[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种Z扫描激光光反射技术，通过分析来自紧密聚焦的高斯激光束的Z依赖调制反射信号，实现了对半导体中载流子迁移率的精确、非破坏性测量。通过将信号的振幅和相位拟合至涉及扩散长度和复合寿命的解析表达式，利用爱因斯坦关系式可获得迁移率，不确定度低于2%，展示了该方法在半导体制造过程中工艺监控的高精度。

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.

研究动机与目标

• 开发一种简单但高度精确的光学技术，用于非破坏性测量半导体中的双极载流子迁移率。
• 实现在半导体加工过程中对载流子迁移率的在线、非破坏性监测。
• 利用解析模型，从Z扫描光反射数据中同时提取扩散长度和复合寿命。
• 通过迭代拟合并传播误差，实现迁移率测量中低于2%的不确定度。
• 通过具有受控工艺变化的硅样品验证该方法，包括非晶化注入和快速退火。

提出的方法

• 该技术采用共聚焦、高度聚焦的高斯激光束作为泵浦光和探测光，应用于光电反射系统中。
• 样品沿Z轴（纵向）扫描通过光束焦点，测量调制反射信号随Z的变化。
• 对反射探测光束进行径向积分，得到信号Z依赖振幅和相位的解析表达式，其以扩散长度和复合寿命为变量。
• 对实验Z扫描数据进行非线性拟合，以这些表达式为基础，提取扩散长度和复合寿命，并估算统计不确定度。
• 利用爱因斯坦关系式 μ = qD/kBT 计算迁移率，其中 D = Ld²/τ，基于拟合得到的 Ld 和 τ 值。
• 通过拟合过程和爱因斯坦关系式传播测量不确定度，得到迁移率的不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Z扫描激光光反射技术能否提供一种精确、非破坏性的半导体载流子迁移率测量方法？
• RQ2 在多大程度上可从Z扫描LPR数据中高精度地同时提取扩散长度和复合寿命？
• RQ3 该技术可实现的迁移率测量不确定度是多少？
• RQ4 工艺变化如非晶化注入和快速退火如何影响提取的载流子参数？
• RQ5 该方法能否可靠检测由工艺诱导损伤及恢复引起的载流子迁移率变化？

主要发现

• 该技术在所有测试样品中均实现了载流子迁移率测量不确定度低于2%，证明了其高精度。
• 非晶化注入（AI）使扩散长度从约6.07 μm降低至约5.06 μm，并缩短了复合寿命，与缺陷密度增加一致。
• 重复1300°C/550°C快速退火使扩散长度提高约1.5倍，迁移率从约157 cm²/V·s提升至约382 cm²/V·s。
• 将快速退火温度提高至600°C，使复合寿命提高约10%，迁移率提高约10%，表明缺陷去除效果改善。
• 1350°C/600°C快速退火进一步将迁移率提升至312 cm²/V·s，扩散长度达11.68 μm，表明载流子特性近乎完全恢复。
• 实测迁移率与激活掺杂浓度预期值一致，验证了该方法的准确性和可靠性。