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Electrical Properties

 

시분해 광전류 매핑

 

Park Systems : Committed to Support Your Research

파크시스템스는 25년 이상의 역사를 통해 나노계측 솔루션을 추구하는 주요 대학, 저명한 연구 기관 및 업계 리더들로부터 원자현미경 기술의 선두 주자로서 명성을 다져 왔습니다. 파크시스템스는 원자현미경 사용자의 연구 및 응용 분야를 뒷받침하기 위한 헌신의 노력을 통해 시장에서 활동하는 어떠한 기존 원자현미경 제조업체보다도 다양한 모드를 개발하고 있습니다.

감광성 소재 연구의 혁신

파크시스템스는 최고 성능의 전도식 원자현미경 옵션을 기반으로 시분해 광전류 매핑(PCM)이라는 획기적인 기능을 개발했습니다. 이 매핑 모드에서는 원자현미경의 피드백 레이저를 포함하여 불필요한 모든 광원의 간섭을 배제한 채로 시분해 조명에 대한 감광성 소재의 시간 반응을 측정합니다.


- 시분해 광전자 여기에 대한 반응을 관찰하여 광전류 자극을 시간 단위로 분광
- 자동으로 수명에 대한 분광 분석 및 국지적 광전 반응의 위치별 매핑 수행

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그림 1 (a). 시분해 조명에 대한 전형적인 광전류 반응. 시료와 전압이 인가된 캔틸레버 사이의 전류를 조명 전, 조명 중 및 조명 후에 측정

그림 1 (b). 광전류 분광의 각 위치별 매핑. 시료에 정의된 각 격자점에서 시간 단위의 광전류 반응을 측정

 

고급형 전도식 원자현미경과 I/V 분광법

원자현미경은 시료의 다양한 국지적 특성을 나노 규모로 측정할 수 있으며, 특히 바이어스 전압이 인가된 캔틸레버를 시료 표면에 위치시켜 국지적 전도율을 구할 수 있습니다. 캔틸레버와 시료 사이의 전류는 수 pA 정도로 미세할 수 있으므로 pA 단위 이하의 낮은 전류 노이즈가 필요합니다. 파크시스템스의 XE 시리즈는 mA에서 pA 이하 단위의 전류 신호를 검출할 수 있는 최고 성능의 전도식 원자현미경 옵션을 제공합니다. 이를 통해 획기적인 저 노이즈 성능으로 VLSI 접점 플러그의 I/V 곡선에서 pA 단위 이하의 미세한 변화를 감지할 수 있습니다(그림 2).

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그림 2. VLSI 접점의 형상, 전류 이미지 및 IV 곡선

 

PCM 측정 절차

원자현미경의 피드백 레이저를 포함하여 모든 광원을 끈 상태에서 재설정 전압을 인가하여 감광성 시료에서 잔류 전하를 제거합니다[A]. 바이어스 전압 인가한 후[B] 시분해 조명을 가하면서 광전류를 측정합니다[C]. 그런 다음 조명을 끈 후 광전류 감쇠를 측정합니다[D].

 

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그림 3. 시분해 광전류 매핑의 측정 절차

 

형상과 시분해 광전류를 동시에 측정

PCM은 고속 저 노이즈 전류 측정을 통해 여기 수명을 위치별로 매핑하여 감광성 시료 내의 광전 특성의 공간적 변화를 관찰할 수 있습니다.

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그림 4. PCM으로 시료의 여러 지점에서 광전류 반응 측정

 

광전류 분광 전용 자동화 분석

time-resolved-photocurrent-mapping-f5 그림 5. 광전류 분광 데이터로부터 광전류 자극의 수명을 자동으로 분석

 

전용 사용자 인터페이스를 통해 여기 수명을 자동으로 분석 및 계산할 수 있습니다. 그림 5에서는 시료의 특정 위치에서 광전류의 변화를 도식했으며 오른쪽에 광전류 여기의 수명이 표시되어 있습니다.

 

주사형 터널링 분광법(STS)

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STM 팁을 나노미터 규모의 접점으로 사용하는 STS 분광법에서는 전류(I)를 시료에 가하는 팁 바이어스 전압(V)의 함수로 도식합니다. 시료 표면의 전기적 특성을 조사하기 위해 STM 이미지를 얻은 후 선택한 시료 영역에서 IV 분광을 측정합니다. 이러한 분광 데이터로 시료의 국지적 전자 상태를 연구할 수 있습니다.

주사형 터널링 현미경(STM)

시료 표면의 국지적 전자 구조 관찰

 

주사형 터널링 현미경(STM)은 XE 시리즈 SPM의 응용 모드 중 하나입니다. STM은 모든 주사형 프로브 현미경의 원조 격입니다. 이 기술은 1981년에 IBM Zurich의 Gerd Binnig 및 Heinrich Rohrer에 의해 발명되었으며, 이들은 5년 뒤에 이 공로를 인정받아 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다. STM은 원자 수준의 분해능(정확히 말해 원자 격자 분해능)으로 표면의 실제 공간 이미지를 측정할 수 있는 최초의 장비였습니다.


STM와 전도식 원자현미경의 작동 원리는 동일하지만 STM은 예리한 전도성 팁을 사용하는 반면 전도식 원자현미경은 전도성 원자현미경 캔틸레버를 사용한다는 점이 다릅니다. 팁과 시료 사이에 바이어스 전압이 가해집니다. 팁이 시료에서 10A 이내까지 접근하면 시료의 전자가 10A 간격을 통해 팁으로 "터널링" 효과가 나타나며, 그림 1과 같이 바이어스 전압의 부호에 따라 터널링 방향이 바뀝니다. 이렇게 발생하는 터널링 전류는 팁-시료 간격에 따라 변화하며, 시료와 팁은 모두 전도체이거나 반도체여야 합니다. 따라서 절연 소재는 STM으로 측정할 수 없습니다.

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그림 1. XE 시리즈 STM 시스템의 계통도

 

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그림 2. STM의 (a) 일정 높이 및 (b) 일정 전류 모드 비교

 

터널링 전류는 거리의 지수 함수 형태로 표현되며, 양자역학에 근거하여 터널링 전류(It)는 아래와 같이 계산됩니다.

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여기에서 d는 팁과 시료 표면 사이의 거리입니다.

팁과 시료의 간격이 1A 단위로 10% 변화하면 터널링 전류의 자릿수가 하나 변화합니다. 이러한 지수적 상관성은 STM에 놀라운 감도를 제공합니다. STM은 세로 방향으로 옹스트롬 이하의 정밀도, 가로 방향으로 원자 수준의 분해능으로 시료 표면을 이미징할 수 있습니다.

STM 기술은 다양한 바이어스 전압으로 "표면 형상" 이미지(일정 전류)를 얻어 비교할 수 있으며, 다양한 높이에서 전류 이미지(일정 높이)를 얻을 수도 있습니다. 그리고 팁을 관심있는 형상 위에 놓고 바이어스 전압을 변화시키면서 터널링 전류를 기록할 수 있는 등 다양한 기법을 망라합니다. 마지막 기법의 예는 시료 표면의 특정 XY 위치에서 전자 구조의 전류 대 전압(IV) 곡선 특성을 산출하는 것입니다. 데이터 세트의 모든 점에서 IV 곡선을 취하도록 STM을 설정하면 전자 구조의 3차원 지도를 얻을 수 있습니다. 락인앰프로 dI/dV(전도율) 또는 dI/dz(일 함수) 대 V 곡선을 직접 얻을 수 있습니다. 이러한 모든 방법은 STM으로 표면의 국지적 전자 구조를 관찰하는 수단입니다.

그림 2에서는 일정 높이 또는 일정 전류 모드의 계통도를 보여 줍니다. 일정 높이 모드에서는 팁이 시료 위에서 수평면을 따라 이동하며 터널링 전류가 시료의 형상 및 국지적 표면 전자 특성에 따라 변화합니다. 그림 2 (a)와 같이 시료 표면의 각 위치에서 측정한 터널링 전류가 데이터 세트(형상 이미지)를 구성합니다.

일정 전류 모드에서는 그림 2 (b)와 같이 각 측정 지점에서 피드백에 따라 스캐너 높이를 조정하여 터널링 전류를 일정하게 유지합니다. 예를 들어 터널링 전류가 상승하는 것이 감지되면 Z축 스캐너에 인가되는 전압을 조정하여 팁과 시료 간의 거리를 벌립니다. 일정 전류 모드에서는 스캐너의 움직임이 데이터 세트를 구성합니다. 터널링 전류를 몇 퍼센트 이내로 일정하게 유지하면 팁-시료 거리는 수백 분의 1옹스트롬 이내로 일정하게 유지됩니다. 각 모드에는 장단점이 있습니다. 일정 높이 모드에서는 스캐너의 상하 이동이 필요하지 않으므로 속도가 빠르지만 표면이 상대적으로 매끈한 경우에만 유용한 정보를 얻을 수 있습니다. 일정 전류 모드에서는 불규칙한 표면을 정밀하게 측정할 수 있지만 측정 시간이 오래 걸립니다.

대략적으로 말해, 터널링 전류 이미지는 시료 표면 형상을 매핑합니다. 보다 정확히 설명하자면 터널링 전류는 표면의 전자상태 밀도에 대응합니다. STM은 실제로 바이어스 전압에 따라 결정되는 에너지 범위 내에서 페르미면 근처의 충만 또는 비충만 전자상태의 수를 감지합니다. 따라서 물리적 형상이 아닌 일정 터널링 확률면을 측정합니다.

비관적인 관점에서 보면 국지적 전자 구조에 대한 STM의 민감성은 형상 매핑에 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 시료에 산화된 부분이 있을 경우 팁이 표면에 구멍을 내면서 터널링 전류는 급격히 감소합니다.

그러나 긍정적인 관점에서 보면 전자 구조에 대한 STM의 민감성은 막강한 장점이 될 수 있습니다. 시료의 전자 특성을 파악하는 다른 기법에서는 너비가 수 미크론에서 수 밀리미터에 이르는 비교적 넓은 영역에서 비롯되는 데이터를 감지하여 평균을 구합니다. STM은 원자 수준의 분해능으로 시료 표면의 전자 특성을 관찰하는 표면 분석 툴로서 이용될 수 있습니다.

그림 3에서는 고차원(HOPG) (a) 표면 형상 및 (b) STM 이미지를 보여 줍니다.

 

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그림 3. HOPG의 (a) 형상 이미지 및 (b) STM 전류 이미지(스캔 크기 5nm)

 

XE-STM 모드에는 '내부 STM' 및 '외부 STM'이라는 두 가지 전류 증폭기를 사용할 수 있습니다. '내부 STM' 모드는 헤드 연장 모듈의 고정 게인 전류 증폭기를 사용하는 STM 모드입니다. '내부 STM' 모드에서는 증폭기의 게인이 고정되므로 터널링 전류의 측정 가능 범위가 고정됩니다. 그러나 외부 STM 모드에서는 증폭기의 게인을 조절하여 측정 가능한 터널링 전류 범위를 변경할 수 있습니다. '외부 STM' 모드는 가변 게인 외부 저 노이즈 전류 증폭기를 사용하는 STM 모드입니다. 자세한 내용은 "외부 저전류 증폭기"를 참조하십시오.

I/V 분광법 모드에서는 전류(I) 대 전압(V) 곡선을 구하여 시료 표면의 전기적 특성을 조사할 수 있습니다. I/V 곡선은 전류를 시료에 인가한 팁 바이어스 전압의 함수로 도식한 것입니다.

 

필수 옵션

내부 STM
STM
탐침 및 STM 탐침 홀더
헤드 연장 모듈 및 프레임 모듈

외부

STM
STM 탐칩 및 STM 탐칩 홀더
외부 저 노이즈 전류 증폭기
헤드 연장 모듈 및 프레임 모듈

 

 

주사형 확산저항 현미경(SSRM)

시료 표면의 국지적 전자 구조 관찰

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SSRM은 마이크로 및 나노 규모 측정에 사용되는 확산저항 프로파일링(SRP)이라는 확립된 기법을 구현합니다. 그러나 일반 SRP는 이중 탐침 기법인데 비해 SSRM에서는 그림 1과 같이 전도식 원자현미경 팁이 공통 전극으로 좁은 소자 영역을 스캔합니다. 전도식 원자현미경과 SSRM의 작동 원리는 동일하지만 SSRM은 소자의 단면 표면을 스캔하지만 전도식 원자현미경은 일반 표면 위를 스캔한다는 점이 다릅니다. SSRM의 응용 분야로는 반도체 소재의 도펀트 분포 측정 및 정확한 pn 접합부 구획 판별 등이 있습니다.

깊이 분해능을 높이기 위해 기존의 이중 탐침 SRP에서는 경사진 시료 표면을 준비해야 했으며, 이 표면의 품질이 측정된 표면 저항을 크게 좌우했습니다.

뿐만 아니라 경사진 표면으로 인해 발생하는 캐리어 확산과 그로 인한 접합부 이동을 교정해야 했습니다. 그에 비해 SSRM은 훨씬 우수한 공간 분해능(팁 반경의 수 분의 일)을 제공하며 표면에 경사를 줄 필요가 없습니다. SRP 팁 곡률 반경은 일반적으로 10μm 텅스텐 합금 바늘인데 비해 SSRM의 DLC(Diamond-Like Carbon) 코팅 팁은 50-100nm 또는 그 이하입니다. SRP에서 사용되는 인가 전압은 SSRM보다 자릿수가 높습니다. n형 및 p형 Si에서 캐리어 농도의 동적 측정 범위는 1015에서 1020cm-3까지 다섯 자릿수에 걸쳐 있습니다.


사용되는 전류 증폭기에 따라 '내부 SSRM' 및 '외부 SSRM'이라는 두 가지 SSRM 모드가 있습니다. '내부 SSRM' 모드는 헤드 연장 모듈의 고정 게인 전류 증폭기를 사용하는 SSRM 모드입니다. '외부 SSRM' 모드는 가변 게인 외부 저 노이즈 전류 증폭기를 사용하는 SSRM 모드입니다. 외부 SSRM 모드에서는 증폭기의 게인을 조절하여 측정 가능한 전류 범위를 변경할 수 있습니다. 자세한 내용은 "외부 저전류 증폭기"를 참조하십시오.

 

사양

일반
Carrier concentration: 1015 ~ 1020 carries/cm3
Lateral Resolution: 10 nm

외부
Transimpedance: 103 ~ 1011 V/A
4.3 fA / √Hz Input Noise
대역폭: 최대 500 KHz
바이어스 전압 범위: -10 ~ +10 V
전류 범위: 1 pA ~ 10 mA

내부
전류 범위: 10 pA ~ 100 mA
DC 바이어스 전압 범위: -10 V ~ +10 V
(증가폭 0.001 V)
Noise level: 10 pA

 

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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