Verfahren zur Herstellung eines beidseitig unterschiedlich dotierten Halbleiterwafers

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines beidseitig, das heißt auf zwei verschiedenen Seiten, unterschiedlich dotierten Halbleiterwafers. Derartige Verfahren werden beispielsweise zur Herstellung von Silizium-Solarzellen mit dielektrisch passivierter Rückseite verwendet. Bei derartigen Solarzellen kann es vorteilhaft sein, die zu passivierende Oberfläche mit einer Hochdotierung, das heißt mit einem Dotierstoff vergleichsweise hoher Dotierkonzentration, zu versehen. Bei geeigneter Wahl nachfolgend aufgebrachter Schichten können auf diese Weise Ladungsträgerverluste an dieser Oberfläche deutlich reduziert werden.

Es ist bekannt, eine derartige Hochdotierung einer zu passivierenden Oberfläche zum Beispiel eines Siliziumwafers dadurch zu bilden, dass zunächst eine den Dotierstoff enthaltende, typischerweise dielektrische Schicht, auch als Dotierschicht oder Dotierglasschicht bezeichnet, auf die betreffende Waferoberfläche mittels eines plasmaunterstützen Gasphasenabscheidungsverfahrens (PECVD-Verfahren) oder eines Druckbeschichtungsverfahrens aufgebracht und dann mittels eines geeigneten Eindiffusionsprozesses der Dotierstoff aus dieser Schicht in den angrenzenden Bereich des Wafers eindiffundiert wird. Wenn der Wafer beidseitig mit einer Hochdotierung zu versehen ist, wird dieser Prozessablauf herkömmlicherweise zunächst für die eine Seite, zum Beispiel die Vorderseite, und dann für die andere Seite, zum Beispiel die Rückseite, durchgeführt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines gegenüber dem oben erwähnten Stand der Technik verbesserten Verfahrens zugrunde, das eine Herstellung eines beidseitig unterschiedlich dotierten Halbleiterwafers mit vergleichsweise geringem Aufwand ermöglicht.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfahren wird zunächst auf den beiden entsprechenden Waferseiten die jeweils zugehörige dielektrische Schicht mit dem gewünschten Dotierstoff mittels eines jeweiligen APCVD-Prozesses gebildet, wobei sich die beiden verwendeten Dotierstoffe voneinander unterscheiden. Danach wird mittels eines gemeinsamen Temperaturbehandlungsprozesses der eine Dotierstoff in die eine Seite des Wafers und der andere Dotierstoff in die andere Seite des Wafers eindiffundiert. Die APCVD-Prozesse ermöglichen eine vergleichsweise exakte Kontrolle des Dotierstoffgehalts der gebildeten dielektrischen Schicht und damit eine entsprechend gute Kontrolle der Dotierkonzentration bzw. Dotiertiefe im Halbleiterwafer nach dem Temperaturbehandlungsprozess. Die APCVD-Prozesse ermöglichen eine berührungsfreie Beschichtung, und eine Vakuumanwendung ist nicht zwingend erforderlich. Der gemeinsame Temperaturbehandlungsprozess realisiert ein Codiffusionsverfahren, durch das die beiden unterschiedlichen Dotierstoffe gleichzeitig in die beiden betreffenden Waferseiten eindiffundiert werden, ohne dass hierfür zwei getrennte Temperaturbehandlungsprozesse erforderlich sind.

In Ausgestaltung der Erfindung wird als Halbleiterwafer ein Siliziumwafer verwendet. Der verfahrensgemäß hergestellte Siliziumwafer kann zum Beispiel auf der Vorder- und der Rückseite mit je einer Dotierung mit unterschiedlichen Dotierstoffen versehen sein und damit als Grundlage zur Fertigung einer Silizium-Solarzelle mit dielektrisch passivierter Rückseite dienen.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die erste dielektrische Schicht und/oder die zweite dielektrische Schicht als Siliziumdioxidschicht gebildet werden, die den gewünschten Dotierstoff enthält.

In Ausgestaltung der Erfindung wird für den jeweiligen Dotierstoff der ersten und/oder der zweiten dielektrischen Schicht eine Dotierkonzentration von ca. 1 Atom-% bis ca. 30 Atom-% bezogen auf die Atombestandteile der dielektrischen Schicht gewählt.

In Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet der Temperaturbehandlungsprozess, dass der mit den beiden unterschiedlich dotierten dielektrischen Schichten auf den entsprechenden beiden Seiten versehene Halbleiterwafer einer Temperung für eine Dauer von etwa 5 min. bis etwa 400 min., insbesondere zwischen etwa 10 min. und etwa 300 min., bei einer Maximaltemperatur von etwa 800 °C bis etwa 1100 °C, vorzugsweise von etwa 850 °C bis etwa 1000 °C, unterzogen wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auf der gebildeten ersten dielektrischen Schicht und/oder auf der gebildeten zweiten dielektrischen Schicht eine Schutzschicht aufgebracht, die vor einem Ausdiffundieren des Dotierstoffs aus der angrenzenden dielektrischen Schicht nach außen schützt. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass derart ausdiffundierter Dotierstoff während des Temperaturbehandlungsprozesses unbeabsichtigt über die Atmosphäre zur anderen dielektrischen Schicht mit dem anderen Dotierstoff und von dort unerwünschterweise in die andere Seite des Halbleiterwafers mit dem anderen Dotierstoff eindiffundieren kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird für die Schutzschicht eine Siliziumdioxidschicht oder eine Titandioxidschicht verwendet, insbesondere mit einer Dicke im Bereich von ca. 5 nm bis ca. 800 nm, vorzugsweise zwischen etwa 10 nm und etwa 600 nm.

In Weiterbildung der Erfindung werden Bor und Phosphor für die beiden unterschiedlichen Dotierstoffe verwendet.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines beidseitig unterschiedlich dotierten Halbleiterwafers,

2 eine schematische Längsschnittansicht einer zur verfahrensgemäßen Bildung unterschiedlich dotierter dielektrischer Schichten des Halbleiterwafers geeigneten APCVD-Anlage,

3 eine schematische Querschnittansicht durch einen verfahrensgemäß prozessierten Siliziumwafer vor dem Codiffusions-Temperaturbehandlungsprozess und

4 die schematische Ansicht von 3 nach Durchführung des Temperaturbehandlungsprozesses.

Ein in 1 mit seinen hier interessierenden, wesentlichen Schritten im Flussdiagramm veranschaulichtes Verfahren zur Herstellung eines beidseitig unterschiedlich dotierten Halbleiterwafers beinhaltet als ersten Schritt 10 das Bereitstellen eines entsprechenden Rohwafers, zum Beispiel eines Siliziumwafers. In einem nächsten Schritt 11 wird dieser Rohwafer auf einer ersten Seite, zum Beispiel einer Vorderseite, mit einer ersten dielektrischen Schicht versehen, die einen ersten Dotierstoff enthält, zum Beispiel Bor oder Phosphor. Die Beschichtung erfolgt durch einen entsprechenden APCVD-Prozess.

In einem nächsten Schritt 12 wird eine von der ersten Seite verschiedene zweite Seite des Halbleiterwafers, zum Beispiel eine Rückseite desselben, mit einer zweiten dielektrischen Schicht versehen, die einen vom ersten verschiedenen zweiten Dotierstoff enthält. Beispielsweise kann es sich beim zweiten Dotierstoff um Phosphor handeln, wenn der erste Dotierstoff Bor ist, oder um Bor, wenn der erste Dotierstoff Phosphor ist.

Beide Beschichtungsschritte 11, 12 werden mittels eines entsprechenden jeweiligen APCVD-Prozesses ausgeführt. Als dielektrische Schicht kann eine Siliziumdioxidschicht verwendet werden, alternativ kann für die dielektrische Schicht ein anderes hierfür geläufiges Material eingesetzt werden. Der jeweilige Dotierstoff wird vorzugsweise in einer Konzentration zwischen etwa 1 Atom-% und etwa 30 Atom-% bezogen auf die Atombestandteile der dielektrischen Schicht in die jeweilige dielektrische Schicht eingebracht.

Optional wird auf die gebildete erste dielektrische Schicht und/oder auf die gebildete zweite dielektrische Schicht eine jeweilige Schutzschicht aufgebracht, die vor einem Ausdiffundieren des in die betreffende dielektrische Schicht eingebrachten Dotierstoffs nach außen in die Atmosphäre schützt. Diese optionale Schutzschicht kann ebenfalls durch einen entsprechenden APCVD-Prozess gebildet werden. Sie kann aus undotiertem Siliziumdioxid oder undotiertem Titandioxid oder einem anderen, für diese Ausdiffusions-Sperrfunktion dem Fachmann als geeignet bekannten Material gebildet werden.

Bevorzugte Dicken für die erste und die zweite dielektrische Schicht liegen im Bereich von ca. 5 nm bis ca. 800 nm und insbesondere zwischen ca. 10 nm und ca. 600 nm. Im gleichen Bereich liegen bevorzugte Dicken der jeweiligen optionalen Ausdiffusions-Schutzschicht.

Anschließend an die Bildung der dotierten dielektrischen Schichten wird der so prozessierte Halbleiterwafer einem Temperaturbehandlungsprozess unterzogen, durch den eine Codiffusion realisiert wird, indem gleichzeitig der erste Dotierstoff aus der ersten dielektrischen Schicht in den angrenzenden Bereich des Halbleiterwafers und der zweite Dotierstoff aus der zweiten dielektrischen Schicht in den angrenzenden Bereich des Halbleiterwafers eindiffundiert wird. Durch geeignete Wahl und Einstellung der zuvor erwähnten Dotierkonzentrationen des jeweiligen Dotierstoffs in der zugehörigen dielektrischen Schicht lässt sich eine entsprechende Hochdotierung des jeweils angrenzenden Bereichs des Wafers erzielen. Der Temperaturbehandlungsprozess wird für eine Dauer von ca. 5 min. bis ca. 400 min., vorzugsweise zwischen etwa 10 min. und etwa 300 min., bei einer Maximaltemperatur von ca. 800 °C bis ca. 1100 °C, vorzugsweise zwischen etwa 850 °C und 1000 °C, ausgeführt, je nach Dotierstoff und gewünschtem Dotierprofil des in den betreffenden Waferbereich eindiffundierenden Dotierstoffs. Typische gewünschte Eindringtiefen des eindiffundierten Dotierstoffs liegen zwischen ca. 100 nm und ca. 3 µm. Typische Dicken von mit dem vorliegenden Verfahren prozessierten Siliziumwafern, die sich zur Herstellung von Silizium-Solarzellen mit dielektrisch passivierter Rückseite eignen, liegen zwischen ca. 50 µm und ca. 250 µm, vorzugsweise zwischen ca. 100 µm und ca. 200 µm.

2 zeigt schematisch eine APCVD-Anlage 20, die sich zur Durchführung der Beschichtungsschritte zum Bilden der beiden dielektrischen Schichten auf den entsprechenden Halbleiterwaferseiten eignet. Die gezeigte APCVD-Anlage 20 beinhaltet innerhalb eines gestrichelt skizzierten Rahmens 27 eine oder mehrere Beschichtungsmaterialquellen, im gezeigten Beispiel fünf Quellen 21, die in einer Substrattransportrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Substrattransportrichtung ist durch ein umlaufendes Transportband 22 definiert, das sich unter den Quellen 21 vorbeibewegt und auf dem ein jeweils zu beschichtender Halbleiterwafer an einem eingangsseitigen Beladungstisch 23 positioniert wird. Vom Beladungstisch 23 aus gelangt der auf das Band 22 aufgelegte Wafer zunächst in eine Ofenstrecke 24, bevor er dann die Strecke mit den Quellen 21 erreicht, wo er an seiner den Quellen 21 zugewandten Oberseite mit der gewünschten Beschichtung versehen wird.

Es versteht sich, dass mindestens eine der Quellen 21 dafür eingerichtet ist, die erste bzw. die zweite dotierte dielektrische Schicht gemäß den Beschichtungsschritten 11 und 12 von 1 auf den Wafer aufzubringen, ebenso die jeweilige optionale Ausdiffusions-Schutzschicht. Dabei können zwei in Bandtransportrichtung hintereinander angeordnete Quellen dafür eingerichtet sein, dass mit der vorderen Quelle die dielektrische Schicht und mit der hinteren Quelle im gleichen Durchlauf des Wafers die zugehörige Ausdiffusions-Schutzschicht aufgebracht werden. Zur Bildung der anderen dielektrischen Schicht und der optionalen weiteren Ausdiffusions-Schutzschicht wird der Halbleiterwafer nach Entnahme an einem Entladungstisch 25 zum Beladungstisch 23 zurückgebracht und umgedreht auf das Band 24 aufgesetzt. Im unteren Teil weist die APCVD-Anlage 20 übliche, hier nicht weiter interessierende Komponenten 26a und 26b für den Bandrücklauf auf, wie Bandreinigungs- und Bandtrocknungskomponenten.

Der anschließende Temperaturbehandlungsprozess kann in an sich herkömmlicher Weise zum Beispiel in einem Rohrofen oder einem Durchlaufofen durchgeführt werden.

3 veranschaulicht schematisch einen Siliziumwafer nach verfahrensgemäßer beidseitiger Beschichtung mit den dotierten dielektrischen Schichten vor Durchführen des Temperaturbehandlungsprozesses. Im gezeigten Beispiel ist ein Silizium-Rohwafer 1 an einer Oberseite bzw. Vorderseite 1a mit einer phosphordotierten Siliziumdioxidschicht 2, das heißt einer PSG-Schicht, versehen, auf der eine undotierte Siliziumdioxidschicht 3 gebildet ist. An einer gegenüberliegenden Rückseite bzw. Unterseite 1b ist der Siliziumwafer 1 mit einer bordotierten Siliziumoxidschicht 4 versehen, das heißt einer PSG-Schicht. Auf diese ist wiederum als Ausdiffusions-Schutzschicht eine undotierte Siliziumdioxidschicht 5 aufgebracht. Wie schon erwähnt, betragen typische Dicken für den Siliziumwafer 1 zwischen 50 µm und 250 µm, vorzugsweise zwischen 100 µm und 200 µm, und für die dotierten dielektrischen Schichten 2, 4 und die optionalen Schutzschichten 3, 5 jeweils zwischen 5 nm und 800 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 600 nm. Die unterschiedlich dotierten dielektrischen Schichten 2, 4 sind mittels eines jeweiligen APCVD-Prozesses gebildet, und die jeweilige Schutzschicht 3, 5 kann ebenfalls durch einen zugehörigen APCVD-Prozess gebildet sein, vorzugsweise in einem Durchlaufprozess gemeinsam mit der angrenzenden dotierten dielektrischen Schicht 2, 4, wie oben zu 2 erwähnt.

4 veranschaulicht den weiter prozessierten Wafer nach Durchführen des Temperaturbehandlungsprozesses. Wie dargestellt, diffundiert der Phosphor-Dotierstoff aus der ersten dielektrischen Schicht 2 in einen angrenzenden Bereich 1c des Wafers 1 ein, und ebenso diffundiert der Bor-Dotierstoff aus der zweiten dielektrischen Schicht 4 in einen angrenzenden Bereich 1d des Wafers 1 ein. Eindringtiefe und Dotierkonzentration des Phosphors im durch Eindiffusion erzeugten phosphordotierten Si-Bereich 1c und des Bors im durch Eindiffusion erzeugten bordotierten Si-Bereichs 1d sind durch entsprechende Wahl des Dotierstofftyps, der Dotierkonzentration der betreffenden dielektrischen Schicht 2, 4 sowie der Dauer und Maximaltemperatur des Temperaturbehandlungsprozesses in gewünschter Weise steuerbar. Typische Eindiffusionstiefen liegen zwischen etwa 100 nm und 3 µm.

Aus der vorstehenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele wird deutlich, dass die Erfindung die Herstellung eines auf zwei Seiten, wie einer Vorderseite und einer Rückseite, unterschiedlich dotierten Halbleiterwafers mit vergleichsweise geringem Aufwand ermöglicht, indem entsprechend unterschiedlich dotierte dielektrische Schichten auf den betreffenden Waferseiten mittels eines jeweiligen APCVD-Prozesses gebildet werden und danach ein gemeinsamer Temperaturbehandlungsprozess ausgeführt wird, durch den die unterschiedlichen Dotierstoffe gleichzeitig aus der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht in die angrenzende erste bzw. zweite Seite des Wafers eindiffundiert werden. Eine optionale Schutzschicht kann in der gleichen APCVD-Anlage auf die jeweilige dielektrische Schicht als Ausdiffusions-Sperrschicht aufgebracht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt ohne aufwendige Vakuumtechnologie aus und ermöglicht im Unterschied zu Druckbeschichtungsverfahren eine berührungsfreie Beschichtung. Der Dotierstoffgehalt der dielektrischen Schichten lässt sich durch die APCVD-Prozesse vergleichsweise exakt steuern und damit auch die Dotierhöhe bzw. die Eindiffusionstiefe und die Konzentration des eindiffundierten Dotierstoffs im Wafer zusätzlich zum bzw. unabhängig vom nachgeschalteten Temperaturbehandlungsprozess. Das Verfahren kann unter anderem bei der Herstellung von Solarzellen auf Basis von p-dotiertem Silizium oder auf Basis von n-dotiertem Silizium eingesetzt werden. Bei Solarzellen diesen Typs unterscheiden sich die erzeugten hochdotierten Bereiche in ihrer Funktion und müssen daher in ihrer Dotierkonzentration angepasst werden, was durch die Erfindung, wie gesagt, mit vergleichsweise geringem Aufwand geleistet werden kann.