专利名称：具有杂质捕集区域的硅晶圆及其制造方法
技术领域：
本发明关于一种制造方法，特别是关于一种制造一硅晶圆的方法。
背景技术：
众所周知，半导体元件的效能深受存在于半导体材料内的杂质浓度影响。以太阳能电池为例，若靠近太阳能电池基板表面(例如，硅晶圆)的金属杂质浓度太高，将影响太阳能电池本身的效能。
太阳能电池由于制作方法简便，并且容易被大量生产，因此极具竞争力。硅基材太阳能电池市场中，约有65%的比例属于多晶硅太阳能电池，主要原因如下(1)多晶硅材料对硅原料纯度的要求较单晶材料低；(2)原料较易取得；以及(3)多晶硅材料的长晶效率较高，并且所需的人力、能耗及物料都较单晶材料低。
请参阅图1。在现有技术中，在制造用于太阳能电池的硅晶圆14的过程中，需将硅原料倒入石英坩锅中并加热使其成融熔状态。融熔状态的硅原料于冷却后即形成一硅铸锭IO。由于冷却过程系从该硅铸锭10的底部开始，因此会有大量的杂
质往该硅铸锭10的顶部偏析并累积于此。由于杂质浓度太高，所以大约10%至20%的该硅铸锭IO必须被去除，造成硅原料被大量地浪费掉。该硅铸锭10被切成复数个硅晶砖12，接着该硅晶砖12即被切成复数个硅晶圆14。然而，这样的硅晶圆14的内部仍然存在许多杂质，并将不利于该等硅晶圆14之后的应用。举例而言，于制造太阳能电池的过程中进行扩散制程时，若靠近硅晶圆14表面p-n接面的金属杂质浓度太高，将降低太阳能电池的效能。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种硅晶圆及一种制造该硅晶圆的方法，以解决上述问题。
本发明的一目的在于提供一种硅晶圆。在根据本发明的一优选实施例中，该硅晶圆包含一硅切片及一第一杂质捕集区域(gettering region)。该硅切片具有一第一表面。该第一杂质捕集区域形成于该硅切片的该第一表面上，并且由施加于该硅切片的该第一表面上的一处理(treatment)形成。
本发明的另一目的在于提供一种制造一硅晶圆的方法。该方法首先制备一硅铸锭(silicon ingot)。接着，该方法对该硅铸锭切片以得到一硅切片，并且该硅切片具有一第一表面。之后，该方法施加一处理于该硅切片的该第一表面上，以于该硅切片的该第一表面上形成一第一杂质捕集区域。
根据本发明的硅晶圆及其制造方法，能够由杂质捕集区域将在硅晶圆内的杂质迁移至并局限于该杂质捕集区域处。因此，根据本发明的硅晶圆及其制造方法能够于靠近硅晶圆的表面形成一杂质浓度较低的区域。进一步，应用根据本发明的硅晶圆的半导体元件，其性能也能有效地提升。此外，于硅铸锭的制程中所去除的杂质浓度较高的部份，亦能够利用根据本发明的制造方法而回收，进而达到节省成本的目的。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1显示了现有的的硅晶圆制造过程的示意图。
图2A、图2B显示了根据本发明的一优选实施例的硅晶圆。
图3A、图3B显示了以喷砂装置形成杂质捕集区域的示意图。
图4A显示了分别测试无微裂缝的多晶硅晶圆及有微裂缝的多晶硅晶圆的生命
周期所得的实验结果。
图4B显示了分别测试无多晶硅区域的多晶硅晶圆及有多晶硅区域的多晶硅晶
圆的生命周期所得的实验结果。
图4C显示了分别测试无微裂缝的单晶硅晶圆2及有微裂缝的单晶硅晶圆2的
生命周期所得的实验结果。
图4D至图4H显示了分别测试无微裂缝的硅晶圆及经过不同温度及时间的热处
理的有微裂缝的硅晶圆的生命周期所得的实验结果。
图5显示了根据本发明的一优选实施例的制造一硅晶圆的方法的流程图。
具体实施例方式
请参阅图2A，图2A显示了根据本发明的一优选实施例的硅晶圆2。于实际应用中，硅晶圆2可以是一单晶硅晶圆2或一多晶硅晶圆2。
该硅晶圆2包含一硅切片20及一第一杂质捕集区域22。该硅切片20可以自一硅铸锭(silicon ingot)切下所得。该硅切片20具有一第一表面24。该第一杂质捕集区域22形成于该硅切片20的该第一表面24上，并且由施加于该硅切片20的该第一表面24上的一处理(treatment)形成。
该硅切片20还可以具有为该第一表面24的反面的一第二表面26。于实际应用中，该硅晶圆2可以进一步包含一第二杂质捕集区域28。该第二杂质捕集区域28同样可以由施加该处理于该硅切片20的该第二表面26上而形成。
于实际应用中，该处理可以是于该硅切片20的切片过程中的一切割处理(sawing treatment)。由于切割处理会导致硅晶圆2表面引发微裂缝(micro-crack)，具有微裂缝的区域为高应变区域。藉此，具有微裂缝的区域即可作为杂质捕集区域。如图2A中的局部放大图所示，该第一杂质捕集区域22具有由该切割处理所导致的微裂缝。同样地，该第二杂质捕集区域28亦可以具有由该切割处理所导致的微裂缝。
基于同样的理论，只要是施加于硅晶圆2表面上并能导致高应力区域的处理，皆可应用来在硅晶圆2表面上形成杂质捕集区域，例如，喷砂处理或形成多晶硅区域的薄膜处理等。
请参阅图3A，藉由一喷砂装置30，于该硅切片20的该第一表面24上可形成一喷砂层作为该第一杂质捕集区域22。在形成该多晶硅区域的过程中，是利用硅烷(silane)气体沉积在500 700° C的硅晶圆2上以形成该多晶硅区域。该多晶硅区域即为该第一杂质捕集区域22。由于边界效应，于是该多晶硅区域具有捕集杂质的能力。在实际应用中，该喷砂层或该多晶硅区域可选择性地形成于该硅切片20的该第二表面26上以作为该第二杂质捕集区域28。
在该硅切片20的该第一表面24及该第二表面26上分别形成该第一杂质捕集区域22及该第二杂质捕集区域28(即，该微裂缝、喷砂层或该多晶硅区域)后，该硅晶圆2可以经过退火，致使在该硅切片20中的杂质可以迁移至并被局限于该第一杂质捕集区域22以及该第二杂质捕集区域28处。于实际应用中，该退火可以于一从500° C至llOO。 C的温度范围内执行并大致上持续数分钟的时间。藉此，如图2B及图3B所示，该第一杂质捕集区域22以及该第二杂质捕集区域28内的杂质浓度将比该硅切片20内的杂质浓度高。
请参阅表一。表一歹U出以ti-PCD(microwave photoconductive decay)量测未经杂质捕集及杂质捕集后的硅晶圆2的生命周期(lifetime)的量测结果。u -PCD
的原理系利用光子激发、电导衰减，以及利用微波系统侦测讯号的变化。给予半导体材料一个红外线的脉冲光源以激发内部所含的电子电洞对(electron-holepairs)。由于光源波长为904mn，因此穿透程度相当接近材料的表面，并且穿透深度约为30ixm。由于半导体材料在光激发后，其内的电子与电洞会再一次相互结合，因此光激发后的电导率(o)会随着时间呈现衰减，而电导率的衰减情况可以利用微波侦测系统得知。 一般所量测的微波衰减情形可以一固定指数函数代表，此函数与固定时间常数比对，即可得知试样中相关位置的生命周期的数值。理论上，生命周期的数值与杂质的浓度相关，而低浓度的杂质可以反应出较长的生命周期。于一具体实施例中，该硅切片20自一硅铸锭切下后，该硅切片20的该第一表面24及该第二表面26上皆可以形成微裂缝。由于半导体元件通常是由硅晶圆2的一个表面向上成长半导体材料层，故仅保留该第一表面24或该第二表面26上的微裂缝作为该第一杂质捕集区域22或该第二杂质捕集区域28，并以u -PCD观察其捕集杂质的能力。换言的，没有微裂缝的表面即作为观察生命周期的测试面。
表一
经切割硅晶圆的生命周期(li s)
试样 未经杂质捕集 杂质捕集后
1 0.683 2.092
2 0.687 1.567
3 0.810 1.574
4 0.866 1.744
5 0.749 1.683
6 0.683 2.092
如表一所示，每一经切割硅晶圆的试样藉由退火经过杂质捕集后，其生命周期的确比未经杂质捕集的经切割硅晶圆的试样的生命周期较长。由此得知，根据本发明的硅晶圆2于经过杂质捕集后，靠近该硅晶圆2的表面可以形成一杂质浓度较低的区域。进一步，当该硅晶圆2被应用于一扩散制程中时，一P-N接面可以形成于该杂质浓度较低的区域中，进而可造成较佳的光电效应。
请参阅图4A、图4B及图4C。图4A显示了分别测试无微裂缝的多晶硅晶圆2及有微裂缝的多晶硅晶圆2的生命周期所得的实验结果。图4B显示了分别测试无多晶硅区域的多晶硅晶圆2及有多晶硅区域的多晶硅晶圆2的生命周期所得的实验结果。图4C显示了分别测试无微裂缝的单晶硅晶圆2及有微裂缝的单晶硅晶圆2的生命周期所得的实验结果。
如图4A、图4B及图4C所示，生命周期的长短可藉由光谱中的颜色表示，并且其单位为微秒Us)。由实验结果可清楚得知，有微裂缝的多晶和单晶硅晶圆2，及有多晶硅区域的多晶硅晶圆2其生命周期皆较长，证实微裂缝及多晶硅区域的确具有杂质捕集的能力。
请参阅表二。表二列出无微裂缝的硅晶圆2及经过不同温度及时间的热处理后的有微裂缝的硅晶圆2的生命周期所得的实验结果。请配合参阅图4D至图4H中的实验结果。
7表~■
试样温度(。c)时间(sec)晶圆类型实验结果
14503600夕曰 多曰曰图4F
2500600夕曰 多曰曰图4D
35001200夕曰 多日日图4E
4650600夕曰 多曰曰图4G
590010单晶图4H
如图4D至图4H中的实验结果所示，有微裂缝的硅晶圆2在经过不同温度及适当时间的热处理后，其生命周期的确比无微裂缝的硅晶圆2较长。需注意的是，热处理中设定的温度及操作时间可以根据实际应用而决定，并不以表二所列的条件为限。
请参阅表三。表三列出分别测试以有经过杂质捕集及未经过杂质捕集的硅晶圆2所制造出的太阳能电池的转换效率所得的实验结果。
表三
试样 杂质捕集前有无经过杂质捕的生命周期 集
1 1.2 1.3 无
2 0.6 1.0 无
3 0.6 1.0 有
太阳能电池的转换效率(%)
14. 65 14. 8210. 09 12. 2114. 66 14. 83
如表三所示，生命周期0. 6 1. s的硅晶圆2(即试样2)在不经过杂质捕集的情况下所制造出的太阳能电池的转换效率并不具有商业上的利用价值。然而，经过杂质捕集后，原本生命周期0. 6 1. 0u s的硅晶圆2(即试样3)所制造出的太阳能电池的转换效率可以等同于原本就具有良好的生命周期的硅晶圆2(如试样1)。因此，经过杂质捕集的硅晶圆2的生命周期确实能够有效提高。较佳地，原本无法使用的低生命周期的硅晶圆2可以透过根据本发明的杂质捕集方法转变为可以利用的硅晶圆2，所以能大幅增加硅原料的利用率。
请参阅图5，图5显示了根据本发明的一优选实施例的制造一硅晶圆2的方法的流程图。于实际应用中，硅晶圆2可以是一单晶硅晶圆2或一多晶硅晶圆2。
首先，步骤S100是制备一硅铸锭。步骤S102是对该硅铸锭切片以得到一硅切片20，并且该硅切片20具有一第一表面24。步骤S104是施加一处理于该硅切片20的该第一表面24之上，以于该硅切片20的该第一表面24上形成一第一杂质捕 集区域22。于实际应用中，该方法可进一步包含步骤S106。步骤S106系执行一退 火处理，致使在该硅切片20中的杂质迁移至并被局限于该第一杂质捕集区域22处。
相比现有技术，根据本发明的硅晶圆及其制造方法，能够通过杂质捕集区域将 在硅晶圆内的杂质迁移至并局限于该杂质捕集区域处。因此，根据本发明的硅晶圆 及其制造方法能够于靠近硅晶圆的表面形成一杂质浓度较低的区域。进一步，应用 根据本发明的硅晶圆的半导体元件，其性能能够有效地提升。此外，于硅铸锭的制 程中所去除的杂质浓度较高的部份，亦能够利用根据本发明的制造方法而回收，进 而达到节省成本的目的。
通过上述优选实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并 非以上述所公开的优选实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望 能涵盖各种改变及相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本 发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖 所有可能的改变以及具相等性的安排。
权利要求
1.一种硅晶圆(silicon wafer)，包含一硅切片(silicon slice)，该硅切片具有一第一表面；以及一第一杂质捕集区域(gettering region)，该第一杂质捕集区域形成于该硅切片的该第一表面上，并且由施加于该硅切片的该第一表面的一处理(treatment)形成。
2. 如权利要求1所述的硅晶圆，其特征在于，该硅晶圆经过退火，致使在该硅 切片中的杂质迁移至并局限于该第一杂质捕集区域处。
3. 如权利要求2所述的硅晶圆，其特征在于，该硅切片自一硅铸锭(silicon ingot)切下所得。
4. 如权利要求3所述的硅晶圆，其特征在于，该硅切片还具有为该第一表面的 反面的一第二表面，该硅晶圆进一步包含一第二杂质捕集区域，该第二杂质捕集区 域系形成于该硅切片的该第二表面上，并且由施加于该硅切片的该第二表面之上的 处理所形成，在该硅切片中的杂质迁移至并系局限于该第一杂质捕集区域以及该第 二杂质捕集区域处。
5. 如权利要求3所述的硅晶圆，其特征在于，该处理为该硅切片在切片过程中 的一切割处理(sawing treatment)，并且该第一杂质捕集区域具有由该切割处理所 导致的微裂缝(micro-crack)。
6. 如权利要求3所述的硅晶圆，其特征在于，该处理为一喷砂处理 (sand-blasting treatment)。
7. 如权利要求3所述的硅晶圆，其特征在于，该处理在硅切片的该第一表面上 形成一多晶硅区域(polycrystalline silicon region)，并且该多晶硅区域即做为 该第一杂质捕集区域。
8. 如权利要求1所述的硅晶圆，其特征在于，该硅晶圆系一单晶硅晶圆或一多 晶硅晶圆。
9. 一种制造一硅晶圆(silicon wafer)的方法，该方法包含下列步骤 制备一硅铸锭(silicon ingot);对该硅铸锭切片以得到一硅切片(silicon slice),该硅切片具有一第一表面；以及施加一处理(treatment)于该硅切片的该第一表面之上，使该硅切片的该第一 表面上形成一第一杂质捕集区域(gettering region)。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包含下列步骤 执行一退火处理，致使在该硅切片中的杂质迁移至并被局限于该第一杂质捕集区域处。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，该硅切片还具有为该第一表面的 反面的一第二表面，该处理也施加于该第二表面上进而于该硅切片的该第二表面上 形成一第二杂质捕集区域，在该硅切片中的杂质迁移至并被局限于该第一杂质捕集区域以及该第二杂质捕集区域处。
12. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，该处理于该硅切片的切片过程中 的一切割处理(sawing treatment)，并且该第一杂质捕集区域具有由该切割处理所 导致的微裂缝(micro-crack)。
13. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，该处理系一喷砂处理 (sand-blasting treatment)。
14. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，该处理在硅切片的该第一表面上 形成一多晶硅区域(polycrystalline silicon region)，并且该多晶硅区域即做为 该第一杂质捕集区域。
15. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，该硅晶圆系一单晶硅晶圆或一多晶 硅晶圆。
全文摘要
本发明公开了一种具有杂质捕集区域的硅晶圆及其制造方法。根据本发明的硅晶圆包含一硅切片及一第一杂质捕集区域。该硅切片具有一第一表面。该第一杂质捕集区域形成于该硅切片的该第一表面上，并且通过在该硅切片的该第一表面之上的一处理形成。
文档编号C30B33/00GK101649492SQ20081014701
公开日2010年2月17日 申请日期2008年8月12日 优先权日2008年8月12日
发明者何思桦, 徐文庆, 王荣宗, 许松林, 郭华皓 申请人:昆山中辰硅晶有限公司