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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Dotierbereichen in einer Halbleiterschicht eines Halbleiterbauelementes gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei Halbleiterbauelementen ist es häufig notwendig, zumindest einen Dotierbereich eines ersten Dotierungstyps durch Einbringen eines ersten Dotierstoffs des ersten Dotierungstyps und zumindest einen Dotierbereich eines zweiten Dotierungstyps durch Einbringen eines zweiten Dotierstoffs des zweiten Dotierungstyps zu erzeugen. Dies ist typischerweise für die gewünschte elektronische Funktionalität notwendig, insbesondere die Ausbildung von p/n-Übergängen und/oder zur Verbesserung der Funktionsweise, beispielsweise durch Verringerung von Kontaktwiderständen zwischen Halbleiter und Metall aufgrund höherer Dotierkonzentration, Ausbilden selektiver Dotierungsbereiche (insbesondere selektive Emitter), bei denen lediglich Teilbereiche der Halbleiterschicht höhere Dotierkonzentrationen aufweisen, Passivierungen von Oberflächen oder Teilbereichen von Oberflächen, um Ladungsträgerrekombination zu verringern und/oder zur Ausbildung mehrerer p/n-Übergänge an einer Seite der Halbleiterschicht.
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Solche Verfahren werden bei vielfältigen Halbleiterbauelementarten verwendet, insbesondere bei großflächigen Halbleiterbauelementen, wie photovoltaischen Solarzellen oder lichtemittierenden Dioden (LED).
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Es sind daher eine Vielzahl von Verfahren bekannt, um wie vorher beschrieben zumindest einen Dotierbereich eines ersten Dotierungstyps und einen Dotierbereich eines zweiten, zu dem ersten Dotierungstyp entgegengesetzten Dotierungstyps, zu erzeugen. Dotierungstypen sind hierbei und im Folgenden der n-Dotierungstyp und der hierzu entgegengesetzte p-Dotierungstyp.
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So ist es beispielsweise bekannt, durch Aufbringen von Pasten, welche Dotierstoff enthalten, und anschließender Eindiffusion der Dotierstoffe aus den Pasten in die Halbleiterschicht, solche Dotierbereiche des ersten und des zweiten Dotierungstyps auszubilden. Weiterhin ist das Aufbringen dotierter Glasschichten, welche einen Dotierstoff enthalten und Eindiffusion des Dotierstoffes aus der Glasschicht in die Halbleiterschicht bekannt. Ebenso sind Maskierungsverfahren bekannt, bei welchen eine Maskierungsschicht als Diffusionsbarriere lediglich Teilbereiche der Oberfläche der Halbleiterschicht bedeckt und mittels Diffusion aus der Gasphase ein Ausbilden von Dotierbereichen in der Halbleiterschicht lediglich an den nicht von der Maskierungsschicht bedeckten Bereichen erfolgt.
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Ebenso sind Verfahren bekannt, bei welchen eine Dotierung eines ersten Dotierungstyps durch lokales Einbringen eines Dotierstoffes eines zweiten Dotierungstyps in hoher Konzentration überkompensiert wird. So ist beispielsweise aus
US 2009/0227095 A1 ein Verfahren bekannt, bei welchem an einer Seite einer Halbleiterschicht zunächst ganzflächig mittels Diffusion aus der Gasphase ein Dotierbereich eines ersten Dotiertyps erzeugt wird und anschließend in Teilbereichen lokal mittels Ionenimplantation mehrere Dotierbereiche eines zweiten Dotierungstyps ausgebildet werden, welche eine gegenüber der Dotierung des ersten Dotierungstyps höhere Konzentration aufweisen, so dass eine Überkompensation in den genannten lokalen Bereichen erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und robustes Verfahren zum Erzeugen zumindest eines Dotierbereichs eines ersten Dotierungstyps und zumindest eines Dotierbereichs eines zweiten Dotierungstyps in einer Halbleiterschicht zur Verfügung zu stellen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 15.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Erzeugen von Dotierbereichen in einer Halbleiterschicht, indem zumindest ein Dotierbereich eines ersten Dotierungstyps durch Einbringen eines Dotierstoffs des ersten Dotierungstyps und zumindest ein Dotierbereich eines zweiten Dotierungstyps durch Einbringen eines zweiten Dotierstoffes des zweiten Dotierungstyps erzeugt werden. Erster und zweiter Dotierungstyp sind entgegengesetzt.
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Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Implantieren des ersten Dotierstoffs in zumindest einen Implantationsbereich in der Halbleiterschicht, bei der der Implantationsbereich an eine erste Seite der Halbleiterschicht grenzt.
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In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Aufbringen einer Dotierschicht, welche den zweiten Dotierstoff enthält, zumindest auf die erste Seite der Halbleiterschicht. Die Dotierschicht kann hierbei mittelbar oder unmittelbar, d. h. direkt oder durch Zwischenschaltung weiterer Zwischenschichten auf die erste Seite der Halbleiterschicht aufgebracht werden, wobei bevorzugt die Dotierschicht unmittelbar auf die erste Seite der Halbleiterschicht aufgebracht wird.
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Die Dotierschicht wird somit zumindest teilweise auch in solchen Bereichen der ersten Seite der Halbleiterschicht aufgebracht, an welche der Implantationsbereich des ersten Dotierstoffs angegrenzt.
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In einem Verfahrensschritt C erfolgt mittels Wärmeeinwirkung ein gleichzeitiges Eintreiben des zweiten Dotierstoffs aus der Dotierschicht in die Halbleiterschicht zur Erzeugung zumindest eines zweiten Dotierbereichs und einer oder mehrere der folgenden Vorgänge:
- – Zumindest teilweise Aktivierung des implantierten Dotierstoffs im Implantationsbereich und/oder
- – Zumindest teilweise Ausheilung von durch die Implantation erzeugten Kristallschäden in der Halbleiterschicht und/oder
- – Eintreiben des ersten Dotierstoffs aus dem Implantationsbereich zur Erzeugung des ersten Dotierbereichs.
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Wesentlich ist hierbei, dass in Verfahrensschritt A der Implantationsbereich als Diffusionsbarriere für den zweiten Dotierstoff ausgebildet ist, d. h., dass der Implantationsbereich das Eindringen des zweiten Dotierstoffs zumindest verringert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit eine besonders einfache, und damit kostengünstige sowie robuste Möglichkeit, die vorgenannten Dotierbereiche des ersten und zweiten Dotierungstyps auszubilden, da zumindest der Implantationsbereich, in welchem der erste Dotierstoff implantiert wird, gleichzeitig zum Ausbilden des ersten Dotierbereichs und als Diffusionsbarriere dient, um ein Eindiffundieren des zweiten Dotierstoffs aus der Dotierschicht in den Implantationsbereich zu verhindern.
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Hiermit entfällt insbesondere ein bei vorbekannten Verfahren notwendiges Alignement, d. h. das örtliche Justieren bei zwei aufeinanderfolgenden Prozessschritten. Darüber hinaus können in Verfahrensschritt C mehrere Prozesse gleichzeitig stattfinden, sodass kostenintensive Prozessschritte eingespart werden können. Weiterhin wird dadurch, dass der Implantationsbereich als Diffusionsbarriere wirkt, eine Entkopplung der Dotierprofile des ersten Dotierstoffs und des zweiten Dotierstoffs erzielt: Aufgrund der Wirkung als Diffusionsbarriere des Implantationsbereichs ist es insbesondere nicht notwendig, eine Überkompensation zu erzielen, wie in
US 2009/0227095 A1 gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine erheblich höhere Freiheit in der Wahl der Dotierkonzentrationen und Dotierprofile von sowohl erstem, als auch zweitem Dotierstoff, da keine Überkompensation eines Dotierstoffes durch einen anderen Dotierstoff notwendig ist.
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Zusätzlich zu diesen Vorteilen ist das erfindungsgemäße Verfahren kostensparend, da gegenüber typischen vorbekannten Verfahren weniger Prozessschritte notwendig sind.
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Die Bezeichnung Diffusionsbarriere wird hierbei in der an sich üblichen Definition verwendet, d. h. dass das Eindringen des zweiten Dotierstoffs in den Implantationsbereich erheblich gegenüber nicht implantierten Bereichen verringert wird, vorzugsweise im Wesentlichen verringert wird, insbesondere vollständig verringert wird (im Rahmen der bei Dotierprofilen üblichen Messskalen).
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Die zumindest teilweise Aktivierung des implantierten Dotierstoffs im Implantationsbereich bedeutet hierbei dem Einbau der implantierten Atome in das Gitter der Halbleiterschicht und somit deren elektrische Aktivierung im Halbleiter. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass lediglich ein Teil der implantierten Dotieratome aktiviert wird. Vorzugsweise wird mindestens 50%, weiter bevorzugt mindestens 90% der implantierten Dotieratome aktiviert. Insbesondere bevorzugt erfolgt eine vollständige Aktivierung der implantierten Dotieratome.
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Die zumindest teilweise Ausheilung von durch die Implantation erzeugten Kristallschäden bedeutet hierbei, dass durch den Wärmeeintrag Störungen in der Gittertruktur beseitigt werden.
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Der implantierte Dotierstoff soll elektrisch aktiv für das Halbleiterbauelement ausgebildet werden. Vorzugsweise erfolgt in Verfahrensschritt C daher zumindest die zumindest teilweise Aktivierung des implantierten Dotierstoffs.
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Weiterhin wird in typische Fällen durch das Implantieren eine Schädigung der Halbleiterschicht auftreten. Vorzugsweise erfolgt daher in Verfahrensschritt C zumindest die zumindest teilweise Ausheilung von durch die Implantation erzeugten Kristallschäden, insbesondere in vorteilhafter Weise kombiniert mit der zumindest teilweisen Aktivierung des implantierten Dotierstoffs.
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Die Ausbildung des Implantationsbereichs als Diffusionsbarriere für den zweiten Dotierstoff erfolgt vorzugweise, indem der erste Dotierstoff mit einer Konzentration größer der Löslichkeitsgrenze des ersten Dotierstoffs in der Halbleiterschicht implantiert wird. Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass hierdurch insbesondere für die Anwendung von photovoltaischen Solarzellen und Leuchtdioden eine ausreichende Wirkung als Diffusionsbarriere erzielt wird.
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Die Ausbildung des Implantationsbereichs erfolgt vorzugsweise derart, dass die Diffusion des zweiten Dotierstoffs aus der Diffusionsschicht um mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95%, insbesondere zumindest 99% verringert wird. Die Wirkung als Diffusionsbarriere erhöht sich, indem die Dotierkonzentration im Implantationsbereich erhöht wird.
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Vorzugsweise wird daher in Verfahrensschritt A der Dotierstoff im Implantationsbereich mit einer Dotierkonzentration größer 1 × 1020 cm–3, vorzugweise größer 5 × 1020 cm–3 weiter bevorzugt größer 1 × 1021 cm–3 implantiert, um eine vorteilhafte Diffusionsbarrierenwirkung zu erzielen.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der erste Dotierungstyp der p-Dotierungstyp und der zweite Dotierungstyp der n-Dotierungstyp ist.
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Das Verfahren ist jedoch insbesondere geeignet, Dotierbereiche auszubilden, indem der erste Dotierungstyp der n-Dotierungstyp und der zweite Dotierungstyp der p-Dotierungstyp ist. Denn das Verfahren ist insbesondere für Halbleiterbauelemente vorteilhaft anwendbar, bei welchen die Halbleiterschicht eine n-Typ Basisdotierung aufweist. Hier ist insbesondere die freie Wahl des p-Typ Dotierprofis für die Ausgestaltung des Halbleiterbauelements vorteilhaft. Dies trifft insbesondere auf photovoltaische Solarzellen zu.
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Grundsätzlich kann in diesem Fall der erste Dotierstoff ein Dotierstoff aus der Gruppe Phosphor, Arsen oder einem anderen Stoff aus der V. Hauptgruppe sein. Ebenso kann der zweite Dotierstoff ein Dotierstoff aus der Gruppe Bor, Gallium oder einem anderen Stoff aus der III. Hauptgruppe sein.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der erste Dotierstoff Phosphor und/oder dass der zweite Dotierstoff Bor ist. Dies ist darin begründet, dass zum Ausheilen von implantiertem Phosphor nur etwa 850°C notwendig sind und Bor sich gut mit einer Diffusion bei gleicher Temperatur von 850°C einbringen lässt. Außerdem sind beide Stoffe gut zur Dotierung von Silicium geeignet.
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Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt B die Dotierschicht derart aufgebracht, dass die Dotierschicht den Implantationsbereich überlappt, insbesondere vollständig überdeckt. Denn wie zuvor beschrieben, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig, eine Justierung beispielsweise zwischen Dotierschicht und Implantationsbereich zu berücksichtigen. So kann in vorteilhafter Weise insbesondere die Dotierschicht den Implantationsbereich vollständig überdeckend aufgebracht werden. In besonders vorteilhafter, prozessökonomischer Weise wird daher in Verfahrensschritt B die Dotierschicht ganzflächig mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die erste Oberfläche der Halbleiterschicht aufgebracht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vielfältige Variationen hinsichtlich der Ausbildung und Anordnung des Implantationsbereichs:
In einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich der Implantationsbereich lediglich über einen Teilbereich der ersten Seite der Halbleiterschicht. Hierdurch wird somit an der ersten Seite der Halbleiterschicht in der Halbleiterschicht ein lokaler Dotierbereich des ersten Dotierungstyps mittels des ersten Dotierstoffs erzeugt. Insbesondere ist es vorteilhaft, an der ersten Seite der Halbleiterschicht mehrere Implantationsbereiche, welche örtlich voneinander beabstandet sind, auszubilden, so dass entsprechend mehrere beabstandete Dotierbereiche des ersten Dotierungstyps ausgebildet werden. Dies ist insbesondere bei Ausbildung einseitig kontaktierter Bauelemente, wie beispielsweise einseitig kontaktierter Solarzellen, bei welchen sowohl die p-, als auch die n-Kontaktierung von einer Seite, typischerweise der bei Verwendung der einfallenden Strahlung abgewandten Rückseite der Solarzelle, erfolgt.
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Hierbei ist es Insbesondere vorteilhaft, dass die Dotierschicht die erste Seite der Halbleiterschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar vollständig bedeckend aufgebracht wird. Hierdurch wird somit in einfacher Weise ein Dotierschema an der ersten Seite der Halbleiterschicht erzielt, bei welchem mindestens ein Implantationsbereich einen Dotierbereich des ersten Dotiertyps ausbildet und in allen anderen Bereichen ein Dotierbereich des zweiten Dotiertyps ausgebildet wird.
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Insbesondere bei Vorsehen einer Mehrzahl von Implantationsbereichen, die wie zuvor beschrieben räumlich voneinander beabstandet sind, wird somit das Ausbilden mehrerer, räumlich beabstandeter Dotierbereiche des ersten Dotierungstyps in einem alternierenden Dotierungsmuster an der erste Seite der Halbleiterschicht in einfacher Weise erzielt, bei welchem sich jeweils ein Dotierbereich des ersten Dotierungstyps und ein Dotierbereich des zweiten Dotierungstyps entlang der ersten Seite der Halbleiterschicht abwechseln.
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Sofern der Implantationsbereich sich lediglich über einen Teilbereich der ersten Seite der Halbleiterschicht erstreckt, erfolgt vorteilhafterweise in Verfahrensschritt A die Implantation mittels einer Maske. Eine lokale Implantation mittels einer Maske ist an sich bekannt und stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, einen oder mehrere lokale Implantationsbereiche zu erzeugen.
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Die Maske ist für den ersten Dotierstoff undurchdringlich ausgebildet und kann in an sich bekannter Weise mittelbar oder unmittelbar auf der Halbleiterschicht angeordnet sein, insbesondere als Lackmaske ausgebildet sein. Ebenso kann die Maske mittels Druckverfahren aufgebracht werden, beispielweise mittels Inkjet- oder Siebdruck.
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Besonders vorteilhaft ist es, eine Schattenmaske zu verwenden, welche beabstandet von der Halbleiterschicht zwischen Halbleiterschicht und der Ionenstrahlquelle für den ersten Dotierstoff angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich einfaches Verfahren, da keine Maske auf die Halbleiterschicht aufgebracht und anschließend wieder entfernt werden muss.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Implantationsbereich über die gesamte erste Seite der Halbleiterschicht. In diesem Fall wird somit an der gesamten ersten Seite der Halbleiterschicht ein Eindringen des zweiten Dotierstoffes verhindert oder zumindest im Wesentlichen vermieden.
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Vorteilhafterweise wird hierbei die Dotierschicht die erste Seite der Halbleiterschicht und eine der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Halbleiterschicht jeweils mittelbar oder bevorzugt unmittelbar vollständig bedeckend aufgebracht.
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Hierdurch ergibt sich eine einfache Verfahrensführung, da ohne Verwendung beispielsweise einer Schattenmaske zunächst vollflächig an der ersten Seite ein Implantationsbereich ausgebildet wird und es bei den typischen Implantationsverfahren in der Natur des Implantationsverfahren liegt, dass die Implantation lediglich an einer Seite der Halbleiterschicht erfolgt. Das Ausbilden der Dotierschicht, beispielsweise aus der Gasphase erfolgt jedoch typischerweise beidseitig, so dass in besonders einfacher, prozessökonomischer Weise in Verfahrensschritt B beidseitig und insbesondere jeweils ganzflächig die Dotierschicht an der ersten und zweiten Seite der Halbleiterschicht aufgebracht wird.
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Hierdurch wird somit in einfacher Weise eine Dotierung mittels des ersten Dotierstoffs an der ersten Seite und eine Dotierung mittels des zweiten Dotierstoffs an der zweiten Seite erzielt. Diese bevorzugte Ausführungsform ist somit insbesondere für photovoltaische Solarzellen geeignet, welche an beiden Seiten Kontaktierungsstrukturen zum Abführen von Ladungsträgern aufweisen oder entsprechend für Leuchtdioden, welche entsprechend an beiden Seiten Kontaktierungsstrukturen zum Zuführen von Ladungsträgern aufweisen.
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Das Aufbringen der Dotierschicht in Verfahrensschritt B und das Eintreiben sowie der oder die weiteren Vorgänge in Verfahrensschritt C können in-situ in einer Prozesskammer, insbesondere in einem Rohrofen ausgeführt werden, sodass sich ein kostengünstiges Verfahren ergibt.
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Vorzugsweise erfolgt in Verfahrensschritt C eine Erwärmung auf eine Temperatur größer 700°C, bevorzugt eine Temperatur im Bereich 700°C bis 1000°C, insbesondere bevorzugt eine Temperatur über 800°C. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für typische Dotierstoffe zumindest eine teilweise Aktivierung erfolgt.
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Bei Verwendung von Bor als zweiten Dotierstoff ist es vorteilhaft, dass eine Erwärmung auf eine Temperatur größer 800°C, bevorzugt eine Temperatur im Bereich 850°C bis 950°C, erfolgt, um eine geeignete Diffusion zu erzielen.
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Bei Verwendung von Phosphor als ersten Dotierstoff ist es vorteilhaft, dass eine Erwärmung auf eine Temperatur größer 800°C, bevorzugt eine Temperatur im Bereich 850°C bis 950°C, erfolgt, um eine geeignete Aktivierung und Diffusion zu erzielen.
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Die Erwärmung erfolgt vorzugsweise für eine Zeitdauer von zumindest 1 Minute, bevorzugt zumindest 10 Minuten, insbesondere zumindest 30 Minuten, da bei einer zu kurzen Erwärmungsdauer keine ausreichende Diffusion der Dotierstoffe in die Halbleiterschicht erfolgt.
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Vorzugsweise wird nach Verfahrensschritt C mittelbar oder unmittelbar in einem Verfahrensschritt D auf die Halbleiterschicht unmittelbar eine metallische Kontaktierungsstruktur aufgebracht. Die metallische Kontaktierungsschicht steht somit zumindest teilflächig in unmittelbarem Kontakt mit der Halbleiterschicht, zur Ausbildung eines elektrischen Kontakts. Hierdurch werden in einfacher Weise an sich bekannte Kontaktierungsstrukturen zum Zuführen oder Abführen von Ladungsträgern ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach Verfahrensschritt C in einem Verfahrensschritt D' eine dielektrische Schicht auf die Halbleiterschicht aufgebracht und in einem Verfahrensschritt D'' eine metallische Kontaktierungsschicht auf die dielektrische Schicht aufgebracht, zur Ausbildung einer metallischen Kontaktierungsstruktur. Die metallische Kontaktierung wird derart ausgebildet, dass bereichsweise ein Durchdringen der metallischen Schicht durch die dielektrische Schicht erzeugt wird. Dies wird bevorzugt dadurch erzielt, dass zwischen Verfahrensschritt D' und Verfahrensschritt D'' die dielektrische Schicht lokal an mehreren Bereichen geöffnet wird. An diesen Bereichen der lokalen Öffnung durchdringt die Kontaktierungsschicht somit die dielektrische Schicht, zur Ausbildung eines elektrischen Kontakts mit der Halbleiterschicht. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die dielektrische Schicht ganzflächig ohne Öffnungen aufzubringen und hierauf die metallische Kontaktierungsschicht bevorzugt ganzflächig aufzubringen und mittels lokaler Wärmeeinwirkung mittels eines Lasers durch ein LFC-Verfahren lokal elektrische Kontaktierungen zu erzeugen, wie beispielsweise in
DE 10046170 A1 beschrieben.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die dielektrische Schicht die Halbleiterschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an zumindest der ersten Seite vollständig bedeckt.
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Typische Halbleiterbauelemente, insbesondere photovoltaische Solarzellen oder Leuchtdioden basieren auf Silicium. Die Halbleiterschicht ist daher bevorzugt als Siliciumschicht ausgebildet.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterschicht auf einem Substrat, welches ebenfalls ein Halbleiter oder ein Nichthalbleiter sein kann, mittelbar oder unmittelbar aufgebracht ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Halbleiterschicht als Halbleitersubstrat ausgebildet ist, insbesondere als Halbleiterwafer, bevorzugt als Siliciumwafer.
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Um ein besonders kostengünstiges Verfahren zu erzielen, ist es vorteilhaft, dass bei der Herstellung des Halbleiterbauelementes eine Erzeugung von Dotierbereichen des ersten Dotierungstyps ausschließlich mittels Ionenimplantation, insbesondere ausschließlich in Verfahrensschritt A erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Herstellen einer photovoltaischen Solarzelle geeignet.
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Die Bezeichnung „Seite der Halbleiterschicht” wird in dieser Anmeldung in der bei den Halbleiterbauelementen typischen Bedeutung verwendet, d. h. sie bezeichnet eine großflächige Oberfläche der Halbleiterschicht. Typischerweise wird bei Solarzellen und Leuchtdioden diejenige Seite, in welche bei Benutzung Licht eindringt bzw. Licht austritt als Vorderseite und die gegenüberliegende Seite als Rückseite bezeichnet.
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In vorteilhafterweise wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung einer photovoltaischen Solarzelle das Verfahren derart angewendet, dass die erste Seite die Rückseite der Solarzelle ist.
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In Verfahrensschritt C erfolgt die Wärmeeinwirkung vorzugsweise durch Erwärmen in einem Ofen, insbesondere einem Rohrofen. Ebenso kann die Wärmeeinwirkung mittels Beaufschlagung mit Strahlung, insbesondere Laserstrahlung erfolgen.
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Weitere bevorzugte Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1 in der linken Spalte I. Teilschritte a) bis c) eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem sich ein Implantationsbereich vollständig über eine erste Seite einer Halbleiterschicht erstreckt und in der rechten Spalte II) Teilschritte a) bis c) eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in welchem sich ein Implantationsbereich lediglich über einen Teilbereich einer ersten Seite einer Halbleiterschicht erstreckt.
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Sämtliche Darstellungen in 1 zeigen schematische Teilschnittdarstellungen im Herstellungsverfahren einer photovoltaischen Solarzelle, welche nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Insbesondere erstreckt sich die Solarzelle bzw. deren Vorstufe bei der Herstellung nach rechts und links fort und weitere Details sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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In 1 bezeichnen gleiche Bezugselemente gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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In der linken Spalte I) der 1 sind Teilschritte eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erzeugen von Dotierbereichen in einer Halbleiterschicht 1 dargestellt. Die Halbleiterschicht 1 ist als n-dotierter Siliciumwafer mit einer Grunddotierung von 0.5 bis 10 Ohm cm ausgebildet. Das Verfahren dient zur Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle.
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In Teilbild a) ist ein Verfahrensschritt A dargestellt, in welchem ein Implantieren eines Dotierstoffs Phosphor, welcher somit den n-Dotierungstyp aufweist, in einem Implantationsbereich 2 in der Halbleiterschicht 1 erfolgt. Der Implantationsbereich 2 grenzt an eine erste Seite der Halbleiterschicht, welche vorliegend die Vorderseite VS der Halbleiterschicht 1 ist.
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Wie in 1, I), a) ersichtlich, wird der Implantationsbereich 2 vollflächig an der ersten Seite der Halbleiterschicht 1 erzeugt.
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Die Implantation erfolgt in an sich bekannter Weise bei einigen Tausend Elektronenvolt Ionenenergie mit einer Dosis von 1e14 bis 1e16 cm–2.
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In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Aufbringen einer Dotierschicht 3 beidseitig und ganzflächig unmittelbar auf die Halbleiterschicht 1. Die Dotierschicht 3 bedeckt somit ganzflächig die Vorderseite VS, als auch die Rückseite RS der Halbleiterschicht 1.
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Die Dotierschicht enthält Bor als zweiten Dotierstoff und weist somit den p-Dotierungstyp auf.
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Die Dotierschicht 3 ist in an sich bekannter Weise als Borsilikatglas ausgebildet und wird in einem an sich bekannten Rohrofenprozess erzeugt. Ein solches Vorgehen wird auch als beidseitige Belegung der Halbleiterschicht 1 mit Borsilikatglas (BSG) bezeichnet.
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In diesem Rohrofenprozess werden bei Temperaturen zwischen 700°C und 950°C, vorliegend etwa 900°C, für eine Zeitdauer von 30 bis 60 Minuten mittels Wärmeeinwirkung Boratome aus dem BSG, d. h. der Dotierschicht 3 in die Halbleiterschicht 1 zur Erzeugung eines zweiten Dotierbereichs 4 eingetrieben. Es entsteht somit an der Rückseite RS ganzflächig ein bordotierter Bereich, welcher den zweiten Dotierbereich 4 darstellt. Gleichzeitig erfolgt ein Aktivieren des ersten Dotierstoffs Phosphor, ein Ausheilen, der durch die Implantation von Phosphor erzeugten Kristallschäden in der Halbleiterschicht 1 sowie ein Eintreiben des implantierten Dotierstoffs Phosphor zur Ausbildung eines ersten Dotierbereichs 2a. Der erste, phosphordotierte Dotierbereich 2a erstreckt sich somit ganzflächig an der Vorderseite VS der Halbleiterschicht 1. Darüber hinaus erfolgt durch die Temperaturbehandlung ein Ausheilen des Implantationsbereichs 2. Während der Implantation wurde der Implantationsbereich 2 zumindest teilweise amorphisiert. Bei der vorgenannten Temperaturbehandlung erfolgt hingegen eine Rekristallation des amorphen Bereichs in einen kristallinen Bereich, so dass darüber hinaus etwaige Defekte ausgeheilt werden.
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Das Ergebnis ist in 1, I), b) dargestellt.
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Obwohl die Dotierschicht 3 auch den Implantationsbereich 2 vollflächig bedeckt, erfolgt jedoch im wesentlichen keine Diffusion von Bor in den Implantationsbereich 2, da der implantierte Phosphor im Implantationsbereich als Diffusionsbarriere gegenüber Bor wirkt. Der Implantationsbereich 2 ist somit als Diffusionsbarriere für den zweiten Dotierstoff Bor ausgebildet. Hierbei ist es durchaus möglich, dass geringe Menge Bor in den Implantationsbereich 2 eindringen, wesentlich ist jedoch, dass im gesamten Implantationsbereich und in dem gesamten ausgebildeten ersten Dotierbereich 2a eine derart geringe Menge des zweiten Dotierstoffs eindiffundiert, dass die elektrischen Eigenschaften vollständig oder zumindest im Wesentlichen durch den ersten Dotierstoff Phosphor bestimmt werden.
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Es besteht somit ein erheblicher Unterschied zu vorbekannten Verfahren mittels Überkompensation: Die Dotierkonzentration des zweiten Dotierstoffs Bor im zweiten Dotierbereich 4 ist erheblich größer, typischerweise um mindestens eine Größenordnung größer, als die Dotierkonzentration des zweiten Dotierstoffs Bor im ersten Dotierbereich 2a, aufgrund etwaiger geringfügiger Diffusion aus der Dotierschicht 3 in den Implantationsbereich 2. Hinsichtlich der elektronischen Eigenschaften wirkt der Implantationsbereich 2 somit als (vollständige) Diffusionsbarriere für den zweiten Dotierstoff, unabhängig davon, ob auf atomarer Ebene geringfügige Mengen des zweiten Dotierstoffs Bor in den Implantationsbereich 2 eindringen.
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Anschließend wird mittels Flusssäure das Borsilikatglas entfernt. Das Ergebnis ist in 1, I), c) dargestellt. Es wurde somit auf einfache Weise an der Vorderseite VS der Halbleiterschicht 1 ein phosphordotierter, erster Dotierbereich 2a und an der Rückseite RS der Halbleiterschicht 1 ein bordotierter, zweiter Dotierbereich 4 ausgebildet.
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Die Vorderseite VS bezeichnet hierbei die bei Verwendung der Solarzelle der Strahlung zugewandte Seite.
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In der rechten Spalte 1, II) ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welcher an der Rückseite RS der Halbleiterschicht 1 mehrere lokale erste Dotierbereiche 2a ausgebildet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich ein lokaler erster Dotierbereich 2a dargestellt.
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In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein lokales Implantieren des ersten Dotierstoffs Phosphor in dem Implantationsbereich 2. Das lokale implantieren erfolgt, indem mittels einer Schattenmaske M in Teilflächen eine Implantation des ersten Dotierstoffs verhindert wird. Dies ist in 1, II), a) dargestellt.
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Es liegen somit nach Verfahrensschritt A an der Rückseite RS der Halbleiterschicht 1 mehrere, örtlich voneinander beabstandete lokale Implantationsbereiche 2 vor. Hierzu weist die Schattenmaske M entsprechend mehrere Öffnungen auf, dies ist wie zuvor ausgeführt aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt.
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In einem Verfahrensschritt B erfolgt wie bereits bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ein beidseitiges Belegen der Halbleiterschicht 1 mit der Dotierschicht 3, welche als Borsilikatglas ausgebildet ist und somit Bor als zweiten Dotierstoff enthält.
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Anschließend erfolgt in einem Verfahrensschritt C wie auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, gleichzeitig Aktivieren des ersten Dotierstoffs, ein Eintreiben des zweiten Dotierstoffs aus der Dotierschicht 3 in die Halbleiterschicht 1, ein Eintreiben des ersten Dotierstoffs aus dem Implantationsbereichs 2 zur Erzeugung des ersten Dotierungsbereichs 2a und ein Ausheilen von Defekten im Implantationsbereich 2. Ein wesentlicher Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist, dass aufgrund der lokalen Ausgestaltung des Implantationsbereichs 2, welcher somit die Rückseite RS der Halbleiterschicht 1 nicht vollflächig bedeckt, an der Rückseite RS der Halbleiterschicht 1 alternierend zweite Dotierbereiche 4 und erste Dotierbereiche 2a vorliegen. An der Vorderseite VS der Halbleiterschicht 1 ist hingegen ganzflächig ein zweiter Dotierbereich 4, welcher somit ebenfalls bordotiert ist, ausgebildet.
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Das Ergebnis ist in 1, II), b) dargestellt.
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Anschließend wird wie zuvor beschrieben das Borsillkatglas entfernt. Das Ergebnis ist in 1, II), c) dargestellt.
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Mittels des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde somit in einfacher Weise die Herstellung einer photovoltaischen Solarzelle ermöglicht, welche an der Vorderseite VS ganzflächig einen bordotierten Dotierbereich aufweist und an der Rückseite alternierend bordotierte und phosphordotierte Dotierbereiche. Hierdurch kann somit in einfacher Weise rückseitig einerseits mittels einer metallischen Kontaktierungsstruktur der bordotierte, zweite Dotierbereich 4 kontaktiert werden und andererseits mittels einer weiteren metallischen Kontaktierungsstruktur, der phosphordotierte, erste Dotierbereich 2a, so dass eine rückseitenkontaktierte photovoltaische Solarzelle ausgebildet wird. Die an der Vorderseite VS ausgebildete Bordotierung kann hierbei ohne eigenständige elektrische Kontaktierung als sogenannter „floating emitter” an der Vorderseite dienen, um den Einsatz andere Passivierungsschichten zu ermöglichen und/oder den lateralen von Minoritätsladungsträgern zu verbessern.
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Ebenso kann (nicht dargestellt) eine elektrisch leitende Verbindung des Dotierbereichs 4 an der Vorderseite VS zu dem Dotierbereich 4 an der Rückseite RS erfolgen, beispielsweise indem eine EWT-Solarzelle ausgebildet wird, durch Vorsehen einer weiteren lokalen Bordiffusion, welche die Halbleiterschicht senkrecht zur Vorderseite durchdringt und somit den vorderseitigen Dotierbereich 4 mit dem rückseitigen Dotierbereich 4 verbindet und/oder durch Ausbildung einer MWT-Solarzelle, indem eine zusätzliche Metallisierung des Dotierbereiches 4 vorgesehen ist, welche durch die Halbleiterschicht 1 hindurchgeführt wird zu einer rückseitigen Kontaktierung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0227095 A1 [0006, 0016]
- DE 10046170 A1 [0047]