[論文レビュー] Precise Optical Measurement of Carrier Mobilities Using Z-scanning Laser Photoreflectance

Will Chism|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、絞り込んだガウシアンレーザービームからのZ依存の変調反射信号を分析することにより、半導体におけるキャリア移動度の正確で破壊的でない測定を可能にするZスキャンレーザー光効果法を提示する。信号の振幅および位相を拡散長および再結合寿命を含む解析的式にフィッティングすることで、アインシュタイン関係式を用いて移動度を算出し、2%未満の不確実性を達成した。これは半導体製造におけるプロセスモニタリングに非常に高い精度を示している。

ABSTRACT

A simple yet precise optical technique for measuring the ambipolar carrier mobility in semiconductors is presented. Using tightly focused Gaussian laser beams in a photo-reflectance system, the modulated reflectance signal is measured as a function of the Z (longitudinal) displacement of the sample from focus. The modulated component of the reflected probe beam is a Gaussian beam with its profile determined by the focal parameters and the complex diffusion length. The reflected probe beam is collected and input to the detector, thereby integrating over the radial profile of the beam. This results in analytic expressions for the Z dependence of the signal in terms of diffusion length and recombination lifetime. Best fit values for the diffusion length and recombination lifetime are obtained via an iterative fitting procedure. The output diffusion lengths and recombination lifetimes and their estimated uncertainties are combined according to the Einstein relation to yield the mobility and its uncertainty.

研究の動機と目的

• 破壊的試験を伴わずに、半導体におけるアンビポーラキャリア移動度を測定する簡便かつ高精度な光学的技術の開発。
• 半導体プロセス工程におけるインラインで破壊的でないキャリア移動度モニタリングの実現。
• 解析的モデルを用いてZスキャン光効果データから同時に拡散長および再結合寿命を抽出する。
• 繰り返しフィッティングと誤差伝搬を用いて、移動度測定で2%未満の不確実性を達成する。
• アモルファイジングイオン implantation およびフラッシュアニーリングを含む制御されたプロセス変化を施したシリコン試料を用いて、手法の妥当性を検証する。

提案手法

• ポンプおよびプローブに共焦点で、強く閉じ込められたガウシアンレーザービームを用いた光効果システムで、この技術を実装する。
• 試料をビームの焦点を通ってZ軸（縦方向）に走査し、Z依存の変調反射信号を測定する。
• 反射プローブビームの半径方向統合により、拡散長および再結合寿命を変数とする、Z依存の信号振幅および位相の解析的式が得られる。
• 実験的Zスキャンデータをこれらの式に非線形フィッティングすることで、統計的不確実性推定値を伴い、拡散長および再結合寿命を抽出する。
• フィッティングされたLdおよびτ値を用いて、アインシュタイン関係式μ = qD/kBT（ここでD = Ld²/τ）から移動度を計算する。
• フィッティングおよびアインシュタイン関係式を通じた誤差伝搬により、移動度の不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Zスキャンレーザー光効果法は、半導体におけるキャリア移動度を正確で破壊的でない方法で測定可能か？
• RQ2 ZスキャンLPRデータから、高い精度で拡散長および再結合寿命を同時に抽出できるか、その範囲はどの程度か？
• RQ3 この技術を用いた場合、移動度測定で達成可能な不確実性はどの程度か？
• RQ4 アモルファイジングイオン implantation やフラッシュアニーリングなどのプロセス変化が、抽出されたキャリアパラメータにどのように影響するか？
• RQ5 プロセスに起因する損傷および回復に起因する移動度の変化を、この手法は信頼性高く検出できるか？

主な発見

• 全試料においてキャリア移動度の測定不確実性が2%未満に抑えられ、非常に高い精度を示した。
• アモルファイジングイオン implantation (AI) により、拡散長は約6.07 μmから約5.06 μmに低下し、再結合寿命が短くなった。これは欠陥密度の増加と整合的である。
• 1300°C/550°Cのフラッシュアニーリングを繰り返すことで、拡散長は約1.5倍に増加し、移動度は約157から約382 cm²/V·sに上昇した。
• フラッシュアニーリング温度を600°Cに上昇させると、再結合寿命が約10%延長され、移動度も約10%上昇した。これは欠陥除去の改善を示している。
• 1350°C/600°Cのフラッシュアニーリングにより、移動度は312 cm²/V·sにさらに上昇し、拡散長は11.68 μmに達した。これはキャリア特性のほぼ完全な回復を示している。
• 測定された移動度は、ドーピング活性化レベルから予想される値と一致しており、手法の正確性および信頼性を裏付けた。