[发明专利]在设置有层的半导体衬底上制造金属接触部的方法

说明书

本发明涉及一种用于在半导体器件如太阳能电池上制造尤其是带状的导电金属接触部的方法，所述太阳能电池在表面侧在衬底上具有层、如介电层，所述介电层如由例如氮化硅、氧化硅、氧化钛构成的钝化层。

目前在市场上可获得的太阳能电池和太阳能模块的超过90％利用晶体硅作为太阳能电池材料。该太阳能电池的主要部分基于如下方法：其中首先板状或者片状衬底的接近表面的区域作为初始晶片利用扩散方法与基本材料（衬底）的掺杂相反地通过扩散工艺来掺杂，其中初始晶片基本上具有均匀的初始掺杂。通常，p掺杂的Si初始晶片利用磷扩散在至少一个表面上（通常是接收光的侧）或者该表面的一部分上被n掺杂。然而，n掺杂的晶体Si初始材料也用作太阳能电池材料，并且借助扩散工艺（例如利用硼）或者合金工艺（铝）在表面至少之一上或者表面的一部分上被p掺杂。

工业制造的硅太阳能电池的主要部分基于金属－膏－接触部，它们在半导体结的两侧截取电流并且传输到收集接触部（所谓的条/汇流条或者焊剂岛/焊盘），其允许将焊剂接头焊上并且将太阳能模块中的太阳能电池彼此电连接。用于建立太阳能电池接触的金属膏例如能够实现穿过介电层如SiN_x:H、SiO2、TiO_x等等来接触硅表面。主要的是，目前使用带有较小的重量份额的玻璃料或者部分其他无机添加剂的Ag膏，其在比较高的温度情况下（700℃－900℃）烧结。在典型比较短的烧结工艺期间，在有机组成部分如溶剂和粘合剂燃尽之后，典型地仅仅经历非常短的烧结工艺的最高温度（“peak firing，最高燃烧”；“sintering spike，烧结尖峰”）。在烧结工艺期间，包含于Ag膏中的玻璃料（其包含金属氧化物）首先变软，然后变成液体的并且将太阳能电池的表面润湿。玻璃料和其他无机添加物通常选择为使得其刻蚀穿过可能在晶片表面上存在的介电层。在玻璃熔体中包含的金属氧化物在氧化还原反应中与硅表面相互作用。在此，形成SiO_x和被还原的金属离子，它们溶解在熔体中。玻璃熔体于是部分地刻蚀到硅表面中并且Ag被熔融的玻璃以及其中包含的金属离子溶解。在冷却工艺期间，Ag外延沉积在硅表面上、优选沉积在<111>表面上。在原始的硅表面上形成Ag晶粒，其在冷却工艺之后通过又固体化的玻璃中间层而在空间上并且很大程度上彼此电分离。在该玻璃层上在烧结之后有烧结在一起的Ag颗粒构成的导电的结构。这样制造的在硅和Ag之间的接触部的导电性由于沉积在硅表面中的Ag晶粒和烧结在一起的Ag颗粒结构之间的受限导电的玻璃层而受到限制。该导电性通过玻璃层的厚度以及其中溶解的金属沉淀物确定，其提高了针对载流子的隧穿概率。借助其他金属膏至硅的接触同样可以实现。

元素如Ag、Ni、Pd、Zn、Ti、Pb、Sn、Sb、Bi、Al、B等等多年来已经在膏中通常用作氧化形式的组成部分，或者使用在玻璃基质中，以便建立至硅的接触。然而，如果要穿过介电层（通常是硅表面上的有利的钝化层）来接触，则包含玻璃料并且在较高的工艺温度（大于玻璃熔点）情况下烘烤的Ag膏是优选的，因为其在此是比较简单的方法，同时可以实现高的产量以及工业经济性。

在硅中形成的Ag晶粒的密度和大小（横向或者侵入深度）以及玻璃层的厚度在此强烈地取决于热处理或者所使用的玻璃料（类型、数量、颗粒大小分布）以及其他的无机添加物、以及在烧结/灼烧膏的情况下的炉气氛。在此变得困难的是，最佳的晶体密度和导电性最好的、即最薄的玻璃层不一定可以在相同的热处理情况下实现，使得合适的温度变化曲线通常是两个要求的折衷，并且此外必须可再现地达到，以便实现最优的结果。因此，工艺窗口相当小。

目前开发的Ag膏和其他金属膏以及相关的施加、烧结和接触方法（其适于接触工业晶体的Si太阳能电池并且在大范围中使用）具有一系列缺点。这些缺点包括：

● 膏接触部至硅的高的接触过渡电阻，尤其是在低掺杂的硅表面的情况下（<<10²⁰掺杂原子/cm³）。

● 由于多孔的接触结构和在接触结构中的玻璃成分导致膏接触部的比较低的导电性。导电性相比于纯金属层明显降低。

● 初始金属如Ag的比较高的份额是必须的，以便实现接触部的足够高的导电性。由此，导致提高的消耗材料成本和不必要的遮挡损耗。

● 尤其是当追求具有高施加强度的窄接触线，以便减少在太阳能电池前侧上的光遮挡和/或以小的横向导电性接触发射体时，由于膏中的颗粒大小以及接触线的所需的横截面导电性联合膏施加方法如丝网印刷而限制了可实现的最小接触线宽度。