KR101890772B1 - 에지-온 광발광을 사용하여 반도체 재료의 벌크 불순물을 측정하는 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하기 위한 광발광 분광 시스템 및 방법이 제공된다. 일부 실시 형태에서, 이 시스템 및 방법은 디포커싱된 시준 레이저 빔이 제1 샘플 표면을 조사하는 것, 및 제1 표면과 실질적으로 직교인 제2 표면과의 교차점에서의 샘플 에지로부터의 광발광을 집광 렌즈에 의해 집광하는 것을 포함하며, 여기서 제1 샘플 표면은 집광 렌즈에 평행인 위치에 대해 약 0° 내지 90°로 배향된다.
Description
본 발명은 광발광 분광(photoluminescence spectroscopy)을 사용하여 반도체 재료의 품질을 결정하는 것에 관한 것이다.
반도체 재료의 전자 구조가 광발광 이미징 또는 광발광 분광 기법에 의해 조사될 수 있다. 그러한 기법에서, 레이저가 단결정 규소와 같은 반도체 샘플 상으로 지향된다. 레이저로부터 방출되는 광자가 샘플의 밴드 갭 에너지(band gap energy)보다 큰 에너지를 가지는 경우, 광자는 반도체에 의해 흡수되고, 전자를 가득 찬 가전자대(valence band)로부터 비어 있는 전도대(conduction band)로 곧바로 여기시켜, 가전자대에 전자 "정공"을 남길 수 있다. 전도대에 있는 자유 전자와 가전자대에 있는 정공의 비편재화된 쌍형성(delocalized pairing)은 전자-정공 쌍을 생기게 한다. 전자-정공 쌍 내에서의 정전기력이 전자를 정공에 구속시키기에 충분한 경우, 여기자(exciton)가 형성된다. 낮은 온도에서, 비평형 전자, 정공, 및 여기자는 플라즈마에 안정되게 구속될 수 있고, 플라즈마는 응축을 겪어 전자-정공 소적(electron-hole droplet, EHD)을 형성할 수 있다.
전도대에 있는 여기된 전자는 그의 잉여 에너지를 상실하고 가전자대와 재결합함으로써 평형으로 돌아갈 수 있다. 반도체 샘플에 포함되어 있을 수 있는 불순물에 관한 정보를 비롯한 반도체 샘플에 관한 정보를 얻기 위해 이러한 전자-정공 쌍/여기자 소멸 과정이 연구될 수 있다. 일 유형의 재결합 이벤트에서, 자유 격자 위치(free lattice site)(자유 여기자)에서 여기자 붕괴(exciton decay) 및 재결합이 일어나고, 방출된 에너지에 대응하는 파장을 갖는 광자의 자발적 방출을 초래한다. 방출된 광자는 광발광 분석에 의해 관찰가능하며, 그의 스펙트럼은 진성 반도체에 관한 정보를 제공한다.
다른 유형의 재결합 이벤트에서, 붕괴하는 전자는 밴드 갭 에너지 내에 있지만 진성 반도체 재료의 가전자대 및 전도대와 구별되는 도너(donor) 또는 억셉터(acceptor) 밴드를 제공하는 불순물에 느슨하게 결합될 수 있다. 불순물대(impurity band)는 전도대로부터 불순물대로의 전자의 초기 붕괴와 연관된 에너지를 흡수하고 그 에너지를 포논(phonon)으로서 소산시킬 수 있다. 구속 전자(bound electron)와 자유 정공 사이의 정전기력은 구속 여기자(bound exciton)를 형성하기 위해 전자를 정공에 구속시킬 수 있다. 여기자의 붕괴 및 전자와 가전자대의 재결합은 광발광 분석에 의해 관찰될 수 있는 광자의 방출과 연관되고, 얻어지는 스펙트럼은 불순물의 특성을 나타내는 정보를 제공한다. 예를 들어, 구속 여기자 피크의 형상 및 강도는 불순물 밀도를 결정하는 데 사용될 수 있다.
낮은 온도에서, 광발광 스펙트럼은 독특한 재결합 현상 - 구속 여기자 피크(bound exciton peak, BE 피크)를 야기하는 불순물대 내의 구속 전자와 자유 정공의 재결합, 및 자유 여기자 피크(free exciton peak, FE 피크)를 야기하는 진성 반도체 내의 자유 전자와 자유 정공의 재결합 - 을 나타낸다. 관찰된 광자 방출의 파장은 샘플 내에서의 재결합 중심(recombination center)의 유형 및 포논이 재결합 과정과 연관되어 있는지 여부에 의존한다. 대부분의 관심대상의 피크는 포논-보조 방출(phonon-assisted emission)이고, 여기서 주어진 파장에서의 강도는 그 방출을 책임지고 있는 샘플 내의 위치(site)들의 개수에 관련된다. 전기적 활성 불순물의 농도가 BE 피크와 FE 피크의 강도의 비에 비례하기 때문에, 광발광 분석은 샘플 내에 있는 얕은(shallow) 불순물의 비파괴 분석을 위한 강력한 방법이다.
광발광 분석이 불순물의 분석을 위한 강력한 방법이지만, 그의 정확도 및 감도가 EHD와 연관된 피크에 의해 복잡하게 된다. 입사 레이저의 강도가 증가함에 따라 샘플 내에서의 여기자 밀도가 증가하고, 일단 임계 여기자 밀도에 도달되면, EHD가 형성될 수 있다. EHD 내에서의 재결합 이벤트는 특성 발광(characteristic luminescence)을 방출하며, 이는 스펙트럼(8757 내지 8889 ㎝-1/1142 내지 1125㎚)의 횡방향 광학(transverse optical, TO) 포논 영역에서 BE 피크 및 FE 피크 아래에 있고 이들과 간섭하는 넓은 피크를 초래한다. 게다가, 여기 강도가 증가함에 따라 EHD 피크가 강해지고 더 낮은 에너지로 이동하기 때문에, 레이저 전력이 증가함에 따라 간섭이 더욱 두드러지게 된다. 따라서, EHD 피크로부터의 간섭으로 인해, 특히 EHD 피크와 BE 피크 사이의 간섭으로 인해, BE 방출 대 FE 방출의 비를 정확하게 결정하는 것이 종종 어렵다. EHD 피크로부터 BE 피크 및 FE 피크를 분석하는 데 있어서의 어려움을 극복하는 종래의 방법은 종종, 여기 에너지를 변화시키는 것, 예를 들어 더 낮은 여기 에너지에서 레이저를 동작시키는 것, 연장된 데이터 수집 기간의 사용, 상이한 레이저 파장들의 사용, 또는 이들의 조합을 수반한다. 예를 들어, 하나의 종래의 접근법은 EHD 효과를 최소화하기 위해 낮은 여기 에너지에서 기기를 작동시키는 것이다. 그러나, 이러한 접근법은 BE 및 FE 방출에서의 신호대 잡음비를 감소시키고, 이는 고순도 반도체 재료에서 불순물을 효과적으로 측정하는 것을 어렵게 만든다. 낮은 레벨의 불순물을 갖는 반도체 재료를 측정하고 EHF를 회피하기 위한 다른 종래의 예는 더 긴 기기 스캔(instrument scan)을 취하는 것이다. 그러나, 이러한 접근법은 많은 개수의 샘플들을 효율적으로 시험하는 데 장애가 될 수 있다.
규소 산업에서, 불순물의 광발광 분석을 위해 2가지 주된 유형의 기기 - 높은 샘플 여기 조건 하에서 동작하는 분산 적외선 기기, 및 낮은 샘플 여기 조건 하에서 동작하는 푸리에 변환 기기 - 가 사용된다. 실시되는 바와 같이, 이들 기법 둘 모두는 규소 샘플로부터 방출된 광자의 "스트레이트-온(straight-on)" 집광을 수반하고, 여기서 샘플은 집광 광학계에 평행한 위치에 배향되어 있다. 이러한 배향에서, 규소 샘플은 레이저에 의해 조사되고, 방출된 광자들은 샘플의 전면(front surface)에서 렌즈 초점을 갖는 집광 렌즈에 의해 샘플의 전면으로부터 집광된다.
요약하면, 종래의 광발광 분석은 다음과 같은 4개의 주요 단계를 갖는 것으로 일반화될 수 있다: (i) 낮은 온도에서 레이저를 사용하여 반도체 샘플의 전면을 여기시키는 것 - 상기 레이저는 얻어진 스펙트럼에서 EHD 피크로부터 BE 피크 및 FE 피크의 분해능을 달성하기 위해 고정 또는 가변 파워로 동작함 - ; (ii) 샘플로부터의 광자의 방출 - 상기 광자는 BE, FE 및 EHD 재결합 이벤트의 특성임 - ; (iii) 샘플에 평행하게 배향된 집광 광학계에 의해 샘플의 전면으로부터 방출된 광자의 검출; 및 (iv) 불순물에 관한 정보를 판단하기 위해 얻어진 스펙트럼의 분석. 그러한 종래의 방법 및 장치는 매우 민감하고, 전형적으로 결정 격자 내의 낮은 ppt(parts-per-trillion) 원자의 불순물 밀도를 식별할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 당업계에서 반도체 재료 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 더 민감한 기법 및 장치에 대한 필요성이 남아 있다.
이 필요성은 반도체 재료 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 본 발명의 다양한 실시 형태에 의해 충족된다. 일부 실시 형태에서, 제공된 방법 및 장치가 종래의 방법 및 장치를 사용하여 달성가능한 것보다 더 낮은 밀도의 샘플 불순물을 식별하고 정량화하는 데 사용될 수 있다.
다양한 실시 형태에 따르면, 반도체 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 광발광 분광 시스템이 제공되며, 이 시스템은 (i) 조사되는 반도체가 광발광하게 할 수 있는 디포커싱된 시준 레이저 빔(defocused collimated laser beam)을 제공하도록 구성된 레이저 시스템; (ii) 디포커싱된 레이저 빔에 의해 적어도 부분적으로 조사되도록 구성된 제1 표면, 실질적으로 직교인 제2 표면, 및 방출되어 나가는 광발광의 집광을 허용하도록 구성된 제1 표면과 제2 표면의 교차점에서의 에지(edge)를 각각 포함하는 하나 이상의 반도체 샘플들; 및 (iii) 분석을 위해 위치된 샘플의 에지에서 렌즈 초점을 갖고 상기 초점에서 광발광을 집광시키도록 구성된 집광 렌즈를 포함한다. 제공된 시스템은, 샘플이 분석을 위해 위치될 때, 그의 제1 표면이 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 약 0° 내지 90°의 편각(angle of deviation)에 있게 배향되도록 구성된다.
다양한 실시 형태에 따르면, 또한, 반도체 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 광발광 분광 방법이 제공되며, 이 방법은 (i) 디포커싱된 시준 레이저 빔을 분석을 위해 위치된 반도체 샘플의 제1 표면의 적어도 일부분 상으로 지향시키는 단계 - 샘플은 실질적으로 직교인 제2 표면, 및 샘플로부터 방출된 광발광의 집광을 허용하도록 구성된 제1 및 제2 표면들의 교차점에 있는 에지를 포함함 - ; (ii) 샘플에서 집광가능한 광발광을 발생시키는 단계, (iii) 에지에서의 렌즈 초점에서 방출되는 광발광을 집광시키도록 구성된 집광 렌즈를 사용하여 샘플의 에지로부터의 광발광을 집광하는 단계; 및 샘플 불순물 식별자, 샘플 불순물 양, 또는 둘 모두에 대응하는 데이터를 집광된 광발광으로부터 생성하는 단계를 포함한다. 제공된 방법의 실시에서, 샘플이 분석을 위해 위치될 때, 그의 제1 표면이 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 약 0° 내지 90°의 편각에 있도록 배향된다.
본 발명의 이들 및 부가의 특징 및 이점이 이하의 상세한 설명 동안 명백하게 될 것이다. 달리 언급하지 않는 한, 기술된 발명의 특징이 개별적으로 또는 함께, 또는 다양한 조합 또는 하위 조합으로 사용될 수 있다. 유사하게, 달리 구체적으로 언급하지 않는 한, 방법 단계들이 본 명세서에 기술된 것과 상이한 순서로 수행될 수 있다.
첨부 도면과 관련하여 고려될 때 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명 및 그의 많은 실시 형태의 보다 완전한 이해가 용이하게 얻어질 것이다.
<도 1>
도 1은 반도체 샘플로부터의 방출된 광자의 "스트레이트-온" 집광을 수반하는 종래의 광발광 분광 시스템의 일례를 도시하는 도면이며, 여기서 A는 종래의 시스템의 개략 측면도를 나타내고, B는 상기 종래의 시스템 내에서 레이저 빔에 의해 조사되고 있는 샘플의 정면도를 나타냄.
<도 2>
도 2는 디포커싱된 레이저를 사용한 반도체 샘플의 여기 및 방출된 광자의 "에지-온(edge-on)" 집광을 수반하는 제공된 광발광 분광 시스템의 일례를 도시하는 도면이며, 여기서 A는 제공된 시스템의 개략 측면도를 나타내고, B는 상기 제공된 시스템 내에서 레이저 빔에 의해 조사되고 있는 샘플의 정면도를 나타냄.
<도 3>
도 3은 레이저 빔을 디포커싱하는 제공된 광학 시스템의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이며, 여기서 F1 및 F2는 각자의 렌즈들의 초점 거리들을 지칭함.
<도 4>
도 4는 제공된 분광 시스템에서 사용하기 위한 제공된 샘플 홀더의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이며, 여기서 A는 홀더의 일부분의 측면도를 나타내고, B는 홀더의 평면도를 나타내며, C는 크라이오스탯(cryostat) 내에 침지되어 있는 홀더의 일부분의 측면도를 나타내고, D는 크라이오스탯 내에 침지되어 있는 홀더의 평면도를 나타냄.
<도 5>
도 5는 에지-온 광발광이 스트레이트-온 광발광보다 더 큰 피크 강도를 제공하는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면.
<도 6>
도 6은 디포커싱된 레이저 빔의 사용이 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 규소 고유의 피크 강도를 감소시키고 인 및 붕소와 같은 불순물의 구속 여기자(BE) 위치에 대하여 피크 강도의 어떠한 상관된 감소도 갖지 않는다는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면. 부가적으로, 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 EHD 효과가 감소됨.
<도 7>
도 7은 에지-온 광발광이 스트레이트-온 광발광보다 더 큰 피크 강도를 제공하는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면.
<도 8>
도 8은 디포커싱된 레이저 빔의 사용이 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 규소 고유의 피크 강도를 감소시키고 인 및 붕소와 같은 불순물의 구속 여기자(BE) 위치에 대해 피크 강도의 어떠한 상관된 감소도 갖지 않는다는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면. 부가적으로, 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 EHD 효과가 감소됨.
<도 1>
도 1은 반도체 샘플로부터의 방출된 광자의 "스트레이트-온" 집광을 수반하는 종래의 광발광 분광 시스템의 일례를 도시하는 도면이며, 여기서 A는 종래의 시스템의 개략 측면도를 나타내고, B는 상기 종래의 시스템 내에서 레이저 빔에 의해 조사되고 있는 샘플의 정면도를 나타냄.
<도 2>
도 2는 디포커싱된 레이저를 사용한 반도체 샘플의 여기 및 방출된 광자의 "에지-온(edge-on)" 집광을 수반하는 제공된 광발광 분광 시스템의 일례를 도시하는 도면이며, 여기서 A는 제공된 시스템의 개략 측면도를 나타내고, B는 상기 제공된 시스템 내에서 레이저 빔에 의해 조사되고 있는 샘플의 정면도를 나타냄.
<도 3>
도 3은 레이저 빔을 디포커싱하는 제공된 광학 시스템의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이며, 여기서 F1 및 F2는 각자의 렌즈들의 초점 거리들을 지칭함.
<도 4>
도 4는 제공된 분광 시스템에서 사용하기 위한 제공된 샘플 홀더의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이며, 여기서 A는 홀더의 일부분의 측면도를 나타내고, B는 홀더의 평면도를 나타내며, C는 크라이오스탯(cryostat) 내에 침지되어 있는 홀더의 일부분의 측면도를 나타내고, D는 크라이오스탯 내에 침지되어 있는 홀더의 평면도를 나타냄.
<도 5>
도 5는 에지-온 광발광이 스트레이트-온 광발광보다 더 큰 피크 강도를 제공하는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면.
<도 6>
도 6은 디포커싱된 레이저 빔의 사용이 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 규소 고유의 피크 강도를 감소시키고 인 및 붕소와 같은 불순물의 구속 여기자(BE) 위치에 대하여 피크 강도의 어떠한 상관된 감소도 갖지 않는다는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면. 부가적으로, 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 EHD 효과가 감소됨.
<도 7>
도 7은 에지-온 광발광이 스트레이트-온 광발광보다 더 큰 피크 강도를 제공하는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면.
<도 8>
도 8은 디포커싱된 레이저 빔의 사용이 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 규소 고유의 피크 강도를 감소시키고 인 및 붕소와 같은 불순물의 구속 여기자(BE) 위치에 대해 피크 강도의 어떠한 상관된 감소도 갖지 않는다는 것을 보여주는 광발광 스펙트럼을 나타낸 도면. 부가적으로, 시준 레이저 빔 기법과 비교할 때 EHD 효과가 감소됨.
특정의 실시 형태를 가끔 참조하여 본 발명의 특징 및 이점이 이제 설명될 것이다. 그러나, 본 발명이 상이한 형태로 실시될 수 있고, 본 명세서에 기재된 실시 형태로 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 본 개시 내용이 철저하고 완전하며 당업자에게 본 발명의 범주를 충분히 전달하도록 이들 실시 형태가 제공된다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서의 설명에서 사용되는 용어는 단지 특정의 실시 형태를 설명하기 위한 것이며, 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태는 문맥이 명백히 다른 것을 말하는 것이 아닌 한, 복수 형태를 또한 포함하고자 한다.
"불순물" 및 "불순물들"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전자 도너 또는 전자 억셉터로서 작용할 수 있고 따라서 광발광 분석에 의해 검출가능한 반도체 결정 격자 내의 불순물을 의미하고자 한다. 더욱이, 이들 용어는 의도적인 도펀트뿐만 아니라 뜻하지 않은 불순물을 포함하고자 한다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 샘플에 III족 불순물, V족 불순물, 또는 이들의 조합이 존재하는 것을 측정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 식별되고 정량화되는 불순물은 붕소, 인, 비소 및 알루미늄으로부터 선택된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "반도체"라는 용어는 도체의 전기 전도성과 절연체의 전기 전도성 사이에 있는 전기 전도성을 가지며 광발광 분석 기법에 의해 분석될 수 있는 임의의 재료를 의미하고자 한다. 그러한 재료의 예는 규소, 게르마늄, 갈륨 비소, 및 탄화규소를 포함하지만, 이로 한정되지 않는다. 일부 실시 형태에서, 제공된 방법 및 장치는 규소 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 데 사용될 수 있다. 그러한 샘플은, 일부 실시 형태에서, 다결정 규소이거나, 단결정이거나, 도핑되어 있거나, 비도핑되어 있거나, 부유 대역(float-zoned) 재료로 이루어져 있거나 초크랄스키(Czochralski) 재료로 이루어져 있을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제공된 방법 및 장치는 규소 샘플의 에피택셜층 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 데 사용될 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 반도체 재료 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 개선된 방법 및 장치가 제공된다. 일부 실시 형태에서, 그러한 방법 및 장치는 종래의 방법 및 장치를 사용하여 달성가능한 것보다 더 낮은 밀도, 예를 들어 약 0.5 ppt 내지 약 1.5 ppt 정도로 낮은 밀도의 불순물을 식별하고 정량화하는 데 특히 유용하다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 제공된 방법 및 장치는 약 0.5 내지 0.6 ppt, 0.6 내지 0.7 ppt, 0.7 내지 0.8 ppt, 0.8 내지 0.9 ppt, 0.9 내지 1.0 ppt, 1.0 내지 1.1 ppt, 1.1 내지 1.2 ppt, 1.2 내지 1.3 ppt, 1.3 내지 1.4 ppt, 1.4 내지 1.5 ppt, 및 이들의 조합의 밀도의 불순물을 식별하고 정량화하는 데 유용할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제공된 방법 및 장치는 종래의 방법 및 장치에 비해 상당한 개선을 제공한다.
다양한 실시 형태에 따르면, 반도체 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 광발광 분광 시스템이 제공되며, 이 시스템은 (i) 조사되는 반도체가 광발광하게 할 수 있는 디포커싱된 시준 레이저 빔을 제공하도록 구성된 레이저 시스템; 디포커싱된 레이저 빔에 의해 적어도 부분적으로 조사되도록 구성된 제1 표면, 실질적으로 직교인 제2 표면, 및 방출되어 나가는 광발광의 집광을 허용하도록 구성된 제1 표면과 제2 표면의 교차점에서의 에지를 각각 포함하는 하나 이상의 반도체 샘플들; 분석을 위해 위치된 샘플의 에지에서 렌즈 초점을 갖고, 상기 초점에서 방출되는 광발광을 집광시키도록 구성된 집광 렌즈를 포함한다. 제공된 시스템은, 샘플이 분석을 위해 위치될 때, 그의 제1 표면이 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 약 0° 내지 90°의 편각에 있게 배향되도록 구성된다.
일부 실시 형태에서, 제공된 분광 시스템은 레이저 디포커싱 시스템을 포함하고, 레이저 디포커싱 시스템은 시준 입력 레이저 빔을 집광하여 디포커싱 시스템 내의 레이저 초점에 집속시키는 제1 렌즈, 및 디포커싱된 시준 레이저 빔을 출력으로서 형성하기 위해, 레이저 초점에서 집속된 레이저 빔을 집광 및 확대하는 제2 렌즈를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제공된 분광 시스템은 중심 기둥 주변에 반경방향으로 구성된 2개 이상의 돌출부들을 포함하는 회전가능 샘플 홀더를 포함하고, 각각의 돌출부는 반도체 샘플을 보유하도록 구성되며, 돌출부들은 분석을 위한 위치로 교대로 회전가능하다. 일부 실시 형태에서, 전기 모터는 홀더 중심 기둥과 연통 상태에 있으며, 모터는 홀더의 회전을 야기할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제공된 시스템은 전기 모터, 홀더 및 레이저 시스템과 연통 상태에 있는 컴퓨터를 포함하고, 컴퓨터는 (i) 전기 모터가 돌출 홀더 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 지시하도록, (ii) 레이저 시스템이 분석을 위해 위치된 샘플의 제1 표면의 적어도 일부분을 디포커싱된 레이저 빔으로 조사하게 지시하도록, (iii) 분석을 위해 위치된 샘플의 제2 표면으로부터의 방출된 광발광을 집광하게 지시하도록, (iv) 전기 모터가 다른 돌출부 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 지시하도록, 그리고 (v) 모든 샘플들이 분석된 때까지 단계 (ii) 내지 단계 (iv)를 반복하도록 프로그래밍된다.
광발광의 에지-온 집광
일부 실시 형태에서, 제공된 시스템 및 방법은 규소 산업에서 사용되는 종래의 기법과는 상이한, 샘플로부터의 광발광의 "에지-온" 집광을 수반한다. 반도체 샘플로부터 방출된 광자를 집광하기 위해 산업에서 사용되는 종래의 방법 및 기구 사용은 샘플의 전면(즉, 여기 레이저에 의해 조사되는 표면)이 집광 광학계에 평행한 위치에서 배향되는 "스트레이트-온" 기법을 수반한다. 종래의 "스트레이트-온" 시스템의 일례가 도 1에 도시되어 있으며, 여기서 시준 레이저 빔(1)은 반도체 샘플(3)의 전면(2)을 조사한다. 도시된 바와 같이, 빔에 의해 조사되는 영역은 전면(2)의 대략 20%이다. 샘플(3)의 전면(2)은 광발광 신호 집광 광학계(4)에 평행하도록 구성되고, 집광 광학계(4)의 초점(5)은 샘플(3)의 전면(2) 상에 있다. 샘플(3)의 전면(2)과 광학 집광계(4) 사이의 거리는 집광 광학계(4)의 초점 거리(부호 없음)와 동일하다.
반도체 샘플이 레이저에 의해 조사될 때, 반도체 표면의 조사된 부분에 있는 전자가 입사 레이저 에너지에 의해 여기된다. 빔의 여기 파워의 프로파일이 가우시안 분포(즉, 종 모양의 곡선)를 가지기 때문에, 반도체에서 발생된 발광은 빔 영역에 걸친 상이한 여기 파워 밀도들의 구역들로부터 나온다. 따라서, "스트레이트-온" 기법이 채용될 때, 샘플(3)의 전면(2)으로부터 집광된 발광은 가우시안-분포의 여기 빔(1)의 스폿 크기(즉, 높은 파워)에 걸친 광발광의 평균을 나타내고 높은 여기 밀도를 갖지만, 반도체 샘플 전체에 걸쳐 균질한 여기를 나타내지는 않는다. 그 중에서도 특히, "스트레이트-온" 기법을 대표하는 특징인 반도체 샘플의 이러한 불균질한 여기는 광발광 스펙트럼을 혼란스럽게 하며, 샘플 내의 불순물의 검출 및 정량화에 대한 감도를 방해하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 감도가 기기 유형 및 스캔 시간 등의 인자들에 의해 영향을 받을 수 있지만, 10 ppt 미만의 불순물의 검출이 전형적으로 종래의 기법을 사용하여 달성가능하지 않다.
표준 방법과는 대조적으로, 본 발명의 실시 형태는 반도체 샘플의 전면이 집광 광학계에 평행하지 않게 위치되는 "에지-온" 기법을 이용하며, 상기 위치는 샘플의 에지로부터의 광발광의 집광을 허용하기 위해 평행한 위치로부터 적합한 편각만큼 떨어져 있다.
일부 실시 형태에서, 편각은 샘플의 에지로부터의 광발광의 최고 검출도를 제공하도록 선택된다. 일부 실시 형태에서, 샘플의 전면의 적합한 편각은 광학계에 평행한 위치에 대해 약 0° 내지 약 90°일 수 있다. 따라서, 편각이 0° 내지 5°, 5° 내지 10°, 10° 내지 15°, 15° 내지 20°, 20° 내지 25°, 25° 내지 30°, 30° 내지 35°, 35° 내지 40°, 40° 내지 45°, 45° 내지 50°, 50° 내지 55°, 55° 내지 60°, 60° 내지 65°, 65° 내지 70°, 70° 내지 75°, 75° 내지 80°, 80° 내지 85°, 85° 내지 90°, 및 이들의 조합일 수 있다는 것이 고려된다. 그러한 배향에서, 집광되는 방출된 광자가 샘플의 에지로부터 나오고, 관찰된 발광은 ("스트레이트-온" 기법과는 대조적으로) 여기자 밀도 프로파일 전체에 걸친 평균을 나타내는데, 그 이유는 반도체의 여기된 부분으로부터 방출 에지까지의 모든 경로들이 유사하기 때문이다. 따라서, "에지-온" 기법이 채용될 때, 관찰되는 발광은, "스트레이트-온" 기법과 비교하여, 더 낮은 여기 밀도를 갖는다. 그 중에서도 특히, 이는 샘플 내의 불순물의 검출 및 정량화를 위한 감도를 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 45°의 편각에서 양호한 결과가 얻어졌다. 0° 내지 45°와 45° 내지 90° 사이의 각도에 대해, 수집된 광발광 데이터는 전면(스트레이트-온 효과) 및 샘플 에지(에지 효과)로부터의 방출들의 조합을 나타낼 수 있다. 편각이 45°로부터 멀리 커질수록, 광발광이 샘플 에지로부터만 집광될 때 신호 응답이 더 낮다. 전술한 것에도 불구하고, 원하는 편각의 선택이, 적어도 부분적으로, 시험될 샘플의 형상에 기초할 수 있다. 예를 들어, 샘플이 직사각형 또는 원형 표면 영역을 가져 평평하고 한정된 두께를 가질 때, 상기 샘플이 제공된 샘플 홀더에 의해 위치되는 경우 45°의 편각은 원하는 신호 응답을 제공할 수 있다. 당업자는 샘플이 상이한 형상을 가질 때, 또는 상이한 샘플 홀더가 사용될 때, 45° 이외의 편각이 원하는 신호 응답을 제공할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
종래의 기법과는 대조적으로, "에지-온" 기법으로 2.0 ppt 미만의 감도가 달성가능하다. 예를 들어, "에지-온" 기법이 사용될 때 본 명세서에 기술된 방법 및 장치에 의해 약 1.0 내지 약 2.0 ppt 정도로 낮은 밀도의 불순물의 검출이 달성될 수 있다.
더 큰 감도에 더하여, 샘플 에지에서의 만곡 표면은, 샘플의 전면과 비교하여, 반도체 샘플로부터 더 많은 발광이 빠져나갈 수 있게 해주기 때문에, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치가 사용될 때, 더 많은 발광이 관찰된다. 따라서, "스트레이트-온" 기법으로부터 얻어진 스펙트럼과 비교하여, 생성된 스펙트럼에서의 보다 큰 신호 대 잡음비는 제공된 방법 및 장치로 달성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, "에지-온" 기법과 레이저 디포커싱 기법을 조합시킴으로써 더 큰 감도가 달성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제공된 광발광 분광 시스템의 일례가 도시되어 있으며, 여기서 일부 실시 형태에서는, 광원(부호 없음)으로부터의 광(1)이 반도체 샘플(3)의 전면(2)으로 지향된다. 광원은 샘플에 전자-정공 쌍을 발생시키는 데 적합한 레이저, 다이오드 또는 기타 발광 소자일 수 있다. 도시된 바와 같이, 광(1)은 전면(2)의 표면적의 대략 50 내지 70%를 덮지만, 다른 정도의 표면적 적용범위가 또한 고려된다. 예를 들어, 빔이 전면(2)의 표면적의 50 내지 100%를 조사할 수 있는 것이 생각되고 있다. 일부 실시 형태에서, 시험 샘플의 표면적을 실용적인 정도로 덮는 것이 바람직한데, 그 이유는 더 넓은 표면적을 조사하는 것이 더 넓은 부피의 반도체 재료를 여기시키고, 시험 샘플 전체를 나타내는 불순물 데이터가 얻어지게 하기 때문이다. 원하는 표면적 적용범위 정도에 상관없이, 제공된 방법 및 장치는 샘플(3)의 전면(2)을 집광 광학계(4)에 비평행하게 위치시키는 것을 수반하고, 상기 위치는 "스트레이트-온" 기법과 연관된 평행 위치로부터 떨어진 적합한 편각이다. 예를 들어, 전면(2)의 편각은 집광 광학계에 평행한 위치에 대해 약 0° 내지 약 90°일 수 있다. 선택된 특정의 편각에 상관없이, 집광 광학계(4)의 초점(5)은 전면(2)보다는 샘플(3)의 에지(6) 상에 있다. 일부 실시 형태에서, 전면(2), 에지(6), 또는 둘 모두가 폴리싱(polishing)된다. 일부 실시 형태에서, 전면(2), 에지(6), 또는 둘 모두가 에칭된다. 도시된 시스템은 방출된 광자의 "에지-온" 집광을 위해 구성되어 있다. 집광 광학계(4)에 의해 수집된 광발광은 1050 내지 1150 ㎚의 분광 데이터를 수집하도록 설계된 (분산 또는 푸리에 변환) 분광계를 통해 안내되고, CCD 어레이, 고체 검출기, 포토다이오드, 또는 임의의 다른 적당한 검출 시스템 또는 소자와 같은 적합한 검출 시스템(도시되지 않음)에 의해 검출될 수 있으며, 스펙트럼이 처리되어 샘플에 위치하는 불순물에 대응하는 데이터를 생성한다. 생성된 데이터는 샘플 불순물 식별자, 샘플 불순물 양, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 검출된 광발광의 처리는 마이크로프로세서 또는 유사한 소자에 의할 수 있고, 스펙트럼을 처리하기 위해 필요에 따라 임의의 이용가능한 소프트웨어 도구를 사용하여 스펙트럼 차감, 스펙트럼 디컨벌루션(deconvolution), 또는 스펙트럼 피크 영역의 측정을 수행하는 소프트웨어 프로그램을 포함할 수 있다. 이용가능한 소프트웨어 도구의 예는 GRAMS 분광 소프트웨어(갈라틱 인더스트리즈 코포레이션(Galactic Industries Corporation))를 포함하지만, 이로 한정되지 않는다. 프로세서, 프로그램 또는 둘 모두가 검출기 및/또는 광발광 분광 시스템의 다른 요소에 포함되거나 그와 연관될 수 있거나, 시스템의 다른 요소와 분리되어 있을 수 있다. 광발광 분광 시스템은 샘플에 대해 광발광 분광을 수행하는 임의의 부가적인 또는 대안적인 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 광발광 데이터를 시각적으로 표시하는 디스플레이 스크린, 샘플을 지지하는 샘플 홀더, 입사광 또는 귀환광을 필터링하기 위한 하나 이상의 필터뿐만 아니라, 임의의 다른 적합한 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 분광 시스템은 샘플 조사 이전에 레이저 빔 직경을 디포커싱하는 시스템을 포함하며, 이는 입사 레이저 파워를 변화시키거나 감소시킬 필요 없이 EHD 피크에 대한 BE 피크 및 FE 피크의 분해능을 허용한다.
분산 또는 푸리에 변환 PL(FTPL) 분광계 및 액체 질소 집광 IR 검출기를 사용하여 양호한 결과가 획득되었다. THR 1000 (조방-이본(Jobin-Yvon)) 및 SPEX 1000M (조방-이본)과 같은 분산 분광계를 사용하여 양호한 결과가 획득되었다. 버텍스(Vertex) 80V (브루커 옵틱스, 인크.(Bruker Optics, Inc.))와 같은 FTPL 분광계를 사용하여 양호한 결과가 또한 획득되었다. 일부 실시 형태에서, 제공된 방법 및 장치와 함께 사용하기 위한 분산 분광계를 선택할 때, 조리개 값이 f/7.5 내지 f/8과 같이 낮아야 한다. 일부 실시 형태에서, 제공된 방법 및 장치와 함께 사용하기 위한 FTPL을 선택할 때, 분해능 및 스캔 주파수가 고려되어야 한다. 예를 들어, 0.2 ㎝ 내지 1의 분해능 및 110 스펙트럼/초의 스캔 주파수에 의해 양호한 결과가 획득되었다.
일부 실시 형태에서, IR 검출기를 선택할 때, 응답도(responsivity)(광학 에너지 대 전기 에너지의 변환 척도) 및 NEP(검출기 칩에서의 잡음의 척도)가 고려되어야 한다. 관심대상의 구역(1050 내지 1150 ㎚) 내에서 대략 0.7 X 10^10 V/W의 응답도 및 4 X 10-15 W/㎐1/2의 NEP를 갖는 인듐-갈륨-비소(InGaAs) 포토다이오드(예컨대, 전자 광학 시스템)를 포함하는 검출기에 의해 양호한 결과가 획득되었다.
일부 실시 형태에서, 분산 분광계가 사용될 때, 검출기 데이터가 로크인 증폭기(lock-in-amplifier)로 송신되어, 들어오는 레이저 빔을 10 내지 15 ㎐ 사이클로 펄스화하는 쵸퍼(chopper) 주파수로 검출기 신호가 시퀀싱될 수 있다. SR810 증폭기(스탠포드 리서치(Stanford Research))에 의해 양호한 결과가 획득되었다. 로크인 증폭기는 다양한 통신 카드들 중 임의의 것을 통해 데이터를 컴퓨터로 전송한다. 어레이 베이직(Array Basic) 프로그래밍을 사용한 데이터 스크립팅을 가능하게 해주는 것과 같은 소프트웨어 시스템을 사용하여, 분광계 제어, 데이터 획득, 기기 교정, 및 데이터 처리가 달성될 수 있다. GRAMS 분광 소프트웨어를 사용하여 양호한 결과가 획득되었다. 일부 실시 형태에서, FTPL 분광계가 사용될 때, 검출기 데이터가 분광계의 획득 및 제어를 또한 동작시킬 수 있는 소프트웨어 패키지(예컨대, OPUS/IR)로 전송된다. 어레이 베이직의 사용과 같은 스크립팅 프로그램은 또한 데이터 취급, 기기 교정, 및 스펙트럼의 데이터 처리를 위해 사용될 수 있다.
샘플 내의 불순물을 검출 및 정량화하기 위해 산업에서 사용되지는 않지만, 규소 샘플의 에지로부터 45°에서의 광발광의 집광이 불순물 교정 차트를 준비하는 데 유용한 것으로 알려져 있으며, 이는 문헌[Colley et al., "Calibration of the photoluminescence technique for measuring B, P and Al concentrations in Si in the range 1012 to 1015㎝-3 using Fourier transform spectroscopy," Semicond. Sci. Technol. 2 (1987) 157-166]에 기술되어 있다. 그러나, 샘플 내의 불순물을 검출하고 정량화할 목적으로 반도체 샘플의 에지로부터의 광발광을 집광하는 것 - 여기서, 샘플은 디포커싱된 입사 레이저 빔으로 여기됨 - 은 공지되어 있지 않다.
샘플의
디포커싱된
레이저 여기
일부 실시 형태에서, 제공된 광발광 분광 시스템 및 방법은 반도체 샘플을 조사하고 여기시키기 위해 디포커싱된 레이저 빔을 사용하는 것을 수반한다. 이는 집속된 레이저 빔이 규소 샘플의 전면의 일부분 상으로 지향되는 것을 수반하는, 규소 산업에서 사용되는 종래의 광발광 분광과 대조적이다. 예를 들어, 전면의 25%가 레이저 빔으로 조사될 수 있다. 분산 적외선 분광 광도계의 경우, 높은 입사 레이저 파워가 사용되고, 푸리에 변환 기기의 경우, 더 낮은 입사 레이저 파워가 사용된다. 그러나, 둘 모두의 기기 유형으로부터 생기는 스펙트럼은 BE 피크, FE 피크 및 EHD 피크 사이의 간섭을 겪는다. 그러한 어려움을 극복하는 공지의 방법은 전형적으로 샘플 여기 에너지를 변화시키는 것을 수반한다.
본 발명의 다양한 실시 형태는 반도체 샘플의 전면의 적어도 일부분을 조사하기 위해 디포커싱된 레이저 빔을 사용함으로써 EHD 피크에 대해 BE 피크의 향상된 분해능을 허용한다. 일부 실시 형태에서, 디포커싱된 레이저 빔은 샘플의 전면의 약 50 내지 100%를 여기시킨다. 따라서, 샘플의 전면의 조사된 표면적이 약 50 내지 55%, 55 내지 60%, 60 내지 65%, 65 내지 70%, 70 내지 75%, 75 내지 80%, 80 내지 85%, 85 내지 90%, 90 내지 95%, 95 내지 100%, 및 이들의 조합일 수 있다는 것이 고려된다.
디포커싱된 레이저의 사용은 입사 레이저 파워를 감소시킬 필요 없이 감소된 여기 에너지를 허용하며, 낮아진 여기 에너지에서, BE 피크는 EHD 피크보다 스펙트럼에서 더 두드러지는 경향이 있다. TO-포논 구역에서 BE 피크 및 FE 피크의 보다 정확한 측정이 달성가능한데, 그 이유는 EHD 피크 강도의 감소에 의해 신호 대 잡음비의 증가가 일어나고, 디포커싱된 레이저 빔이 비-디포커싱된 레이저 빔에 비해 더 높은 입사 레이저 파워에서 동작하게 하기 때문이다. 게다가, 낮아진 여기 밀도를 사용하는 것은 교정 정확도 및 상이한 광발광 기기들 사이의 일관성을 향상시키는데, 그 이유는 BE 피크 대 기준 FE 피크의 로그 비를 사용하는 교정은 EHD 피크가 명백하게 되는 높은 여기 밀도에서 비선형으로 되기 때문이다.
본 발명의 다양한 실시 형태에서 디포커싱된 레이저를 사용하는 것은 디포커싱된 레이저의 공지된 사용과는 상이하다. 디포커싱된 레이저의 공지된 사용의 일례는 레이저 조정 기법의 일부로서 규소 웨이퍼 상의 조사 면적을 증가시키는 것이며, 이는 문헌[Trupke et al., "Very efficient light emission from bulk crystalline silicon," Appl. Phys. Letter, 82, no. 18, 2997 (5 May 2003)]에 기술되어 있다. 트룹케(Trupke) 등은 레이저 조사 면적을 증가시킴으로써 전면 표면을 벗어나 규소 자유 여기자 방출을 증가시키는 것을 수반하는 레이저 조정 기법을 기술하고 있으며, 여기서 증가된 조사 면적은 레이저를 디포커싱함으로써 달성된다. 트룹케의 기법과 달리, 본 명세서에 제공된 방법 및 장치는 자유 여기자 방출에 비해 불순물 구속-여기자 방출을 증가시키고, 이와 동시에, 고정된 레이저 파워를 유지하면서 전자 정공 소적 방출로부터의 간섭을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에서 디포커싱된 레이저를 사용하는 것은 불순물대 방출(포논 지원식 및 비-포논식)의 효율을 증가시키는 것을 수반하고, 자유 여기자 방출의 거동과는 무관하다. 이는 본 기법에 의해 획득된 스펙트럼에서의 FE 피크가 종래의 기법을 사용하여 획득된 스펙트럼에 대해 변화를 거의 보이지 않는다는 것에 의해 뒷받침된다. 더욱이, 트룹케의 문헌 어디에도, 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하기 위해 "에지-온" 집광 기법과 조합하여 사용되는 디포커싱된 레이저에 대한 어떠한 교시 또는 암시도 없다.
본 방법 및 장치의 일부 실시 형태에서, 디포커싱된 레이저가 방출된 광발광의 "에지-온" 집광과 조합하여 사용된다. 일부 실시 형태에서, 디포커싱된 레이저가 또한 방출된 광발광의 "스트레이트-온" 집광과 조합하여 사용될 수 있다. 사용되는 집광 기법과 상관없이, 레이저 빔의 디포커싱이 제1 가변 초점 거리를 갖는 제1 렌즈 및 제2 가변 초점 거리를 갖는 제2 렌즈 - 제1 초점 거리는 제2 초점 거리보다 작음 - 를 포함하는 광학 디포커싱 시스템에 의해 달성될 수 있지만, 그럴 것이 요구되지는 않는다. 그러한 광학 시스템의 일례가 도 3에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 시스템은 레이저로부터의 시준 입력 레이저 빔(8)을 집광하여 초점(9)에 집속시키는 제1 렌즈(7)를 포함하고, 상기 초점(9)은 제1 렌즈(7)로부터 가변 거리(F1)에 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 렌즈(7)는 입력 레이저 빔(8)을 향해 배향된 실질적으로 볼록인 면(10) 및 그 반대쪽에 있으며 초점(9)을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면(11)을 갖는 평볼록(plano-convex) 렌즈이다. 이 시스템은 또한 시준 디포커싱된 출력 빔(13)을 형성하기 위해 초점(9)에서 집속된 레이저 빔을 집광하여 확대하는 제2 렌즈(12)를 포함하고, 상기 제2 렌즈(12)는 초점(9)으로부터 가변 거리(F2)에 있다. 일부 실시 형태에서, 제2 렌즈(12)는 초점(8)을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면(14) 및 그 반대쪽에 있으며 샘플(도시되지 않음)을 향해 배향된 실질적으로 볼록인 면(15)을 갖는 평볼록 렌즈이다. 반도체 샘플을 조사하는 데 사용되는 디포커싱된 출력 빔(13)은, 입력 빔(8)과 비교하여, 주어진 면적당 감소된 강도 및 더 넓은 직경을 갖는다.
샘플 홀더
다양한 실시 형태에서, 제공된 시스템 및 방법은 반도체 샘플의 에지로부터의 광발광의 집광을 수반하고, 여기서 샘플은 광발광 분석에서 사용되는 종래의 홀더와는 상이한 제공된 샘플 홀더에 의해 분석을 위한 위치에서 보유된다.
규소 산업에서 종래의 광발광 분광은 레이저 빔을 크라이오스탯에 보유된 규소 샘플의 전면 상에 집속시키는 것을 수반하고, 여기서 샘플은 크라이오스탯 윈도우에 평행하게 배향되며, 이 윈도우를 통해 레이저 빔이 비추어지고 이 윈도우를 통해 광발광이 샘플에 평행하게 있는 집광 광학계에 의해 집광된다. 대조적으로, 본 발명의 일부 실시 형태는 샘플의 에지가 크라이오스탯 윈도우에 근접하여 위치되게 하도록 구성된 다중-샘플 홀더를 이용하며, 이 윈도우를 통해 에지 발광이 집광 광학계에 의해 집광될 수 있다. 샘플 홀더는 또한 분석 중인 샘플의 전면을 레이저 빔에 의해 조사될 수 있도록 배향시키며, 상기 배향은 집광 광학계에 평행한 위치에 대해 약 0° 내지 약 90°이다. 일부 실시 형태에서, 제공된 홀더는 샘플에 대해 상당한 변형 또는 다른 응력 없이 샘플을 보유하도록 구성된다. 일부 실시 형태에서, 제공된 홀더는 크라이오스탯 내에 보유되어 있는 액체 헬륨 또는 다른 적합한 극저온 액체에 침지될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제공된 홀더는 밀폐 사이클 냉동 시스템에 의해 냉각되는 크라이오스탯 내에 보유될 수 있다.
제공된 홀더의 일례가 도 4에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 홀더(16)는 4개의 돌출부(17)들 - 각각이 적어도 하나의 샘플(18)을 보유할 수 있음 - 을 포함한다. 그러나, 홀더(16)가 4개 미만 또는 초과의 돌출부(17)들을 가질 수 있는 것, 각각의 돌출부(17)가 1개 초과의 샘플(18)을 보유할 수 있는 것, 또는 이들의 조합이 고려된다. 예를 들어, 홀더가 2개 이상의 돌출부들을 포함할 수 있는 것, 각각의 돌출부가 1개 내지 5개의 샘플을 보유할 수 있는 것, 돌출부 상의 샘플들이 수직으로 배열될 수 있는 것, 또는 이들의 조합이 고려된다. 홀더(16)의 돌출부(17)들은 회전가능한 중심 기둥(19) 주변에 반경방향으로 구성되고, 여기서 중심 기둥(19)의 회전은 돌출부(17) 상의 샘플(18)이 광발광 분석이 일어나는 위치(즉, 샘플이 레이저 빔에 의해 조사되고 생성된 발광이 샘플 에지로부터 집광되는 위치)로 또는 그 위치로부터 회전되게 한다. 홀더(16)의 회전은 수동으로 또는 전기 모터에 의해 달성될 수 있다. 회전의 방법에 상관없이, 홀더(16)의 돌출부(17)가 분석을 위해 적절히 위치될 때, 샘플(18)의 전면(부호 없음)이 레이저 빔(도시되지 않음)에 의한 조사에 개방되어 있고, 샘플(18)의 에지(부호 없음)가 크라이오스탯(예컨대, 제니스 리서치 컴퍼니(Janis Research Company)로부터의 크라이오스탯)의 윈도우(20)에 근접해 있어, 에지 발광이 윈도우(20)를 통해 집광 광학계(21)에 의해 집광될 수 있게 한다. 일부 실시 형태에서, 홀더(16)는 수평 평면 내에서, 수직 평면 내에서, 또는 이들의 조합 내에서 이동될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제공된 홀더는, 분석을 위한 샘플을 적절히 위치시키기 위해, 수동으로 회전되거나, 수평으로 이동되거나, 수직으로 이동되거나, 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제공된 홀더는, 분석을 위한 샘플을 자동 또는 반자동 방식으로 적절히 위치시키기 위해, 기계적으로 회전되거나, 수평으로 이동되거나, 수직으로 이동되거나, 이들의 조합일 수 있다. 홀더의 중심 기둥은 하나 이상의 전기 모터와 기계적 연통 상태에 있음으로써, 모터와 홀더의 돌출부 사이의 기계적 연통을 허용할 수 있다. 서보 모터, 브러시리스 모터, 브러시형 모터, 및 스텝퍼 모터를 포함하지만 이로 한정되지 않는, 분광 시스템과 함께 사용하기에 적합한 임의의 모터가 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 일부 실시 형태에서, 마이크로프로세서와 연통 상태에 있는 전기 모터에 의해 홀더의 이동이 달성될 수 있다는 것이 고려된다. 일부 실시 형태에서, 홀더의 이동, 샘플의 조사, 및 에지 광발광의 집광이 자동화되도록, 마이크로프로세서가 전기 모터, 레이저 및 집광 광학계 중 하나 이상과 연통 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 홀더는 분석을 위해 정확한 간격(예컨대, 105°)으로 자동으로 회전될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전기 모터, 홀더 및 레이저 시스템과 연통 상태에 있는 컴퓨터가 (i) 샘플 홀더의 돌출부 상에 보유된 샘플이 에지 광발광의 분석을 위해 집광 광학계에 대해 적합하게 위치되도록 샘플 홀더를 회전시키도록, (ii) 디포커싱된 레이저를 사용하여 적합하게 위치된 샘플의 전면을 조사하도록, (iii) 샘플의 에지로부터 얻어진 에지 광발광을 집광시키도록, (iv) 홀더의 다른 돌출부 상에 보유된 샘플이 에지 광발광의 분석을 위해 집광 광학계에 대해 적합하게 위치되도록 샘플 홀더를 회전시키도록, 그리고 (v) 분석될 것이 요구되는 모든 샘플이 분석된 때까지 단계 (i) 내지 단계 (iv)를 반복하도록 프로그래밍될 수 있다는 것이 고려된다. 일부 실시 형태에서, 컴퓨터는 또한 집광 광학계와 연통 상태에 있을 수 있다.
방법
다양한 실시 형태에 따르면, 제공된 장치들 중 하나 이상의 장치를 사용하여 반도체 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 방법이 제공된다. 일부 실시 형태에서, 그러한 방법은 약 0.5 ppt 내지 약 1.5 ppt 정도로 낮은 불순물 밀도를 가지는 샘플로부터 샘플 불순물 식별자, 샘플 불순물 양, 또는 둘 모두에 대응하는 데이터를 생성할 수 있다. 따라서, 제공된 방법 및 장치는 약 0.5 내지 0.6 ppt, 0.6 내지 0.7 ppt, 0.7 내지 0.8 ppt, 0.8 내지 0.9 ppt, 0.9 내지 1.0 ppt, 1.0 내지 1.1 ppt, 1.1 내지 1.2 ppt, 1.2 내지 1.3 ppt, 1.3 내지 1.4 ppt, 1.4 내지 1.5 ppt, 및 이들의 조합의 밀도의 샘플 불순물의 분석을 허용한다.
다양한 실시 형태에서, 제공된 방법은 (i) 디포커싱된 시준 레이저 빔을 분석을 위해 위치된 반도체 샘플의 제1 표면의 적어도 일부분 상으로 지향시키는 단계 - 샘플은 실질적으로 직교인 제2 표면, 및 샘플로부터 방출된 광발광의 집광을 허용하도록 구성된 제1 및 제2 표면들의 교차점에 있는 에지를 포함함 - ; (ii) 샘플에서 집광가능한 광발광을 발생시키는 단계, (iii) 에지에서의 렌즈 초점에서 방출되는 광발광을 집광시키도록 구성된 집광 렌즈를 사용하여 샘플의 에지로부터의 광발광을 집광하는 단계; 및 샘플 불순물 식별자, 샘플 불순물 양, 또는 둘 모두에 대응하는 데이터를 집광된 광발광으로부터 생성하는 단계를 포함한다. 제공된 방법의 실시에서, 샘플이 분석을 위해 위치될 때, 그의 제1 표면이 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 약 0° 내지 90°의 편각에 있도록 배향된다.
제공된 방법의 일부 실시 형태에서, 디포커싱된 시준 레이저 빔은 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 통해 시준 입력 레이저 빔을 지향시킴으로써 형성되고, 제1 렌즈는 입력 레이저 빔을 집광하여 레이저 초점에 집속시키고 제2 렌즈는 레이저 초점에서 집속된 레이저 빔을 집광하고 확대하여 디포커싱된 빔을 형성한다. 일부 실시 형태에서, 제1 렌즈는 입력 레이저 빔을 향해 배향된 실질적으로 볼록한 면 및 레이저 초점을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면을 갖는 평볼록 렌즈이고, 제2 렌즈는 레이저 초점을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면 및 분석을 위해 위치된 샘플을 향해 배향된 실질적으로 볼록인 면을 갖는 평볼록 렌즈이다.
제공된 방법의 일부 실시 형태에서, 샘플은 회전가능한 샘플 홀더의 돌출부에 의해 보유되고, 홀더는 중심 기둥 주변에 반경방향으로 구성된 2개 이상의 돌출부를 포함하며, 각각의 돌출부는 샘플을 보유하도록 구성되고 분석을 위한 위치로 교대로 회전한다. 일부 실시 형태에서, 홀더 중심 기둥은 홀더의 회전을 야기할 수 있는 전기 모터와 기계적 연통 상태에 있다.
일부 실시 형태에서, 제공된 방법이 전기 모터, 홀더, 및 디포커싱된 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템과 연통 상태에 있는 컴퓨터에 의해 구현되며, 컴퓨터가 (i) 전기 모터가 돌출부 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 지시하도록, (ii) 디포커싱된 시준 레이저 빔이 분석을 위해 위치된 샘플의 제1 표면의 적어도 일부분을 조사하게 지시하도록, (iii) 분석을 위해 위치된 샘플의 제2 표면으로부터의 방출된 광발광을 집광하게 지시하도록, (iv) 전기 모터가 다른 돌출부 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 지시하도록, 그리고 (v) 모든 샘플들이 분석된 때까지 단계 (ii) 내지 단계 (iv)를 반복하도록 프로그래밍된다는 것이 고려된다.
일부 실시 형태에서, 컴퓨터는 CCD 어레이, 분광계, 또는 임의의 다른 적합한 검출 시스템 또는 소자와 같은 적합한 시스템 또는 소자와 연통 상태에 있을 수 있으며, 이 시스템 또는 소자에 집광된 광발광을 검출하라고 지시하도록 프로그램될 수 있다. 샘플 내에 위치된 불순물에 대응하는 데이터를 생성하기 위해, 검출된 광발광이 마이크로프로세서 또는 유사한 소자에 의해 처리될 수 있다. 데이터를 생성하기 위해 검출된 광발광을 처리하는 것은 소프트웨어 프로그램에 의해 수행될 수 있다. 생성된 데이터는 샘플 불순물 식별자, 샘플 불순물 양, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
실시예
본 발명은, 예시로 제공되고 당업자가 제한하는 것으로 의도되지 않는다고 인식할 이하의 실시예들을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
실시예 1
대략 14 ㎜ 직경 및 1 ㎜ 두께의 단결정 규소 샘플 슬라이스(slice)를 액체 헬륨 레벨에 침지시켰고, 이어서 (렉셀(Lexel) 아르곤 이온 레이저로부터의) 200 ㎽의 514.5 ㎚ 레이저 여기에 노출시켰으며, 분산 광발광 기기에서 데이터를 수집하였다.
4개의 상이한 동작 구성들을 사용하여 스펙트럼을 수집하였다. 첫째, 약 2 ㎜ 직경의 시준 레이저 빔을 샘플의 전면 상으로 비추었고, 샘플 슬라이스 표면에 평행하게 장착된 렌즈를 사용하여 광발광을 집광하였는데, 이때 샘플 표면은 집광 렌즈의 초점에 위치되었다. 둘째, 약 2 ㎜ 직경의 시준 레이저 빔을 제1 가변 초점 거리를 갖는 제1 렌즈 및 제2 가변 초점 거리를 갖는 제2 렌즈 - 제1 초점 거리는 제2 초점 거리보다 작음 - 를 포함하는 광학 디포커싱 시스템으로 지향시켰다. 디포커싱 시스템을 빠져나가는 레이저 빔은 약 7 ㎜의 직경을 가졌으며, 이 레이저 빔을 샘플의 전면 상으로 비추었고, 샘플 슬라이스 표면에 평행하게 탑재된 렌즈를 사용하여 광발광을 집광하였는데, 이때 샘플 표면은 집광 렌즈의 초점에 위치되었다. 셋째, 약 2 ㎜ 직경의 시준 레이저 빔을 샘플의 전면 상으로 비추었고, 샘플의 에지를 집광 렌즈의 초점에 배치하도록 위치된 렌즈를 사용하여 광발광을 집광하였다. 마지막으로, 약 2 ㎜ 직경의 시준 레이저 빔을 제1 가변 초점 거리를 갖는 제1 렌즈 및 제2 가변 초점 거리를 갖는 제2 렌즈 - 제1 초점 거리는 제2 초점 거리보다 작음 - 를 포함하는 광학 디포커싱 시스템으로 지향시켰다. 디포커싱 시스템을 빠져나가는 레이저 빔은 약 7 ㎜의 직경을 가졌으며, 이 레이저 빔을 샘플의 전면 상으로 비추었다. 샘플의 에지를 집광 렌즈의 초점에 배치하도록 위치된 렌즈를 사용하여 광발광을 집광하였다. 모든 동작 구성들에서, 집광 렌즈를 통해 집광된 광발광을 분산을 위해 1200 gr/㎜ 120 x 140 ㎜ 회절 격자를 사용하여 조방-이본 THR 1000 분광계에 집속시켰고, 이어서 데이터 수집을 위해 인듐-갈륨-비소 포토다이오드 검출기(전자 광학 시스템)에 집속시켰다. GRAMS 분광 소프트웨어(갈락틱 인더스트리즈 코포레이션)를 사용하여 스펙트럼 분석을 수행하였다.
표 1은 진성 규소 진동(1130.2 ㎚) 및 붕소(1134.7 ㎚)와 인(1135,5 ㎚)에 대한 횡방향 광학 진동에서의 피크 절대 강도에 대한 영향을 나타내고 있다. 모든 샘플 및 모든 불순물에 대해, 규소에 대한 자유 여기자(1130.2 ㎚) 라인에 대해 그리고 붕소(1134.7 ㎚) 및 인(1135.5 ㎚) 화학종에 대한 횡방향 광학(TO) 라인에 대한 구속 여기자 라인에 대해 샘플 피크 높이 위치에서 스펙트럼 응답을 밀리볼트 단위로 측정하였다. 에지-온 기법을 사용할 때, 이들 강도는 스트레이트-온 기법에 대해 약 11 자릿수만큼 증가하였다.
도 5 및 도 7은, 사용되는 레이저 빔 직경에 상관없이, 에지-온 광발광이 스트레이트-온 광발광보다 더 큰 피크 강도를 제공한다는 것을 보여준다. 부가적으로, 샘플 표면에 대해 디포커싱된 레이저 빔을 사용하는 것이 BE 및 EHD 구역(1130 내지 1138 ㎚)에서 향상된 스펙트럼 품질을 보여주었다. 광발광이 전면으로부터 집광된 샘플의 경우(즉, 스트레이트-온 기법), 레이저 빔을 디포커싱하는 것은 규소 진성 대역(1130.2 ㎚) 피크 강도를 약 15%만큼 떨어뜨렸지만, 샘플 표면의 더 큰 부분에 걸쳐 빔 강도를 퍼지게 하는 것은 전자-정공 소적 효과를 제거하였다(도 6 및 도 8). 광발광이 에지로부터 집광된 샘플의 경우(즉, 에지-온 기법), 레이저를 디포커싱하는 것은 또한 규소 진성 대역 강도를 감소시켰고 전자-정공 소적 효과를 제거하였다. 부가적으로, 에지-온 기법과 레이저 디포커싱 기법의 조합은 붕소(1134.7 ㎚) 및 인(1135.5 ㎚) 라인에 대한 강도에서 적절한 증가를 보여주었다.
본 발명은 본 명세서에 기술된 특정 실시예들로 제한되는 것으로 간주되는 것이 아니라, 오히려 본 발명의 모든 태양들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 수정 및 등가의 공정들뿐만 아니라 많은 구조 및 소자가 당업자에게 용이하게 명백해질 것이다. 당업자는 명세서에 기술된 것으로 제한되는 것으로 간주되어서는 안되는 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
Claims (36)
- 제1 표면, 실질적으로 직교인 제2 표면, 및 방출되어 나가는 광발광의 집광을 허용하도록 구성된 제1 표면과 제2 표면의 교차점에서의 에지(edge)를 각각 포함하는 하나 이상의 반도체 샘플들 내의 불순물을 식별하고 정량화하기 위한 광발광 분광 시스템(photoluminescence spectroscopy system)으로서,
조사되는 반도체가 광발광하게 할 수 있는 디포커싱된 레이저 빔(defocused laser beam)을 제공하도록 구성된 레이저 시스템; 및
분석을 위해 위치된 하나 이상의 반도체 샘플들의 에지에서 렌즈 초점을 갖고, 상기 초점으로부터의 방출되는 광발광을 집광시키도록 구성된 집광 렌즈를 포함하고,
광발광 분광 시스템은, 하나 이상의 반도체 샘플들이 분석을 위해 위치될 때, 그의 제1 표면이 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 0° 초과이고 90° 이하의 편각(angle of deviation)에 있게 배향되도록 구성되며,
제1 표면은 디포커싱된 레이저 빔에 의해 적어도 부분적으로 조사되도록 구성되고,
상기 디포커싱된 레이저 빔은 디포커싱된 시준(collimated) 레이저 빔이며,
상기 레이저 시스템은 디포커싱 시스템을 포함하고, 상기 디포커싱 시스템은 시준 입력 레이저 빔을 집광하여 디포커싱 시스템 내의 레이저 초점에 집속시키는 제1 렌즈, 및 상기 디포커싱된 시준 레이저 빔을 출력으로 형성하기 위해, 상기 레이저 초점에서 집속된 레이저 빔을 집광 및 확대하는 제2 렌즈를 포함하는,
광발광 분광 시스템.
- 제1항에 있어서,
레이저 시스템은 분석을 위해 위치된 샘플의 제1 표면의 50% 내지 100%를 조사하도록 구성되며,
제1 렌즈는 입력 레이저 빔을 향해 배향된 실질적으로 볼록한 면 및 레이저 초점을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면을 갖는 평볼록 렌즈이고, 제2 렌즈는 레이저 초점을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면 및 분석을 위해 위치된 샘플을 향해 배향된 실질적으로 볼록인 면을 갖는 평볼록 렌즈인
광발광 분광 시스템.
- 제1항에 있어서,
중심 기둥 주변에 반경방향으로 구성된 2개 이상의 돌출부들을 포함하는 회전가능 샘플 홀더를 포함하고, 각각의 돌출부는 반도체 샘플을 보유하도록 구성되며, 돌출부들은 분석을 위한 위치로 교대로 회전가능한
광발광 분광 시스템.
- 제3항에 있어서,
홀더 중심 기둥과 연통 상태에 있고, 홀더의 회전, 수직 이동 또는 수평 이동 중 하나 이상을 일으킬 수 있는 전기 모터; 및
전기 모터, 홀더 및 레이저 시스템과 연통 상태에 있는 컴퓨터를 포함하고,
컴퓨터는 (i) 전기 모터가 돌출부 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 하도록, (ii) 레이저 시스템이 분석을 위해 위치된 샘플의 제1 표면의 적어도 일부분을 디포커싱된 레이저 빔을 사용하여 조사하게 하도록, (iii) 분석을 위해 위치된 샘플의 제2 표면으로부터의 방출된 광발광을 집광하게 하도록, (iv) 전기 모터가 다른 돌출부 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 하도록, 그리고 (v) 모든 샘플들이 분석된 때까지 단계 (ii) 내지 단계 (iv)를 반복하도록 프로그래밍된
광발광 분광 시스템.
- 제1항에 있어서,
0.5 ppt 내지 1.5 ppt 정도로 낮은 밀도의 샘플 불순물을 식별하고 정량화하도록 구성된
광발광 분광 시스템.
- 제1항에 있어서,
편각은 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 45°인
광발광 분광 시스템.
- 반도체 샘플 내의 불순물을 식별하고 정량화하는 광발광 분광 방법으로서,
디포커싱된 레이저 빔을 분석을 위해 위치된 반도체 샘플의 실질적으로 평면인 제1 표면의 적어도 일부분 상으로 지향시키는 단계 - 샘플은 실질적으로 직교인 제2 표면, 및 샘플로부터 방출된 광발광의 집광을 허용하도록 구성된 제1 및 제2 표면들의 교차점에 있는 에지를 포함함 - ;
샘플에서 집광가능한 광발광을 발생시키는 단계;
에지에서의 렌즈 초점으로부터의 방출되는 광발광을 집광시키도록 구성된 집광 렌즈를 사용하여 샘플의 에지로부터의 광발광을 집광하는 단계;
샘플 불순물 식별자, 샘플 불순물 양, 또는 둘 모두에 대응하는 데이터를 집광된 광발광으로부터 생성하는 단계; 및
시준 입력 레이저 빔을 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 통해 지향시키는 단계를 포함하고,
제1 렌즈는 입력 레이저 빔을 집광하여 레이저 초점에 집속시키고, 제2 렌즈는 상기 레이저 초점에서 집속된 레이저 빔을 집광하고 확대하여 디포커싱된 시준 레이저 빔을 출력으로서 형성하며,
샘플이 분석을 위해 위치될 때, 그의 제1 표면이 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 0° 초과이고 90° 이하의 편각에 있도록 배향되고,
상기 디포커싱된 레이저 빔은 디포커싱된 시준 레이저 빔인,
광발광 분광 방법.
- 제7항에 있어서,
0.5 ppt 내지 1.5 ppt 정도로 낮은 불순물 밀도를 갖는 샘플로부터 데이터를 생성할 수 있는
광발광 분광 방법.
- 제7항에 있어서,
제1 렌즈는 입력 레이저 빔을 향해 배향된 실질적으로 볼록한 면 및 레이저 초점을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면을 갖는 평볼록 렌즈이고, 제2 렌즈는 레이저 초점을 향해 배향된 실질적으로 평면인 면 및 분석을 위해 위치된 샘플을 향해 배향된 실질적으로 볼록인 면을 갖는 평볼록 렌즈인
광발광 분광 방법.
- 제7항에 있어서,
디포커싱된 레이저 빔은 분석을 위해 위치된 샘플의 제1 표면의 50% 내지 100% 상으로 지향되는
광발광 분광 방법.
- 제10항에 있어서,
샘플은 회전가능한 샘플 홀더의 돌출부에 의해 보유되고, 홀더는 중심 기둥 주변에 반경방향으로 구성된 2개 이상의 돌출부를 포함하며, 각각의 돌출부는 샘플을 보유하도록 구성되고 분석을 위한 위치로 교대로 회전하고,
홀더 중심 기둥은 홀더의 회전, 수직 이동, 또는 수평 이동 중 하나 이상을 일으킬 수 있는 전기 모터와 기계적 연통 상태에 있으며,
상기 방법은 전기 모터, 홀더, 및 디포커싱된 레이저 빔을 발생시키기 위한 시스템과 연통 상태에 있는 컴퓨터에 의해 구현되며, 컴퓨터는 (i) 전기 모터가 돌출부 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 지시하도록, (ii) 디포커싱된 시준 레이저 빔이 분석을 위해 위치된 샘플의 제1 표면의 적어도 일부분을 조사하게 지시하도록, (iii) 분석을 위해 위치된 샘플의 에지로부터의 방출된 광발광을 집광하게 지시하도록, (iv) 전기 모터가 다른 돌출부 상의 샘플이 분석을 위해 위치되도록 홀더를 회전시키게 지시하도록, 그리고 (v) 모든 샘플들이 분석된 때까지 단계 (ii) 내지 단계 (iv)를 반복하도록 프로그래밍된
광발광 분광 방법.
- 제7항에 있어서,
편각은 집광 렌즈에 평행한 위치에 대해 45°인 광발광 분광 방법. - 삭제
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