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주사형 정전용량 현미경(SCM)

고해상도, 고감도 전하 분포 이미징

비파괴식 기법과 높은 공간 분해능으로 소자 특성 파악

반도체 소자의 물리적 특성 파악은 소자 엔지니어와 연구자들에게 항상 어려운 과제였습니다. 지금까지 반도체 특성을 파악하는 표준 기법으로는 소자 이하 크기의 2차원 양을 결정하는 효과적인 수단을 제공하지 못했습니다. 주사 전자현미경(SEM), 투과식 전자현미경(TEM), 2차 이온 질량분석(SIMS), 확산 판저항 프로파일링(SRP) 및 1차원 정전용량 전압(C-V) 등의 기법이 이용되어 왔지만, 더욱 미세한 소자가 등장하고 더욱 높은 신뢰도가 요구됨에 따라 새로운 특성 평가 툴이 필요해졌습니다. 이에 상응하는 분석 툴로서, 다양한 종류의 주사형 프로브 현미경(SPM)을 응용하여 반도체 소자 특성을 파악할 뿐 아니라 반도체 소자 제작 공정을 모니터링하는 방안이 모색되어 왔습니다. 주사형 정전용량 현미경(SCM)과 원자현미경(AFM)을 결합하면 비파괴식 측정과 높은 공간 분해능을 확보할 수 있는 장점이 발휘되므로 반도체 소자 특성을 파악하는 가장 강력한 기법 중 하나로 사용할 수 있습니다.

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그림 1. 팁과 반도체 시료가 형성한 MOS 축전기

 

XE 시리즈 원자현미경의 주사형 정전용량 현미경(SCM)은 정전용량의 공간적 변화를 매핑합니다. SCM의 가장 일반적인 응용 분야 중 하나는 불균일하게 도핑된 시료의 캐리어 농도 매핑입니다. 예를 들어 SCM으로 이온 주입형 반도체의 도펀트 프로파일 판별, 금속산화물 반도체(MOS) 소자에서 게이트 산화물의 전기적 특성 측정 및 결함 분포 매핑 등을 수행할 수 있습니다. 비휘발성 초고밀도 메모리 분야에서도 SCM을 사용할 수 있습니다.

SCM은 일반 원자현미경 구성에 전도성 금속 탐침과 고 민김도의 정전용량 센서를 추가한 것입니다. EFM과 마찬가지로 SCM은 MOS 구조를 갖는 팁과 시료 사이에 전압을 인가합니다. 산화반도체 시료에 접촉한 금속 탐침은 MOS 축전기를 형성합니다. 이렇게 형성된 MOS 축전기는 두 개의 축전기가 직렬로 연결된 상태와 동일한 구조를 갖습니다. 하나는 절연성 산화물층에 의해, 다른 하나는 산화물/실리콘 경계 근처의 활성 공핍층에 의해 축전기가 형성됩니다. 그림 1에서는 SCM 팁과 반도체가 형성한 MOS 축전기를 보여 줍니다. 총 정전용량은 산화물 두께와 공핍층 두께에 따라 결정되며, 공핍층의 두께는 실리콘 기판의 캐리어 농도 및 팁과 반도체 사이에 인가된 DC 전압에 좌우됩니다.

그림 2에서는 각각 정전용량 및 미분 정전용량의 DC 바이어스 전압 상관성을 보여 줍니다. 그림 2 (a)는 p형 및 n형 반도체 시료의 통상적인 고주파수 정전용량-전압(C-V) 곡선입니다. 캐리어 농도가 낮으면 미분 정전용량의 진폭 고점이 비교적 높습니다. 인가된 DC 바이어스 전압은 실리콘의 공핍 너비를 변화시킵니다. 또한 AC 바이어스 전압은 일정한 DC 바이어스 전압을 기준으로 공핍 경계에 정전용량 변화를 야기합니다.

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그림 2. n형 및 p형에 대한 (a) 정전용량 및 (b) 미분 정전용량의 DC 바이어스 전압 상관성

 

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그림 3. 반도체의 절연부에 축적된 양전하와 음전하가 고주파수 C-V 및 dC/dV 곡선에서 전압 축 방향으로 평행 이동을 야기합니다.

 

반도체의 절연부에 축적된 전하가 고주파수 C-V 곡선에서 전압 축 방향으로 평행 이동을 야기합니다. 그림 3에서는 축적된 양전하와 음전하가 C-V 및 dC/dV 곡선을 각각 왼쪽과 오른쪽으로 이동하는 모습을 보여 줍니다. 바이어스 전압이 0이면 대전 상태의 정전용량과 dC/dV 값이 방전 상태의 값과 다릅니다.

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그림 4. p형 반도체 시료의 dC/dV 측정 방식

  

그림 4에서는 p형 반도체 시료의 dC/dV 측정 방식을 보여 줍니다. 인가된 AC 바이어스 전압은 일정한 DC 바이어스 전압을 기준으로 정전용량 변화를 야기합니다. 락인앰프는 특정 DC 바이어스 전압을 기준으로 인가된 AC 전압과 같은 주파수로 정전용량 신호의 진폭 및 위상 변화를 검출할 수 있습니다. 그러므로 락인앰프 출력값은 특정 DC 바이어스 전압을 기준으로 정전용량이 아닌 C-V 곡선의 기울기에 비례하며 미분 정전용량(dC/dV)과 동등합니다. SCM은 캐리어 농도가 서로 다른 시료 표면을 스캔하면서 일정한 DC 및 AC 바이어스 전압을 기준으로 미분 정전용량을 측정합니다.

그림 5 (a)에서는 XE 시리즈 SCM의 정전용량 측정 운용 메커니즘을 보여 줍니다. RF(~1GHz) 발진기를 채택한 정전용량 센서는 RF 전력 검파 회로를 포함한 공진기와 결합합니다. 공진기는 탐침 및 시료와 함께 공명회로를 구성합니다. 팁-시료 사이의 정전용량이 변화하면 공진기의 공명 특성이 변화하여 다이오드 검출기의 전압 출력 진폭이 달라집니다.

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그림 5. (a) XE 시리즈 SCM의 계통도 (b) 팁-시료 정전용량의 변화

 

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그림 6. XE SCM 대역(적색) 및 기존 SCM 대역(청색)의 비교. 참조를 위해 서로 다른 소재의 공명 곡선이 도식되어 있습니다.

 

그림 6에서는 서로 다른 시료의 SCM 공명 곡선을 보여 줍니다. 공명 곡선의 형태와 위치는 소재에 따라 다릅니다. 예를 들어 금속의 공진 주파수는 비교적 낮은 반면 유전체의 공진 주파수는 비교적 높습니다. 소재에 따라 변화하는 인수는 공진 주파수만이 아니며, 각 곡선의 큐(Q) 값도 약 35에서 40까지 변화합니다. 기존의 SCM에서는 작동 주파수가 고정된 RF 발진기를 사용하므로 금속 및 유전체 시료 표면에서 양호한 SCM 이미지를 얻기가 어렵습니다. 이는 측정 위치를 고정하면 최대 감도 위치를 유지하기가 어려울 수 있기 때문입니다. 시료의 공명 곡선이 작동 주파수에서 멀어지면 감도를 낮추고 SCM 이미지를 측정하거나, 측정 환경을 임의로 조정하여 공명 곡선을 더욱 양호한 작동 위치로 되돌려야 합니다. 따라서 기존 SCM 센서의 구조는 SCM 운용을 제한하는 커다란 장애 요소로 작용합니다.

 

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그림 7. 가변 작동 주파수 SCM 탐침을 사용한 고해상도, 고감도 XE SCM 이미징의 장점

그림 8.가변 작동 주파수 XE-SCM 탐침을 완벽하게 차폐하여 표유 정전용량을 최소화합니다

그림 9. 가변 작동 주파수 XE SCM 탐침의 계통도

 

T그림 7과 같이 XE 시리즈 SCM은 우수한 감도와 높은 공간 분해능을 갖는 SCM 탐침을 사용하고 작동 주파수를 조절할 수 있으므로 측정 시마다 최적의 공진 주파수와 큐(Q) 값을 선택할 수 있습니다. 또한 그림 8에 나와 있는 SCM 탐침의 혁신적인 전기 차폐벽과 유전체 탐침 홀더는 외부 환경의 영향을 배제한 측정을 가능하게 합니다. 저유전성 소재는 표유 정전용량을 줄이고 S/N 비율을 높여 줍니다.

그림 9는 XE 시리즈 SCM에 사용되는 진보된 SCM 탐침의 계통도입니다. SCM 탐침은 가변 축전기가 내장된 극초단파 공진기에 연결되며, 사용자는 이 공진기로 탐침을 조절하여 최적의 공진 주파수(fr) 및 큐(Q) 값을 얻을 수 있습니다. VCO는 탁월한 주파수 안정성을 제공하고 주파수 스윕과 같은 고급 모드를 사용할 수 있게 합니다. 감도는 1/√BW에 비례하므로 주파수가 높을수록 감도가 높습니다.

가변 작동 주파수 SCM 탐침은 890MHz에서 1050MHz까지 160MHz의 폭넓은 RF 대역을 처리합니다. 측정된 공명 곡선에서 그림 5와 같이 기울기가 가장 큰 작동 주파수를 선택하면 SCM 탐침의 분해능과 감도를 극대화할 수 있습니다. 공명 곡선에서 중앙 고점 좌우에 보조 고점이 있는 경우 보조 고점에서 먼 지점을 선택해야 출력 신호에서 비선형성이 나타나지 않습니다.

SCM 센서는 RF 범위 내에서 작동하므로 공진기에서 인접한 금속 구조로 방사되는 전자기파가 표유 정전용량을 일으킵니다. 따라서 적절한 절연 및 차폐 조치를 통해 불필요한 방사파를 최소화해야 합니다. 이러한 이유로 탐침에 인접한 기계 부품에는 금속성 소재 대신 세라믹 소재를 사용했습니다. 또한 SCM 공진기에서 탐침으로 이어지는 배선의 길이도 최소화했으며 공진기 앞면의 입구 크기도 최적화했습니다.

XE 시리즈 SCM의 가장 일반적인 응용 분야 중 하나는 불균일하게 도핑된 반도체 시료의 캐리어 농도 매핑입니다. 지금까지 SIMS, SRP 및 1차원 C-V 등의 기존 툴은 도펀트 또는 캐리어 농도 정보를 매우 높은 정확도와 분해능으로 제공했지만 1차원으로만 측정이 가능했습니다. 따라서 정량적 2차원 정보는 1차원 측정값에서 유추할 수밖에 없었습니다. 그러나 XE 시리즈 SCM은 2차원 활성 캐리어 농도를 나노미터 규모의 정확성으로 직접 측정할 수 있는 놀라운 잠재력을 보이고 있습니다.

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그림 10. XE SCM(왼쪽) 및 기존 SCM으로 측정한 이온 주입형 Si 시료 이미지 비교

 

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그림 11. 반도체 표면의 (a) 형상 이미지 및 (b) SCM 이미지. 형상 이미지에서 밝은 부분은 70nm 높이의 열성장 이산화규소 패턴을 나타냅니다. SCM 이미지에서 밝은 원형 및 둥근 사각형 부분은 50keV 에너지와 1014ions/cm2의 투여 밀도로 As+ 이온이 심하게 도핑된 부분입니다.

 

그림 10 및 11에서는 반도체 표면의 형상 및 SCM 이미지를 보여 줍니다. 형상 데이터에서 밝은 부분은 70nm 높이의 열성장 이산화규소 패턴을 나타냅니다. XE-SCM은 표면의 도펀트 농도와 산화물 두께의 변화를 시각적으로 구분해 줍니다. SCM 이미지에서 밝은 원형 및 둥근 사각형 부분은 50keV 에너지와 1014ions/cm2의 투여 밀도로 As+ 이온이 심하게 도핑된 부분입니다. SCM 이미지에서 산화물 패턴 부분의 밝은 대비는 AC 전압 요동에 대한 정전용량 변화(dC/dV)가 매우 작음을 나타내며, 이는 심하게 도핑된 부분에서 두꺼운 산화물층으로 인해 나타나는 현상입니다. 따라서 SCM으로 절연부 두께의 상대적 변화를 측정할 수 있습니다.

그림 12 (a) 및 (b)는 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 형상과 2차원 도펀트 프로파일을 각각 보여 줍니다. 그림 12 (c)는 그림 12 (b)에서 게이트 근처의 윤곽선 지도입니다. XE SCM으로 많이 도핑된 소스, 드레인 및 접합부 공핍 영역을 시각화할 수 있지만 원자현미경 형상 이미지에서는 이러한 영역을 볼 수 없습니다. 또한 p-n 접합 모서리의 접합 공핍층을 판별할 수 있는 측정 툴이 없습니다.

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그림 12. 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 (a) 표면 형상 및 (b) 2차원 도펀트 프로파일과 (c) 게이트 근처의 2차원 도펀트 프로파일 윤곽선 지도

 

또 다른 용도로서 XE SCM으로 MOS 소자의 게이트 산화물 특성을 파악할 수 있습니다. 게이트 산화물이 얇아지면 소자 작동 중에 산화물에 전하가 축적되어 불량이나 결함이 발생할 수 있습니다. 현재로서는 국지적으로 발생한 불량과 전기적 결함을 찾아낼 수 있는 툴이 없습니다. 그러나 XE-SCM은 나노미터 분해능으로 절연부의 국지적 전하와 결함을 매핑할 수 있습니다.

초고밀도 비휘발성 반도체 메모리 분야에서도 XE-SCM을 활용할 수 있습니다. 금속절연산화물 반도체(MIOS) 이형구조 비휘발성 메모리의 절연층에 축적된 전하를 XE-SCM으로 측정할 수 있습니다. 1991에 Barrett과 Quate는 SCM에 기반한 금속질화산화규소(MNOS) 시스템용 초고밀도 데이터 스토리지의 가능성을 시연한 바 있습니다.

그림 13은 XE SCM으로 전하 분포를 직접 측정한 이미지로서, P 도핑 Si의 6nm 두께 SiO2 표면에 전압 응력으로 인해 전하가 축적되어 있습니다. 각 이미지 아래에는 최초에 60초간 9.5V의 응력을 가한 후의 시간이 기재되어 있습니다.

그림 14는 얇은 이산화규소 위에 글자 모양으로 만든 전하 분포입니다. PSIA라는 글자와 밑줄 부분에 전압 펄스를 가하여 얇은 이산화규소 절연층에 전하를 축적했습니다. 아래에서 볼 수 있듯이 축적된 전하를 XE-SCM으로 측정할 수 있습니다.

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그림 13. XE-SCM으로 직접 측정한 전하 분포. 각 이미지 아래에는 최초에 60초간 9.5V의 응력을 가한 후의 시간이 기재되어 있습니다.

그림 14. 얇은 이산화규소 위에 글자 모양으로 만든 전하 분포

 

 

 

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