Diffusionsbarrieren

Anstatt den Emitter nach der Diffusion bereichsweise zu entfernen, wird bei dieser Methode die Eindiffusion von Phosphor lokal durch eine Diffusionsbarriere verhindert. Eine Diffusionsbarriere ist eine dünne Schicht (ca. 100 nm dick), die folgende Eigenschaften besitzen sollte:

• Resistenz gegen verdünnte Flußsäure, um den Wafer vor der folgenden Diffusion reinigen zu können

• sehr kleine Diffusionskonstante gegenüber Phosphor, um Eindiffusion zu verhindern

• Sichtbarkeit auch nach der Diffusion, da dies die Justierung der Kontakte sehr vereinfacht (Fig. 29).

2.3.2.1 Siliziumnitrid

Siliziumnitrid erfüllt diese Anforderungen, kann aber nur ganzflächig abgeschieden werden, so daß ein weiterer Prozeßschritt zur Bereichsdefinition folgen muß (vgl. Kapitel 2.3.1).

Untersucht wurde wiederum mechanisches Wegfräsen und Weglasern der Silizium-nitridschicht als auch Plasmaätzen (Kapitel 2.3.1.3). Siliziumnitrid wirkt als Ätzbarriere in alkalischen Ätzbädern, durch Wegfräsen oder -lasern entstandener Oberflächenschaden kann folglich naßchemisch entfernt werden. Beim Entfernen mittels Plasmaätzen muß im Gegensatz zum Lasern oder Sägen eine bereichsweise Maskierung der SiN-Schicht mit einer Ätzbarriere erfolgen. (Außer durch Plasmaätzen ist auch naßchemisches Entfernen des Siliziumnitrid in einem sauren Ätzbad möglich [9]). Die notwendige Maskierschicht wird am einfachsten in Form eines organischen Lacks mittels Siebdruck aufgedruckt. Der in Fig. 24 dargestellte Teilprozeß zur Bereichsdefinition – unter Verwendung von Siliziumnitrid als Diffusionsbarriere – zeichnet sich durch Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit aus.

Blasenbildung beim Druck bzw. beim Trocknen der Ätzbarriere führte nur selten zu lokalen Kurzschlüssen (Fig. 25).

SiN Abscheidung (PECVD, ganzflächig)

Druck der Ätzbarriere Plasmaätzen Entfernen der

Ätzbarriere

Fig. 24: Teilprozeß zur Definition des rückseitigen p- und n⁺- Bereiches. Siliziumnitrid wird auf der Zellrückseite ganzflächig abgeschieden. Ein organischer Lack, der resistent gegen Plasmaätzen ist, wird aufgedruckt und getrocknet. Im Plasmaätzer wird das Siliziumnitrid an den von Lack unbedeckten Stellen abgeätzt. Abschließend muß der organische Lack wieder entfernt werden.

Fig. 25: Vergrößerung (optisches Mikroskop) der Diffusionsbarriere (Siliziumnitrid) . Unten im Bild ist noch ein Teil des Basisfingers zu erkennen. Vermutlich wegen einer winzigen Blase im Lack, der als Maskierschicht beim Plasmaätzen dient, ist die Diffusionsbarriere an dieser Stelle unterbrochen, was zu einem lokalen Kurzschluß führen kann.

2.3.2.2 Siebdruckgeeignete Paste als Diffusionsbarriere

Die Verwendung einer siebdruckbaren Paste als Diffusionsbarriere erspart die zusätzliche Bereichsdefinition, da sie gleich im gewünschten Muster aufgedruckt werden kann. Dadurch werden deutlich weniger Prozeßschritte als für die Diffusionsbarriere aus Siliziumnitrid benötigt (Fig. 26).

Druck und Feuern der Diffusionsbarriere

Fig. 26: Siebdruck einer Paste, die die Eindiffusion von Phosphor verhindert. Statt der in Fig. 24 vorgestellten vier Prozeßschritte für die Erstellung der Diffusionsbarriere wird nur noch einer (Drucken und Feuern) benötigt. Die Barrierenpaste bedeckt hier nur einen schmalen Streifen zwischen Emitter- und Basisbereich und nicht den gesamten Basisbereich.

Die Herstellerfirmen von Siebdruckpasten bieten mehrere Pasten an, die als Diffusionsbarriere geeignet sein sollen. Diese Pasten werden häufig „Annulus“ (engl.: Ring) Pasten genannt,

weil sie ringförmig am Waferrand aufgedruckt werden. Sie sind dafür konzipiert, bei konventionellen Zellen die n⁺-Diffusion am Waferrand zu verhindern, um die Notwendigkeit zu vermeiden, den parasitären pn-Übergang zu trennen. Die Zusammensetzung der Pasten wird von den Herstellerfirmen geheimgehalten. Möglicherweise sind Übergangsmetalloxide beigemischt, die beim Feuern eine glasartige Schicht auf dem Wafer bilden.

Um die diffusionsverhindernde Wirkung der Barrierenpasten zu prüfen und um die optimalen Feuerparameter für diese Pasten zu finden, wurden Wafer mit einer Teststruktur bedruckt und mit Kontakten versehen (Fig. 27). Nur eine der untersuchten Pasten erfüllte tatsächlich alle Anforderungen an eine Diffusionsbarriere für EWT-Zellen. Der Vergleich von Testwafern, die bei unterschiedlich hohen Temperaturen gefeuert worden waren, ergab, daß die beste Barrierenwirkung bei hohen Feuertemperaturen und kleinen Gürtelgeschwindigkeiten erreicht wird.

Ω

Wafer, n diffundiert⁺ Diffusions-barriere

Kontakte

Fig. 27: Untersuchung der Diffusionsbarriere. Ein Siliziumwafer wird mit der Barrierenpaste (blau) bedruckt und gefeuert, dabei bleiben zwei 1 cm² große, nicht zusammenhängende Flächen unbedeckt. Anschließend wird der Wafer n⁺-diffundiert. In diese Flächen wird jeweils ein Kontakt aus Ag-Paste gedruckt (und gefeuert) und der elektrische Widerstand zwischen den beiden Kontakten bestimmt.

Em itte

rko nta

kt Ba

sisko

nta kt

Diffusionsbarriere

Emitterbusbar Rückseitenemitter

(Siebdruck) lasergebohrte Verbindungslöcher

Fig. 28: SEM-Bild der Rückseite einer fertigen EWT-Zelle. Zur Verdeutlichung ist im Bild die siebgedruckte Diffusionsbarriere eines Fingers blau unterlegt. Zu erkennen sind auch die winzigen lasergebohrten Löcher, die Vorder- und Rückseite elektrisch miteinander verbinden.

Wegen der enormen Vereinfachung, die die Entwicklung dieses Teilprozesses für die Herstellung von EWT-Zellen und anderen Zellen mit verschachteltem Fingergrid bedeutet, wurde die Herstellung von EWT-Zellen mittels siebgedruckter Diffusionsbarriere zum Patent angemeldet.

Da die Basismetallisierungspaste nur einen schlechten Kontakt mit dem Silizium entwickelt, wenn sie auf die Barriere gedruckt wird, wird die Barrierenpaste mäanderförmig aufgebracht und bedeckt nur einen schmalen Streifen zwischen Emitter- und Basisbereichen (Fig. 28 und Fig. 29). Die n⁺-Schicht unter dem Basiskontakt wird durch das in der Basismetallisierungs-paste enthaltene Aluminium überkompensiert.

Fig. 29: Ausschnitt aus einer 10 x 10 cm² Zelle, bei der die Diffusionsbarriere aufgedruckt und gefeuert wurde. Die Kontakte fehlen noch. Die Barrierenpaste bedeckt nur einen schmalen, mäanderförmigen Streifen zwischen Basis- und Emitterbereich. Die unmittelbar nach dem Druck farblose Schicht wird nach dem Feuern dunkelblau; der Druck der Kontakte kann dadurch – wenn nötig – nachjustiert werden.