KR100687796B1 - 반도체의 불순물농도 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

반도체의 불순물농도 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전탐침을 이용하여 반도체 불순물 농도분포를 나노스케일 및 정량적으로 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 전도성 다이아몬드 탐침의 실리콘과 전도성 다이아몬드 박막이 이루는 열전쌍을 교류전류로 가열함과 동시에, 나노 열전쌍 접점부의 온도변동을 측정하고, 또한 그와 동시에 상기 탐침의 첨단을 반도체 샘플과 전기적 접촉을 이루도록 접촉시킨 상태에서 상기 탐침과 반도체 샘플의 접점에서 발생하는 열전 전압를 측정하므로, 첫째로 다이아몬드 탐침과 실리콘 샘플의 접촉면의 열전계수를 측정하므로 측정되는 신호의 크기가 접촉면의 크기와 무관하게 일정 값을 가져서 정전용량과 같이 측정되는 신호의 크기가 접촉면의 면적에 비례하는 SCM(Scanning Capacitance MicroScopy)에 비해서는 높은 공간분해능을 가지고, 둘째로 측정되는 신호의 크기가 탐침과 실리콘 샘플 접촉면의 크기에 의하여 영향을 받는 SSRM(Scanning Spreading Resistance MicroScopy)에 비해 정량적 측정에 있어서 우월하고, 마지막으로 공간적 분해능에 있어서는 SThEM(Scanning Thermo-Electric MicroScopy)에 근접할 것으로 예상되어 실용성, 간편성 및 정량적 측정가능의 면에 있어서 훨씬 뛰어나다.
다이아몬드탐침, 열전쌍, 열전계수

Description

반도체의 불순물농도 측정장치 및 측정방법{Device and Method for measuring dopant profiling of semiconductors}
도 1은 NANOWORLD사의 SSRM 전용 다이아몬드 탐침의 첨단에 대한 전자현미경 사진.
도 2는 SThEM(Scanning Thermo-Electric Microscopy) 방법의 원리를 도시한 개략도.
도 3은 미국특허번호 제6,518,872호에 개시된 브리지가 설치된 형태의 탐침을 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 측정장치와 상기 측정장치에 이용되는 전도성 다이아몬드 탐침의 구성을 개략적으로 도시한 개념도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 측정장치 및 측정방법을 설명하기 위하여 도시한 개념도.
도 6은 본 출원인에 의해 선행실험된 온도측정장치와 주파수 대 온도변동 그래프를 도시한 도면.
도 7은 상기 선행실험에 있어서의 신호처리 및 그 결과에 대한 그래프를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체의 불순물농도 측정방법의 플로우 차트.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 헤비도핑된 원추형 실리콘 20 : 이산화규소 박막
30 : 다이아몬드 박막 40 : 열전쌍 접점부
50 : 탐침첨단 60 : 접점
100 : 전도성 다이아몬드 탐침 200 : 교류전원
300 : 제1 전압측정장치 400 : 제2 전압측정장치
500 : 반도체 샘플 501 : 샘플표면
본 발명은 열전탐침을 이용하여 반도체 불순물 농도분포(dopant density profiling)를 나노스케일 및 정량적으로 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 탐침 첨단의 나노 열전쌍에서 가열, 온도측정 및 열전전압측정의 세 가지 기능을 동시에 수행함으로써 반도체 표면의 접점에 대한 불순물 농도분포(dopant density profiling)를 나노미터 정도의 공간적 정밀도를 가지면서 정량적으로 측정할 수 있는 측정방법에 관한 것이다.
미래 집적회로 제조기술의 발전 방향예측에 있어서 대표적인 자료로 흔히 인용되는 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)에 의하면 2009년경에는 반도체 소자의 게이트 길이(gate length)가 30 nm 정도까지 작아지게 되는데, 이러한 집적회로 제조기술은 필연적으로 나노미터 스케일의 정밀도를 갖는 반도체 소자의 구조분석 기술을 요구하게 된다. 집적회로는 기본적으로 4족 원소인 단결정 실리콘 웨이퍼에 5족 원소인 n형 불순물과 3족 원소인 p형 불순물을 높은 공간적 정밀도로 도핑(doping)함으로써 제작된다. 따라서, 반도체 소자의 구조분석 기술은 기본적으로 실리콘 불순물 농도분포 측정기술(dopant density profiling technology)를 의미하게 된다. 이러한 기술적 중요성 때문에 반도체의 불순물 농도 분포를 측정하는 기술에 관한 연구는 대단히 다양한 방법으로 이루어져 왔다. 그 중 대표적인 세 가지 방법은 SCM(Scanning Capacitance Microscopy), SSRM(Scanning Spreading Resistance Microscopy), 그리고 가장 최근에 개발된 SThEM(Scanning Thermo-Electric Microscopy)으로서, 이하에서 상세히 설명한다.
먼저, SCM(Scanning Capacitance Microscopy)은 탐침의 첨단과 반도체 표면 사이의 정전용량(capacitance)이 반도체 표면의 불순물 농도의 함수임을 활용한 방법이다. 탐침 첨단과 반도체 표면 사이의 정전용량은 수학식 1과 같다.
Figure 112006015050102-pat00001
여기서, Ce는 정전용량, Q는 전하량, V는 전위차, ε0는 비유전율, A는 탐침첨단의 면적, 그리고 dc는 탐침 첨단과 반도체 표면사이의 거리이다. 현재 SCM의 가장 높은 정밀도는 10-20 nm 에 이르는 것으로 보고되고 있다.
그러나, 이러한 분해능은 측정감도를 희생시킴으로써 얻어지는 것으로서, 정전용량은 탐침첨단의 면적과 비례하므로 탐침의 첨단을 더욱 예리하게 만들면 분해능은 높일 수 있지만 측정원리상 측정감도의 저하를 피할 수 없다. 또한, SCM은 기본적으로 탐침이 불순물의 농도를 측정하고자 하는 표면과 비접촉 상태를 유지해야 하므로 현재의 정밀도를 넘어서기는 대단히 어렵다.
다음으로, SSRM(Scanning Spreading Resistance Microscopy)은 SCM의 이러한 단점을 극복하기 위한 접촉식 불순물 농도 측정방법으로서, 탐침의 첨단과 반도체표면 접점의 저항이 반도체 표면의 전기저항도(electrical resistivity)와 수학식 2와 같은 관계를 가지는 점을 활용한 기법이다.
Figure 112006015050102-pat00002
여기서, R은 탐침 첨단과 반도체 표면 접점의 전기저항이고, ρ는 전기저항도(electrical resistivity)이며, a는 접점의 반경이다. 본 방법의 원리는 위의 수학식 2로부터 쉽게 알 수 있는 것처럼 전기저항도가 불순물 농도의 함수임을 활용한 기법이다. 본 기법의 공간적 정밀도는 약 25 nm 정도인 것으로 알려져 있으나, 최근에는 5 nm 정도의 분해능을 얻을 수 있었다고 보고하는 논문도 발표된 바 있다. 본 기법은 탐침과 실리콘의 안정된 전기적 접촉을 이루기 위해서 다이아몬드 탐침을 필요로 하며, 현재 NANOWORLD사에서는 도 1에 보여지는 바와 같은 SSRM 전용 다이아몬드 탐침을 상용화하여 판매하고 있다.
상기 SSRM은 불순물의 농도분포를 정성적으로 파악하는데 있어서는 상당히 간단하면서도 효과적인 방법이다. 그러나 수학식 2로부터 알 수 있듯이, 측정된 저항 R로부터 실리콘 접점의 저항도 ρ를 정량적으로 정확하게 측정하기 위해서는 접점의 반경 a를 정확하게 알아야 하지만, 나노스케일 탐침의 첨단과 실리콘 샘플표면과의 전기적 접점의 크기를 정확하게 안다는 것은 대단히 어렵다. 따라서, 불순물의 종류와 농도를 정량적으로 분석하는 데에는 많은 문제점을 갖고 있다.
탐침의 첨단과 실리콘 샘플이 기계적 접촉을 이루는 부분 중에서 그 압력이 약 10 Mpa 이상인 영역에서 전기적 접촉이 이루어지는 것은 이미 잘 알려져 있다. 이렇게 전기적 접촉이 이루어지는 접점의 크기에 영향을 주는 요소는 (i) 다이아몬드 탐침 첨단과 실리콘 샘플 표면의 접촉력 크기, (ii) 다이아몬드 탐침 첨단의 형상, (iii) 실리콘 샘플 표면에 존재하는 자연 산화막(native oxide)의 두께 및 표면 상태로 요약할 수 있다. 이 중에서 (i) 접촉력의 크기는 AFM(Atomic Force Microscope)를 사용하여 대단히 정밀하게 조절하는 것이 가능하다. 그러나 (ii) 탐침 첨단의 형상과 (iii) 샘플 표면의 상태를 정밀하게 반복적으로 제어하는 것은 대단히 어렵고 오차가 발생하기 쉽다.
예를 들어, 도 1은 NANOWORLD사의 SSRM용 탐침의 첨단에 대한 전자현미경 사진으로 탐침 첨단부의 곡률은 다이아몬드 미립자(grain)의 성장형태와 다이아몬드 박막의 두께에 의하여 결정됨을 알 수 있다. 탐침 첨단부 미립자(grain)의 성장형태는 탐침마다 다르기 때문에 탐침 첨단부의 형상은 탐침마다 약간씩 차이가 있게 된다. 한편, 공기 중에 노출된 실리콘은 표면에 자연산화막(native oxide)이 존재 하게 되는데, 자연산화막은 실리콘 샘플이 공기 중에 노출된 환경과 시간에 의하여 영향을 받으므로 이 또한 반복적으로 재현성 있게 제어하는 것은 매우 곤란한 일이다.
마지막으로, SThEM(Scanning Thermo-Electric Microscopy)은 2004년 Science지에 발표된 바 있는 가장 최근에 개발된 방법으로서, 그 원리를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 우선, 샘플을 5×10-11 토르(torr)의 초고진공(ultrahigh-vacuum)속에 위치시킨 후, 샘플의 후면에 부착된 열원으로 샘플의 온도가 주위보다 5 내지 30K 정도 높은 온도를 유지하도록 가열하였다. 그 다음에 상온의 온도를 갖는 나노스케일의 탐침 첨단을 샘플의 표면에 접촉시키면 탐침 첨단으로의 열전달때문에 샘플에는 국소적인 온도구배가 발생하게 된다. 이 온도 구배에 의해 생겨나는 탐침과 샘플 접점의 국소 열전계수에 비례하는 열전전압을 측정함으로써 국소 열전계수를 수 나노미터의 공간분해능으로 측정하고, 이를 이용하여 반도체 불순물의 농도분포를 높은 정밀도로 분석하였다.
그러나, 본 방법은 국소적 온도구배를 위하여 초고진공(ultrahigh-vacuum)상태를 요구하고 STM을 사용함으로 인하여 표면에 자연산화막이 있는 실리콘에 대해서는 적용이 곤란하다는 등의 문제점이 있어서 현실적으로는 큰 응용성이 없다. 또한, 측정과 탐침의 이송이 동시에 이루어지지 않고 단속적으로 일어나기 때문에 본 방법을 실제로 구현하는 것은 대단히 어려운 일이다. 따라서, 상기 방법은 나노스케일의 불순물 농도분포를 측정하는데 있어서 열전계수를 측정하는 것이 효과적임 을 보여줬다는 점에서 의미가 있지만 실용성에서는 큰 한계를 가지고 있다는 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 기술분야와 관련성이 있는 특허는 2003년에 등록된 미국특허번호 제6,518,872호(high resolution scanning thermal probe and method of manufacturing thereof)가 있는데, 상기 특허는 도 3과 같은 형태의 탐침을 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)가공하고 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 공정으로 열전쌍을 만들어 상대재의 온도를 측정하는 탐침을 제조하는 공정에 대한 청구항들을 포함하고 있고, 탐침부와 열전쌍사이의 브리지(bridge)를 구성하는 방법에 대하여 언급하고 있지만, 상기 특허는 다수개의 다리를 가진 탐침을 채용하여 구현된 것으로서 탐침 첨단부에 나노 열전쌍이 구현된 것과는 다르다.
본 발명에서는 현존하는 실리콘 불순물 농도분포 측정방법에 비해서 보다 높은 공간적 정밀도 및 정량적 정밀도를 가지면서도 사용이 간편한 새로운 측정방법을 제공하고자 한다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 탐침 첨단을 샘플 표면에 접촉된 탐침 첨단의 열전쌍에 대하여 국소가열, 온도 측정 및 열전전압 측정을 동시에 수행함으로써 반도체 표면 접점의 불순물 농도분포(dopant density profiling)를 나노미터 정도의 공간적 정밀도를 가지고 정량적으로 측정할 수 있는 측정방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 반도체의 불순물농도 측정장치는, 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘과 열전쌍을 이루도록 전도성 다이아몬드가 외부에 적층된 다이아몬드 열전탐침;
상기 열전탐침에 교류전기를 인가하여 열전쌍 접점부를 국소 가열하는 교류전원;
상기 열전쌍 접점부에서 발생하는 온도변동(ΔTjunc)에 의해 열전전압(ΔVtip)을 측정하도록 상기 열전쌍 탐침에 연결된 제1 전압측정장치; 및
상기 다이아몬드 박막과 반도체 샘플에 연결되어 열전전압(ΔVtip-sample)을 측정하여 반도체 표면의 열전계수를 도출하는 제2 전압측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 다이아몬드 탐침은 헤비도핑(heavy doping)된 원추형 실리콘;
상기 실리콘의 단부를 제외한 외면에 적층된 부도체인 이산화규소(SiO2) 박막; 및
상기 이산화규소 박막과 상기 실리콘 단부의 외부에 적층되며 탐침의 첨단을 이루는 다이아몬드 박막; 으로 이루어진 탐침인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 반도체의 불순물농도 측정방법은, 전도성 다이아몬드박막이 적층되어 있는 열전쌍 탐침을 샘플표면에 접촉시켜 나노단위의 접점을 형성시킨 후, 상기 탐침의 열전쌍에 교류전류를 가하여 열전쌍 접점부를 국소적으로 발열시키는 제1 단계;
상기 발열에 의한 열전쌍 접점부의 온도변동(ΔTjunc)으로 발생된 열전전압(ΔVtip)을 제1 전압측정장치로 측정한 후, 상기 열전전압(ΔVtip) 및 실리콘과 다이아몬드간의 열전계수(Ssi-dia)를 이용하여 탐침첨단의 온도변동(ΔTtip)을 산출하는 제2 단계;
상기 전도성 다이아몬드박막의 첨단과 반도체 샘플표면사이에 형성된 탐침접점의 열전전압(ΔVtip-sample)을 제2 전압측정장치로 측정한 후, 상기 열전전압(ΔVtip-sample)과 온도변동(ΔTtip)을 이용하여 다이아몬드 박막과 샘플표면간의 열전계수(Sdia-sub)를 산출하는 제3 단계; 및
상기 열전계수(Sdia-sub)를 이용하여 샘플표면의 열전계수(Ssample)를 산출한 후, 상기 산출된 열전계수(Ssample)로부터 반도체의 불순물농도를 정량적으로 분석하는 제4 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 단계에서는 측정된 열전전압에서 주파수ω의 구동전압을 분리하여 제벡효과(Seebeck effect)로 발생된 주파수 2ω의 열전전압(ΔVtip)을 산출한다.
또한, 상기 제3 단계에서는 측정된 열전전압에서 주파수ω의 구동전압을 분리하여 제벡효과(Seebeck effect)로 발생된 주파수 2ω의 열전전압(ΔVtip-sample)을 산출한다.
상기 제4 단계에서의 샘플표면의 열전계수(Ssample)는 산출된 열전계수(Sdia- sample)에서 다이아몬드박막(30)의 열전계수(Sdia)를 제외함으로써 얻어질 수 있는데, 반도체의 불순물농도(n)는 열전계수(S)의 함수(n=f(S))이고 양자의 관계가 실험에 의하여 도표화되어 있는 바, 그에 근거하여 열전계수에 따른 반도체의 불순물농도를 정량적으로 분석할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 반도체의 불순물농도 측정장치 및 방법의 일실시예의 구성을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 측정장치와 상기 측정장치에 이용되는 전도성 다이아몬드 탐침의 구성을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 측정장치 및 측정방법을 설명하기 위하여 도시한 개념도이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체의 불순물농도 측정방법의 플로우차트이다.
또한, 도 6은 본 출원인에 의해 선행실험된 온도측정장치와 주파수 대 온도변동 그래프를 도시한 도면이고, 도 7은 상기 선행실험에 있어서의 신호처리 및 그 결과에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 4와 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 반도체의 불순물농도 측정장치는, 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)과 열전쌍을 이루도록 전도성 다이아몬드 박막(30)이 외부에 적층된 다이아몬드 열전탐침(100)과, 상기 열전탐침(100)에 교류전기를 인가하여 열전쌍 접점부(40)를 국소가열하는 교류전원(200)과, 상기 열전쌍 접점부(40)의 온도변동(ΔTjunc)에 의해 발생하는 열전전압(ΔVtip)을 측정하도록 상기 열전탐침(100)에 연결된 제1 전압측정장치(300)와, 상기 다이아몬드 박막(30)과 반도체 샘플(500)에 연결되어 열전전압(ΔVtip-sample)을 측정하여 반도체 표면의 열전계수를 도출하는 제2 전압측정장치(400)를 포함하고 있다.
상기 전도성 다이아몬드 탐침(100)은, 헤비도핑(heavy doping)된 원추형 실리콘(10)과, 상기 실리콘(10)의 단부를 제외한 외면에 적층된 부도체인 이산화규소(SiO2) 박막(20)과, 상기 이산화규소 박막(20)과 상기 실리콘(10) 단부의 외부에 적층되며 탐침(100)의 첨단(50)을 이루는 다이아몬드 박막(30)으로 이루어져서, 전류가 상기 원추형 실리콘(10)을 통하여 전도성 다이아몬드 박막(30)으로 흐름에 따라 상기 열전쌍 접점부(40)가 주울효과(Joule effect)에 의해 국소가열된다.
또한, 도 8에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 반도체의 불순물농도 측정방법은,
전도성 다이아몬드 박막(30)이 적층되어 있는 열전쌍 탐침(100)을 샘플표면(501)에 접촉시켜 나노단위의 접점(60)을 형성시킨 후, 상기 탐침(100)의 열전쌍에 교류전류를 가하여 열전쌍 접점부(40)를 국소적으로 발열시키는 제1 단계(S1)와,
상기 발열에 의한 열전쌍 접점부(40)의 온도변동(ΔTjunc)으로 발생된 열전전압(ΔVtip)을 제1 전압측정장치(300)로 측정한 후, 상기 열전전압(ΔVtip) 및 실리콘(10)과 다이아몬드(30)간의 열전계수(Ssi-dia)를 이용하여 탐침첨단(50)의 온도변동(ΔTtip)을 산출하는 제2 단계(S2)와,
상기 전도성 다이아몬드박막(30)과 반도체 샘플표면(501)사이의 탐침접점 (60)의 열전전압(ΔVtip-sample)을 제2 전압측정장치(400)로 측정한 후, 상기 열전전압(ΔVtip-sample)과 온도변동(ΔTtip)을 이용하여 다이아몬드 박막(30)과 샘플표면(501)간의 열전계수(Sdia - sample)를 도출하는 제3 단계(S3)와,
상기 열전계수(Sdia-sample)를 이용하여 샘플표면(501)의 열전계수(Ssample)를 산출한 후 상기 산출된 열전계수(Ssample)로부터 반도체의 불순물농도를 정량적으로 분석하는 제4 단계(S4)로 이루어진다.
상기 제2 단계(S2)에서는 측정된 열전전압에서 주파수ω의 구동전압을 분리하여 제벡효과(Seebeck effect)로 발생된 주파수 2ω의 열전전압(ΔVtip)을 산출한다.
상기 제2 단계(S2)에서 실리콘(10)과 다이아몬드 박막(30)간의 열전계수(Ssi-dia)는 실험에 의하여 구하는 것이 편리하나, 이론적으로는 하기의 수학식 3에 의하여 구할 수 있다.
Ssi - dia = Ssi - Sdia
여기서, Ssi 는 실리콘(10)의 열전계수이고, Sdia 는 다이아몬드 박막(30)의 열전계수이다.
한편, 실리콘(10)의 열전계수(Ssi)와 다이아몬드 박막(30)의 열전계수(Sdia)는 각각 불순물의 농도 및 종류에 따라 하기의 수학식 4에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112006015050102-pat00003
여기서, n과 p는 전자와 정공의 농도, μn와 μp는 전자와 정공의 이동도, Sn과 Sp는 전자와 전공의 제벡계수(Seebeck coefficient)이다.
또한, 상기 Sn과 Sp는 하기 수학식 5에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112006015050102-pat00004
Figure 112006015050102-pat00005
,
여기서, kB는 볼츠만상수, e는 전하량, re와 rh은 전자와 정공에 대한 산란계수, Nc와 Nv은 전자와 정공에 대한 컨덕션(conduction)과 밸런스(valence)계수이다.
상기 제2 단계(S2)에서 탐침첨단(50)의 온도변동(ΔTtip)은 하기의 수학식 6에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112006015050102-pat00006
여기서, ΔVtip은 열전쌍 접점부에서의 열전전압, Ssi-dia는 실리콘(10)과 다이아몬드 박막(30)간의 열전계수이다.
또한, 제2 단계(S2)에서와 동일한 방법으로 상기 제3 단계(S3)에서도 측정된 열전전압에서 주파수ω의 구동전압을 분리하여 제벡효과(Seebeck effect)로 발생된 주파수 2ω의 열전전압(ΔVtip-sample)을 산출한다.
상기 제3 단계(S3)에서 다이아몬드 박막(30)과 샘플표면(501)간의 열전계수(Sdia-sample)는 하기 수학식 7에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112006015050102-pat00007
여기서, ΔVtip-sample은 전도성 다이아몬드 박막(30)과 반도체 샘플표면(501)의 접점인 탐침접점(50)에서의 열전전압, ΔTtip는 제3 단계에서 구한 탐침첨단(50)의 온도변동값이다.
상기 제4 단계(S4)에서의 샘플표면(501)의 열전계수(Ssample)는 산출된 열전계 수(Sdia-sample)에서 다이아몬드박막(30)의 열전계수(Sdia)를 분리함으로써 얻어질 수 있는데, 반도체의 불순물농도(n)는 열전계수(S)의 함수(n=f(S))이고 양자의 관계가 실험에 의하여 도표화되어 있는 바, 그에 근거하여 열전계수에 따른 반도체의 불순물농도를 정량적으로 분석할 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체의 불순물농도 측정장치 및 방법의 작용을 상세히 설명한다.
본 발명에 의해서 제안되는 반도체 불순물 농도 측정방법을 반도체 샘플(500)에 적용하기 위해서는 실리콘의 물리적 특성상 전도성 다이아몬드 탐침(100)이 요구된다. 반도체 실리콘 표면(501)에 탐침(100)의 첨단(50)을 접촉시켜 안정적인 전기적 접촉을 이루기 위해서는 접촉점의 국소적 압력이 10 Gpa 이상이 되어야 하는데, 이러한 압력은 텅스텐이나 강철의 항복강도를 넘어서는 응력이다. 따라서, 실리콘 표면(501)과의 기계적 접촉을 통하여 안정적인 전기적 접촉을 이루기 위해서는 항복강도가 10 Gpa을 훨씬 넘어서면서도 전기 전도성이 높은 물질이 필요하다. 이러한 물질로서 이상적인 것이 전도성 다이아몬드이다. 다이아몬드는 자연적으로 존재하는 물질가운데 가장 경도가 높고, 티타늄이나 백금족 금속보다도 화학적 안정성이 뛰어나기 때문에, 나노미터 스케일의 크기와 형태를 유지하는 것이 핵심인 나노테크놀로지 분야에서 소재의 장점을 극대화시킬 수 있는 재료이다.
따라서, 우선 탐침(100)의 첨단(50)에 MEMS(micro electro mechanical systems) 및 나노제조(nano-fabrication) 공정을 이용하여 헤비도핑(heavy doping) 된 원추형 실리콘에 부도체인 이산화규소(SiO2)를 적층하고 상기 이산화규소 박막위에 상기 실리콘의 단부와 접합되도록 전도성 다이아몬드 박막을 적층한 전도성 다이아몬드 탐침을 제작한다. 상기 탐침의 첨단은 나노단위인 100nm 정도로 형성되어야 한다.
상기의 전도성 다이아몬드 탐침(100)을 활용한 본 발명의 일실시예에 의한 반도체의 불순물농도 측정은, 상기 탐침의 실리콘(10)과 전도성 다이아몬드 박막(30)이 이루는 열전쌍을 교류전류로 통전시킴으로써 온도변동을 발생시킴과 동시에, 상기 탐침(100)의 첨단(50)을 반도체 샘플(500)과 전기적 접촉을 이루도록 접촉시킨 상태에서 상기 탐침(100)과 반도체 샘플(500)의 접점(60)에서 발생하는 열전 전압(thermoelectric voltage)를 측정하는 것으로서, (a)탐침첨단의 가열, (b)온도측정, (c)열전전압 측정의 세 가지 기능을 나노스케일의 탐침첨단(50)에서 동시에 수행하면서 반도체 표면 접점(60)의 열전계수(thermoelectric coefficient)를 정량적으로 측정함으로써 이루어진다.
즉, 본 발명은 탐침첨단(50)에 위치한 나노 열전쌍의 가열, 온도측정, 열전전압 측정의 세 가지 기능을 동시에 수행할 수 있는 새로운 측정방법에 관한 것이다.
본 측정방법의 첫 번째 요구조건은 열전쌍을 전기적으로 가열하면서 동시에 접점의 온도변화에 의하여 유도되는 열전전압을 측정하는 것이다. 지금까지 열전쌍은 두 가지 다른 금속 또는 반도체 접점의 온도를 측정하는 수동적인 센서로서만 사용되어 왔다. 이는 열전쌍을 전기적으로 가열하는 경우 열전쌍에서 발생하는 열전전압이 전기적 가열에 필요한 전압에 비해서 대단히 미약하기 때문이다.
그러나, 본 출원인은 선행 특허출원 제2005-0116008호에서 기술한 바와 같이 열전쌍의 접점을 교류전류로 가열하는 경우 접점에서 발생하는 열전전압을 측정하는 것이 가능함을 이론적으로 유도하고 실험적으로 검증한 바 있으므로 이를 근거로 하고 있다. 이를 간단하게 설명하면 다음과 같다.
기본적인 원리는 교류전류에 의하여 발생하는 Joule 열을 이용하여 열전쌍 탐침의 접점을 주기적으로 가열하면서, 접점의 온도변화에 따라서 열전쌍 접점에서 발생하는 제벡(Seebeck) 전압을 계측하는 것이다.
즉, 열전쌍 탐침의 접점을 ω의 주파수를 갖는 교류전류로 통전시키면 접점에서는 2ω의 주파수로 주울(Joule)열이 발생하게 되고, 열전쌍 탐침의 접점에서의 온도도 2ω의 주파수로 진동하게 되며, 이에 따라 열전쌍 탐침의 접점에서 2ω의 주파수를 갖는 열전전압이 발생하게 되는데, 열전전압의 주파수는 2ω이고, 가열전류를 공급하기 위해 필요한 구동전압의 주파수는 ω이기 때문에, 2ω의 주파수를 갖는 전압을 분리 측정하면 열전쌍을 전기적으로 가열하면서 동시에 열전쌍의 온도를 추적할 수 있게 되는 것이다.
먼저, 탐침첨단의 국소적 가열을 설명하면 다음과 같다. 도 4와 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 교류전원(200)으로부터 주파수가 ω인 교류전류를 탐침(100)의 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)으로부터 전도성 다이아몬드박막(30)으로 통과시키면 주울효과(Joule effect)에 의하여 전류가 통과하는 모든 부분에 주파수가 2ω인 발열현상이 발생하며, 따라서 2ω의 주파수를 갖는 온도 변동이 생기게 된다. 여기서 좀 더 주목할 점은 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)과 다이아몬드박막(30)이 만나는 열전쌍의 접점부(40)는 전류가 통과하는 면적이 급속히 작아지면서 집중적으로 발열현상이 생긴다는 것이다. 따라서, 온도의 변동은 주로 탐침(100)의 첨단(50)에 위치한 열전쌍 접점부(40)에서 집중적으로 발생하게 된다.
다음으로, 탐침첨단(50)의 온도측정 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 탐침(100)의 첨단(50)에 집중된 온도변동(ΔTjunc)은 제벡효과(Seebeck effect)에 의하여 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)과 전도성 다이아몬드박막(30)의 접점부(40)에 주파수가 2ω인 열전전압(thermoelectric voltage)(ΔVtip)을 발생시킨다. 이때, 교류전원(200)에 의하여 인가되는 구동전압의 주파수는 ω이고 온도변동의 주파수는 2ω이므로, 발생된 전압에서 상기 구동전압에 의한 주파수 ω를 제거하면 탐침의 실리콘(10)과 다이아몬드박막(30)의 접점부(40)에서의 열전전압(ΔVtip)을 분리하여 측정할 수 있다. 이때 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)과 다이아몬드박막(30)의 열전계수(Ssi-dia)를 이용하여 상기 수학식 5에 의하여 계산하면 계측된 2ω 전압으로부터 탐침첨단의 온도변동(ΔTtip)을 계측할 수 있다.
마지막으로, 열전전압을 계측하여 실리콘 샘플표면(501)의 열전계수를 측정하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 다이아몬드박막(10)의 첨단부(50)에서의 크기는 ∼10-3μm3 로서 대단히 작기때문에, 열전계수를 측정하고자 하는 실리콘 샘플표면(501)의 접점(60)에서의 온도변동은 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)과 다이아몬드박막(30)의 접점부(40)에서의 온도변동과 매우 가까운 값을 갖게 되며, 그에 따라 다이아몬드박막(30)과 실리콘 샘플표면(501)의 접점(60)에서도 제벡효과(Seebeck effect)에 의해서 2ω의 주파수를 갖는 열전전압(ΔVtip)이 발생한다. 상기 열전전압 역시 주파수 2ω로서 구동전압의 주파수인 ω와 다른 주파수를 가지므로 위에서 설명한 바와 같이 분리계측이 가능하다.
이와 같이 계측된 전도성 다이아몬드 박막(30)과 실리콘 샘플표면(501)사이의 열전전압(ΔVtip)과 상기에서 계측된 탐침첨단(50)의 온도값(ΔTtip)으로부터 실리콘 샘플표면(501)의 불순물 농도와 종류를 정량적으로 분석하는 것이 가능하다.
본 측정기법과 동일한 신호검출방법은 금(Au)과 니켈(Ni)을 이용한 실험을 통하여 이미 입증한 바 있다. 도 6은 금(Au)과 니켈(Ni)을 이용하여 이를 실험적으로 입증한 결과이다. 상기 실험에서는 측정결과의 비교기준으로서 도선의 온도를 측정하는 기준방법으로 잘 알려져 있는 3ω 방법에 의하여 측정된 온도를 기준으로 사용하였다. 그 결과 열전쌍 접점에서 측정된 온도 진폭은 3ω 방법에 의하여 측정된 온도 진폭보다 약간 작게 측정됨을 알 수 있다. 그 이유는 열전전압을 측정하는 부분에서는 전류가 통과하는 도선의 단면적이 넓어지며, 또한 측정에 필요한 단자로 전달되는 열량이 있기 때문에 열전쌍 접점의 온도가 실제로 도선의 온도보다 약간 낮아지기 때문으로 보인다. 위의 실험은 비교적 간단한 실험이지만 열전쌍을 단순히 수동적인 센서가 아니라 능동적인 센서로 활용이 가능함을 실험적으로 입증한 실험이다.
한편, 본 발명의 측정방법은 열전쌍의 가열, 온도 측정, 열전전압 측정의 세 가지 기능을 수행해야 하므로 열전쌍 접점에서의 열전전압을 한 쌍의 단자에서만 검출하는 것이 아니고 두 쌍 이상의 단자에서 검출할 수 있어야 한다. 도 7은 이와 관련된 신호검출실험의 방법 및 결과를 보여준다. 교류전류는 단자 1-2에 가하면서 열전신호는 단자 1-2, 2-3, 3-4, 4-1의 모든 단자에서 검출하였다. 그 측정결과는 도 7의 아래 그래프와 같다. 주목할 점은 단자 1-2에서 검출된 신호의 진폭이 가장 크고, 단자 2-3과 단자 4-1의 신호 크기는 거의 비슷하며, 단자 3-4에서 측정된 신호의 값이 가장 작게 나타나고 있다. 그 이유는 다음과 같다.
첫째로, 전류는 가장 저항이 작은 경로를 통하여 흐르는 경향이 있기 때문이다. 즉 전류가 단자 1-2 사이를 통과할 때 도 7에 표현된 것처럼 가능하면 안쪽으로(상부 도면의 사각형내에서 2 상한 방향으로) 통과할수록 짧은 경로를 통과하게 된다. 따라서, 도면에 표시된 대로 안쪽으로 갈수록 전류밀도가 높은 것으로 추측된다. 국소적 열발생량은 주울(Joule)의 법칙에 따라 전류밀도의 제곱에 비례하므로, 상부 도면의 사각형내의 2상한인 금과 니켈의 접점의 온도 진폭이 가장 크며, 바깥쪽(4상한 방향)으로 갈수록 온도진폭이 작아지게 된다.
둘째로, 열전쌍에 있어서 측정되는 온도는 두 개의 다른 금속 혹은 반도체가 접하는 부분에 있어서 마치 전류가 통과하는 경우처럼 가장 전기저항이 작은 경로상의 접점의 온도를 측정한다. 따라서, 단자 1-2에서 측정된 신호는 2상한 접점의 온도진폭이고, 단자 2-3과 단자 4-1은 각각 1상한 접점과 3상한 접점의 온도 변동 폭이며, 단자 3-4에서 측정된 신호는 4상한 접점의 온도진폭이다.
위의 실험을 통해 열전쌍의 가열, 온도 측정, 열전전압 측정의 세 가지 기능을 동시에 수행 가능함을 유추할 수 있다. 한편, 한 변의 길이가 2μm인 사각 열전쌍 접점 내에서도 상당한 온도 차이가 계측된 것은 주목할 점이다. 이는 탐침 첨단 열전쌍 접점의 크기가 아주 작은 경우에만 열전쌍 접점의 온도가 일정하다는 가정이 가능함을 보여준다.
도 6 및 7과 도 4 의 연관성은 다음과 같다. 단자 1-2에 교류전류를 가하는 것은 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)과 전도성 다이아몬드박막(30)에 교류전류를 가하는 것에 해당한다. 단자 1-2에서 신호를 검출하는 것은 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘(10)과 전도성 다이아몬드박막(30)의 열전쌍 접점(40)에서 열전전압을 검출하는 것에 해당한다. 단자 2-3에서 신호를 검출하는 것은 전도성 다이아몬드박막(30)과 실리콘 샘플표면(501)의 접점(60)에서의 열전전압(ΔVtip)을 검출하는 것에 해당한다. 여기서 중요한 사항은 단자 1-2에서 검출된 신호와 단자 2-3에서 검출되는 신호 크기의 차이는 접점(60)의 크기가 작아질수록 작아질 것이라는 점이다. 따라서, 본 발명에서 이용되는 다이아몬드 탐침(100)의 접점(50)이 작으면 작을수록 정량적 측정 정밀도를 향상 시킬 수 있을 것이다. 열전쌍 접점의 크기가 약 100 nm로 작게 예측되는 경우라도 온도의 분포가 일정하지 않을 수 있으나, 이것은 백금(Pt)과 같이 열전계수가 잘 알려진 샘플을 사용하여 그 열전쌍 접점 내부의 온도분포를 쉽게 측정할 수 있으므로 간단하게 보정할 수 있다.
따라서, 상기와 마찬가지로 다이아몬드 열전탐침(100)과 실리콘 샘플표면(501)사이에서도 열전전압(ΔVtip)과 탐침첨단(50)의 온도값(ΔTtip)으로부터 실리콘 샘플표면(501)의 불순물 농도와 종류를 정량적으로 분석하는 것이 가능하다.
위에서 설명한 바와 같이 현재 SPM(Scanning Probe MicroScope)을 활용한 불순물 농도분포 측정기법들이 불순물 농도의 공간적 분포를 정성적으로 측정하는 것에 비해, 본 발명의 반도체 불순물 농도측정방법은 보다 높은 공간분해능을 가지면서도 접점의 불순물 농도를 정량적으로 측정할 수 있다는 점이 중요한 장점이다.
본 발명에 의한 반도체 불순물의 농도 측정방법은, 첫째로 다이아몬드 탐침과 실리콘 샘플의 접촉면의 열전계수를 측정하므로 측정되는 신호의 크기가 접촉면의 크기와 무관하게 일정한 값을 가져서 정전용량과 같이 측정되는 신호의 크기가 접촉면의 면적에 비례하는 SCM(Scanning Capacitance MicroScopy)에 비해서는 높은 공간분해능을 가지고, 둘째로 측정되는 신호의 크기가 탐침과 실리콘 샘플 접촉면의 크기에 의하여 영향을 받는 SSRM(Scanning Spreading Resistance MicroScopy)에 비해 정량적 측정에 있어서 우월하고, 마지막으로 공간적 분해능에 있어서는 SThEM(Scanning Thermo-Electric MicroScopy)에 근접할 것으로 예상되어 실용성, 간편성 및 정량적 측정가능의 면에 있어서 훨씬 뛰어나다는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 헤비도핑(heavy doping)된 실리콘과 열전쌍을 이루도록 전도성 다이아몬드가 외부에 적층된 다이아몬드 열전탐침;
    상기 열전탐침에 교류전기를 인가하여 열전쌍 접점부를 국소 가열하는 교류전원;
    상기 열전쌍 접점부에서 발생하는 온도변동(ΔTjunc)에 의해 열전전압(ΔVtip)을 측정하도록 상기 열전쌍 탐침에 연결된 제1 전압측정장치; 및
    상기 다이아몬드 박막과 반도체 샘플에 연결되어 열전전압(ΔVtip-sample)을 측정하여 반도체 표면의 열전계수를 도출하는 제2 전압측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 다이아몬드 탐침은, 헤비도핑(heavy doping)된 원추형 실리콘;
    상기 실리콘의 단부를 제외한 외면에 적층된 부도체인 이산화규소(SiO2) 박막; 및
    상기 이산화규소 박막과 상기 실리콘 단부의 외부에 적층되며 탐침의 첨단을 이루는 다이아몬드 박막; 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정장치.
  3. 전도성 다이아몬드박막이 적층되어 있는 열전쌍 탐침을 샘플표면에 접촉시켜 나노단위의 접점을 형성시킨 후, 상기 탐침의 열전쌍에 교류전류를 가하여 열전쌍 접점부를 국소적으로 발열시키는 제1 단계;
    상기 발열에 의한 열전쌍 접점부의 온도변동(ΔTjunc)으로 발생된 열전전압(ΔVtip)을 제1 전압측정장치로 측정한 후, 상기 열전전압(ΔVtip) 및 실리콘과 다이아몬드간의 열전계수(Ssi-dia)를 이용하여 탐침첨단의 온도변동(ΔTtip)을 산출하는 제2 단계;
    상기 전도성 다이아몬드박막의 첨단과 반도체 샘플표면사이에 형성된 탐침접점의 열전전압(ΔVtip-sample)을 제2 전압측정장치로 측정한 후, 상기 열전전압(ΔVtip-sample)과 온도변동(ΔTtip)을 이용하여 다이아몬드 박막과 샘플표면의 열전계수 차이(Sdia-sub)를 산출하는 제3 단계; 및
    상기 열전계수(Sdia-sub)를 이용하여 샘플표면의 열전계수(Ssample)를 산출한 후, 상기 산출된 열전계수(Ssample)로부터 반도체의 불순물농도를 정량적으로 분석하는 제4 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 단계에서의 열전전압(ΔVtip)은 측정된 열전전압에 서 주파수ω의 구동전압을 분리하여 산출된 제벡효과(Seebeck effect)로 발생한 주파수 2ω의 열전전압인 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 단계에서 실리콘과 다이아몬드 박막간의 열전계수(Ssi-dia)는 실험에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제2 단계에서 실리콘과 다이아몬드 박막간의 열전계수(Ssi-dia)는 하기의 수학식에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
    [수학식]
    Ssi - dia = Ssi - Sdia
    (여기서, Ssi는 실리콘의 열전계수이고, Sdia는 다이아몬드 박막의 열전계수임)
  7. 제6항에 있어서, 상기 실리콘의 열전계수(Ssi)와 다이아몬드 박막의 열전계수(Sdia)는 각각 불순물의 농도 및 종류에 따라 하기의 수학식에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
    [수학식]
    Figure 112006015050102-pat00008
    (상기 식 중 n과 p는 전자와 정공의 농도, μn와 μp는 전자와 정공의 이동도, Sn과 Sp는 전자와 전공의 제벡계수(Seebeck coefficient)임)
  8. 제7항에 있어서, 상기 Sn과 Sp는 하기 수학식에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
    [수학식]
    Figure 112006015050102-pat00009
    ,
    Figure 112006015050102-pat00010
    (상기 식 중 kB는 볼츠만상수, e는 전하량, re와 rh은 전자와 정공에 대한 산란계수, Nc와 Nv은 전자와 정공에 대한 컨덕션(conduction)과 밸런스(valence)계수임)
  9. 제3항에 있어서, 상기 제2 단계에서 탐침첨단의 온도변동(ΔTtip)은 하기의 수학식에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
    [수학식]
    Figure 112006015050102-pat00011
    (여기서, ΔVtip은 열전쌍 접점부에서의 열전전압, Ssi-dia는 실리콘과 다이아몬드 박막간의 열전계수임)
  10. 제3항에 있어서, 상기 제3 단계에서의 열전전압(ΔVtip - sample)은 측정된 열전전압에서 주파수ω의 구동전압을 분리하여 산출된 제벡효과(Seebeck effect)로 발생한 주파수 2ω의 열전전압인 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
  11. 제3항에 있어서, 상기 제3 단계에서 다이아몬드 박막과 샘플표면간의 열전계수(Sdia-sample)는 하기 수학식에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
    [수학식]
    Figure 112006015050102-pat00012
    (여기서, ΔVtip-sample은 전도성 다이아몬드 박막과 반도체 샘플표면의 접점인 탐침접점에서의 열전전압, ΔTtip는 탐침첨단의 온도변동값임)
  12. 제3항에 있어서, 상기 제4 단계에서 샘플표면의 열전계수(Ssample)는 산출된 열전계수(Sdia-sample)에서 다이아몬드박막의 열전계수(Sdia)를 분리함으로써 얻는 것을 특징으로 하는 반도체의 불순물농도 측정방법.
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