Rekombination an der Si/Al2O3 Grenzfläche

Die Atom­la­gen­ab­schei­dung (Atom­ic Lay­er De­po­si­ti­on, ALD) von Alu­mi­ni­um­oxid-Schich­ten stößt ge­gen­wär­tig auf gro­ßes In­te­res­se, da sie ein aus­ge­zeich­ne­tes Po­ten­zi­al für die ef­fi­zi­en­te und ho­mo­ge­ne Ober­flä­chen­pas­si­vie­rung von kris­talli­nen Si­li­zi­um-So­lar­zel­len bie­tet. Auf p-do­tier­ten „float-zone“ (FZ) Si­li­zi­um-Wa­fern er­rei­chen wir be­mer­kens­wert ge­rin­ge Ober­flä­chen­re­kom­bi­na­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten un­ter 0,6 cm/s für plas­maun­ter­stütz­te ALD, bzw. un­ter 3 cm/s für ther­mi­sche ALD. Wie Abb. 31 zeigt, be­obach­ten wir je­doch ein star­kes Ab­sin­ken der ef­fek­ti­ven Le­bens­dau­er, wenn die Al₂O₃ Pas­siv­ier­schicht eine Di­cke von 5 nm für plas­ma­un­ter­stütz­te ALD bzw. 10 nm für ther­mi­sche ALD un­ter­schrei­tet.

Wir un­ter­su­chen den Ein­fluss zwei­er sich er­gän­zen­der Me­cha­nis­men für die Pas­si­vie­rung an der Si/Al₂O₃ Grenz­flä­che – (i) eine Re­du­zie­rung der elekt­ro­ni­schen Zu­stands­dich­te („che­mi­sche Pas­si­vie­rung“), und ii) eine Re­du­zie­rung der Elekt­ro­nen- bzw. Lö­cher­kon­zen­tra­ti­on nahe der Grenz­flä­che auf­grund fes­ter La­dun­gen im In­ne­ren der Pas­siv­ier­schicht („Feld­ef­fekt-Pas­si­vie­rung“).

Ab­bil­dung 32 zeigt die fes­te La­dungs­dich­te Q_f und die Grenz­flä­chen­zu­stands­dich­te D_it über ei­nen wei­ten Schicht­di­cken­be­reich für Al₂O₃ Schich­ten, die mit­tels plas­maun­ter­stütz­ter ALD ab­ge­schie­den wur­den. Die so­wohl auf p- als auch auf n-do­tier­tem Si­li­zi­um er­reich­ba­ren, ext­rem ge­rin­gen Ober­flä­chen­re­kom­bi­na­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten wer­den haupt­säch­lich ei­ner stark aus­ge­präg­ten Feld­ef­fekt-Pas­si­vie­rung zu­ge­ord­net, die durch die hohe ne­ga­ti­ve fes­te La­dungs­dich­te von Q_f = − (4 ± 1) × 10¹² cm^-2 im Al₂O₃ ver­ur­sacht wird. Die fes­te La­dungs­dich­te Q_f ist für alle Pro­ben von 1 nm bis 32 nm Schicht­di­cke an­nä­hernd gleich, was zeigt, dass sich die ne­ga­ti­ven La­dun­gen in­ner­halb ei­nes Na­no­me­ters von der Grenz­flä­che be­fin­den. Da­her pro­fi­tie­ren so­gar ult­ra­dün­ne Al₂O₃-Schich­ten von nur 1 nm Di­cke vom ho­hen Ni­veau der Feld­ef­fekt-Pas­si­vie­rung. Die Grenz­flä­chen­zu­stands­dich­te D_it steigt für ult­radün­ne Schich­ten stark an, die da­mit ein­her­ge­hen­de Ab­schwä­chung der che­mi­schen Pas­si­vie­rung er­klärt da­bei das in Abb. 31 ge­zeig­te Ab­sin­ken der ef­fek­ti­ven Le­bens­dau­er τ_eff sehr gut.

Um die Vers­chlech­te­rung der Grenz­flä­chen­qua­li­tät für dün­ne Al₂O₃-Schich­ten zu ver­ste­hen, wur­de die struk­tu­rel­le und che­mi­sche Zu­sam­men­set­zung der Si/A₂O₃-Grenz­flä­che durch Trans­mis­si­ons-Elekt­ro­nen­mik­ro­sko­pie (TEM) und Rönt­gen-Pho­to­elekt­ro­nen­spekt­ro­sko­pie (XPS) un­ter­sucht. Eine 1 – 2 nm di­cke Zwi­schen­schict aus SiO₂ an der Si/Al₂O₃-Grenz­flä­che, der eine zent­ra­le Rol­le für die Pas­si­vie­rung ei­ner Si­li­zi­um-Ober­flä­che durch Al₂O₃-Schich­ten zu­ge­schrie­ben wur­de, wird durch das TEM-Bild in Abb. 33 klar wi­der­legt. Wäh­rend eine Oxi­da­ti­on der Si­li­zi­u­mo­ber­flä­che durch den Dop­pel­pe­ak im XPS-Sig­nal des Si-2p Rumpf­ni­veaus in Abb. WD tat­säch­lich be­stä­tigt wird, kann die Di­cke der SiO₂-Zwi­schen­schicht zu 2 – 3 Mo­no­la­gen ab­ge­schätzt wer­den.

Für ver­schie­de­ne Al₂O₃-Schicht­di­cken auf­ge­nom­me­ne XPS-Spek­tren zei­gen, dass die funk­ti­o­na­len Ober­flä­chen­grup­pen auf dem Si­li­zi­um-Wa­fer im na­ti­ven Zu­stand oder nach ei­nem HF-Dip für eine Ad­sorp­ti­on des als Pre­cur­sor­mo­le­kül ver­wen­de­ten Tri­me­thyl­a­lu­mi­ni­um-Mo­le­küls (TMA) nicht op­ti­mal ge­eig­net sind. Die un­vollstän­di­ge Re­ak­ti­on des TMA-Pre­cur­sors wäh­rend der ers­ten ALD-Zy­klen könn­te das An­stei­gen der Grenz­flä­chen­zu­stands­dich­te für ult­radün­ne Al₂O₃-Schich­ten er­klä­ren. Bei der Bil­dung ver­ein­zel­ter Nu­kle­a­ti­ons­kei­me auf dem Si­li­zi­um-Wa­fer wäh­rend der Start­pha­se der Be­schich­tung könn­ten Be­rei­che des Wa­fers zu Be­ginn un­pas­si­viert blei­ben. Au­ßer­dem könn­ten wäh­rend der Start­pha­se entstan­de­ne struk­tu­rel­le De­fek­te und nicht ab­ge­sät­tig­te Bin­dun­gen zu ei­nem spä­te­ren Zeit­punkt aus­ge­heilt wer­den, z.B. durch eine Ab­sät­ti­gung mit Was­serstoff wäh­rend ei­nes ther­mi­schen Aus­heil­pro­zes­ses, wenn ein aus­rei­chend gro­ßes Al₂O₃-Vo­lu­men vor­han­den ist.

Un­se­re ex­pe­ri­men­tel­len Er­geb­nis­se zei­gen, dass so­wohl eine Feld­ef­fekt-Pas­si­vie­rung auf­grund ei­ner ho­hen ne­ga­ti­ven fes­ten La­dungs­dich­te von _f = − (4 ± 1) × 10¹² cm^-2 nahe der Si/Al₂O₃-Grenz­flä­che, als auch eine che­mi­sche Pas­si­vie­rung auf­grund ei­ner mo­de­ra­ten Grenz­flä­chen­zu­stands­dich­te von D_it = (3 ± 2) × 10¹¹ eV-1cm^-2 zur ex­zel­len­ten Pas­siv­ier­qua­li­tät der Al₂O₃-Schich­ten bei­tra­gen. Für ult­radün­ne Al₂O₃-Schich­ten steigt die Grenz­flä­chen­zu­stands­dich­te sig­ni­fi­kant an, vo­raus­sicht­lich auf­grund der un­vollstän­di­gen Re­ak­ti­on des TMA-Pre­cur­sor-Mo­le­küls wäh­rend der ers­ten ALD-Zy­klen. Auf­grund der stets vor­han­de­nen ho­hen fes­ten La­dungs­dich­te nahe der Grenz­flä­che, wel­che eine aus­ge­präg­te Feld­ef­fekt-Pas­si­vie­rung be­wirkt, wer­den Ober­flä­chen­re­kom­bi­na­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten von S_eff < 100 cm/s je­doch schon für Al₂O₃-Schicht­di­cken von nur 1 nm er­reicht.