臭氧基间歇原子层沉积 Al2O3用于有效的表面钝化研究

臭氧基间歇原子层沉积 Al2O3用于有效的表面钝化研究

在本文中，我们比较了水和臭氧作为氧化剂在Al2O3 ALD反应中的表面钝化质量。实验表明，即使在沉积薄膜中，O3也能产生高达7.10 12 cm-2的高负电荷密度，这与水基Al2O3需要单独退火才能激活负电荷不同。

总的来说，臭氧工艺产生较低的界面缺陷密度（Dit）和较高的负电荷密度，这有助于比相应的水工艺产生更高的寿命值。重要的是，臭氧基Al2O3表现出比水基Al2O3更好的烧成稳定性。臭氧浓度对表面钝化质量也有影响。很后，我们发现在臭氧脉冲之后插入水脉冲可以进一步降低Dit，从而获得更高的寿命。

1. 介绍

原子层沉积的Al2O3在c-Si表面表现出优异的钝化性能。在光伏（PV）中，水常被用作ALD过程中的氧化剂，尽管众所周知，臭氧基Al2O3可以产生更好的钝化性能[2,3]。然而，从半导体领域了解到，批量ALD需要比单晶片ALD更高的前驱体剂量来实现短的加工时间和高质量的薄膜。因此，半导体工业通常使用非常高的臭氧浓度。另一方面，在PV领域，c-Si表面钝化质量如何取决于臭氧浓度，以及是否真的需要如此高的浓度，目前尚不清楚。

本文以臭氧为氧化剂，研究了ALD Al2O3的表面钝化和界面特性。并与纯水法及臭氧与水相结合法进行了比较。

2. 实验的细节

实验所用硅片为电阻率~ 3 Ωcm的4′、DSP磁性CZ p型硅片，氧浓度低于10 ppma。它们在1% HF溶液中清洗60 s，以去除表面的天然氧化硅。采用Beneq TFS500间歇式ALD反应器，在200℃下沉积20nm Al2O3层。以TMA为Al前驱体，采用三种不同的氧化剂组合：水、臭氧、臭氧+水脉冲。臭氧浓度变化如表1所示，其中臭氧浓度由沉积室中的臭氧摩尔比定义，该摩尔比代表基底表面附近的真实臭氧浓度。ALD后，晶圆在400°C退火30分钟，然后在800°C烧制3秒。在5. 1015 cm-3的注入水平下，用Sinton WCT-120准稳态光电导（QSSPC）仪器测量其寿命。QSSPC测量的寿命是大约20平方厘米表面积的平均值。采用微波光电导率测量来检查寿命的均匀性。

在200-300 nm铝触点蒸发后，通过电容-电压（CV）测量每个寿命样品的界面特性，以产生MIS电容。测量频率为1 MHz，栅极电压范围为-6 ~ +5伏，采用Terman法测量界面缺陷密度。

表1 使用的O3浓度转换表

O3 mole ratio: (O3 mole)/(O3+O2+N2)mole x 100

2. 结论

我们已经证明，与相应的水基工艺相比，臭氧间歇ALD Al2O3工艺可以产生良好的表面钝化效果，并且具有许多优点。结果可以用界面特性来解释，即界面缺陷密度低，负电荷密度高。此外，臭氧浓度被证明是一个重要的参数，因为可以通过将其增加三倍来改善钝化。