반도체 표면 분석 Surface Analysis (SA)의 종류 및 개념 - (1)

반도체 표면 분석 Surface Analysis (SA)의 종류

반도체 표면 분석 (SA)의 대표적인 종류는 SIMS, SRP, SCM, XPS/ ESCA 등이 있습니다.

 

 

 

 

반도체 표면 분석 Surface Analysis (SA)의 개념

1) SIMS : SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry) 기술은 에너지가 풍부한 1차 이온 빔을 사용하여 샘플 표면을 스퍼터링 하여 질량 분석기에 의해 감지되는 이온화된 2차 입자를 생성합니다. 이러한 분광계는 입자 경로를 구부리기 위한 전기장 및 크기장을 제공하며 다른 질량을 가진 입자는 뚜렷한 굽힘을 가지므로 구별될 수 있습니다. 게다가, 2차 이온 강도 및 이온 스퍼터링 시간은 불순물의 깊은 프로파일을 계산하기 위해 사용될 수 있습니다. 오늘날, 세 가지 주요 SIMS 시스템으로는 마그네틱 섹터, 쿼드폴 및 TOF가 있습니다.

 

SIMS 적용
도펀트 깊이 프로파일 : 접합 깊이와 도펀트 농도를 정확하게 특성화할 수 있습니다.
가장 일반적인 응용은 이온 주입, 투여량 특성화 및 LED(Light Emitting Diode)의 도핑 농도 프로파일에 대한 것이며 표준 기준과 비교한 SIMS 측정은 재료 접합부에 대한 도펀트 농도의 깊이 프로파일을 제공합니다.

- 얕은 접합부와 매우 얕은 접합부의 분석 : 낮은 각도와 에너지를 가진 이온 스퍼터링을 통해 20nm 미만의 얕은 접합과 매우 얕은 접합의 분석을 달성할 수 있습니다.

-  흔적오염 분석 : SIMS 분석의 가장 중요한 응용 분야 중 하나는 BGA(Ball Grid Array) 기판의 금속 패드 오염과 같은 표면 오염 감지입니다. 이러한 분석에는 일반적으로 입사되는 이온 빔의 크기를 기준으로 80*80μm2보다 큰 목표 크기가 필요하며 오늘날 표면 재료 분석은 일반적으로 SIMS, 오거 전자 분광법(AES) 및/또는 화학 분석의 전자 분광법(ESCA)이라고도 불리는 X선 광전자 분광법(XPS)에 의존합니다.

- 금속확산분석 : 구리/금속 확산은 첨단 IC 제조 기술의 화두이다. SIMS를 통한 금속 농도의 깊이 프로파일로 이해할 수 있으나 그러한 프로파일의 정밀도는 입사 이온 구현, 에칭 및 스퍼터링에 의해 감소됩니다. 부정적인 요인은 전면 SIMS 분석 대신 후면에 의해 감소될 수 있고 이 기술은 IC 제조에서 금속 확산을 연구하는 데 유용합니다.

 

2) SRP : 확산 저항 프로브(SRP)는 접합 깊이, 저항 및 캐리어 농도/분포와 같은 반도체 재료의 많은 특성을 분석하는 강력한 도구입니다. 기술적 개념은 고정된 간격의 DUT 위에 놓고 저항을 측정하여 두 개의 프로브에 바이어스를 적용하는 것이며 접합 깊이와 캐리어 농도는 추가 계산 후에 얻을 수 있습니다.

샘플은 먼저 작은 기울어진 각도를 가진 샘플 홀더에 장착됩니다. 접합부의 표면을 노출시키기 위해 다이아몬드 페이스트를 사용하여 샘플을 준비하고 다음 두 개의 프로브를 결합하여 DUT의 플래시 표면의 저항을 측정, 결국에는 깊이에 대한 저항 또는 캐리어 농도를 얻을 수 있습니다.

SRP는 캐리어 농도 및 깊이 유효 캐리어 농도 분석, 깊이저항 분포해석, 접합부 깊이 및 접합부 깊이 해석 및 심층접합부에 대한 농도분포해석과 어닐링 후 이온주입 모니터에 응용, 사용됩니다. 

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3) SCM : SCM(Scanning Capacitance Microscopy)을 사용하여 2차원 도펀트 영상을 관찰할 수 있으며, 여기서 N형과 P형 영역을 구분할 수 있습니다.
이 기술은 역공학뿐만 아니라 비정상적인 도펀트 분포로 인한 고장을 분석하는 데 도움을 줄 수 있습니다. SCM은 1D 분포에 대한 정보만 얻는 SIMS 및 SRP와 같이 다른 도구의 보완 도구로 사용될 수 있습니다.

 

SCM은 AFM을 기반으로 하는 기능 중 하나이며, 공간 해상도는 약 20 nm입니다. 금속이 코팅된 프로브에 AC 바이어스를 적용하면 dC/dV 신호를 변환하여 2D 도펀트 분포를 얻을 수 있고, 따라서 N형과 P형 영역과 계면을 구별할 수 있습니다.

SCM은 N형 및 P형 도펀트 분석, P-N 접합부 분포 분석, 비정상 도펀트 분포/누출 분석으로 인한 고장 및 2차원 도펀트 분포에 관한 역공학적 해석에 사용됩니다.  

4) XPS/ ESCA : X-선 광전자 분광법(XPS) 또는 전자 분광법(ESCA)은 물질 표면의 내부 껍질에서 방출되는 광전자를 여가 시킨 다음 감지하고 에너지를 분석하도록 설계되었습니다.
X선을 조사한 시료는 광전 효과를 바탕으로 물질 표면의 안쪽 껍질에서 광전자의 방출을 유도하며 XPS나 ESCA는 시료의 결합 에너지나 화학적 상태를 반영하여 에너지가 분석된 광전자를 여가 시킨 다음 감지하도록 설계되었습니다.

 

XPS/ ESCA 적용
- 표면오염/이상분석 : XPS는 1~10nm의 표면 범위에서 원소와 화학 상태의 물질 조성을 측정하는 표면 분석 기법으로 오염, 변색, 박리, 금속 부식 등의 표면 이상을 탐색합니다. 

- 박막 조성 및 깊이 분석 : XPS는 박막의 조성을 감지하는 데 사용될 수 있습니다. 아르곤 이온 소스 스퍼터링을 결합하여 우수한 해상도의 고품질 깊이 프로파일을 생성할 수 있습니다.

- 금속표면의 산화물두께 및 산화도의 결정 : XPS/ESICA는 금속 합금 및 표면 산화물의 조성을 제공할 수 있고, 따라서 표면 산화도를 반영할 수 있습니다. 게다가, 샘플들의 표면 산화물 두께는 비파괴(필름 두께가 10nm 미만) 또는 파괴 깊이 프로파일링에 의해 결정될 수 있습니다.

- 금속재료의 업무기능 분석 : XPS/ESCA 측정을 사용하여 금속 재료의 작업 기능을 감지할 수 있습니다.