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基于原子层沉积的氧化铝超薄薄膜及其制备方法和应用

作者:佚名 时间:2021-06-26 13:01:09 点击:

本发明属于薄膜纯化

技术领域:

,涉及一种碳化硅薄膜及其纯化方式跟应用。

背景技术:

:原子层沉积(ALD)是将不同的液相前驱反应物交替的通入反应室,在晶片表面物理吸附并反应生成薄膜的过程。通过自限制表面反应物的方法,将沉积过程准确控制,可以达到原子水平。ALD纯化碳化硅过程中,第一种前驱体为三甲基铝(TMA,Al(CH3)3)首先与晶圆表面的-OH配体吸附并反应到饱和,生成新的表面功能团,第二种前躯体水(H2O)与生成的表面功能团反应生成碳化硅,氧化铝结构中带有-OH配体,然后在通入三甲基铝。通过那样的一次次的ALD循环,就可以产生长度可控的碳化硅薄膜。ALD纯化的碳化硅薄膜中富含-OH氢键,在后续热处理过程中,-OH氢键释放出H,可以钝化硅片表面的悬挂键,降低表面复合频率。但-OH配体在低温焙烧下释放出的H也会以H2或是H2O的方式损失掉,造成钝化层被氢气穿透而破坏掉。目前纯化的碳化硅薄膜为了避免后续低温处理过程中-OH氢键释放的H2将钝化膜破坏,采取的举措是让碳化硅薄膜的-OH配体的浓度极少,但是也造成了晶片表面的钝化疗效不是挺好。CN102560419A公开了一种碳化硅纤薄薄膜的纯化步骤,所述纯化步骤以脉冲模式依次进源、利用自限制吸附效应纯化得冰晶石纤薄薄膜材料;其纯化步骤基于原子层沉积系统实现;然而其纯化得到的碳化硅薄膜并不能在保证晶片表面的钝化疗效的同时不破坏钝化膜。

因此,在本领域中若果既才能保证晶片表面的钝化疗效,又不会在后续低温处理过程中释放过多的H2而破坏钝化膜,是本领域亟需解决的技术问题。技术实现要素:针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种碳化硅薄膜及其纯化步骤跟应用。本发明的纯化步骤才能促使纯化得到的碳化硅薄膜具备单层结构,底层膜富含大量-OH氢键,在后续低温处理过程中,释放出H钝化硅片表面的悬挂键。外层碳化硅薄膜富含较少的-OH配体,不会在低温处理过程中释放很多的H2,不会导致钝化膜层的毁坏。为达到此发明目的,本发明选用以下技术方案:一方面,本发明提供一种碳化硅薄膜的纯化步骤,所述碳化硅薄膜包括底层碳化硅薄膜跟内层碳化硅薄膜,所述纯化步骤详细包括以下方法:(1)设定原子层沉积系统的反应腔体体温,水相对于三甲基铝适量,利用原子层沉积法氧化铝薄膜,得到底层碳化硅薄膜;(2)重新设定原子层沉积系统的反应腔体体温,三甲基铝相对于水适量,利用原子层沉积法,在底层碳化硅薄膜上得到内层碳化硅薄膜,从而得到所述碳化硅薄膜。优选地,步骤(1)所述原子层沉积系统的反应腔体气温高于方法(2)所述原子层沉积系统的反应腔体体温。优选地,步骤(1)所述设定原子层沉积系统的反应腔体体温保持为230~250℃(例如230℃、233℃、235℃、238℃、240℃、243℃、245℃、248℃或250℃),步骤(1)具体的纯化过程包括以下方法:(I)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为180~220sccm(例如180sccm、185sccm、188sccm、190sccm、193sccm、195sccm、198sccm、200sccm、205sccm、210sccm、215sccm或220sccm),通入时间10~30秒(例如10秒、12秒、15秒、18秒、20秒、22秒、25秒、28秒或30秒);(II)抽真空;(III)向反应腔体圆通入水,流量为360~440sccm(例如360sccm、365sccm、368sccm、370sccm、375sccm、378sccm、380sccm、385sccm、390sccm、395sccm、400sccm、410sccm、420sccm、430sccm或440sccm),通入时间10~30秒(例如10秒、12秒、15秒、18秒、20秒、22秒、25秒、28秒或30秒);(IV)抽真空;步骤(I)-步骤(IV)形成一个循环,重复该循环,得到所述底层碳化硅薄膜。

在本发明中,步骤(II)所述抽真空的目的是将反应腔体内的未反应三甲基铝跟其他生成物如丙烷抽扫干净。步骤(IV)抽真空的目的是将反应腔体内未反应的水跟其他生成物如丙烷抽扫干净。步骤(II)和方法(IV)中当反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;其大概抽真空的时间为20~40s。在本发明中,一个所述循环生成的碳化硅的长度为0.2nm左右,通过控制循环的次数,以控制得到的底层碳化硅薄膜的长度。优选地,所述循环重复10~50次(例如10次、13次、15次、18次、20次、23次、25次、28次、30次、33次、35次、38次、40次、43次、45次、48次或50次),所述底层碳化硅的长度为2~10nm(例如2nm、2.5nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm)。优选地,所述的循环次数为25~35次,所述底层碳化硅薄膜的长度为5~7nm。在本发明中,底层碳化硅薄膜的纯化中因为水相对于三甲基铝适量,例如水与三甲基铝的流量比在1.6~2.5:1之间,水浓度较差,导致形成的底层碳化硅薄膜中富含的-OH配体较差。在本发明中,底层碳化硅薄膜的纯化中反应腔体气温为230~250℃,控制在那样的较低水温范围内,可以促使反应物更容易吸附,得到的碳化硅薄膜致密。

优选地,步骤(2)所述再次设定原子层沉积系统的反应腔体体温保持为280~320℃,步骤(2)具体的纯化过程包括以下方法:(A)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为190~210sccm(例如190sccm、193sccm、195sccm、198sccm、200sccm、205sccm、208sccm或210sccm),通入时间10-30秒(例如10秒、12秒、15秒、18秒、20秒、22秒、25秒、28秒或30秒);(B)抽真空;(C)向反应腔体圆通入水,流量为90~110sccm(例如90sccm、93sccm、95sccm、98sccm、100sccm、105sccm、108sccm或110sccm),通入时间10-30秒(例如10秒、12秒、15秒、18秒、20秒、22秒、25秒、28秒或30秒);(D)抽真空;步骤(A)-步骤(D)形成一个循环,重复该循环,得到所述内层碳化硅薄膜。步骤(B)和方法(D)中当反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;其大概抽真空的时间为20~40s。在本发明中,步骤(B)所述抽真空的目的是将反应腔体内的三甲基铝跟其他生成物抽扫干净。步骤(D)抽真空的目的是将反应腔体内的水跟其他生成物抽扫干净。

在本发明中,一个所述循环生成的碳化硅的长度为0.2nm左右,通过控制循环的次数,以控制得到的内层碳化硅薄膜的长度。优选地,所述循环重复10~50次(例如10次、13次、15次、18次、20次、23次、25次、28次、30次、33次、35次、38次、40次、43次、45次、48次或50次),所述内层碳化硅薄膜的长度为2~10nm(例如2nm、2.5nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10n);优选地,所述循环次数为25~35次,所述内层碳化硅薄膜的长度为5~7nm。在本发明中,外层碳化硅薄膜的纯化过程中因为三甲基铝适量,例如三甲基铝与水的流量比在1.7~2.3之间,水浓度相对较少,导致形成的内层碳化硅薄膜中富含的-OH配体较少。并且在内层碳化硅薄膜的纯化过程中要控制较高的气温诸如280~320℃,以确保形成内层吡啶浓度较少的碳化硅薄膜。另一方面,本发明提供了如上所述纯化步骤纯化得到的碳化硅薄膜。利用本发明的纯化步骤纯化得到的碳化硅薄膜具备单层结构,其中底层碳化硅薄膜-OH配体浓度高,外层-OH配体浓度低,在后续低温处理过程中,底层碳化硅薄膜释放出氢,钝化硅片表面的悬挂键,外层碳化硅薄膜富含较少的-OH配体,不会在低温处理过程中释放很多的H2,不会导致钝化膜层的毁坏。

另一方面,本发明提供了包括如上所述的碳化硅薄膜在的钝化膜。另一方面,本发明提供了包括如上所述的钝化膜的太阳能电板。另一方面,本发明提供了包括如上所述的太阳能电瓶的太阳能组件。本发明的碳化硅薄膜可以并且还能挺好地钝化硅片表面的悬挂键与缺陷,降低表面少数自旋的复合,提高少数自旋的寿命,从而减少太阳能组件的电瓶效率。相对于现有技术,本发明具备以下有益疗效:本发明的纯化步骤才能促使纯化得到的碳化硅薄膜具备单层结构,底层膜富含大量-OH氢键,在后续低温处理过程中,释放出H钝化硅片表面的悬挂键。外层碳化硅薄膜富含较少的-OH配体,不会在低温处理过程中释放很多的H2,不会导致钝化膜层的损毁,具有更好的钝化疗效。附图说明图1为本发明氧化铝薄膜的结构示意图,其中1为底层碳化硅薄膜,2为内层碳化硅薄膜;图2为经低温回火处理后推行例3中纯化的底层碳化硅薄膜加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象;图3为经低温回火处理后推行例3中纯化的内层碳化硅薄膜加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象。图4为经低温回火处理后推行例1中纯化的碳化硅薄膜(双层结构薄膜)加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象。图5为经低温回火处理后推行例2中纯化的碳化硅薄膜(双层结构薄膜)加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象。

图6为经低温回火处理后推行例3中纯化的碳化硅薄膜(双层结构薄膜)加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象。图7为经低温回火处理后推行例4中纯化的碳化硅薄膜(双层结构薄膜)加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象。图8为经低温回火处理后推行例5中纯化的碳化硅薄膜(双层结构薄膜)加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象。图9经低温回火处理后对比例1中纯化的碳化硅薄膜(双层结构薄膜)加上氮化硅膜层的100倍3D显微镜下的图象。具体施行方法下边通过详细施行方法来逐步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应当明了,所述推行例只是是帮助理解本发明,不应视为对本发明的详细限制。实施例1在本施行例中,通过以下纯化步骤纯化碳化硅薄膜,如图1所示,氧化铝薄膜包括底层碳化硅薄膜(1)和内层碳化硅薄膜(2),所述纯化步骤包括以下方法:(1)底层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为240℃,通过以下方法纯化得到底层碳化硅薄膜:(I)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为200sccm,通入时间20秒;(II)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(III)向反应腔体圆通入水,流量为400sccm,通入时间20秒;(IV)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(I)-步骤(IV)形成一个循环,重复该循环10次,得到所述底层碳化硅薄膜的长度为2nm。

(2)外层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为300℃,通过以下方法纯化得到内层碳化硅薄膜:(A)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为200sccm,通入时间20秒;(B)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(C)向反应腔体圆通入水,流量为100sccm,通入时间20秒;(D)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(A)-步骤(D)形成一个循环,重复该循环30次,在底层碳化硅薄膜上得到长度6nm的内层碳化硅薄膜。实施例2在本施行例中,通过以下纯化步骤纯化碳化硅薄膜,如图1所示,氧化铝薄膜包括底层碳化硅薄膜(1)和内层碳化硅薄膜(2),所述纯化步骤包括以下方法:(1)底层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为230℃,通过以下纯化方法纯化得到底层碳化硅薄膜:(I)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为180sccm,通入时间30秒;(II)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(III)向反应腔体圆通入水,流量为360sccm,通入时间30秒;(IV)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(I)-步骤(IV)形成一个循环,重复该循环30次,得到长度6nm的底层碳化硅薄膜。

(2)外层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为280℃,通过以下方法纯化得到内层碳化硅薄膜:(A)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为190sccm,通入时间30秒;(B)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(C)向反应腔体圆通入水,流量为90sccm,通入时间30秒;(D)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(A)-步骤(D)形成一个循环,重复该循环50次,在底层碳化硅薄膜上得到长度10nm的内层碳化硅薄膜。实施例3在本施行例中,通过以下纯化步骤纯化碳化硅薄膜,如图1所示,氧化铝薄膜包括底层碳化硅薄膜(1)和内层碳化硅薄膜(2),所述纯化步骤包括以下方法:(1)底层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为250℃,通过以下方法纯化得到底层碳化硅薄膜:(I)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为220sccm,通入时间10秒;(II)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(III)向反应腔体圆通入水,流量为440sccm,通入时间10秒;(IV)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(I)-步骤(IV)形成一个循环,重复该循环30次,得到长度6nm的底层碳化硅薄膜。

(2)外层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为320℃,通过以下方法纯化得到内层碳化硅薄膜:(A)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为210sccm,通入时间10秒;(B)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(C)向反应腔体圆通入水,流量为110sccm,通入时间10秒;(D)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(A)-步骤(D)形成一个循环,重复该循环30次,在底层碳化硅薄膜上得到长度6nm的内层碳化硅薄膜。实施例4在本施行例中,通过以下纯化步骤纯化碳化硅薄膜,如图1所示,氧化铝薄膜包括底层碳化硅薄膜(1)和内层碳化硅薄膜(2),所述纯化步骤包括以下方法:(1)底层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为245℃,通过以下方法纯化得到底层碳化硅薄膜:(I)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为210sccm,通入时间15秒;(II)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(III)向反应腔体圆通入水,流量为430sccm,通入时间15秒;(IV)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(I)-步骤(IV)形成一个循环,重复该循环30次,得到长度6nm的所述底层碳化硅薄膜。

(2)外层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为290℃,通过以下方法纯化得到内层碳化硅薄膜:(A)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为200sccm,通入时间25秒;(B)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(C)向反应腔体圆通入水,流量为90sccm,通入时间25秒;(D)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(A)-步骤(D)形成一个循环,重复该循环10次,在底层碳化硅薄膜上得到长度2nm的所述内层碳化硅薄膜。实施例5在本施行例中,通过以下纯化步骤纯化碳化硅薄膜,如图1所示,氧化铝薄膜包括底层碳化硅薄膜(1)和内层碳化硅薄膜(2),所述纯化步骤包括以下方法:(1)底层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为240℃,通过以下方法纯化得到底层碳化硅薄膜:(I)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为200sccm,通入时间25秒;(II)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(III)向反应腔体圆通入水,流量为440sccm,通入时间20秒;(IV)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(I)-步骤(IV)形成一个循环,重复该循环50次,得到长度10nm的底层碳化硅薄膜。

(2)外层碳化硅薄膜的纯化:设定原子层沉积系统的反应腔体气温为300℃,通过以下方法纯化得到内层碳化硅薄膜:(A)向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为190sccm,通入时间10秒;(B)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;(C)向反应腔体圆通入水,流量为100sccm,通入时间10秒;(D)抽真空,至反应腔的浮力增加至10mbar以下时,停止抽真空;步骤(A)-步骤(D)形成一个循环,重复该循环30次,在底层碳化硅薄膜上得到长度6nm的内层碳化硅薄膜。对比列1纯化碳化硅使用双层膜,具体工艺如下:氧化铝薄膜的纯化:(A)设定原子层沉积系统的反应腔体气温为280℃,向反应腔体圆通入三甲基铝,流量为200sccm,通入时间20秒;(B)抽真空;(C)向反应腔体圆通入水,流量为200sccm,通入时间20秒;(D)抽真空;步骤(A)-步骤(D)形成一个循环,重复该循环60次,在底层碳化硅薄膜上得到长度12nm的碳化硅薄膜。此碳化硅薄膜为双层结构。为了表征H2溢出疗效,对推行例3中纯化得到的底层膜跟内层膜分别进行低温回火试验,具体操作如下:将沉积好底层膜与内层膜的晶片分别置于PECVD炉管中,在碳化硅薄膜上沉积一层长度为100~140nm、折射率为2.0~2.2的氮化硅薄膜。

将上述的碳化硅叠加氮化硅薄膜经过烧结炉在空气氛围下进行热回火处理,退火气温在750~800℃,时间5~10S。利用Zeta-20A型3D显微镜对经过回火后的薄膜进行表征,以观察氮化硅膜层的完整程度。实施例3纯化得到的底层碳化硅薄膜回火后其表面氮化硅膜层如图2所示,外层碳化硅薄膜回火后其表面氮化硅膜层如图3所示,由图2跟图3可以看出,图2中膜层表面黑点更多,说明底层膜因为较差的气体溢出,造成渗碳硅膜层的毁坏更严重。同样推行例1、2、4跟5纯化的底层碳化硅薄膜跟内层碳化硅薄膜也得到了相似的测量结果,底层薄膜因为较差的甲烷溢出,造成更严重的氮化硅膜层的破损。为了表征本发明纯化得到的单层膜结构的碳化硅薄膜的H2溢出疗效,对在推行例1-5跟对比例1纯化得到单层碳化硅膜进行上述低温回火试验。利用Zeta-20A型3D显微镜对经过调质后的薄膜进行表征,以观察氮化硅膜层的完整程度。可以看出,不同的碳化硅长度,不同的底层碳化硅长度与不同的内层碳化硅的长度,叠加氮化硅后经回火以的3D显微镜图象也不同。实施例1中得到的碳化硅薄膜,底层碳化硅长度为2nm,外层碳化硅长度为6nm,氧化铝总长度为8nm,导致-OH浓度偏少,如图4所示,经过低温回火后H2逸出较少。

实施例4的碳化硅总长度也为8nm,但底层碳化硅长度较厚,底层-OH浓度低于内层,从图7可以看出,实施例4中的H2逸出量低于推行例1。比较推行例2与推行例5也可以得到相似的结果(其结果分别如图5跟图8所示),两者碳化硅总长度都为16nm氧化铝薄膜,但推行例5的底层碳化硅长度更厚,这就造成了推行例5的H2逸出最多,实施例2的H2逸出次之。实施例3(其碳化硅薄膜的H2逸出状况结果图如图6所示)的碳化硅总长度为12nm,厚度适中,H2逸出显著超过推行例2跟5,多于推行例1,与推行例4相当。而对比列1的双层碳化硅薄膜的结果如图9所示,可以看出,该多层碳化硅薄膜的经过低温回火后H2逸出较差。上述结果可以看出,氧化铝的总长度,特别是-OH浓度较高的底层碳化硅长度决定了决定了低温退火处理H2逸出量。为了表征氧化铝膜的钝化疗效,进行少子寿命测试,具体包括:1、取单晶硅片30片,进行双面打磨,去除晶圆两面的外伤层;2、将30片单晶硅片均匀分成6组,分别使用推行例1~5与对比列1的方式进行氮化硅薄膜纯化;3、将上述6组纯化完成的晶片经过烧结炉在空气氛围下进行热回火处理,退火气温在750~800℃,时间5~10s;4、将回火处理后的晶片使用SintonWCT-120仪器进行少子寿命测试,测试数据如下表1:表1少子寿命/us1(片一)2(片二)3(片三)4(片四)5(片五)平均推行例32140118.4推行例28142157.6推行例36186180.4推行例45168155.6推行例5145121.8对比列8596.8少子寿命数据阐明:对比列1最差,实施例1跟5稍好,实施例2跟4较差,实施例3少子寿命最长,表明碳化硅膜的钝化疗效最佳。

可见,本发明纯化的碳化硅膜选择一个适合的总长度范围,如推行例3,能荣获最佳的钝化疗效,总长度很厚,氢溢出较差,反而会破坏钝化疗效;总长度很薄,氢浓度过少,也会影响钝化疗效。同时底层碳化硅的长度对钝化疗效的影响较大,底层碳化硅选择一个适合的长度范围也能达到较差的钝化疗效,如推行例2跟4。申请人申明,本发明通过上述推行例来说明本发明的碳化硅薄膜及其纯化步骤跟应用,但本发明并不局限于上述推行例,即不意味着本发明应当依赖上述推行例能够施行。所属

技术领域:

的技术人员应当明了,对本发明的任何改进,对本发明所采用原料的等效替换及辅助成份的添加、具体形式的选择等,均落在本发明的保护范围跟公开范围之内。当前第1页1 2 3 

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