[논문]원자층 증착법으로 형성된 Al2O3 박막의 질소 도핑에 따른 실리콘 표면의 부동화 특성 연구

홍희경; 허재영

doi:10.6117/kmeps.2015.22.4.111

초록
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실리콘 태양전지의 효율을 향상하기 위해서는 소수 캐리어의 높은 수명이 필수조건이다. 따라서, 이를 달성하기 위한 실리콘 표면결함을 없애줄 수 있는 부동화(passivation) 기술이 매우 중요하다. 일반적으로 PECVD 법이나 열산화 공정을 통해 얻어진 $SiO_2$ 박막이 부동화 층으로 많이 사용되나 1000도에 이르는 고온 공정과 낮은 열적 안정성이 문제로 여겨진다. 본 연구에서는 원자층 증착법을 이용하여 400도 미만의 저온 공정을 통해 $Al_2O_3$ 부동화 박막을 형성하였다. $Al_2O_3$ 박막은 고유의 음의 고정 전하밀도로 인해 낮은 표면 재결합속도를 보이는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 질소 도핑을 통해 높은 음의 고정 전하 밀도를 얻고 이를 통해 좀 더 향상된 실리콘 표면 부동화 특성을 얻고자 하였다.

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To improve the efficiency of the Si solar cell, high minority carrier life time is required. Therefore, the passivation technology is important to eliminate point defects on the silicon surface, causing the loss of minority carrier recombination. PECVD or post-annealing of thermally-grown $SiO_...

To improve the efficiency of the Si solar cell, high minority carrier life time is required. Therefore, the passivation technology is important to eliminate point defects on the silicon surface, causing the loss of minority carrier recombination. PECVD or post-annealing of thermally-grown $SiO_2$ is commonly used to form the passivation layer, but a high-temperature process and low thermal stability is a critical factor of low minority carrier lifetime. In this study, atomic layer deposition was used to grow the $Al_2O_3$ passivation layer at low temperature process. $Al_2O_3$ was selected as a passivation layer which has a low surface recombination velocity because of the fixed charge density. For the high charge density, an improved minority carrier lifetime, and a low surface recombination, nitrogen was doped in the $Al_2O_3$ thin film and the improvement of passivation was studied.

주제어

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문제 정의

⁷⁾ 이러한 경우 화학적인 부동화에 더불어 전계 효과로 인한 부동화를 좀 더 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 따라서, 본 연구에서는 Al₂O₃ 박막 내에 질소 원자 도핑을 통해 보다 높은 전하밀도, 향상된 소수캐리어 수명, 그리고 낮은 표면 재결합 속도를 갖는 박막을 형성하고자 하였다.

제안 방법

하지만 이러한 방법의 경우 400~1000℃이상의 고온 공정과 플라즈마 생성으로 인한 소자의 열안정성 저하와 실리콘 표면에 손상이 소수 캐리어 수명을 낮추는 치명적인 요소로 작용한다. 따라서 400℃ 미만의 저온에서 부동화 공정을 위해 본 연구에서는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 Al₂O₃ 패시베이션 박막을 형성하고 소수 캐리어 수명을 향상하는 방법을 연구하였다.
기반 부동화 소재 연구를 진행하였다. 박막 형성은 원자층 증착법을 이용하였으며, 소수 캐리어 수명을 보다 높이기 위한 방법으로 NH₄OH를 반응 가스로 사용하여 N 도핑된 Al₂O₃ :N 박막을 형성하였고 후속 열처리 공정 온도에 따른 특성 변화를 파악하였다. Al₂O₃ :N 박막이 Al₂O₃ 박막보다 저온에서 좀 더 높은 성장 속도를 가지며, 400℃ 미만에서 균일한 박막이 형성 되었음을 확인하였다.
추가적으로 XRR 분석을 통해 물리적인 방법으로 Al₂O₃와 Al₂O₃ :N 박막의 두께를 계산하였고 이를 통해 단파장 엘립소미터로 관측된 결과값이 신뢰성이 있는지 확인하였다(Fig. 1(c), (d)). 9) 증착 온도 250℃에서 600 사이클로 증착된 Al₂O₃:N 박막의 XRR 분석 결과 및 시뮬레이션 결과는 Fig.

대상 데이터

박막은 Si(100) 기판 위에 증착 온도 70~300℃로 thermal ALD (CN1, Atomic Classic, Korea)를 이용하여 증착하였다. 알루미늄과 산소의 소스로 각각 trimethylaluminium (Al(CH₃)₃ , TMA, UPChem.)과 deionized water (H₂O)를 사용하였다. N 도핑을 위해서 H₂O 대신 N을 함유하고 있는 NH₄OH (27%, Sigma Aldrich, 17093-1L)를 반응제로 활용하였다.

성능/효과

박막 형성은 원자층 증착법을 이용하였으며, 소수 캐리어 수명을 보다 높이기 위한 방법으로 NH₄OH를 반응 가스로 사용하여 N 도핑된 Al₂O₃ :N 박막을 형성하였고 후속 열처리 공정 온도에 따른 특성 변화를 파악하였다. Al₂O₃ :N 박막이 Al₂O₃ 박막보다 저온에서 좀 더 높은 성장 속도를 가지며, 400℃ 미만에서 균일한 박막이 형성 되었음을 확인하였다. 고온 소성 조건 변화에 따른 소수 캐리어 수명 분석에서도 Al₂O₃ :N 박막이 Al₂O₃ 박막보다 좀 더 우수한 부동화 효과가 있음을 확인하였다.
Al₂O₃ :N 박막이 Al₂O₃ 박막보다 저온에서 좀 더 높은 성장 속도를 가지며, 400℃ 미만에서 균일한 박막이 형성 되었음을 확인하였다. 고온 소성 조건 변화에 따른 소수 캐리어 수명 분석에서도 Al₂O₃ :N 박막이 Al₂O₃ 박막보다 좀 더 우수한 부동화 효과가 있음을 확인하였다.
70℃에서 300℃로 증착 온도가 증가함에 따라 Al₂O₃ 박막의 거칠기가 급격하게 감소하는 반면, N이 도핑된 Al₂O₃:N 박막은 증착 온도에 대한 영향은 거의 없는 것으로 확인된다. 전체적으로 50 nm 두께에 대해 두 박막에서 증착 온도에 따른 거칠기 값이 1~2 Å로 매우 낮게 측정되었으며, NH₄OH 반응가스 사용 시 저온 공정에서 표면 거칠기를 더욱 낮출 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ALD 법이란?	ALD 법은 프리커서 펄스, 퍼지, 반응 가스 펄스, 퍼지의 네 가지 순서로 하나의 사이클(cycle)을 이루며, 이러한 사이클의 반복으로 원자층을 한 층씩 쌓아 원하는 두께의 박막을 제조할 수 있는 기법이다.4) 하나의 반응물이 기판상에 화학적 흡착을 한 후 반응 가스와 자기 제한적 반응(self-limiting reaction)을 일으켜, 두께가 매우 얇으면 서도 균일한 고품질 박막을 제조할 수 있다.
	플라즈마 화학 기상 증착법의 단점은?	일반적으로 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)을 이 용한 SiO2 , SiN 박막 혹은 열산화 공정을 이용한 SiO2 박막이 주로 쓰인다. 하지만 이러한 방법의 경우 400~1000oC 이상의 고온 공정과 플라즈마 생성으로 인한 소자의 열안정성 저하와 실리콘 표면에 손상이 소수 캐리어 수명을 낮추는 치명적인 요소로 작용한다. 따라서 400 oC 미만의 저온에서 부동화 공정을 위해 본 연구에서는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 Al2O3 패시베이션 박막을 형성하고 소수 캐리어 수명을 향상하는 방법을 연구하였다.
	플라즈마 화학 기상 증착법은 어떤 박막 생성에 주로 쓰이는가?	일반적으로 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)을 이 용한 SiO2 , SiN 박막 혹은 열산화 공정을 이용한 SiO2 박막이 주로 쓰인다. 하지만 이러한 방법의 경우 400~1000oC 이상의 고온 공정과 플라즈마 생성으로 인한 소자의 열안정성 저하와 실리콘 표면에 손상이 소수 캐리어 수명을 낮추는 치명적인 요소로 작용한다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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