摘要
本文开发了一种用于硅片钝化的氧化铝凝胶。该凝胶通过溶胶-凝胶法制备，以铝-sec-丁氧基为前驱体。涂层后，通过快速热处理（RTP）激活钝化效果。通过X射线光电子能谱和C-V曲线评估了薄膜性能。在74.35 eV处的峰值证实了Al2O3的形成。随着退火温度的升高，一个较小的低结合能峰值逐渐下降，这归因于氢的逸出，导致700°C后有效寿命下降。在700°C的退火温度下，获得了最高的固定电荷(-1.16e12 cm−2)和优越的界面缺陷密度在中间间隙(Dit)为1.98e12 cm−2eV−1，有助于获得最高的有效少数载流子寿命292 µs。本文的工作将有助于为Al2O3钝化提供更经济的有效技术。
一、介绍
为了抑制硅片表面的复合，许多钝化薄膜，包括TiO2、SiO2、SiNx和Al2O3等，已被提出。其中，Al2O3由于其出色的表面化学钝化以及由固定负电荷密度引起的场效应钝化而被广泛应用于工业钝化发射极和后电池（PERC），从而带来益处。
目前，Al2O3薄膜主要通过原子层沉积（ALD）和等离子体增强化学沉积（PECVD）方法沉积。然而，无论是ALD系统还是PECVD系统，设备投资都是巨大的。因此，开发一种低输入的Al2O3制造和沉积技术是有前景的。
溶胶-凝胶合成技术已被一些研究人员应用于制备Al2O3薄膜。文档中一般描述了两种制备溶胶-凝胶的路线，即聚合物溶胶-凝胶路线和胶体溶胶-凝胶路线。前者利用金属有机前体在有机溶剂中的化学性质，而后者则利用胶体化学在水介质中的应用。需要注意的是，聚合物溶胶-凝胶路线更适合用于多组分膜。本文也应用了溶胶-凝胶方法制备氧化铝凝胶，但代替了环境有害的有机溶剂，使用水作为溶剂。考虑到氧化铝的前驱体，铝异丙醇是一种常见的选择；然而，铝异丙醇相对较低的水溶性会导致无法控制的透明度和氧化铝凝胶的粒径。铝-sec-丁氧基成为了一个有趣的选择，因为它具有出色的水溶性。
在这里，铝-sec-丁氧基被用作前驱体来制备氧化铝凝胶。引入XPS测量研究了退火Al2O3薄膜中典型元素的状况。此外，系统地研究了热处理对钝化性能的影响，并通过C-V曲线中提取的固定负电荷Qf和界面缺陷密度在中间间隙Dit进一步证明。结果有助于加深对氧化铝凝胶的钝化机制的理解。
二、实验
氧化铝（Al2O3）薄膜的制备
有的试剂都是直接使用，没有进一步的纯化或改性。铝三-sec-丁氧基（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）作为反应前驱体，铝三-sec-丁氧基与水的比例为1：50。在90℃水浴中进行了20分钟的磁力搅拌。然后，加入硝酸作为成胶剂，同时调节溶液的pH值至3-4。加入1-甲氧基-2-丙醇以增加粘度，这有助于改善硅表面与凝胶之间的润湿性。最终，当溶液变得完全透明时，形成了纳米AlOOH溶胶。
采用电阻率为1-7Ωcm的2英寸单晶n型卓克拉斯基（Cz）硅片作为基底，测量少数载流子寿命。经过抛光和RCA清洗后，将纳米alooh溶胶在晶片表面以8000 rpm旋转15 s。在200°C下烘烤5 min，然后在RTP系统中进行退火处理（峰值温度为600°C、650°C、700°C、750°C和800°C）在空气中处理5 min。
表征和测试
为了评估表面钝化质量，我们使用了准稳态光电导衰减法（QSSPC）测量有效少数载流子寿命（τef）的通用模式。
已知：WCT-120（美国Sinicon公司）被用于测量τef。
已知：τef在1×1015 cm−3的结水平被视为参考值。
众所周知，高质量的表面钝化需要良好的场效应钝化和化学钝化。
这两种钝化效果分别通过界面态和界面固定电荷密度（Qf）进行定量表示。
我们制备了金属氧化物半导体（MOS）结构以进行电容-电压测量，以评估界面态和固定电荷的数量。
硅基底的一侧被氧化铝钝化薄膜覆盖，两侧的铝电极通过真空蒸发制备。
三、结果和讨论
扫描电镜测量
经过甩胶、烘烤和退火处理后，在晶片表面形成了Al2O3层。图1显示了使用RTP系统在700℃退火后的氧化铝薄膜的微观结构。纳米尺寸的Au颗粒被溅射在界面上，以提高样品的电导率。在旋转参数为8000 rpm和15 s的条件下退火后，薄膜的厚度约为161 nm。事实上，在不同的旋转参数优化条件下，可以获得不同厚度的薄膜，这将在进一步的研究中进行研究。
图1 退火后晶片横截面的扫描电镜图像
XPS测量
我们利用X射线光电子能谱（XPS）分析了薄膜中成分对退火温度的依赖性。表1显示了硅晶片有效寿命的退火温度依赖性预测试的结果。在550℃之前，没有明显的钝化效果，所以XPS测量是在600℃之后进行的。图2分别显示了Al 2p、O 1s、C 1s的光电子能谱。图2显示，在650℃、700℃和750℃退火后，薄膜主要由Al2O3组成。出现了一个以74.35 eV为中心的宽峰，对应于Al-O键。峰的宽度意味着Al在薄膜中有不止一种状态。氧化铝氧化物、氧氢氧化物、铝硅酸盐和氢氧化物晶体结构数量众多。像Diaspore（α-AlOOH）、Boehmite（γ-AlOOH）、α-Al2O3和γ-Al2O3以及氢氧化物等氧氢氧化物是最常见的组分。无论如何，目前情况下73.4 eV处的一个小峰对应于Al–OH的结合能。
表1
图2 Al 2p，样品的光电子光谱在650°C、700°C和750°C下退火
电流电压测量
为了更深入地了解表面钝化过程，我们通过C-V测量提取了fxed电荷密度。图3显示了3个样品分别在650°C、700°C和750°C下退火的结果。采用Terman法[22]分析flm中的fxed电荷，计算值如图4所示。
图3 在650°C、700°C和750°C下退火后的C-V曲线
图4 测量样品在650°C、700°C和750°C下的Qf值和Dit值
四、结论
采用溶胶-凝胶法制备氧化铝薄膜，研究其在硅片表面钝化方面的性能。使用铝-sec-丁氧基作为氧化铝源，在硅片上制备氧化铝钝化薄膜。通过有效寿命和负固定电荷密度，研究了退火温度对表面钝化质量的影响。在这种情况下，低温似乎不足以提供足够的能量来激活钝化，而随着温度的升高，场效应增强，钝化得到显著改善。在700℃退火后，薄膜表现出足够大的固定电荷密度（Qf = -1.16e12 cm-2）；与此同时，界面态密度（Dit = 1.98e12 cm-2 eV-1）的数量抑制了薄膜的钝化效果。提高旋涂薄膜的钝化质量，使其与PECVD或ALD方法制备的薄膜相媲美，是未来的下一步。
