二氧化硅的性质及其在单晶硅太阳池中的应用Word文件下载.docx

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磷（就像砷和锑）迁移到硅中，所以随着氧化的进行，他们会聚集到表面来。

这个效应有时叫做phosphoruspileup或者phosphorusplow。

在这两种情况中，前氧化掺杂水平是个常数，由于隔离,靠近表面的杂质浓度都是互不相关的。

隔离机制的存在使设计集成器件的杂质水平更复杂。

硅的掺杂也影响氧化物的生长速度。

N＋扩散区通过叫做dopant-enhancedoxidation的

过程能加速它附近的氧化物的生长。

因为donor干扰了氧化物界面的原子键，引起了断层和其他的结构缺陷。

这些缺陷加速了氧化和上面氧化物的生长。

在长时间的热驱动和氧化之前，重掺杂的N+沉积发生的比较早时，这个效应更明显。

N+扩散区上的氧化层比周围地区上

的氧化层厚。

4.4二氧化硅的性质及其在单晶硅太阳池中的应用

4.4.1二氧化硅的主要物理性质

二氧化硅（SiO2）是自然界中广泛存在着的物质。

水晶石、石英砂就是天然的二氧化硅。

在半导体器件生产中使用的石英管和石英器皿都是用二氧化硅材料制成的。

纯净的二氧化硅是一种无色透明的固体。

除了少数属于石英晶体外，大多数均属于无

定形二氧化硅。

这种无定形二氧化硅没有固定的熔点，其软化温度约为1500C左右。

硅半

导体器件生产中所制备的各种二氧化硅都属于无定形二氧化硅。

二氧化硅的物理性质常用其

物理参数来表示。

其中有几个与半导体器件制造关系较密切的物理参数：

电阻率、介电强度、介电常数、密度和折射率。

这里作一些简要介绍。

1.二氧化硅的电阻率在相当宽的温度范围内，二氧化硅的物理性质十分稳定，而且具有较高的电阻率。

二氧化硅薄膜的电阻率随制备方法的不同而有所不同。

例如热氧化生长二氧化硅薄膜的电阻率可达1015〜1016Q.cm，采用阳极氧化及CVD方法生成的二氧化硅膜的电阻率却只有107〜108q.cm。

这是因为后者容易引入杂质，降低了电阻率。

同时温度对电阻率也有影响，温度高，杂质的电离率和迁移率都增大，使电阻率降低。

为了获得绝缘性能好的二氧化硅薄膜，必须保证工艺的洁净度，防止杂质沾污。

2.二氧化硅的介电强度和介电常数

二氧化硅薄膜是一种良好的电介质，其介电性能的好坏通常用介电强度和介电常数来

表示。

前者表示耐压程度，后者是表示电容器特性的重要参数。

二氧化硅薄膜的介电强度可

67

达10〜10v/cm,可以承受较高的电压，适宜做绝缘薄膜。

介电强度与薄膜的致密度、均匀性及杂质含量均有直接关系。

二氧化硅的介电常数为3.9左右。

3.二氧化硅的密度和折射率

二氧化硅的密度是其致密程度的标志。

密度大则表示二氧化硅的致密程度高。

制备方法不同，所得到的二氧化硅薄膜的密度也不同，但差别不是太大，一般在2.0〜2.3g/cm3之

间。

二氧化硅的折射率是表征光学性质的重要参数。

它与二氧化硅的密度有关，一般为1.45。

密度较大的二氧化硅薄膜有稍大的折射率。

表4.1二氧化硅薄膜的主要物理性质

氧化方法

密度

（g/cm3）

折射率

（入=546nn）

电阻率（q・cm

介电常数

介电强度

（106V/cm）

干氧

2.24〜2.27

1.460〜

-1.466

3X105〜2X106

3.4（10kHz）

9

湿氧

2.18〜2.21

1.435〜

-1.458

3.82（1MHz）

水汽

2.00〜2.20

1.452〜

-1.462

10〜10

3.2（10kHz）

6.8〜9

热分解CVD

2.09〜2.15

1.43〜

1.45

107〜108

二氧化硅薄膜在单晶硅太阳电池器件结构中，既是表面钝化膜，又是减反射膜。

因此,其密度、折射率和厚度对光电转换效率有着重要影响。

4.4.2二氧化硅薄膜的化学性质

二氧化硅薄膜有极高的化学稳定性，它不溶于水，和酸（氢氟酸除外）也不发生反应，但可以被HF腐蚀，化学反应式如下：

SQ2+4HFtSiF4+H2O

SF4+2HFtH2SF6

六氟硅酸（H2SF6）是可以溶于水的络和物。

二氧化硅薄膜在氢氟酸中的腐蚀速率，随HF浓度的增加和腐蚀反应温度的增高而增加，另外还与二氧化硅结构、二氧化硅中的杂质类型和含量有关。

含磷的二氧化硅膜腐蚀速率高，含硼的低。

热分解淀积的二氧化硅膜由于

质地疏松，杂质含量高，其腐蚀速率比热氧化生长的二氧化硅膜要高一些，但经过致密处理

后，腐蚀速率可以降低很多。

4.4.3硅上二氧化硅薄膜的界面特性

二氧化硅薄膜应用于硅半导体电子元器件结构中时，除了前面所提到的主要物理性质外，S-SiQ界面的物理特性对各种不同的硅半导体元器件都有着非常重要的影响。

在S-SiQ系统中，存在着下面几种电荷：

SO层中的可动离子电荷；

固定氧化物电荷;

界面陷阱电荷；

氧化物陷阱电荷；

以及SQ层外表面的正、负离子电荷。

1）可动离子电荷

SQ层中的可动离子电荷（Q）,主要是沾污引入钠、钾等碱金属离子，其中主要是钠

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离子。

在普通热氧化膜中，可动钠离子的面密度可达10〜10/cm。

有关实验分析表明钠离子在SQ薄膜中的分布呈“U”形分布。

如图4-所示，这和两

个界面处存在着陷阱有关。

在未进行正偏压温度处理（BT）前，Na+大多数集中在二氧化硅

与金属界面靠近的金属的陷阱中，对硅表面性质影响不大。

在BT处理后，这些Na+离子可以

被激活而离开陷阱，在氧化层中向S-SiQ界面运动，绝大多数集中在S-SiO2界面处靠近硅

一侧的SO2层中，并且将S表面感应出负电荷，使双极型器件在p-n结横向界面出现表面沟道或引起击穿电压蠕变，在MOS器件中则使阈值电压不稳定。

此外，还会降低SQ层的介电

强度。

为了防止SO2层生长过程中的Na+离子沾污，严格氧化石英管以及硅片的清洗工艺是必须的，掺氯氧化也可以减轻Na+离子的危害。

为了防止氧化后的Na+离子沾污，可以考虑使用复合膜（例如AI2QSQ,PSG-SQ,SisN-SiQ等）来代替单一的SQ膜。

2）固定氧化物电荷

S-SiQ系统中靠近界面10〜20nm的范围内，存在着一些位置相对固定的正电荷，成为固定氧化物电荷（Qf）。

DeaI等人提出的过剩硅离子模型是目前最满意的固定氧化物电荷模型。

该模型认为SQ层中的过剩硅离子是固定氧化物电荷的来源。

硅的热氧化过程是由过剩

的氧原子向内运动形成的，在接近S-SiQ界面的氧化物中必然存在着过剩的硅，等待着和

扩散过来的氧进行反应。

当氧化结束时，这些硅离子固定下来形成了固定电荷。

SQ层中的

固定氧化物电荷具有如下性质：

a）固定氧化物电荷带正电,不随能带弯曲或表面电势的变化而变化。

b）固定氧化物电荷密度不受SQ层厚度和S中掺杂浓度几类型的明显影响，在

1014〜1017/cm2的掺杂范围内，可以认为Q基本不变。

c）在相同的氧化条件和退火条件下，Q随半导体表面的晶向不同而不同。

Q（111）

>

Q（110）>

Q（100）。

d）固定氧化物电荷密度随氧化条件和退火条件的不同而不同。

e）固定氧化物电荷有负温-偏效应。

在350〜400°

C,1X106V/cm的负偏压下经过

30min处理后，Q随负偏压的增加而增加，使C—V特性向更负的方向移动。

3）界面陷阱电荷

界面陷阱电荷过去成为快界面态，是指存在于S-SiQ界面处，能量位于禁带中的一些

分立或连续的能级或带脑子态。

界面陷阱分为施主和受主两种。

不论能级在禁带中的位置如何,若能级在含有带电子时为中性,释放电子后带正电,则称为施主型界面陷阱；

若能级不接受电子时为中性,而接受电子后带负电,则称为受主型界面陷阱。

界面陷阱电荷是由界面处的不饱和键（悬挂键）产生的；

半导体表面处的晶格缺陷、机械损伤和杂质沾污都可以在禁带中引进能级,使界面陷阱电荷密度增加。

实验表明,低能电子束和离子束的轰击会产生分立能级的界面陷阱电荷。

界面陷阱电荷具有以下特点；

a）由于界面陷阱是界面处禁带中的能级,而且很容易与硅交换电荷,所以起表面

复合中心的作用。

因此,界面陷阱对表面复合起决定性的作用。

b）界面陷阱电荷不同于固定氧化物电荷,当表面电势改变,费米能级与表面能级

相对位置变化时,界面陷阱中电子填充情况也发生变化,而引起界面陷阱电荷变化。

c）当外加偏压改变,表面电势也改变时,界面陷阱中电荷的变化会产生电容效应。

所以界面陷阱具有一定的电容，它使C-V特性曲线发生畸变。

d）界面陷阱密度与衬底的晶向有关，它们按（111）>

（110）>

（100）的顺序

降低。

e）界面陷阱密度与工艺条件有密切关系。

干氧氧化有较高的界面陷阱密度，氧中含有少量的水汽（如1%的浓度）可以减少界面陷阱。

在N2或N2、混合气体

（FormingGas）中退火可以减少界面陷阱密度。

界面陷阱的存在将增大器件的表面复合速度，增大太阳电池中光生载流子的损失，使二极管理想因子变坏，开路电压降低，导致太阳电池光电转换效率低下。

界面陷阱的“慢俘获效应”以及表面复合作用与表面势的相依性，是引起器件电性能不稳定的原因之一，在太阳电池中可能引起光电转换效率的早期衰减。

4）氧化物陷阱电荷

在SQ中或S-SiQ界面附近，经常存在着一些载流子或离子陷阱，这种电荷可正可负，

主要取决于陷入的是空穴还是电子。

它们由辐射电离，雪崩注入或其他类似的过程引

起。

氧化物陷阱电荷的密度一般在109〜1013cm2。

5）SQ层外表面的正、负离子电荷

在器件制造过程中的沾污或是人为的引入会使SO2表面上存留正负离子。

在电场的作

用下，这些离子会发生漂移，当其聚集在太阳电池边沿时，可能引起旁路漏电。

使光

电转换效率发生衰减，严重时导致失效。

因此，在工艺过程中应控制减少表面沾污。

443二氧化硅薄膜在单晶硅硅太阳电池中的应用

在高效率晶体硅太阳电池中，常用高温氧化工艺形成的二氧化硅薄膜来作为太阳电池前后两个表面的钝化膜，同时作为受光面的减反射膜（ARC）。

这种情形下，基于减反射原理和二氧化硅折射率，通常的厚度为105nm〜110n