Métrologie sans contact par Microwave Phase-Shift: séparation des recombinaisons des porteurs en volume et en surface dans c-si

Transcription

1 Métrologie sans contact par Microwave Phase-Shift: séparation des recombinaisons des porteurs en volume et en surface dans c-si O. Palais, M. Pasquinelli, D. Barakel

2 Rappels essentiels sur la durée de vie des porteurs minoritaires (effective, volumique, surfacique): SRH, Auger, radiatif Principales techniques sans contact: PCD, QSSPC, µw-ps Bancs µw-ps : - global (LS µw-ps ou one giant pixel) (in-line et off-line) - cartographique haute résolution (off-line) Mesures de τb et S: -quantitatives (mesures bi-fréquentielle) -limitations -semi-quantitatives (mesures multi-fréquentielle) Applications : Sommaire -cartographie S et τb -complémentarité avec le LBIC: cartographie de mobilité des porteurs minoritaires -cartographie de concentration d impuretés métalliques (Fe, Cr, ) Bilan, Conclusions et Perspectives (ddv en T, en n, )

3 Rappels durée de vie 3/23 Durée de vie des porteurs minoritaires (effective, volumique, surfacique) W Sf τβ Sb D 1 τ eff 1 = τ b w + 2S 2 w + 2 π D 1 1 τ b τ eff = τ mesurée 1 = τ SRH 1 + τ rad 1 + τ auger Signal (a.u.) Signal (a.u.) Flash PCD τeff < τb Surfaces non passivées t(µs) τeff ~ τb t(µs) Surfaces passivées

4 Banc µw-ps 4/23 µw-ps : Microwave phase shift technique Les grandeurs du µw-ps (technique/échantillon) Sf α Réflection µw W τβ Sb D φ Excitation lumineuse modulée à F Paramètres de l échantillon Paramètres de mesures (Φ,F) Φ=f(τb,Sf,Sb,D,W,α,F)

5 Banc LS µw-ps (one giant pixel) 5/23 Principe du banc LS µw-ps (one giant pixel) Contrôle rapide du wafer brut Excitation lumineuse sinusoïdale Wafer Semiconducteur au wafer métallisé Sonde µw sans contact circulateur µw générateur/détecteur Φ

6 Banc LS µw-ps (one giant pixel) 6/23 LS µw-ps : one giant pixel ( in-line et off-line )

7 Banc LS µw-ps (cartographie) 7/23 Principe du banc mapping µw-ps Contrôle rapide du wafer brut Y Excitation lumineuse sinusoïdale (Ø~50µm) au wafer métallisé Wafer Semiconducteur X Sonde µw sans contact circulateur µw générateur/détecteur Φ

8 µw-ps: séparation (τb,s) 8/23 µw-ps : séparation de S et τb (en deux étapes) Deux mesures de Φ à deux fréquences différentes (F1,Φ1) (F2,Φ2) 1 Le modèle développé par Orgeret* permet à partir de deux couples de mesures (F, Φ) δε δ τερµινερ λ ενσεµβλε δεσ χουπλεσ (τβ,σ) σατισφαισαντσ λα µεσυρε. Λεσ χονδιτιονσ αυξ λιµιτεσ συρ τβ σοντ οβτενυεσ εν συπποσαντ: Σ = 0 χµ.σ 1 τβ,µιν ανδ Σ = 107 χµ.σ 1 τβ,µαξ (τβι,σι)φ1 (F1,Φ1) (τβι,σι)φ2 (F2,Φ2) *Orgeret et J. Boucher, Rev. Phys Appl. 13 P29 (1978!!!)

9 µw-ps: séparation (τb,s) 9/23 µw-ps : séparation de S et τb (en deux étapes) 2 Parmi les deux séries (τbi,si)f1et (τbi,si)f2, le seul couple commun est recherché: 5200 Mesures : F (Hz) Φ ( ) S (cm.s-1) Hz 50000Hz 20000Hz τ b ( µs) O. Palais and A. Arcari, J. Appl. Phys., (4686) (τb;s) = (100;5000)

10 µw-ps: restrictions 10/23 Limitations aux mesures microonde et à l algorithme (τb,s)

11 µw-ps séparation (τb,s) 11/23 Abaques de déphasage du µw-ps Influence de S pour τb fixée

12 µw-ps séparation (τb,s) 12/23 Abaques de déphasage du µw-ps Influence de τb pour S fixée

13 Application µw-ps: cartographie (τb,s) 13/23 Exemple d application sur Cz-Si légèrement diffusé N+ Cz monocristallin type p dopé bore : cm-3 N+ Diffusion Phosphore (850 C - 15 min) Cz N+

14 Application µw-ps: cartographie (τb,s) 14/23 Exemple d application sur Cz-Si légèrement diffusé N+ Cz monocristallin type p dopé bore : cm-3 Attaque chimique sélective de différentes zones --/-- (1) --/n+ (2) n+/n+ (3) n+/ -- (4) Couche n+ Si «nu»

15 Application µw-ps: cartographie (τb,s) 15/23 Exemple d application sur Cz-Si légèrement diffusé N+ Φ=f(τb,Sf,Sb,D,W,α,F) τεφφ( σ) (1) (2) --/-- (1) --/n+ (2) (3) (4) n+/n+ (3) n+/ -- (4) Phase-shift mapping of Cz Si

16 Application µw-ps: cartographie (τb,s) 16/23 Cartographie τb et S Comparaison PCD vs PS Surface passivation τeff (µs) µw-pcd τb (µs) S (cm.s-1) τb (µs) µw-ps S (cm.s- 1) Relative difference (µw-pcd-µw- PS)/µW-PS τb (µs) S (cm.s-1) Iodine 97.5 τeff low % -- No passivation %

17 Application µw-ps: cartographie (τb,s) 17/23 Cartographies de S et τb sur mc-si brut (2.1016cm-3) deux faces polies et nettoyage HF τb (µs) S (cm.s-1)

18 Application µw-ps: cartographie (τb,s) 18/23 Cartographies de S sur mc-si type n avec passivation SiNx:H (LF-PECVD) P+/Si/P+ SiN/P+/Si/P+/SiN S 40 cm.s-1 S 30 cm.s-1 S 500 cm.s-1 J.F Lelièvre, E. Fourmond, A. Kaminski, O. Palais, D. Ballutaud, M. Lemiti - Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (2009)

19 Application µw-ps: cartographie µ 19/23 Cartographie de mobilité des porteurs minoritaires sur mc-si type p ([B] à cm-3) 300K 2 D = L τ b

20 Application µw-ps: cartographie [Fe] 20/23 Cartographie de Fe dans mc-si dopé bore Cartographies avant dissociation FeB Seff b Cartographies après dissociation FeB (210 C-10min) Seff b

21 Application µw-ps: cartographie [Fe] 21/23 Cartographie de Fe dans mc-si ( b) avant dissociation 1 [ M ] i = κ τ After τ Before 1 Concentration [Fe] ( b) après 210 C 10min cartographie 10x10 mm2 de [Fe] dans mc-si dopé bore. cartographie 10x10 mm2 de b avant et après dissociation FeB dans mc-si dopé bore. [Limite de détection] ~ 109 at.cm- 3

22 Bilan: µw-ps vs autres techniques 22/23 Technologies de mesure de B : COMPARAISON

23 Conclusions et perspectives 23/23 Conclusions et perspectives Le µw-ps permet : mesures sans contact de la durée de vie séparation sans passivation de τb et S dans le silicium la mesure du déphasage est en général suffisante! outil de quantification des moyens de passivation de volume comme de surface cartographie d impuretés métalliques (Fe, Cr, ) complémentaire du LBIC: cartographie de mobilité des porteurs minoritaires µw-ps applicable aux: Si, Ge, SiC mesures de DDV en fonction du niveau d injection µw-ps potentiellement applicable aux couches minces adaptation du µw-ps aux mesures en température : DLTS sans contact µw-ps one giant pixel et mapping commercialisés par: