Experimentelle Ergebnisse

Für die Passivierung kam die MIRHP- (bzw. hier MIRDP-) Technik zum Einsatz. Untersucht wurden fünf Proben mit einer Dicke von ≈ 200 µm, die eine Passivierung von 10 h bzw. 24 h bei einer Temperatur von 450 °C erfuhren. Verwendet wurde ein D/He-Gasgemisch im Verhältnis 1:9 bei einem Druck von 0,8 mbar. Die anschließende SIMS-Messung erfolgte am NMRC (National Microelectronics Research Centre) in Cork (Irland). Eine Zusammenstellung der Ergebnisse ist in Abbildung 3.14 präsentiert. Aufgetragen ist die Konzentration an Deuterium in Abhängigkeit der Tiefe. Im oberen Diagramm sind die Messdaten der 10- und der 24-stündigen Passivierung bei 450 °C zu sehen. Die 10-stündige Messung wurde nur bis zu einer Tiefe von 120 µm durchge-führt. Die Minima der beiden Messreihen liegen nicht bei der gleichen Tiefe. Dies lässt darauf schließen, dass die Proben nicht gleich dick waren. Zusätzlich aufgeführt sind die aus obigen the-oretischen Überlegungen zu erwartenden Kurvenverläufe zu der 24-stündigen Passivierung. Die blaue Kurve gibt dabei das Dotierprofil bei freier Diffusion wieder, während die grüne Kurve multiple trapping voraussetzt. Bereits im Jahre 1956 wurden Untersuchungen zur Diffusionskon-stante von Wasserstoff in Silizium durchgeführt [88]. Für eine freie Diffusion nach dem 2. Fick-schen Gesetz fanden A. van Wieringen et al. die Gleichung

s

Eine andere Gruppe ermittelte für die freie Diffusion:

s

Der Gültigkeitsbereich der Gleichungen liegt zwischen 970-1200 °C bzw. 900-1200 °C. Eine In-terpolation auf die hier verwendete Temperatur von 450 °C führt zu Diffusionskonstanten von 4,23ּ10^-6 cm²/s bzw. 5,23ּ10^-9 cm²/s.

Bei gleicher Temperatur sollte die Diffusionskonstante unabhängig sein von der Dauer der Passi-vierung. Um dies zu gewährleisten, musste die Diffusionskonstante DH für die 10- und 24-stündige Messung mit 7ּ10^-11 cm²/s angenommen werden. Da man nicht von einer vollständig freien Diffusion ausgehen kann, ist dieser Wert nicht ganz realitätsfern. In [90, 91] wurde gezeigt, dass insbesondere der Sauerstoff als „trap“ für den Wasserstoff agiert. Die Trapkonzentration [X]

wurde aus diesem Grund an die Sauerstoffkonzentration angepasst und mit 1,5ּ10¹⁸ cm^-3 abge-schätzt. Um dennoch zu sinnvollen Ergebnissen zu gelangen, war es notwendig, den Einfangradi-us R(H,X) mit 2ּ10^-21 cm vorauszusetzen. Die Anfangskonzentration [H]0 ließ sich aus den Mess-daten mit 1-1,5ּ10¹⁷ cm^-3 ablesen. Auf den ersten Blick scheinen die Fit-Kurven das tatsächliche D-Profil nur schlecht wiederzugeben. Für eine freie Diffusion liegen die Messwerte zu niedrig,

3.3. KONZENTRATIONSPROFIL DES WASSERSTOFFS IN RGS-SILIZIUM 63

wohingegen sie ein deutlich flacheres Profil zeigen, als die Voraussagen bei Annahme einer rei-nen Diffusion durch „multiple trapping“. Erst die oben diskutierte Kombination beider Theorien führt zum gewünschten Erfolg. Da die Diffusion von Vorder- und Rückseite der Zelle stattfindet, ist zu erwarten, dass sich ab einem gewissen Zeitpunkt, die tatsächliche D-Konzentration aus ei-ner Überlagerung der beiden Diffusionsströme bildet. Dies muss nicht zwangsläufig in der Mitte der Zelle geschehen, da der Emitter auf der Vorderseite bzw. der ganzflächige Al-Kontakt auf der Rückseite unterschiedlich hohe Barrieren bilden können. Die rot eingezeichneten Kurven reprä-sentieren das gewogene Mittel der beiden jeweiligen theoretischen Profile unter Berücksichtigung der beidseitigen Diffusion. Sie stimmen sehr gut mit den experimentellen Messdaten überein. Die Gewichtung der beiden theoretischen Diffusionsprofile zueinander kann aus der Anpassung an die Messdaten ermittelt werden. Bei fast allen in Abbildung 3.14 aufgeführten Passivierungszeiten liegt das Verhältnis bei 2:1 zu Gunsten der „multiple trapping“-Diffusion. Dies bedeutet, dass ca.

33% der Deuteriumatome nach dem Fickschen Gesetz diffundieren, während 66% der Atome durch Verunreinigungen in ihrer Bewegung behindert werden und sich unter multiple trapping im Silizium bewegen.

Im unteren Diagramm sind SIMS-Messungen des D-Profils aus [7] zusammengestellt. Sie wurden ebenfalls an RGS-Haltepunktmaterial bei Passivierungszeiten von 1 h, 2 h und 4,5 h durchgeführt.

Da die Temperatur bei dieser Untersuchung nur 375 °C betrug, musste die Diffusionskonstante auf 2ּ10^-11 cm²/s reduziert werden, um bei ansonsten gleichen Parametern das gemittelte theoreti-sche Dotierprofil an die experimentellen Ergebnisse anzupassen. Die theoretitheoreti-schen Kurvenverläu-fe sind im Diagramm ebenfalls rot eingezeichnet. Die Anfangskonzentrationen [H]0 scheinen mit zunehmender Passivierungsdauer anzusteigen. Eine Erklärung hierfür wurde in [7] gegeben. Es ist möglich, dass sich Deuterium in oder an Sauerstoffpräzipitaten anlagert oder aber in Hohlräumen („voids“) eingelagert wird.

Auch bei der Anpassung der theoretischen Kurvenverläufe an diese Messreihen ließ sich ein Ver-hältnis von 2:1 zu Gunsten der Diffusion unter „multiple trapping“ bestimmen. Einzig bei der Messung nach 1 h Passivierungszeit war dies nicht möglich. Hier lag das Verhältnis bei 1 : 3 für die freie Diffusion. Eine mögliche Erklärung liefern die hohen Anfangskonzentrationen an D-Atomen. Nahe der Oberfläche strömen diese aus einem großen Reservoir in den Wafer und über-schwemmen zunächst die Defekte, die somit in dieser Phase keine Rolle spielen. Erst tiefer im Silizium, wenn die Konzentration der D-Atome abnimmt, gewinnen die „traps“ und somit die Diffusion unter „multiple trapping“ an Bedeutung. In Tabelle 3.4 sind die Fitparameter zu beiden Diagrammen nochmals zusammengestellt.

RGS-SILIZIUM

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Abbildung 3.14: Konzentrationsprofil von Deuterium nach einer MIRDP-Passivierung an RGS-Haltepunktmaterial mit unterschiedlichen Passivierungsdauern. Oben: 10 h, 24 h bei 450 °C. Unten: 1 h, 2 h, 4,5 h bei 375 °C [7]. Im oberen Diagramm sind zusätzlich die theoretischen Kurvenverläufe eingezeichnet, wie sie gemäß obigen Theorien nach einer Passivierungsdauer von 24 h ohne (blau) und mit „multiple trapping“ (grün) auftreten sollten. Die nach rechts hin wieder ansteigenden Kurven sind eine Überlagerung der von links und von rechts her eindiffundierten Pro-file. Weiterhin ist in beiden Bildern das gewichtete, arithmetische Mittel der beiden Theorien für jede Passivierungs-dauer dargestellt. Im unteren Bild mussten die Diffusionskonstante und die Anfangskonzentration [H]0 an die Mess-reihen angepasst werden.