行动时会失去能量。因为他们失去能量，所以他们变得易受肖 克莱-里德-霍尔（Shockley-Read-Hall)复合，从导带落回到原子的价区，与"空穴"或局 部的电子空乏区复合，并且失去使他们移动的所吸收的太阳能。
[0009] 为了减少此效应，因此期望使太阳能电池中多晶与微晶的形态最大化。然而，这通 常是有问题的，因为生长多晶与单晶材料是缓慢的，这是由于需要生长晶体的原因。较缓慢 的生长速率需要大量投资以用于给定的生长容量，而提高了生产有效的太阳能电池与太阳 能板的成本。
[0010] 生长多晶与微晶材料还用于某些存储器应用、诸如3D存储器，以及用于各种半导 体器件的垂直单片集成，所述半导体器件诸如是光子器件。
[0011] 因此，需要一种有效地且高速率地制造多晶与微晶半导体相的方法。
[0012]歷
[0013] 在此描述的实施例提供一种重新组织固体材料的结构的方法，所述方法通过将所 述固体材料暴露给能量脉冲以渐进地熔融所述固体材料、形成熔融的材料、以及再结晶所 述熔融材料而实现。
[0014] 其它实施例提供一种形成太阳能电池的方法，所述方法包括：通过使用空间上均 匀的激光的脉冲渐进地熔融及再结晶所述太阳能电池的有源层，而在所述有源层中形成大 型晶域（domain) 〇
[0015] 其它实施例提供一种形成存储器器件的方法，所述方法包括：在基板上形成第一 导电层；通过一种工艺在所述基板上形成多晶或单晶半导体层；以及在所述基板上形成第 二导电层，所述工艺包括：在所述基板上沉积半导体层；通过将所述半导体层暴露给能量 脉冲而渐进地熔融所述半导体层；形成熔融半导体层；以及再结晶所述熔融半导体层。
[0016] 其它实施例提供一种形成光子器件的方法，所述方法包括：在陶瓷基板的上方形 成化合物半导体层；以及结晶所述化合物半导体层，所述结晶所述化合物半导体层通过以 下步骤：将能量脉冲导向所述化合物半导体层、渐进地熔融所述化合物半导体层以形成熔 融层；以及结晶所述熔融层而形成结晶化合物半导体层。
[0017] 附图简要说明
[0018] 因此，可详细理解实现本发明的上述特征的方式，可参考本发明的实施例获得上 文简要概述的本发明的更具体描述，这些实施例图示于附图中。然而，应注意的是，附图仅 描绘本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其它 同等有效的实施例。
[0019] 图IA是总结根据一个实施例的方法的流程图。
[0020] 图IB示意性地描绘根据在此描述的实施例的能量脉冲。
[0021] 图2是根据另一个实施例的设备的示意截面图。
[0022] 图3A是总结根据另一个实施例的方法的流程图。
[0023] 图3B是根据另一个实施例的薄膜太阳能电池的示意截面图。
[0024] 图4A是根据另一个实施例的处理系统的平面图。
[0025] 图4B是根据另一个实施例的处理腔室的示意截面图。
[0026] 图5A是总结根据另一个实施例的方法的流程图。
[0027] 图5B是根据另一个实施例的结晶太阳能电池的示意截面图。
[0028] 图6示意性地描绘根据在此描述的实施例的能量脉冲。
[0029] 图7是根据另一个实施例的器件的示意截面图。
[0030] 为便于理解，在可能情况下使用相同标号来表示附图所共有的的相同元件。预期 一个实施例中公开的元件可有利地用于其它实施例而无须特别叙述。
[0031] 具体描沐
[0032] 在此描述的实施例通常提供用于形成太阳能电池、存储器器件以及光子器件（诸 如发光二极管（LED))的方法及设备。图IA是总结根据一个实施例的方法100的流程图。 方法100通常用于在基板上快速形成结晶半导体层。方法100可用在结晶或薄膜太阳能电 池制造工艺，以制作具有结晶半导体相的高效率太阳能电池、存储器器件、逻辑器件以及光 子器件。在步骤102,在基板上形成半导体层。基板可用在薄膜太阳能电池器件，其中所述 基板是具有透明导电涂层的玻璃基板，所述透明导电涂层形成设置在基板的一个表面上的 电接触层。通常，对于薄膜太阳能电池，透明（或几乎透明）的基板产生最高的太阳光吸 收，而因此改善太阳能电池的功率输出。用于形成上述器件之一的半导体材料可包含元素 (诸如硅、锗、或其它元素半导体）或化合物半导体（诸如硅锗、CIGS材料、或三/五族半导 体）。半导体材料可额外以p型掺杂剂、诸如硼掺杂，或者以η型掺杂剂、诸如磷掺杂，以形 成富电子或缺电子层。半导体材料可具有包括无定形、多晶、微晶及大晶粒的微晶的晶体形 态。在某些实施例中，半导体材料可形成太阳能电池或太阳能板的有源层。
[0033] 可使用任何方便的工艺将半导体材料形成在基板上。在多数实施例中，使用气相 沉积工艺、诸如有/无等离子体辅助的物理气相沉积或化学气相沉积。在一个特别的实施 例中，使用等离子体辅助化学气相沉积从气体混合物沉积无定形硅层，所述气体混合物包 含硅源（诸如硅烷）、氢气以及可选择的惰气（诸如氩或氦）。诸如硼烷、乙硼烷、磷化氢或 砷化氢之类的掺杂剂源可添加到气体混合物以沉积掺杂硅层。在用于在太阳能电池器件 中形成本征娃层的一个示范性实施例中，以在约lsccm/L与约10sccm/L之间的流率（flow rate)将硅烷提供到处理腔室（已针对腔室的处理体积（以升为单位）归一化所述流率）， 而氢对硅烷的体积比是约20:1或更低。RF功率可以在约15mW/cm 2与约200mW/cm2之间的 功率水平（已针对被处理的基板的表面积（以平方厘米为单位）归一化）在约ITorr与约 4Torr之间的压力下施加至气体混合物，例如通过将RF源耦接气体分布器。可形成半导体 材料至高达约1 μπι的厚度。
[0034] 在步骤104,将半导体层暴露给电磁辐射脉冲。多个处理区通常是在基板上限定并 且顺序地暴露给脉冲。在一个实施例中，脉冲可为激光脉冲，每一脉冲具有在约200nm与约 1200nm之间的波长、例如约1064nm，由倍频NchYAG激光所传递。也可使用其它波长，所述 波长例如是红外线、紫外线及其它可见光波长。也可使用其它类型的辐射，所述辐射诸如是 微波辐射。这些脉冲可通过一个或更多个的电磁辐射源传递，且可通过光学或电磁组件传 递，以塑形（shape)或以其它方式修改选定的脉冲特性。
[0035] 在步骤106,通过利用电磁辐射脉冲处理，渐进地熔融半导体层。每一电磁辐射 (例如激光）的脉冲可具有足够能量以熔融一部分它所撞击的基板。例如，每一脉冲可传 递在约0. 3J/cm2与约1.0 J/cm2之间的能量。单一脉冲冲击基板表面，将它的大部分能量 以热传送进入基板。冲击表面的第一脉冲冲击固体材料，将它加热至熔点或熔点之上的温 度，而熔融所述被冲击的表面区域。取决于由第一脉冲所传递的能量，表面区域可熔融至在 约60 A与约600 A之间的深度，在表面上留下一层熔融材料。下一个到达表面的脉冲冲 击恪融材料，传递热能，所述热能通过所述恪融材料传播进入下伏（underlying)的固体材 料，熔融更多固体材料。以这种方式，连续的电磁辐射脉冲可以每一连续脉冲形成穿过半导 体层的恪融前沿（melt front) 〇
[0036] 图IB是均匀电磁能量脉冲阵列的范例的示意图，这些脉冲被一个或 更多个电磁辐射装置传递到基板表面，这些装置如下文所述的一个或更多个的发射器224。 应注意到在每一脉冲（例如脉冲120^120^12(^)内传递的能量的量可随时间函数改变， 因此每一脉冲的轮廓（例如能量对时间）可依需要改变，以改善能量至熔融材料的传递。例 如，脉冲12(^的形状不需是高斯型（Gaussian shaped)(如图IB所示），可设置为在脉冲的 起始处或脉冲的结束处传递更多能量（例如三角形）。
[0037] 每一脉冲可具有与它之前的脉冲相同量的能量，或者一个或更多个脉冲可含有不 同量的能量。例如，第一脉冲可具有比后续脉冲低的能量的量（如图IB所示），因为第一脉 冲不需要通过熔融材料层传播以达到固态相。在某些实施例中，传递到半导体层的区域的 多个脉冲可包括第一部分及第二部分，其中第一部分的每一脉冲具有不同能量，而第二部 分的每一脉冲具有相同的能量。如上所述，第一部分可包括仅有一个脉冲，所述一个脉冲的 能量与第二部分的脉冲不同。在另一个实施例中，第一部分可具有多重脉冲，每一个具有比 先前脉冲多的能量，使得第一部分的每一脉冲比上一个传递更多能量。
[0038] 在一个实施例中，每一脉冲具有在约Insec与约50nsec之间的持续时间 (duration)，诸如在约20nsec与约30nsec之间。在另一个实施例中，每一脉冲传递在约 10 7W/cm2与约10 9W/cm2之间的功率。所述脉冲可由休止持续时间（rest duration)分隔， 所述持续时间可被选择为以使得由每一脉冲传递的能量的一部分在半导体层内消散。在一 个实施例中，休止持续时间被选择为以使得脉冲在足够热量从熔融材料传导离开而再凝固 25 %的熔融材料之前冲击半导体层表面。在另一个实施例中，每一脉冲生成温度波，所述温 度波的一部分通过液体与固体之间的相传播，一部分通过液相往回反射，而休止持续时间 被选择为使得第二脉冲在来自稍前的第一脉冲的反射的温度波到达表面之前冲击表面。在 一个实施例中，脉冲在时间上重叠，使得来自第二脉冲的辐射强度在来自稍前的第一脉冲 衰减至零之