硅光单体电源铝背场吸杂对非平衡少子寿命的影响

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1、 第25卷第8期半 导 体 学 报Vol . 25,No. 82004年8月CH I N ESE JOURNAL OF SEM ICONDUCTORSA ug. , 20043 河北省自然科学基金资助项目(批准号: 501019)任丙彦 男, 1946年出生,教授,从事硅材料科学与光电子材料技术研究.2003209211收到, 2003211224定稿c2004中国电子学会硅光单体电源铝背场吸杂对非平衡少子 寿命的影响3任丙彦1 左 燕1 霍秀敏1 励旭东2 王文静2 许 颖2 赵玉文2 朱惠民3 傅洪波3(1河北工业大学材料研究中心,天津 300130)(2北京太阳能研究所,北京 10008

2、3)(3云南半导体器件厂,昆明 650200)摘要:采用 115eV)在激发跃迁中产生的光、 热效 应,可大大缩短工艺时间,降低能源消耗.实验证明, 选择适当的快速热退火条件可有效提高单晶硅片的 非平衡少子寿命和太阳电池的光电转换效率.近来研究发现,硅光电池制造中施加铝背场能进一步提 高光电转换效率,但施加铝背场后连同背场一起施 加RTP工艺,目前国内外尚未见文献报道.本文首 次将已烧结铝背场的硅片纳入RTP工艺中进行了 实验和研究,实验结果发现硅片少子的寿命可以进一步提高,并对实验中影响硅片少子寿命的机理和 晶格中的物理变化进行了理论分析与探讨1, 2.2 实验采用的样品为p(100)直拉单

3、晶硅片,原始厚度为400m左右,经化学减薄后为370m左右,电阻率范围在01828 cm.实验初期,首先通过Fourier变换红外光谱仪测试得出硅片原始间隙氧含量Oi,范围在71510178101017?cm3,为中氧硅片;替位碳Cs的含量较低,小于11016?cm3.设备型号为WQ F2410Fourier变换红外光谱仪;转换因子为31141017.硅片按常规太阳能电池的制作工艺清洗(,?,号液顺序清洗所有硅片,各种溶液的配比分别为:?号,去离子水H2O2NH3H2O = 521, 号,去离子水H2O2HCl= 821, 号, H2SO4H2O2= 51),之后采用PECVD工艺在硅片上沉积

4、Si Nx(条件: 300下沉积415m in,反应气体: SiH4NH3= 41),并测试少子初始寿命 1= 418s .少子寿命测试仪的型号为W CF2100 photo conductance;测试各参数分别为: Pow er voltage: 230V; Frequen2cy: 50Hz; Pow er dissipation: 40 W ;M axi mum: 3 W ,Nom inal fuse: 200 M a; Ambient temperature: In2tended for use at 2025. 之后对这些硅片进行快速热退火,Tplateau分别为: 450, 500

5、, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900,950, 1000, 1050,保温120s.退火过程结束后,用HF去离子水= 110的溶液漂掉硅片表面的Si Nx,并用PECVD重新沉积.然后对硅片的寿命和其中的氧、 碳含量再次进行测试,分析RTP工艺前 后的氧、 碳变化.另取一批参数相同的硅片分?, 两组,经过相 同的清洗过程后扩散制作pn结(扩散源为液态源Cl3OP;扩散条件为:温度950,时间30m in;结深约1m).? 组中硅片用镀膜机蒸铝,厚度约为115m,并在850, 30m in的条件下烧铝背场.背场 烧结后的硅片经相同条件制作Si Nx后也

6、进行RTP工艺. 组扩散后采用涂黑胶的方法去背节后再进 行RTP工艺.退火结束后对?, 组硅片测试寿命, 并观察其数值变化.3 数据比较3. 1 材料寿命变化未经扩散的硅片进行快速热退火后,其寿命变 化如图1中曲线3所示.从图1中可看出, RTP工 艺对半导体硅材料有一定的影响,随着Tplateau的升 高,硅片寿命有所增加.在500左右退火120s后, 非平衡少子寿命增长出现峰值,提高了近70%.之后寿命降低,而在750时又反弹回升且增长较慢,950左右少子寿命增长又达70%左右.图1中曲图1 未扩散硅片少子寿命随Tplateau变化Fig. 1 M inority carrier life

7、ti me effected byTplateau线1, 2分别代表?, 组硅片的寿命变化,比较可看 出:A l背场烧结后再进行RTP工艺,硅材料的少子 寿命提高比较大,最大寿命为816s,增长近78%.3. 2 硅中氧、 碳的变化实验测试发现:硅片中的间隙氧含量也会随Tplateau发生变化,如图2所示.对于中氧硅片,间隙氧的变化呈波浪状.当Tplateau为950左右, Oi出现 最小值,而在此温度硅片的寿命增长却是最大.所以 硅片中部分氧很有可能在此温度由间隙态向其他形 态转变,而这种形态转变过程中所产生的晶格应力吸除了部分空位以及载流子复合中心,从而减少了 载流子的复合,提高了非平衡少

8、子的寿命.图2 未扩散硅片中Oi随Tplateau的变化Fig. 2 Interstitial oxygen versusTplateau3. 3 Al背场对RTP的影响因为中氧硅片的氧含量不是很高,为观察RTP工艺对硅材料中Oi的影响,以及有无背场烧结对 扩散制节后硅材料的影响,再选取一批高氧含量的单晶硅片(原始间隙氧含量为21781018?cm3;替位碳含量同样低于1101016?cm3).分?、 两组后进行上述实验,观察Oi的变化,如图3所示.从图中看出,高氧硅片中Oi的变化也呈波浪状,但经过了 扩散制节后,其变化趋势和中氧硅片有所不同.但是当Tplateau为950左右, Oi也出现了

9、最小值.经过烧铝背场的硅片,其间隙氧含量降低更多,而且硅片中的替位碳含量Cs也发生了变化.当Tplateau分别为450和850时, Cs会出现一定量增长,分别达2101016?cm3和1151016?cm3.4 实验分析从以上数据可以看出,RTP对太阳能级单晶硅349 8期任丙彦等: 硅光单体电源铝背场吸杂对非平衡少子寿命的影响图3 高氧硅片中Oi随Tplateau的变化Fig. 3 Interstitial oxygen changed w ithTplateau片的影响和Tplateau有很大关系.在500退火并保温 后,硅片的寿命增长较大,这种现象应该和450时 热施主的形成有关.一般

10、认为,热施主是由间隙氧扩 散形成的Si O4电活性络合物,它的产生速率和退火 温度及间隙氧浓度有关系.退火温度为450左右, 热施主产生的速率最大,浓度最高,而且热施主具有可逆性3.热施主的产生会对重金属杂质起到屏蔽 作用,所以少子的寿命会有所提高.950快速热退火后,单晶硅片中的Oi达到最 小值的同时寿命也达最大值.所以,硅片中间隙氧含 量的减少一定和少子寿命的提高有关.在此温度下,硅片中部分氧由间隙态向其他形态转变,而这种形 态转变过程中所产生的晶格应力对硅片中的空位以 及载流子复合中心起到吸除作用,从而提高了少子 寿命. 850的RTP处理使硅片中的Cs有一些增 长, Shi mura4

11、认为碳原子对氧沉淀的促进作用存在一个临界温度Tc(约850),高于此温度时,碳原子 不再参与氧沉淀的形核和长大,而只是起催化作用, 促进氧沉淀的形成.所以在850的RTP工艺后, 发现间隙氧降低的同时会有一些碳析出. 因为实际生产中,单晶生长速度v越快产量就会越高,而且随着硅片直径的增大,固液界面处轴向 温度梯度G也逐渐减少.这两个因素使v?G的值增 大,导致晶体生长时空位的富集.从而在大直径硅单 晶中引入大量原生缺陷Void(主要包括COP, FPD,L STD)5.原生缺陷Void主要是由过剩空位聚集形成的空位团,所以改变硅晶体中空位的浓度就可 以减少它的形成.研究表明,硅中杂质氧、 碳可

12、通过 和空位、 硅自间隙原子作用来影响原生缺陷. RTP 工艺可有效降低硅片中间隙氧浓度,当氧含量欠饱 和时,硅自间隙原子的注入就会使原生缺陷减少.而且, RTP工艺可使原生缺陷与热应力产生的位错相 互作用,起到有效吸杂.此外,硅片在机械加工过程 中会造成损伤,这些机械损伤造成的局部范围晶格 不完整性、 应力场与应力集中点,也可以形成复合中心6.实验证明, RTP工艺对消除硅片表层的机械 损伤也起到促进作用,从而减少了表层复合中心,使载流子的复合减少. 烧结铝背场后,不仅材料寿命的增长有所提高, 而且Oi降低.这些现象可以解释如下: (1)因为铝是三价元素,所以烧结铝背场的过程实际上提高了背表

13、面的掺杂浓度,提供许多空穴,从而在背表面产生空穴势垒,使材料背面附近的能带 结构发生变化.当电子向背表面扩散时,因为出现这 样一个势垒而不容易通过,因此减少了扩散过程中 的电子与空穴的复合,增大了载流子的扩散长度,提 高了少子的寿命.(2)铝背场的烧结过程中可生成A l2Si合金层,由于A l, Si原子间存在结构差异,二者结合所形成 的晶格失配会造成应力,从而有效提高了背表面的 吸杂作用.所以虽然有很多氧及微缺陷参与沉淀的 生成,但是被A l2Si合金层有效吸除,如图4所示7.图4 背场吸杂效果Fig. 4 Back surface gettering to eli m inate defe

14、cts(3)在快速热退火过程中, P2A l的互扩散也加强了对重金属杂质的吸收作用,还有利于产生较深的发射结8.A l的扩散公式表示如下: 5C? 5t=(5? 5x) (DA l5C? 5x)(1)式中 C为A l浓度;DA l为A l扩散修正系数.DA l=A Vx(2)式中 Vx表示空位浓度,常数A由实验经验给定9.A= 1. 7410- 23exp (-1. 15?kT)(3)449半 导 体 学 报25卷 5 结论(1)RTP工艺对单晶硅片有一定影响, 950的快速热退火工艺会减少非平衡少数载流子的复合中 心,间隙氧含量有所下降,少子寿命提高.(2)背场烧结对硅片的性能也会产生影响,

15、铝背场烧结后再进行RTP工艺,硅片的间隙氧含量降低,而少子寿命明显提高.参考文献 1 Lee J Y, Peter S,Rein S, et al . Carrier lifeti me i mprovement inCzochralski silicon for solar cells by rapid thermal process2ing. 14th European Photovoltatic Solar Energy Conference,1997 2 Ventura L ,Noel S,Lachiq A , et al . Role of alum inum duringsi mu

16、ltaneous dopants difussion in a lamp heating furnace.14th European Photovoltatic Solar Energy Conference, 1997 3 Hu Caixiong, Xia Jinlu, Zhang Jianyu. Progress of the studyon the behaviors of oxygen in silicon. Shanghai NonferrousM etals, 1995, 16: 39(in Chinese) 胡才雄,夏锦禄,张建宇.硅中氧行为研究的新进展.上海有色金属, 1995, 16: 39 4 Shi mura F. Carbon enhencement effect on oxygen precipita2tion in