TW201007956A - Nitrided barrier layers for solar cells - Google Patents

Description

201007956 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於太陽能..電池，並且更明確地說，係有 關於具有氮化接合面的太陽能電池。 【先前技術】 許多類型的太陽能電池具有因為所用材料及/或其製 造製程而能夠改善因而有較佳的接合面及接觸性質的結 • 構。 例如’多晶矽射極太陽能電池在8〇年代早期即已面 世。其通常是由多晶矽沉積在例如二氧化矽的薄通道介 電質上所構成。該介電質理應發揮兩種功能。首先，其 旨在鈍化該多晶矽和該基材間的介面。第二，其旨在阻 斷擴散以形成一超陡峭接合面。 但是，這些元件並未商業化。這部分是因為以低成本 , 取得壽命長的n型發容易許多。在此情況+，該多晶# 必須換雜蝴，以產生ρ型多晶石夕，而一薄的二氧切層 無法阻止硼擴散。這是一個問題，因為該多晶矽係用兩 個步驟形成。在第一步驟中，其係在相對低的溫度下沉 積，通常是650-700¾。此時硼擴散是可以忽略的。但是， 該多晶矽隨後必需退火，通常在> 9 〇 01下持續約3 〇秒， 以將其迸化。該密化降低該層的表面電阻至可用值（通常 疋<200歐姆’平方)，並且也降低光吸收。纟密化時間/ 溫度中’删有實質擴散，其產生一習知p_N接合區太陽 201007956 能電池，但並無超陡哨接合面。因此，無法製得具有超 陡峭接合面的多晶矽太陽能電池。 一種類型相仿的高效率單一接合面太陽能電池，達到 24.7%的效率，使用例如D圖所示的選擇性射極結構（見 A. Aberle，結晶矽太陽能電池：進階鈍化及分析，

Books’雪梨，1999)β該選擇性射極係由該等觸點ι〇2 間的區域内之淺的、適度摻雜的擴散1〇6(在〇3微米厚、 l〇19/cm3摻雜等級），以及在該等觸點下方之深的、高度 摻雜區108(在1-3微米深以及摻雜5 χ 1〇19/em3等級）構 成。該等觸點開口通透塗層104係2_3微米寬，而該等 金屬柵線102係對準在該等微型開口上。需要該等狹窄 觸點來最小化金屬與該表面的接觸區，因為此接觸區會 導致高載子復合》 此結構因為幾個原因而讓其製造相當複雜。首先，該 深擴散必須在與該淺擴散不同的製程步驟中完成，並且 可能需要數小時的擴散時間。再者，該等觸點孔和觸點 線必須與該等深擴散微影對準。此種精準的微影技術所 費不貲且進程緩慢。第三，需要微型觸點孔，因而被迫 使用高解析度微影技術。 另一種類型的已知太陽能電池是MIS型太陽能電池 (見Sze ’半導體元件物理，第二版，wiley，1981，第 820頁）°這些元件可與多晶矽觸點合併，以提供適當的 功函數（見Green，太陽能電池：進階原理&實務，光電 70件及系統中心，新南威爾斯大學，雪梨，丨995，第 201007956 181-186 頁及 212-214 頁）。

該MIS太陽能電池結構係如第2A圖所示。其係由位 於一 P型基材202上之一薄的通道氧化物2〇4—通常是 15埃厚構成。前部觸點指206係形成在該氧化物上，利 用金屬或多晶矽，但較偏好後者以避免釘住（pinning)該 表面的費米能階。也可摻雜該通道氧化物下方的基材， 以提供橫向導電率並減少表面復合。形成後部觸點2〇8 以完成該元件。 第2B圖示出此元件結構之一問題，其圖示出該接合面 特性。如上所述，；f 204内的二氧化發是不良的擴散阻 障。因此，來自該多晶矽觸點2〇6的換質原子會擴散進 入下方矽202内。例如，若該多晶矽為n型且以磷掺雜， 則在該多晶矽成長期間磷會擴散通過該薄的二氧化矽， 導致下方矽也變成η型。因此，該二氧化矽上會有相當 小的電場21〇’如第28圖所示般。因為穿隧電流是此電 場的指數函數，該薄的二氧化矽因而會導致降低電池填 充因子和效率的串聯電阻。 個問題在於例如該多晶矽和 内形成，在此晶圓係垂直持 先前技藝MIS電池的另一 薄二氧化梦的層係在擴散爐 定在具狹缝的晶舟中。這對於較厚晶圓而言是拾當白 (>200微米厚）’但會對較薄晶圓造成無法接受的損壞。 因此，存在有改善的機會，以形成一通道介電質，^ 防止擴散以增加該介電質上的電場，以及容許該等層^ 用置於平面基座上的晶圓形成的製程。此外，技藝中众 201007956 有對於在太陽能電池内形成點接觸之一種較不複雜的、社 構及技術之需要。再者，技藝中仍有對於具有超陡峭接 合面的多晶矽射極和其他類型的太陽能電池，及其製造 方法之需要。 【發明内容】 本發明係有關於多晶矽及淺射極太陽能電池，並且更 明確地說，係有關於具有超陡峭接合面的此種類型太陽

能電池，及製造此種太陽能電池的方法。根據一態樣， 根據本發明之多晶矽射極太陽能電池包含一氮化通道絕 緣體。該氮化反應防止硼擴散，使位於n型矽元件上的 Ρ型多晶矽可有一超陡峭接合面。一種有利的結果是一 非常低反向飽和電流元件在一低成本基材上。使用一氮 化的氧化物做為擴散阻障，以賦予使用一多晶矽射極的 能力。 根據另一態樣，在一 MIS太陽能電池結構之通道氧^ 層内使用一氮化的氧化物（DPN)。該DpN層最小化電丨 損傷’造成改善的介面性質。於县一 μ费从 Κ %是上覆的多晶矽射^ 可提供低表面電阻射極， 應、過量復合、或吸收_.， 而不會在該基材内有重摻雜效 並且較習知擴散的射極或TC〇 有顯著改善。MIS結構的薄膜可利用適合無法在擴散管 内堆疊的薄晶圓的平面製程形成，並以習知方式完成。 一 DPN氧化物及多晶石夕射極的組合在該咖氧化物上 造成高摻雜梯度，因而-高的電場以降低串聯電阻。可 201007956 使該DPN薄膜帶電而產生表面反轉（surface inversi〇n)或 控制表面載子濃度，排除換雜基材的需要。該基材表面 可反換雜以增加該MI S氧化物上的穿隨場（及電流）。 本發明更有關於用於太陽能電池之改善的射極觸點的 方法及設備。根據另一態樣，本發明包含一種製造一太 陽能電池結構的方法’其功能與一選擇性射極相同，但 不需要多重擴散、長途擴散、對準微影技術或精細的觸 點孔。 在這些及其他態樣的推動下，根據本發明某些實施例 的太陽能電池包含一基材、一通道介電質，其係經氮化 形成在該基材上，以及一摻雜的多晶矽層，形成在該氮 化的通道介電質上。 在這些及其他態樣的額外推動下，根據本發明某些實 施例的太陽能電池射極觸點包含一介電層，形成在具有 一開口形成在其内之一射極上；一氮化層，形成在該介 電層上及該開口内·，一多晶矽層’與該開口重疊；以及 敷金屬（metallization)，與該多晶矽層接觸。 在這些及其他態樣的又額外推動下，根據本發明某些 實施例的MIS太陽能電池包含一基材；一多晶矽層，位 於該基材上；-絕緣層，介於縣材和該多晶砂層之間， 其包含一氮化的擴散阻障，以防止從該閉極擴散進入該 基材。 【實施方式】 201007956 現在將參考囷式詳細描述本發明，該等圖式係經提供 作為說明範例以使熟知技藝者能夠實施本發明。顯然， 下面的圖式及範例並無意將本發明範圍限制在單一實施 例中，且藉由互換某些或所有描述出或顯示出的元件， 其他實施例是可能的。此外，當可利用已知部件部分戋 完全實施本發明之某些元素時，僅會描述此種已知部件 對本發明的了解而言必要的部分，並省略此種已知部件 • 的其他部分之詳細描述，以避免混淆本發明。在本說明 書中，不應將示出單一個部件的實施例視為限制性；反 之本發明意欲囊括包含複數個相同部件的其他實施 例，反之亦然，除非在此以其他方式明確申明。此外， 申請人不欲說明書或申請專利範圍内的任何用詞被歸類 為具有不尋常或特別意涵’除非如此明確提出。另外， 本發明囊括在此藉由說明方式引用的已知部件·之目前及 未來的已知等效物。 • 本發明認定超陡峭接合面提供太陽能電池改善的效 率’因為開路電流與光生電流，Jt，對該反向飽和電流， j0 ’之比例的對數有關，如

Voc= kT/q In (JL/J〇+l) 其中該反向飽和電流係得自 J0 =q(Dnnp/ Ln + Dppn / Lp) 其中D是少數載子擴散率，n(p)是少數^子濃度，而l 是擴散長度。例如，在P型多晶石夕位於—低摻雜的η型 基材上的例子中，該多晶矽係重度摻雜，所以該少數載 201007956 子濃度，np，基本上是零。因此，只有第二項會對了。做 出貢獻。可達到非常低的值，因為L值很大。 本發明人更認定氮化矽和氮氧化矽層可用來阻斷硼擴 散。這些可藉由成長二氧化矽層並植入氮以形成氮氧化 物，或藉由在矽或非常薄的二氧化矽基底上熱成長氮化 矽層來形成》 據此，在一實施例中，本發明形成具有改善的接合面 性質之多晶矽射極太陽能電池，如第3圖所示。如第3 圖所不，該太陽能電池包含透過在一硼摻雜的多晶矽層 306下方及一 p型基材3〇2上方沉積一氮化的閘極通道 絕緣艎304形成的接合面。與M〇s電晶體上的閘極堆疊 對比，該氮化物層覆蓋該太陽能電池整個表面。栅線3〇8 完成該電池的頂表面。 本發明之一態樣係使用取代二氧化矽之氮化的閘極絕 緣層304。該氮化絕緣體阻斷硼擴散，提供一陡峭接合 面，即使運用了熱密化步驟。該密化步驟因為兩個原因 而是有利的。第一，莫降低該多晶矽3()6的電阻率，因 而可用來傳導電流至觸點柵線3〇8。第二，其減少該多 晶矽的光吸收。雖然該多晶矽射極太陽能電池和氮化的 閘極氧化物兩者在技藝中皆是已知的，但這些元件已存 在超過十年而無此組合出現在太陽能電池應用的先前技 藝中。事實上，直至2006年，一提出申請的美國專利申 請案（美國專利公開案第2007/0256728號）明確提出一通 道氧化物的使用，但並沒有提及氮化的通道介電質，並 201007956 且在該說明書的描述中明確指出避免高溫步驟。 第4圖示出根據本發明之此實施例之一範例製程流 程。在#驟402 ί青潔一石夕基材表面之後，形成一通道絕 緣層。根據本發明，該通道絕緣體的氮化矽和氮氧化矽 層可用來阻斷硼擴散。如第4圖所示，這些可藉由在步 驟S404成長二氧化矽層’並在步驟S4〇6植入氮以形成 氮氧化物，或藉由在步驟S408在矽或非常薄的二氧化矽 基底上熱成長氮化珍層來形成。在任一種情沉中号通 ® 道絕緣體較佳地係在8-12埃厚等級。 如第4圖進一步示出者，接著形成該多晶矽層。較佳 地，該多晶矽層約500-1000埃厚，並且該多晶矽摻雜係 在2至20 X 1020/立方公分範圍内，提供5〇2〇〇歐姆/ 平方等級的表面電阻。如所示，該沉積較佳地在兩個步 驟S410和S412中發生。首先，利用習知矽烷或二矽烷 的CVD分解在670°C下沉積該多晶矽。接著，利用3〇 參 秒l〇5〇°C的退火來密化該多晶珍。 可執行額外的處理步驟以在該電池的前及^/或後表面 上形成觸點應是很明顯的。 根據進一步態樣，本發明實施例使用一多晶矽通道接 合面來取代選擇性射極型太陽能電池内的深擴散。這除 去該深擴散及相關的圖案化步驟，並讓剩餘的圖案化可 在無嚴謹的對準或精細的特徵結構下完成。 第5圖示出根據本發明之這些實施例的結構。如所 示，其包含形成在一矽基材502上之摻雜的射極層5〇4。 201007956 一埋氧化層506係經形成在射極層5〇4上，具有蝕刻在 其内介於部分多晶矽層5〇8和觸點5 1〇之間的觸點孔。 根據本發明之進一步態樣，一薄的通道氧化層（未示出） 也包含在多晶矽層508和射極層5〇4之間。關於此結構 的進一步細節可因下面的製程流程描述而變得顯而易 見。 為了促進對於本發明之態樣的了解，第6A圓示出一習

❹ 知製程流程，並且第6B圖示出根據本發明之這些實施例 的製程流程。 如第6A圖所示，在先前技藝中，必須在觸點區内完成 該深擴散步驟S606,而需要前置的光罩氧化物形成步驟 S602和圖案化步驟S6〇4e在後繼的深擴散步驟86〇6之 後，在S608除去該光罩氧化物。然後執行剩餘的處理步 驟S610至S620’其在助於了解本發明並且與本發明者 類似的範圍内將會在下方描述。 如第6B圖所示’纟新製程中除去該習知製程内最初的 三個步驟，其以步驟S652之淺射極5〇4擴散開始.，並且 可以熟知太陽能電池技藝者所知的許多方式執行。在一 習知去光阻步驟S654後，接著在步驟S656形成一鈍化 氧化物506 ’並在步驟S658在其内餘刻孔。與先前技藝 不同，此步驟S658不但可如共案審查之pcT申請案第 PCT/US09/31868號中所揭示般執行，而且也可以熟知 陽能電池技藝者所知的其它方式執行。因為該等觸點本 身被鈍化，故不需將孔尺寸限制在2_3微米，並且可形 12 201007956 成大許多的孔。這容許該圖案化步驟利用網印法而非微 影技術完成。 與習知製程的另一個差異，接下來在步驟S66〇成長一 薄的通道氧化物’利用例如Applied Materials的ISSG(現 場蒸氣產生）之製程。此氧化物係在12埃厚等級，並且 較佳地經過氮化以改善擴散阻障性質。然後，在步称 S662，接著沉積一薄的多晶矽層5〇8，其係在2〇〇 5〇〇 φ 埃厚等級。該薄的多晶矽是透明的，並且僅吸收非常少 部分的入射光。該多晶矽，或者，該氧化物/多晶矽組合， 提供觸點鈍化。可藉由將該等金屬導線從該等觸點孔偏 移來得到進-步的鈍化，因此下方的氧化物隔離該等觸 點510和該射極504 » 然後在步驟S664和S660形成該等金屬觸點51〇。注 意到因為該多晶矽是導電的’故其不必對準在該等觸點 孔上’而僅須接近該等觸點孔。因此，此步驟不需精細 • 的對準微影技術。 根據進-步態樣，本發明認定氮切薄膜已被視為太 陽能電池内的表面鈍化用。這些薄膜通常係帶電以反轉 纟面、減少表面上的多數載子濃度因此抑制表面陷阱内 的復合。認為利用最常見的方式—電㈣助化學氣相沉 積（PE-CVD)和滅射—沉積之薄膜可能會因為電聚的啟動 而有表面損傷，這稍微劣化該㈣棋的聽效能。這個 問題在於當該電漿首次啟始時沒有保護該表面的薄膜存 在〇 13 201007956 在本發明的下-個較佳實施例中，因此，先在該太陽 能電池表面形成-氮化的問極薄膜。這可在兩步驟製程 中完成。在表面清潔及氟化氫蝕刻以除去原氧化物之 後，形成一薄的二氧化矽層，通常是12至15埃厚。然 後在-遠距離氮氣電裂中氮化此層。來自—電㈣低能 量氮離子自身注入該氧化物内’形成一薄的氮化矽頂 層。與㈣介面餘留二氧切，具備良好的鈍化性質。 # 胃二氧化矽在錢化反應期間的存在也保護該表面不受 電漿損傷，克服先前技藝中所知的表面電漿損傷問題。 此製程可利用商用技術植入，例如，來自AppUed Materials的DPN製程。取決於製程參數，可注入更多或 更少的氮至該氧化物中。該等氮離子帶正電，因此可能 在該氧化物内留下殘餘電荷。這可用來偏壓該表面。例 如，若該基材是p型，該電荷可用來反轉該表面，因此 進一步減少復合。但是，這必須以一受控制方式完成， 參 因為反轉會降低維持一通道電流所需的電場，如在本發 明後方所述者。 接下來，在該DPN層上成長一多晶矽層，通常是2〇〇〇 埃厚。此層可原位摻雜，n型使用砷或磷，或p型使用 硼。對於太陽能電池之一獨特優勢是該氮化的氧化物現 在形成一擴散阻障’以避免該摻質擴散進入該下方石夕 内。在其他例子中，可利用電漿浸置離子植入法來摻雜 該多晶矽’雖然之後需要高溫退火步驟來活化摻質。在 該較佳實施例十’該多晶石夕層係經平均換雜以最小化該 201007956 結構的電阻》而後在前部及後部加入觸點，以完成該結 構，如習知處理般。 第7A圖示出使用上述根據本發明之這些實施例的製 程完成的MIS太陽能電池結構。如所示，其包含形成在 一基材702上的通道氧化層704、形成在該通道氧化層 704上的多晶梦層706、以及個別的前部及後部觸點7〇8 和710。如上所述，通道氧化層7〇4較佳地係經氮化， 镰 以包含一薄的DPN層（未示出）。第7B圖示出此例的能 帶結構。應注意到因為該氣化物成分，該氧化物上的電 場相較於第2B囷的先前技藝例子增加。該穿隧電流會增 加’克服先前技藝MIS太陽能電池的串聯電阻限制。 注意到在某些例子中，該等多晶矽觸點係經形成為局 部區域’如第2A圖所示般。但是，因為一薄的多晶矽層 有相當少的光吸收’該多晶矽可形成在一大區域上，或 甚至該太陽能電池的整個表面上。這降低該表面的表面 鲁 電阻且不會在該多晶矽和該電池之間的介面處增加不預 期的復合（由於該通道氧化物存在的功效）。此優勢再次 在降低的電池串聯電阻及改善的效率上看到。 在某些例子中，可在形成該DPN層之前在該矽的頂表 面内形成一摻雜層。其具有與該基材相同的導電型，並 具有比該多晶石夕低的摻雜；例如 1〇17至半數 l〇18(mid-1018)元子/立方公分。目的在於形成沒有少數 栽子的區域，以最小化該DPN層和該基材之間介面處的 復合。此層可以是1000至2000埃厚，並且可利用氣體 15 201007956 擴散形成但是’如上所註，此摻雜會降低該介電質上 的電場，因此若使用的話，較低的摻雜是較佳的。 雖然本發明已參考其較佳實施例具體描述，但可在不 背離本發明之精神及範圍下在形式及細節上做改變及調 整對於熟知技藝者而言是顯而易見的。所附申請專利範 圍意欲囊括此類改變及調整。 【圖式簡單說明】 在檢閱上面本發明具體實施例的描述連同附圖後，對 熟知技藝者而言本發明之這些及其他態樣和特徵結構會 變得顯而易見，其中： 第1圖示出習知高效率太陽能電池的選擇性射極結 構； 第2A和2B圓示出習知高效率MIS型太陽能電池内之 一射極結構的某些性質； 第3圖示出根據本發明實施例之多晶梦射極太陽能電 池結構； 第4圖示出根據本發明實施例製造具有超陡峭接合面 之多晶矽射極太陽能電池的製程流程； 第5圖示出根據本發明實施例之一太陽能電池的改善 的射極觸點結構； 第6 A和6B圖分別示出習知太陽能電池結構及根據本 發明實施例之太陽能電池結構的製程流程；以及 第7A和7B圖示出在根據本發明實施例之]VIIS型太陽 201007956 能電池内具有下方氮化層的射極結構之某些性質。

【主要元件符號說明】 102 ' 510 > 708 觸點 104 塗層 106 擴散 108 高度摻雜區 202 ' 302 ' 702 基材 204、 704 通道氧化物 206 前部觸點指 208 > 710 後部觸點 304 通道絕緣體 306、 706 多晶矽層 308 拇線 502 砍基材 504 射極層 506 埋氧化層 508 多晶矽層 17

Claims (1)

1. 201007956 七、申請專利範圍： 1. 一種太陽能電池，其至少包含： 一基材； 一通道介電質，其係經氮化形成在該基材上，以及 摻雜的多晶砍層，形成在該氮化的通道介電質上。 2·如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中上述 0 之通道介電質厚度係低於20埃。 3·如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中上述 之通道介電質係透過一二氧化矽層的氮化反應形成。 4.如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中上述 之通道介電質係透過熱氮化反應形成。 © 5.如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中硼係 用來做為該多晶矽層内之一摻質。 6.—種太陽能電池射極觸點，其至少包含： 一介電層’形成在具有一開口形成在其内之一射極 上； 一氮化層’形成在該介電層上及該開口内； 一多晶矽層’與該開口重疊；以及 18 201007956 敷金屬（metallization)，與該多晶破層接觸。 7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池射極觸點， 其中上述之多晶矽層係經摻雜。 8. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池射極觸點， 其中上述之通道絕緣體厚度係低於20埃。 ❿ 9. 一種MIS太陽能電池，其至少包含： 一基材； 一多晶矽層，位於該基材上； 一絕緣層，介於該基材和該多晶矽層之間，其包含一 氮化的擴散阻障。 10. 如申請專利範圍第9項所述之MIs太陽能電池，其中 _ 上述之擴散組障包含一氮化的氧化物、 u.如申請專利範圍第9項所述之MIS太陽能電池，其中 上述之多晶石夕層具有奥該基材相反的摻雜型。 U.如申請專利範圍第11項所述之MIS太陽能電池，其 中上述之基材包含一表面摻雜層。 13.如申請專利範圍第12項所述之MIS太陽能電池，其 19 201007956 中上述之表面摻雜層具有與該基材相同的導電型。 14. 如申請專利範圍第10項所述之MIS太陽能電池，其 中上述之氮化的氧化物係帶電，以控制表面載子濃度。 15. -種製造如申請專利範圍第i項所述之太陽能電池的 方法，其中在處理該多晶矽層期間，該氮化的通道介電 ❹ "且斷從該多晶矽層進入該基材内的擴散。 16·-種製造如中請專利範圍第6項所述之太陽能電池射 極觸點的方法，其中該射極係利用單一淺擴散製程形成。 種製造如申請專利範圍第9項所述之MB太陽能電 :^方法’其中在處理該多晶矽層期間，該氮化的擴散 阻障阻斷從該多晶石夕層進人該基材内的擴散。 Φ 20