KR102062701B1 - measuring device of the carrier lifetime of semiconductor using quasi-optical millimeter and terahertz and method thereof - Google Patents

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Abstract

실시 예는 반도체 시료에 상기 반도체 시료의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하는 여기광원; 100GHz 내지 1THz의 광을 생성하는 광원; 상기 광을 가우시안 빔으로 변조하는 제1 안테나; 상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료에서 상기 여기광이 조사된 영역으로 제공하는 미러부; 상기 미러부를 통과한 가우시안 빔이 통과하며 상기 가우시안 빔의 왜곡을 감소시키는 제2 안테나; 및 상기 제2 안테나를 통과한 상기 가우시안 빔의 강도를 검출하는 검출부;를 포함하는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치를 개시한다.Embodiments include an excitation light source for irradiating a semiconductor sample with excitation light having energy above a bandgap of the semiconductor sample; A light source for generating light of 100 GHz to 1 THz; A first antenna for modulating the light into a Gaussian beam; A mirror unit configured to provide the Gaussian beam to a region irradiated with the excitation light from the semiconductor sample; A second antenna through which the Gaussian beam passing through the mirror portion passes and reduces distortion of the Gaussian beam; And a detector configured to detect the intensity of the Gaussian beam passing through the second antenna. The semiconductor carrier lifetime measuring apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz wave is disclosed.

Description

준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치 및 그 방법{measuring device of the carrier lifetime of semiconductor using quasi-optical millimeter and terahertz and method thereof}Measuring device of the carrier lifetime of semiconductor using quasi-optical millimeter and terahertz and method approximate method of semi-optical millimeter and terahertz wave

실시예는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치 및 그 방법에 관한 발명이다.The embodiment relates to a semiconductor carrier lifetime measuring apparatus and method using a semi-optical millimeter and terahertz wave.

캐리어 수명은 실리콘(Si) 웨이퍼와 같은 반도체 재료의 전체 품질의 양호한 척도이다. 다수의 웨이퍼 처리 단계(예를 들어 수백개 이상의 단계) 및 900℃이상의 어닐링에서와 같은 열 사이클링 후에, 공정에 의한 결함은 웨이퍼상에 조립되는 소자에 응집되어 발생된다. 이 경우, 소자에서 캐리어 수명은 어느 정도 감소한다. 캐리어의 재결합 특성은 Si 및 실리콘 이중막 웨이퍼(SOI)의 기본적인 전기적 특성을 결정하고 여러 가지 Si 및 SOI 소자의 성능을 제어한다. 따라서 상기와 같은 소자의 캐리어 재결합 특성을 쉽고, 정확하고 비파괴적으로 측정하는 것이 요구된다.Carrier life is a good measure of the overall quality of semiconductor materials such as silicon (Si) wafers. After a number of wafer processing steps (e.g., hundreds of steps or more) and thermal cycling, such as in annealing above 900 ° C, defects due to the process are generated by agglomerating to the devices assembled on the wafer. In this case, the carrier life in the device is somewhat reduced. The recombination properties of the carriers determine the basic electrical properties of Si and silicon bilayer wafers (SOI) and control the performance of various Si and SOI devices. Therefore, there is a need for easy, accurate and non-destructive measurement of carrier recombination properties of such devices.

종래의 기술인, u-PCD 측정법의 경우에는 주파수 특성상 캐리어 수명 측정의 제안이 있으며, 샘플 조건의 한계가 있고, 감도가 낮은 문제점이 있다.In the prior art, in the u-PCD measurement method, there is a proposal of carrier life measurement due to frequency characteristics, a limitation of sample conditions, and a low sensitivity.

실시 예는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명을 측정하는 장치 및 그 방법를 제공한다.The embodiment provides an apparatus and method for measuring semiconductor carrier lifetime using quasi-optical millimeters and terahertz waves.

또한, 높은 감도에서 정밀하게 측정하는 측정 장치 및 방법을 제공한다.The present invention also provides a measuring apparatus and method for precisely measuring at high sensitivity.

실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.The problem to be solved in the examples is not limited thereto, and the object or effect that can be grasped from the solution means or the embodiment described below will also be included.

실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 반도체 시료에 상기 반도체 시료의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하는 여기광원; 100GHz 내지 1THz의 광을 생성하는 광원; 상기 광을 가우시안 빔으로 변조하는 제1 안테나; 상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료에서 상기 여기광이 조사된 영역으로 제공하는 미러부; 상기 미러부를 통과한 가우시안 빔이 통과하며 상기 가우시안 빔의 왜곡을 감소시키는 제2 안테나; 및 상기 제2 안테나를 통과한 상기 가우시안 빔의 강도를 검출하는 검출부;를 포함한다.An apparatus for measuring lifetime of a semiconductor carrier using a quasi-optical millimeter and terahertz wave according to an embodiment includes: an excitation light source irradiating a semiconductor sample with excitation light having energy greater than or equal to a band gap of the semiconductor sample; A light source for generating light of 100 GHz to 1 THz; A first antenna for modulating the light into a Gaussian beam; A mirror unit configured to provide the Gaussian beam to a region irradiated with the excitation light from the semiconductor sample; A second antenna through which the Gaussian beam passing through the mirror unit passes and reduces distortion of the Gaussian beam; And a detector configured to detect the intensity of the Gaussian beam passing through the second antenna.

상기 미러부는,The mirror unit,

상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료로 집광하는 제1 미러; 및 상기 반도체 시료를 기준으로 상기 제1 미러에 대칭하게 배치되는 제2 미러를 포함할 수 있다.A first mirror for condensing the Gaussian beam with the semiconductor sample; And a second mirror symmetrically disposed on the first mirror based on the semiconductor sample.

상기 제2 미러는 상기 반도체 시료를 투과한 상기 가우시안 빔을 상기 제2 안테나로 반사할 수 있다.The second mirror may reflect the Gaussian beam that has passed through the semiconductor sample to the second antenna.

상기 여기광의 조사 시 상기 가우시안 빔은 상기 반도체 시료에서 반사될 수 있다.When the excitation light is irradiated, the Gaussian beam may be reflected from the semiconductor sample.

상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 동일한 형상일 수 있다.The first antenna and the second antenna may have the same shape.

상기 광원의 주파수가 커질수록 상기 반도체 시료에서 상기 가우시안 빔이 집광되는 면적이 감소할 수 있다.As the frequency of the light source increases, an area in which the Gaussian beam is collected in the semiconductor sample may decrease.

상기 광의 감도를 수신하는 관리부;를 더 포함하고, 상기 관리부는 상기 광의 강도를 이용하여 캐리어의 수명을 산출할 수 있다.The management unit may further include a management unit configured to receive the sensitivity of the light, and the management unit may calculate the life of the carrier using the intensity of the light.

상기 광의 강도는 상기 여기광이 상기 반도체 시료에 조사되지 않는 상태에서 측정될 수 있다.The intensity of the light may be measured in a state where the excitation light is not irradiated onto the semiconductor sample.

상기 반도체 시료는 상기 여기광에 의해 여기되고, 상기 광의 강도는 상기 여기된 반도체 시료의 광 전도성 감쇠 비율에 따를 수 있다.The semiconductor sample is excited by the excitation light, and the intensity of the light may be in accordance with the optical conductivity attenuation ratio of the excited semiconductor sample.

실시예에 따른 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 방법은 여기광을 반도체 시료에 가하고, 광원에서 100GHz 내지 1THz의 광을 생성하는 단계; 상기 광을 가우시안 빔으로 변조하는 단계; 상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료에서 상기 여기광이 조사된 영역으로 제공하는 단계; 및 상기 상기 반도체 시료에 조사하지 않고, 상기 반도체 시료를 통과한 상기 가우시안 빔의 강도를 검출하는 단계;를 포함한다.According to an exemplary embodiment, a method of measuring lifetime of a semiconductor carrier using a quasi-optical millimeter and terahertz wave may include applying excitation light to a semiconductor sample and generating light of 100 GHz to 1 THz from a light source; Modulating the light into a Gaussian beam; Providing the Gaussian beam to a region irradiated with the excitation light in the semiconductor sample; And detecting the intensity of the Gaussian beam that has passed through the semiconductor sample without irradiating the semiconductor sample.

실시 예에 따르면, 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명을 측정하는 장치 및 그 방법을 구현할 수 있다.According to an embodiment, an apparatus and method for measuring a semiconductor carrier life using a quasi-optical millimeter and terahertz wave can be implemented.

또한, 높은 감도에서 정밀하게 측정하는 측정 장치 및 방법을 구현할 수 있다.In addition, it is possible to implement a measuring device and method for precisely measuring at high sensitivity.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and advantageous advantages and effects of the present invention are not limited to the above description, and will be more readily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.

도 1a는 반도체 시료의 두께에 따른 주파수별 반사도를 나타낸 도면이고,
도 1b는 반도체 시료의 도핑 농도에 따른 주파수별 반사도를 나타낸 도면이고,
도 2은 실시 예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치의 블록도이고,
도 3은 여기광의 온(도 3a) 또는 오프(도 3b)에 따른 가우시안 빔의 경로 차이를 도시한 도면이고,
도 4는 여기광이 온/오프된 경우 반도체 시료 상의 투과율을 도시한 도면이고,
도 5는 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치에서 주파수에 따른 반도체 시료의 투과율을 도시한 도면이고,
도 6은 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치에 의한 2D 매핑 이미지를 도시한 도면이다.1A is a view showing reflectivity for each frequency according to the thickness of a semiconductor sample,
FIG. 1B is a diagram showing reflectivity for each frequency according to the doping concentration of a semiconductor sample.
2 is a block diagram of a semiconductor carrier life measurement apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz wave according to an embodiment;
3 is a diagram illustrating a path difference of a Gaussian beam according to on (FIG. 3a) or off (FIG. 3b) of excitation light.
4 is a view showing transmittance on a semiconductor sample when the excitation light is turned on / off,
5 is a view showing transmittance of a semiconductor sample according to frequency in a semiconductor carrier lifetime measuring apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz wave according to an embodiment;
FIG. 6 is a diagram illustrating a 2D mapping image by a semiconductor carrier lifetime measuring apparatus using a quasi-optical millimeter and terahertz wave according to an embodiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated and described in the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms including ordinal numbers, such as second and first, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component. The term and / or includes a combination of a plurality of related items or any item of a plurality of related items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or corresponding components will be given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.

실시예예 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 광 전도 감쇠 시간의 비접촉식 측정을 위한 방법을 사용한다. 예컨대, 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 주입 레벨 또는 도핑 밀도에 따른 샘플 선택의 측면에서 제한적일 수 있으나, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 이 문제를 해결하고 측정 감도를 향상시킬 수 있다. Embodiments An apparatus for measuring lifetime of a semiconductor carrier using a quasi-optical millimeter and terahertz wave uses a method for contactless measurement of light conduction decay time. For example, the semiconductor carrier life measurement device may be limited in terms of sample selection according to the injection level or doping density, but the semiconductor carrier life measurement device using the quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment solves this problem and the measurement sensitivity. Can improve.

실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 드루이드-제너 (Drude-Zener) 모델을 기반으로 초기 과잉 캐리어 (initial excess carrier) 밀도 및 캐리어 수명을 찾기 위해 반도체인 실리콘(semi-insulating silicon, Si) 웨이퍼를 사용한다. 다만, 이러한 종류에 한정되는 것은 아니다.The semiconductor carrier life measurement apparatus using a quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment is based on the Drude-Zener model to find the initial excess carrier density and carrier life of silicon (silicon) Semi-insulating silicon (Si) wafers are used. However, it is not limited to this kind.

그리고 초기 잉여 캐리어 밀도(initial excess carrier)와 캐리어 수명은 반도체 실리콘 웨이퍼 (두께 460μm)에서 각각 1.5×1015cm- 3와 30.6μs로 측정되었다. 그리고 반도체 실리콘 웨이퍼의 감쇠 시간에 대한 2D 면적 측정이 실험적으로 얻어진다. 그리고 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 광전지 태양 전지 및 전력 전자 분야 등에 적용될 수 있다. 그리고 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 반도체 웨이퍼에 대해보다 신뢰성 있고 민감한 캐리어 수명 측정 데이터를 제공 할 수 있다.The initial excess carrier density and carrier lifetime were measured to be 1.5 × 10 15 cm - 3 and 30.6 µs on a semiconductor silicon wafer (thickness 460 µm), respectively. And 2D area measurement with respect to the decay time of a semiconductor silicon wafer is experimentally obtained. In addition, the apparatus for measuring a semiconductor carrier life using a quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment may be applied to photovoltaic solar cells and power electronics. In addition, the semiconductor carrier life measurement apparatus using the semi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment may provide more reliable and sensitive carrier life measurement data for the semiconductor wafer.

현재까지 다양한 방법이 캐리어 수명 등을 측정하기 위해 사용되었다. 다만, 입력된 신호()의 크기(면적)가 광 여기에 대한 레이저 크기(면적)보다 상대적으로 큰 한계가 존재한다. 이는 영역 매핑을 위한 신호의 감도를 제한한다. 그리고 높은 도핑 레벨과 두꺼운 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼에서 신호의 투과가 감소하는 한계가 존재한다. To date, various methods have been used to measure carrier life and the like. However, there is a limit in which the magnitude (area) of the input signal is relatively larger than the laser magnitude (area) for optical excitation. This limits the sensitivity of the signal for region mapping. In addition, there is a limit in reducing the transmission of a signal in a silicon wafer having a high doping level and a thick thickness.

도 1a는 반도체 시료의 두께에 따른 주파수별 반사도를 나타낸 도면이고, 도 1b는 반도체 시료의 도핑 농도에 따른 주파수별 반사도를 나타낸 도면이다.FIG. 1A is a diagram illustrating reflectivity by frequency according to a thickness of a semiconductor sample, and FIG. 1B is a diagram illustrating reflectance by frequency according to a doping concentration of a semiconductor sample.

도 1a를 참조하면, 반도체 시료는 실리콘 웨이퍼이며, 다양한 두께(100㎛, 300㎛, 500㎛, 1000㎛)에 대해 실리콘 웨이퍼의 횡파(TE) 반사율을 나타낸다 도핑 밀도: 1015cm-3, 두께: 100-1000μm, 유전율: 11.65). 즉, 마이크로파 영역에서, 실리콘 웨이퍼의 반사율은 샘플 두께에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 1b를 참조하면, 반도체는 도핑 농도가 높아 질수록 마이크로파 영역에서 반사도가 증가함을 알 수 있다(도핑 밀도: 1014-1017 cm-3, 두께: 300μm 및 유전율: 11.65 ). 이로써, 도핑 농도가 높거나 두께가 두꺼운 반도체 시료의 경우 반사도와 전도도가 비선형으로 되어 측정 데이터에 왜곡이 발생하고, 광전도 감쇠율의 정확도도 감소할 수 있다.Referring to FIG. 1A, the semiconductor sample is a silicon wafer, which shows the transverse wave (TE) reflectivity of the silicon wafer for various thicknesses (100 μm, 300 μm, 500 μm, 1000 μm) Doping density: 10 15 cm −3 , thickness : 100-1000 μm, dielectric constant: 11.65). That is, in the microwave region, it can be seen that the reflectance of the silicon wafer increases with the sample thickness. In addition, referring to FIG. 1B, as the doping concentration increases, the reflectivity of the semiconductor increases in the microwave region (doping density: 10 14 -10 17 cm -3 , thickness: 300 μm, and dielectric constant: 11.65). As a result, in the case of a semiconductor sample having a high doping concentration or a thick thickness, the reflectivity and conductivity are nonlinear, thereby causing distortion in the measurement data, and reducing the accuracy of the photoconductive attenuation rate.

이와 달리, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 제너-드루이드(Zener-Drude) 모델을 기반으로 (시분해(time-resolved)) 투과율과 반사도를 측정하므로, 웨이퍼의 두께가 두껍거나 도핑 농도가 높은 경우에도 용이하게 반도체 캐리어 수명을 측정할 수 있다. In contrast, the semiconductor carrier life measurement apparatus using the semi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment measures the transmittance and reflectivity (time-resolved) based on the Zener-Drude model. Even when the wafer is thick or has a high doping concentration, the semiconductor carrier life can be easily measured.

또한, 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 이하 설명하는 바와 같이 가우시안 빔을 이용하여, 주파수를 증가시키거나 감소시켜 가우시안 빔의 웨이스트(waist)의 크기를 조절하여 반도체 시료 및 검출기에 전송할 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 공간적 제약을 개선할 수 있다.In addition, the apparatus for measuring the semiconductor carrier life using a semi-optical millimeter and terahertz wave uses a Gaussian beam to increase or decrease the frequency to adjust the waist size of the Gaussian beam as described below. Can be sent to the detector. As a result, the semiconductor carrier life measurement apparatus using the quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment can improve the spatial constraints.

도 2은 실시 예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치의 블록도이고, 도 3은 여기광의 온(도 3a) 또는 오프(도 3b)에 따른 가우시안 빔의 경로 차이를 도시한 도면이고, 도 4는 여기광이 온/오프된 경우 반도체 시료 상의 투과율을 도시한 도면이고, 도 5는 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치에서 주파수에 따른 반도체 시료의 투과율을 도시한 도면이고, 도 6은 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치에 의한 2D 매핑 이미지를 도시한 도면이다.FIG. 2 is a block diagram of a semiconductor carrier lifetime measuring apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz wave according to an embodiment, and FIG. 3 illustrates a path difference of a Gaussian beam according to on (FIG. 3a) or off (FIG. 3b) of excitation light. 4 is a diagram illustrating transmittance on a semiconductor sample when the excitation light is turned on and off, and FIG. 5 is a graph showing a frequency in a semiconductor carrier life measurement apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz wave according to an embodiment. FIG. 6 is a diagram illustrating transmittance of a semiconductor sample, and FIG. 6 is a diagram illustrating a 2D mapping image by a semiconductor carrier lifetime measuring apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz waves according to an embodiment.

먼저, 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 광원(11), 증폭기(12), 제1 안테나(13), 미러부(14), 제2 안테나(16), 검출부(17) 및 관리부(18)를 포함할 수 있다.First, referring to FIG. 2, the apparatus for measuring the lifetime of a semiconductor carrier using a quasi-optical millimeter and terahertz wave according to an embodiment includes a light source 11, an amplifier 12, a first antenna 13, a mirror unit 14, The second antenna 16 may include a detector 17 and a manager 18.

먼저, 광원(11)은 100GHz 내지 1THz의 광을 생성할 수 있다. 광원(11)은 중고 계측기(Vector Network Analyzer, VNA)를 포함할 수 있다. 다만, 이러한 종류에 한정되는 것은 아니다.First, the light source 11 may generate light of 100 GHz to 1 THz. The light source 11 may include a used network (Vector Network Analyzer, VNA). However, it is not limited to this kind.

증폭기(12)는 광원(11)의 후단에 배치될 수 있다. 예컨대, 증폭기(12)는 광원(11)가 제1 안테나(13) 사이에 배치될 수 있다. 광원(11)으로부터 생성된 광은 도파관(미도시됨)을 통해 증폭기(12)로 제공될 수 있다. 증폭기(12)는 광원(11)으로부터 생성된 광의 크기(amplitude)를 증폭시킬 수 있다.The amplifier 12 may be disposed at the rear end of the light source 11. For example, the amplifier 12 may include a light source 11 disposed between the first antennas 13. Light generated from light source 11 may be provided to amplifier 12 through a waveguide (not shown). The amplifier 12 may amplify the amplitude of the light generated from the light source 11.

제1 안테나(13)는 증폭기(12) 후단에 배치될 수 있다. 제1 안테나(13)는 미러부(14)의 제1 미러(14-1)와 증폭기(12) 사이에 배치될 수 있다.The first antenna 13 may be disposed after the amplifier 12. The first antenna 13 may be disposed between the first mirror 14-1 of the mirror unit 14 and the amplifier 12.

제1 안테나(13)는 골진 혼 안테나(Corrugated horn antenna)를 포함할 수 있다. 제1 안테나(13)는 광원(12)을 통해 생성된 광을 가우시안 빔으로 변조할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 가우시안 빔을 이용할 수 있다. 이에 따라, 주파수의 증가에 따라 가우시안 빔의 웨이스트(waist)의 크기를 작게 조절하여, 반도체 시료에 여기된 광의 면적보다 제1 미러(14-1)에서 반사되어 반도체 시료에 집광된 광의 면적이 작도로 조절할 수 있다. 예컨대, 실시예에 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 광의 웨이스트(waist)가 7mm 내지 9mm일 수 있다.The first antenna 13 may include a corrugated horn antenna. The first antenna 13 may modulate the light generated through the light source 12 into a Gaussian beam. According to this configuration, the semiconductor carrier life measurement apparatus using the quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment may use a Gaussian beam. Accordingly, as the frequency increases, the size of the waist of the Gaussian beam is adjusted to be smaller, so that the area of light reflected by the first mirror 14-1 and focused on the semiconductor sample is smaller than the area of light excited on the semiconductor sample. Can be adjusted with. For example, the semiconductor carrier life measurement apparatus using the quasi-optical millimeter and terahertz wave in the embodiment may have a waste of light of 7mm to 9mm.

미러부(14)는 가우시안 빔을 반도체 시료에서 여기광이 조사된 영역으로 제공할 수 있다.The mirror unit 14 may provide a Gaussian beam to a region irradiated with excitation light from a semiconductor sample.

그리고 미러부(14)는 제1 미러(14-1) 및 제2 미러(14-2)를 포함할 수 있다. 먼저, 제1 미러(14-1)는 제1 안테나(13)에서 변조된 가우시안 빔을 반도체 시료(2)로 집광할 수 있다. The mirror unit 14 may include a first mirror 14-1 and a second mirror 14-2. First, the first mirror 14-1 may condense the Gaussian beam modulated by the first antenna 13 into the semiconductor sample 2.

제2 미러(14-2)는 반도체 시료(2)를 통과한 광의 왜곡을 감소할 수 있다. 제2 미러(14-2)는 반도체 시료(2)를 투과한 가우시안 빔을 제2 안테나(16)으로 반사할 수 있다. The second mirror 14-2 may reduce the distortion of the light passing through the semiconductor sample 2. The second mirror 14-2 may reflect the Gaussian beam transmitted through the semiconductor sample 2 to the second antenna 16.

반도체 시료(2)는 제1 미러(14-1)와 제2 미러(14-2) 사이에 배치될 수 있다. 이로써, 제1 미러(14-1)를 통과하여 집광된 광이 반도체 시료(2)에 조사될 수 있다. The semiconductor sample 2 may be disposed between the first mirror 14-1 and the second mirror 14-2. As a result, the light collected through the first mirror 14-1 can be irradiated to the semiconductor sample 2.

반도체 시료(2)는 앞서 설명한 바와 같이 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 다만, 이러한 종류에 한정되는 것은 아니다. 실리콘 웨이퍼는 다양한 두께와 도핑 농도, 유전율 등을 가질 수 있다. 반도체 시료(2)는 여기광원(15)에 의해 여기(excited)될 수 있다. 예컨대, 여기광원(15)은 반도체 시료(2)의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 반도체 시료에 조사할 수 있다. 여기광원(15)은 반도체 시료(2)의 미소 영역에 여기광을 조사하여, 반도체 시료(2)의 미소 영역에 여기 캐리어를 발생시킬 수 있다. 예컨대, 여기광원(15)은 Nd:YAG 레이저를 포함할 수 있다. 여기광원(15)은 532nm 파장의 광을 제공할 수 있다. 여기광원(15)은 15ns 내지 18ns의 주기를 갖는 펄스파의 여기광을 생성할 수 있다. 다만, 이러한 종류에 한정되는 것은 아니다.The semiconductor sample 2 may be a silicon wafer as described above. However, it is not limited to this kind. Silicon wafers can have various thicknesses, doping concentrations, dielectric constants, and the like. The semiconductor sample 2 may be excited by the excitation light source 15. For example, the excitation light source 15 can irradiate the semiconductor sample with excitation light having energy above the bandgap of the semiconductor sample 2. The excitation light source 15 can irradiate excitation light to the micro region of the semiconductor sample 2 to generate excitation carriers in the micro region of the semiconductor sample 2. For example, the excitation light source 15 may include an Nd: YAG laser. The excitation light source 15 may provide light of 532 nm wavelength. The excitation light source 15 may generate excitation light of pulse waves having a period of 15 ns to 18 ns. However, it is not limited to this kind.

이에 따라, 반도체 시료(2)는 광에 대한 반사율 및 흡수율이 증가할 수 있다. 이에 따라, 반도체 시료(2)는 조사된 가우시안 빔을 흡수할 수 있다.Accordingly, the semiconductor sample 2 may increase the reflectance and the absorbance of light. Accordingly, the semiconductor sample 2 can absorb the irradiated Gaussian beam.

또한, 미소 영역은 제1 미러(14-1)를 통해 집광된 광의 면적보다 작을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 앞서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 광원(11)의 주파수를 조절하여 제1 미러(14-1)를 통과한 가우시안 빔이 미소 영역 내에 집광되도록 제어할 수 있다.In addition, the micro area may be smaller than the area of the light focused through the first mirror 14-1, but is not limited thereto. As described above, in the semiconductor carrier life measurement apparatus using the quasi-optical millimeter and the terahertz wave according to the embodiment, the Gaussian beam passing through the first mirror 14-1 by adjusting the frequency of the light source 11 is in the micro area. It can be controlled to focus.

또한, 제1 미러(14-1)는 반도체 시료(2)를 기준으로 제2 미러(14-2)와 대칭하게 배치될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 미러(14-1)과 제2 미러(14-2)는 위상 천이가 감소되어 가우시안 빔의 왜곡을 감소시킬 수 있다. In addition, the first mirror 14-1 may be disposed symmetrically with the second mirror 14-2 with respect to the semiconductor sample 2. With this configuration, the phase shift of the first mirror 14-1 and the second mirror 14-2 can be reduced to reduce distortion of the Gaussian beam.

광의 직전성에 의해 반사 된 광이 교차되어 왜곡을 발생할 수 있으므로, 제1 미러(14-1)와 제2 미러(14-2)는 비축(off-axis)로 배치될 수 있다. 이로써, 반사된 가우시안 빔이 입사된 가우시안 빔과 동일한 방식으로 편광되어, 왜곡이 감소할 수 있다.Since the reflected light may intersect due to the directivity of the light, the first mirror 14-1 and the second mirror 14-2 may be disposed off-axis. In this way, the reflected Gaussian beam is polarized in the same manner as the incident Gaussian beam, so that the distortion can be reduced.

제2 미러(14-2)는 반도체 시료(2)를 투과한 가우시안 빔을 제2 안테나(16)로 반사할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제2 미러(14-2)는 제1 미러(14-1)와 반도체 시료(2)를 기준으로 제1 미러(14-1)과 대칭하게 배치되고, 동일한 형상일 수 있다.The second mirror 14-2 may reflect the Gaussian beam transmitted through the semiconductor sample 2 to the second antenna 16. As described above, the second mirror 14-2 may be symmetrically disposed with respect to the first mirror 14-1 based on the first mirror 14-1 and the semiconductor sample 2, and may have the same shape. .

제2 안테나(16)는 제2 미러(14-2)에서 반사된 가우시안 빔의 경로 상에 배치될 수 있다. 제2 안테나(16)는 제1 안테나(13)와 마찬가지로 골진 혼 안테나(Corrugated horn antenna)를 포함할 수 있다. 제2 안테나(16)는 제1 안테나(13)와 동일한 형상일 수 있다. 그리고 제2 안테나(16)는 제1 안테나(13)와 반도체 시료(2)를 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다.The second antenna 16 may be disposed on the path of the Gaussian beam reflected from the second mirror 14-2. Like the first antenna 13, the second antenna 16 may include a corrugated horn antenna. The second antenna 16 may have the same shape as the first antenna 13. The second antenna 16 may be disposed symmetrically with respect to the first antenna 13 and the semiconductor sample 2.

검출부(17)은 제2 안테나(16)를 통과한 가우시안 빔을 수광할 수 있다. 예컨대, 검출부(17)는 다이오드를 포함할 수 있다. 예컨대, 검출부(17)는 쇼트키 다이오드(schottky diode)를 포함할 수 있다.The detector 17 may receive a Gaussian beam that has passed through the second antenna 16. For example, the detector 17 may include a diode. For example, the detector 17 may include a schottky diode.

검출부(17)는 검출된 검출 파형을 관리부(18)로 전송할 수 있다. 검출부(17)는 반도체 시료(2)를 투과한 가우시안 빔의 강도를 검출할 수 있다.The detector 17 may transmit the detected detection waveform to the management unit 18. The detector 17 may detect the intensity of the Gaussian beam that has passed through the semiconductor sample 2.

관리부(18)는 검출 파형을 해석할 수 있다. 예컨대, 관리부(18)는 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 그리고 관리부(18)는 검출 파형을 이용하여 매핑 측정을 통해 반도체 시료(2)의 결함도을 판단할 수 있다. 뿐만 아니라, 관리부(18)는 앞서 설명한 바와 같이 초기 잉여 캐리어 밀도(initial excess carrier) 및 캐리어의 수명을 측정할 수 있다.The management unit 18 can analyze the detected waveform. For example, the management unit 18 may include a computer or the like. In addition, the manager 18 may determine the degree of defect of the semiconductor sample 2 through mapping measurement using the detection waveform. In addition, the manager 18 may measure the initial excess carrier density and the life of the carrier as described above.

즉, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 시간 영역에서 복소 유전체 함수를 구하면 앞서 설명한 바와 같이 제너 드루이드 모델 기반으로 투과율 및 반사율을 검출할 수 있다. 그리고 캐리어 밀도의 감쇠 모델은 상기 투과율 및 반사율에 의해 설정될 수 있다. 그리고 자유 캐리어는 전자와 정공으로 이루어진다. That is, in the semiconductor carrier lifetime measuring apparatus using the quasi-optical millimeter and the terahertz wave according to the embodiment, when the complex dielectric function is obtained in the time domain, the transmittance and the reflectance may be detected based on the Zener druid model as described above. And the attenuation model of the carrier density can be set by the transmittance and reflectance. The free carrier consists of electrons and holes.

그리고 여기서, 복소 유전 함수는 아래 수학식 1과 같이 정의 할 수 있다.Here, the complex genetic function may be defined as in Equation 1 below.

Figure 112017123070195-pat00001
Figure 112017123070195-pat00001

여기서,

Figure 112017123070195-pat00002
와
Figure 112017123070195-pat00003
는 각각 전자와 정공의 플라즈마 주파수이다. 그리고
Figure 112017123070195-pat00004
Figure 112017123070195-pat00005
이다. (
Figure 112017123070195-pat00006
는 전자 이동도(electron drift mobility),
Figure 112017123070195-pat00007
는 홀 이동도(hole drift mobility),
Figure 112017123070195-pat00008
는 전자 붕괴 주파수(collision frequency of electrons),
Figure 112017123070195-pat00009
는 홀 붕괴 주파수(collision frequency of holes),
Figure 112017123070195-pat00010
는 전자 캐리어 수명(carrier lifetime of electrons),
Figure 112017123070195-pat00011
는 홀 캐리어 수명(carrier lifetime of holes),
Figure 112017123070195-pat00012
홀의 유효 질량,
Figure 112017123070195-pat00013
은 캐리어 밀도(carrier density),
Figure 112017123070195-pat00014
는 각 주파수(angular frequency),
Figure 112017123070195-pat00015
는 물질의 유전상수(dielectric constant),
Figure 112017123070195-pat00016
는 전기전도도)here,
Figure 112017123070195-pat00002
Wow
Figure 112017123070195-pat00003
Are the plasma frequencies of electrons and holes, respectively. And
Figure 112017123070195-pat00004
Figure 112017123070195-pat00005
to be. (
Figure 112017123070195-pat00006
Electron drift mobility,
Figure 112017123070195-pat00007
Hole drift mobility,
Figure 112017123070195-pat00008
Is the collision frequency of electrons,
Figure 112017123070195-pat00009
Is the collision frequency of holes,
Figure 112017123070195-pat00010
Is the carrier lifetime of electrons,
Figure 112017123070195-pat00011
Is the carrier lifetime of holes,
Figure 112017123070195-pat00012
Effective mass of holes,
Figure 112017123070195-pat00013
Is the carrier density,
Figure 112017123070195-pat00014
Is the angular frequency,
Figure 112017123070195-pat00015
Is the dielectric constant of the material,
Figure 112017123070195-pat00016
Is the conductivity)

전기전도도(

Figure 112017123070195-pat00017
)는 아래의 복소 식에 의해 얻어진다.Electrical conductivity
Figure 112017123070195-pat00017
) Is obtained by the following complex expression.

Figure 112017123070195-pat00018
Figure 112017123070195-pat00018

여기서,

Figure 112017123070195-pat00019
는 dc 전기 전도도이다. here,
Figure 112017123070195-pat00019
Is the dc electrical conductivity.

수학식 1과 수학식 2로부터 굴절률(refractive index)인

Figure 112017123070195-pat00020
과 감쇠 지수(attenuation index)
Figure 112017123070195-pat00021
가 반도체 시료로부터 아래 수학식 3과 같이 얻어질 수 있다.From the equations 1 and 2 the refractive index (refractive index)
Figure 112017123070195-pat00020
And attenuation index
Figure 112017123070195-pat00021
Can be obtained from the semiconductor sample as shown in Equation 3 below.

Figure 112017123070195-pat00022
Figure 112017123070195-pat00022

여기서,

Figure 112017123070195-pat00023
와
Figure 112017123070195-pat00024
는 각각 복소 유전 함수의 실수와 복소수 영역이다. 이와 같이, dc 전기전도도의 변화는 굴절률과 감쇠 상수에 영향을 준다. 이에 따라, 미소영역에 여기광이 가해지는 경우 반도체 시료는 전기전도도, 반사율 및 흡수율이 증가하여 제1 미러에 의해 반도체 시료에 가우시안 빔이 반도체 시료를 투과하지 못한다. (도 3(b) 및 도 4에서 여기광 온(on)) 이 경우, 앞선 수학식 3에 따라 굴절률과 감쇠 상수도 변화한다. 이후에, 여기광이 가해지지 않는 경우, 제2 미러와 제2 안테나를 통해 검출기로 수광되는 광은 캐리어 재결합에 의해 여기광이 가해지기 전의 상태로 점차 증가할 수 있다.(도 3(a) 및 도 4에서 여기광 오프(off) 이후) 또한, 도 4에서 측정값은 이하 설명하는 실시예에 따라 실험한 값이고, 이론모델은 감쇠 모델 및 수학식 1 내지 수학식 6을 적용한 값이다here,
Figure 112017123070195-pat00023
Wow
Figure 112017123070195-pat00024
Are the real and complex domains of the complex genetic functions, respectively. As such, the change in dc electrical conductivity affects the refractive index and the attenuation constant. Accordingly, when the excitation light is applied to the micro-regions, the electrical conductivity, reflectance, and absorption rate of the semiconductor sample increase, and thus the Gaussian beam does not penetrate the semiconductor sample by the first mirror. (Excitation light on in FIGS. 3B and 4) In this case, the refractive index and the attenuation constant also change according to the above equation (3). Thereafter, when no excitation light is applied, the light received by the detector through the second mirror and the second antenna may gradually increase to the state before the excitation light is applied by carrier recombination (Fig. 3 (a)). And after the excitation light is turned off in FIG. 4) In addition, the measured value in FIG. 4 is an experimental value according to the embodiment described below, and the theoretical model is a value obtained by applying the damping model and Equations 1 to 6

캐리어 재결합은 감쇠 함수에 의해 표현될 수 있으며, 잉여 캐리어 밀도는 아래 수학식 4로 표현된다.Carrier recombination may be represented by a damping function, and the excess carrier density is represented by Equation 4 below.

Figure 112017123070195-pat00025
Figure 112017123070195-pat00025

여기서,

Figure 112017123070195-pat00026
는 전도대(conduction band)에서 초기 잉여 캐리어 밀도이고,
Figure 112017123070195-pat00027
는 초기 지수 감쇠 시정수이다.here,
Figure 112017123070195-pat00026
Is the initial surplus carrier density in the conduction band,
Figure 112017123070195-pat00027
Is the initial exponential decay time constant.

그리고 횡파(transverse electric(TE) wave)는 광 여기층을 통과하고, 이 때, 반사율(R)과 투과율(T)은 아래 수학식 5와 같이 주어진다.And transverse electric (TE) wave passes through the optical excitation layer, where the reflectance (R) and transmittance (T) are given by Equation 5 below.

Figure 112017123070195-pat00028
Figure 112017123070195-pat00028

여기서,

Figure 112017123070195-pat00029
와
Figure 112017123070195-pat00030
는 실수이다. 그리고
Figure 112017123070195-pat00031
와
Figure 112017123070195-pat00032
는 각각 제1 매질과 제2 매질의 광학 특성인 입사각과 상수의 항이다.
Figure 112017123070195-pat00033
는 복소 굴절률이고,
Figure 112017123070195-pat00034
은 굴절률이고,
Figure 112017123070195-pat00035
는 감쇠 지수이고,
Figure 112017123070195-pat00036
는 입사각이고,
Figure 112017123070195-pat00037
와
Figure 112017123070195-pat00038
는 진폭(amplitude),
Figure 112017123070195-pat00039
와
Figure 112017123070195-pat00040
는 위상 변화(phase change),
Figure 112017123070195-pat00041
는 무차원 매개변수(dimensionless parameter)일 수 있다.here,
Figure 112017123070195-pat00029
Wow
Figure 112017123070195-pat00030
Is a mistake. And
Figure 112017123070195-pat00031
Wow
Figure 112017123070195-pat00032
Are terms of the angle of incidence and the constant, which are optical properties of the first medium and the second medium, respectively.
Figure 112017123070195-pat00033
Is the complex refractive index,
Figure 112017123070195-pat00034
Is the refractive index,
Figure 112017123070195-pat00035
Is an attenuation index,
Figure 112017123070195-pat00036
Is the angle of incidence,
Figure 112017123070195-pat00037
Wow
Figure 112017123070195-pat00038
Is the amplitude,
Figure 112017123070195-pat00039
Wow
Figure 112017123070195-pat00040
Phase change,
Figure 112017123070195-pat00041
May be a dimensionless parameter.

이와 같이, 여기 광에 의해 시간에 따라 변하는 파라미터는 반도체에서 횡파(TE)의 투과율과 반사율을 나타낼 수 있다. 그리고 시간-천이(time-transient) 투과율은 검출기에서 신호와 비교될 수 있다.As such, the parameter that changes with time due to the excitation light may represent the transmittance and reflectance of the shear wave TE in the semiconductor. And the time-transient transmission can be compared with the signal at the detector.

또한, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 아래 수학식 6에 따라 반도체 시료의 측정된 투과율을 나타낸다.In addition, the apparatus for measuring the semiconductor carrier life using the quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment shows the measured transmittance of the semiconductor sample according to Equation 6 below.

Figure 112017123070195-pat00042
Figure 112017123070195-pat00042

여기서,

Figure 112017123070195-pat00043
는 반도체에서 밀리미터 그리고 테라헤르츠파의 유전율이다.here,
Figure 112017123070195-pat00043
Is the dielectric constant of millimeters and terahertz waves in semiconductors.

상기 언급한 방식에 따르면, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 1% 이하의 수렴 에러(convergence error)를 가질 수 있다. According to the above-mentioned method, the semiconductor carrier lifetime measuring apparatus using the quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment may have a convergence error of 1% or less.

실시예로, 광원은 밀리미터 파 95 GHz를 사용하였다. 그리고 실험 설정에서 광원은 중고() 계측기(Vector Network Analyzer, VNA)로, N5247A를 사용하였다. 증폭기는 DET-10-RPNW1 (Militech inc.)로 게인이 14dB인 것을 사용하였다. 또한, 여기광원은 Nd : YAG 레이저로, 파장이 532 nm이고 펄스시간이 15ns 내지 18 ns이며, 100 Hz 반복에서 0.27 ± 0.02 W를 가진다. 그리고 여기광은 크기가 반치폭(FWHM)에서 약 1.57mm이다.In the example, the light source used millimeter wave 95 GHz. In the experimental setup, the light source was a used () instrument (Vector Network Analyzer, VNA), and N5247A was used. The amplifier used DET-10-RPNW1 (Militech Inc.) with a gain of 14 dB. The excitation light source is an Nd: YAG laser, having a wavelength of 532 nm, a pulse time of 15 ns to 18 ns, and having 0.27 ± 0.02 W at 100 Hz repetition. The excitation light is about 1.57 mm in size at half maximum width (FWHM).

가우시안 빔은 제1 안테나, 미러부를 통해 반도체 시료로 제공되었다. 제1 미러와 제2 미러는 광의 전파 방향을 90° 반사 시켰다. 또한, 골진 혼(corrugated horn) 개구에서 8mm의 광 웨이스트(waist)가 반도체 시료의 표면(미소 영역)에서 반으로 줄어들었다. 검출기는 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)를 사용하여 1ns의 응답으로 무선 주파수(RF) 신호를 측정했다. 검출기 신호는 PM-5 파워 미터로 보정되었습니다. 이로써, 검출기의 검출 결과를 투과율 값으로 변환할 수 있다.(도 5 참조, 자유공간 측정은 상기 실시예에 따라 실험한 값이고, 자유공간 측정(부드럽게)는 자유공간 측정을 평활화(smoothing)한 결과이다) The Gaussian beam was provided as a semiconductor sample through the first antenna, mirror portion. The first mirror and the second mirror reflected the light propagation direction by 90 °. In addition, an 8 mm optical waste in the corrugated horn opening was reduced in half at the surface (microscopic area) of the semiconductor sample. The detector used a Schottky diode to measure a radio frequency (RF) signal with a response of 1 ns. The detector signal is calibrated with a PM-5 power meter. As a result, the detection result of the detector can be converted into a transmittance value. (See FIG. 5. The free space measurement is an experimental value according to the above embodiment, and the free space measurement (smooth) is a smoothing of the free space measurement. Result)

또한, 반도체 시료의 결함 분포를 측정하기 위해 2D 매핑 시스템이 적용될 수 있다. 3 인치 직경의 반도체 실리콘 웨이퍼(반도체 시료)의 광전도 감쇠 시간을 2D로 매핑하기 위해 검출기의 검출 결과가 보정 없이 수집될 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치는 신뢰성 높은 2D 매핑과 높은 공간 해상도를 제공할 수 있다. 또한, 향상된 감도를 제공할 수 있다. (도 6 참조, h는 반도체 시료(웨이퍼)를 홀딩하는 홀더이다.)In addition, a 2D mapping system may be applied to measure the defect distribution of the semiconductor sample. The detection results of the detector can be collected without correction to map the photoconductive decay time of the 3 inch diameter semiconductor silicon wafer (semiconductor sample) to 2D. As a result, the semiconductor carrier life measurement apparatus using the quasi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment can provide reliable 2D mapping and high spatial resolution. It can also provide improved sensitivity. (See FIG. 6, h is a holder holding a semiconductor sample (wafer).)

또한, 앞서 설명한 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치와 마찬가지로, 실시예에 따른 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 방법은 여기광을 반도체 시료에 가하고, 광원에서 100GHz 내지 1THz의 광을 생성하는 단계, 상기 광을 가우시안 빔으로 변조하는 단계, 상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료에서 상기 여기광이 조사된 영역으로 제공하는 단계, 상기 미러부를 통과한 가우시안 빔의 왜곡을 감소시키는 단계 및 제2 안테나를 통과한 상기 가우시안 빔의 강도를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, similarly to the semiconductor carrier life measurement apparatus using the semi-optical millimeter and terahertz wave described above, the method of measuring the semiconductor carrier life using the semi-optical millimeter and terahertz wave according to the embodiment applies excitation light to the semiconductor sample, Generating light of 100 GHz to 1 THz, modulating the light into a Gaussian beam, providing the Gaussian beam to the region irradiated with the excitation light in the semiconductor sample, and distortion of the Gaussian beam passing through the mirror unit Reducing and detecting the intensity of the Gaussian beam passing through the second antenna.

먼저, 여기광을 반도체 시료에 가하고, 광원에서 100GHz 내지 1THz의 광을 생성할 수 있다. 그리고 제1 안테나가 광원에서 발생한 광을 가우시안 빔으로 변조할 수 있다. 이로써, 주파수 변환에 의해 여기된 광이 조사된 반도체 시료의 미소 영역에 광을 집광할 수 있도록 광 웨이스트를 조절할 수 있다. 이후에, 제1 미러는 가우시안 빔을 반사시켜 미소 영역으로 제공할 수 있다. 이로써, 반도체 시료는 여기될 수 있다. 이후에, 여기광을 반도체 시료에 가하는 것을 멈출 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 이후에 재결합에 의해 가우시안 빔이 미러부를 통과할 수 있다. 그리고 제2 미러를 통해 통과된 광의 왜곡을 감소시킬 수 있다. 그리고 검출부는 제2 안테나를 통과한 광을 수광할 수 있다. 검출부는 제2 안테나를 통과한 상기 가우시안 빔의 강도를 검출하고, 검출결과는 관리부로 제공할 수 있다. 관리부는 검출결과를 이용하여 캐리어의 수명, 초기 잉여 캐리어 밀도를 산출할 수 있다. 또한, 2D 매핑을 통해 반도체 시료의 광전도 감쇠 시간을 2D로 매핑할 수 있다.First, excitation light may be applied to a semiconductor sample, and light of 100 GHz to 1 THz may be generated by a light source. The first antenna may modulate the light generated from the light source into a Gaussian beam. Thereby, the optical waist can be adjusted so that the light can be focused on the minute region of the semiconductor sample to which the light excited by the frequency conversion is irradiated. Thereafter, the first mirror may reflect the Gaussian beam and provide it to the micro region. As a result, the semiconductor sample can be excited. Thereafter, the application of the excitation light to the semiconductor sample can be stopped. As described above, after the recombination, the Gaussian beam may pass through the mirror part. And it is possible to reduce the distortion of the light passed through the second mirror. The detector may receive light passing through the second antenna. The detector detects the intensity of the Gaussian beam passing through the second antenna, and provides the detection result to the manager. The management unit may calculate the life of the carrier and the initial excess carrier density using the detection result. In addition, 2D mapping allows the photoconductive decay time of the semiconductor sample to be mapped to 2D.

본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.The term '~ part' used in the present embodiment refers to software or a hardware component such as a field-programmable gate array (FPGA) or an ASIC, and '~ part' performs certain roles. However, '~' is not meant to be limited to software or hardware. '~ Portion' may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to play one or more processors. Thus, as an example, '~' means components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, and processes, functions, properties, procedures, and the like. Subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables. The functionality provided within the components and the 'parts' may be combined into a smaller number of components and the 'parts' or further separated into additional components and the 'parts'. In addition, the components and '~' may be implemented to play one or more CPUs in the device or secure multimedia card.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the above description has been made based on the embodiments, these are merely examples and are not intended to limit the present invention. Those skilled in the art to which the present invention pertains may not have been exemplified above without departing from the essential characteristics of the present embodiments. It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.

Claims (10)

반도체 시료에 상기 반도체 시료의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하는 여기광원;
100GHz 내지 1THz의 광을 생성하는 광원;
상기 광을 가우시안 빔으로 변조하는 제1 안테나;
상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료에서 상기 여기광이 조사된 영역으로 제공하고 반도체 시료를 투과한 가우시안 빔을 반사하는 미러부;
상기 반사된 가우시안 빔의 경로상에 배치되어 상기 반사된 가우시안 빔의 왜곡을 감소시키는 제2 안테나; 및
상기 제2 안테나를 통과한 상기 가우시안 빔의 강도를 검출하는 검출부;를 포함하고,
상기 검출된 가우시안 빔의 강도를 수신하는 관리부;를 더 포함하고,
상기 관리부는 상기 검출된 가우시안 빔의 강도에 대한 검출 파형에 매핑 측정 및 복수 유전 함수를 통해 상기 반도체 시료의 결함도와 캐리어의 수명을 산출하고,
상기 복수 유전 함수는 식 1 및 식 2에 의해 산출되는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
[식 1]
Figure 112019087794087-pat00051

(여기서,
Figure 112019087794087-pat00052
와
Figure 112019087794087-pat00053
는 각각 전자와 정공의 플라즈마 주파수이다. 그리고
Figure 112019087794087-pat00054
Figure 112019087794087-pat00055
이다. (
Figure 112019087794087-pat00056
는 전자 이동도(electron drift mobility),
Figure 112019087794087-pat00057
는 홀 이동도(hole drift mobility),
Figure 112019087794087-pat00058
는 전자 붕괴 주파수(collision frequency of electrons),
Figure 112019087794087-pat00059
는 홀 붕괴 주파수(collision frequency of holes),
Figure 112019087794087-pat00060
는 전자 캐리어 수명(carrier lifetime of electrons),
Figure 112019087794087-pat00061
는 홀 캐리어 수명(carrier lifetime of holes),
Figure 112019087794087-pat00062
홀의 유효 질량,
Figure 112019087794087-pat00063
은 캐리어 밀도(carrier density),
Figure 112019087794087-pat00064
는 각 주파수(angular frequency),
Figure 112019087794087-pat00065
는 물질의 유전상수(dielectric constant),
Figure 112019087794087-pat00066
는 전기전도도)
[식 2]
Figure 112019087794087-pat00067

(여기서,
Figure 112019087794087-pat00068
는 전도대(conduction band)에서 초기 잉여 캐리어 밀도이고,
Figure 112019087794087-pat00069
는 초기 지수 감쇠 시정수이다)
An excitation light source irradiating a semiconductor sample with excitation light having energy above a band gap of the semiconductor sample;
A light source for generating light of 100 GHz to 1 THz;
A first antenna for modulating the light into a Gaussian beam;
A mirror unit providing the Gaussian beam to the region irradiated with the excitation light from the semiconductor sample and reflecting the Gaussian beam passing through the semiconductor sample;
A second antenna disposed on a path of the reflected Gaussian beam to reduce distortion of the reflected Gaussian beam; And
And a detector configured to detect the intensity of the Gaussian beam passing through the second antenna.
And a management unit to receive the detected intensity of the Gaussian beam.
The management unit calculates the defect life of the semiconductor sample and the life of the carrier through a mapping measurement and a plurality of dielectric functions to the detection waveform of the detected Gaussian beam intensity,
And said plurality of dielectric functions are semi-optical millimeters and terahertz waves calculated by equations (1) and (2).
[Equation 1]
Figure 112019087794087-pat00051

(here,
Figure 112019087794087-pat00052
Wow
Figure 112019087794087-pat00053
Are the plasma frequencies of electrons and holes, respectively. And
Figure 112019087794087-pat00054
Figure 112019087794087-pat00055
to be. (
Figure 112019087794087-pat00056
Electron drift mobility,
Figure 112019087794087-pat00057
Hole drift mobility,
Figure 112019087794087-pat00058
Is the collision frequency of electrons,
Figure 112019087794087-pat00059
Is the collision frequency of holes,
Figure 112019087794087-pat00060
Is the carrier lifetime of electrons,
Figure 112019087794087-pat00061
Is the carrier lifetime of holes,
Figure 112019087794087-pat00062
Effective mass of holes,
Figure 112019087794087-pat00063
Is the carrier density,
Figure 112019087794087-pat00064
Is the angular frequency,
Figure 112019087794087-pat00065
Is the dielectric constant of the material,
Figure 112019087794087-pat00066
Is the electrical conductivity)
[Equation 2]
Figure 112019087794087-pat00067

(here,
Figure 112019087794087-pat00068
Is the initial surplus carrier density in the conduction band,
Figure 112019087794087-pat00069
Is the initial exponential decay time constant)
제1항에 있어서,
상기 미러부는,
상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료로 집광하는 제1 미러; 및
상기 반도체 시료를 기준으로 상기 제1 미러에 대칭하게 배치되는 제2 미러를 포함하는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
The method of claim 1,
The mirror unit,
A first mirror for condensing the Gaussian beam with the semiconductor sample; And
And a semi-optical millimeter and terahertz wave comprising a second mirror symmetrically disposed on the first mirror with respect to the semiconductor sample.
제2항에 있어서,
상기 제2 미러는 상기 반도체 시료를 투과한 상기 가우시안 빔을 상기 제2 안테나로 반사하는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
The method of claim 2,
The second mirror is a semiconductor carrier life measurement device using a semi-optical millimeter and terahertz wave reflecting the Gaussian beam transmitted through the semiconductor sample to the second antenna.
제1항에 있어서,
상기 여기광의 조사 시 상기 가우시안 빔은 상기 반도체 시료에서 반사되는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
The method of claim 1,
And a Gaussian beam is reflected from the semiconductor sample when the excitation light is irradiated.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 동일한 형상인 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
The method of claim 1,
The first antenna and the second antenna is a semiconductor carrier life measurement device using a semi-optical millimeter and terahertz wave of the same shape.
제1항에 있어서,
상기 광원의 주파수가 커질수록 상기 반도체 시료에서 상기 가우시안 빔이 집광되는 면적이 감소하는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
The method of claim 1,
And a semi-optical millimeter and a terahertz wave, in which the area where the Gaussian beam is collected is reduced in the semiconductor sample as the frequency of the light source increases.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 광의 강도는 상기 여기광이 상기 반도체 시료에 조사되지 않는 상태에서 측정되는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
The method of claim 1,
The intensity of the light is a semiconductor carrier life measurement apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz wave measured in the state that the excitation light is not irradiated to the semiconductor sample.
제1항에 있어서,
상기 반도체 시료는 상기 여기광에 의해 여기되고,
상기 광의 강도는 상기 여기된 반도체 시료의 광 전도성 감쇠 비율에 따르는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 장치.
The method of claim 1,
The semiconductor sample is excited by the excitation light,
The intensity of the light is a semiconductor carrier life measurement apparatus using a semi-optical millimeter and terahertz wave according to the optical conductivity attenuation ratio of the excited semiconductor sample.
여기광을 반도체 시료에 가하고, 광원에서 100GHz 내지 1THz의 광을 생성하는 단계;
상기 광을 가우시안 빔으로 변조하는 단계;
상기 가우시안 빔을 상기 반도체 시료에서 상기 여기광이 조사된 영역으로 제공하는 단계;
상기 반도체 시료를 통과한 상기 가우시안 빔의 강도를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 가우시안 빔의 강도에 대한 검출 파형에 매핑 측정 및 복수 유전 함수를 통해 상기 반도체 시료의 결함도와 캐리어의 수명을 산출하는 단계를 더 포함하고,
상기 복수 유전 함수는 식 1 및 식 2에 의해 산출되는를 포함하는 준광학 밀리미터 및 테라헤르츠파를 이용한 반도체 캐리어 수명 측정 방법.
[식 1]
Figure 112019087794087-pat00070

(여기서,
Figure 112019087794087-pat00071
와
Figure 112019087794087-pat00072
는 각각 전자와 정공의 플라즈마 주파수이다. 그리고
Figure 112019087794087-pat00073
Figure 112019087794087-pat00074
이다. (
Figure 112019087794087-pat00075
는 전자 이동도(electron drift mobility),
Figure 112019087794087-pat00076
는 홀 이동도(hole drift mobility),
Figure 112019087794087-pat00077
는 전자 붕괴 주파수(collision frequency of electrons),
Figure 112019087794087-pat00078
는 홀 붕괴 주파수(collision frequency of holes),
Figure 112019087794087-pat00079
는 전자 캐리어 수명(carrier lifetime of electrons),
Figure 112019087794087-pat00080
는 홀 캐리어 수명(carrier lifetime of holes),
Figure 112019087794087-pat00081
홀의 유효 질량,
Figure 112019087794087-pat00082
은 캐리어 밀도(carrier density),
Figure 112019087794087-pat00083
는 각 주파수(angular frequency),
Figure 112019087794087-pat00084
는 물질의 유전상수(dielectric constant),
Figure 112019087794087-pat00085
는 전기전도도)
[식 2]
Figure 112019087794087-pat00086

(여기서,
Figure 112019087794087-pat00087
는 전도대(conduction band)에서 초기 잉여 캐리어 밀도이고,
Figure 112019087794087-pat00088
는 초기 지수 감쇠 시정수이다)Applying excitation light to the semiconductor sample and generating light from 100 GHz to 1 THz in the light source;
Modulating the light into a Gaussian beam;
Providing the Gaussian beam to a region irradiated with the excitation light in the semiconductor sample;
Detecting an intensity of the Gaussian beam that has passed through the semiconductor sample; And
Calculating defects of the semiconductor sample and a lifetime of a carrier through a mapping measurement on the detected waveform of the detected Gaussian beam intensity and a plurality of dielectric functions;
And said plurality of dielectric functions calculated by equations (1) and (2).
[Equation 1]
Figure 112019087794087-pat00070

(here,
Figure 112019087794087-pat00071
Wow
Figure 112019087794087-pat00072
Are the plasma frequencies of electrons and holes, respectively. And
Figure 112019087794087-pat00073
Figure 112019087794087-pat00074
to be. (
Figure 112019087794087-pat00075
Electron drift mobility,
Figure 112019087794087-pat00076
Hole drift mobility,
Figure 112019087794087-pat00077
Is the collision frequency of electrons,
Figure 112019087794087-pat00078
Is the collision frequency of holes,
Figure 112019087794087-pat00079
Is the carrier lifetime of electrons,
Figure 112019087794087-pat00080
Is the carrier lifetime of holes,
Figure 112019087794087-pat00081
Effective mass of holes,
Figure 112019087794087-pat00082
Is the carrier density,
Figure 112019087794087-pat00083
Is the angular frequency,
Figure 112019087794087-pat00084
Is the dielectric constant of the material,
Figure 112019087794087-pat00085
Is the conductivity)
[Equation 2]
Figure 112019087794087-pat00086

(here,
Figure 112019087794087-pat00087
Is the initial surplus carrier density in the conduction band,
Figure 112019087794087-pat00088
Is the initial exponential decay time constant)
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JP2002098634A (en) 2000-03-27 2002-04-05 Tochigi Nikon Corp Electrical characteristic evaluation apparatus and method for semiconductor

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