Способ формирования n+-p-p+ - структур при изготовлении кремниевых фотопреобразователей

 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности кремниевых фотопреобразователей (ФП). Целью изобретения является повышение КПД ФП за счет изменения формы профиля распределения примесей и исключения взаимного их влияния. Цель достигается тем, что диффузию фосфора проводят в две стадии со сменой источника, при этом первую стадию диффузии фосфора проводят одновременно с диффузией бора.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности кремниевых фотопреобразователей (ФП). Известен способ изготовления кремниевых ФП с n⁺-p-p⁺-структурой, включающий нанесение в качестве источников примеси на одну из сторон пластин кремния боросиликатной пленки, на противоположную сторону - фосфорносиликатной пленки и одновременную термическую диффузию фосфора и бора в инертной среде при ~1000^oC. Однако, поскольку коэффициент диффузии фосфора при таких температурах в несколько раз превышает коэффициент диффузии бора, то это ведет к слишком большой глубине диффузии фосфора, что не позволяет изготовить высокоэффективные ФП с толщиной близкой к оптимальной толщине (~0,3 мкм) слоев кремния, легированных фосфором и бором. Известен способ изготовления диодной структуры типа n⁺-p-p⁺ путем использования раздельной диффузии вначале донорной (фосфора) примеси, образующей n⁺-p-n⁺ - структуру, а затем после удаления с одной из сторон n⁺-слоя формируют на ней с помощью вплавления и диффузии алюминия изотипный переход p-p⁺. Недостатком известного способа является необходимость нанесения защитного слоя перед химическим удалением n⁺-слоя с тыльной стороны ФП перед нанесением на нее слоя алюминия, что увеличивает трудоемкость изготовления ФП. Кроме того, получаемый легированием алюминием слой кремния обладает неоптимальными параметрами, что не позволяет изготовить высокоэффективные ФП с фоточувствительной тыльной поверхностью. Из известных способов изготовления кремниевых ФП наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, заключающийся в том, что на пластины кремния с тыльной стороны из пленкообразующего раствора способом центрифугирования наносят боросиликатную (СБ) пленку с концентрацией B₂O₃ 20 - 60 мас.% и толщиной > 0,2 мкм. На лицевую сторону таким же способом наносят фосфорносиликатную (ФС) пленку с пониженной концентрацией P₂O₅ 15 - 30 мас.%, что замедляет диффузию фосфора, приближая к скорости диффузии бора. Проводят термообработку кремния с пленками БС и ФС при 750 - 900^oC. Одновременную диффузию фосфора и бора проводят при 900 - 1000^oC. Химическим травлением удаляют пленки ФС и БС. Наиболее существенным недостатком этого способа является неоптимальность профиля распределения фосфора в легированном слое из-за необходимости снижения концентрации P₂O₅ в силикатной пленке и высокой температуры диффузии. Кроме того, наблюдается ухудшение свойств p-n-перехода из-за проникновения бора на поверхность, легируемую фосфором, что связано с наличием пор в ФС пленке и высокой температурной диффузии. Следствием этого являются недостаточная чувствительность ФП в коротковолновой области спектра и наличие ФП с низким КПД из-за шунтирования p-n-перехода. Целью изобретения является повышение КПД фотопреобразователя за счет изменения формы профиля распределения примесей и исключения взаимного их влияния. Сущность изобретения заключается в том, что профиль распределения примеси (фосфора) формируют посредством двухстадийной диффузии с промежуточным травлением рабочей стороны. Конечный профиль распределения фосфора представляет собой узкую приповерхностную область сильно легированного кремния с поверхностной концентрацией, соответствующей вырожденному кремнию, имеющую высокий градиент концентрации фосфора и более глубокую слаболегированную область с малым градиентом концентрации фосфора на границе p-n-перехода. Такой ступенчатый профиль распределения фосфора в легированном слое обеспечивает повышенное значение коэффициента собирания неосновных носителей и снижение токов утечки в области p-n-перехода, что обеспечивает повышение величины фототока, фотоЭДС и КПД фотопреобразователя. Наличие на обратной стороне кремниевой пластинки примесно-силикатной пленки, содержащей бор, является защитой от неконтролируемого попадания фосфора на поверхность кремния на второй стадии диффузии фосфора. Выбор режима первой диффузии обусловлен тем, что при T > 1050^oC пленка ФС не может защитить лицевую сторону от проникновения примеси бора, а при T < 950^oC диффузия бора не обеспечивает получение воспроизводимых результатов по величине R_сл. Продолжительность диффузии ниже 10 мин не позволяет получить достаточную воспроизводимость параметров n⁺-p-p⁺ - структуры, а продолжительность свыше 90 мин невыгодна с точки зрения получения высокой воспроизводительности процесса. Толщина пленки ФС не должна быть ниже 0,1 мкм из-за опасности проникновения бора через столь тонкую пленку ФС, с другой стороны, ее толщина не должна превышать 0,2 мкм и быть по крайней мере в 1,5 раза меньше толщины БС пленки, иначе затрудняется процесс полного удаления пленки ФС при одновременном сохранении пленки БС. Верхний предел превышения в 3 раза толщины БС над ФС пленкой обусловлен технологическими трудностями получения равномерной и плотной БС пленки при ее толщине свыше 0,5 мкм. Выбор диапазона концентрации P₂O₅ в ФС пленке связан с тем, что при концентрации > 10 мас.% n⁺-слой получается толще 0,3 мкм с R_сл< 300 Oм/□ и существует опасность проникновения фосфора через БС в тыльную сторону. При концентрации P₂O₅ < 3 мас.% сама ФС пленка не предотвращает проникновения бора в лицевую сторону и n⁺-слой имеет R_сл> 100 Oм/□ На стадии избирательного химического травления n⁺-слоя доводят величину R_сл до 300-100 Oм/□ Поскольку при R_сл> 1000 Oм/□ поверхности концентрация фосфора оказывается недостаточной для формирования на второй стадии диффузии ступенчатого, близкого к оптимальному профиля распределения фосфора, а при R_сл< 300 Oм/□ поверхностная концентрация оказывается излишне высокой (близкой к 10¹⁰cv^-3). Вторую стадию низкотемпературной диффузии фосфора проводят в диапазоне 800 - 930^oC, поскольку температура < 800^oC не позволяет сформировать n⁺-слой с достаточно высокой поверхностной концентрацией фосфора ($E>=>·10¹⁹см²), а при T> 930^oC n-слой получается слишком глубоким, поверхностная концентрация превышает 5·10²⁰см^-3, и происходит нежелательное изменение параметров p⁺-слоя, так как при это может наблюдаться диффузия бора. Продолжительность диффузии свыше 90 мин мешает получению резкого ступенчатого профиля распределения примеси и снижает трудоемкость изготовления, а кратковременная диффузия < 10 мин сопровождается получением плохо воспроизводимых результатов. Пример. На тыльную сторону пластин P - Si с удельным сопротивление 0,1 - 10Ом·см методом центрифугирования пленкообразующего раствора наносят БС пленку толщиной 0,2 - 0,5 мкм (предпочтительно 0,3 мкм) с концентрацией B₂O₃ мас.%. На лицевую сторону тоже центрифугированием пленкообразующего раствора наносят ФС пленку толщиной 0,1 - 0,2 мкм (предпочтительно 0,15 мкм) с концентрацией p₂O₅ 3 - 10 мас.% (предпочтительно 5 мас.%). Первую стадию диффузии фосфора ведут одновременно с бором при T = 950 - 1050^oC 10 - 90 мин (предпочтительно 1000^oC, 30 мин). Погружением в водный раствор NH₄F+30%-ная HCl (1ч + 1 - 2 ч) полностью растворяют пленку ФС, сохраняя пленку БС. Погружением в раствор H₂O + K₂C₂O₇+48%-ная HF(40 - 80 :1:8 - 15 мас.%) травят лицевую сторону кремния до получения слоевого сопротивления h⁺-слоя R_сл= 300-9000 Oм/□ (предпочтительно 600 Oм/□) при сохранении на тыльной стороне пленки БС толщиной 0,15 - 0,2 мкм. После промывки и сушки кремния проводят вторую стадию диффузии фосфора при T = 800 - 930^oC в течение 10 - 90 мин (предпочтительно T = 830^oC, 30 мин) из источника фосфора, обеспечивающего получение на поверхности кремния концентрацию фосфора 5·10¹⁹-5·10²⁰ см^-3 (предпочтительно 1·10²⁰см^-3). Такими источниками могут быть источники фосфора, пленкообразующие растворы или жидкие диффузанты типа POCl₃. После первых трех операций образуется n⁺-p-p⁺-структура, где p⁺-слой имеет толщину 0,3 - 1 мкм с величиной R_сл60-15 Oм/□ соответственно, n⁺-слой имеет толщину 01 - 0,3мкм с величиной R_сл600-300 Oм/□ Использование способа изготовления кремниевых ФП обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: присутствие на обеих стадиях диффузии пленок БС и ФС усиливает эффект гетерирования (поглощения) посторонних примесей и препятствует проникновению вредных примесей в Si; пониженная концентрация P₂O₅ в ФС пленке на первой стадии диффузии позволяет получить тонкий слаболегированный n⁺-слой с низкой концентрацией дефектов в области p-n-перехода; небольшая толщина ФС пленки и ее высокая скорость растворения по сравнению с БС пленкой в растворе NH₄F + HCl позволяют без нанесения защитного слоя на БС пленку провести избирательное травление ФС пленки. Дальнейшее травление n⁺-слоя в растворе K₂Cr₂O₇ + HF позволяет удалить слой Si толщиной ~ 0,1 мкм при сохранении более высокой области p-n-перехода; на второй стадии низкотемпературной диффузии происходит окончательное формирование верхнего сильнолегированного n⁺-слоя со ступенчатой формой профиля распределения, близкой к оптимальной. Из-за низкой температуры диффузии бора при этом практически не наблюдается, поэтому бор не попадает на лицевую сторону и p⁺-слой под сохраненной БС пленкой сохраняет свойства, приобретенные на первой стадии диффузии; в результате изготовленных из таких n⁺-p-p⁺-структур ФП имеют пониженное значение тока утечки, более высокое значение фоточувствительности в области 0,4 - 0,5 мкм, повышенное значение фотоЭДС, меньший разброс параметров в партиях и увеличенную среднюю величину КПД. Повышение среднего значения КПД в партии ФП с 11 до 12,5% позволяет увеличить мощность солнечных батарей на ~ 10%, что дает существенный экономический эффект. Способ изготовления кремниевых ФП имеет невысокую трудоемкость по сравнению с известными способами, поскольку не требуется наносить специальные защитные слои на БС пленку при травлении лицевой стороны Si.

Формула изобретения

Способ формирования n⁺-p-p⁺-структур при изготовлении кремниевых фотопреобразователей, включающий создание на противоположных сторонах кремниевой пластины источника фосфора и источника бора в виде боросиликатной пленки из пленкообразующего раствора с содержанием оксида бора в нем 20 - 60 мас.%, последующую термодеструкцию, термическую диффузию фосфора и бора в кремниевую пластину, удаление окисной пленки с двух сторон пластины, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия фотопреобразователей за счет управления профилем распределения примесей n-типа и исключения взаимного влияния примесей, диффузию фосфора проводят в две стадии, при этом на первой стадии в качестве источника фосфора используют фосфоросиликатную пленку, полученную из пленкообразующего раствора с содержанием в нем оксида фосфора 3 - 10 мас.%, диффузию бора проводят одновременно с первой стадией диффузии фосфора при 950 - 1050^oC в течение 10 - 90 мин, при этом толщина боросиликатной пленки в 1,5 - 3 раза превышает толщину фосфоросиликатной пленки, затем стравливают фосфоросиликатную пленку и избирательным химическим травлением доводят величину слоевого сопротивления n⁺-слоя до 300 - 1000 Ом/О, после чего проводят вторую стадию диффузии фосфора с использованием в качестве источника фосфора фосфоросодержащей пленки, нанесенной из пленкообразующего раствора либо твердого источника диффузии фосфора, при 800 - 930^oC в течение 10 - 90 мин до получения поверхностной концентрации фосфора 5·10¹⁹ - 5·10²⁰ см^-3.