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平面低压降肖特基二极管外延氧化工艺

作者:海飞乐技术 时间:2019-01-03 17:50

  太阳能电池片使用过程不可避免存在热斑效应,会导致太阳能电池片严重发热甚至受损,为防热斑效应,需在电池片输出端并联旁路二极管。旁路二极管一般选低压降肖特基二极管,考虑实际应用环境,为防潮防湿,旁路二极管接线盒会用胶体密封,散热问题考验旁路二极管性能。其主要参数要求有:低正向压降,利于降低旁路导通功耗;反向电流越小越好,有利于结温特性。
  目前太阳能低压降肖特基二极管仍大量使用平面工艺,其限制有以下方面:
  ①为降低压降,采用掺砷低阻去边衬底,外延自掺杂非常明显,容易出现圆片边沿电阻率偏小,引起耐压临界;衬底去边是为改善吸杂及背面析硅,如不去边,由于硅片边沿保护的氧化层厚度不均匀,易引起硅片边沿外延层质量下降。
  ②外延后长厚氧化层作介质层,氧化采用扩散工艺,由于吸硼排磷,经氧化后,外延表面磷浓度会明显增加,后续肖特基势垒合金后漏电流增加,结温特性变差。可采用降氧化层厚度减少此效应,但厚度降低刻蚀台阶下降,不利于对位,只能增加对位光刻层改善。
  ③采用低温推结氧化工艺热过程减少过渡区变窄,减少有效外延厚度损失,满足降低VF同时保证耐压余量。但低温氧化推结工艺作用于衬底,不利于外延背面颗粒去除,导致势垒金属淀积前清洗颗粒增加,不利于势垒合金成品率。
  本文通过采用改善的衬底及外延氧化工艺,弥补平面工艺的不足,改善了平面低压降肖特基二极管的VF余量,同时提高漏电稳定性及结温特性。
 
  1. 工艺试验
  1.1衬底选择
  采用掺砷〈111〉衬底,电阻率在2~3mΩ·cm2,有利于降低压降;背面采用无二氧化硅背损工艺,此工艺外延自掺杂严重。外延生长前先在基座上生长3~4µm本征硅,外延为射频感应加热,加热过程中基座比片子先热,基座上预生长的硅会向片子背面转移,把整个片子背面封住,改善自掺杂,同时把背损封住,有利于后道势垒金属淀积前清洗颗粒改善。
 
  1.2 外延设备
  采用Epi pro5000外延炉改造接入CO2钢瓶进行实验。该外延炉为平板式,气源提供路径及加工腔室结构如图1。腔体截面为圆柱形,反应气流从石墨基座中心进入腔体,通过腔体结构形成旋流。为稳定生长速率,SiCL4源通过Bubbler使用氢气鼓泡稳定提供,浓度约为1%,Bubbler温度设定在20℃(±0.5℃)。

装置示意图 
图1 装置示意图
 
  1.3工艺设置
  外延氧化工艺菜单见表1,采用常压外延工艺,目标外延条件是数式
表1 外延氧化工艺菜单
外延氧化工艺菜单 
  外延生长前,采用H2吹扫衬底表面10分钟,净化衬底表面。接着生长本征外延1µm,把高浓度衬底覆盖起来,减少外延掺杂生长自掺杂水平。完成外延掺杂生长后,采用H2对外延表面吹扫5分钟,再进行二氧化硅生长。温度不变,流量控制SiCL4浓度在1%,CO2浓度在3~4%,H2过量,生长速率达1250À/min,完成后再用H2吹扫后降温出炉。
 
  采用扩展电阻法测试外延表面浓度及外延与衬底过渡区分布,用氢氟酸去除表面氧化层,使用汞探针电容电压法测试表面电阻率符合设计程度。
 
  2. 结果与分析
  2.1 外延氧化生长过程
  外延本征及掺杂生长采用氢作还原剂和载运气体,在高温下,氢还原SiCL4硅外延生长化学反应为:
SiCL4+2H2=Si+4HCL   (1)
  二氧化硅的生长化学式为:
SiCL4+2H2+2CO2=SiO2+2CO+4HCL(2)
  过量氢是必要条件,实际硅及二氧化硅生长过程复杂很多。二氧化硅生长CO2流量控制很重要,流量过低,形成不均匀的二氧化硅层,流量过高,反应器壁上产生大量的 SiO2淀积物,带来颗粒问题。
 
  2.2 外延氧化面及衬底过渡区载流子浓度分布
  图2是采用新工艺与传统工艺氧化后外延表面及外延与衬底过渡区浓度分布曲线对比,采用新工艺外延表面浓度及外延与衬底过渡区浓度分布几乎与单独外延加工后一致,而传统工艺氧化后外延表面0.3µm范围内载流子浓度增加18%,相当于表面电阻率变小15%,外延衬底过渡区变宽明显,有效外延厚度减少0.5µm。根据目标外延条件拉偏与漏电/压降关系,传统工艺肖特基漏电流增加1倍,压降损失40mV,新工艺优势明显。
氧化后外延浓度分布曲线 
图2 氧化后外延浓度分布曲线
 
  2.3 势垒金属淀积前清洗颗粒改善
  传统工艺为减少厚氧化对外延衬底过渡区宽度,降低氧化厚度,对应腐蚀时间减少,背面少了一些腐蚀/氧化过程,背面颗粒无法在关键工序前有效去除,最终在势垒金属淀积前清洗过程中转移到正面。由于势垒金属很薄,颗粒的存在影响势垒金属与外延表面合金,局部形成不完整的肖特基势垒层,导致器件参数失效。新工艺背面无氧化层,各道氧化退火均对背面处理,势垒金属淀积前清洗颗粒大幅减少,良率改善明显。
 
  3. 结论
  太阳能平面低压降肖特基二极管采用常规外延加扩散氧化工艺,存在压降临界,漏电流不稳问题。通过在平板外延炉上进行工艺实验,采用优化的衬底及外延氧化工艺,在外延炉里同时完成外延及氧化工艺的过程。通过实验,外延氧化工艺解决了常规平面氧化工艺由于扩散氧化工艺吸硼排磷作用带来的外延表面磷浓度偏高问题,避免肖特基势垒合金后漏电流增加,改善了结温特性。同时新工艺由于氧化及热过程减少,有效外延厚度可减少0.5µm,压降可降低40mV,大幅度提高了产品参数余量。采用优化的衬底及外延先长本征硅工艺,新工艺衬底背面无氧化层,各道氧化退火均对背面处理,势垒金属淀积前清洗颗粒大幅减少,肖特基势垒合金局部不完整问题得到解决,良率改善明显。




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