(57)【要約】  太陽電池のイオン注入装置および方法である。本開示はスループットを向上し、ＳＰＥＲアニーリング後の欠陥を削減または除去するものである。基板は連続的な高線量率で連続的にイオン注入され、動的な自己アニーリングを抑制しつつ効率的に欠陥蓄積、すなわち、アモルファス化を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入を用いた太陽電池の製造方法であって、
基板をイオン注入チャンバに入れ、
前記基板に注入すべき連続的なイオン流を発生させ、
前記イオン流を前記基板の表面に向かわせて前記基板の表面に連続的なイオン衝撃を発生させ、前記基板の層をアモルファス化しながら前記基板中にイオンを注入する、方法。
【請求項２】
前記連続的なイオン流を発生させる工程において、前記基板の表面全体に同時に注入が可能な程度に十分に大きな横断面を持つイオンのビームを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
イオン注入すべき前記基板の領域を確定し、
前記連続的なイオン流を発生させる工程において、イオン注入すべき前記基板の前記領域全体に同時に注入が可能な程度に十分に大きな横断面を持つイオンのビームを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記連続的なイオン流を発生させる工程において、
注入すべき種を含むガスを用いてプラズマを持続させ、
前記種のイオンのビームであって前記基板の表面全体に同時に注入が可能な程度に十分に大きな横断面を持つビームを抽出する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記注入のエネルギーが５−１００ｋｅＶである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記注入のエネルギーが２０−４０ｋｅＶである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
線量率が１Ｅ１５イオン／ｃｍ−２／秒よりも大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
急速熱処理により前記基板のアニーリングを行う、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記アニーリングを６００−１０００℃でおよそ１−１０秒間行う、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記イオンを注入する処理に続いて、アニーリングを行わずに前記基板上に金属化層を形成し、
前記金属化層の形成後に前記基板のアニーリングを行って、前記金属化層のアニーリング、前記アモルファス化層の再結晶化、および注入ドーパントの活性化を同時に実施する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
基板のイオン注入方法であって、
基板をイオン注入チャンバに入れ、
前記基板に注入すべき連続的なイオン流を発生させ、
前記イオン流を前記基板の表面に向かわせて、前記基板の自己アニーリングを抑止しながら前記基板の表面に連続的なイオン衝撃を発生させる、方法。
【請求項１２】
前記基板の自己アニーリングを抑止する工程において、イオン注入すべき前記基板全体に連続的なイオン種の衝撃を発生させる、請求項１１の方法。
【請求項１３】
イオン注入すべき前記基板の層を完全にアモルファス化する、請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記基板の前面全体に同時に注入する、請求項１２の方法。
【請求項１５】
前記連続的なイオン流を発生させる工程において、
注入すべき種を含むガスを用いてプラズマを持続させ、
前記種のイオンの柱であって前記基板の表面全体に同時に注入が可能な程度に十分に大きな横断面を持つ柱を抽出する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記イオンの柱を抽出する工程において、前記プラズマから複数のイオンビームを抽出し、前記複数のイオンビームを組み合わせて一つのイオンの柱にする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記注入のエネルギーが５−１００ｋｅＶである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
線量率が前記基板の指定の層を完全にアモルファス化するように設定されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記線量率が１Ｅ１５イオン／ｃｍ−２／秒よりも大きい、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
平均線量が５Ｅ１４−５Ｅ１６ｃｍ−２である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
基板のイオン注入方法であって、
基板をイオン注入チャンバに入れ、
前記基板に注入すべき連続的なイオン流を発生させ、
前記イオン流を前記基板の表面に向かわせて前記基板の表面に連続的なイオン衝撃を発生させ、前記基板の表面全体を同時にアモルファス化する、方法。
【請求項２２】
前記連続的なイオン流を発生させる工程において、
注入すべき種を含むガスを用いてプラズマを持続させ、
前記種のイオンの柱であって前記基板の表面全体に同時に注入が可能な程度に十分に大きな横断面を持つ柱を抽出する、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
１．技術分野
本発明は、イオン注入に関し、特に、太陽電池製造のための高スループットかつ低欠損レベルのイオン注入に関する。
２．関連技術
長年、半導体の製造にイオン注入が用いられてきた。一般に、典型的な商用デバイスはイオンビームを有しており、ビームおよび基板の一方または両方を動かすことでイオンビームが基板上で走査される。ある例では基板の表面全体のｘおよびｙ方向に「ペンシル」ビームが走査され、別の例では基板よりも若干幅の広い「リボン」ビームを用いて一方向にのみ走査することで基板全体をカバーする。これら二つのシステムは、非常に遅い上に、欠陥の発生に関する固有の問題を抱えている。すなわち、基板の一点を見ると、たとえビームが連続的に活性化されても、これら二つのシステムからのイオン注入はパルス状に見える。すなわち、基板上の各点においてイオンビームが短時間「現れ」、そして次のビームの走査まで「待つ」こととなる。これにより局部加熱が発生し、走査間の動的な自己アニーリングのせいで拡張欠陥が引き起こされる。
【０００２】
近年、一般にプラズマ浸入イオン注入、すなわちＰ３ｉと呼ばれるイオン注入のための別の方法が提案されている。そのような処理を行うチャンバ内では、イオンビームを用いるよりもむしろ基板全体の上にプラズマが生成される。そして、ＡＣ電位が概してＲＦパワーの形で基板に接続され、プラズマからのイオンが基板内に引き込まれる。結果的に、基板の観点から、そのようなシステムもまた「パルス」モードで動作し、イオンビームベースのシステムに生じたのと同じ自己アニーリングの問題が引き起こされる。
【０００３】
一般にエンド・オブ・レンジ損傷により引き起こされる欠陥の一種は、伝統的なイオン注入システムに一貫した問題を表している。局部加熱およびそれに続く冷却の結果起きる自己アニーリングによって、続くアニーリング工程で除去不可能な欠陥集合体が引き起こされる。したがって、欠陥を回避しつつ高速な注入が可能なイオン注入システムおよび方法が必要である。
【発明の概要】
【０００４】
以下の発明の概要は本発明のいくつかの局面と特徴の基本的な理解のために提示されるものである。本概要は本発明の外延を特定するものではなく、したがって本発明の主要点や重要要素を特定したり、本発明の範囲を線引きしたりする意図はない。本概要の目的は、後述の発明の詳細な説明の前置きとして本発明の概念を単純化して提示することにある。
【０００５】
本開示に係る実施形態によって、太陽電池の製造に関して欠陥を最小化または除去しつつスループットを向上させることが可能なイオン注入方法が提供される。さまざまな実験条件を用いて、本開示に係る方法が従来のイオン注入方法よりも優れており、特にエンド・オブ・レンジ損傷によって引き起こされる欠陥集合体を除去するのに優れていることが示されている。
【０００６】
本開示に係る実施形態によると、高線量率で連続的なイオン注入を用いてイオン注入が行われる。イオン注入は、基板の表面全体または選択的なイオン注入（例えば、選択エミッタ法）のために選ばれた領域に同時に行われる。注入エネルギーは、例えば５−１００ｋｅＶであり、より具体的には２０−４０ｋｅＶである。一方、線量率は、例えば、１Ｅ１４よりも大きく、または１Ｅ１５イオン／ｃｍ−２／秒よりも大きく、ある実施形態では１Ｅ１４−５Ｅ１６イオン／ｃｍ−２／秒の範囲にある。高線量率により、基板の注入層を完全にアモルファス化しながら高スループットが可能となる。注入が連続的であるため、自己アニーリングは生じず、欠陥集合体は認められなかった。アニーリング後にはアモルファス化層が完全に結晶化し、欠陥集合体は認められなかった。
【０００７】
本発明の別の局面に従うと、イオン注入を用いた太陽電池の製造方法が提供される。当該方法によると、基板がイオン注入チャンバに入れられる。基板の表面全体をカバーする程度に十分大きい横断面を持つイオン種のビームが生成される。ビームからのイオンは基板の表面に向けて連続的に加速され、基板中に連続的にイオンが注入される。線量率は基板の指定の層を完全にアモルファス化するように設定されている。任意で、反射防止または封止層、例えば、シリコン窒化層のデポジションや金属化グリッドのデポジションなどのさらなる処理が行われる。その後、アモルファス化層を再結晶化し、注入されたドーパントイオンを活性化するために、基板がアニーリングされる。ある実施形態では、急速熱処理を用いて、例えば、およそ６００−１０００℃で数秒間、例えば、１−２０秒間、または具体的には５秒間、アニーリングが行われる。
【０００８】
本発明の別の実施形態として、太陽電池の製造に用いることができるイオン注入方法が提供される。当該実施形態によると、基板がイオン注入チャンバに入れられる。その後、注入すべき基板の領域に連続的にイオンが衝突し、当該領域は自己アニーリングすることなくアモルファス化される。基板は急速熱処理チャンバ内で固相エピタキシャル再成長をさせながらアニーリングされる。
【０００９】
本発明の一局面に従うと、イオン注入を用いた太陽電池の製造方法は、基板をイオン注入チャンバに入れ、前記基板に注入すべき連続的なイオン流を発生させ、前記イオン流を前記基板の表面に向かわせて前記基板の表面に連続的なイオン衝撃を発生させ、前記基板の層をアモルファス化しながら前記基板中にイオンを注入する。
【００１０】
さらに、本発明のある局面に従うと、基板のイオン注入方法は、基板をイオン注入チャンバに入れ、前記基板に注入すべき連続的なイオン流を発生させ、前記イオン流を前記基板の表面に向かわせて、前記基板の自己アニーリングを抑止しながら前記基板の表面に連続的なイオン衝撃を発生させる。
【００１１】
本発明の別の局面に従うと、基板のイオン注入方法は、基板をイオン注入チャンバに入れ、前記基板に注入すべき連続的なイオン流を発生させ、前記イオン流を前記基板の表面に向かわせて前記基板の表面に連続的なイオン衝撃を発生させ、前記基板の表面全体を同時にアモルファス化する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付の図面は本明細書に組み込まれてその一部を構成するものであり、本発明の実施形態を例示し、説明文とともに本発明の原理を説明および解説するのに役立つ。図面は図によって実施例の主たる特徴を説明するためのものである。図面は実際の実施形態のすべての特徴を図示するものでなければ、描画要素の相対寸法を図示するものでもなく、正確な縮尺で描かれていない。
【図１】図１は、従来技術および本開示に係る方法の瞬間イオン注入線量を比較するプロット図である。
【図２】図２は、従来技術の注入装置および本実施形態についてのアニーリング後の欠陥と線量率とを対比したプロット図である。
【図３】図３Ａは、一実施形態に従ってイオン注入した後のウェハの顕微鏡写真であり、図３Ｂは、従来の炉内にて９３０℃で３０分間のアニーリングを行った後のウェハの顕微鏡写真である。
【図４】図４は、本開示に係る方法を実施可能なイオン注入チャンバの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、従来技術および本開示に係る方法の瞬間イオン注入線量を比較するプロット図である。図示したように、ウェハ１００は、２次元的にスキャンしてウェハをカバーする「ペンシル」ビーム１０５を用いて注入される。これによる基板の各点における瞬間線量率は、高瞬間線量率だが極小持続時間の周期的な注入としてプロットされている。これにより局部加熱、続く自己アニーリングおよび欠陥集合体が生じる。同様に、ウェハ１１０は、一方向にスキャンしてウェハをカバーするリボンビームを用いて注入される。これによる基板の各点における瞬間線量率は、やや高瞬間線量率だが短持続時間の周期的な注入としてプロットされている。これによっても局部加熱、続く自己アニーリングおよび欠陥集合体が生じる。一方、一実施形態では、ウェハ１２０は、連続的なビーム束１２５を用いて注入され、注入すべき各点（ここではウェハ全体）にイオンが連続的に注入され、自己アニーリングは発生しない。
【００１４】
このことからわかるように、図１にプロットした総線量率はさまざまな方法のプロットを積分することで求められる。３つのシステムで積分線量率がすべて等しくなるようにシステムを設定することができる。しかし、ウェハの各点における瞬間線量率はペンシルビームが最も大きく、リボンが若干小さく、本実施形態に係る「連続オン」ビームが最も小さい。そのゆえ、ペンシルおよびリボンビームの積分線量率はウェハを加熱し過ぎないように制限される。一方、本実施形態の連続オンビームは平均線量率をもっと大きくしてもなおウェハを許容温度に保つことができる。例えば、ある実施形態では、線量率は１Ｅ１５イオン／ｃｍ−２／秒よりも高く設定した。ある例では、注入エネルギーを２０ｋｅＶ、線量率を３Ｅ１５ｃｍ−２というように注入条件を設定した。
【００１５】
図２を参照すると、プロットから本開示に係る方法の有利な点が明白である。図２は、従来技術の注入装置および本実施形態についてのアニーリング後の欠陥数と線量率とを対比したプロット図である。図２において、本実施形態は「インテバック注入装置」と表示している。図２のプロットからわかるように、ペンシルビームのイオン注入ではアニーリング処理後に残った欠陥数が最も多く、本開示に係る方法では最も少ない、またはアニーリング処理後に欠陥が残らない。また、プロットに示した欠陥数の違いから、欠陥は自己アニーリングのメカニズムによって発生し、本開示に係る方法を用いれば欠陥が発生しないと推論することができる。
【００１６】
また、図２は、平均線量率が増大すればアニーリングメカニズムが改善されることを示している。これは、線量率の増大によって欠陥がより能率的に蓄積するが、平均線量率が増大するにつれてよりアニーリングされやすくなることを示している。また、連続的に注入した場合、基板は自己アニーリングする機会がないため、本開示に係る方法によってより優れた基板のアモルファス化が可能となる。
【００１７】
上記の実施形態において、基板は従来の炉または急速熱処理（ＲＴＰ）を用いてアニーリングすることができる。一実施形態では、例えば、炉内で９３０℃の温度でおよそ３０分間、ウェハのアニーリングを行った。一方、ＲＴＰを用いて６００−１０００℃の温度でおよそ１−１０秒間、具体的に５秒間、ウェハのアニーリングを行った。特に、ビームラインで注入され従来手法でアニーリングされた試料を調査したところ、酸化物層が付加されることが判明した。具体的には、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）により、アニーリング後の残留ダメージを示す広いシリコンピークが示された。一方、本開示に係る方法でＲＴＰアニーリングされたウェハのＲＢＳプロットは酸化物も広いシリコンピークも示しておらず、これは試料が完全に再結晶化したことを示している。
【００１８】
図３Ａは、一実施形態に従ってイオン注入した後のウェハの顕微鏡写真であり、図３Ｂは、従来の炉内で９３０℃で３０分間のアニーリングを行った後のウェハの顕微鏡写真である。注入はＰＨ３ソースガスを用いて２０ｋｅＶおよび３Ｅ１５ｃｍ−２で行った。図３Ａの顕微鏡写真からわかるように、注入層は完全にアモルファス化されている。また、図３Ｂの顕微鏡写真は、無欠陥で完全再結晶化した層を示している。
【００１９】
図４は、本開示に係る方法を実施可能な一実施形態に係るプラズマ格子注入システム８００の３次元断面透視図である。システム８００は、第１の格子板８５０、第２の格子板８５５、および第３の格子板８５７を収容するチャンバ８１０を備えている。格子板は、シリコン、グラファイト、シリコンカーボン、およびタングステンなどのさまざまな材料で形成することができるが、材料はこれに限定されない。各格子板はイオンを通過させることができる複数の開口部を有する。プラズマ源はプラズマをチャンバ８１０のプラズマ領域に維持する。図４では、このプラズマ領域は第１の格子板８５０の上部に位置する。ある実施形態では、ガス吸気口８２０を通じてプラズマガスがプラズマ領域に供給される。プラズマガスは、アルゴンなどのプラズマ維持ガスと、リン、ボロンなどの含むドーピングガスとの混合ガスである。さらに、例えば、ゲルマニウムなどの非ドーパント・アモルファス化ガスが含まれていてもよい。ある実施形態では、真空口８３０を通じてチャンバ８１０の内部が真空にされる。ある実施形態では、チャンバ８１０の外壁に断熱材８９５が巻き付けられる。ある実施形態では、電界および／または磁界を用いてプラズマ領域内でイオンを跳ね返すように、チャンバの壁が、例えば、永久磁石または電磁石で構成されている。
【００２０】
目標のウェハ８４０はプラズマ領域から格子板の反対側に置かれる。図４において、目標のウェハ８４０は第３の格子板８５７の下に置かれる。目標のウェハ８４９は調整可能な基板保持によって支えられ、目標のウェハ８４０は均一注入位置（格子板に近い位置）と選択的注入位置（格子板から遠い位置）との間で調整可能となっている。プラズマイオンは、第１の格子板８５０に直流電位を印加することでイオンビーム８７０の形で目標のウェハ８４０に向けて加速される。これらイオンはウェハ８４０内に注入される。イオンがウェハ８４０および他の材料に衝突することによる二次電子の悪影響は、最初の格子に対して逆バイアスされた第２の格子板８５５を使用することで回避される。この逆バイアスされた第２の格子板８５５はウェハ８４０から飛び出す電子を抑制する。ある実施形態では、第１の格子板は８０ｋＶにバイアスされ、第２の格子板８５５は−２ｋＶにバイアスされる。しかし、他のバイス電圧も適用可能である。第３の格子板８５７はビームの特徴付けグリッドとして機能し、一般的に接地される。第３の格子板８５７は、注入の最終決定をするために基板の表面と接触してまたは極めて近くに配置される。この格子板８５７はビーム決定マスクとして機能し、選択的な注入が要求された場合に、要求された臨界の配置を提供することができる。第３の格子板８５７は、ビームを特徴付ける選択的注入を達成するためのシャドーマスクとして構成することができる。さらに、第３の格子板８５７は、マスクを必要としないビーム成形の任意の形状に置き換えまたは補完することができる。
【００２１】
図４の実施形態において、イオンはプラズマゾーンから抽出され、基板に向けて加速される。基板が格子板から十分に離れていれば、イオンビーム８７０は十分な移動距離があり、基板に向けて移動中にイオンの柱（column）を形成する。これは、格子板を出た各イオンビーム８７０の自然拡散特性によって引き起こされる。イオン柱の横断面の均一性は、とりわけ、格子板における孔の数、大きさ、および形状、格子板間の距離、および格子板と基板との距離によって調整可能である。なお、図４の実施形態では格子板および／または基板を用いてイオン柱の生成およびその均一性を制御したが、他の手段を用いることもできる。主たる目的は、基板の表面全体に同時かつ連続的に注入することができる程度に十分に大きな横断面を持つイオンの単一の柱を生成することにある。もちろん、選択的な注入を行うのであれば、第３の格子板を用いて柱の一部を遮断することができる。
【００２２】
上記からわかるように、実施形態に係る方法は、基板をイオン注入器に入れ、基板の全領域をカバーするのに十分に大きい横断面サイズのイオンビームまたはイオン柱を生成し、イオンが基板上に連続的に注入され、基板の層がアモルファス化されるようにビームを向けることで進む。スループットを向上するために、その後、ＲＴＰチャンバ内で固相エピタキシャル再成長（ＳＰＥＲ）のアニーリングメカニズムを利用して基板のアニーリングを行うことで、アモルファス層が再結晶化する。また、このアニーリングによって、イオンビームから注入されたドーパントが活性化される。太陽電池の製造に利用される別の実施形態では、イオン注入後にアモルファス化層の上に金属化層を含む太陽電池のさらなる層が形成される。その後、基板がＲＴＰチャンバに送られて金属化層およびアモルファス化層のアニーリングが同時に行われる。つまり、金属化アニーリング処理を用いてＳＰＥＲアニーリングが達成されるため、イオン注入処理後に別々のアニーリング工程が不要である。
【００２３】
具体的な材料、および具体的な処理工程の実施例の観点から本発明について説明したが、これら具体例を変形することができること、および、そのような構造および方法が、説明および図示した実施例、および添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲から逸脱することなくなし得る改変に関する動作の考察から理解できることは、当業者であれば理解できるであろう。
【図１】
2014502048.tif 000003
【図４】
2014502048.tif 000004
【図２】
2014502048.tif 000005
【図３】
2014502048.tif 000006
【国際調査報告】
2014502048.tif 000007