/ PE-poly 隧穿氧化层成膜条件影响探究 /

Ultrathin silicon oxide prepared by in-line plasma-assisted N2O oxidation (PANO) and the application for n-type polysilicon passivated contact

关键结论

• 超薄隧穿氧化层用TEM量测厚度更准确，椭偏仪量测（J.A. M2000)会偏厚1~1.5 nm左右
• PANO SiOx成膜膜厚有个饱和点，随着衬底温度、射频功率升高而变厚，与O原子穿透扩散能力相关
• 隧穿氧化层钝化能力与SiOx膜层化学键配位相关， 占比越高，钝化效果越好
• POLO结构（TOPCon）隧穿SiOx/(n+)poly-Si叠层钝化效果，有个最佳退火温度，综合钝化效果与P内扩相关，内扩不足或者内扩过多都会削弱钝化效果
• poly-Si晶化率，退火温度超过某一临界温度后，晶化率不再增加，晶化率有个饱和点
• PANO SiOx匹配较好的poly-Si钝化接触较好的特征：
• pinholes密度： 区间
• pinhole大小 10~40 nm

实验方案

隧穿氧化层制备方法：

• 湿化学氧化（硝酸NAOS、臭氧水、混酸）
• 热氧化处理
• 臭氧氧化法
• PANO，等离子体辅助笑气氧化法

样片准备：- 单面抛光，4寸 n型Cz硅片，用于SiOx薄膜厚度测试；- 6寸 180um厚度 电阻率 ~3 Ω·cm 太阳能级n型Cz-Si，双面抛光，用于钝化测试

• PANO SiOx制备条件：
• N2O，纯度5N（99.999%）
• 衬底温度：150~400 ℃
• 氧化时长：30s ~ 1200 s
• 射频功率：5W ~ 20 W
• 对比组：硝酸氧化NAOS，110℃
• 掺杂poly-Si层：40 nm厚
• 特气：SiH4、PH3、H2
• 晶化退火：温度 820 ~ 950 ℃

量测仪器：

• 椭偏仪（J.A. Woollam，M-2000DI）, 量测抛光面超薄氧化层厚度
• TEM，微观结构观察，氧化层厚度量测
• XPS，SiOx键型结构量测
• Sinton WCT120，钝化效果量测
• ECV，活性磷掺杂曲线量测
• Raman散射，poly-Si晶体结构量测
• c-AFM，接触电阻率量测

等离子体辅助笑气氧化法制备隧穿氧化层，考查工艺条件：

• 衬底温度
• 淀积时长
• 射频功率

匹配掺杂poly-Si，考查钝化、接触性能：

• 退火温度影响
• 磷掺杂浓度、曲线
• 接触电阻率
• 钝化目标：饱和复合电流密度 (电子选择接触区)

结果讨论

PANO vs NAOS 氧化硅成膜特点对比，TEM测试结果：

• NAOS SiOx 膜厚范围 1.3 ~ 1.8 nm，极差0.5 nm
• PANO SiOx 膜厚范围1.1 ~ 2.4 nm， 极差1.3 nm，相比硝酸氧化法笑气氧化法均匀性要差，膜厚分布范围更宽
• NAOS SiOx界面更明显，晶硅点阵-非晶硅SiOx清晰可辨
• PANO SiOx局部区域界面分别率较差，可能是O原子内扩导致
• 椭偏仪量测氧化层厚度 ~ 2.6 nm，相比TEM量测结果偏高，TEM更准确，椭偏仪量测结果偏厚

椭偏仪量测SiOx薄膜可靠性分析：

• SiOx膜厚量测采用Cauchy柯西拟合方式，薄膜材料在可见光范围无吸收时，用Cauchy模式量测拟合结果最佳
• 对于精确测量SiOx薄膜厚度，不管何种拟合方式，都很难达到准确测量，尤其是nm级精度。主要是量仪的随机误差及系统误差影响。
• 对于< 10 nm厚度的薄膜，厚度和折射率很难做到同时保证测量准确性，因为膜层的折射率、消光系数与组份相关（是变化的），因而膜厚量测结果不可靠

PANO成膜速率

• PANO SiOx成膜速率，在最初的几十秒内较高，随着沉积时间的增加，膜厚有个饱和点
• 衬底温度越高，SiOx厚度整体越厚
• 随着射频功率的增加，SiOx厚度增加
• SiOx膜厚的增加，取决于O原子穿透氧化层抵达Si/SiOx界面的量，SiOx的饱和厚度受O原子在一定扩散能量的条件下穿透深度影响。（温度越高、射频功率越大，饱和厚度越高）

PANO SiOx薄膜化学键构成

• SiOx化学键构成（配位数）影响钝化效果， 占比越高，钝化效果越好
• 衬底温度越高， 占比越高
• 相比NAOS，PANO SiOx钝化效果更好。等离子体使得O原子穿透氧化层的能力更强，衬底温度升高可以进一步提升O原子的扩散能力

Fig. 3. (a) XPS spectra, (d) the proportions of Si4þ, and (c, d, e) the decompositions of the XPS spectra of the 110℃ NAOS, 150℃ PANO, and 300℃ PANO SiOx films.

晶化退火钝化效果

• 对于未加H capping层样品，考查钝化性能(iVoc最高点)，NAOS SiOx最佳退火温度 820 ℃，iVoc 727、 4.4 fA/cm2 （注入条件）
• PANO SiOx 最佳退火温度 880℃，对于不同的PANO SiOx沉积条件，最佳退火温度基本一致
• AlOx/SiNx capping层沉积后，最佳钝化效果：747 mV，2.0 fA/cm2, 9 ms

晶化率

• 850℃ 以上，poly-Si晶化率可达 >80%+，且基本一致
• 不同退火温度下的钝化效果差异，850℃以上可认为与晶化率无关，需要考虑其他因素

ECV曲线

• 在Si/SiOx界面出现P聚集（尖峰位置）
• 同样退火温度条件下PANO SiOx比NAOS SiOx结深要浅
• 退火温度升高，P内扩能力增加，950℃条件氧化层击穿
• PANO SiOx层对P内扩有阻碍作用
• POLO结构钝化能力，与P内扩紧密相关
• 内扩不足（820℃）或内扩过多（950℃）都会削弱钝化效果
• 
  

接触电阻率

• 接触电阻率目标
• 膜层漏电点占比
• 漏电点大小 10~40 nm
• 退火温度升高，漏电点密度与尺寸都会变多
• PANO SiOx匹配较好的poly-Si钝化接触较好的特征：
• 漏电点密度： 区间，可解释为pinholes
• 漏电点大小 10~40 nm

文献溯源：https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110389