專利名稱：一種硅太陽(yáng)電池發(fā)射極的擴(kuò)散工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擴(kuò)散工藝，特別是關(guān)于一種應(yīng)用于晶體硅太陽(yáng)電池的發(fā)射極擴(kuò)散工藝。
技術(shù)背景擴(kuò)散是半導(dǎo)體制造過程中非常有用的步驟，是一種原子或者分子在高溫下由高濃度區(qū)向 低濃度區(qū)的移動(dòng)過程，目的是控制雜質(zhì)濃度、均勻性和重復(fù)性。通常雜質(zhì)在半導(dǎo)體內(nèi)高溫?cái)U(kuò) 散有兩種方式即恒定表面濃度和恒定總摻雜濃度。在第一種情況下，雜質(zhì)通常為氣相源， 原子自源蒸氣輸送到硅表面，并擴(kuò)散到硅片內(nèi)。在整個(gè)擴(kuò)散期間，由于一直有氣相源，因此 源蒸氣保持恒定表面濃度；另外一種摻入雜質(zhì)的方法是先在硅片表面產(chǎn)生一層薄的雜質(zhì)層， 然后再進(jìn)行擴(kuò)散，總的摻雜濃度是恒定的，這一步稱為再分布擴(kuò)散或者會(huì)為推進(jìn)擴(kuò)散的目的 就是將雜質(zhì)驅(qū)入更深達(dá)到預(yù)期的結(jié)面深度。晶體硅太陽(yáng)電池中，發(fā)射極的制備方法一般采用雜質(zhì)擴(kuò)散的方法，其目的是形成與襯底 導(dǎo)電類型相反的發(fā)射極，從而形成器件中的PN結(jié)。晶體硅太陽(yáng)電池通常采用P型襯底，在 高溫下POCl3液態(tài)源經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)形成摻磷的發(fā)射極。發(fā)射極中的摻雜原子濃度曲 線反應(yīng)了摻雜原子在發(fā)射極中的深度分布，而發(fā)射極的載流子曲線描述了發(fā)射極中的載流子 的深度分布情況，也就是具有電活性的摻雜原子的深度分布。以下描述中提到的"發(fā)射極中 的摻雜曲線"指的是載流子的深度分布曲線。發(fā)射極中的摻雜程度一般通過方塊電阻的值來(lái) 反應(yīng)。對(duì)于晶體硅電池前表面，磷擴(kuò)散形成的發(fā)射極具有高的表面摻雜濃度，高的表面摻雜濃 度使絲網(wǎng)印刷的金屬銀柵線具有低的接觸電阻。但是與此相反，為了得到較好的藍(lán)光響應(yīng)， 必須具有低摻雜的發(fā)射極，而這種低摻雜的發(fā)射極又與絲網(wǎng)印刷的銀金屬化不兼容。因此，在常規(guī)的太陽(yáng)電池制造過程中，為了能夠在這兩個(gè)方面達(dá)到平衡， 一般采用恒定表面濃度摻 雜法，在840-870°<:左右的恒定溫度下一直通入液態(tài)磷源，在此高溫過程中，POCl3通過氮 氣攜帶(攜帶磷源的氮?dú)?進(jìn)入擴(kuò)散爐中，同時(shí)通入氮?dú)?這部分氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)性氮?dú)?和氧 氣。通入保護(hù)性氮?dú)獾哪康氖窃跔t管中形成正壓而避免外界氣體的進(jìn)入，并且使擴(kuò)散更為均 勻；氧氣則參與化學(xué)反應(yīng)。晶體硅太陽(yáng)電池常規(guī)的發(fā)射極中的摻雜原子的深度分布曲線為余 誤差函數(shù)，發(fā)射極的方塊電阻值為40-50^/口，結(jié)深在0.3-0.5微米之間，表面濃度較高。在發(fā)射極表面的摻雜原子濃度可以高達(dá)1021/^113左右。在這么高的表面摻雜原子中，其中具有 電活性的原子濃度(載流子濃度)大約為102Q/Cm3。由于表面的摻雜濃度較高，光生載流子 在發(fā)射極中發(fā)生以俄歇復(fù)合為主的復(fù)合過程，造成太陽(yáng)電池的短波相應(yīng)變差，從而引起了太 陽(yáng)電池中的短路電流損失，使器件的效率降低。為了提高太陽(yáng)電池的效率，在最近幾年已經(jīng) 提出了對(duì)發(fā)射極的幾個(gè)理論優(yōu)化。研究表明最好與金屬柵線接觸的發(fā)射極應(yīng)該是表面摻雜濃 度的大小為中等摻雜濃度(1018-1019cm3)、發(fā)射極的厚度在1-2微米之間(N. Stem, M. Cid， studies of phosphorus Gaussian profile emitter silicon solar cells, Material research, Vol.4, No.2, 143-148,2001)。在不與金屬柵線接觸的其他區(qū)域可以做成更低表面摻雜濃度(高方塊電阻) 的透明發(fā)射極。 發(fā)明內(nèi)容針對(duì)常規(guī)工藝中的發(fā)射極復(fù)合嚴(yán)重的問題，本發(fā)明通過一種改進(jìn)的發(fā)射極擴(kuò)散方法，優(yōu) 化了表面摻雜濃度以及結(jié)深，減低了發(fā)射極區(qū)的俄歇復(fù)合。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 一種應(yīng)用于晶體硅太陽(yáng)電池中的制備發(fā)射 極的擴(kuò)散工藝，其擴(kuò)散步驟主要分為兩步，具體包括-(1) 在780-820。C將硅片放入擴(kuò)散爐中，通入保護(hù)氮?dú)狻?2) 擴(kuò)散爐升溫到800-840°C，通入氧氣，時(shí)間為5-10分鐘。(3) 進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散在800-840。C的擴(kuò)散溫度下，通入攜帶POCl3源的氮?dú)?，時(shí)間為10-40 分鐘。(4) 進(jìn)行推進(jìn)擴(kuò)散切斷氮?dú)夂脱鯕?，將擴(kuò)散溫度升至820-860。C之間，然后穩(wěn)定一 定時(shí)間，升溫加上穩(wěn)定的時(shí)間為總的推進(jìn)擴(kuò)散時(shí)間，為10-40分鐘。(5) 擴(kuò)散過程結(jié)束，擴(kuò)散爐降溫，將硅片取出。 本發(fā)明采用的POCl3源為常用的P0C13液態(tài)擴(kuò)散源。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)低溫預(yù)擴(kuò)散的溫度和時(shí)間、調(diào)節(jié)高溫推進(jìn)擴(kuò)散的溫度和時(shí)間，控制發(fā)射 極的表面摻雜濃度以及發(fā)射極的厚度，調(diào)節(jié)發(fā)射極的摻雜濃度以及發(fā)射極與金屬柵線之間的 接觸電阻。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于采用了兩步法的方 法，能夠得到表面摻雜濃度較低，發(fā)射極厚度可控的摻雜曲線，從而降低了發(fā)射極中表面高 摻雜濃度引起的俄歇復(fù)合。2、采用本發(fā)明方法時(shí)，通過控制兩步擴(kuò)散過程中的擴(kuò)散溫度和 時(shí)間，能夠得到較大范圍之內(nèi)的方塊電阻值，適應(yīng)于與金屬電極接觸的發(fā)射極的要求，也適 應(yīng)于制備表面濃度低、發(fā)射極厚的透明發(fā)射極。3、本發(fā)明的所有擴(kuò)散步驟都是在同一位置 完成，工藝簡(jiǎn)單。


圖1是本發(fā)明的摻雜曲線與常規(guī)的摻雜曲線對(duì)比圖；圖2是本發(fā)明的磷原子摻雜濃度曲線與常規(guī)的磷原子摻雜濃度曲線對(duì)比圖； 圖3是本發(fā)明中具有不同方塊電阻值的發(fā)射極的摻雜曲線對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式
以下通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。本發(fā)明的目的在于通過本發(fā)明一種改進(jìn)的擴(kuò)散方法，使發(fā)射極的表面摻雜濃度和發(fā)射極 的深度變得更為合理。減少發(fā)射極中的表面高摻雜區(qū)域從而減低發(fā)射極中的復(fù)合，提高了晶 體硅太陽(yáng)電池的性能。由于降低了發(fā)射極中的復(fù)合，因此電池的短路電流提高0.5%。本發(fā)明將通常的一步恒定溫度的擴(kuò)散過程分為兩步進(jìn)行，第一步在較低的溫度下進(jìn)行一 定時(shí)間的預(yù)擴(kuò)散；第二步在溫度較高，不再有擴(kuò)散磷源通入的情況下使發(fā)射極中的摻雜原子 濃度的深度分布發(fā)生變化，形成表面濃度較低但是雜質(zhì)濃度分布較深的摻雜曲線。該方法具 體包括以下步驟(1) 在780-820。C下將硅片放入擴(kuò)散爐中，通入保護(hù)性氮?dú)狻?2) 擴(kuò)散爐升溫到擴(kuò)散溫度800-840°C，通入氧氣，時(shí)間為5-10分鐘。(3) 進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散在800-840°C的擴(kuò)散溫度下，通入攜帶P0C13 (三氯氧磷)源的氮?dú)猓?時(shí)間10-40分鐘。(4) 進(jìn)行推進(jìn)擴(kuò)散將擴(kuò)散溫度升至820-860°C之間然后穩(wěn)定，在升溫的過程中切斷 攜帶P0Cl3源的氮?dú)?，氧氣，升溫加上穩(wěn)定的時(shí)間為總的推進(jìn)擴(kuò)散時(shí)間，為10-40分鐘。(5) 擴(kuò)散過程結(jié)束，擴(kuò)散爐降溫，將硅片取出。如圖1所示，相比于常規(guī)工藝，本發(fā)明的表面摻雜濃度低，小于5xl0力cm3，發(fā)射極小 于1微米。表面摻雜濃度隨著深度緩慢降低，直至基體的載流子濃度。與常規(guī)工藝相比， 發(fā)射極的方塊電阻并沒有發(fā)生較大的變化，較厚的發(fā)射極有利于防止在晶體硅太陽(yáng)電池后期 金屬電極制備過程中的漏電問題。如圖2所示，相比于常規(guī)工藝，本發(fā)明的摻雜原子濃度的深度分布曲線整體低于常規(guī)工 藝。與常規(guī)工藝相比，在相同的方塊電阻情況下，發(fā)射極中的摻雜原子的濃度低于常規(guī)的發(fā) 射極中的摻雜原子濃度。如圖3所示，本發(fā)明通過控制預(yù)擴(kuò)散以及再分布的溫度、時(shí)間，使發(fā)射極中的表面摻雜 濃度和發(fā)射極的厚度得到變化，從而能夠得到不同方塊電阻的發(fā)射極。下面通過實(shí)施案例來(lái)進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1使用P型的單晶硅或者多晶硅片，經(jīng)過常規(guī)的表面織構(gòu)、清洗、干燥等工藝，然后進(jìn)行 擴(kuò)散。擴(kuò)散步驟如下(1) 溫度為820。C，通入18升/分鐘的保護(hù)性氮?dú)?，將放置硅片的石英舟緩慢推入擴(kuò) 散爐中。(2) 待石英舟推入合適位置之后，溫度從820°C升高到840°C，通入4升/分鐘的氧氣， 時(shí)間為5分鐘。(3) 在840°(:的溫度下，進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散通入1.8升/分鐘攜帶POCl3源的氮?dú)?，氧氣?量變?yōu)?升/分鐘，時(shí)間為45分鐘。(4) 進(jìn)行推進(jìn)擴(kuò)散:停止攜帶POCl3源的氮?dú)庖约把鯕獾耐ㄈ?，溫度?40eC升到860eC， 時(shí)間為8分鐘，在860。C下穩(wěn)定10分鐘。總的推進(jìn)擴(kuò)散時(shí)間為18分鐘。(5) 擴(kuò)散結(jié)束之后，降溫到初始爐溫820°C，然后將石英舟推出。 擴(kuò)散完畢后形成如下?lián)诫s曲線表面濃度約等于5xl()W/cm3，然后緩慢降低下降到基體的摻雜濃度，約等于lxl015/cm3，發(fā)射極中的摻雜曲線為高斯函數(shù)分布。形成的發(fā)射極的厚 度為0.7微米，方塊電阻為40Q/口。擴(kuò)散后的硅片經(jīng)去除硅表面的磷硅玻璃、去邊隔離、沉積減反射薄膜、絲網(wǎng)印刷電極、 燒結(jié)等工藝制備成晶體硅太陽(yáng)電池。實(shí)施例2使用P型的單晶硅或者多晶硅片，經(jīng)過常規(guī)的表面織構(gòu)、清洗、干燥等工藝，然后進(jìn)行 擴(kuò)散。(1) 溫度為800。C，通入18升/分鐘的保護(hù)性氮?dú)?，將放置硅片的石英舟緩慢推入擴(kuò)散爐中。(2) 在80G。C，通入4升/分鐘的氧氣，時(shí)間為5分鐘。(3) 在800。C的溫度下，進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散過程通入1.8升/分鐘攜帶POCl3源的氮?dú)?，?氣流量變?yōu)?.0升/分鐘，時(shí)間為10分鐘。(4) 進(jìn)行推進(jìn)擴(kuò)散:停止攜帶POCl3源的氮?dú)庖约把鯕獾耐ㄈ?，溫度?00。C升到83(TC， 時(shí)間為5分鐘，在830。C下穩(wěn)定35分鐘?？偟耐七M(jìn)擴(kuò)散時(shí)間為40分鐘。(5) 擴(kuò)散結(jié)束之后，降溫到初始爐溫800。C，然后將石英舟推出。 擴(kuò)散完畢后形成如下?lián)诫s曲線表面濃度約等于2xl0力cm3，然后緩慢降低下降到基體的摻雜濃度，約等于lxiO"/cm3，發(fā)射極中的摻雜曲線為高斯函數(shù)分布。形成的發(fā)射極的厚 度為0.7微米，方塊電阻為120^/口 。擴(kuò)散得到的發(fā)射極的表面摻雜濃度低，結(jié)深，適合于用作不與金屬接觸的透明發(fā)射極。 結(jié)合掩膜方法，刻槽工藝或者光刻工藝，形成選擇性發(fā)射極的結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行沉積減反射薄 膜、制備電極等工藝制備成太陽(yáng)電池。實(shí)施例3使用P型的單晶硅或者多晶硅片，經(jīng)過常規(guī)的表面織構(gòu)、清洗、干燥等工藝，"然后進(jìn)行 擴(kuò)散。(1) 溫度為800。C，通入18升/分鐘的保護(hù)性氮?dú)?，將放置硅片的石英舟緩慢推入擴(kuò)散爐中。(2) 在800。C，通入4升/分鐘的氧氣，時(shí)間為5分鐘。(3) 在80(TC的溫度下，進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散過程通入0.8升/分鐘攜帶POCl3源的氮?dú)猓?氣流量變?yōu)?.2升/分鐘，時(shí)間為10分鐘。(4) 進(jìn)行推進(jìn)擴(kuò)散:停止攜帶POCl3源的氮?dú)庖约把鯕獾耐ㄈ?，溫度?00°C升到830°C， 時(shí)間為5分鐘，在830°C下穩(wěn)定15分鐘?？偟耐七M(jìn)擴(kuò)散時(shí)間為20分鐘。(5) 擴(kuò)散結(jié)束之后，降溫到初始爐溫800。C，然后將石英舟推出。 擴(kuò)散完畢后形成如下?lián)诫s曲線表面濃度約等于2xl0力cm3，然后緩慢降低下降到基體的摻雜濃度，約等于lxlO"/cm3，發(fā)射極中的摻雜曲線為高斯函數(shù)分布。形成的發(fā)射極的厚 度為1.5微米，方塊電阻為190Q/口。擴(kuò)散得到的發(fā)射極的表面摻雜濃度低，結(jié)深，適合于用作不與金屬接觸的透明發(fā)射極。 結(jié)合掩膜方法，刻槽工藝或者光刻工藝，形成選擇性發(fā)射極的結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行沉積減反射薄 膜、制備電極等工藝制備成太陽(yáng)電池。
權(quán)利要求
1、一種硅太陽(yáng)電池發(fā)射極的擴(kuò)散工藝，其特征在于該擴(kuò)散工藝采用低溫預(yù)擴(kuò)散、高溫推進(jìn)擴(kuò)散兩步驟，調(diào)節(jié)預(yù)擴(kuò)散、推進(jìn)擴(kuò)散的溫度和時(shí)間，控制發(fā)射極的表面摻雜濃度以及發(fā)射極的結(jié)深，調(diào)節(jié)發(fā)射極的摻雜濃度以及發(fā)射極與金屬柵線之間的接觸電阻。
2、 如權(quán)利要求l所述的硅太陽(yáng)電池發(fā)射極的擴(kuò)散工藝，其特征在于擴(kuò)散工藝步驟為(1) 使用常規(guī)工藝對(duì)硅片進(jìn)行表面織構(gòu)，清洗和干燥；(2) 在780-820°C下將步驟(1)所得之的硅片放入擴(kuò)散爐中，通入保護(hù)氮?dú)猓?3) 擴(kuò)散爐升溫到800-840°C，通入氧氣，時(shí)間為5-10分鐘；(4) 在800-840°C的擴(kuò)散溫度下，通入攜帶P0Cl3的氮?dú)猓瑫r(shí)間為10-40分鐘，進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散；(5) 切斷氮?dú)?，氧氣，將擴(kuò)散溫度升至820-860CC之間，然后穩(wěn)定一定時(shí)間，升溫加 上穩(wěn)定的時(shí)間為總的推進(jìn)擴(kuò)散時(shí)間，為10-40分鐘；(6) 擴(kuò)散過程結(jié)束，擴(kuò)散爐降溫，將硅片取出，完成制備。
全文摘要
一種硅太陽(yáng)電池發(fā)射極的擴(kuò)散工藝，其步驟包括(1)進(jìn)行低溫預(yù)擴(kuò)散將硅片放入擴(kuò)散爐中，通入保護(hù)氮?dú)?，攜帶POCl₃源的氮?dú)猓鯕?，擴(kuò)散溫度在800-840℃，時(shí)間為10-50分鐘；(2)在較高溫度下推進(jìn)擴(kuò)散切斷攜帶磷源的氮?dú)?，氧氣，將擴(kuò)散溫度升至820-860℃之間，在升溫及穩(wěn)定溫度的過程中進(jìn)行磷原子的推進(jìn)擴(kuò)散10-40分鐘；(3)擴(kuò)散爐降溫，并將硅片取出。本發(fā)明得到了表面中等摻雜濃度，較厚的發(fā)射極摻雜曲線，從而降低了發(fā)射極中高表面摻雜濃度所帶來(lái)的復(fù)合效應(yīng)，提高太陽(yáng)電池的短路電流。本發(fā)明可得到較大范圍內(nèi)的方塊電阻分布，并且能夠獲得滿足與金屬電極接觸的方塊電阻值。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101404309SQ20081022616
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者周春蘭, 王文靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所