Halbleitersubstraten

B e s c h r e i b u n g

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dotierverfahren zur Herstellung von HomoÜbergängen in Halbleitersubstraten, in die im Wege eines Diffusionsschrittes Dotierstoffe eindringen. Ferner ist eine Lichtquelle vorgesehen, deren Emissionsspektrum UV-Anteile enthält und die auf die Halbleitersubstratoberfläche gerichtet ist. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED 39, 1992, S. 105 bis 110, bekannt .

Stand der Technik

Zur Herstellung gegeneinander scharf angrenzender Dotierbereiche in Halbleitersubstraten mit jeweils unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen gleicher Dotierstoffart, d.h. p- oder n-Dotierstoffatome, werden Diffusions- und/oder Implantationstechniken angewendet. Um ausschließlich gezielte Bereiche in Halbleitergrund¬ substraten dotieren zu können, werden auf die zu dotie¬ renden Substratoberfläche Masken aufgebracht, die unter den gewählten Diffusions- bzw. Implantationsbedingungen

für die Dotierstoffatome undurchlässig sind.

Im Falle von Silizium-Halbleitergrundsubstraten werden auf die Siliziumoberfläche Siliziumoxyd-Masken aufgebracht, die entweder thermisch aufgewachsen oder als Schichten abgeschieden werden. Zur Herstellung derartiger Masken ist auf einer homogenen abgeschiedenen Siliziumoxydschicht Photolack aufzubringen, der an geeigneten Stellen mit Hilfe geeigneter Schattenmasken belichtet wird. An den belichteten Stellen erfolgt durch einen nachfolgenden Ätzschritt der lokale Abtrag der Oxydschicht bis hinab zum Grundsubstrat, das nachfolgend lokal mit einer gewünschten Konzentration von Dotierstoffatomen im Wege der Diffusion und/oder Implantation angereichert werden kann. Somit bedarf die gezielte Dotierung von Halbleitergrundsubstraten mit den an sich bekannten Dotiertechniken vorbereitende Strukturierungsmaßnahmen, bei denen die für den Diffusionsvorgang aktive Maskenschicht örtlich vor der Diffusion abgelöst werden muß. Für diesen Schritt ist jedoch wiederum ein Maskenschritt notwendig, durch den die Diffusionssperre lokal entfernt wird.

Insbesondere bei der Herstellung von Solarzellen, die eine Zwei-Stufen-Emitter-Struktur aufweisen sind zwei verfahrenstechnisch aufwendige Diffusionsschritte erforderlich, die mit Mitteln konventioneller Diffusionstechniken bislang durchgeführt werden.

Zur Erläuterung der für die Herstellung einer Zwei- Stufen-Emitter-Solarzelle mit den bekannten Ätz- Diffusionstechniken wird auf die Figur 1 verwiesen, die die Einzelschrittfolgen a bis h zeigt. Im Rahmen eines

ersten Hochtemperaturschrittes wird in Figur la auf das Grundsubstrat 1 eine Oxydschicht 2 aufgebracht, die in konventionellen prozeßgesteuerten Heizöfen erzeugt werden können. Unter Verwendung üblicher Spin-on- Techniken werden gleichmäßig auf der Oxydschicht ein Photolack aufgebracht, der in einem nachfolgenden Photolytographieschritt unter Verwendung geeigneter Masken belichtet wird (siehe hierzu Figur lc) . Die lichtempfindliche Photoschicht wird an den belichteten Stellen abgetragen, an denen die Oxydschicht freigelegt wird. In einem nachfolgenden Ätzvorgang gemäß Figur ld erfolgt ein gezielter Abtrag der Oxydschicht an den freigelegten Stellen, so daß ein lokaler Abtrag der Oxydschicht bis zur Grundsubstratoberfläche möglich ist. Nachfolgend gemäß Verfahrensschritt Figur le wird der Photolack entfernt. Anschließend erfolgt der erste Diffusionsschritt mit n++-Dotierstoffatomen, die nur über die freie Grundsubstratoberfläche in das Material eindringen können (siehe hierzu den weiß-punktiert dargestellten n++-Dotierstoffbereich) . In einem weiteren Verfahrensschritt, der wiederum einem Ätzvorgang entspricht, werden die verbleibenden Oxydbereiche aus der Oberfläche des Grundsubstrates entfernt, so daß in einem nachfolgenden zweiten Diffusionsschritt, der in diesem Falle gemäß Darstellung Figur lh einer ganzflächigen n+-Diffusion entspricht, ein homogene n+-Dotierung erfolgen kann.

Mit der vorbeschriebenen Verfahrensweise können sogenannte Zwei-Stufen-Emitter-Solarzellen, die aus jeweils zwei angrenzenden n+/n++-Übergängen bestehen, hergestellt werden.

Das für einen Zwei-Stufen-Emitter beschriebene Herstellungsverfahren enthält zwei Diffusionsschritte, wovon der erste Diffusionsschritt eine lokale und tiefere Diffusion und der zweite Diffusionsschritt eine ganzflächige homogene Diffusion vorsieht. Sowohl die Diffusion als auch die Oxydation werden in klassischen Diffusions- bzw. Oxydationsöfen bei sehr hohen Prozeßtemperaturen von > 1000°C durchgeführt.

Im Wege der Bauelementeentwicklung und dem Einsatz neuartiger Materialien und nicht zuletzt um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen zu verbessern, die bedingt durch die bisherigen Rahmenbedingungen der Herstellung wärmeausgesetzter Dotierungsprozessen unterlegen, ist es erforderlich, den Wärmeeintrag während der Herstellungsprozedur zu senken. Unter Wärmeeintrag ist grundsätzlich die Zeitdauer der wärmebeaufschlagten Diffusions- bzw. Oxydationsschritten sowie das absolute Temperaturniveau, das während des Diffusions- bzw. OxydationsVorganges herrscht, zu verstehen. Um diesem Erfordernis nachzukommen, bedient man sich neuerdings dem sogenannten "Rapid Thermal Processing" (RTP) , bei dem die zu bearbeitenden Halbleitersubstrate einzeln optisch beheizt werden.

Im Unterschied zu konventionellen Heizmethoden, die im wesentlichen auf der Einwirkung von Infrarotstrahlung auf das zu beheizende Substrat basiert, verwendet die RTP-Technik strahlungsintensive Beleuchtungseinheiten, die im wesentlichen im Ultravioletten Spektralbereich emittieren. Nähere Ausführungen hierzu sind in dem Beitrag von R. Singh "Development Trends in Rapid Iso- thermal Processing (RIP) dominated Semiconductor Manu-

facturing" in "Ist Int. Rapid Thermal Processing Conf. RTP 93" Scottsdale, Arizona, Eds. Richard Fair und Bohumil Lojek Sept. 1993, Seite 31 bis 42 beschrieben.

Insbesondere hat sich in der Anwendung RTP-Techniken beim Dotieren von Halbleitermaterialien herausgestellt, daß die Diffusionseigenschaften der Dotierstoffatome, die während des Diffusionsprozesses in das zu dotierende Halbleitermaterial eindringen, durch die charakteristischen Heizraten, die durch die neuen Techniken des "Rapid Thermal Processing" erreichbar sind, entscheidend beeinflußt werden können. So geht beispielsweise aus dem Beitrag A. Usami, "Shallow- Junction Formation on Silicon by Rapid Thermal Diffusion of Impurities from a Spin-on Source", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED 39, 1992, Seite 105 ff., hervor, daß die Diffusionskoeffizienten durch die Anwendung der neuen, optischen Heizmethoden in einem gewissen Bereich gezielt einstellbar sind.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dotier¬ verfahren zur Herstellung von HomoÜbergängen in Halb¬ leitersubstraten, in die im Wege der Diffusion Dotier¬ stoffe eindringen, mit einer Lichtquelle, deren Emis¬ sionsspektrum UV-Anteile enthält und die auf die Halb¬ leitersubstratoberfläche gerichtet ist, derart weiter zu entwickeln, daß es mit Hilfe der eingangs geschil¬ derten neuen RTP-Techniken möglich sein soll, die Her¬ stellung von HomoÜbergängen aufweisende Halbleiterbau¬ elementen und insbesondere Zwei-Stufen-Emitter- Solarzellen derart zu vereinfachen, so daß nur ein einziger, wärmebeaufschlagter Bearbeitungsschritt not¬ wendig ist. Die Herstellung derartiger Bauelemente soll

verkürzt und im wesentlichen mit erheblich geringeren Kosten verbunden sein. Ferner soll der Wärmeeintrag auf die Halbleiterbauelemente während ihrer Herstellung reduziert werden.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungs- formen sind den Ansprüchen 2ff . zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Dotierverfahren zur Herstellung von HomoÜbergängen in Halbleitersubstraten, in die im Wege der Diffusion Dotierstoffe eindringen, mit einer Lichtquelle, deren Emissionsspektrum UV-Anteile ent¬ hält, und die auf die Halbleitersubstratoberfläche gerichtet ist, derart weitergebildet, daß zwischen dem zu dotierenden Halbleitersubstrat und der Lichtquelle eine Maske eingebracht wird, die in Abhängkeit der zu dotierenden Gebiete gleicher Dotierstoffkonzentration unterschiedlich dick ausgeführte Maskenbereiche bis hin zu durchgehenden Maskenlöchern aufweist, daß zwischen der Maske und dem zu dotierenden Halbleitersubstrat Dotierstoffatome eingebracht werden, und daß zur Diffusionsdotierung des Halbleitersubstrats mit Rapid Thermal Processing die Maskenoberfläche von der Lichtquelleneinheit bestrahlt wird.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß auf bzw. über dem zu dotierenden Halbleitersubstrat eine Maske angeordnet ist, die unterschiedlich dick ausgeführte Maskenbereiche bishin zu durchgehenden Maskenlöchern aufweist. Auf diese Weise trifft das von der Beleuch¬ tungsquelle kommende Licht an geeigneten Stellen, an denen die Maske durchgehende Löcher aufweist, direkt auf das Grundsubstrat auf und tritt unmittelbar in

Wechselwirkung mit der Substratoberfläche. An Stellen, an denen die Maske die Substratoberfläche verdeckt, gelangen nur jene Strahlungsanteile des von der Beleuchtungseinheit herrührenden Emissionsspektrum die Substratoberfläche, die von dem Maskenmaterial nicht absorbiert werden. Zusätzlich wirkt auch die Wärmestrahlung der Maske selbst auf die durch die Maske abgedeckten Halbleitersubstratbereiche, so daß zusätzlich zu den die Maske durchdringenden elektromagnetischen Strahlanteile die von der Maske herrührende charakteristische Schwarzkörperstrahlung auf die Halbleitersubstratoberfläche einwirkt und das Temperaturprofil auf der Halbleitersubstratoberfläche beeinflußt.

Durch die erfindungsgemäße Kombination von der an sich bekannten Technik des Rapid Thermal Processings mit einer geeigneten Abdeckmaske wird die zu bearbeitende Halbleitersubstratoberfläche mit einer gewünschten flächig unterschiedlichen spektralen Verteilung des auf die Halbleiteroberfläche einwirkenden Strahlungsfeldes beaufschlagt, so daß sich in verschiedenen Bereiche der zu dotierenden Halbleitersubstratoberfläche unter¬ schiedliche, den Diffusionsprozeß bestimmende Diffu¬ sionskonstanten einstellen lassen.

Hierzu wird vorzugsweise zwischen der Maske und der zu dotierenden Halbleitersubstratoberfläche eine Zwischen¬ schicht eingebracht, die die Dotierstoffatome enthält. Je nach den sich einstellenden Diffusionskonstanten bedingt durch die unterschiedliche spektrale Verteilung der auf die Substratoberfläche einwirkenden Strahlung, läuft der Diffusionsprozeß, der für das Einbringen der Dotierstoffatome in das Halbleitergrundsubstrat verant-

wortlich ist, an verschiedenen Stellen unterschiedlich schnell ab.

So laufen Diffusionsprozesse an Stellen des Halbleitergrundsubstrates die ungehindert von der Be¬ leuchtungseinheit bestrahlt werden, aufgrund der optischen Anregung durch das kurzwelligere Licht be¬ schleunigt ab. An Stellen, über denen Maskenmaterial vorgesehen ist, dringen die Dotierstoffatome hingegen verlangsamt in die Substratoberfläche ein.

Bei geeigneter Wahl der Maske, können auf diese Weise Dotierstoffprofile innerhalb des Halbleitergrundsub¬ strates erzeugt werden, zu denen nur ein einziger Pro¬ zeßschritt, nämlich der vorstehend beschriebene Belich¬ tungsvorgang mit einer Belichtungszeit von ca. 10 Se¬ kunden und bei einer Prozeßtemperatur von etwa 900°C, erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla¬ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er¬ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. la und b alternative Maskenanordnungen gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 Diagramm zur Abhängigkeit der Ein¬ dringtiefe von Dotierstoffatomen

in Abhängigkeit des Abschattungs- grades,

Fig. 3a bis h Verfahrensschritte zur Herstellung einer Zwei-Stufen-Emitter-Solarzelle nach dem Stand der Technik.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

In den Teilbildern a bis h der Figur 3 sind die Her¬ stellungsschritte für zwei HomoÜbergänge in einem Halb¬ leitersubstrat, die in Zwei-Stufen-Emitter-Solarzellen eingesetzt werden, beschrieben. Wesentlicher Nachteil des bekannten Verfahrens sind die beiden getrennt durchzuführenden Diffusionsschritte zur Herstellung des ersten tiefreichenden n++-Diffusionsgebietes und der danach folgenden seitlich angrenzenden im Rahmen einer homogenen Diffusion zu erhaltenden n+-Diffusionsberei¬ che. Beide Diffusionsprozesse erfordern Prozeßtempera¬ turen von über 1000°C. Um derart hohe Temperaturen und insbesondere die Durchführung des zweiten Diffusions- Prozesses zu vermeiden, wird das zu dotierende Halblei¬ tergrundsubstrat mit den Mitteln der vorstehend be¬ schriebenen Rapid Thermal Processing bearbeitet.

Gemäß Figur la wird ein Halbleitergrundsubstrat 1 mit einem die Dotierstoffatome enthaltenen filmartigen Überzug 2 beaufschlagt. Vorzugsweise wird der Überzug mit den Mitteln an sich bekannter Schleuderverfahren, bspw. Spin-on-Techniken, auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Direkt oder beabstandet über dem filmartigen Überzug 2 ist eine Maske 3, die durchge¬ hende Öffnungen 3' aufweist, angeordnet. Oberhalb der Maske ist eine nicht in der Figur la dargestellte Be-

leuchungseinheit vorgesehen, deren Emissionsspektrum UV-Anteile enthält . Die von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen treffen an Stellen der Maske 3 auf das Maskenmaterial und werden von dieser in geeigneter Weise absorbiert. Strahlungsanteile, die die Maske durchdringen, gelangen durch die Dotierstoffschicht 2 in das Halbleitersubstrat 1, in dem sie in Wechselwirkung mit dem Halbleitermaterial treten. An Stellen, an denen die Maske 3 Öffnungen aufweist, kön¬ nen die von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen direkt durch die Dotierstoffschicht 2 in das Halbleitermateri¬ al 1 ungehindert gelangen. Je nach Strahlungsanteile stellen sich in den oberflächennahen Halbleitersub¬ stratschichten die für den Diffusionsvorgang bestimmen¬ den Diffusionskonstanten geeignet ein.

In Bereichen, an denen die Strahlungsanteile ungehindert in das Halbleitersubstrat eindringen können, erfolgt der Diffusionsvorgang schneller als in Bereichen, die durch die Maske 3 abgedeckt sind. Durch die optisch angeregte Dotierstoffdiffusion und der sich durch die spektrale Verteilung an der Halbleitersub¬ stratoberfläche einstellende lokal unterschiedliche Diffusionsprozeß kann mit Hilfe nur eines einzigen Prozeßschrittes das gleiche Ergebnis erhalten werden, das unter Abfolge der in Figur la bis h dargelegten Prozeßschritte zu erhalten ist. Mit Hilfe der erfin¬ dungsgemäßen Vorgehensweise sind die bekannten Dotier¬ verfahren zur Herstellung von HomoÜbergängen erheblich abzukürzen, wodurch die Herstellkosten erheblich reduziert werden können.

Um Kontaminationsprobleme bei der Fertigung von Halb¬ leiterbauelementen auszuschließen, verwendet man als

Maskenmaterial das gleiche Material, aus dem das Halb¬ leitersubstrat besteht. So können gemäß Figur 2b die Wafer-Abschnitte 3 direkt über der Dotierstoffschicht 2 auf dem Halbleitergrundsubstrat 1 aufliegen. Bei diesem direkten Kontakt der Maske 3 mit dem Halbleitersubstrat kann die sich durch die unterschiedliche Strahlungsver¬ teilung ergebende Diffusion durch den bereits erwähnten Temperatureffekt noch verstärkt werden. So ist zum einen die Lichtabsorption, an der der Lichtquelle gegenüberliegenden Oberfläche der Maske bzw. der Sub¬ stratoberfläche am größten, doch nimmt sie in Abhängig¬ keit der Wellenlänge mit zunehmender Durchdringungstie¬ fe exponentiell ab. Entsprechend der Abnahme der Licht- absorption ist auch die damit verbundene Wärmeerzeugung innerhalb der jeweiligen Materialien inhomogen. Dies führt wie bereits beschrieben zu unterschiedlichen Diffusionskonstanten. Durch die direkte Kontaktierung des Maskenmaterials mit der Substratoberfläche tritt aufgrund geänderter thermischer Masse eine inhomogene Erwärmung des Halbleitersubstrates auf, die ebenso wie die Strahlungseinwirkung innerhalb des Halbleitermate¬ rials zu unterschiedlichen Diffusionskonstanten führt.

Aus Figur 2 ist ein Diagramm zu entnehmen, das die Eindringtiefe einzelner Dotierstoffatome im Bereich des Halbleitersubstrates ohne Maskenabschirmung (siehe hierzu die Kästchen-Linie) im Verhältnis zur Eindring¬ tiefe von Dotierstoffatomen im Halbleiterbereich, der von der Maske abgedeckt ist (siehe mit Punkten durch¬ setzte Linie), darstellt. Die Gegenüberstellung beider Graphen zeigt deutlich, daß die Konzentrationsanreiche- rungen innerhalb der einzelnen Tiefenregionen im Halb¬ leitersubstrat von Dotierstoffatomen im Falle der mit den Kästchen durchsetzten Linienzuges größer ist als im

Falle der mit den Punkten durchsetzten Linienzuges. Dies bedeutet, daß die Diffusion an Stellen, die von der Maske nicht abgedeckt sind, effektiver und schnel¬ ler abläuft als an Stellen, an denen die Maske das Halbleitersubstrat abdeckt. Somit ist es möglich, mit nur einem einzigen Verfahrensschritt Dotierungsbereiche innerhalb des Halbleitersubstrates herzustellen, die nach Beendigung der Beleuchtungszeit angrenzender Do¬ tierbereiche mit jeweils unterschiedlichen Dotierstoff- konzentrationen erzeugt. Wesentliche Einflußparameter auf die Diffusionsvorgängen bilden dabei die Strah¬ lungs- und Temperaturverhältnisse an den einzelnen Halbleitersubstratoberflächen, die durch die charakte¬ ristische Ausbildung der Maske geeignet eingestellt werden können.

Mit Hilfe des vorbeschriebenen Verfahrens ist die Her¬ stellung auch sogenannter Back Surface Field-Solarzel- len möglich, deren Zellenrückseite durch p/p+- Homoübergängen charakterisiert sind.