[논문]오존 산화에 의해 형성된 터널 실리콘 산화막의 표면 패시베이션

백종훈; 조영준; 장효식

doi:10.4313/jkem.2018.31.5.341

오존 산화에 의해 형성된 터널 실리콘 산화막의 표면 패시베이션
Surface Passivation of Tunnel Silicon Oxide Grown by Ozone Oxidation 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.5, 2018년, pp.341 - 344

백종훈 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 조영준 (충남대학교 에너지과학기술대학원) , 장효식 (충남대학교 에너지과학기술대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to achieve a high efficiency for the silicon solar cell, a passivation characteristic that minimizes the electrical loss at a silicon interface is required. In this paper, we evaluated the applicability of the oxide film formed by ozone for the tunnel silicon oxide film. To this end, we fabricated the silicon oxide film by changing the condition of ozone oxidation and compared the characteristics with the oxide film formed by the existing nitric acid solution. The ozone oxidation was formed in the temperature range of $300{\sim}500^{\circ}C$ at an ozone concentration of 17.5 wt%, and the passivation characteristics were compared. Compared to the silicon oxide film formed by nitric acid oxidation, implied open circuit voltage (iVoc) was improved by ~20 mV in the ozone oxidation and the ozone oxidation after the nitric acid pretreatment was improved by ~30 mV.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

7%의 효율과 725 mV의 iV_oc (open circuit voltage)를 얻었다 [9]. 본 논문에서는 오존을 사용하여 300~500℃ 온도로 가변하여 오존 산화를 진행하였고 오존 산화와 질산 전처리 오존 산화의 패시베이션 특성 분석을 통해 TOPCon 구조에서의 적용 가능성을 평가하였다.
본 연구에서는 약 1.5 nm 수준의 얇은 실리콘 산화막을 오존을 사용한 오존 산화 방법으로 구현하여 기존의 질산 산화 방법과 비교하고, 질산 전처리를 통해 실리콘 산화막의 패시베이션 효과를 향상시키는 실험을 진행하였다. Ellipsometry를 사용하여 터널 산화막에 적용 가능한 약 1.

제안 방법

5 nm 수준의 얇은 실리콘 산화막을 오존을 사용한 오존 산화 방법으로 구현하여 기존의 질산 산화 방법과 비교하고, 질산 전처리를 통해 실리콘 산화막의 패시베이션 효과를 향상시키는 실험을 진행하였다. Ellipsometry를 사용하여 터널 산화막에 적용 가능한 약 1.5 nm의 두께를 갖는 산화 조건을 결정하고, 질산 산화, 오존 산화, 질산 전처리 후 오존 산화의 각각 방법에 따른 패시베이션 특성을 비교하였다. 오존 산화에 의한 실리콘 산화막은 기존 질산에 의한 산화막보다 더 좋은 패시베이션 특성을 보여줌으로써 오존 산화에 의해 형성된 실리콘 산화막의 터널 실리콘 산화막으로서 활용 가능성을 확인하였다.
실리콘 산화막을 성장시키기 위해 (100)방향의 polished wafer를 RCA cleaning을 진행하여 표면의 불순물을 제거한 후 5%의 불산용액에서 산화막을 제거하였다 [10]. 그 후 오존 산화는 17.5 wt%의 오존 농도를 가진 오존 분위기에서 압력 50 mTorr 하에서 진행했고, 공정온도는 300~500℃로 가변시켜 온도에 따른 성장된 산화막의 두께의 특성을 분석하였다. 기존 산화방법인 질산 산화와의 비교를 위해 질산 산화는 HNO₃ 70%의 용액 110℃에서 10분 동안 진행하였다.
5 wt%의 오존 농도를 가진 오존 분위기에서 압력 50 mTorr 하에서 진행했고, 공정온도는 300~500℃로 가변시켜 온도에 따른 성장된 산화막의 두께의 특성을 분석하였다. 기존 산화방법인 질산 산화와의 비교를 위해 질산 산화는 HNO₃ 70%의 용액 110℃에서 10분 동안 진행하였다. 성장된 모든 산화막은 forming gas (5% H₂ / 95% N₂)로 450℃에서 30분 동안 진행하였다.
를 측정하였다. 또한 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) spectra 분석을 통해 각각의 방법으로 성장시킨 실리콘 산화막의 suboxide 비율을 비교하였다.
산화막 두께에 의한 영향을 최소화하기 위해 약 1.5nm의 질산 산화에 의한 산화막과 비슷한 두께를 갖는 400℃에서의 오존 산화, 질산 전처리 400℃ 오존 산화를 비교하였다.
성장시킨 산화막은 ellipsometry를 통해 두께를 측정하였고 QSSPC (quasi-steady-state photo-conductance)를 이용하여 minority carrier lifetime과 implied V_oc를 측정하였다. 또한 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) spectra 분석을 통해 각각의 방법으로 성장시킨 실리콘 산화막의 suboxide 비율을 비교하였다.
실리콘 산화막을 성장시키기 위해 (100)방향의 polished wafer를 RCA cleaning을 진행하여 표면의 불순물을 제거한 후 5%의 불산용액에서 산화막을 제거하였다 [10]. 그 후 오존 산화는 17.
그림 2는 산화 시간에 따른 실리콘 산화막의 두께를 보여준다. 질산 산화 방법과 300~500℃의 온도에서 진행한 오존 산화 방법을 통해 시간을 가변하며 실리콘 산화막을 성장시키고 ellipsometry를 통해 산화막의 두께를 확인하였다.
/n-Si 계면의 화학 조성을 결정하는 데 이상적인 분석방법으로 산화막 형성이 계면 구조에 미치는 영향을 연구하기에 유용하다 [12]. 질산 산화, 오존 산화, 질산 전처리 후 오존 산화에 의한 계면 특성 분석을 위해 Si 2p 영역에서의 XPS spectra 분석을 하고, 이를 통해 계면 특성을 분석하였다.

성능/효과

XPS 분석을 통해 세 가지 다른 산화 방법으로 준비된 시료에 대한 SiO₂/n-Si 계면에서의 suboxide 양과 비율에 차이가 존재하는 것을 확인했다.
또한 질산 전처리 후 오존 산화 공정에 의해 형성된 실리콘 산화막은 39.06 µs, 541 mV의 특성을 보이며 더 좋은 특성의 패시베이션 효과를 나타내었다.
실험 결과 질산 전처리 후 오존 산화를 진행하여 형성한 실리콘 산화막의 minority carrier lifetime과 iV_oc가 가장 높은 수치를 보였다. 이는 계면 패시베이션 상태가 질산 전처리 후 오존 산화를 했을 때 가장 좋다는 것을 보여 준다.
5 nm의 두께를 갖는 산화 조건을 결정하고, 질산 산화, 오존 산화, 질산 전처리 후 오존 산화의 각각 방법에 따른 패시베이션 특성을 비교하였다. 오존 산화에 의한 실리콘 산화막은 기존 질산에 의한 산화막보다 더 좋은 패시베이션 특성을 보여줌으로써 오존 산화에 의해 형성된 실리콘 산화막의 터널 실리콘 산화막으로서 활용 가능성을 확인하였다. 또한 질산 전처리 후 오존 산화 공정에 의해 형성된 실리콘 산화막은 39.
06 µs, 541 mV의 특성을 보이며 더 좋은 특성의 패시베이션 효과를 나타내었다. 이는 Si 2p영역에서의 XPS spectra를 통한 suboxide 분석 결과, 질산 전처리 오존 산화에서 가장 적은 suboxide를 포함하고 있어 재결합을 유발시키는 dangling bond를 줄여줌으로써 계면에서 좋은 패시베이션 효과로 나타난 것을 확인하였다.
의 구성 비율을 비교했을 때 질산 산화 공정에서 가장 높은 비율의 suboxide를 가지고, 질산 전처리 오존 산화에서 가장 낮은 비율의 suboxide를 갖는다. 이로 인해 질산 전처리를 거친 오존 산화 시료에서 가장 높은 minority carrier lifetime과 iV_oc를 갖는 것과 일치하는 결과로 나타난다. 이는 질산 전처리 오존 산화에 의해 형성된 실리콘 산화막에서 결합되지 않은 bond인 dangling bond가 가장 적게 존재하여 캐리어의 재결합이 가장 적게 일어나게 된 것으로 보인다 [13,14].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 태양전지를 고효율로 제작하기 위해서는 무엇이 필요한가?	고효율 실리콘 태양전지를 제작하기 위해서는 빛으로부터 생성된 캐리어의 전기적 손실과 광학적 손실을 줄이는 것이 필요하다. Si 계면 상태에 따라 계면에서의 광 생성 캐리어가 전자-정공 쌍으로 재조합 센터로 작용하여 캐리어의 전기적 손실을 야기할 수 있다.
	화학적 패시베이션은 어떻게 캐리어의 재결합 손실을 방지하는가?	계면에서의 손실을 줄이기 위한 패시베이션에는 화학적 패시베이션과 전계 효과 패시베이션이 있다 [4-7]. 화학적 패시베이션은 실리콘의 dangling bond의 결함을 제거하여 캐리어의 재결합 손실을 방지하는 것을 말한다. 일반적으로 상업용 결정질 Si 태양전지의 전면에는 수소분위기의 열처리(forming gas annealing)를 통한 실리콘 질화막(a-SiNx:H)과 비정질 수소화 실리콘 산화막(a-SiOx:H)의 증착에 의해 패시베이션된다.
	화학적 패시베이션으로 어떻게 Si표면을 패시베이션 할 수 있는가?	화학적 패시베이션은 실리콘의 dangling bond의 결함을 제거하여 캐리어의 재결합 손실을 방지하는 것을 말한다. 일반적으로 상업용 결정질 Si 태양전지의 전면에는 수소분위기의 열처리(forming gas annealing)를 통한 실리콘 질화막(a-SiNx:H)과 비정질 수소화 실리콘 산화막(a-SiOx:H)의 증착에 의해 패시베이션된다. 이들 방법은 수소와의 반응으로부터 생성된 Si-H 결합의 형성에 의해 Si 표면의 dangling bond의 결함 상태를 제거함으로써 Si 표면을 패시베이션한다 [4,5].

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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