KR102532979B1 - 저비용 운용이 가능한 깊은 준위 천이 분광기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기는 시료의 정전용량을 측정하기 위하여 시료에 인가할 직류 및 교류 전압을 포함하는 바이어스를 생성하는 펄스제네레이터, 시료를 지지하며, 시료의 온도를 극저온으로 냉각시키는 냉각부; 시료의 온도별 정전용량 변화를 측정하기 위해 시료의 온도를 증가시키는 승온부, 시료의 안정적인 온도 유지를 위해 시료 및 승온부를 둘러싸고 진공펌프에 의해 저진공을 유지하는 진공챔버, 펄스제네레이터의 바이어스 생성을 제어하고, 시료의 정전용량 측정 중 시료의 온도가 일정하게 유지되도록 냉각부 및 승온부를 제어하는 제어부 및 펄스제네레이터로부터 생성된 바이어스를 시료에 인가하고, 시간에 따라 변화하는 시료의 정전용량을 측정하는 정전용량측정부를 포함하고, 제어부는 시료의 온도가 1K 내지 500K범위에서 변화 및 유지되도록 냉각부 및 승온부를 제어하고, 측정 대상인 시료의 냉각을 위해 지속적으로 공급된 액화 헬륨이 시료의 냉각에 사용 후 버려지지 않도록 헬륨 회수라인 및 액화기를 포함하여 헬륨의 재사용을 도모하거나, 크라이오 냉동기 또는 열전소자 냉동기를 포함하여 시료를 극저온으로 냉각함으로써 장비 사용에 소요되는 비용을 최소화할 수 있도록 한다.

Description

저비용 운용이 가능한 깊은 준위 천이 분광기{DEEP LEVEL TRANSIENT SPECTROSCOPY WITH LOW OPERATING COST}
본 발명은 반도체 소자의 깊은 준위 결함(deep level defect)에 관련된 특성을 탐지하기 위한 깊은 준위 천이 분광기(deep level transient spectroscopy, DLTS)에 관한 것이다.
메모리소자, 논리소자, 발광소자 및 태양전지와 같은 반도체 소자를 구성하는 전자소재는 형성 과정에서 표면 및 내부에 수많은 결함(defect)을 갖게 된다. 결함의 형태는 공공(vacancy), 침입형 결함(interstitial defect) 및 도펀트(dopant)에 의한 결함과 같은 점결함이나 전위(dislocation)에 의한 선결함 등 다양하다. 이러한 결함들은 반도체 소자의 밴드갭 내에 깊은 준위(deep level)를 형성하며, 누설전류의 원인이 되는 낮은 준위(shallow level)와 달리 열에너지의 영향을 받지 않는다. 깊은 준위 결함은 전자 또는 정공에 대해 트랩(trap)으로 작용하여 태양전지에 있어 에너지 변환 효율을 감소시키는 등 반도체 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 미친다.
깊은 준위 결함과 관련된 정보를 얻기 위해 photoluminescence & fluorescence 측정기, electron spin resonance 측정기 또는 깊은 준위 천이 분광기를 사용할 수 있지만, 소자 상태에서 측정이 가능하고 산화물소자, 메모리소자, 태양전지, 퀀텀닷 등 다양한 형태에 대해 측정이 가능한 깊은 준위 천이 분광기가 효과적이다. 깊은 준위 천이 분광기는 트랩에 구속된 전하의 온도에 따른 열적 방출을 관측하는 방법으로, 깊은 준위의 에너지를 결정하는 측정 장비이다. 트랩에 구속된 전하의 방출은 시간에 따른 시료의 정전용량의 변화를 통해 구할 수 있고, 시간 상수의 열에너지 의존성으로부터 깊은 준위의 에너지 분포를 알 수 있다.
깊은 준위를 측정하기 위해서는 우선 시료를 깊은 준위 천이 분광기의 극저온 진공 챔버 내에 장착하고, 시료의 전극 패드와 정전용량측정부를 연결시킨다. 이후 시료의 온도를 액체 헬륨 또는 액체 질소를 이용하여 극저온으로 하강시키고, 단계별로 승온시키면서 시간 변화에 따른 정전용량의 변화를 측정한다.
종래의 깊은 준위 천이 분광기의 경우 시료의 냉각을 위해 액체 헬륨이 지속적으로 공급되고, 시료의 냉각 이후 기화된 헬륨은 버려지게 되므로 장비의 사용에 따른 비용 부담이 상당했다.
본 발명의 실시예는 반도체 소자의 깊은 준위 측정 시 시료의 냉각을 위해 냉각부에 헬륨 액화기, 크라이오 냉동기(cryocooler) 또는 열전소자 냉동기(cryogenic thermoelectric generator)를 포함하여 측정에 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 깊은 준위 천이 분광기를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기(Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS)는 시료의 정전용량을 측정하기 위하여 상기 시료에 인가할 직류 및 교류 전압을 포함하는 바이어스를 생성하는 펄스제네레이터; 상기 시료를 지지하며, 상기 시료의 온도를 극저온으로 냉각시키는 냉각부; 상기 시료의 온도별 정전용량 변화를 측정하기 위해 상기 시료의 온도를 증가시키는 승온부; 상기 시료의 안정적인 온도 유지를 위해 상기 시료 및 상기 승온부를 둘러싸고 진공펌프에 의해 저진공을 유지하는 진공챔버; 상기 펄스제네레이터의 바이어스 생성을 제어하고, 상기 시료의 정전용량 측정 중 상기 시료의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 냉각부 및 상기 승온부를 제어하는 제어부; 및 상기 펄스제네레이터로부터 생성된 바이어스를 상기 시료에 인가하고, 시간에 따라 변화하는 상기 시료의 정전용량을 측정하는 정전용량측정부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 시료의 온도가 1K 내지 500K범위에서 변화 및 유지되도록 상기 냉각부 및 상기 승온부를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기에서 상기 냉각부는 기체 헬륨에 고압을 가하여 액체 헬륨으로 액화시키는 액화기; 상기 액체 헬륨을 공급받아 상기 시료의 열에너지를 흡수하여 상기 액체 헬륨을 상기 기체 헬륨으로 기화시키는 열교환기; 및 상기 액화기로부터 상기 열교환기로 상기 액체 헬륨을 공급하고, 상기 열교환기로부터 상기 기체 헬륨을 회수하여 상기 액화기로 공급하는 회수라인;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기에서 상기 냉각부는 크라이오 냉동기(cryocooler)를 포함하며, 상기 크라이오 냉동기는 스털링 냉동기(stirling cryocooler), 맥동관 냉동기(pulse tube cryocooler), 줄톰슨 냉동기(Joule-Thomson cryocooler), 브레이튼 냉동기(Brayton cryocooler), GM 냉동기(Gifford-McMahon cryocooler) 또는 VM 냉동기(Vuilleumier cryocooler)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기에서 상기 냉각부는 열전소자 냉동기(cryogenic thermoelectric generator)를 포함하고, 상기 열전소자 냉동기는 펠티어효과(Peltier effect)에 의해 상기 시료를 70K 내지 300K로 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기에서 상기 펄스제네레이터는 특정 온도에서 제1주기에 상기 시료에 인가되는 제1바이어스를 생성하고, 제1주기와 상이한 제2주기에 제1바이어스와 상이한 제2바이어스를 생성하며, 상기 정전용량측정부는 제1바이어스에 따른 제1정전용량 및 제2바이어스에 따른 제2정전용량을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기에서 상기 진공챔버 내의 압력은 10-4 내지 10-7 Torr일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 측정 대상인 시료의 냉각을 위해 지속적으로 공급된 액화 헬륨이 시료의 냉각에 사용 후 버려지지 않도록 헬륨 회수라인 및 액화기를 포함하여 헬륨의 재사용을 도모하거나, 크라이오 냉동기 또는 열전소자 냉동기를 포함하여 시료를 극저온으로 냉각함으로써 깊은 준위 천이 분광기의 장비 사용에 소요되는 비용을 최소화할 수 있도록 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 깊은 준위 천이 분광기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기를 이용한 깊은 준위의 위치를 측정하는 일예를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 깊은 준위 천이 분광기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기는 시료(21)에 인가할 바이어스를 생성하는 펄스제네레이터(12), 시료(21)에 바이어스를 인가하고 정전용량을 측정하는 정전용량측정부(11), 시료(21)의 온도를 낮추고 높이는 냉각부(16) 및 승온부(15)와 이들을 제어하는 제어부(13) 및 시료(21) 주위를 저진공으로 유지하기 위한 진공챔버(17)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기를 이용한 측정 대상은 실리콘 반도체, III-V족 화합물 반도체, 메탈 할라이드 반도체, 폴리머 반도체 등 메모리, VLSI, 발광소자, 센서 또는 태양전지 등 모든 전자소자에 사용될 벌크, 박막 또는 패키징된 형태의 다양한 시료가 될 수 있다. 시료는 p-n접합 또는 금속-반도체 접합의 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 형태로 제작될 수 있고, 측정의 편의를 위해 반도체 시료의 측면 양단에 전극 패드를 접합한 형태나, 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 시료(21)의 상부 양단에 전극 패드(21a)를 각각 접합한 형태로 제작되어 측정에 사용될 수 있다.
전극 패드(21a)로 접합되어 준비된 시료(21)는 냉각부(16)를 지지대로 하여 장착된다. 냉각부(16)와 면을 접촉하여 지지될 수 있다면 시료(21)는 냉각부(16)의 상단은 물론 측단에도 장착될 수 있다. 시료(21)가 냉각부(16)와 면을 접촉함으로써, 냉각부(16)에 의해 시료(21)를 극저온으로 냉각시킬 수 있다. 극저온은 절대온도 1K 이상을 의미한다.
냉각부(16)에 의해 최저 온도로 냉각된 시료(21)는 온도를 단계적으로 상승시키면서 각 온도별 직류 전압의 크기, 교류 전압의 크기나 주파수의 변화에 따른 정전용량 변화를 측정하게 된다. 또한, 상온 또는 승온부(15)를 이용하여 고온으로 승온시킨 온도로부터 극저온으로 냉각을 시키면서 각 온도별 직류 전압의 크기, 교류 전압의 크기나 주파수의 변화에 따른 정전용량 변화를 측정할 수도 있다. 온도를 단계적으로 상승시키거나 하강시키는 방법은 냉각부(16)의 동작 정도를 조절함으로써 가능할 수 있고, 별도로 마련된 승온부(15)를 동작시킴으로써 가능할 수도 있다. 또한, 냉각부(16)의 동작 정도 조절과 함께 동시에 승온부(15) 동작 정도를 조절함으로써 시료(21)의 온도 조절이 가능할 수도 있다. 승온부(15)는 히팅코일을 포함하여 외부로부터 전력 공급을 통해 발열이 가능하도록 마련될 수 있다. 승온부(15)는 시료(21)의 승온이 가능하다면 냉각부(16)의 내부는 물론 냉각부(16) 외부에 별도로 마련될 수 있다. 승온부(15)는 시료(21)를 절대온도 500K까지 승온시킬 수 있다.
시료(21)를 극저온으로 냉각시키고 일정 시간 동안 특정 온도를 유지해야 하므로 시료(21) 주위를 저진공으로 유지할 필요가 있다. 진공챔버(17)는 시료(21) 및 승온부(15)를 둘러싸고 진공펌프(18)에 의해 저진공을 유지함으로써 시료(21)를 극저온으로 용이하게 하강시킬 수 있으며 특정 온도에서 안정적인 온도 유지를 가능하게 한다. 진공챔버(17) 내부의 저진공은 10-4 내지 10-7 Torr일 수 있다.
펄스제네레이터(12)는 시료(21)의 정전용량 측정을 위해 인가될 직류 및 교류 전압을 포함하는 바이어스 또는 신호를 생성한다. 교류 전압 성분은 역방향-순방향 또는 제1역방향-제2역방향 등 구형파 신호가 될 수 있고, 시료(21)의 정전용량 측정의 정확성을 위해서라면 이에 한정되지 않고 삼각파 등 다양화될 수 있다. 바이어스에 포함된 교류 전압의 크기는 1mV 내지 0.1V일 수 있다.
정전용량측정부(11)는 펄스제네레이터(12)로부터 생성된 바이어스를 탐침(11a)을 통해 시료(21)에 인가하고, 시간에 따라 변화하는 정전용량을 측정한다. 장비 운용 특성 상 극저온으로 하강 및 승온에 따른 비용이나 시간의 부담이 크기 때문에, 이러한 부담을 줄이면서 측정의 정확성을 위해 인가할 바이어스를 복수로 적용할 수도 있다. 구체적으로, 펄스제네레이터(12)는 특정 온도에서 제1주기에 시료(21)에 인가되는 제1바이어스를 생성하고, 제1주기와 상이한 제2주기에 제1바이어스와 상이한 제2바이어스를 생성하며, 정전용량측정부(11)는 제1바이어스에 따른 제1정전용량 및 제2바이어스에 따른 제2정전용량을 순차적으로 측정할 수도 있다. 즉, 단계별 온도 상승 중 특정 온도에서 상이한 복수의 바이어스에 따른 정전용량을 측정함으로써 각 데이터를 비교하여 측정의 정확성을 기할 수 있다.
제어부(13)는 시료(21)의 온도가 1K 내지 500K범위에서 변화 및 유지되도록 냉각부(16) 및 승온부(15)를 제어한다. 또한 제어부(13)는 펄스제네레이터(12)의 바이어스 생성 및 정전용량측정부(11)의 일정 시간 동안 바이어스를 인가에 따른 정전용량 측정을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 냉각부(16)는 시료를 극저온으로 하강시킬 수 있다면 다양한 형태로 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 냉각부(16)는 액체 헬륨을 사용하여 시료(21)를 극저온으로 냉각시키는 예를 개략적으로 나타낸다. 헬륨은 질소에 비해 융점 및 비점이 낮아 시료(21)를 극저온으로 효과적으로 냉각시킬 수 있으나, 생산이 극히 제한적이어서 비용 부담이 매우 크다. 기존의 깊은 준위 천이 분광기는 액체 헬륨을 사용 시 시료(21)의 냉각 이후 별도의 회수 장치가 없이 헬륨이 버려지기 때문에 운용 상의 비용 부담이 상당했다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 냉각부(16)가 시료(21)의 냉각에 사용 후 기화된 헬륨을 회수하여 액화시킨 후 이를 다시 시료(21)에 공급함으로써 장비 운용에 따른 비용 문제를 크게 개선했다. 구체적으로, 냉각부(16)는 기체 헬륨에 고압을 가하여 액체 헬륨으로 액화시키는 액화기(16a), 액화기(16a)로부터 액체 헬륨을 공급받아 시료(21)의 열에너지를 흡수하여 액체 헬륨을 기체 헬륨으로 기화시키는 열교환기(16b) 및 액화기(16a)로부터 열교환기(16b)로 액체 헬륨을 공급하고, 열교환기(16b)로부터 기체 헬륨을 회수하여 액화기(16a)로 공급하는 회수라인(16c)을 포함하여, 시료(21)의 냉각에 사용되는 헬륨을 재사용할 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 냉각부는 크라이오 냉동기(cryocooler)를 포함하여 시료를 극저온으로 냉각시킬 수 있다. 크라이오 냉동기는 비교적 작은 부피로 구현이 가능하고 냉각 효과도 뛰어나며 진동 문제 또한 크게 개선되어 깊은 준위 천이 분광기에 적용하기에 매우 적합하다. 크라이오 냉동기는 스털링 냉동기(stirling cryocooler), 맥동관 냉동기(pulse tube cryocooler), 줄톰슨 냉동기(Joule-Thomson cryocooler), 브레이튼 냉동기(Brayton cryocooler), GM 냉동기(Gifford-McMahon cryocooler) 또는 VM 냉동기(Vuilleumier cryocooler)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 냉각부는 열전소자 냉동기(cryogenic thermoelectric generator)를 포함하여 시료를 극저온으로 냉각시킬 수 있다. 열전소자 냉동기는 펠티어 효과(Peltier effect)에 의해 전기에너지를 열에너지(냉각 또는 승온)로 전환시켜주는 소자를 포함하며 진동이 없어 측정용 장비에 매우 적합하다. 열전소자 냉동기는 시료를 절대온도 70K까지 냉각시킬 수 있다.
상기 예시된 냉각부의 다양한 실시예들은 선택적으로 적용될 수도 있고, 중복으로 적용될 수도 있다. 냉각부에 대한 상기 실시예들에 따라 기존에 일회 사용으로 버려지던 헬륨을 재사용하거나 헬륨 사용을 하지 않음으로써 헬륨 사용에 따른 비용 부담 문제를 크게 개선하였다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 깊은 준위 천이 분광기를 이용한 깊은 준위의 위치를 측정하는 일예를 도시한 도면이다.
도 3(a)을 참조하면, 시료의 내부 결함(defect)에 의한 깊은 준위의 위치를 측정하기 위해, 특정 온도에서 정전용량을 시간에 따라 측정한다. 이후 온도를 변화시키면서 동일하게 정전용량을 시간에 따라 측정한다. 온도 변화는 고온에서 저온으로 냉각시키면서 진행하거나 극저온으로 냉각 후 승온을 시키면서 진행할 수도 있다. 이후, 특정 시간(t1, t2)에서의 정전용량의 차이를 구하여 도 3(b)와 같이 온도별로 도시한다. 도 3(b)에서 피크(δCmax)의 위치를 이용하여 준위의 위치를 측정할 수 있다. 자세한 내용은 발명에 대한 설명의 간결함을 위해 생략하도록 한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
11: 정전용량측정부
12: 펄스제네레이터
13: 제어부
15: 승온부
16: 냉각부
16a: 액화기
16b: 열교환기
16c: 회수라인
17: 진공챔버
18: 진공펌프
21: 시료
21a: 전극 패드

Claims (6)

  1. 반도체 소자의 깊은 준위 결함(deep level defect)에 대한 정보를 측정하기 위한 깊은 준위 천이 분광기(Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS)에 있어서,
    시료의 정전용량을 측정하기 위하여 상기 시료에 인가할 직류 및 교류 전압을 포함하는 바이어스를 생성하는 펄스제네레이터;
    상기 시료를 지지하며, 상기 시료의 온도를 극저온으로 냉각시키는 냉각부;
    상기 시료의 온도별 정전용량 변화를 측정하기 위해 상기 시료의 온도를 증가시키는 승온부;
    상기 시료의 안정적인 온도 유지를 위해 상기 시료 및 상기 승온부를 둘러싸고 진공펌프에 의해 저진공을 유지하는 진공챔버;
    상기 펄스제네레이터의 바이어스 생성을 제어하고, 상기 시료의 정전용량 측정 중 상기 시료의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 냉각부 및 상기 승온부를 제어하는 제어부; 및
    상기 펄스제네레이터로부터 생성된 바이어스를 상기 시료에 인가하고, 시간에 따라 변화하는 상기 시료의 정전용량을 측정하는 정전용량측정부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 시료의 온도가 1K 내지 500K범위에서 변화 및 유지되도록 상기 냉각부 및 상기 승온부를 제어하고,
    상기 냉각부는,
    기체 헬륨에 고압을 가하여 액체 헬륨으로 액화시키는 액화기;
    상기 액체 헬륨을 공급받아 상기 시료의 열에너지를 흡수하여 상기 액체 헬륨을 상기 기체 헬륨으로 기화시키는 열교환기; 및
    상기 액화기로부터 상기 열교환기로 상기 액체 헬륨을 공급하고, 상기 열교환기로부터 상기 기체 헬륨을 회수하여 상기 액화기로 공급하는 회수라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 깊은 준위 천이 분광기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펄스제네레이터는 특정 온도에서 제1주기에 상기 시료에 인가되는 제1바이어스를 생성하고, 제1주기와 상이한 제2주기에 제1바이어스와 상이한 제2바이어스를 생성하며,
    상기 정전용량측정부는 제1바이어스에 따른 제1정전용량 및 제2바이어스에 따른 제2정전용량을 측정하는 것을 특징으로 하는 깊은 준위 천이 분광기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진공챔버 내의 압력은 10-4 내지 10-7 Torr인 것을 특징으로 하는 깊은 준위 천이 분광기.
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