KR100663317B1

KR100663317B1 - System for measuring concentration distribution of impurity in semiconductor and measuring method thereof

Info

Publication number: KR100663317B1
Application number: KR1020050043753A
Authority: KR
Inventors: 권오명; 김경태
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2007-01-02
Also published as: KR20060121522A

Abstract

반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템이 제공된다.An impurity concentration distribution measuring system in a semiconductor device is provided.

본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템은 주사탐침현미경(100), 상기 주사탐침현미경의 일부 구성요소로서, 통전이 가능하도록 고경도의 전도성 박막이 적층되어 있는 실리콘 탐침(10), 상기 실리콘 탐침(10)의 외팔보(11)에 연결되어 교류전류를 공급하며, 상기 실리콘 탐침(10)과 반도체 소자 샘플간의 접점에서 발생하는 열전전압 신호를 분리하는 록인 증폭기(200), 상기 반도체 소자 샘플의 하부에 연결되어 통전이 되도록 하는 반도체 샘플 고정부(300), 상기 반도체 샘플 고정부(300)에 연결되어 신호측정시 구동전압을 제거하는 가변저항기(400), 및 상기 가변저항기(400)에 연결되어 탐침이 반도체 샘플 표면을 주사하는 동안 전류의 크기를 일정하게 유지시키는 부가저항(500)을 구비하는 것을 특징으로 하며, 대기중에서 작동이 가능한 접촉식 측정방법으로서 접촉면적이 감소함에 따라 분해능 및 측정감도가 향상되는 나노스케일의 공간 분해능을 가지고, 비파괴적인 측정시스템으로서, 도핑되는 불순물이 n형인지 p형인지를 신속히 판별할 수 있을뿐만 아니라, 지면형상과 불순물의 농도를 동시에 측정할 수 있다는 장점이 있다.The impurity concentration distribution measuring system in a semiconductor device according to the present invention includes a scanning probe microscope 100, a silicon probe 10 having a high hardness conductive thin film laminated thereon as part of the scanning probe microscope, and enabling energization. A lock-in amplifier 200 connected to the cantilever 11 of the silicon probe 10 to supply an alternating current, and separating a thermoelectric voltage signal generated at a contact point between the silicon probe 10 and the semiconductor device sample, and the semiconductor device sample. A semiconductor sample fixing part 300 connected to a lower portion of the semiconductor sample fixing part 300, a variable resistor 400 connected to the semiconductor sample fixing part 300 to remove a driving voltage during signal measurement, and the variable resistor 400. And an additional resistor 500 which is connected to keep the magnitude of the current constant while the probe scans the semiconductor sample surface, and can be operated in the atmosphere. As a non-destructive measuring system, it is possible to quickly determine whether an impurity to be doped is n-type or p-type, as it has a nanoscale spatial resolution that improves resolution and measurement sensitivity as the contact area decreases. The advantage is that the surface shape and the concentration of impurities can be measured simultaneously.

열전전압, 열전계수 Thermoelectric voltage, thermoelectric coefficient

Description

System for measuring concentration distribution of impurity in semiconductor and measuring method

도 1은 종래의 주사정전용량현미경을 이용한 불순물 측정장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an impurity measuring apparatus using a conventional scanning capacitance microscope.

도 2는 본 발명에 따른 접점 및 그 접점에서 발생하는 주기적 정상상태에 대한 개략도이다.2 is a schematic diagram of a contact point and a periodic steady state occurring at the contact point according to the present invention.

도 3은 교류전류의 주파수가 500Hz이고 회로에 흐르는 전류의 크기가 20nA이며 접점의 반지름이 2nm인 경우에 대하여 접점으로부터의 거리에 따른 온도진폭에 대한 이론적인 계산결과이다.3 is a theoretical calculation result of the temperature amplitude according to the distance from the contact for the case where the frequency of the alternating current is 500 Hz, the amount of current flowing through the circuit is 20 nA, and the radius of the contact is 2 nm.

도 4는 교류전류의 주파수가 500Hz이고 회로에 흐르는 전류의 크기가 20nA인 경우에 대하여 접점의 반지름의 크기에 따른 온도진폭에 대한 이론적인 계산결과이다.4 is a theoretical calculation result of the temperature amplitude according to the magnitude of the radius of the contact for the case where the frequency of the alternating current is 500 Hz and the magnitude of the current flowing in the circuit is 20 nA.

도 5는 본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템의 개략도이다.5 is a schematic diagram of a system for measuring impurity concentration distribution in a semiconductor device according to the present invention.

도 6은 본 발명에 사용되는 주사탐침현미경의 일례의 정면도이다.6 is a front view of an example of a scanning probe microscope used in the present invention.

도 7은 본 발명에 사용되는 실리콘 탐침의 확대사진이다.7 is an enlarged photograph of a silicon probe used in the present invention.

도 8은 본 발명에 샘플로서 사용한 모스전계효과 트랜지스터의 확대사진이 다.8 is an enlarged photograph of a MOS field effect transistor used as a sample in the present invention.

도 9는 예비 실시예 1에 따른 주파수 대 열전전압 그래프이다.9 is a graph of frequency versus thermoelectric voltage according to Preparative Example 1. FIG.

도 10은 예비 실시예 2에 따른 외팔보의 굽힘정도와 열전전압의 진폭에 대한 그래프이다.10 is a graph showing the bending degree of the cantilever beam and the amplitude of the thermoelectric voltage according to the second embodiment.

도 11은 예비 실시예 3에 따른 전류 대 열전전압 그래프이다.11 is a graph of current versus thermoelectric voltage according to Preliminary Example 3. FIG.

도 12는 실시예 1에 따른 주파수 대 열전전압 그래프이다.12 is a frequency versus thermoelectric voltage graph according to Example 1. FIG.

도 13은 실시예 1에 따른 주파수 대 위상 그래프이다.13 is a frequency versus phase graph according to Example 1. FIG.

도 14는 실시예 2에 따른 지면형상과 열전전압의 분포를 나타내는 도면이다.Fig. 14 is a diagram showing the distribution of the ground shape and the thermoelectric voltage according to the second embodiment.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10... 탐침 11... 외팔보10 ... probe 11 ... cantilever

12... 레이저 다이오드 13...압전위치 스캐너12 ... laser diode 13 ... piezo position scanner

100...주사탐침현미경 200...록인 증폭기100 ... scan probe microscope 200 ... lock-in amplifier

300...반도체샘플 고정부 400...가변저항기300 ... Semiconductor sample fixture 400 ... Variable resistor

500...부가저항 600, 700...차동 증폭기500 ... Additional resistance 600, 700 ... Differential amplifier

본 발명은 반도체 소자내의 불순물 농도 분포 측정시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대기중에서도 나노스케일의 공간분해능을 얻을 수 있는 반도체 소자내의 불순물 농도 분포 측정시스템 및 측정방법에 관한 것이다. The present invention relates to an impurity concentration distribution measurement system in a semiconductor device, and more particularly, to an impurity concentration distribution measurement system and a method for measuring a nanoscale spatial resolution in the air.

반도체 소자내의 불순물 농도 분포(dopant density distribution)는 반도체 소자의 제작, 제조공정의 평가 및 국소적 결함분석 등 기타 물성의 연구에 있어서 기본이 되는 것이기 때문에 정확한 값을 구하기 위한 측정 방법이 많이 연구 개발되고 있다. 특히, 반도체 소자가 불순물의 종류와 공간적인 분포정도에 의하여 동작되기 때문에 소자의 특성을 알기 위해서는 이들의 정확한 값을 알아내는 것은 필수적이며, 현재 가속화되고 있는 반도체 소자의 극미세화 및 고집적화는 반도체 소자의 구조분석에 있어서 나노 스케일의 분해능을 요구하고 있다.Since the impurity concentration distribution in semiconductor devices is the basis for the fabrication of semiconductor devices, evaluation of manufacturing processes, and the study of other physical properties such as local defect analysis, measurement methods for obtaining accurate values have been studied and developed. have. In particular, since semiconductor devices operate according to the type of impurities and the degree of spatial distribution, it is essential to know their exact values in order to know the characteristics of the devices. The rapid miniaturization and high integration of semiconductor devices has been accelerated. In structural analysis, nanoscale resolution is required.

대표적인 불순물 농도분포 측정 기법으로는 크게 광학식 측정기법, 이차이온을 이용한 방법(Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS) 및 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscope)을 활용한 주사정전용량현미경(Scanning Capacitance Microscope)과 주사열전현미경(Scanning Thermoelectric Microscope)을 이용한 방법 등을 들 수 있다.Representative impurity concentration measurement methods are largely optical measuring method, secondary ion mass spectrometry (SIMS), and scanning capacitive microscope (Scanning microscope) and scanning thermoelectric using scanning probe microscope. The method using a microscope (Scanning Thermoelectric Microscope), etc. are mentioned.

이들 중 광학식 측정기법은 불순물 농도가 서로 다른 영역을 통과한 빛의 산란 정도가 달라지는 것을 불순물 농도분포 측정에 이용하는 것으로서 시편에 손상이 적고 빠른 측정이 가능하지만 측정 분해능이 빛의 파장(200∼300 nm)에 의하여 제한되기 때문에 수십나노 단위의 스케일의 측정이 어렵다는 단점이 있다.Among them, the optical measuring technique is used to measure the impurity concentration distribution by varying the degree of scattering of light passing through regions having different impurity concentrations. Since it is limited by), it is difficult to measure scale in the unit of tens of nanometers.

한편, 이차이온을 이용한 방법은 1∼30keV의 에너지를 갖는 일차이온의 충돌에 의해 샘플표면으로부터 발생되는 이차이온을 분석함으로써 샘플표면의 원자의 종류와 조성을 측정하는 방법이며 높은 감도와 분해능을 보이지만, 측정신호가 표면전자상태에 민감하며, 정량분석이 곤란할 뿐만 아니라, 샘플의 표면을 파괴하게 되는 파괴적 분석기법이라는 것이 문제점으로 작용한다.On the other hand, the method using the secondary ion is a method of measuring the type and composition of atoms on the sample surface by analyzing the secondary ion generated from the sample surface due to the collision of the primary ion having an energy of 1 to 30 keV and showing high sensitivity and resolution. The problem is that the measurement signal is sensitive to the surface electronic state, difficult to quantitatively analyze, and is a destructive analysis method that destroys the surface of the sample.

또한, 주사정전용량현미경을 이용하는 방법은 정전용량 센서를 탐침에 연결하여 국소 불순물 농도에 따른 탐침과 샘플사이의 국소 정전용량(capacitance)을 측정함으로써 불순물의 농도를 알아낼 수 있는 방법이다. 도 1에는 주사정전용량현미경을 이용한 불순물 측정장치의 개략도를 도시하였다. 도 1을 참조하면, 주사정전용량현미경에서 사용되는 정전용량 센서는 고주파 발진기와 전기적 공진장치로 구성되어 있으며 외부에 연결된 정전용량이 변하면 공진주파수가 변하는 것에 의해 매우 작은 정전 용량(10^-19 F)까지도 측정할 수 있게 되어 있다. 그러나 나노미터 크기의 탐침과 샘플 사이의 정전용량이 매우 작아서(10^-16 ~ 10^-18 F) 직접 측정할 수 없기 때문에, 100Khz 이하의 낮은 주파수로 측정신호를 변조시킨 후 정전용량의 전압에 대한 미분치를 측정한다. 그러나 하기 수학식 1에서 보듯이 정전용량은 작용면적에 비례하므로 탐침 끝의 지름이 작아지면 분해능은 높아지게 되지만 동시에 정전용량의 크기가 작아지게 되고, 이에 따라 신호의 변조가 어려워지고 측정감도가 저하된다는 단점이 있다In addition, the method using a scanning capacitance microscope is a method that can determine the concentration of impurities by connecting a capacitive sensor to the probe and measuring the local capacitance (capacitance) between the probe and the sample according to the local impurity concentration. 1 shows a schematic diagram of an impurity measuring apparatus using a scanning capacitance microscope. Referring to FIG. 1, the capacitive sensor used in the scanning capacitive microscope is composed of a high frequency oscillator and an electric resonator, and when the capacitance connected to the outside is changed, the resonance frequency is changed so that a very small capacitance (10 ^-19 F ) is obtained. It is possible to measure even. However, because the capacitance between the nanometer probe and the sample is so small (10 ^-16 to 10 ^-18 F ) that it cannot be measured directly, modulate the measurement signal at a frequency below 100Khz and then Measure the derivative. However, as shown in Equation 1, the capacitance is proportional to the working area, so as the diameter of the probe tip decreases, the resolution increases, but at the same time, the capacitance decreases, thereby making it difficult to modulate the signal and reducing the measurement sensitivity. Have a disadvantage

상기 식에서, ε₀는 탐침과 시편사이의 유전률, A 는 면적이며 d_c 는 탐침끝 의 지름이다.Where ε ₀ is the permittivity between the probe and the specimen, A is the area, and d _c is the diameter of the probe tip.

한편, Ho-Ki Lyeo 등은 주사열전현미경 (Scanning Thermoelectric Microscope)을 이용하여 반도체의 p-n 접합부근에서 열전전압을 수 나노미터의 공간적 정밀도로 측정하였다고 보고하였다(Ho-Ki Lyeo, A. A. Khajetoorians, Li Shi, Kelvin P. Pipe, Rajeev J. Ram, Ali Shakouri, C. K. Shih, 2004, "Profiling the Thermoelectric Power of Semiconductor Junctions with Nanometer Resolution," Science, Vol. 303, pp. 816-818). 이는 샘플을 5×10^-11 torr 의 초고진공(ultra high-vacuum) 속에 위치시킨 후 샘플의 후면에 부착된 열원으로 샘플이 주위보다 5~30K 정도 높은 온도를 유지하도록 가열한 후, 상온의 온도를 갖는 나노스케일의 탐침 첨단을 샘플의 표면에 접촉시키면 탐침 첨단으로의 열전달 때문에 샘플에는 국소적으로 온도 구배가 발생하게 된다. 이때, 이러한 온도 구배는 국소 열전계수에 비례하는 열전 전압을 발생시키는데, 이를 측정함으로써 국소 열전계수를 알아내어 수 나노미터 단위의 높은 공간분해능으로 불순물의 농도를 측정할 수 있는 방법이다. 그러나, 상기 방법은 검출되는 신호의 크기가 탐침과 샘플의 접촉면적과 무관하다는 장점에도 불구하고 초고진공상태에서 측정이 이루어져야 하는 대단히 어려운 측정법이라는 단점이 있다.On the other hand, Ho-Ki Lyeo et al. Reported that the thermoelectric voltage was measured at a spatial precision of several nanometers near the pn junction of a semiconductor using a scanning thermoelectric microscope (Ho-Ki Lyeo, AA Khajetoorians, Li Shi). , Kelvin P. Pipe, Rajeev J. Ram, Ali Shakouri, CK Shih, 2004, "Profiling the Thermoelectric Power of Semiconductor Junctions with Nanometer Resolution," Science, Vol. 303, pp. 816-818). This is placed in an ultra high-vacuum of 5 × 10 ^-11 torr and then heated with a heat source attached to the back of the sample to maintain the sample at a temperature of about 5 ~ 30K higher than the ambient temperature. Contacting the nanoscale probe tip with the surface of the sample results in a local temperature gradient in the sample due to heat transfer to the probe tip. At this time, such a temperature gradient generates a thermoelectric voltage proportional to the local thermoelectric coefficient. By measuring this, a local thermoelectric coefficient is found to measure the concentration of impurities with a high spatial resolution of several nanometers. However, this method has a disadvantage in that it is a very difficult measurement method to be measured in ultra-high vacuum despite the advantage that the magnitude of the signal to be detected is independent of the contact area between the probe and the sample.

한편, 대한민국 특허등록 제1992-0003872호에는 반도체 기판에 경사각을 갖는 사면을 형성하여 두개의 탐침으로 분포 저항을 깊이 방향으로 측정하도록 하는 반도체 기판의 분포저항 및 불순물 농도 측정방법이 개시되어 있으나, 나노스케일 의 공간분해능을 얻기 어려우며, 반도체 기판을 소정의 경사각으로 갈아내야 하는 파괴적인 방법이라는 문제점이 있다.Meanwhile, Korean Patent Registration No. 1992-0003872 discloses a method for measuring distribution resistance and impurity concentration of a semiconductor substrate in which a slope having an inclination angle is formed on the semiconductor substrate to measure distribution resistance in two directions with two probes. It is difficult to obtain the spatial resolution of the scale, and there is a problem of a destructive method of grinding the semiconductor substrate at a predetermined inclination angle.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 대기중에서도 나노스케일의 분해능을 가지며 비파괴적인, 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a non-destructive, impurity concentration distribution measurement system in a semiconductor device having a nanoscale resolution in the air.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 시스템을 이용한 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정방법을 제공하는 것이다. The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for measuring impurity concentration distribution in a semiconductor device using the system.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, The present invention to achieve the first technical problem,

주사탐침현미경(100), 상기 주사탐침현미경의 일부 구성요소로서, 통전이 가능하도록 고경도의 전도성 박막이 적층되어 있는 실리콘 탐침(10), 상기 실리콘 탐침(10)의 외팔보(11)에 연결되어 교류전류를 공급하며, 상기 실리콘 탐침(10)과 반도체 소자 샘플간의 접점에서 발생하는 열전전압 신호를 분리하는 록인 증폭기(200), 상기 반도체 소자 샘플의 하부에 연결되어 통전이 되도록 하는 반도체 샘플 고정부(300), 상기 반도체 샘플 고정부(300)에 연결되어 신호측정시 구동전압을 제거하는 가변저항기(400), 및 상기 가변저항기(400)에 연결되어 탐침이 반도체 샘플 표면을 주사하는 동안 전류의 크기를 일정하게 유지시키는 부가저항(500)을 구비하는 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템을 제공한다.Scanning probe microscope 100, as a component of the scanning probe microscope, the silicon probe 10 is laminated with a high hardness conductive thin film so as to enable electricity is connected to the cantilever beam 11 of the silicon probe 10 A lock-in amplifier 200 for supplying an AC current and separating a thermoelectric voltage signal generated at a contact point between the silicon probe 10 and the semiconductor device sample, and a semiconductor sample fixing part connected to a lower portion of the semiconductor device sample to conduct electricity. 300, a variable resistor 400 connected to the semiconductor sample fixing part 300 to remove a driving voltage when measuring a signal, and a variable resistor 400 connected to the variable resistor 400 to detect a current while a probe scans a semiconductor sample surface. An impurity concentration distribution measuring system in a semiconductor device having an additional resistance 500 for maintaining a constant size is provided.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the second technical problem,

(a) 통전이 가능하도록 고경도의 전도성 박막이 적층되어 있는 주사탐침현미경의 탭핑 모드용 실리콘 탐침을 반도체 소자의 표면에 접촉시켜 나노단위의 접점을 형성시키는 단계; (b) 상기 접점에 교류전류를 가하여 국소적으로 자체발열시키는 단계; (c) 상기 자체발열에 의한 온도상승으로부터 발생하는 열전전압을 측정하는 단계; 및 (d) 상기 열전전압을 통해 상기 접점에서의 국소적인 열전계수를 구하는 단계를 포함하는 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정방법을 제공한다.(a) contacting the surface of the semiconductor device with a silicon probe for tapping mode of a scanning probe microscope, in which a conductive thin film of high hardness is laminated so as to be energized, to form a nano-contact point; (b) applying an alternating current to the contacts to locally self-heat; (c) measuring a thermoelectric voltage resulting from the temperature rise due to self heating; And (d) obtaining a local thermoelectric coefficient at the contact point through the thermoelectric voltage.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템 및 그 측정방법에 대한 바람직한 실시예에 관하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to a preferred embodiment of the impurity concentration distribution measurement system and a measuring method in a semiconductor device according to the present invention.

본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템 및 그 측정방법은 종래의 주사열전현미경과는 달리, 나노접점에 교류전류를 가함으로써 샘플내에 나노미터의 온도구배를 직접 발생시키기 때문에 초진공이 필요없이 대기중에서도 측정이 가능하다는 것을 특징으로 한다. The impurity concentration distribution measuring system and its measuring method in the semiconductor device according to the present invention, unlike conventional scanning thermoelectric microscopes, require ultra-vacuum because direct generation of a nanometer temperature gradient in a sample by applying an alternating current to the nanocontacts. It can be measured even in the air without the feature.

본 발명에서 교류전류를 가하는 이유는 가해주는 구동전압과 접점에서 발생하는 열전전압을 분리하여 측정하기 위함이다. 즉, 탐침과 시편의 접점에 ω의 주파수를 가지는 교류 전류를 가하면 접점에서의 열발생은 전류의 제곱에 비례하므로 2ω의 주파수를 가지고 변동하게 되고 따라서 접점의 온도도 2ω의 주파수를 가지게 된며, 접점에서 온도변화와 열전계수와의 곱에 의해 발생되는 열전전압은 2ω의 주파수를 가지게 된다. 이에 의해, 구동전압과 열전전압의 주파수 차이로부터 열전전압을 분리하여 측정할 수 있게 되는 것이다.The reason for applying an alternating current in the present invention is to separate and measure the driving voltage applied and the thermoelectric voltage generated at the contact point. In other words, if an alternating current having a frequency of ω is applied to the contact between the probe and the specimen, the heat generation at the contact is proportional to the square of the current, so it fluctuates with a frequency of 2ω and thus the temperature of the contact also has a frequency of 2ω. In the thermoelectric voltage generated by the product of the temperature change and the thermoelectric coefficient at, the frequency of 2ω is obtained. As a result, the thermoelectric voltage can be separated and measured from the frequency difference between the driving voltage and the thermoelectric voltage.

도 2에는 본 발명에 따른 접점 및 그 접점에서 발생하는 주기적 정상상태(periodic steady state)에 대한 개략도를 도시하였으며, 본 발명에 따른 측정원리의 이해의 편의를 위해 접점에서 발생하는 주기적 정상상태의 열현상에 대해 상기 도 2를 참조하여 이하와 같은 해석을 수행하였다.2 shows a schematic diagram of a contact point and a periodic steady state occurring at the contact point according to the present invention, and for the convenience of understanding the measuring principle according to the present invention, The following analysis was performed with reference to FIG. 2 regarding the phenomenon.

탐침과 샘플의 접점으로부터의 거리를 r이라고 할 때, 주기적으로 가열되는 접점의 온도변화를 해석하기 위한 에너지 평형식은 하기 수학식 2로 나타낼 수 있다.When the distance from the contact point of the probe to the sample is r, the energy balance for analyzing the temperature change of the periodically heated contact point can be expressed by Equation 2 below.

(상기 식 중, ρ와 Cp는 각각 밀도와 비열이고, A는 전류가 통과하는 단면적이며, T는 온도, K는 열전도 계수임)(Wherein ρ and Cp are density and specific heat, A is the cross-sectional area through which current passes, T is temperature, K is thermal conductivity coefficient)

한편, 상기에서

는 단위부피당 발열량이며, 이는 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다.On the other hand, in the above

Is a calorific value per unit volume, which may be represented by Equation 3 below.

(상기 식 중, a는 접점으로부터의 거리 r에 따른 넓이 계수이고, ρ_e는 전기 비저항임)(Where a is an area coefficient according to a distance r from a contact point, and ρ _e is an electrical resistivity)

상기 수학식 3에서 알 수 있듯이 발열량은 전류의 제곱에 비례하고 접점으로부터의 거리의 네제곱에 반비례하게 된다. 따라서, 탐침이 샘플에 가까워질수록 발생되는 국소적 열량은 급격히 증가함을 알 수 있다. 한편 상기 수학식 3에서 I는 ω의 주파수를 가지는 교류전류이므로 열발생중 주기적 성분은 하기 수학식 4로 표현될 수 있다.As can be seen from Equation 3, the calorific value is proportional to the square of the current and inversely proportional to the square of the distance from the contact point. Therefore, it can be seen that as the probe approaches the sample, the amount of local heat generated increases rapidly. Meanwhile, in Equation 3, since I is an alternating current having a frequency of ω, the periodic component during heat generation may be represented by Equation 4 below.

한편, 온도변화는 열량의 주기적인 변화에 대해 어느정도의 위상뒤짐을 가지고 나타나는데 이는 하기 수학식 5로 나타낼 수 있다.On the other hand, the temperature change appears with a certain amount of phase lag with respect to the periodic change of calories, which can be represented by the following equation (5).

(상기 식 중, △T는 복소온도이며 이로부터 주기적 정상상태 온도변화의 진폭과 위상을 얻을 수 있음) Where ΔT is the complex temperature from which the amplitude and phase of the periodic steady-state temperature change can be obtained.

이제 상기 수학식 2의 에너지 평형식으로부터 복소온도를 구하면, 하기 수학식 6으로 나타낼 수 있고,Now, if the complex temperature is obtained from the energy balance of Equation 2, Equation 6 can be given.

(상기 식 중, S는 침투깊이(penetration depth)이고, C1과 C2는 적분상수임)Where S is the penetration depth and C1 and C2 are the integral constants.

상기 수학식 6에서, 접점으로부터의 거리 r이 무한대가 될 때 온도변화의 진폭은 0이 되므로, 이때의 C₂는 하기 수학식 7로 표현될 수 있다.In Equation 6, since the amplitude of the temperature change becomes 0 when the distance r from the contact becomes infinity, C ₂ may be expressed by Equation 7 below.

또한, 탐침과 샘플이 접촉했을 때 탐침의 첨단부와 샘플의 접점에서는 온도의 진폭이 같고 열유동율(heat flux)이 같다는 조건으로부터 C₁을 구할 수 있는데, 이는 하기 수학식 8로 나타낼 수 있다.In addition, when the probe is in contact with the sample, C ₁ can be obtained from the condition that the amplitude of the temperature is the same and the heat flux is the same at the tip of the probe and the contact point of the sample, which can be expressed by Equation 8 below.

(상기 식 중, 하첨자 t와 s는 각각 탐침과 샘플을 의미하는 것으로서 S_t와 S_s는 각각 탐침과 샘플의 침투깊이를 나타내며, K_t와 K_s는 각각 탐침과 샘플의 열전도계수를 나타내고, R은 접점의 반지름임)Where subscript t and s denote probe and sample, respectively, S _t and S _s denote penetration depth of probe and sample, respectively, and K _t and K _s denote thermal conductivity coefficients of probe and sample, respectively , R is the radius of the contacts)

다음으로, 교류전류의 주파수가 500Hz이고 회로에 흐르는 전류의 크기가 20nA이며 접점의 반지름이 2nm인 경우에 대하여 접점으로부터의 거리에 따른 온도 진폭에 대한 이론적인 계산 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면 접점으로부터 10nm 정도 이내에 온도진폭의 90% 이상이 발생함을 알 수 있고, 이는 본 발명에 따른 시스템에서 접점에서 발생하는 국소적 열발생의 원리를 설명해 준다.Next, a theoretical calculation result of the temperature amplitude according to the distance from the contact is shown in FIG. 3 when the frequency of the alternating current is 500 Hz, the magnitude of the current flowing through the circuit is 20 nA, and the radius of the contact is 2 nm. Referring to Figure 3 it can be seen that more than 90% of the temperature amplitude occurs within about 10nm from the contact, which illustrates the principle of local heat generation at the contact in the system according to the present invention.

한편, 교류전류의 주파수가 500Hz이고 회로에 흐르는 전류의 크기가 20nA인 경우에 대하여 접점의 반지름의 크기에 따른 온도진폭에 대한 이론적인 해석 결과를 도 4에 나타내었는데, 접점의 크기가 작을수록 접점에서 측정되는 열전전압의 크기가 커진다는 것을 알 수 있다. 특히 접점의 크기가 1nm에서 2nm로 변하는 동안 10 배 이상의 온도진폭 변화가 발생함을 확인할 수 있는데, 본 발명에서는 샘플과 탐침이 접촉된 상태에서 신호가 측정되므로 측정의 공간 분해능은 탐침과 샘플의 접점의 크기에 의해 결정된다는 것을 알 수 있고, 본 발명에서는 탐침과 샘플의 접점의 반지름이 수 nm 수준이며 따라서 고분해능의 측정이 가능하게 될 뿐만 아니라, 접점의 반지름이 작아질 수록 국소적 발열량 및 열전전압의 크기가 커지게 되므로 측정감도 또한 매우 뛰어나게 된다. 상기 이론적인 계산결과는 후술하는 실시예의 결과와 비교를 통해서 접점의 크기를 추정하는 자료로 사용될 수 있다.On the other hand, in the case where the frequency of the AC current is 500Hz and the current flowing in the circuit is 20nA, the theoretical analysis results of the temperature amplitude according to the size of the radius of the contact are shown in FIG. 4. It can be seen that the magnitude of the thermoelectric voltage measured at is increased. In particular, it can be seen that a change in temperature amplitude of 10 times or more occurs while the size of the contact point changes from 1 nm to 2 nm. In the present invention, since the signal is measured while the sample is in contact with the probe, the spatial resolution of the measurement is determined by the contact between the probe and the sample. It can be seen that it is determined by the size of, in the present invention, the radius of the contact between the probe and the sample is a few nm level, and thus high resolution can be measured, and as the radius of the contact becomes smaller, the local calorific value and the thermoelectric voltage As the size increases, the sense of measurement is also very good. The theoretical calculation result may be used as data for estimating the size of the contact by comparing with the results of the embodiments described later.

도 5에는 본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템의 개략도를 나타내었다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템은 통상적인 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscope, 100)을 구비하고 있으며, 그 내부에는 통전이 가능하도록 텅스텐 박막이 적층되어 있는 실리콘 탐침(10), 레이저 다이오드(12), 압전 위치 스캐너(piezo position scanner, 13) 등이 일부 구성요소들로서 구비되어 있다. 이러한 주사탐침현미경은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 도 6에는 본 발명에 사용되는 주사탐침현미경의 일례의 정면도를 도시하였다. 한편, 도 7에는 본 발명에 사용되는 실리콘 탐침의 확대사진을 도시하였는데, 상기 실리콘 탐침(10)은 탭핑모드(tapping mode)용인 것이 바람직하다. 그 이유는 주지되어 있는 바와 같이, 반도체 소자에 사용되는 실리콘은 공기중에서 산화되어 표면에 약 1nm정도의 산화막을 형성하게 되는데, 탐침이 샘플과 전기적인 접촉을 이루기 위해서는 탐침의 첨단이 상기 산화막을 뚫어야 하기 때문이다. 이를 위해서 외팔보(cantilever)의 스프링 상수가 접촉모드(contact mode)보다 훨씬 큰 탭핑모드용 실리콘 탐침을 이용하는 것이 좋다. 한편, 상기 실리콘 탐침의 외팔보의 길이와 너비 및 탐침 첨단부의 높이 는 특별히 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 변경될 수 있다. 상기 실리콘 탐침은 반도체 소자와 접촉시 통전이 가능하도록 고경도의 전도성 박막이 적층되어 있는데, 상기 고경도의 전도성 박막의 적층 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 탐침의 첨단이 국소적 발열에 의해 손상되지 않도록 약 100nm 정도로 적층하는 것이 바람직한데, 상기 적층 두께가 두꺼워질 수록 공간분해능이 떨어질 수 있다. 상기 고경도의 전도성 박막은 당업계에 통상적으로 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 텅스텐 또는 전도성 다이아몬드일 수 있다. 한편, 본 발명에 사용되는 실리콘 탐침의 첨단 반경은 10nm 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 이미 설명한 바와 같이, 첨단반경이 작을수록 접점의 반지름도 작아지며, 이에 의해 수 nm 단위의 공간분해능을 얻을 수 있기 때문이다.5 is a schematic view of an impurity concentration distribution measurement system in a semiconductor device according to the present invention. Referring to FIG. 5, an impurity concentration distribution measuring system in a semiconductor device according to the present invention includes a conventional scanning probe microscope (100), and a silicon in which a tungsten thin film is stacked to enable energization therein. Probe 10, laser diode 12, piezo position scanner 13, and the like are provided as some components. Such scanning probe microscope is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, Figure 6 shows a front view of an example of the scanning probe microscope used in the present invention. On the other hand, Figure 7 shows an enlarged photograph of the silicon probe used in the present invention, the silicon probe 10 is preferably for the tapping mode (tapping mode). As is well known, the silicon used in the semiconductor device is oxidized in air to form an oxide film of about 1 nm on the surface. In order for the probe to make electrical contact with the sample, the tip of the probe must penetrate the oxide film. Because. For this purpose, it is advisable to use a silicon probe for tapping mode where the cantilever's spring constant is much higher than in contact mode. On the other hand, the length and width of the cantilever beam of the silicon probe and the height of the tip of the probe is not particularly limited and may be changed as necessary. The silicon probe has a high hardness conductive thin film laminated so as to be energized when in contact with a semiconductor device. The thickness of the high hardness conductive thin film is not particularly limited, but the tip of the probe is not damaged by local heating. It is preferable to stack about 100 nm, so that the thicker the stack thickness, the lower the spatial resolution. The high hardness conductive thin film is not particularly limited as long as it is commonly used in the art, and may be, for example, tungsten or conductive diamond. On the other hand, the tip radius of the silicon probe used in the present invention is preferably 10nm or less. The reason is that, as described above, the smaller the tip radius, the smaller the radius of the contact point, whereby a spatial resolution of several nm units can be obtained. Because there is.

다시 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템에서, 불순물의 농도를 측정하고자 하는 반도체 소자 샘플은 본 발명에 따른 시스템 회로에 연결되어 있는 금속으로 이루어진 반도체 샘플 고정부(300)에 예를 들면, 실버 페이스트 등을 사용하여 고정시킬 수 있다. 본 발명에 따른 시스템에서 실리콘 탐침(10)과 샘플간의 접점에서의 열전전압을 측정하기 위한 회로의 저항은 크게 세 부분으로 나눌 수 있다. 우선 탐침으로부터 샘플이 고정되어 있는 샘플 고정부(300)까지의 저항인 Rc, 다음으로 상기 반도체 샘플 고정부(300)에 연결되어 신호측정시 구동전압을 제거하는 가변저항기(Rp, 400), 및 상기 가변저항기(400)에 연결되어 탐침이 반도체 샘플 표면을 주사하는 동안 전류의 크기를 일정하게 유지시키는 부가저항(Ra, 500)으로 나눌 수 있는데, 상기 부가저항(Ra, 500)는 Rc와 Rp보다 훨씬 큰 저항을 사용한다. 이는 탐침이 샘플의 표면을 주사하는 동안 접점의 저항이 변화하더라도 접점을 통과하는 전류의 크기를 일정하게 유지하기 위함이다. 한편, Rc 에는 측정하고자 하는 2ω의 주파수를 갖는 열전전압과 1ω의 주파수를 같는 구동전압이 동시에 걸리게 된다. 열전전압은 구동전압에 비해서 보통 매우 작은 전압이므로 이를 측정하기 위해서는 우선 구동전압을 제거한 후 록인 증폭기(Lock-in amplifier)를 사용하여 열전전압을 분리해 내야한다. 이를 위해서 가변저항기(Rp, 400)를 Rc 와 같은 크기가 되도록 조절한 후에 Rc 에 걸리는 전압에서 가변저항기(Rp, 400)에 걸리는 전압을 빼준후 남은 신호로부터 록인 증폭기(200)를 사용하여 열전전압을 분리해낸다. 이를 위한 회로의 구성은 특별히 제한되지 않으며 예를 들면, 상기 실리콘 탐침(10)의 외팔보(11) 및 반도체 샘플 고정부(300)에 공통으로 연결되어 회로를 구성하며 접점에 걸리는 전압신호를 상기 록인 증폭기(200)로 출력하는 차동증폭기(600); 및 상기 가변저항기의 양단에 연결되어 회로를 구성하며 구동전압이 제거된 신호를 상기 록인 증폭기(200)로 출력하는 차동증폭기(700)를 구비하는 것에 의해 달성할 수 있다.Referring back to FIG. 5, in the impurity concentration distribution measurement system in the semiconductor device according to the present invention, the semiconductor device sample to measure the concentration of the impurity may be a semiconductor sample fixing part made of a metal connected to the system circuit according to the present invention. 300), for example, by using silver paste or the like. In the system according to the present invention, the resistance of the circuit for measuring the thermoelectric voltage at the contact between the silicon probe 10 and the sample can be divided into three parts. Rc, which is a resistance from the probe to the sample fixing part 300 to which the sample is fixed, and then variable resistors Rp and 400 connected to the semiconductor sample fixing part 300 to remove the driving voltage during signal measurement, and Connected to the variable resistor 400 may be divided into an additional resistance (Ra, 500) to maintain a constant magnitude of current while the probe scans the semiconductor sample surface, the additional resistance (Ra, 500) is Rc and Rp Use much greater resistance. This is to maintain a constant amount of current through the contact even if the resistance of the contact changes while the probe scans the surface of the sample. On the other hand, Rc is simultaneously subjected to a thermoelectric voltage having a frequency of 2ω and a drive voltage having the same frequency of 1ω. The thermoelectric voltage is usually very small compared to the driving voltage, so to measure it, first remove the driving voltage and then use a lock-in amplifier to separate the thermoelectric voltage. To this end, after adjusting the variable resistors Rp and 400 to the same size as Rc, the voltage applied to the variable resistors Rp and 400 is subtracted from the voltage applied to Rc, and then the thermoelectric voltage using the lock-in amplifier 200 from the remaining signals. Isolate. The configuration of the circuit for this purpose is not particularly limited. For example, the lock-in is connected to the cantilever 11 and the semiconductor sample fixing part 300 of the silicon probe 10 to form a circuit and the voltage signal applied to the contact point is locked in. A differential amplifier 600 outputting to the amplifier 200; And a differential amplifier 700 connected to both ends of the variable resistor to form a circuit and outputting a signal from which a driving voltage is removed to the lock-in amplifier 200.

본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템에서, 상기 실리콘 탐침의 첨단에 가해주는 교류전류의 크기는 15∼60nA인 것이 바람직한데, 15nA 미만인 때에는 발생하는 열전전압이 너무 작다는 문제점이 있고, 60nA를 초과하는 때에는 높은 발열로 인해 탐침 끝이 손상될 염려가 있기 때문이다.In the impurity concentration distribution measurement system in the semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the magnitude of the alternating current applied to the tip of the silicon probe is 15 to 60 nA, but when it is less than 15 nA, the thermoelectric voltage generated is too small. If it exceeds 60nA, high heat generation may damage the tip of the probe.

한편, 본 발명에서 가해주는 교류전류의 주파수는 100∼1000Hz인 것이 바람직한데, 주파수가 100Hz 미만인 때에는 노이즈가 커지고 Fourier Transform에 소요 되는 시간이 길어져서 스캐닝을 지나치게 느리게 해야한다는 문제가 있고, 1000Hz를 초과하는 경우에는 진폭이 작아지므로 온도상승에 필요한 열량이 충분히 공급되지 못할 염려가 있다.On the other hand, the frequency of the alternating current applied in the present invention is preferably 100 ~ 1000Hz, but when the frequency is less than 100Hz, there is a problem that the scanning becomes too slow because the noise increases and the time required for the Fourier Transform becomes long, and it exceeds 1000Hz. In this case, since the amplitude becomes small, the amount of heat required for temperature rise may not be sufficiently supplied.

본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정방법은 (a) 통전이 가능하도록 고경도의 전도성 박막이 적층되어 있는 주사탐침현미경의 탭핑 모드용 실리콘 탐침을 반도체 소자의 표면에 접촉시켜 나노단위의 접점을 형성시키는 단계; (b) 상기 접점에 교류전류를 가하여 국소적으로 자체발열시키는 단계; (c) 상기 자체발열에 의한 온도상승으로부터 발생하는 열전전압을 측정하는 단계; 및 (d) 상기 열전전압을 통해 상기 접점에서의 국소적인 열전계수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method of measuring impurity concentration distribution in a semiconductor device according to the present invention, (a) a nano-contact contact is made by contacting a surface of a semiconductor device with a silicon probe for tapping mode of a scanning probe microscope, in which a conductive thin film of high hardness is laminated to enable energization. Forming a; (b) applying an alternating current to the contacts to locally self-heat; (c) measuring a thermoelectric voltage resulting from the temperature rise due to self heating; And (d) obtaining a local thermoelectric coefficient at the contact point through the thermoelectric voltage.

본 발명에 따른 측정방법에서는 우선, 교류전류의 인가에 의해 국소적으로 발열이 되고, 이에 의한 온도상승으로 인해 발생하는 열전전압을 측정하게 되는데, 이러한 열전전압과 열전계수와의 상관관계식을 이용하여 열전계수를 측정한 뒤, 최종적으로 열전계수와 불순물 농도와의 상관관계식을 이용하여 불순물의 농도를 측정할 수 있다. 열전전압과 열전계수의 상관관계는 하기 수학식 9로 나타낼 수 있으며, 열전계수와 불순물 농도와의 상관관계는 하기 수학식 10으로 표현된다.In the measuring method according to the present invention, first, a heat is generated locally by the application of an alternating current, and the thermoelectric voltage generated due to the temperature rise is measured. By using the correlation equation between the thermoelectric voltage and the thermoelectric coefficient, After measuring the thermoelectric coefficient, the concentration of the impurity may be finally determined using a correlation between the thermoelectric coefficient and the impurity concentration. The correlation between the thermoelectric voltage and the thermoelectric coefficient may be represented by Equation 9 below, and the correlation between the thermoelectric coefficient and the impurity concentration is represented by Equation 10 below.

(상기 식 중, △V_TE는 열전전압의 진폭, S는 열전계수 이고, △T는 접점에서 의 온도진폭임) (Wherein ΔV _TE is the amplitude of the thermoelectric voltage, S is the thermoelectric coefficient, and ΔT is the temperature amplitude at the junction)

(상기 식 중, S_n과 S_p는 각각 n형, p형 불순물의 열전계수이고, e는 전자의 전하량, k _B 는 볼쯔만 상수, Nc는 전도대(conductance band) 바닥상태의 상태밀도(density of state), Nv는 가전자대(valence band) 최상단의 상태밀도(density of state), n은 n형 불순물의 농도, p는 p형 불순물의 농도, re 는 자유이송시간(mean free time, τ)에 의하여 정의되는 전자의 산란계수(scattering parameter)이고, rh는 자유이송시간에 의하여 정의되는 정공의 산란계수임)Where S _n and S _p are the thermoelectric coefficients of the n-type and p-type impurities, e is the charge of the electron, k _B is the Boltzmann constant, and Nc is the density of the state of the ground state of the conduction band. of state, where Nv is the density of state at the top of the valence band, n is the concentration of n-type impurities, p is the concentration of p-type impurities, and re is the mean free time (τ). of electron scattering parameters (scattering parameter) which is defined by a, rh is Scattering factor of hole defined by free travel time)

상기에서 Nc와 Nv는 온도의 함수이고, re, rh는 물질에 따라 결정되는 값인데, 결국 상기 수학식 10을 이용하면 열전계수를 통해 불순물의 농도를 구할 수 있다.In the above, Nc and Nv are functions of temperature, and re and rh are values determined according to materials. Finally, using Equation 10, impurity concentrations can be obtained through thermoelectric coefficients.

본 발명에서 얻어지는 열전계수의 부호는 n형 불순물이 도핑된 부분과 p형 불순물이 도핑된 부분에서 반대로 얻어지기 때문에 불순물이 n형인지 p형인지도 구분해 낼 수가 있다.The sign of the thermoelectric coefficient obtained in the present invention is obtained from the portion doped with the n-type impurity and the portion doped with the p-type impurity, so that the impurity is n-type or p-type.

이하에서는 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited thereto.

예비 실시예 1Preliminary Example 1

주사탐침현미경은 Veeco사의 Dimension-3100을 사용하였으며, 탭핑모드용 실리콘 탐침에 100nm의 텅스텐 박막을 스퍼터링을 이용하여 적층하였다. 상기 실리콘 탐침의 외팔보의 길이와 너비는 각각 225㎛와 28㎛였고, 샘플과 접촉하게 되는 탐침의 첨단부의 높이는 약 12㎛이고 첨단의 반경은 약 10nm였다. 샘플로는 불산을 사용하여 게이트 영역의 산화막과 금속층을 제거한 모스전계효과 트랜지스터를 사용하였으며, 도 8에 상기 모스전계효과 트랜지스터의 확대사진을 도시하였다. 본 발명에서는 금속 고정부에 실버페이스트를 사용하여 상기 모스전계효과 트랜지스터를 고정하였다. 우선 열전전압이 제대로 검출되는 지 파악하기위하여 탐침의 첨단부를 모스전계효과 트랜지스터의 소스 부분에 접촉시킨 상태에서 교류전원의 주파수를 1∼10000 Hz 로 증가시키면서 2ω신호를 측정하였으며 그 결과를 도 9에 도시하였다. 도 9를 참조하면 측정된 2ω신호는 회로에 흐르는 전류변화량의 제곱에 비례함을 근사적으로 알 수 있으며, 이는 접점에서의 단위부피당 발열량을 나타낸 수학식 3과 일치하는 경향을 보임을 확인할 수 있다. The scanning probe microscope used Veeco's Dimension-3100, and a 100 nm tungsten thin film was deposited on the silicon probe for tapping mode by sputtering. The length and width of the cantilever beam of the silicon probe were 225 μm and 28 μm, respectively, and the height of the tip of the probe which came into contact with the sample was about 12 μm and the radius of the tip was about 10 nm. As a sample, a MOS field effect transistor in which an oxide film and a metal layer in a gate region were removed using hydrofluoric acid was used. An enlarged photograph of the MOS field effect transistor is illustrated in FIG. 8. In the present invention, the MOS field effect transistor is fixed to the metal fixing part using silver paste. First, in order to determine whether the thermoelectric voltage is properly detected, the signal of 2ω was measured while increasing the frequency of the AC power supply to 1 to 10000 Hz while the tip of the probe was in contact with the source portion of the MOS field effect transistor. Shown. Referring to FIG. 9, it can be seen that the measured 2ω signal is approximately proportional to the square of the amount of current change flowing in the circuit, which shows a tendency to match Equation 3, which shows the calorific value per unit volume at the contact point. .

예비 실시예 2Preliminary Example 2

주사탐침현미경은 Veeco사의 Dimension-3100을 사용하였으며, 탭핑모드용 실리콘 탐침에 100nm의 텅스텐 박막을 적층하였다. 상기 실리콘 탐침의 외팔보의 길이와 너비는 각각 225㎛와 28㎛였고, 샘플과 접촉하게 되는 탐침의 첨단부의 높이는 약 12㎛이고 첨단의 반경은 약 10nm였다. 샘플로는 불산을 사용하여 게이트 영 역의 산화막과 금속층을 제거한 모스전계효과 트랜지스터를 사용하였으며, 금속 고정부에 실버페이스트를 사용하여 상기 모스전계효과 트랜지스터를 고정하였다. 다음으로 회로에 흐르는 전류를 20nA로 고정시킨 상태에서 교류전원의 주파수를 500Hz로 설정하였으며, 접점의 크기를 추정하기 위하여 처음에는 탐침의 첨단을 미접촉 상태에서 소스의 상단에 위치시킨 후에 탐침이 모스전계효과 트랜지스터의 표면에 가까워 질때와 접촉후 다시 떨어질 때의 탐침의 외팔보의 굽힘정도와 열전전압의 진폭을 동시에 측정하여 도 10에 도시하였다. 도 10을 참조하면 탐침의 첨단은 A 지점에서 소스 표면에 접촉이 이루어지지만 외팔보가 약 5nm 가량 굽혀진 후에야 비로서 열전전압의 신호에 변화가 생기는 것을 알 수 있다. 이것은 탐침과 소스의 전기적 접촉이 이루어지기 위해서는 모스전계효과 트랜지스터 표면에 존재하는 약 1nm 정도의 자연 산화막(nativeoxide)을 뚫기위한 부가적인 접촉력(contact force)이 필요함을 의미한다. 즉, 전기적 접촉이 이루어진 후 외팔보가 약 30nm 정도 굽혀지는 B 지점까지 열전전압의 진폭은 계속 증가하다가 다시 B 지점에서 외팔보가 약 45nm 정도 굽혀지는 C 지점까지는 도리어 열전전압의 진폭이 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 다음과 같은은 현상으로 추측된다. 즉, A 지점에서 B 지점까지는 전체 회로 저항의 대부분을 접점의 전기저항(Rc)이 차지하는 것으로 판단되며, 이런 경우에 발열량은 하기 수학식 11에 따라 표현할 수 있다.The scanning probe microscope used Veeco's Dimension-3100, and a 100 nm tungsten thin film was stacked on a silicon probe for tapping mode. The length and width of the cantilever beam of the silicon probe were 225 μm and 28 μm, respectively, and the height of the tip of the probe which came into contact with the sample was about 12 μm and the radius of the tip was about 10 nm. As a sample, a MOS field effect transistor in which an oxide film and a metal layer of a gate region were removed using hydrofluoric acid was used, and the MOS field effect transistor was fixed by using silver paste on a metal fixing part. Next, the frequency of the AC power was set to 500 Hz while the current flowing in the circuit was fixed at 20 nA.In order to estimate the size of the contact, the probe was first placed at the top of the source in a non-contact state, and then the probe was in the MOS field. The bending degree of the cantilever of the probe and the amplitude of the thermoelectric voltage at the time of approaching the surface of the effect transistor and dropping again after contact were simultaneously measured and shown in FIG. 10. Referring to FIG. 10, the tip of the probe is in contact with the source surface at the point A, but only after the cantilever is bent about 5 nm, it can be seen that a change in the signal of the thermoelectric voltage occurs. This means that contact between the probe and the source requires additional contact force to penetrate about 1 nm of native oxide on the surface of the MOS field effect transistor. That is, after electrical contact, the amplitude of the thermoelectric voltage continues to increase until point B where the cantilever is bent about 30 nm, but then decreases from point B to point C where the cantilever is bent about 45 nm. have. It is assumed that the following silver phenomenon. That is, it is determined that the electrical resistance Rc of the contact portion occupies most of the entire circuit resistance from the point A to the point B, and in this case, the heat generation amount can be expressed according to Equation 11 below.

따라서, 인가전압의 대부분이 접점에 걸리게 되고 접촉면적이 늘어남에 따라 저항이 줄어들게 되며 B 지점에 이르기 까지 발열량이 증가하게 되는 것이다. Therefore, most of the applied voltage is applied to the contact point, the resistance decreases as the contact area increases, and the amount of heat generated until the point B is increased.

그 후, B 지점에서 C 지점에 이르기까지는 접촉력이 좀 더 증가하면서 전기적 접촉면적이 좀더 증가하게 되고 이때는 전체회로 저항의 대부분이 부가저항 Ra 에 걸리는 것으로 생각된다. 이 경우에 B 지점에서 C 지점까지는 접점을 통과하는 전류가 거의 일정한 값을 갖는다고 볼 수 있으며 이 경우의 발열량은 하기 수학식 12에 의해 표현될 수 있다.Thereafter, from the point B to the point C, the contact force increases further, and the electrical contact area increases further. In this case, it is considered that most of the total circuit resistance is applied to the additional resistance Ra. In this case, it can be seen that the current passing from the point B to the point C has an almost constant value, and the calorific value in this case can be expressed by Equation 12 below.

즉, 이 경우에는 오히려 발열량이 저항에 비례하게 되며 C 지점에 이르기 까지 발열량이 감소하게 되는 것으로 판단된다.That is, in this case, the amount of heat generated is rather proportional to the resistance, and it is determined that the amount of heat generated until the point C is decreased.

다음으로, C 지점에 다다른 후부터는 텅스텐이 소성변형을 일으킬 때까지는 접촉면적의 변화는 없으며 따라서 열전전압의 진폭은 일정하게 유지된다. 한편, 탐침이 소스 표면으로부터 멀어지는 경우에 나타나는 열전전압 진폭의 경향은 소스 표면으로 접근하면서 나타난 열전전압의 진폭의 변화경향과 거의 동일한 경향을 보이고 있는데 이는 탐침의 첨단이 소스 표면에 접하면서 탄성변형을 일으키고 있음을 보여준다. 본 발명에 사용된 실리콘 탐침의 외팔보의 힘상수(spring constant)가 2.8N/m 이고, C 지점 후로 신호 크기에 더 이상의 변화가 없으므로 외팔보의 45nm의 굽힘에 해당하는 접촉력 F를 계산해보면 126nN의 값을 얻을 수 있다. 이때 접촉지점의 크기는 하기 수학식 13으로부터 구할 수 있다.Next, after reaching the point C, the contact area does not change until tungsten causes plastic deformation, and thus the amplitude of the thermoelectric voltage is kept constant. On the other hand, the tendency of the thermoelectric voltage amplitude when the probe is moved away from the source surface is almost the same as the tendency of the change of the amplitude of the thermoelectric voltage when approaching the source surface. Shows that it is causing. The spring constant of the cantilever beam of the silicon probe used in the present invention is 2.8 N / m, and since there is no further change in signal magnitude after the point C, the contact force F corresponding to the 45 nm bending of the cantilever beam is calculated as 126 nN. Can be obtained. At this time, the size of the contact point can be obtained from the following equation (13).

(상기 식 중, a는 접촉지점의 지름이고, R은 탐침첨단의 곡률반경, h은 포아송비(Poisson's ratio), E는 탄성 모듈러스(elastic modulus)이며 하첨자 1, 2는 접하는 두 가지 물질을 나타냄)Where a is the diameter of the contact point, R is the radius of curvature of the probe tip, h is the Poisson's ratio, E is the elastic modulus, and subscripts 1 and 2 Indicates)

상기 수학식 13을 이용하여 계산한 탐침과 모스전계효과 트랜지스터의 접점의 반지름의 크기는 약 5nm 정도이다. The radius of the contact point between the probe and the MOS field effect transistor calculated using Equation 13 is about 5 nm.

예비 실시예 3Preliminary Example 3

주사탐침현미경은 Veeco사의 Dimension-3100을 사용하였으며, 탭핑모드용 실리콘 탐침에 100nm의 텅스텐 박막을 적층하였다. 상기 실리콘 탐침의 외팔보의 길이와 너비는 각각 225㎛와 28㎛였고, 샘플과 접촉하게 되는 탐침의 첨단부의 높이는 약 12㎛이고 첨단의 반경은 약 10nm였다. 샘플로는 불산을 사용하여 게이트 영역의 산화막과 금속층을 제거한 모스전계효과 트랜지스터를 사용하였으며, 금속 고정부에 실버페이스트를 사용하여 상기 모스전계효과 트랜지스터를 고정하였다. 다음으로 교류전원의 주파수를 500Hz로 설정한 상태에서 전류를 10에서 60nA까지 변 화시키며 열전계수를 측정하고 그 결과치와, 접점의 반지름이 1.2∼1.5nm인 경우에 해당하는 열전전압의 예상치(계산값)을 도 11에 도시하였다. 도 11을 참조하면, 접점의 반지름이 1.3nm인 경우의 예상치가 실제 측정값과 가장 유사함을 알 수 있다. 따라서 상기 예비 실시예 2에서 역학적으로 계산한 접점의 추정치와 열공학적으로 추정한 접점의 크기 사이에 약 3.5nm의 오차가 존재하는데, 그 원인은 나노스케일의 열 및 역학적 현상을 마크로스케일에 사용되는 지배방정식을 통하여 해석했기 때문으로 판단된다. 본 예비 실시예 3의 결과로 미루어 본 발명에 따른 측정시스템의 공간 분해능은 약 3∼4nm일 것으로 예상할 수 있으며, 이에 따라 나노스케일의 분석이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.The scanning probe microscope used Veeco's Dimension-3100, and a 100 nm tungsten thin film was stacked on a silicon probe for tapping mode. The length and width of the cantilever beam of the silicon probe were 225 μm and 28 μm, respectively, and the height of the tip of the probe which came into contact with the sample was about 12 μm and the radius of the tip was about 10 nm. As a sample, a MOS field effect transistor in which an oxide film and a metal layer in a gate region were removed using hydrofluoric acid was used, and the MOS field effect transistor was fixed by using silver paste on a metal fixing part. Next, change the current from 10 to 60nA with the AC power frequency set to 500 Hz, measure the thermoelectric coefficient, and the result and the estimated value of the thermoelectric voltage (calculated when the radius of the contact is 1.2 to 1.5 nm). Value) is shown in FIG. Referring to FIG. 11, it can be seen that the expected value when the radius of the contact point is 1.3 nm is most similar to the actual measured value. Therefore, there is an error of about 3.5 nm between the mechanically estimated contact point and thermally estimated contact size in Preliminary Example 2, which is caused by the use of macroscale thermal and mechanical phenomena. This is because it is interpreted through the governing equation. As a result of the preliminary example 3, the spatial resolution of the measurement system according to the present invention can be expected to be about 3 to 4 nm, thus confirming that the nanoscale analysis is possible.

실시예 1Example 1

주사탐침현미경은 Veeco사의 Dimension-3100을 사용하였으며, 탭핑모드용 실리콘 탐침에 100nm의 텅스텐 박막을 적층하였다. 상기 실리콘 탐침의 외팔보의 길이와 너비는 각각 225㎛와 28㎛였고, 샘플과 접촉하게 되는 탐침의 첨단부의 높이는 약 12㎛이고 첨단의 반경은 약 10nm였다. 샘플로는 불산을 사용하여 게이트 영역의 산화막과 금속층을 제거한 모스전계효과 트랜지스터를 사용하였으며, 금속 고정부에 실버페이스트를 사용하여 상기 모스전계효과 트랜지스터를 고정하였다. 다음으로 회로에 흐르는 전류를 20nA로 고정시킨 상태에서 교류전원의 주파수를 1∼10000 Hz로 증가시키면서 모스전계효과 트랜지스터의 소스, 드레인 및 게이트가 제거된 영역에서의 연전전압의 진폭의 크기와 위상을 측정하였으며, 그 결과를 도 12 및 13에 도시하였다. 도 12를 참조하면 소스와 드레인 부분의 열전전압이 게이트를 제거한 영역의 신호보다 10 배 정도 크게 측정되고 있음을 알 수 있는데, 이는 소스와 드레인 영역의 불순물 농도가 게이트를 제거한 영역의 불순물 농도보다 훨씬 높기 때문이다. 한편, 도 13을 참조하면 소스와 드레인 영역의 위상과 게이트가 제거된 부분의 위상의 부호는 서로 반대 값을 갖고 있다. 이는 모스전계효과 트랜지스터 제작시 소스와 드레인 영역에 도핑되는 불순물(dopant)의 종류가 게이트가 제거된 영역에 도핑되는 불순물의 종류가 서로 다르기 때문이다. 즉, n 형 불순물이 도핑된 부분과 p형 불순물이 도핑된 부분의 열전계수의 부호가 서로 다르기 때문이다.The scanning probe microscope used Veeco's Dimension-3100, and a 100 nm tungsten thin film was stacked on a silicon probe for tapping mode. The length and width of the cantilever beam of the silicon probe were 225 μm and 28 μm, respectively, and the height of the tip of the probe which came into contact with the sample was about 12 μm and the radius of the tip was about 10 nm. As a sample, a MOS field effect transistor in which an oxide film and a metal layer in a gate region were removed using hydrofluoric acid was used, and the MOS field effect transistor was fixed by using silver paste on a metal fixing part. Next, while the current flowing in the circuit is fixed at 20 nA, while increasing the frequency of the AC power supply to 1 to 10000 Hz, the magnitude and phase of the amplitude of the continuous voltage in the region where the source, drain, and gate of the MOS field effect transistor are removed are measured. Measurements were made and the results are shown in FIGS. 12 and 13. Referring to FIG. 12, it can be seen that the thermoelectric voltage of the source and drain portions is measured about 10 times larger than the signal of the gate removed region, which indicates that the impurity concentration of the source and drain regions is much higher than that of the gate removed region. Because it is high. Meanwhile, referring to FIG. 13, the signs of the phases of the source and drain regions and the phases of the gate removed portions have opposite values. This is because the types of dopants doped in the source and drain regions are different from each other when the gate is removed. That is, the signs of the thermoelectric coefficients of the portion doped with the n-type impurity and the portion doped with the p-type impurity are different from each other.

실시예 2Example 2

주사탐침현미경은 Veeco사의 Dimension-3100을 사용하였으며, 탭핑모드용 실리콘 탐침에 100nm의 텅스텐 박막을 적층하였다. 상기 실리콘 탐침의 외팔보의 길이와 너비는 각각 225㎛와 28㎛였고, 샘플과 접촉하게 되는 탐침의 첨단부의 높이는 약 12㎛이고 첨단의 반경은 약 10nm였다. 샘플로는 불산을 사용하여 게이트 영역의 산화막과 금속층을 제거한 모스전계효과 트랜지스터를 사용하였으며, 금속 고정부에 실버페이스트를 사용하여 상기 모스전계효과 트랜지스터를 고정하였다. 다음으로 회로에 흐르는 전류를 20nA로 고정시킨 상태에서 교류전원의 주파수를 500Hz로 설정하여 모스전계효과 트랜지스터의 지면형상(topography)과 열전전압의 분포를 동시에 측정하였으며, 그 결과를 도 14에 나타내었다. 도 14를 참조하면, 다른 지점에 비해 상대적으로 불순물의 농도가 높은 소스와 드레인 영역의 열전전압의 진폭이 훨씬 크게 나옴을 확인할 수 있다.The scanning probe microscope used Veeco's Dimension-3100, and a 100 nm tungsten thin film was stacked on a silicon probe for tapping mode. The length and width of the cantilever beam of the silicon probe were 225 μm and 28 μm, respectively, and the height of the tip of the probe which came into contact with the sample was about 12 μm and the radius of the tip was about 10 nm. As a sample, a MOS field effect transistor in which an oxide film and a metal layer in a gate region were removed using hydrofluoric acid was used, and the MOS field effect transistor was fixed by using silver paste on a metal fixing part. Next, the frequency of the AC power source was set to 500 Hz while the current flowing in the circuit was fixed at 20 nA, and the topography of the MOS field effect transistor and the distribution of the thermoelectric voltage were simultaneously measured, and the results are shown in FIG. 14. . Referring to FIG. 14, it can be seen that the amplitude of the thermoelectric voltages of the source and drain regions having a higher impurity concentration than the other points is much larger.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자내의 불순물 농도분포 측정시스템은 대기중에서 작동이 가능한 접촉식 측정방법으로서 접촉면적이 감소함에 따라 분해능 및 측정감도가 향상되는 나노스케일의 공간 분해능을 가지며 비파괴적인 측정시스템이라는 장점이 있고, 도핑되는 불순물이 n형인지 p형인지를 신속히 판별할 수 있을뿐만 아니라, 지면형상과 불순물의 농도를 동시에 측정할 수 있다.As described above, the impurity concentration distribution measurement system in the semiconductor device according to the present invention is a contact measurement method that can be operated in the air, and has a nanoscale spatial resolution and non-destructive resolution which improves resolution and measurement sensitivity as the contact area decreases. There is an advantage of the measurement system, and it is possible to quickly determine whether the doped impurities are n-type or p-type, as well as to measure the ground shape and the concentration of impurities at the same time.

Claims

Scanning probe microscope 100, as a component of the scanning probe microscope, the silicon probe 10 is laminated with a high hardness conductive thin film so as to enable electricity is connected to the cantilever beam 11 of the silicon probe 10 A lock-in amplifier 200 for supplying an AC current and separating a thermoelectric voltage signal generated at a contact point between the silicon probe 10 and the semiconductor device sample, and a semiconductor sample fixing part connected to a lower portion of the semiconductor device sample to conduct electricity. 300, a variable resistor 400 connected to the semiconductor sample fixing part 300 to remove a driving voltage when measuring a signal, and a variable resistor 400 connected to the variable resistor 400 to detect a current while a probe scans a semiconductor sample surface. An impurity concentration distribution measurement system in a semiconductor device having an additional resistance (500) for maintaining a constant size.

The differential differential of claim 1, wherein the differentially outputting the voltage signal applied to the lock-in amplifier 200 is commonly connected to the cantilever 11 and the semiconductor sample fixing part 300 of the silicon probe 10. Amplifier 600; And a differential amplifier 700 connected to both ends of the variable resistor to form a circuit and outputting a signal from which a driving voltage is removed to the lock-in amplifier 200. .

The impurity concentration distribution measuring system of claim 1, wherein the tip radius of the silicon probe is 10 nm or less.

The impurity concentration distribution measurement system in a semiconductor device according to claim 1, wherein the magnitude of the alternating current applied to the tip of the silicon probe is 15 to 60nA.

The impurity concentration distribution measurement system of claim 1, wherein the high hardness conductive thin film is tungsten or conductive diamond.

(a) contacting the surface of the semiconductor device with a silicon probe for tapping mode of a scanning probe microscope, in which a conductive thin film of high hardness is laminated so as to be energized, to form a nano-contact point;

(b) applying an alternating current to the contacts to locally self-heat;

(c) measuring a thermoelectric voltage resulting from the temperature rise due to self heating;

and (d) obtaining a local thermoelectric coefficient at the contact point through the thermoelectric voltage.

7. The method of claim 6, wherein the tip radius of the silicon probe is 10 nm or less.

7. The method of claim 6, wherein the frequency of the generated thermoelectric voltage is 2 ω when the drive voltage of the alternating current applied in step (b) has a frequency of 1 ω.

7. The method of measuring impurity concentration distribution in a semiconductor device according to claim 6, wherein the magnitude of the alternating current applied in the step (b) is 15 to 60nA.

7. The method of claim 6, wherein the relationship between the thermoelectric voltage measured in step (d) and the local thermoelectric coefficient is represented by the following formula (1).

(One)

12. The method of claim 10, wherein the relationship between the thermoelectric coefficient and the impurity concentration is represented by the following expression (2).

Where S _n and S _p are the thermoelectric coefficients of the n-type and p-type impurities, e is the charge of the electron, k _B is the Boltzmann constant, and Nc is the density of the state of the ground state of the conduction band. of state, where Nv is the density of state at the top of the valence band, n is the concentration of n-type impurities, p is the concentration of p-type impurities, and re is the mean free time (τ). of electron scattering parameters (scattering parameter) which is defined by a, rh is Scattering factor of hole defined by free travel time)

7. The method of claim 6, wherein the high hardness conductive thin film is tungsten or conductive diamond.