原子层沉积Al2O3叠层钝化增益、损失及修复研究-李士正-solarbe文库

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华东理工大学 East China University of Science And Technology TALD-Al2O3/PECVD-SiNx叠层钝化增益、损失及修复研究新能源材料与器件教研组李士正 2018年 11月 9日主要内容 1· 背景介绍 2· 实验及表征 3· PE 过程的影响 4· Al2O3/SiNx叠层的退火修复 5· 总结 1、背景介绍 p-PERC n-PERT Passivation layer Al2O3 SiNx Al2O3 T-ALD; PECVD; Al2O3 paste screen printing; SiNx direct-PECVD; microwave-PECVD Thicker Al2O3 10 nm SiNx 100 nm for p-PERC protect from Al paste Thinner Al2O3 5 nm SiNx 75 nm for n-PERT considering anti-reflection 2、实验及表征 2.1 样品制备 n-Si 1-7Ω·cm as-deposited/annealed5, 10, 20 nm Al 2O3 80nm microwave-PECVD/ direct-PECVD SiNx 市售 N100单晶硅片， 156.75 156.75 mm2， 1-7 Ω·cm， 180± 20 μm  15 KOH碱抛光并 RCA清洗两边各抛去 15 μm，去除表面损伤层，去除表面沾污；  5 HF 去除表面氧化层；  双面 TALD Al2O3沉积（ 250 oC， TMAH2O， 5， 10， 20 nm）；  双面 PECVD SiNx沉积（ 400 oC for mw-PECVD， RathRau； 480 oC for d-PECVD，捷佳伟创，线上工艺）；  采用快速退火炉退火， N2氛围。 2、实验及表征 2.2 样品表征少子寿命 Sinton WCT-120，单片测 9点，单点 5次平均界面态及固定电荷 Semilab PV-2000 结构分析 XPS 元素分析 SIMS 3、 PE过程的影响 3.1 单层 Al2O3薄膜的钝化性能 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 0 . 0 5 0 . 1 1 0 . 1 9 0 . 2 6 0 . 7 7 a s -d e p o s i te d Al 2 O 3 a n n e a l e d Al 2 O 3 N o r ma li z e d τ e ff Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m 5 10 20 1 . 0 0 所有数据对退火后 20 nm Al2O3数据进行归一化 5 4 .4 2 2 5 .7 9 1 6 .1 1 6 .5 6 1 .5 3 1 .0 0 0 .1 2 0 .1 0 0 .1 0 0 .8 4 0 .9 2 1 .0 0 0 10 20 30 40 50 60 N o r ma li z e d D it Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m D it o f a s - d e p o s it e d A l 2 O 3 D it o f a n n e a led A l 2 O 3 5 10 20 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 Q f o f a s - d e p o s it e d A l 2 O 3 Q f o f a n n e a led A l 2 O 3 N o r ma li z e d Q f Al2O3在 20 nm范围内钝化性能随膜厚增加而提升； Al2O3在退火后钝化性能大幅增强得益于界面态的降低和固定负电荷的提升。 3、 PE过程的影响 3.1 单层 Al2O3薄膜的钝化性能 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 强度 / c p s a a s -d e p o s i te d Al 2 O 3 b a n n e a l e d Al 2 O 3 78 77 76 75 74 73 72 71 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Al 2 p Al 2 p 强度 / c p s 结合能 / e V A l- OH 7 5 . 3 e V Al 2 O 3 7 4 . 4 e V Al2O3退火后薄膜结构中 Al-OH含量大大减少， H原子被释放饱和 Si表面悬挂键，降低界面态密度； Al2O3退火后薄膜结构中 Al2O3成分提升，固定负电荷密度增加。 3、 PE过程的影响 3.2 PECVD过程对沉积态 Al2O3影响 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 1 .1 9 0 .6 9 0 .6 7 2 .3 7 0 .6 1 0 .5 3 N o r ma li z e d τ e ff Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m a s Al 2 O 3 m w -PE Si N x a s Al 2 O 3 d -PE Si N x 5 10 20 0 .7 0 1 .4 3 1 .4 1 0 .2 1 2 .2 4 3 .1 2 0 .5 9 0 .6 1 0 .6 2 0 .7 1 0 .8 0 0 .8 5 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 N o r ma li z e d D it Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m D it o f a s A l 2 O 3 m w - P E S iN x D it o f a s A l 2 O 3 d - P E S iN x 5 10 20 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 Q f o f a s A l 2 O 3 m w - P E S iN x Q f o f a s A l 2 O 3 d - P E S iN x N o r ma li z e d Q f 所有数据对相应膜厚的退火后 Al2O3数据进行归一化 PE过程对沉积态 Al2O3能够起到退火作用； d-PE对 Al2O3的损伤大于 mw-PE；钝化性能下降的原因是界面态的升高和固定负电荷的降低； 5 nm Al2O3在 PE之后钝化性能获得巨大提升。 3、 PE过程的影响 3.2 PECVD过程对退火态 Al2O3影响 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 0 .9 5 0 .4 3 0 .4 2 1 .2 9 0 .3 4 0 .2 3 N o r ma li z e d τ e ff Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m a n n e a l e d Al 2 O 3 m w -PE Si N x a n n e a l e d Al 2 O 3 d -PE Si N x 5 10 20 1 .1 1 3 .2 1 3 .6 6 0 .6 3 4 .9 5 1 3 .4 9 0 .6 4 0 .7 3 0 .7 3 0 .8 0 0 .8 2 0 .8 5 0 2 4 6 8 10 12 14 N o r ma li z e d D it Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m D it o f a n n e a led A l 2 O 3 m w - P E S iN x D it o f a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x 5 10 20 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 Q f o f a n n e a led A l 2 O 3 m w - P E S iN x Q f o f a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x N o r ma li z e d Q f 所有数据对相应膜厚的退火后 Al2O3数据进行归一化 PE过程对退火后的 Al2O3造成了较大损伤； d-PE对 Al2O3的损伤大于 mw-PE；钝化性能恶化的主要因素是界面态的迅速升高，该影响随 Al2O3膜厚的增加而增强。 3、 PE过程的影响 3.3 PE过程中的薄膜元素变化 d-PE过程由于更高的沉积温度和等离子体能量，对 Si、 N、 H的扩散大于 mw-PE过程；薄膜厚度越厚， Al2O3对 Si和 N的扩散阻挡作用越强烈；退火后的 Al2O3对 Si、 N、 H的阻挡强于沉积态的 Al2O3； 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 1 .4 0 0 .9 3 0 .9 4 2 .4 5 0 .8 5 0 .8 0 a s A l 2 O 3 m w - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in a s A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in N o r ma li z e d τ e ff Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m 5 10 20 0 .6 0 0 .9 8 1 .0 6 0 .2 3 1 .1 4 1 .4 7 0 .7 9 0 .8 3 0 .8 4 0 .7 3 0 .8 3 0 .8 6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 D it o f a s A l 2 O 3 m w - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in D it o f a s A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in N o r ma li z e d D it Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m 5 10 20 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 Q f o f a s A l 2 O 3 m w - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in Q f o f a s A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in N o r ma li z e d Q f 所有数据对相应膜厚的退火后 Al2O3数据进行归一化沉积态 Al2O3经过一个短时间的退火过程可以在很大程度上修复 PE过程带来的钝化损失；对 mw-PE过程，短时间退火后钝化性能基本恢复到与 PE前相当的水平，此时固定负电荷的降低成为影响钝化的主要因素；对 d-PE过程，界面态仍然维持在一个较高水平，导致钝化性能未能恢复。 4、 Al2O3/SiNx叠层的退火修复 4.1 沉积态 Al2O3PE SiNx短时间退火修复退火条件 RTA， 400 oC， 5 min， N2 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 1 .4 7 1 .0 8 1 .0 4 2 .0 1 0 .5 2 0 .3 7 a n n e a led A l 2 O 3 m w - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in N o r ma li z e d τ e ff Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m 5 10 20 0 .5 5 0 .9 0 0 .9 5 0 .3 7 2 .7 2 5 .3 1 0 .8 3 0 .8 6 0 .8 7 0 .8 0 0 .8 4 0 .8 5 0 2 4 6 8 D it o f a n n e a led A l 2 O 3 m w - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in D it o f a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in N o r ma li z e d D it Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m 5 10 20 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 Q f o f a n n e a led A l 2 O 3 m w - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in Q f o f a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 5 m in N o r ma li z e d Q f 所有数据对相应膜厚的退火后 Al2O3数据进行归一化退火 Al2O3mw-PE SiNx在短时间退火后即可恢复钝化性能，并有所增益，该增益得益于界面态的改善，且提升幅度随膜厚增大而减小；退火 Al2O3d-PE SiNx在短时间退火后仍然存在较大的损失，主要是由于界面态密度仍然保持在一个较高水平未能恢复。 4、 Al2O3/SiNx叠层的退火修复 4.2 退火态 Al2O3PE SiNx短时间退火修复退火条件 RTA， 400 oC， 5 min， N2 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 2 .2 4 1 .0 7 1 .0 1 2 .2 1 1 .1 8 1 .1 6 a s A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 3 0 m in a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 3 0 m in N o r ma li z e d τ e ff Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m 5 10 20 0 .2 8 0 .9 3 0 .9 8 0 .2 8 0 .7 6 0 .9 2 0 .8 7 0 .9 0 0 .8 9 0 .8 9 0 .9 5 0 .9 4 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 D it o f a s A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 3 0 m in D it o f a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 3 0 m in N o r ma li z e d D it Al 2 O 3 t h ic k n e s s n m 5 10 20 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 Q f o f a s A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 3 0 m in Q f o f a n n e a led A l 2 O 3 d - P E S iN x a n n e a led 4 0 0 o C f o r 3 0 m in N o r ma li z e d Q f 所有数据对相应膜厚的退火后 Al2O3数据进行归一化长时间退火可以消除 d-PE过程对钝化带来的减益，并对钝化略有提升，提升幅度随膜厚的增加而减小；经过长时间退火后，界面态密度的恢复和改善是造成钝化增益的主要原因，固定负电荷密度仍有所降低。 4、 Al2O3/SiNx叠层的退火修复 4.3 Al2O3d-PE SiNx长时间退火修复退火条件 RTA， 400 oC， 30 min， N2 5、总结 Al2O3薄膜在 PECVD SiNx过程后钝化性能会出现下降，降低程度随膜厚的增加而增加； 5 nm Al2O3薄膜在 PE后钝化性能反而提升，可能是由于 1） PE过程中 H原子的钝化作用； 2） 5 nm Al2O3本身钝化性能较差， PE过程带来的改善较易体现； Direct-PECVD比 microwave-PECVD对 Al2O3薄膜的损伤更大，钝化性能降低更为显著；退火可以对 PE过程中造成的钝化损失进行修复， mw-PECVD修复所需能量较低，通过短时间退火即可； d-PECVD修复所需能量较高，需要长时间退火； PE过程中造成的界面态上升可以通过退火降低，然而固定负电荷的降低则是由于 Al2O3/SiNx叠层的影响，无法完全恢复；经过合适的退火过程， Al2O3/SiNx叠层比单 Al2O3钝化层展现出更好的钝化性能。 Thank you for your attention