/ poly-Si 退火温度与烧结稳定性研究 /

• 关键词：烧结稳定性，钝化接触，Poly-Si，退火温度，TOPCon

关键结论

• P掺杂(n) poly-Si/SiOx结构，外层覆盖SiNy或者SiNy/AlOz叠层钝化膜，在退火温度低于临界温度的情况下，经烧结后会出现衰减。退火温度在临界温度之上，烧结温度过高的情况下，POLO结构仍会出现衰减。退火温度越低，烧结温度越高，衰减越严重。烧结温度峰值设定900℃以上时，衰减达到最大（饱和状态），此时界面态密度最高。
• 退火最佳温度状态界定，退火后钝化效果最优（饱和电流密度最小），对应P内扩适中，场钝化效果较优，经烧结后钝化性能衰减幅度最小。此条件可作为退火优化调试方向。

引子

典型的n-TOPCon电池结构背面采用磷（P）掺杂poly-Si/SiOx作为电子选择钝化结构，膜层制备过程需要800℃以上的退火过程，使得适量的P通过poly-Si/SiOx结构内扩进入c-Si以获得良好的钝化和接触性能。退火过程需要优化内扩深度，以防P内扩过多导致复合加剧，反而降低膜层钝化效果。产业量产金属化通常采用丝印+烧结模式，POLO结构经烧结后通常会出现衰减，主要有2个原因：

• poly-Si/SiOx界面的热应力影响
• 界面氧化层中过量的H影响

文献主要研究方向：

• 不同退火温度对P内扩深度影响
• 不同烧结温度 vs 不通过退火条件经烧结后衰减规律

实验方案

样品准备：

• 硅片：n型M2尺寸 Cz-Si，电阻率3.1 Ω·cm，厚度190 μm
• 热氧化方式生长隧穿氧化层 ~1.5 nm
• LPCVD方式成膜poly-Si，~150 nm
• P掺杂LPCVD 原位掺杂
• 退火过程：氮气氛围持续30min，温度 775~1000℃
• 氢化处理膜层：SiNy/AlOz叠层 ~70nm
• 烧结：峰值温度800-925℃（设定）

考察变量：

• 退火温度，775~1000℃范围
• 烧结峰值，800~925℃
• 对比退火后 vs 氢化处理后 vs 烧结后钝化性能变化

量仪：

• Sinton WCT120，QSSPC准稳态光导衰减测试法，每片量测5个点
• 3D显微镜
• ECV

结果讨论

1. 退火温度影响

• 对于退火后钝化性能，最佳退火温度 ，对应 ~5 ；温度低于最佳退火温度， 上升至~ 30，温度高于最佳退火温度， 迅速增加至~100
• 经沉积SiNy或SiNy/AlOz膜层后，相比退火后， 显著降低，两种Capping层间差异不大。
• 经烧结处理后（峰值~800℃），退火温度低于组别，显著增大，且退火温度越低，衰减幅度越大；退火温度≥ 组别，相比烧结前无明显衰减。
• 隧穿氧化层厚度增加，对应最佳退火温度会升高
• 烧结后相比烧结前增幅较大（~10)，可认为对应退火温度低于最佳退火温度，这个可以作为产线管控的参考指标。

饱和电流变化对比

氢化处理前后 vs 烧结前后饱和电流密度变化 vs 对比：

• 退火温度偏离最佳退火温度越大，对应 标准差越高

对于退火过程低于最佳退火温度时：

• 退火态的 数据离散度较大
• 沉积氢化膜层后， 有改善
• 经烧结后，钝化性能会有衰减
• 退火温度偏离越高，上述三种现象越突出
• 退火温度高于时，基本无上述三种现象

为什么退火温度高于时，退火态 vs 钝化态 vs 烧结态 变化规律发生了改变？

• 最佳退火温度时，掺杂元素轻微内扩，在界面氧化层化学钝化基础上，提供优异的场钝化效果
• 时，退火温度越低，内扩程度越浅，场钝化效应相应减弱，钝化效果主要由界面氧化层的化学钝化能力提供。
• 时，退火温度越高，内扩深度越深，场钝化能力虽然有提升，但俄歇复合加剧，整体钝化性能反而降低

退火温度低于最佳温度时，退火温度越低，标准差越高的原因分析：

• 热生长氧化层厚度~1.5 nm，对应几个原子层厚度，膜厚和化学键配位上均匀性分布在不同空间位置会有差异，相应缺陷态密度会有不同。在退火温度低于最佳温度时，退火温度越低，对应场钝化效应越差，由缺陷态密度主导的 对应标准差越高，离散度越大。退火温度一般高于氧化层的成膜温度，在退火过程中，界面氧化层会发生重组，同样也有利于降低标准差。
• 氢化膜层沉积过程中，H原子穿过(n) poly-Si膜层进入界面氧化层饱和界面态缺陷，降低界面态密度。假定H化膜层已最优，可以提供足够的H来饱和界面缺陷，化学钝化效果达到最佳，低密度缺陷和高的密度缺陷都得到了饱和。
• 烧结过程会在界面氧化层中形成缺陷，且烧结温度越高，缺陷态密度越高。文献讨论设定烧结峰值温度为 ,可假定实验各组别烧结过程中形成的界面态缺陷密度相同，退火温度低于组别，退火温度越低，P内扩越少，场钝化效应越弱，对应标准差越大。

用EDNA2软件拆解

• 退火温度高于时，随着退火温度的升高，内扩程度加重，相应场钝化效果会有增强，但是整体变大，主要是掺杂引起的晶格缺陷密度增加，SRH和俄歇复合升高导致。
• EDNA2软件量化分析ECV曲线对应钝化性能变化
• - 有效表面复合速率，主要受表面界面氧化层化学钝化效果影响
• 忽略结区SRH复合影响，内扩尾部复合

• 退火温度最优时，SRH表面复合速率降至最低，对应场钝化、表面钝化效果最优状态。
• 退火温度高于时，Auger复合影响开始显现，表面钝化效果开始变弱，随着温度升高，复合加剧。主要原因是P原子内扩穿透界面氧化层，破坏了氧化层的均一性，pinholes密度越来越高，同时随着内扩程度加重，Auger复合开始占主导。

2.烧结峰值温度影响

• 烧结后出现爆膜blistering现象，对应两种情况SiNx覆盖膜层爆膜或者poly-Si膜层同时出现爆膜问题，如何区分？HF去出SiNx膜层后观察poly-Si膜层爆膜情况。

• 对于退火温度 条件下，poly-Si膜层无爆膜现象；775℃退火条件下，poly-Si膜层爆膜，对 变化有显著影响。

  
  

• 烧结温度越高，复合电流密度上升幅度越大

• 不同退火温度，经烧结后钝化衰减程度差异较大。最佳退火温度组别，钝化衰减幅度最小；低于最佳退火温度组别，温度越低，烧结后衰减幅度越大；高于最佳退火温度组别，烧结后衰减幅度相对较低。

• 烧结峰值温度高于900℃以上时， 基本达到饱和状态，不再继续增大；退火温度高于最佳温度组别，在烧结温度>900℃后，烧结饱和暗电流密度与退火条件下基本持平。

• 退火温度低于 组别钝化性能衰减更易受缺陷态密度影响，烧结过程会引入新的缺陷态密度，退火温度较低，内扩不足对应场钝化效果较差，相应衰减越高。表现为退火温度越低，烧结后衰减幅度越高。
• 烧结温度高于临界温度后，达到饱和状态不再升高，主要受烧结过程产生缺陷态的两种机制影响：
• poly-Si/SiO界面热应力
• 界面氧化层过量的H逸出

参考资料：

• 来源：Influence of the annealing temperature of (n) poly-Si/SiOx passivating contacts on their firing stability
• https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112415