Test

• 1. 일반적인 측정용어

1.1 면 저항

1.2 누설전류

1.3 파괴시험

1.4 Resolution

• 2. 산화막 평가

2.1 확산층 평가

2.2 산화막 중의 전하

2.3 절연 파괴 강도

2.4 장기 신뢰성 평가

• 3. Photo-etch 검사 측정 기술

3.1 검사 측정 기술

3.2 Selectivity, Etch-rate, Anisotropy

• 4. 박막 평가

4.1 관련용어

a. Step-coverage

b. Aspect-ratio

c. Uniformity

4.2 C-V plot

문턱전압, 옥사이드 두께, 공핖층 두께

1.1 면 저항4점 탐침기 이론에서 구할 수 있고,그림과 같은 시험 패턴에서도 구할 수

있는데, 면저항 Rs는 V/I를 면의 수로 나눈 것이다

• Van der Paw 비저항

그림에서1-2단자 사이에 전류를 흐르게 하고 3-4단자 사이에 전압을측정하면 저항 R1은

반대로 3-4 단자 사이에 전류를흐르게 하고 1-2 단자 사이에 전압을 측정하면 저항 R2은,

R1, R2의 평균치가 Van der Paw 비저항 이다

21

431

−

−=IVR

1.2 누설전류

BJT의 누설전류 측정을 위한 회로 구성 및 전류-전압 특성은

그림과 같다. 시험조건은 파괴전압에 못 미치는 전압을 인가한 후,

역전류를 측정한다.

MOS의 누설전류측정을 위한 회로구성 및 전류-전압특성은 그림과 같다. 시험조건은 파괴전압에 못 미치는 전압을 드레인에 인가한 후, 누설전류를 측정한다.

1.3 파괴시험

MOS에서 역방향 전압을drain에 인가한 후 점차 증가시켜 junction breakdown 또는 punchthrough breakdown이 일어 날 때, 그 순간전압이 drain 파괴전압 VDS가 된다.

1.4 Resolution보통 photo공정에서 많이 사용되는 용어인데, 측정 시스템의 resolution(분해능)이란 두게 이상의 물체의 측정량이 구분될 수 있는 가장 작은 크기 및량으로 정의 할 수있다. resolution(분해능)은 잡음과 구분 될 수 있는 최소신호의 크기에 의해 제한된다.

Photo공정에서는 감광막이 원래의 마스크 모형과 잘 일치하는 고 충실도로써 형상이 옮겨질 수 있는 최소 모양의 크기를 의미한다. 일반적으로lithography장비는 resolution(분해능), registration(인쇄정합), throughput(생산력) 등에 의해 평가된다.

2. 산화막 평가

2.1 확산층 평가

확산에 관한 측정변수는 접합 깊이, 표면농도, 평균 비저항, 확산 프로파일, 기판에 생기는 격자 결함 등이다.

PN 접합을 이용한 전기적인 방법으로는 면 비저항과 접합 깊이 측정이 있다. 이에는 4점 탐침기 및 Van der Pauw방법에 의한 면 비저항 측정에 대해 소개 한바 있다. 그리고 직접적인 분석 방법으로는 이온 microprobe, 질량분석기, SIMS를 이용한 접합 profile 및 깊이 측정이 있다

2.2 산화막 중의 전하산화막, 특히 gate 산화막의 특성은 소자의 성능및 신뢰성에 있어 매우 중요하다. 그림에 산화막 중의 전하의 4종류를 나타내었다.

(1) 고정전하 (fixed oxide charge)

Si-SiO2계면으로 부터 25A이내의 천이영역에 구조적인 결함으로 인한(+)의 전하이다. 이전하의 발생원인은 산화공정에 관계하며, 산화분위기, 산화온도, 냉각방법, 결정 면방위에도 의존한다.

(2) 유동이온전하(mobile ionic charge)

Li+, Na+등의 유동이온에 의한 전하이다. (–)이온 및 중금속이 관여한 경우도 있지만, 이러한 것은 500oC 이하에서는 거의 움직이지 않는다.

(3) 계면 포획전하(interface trapped charge)Si-SiO2계면에 존재하는 Si-O결함이 끊어진 것으로 + 및 –의 전하이다. 고정전하와 포획전하와의 서로 다른 차이점은 계면 포획전하가 실리콘 기판과의 전기적인 관계를 지속하고, 표면 전위에 의해 충방전하는 것이다. 대부분의 계면 포획전하는 저온 H2 anneal에 의해 중성화 된다.

(4) 산화막 포획전하(oxide trapped charge)Bulk 산화막 내에서 정공 또는 전자가 포획된 + 또는 – 의 전하. Avalanch주입 등에 의한 이온화에 의해 포획이 일어난다. 고정전하와 다른 것은 산화막 포획전하가 저온처리에서 일반적으로 anneal되는 것이다. 그러나 중성trap은 남는다.

2.3 절연 파괴 강도

산화막의 절연 파괴 강도의 평가는, ramp법으로 행해지는 것이 일반적이다. Ramp법은, 보통 MOS capacitor에 일정한 속도로 gate전압을 인가시켜, 일정의 gate 전류가 흐르게 되는 전압을 파괴전압으로 간주하여 측정하는 방법이다. 이 전압을 초기내압이라 부른다.

내압불량은 silicon기판의 전처리, 기판결정의 제조법, 산화조건, 산화후의처리에 의해 크게 변화한다.

2.4 장기 신뢰성 평가

산화막의 파괴에 의한 불량발생을 예측하는 방법으로 다수의 MOS capacitor을 이용하여, gate전극에 장시간 전압을 인가하고 파괴될 때까지의 시간을 측정하는 방법이 있다. 이 시간 의존성의 파괴를 TDDB( time dependent dielectric breakdown)라 한다. 일반적으로 단시간에 빨리 평가하기 위해, 인가전압을 높이기도 하고, 고온에서 측정한다.

그림에서 (a)는 constant current stress test방법이고 (b)는 constant voltage stress test 방법이다. ONO필름의TDDB curve를 표현하고 있다.

3.1 검사 측정 기술Photoetching 공정에서는 pattern의 정밀도, 해상도, align 정밀도를 측정한다.

그림은 해상도 및 align 정밀도를 측정하는 것을 보여주고 있다.

3.2 Selectivity, Etch-rate, Anisotropy

Selectivity =

Etch-rate = 식각된 길이 / 식각시간

Anisotropy =

에칭속도의물질

에칭속도의물질

BA

에칭속도수직방향의

에칭속도수평방향의

4.1 (a) Step-coverage

반응체가 표면에서 이동 없이 흡착되는 특성을 가짐. 이 경우 증착율은arrival angle( Φ)로 결정됨. 상부 표면의 edge는 Φ2는 0 ~ 90 °

하부 표면 Φ3는 aspect ratio에 의해 결정됨. Φ3 ~ tan-1(W/l)

(b) Aspect-ratio; 서로 이웃하는 두 계단의 간격과 높이의 비로써 정의되며, aspect-ratio 가 클수록 증착되는 물질의 비아홀 채움이 어려워지게된다. 비아홀 채우기를 위한 물질로는 CVD-W와 CVD-Al 등이 사용된다.

그림에서 aspect-ratio는 h/s 이다.

4.2 C-V plot

C-V곡선은 MOS 소자의 평가에서 많이 이용된다. MOS 커패시터의 구조는

그림과 같으며 측정된 C-V곡선으로부터 소자에 관한 재료 및 공정의 정보를 알아낼 수 있다.

- 알아낼 수 있는 소자에 관한 정보는 다음과 같다.

Tox; 산화막 두께

NA(ND); 소자표면의 accecptor 및 donor농도

VFB; flatband voltage

Vt; threshold voltage

Qf; 실리콘-절연체 계면 영역에서의 계면 고정전하밀도

Qm; 절연체 내에서의 유동전하밀도

Qit; 실리콘-절연체 계면 영역에서의 계면 포획전하밀도

• C-V곡선을 측정하기 위한 장비의 블럭도는 그림과 같다.

측정하고자 하는 소자가 연결되는 고주파bridge와 DC 램프 전압 발생기로구성되어 있으며, 천천히 변하는 DC 램프 전압에 bridge의 조그만 AC 신호가 중첩되어 측정하고자 하는 소자의 gate전압에 인가된다.

• MOS 소자의 C-V 곡선의 예.(p형 반도체)

C-V곡선에서 최대 capacatance영역에서는 산화막의 Cox만이 측정되며, 최소 capacatance영역에서는 (1/Cox + 1/Cd)

-1 이 측정된다. 그리고 전압 축에서는 flatband voltage 및 문턱전압이 측정된다.

• 그림은 깊은 공핍을 보여주는 C-V곡선인데, DC 램프전압이 너무 빨리 변한 까닭에 표면에서 반전되는 점이 Cmim을 지나 커패시터가 더 깊이 공핍되기 때문이다. 해결책으로서는 C-V곡선을 천천히 그리는 것이다. 또 다른 방법은 반전이 일어나는 전압에서 capacitor에 조명을 가하는 것이다.

• 유동전하밀도 Qm의 측정

- MOS구조에서 유동전하는 바람직하지 못한 존재이다.

- 유동전하는 보통 Na+, Li+, K+등의 양이온이다. 이 전하들은 꽤 높은 이동도를 갖고 있으며 금속 게이트 전극과Si-SiO2 계면 사이를 이동할 수 있다.

- 이 양전하 때문에 특별한 전극하에서는 Na+ 양에 따라Vt가 임의로 변한다.

• Qm 을 결정하는 실험 순서

1. 초기의 C-V곡선을 그린다.

2. (-)전압 하에서 가열 및 냉각한다.

3. 다시 C-V곡선을 그린다.

4. (+)전압 하에서 가열 및 냉각한다.

5. 다시 C-V곡선을 그린다.

*** 전압을 가한 상태에서 냉각하는 이유는 유동전하가 냉각하는 동안 다시 원위치로 이동하는 것을 막기 위해서다.

* 계면 포획전하밀도 Qit 의 측정

- 계면근처에서 포획된 전하는 금지대 내에 있는 준위에 있으며, 가해진 전압에 따라 밴드가 구부러지면 충전 또는 방전이 가능하다.

- 이들은 반도체 표면에서의 격자의 불연속에 기인한 것일 수도 있으며 방사에 의해서도 만들어질 수 있다.

- 저주파 C-V곡선이 계면 포획전하밀도 의 좋은 정보를 알려준다.

- dQ = CdV, Cmax와 Cmin사이의 곡선의 변화에 의해 관찰

질문1

• C-V곡선에서 알아낼 수 있는 정보를 소개하라.

• 답; - 산화막 두께

- 소자표면의 accecptor 및 donor농도

- flatband voltage

- threshold voltage

- 실리콘-절연체 계면 영역에서의 계면 고정전하밀도

- 절연체 내에서의 유동전하밀도

- 실리콘-절연체 계면 영역에서의 계면 포획전하밀도

질문2

• TDDB( time dependent dielectric breakdown) 는 MOS ( )을 이용하여, gate전극에 장시간 전압을 인가하고파괴될 때까지의 시간을 측정하는 방법이다. 일반적으로 단시간에 빨리 평가하기 위해, ( )을 높이기도 하고, ( )에서 측정한다.

• 답안 ; capacitor, 인가전압, 고온