平面低壓降肖特基二極管外延氧化工藝

  太陽能電池片使用過程不可避免存在熱斑效應(yīng)，會導(dǎo)致太陽能電池片嚴(yán)重發(fā)熱甚至受損，為防熱斑效應(yīng)，需在電池片輸出端并聯(lián)旁路二極管。旁路二極管一般選低壓降肖特基二極管，考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，為防潮防濕，旁路二極管接線盒會用膠體密封，散熱問題考驗(yàn)旁路二極管性能。其主要參數(shù)要求有：低正向壓降，利于降低旁路導(dǎo)通功耗；反向電流越小越好，有利于結(jié)溫特性。
  目前太陽能低壓降肖特基二極管仍大量使用平面工藝，其限制有以下方面：
  ①為降低壓降，采用摻砷低阻去邊襯底，外延自摻雜非常明顯，容易出現(xiàn)圓片邊沿電阻率偏小，引起耐壓臨界；襯底去邊是為改善吸雜及背面析硅，如不去邊，由于硅片邊沿保護(hù)的氧化層厚度不均勻，易引起硅片邊沿外延層質(zhì)量下降。
  ②外延后長厚氧化層作介質(zhì)層，氧化采用擴(kuò)散工藝，由于吸硼排磷，經(jīng)氧化后，外延表面磷濃度會明顯增加，后續(xù)肖特基勢壘合金后漏電流增加，結(jié)溫特性變差。可采用降氧化層厚度減少此效應(yīng)，但厚度降低刻蝕臺階下降，不利于對位，只能增加對位光刻層改善。
  ③采用低溫推結(jié)氧化工藝熱過程減少過渡區(qū)變窄，減少有效外延厚度損失，滿足降低VF同時(shí)保證耐壓余量。但低溫氧化推結(jié)工藝作用于襯底，不利于外延背面顆粒去除，導(dǎo)致勢壘金屬淀積前清洗顆粒增加，不利于勢壘合金成品率。
  本文通過采用改善的襯底及外延氧化工藝，彌補(bǔ)平面工藝的不足，改善了平面低壓降肖特基二極管的VF余量，同時(shí)提高漏電穩(wěn)定性及結(jié)溫特性。
 
  1. 工藝試驗(yàn)
  1.1襯底選擇
  采用摻砷〈111〉襯底，電阻率在2~3mΩ·cm²，有利于降低壓降；背面采用無二氧化硅背損工藝，此工藝外延自摻雜嚴(yán)重。外延生長前先在基座上生長3~4µm本征硅，外延為射頻感應(yīng)加熱，加熱過程中基座比片子先熱，基座上預(yù)生長的硅會向片子背面轉(zhuǎn)移，把整個(gè)片子背面封住，改善自摻雜，同時(shí)把背損封住，有利于后道勢壘金屬淀積前清洗顆粒改善。
 
  1.2 外延設(shè)備
  采用Epi pro5000外延爐改造接入CO2鋼瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該外延爐為平板式，氣源提供路徑及加工腔室結(jié)構(gòu)如圖1。腔體截面為圓柱形，反應(yīng)氣流從石墨基座中心進(jìn)入腔體，通過腔體結(jié)構(gòu)形成旋流。為穩(wěn)定生長速率，SiCL4源通過Bubbler使用氫氣鼓泡穩(wěn)定提供，濃度約為1%，Bubbler溫度設(shè)定在20℃（±0.5℃）。

 
  1.3工藝設(shè)置
  外延氧化工藝菜單見表1，采用常壓外延工藝，目標(biāo)外延條件是。   外延生長前，采用H2吹掃襯底表面10分鐘，凈化襯底表面。接著生長本征外延1µm，把高濃度襯底覆蓋起來，減少外延摻雜生長自摻雜水平。完成外延摻雜生長后，采用H2對外延表面吹掃5分鐘，再進(jìn)行二氧化硅生長。溫度不變，流量控制SiCL4濃度在1%，CO2濃度在3~4%，H2過量，生長速率達(dá)1250À/min，完成后再用H2吹掃后降溫出爐。
 
  采用擴(kuò)展電阻法測試外延表面濃度及外延與襯底過渡區(qū)分布，用氫氟酸去除表面氧化層，使用汞探針電容電壓法測試表面電阻率符合設(shè)計(jì)程度。
 
  2. 結(jié)果與分析
  2.1 外延氧化生長過程
  外延本征及摻雜生長采用氫作還原劑和載運(yùn)氣體，在高溫下，氫還原SiCL4硅外延生長化學(xué)反應(yīng)為：   二氧化硅的生長化學(xué)式為：   過量氫是必要條件，實(shí)際硅及二氧化硅生長過程復(fù)雜很多。二氧化硅生長CO2流量控制很重要，流量過低，形成不均勻的二氧化硅層，流量過高，反應(yīng)器壁上產(chǎn)生大量的 SiO2淀積物，帶來顆粒問題。
 
  2.2 外延氧化面及襯底過渡區(qū)載流子濃度分布
  圖2是采用新工藝與傳統(tǒng)工藝氧化后外延表面及外延與襯底過渡區(qū)濃度分布曲線對比，采用新工藝外延表面濃度及外延與襯底過渡區(qū)濃度分布幾乎與單獨(dú)外延加工后一致，而傳統(tǒng)工藝氧化后外延表面0.3µm范圍內(nèi)載流子濃度增加18％，相當(dāng)于表面電阻率變小15％，外延襯底過渡區(qū)變寬明顯，有效外延厚度減少0.5µm。根據(jù)目標(biāo)外延條件拉偏與漏電/壓降關(guān)系，傳統(tǒng)工藝肖特基漏電流增加1倍，壓降損失40mV，新工藝優(yōu)勢明顯。  
  2.3 勢壘金屬淀積前清洗顆粒改善
  傳統(tǒng)工藝為減少厚氧化對外延襯底過渡區(qū)寬度，降低氧化厚度，對應(yīng)腐蝕時(shí)間減少，背面少了一些腐蝕/氧化過程，背面顆粒無法在關(guān)鍵工序前有效去除，最終在勢壘金屬淀積前清洗過程中轉(zhuǎn)移到正面。由于勢壘金屬很薄，顆粒的存在影響勢壘金屬與外延表面合金，局部形成不完整的肖特基勢壘層，導(dǎo)致器件參數(shù)失效。新工藝背面無氧化層，各道氧化退火均對背面處理，勢壘金屬淀積前清洗顆粒大幅減少，良率改善明顯。
 
  3. 結(jié)論
  太陽能平面低壓降肖特基二極管采用常規(guī)外延加擴(kuò)散氧化工藝，存在壓降臨界，漏電流不穩(wěn)問題。通過在平板外延爐上進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，采用優(yōu)化的襯底及外延氧化工藝，在外延爐里同時(shí)完成外延及氧化工藝的過程。通過實(shí)驗(yàn)，外延氧化工藝解決了常規(guī)平面氧化工藝由于擴(kuò)散氧化工藝吸硼排磷作用帶來的外延表面磷濃度偏高問題，避免肖特基勢壘合金后漏電流增加，改善了結(jié)溫特性。同時(shí)新工藝由于氧化及熱過程減少，有效外延厚度可減少0.5µm，壓降可降低40mV，大幅度提高了產(chǎn)品參數(shù)余量。采用優(yōu)化的襯底及外延先長本征硅工藝，新工藝襯底背面無氧化層，各道氧化退火均對背面處理，勢壘金屬淀積前清洗顆粒大幅減少，肖特基勢壘合金局部不完整問題得到解決，良率改善明顯。



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