MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER.

Método para el dopado selectivo de un semiconductor mediante transferencia inducida por láser,

que comprende un sistema precursor (200) compuesto de al menos una capa absorbente (202) a la radiación láser, con una solución dopante (203) y un soporte transparente (201) , el cual se coloca enfrentado y en contacto directo con el sistema receptor (300) donde se integra el substrato (301) semiconductor y se irradia con uno o más pulsos de un haz láser (100) focalizados en la interfaz entre la fuente y el substrato, provocando la transferencia de material proveniente de la fuente hacia el substrato y la introducción de átomos dopantes provenientes de la fuente dentro del substrato semiconductor. El sustrato (301) es, preferentemente, una oblea de silicio con una cara frontal (302) y una cara posterior (303) con capas pasivante antirreflejo dieléctricas.

MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención¡ tal como expresa el enunciado

de la presente memoria descriptiva¡ se refiere a un

método para el dopado selectivo de un semiconductor

mediante transferencia inducida por láser¡ el cual aporta varias ventajas y características de novedad que se describirán en detalle más adelante y que suponen una mejorada alternativa frente a lo ya conocido en el estado actual de la técnica.

Más en particular¡ el objeto de la invención se centra en el desarrollo de un método para el dopado selectivo tipo p+ de un semiconductor mediante transferencia inducida por láser¡ el cual¡ siendo particularmente aplicable a células solares pero sin que se descarte su aplicación para cualquier otro dispositivo electrónico¡ consiste en crear difusiones locales p+ -n poco profundas y con altos niveles de dopado mediante láseres pulsados de longitudes (IR-VIS y UV) usando la técnica de transferencia inducida por láser (ó LIFT acrónimo inglés de Laser Induced Forward Transfer) adaptada de forma totalmente original a este proceso en particular. En concreto¡ se parte de una fuente dopante colocada sobre un soporte transparente y consistente de una capa absorbente metálica y una solución de boro solidificada depositada por "spin coating" (o técnica de rotación) Las uniones p+-n se consiguen poniendo en contacto la fuente de átomos dopantes tipo p con el substrato semiconductor tipo n¡ los pulsos láser transfieren los átomos dopantes al substrato receptor y lo afectan térmicamente favoreciendo así la difusión de los átomos transferidos. El hecho de aprovechar la dinámica característica del material fundido por el proceso de irradiación láser permite además reducir extraordinariamente el tiempo de proceso frente a otras técnicas de dopado.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector de la industria dedicada a la fabricación de dispositivos electrónicos¡ centrándose particularmente en el ámbito de los procesos de dopado de los semiconductores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el ámbito de la fabricación de dispositivos electrónicos¡ la implantación iónica es uno de los procesos más comunes para conseguir la introducción de impurezas dopantes dentro de substratos semiconductores. Para ello¡ se emplea un plasma generado en un reactor a presión y atmósfera controlada¡ el cual está constituido¡ entre otros¡ por iones del material dopante. Tales iones son acelerados hacia la superficie del semiconductor a energías del orden de kilovoltios y¡ finalmente¡ difundidos hacia el interior del mismo. Este último proceso requiere un posterior recocido a temperaturas tan altas como 800°C¡ tanto para activar las impurezas como para recuperar el daño creado en el cristal semiconductor por los iones implantados. Dicho paso de recocido dificulta la creación de uniones poco profundas y altamente dopadas en superficie debido a que las altas temperaturas favorecen la difusión de las especies dopantes hacia zonas más profundas del semiconductor. En este sentido¡ la implantación iónica resulta inviable cuando se fabrican estructuras electrónicas sobre vidrio o substratos poliméricos que ¡ debido a las altas temperaturas requeridas¡ pueden verse seriamente perjudicados en su integridad estructural. Finalmente¡ cabe destacar que el mayor inconveniente de la implantación iónica es la necesidad de equipos significativamente costosos (un millón de Euros o más) . Por tanto¡ otras alternativas de obtención del dopado han tenido que surgir para salvar los inconvenientes causados por el daño estructural generado por los iones implantados¡ las altas temperaturas de proceso requeridas y el alto coste de los equipos requeridos.

Una alternativa más barata y que permite evitar los problemas de daño estructural es la difusión térmica de impurezas dopantes en un horno a alta temperatura. En este caso las muestras se introducen en un horno¡ generalmente de cuarzo¡ a alta temperatura en un ambiente rico en impurezas dopantes provenientes de fuentes líquidas o sólidas. Esta técnica sigue teniendo el inconveniente de las altas temperaturas involucradas y ¡ además ¡ suele ser un proceso relativamente largo donde ambas caras del semiconductor resultan dopadas. Este hecho¡ unido a que durante la difusión en horno se genera un residuo superficial de vidrio-silicato proveniente del dopante¡ hace que sean necesarias etapas posteriores de ataques químicos para la

eliminación tanto de tales residuos así como también

del volumen de semicondu ctor que ha sido dopado

innecesariamente.

El dopado asistido por láser es otra de las metodologías empleadas para conseguir la implantación de especies dopantes en un semiconductor. En este caso¡ un haz láser focalizado funde el material semiconductor y difunde las impurezas liberadas por un gas presente en el entorno. El substrato semiconductor se coloca en una cámara de reacción en la que hay dopantes en forma gaseosa tales como Trifloruro de Boro (BF3) y Pentafloruro de Fósforo (PF5) . Para la irradiación del substrato se emplea típicamente un láser pulsado de excímero¡ cuya energía rompe las moléculas del gas y funde una capa delgada del material semiconductor. Así¡ las moléculas del gas con suficiente energía cinética son implantadas en el substrato fundido. La eficiencia de dopado en este caso depende de la cantidad de material absorbido por el semiconductor fundido. Empleando esta estrategia la mayor parte del volumen del substrato permanece a baja temperatura¡ ya que cada pulso láser tiene una duración del orden de nanosegundos¡ lo suficientemente corta para fundir sólo unas pocas mono-capas del semiconductor. Asimismo¡ la zona de afectación térmica vendrá definida¡ inicialmente¡ por el poder de focalización del láser y¡ a posteriori ¡ por las propiedades ópticas y térmicas del semiconductor. Esta tecnología es especialmente adecuada para la generación de uniones poco profundas perol debido a que el proceso está limitado por el ritmo de absorción superficial de impurezas ¡ en equilibrio y a una determinada temperatura¡ se hace bastante difícil la obtención de altos niveles de dopado. Otro inconveniente de esta estrategia es el uso habitual de láseres de excímero¡ los cuales son difíciles de emplear a nivel industrial debido al alto coste de mantenimiento y poca fiabilidad en rendimiento óptico. Otro factor limitante es la capacidad de controlar adecuadamente la cantidad y distribución de impurezas dopantes que alcanzan el substrato semiconductor. Parte de este problema es causado por una falta de uniformidad tanto en la radiación láser como en el flujo de gas y su densidad de dopantes.

Una variante de esta aplicación es la

presentada en el documento US 7799666 Bl¡ donde la

fuente dopante se deposita directamente sobre la

superficie del substrato semiconductor. Para conseguir la difusión de las impurezas dopantes se emplean pulsos láser de longitud de onda visible focalizados en la superficie del substrato. La interacción de la radiación con el material semiconductor y la fuente dopante previamente depositada da lugar a la implantación de las especies provenientes de dicha fuente. Tales dopantes pueden ser depositadas mediante técnicas de vacío como el Depósito Químico en Fase Vapor Asistido por Plasma (PECVD) ¡ o procesos en ambiente como el recubrimiento por "Spin CoatingH para formar una matriz orgánica líquida o bien un vidriosilicato (fósforo-silicato o boro-silicato) Las longitudes de ondas visibles son absorbidas de manera más eficiente por parte de materiales como el silicio¡ por lo que se reduce la acumulación de calor en la superficie y se favorece la transferencia de calor hacia el interior del material. Sin embargo¡ esta técnica presenta el inconveniente asociado al material restante que no es irradiado¡ el cual para multitud de aplicaciones debe ser retirado para continuar la fabricación del dispositivo. Son necesarios entonces pasos adicionales de limpieza¡ los cuales son casi siempre muy complicados ¡ y según la fuente que se emplee¡ podría no ser posible retirar estos restos sin modificar las propiedades eléctricas de la superficie de los dispositivos.

Una propuesta tecnológica que intenta resolver esta problemática se basa en el uso de un haz láser no focalizado para conseguir la implantación de los dopantes (PCT/US2010/058355) . Las áreas a procesar son previamente definidas por máscaras de una resina fotosensible a una longitud de onda de 266 nm. Una vez definida la máscara¡...

1. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, caracterizado porque que incluye los siguientes pasos:

-fabricación de un sistema precursor (200) que contiene varias capas de materiales dopantes tipo p, donde al menos una de ellas es una capa absorbente

(202) a la radiación láser;

-colocación del sistema precursor (200) enfrentado y en contacto directo con el sistema receptor (300) donde se integra el substrato (301) semiconductor;

irradiación con uno o más pulsos de un haz láser (100) focal izados en la interfaz entre la fuente y el substrato de todo el conjunto de ambos sistemas precursor y receptor, provocando la transferencia de material proveniente de la fuente hacia el substrato y la introducción de átomos dopantes provenientes de la fuente dentro del substrato semiconductor.

2. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema precursor (200) comprende una capa de soporte transparente (201) a la radiación láser donde se depositan el resto de capas que conforman dicho sistema precursor (200) .

3. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR

LÁSER, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la capa absorbente (20) es la primera capa de material que encuentra el láser en su trayectoria y es una capa de aluminio que actúa a la vez como donante de átomos tipo p.

4. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque al menos una de las capas del sistema precursor (200) es una solución dopante (203) de Boro solidificada.

5. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el substrato (301) semiconductor está recubierto en su cara frontal (302) y posterior

(303) de capas pasivantes y antirreflejo dieléctrica, permitiendo la posterior consecución de un buen contacto óhmico.

6. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el sustrato (301) es una oblea de silicio n y las regiones p+ obtenidas son usadas como emisor de una célula solar.

7. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según la reivindicación 6, caracterizado porque las regiones p+ (304) obtenidas son usadas para generar un campo posterior en superficie (BSF) de una célula solar de silicio cristalino tipo p, para lo cual se crean regiones n+ (305) mediante dopado asistido por láser a partir de la capa pasivante posterior (303) que actúa a la vez como fuente de dopantes tipo n.

8. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según la reivindicación 7, caracterizado porque antes de depositar los contactos se realiza una limpieza con ácido fluorhídrico diluido para retirar el óxido de silicio que haya podido crecer sobre las regiones puntuales dopadas de ambas superficies, y a continuación se depositan los electrodos metálicos frontal (400) y posterior (500) por evaporación térmica o con haz de electrones de metales adecuados para contactar los diferentes tipos de dopado.

9. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque, para llevar a cabo la irradiación en distintos puntos del sustrato, el haz láser (100) se mueve respecto al conjunto de sistemas precursor (200) y receptor (300) , bien mediante motores que desplazan el cabezal láser o bien mediante espejos galvanométricos motorizados.

10. -MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, cualquiera de las reivindicaciones 1-8,

caracterizado porque, para llevar a cabo la irradiación en distintos puntos del sustrato, se mueve el conjunto de sistemas precursor (200) y receptor (300) respecto al haz láser (100)

11. MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque, para llevar a cabo la irradiación en distintos puntos del sustrato, se combinan el movimiento del haz láser (100) y del conjunto de sistemas precursor (200) y receptor (300) .

FIG.1

FIG.2

FIG.3

1. --302

4. 1---301

1. --303

FIG.4

FIG.5