[논문 리뷰] Precise Optical Measurement of Carrier Mobilities Using Z-scanning Laser Photoreflectance

Will Chism|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 30.

Silicon and Solar Cell Technologies참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 조밀하게 집중된 가우시안 레이저 빔으로부터 Z-의존성의 변조된 반사율 신호를 분석하여 반도체에서 실시간 비파괴적이고 정밀한 적재 이동도 측정이 가능한 Z-스캔 레이저 광반사법을 제시한다. 확산 길이와 재결합 수명을 포함하는 해석식에 신호의 진폭과 위상을 적합시킴으로써 아이노스트인 관계식을 통해 이동도를 산출하며, 이로 인해 이동도 측정의 불확도가 2% 미만으로 유지되어 반도체 제조 공정 모니터링에 매우 높은 정밀도를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비파괴적 테스트 없이 반도체에서 양극성 적재 이동도를 측정할 수 있는 단순하면서도 매우 정밀한 광학 기법을 개발하는 것.
• 반도체 가공 공정 중 실시간 비파괴적 이동도 모니터링을 가능하게 하는 것.
• 해석 모델을 사용하여 Z-스캔 광반사 데이터로부터 동시에 확산 길이와 재결합 수명을 추출하는 것.
• 반복적 피팅과 오차 전파를 통해 이동도 측정의 불확도를 2% 이하로 확보하는 것.
• 아모르피징 이온 주입 및 플래시 앤일링을 포함한 제어된 공정 변화를 가진 실리콘 시료를 사용하여 방법을 검증하는 것.

제안 방법

• 펌프 및 프로브에 공집속된 조밀하게 집중된 가우시안 레이저 빔을 사용하는 광반사 시스템에서 기술을 적용한다.
• 시료를 빔 초점부를 중심으로 Z축(세로 방향)으로 스캔하고, Z에 따른 변조된 반사율 신호를 측정한다.
• 반사된 프로브 빔의 반경 방향 통합을 통해 확산 길이와 재결합 수명에 대한 함수로 Z-의존성의 신호 진폭과 위상에 대한 해석식을 도출한다.
• 실험적 Z-스캔 데이터를 이러한 식에 비선형적으로 피팅함으로써 확산 길이와 재결합 수명을 통계적 불확도 추정과 함께 추출한다.
• 피팅된 Ld와 τ 값을 사용하여 아이노스트인 관계식 μ = qD/kBT에서 D = Ld²/τ를 계산하여 이동도를 산출한다.
• 피팅과 아이노스트인 관계식을 통해 오차 전파를 수행하여 이동도의 불확도를 산출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z-스캔 레이저 광반사법은 반도체에서 정밀하고 비파괴적인 이동도 측정 방법을 제공할 수 있는가?
• RQ2 Z-스캔 LPR 데이터로부터 확산 길이와 재결합 수명을 얼마나 정확하게 동시에 추출할 수 있는가?
• RQ3 이 기법을 사용할 경우 이동도 측정의 도달 가능한 불확도는 얼마인가?
• RQ4 아모르피징 이온 주입 및 플래시 앤일링과 같은 공정 변화는 추출된 적재 파rameter에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법은 공정 유도 손상과 복구로 인한 이동도 변화를 신뢰성 있게 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 시험 시료에서 이동도 측정의 불확도가 2% 미만으로 유지되어 매우 높은 정밀도를 입증하였다.
• 아모르피징 이온 주입(AI)은 확산 길이를 약 6.07 μm에서 약 5.06 μm로 감소시키고 재결합 수명을 단축시키며, 이는 결함 밀도 증가와 일치한다.
• 1300°C/550°C 플래시 앤일링을 반복하면 확산 길이가 약 1.5배 증가하고 이동도는 약 157에서 약 382 cm²/V·s로 증가한다.
• 플래시 앤일링 온도를 600°C로 상승시키면 재결합 수명이 약 10% 증가하고 이동도도 약 10% 증가하여 결함 제거가 향상됨을 나타낸다.
• 1350°C/600°C 플래시 앤일링은 이동도를 312 cm²/V·s로 더 높이고 확산 길이를 11.68 μm로 유지하여 적재 성질의 거의 완전한 복구를 보여준다.
• 측정된 이동도 값은 도핑 농도에 따른 기대값과 일치하여 이 방법의 정확성과 신뢰성을 검증한다.