利用邻近快速热扩散技术实现硅的同时磷和硼掺杂

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Proximity rapid thermal diffusion for simultaneous phosphorus and boron doping of silicon

　　

作者名单：Aiganym Suleimenova、Dina Akhmetova、Sofiya Dvornikova、Aizhan Kusainova、Kair Nussupov、Assanali Sultanov、Nurzhan Beisenkhanov

哈萨克斯坦-英国技术大学，Tole bi str. 59号，阿拉木图，050000，哈萨克斯坦

摘要

本研究利用邻近快速热扩散（PRTD）技术探讨了硅（Si）晶圆中磷和硼的同时扩散现象。该方法能够在处理过的晶圆两侧放置旋涂掺杂剂（SOD）源，实现非接触式的共扩散，从而在单次快速热处理循环内形成n⁺pp⁺结构。实验考察了退火温度和时长、预烘烤温度以及氮气氛围中氧气（O₂）含量对掺杂剂扩散和片电阻的影响。最佳扩散参数为925°C处理180秒，预烘烤温度为300°C，并且不使用O₂。傅里叶变换红外（FTIR）光谱证实了形成了致密的磷硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃层，并验证了掺杂剂已成功掺入硅中。对比实验表明，双层和三层PRTD配置均优于传统的快速热扩散（RTD）方法。三层结构在单次热处理循环内实现了有效的磷和硼共扩散，证明了PRTD方法的可行性和其在基于硅的器件中的应用潜力。

引言

多层掺杂半导体结构是基于硅（Si）的电子和光电子器件中成熟且广泛应用的概念。这类结构广泛应用于整流二极管、功率二极管、光电二极管和太阳能电池器件中[[1], [2], [3]]。过去几十年里，这些领域的持续进步得益于对提升电气性能、增强耐用性、降低制造复杂性和减少制造成本的需求。

在此背景下，基于硅的光伏（PV）技术取得了快速发展。先进的器件概念，如硅异质结（SHJ）和隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）太阳能电池，通过控制磷和硼的扩散显著提高了光电转换效率（PCE）[[4], [5], [6], [7]]。类似的多层掺杂和结优化原理也被应用于光电探测器、发光器件、二极管和双极半导体器件中。这凸显了控制扩散策略在多个应用领域的广泛技术意义[[8], [9], [10], [11], [12]]。

尽管不同器件的功能各异，但许多器件都依赖于广泛使用的n⁺pp⁺结构。在这种结构中，高掺杂区域（n⁺和p⁺）的掺杂浓度通常超过约10¹⁹ cm^?3，这是半导体物理学中的标准定义，对于实现低电阻率和高效的载流子传输至关重要[13,14]。这种结构需要形成高质量、控制良好的结，以确保最佳的电气性能。这些结可以通过多种掺杂技术获得，包括离子注入[15]、气相扩散[16]和旋涂掺杂[17]。其中，三溴化硼（BBr₃）扩散和氯磷酸酯（POCl₃）扩散分别是工业上最常用的硼和磷掺杂方法。这些方法能够提供均匀的掺杂效果、稳定的结果，并具有成熟的工业适用性[18,19]。然而，POCl₃和BBr₃扩散过程由于使用和释放高毒性和腐蚀性气体而存在显著的安全隐患。这些风险要求严格的安全措施，增加了操作复杂性和成本。作为替代方案，基于溶液的旋涂掺杂（SOD）技术被认为是一种有前景且成本效益高的方法。在SOD过程中，首先在晶圆表面形成磷硅酸盐玻璃（PSG）或硼硅酸盐玻璃（BSG）层，随后进行快速热扩散（RTD），从而实现高效的掺杂（传统的RTD结构如图1a所示）。近年来，使用基于硼和磷的SOD溶液成功制备了高性能的TOPCon太阳能电池。例如，Yang等人使用Filmtronics提供的商业SOD溶液制备了TOPCon结构，实现了18.5%的光电转换效率（PCE），开路电压（V_{oc）达到了700 mV[20]；Park等人使用Filmtronics的SOD溶液制备的Si太阳能电池也实现了17.5%的PCE和695 mV的Voc[21]。这些结果表明了SOD技术的实际应用价值，同时它还兼容喷雾涂层、条状涂层、丝网印刷等可扩展的沉积技术[22]。}

尽管SOD技术具有优势，但高温下的扩散过程可能会在Si晶圆中引入缺陷，从而降低基于Si的器件的性能。例如，在硼扩散过程中，p⁺掺杂区域上方可能会形成富硼层（BRL）。这种BRL的存在会通过引入缺陷态来缩短少数载流子的寿命[23]。此外，直接将掺杂溶液沉积在Si表面可能导致金属杂质（如Fe、Cr、Cu和Ni）的掺入[24]。这些杂质在后续的热处理过程中会扩散到Si晶圆中，形成复合中心，降低载流子寿命，最终降低Si器件的PCE。

为了解决这个问题，提出了邻近快速热扩散（PRTD）技术，这是一种有效的掺杂转移方法[25,26]。与传统RTD方法相比，PRTD是一种非接触式扩散方式，将Si晶圆置于掺杂源晶圆附近。重要的是，PRTD过程中没有直接接触，从而减少了金属杂质掺入的风险。此外，它还抑制了传统RTD过程中常见的BRL形成[27]。在PRTD过程中，卤素灯产生的热量使五氧化二磷（P₂O₅）或三氧化二硼（B₂O₃）从源晶圆蒸发并通过气相传输到处理过的（未掺杂的）Si晶圆表面，形成掺杂层[28,29]。目前，PRTD方法通常分为单侧扩散过程（本研究中称为双层PRTD）以形成n⁺区域，或分为两个独立的扩散步骤以创建n⁺pp⁺结构[26,29,30]。

本研究通过单步热退火实现了磷和硼的同时共扩散，形成n⁺pp⁺结构。采用三层PRTD配置，将磷和硼的SOD源分别放置在处理过的晶圆两侧（图1c）。通过一系列实验优化了扩散参数，包括退火温度和时长、预烘烤温度以及氧气（O₂）浓度，并研究了它们对掺杂剂掺入和片电阻（R_s）的影响。为了系统比较并明确展示三层PRTD方法相对于传统SOD的优势，还进行了双层PRTD（仅磷扩散）和传统RTD的额外实验。随后使用这三种方法制备了简化的太阳能电池器件。结果表明，PRTD在保持更高光电转换效率（PCE）方面优于传统RTD。

章节摘录

实验程序

实验使用了p型单晶Si晶圆，电阻率为0.5-2 Ω·cm，厚度为330±30 μm，<100>取向。晶圆首先用Piranha溶液（硫酸（H₂SO₄）和过氧化氢（H₂O₂）清洗10分钟，然后在氢氧化钾（KOH）溶液中蚀刻45分钟，以去除切割损伤。最终晶圆厚度为170-190 μm。随后将样品浸入氢氟酸（HF，3%）和RCA-2（含有盐酸）溶液中。

扩散参数优化

图2显示了R_s与不同退火参数之间的关系，以及预烘烤温度的影响。图2a展示了退火温度从825°C升至975°C时R_s的变化情况。结果表明，提高退火温度可以降低n侧的R_s。最佳R_s范围是在保证足够掺杂激活的同时保持结质量的处理窗口[33,34]。过低的R_s可能会

结论

本研究证明了PRTD技术可用于同时将磷和硼掺入Si晶圆中，从而在单次快速热处理循环内形成n⁺pp⁺结构。系统研究了退火温度和时长、预烘烤温度以及O₂浓度对掺杂剂掺入和R_s的影响。最佳扩散条件为925°C处理180秒，预烘烤温度为300°C。

作者贡献声明

Aiganym Suleimenova：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。Dina Akhmetova：撰写初稿、进行数据可视化处理和数据分析。Sofiya Dvornikova：撰写初稿、进行验证、进行研究及数据管理。Aizhan Kusainova：撰写内容、进行方法学研究。Kair Nussupov：提供监督和资金支持。Assanali Sultanov：参与撰写和编辑工作、资源协调及概念构思。Nurzhan Beisenkhanov：参与撰写和

资金支持

本研究得到了哈萨克斯坦共和国科学与高等教育部科学委员会的研究资助（资助编号：AP23490496和AP26101647）

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。