硅片不同表面鈍化工藝的穩(wěn)定性研究*

曾湘安,艾 斌,鄧幼俊, 沈 輝

(中山大學物理科學與工程技術學院//太陽能系統研究所，廣東 廣州 510275)

硅片的體少子壽命是表征硅片質量的一個重要參數，現在一般用WT-2000少子壽命測試儀以及WCT-120少子壽命測試儀測試硅片少子壽命[1]，但這兩種方法的測試少子壽命值都包含了體壽命和表面壽命，是兩者綜合作用的結果[2]。本文采用WT-2000少子壽命測試儀,其測得的測試少子壽命可由下式表示[2-4]

(1)

(2)

τbulk為體內少子壽命值，τdiff為少子從樣品體內擴散到表面所需時間；τsurf為因表面復合產生的表面壽命；τmeans為樣品的測試壽命；d為樣品厚度；Dn，Dp分別為電子和空穴的擴散系數；S為表面復合速度。

由式(1)，(2)可以知道，在樣品一定的情況下，即樣品本身的體少子壽命一定，樣品表面復合速率越大，則測試少子壽命值與實際的體壽命值的偏差會越大。因此為了獲得樣品較真實的體壽命值，我們需對樣品表面進行鈍化，以降低樣品的表面復合速率。

現在比較常用的表面鈍化方法有熱氧化鈍化[5-6]，用PECVD雙面沉積SiNx:H 膜鈍化以及碘酒鈍化[3,5-10]，而這三種表面鈍化的效果及穩(wěn)定性有一定的差異，這些差異會影響到測試少子壽命值的準確性，從而影響我們對硅片質量的判斷。為了確保測試少子壽命值的準確性以及盡量避免我們對硅片質量的失誤判斷，本文通過用WT-2000少子壽命測試儀對原硅片，去損減薄硅片，熱氧化鈍化硅片，用PECVD雙面沉積SiNx:H 膜鈍化硅片以及碘酒鈍化硅片的少子壽命進行測試，并記錄其隨著在暗條件儲存時間的變化值，研究分析了這三種表面鈍化的效果以及穩(wěn)定性，為了更好地對比分析，實驗中加入原硅片和去損減薄硅片進行對比。此外，為了比較三種鈍化工藝在不同類型硅片中的效果，實驗中采用單晶P型，多晶P型以及物理提純P型三種不同類型的硅片進行對比分析。

1 實驗部分

在實驗中，選取P型CZ拉制的摻B的單晶硅片，電阻率為0.5～3 Ω·cm，厚度約為200 μm，P型常規(guī)摻B多晶硅片，電阻率為0.8～3 Ω·cm，厚度約為200 μm，P型摻B物理提純硅片，電阻率為1～3 Ω·cm，厚度約為200 μm，樣品尺寸均為156 mm×156 mm。實驗中原片：從廠家購買，不做任何處理的硅片；去損減薄片：用如下去損減薄工藝處理的硅片：①去離子水中清洗2～3 min;②80 ℃的w=20%KOH反應4 min；③去離子水清洗3～5 min；④常溫的φ=15%HCl浸泡10 min；⑤去離子水清洗3～5 min；⑥常溫的φ=10%HF浸泡2 min；⑦去離子水清洗3～5 min；⑧甩干機甩干15 min；熱氧化鈍化片：將硅片去損減薄后放入熱氧化爐(由中國電子科技集團公司第四十八研究所生產)中，采用了本實驗室最常用的900 ℃38 min的熱氧化工藝；用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化片：將去損減薄的硅片用PECVD低于400 ℃雙面沉積SiNx:H膜在東莞南玻光伏科技有限公司進行,采用工廠的常規(guī)沉積SiNx:H膜工藝；碘酒鈍化片：將去損減薄的硅片用碘酒鈍化，因為碘酒濃度對硅片的鈍化效果有很大的影響，我們采用了0.08 mol/L碘酒溶液且當天現配，該濃度被公論為鈍化效果最好[3,11]。

分析測試儀器：少子壽命測試儀(WT-2000，SEMILAB公司生產)。

2 結果與討論

經過不同工藝處理的各種硅片測試的少子壽命值如表1，由表1易看出對于P型硅來說無論是單晶硅片，多晶硅片還是物理提純硅片，三種表面鈍化都使硅片的測試少子壽命有大幅度提高，其中碘酒鈍化的鈍化效果最好，其次利用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化，三者中最差是熱氧化鈍化。

表1 不同處理工藝硅片的測試少子壽命1)

1)CZ-單晶硅片；MC-多晶硅片；UMG-物理提純硅片

用PECVD雙面沉積SiNx:H膜在400 ℃左右鍍膜鈍化，PECVD 沉積氮化硅薄膜時會在膜內含一部分的氫，在快速退火時氫一部分逸出，進入硅表面和體內對硅進行鈍化，提高測試時候的測試少子壽命[3,7,12];而熱氧化鈍化在900 ℃的高溫下得到一層氧化硅膜層，這層氧化硅膜層是高質量的，有較低的表面態(tài)密度的Si-SiO2界面，可以有效地消除表面復合的影響，從而使得測試少子壽命升高[3,13];碘酒鈍化在常溫下進行，碘酒將硅片表面的懸掛鍵全部以Si-I鍵的形式飽和掉,使得表面復合減少，測試少子壽命增加。碘酒鈍化形成的Si-I鍵幾乎將表面懸掛鍵全部消除，使得測試少子壽命基本等于體少子壽命，用PECVD雙面沉積SiNx:H膜是由于逸出氫對硅片進行了表面鈍化，但是表面鈍化沒有碘酒鈍化那么完全，所以用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化硅片的測試少子壽命比碘酒鈍化要低，熱氧化鈍化時生成了一層有較低的表面態(tài)密度的Si-SiO2界面，這個界面層的表面態(tài)密度比Si-I鍵以及逸出H鈍化的表面態(tài)密度要高，所以三種表面鈍化中，熱氧化鈍化的效果最差。

將上面經過不同處理的硅片包括：原硅片，去損減薄硅片以及三種表面鈍化硅片放在暗條件儲存起來，每隔一段時間拿出來用WT-2000少子壽命測試儀測試少子壽命值，記錄得到這些硅片的測試少子壽命值與在暗條件儲存時間的關系(圖1-4)。

圖1為各種原硅片的測試少子壽命隨著在暗條件儲存時間的變化關系圖。由圖可看出實驗中的單晶硅原片，多晶硅原片以及物理提純硅原片，其測試少子壽命隨儲存時間變化很小，可見原硅片的穩(wěn)定性很好，可以較長時間保存。

圖1 在暗條件下保存的原硅片的測試少子壽命隨著時間的變化關系

圖2 在暗條件下保存的去損減薄硅片的測試少子壽命隨著時間的變化關系

去損減薄硅片的測試少子壽命與在暗條件儲存時間的關系圖如圖2，其中(a)圖表示去損減薄的單晶硅片的關系圖，(b)圖表示去損減薄的多晶硅片的關系圖，(c)圖表示去損減薄的物理提純硅片的關系圖。由圖2(a)，(b)，(c)可以看出無論單晶硅片，多晶硅片還是物理提純硅片，其去損減薄后的測試少子壽命隨著在黑暗處保存時間的增長都呈現降低趨勢，并且剛去損減薄的頭兩天減少得比較快。

硅片去損減薄后由于去除硅片表面的機械損傷層以及清除表面氧化物、油污、金屬離子雜質，使得表面復合有所消除而測試少子壽命增加。但之后會在硅片表面生成一層氧化層，這層表面氧化層只是附在表面而不像熱氧化鈍化那樣生成高質量低表面態(tài)密度的Si-SiO2界面層，因此它不但不會減少表面復合，反而會使表面復合有所增加，導致測量少子壽命值降低。

熱氧化鈍化硅片的測試少子壽命隨在暗條件儲存時間的變化曲線如圖3所示，其中(a)為單晶硅片，(b)為多晶硅片，(c)為物理提純硅片。從圖3(a)，(b)，(c)中可以看出熱氧化鈍化單晶硅片，多晶硅片以及物理提純硅片的測試少子壽命隨在暗處儲存時間的變化都非常小。這表明干氧熱氧化在硅片表面產生一層高質量較低表面態(tài)密度的Si-SiO2界面，這層界面膜在900 ℃的高溫環(huán)境下生成比較穩(wěn)定，因此熱氧化鈍化的硅片測試少子壽命是比較穩(wěn)定的，在暗條件下儲存多日其測試少子壽命也只有很小的波動，這少量的波動可能是因為保存時候一些表面的沾污以及本身生成的Si-SiO2界面少許的變化使得表面復合增加而造成的。

圖3 在暗條件下保存的熱氧化鈍化硅片的測試少子壽命隨著時間的變化關系

圖4 在暗條件下保存的用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化硅片的測試少子壽命隨著時間的變化關系

圖4所示的為用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化硅片的測試少子壽命隨著在暗條件儲存時間的變化關系。由圖4易看出用PECVD 雙面沉積SiNx:H膜鈍化的單晶硅片，多晶硅片以及物理提純硅片的測試少子壽命隨在暗處儲存時間的變化都比較小。

這說明用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化硅片的時候，氫產生的鈍化是比較穩(wěn)定的，因此用PECVD 雙面沉積SiNx:H膜鈍化的硅片測試少子壽命是比較穩(wěn)定的，在暗條件下儲存多日其測試少子壽命也只有較小的波動。由圖3和圖4也可以看出用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化的硅片在暗條件儲存相同時間的波動幅度跟熱氧化鈍化的相當，這表明這兩種鈍化工藝都經歷了一個較高的溫度的加工過程其產生的鈍化效果都比較穩(wěn)定。

碘酒鈍化硅片的測試少子壽命與在暗條件儲存時間的關系如圖5所示。由圖5可看出碘酒鈍化確實給硅片帶來了很好的鈍化效果，使得測試少子壽命有較大的升高，但是這種鈍化不是很穩(wěn)定，其測試少子壽命在較短的時間內有大幅度的減少。這表明碘酒鈍化時形成的Si-I鍵不是很穩(wěn)定，容易分解。所以碘酒鈍化硅片穩(wěn)定性遠不如熱氧化鈍化硅片以及用PECVD 沉積雙面SiNx:H膜鈍化硅片。但是碘酒鈍化在常溫下進行不會損傷硅片本身，不會帶來新的缺陷而致使硅片本身的體少子壽命受損，而且鈍化效果比熱氧化鈍化以及用PECVD 沉積雙面SiNx:H膜鈍化都要好，所以碘酒鈍化是一種很好的輔助準確測試體少子壽命的表面鈍化方法。

圖5 在暗條件下保存的碘酒鈍化硅片的測試少子壽命隨著時間的變化關系

3 結 論

本文研究分析了硅片的熱氧化鈍化，用PECVD雙面沉積SiNx:H 膜鈍化以及碘酒鈍化三種硅片表面鈍化工藝的效果及穩(wěn)定性。最后得到結論：熱氧化鈍化，用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化，碘酒鈍化這三種硅片表面鈍化工藝，就鈍化效果來看：最好為碘酒鈍化，其次是用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化，最差是熱氧化鈍化；就鈍化穩(wěn)定性來看：熱氧化鈍化很穩(wěn)定，其硅片測試少子壽命隨著在暗處儲存時間的變化非常小，用PECVD雙面沉積SiNx:H膜鈍化的穩(wěn)定性與熱氧化鈍化相當，碘酒鈍化的穩(wěn)定性在三種硅片表面鈍化中最差。

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