高溫工藝對(duì)n型Cz硅載流子壽命的影響

引言

由于缺乏發(fā)光降解，摻雜磷的n型銅斯基生長(zhǎng)硅（銅硅）晶片經(jīng)常用于制造高效硅太陽(yáng)能電池。對(duì)于處理n型Cz-Si太陽(yáng)能電池，通常的高溫過(guò)程步驟同時(shí)形成了摻雜硼的發(fā)射器和高磷酸化摻雜的表面。我們硏究了高溫工藝對(duì)摻磷氮型直拉法生長(zhǎng)硅晶片的影響。來(lái)自五個(gè)晶錠的晶片經(jīng)受具有不同溫度、時(shí)間和氣體氣氛的高 溫工藝序列。工藝順序被特別選擇以代表制造高效n型Cz-Si太陽(yáng)能電池的不同路線。眾所周知，POCls擴(kuò)散能有效吸雜金屬雜 質(zhì)。它優(yōu)選用作最后的高溫步驟。然而。我們的結(jié)果顯示其他過(guò)程序列，例如BBr擴(kuò)散作為最后的高溫步驟，也能使高電荷載流子壽命在幾毫秒的范圍內(nèi)。對(duì)于某些材料和工藝順序，環(huán)形缺陷觀察到結(jié)構(gòu)，而對(duì)于其他結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與高溫處理之前的初始值相比，電荷載流子壽命增加了高達(dá)2.6倍。

實(shí)驗(yàn)

高溫過(guò)程：

對(duì)于制造高效的n型硅太陽(yáng)能電池，可以想象不同的高溫過(guò)程組合來(lái)形成磷和硼摻雜區(qū)域。硼的三氯氧磷擴(kuò)散和離子注入以及隨后的高溫退火，或者，另一方面，BBr3擴(kuò)散和隨后的三氯氧磷擴(kuò)散是兩個(gè)典型的選擇。

樣品制備：

研究了不同邊長(zhǎng)為156mm的n型Cz-Si晶圓和不同基電阻率ρBase的不同高溫管爐工藝順序前后的壽命，見(jiàn)圖1，因此，我們進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于研究高溫過(guò)程序列中的各種不同材料，而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于對(duì)高溫過(guò)程序列的更廣泛的研究。因此，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自4個(gè)不同供應(yīng)商(Mat1-Mat5)的5個(gè)不同鋼錠的晶片要經(jīng)過(guò)5個(gè)高溫工藝序列。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，包括8個(gè)額外的高溫過(guò)程序列中，只使用了兩種材料(Mat1和Mat2)。

圖1 對(duì)來(lái)自5個(gè)不同鋼錠和4個(gè)不同供應(yīng)商（Mat1-Mat5）在不同高溫管爐工藝順序中的n型Cz-Si晶片進(jìn)行材料評(píng)價(jià)的工藝順序示意圖

在濕化學(xué)清洗后，堿性鋸木損傷蝕刻表面被由PECVD沉積的富氮氧化硅(SiRiON)和氮化硅(SiNx)組成的層疊鈍化。在設(shè)定為700°C的峰值溫度下激活快速燃燒爐中的鈍化層后，通過(guò)QSSPC在每個(gè)晶片上的5個(gè)位置測(cè)量有效載流子壽命τeff，并記錄空間分辨的PL圖像。由于所有的晶片都是相同的濕化學(xué)蝕刻和鈍化的，我們假設(shè)所有的晶片的表面重組速度非常相似。因此，我們得出結(jié)論，所有為測(cè)量的有效壽命發(fā)現(xiàn)的相關(guān)性都可以與硅體有關(guān)。

結(jié)果和討論

有和沒(méi)有熱供體的基本電阻率：

五種n型Cz-Si材料的基電阻率ρBase有或沒(méi)有熱供體。熱供體可以與Cz-Si的氧含量相關(guān)。對(duì)于Mat1，ρBase被確定為ρBase≈1.6Ωcm，有和沒(méi)有熱供體。因此，這種材料中的熱供體的含量是邊緣的。選擇了不同的材料，因此研究包括具有不同數(shù)量熱供體的材料，以檢查它們是否影響暴露于不同高溫過(guò)程后的材料性能。

實(shí)驗(yàn)1材料變化：

在本方法中，單次三氯氧磷擴(kuò)散和pocl3最后處理導(dǎo)致β值最高。這可能與三氯氧磷擴(kuò)散引發(fā)的高吸收效應(yīng)有關(guān)。在n型硅中，Co、Cr、Ni和Fe等雜質(zhì)可能具有重組活性，降低τeff。已知磷的吸收可以減少硅片中的這些雜質(zhì)。

一般來(lái)說(shuō)，熱供體含量高的Mat3表現(xiàn)得與熱供體含量邊際的Mat1相似。只有在BBr3最后處理小環(huán)缺陷時(shí)才會(huì)發(fā)生晶圓中心和τeff的輕微降解。但這些環(huán)缺陷也可見(jiàn)于Mat2，它幾乎不包含任何熱供體。因此，熱供體在暴露于特定的高溫過(guò)程后，似乎并不會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生顯著影響。

實(shí)驗(yàn)2高溫工藝序列的變化：

對(duì)于Mat1和Mat2，我們更詳細(xì)地研究了高溫過(guò)程的順序以及應(yīng)用的氣體大氣對(duì)τeff的影響。所使用的工藝流程順序和發(fā)射后測(cè)量的τeff如圖2a所示。再次，我們計(jì)算了方程中給出的壽命因子β如圖2b。

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圖2( a)由QSSPC在注入水平Δn=1015cm-3下對(duì)兩種材料和所述的8個(gè)高溫過(guò)程序列測(cè)量的有效載流子壽命τeff，包括沒(méi)有任何高溫過(guò)程的參考組 (b)壽命因子β計(jì)算公式所示

然而，大多數(shù)高溫工藝序列在低溫第一和高溫第二產(chǎn)率1.3<β<2.6，只有序列N2高+N2低的τeff與β≈0.7。其原因尚不清楚，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)查。

此外，在以n2為高的第一過(guò)程的過(guò)程序列后，Mat1尤其出現(xiàn)了許多點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，如圖中的PL圖像中可以看出。用于材料Mat1的代表性晶片。N2高+三氯氧磷和N2高+N2低序列的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)很明顯。這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)可能是由于氧化物堆積斷層。但由于Mat1的β=2.6和過(guò)程序列N2高+三氯氧磷，這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)似乎不一定會(huì)減少τeff。當(dāng)將工藝順序更改為N2低+N2高時(shí)，不可見(jiàn)點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。

圖3b顯示了圖中所標(biāo)記的面積的擴(kuò)大。圖3a中PL圖像被切割，經(jīng)過(guò)過(guò)程N(yùn)2高，三氯氧磷擴(kuò)散后，最后在鈍化和發(fā)射后。很明顯，點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)正好發(fā)生在n2高過(guò)程之后。它們?cè)谌妊趿讛U(kuò)散后以及鈍化和發(fā)射后保持在相同的位置。這表明點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)可以與硅體有關(guān)，而不是與表面有關(guān)。這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)的原因及其對(duì)τeff的影響有待進(jìn)一步研究。

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圖3 a)在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中選擇經(jīng)過(guò)指定的高溫過(guò)程序列、濕化學(xué)蝕刻、鈍化和放電后拍攝的Mat1的材料的PL圖像 b)擴(kuò)大在a中標(biāo)記的面積

總結(jié)

目前的工作顯示了在不同溫度、時(shí)間和氣體大氣下的高溫過(guò)程對(duì)n型硅晶片的影響。從五種不同的堿電阻率和不同熱供體含量的鋼錠的晶片中加工出了用于壽命測(cè)量的對(duì)稱(chēng)樣品。高溫工藝包括BBr3、三氯氧磷、O2或N2管式爐工藝，通常用于制造高效的n型硅太陽(yáng)能電池。這五種材料對(duì)高溫過(guò)程序列的反應(yīng)非常不同。一些工藝序列對(duì)這些晶片的有效載流子壽命τeff有積極的影響，而其他晶片顯示τeff降低。對(duì)于第一過(guò)程中中等溫度和第二過(guò)程中高溫的工藝序列，一些研究的晶圓顯示環(huán)結(jié)構(gòu)，這可能源于氧沉淀的形成。這些材料在改變高溫過(guò)程的順序時(shí)，沒(méi)有顯示出任何環(huán)狀結(jié)構(gòu)。除了環(huán)狀結(jié)構(gòu)外，一些在1000°C進(jìn)行純氮?dú)鈿夥盏木A也觀察到點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)可能歸因于氧化物堆積斷層，但它們似乎不一定會(huì)降低τeff。適當(dāng)?shù)母邷靥幚淼倪m當(dāng)順序使最終載流子壽命能夠維持甚至超過(guò)無(wú)需任何高溫處理的最初測(cè)量的值。

審核編輯：符乾江