Einfluss einer inhomogenen Ladungsträgerlebensdauer

Der mittels Photoleitfähigkeitsmessung bestimmte Absolutwertτ_eff der Minoritätsladungsträger-lebensdauer wird in dieser Arbeit genutzt, um eine Korrelation mit den C-V-Messergebnissen herzustellen. Dabei kann allerdings eine örtliche Inhomogenität dieser Ladungsträgerlebensdauer zu unterschiedlichen C-V-Kurven führen, je nachdem an welchem Gatekontakt die Messung durchgeführt wird. Die C-V-Charakterisierung kann immer nur die elektrischen Eigenschaften einer im Verhältnis zur Probe kleinen Fläche, der Gatekontaktfläche, wiedergeben. Das Ergebnis der Photoleitfähigkeitsmessung wird hingegen durch die gesamte, 5 x 5 cm² große Si-Scheibe beeinflusst.

Sollen Lebensdauer- und C-V-Messungen von verschiedenen Proben miteinander verglichen werden, so ist dies folglich nur dann sinnvoll möglich, wenn die Verteilung der Ladungsträgerlebensdauer in den Si-Scheiben ähnlich ist und die C-V-Messung an etwa der gleichen Stelle auf der Probe stattfindet.

In Abbildung 4.13a sind die Ergebnisse der C-V-Messungen von drei verschiedenen Kontakten derselben Fläche auf einer Probe aufgetragen. Aufgrund der sehr homogenen Verteilung der

Le--10 -5 0 5 10

Abbildung 4.13: (a)Hochfrequente und quasistatische C-V-Kurven gemessen an drei verschiedenen Gateelektroden der Fläche 1,8 mm²(pn-Durchlaufrichtung). Kontakte 1 und 2 liegen zentral auf der Scheibe etwa 1 cm voneinander entfernt. Kontakt 3 liegt im Randbereich (vgl. PL-Aufnahme der untersuchten Probe). (b)Zur hochfrequenten Messung gehörende Verlustfaktoren als Funktion der Gatespannung.

bensdauer dieser Probe (vgl. PL-Aufnahme in Abb. 4.13a) unterscheiden sich die Kurven der 1 cm voneinander entfernten Kontakte 1 und 2 nur um eine Flachbandspannung von ∆V_FB = 0,74 V.

Der sich daraus ergebende relative Fehler bei der Qf-Bestimmung liegt bei ≈ 10%. Die hoch-frequente Kurve des Kontaktes 3 weist allerdings eine andere Form im Spannungsbereich der Verarmung sowie eine starke Verkleinerung der Flachbandspannung (∆V_FB≈ −6 V) gegenüber den anderen beiden Kurven auf. Zudem unterscheidet sich der Verlauf des dazugehörigen Verlust-faktors (Abb. 4.13b) von den anderen beiden und ist insgesamt deutlich höher, was durch einen hohen Leckstrom verursacht worden sein könnte. Darauf deutet auch hin, dass die quasistatischen C-V-Messungen an diesem Kontakt nicht messbar sind.

Werden folglich auf mehreren Gatekontakten einer Probe zur späteren Mittelung der Ergebnisse Messungen durchgeführt, so sollten diese Kontakte in möglichst geringem Abstand voneinander positioniert sein, um den Einfluss von Lebensdauerinhomogenitäten zu minimieren. Bei Verwen-dung der konstruierten Aufdampfmaske (vgl. Abb. 4.2b) können aber auch gezielt Messungen auf Gatekontakten gleicher Fläche in Bereichen der Probe durchgeführt werden, die sich in der PL-Aufnahme stark voneinander unterscheiden. Neben der bereits existierenden Lebensdauer-inhomogenität einer Probe kann durch einen zwischen zwei C-V-Messungen stattfindenden Prozessschritt diese Verteilung weiter verändert werden, ohne dass dabei aber ein Unterschied im ermittelten Wert fürτeff erkennbar ist. Die Korrelation von Ladungsträgerlebensdauer und C-V-Messergebnissen kann auf diese Weise beeinträchtigt werden und ist stets mit der Kenntnis der PL-Aufnahme, die ein ortsaufgelöstes Bild der Lebensdauerverteilung wiedergibt, durchzuführen.

Unabhängig von der in der PL-Aufnahme erkennbaren Inhomogenität der Ladungsträgerlebens-dauer können auch die anhand der C-V-Charakterisierung bestimmten elektrischen Eigenschaften der MOS-Struktur auf der Probenfläche Inhomogenitäten aufweisen. Denn es kann nicht vor-ausgesetzt werden, dass eine homogene Lebensdauerverteilung auch eine homogene Verteilung beispielsweise der Dichte fixer Ladungen zur Folge hat. Zudem können die Unterschiede der C-V-Kurven auch auf Mängel einzelner Gatekontakte (z. B. Verunreinigungen zwischen Al und Al2O3) zurückgeführt werden.

4.3 Untersuchung der C-V-Messmethode und ihrer Fehlerquellen 73 4.3.3 Variation der Gatekontaktgröße

Durch die Wahl der Gatekontaktgröße wird die Fläche des untersuchten MOS-Kondensators vorge-geben. Um Abhängigkeiten der C-V-Messergebnisse von dieser Kondensatorfläche zu untersuchen, enthält die zum Aufdampfen der Gatekontakte verwendete Schattenmaske Löcher mit gewöhnlich für C-V-Messungen verwendeten Durchmessern im Bereich von 0,2 bis 3,0 mm [39, 46, 89].

Für die bei C-V-Messungen auftretenden Leckströme können neben einer zu dünnen Schichtdicke auch Pinholes im Oxid verantwortlich sein [11]. Um die Wahrscheinlichkeit dafür zu minimieren, dass sich Pinholes unter dem Gatekontakt befinden und dadurch eine C-V-Messung verhindert wird, ist die Gatekontaktfläche möglichst gering zu wählen. Eine Kontaktierung mit der Nadel des Mikromanipulators, bei der die Probenfläche neben dem metallischen Kontakt nicht berührt wird, muss aber gewährleistet bleiben.

Die erhaltenen normierten Kurven aus den an drei unterschiedlich großen Gatekontakten durch-geführten hochfrequenten und quasistatischen C-V-Messungen sind in Abbildung 4.14a für die pn-Durchlaufrichtung dargestellt. Um den Einfluss einer inhomogenen Ladungsträgerlebensdauer

- 1 0 - 5 0 5 1 0

Abbildung 4.14: (a)Auf die Gatekontaktfläche normierte, hochfrequent und quasistatisch gemesse-ne C-V-Kurven auf drei unterschiedlich großen Gatekontakten (pn-Durchlaufrichtung). Kontakt 1:

AG= 7,1 mm²(rot); Kontakt 2: AG= 1,8 mm² (blau), Kontakt 3:AG = 0,3 mm²(grün).(b)Zur hochfrequenten Messung gehörende Verlustfaktoren als Funktion der Gatespannung.

zu minimieren, werden die Kontakte in möglichst geringem Abstand (≈1 cm) zueinander gewählt.

Obwohl die C-V-Kurven bereits auf eine Gatekontaktfläche von 1 cm² normiert sind, erreichen die im Akkumulationsbereich ablesbaren Oxidkapazitäten unterschiedliche Werte. Besonders der des kleinsten Kontaktes (grüne Kurve) ist gegenüber den anderen beiden deutlich erhöht.

Anhand der Gleichung (3.16) für die OxidkapazitätC_OX kann dafür unter der Annahme einer durch das ALD-Verfahren gewährleisteten homogenen Oxiddicke ein Anstieg der relativen Permit-tivität des Al2O3 εOX mit sinkender MOS-Kondensatorfläche verantwortlich gemacht werden. Bei den in Abbildung 4.14 gezeigten Kurven entspräche dies einer Vergrößerung vonε_OX= 8,2 auf ε_OX= 9,6 von der größten zur kleinsten Fläche. Ein ähnlicher Zusammenhang zwischen ε_OX und A_G wurde auch in [89] bei Aluminiumoxid beobachtet. Da sich die Natur des Al2O3 durch eine Flächenvariation nicht verändert, ist die Ursache dieser Abhängigkeit messtechnischer Art. So nimmt beispielsweise der relative Fehler bei der Flächenvermessung mit kleineren Gatekontakten zu, woraus auch ein stärker fehlerbehafteterε_OX(A_G)-Zusammenhang erwächst.

Eine weitere Ursache für die starke Erhöhung desC_OX-Wertes kann die fehlerhafte Flächenver-messung des Gatekontaktes sein. Dessen Durchmesser wird mittels Lichtmikroskop bestimmt und unter Annahme einer kreisrunden Form in die KontaktflächeA_G umgerechnet. Beträgt die

Unsicherheit beim Messen des kleinsten Durchmessers ±0,05 mm, so liegt der relative Fehler der daraus berechneten Gatekontaktfläche und damit der Normierung der C-V-Kurve schon bei

≈17%. Dieser Wert entspricht gerade der Abweichung der beiden oben berechnetenεOX-Werte.

Die Verlustfaktoren der hochfrequenten Messung (Abb. 4.14b) vergrößern sich mit zunehmender Kontaktgröße, allerdings nicht proportional dazu. Die aus den C-V-Kurven berechneten Flach-bandspannungen der beiden größten Kontakte weisen den gleichen Unterschied auf wie zwei gleich große Kontakte (vgl. Kontakt 1 und 2 in Abschn. 4.3.2). Allerdings weichen die daraus berechneten Q_f-Werte hier nicht voneinander ab, denn der Unterschied in der Flachbandspannung wird durch den Unterschied in der Oxidkapazität ausgeglichen (QOX = ^COX_q ·(VFB+φMS), Gl. (3.19)).

Werden folglich C-V-Messungen einer oder verschiedener Proben miteinander verglichen, so sollten möglichst gleich große Kontaktflächen verwendet werden, um zusätzliche Fehlerquellen zu vermeiden. Bei Messungen mit hohem Verlustfaktor oder bei nicht möglichen quasistatischen Messungen sollten zur Reduzierung des Leckstroms möglichst kleine Kontakte verwendet werden.

4.3.4 Variation der Wechselspannungsfrequenz

Die Wechselspannungsfrequenz ω der angelegten Gatespannung bei der hochfrequenten C-V-Messung kann über das Messprogramm variiert werden. Sie muss ausreichend hoch gewählt werden, sodass die Ladungsträger in der Inversionsschicht der MOS-Struktur ihr nicht mehr folgen können (vgl. Abschn. 2.4). Man erhält für den üblicherweise verwendeten Frequenzbereich zwischen 50 und 1000 kHz [11] die in Abbildung 4.15a dargestellten C-V-Kurven zusammen mit den dazugehörigen Verlustfaktoren (Abb. 4.15b), die an einem Gatekontakt der Fläche 1,8 mm² aufgenommen worden sind.

Abbildung 4.15: (a) Hochfrequente C-V-Kurven, gemessen bei drei verschiedenen Wechselspan-nungsfrequenzenωzwischen 50 und 1000 kHz (pn-Durchlaufrichtung).(b)Zu den Hochfrequenzkurven gehörender Verlustfaktor in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.

Im Spannungsbereich der Verarmung und Inversion sind die C-V-Kurven nahezu gleich. Im Akkumulationsbereich steigt der gemessene Kapazitätswert jedoch mit abnehmender Messfrequenz an. Dies liegt an dem mit steigender Frequenz größer werdenden Messfehler aufgrund der zur MOS-Kapazität in Reihe geschalteten parasitärenRC-Glieder, die der Impedanzanalysator nicht berücksichtigt. Dieser ist auch anhand des mit steigender Frequenz zunehmenden Verlustfaktors zu erkennen (vgl. Abb. 4.15b). Die Berichtigung der Kapazität kann aber durch eine quasistatische Messung erfolgen (vgl. Abschn. 3.4.3).

Die in dieser Arbeit diskutierten hochfrequenten C-V-Kurven werden stets bei der in der Literatur am häufigsten verwendeten Frequenz vonω= 100 kHz aufgenommen (vgl. z. B. [86, 89]). Dieser

4.3 Untersuchung der C-V-Messmethode und ihrer Fehlerquellen 75 Wert ist auf der einen Seite hoch genug, damit sich während der Messung keine Inversionsschicht bilden kann. Auf der anderen Seite ist der dazugehörige Verlustfaktor gegenüber der 1000 kHz-Kurve sehr niedrig.

4.3.5 Variation der Rampengeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit, mit der bei der quasistatischen C-V-Messung die Spannung variiert wird, muss so gering gewählt werden, dass das System während der Messung im thermischen Gleich-gewicht bleibt. Andererseits nimmt mit sinkender Spannungsrampengeschwindigkeit auch der Verschiebungsstrom ab, wodurch sich der Messfehler erhöht (vgl. Abschn. 2.4).

In Abbildung 4.16a sind die quasistatischen C-V-Kurven dargestellt, die bei verschiedenen, im typischen Bereich liegenden [11], Rampengeschwindigkeiten gemessen sind. Die Verläufe

- 1 0 - 5 0 5 1 0

Abbildung 4.16: (a)Quasistatisch gemessene C-V-Kurven bei verschiedenen Rampengeschwindig-keiten zwischen 100 und 400 mV/s (pn-Durchlaufrichtung). (b)Spannungsrampen in Abhängigkeit von der Zeit für Rampengeschwindigkeiten zwischen 100 und 400 mV/s.

verändern sich im Verhältnis zu anderen Variationen (z. B. Spannungsdurchlaufrichtung oder Lebensdauerinhomogenität) kaum. Auch können die durch Leckströme hervorgerufenen Effekte im Akkumulations- und Inversionsbereich durch eine Änderung der Rampengeschwindigkeit nicht verhindert werden.

Wie in Abschnitt 3.4.2 beschrieben, hängt der Messfehler bei der quasistatischen Messmethode stark von der Konstanz der Rampengeschwindigkeit ab. Die Abweichung von deren Linearität sollte daher weniger als 0,5% betragen [11]. In Abbildung 4.16b sind die Spannungsrampen der drei Rampengeschwindigkeiten aufgetragen. Das BestimmtheitsmaßR² bei einem zugrunde gelegten linearen Modell ist bei allen drei Rampen auf sieben Dezimalen genauR² = 1. Eine für die unbeeinflusste quasistatische Messung ausreichende Linearität der Rampen ist folglich bei allen Geschwindigkeiten gegeben.

Für die in dieser Arbeit gemessenen quasistatischen C-V-Kurven wird eine Rampengeschwindigkeit von 200 mV/s verwendet, bei der die Messzeit kurz gehalten werden kann und trotzdem die an die quasistatische Messmethode geknüpften Bedingungen erfüllt sind.

4.3.6 Dotierprofil

Über die von der angelegten Gatespannung abhängige AusdehnungWS der Raumladungszone im Silizium kann im Bereich der Verarmung das Dotierprofil des Halbleiters unterhalb der Grenzfläche zwischen Oxid und Halbleiter berechnet werden (vgl. Abschn. 3.5.6). Der Vergleich der auf diese

Weise bestimmten Dotierung mit der Angabe des Siliziumscheibenherstellers kann einen Hinweis auf die Richtigkeit der gemessenen C-V-Kurve geben.

Die hochfrequent gemessene C-V-Kurve im Verarmungsbereich ergibt als _C¹

D2 überψS aufgetragen im idealen Fall bei gleichmäßiger Dotierung eine Gerade, mit deren Steigung das Dotierprofil berechnet wird. Die hochfrequenten Kurven beider Spannungsdurchlaufrichtungen (np und pn) der in diesem Abschnitt untersuchten Probe führen im bestimmbaren Tiefenbereich (s. Gl. (3.38)) auf die in Abbildung 4.17 dargestellten Dotierprofile. Im Tiefenbereich zwischen ≈ 0,1 µm und ≈0,25 µm liefern beide Kurven ein Dotierprofil, welches sich annähernd bei der für das Silizium vom Hersteller angegebenen Dotierung von 7·10¹⁵ cm⁻³ befindet. Zu den Rändern des angebbaren Tiefenbereichs (schwarz gestrichelte Linien) hin weicht das Dotierprofil immer mehr von diesem Wert ab, da die C-V-Kurve in den Bereich der Akkumulation beziehungsweise Inversion eintritt. Das aus der bei np-Richtung gemessenen Kurve berechnete Dotierprofil lässt sich auch für einen tieferen Bereich bestimmen, da der dort auftretende Fall der tiefen Verarmung die Gültigkeitsgrenze nach oben ausweitet, indem sich die Raumladungszone tiefer in den Halbleiter ausdehnen kann.

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6

1 0 ^{1 5} 1 0 ^{1 6} 1 0 ^{1 7} 1 0 ^{1 8}

i

Dotierstoffkonzentration [cm-3 ]

Tiefe [µm]

np pn 7x10¹⁵ cm^-3

a

Abbildung 4.17:Dotierstoffkonzentration des Siliziums in Abhängigkeit von der Entfernung zur Oxid-Silizium-Grenzfläche, berechnet aus der hochfrequenten C-V-Kurve (np- und pn-Durchlaufrichtung).

Der aus dem spezifischen Widerstand des Siliziums berechnete Wert der Dotierung beträgt 7·10¹⁵cm⁻³. Die Linien a und i geben den Übergang zur Akkumulation bzw. Inversion an.

4.4 Untersuchung verschiedener Metallisierungsverfahren auf Probenschädigung

Um die Ergebnisse von Lebensdauermessungen an einer Probe gemäß Abbildung 4.1 mit denen von Kapazität-Spannung-Messungen an der daraus weiterbearbeiteten Probe gemäß Abbildung 4.3 korrelieren zu können, muss sichergestellt werden, dass durch den Metallisierungsschritt keine Schädigung der vermessenen MOS-Struktur stattfindet. Dies kann auf der Basis von Lebensdauermessungen an Proben überprüft werden, von denen nach der Metallisierung das Aluminium wieder heruntergeätzt wird (vgl. Abschn. 4.4.2 und 4.4.3).

4.4.1 Schädigungsfreie Entfernung der Aluminiumschicht

Für diese Untersuchung muss jedoch zunächst eine Möglichkeit gefunden werden, aufgedampftes Aluminium von einer Probe herunterzuätzen ohne das darunter liegende Al2O3 maßgeblich zu

4.4 Untersuchung verschiedener Metallisierungsverfahren auf Probenschädigung 77 schädigen. Vor allem darf keine Veränderung der Ladungsträgerlebensdauer durch die Ätzung selbst verursacht werden.

Für die Ätzversuche werden Lebensdauerproben (vgl. Abb. 4.1) aus CZ-Siliziumscheiben hergestellt, die anschließend beidseitig mit einer 1 µm dicken Al-Schicht bedampft (Elektronenstrahlver-dampfer, Aufdampfrate: 5−10 Å/s) werden. Es wird eine 37-prozentige Salzsäurelösung (HCl) für diese Zwecke getestet.

Bei Raumtemperatur, im Folgenden als „kalte HCl“ bezeichnet, wird die Al-Schicht innerhalb von 15 Minuten vollständig entfernt, was einer mittleren Ätzrate von 67 nm/min entspricht. Dabei greift die Lösung zuerst an bereits mit leichten Kratzern beschädigten Stellen oder am Rand der Aluminiumschicht an, wo diese auch als Erstes vollständig entfernt wird.

Erhitzt man die Salzsäurelösung auf etwa 80 ^◦C, im Folgenden als „heiße HCl“ bezeichnet, so erhöht sich die mittlere Ätzrate deutlich auf 153 nm/min und eine Entfernung der 1µm dicken Al-Schicht ist innerhalb von etwa sieben Minuten möglich.

Es ist zu beobachten, dass die Ätzrate von Aluminium stark von der Rate abhängt, mit der das Al zuvor aufgedampft wurde. Bei sehr niedrigen Aufdampfraten von etwa 1 Å/s im Elektronen-strahlverdampfer ist die Al-Schicht in der heißen HCl bereits innerhalb von zwei Minuten voll-ständig und homogen entfernt. Niedrigere Aufdampfraten könnten zu vermehrtem Einbau von Verunreinigungen führen, die die chemische Stabilität der Al-Schicht beeinträchtigen.

Besonders an jenen Bereichen, an denen das Aluminium am schnellsten entfernt wurde, ist nach dem Ätzvorgang eine Farbveränderung der darunterliegenden Al2O3-Schicht gegenüber des restlichen Bereichs zu erkennen, was darauf hindeutet, dass auch das Al2O3 von der HCl-Lösung angegriffen wird. Es muss also bestimmt werden, mit welcher Rate die Lösung Al2O3 ätzt und ob dies zu einer Veränderung der Ladungsträgerlebensdauer in der Probe führt.

Dazu wird die Untersuchung an Lebensdauerproben, auf die kein Al gedampft wurde und die mit 120 nm Al2O3 beidseitig beschichtet sind, wiederholt. Während des Ätzens wird die Probe in regelmäßigen Abständen aus der Lösung genommen, die Ladungsträgerlebensdauer mittels Photoleitfähigkeitsmessung überprüft und die Dicke der verbleibenden Al2O3-Schicht mittels Ellipsometrie gemessen. In Abbildung 4.18 sind die Al2O3-Schichtdicke sowie die Lebensdau-er dLebensdau-er MinoritätsladungsträgLebensdau-er in Abhängigkeit von dLebensdau-er ÄtzdauLebensdau-er für die kalte und die heiße HCl dargestellt. Es ist ersichtlich, dass bei beiden Temperaturen der Ätzlösung die Dicke der

0 5 0 1 0 0

Zeit in heißer HCl [min]

Al2O3 - Dicke [nm]

Abbildung 4.18:Mit Ellipsometrie bestimmte Dicke der Al2O3-Schicht und dazugehörige Minoritäts-ladungsträgerlebensdauer, aufgetragen über die Zeit, die die Probe in der 37-prozentigen HCl-Lösung bei (a)Raumtemperatur und(b)80^◦C war. Die mittlere Ätzrate von Al2O3wird aus dem linearen Fit an den Al2O3-Dickenverlauf berechnet zu (a) 1 nm/h bzw. (b) 15 nm/min.

Al2O3-Schicht fast linear mit der Ätzdauer abnimmt. Wird an die einzelnen Messpunkte eine Gerade gefittet, so erhält man für die kalte Lösung eine mittlere Ätzrate von 1 nm/h, während die heiße mit 15 nm/min eine deutlich höhere Ätzrate besitzt. Demgegenüber bleibt die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger über die meiste Zeit in der Ätzlösung praktisch konstant, da eine Minimaldicke der Al2O3-Schicht (ca. 10−20 nm), welche im Stande ist, die Si-Scheibe optimal zu passivieren, über eine lange Zeit erhalten bleibt. Erst nach 100 Stunden in kalter HCl-Lösung beziehungsweise sieben Minuten in heißer ist die 120 nm dicke Al2O3-Schicht soweit abgeätzt, dass die Passivierqualität sinkt und sich die Minoritätsladungsträgerlebensdauer auf nahezu Null verringert.

Der Versuch zeigt, dass Al-Schichten von Al2O3-passivierten Lebensdauerproben abgeätzt werden können, ohne dass dabei die Passiviereigenschaften beeinträchtigt werden. Der Ätzprozess kann durch eine Temperaturerhöhung deutlich beschleunigt werden. Nimmt man die Proben aus der Ätzlösung, sobald das gesamte Aluminium erkennbar entfernt ist, so ist es aufgrund der ver-gleichsweise niedrigen Ätzrate von Al2O3 gegenüber Al möglich, Lebensdauern zu messen, deren Änderung auf den Prozessschritt der Metallisierung zurückzuführen ist.

Ein Abätzen des Al von LFC-kontaktierten C-V-Proben ist in Hinblick auf anschließende Lebens-dauermessungen allerdings nicht sinnvoll, da diese Art der Kontaktierung die Passivierschicht auf der Rückseite lokal stark schädigt.

4.4.2 Elektronenstrahlbedampfte Proben

Zunächst wird überprüft, ob die Metallisierung von Lebensdauerproben im Elektronenstrahlverdampfer zu deren Schädigung führt. Diese Un-tersuchung findet auf der Basis von Lebensdauermessungen an Proben statt, die mit dem Standardprozess (vgl. Abschn. 4.1) hergestellt werden und von denen nach dem Metallisierungsschritt das Aluminium mit der in Abschnitt 4.4.1 beschriebenen Methode wieder heruntergeätzt wird.

Die Proben werden beidseitig mit einer 30 nm dicken Al2O3-Schicht passiviert und, wie für eine tatsächliche C-V-Probe, ein ganzflächiger Rückseitenkontakt sowie mit der Schattenmaske definierte Gatekontakt-flächen aufgedampft. Der detaillierte Prozess- und Messablauf ist in Abbildung 4.19 zur besseren Übersicht dargestellt.

Die nach dem Postdeposition-Anneal aus Messung 1 ermittelte Mino-ritätsladungsträgerlebensdauer der beiden untersuchten Probenα und β beträgt τ_{eff, α} = 4,20 ms beziehungsweiseτ_{eff, β} = 4,13 ms, was nach Gleichung (2.6) und unter Annahme einer unendlichen Volumenlebens-dauer im FZ-Si-Material einer effektiven Oberflächenrekombinationsge-schwindigkeit von etwaS_eff = 6 cm/s entspricht.

Nach dem Metallisierungsschritt im Elektronenstrahlverdampfer und an-schließender Entfernung des Aluminiums in einer HCl-Lösung liegt der Wert für die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger aus Messung 2 nur noch beiτeff, α= 99µs beziehungsweiseτeff, β = 65µs. Die maximale Ober-flächenrekombinationsgeschwindigkeit steigt damit aufS_{eff, α}= 253 cm/s beziehungsweiseS_{eff, β} = 385 cm/s.

Diese deutliche Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer lässt sich auch durch den Vergleich der beiden PL-Aufnahmen aus Messung 1 und 2 (vgl. Abb. 4.20) erkennen. Während beide Proben in Messung 1 eine

sehr homogene Passivierqualität aufweisen, sind in Messung 2 nur noch Messartefakte der Kamera zu erkennen. In Messung 1 ist lediglich eine leichte Abnahme der Lebensdauer zum runden Rand der ursprünglichen großen (Durchmesser=150 mm) FZ-Scheibe hin zu erkennen.

4.4 Untersuchung verschiedener Metallisierungsverfahren auf Probenschädigung 79

(a)Probeα

(b) Probeβ

Abbildung 4.20: PL-Aufnahmen der Al2O3-passivierten Lebensdauerproben nach dem Postdeposition-Anneal (links) sowie nach der Metallisierung im Elektronenstrahlverdampfer und anschließendem Abätzen der Al-Schicht (rechts). Probeαist während der Metallisierung zerbrochen.

Die Bereiche mit niedrigem PL-Signal sind in Schwarz, die Bereiche mit hohem in Rot dargestellt.

Eine derart starke Beeinträchtigung der Ladungsträgerlebensdauer durch die Metallisierung im Elektronenstrahlverdampfer macht eine weitere Untersuchung der Al2O3-Schicht und ihrer Grenz-fläche zum Silizium auf der Basis von Lebensdauermessungen mit anschließender C-V-Messung an der kombinierten Lebensdauer-/C-V-Probe zur Korrelierung beider Ergebnisse unmöglich.

In Abschnitt 4.6 wird diese Probenschädigung und deren mögliche Ausheilung eingehender untersucht.

4.4.3 Thermisch bedampfte Proben

Ob die Voraussetzung einer schädigungsfreien Metallisierung bei der Bedampfung von Al mit einem thermischen Verdampfer erfüllt ist, gilt es in diesem Abschnitt zu klären. Dazu wird eine Lebensdauerprobe nach der in Abschnitt 4.4.2 beschriebenen Prozessabfolge hergestellt, die nach der Lebensdauercharakterisierung die beidseitige Al-Beschichtung allerdings mittels eines thermischen Verdampfers erhält. Das Metallisierungsverfahren der thermischen Verdampfung gilt bezogen auf SiO2-Passivierschichten als schädigungsfrei [77, 90] und wird nun an Al2O3-Schichten getestet.

Aus der Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer mittels Photoleitfähigkeitsmessung nach dem Postdepositions-Anneal erhält man einen für diese Probe üblichen Ausgangswert vonτ_eff = 3,44 ms.

Bei einer Si-Scheibendicke vonW = 500µm und der Annahme einer unendlichen Volumenlebens-dauerτ_Volumen des FZ-Materials entspricht dies nach Gleichung 2.6 einer effektiven Oberflächen-rekombinationsgeschwindigkeit vonS_eff = 7,27 cm/s.

Nach dem Metallisierungsschritt und anschließender Entfernung des Aluminiums in 37-prozentiger 80 °C heißer HCl-Lösung, misst man einen Ladungsträgerlebensdauerwert der Minoritäten

Nach dem Metallisierungsschritt und anschließender Entfernung des Aluminiums in 37-prozentiger 80 °C heißer HCl-Lösung, misst man einen Ladungsträgerlebensdauerwert der Minoritäten

Im Dokument Charakterisierung von Al2O3-Schichten zur Oberflächenpassivierung für kristalline Si-Solarzellen (Seite 75-0)