Test 1. 일반적인측정용어 1.1 면저항 1.2 누설전류 1.3 파괴시험 1.4 Resolution
2. 산화막평가 2.1 확산층평가 2.2 산화막중의전하 2.3 절연파괴강도 2.4 장기신뢰성평가 3. Photo-etch 검사측정기술 3.1 검사측정기술 3.2 Selectivity, Etch-rate, Anisotropy
4. 박막평가 4.1 관련용어 a. Step-coverage b. Aspect-ratio c. Uniformity 4.2 C-V plot 문턱전압, 옥사이드두께, 공핖층두께
1.1 면저항 4점탐침기이론에서구할수있고, 그림과같은시험패턴에서도구할수있는데, 면저항 Rs는 V/I를면의수로나눈것이다
Van der Paw 비저항 그림에서1-2단자사이에전류를흐르게하고 3-4단자사이에전압을 V3 4 측정하면저항 R1은 R = I 1 2 반대로 3-4 단자사이에전류를흐르게하고 1-2 단자사이에전압을측정하면저항 R2 은, 1 R1, R2 의평균치가 Van der Paw 비저항이다
1.2 누설전류 BJT의누설전류측정을위한회로구성및전류-전압특성은그림과같다. 시험조건은파괴전압에못미치는전압을인가한후, 역전류를측정한다.
MOS 의누설전류측정을위한회로구성및전류 - 전압특성은그림과같다. 시험조건은파괴전압에못미치는전압을드레인에인가한후, 누설전류를측정한다.
1.3 파괴시험 MOS 에서역방향전압을 drain 에인가한후점차증가시켜 junction breakdown 또는 punchthrough breakdown 이일어날때, 그순간전압이 drain 파괴전압 VDS 가된다.
1.4 Resolution 보통 photo 공정에서많이사용되는용어인데, 측정시스템의 resolution( 분해능 ) 이란두게이상의물체의측정량이구분될수있는가장작은크기및량으로정의할수있다. resolution( 분해능 ) 은잡음과구분될수있는최소신호의크기에의해제한된다. Photo 공정에서는감광막이원래의마스크모형과잘일치하는고충실도로써형상이옮겨질수있는최소모양의크기를의미한다. 일반적으로 lithography 장비는 resolution( 분해능 ), registration( 인쇄정합 ), throughput( 생산력 ) 등에의해평가된다.
2. 산화막평가 2.1 확산층평가 확산에관한측정변수는접합깊이, 표면농도, 평균비저항, 확산프로파일, 기판에생기는격자결함등이다. PN 접합을이용한전기적인방법으로는면비저항과접합깊이측정이있다. 이에는 4 점탐침기및 Van der Pauw 방법에의한면비저항측정에대해소개한바있다. 그리고직접적인분석방법으로는이온 microprobe, 질량분석기, SIMS 를이용한접합 profile 및깊이측정이있다
2.2 산화막중의전하 산화막, 특히 gate 산화막의특성은소자의성능및신뢰성에있어매우중요하다. 그림에산화막중의전하의 4 종류를나타내었다.
(1) 고정전하 (fixed oxide charge) Si-SiO 2 계면으로부터 25A 이내의천이영역에구조적인결함으로인한 (+) 의전하이다. 이전하의발생원인은산화공정에관계하며, 산화분위기, 산화온도, 냉각방법, 결정면방위에도의존한다. (2) 유동이온전하 (mobile ionic charge) Li +, Na + 등의유동이온에의한전하이다. ( ) 이온및중금속이관여한경우도있지만, 이러한것은 500 o C 이하에서는거의움직이지않는다.
(3) 계면포획전하 (interface trapped charge) Si-SiO 2 계면에존재하는 Si-O 결함이끊어진것으로 + 및 의전하이다. 고정전하와포획전하와의서로다른차이점은계면포획전하가실리콘기판과의전기적인관계를지속하고, 표면전위에의해충방전하는것이다. 대부분의계면포획전하는저온 H 2 anneal 에의해중성화된다. (4) 산화막포획전하 (oxide trapped charge) Bulk 산화막내에서정공또는전자가포획된 + 또는 의전하. Avalanch 주입등에의한이온화에의해포획이일어난다. 고정전하와다른것은산화막포획전하가저온처리에서일반적으로 anneal 되는것이다. 그러나중성 trap 은남는다.
2.3 절연파괴강도 산화막의절연파괴강도의평가는, ramp법으로행해지는것이일반적이다. Ramp법은, 보통 MOS capacitor에일정한속도로 gate전압을인가시켜, 일정의 gate 전류가흐르게되는전압을파괴전압으로간주하여측정하는방법이다. 이전압을초기내압이라부른다. 내압불량은 silicon기판의전처리, 기판결정의제조법, 산화조건, 산화후의처리에의해크게변화한다.
2.4 장기신뢰성평가 산화막의파괴에의한불량발생을예측하는방법으로다수의 MOS capacitor 을이용하여, gate 전극에장시간전압을인가하고파괴될때까지의시간을측정하는방법이있다. 이시간의존성의파괴를 TDDB( time dependent dielectric breakdown) 라한다. 일반적으로단시간에빨리평가하기위해, 인가전압을높이기도하고, 고온에서측정한다.
그림에서 (a) 는 constant current stress test 방법이고 (b) 는 constant voltage stress test 방법이다. ONO 필름의 TDDB curve 를표현하고있다.
3.1 검사측정기술 Photoetching 공정에서는 pattern의정밀도, 해상도, align 정밀도를측정한다. 그림은해상도및 align 정밀도를측정하는것을보여주고있다.
3.2 Selectivity, Etch-rate, Anisotropy Selectivity = 물질물질 A의에칭속도 B의에칭속도 Etch-rate = 식각된길이 / 식각시간 Anisotropy = 수평방향의에칭속도수직방향의에칭속도
4.1 (a) Step-coverage 반응체가표면에서이동없이흡착되는특성을가짐. 이경우증착율은 arrival angle( Φ) 로결정됨. 상부표면의 edge 는 Φ 2 는 0 ~ 90 하부표면 Φ 3 는 aspect ratio 에의해결정됨. Φ 3 ~ tan -1 (W/l)
(b) Aspect-ratio; 서로이웃하는두계단의간격과높이의비로써정의되며, aspect-ratio 가클수록증착되는물질의비아홀채움이어려워지게된다. 비아홀채우기를위한물질로는 CVD-W 와 CVD-Al 등이사용된다. 그림에서 aspect-ratio 는 h/s 이다.
4.2 C-V plot C-V 곡선은 MOS 소자의평가에서많이이용된다. MOS 커패시터의구조는그림과같으며측정된 C-V 곡선으로부터소자에관한재료및공정의정보를알아낼수있다.
- 알아낼수있는소자에관한정보는다음과같다. T ox ; 산화막두께 N A (N D ); 소자표면의 accecptor 및 donor농도 V FB ; flatband voltage Vt; threshold voltage Q f ; 실리콘-절연체계면영역에서의계면고정전하밀도 Q m ; 절연체내에서의유동전하밀도 Q it ; 실리콘-절연체계면영역에서의계면포획전하밀도
C-V 곡선을측정하기위한장비의블럭도는그림과같다. 측정하고자하는소자가연결되는고주파 bridge 와 DC 램프전압발생기로구성되어있으며, 천천히변하는 DC 램프전압에 bridge 의조그만 AC 신호가중첩되어측정하고자하는소자의 gate 전압에인가된다.
MOS 소자의 C-V 곡선의예.(p 형반도체 ) C-V 곡선에서최대 capacatance 영역에서는산화막의 C ox 만이측정되며, 최소 capacatance 영역에서는 (1/C ox + 1/C d ) -1 이측정된다. 그리고전압축에서는 flatband voltage 및문턱전압이측정된다.
그림은깊은공핍을보여주는 C-V 곡선인데, DC 램프전압이너무빨리변한까닭에표면에서반전되는점이 C mim 을지나커패시터가더깊이공핍되기때문이다. 해결책으로서는 C-V 곡선을천천히그리는것이다. 또다른방법은반전이일어나는전압에서 capacitor 에조명을가하는것이다.
유동전하밀도 Q m 의측정 - MOS 구조에서유동전하는바람직하지못한존재이다. - 유동전하는보통 Na+, Li+, K+ 등의양이온이다. 이전하들은꽤높은이동도를갖고있으며금속게이트전극과 Si-SiO 2 계면사이를이동할수있다. - 이양전하때문에특별한전극하에서는 Na+ 양에따라 Vt가임의로변한다.
Q m 을결정하는실험순서 1. 초기의 C-V곡선을그린다. 2. (-) 전압하에서가열및냉각한다. 3. 다시 C-V곡선을그린다. 4. (+) 전압하에서가열및냉각한다. 5. 다시 C-V곡선을그린다. *** 전압을가한상태에서냉각하는이유는유동전하가냉각하는동안다시원위치로이동하는것을막기위해서다.
* 계면포획전하밀도 Q it 의측정 - 계면근처에서포획된전하는금지대내에있는준위에있으며, 가해진전압에따라밴드가구부러지면충전또는방전이가능하다. - 이들은반도체표면에서의격자의불연속에기인한것일수도있으며방사에의해서도만들어질수있다. - 저주파 C-V곡선이계면포획전하밀도의좋은정보를알려준다. - dq = CdV, C max 와C min 사이의곡선의변화에의해관찰
질문 1 C-V 곡선에서알아낼수있는정보를소개하라. 답 ; - 산화막두께 - 소자표면의 accecptor 및 donor농도 - flatband voltage - threshold voltage - 실리콘-절연체계면영역에서의계면고정전하밀도 - 절연체내에서의유동전하밀도 - 실리콘-절연체계면영역에서의계면포획전하밀도
질문 2 TDDB( time dependent dielectric breakdown) 는 MOS ( ) 을이용하여, gate 전극에장시간전압을인가하고파괴될때까지의시간을측정하는방법이다. 일반적으로단시간에빨리평가하기위해, ( ) 을높이기도하고, ( ) 에서측정한다. 답안 ; capacitor, 인가전압, 고온