高温工艺对 n 型 Cz 硅载流子寿命的影响

引言

由于缺乏发光降解，掺杂磷的n型铜斯基生长硅（铜硅）晶片经常用于制造高效硅太阳能电池。对于处理n型Cz-Si太阳能电池，通常的高温过程步骤同时形成了掺杂硼的发射器和高磷酸化掺杂的表面。我们硏究了高温工艺对掺磷氮型直拉法生长硅晶片的影响。来自五个晶锭的晶片经受具有不同温度、时间和气体气氛的高 温工艺序列。工艺顺序被特别选择以代表制造高效n型Cz-Si太阳能电池的不同路线。众所周知，POCls扩散能有效吸杂金属杂 质。它优选用作最后的高温步骤。然而。我们的结果显示其他过程序列，例如BBr扩散作为最后的高温步骤，也能使高电荷载流子寿命在几毫秒的范围内。对于某些材料和工艺顺序，环形缺陷观察到结构，而对于其他结构，发现与高温处理之前的初始值相比，电荷载流子寿命增加了高达2.6倍。

实验

高温过程：

对于制造高效的n型硅太阳能电池，可以想象不同的高温过程组合来形成磷和硼掺杂区域。硼的三氯氧磷扩散和离子注入以及随后的高温退火，或者，另一方面，BBr3扩散和随后的三氯氧磷扩散是两个典型的选择。

样品制备：

研究了不同边长为156mm的n型Cz-Si晶圆和不同基电阻率ρBase的不同高温管炉工艺顺序前后的寿命，见图1，因此，我们进行了两个实验。第一个实验侧重于研究高温过程序列中的各种不同材料，而第二个实验侧重于对高温过程序列的更广泛的研究。因此，在第一个实验中，来自4个不同供应商(Mat1-Mat5)的5个不同钢锭的晶片要经过5个高温工艺序列。在第二个实验中，包括8个额外的高温过程序列中，只使用了两种材料(Mat1和Mat2)。

图1 对来自5个不同钢锭和4个不同供应商（Mat1-Mat5）在不同高温管炉工艺顺序中的n型Cz-Si晶片进行材料评价的工艺顺序示意图

在湿化学清洗后，碱性锯木损伤蚀刻表面被由PECVD沉积的富氮氧化硅(SiRiON)和氮化硅(SiNx)组成的层叠钝化。在设定为700°C的峰值温度下激活快速燃烧炉中的钝化层后，通过QSSPC在每个晶片上的5个位置测量有效载流子寿命τeff，并记录空间分辨的PL图像。由于所有的晶片都是相同的湿化学蚀刻和钝化的，我们假设所有的晶片的表面重组速度非常相似。因此，我们得出结论，所有为测量的有效寿命发现的相关性都可以与硅体有关。

结果和讨论

有和没有热供体的基本电阻率：

五种n型Cz-Si材料的基电阻率ρBase有或没有热供体。热供体可以与Cz-Si的氧含量相关。对于Mat1，ρBase被确定为ρBase≈1.6Ωcm，有和没有热供体。因此，这种材料中的热供体的含量是边缘的。选择了不同的材料，因此研究包括具有不同数量热供体的材料，以检查它们是否影响暴露于不同高温过程后的材料性能。

实验1材料变化：

在本方法中，单次三氯氧磷扩散和pocl3最后处理导致β值最高。这可能与三氯氧磷扩散引发的高吸收效应有关。在n型硅中，Co、Cr、Ni和Fe等杂质可能具有重组活性，降低τeff。已知磷的吸收可以减少硅片中的这些杂质。

一般来说，热供体含量高的Mat3表现得与热供体含量边际的Mat1相似。只有在BBr3最后处理小环缺陷时才会发生晶圆中心和τeff的轻微降解。但这些环缺陷也可见于Mat2，它几乎不包含任何热供体。因此，热供体在暴露于特定的高温过程后，似乎并不会对材料的性能产生显著影响。

实验2高温工艺序列的变化：

对于Mat1和Mat2，我们更详细地研究了高温过程的顺序以及应用的气体大气对τeff的影响。所使用的工艺流程顺序和发射后测量的τeff如图2a所示。再次，我们计算了方程中给出的寿命因子β如图2b。

图2( a)由QSSPC在注入水平Δn=1015cm-3下对两种材料和所述的8个高温过程序列测量的有效载流子寿命τeff，包括没有任何高温过程的参考组 (b)寿命因子β计算公式所示

然而，大多数高温工艺序列在低温第一和高温第二产率1.3<β<2.6，只有序列N2高+N2低的τeff与β≈0.7。其原因尚不清楚，还需要进行进一步的调查。

此外，在以n2为高的第一过程的过程序列后，Mat1尤其出现了许多点状结构，如图中的PL图像中可以看出。用于材料Mat1的代表性晶片。N2高+三氯氧磷和N2高+N2低序列的点状结构很明显。这些点状结构可能是由于氧化物堆积断层。但由于Mat1的β=2.6和过程序列N2高+三氯氧磷，这些点状结构似乎不一定会减少τeff。当将工艺顺序更改为N2低+N2高时，不可见点状结构。

图3b显示了图中所标记的面积的扩大。图3a中PL图像被切割，经过过程N2高，三氯氧磷扩散后，最后在钝化和发射后。很明显，点状结构正好发生在n2高过程之后。它们在三氯氧磷扩散后以及钝化和发射后保持在相同的位置。这表明点状结构可以与硅体有关，而不是与表面有关。这些点状结构的原因及其对τeff的影响有待进一步研究。

图3 a)在第二个实验中选择经过指定的高温过程序列、湿化学蚀刻、钝化和放电后拍摄的Mat1的材料的PL图像 b)扩大在a中标记的面积

总结

目前的工作显示了在不同温度、时间和气体大气下的高温过程对n型硅晶片的影响。从五种不同的碱电阻率和不同热供体含量的钢锭的晶片中加工出了用于寿命测量的对称样品。高温工艺包括BBr3、三氯氧磷、O2或N2管式炉工艺，通常用于制造高效的n型硅太阳能电池。这五种材料对高温过程序列的反应非常不同。一些工艺序列对这些晶片的有效载流子寿命τeff有积极的影响，而其他晶片显示τeff降低。对于第一过程中中等温度和第二过程中高温的工艺序列，一些研究的晶圆显示环结构，这可能源于氧沉淀的形成。这些材料在改变高温过程的顺序时，没有显示出任何环状结构。除了环状结构外，一些在1000°C进行纯氮气气氛的晶圆也观察到点状结构。这些点状结构可能归因于氧化物堆积断层，但它们似乎不一定会降低τeff。适当的高温处理的适当顺序使最终载流子寿命能够维持甚至超过无需任何高温处理的最初测量的值。