Metallisierung und Kontaktierung

Die für C-V-Proben notwendigen Gate- und Rückseitenkontakte werden durch thermische Ver-dampfung oder ElektronenstrahlverVer-dampfung aufgebracht. Beide Methoden gehören zur Gruppe der physikalischen Gasphasenabscheidungen (physical vapour deposition, PVD). Hierbei wird das zunächst in fester Phase vorliegende aufzubringende Material zum Beispiel thermisch oder durch Elektronenbeschuss in die Gasphase überführt und gelangt so zum zu beschichtenden Substrat, wo es wieder kondensiert. Zur Vermeidung von Verunreinigungen findet der gesamte Vorgang unter Hochvakuum statt. Zudem muss der Prozessdruck unterhalb des Gasdrucks des aufzudampfenden Materials liegen. Hochvakuumbedingungen verhindern auch, dass die Dampf-teilchen durch Streuung an GasDampf-teilchen verloren gehen. In Abbildung 4.4 sind die beiden dafür notwendigen Apparate schematisch dargestellt.

(a)Thermischer Verdampfer (aus [82]). (b)Elektronenstrahlverdampfer (aus [83]).

Abbildung 4.4: Schematischer Aufbau der PVD-Anlagen.

In den vorliegenden Experimenten wird Aluminium (99,999% Reinheit) als Material für die Metallkontakte gewählt. Es lässt sich aufgrund seiner im Verhältnis zu anderen Metallen niedrigen Schmelz- (Tm,Al= 660 °C) und Siedetemperatur (Tb,Al= 2467 °C) [84] mit den hier verwendeten PVD-Verfahren aufdampfen. Aluminium ist ein verbreitetes Kontaktmaterial in Halbleiterphysik und Mikroelektronik und wird häufig für die Herstellung von C-V-Proben verwendet (vgl. z. B.

[39, 46, 51]).

Bei dem zum erwähnten Zweck benutztenthermischen Verdampfungsgerät handelt es sich um einen Widerstandsheizer. Er wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit nach Jahren außer Betrieb wieder zusammengesetzt und repariert. Das aufzudampfende Material befindet sich zu-nächst in einem Bornitridtiegel, der mit einer Glühwendel aus Wolfram umwickelt ist. Bornitrid wird als Tiegelmaterial verwendet, da es im Gegensatz zu Wolfram nicht mit Aluminium reagiert [77]. Sein Schmelzpunkt liegt bei verhältnismäßig hohenT_m,BN= 2967 °C [84]. Wolfram besitzt von allen reinen Metallen den höchsten Schmelzpunkt (T_m,W = 3422 °C) und den zweithöchsten Siedepunkt (Tb,W= 5555 °C) [84]. Zudem ist dessen elektrische Leitfähigkeit deutlich geringer als beispielsweise die des Leitungsmetalls Kupfer, wodurch sich die Glühwendel aufheizt, während sich

die Zuleitungen kaum erwärmen. Durch die Wolframglühwendel fließt ein Starkstrom, der zunächst die Spirale und anschließend den Tiegel soweit erhitzt, dass das Aluminium erst schmilzt und dann verdampft. Das Aluminium verteilt sich als Dampf im Rezipienten und kondensiert unter anderem an den im oberen Teil des Rezipienten befestigten kühleren Proben. Der Bedampfungsvorgang findet bei einem Druck von 10⁻⁶ bis 10⁻⁵ mbar statt.

Das Hauptcharakteristikum derElektronenstrahlverdampfung besteht in der Methode, mit der das aufzudampfende Material in die Gasform verwandelt wird. Statt den Tiegel durch Stark-strom zu erhitzen, wird bei dieser PVD-Variante das Aufdampfmaterial durch direkten Beschuss mit einer Elektronenkanone lokal zum Verdampfen gebracht.

Die auf dem Substrat auftreffenden Dampfteilchen verbleiben nicht an ihrem Auftreffpunkt, sondern bewegen sich auf der Oberfläche, um den energetisch günstigsten Bindungsplatz zu finden [85]. Um Unregelmäßigkeiten an der Grenzfläche zum Metall vorzubeugen, ist es daher besonders beim Gatekontakt wichtig, mit geringen Aufdampfraten von einigen wenigen Ångström pro Sekunde zu arbeiten. Bei beiden PVD-Verfahren kann mithilfe eines Schwingquarzes die Aufdampfrate und die Dicke des aufgedampften Aluminiums kontrolliert werden.

Um bei den späteren Kapazität-Spannung-Messungen den Metallkontakt nicht mit der Nadel des Mikromanipulators zu beschädigen und somit eine gleichbleibende Kontaktfläche sicherzustellen, werden Schichtdicken von 1µm auf die Proben aufgedampft.

Durch die Verwendung einer Schattenmaske (s. Abb. 4.2b) werden auf jede Probe als Gatekon-takte mehrere unterschiedlich große kreisrunde Flächen mit Durchmessern im dafür üblichen Bereich von 0,2 bis 3,0 mm aufgedampft [46, 86]. Dies ermöglicht eine Untersuchung der Mess-ergebnisse auf Abhängigkeiten von der Fläche des vermessenen Kondensators, welche durch die Gatekontaktfläche vorgegeben wird (vgl. Abschn. 4.3.3). Die Verwendung kleiner Kontaktflächen vermindert überdies die Wahrscheinlichkeit eines möglichen „Pinhole“ („Nadelloch“, kleines Loch im Oxid) unter dem Kontakt. Aufgrund von Pinholes erzeugte hohe Leckströme, die die Messung einer quasistatischen C-V-Kurve unmöglich machen, könnten somit verhindert werden (vgl. Ab-schn. 4.3.3). Zudem werden mehrere Kontakte derselben Größe auf der Oberfläche verteilt, um eventuelle Inhomogenitäten der elektrischen Eigenschaften der Probe untersuchen zu können (vgl.

Abschn. 4.3.2).

DieRückseiteder Proben wird ganzflächig bedampft. Für eine C-V-Messung ist, wie in Abschnitt 2.4 erklärt, ein ohmscher Rückseitenkontakt zu gewährleisten, der bei der neuartigen kombinierten Lebensdauer-/C-V-Probenstruktur durch das in [78] entwickelte und untersuchte Laserstrahlver-fahren hergestellt werden soll. Dabei wird das aufgebrachte Metall mit einem Laserstrahl durch die darunterliegende dielektrische Passivierschicht hindurch geschmolzen und so die Siliziumscheibe kontaktiert, also „Laser-Fired Contacts“ (LFC) geschaffen (vgl. Abb. 4.5).

Abbildung 4.5:Beim LFC-Verfahren wird das Metall (blau) mit einem Laserstrahl (orange) durch die dielektrische Passivierschicht (schwarz) hindurch mit der Siliziumscheibe (grau) kontaktiert. Aus [78].

Übernahme und Optimierung der „Laser-Fired Contacts“-Technologie für den in dieser Arbeit angestrebten Zweck werden in Abschnitt 4.2 dargelegt. Zur Herstellung der LFCs wird ein Nd:YAG-Laser (Rofin-Sinar 100 D, 1064 nm) verwendet.

4.2 Ohmsche Rückseitenkontaktierung der kombinierten Lebensdauer-/C-V-Probe 65

4.2 Ohmsche Rückseitenkontaktierung der kombinierten Lebensdauer-/C-V-Probe

Die Herstellung einer Al2O3-passivierten Lebensdauerprobe (Abb. 4.3), die durch schädigungs-freie Weiterbearbeitung anschließend auch zur elektrischen Charakterisierung bei der Kapazität-Spannung-Messung dienen kann, erfordert die rückseitige ohmsche Kontaktierung der Si-Scheibe durch eine bis zu 120 nm dicke Isolatorschicht hindurch. Dies soll aber nicht durch einen zusätz-lichen Temperschritt nach der Metallisierung erreicht werden, da nach der Kontaktierung auch die elektrische Charakterisierung von Proben mit ungetemperten Al2O3-Schichten vorgesehen ist (vgl. z. B. Abschn. 4.5.3). Daher werden die Rückseitenkontakte mittels Laser eingebrannt, also

sogenannte Laser-Fired Contacts (LFC) hergestellt.

In [78] zielt die Kontaktherstellung mit dem Laserstrahlverfahren auf die Steigerung des Wirkungs-grads industriell gefertigter hocheffizienter Solarzellen mit dielektrisch passiviertem Rückseiten-kontakt ab. Es konnte gezeigt werden, dass in Silizium mit LFCs eine Aluminium-p⁺-Dotierung in der Kontaktzone erzeugt wurde. Diese p⁺-Dotierung führt in p-dotiertem Silizium zur Ausbildung eines lokalen Aluminium-Rückseitenfeldes (L-Al-BSF), wodurch der Kontaktwiderstand reduziert und somit die Kontaktierung von Siliziumscheiben mit hohem spezifischen Widerstand ermöglicht wird.

4.2.1 Optimierung der Laserparameter

Bei den hier für die ohmsche Kontaktierung von MOS-Strukturen verwendeten LFCs kommt es nicht auf eine Minimierung der Schädigung der dielektrischen Passivierschicht an, wie es bei der Rückseitenkontaktierung von Solarzellen der Fall ist. Stattdessen ist ein möglichst ohmscher Kontakt zu erzielen, der die C-V-Messung nicht beeinträchtigt. Dies soll in dem für C-V-Messungen verwendeten Spannungsintervall von −10 bis +10 Volt gelingen, das im Vergleich zu dem für Solarzellen relevanten Spannungsbereich (<1 V) sehr groß ist.

Der Laser fährt während des LFC-Einschmelzens mit einer variierbaren Strahlvorschubgeschwin-digkeitv_S das ihm vorgegebene Linienmuster ab und sendet dabei mit einer Frequenzf_L gepulste Laserstrahlen aus. Die Intensität der Laserstrahlung lässt sich durch Variation der Stromstärke IL verändern.

Zur Optimierung dieser Parameter werden 1 x 1 cm² große symmetrische Proben der in Abbildung 4.6 veranschaulichten Teststruktur hergestellt. Hierfür kommen p-dotierte CZ⁶-Siliziumscheiben

Si (p-Typ) Al₂O₃

Al₂O₃ Al

SiO_x

SiO_x

LFC

Al LFC

Abbildung 4.6:Symmetrische Teststruktur zur Optimierung der Laserparameter zwecks Herstellung möglichst ohmscher Laser-Fired Contacts (LFC).

zum Einsatz, die nach der in Abschnitt 4.1.2 dargelegten Oberflächenbehandlung beidseitig mit der dicksten verwendeten Al2O3-Schicht (120 nm) passiviert und anschließend anhand des Elektronen-strahlverdampfers mit 0,5µm Aluminium metallisiert werden. Durch beidseitiges Einlasern der Kontakte soll der große Widerstand, der durch den Isolator Al2O3 verursacht wird, überwunden werden. Bei der Messung der durch die Probe fließenden Stromdichte j in Abhängigkeit von der angelegten SpannungV würde sich dann anstatt eines Schottky-Dioden-Verlaufs derjenige einer ohmschen Kennlinie ergeben.

Der GesamtwiderstandR_G der Teststruktur ergibt sich durch Addition des Schichtwiderstands des Aluminiums RAl auf Vorder- („vs“) und Rückseite („rs“), des Gesamtkontaktwiderstands aller eingelaserten KontakteR_C,LFC der Vorder- und Rückseite sowie des durch den Abstand der Kontaktpunkte sowie Dicke und Dotierung des Siliziums bestimmten Widerstands des Halbleiters RSi [78]. Der Gesamtwiderstand wird folglich berechnet mit

R_G=R_Al,vs+R_C,LFC,vs+R_Si+R_C,LFC,rs+R_Al,rs . (4.1) Unterschiedliche Laserparameter beeinflussen dabei lediglichR_Si und R_C,LFC. Da R_Al im Ver-hältnis zum Gesamtwiderstand sehr klein ist [78] und die Probe einen symmetrischen Aufbau aufweist, vereinfacht sich Gleichung (4.1) zu

R_G≈R_Si+ 2R_C,LFC mit R_C,LFC = ρ_C

A_C , (4.2)

wobeiA_C die Kontaktfläche undρ_C den spezifischen Kontaktwiderstand angibt. Der Gesamtwi-derstand hängt somit von der Geometrie der LFCs ab.

Um die für die Ohmigkeit des Kontaktes relevante Geradenform der j-V-Kennlinie zu überprüfen, wird für jede gemessene Kennlinie ein linearer Fit, der den Ursprung des j-V-Diagramms schneidet, berechnet. Zur Bestimmung der Abweichung der gemessenen Kurve von der idealen Geradenform wird jeweils das Bestimmtheitsmaß⁷ R² berechnet.

Bei der j-V-Kennlinie, die an einer Teststruktur ohne eingelaserte Kontakte aufgenommen wird (vgl. Abb. 4.7a), ist der Widerstand durch das Al2O3 so groß, dass praktisch kein Strom durch die Probe fließt. Das Bestimmtheitsmaß beträgtR² = 0,9245. Da es sich um symmetrische Proben handelt, wird nur der positive Spannungsbereich der j-V-Kennlinien dargestellt. Der Verlauf im negativen Bereich ist analog.

Beginnend mit einem in [78] vorgeschlagenen Parametersatzα (f_L = 10 kHz, I_L= 32 A) wird die in Abbildung 4.7b dargestellte j-V-Kennlinie (grün) gemessen. Dieser Parametersatz ergab in [78] auf einer 2 x 2 cm² großen Teststruktur mit einer 105 nm dicken SiO2-Passivierschicht, einer 2 µm dicken Al-Schicht und mit dem gleichen Lasertyp eingelaserten Kontakten den niedrigsten Gesamtwiderstand. Zudem zeigte die Probe im Spannungsbereich von−0,7 bis +0,7 V ohmsches Verhalten. An der hier verwendeten Teststruktur weist die j-V-Kennlinie im Spannungsbereich von−1 bis +1 V ebenso einen sehr geradlinigen Verlauf auf. Außerhalb dieses Bereichs jedoch weicht die Kurve von diesem geradlinigen Verlauf ab, sodass nur noch ein Bestimmtheitsmaß von R² = 0,9874 für die gesamte Kurve berechnet wird. Unter dem Lichtmikroskop weist diese Probe nicht mehr deutlich voneinander getrennte Kontaktpunkte auf, sondern LFCs, die sich zu einer Linie verbunden haben. Im Vergleich zur j-V-Kennlinie der Probe ohne LFCs ist durch diesen

6 Das Czochralski(CZ) –Verfahren ist eine Methode zur Herstellung von monokristallinem Siliziummaterial, das eine höhere Verunreinigungskonzentration als FZ-Material aufweist, aber geringere Herstellungskosten verursacht [45].

7 Das Bestimmtheitsmaß R² bei einem zugrunde gelegten linearen Modell ist definiert als das Quadrat des Pearsonschen KorrelationskoeffizientenRund gibt den Anteil der Varianz einer GrößeY für ein zugrunde gelegtes statistisches Modell einer linearen Funktion an [87].R² kann Werte zwischen 0 (kein linearer Zusammenhang) und 1 (perfekter linearer Zusammenhang) annehmen.

4.2 Ohmsche Rückseitenkontaktierung der kombinierten Lebensdauer-/C-V-Probe 67

Abbildung 4.7:Stromdichtej in Abhängigkeit von der angelegten Spannung an der Teststruktur(a) ohne LFCs und(b)mit LFCs verschiedener Laserparametersätze. Auch dargestellt ist der dazugehörige lineare Fit mit BestimmtheitsmaßR².

ersten Parametersatz jedoch bereits eine deutliche Verbesserung hinsichtlich eines ohmschen Kontaktes erreicht.

Für eine weitere Verbesserung der Kennlinien im gesamten Messbereich zwischen−10 und +10 V muss folglich der Abstand der einzelnen LFC-Punkte durch eine Erhöhung der Lasergeschwin-digkeit und eine Verringerung der Pulsfrequenz vergrößert werden. Erhöht man überdies den Pumpstrom des LasersIL, so vergrößert sich der Durchmesser des beim Lasern der Kontakte entstehenden Kraters (s. Abb. 4.8) [88]. Durch die so entstandene größere Kontaktfläche A_C verringert sich nach Gleichung (4.2) der Gesamtwiderstand. Der nach diesen Kriterien ermit-telte Laserparametersatzβ ergibt, angewendet auf die Teststruktur, die in Abbildung 4.7b rot eingezeichnete j-V-Kennlinie. Diese erzielt über den größten Spannungsbereich die geringste Abweichung von der geraden ohmschen Kennlinie mit einem Bestimmtheitsmaß vonR² = 1 auf vier Dezimalen genau.

Abbildung 4.8: Lichtmikroskopbild eines LFC-Punktes (Parametersatzβ).

Dieser für die Zwecke einer ohmschen Rückseitenkontaktierung ermittelte beste Parameter-satzβ wird nun hinsichtlich verschiedener Veränderungen der Teststruktur, welche im gegebenen Zusammenhang auch an den zu untersuchenden C-V-Proben vorgenommen werden, auf die Konstanz der daraus resultierenden j-V-Charakteristik überprüft. Dazu wird an der Teststruktur die Dicke der Al2O3-Schicht im Bereich von 5 bis 120 nm und die Dicke der aufgedampften Al-Schicht zwischen 0,5 und 1,5µm variiert.

0 2 4 6 8 1 0

Abbildung 4.9: j-V-Kennlinien der Teststruktur (Parametersatz β) (a) für verschiedene Al2O3 -Dicken und (b)für verschiedene Al-Dicken.

Den gemessenen j-V-Kennlinien der Teststrukturen unterschiedlicher Herstellungsart (Abb. 4.9) ist ein geringer Anstieg des Gesamtwiderstands mit wachsender Al2O3-Schichtdicke zu entnehmen.

Dies kann durch einen in Gleichung (4.2) minimal wachsenden KontaktwiderstandR_C,LFC erklärt werden. Allerdings sind diese Unterschiede nicht viel größer als die Abweichungen der Kennlinien bei Messungen verschiedener Proben gleicher Al2O3-Dicke.

Die Teststrukturen mit einer dickeren Al-Beschichtung weisen einen etwas größeren Gesamt-widerstand auf als die mit einer dünneren Metallschicht bedampften, was durch die Erhöhung von RAl in Gleichung (4.1) erklärt werden kann. Da in dieser Arbeit bei allen C-V-Proben die gleiche Al-Kontaktdicke verwendet wird, ist dieser kleine Unterschied der Kennlinien jedoch zu vernachlässigen.