KR100748046B1 - 전기특성 평가장치 - Google Patents

Abstract

복수의 금속 프로브를 극미소영역과 저 접촉저항으로 접촉시켜 전기 특성을 평가하는 장치가 개시되어 있다.

금속 프로브 (8) 는, 그 위에 저항부 (5), 2개의 저항 검출용 전극 (1, 2) 및 전기특성 측정용 전극 (7) 이 형성되는 캔틸레버 (6) 의 자유단상에 형성된다. 금속 프로브 (8) 의 팁은 캔틸레버 (6) 의 자유단보다 더 돌출한다. 이는 복수의 프로브를 약 10nm 크기의 영역과 접촉하게 한다. 프로브의 위치가 원자력 현미경에 의해 제어되므로 저 접촉저항을 실현할 수 있다.

전기특성 평가장치, 캔틸레버

Description

전기특성 평가장치{APPARATUS FOR EVALUATING ELECTRICAL CHARACTERISTICS}

본 발명은 극미소영역내에서의 전자특성을 측정하는 전기특성 평가장치에 관한 것이다.

극미소영역내의 전자특성을 측정하기 위한 종래의 방법으로는, 전기 배선을 이용하여 극미소영역을 매크로 전극 또는 측정 프로브에 전기 접속하는 것이 있다.

예를 들면, 이러한 예는 Surface Science, 386 (1997), pp. 161-165에 개시된 방법이 있다. 이 개시된 방법에는, 전기 특성이 측정되어질 극미소영역을 향해 배선이 연장되게끔, 마스크를 이용한 증착을 통하여, 마이크론 단위의 폭을 가진 금속 배선을 형성한다.

또한, Nature, 393 (1998), pp. 49-52 에는, 배선접속을 이용하여 탄소 나노튜브의 특성을 측정하는 방법이 보고되어 있다. 이 방법에서는, 탄소 나노튜브를, 미리 배선이 형성되어 있는 기판상에 증착함으로써 배선과 접속시킨 후, 탄소 나노튜브의 전기 특성을 측정한다.

한편, 예리한 팁을 가진 금속 프로브를 극미소영역에 직접 접촉시켜, 극미소영역내의 전기 특성을 측정하는 방법이 보고되어 왔다. 예를 들면, Oyo Buturi, vol. 67, No. 12 (1998), pp. 1361-1369에는, 주사형 터널링 현미경법을 이용하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 일본 특개평 10-56045 호에는, 서브 마이크론 영역내에 형성된 전자 소자의 특성을 측정하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이들 방법은, 샘플과 프로브사이에 터널링 전류가 흐를 수 있는 정도로 프로브를 샘플에 접근시킴으로써, 극미소영역내에서 프로브와 샘플 사이에 전기 접속을 확립하는 것이다. 또한, 프로브와 샘플 사이의 접촉저항을 감소시키기 위해, 터널링 전류의 검출 후, 터널링 전류를 서보 신호로서 이용하는 상태에서 수행되는 프로브 위치의 피드백 제어를 정지시킴으로써, 전기특성 측정의 수행전에 프로브와 샘플 사이의 거리를 강제로 감소시킨다.

그러나, 배선 형성을 포함하는 상술한 종래의 방법은, 가장 최신의 반도체 공정 기술을 이용하는 경우에도 배선의 폭과 피치를 0.1 ㎛보다 작게 할 수 없기 때문에, 나노미터 크기의 구조물에는 적용할 수 없다.

또한, 배선과 측정되어질 구조물 사이의 전기접속이 단순 부착을 이용하여 확립되기 때문에, 배선과 샘플 사이의 접촉저항이 증가한다. 예를 들면, 상술한 탄소 나노튜브 측정에서는, 약 1 ㏁인 접촉저항이 측정된다. 양자화 컨덕턴스가 나타나는 구조부의 저항은 수 ㏀ 정도로 높다. 따라서, 종래의 방법을 이용하여 이러한 구조부의 저항을 측정하는 경우, 접촉저항이 측정 저항보다 높게 되는 문제가 발생하게 된다.

또한, 배선을 미리 형성했을 경우, 상이한 구조와 크기를 갖는 샘플들을 처리할 수 없다. 샘플을 위치결정한 후 배선을 형성하는 경우에도, 샘플과 매칭하는 배선을 형성할 수는 있지만, 이 방법은 배선형성동안에 샘플이 손상되어, 정확한 측정을 저해할 가능성이 매우 높게 된다.

예리한 프로브의 이용을 포함하는 상술한 방법에는, 터널링 전류가 샘플과 프로브 사이에 흐를 수 있는 정도로 프로브를 샘플에 접근시킨 상태에서 전기 특성을 측정했다. 이 경우에, 접촉저항이 약 1 ㏁ 내지 1 GΩ이다. 따라서, 반도체 샘플의 측정시, 매우 높은 접촉저항이 측정의 신뢰도와 정확도를 떨어뜨린다. 이러한 관점에서, 종래의 방법에서는, 프로브를 소정의 거리만큼 샘플에 더욱 접근시켜야만, 접촉저항을 줄일 수 있다.

그러나, 이러한 경우, 프로브 위치의 피드백 제어를 수행하지 않기 때문에, 샘플의 온도 드리프트 및 다른 요인으로 인하여, 프로브와 샘플 사이의 위치 관계, 특히 거리가 측정이 진행되는 동안 변화할 수 있다. 터널링 전류가 프로브와 샘플 사이(터널링 영역) 에 흐르는 영역에는, 1 Å만큼 프로브와 샘플 사이의 거리가 변화하는 경우, 1 오더 (order) 정도만큼 접촉저항이 변화한다. 따라서, 전기 특성의 측정이 진행되는 동안에 프로브 위치의 피드백 제어를 수행하지 않는 경우, 프로브와 샘플 사이의 위치 관계가 보장되지 못하기 때문에, 측정결과내에 포함된 접촉저항의 절대값이 결정될 수 없어, 일정함을 보장할 수 없다.

상술한 문제점들을 감안하면, 본 발명의 목적은 복수의 금속 프로브를 극미소영역과 저 접촉저항으로 접촉시킬 수 있는 전기특성 평가장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서는, 원자력 현미경 (atomic force microscopy) 을 이용하여 프로브의 위치를 제어하여, 프로브와 샘플 사이의 접촉을 확립한다. 따라서, 프로브의 위치를 전기 특성의 측정 동안에 제어할 수 있다. 프로브와 샘플 사이의 접촉저항을 감소시키기 위해서는, 프로브의 위치가, 프로브와 샘플 사이의 원자력이 척력으로 되는 영역내에 있도록 제어한다.

또한, 본 발명에서는, 복수의 프로브가 극미소영역에 접근하게 하기 위해, 캔틸레버를 제조 이용한다. 각각의 캔틸레버는, 캔틸레버의 자유단 (free end) 에 제공되며 그 팁이 자유단으로부터 돌출된 금속 프로브를 가진다. 이는, 이들 팁이 서로 접촉하지 않을 정도만큼 복수의 금속 프로브를 서로 접근시킨다. 즉, 주사형 터널링 현미경법을 이용하는 종래의 방법에서 달성되는 것과 동등한 정도로, 프로브들을 극미소영역에 접근시킬 수 있다. 본 발명에서는, 각각의 캔틸레버의 자유단에 금속 프로브를 형성하기 위해, 집속 이온빔 (focused ion beam) 을 이용하여 재료를 절단/증착하기 위한 기술을 이용한다.

이 기술을 이용함으로써, 약 수십 nm 인 곡률 반경, 및 약 수십 ㎛ 인 길이를 가진 팁을 갖는 금속 프로브를 캔틸레버의 자유단에 이식할 수 있다. 본 발명에서는, 각각의 프로브의 위치를 독립적으로 제어하기 위하여, 각각의 캔틸레버상에 형성된 저항 소자의 저항값 변동을, 캔틸레버의 변위 검출을 위한 수단으로서 이용한다.

다른 방법에서는, 각각의 캔틸레버상에 형성된 압전 소자의 압전 효과를 검출한다. 검출을 위해, 본 발명에 이용되는 각각의 캔틸레버는, 저항 소자 및 압전 소자에 추가하여, 캔틸레버의 변위 검출을 위한 2개의 전극, 및 샘플의 전기 특성 측정을 위한 1개의 전극을 갖는다.

도 1은 종래의 캔틸레버를 이용하는 경우를 나타낸 일련의 개략도이다.

도 2는 이 캔틸레버를 이용한 종래의 측정 방법을 나타낸 일련의 다이어그램이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 캔틸레버를 나타낸 일련의 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 복수의 프로브를 서로 접근시키는 경우를 나타낸 개략도이다.

도 5는 캔틸레버 기판을 제조하는 제 1 단계 그룹을 나타낸, 본 발명의 제 1 실시형태에 대한 일련의 도면이다.

도 6은 캔틸레버 기판을 제조하는 제 2 단계 그룹을 나타낸, 본 발명의 제 1 실시형태에 대한 일련의 도면이다.

도 7은 캔틸레버 기판을 제조하는 제 3 단계 그룹을 나타낸, 본 발명의 제 1 실시형태에 대한 일련의 도면이다.

도 8은 금속 프로브의 팁부분을 캔틸레버 기판에 이식하기 위한 과정의 예를 나타낸, 본 발명의 제 1 실시형태에 대한 일련의 도면이다.

도 9는 캔틸레버가 내부에 장착되는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전기 특성 측정 장치의 시스템 개략도이다.

도 10은 전기특성 측정장치의 주요부인 프로브 이동 기구의 확대개략도이다.

도 11은 프로브-샘플 거리와 프로브 샘플 접촉저항 사이의 관계를 개략적으로 나타낸, 본 발명의 제 3 실시형태에 대한 그래프이다.

도 12는 프로브와 샘플 사이에 작용하는 힘과 프로브-샘플 거리 사이의 관계를 개략적으로 나타낸, 본 발명의 제 3 실시형태에 대한 그래프이다.

도 13은 본 발명에 의해 수행되는 나노-트랜지스터의 동작 특성 측정을 개략적으로 나타낸 도면 및 그래프이다.

도 14는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 캔틸레버를 나타낸 개략도이다.

도 15는 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 캔틸레버의 제조공정을 나타낸 일련의 도면이다.

도 16은 본 발명에 따른 캔틸레버의 이용 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명에서는, 캔틸레버의 자유단에 배치되는 금속 프로브를 각각 가진 복수의 캔틸레버가 장착된 장치를 이용하여, 극미소영역내의 전기 특성을 측정한다. 캔틸레버의 각각의 자유단보다 더 돌출하는 팁을 가진 금속 프로브가 제공된 캔틸레버를 이용함으로써, 주사형 터널링 현미경법에서 얻어지는 것과 동일한 (10nm 정도의) 최소 프로브간 거리를 실현할 수 있다.

또한, 프로브 위치의 제어를 원자력 현미경법을 이용하여 수행하기 때문에, 전기 특성 측정 동안에 프로브 위치를 제어할 수 있어서, 전기 특성 측정 동안에 발생하는 온도 드리프트로 인한 프로브와 샘플 사이의 위치 시프트를 제거할 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 프로브와 샘플 사이의 접촉저항을 감소시키기 위하여, 프로브와 샘플 사이의 원자력이 척력으로 되는 영역내에 프로브가 있도록 그 위치를 제어한다. 이는, 복수의 프로브가 저 접촉저항을 갖고 극미소영역과 접촉하게 함으로써, 극미소영역내에서의 전기 특성을 정확하게 측정하게 한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 캔틸레버를 나타낸 일련의 개략도이다. 도 3(a)는 캔틸레버의 하부도 (샘플측으로부터 보았을 때의 도면) 를 나타낸다. 캔틸레버를 제조하기 위한 공정은 도 5 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명할 것이다.

저항 소자의 저항을 측정하기 위한 전극 (1 및 2) 은 캔틸레버의 하부표면상에 형성되어, 컨택트 홀 전극 (3 및 4) 을 통하여 저항부 (5; 도 3(a) 에는 저항체의 기호로서 도시) 에 접속되어 있다. 이러한 구성은 캔틸레버 (6) 의 휘어짐 (deflection) 을 억제하면서 저항부 (5) 의 저항 변화를 검출하게 한다. 캔틸레버 (6) 의 자유단으로 연장하는 전극 (7) 은 캔틸레버 (6) 상에 형성되며, 금속 프로브 (8) 는 전극 (7) 의 팁에 배치된다. 금속 프로브 (8) 의 팁은 캔틸레버 (6) 의 자유단보다 더 돌출한다. 따라서, 복수의 프로브가 서로에 대하여 접근하는 경우에도, 금속 프로브가 서로 접촉하기 이전에는, 캔틸레버 (6) 의 자유단이 서로 간섭하지 않는다.

즉, 금속 프로브 팁의 곡률 반경에 의해 결정되는 정도까지 금속 프로브가 서로 접근할 수 있어, 예리한 팁을 가진 금속 프로브가 이용되는 주사형 터널링 현미경법에서 얻어지는 것과 동일한 최소 프로브간 거리를 실현할 수 있다. 도 3에는 도시하지 않았지만, 전극 (1, 2 및 7) 은 매크로 측정 시스템에 접속되어 있다.

도 4는 4개의 프로브 (14, 15, 16, 17) 가 상호 접근했을 경우를 나타낸 개략도이다. 도 4에는, 금속 프로브의 팁 (14′, 15′, 16′, 17′) 이 원안에 확대도로 도시되어 있다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 최소 프로브간 거리는 캔틸레버 (18, 19, 20, 21) 에 의해 결정되는 것이 아니라, 금속 프로브의 팁 (14′, 15′, 16′, 17′) 의 곡률 반경에 의해 결정된다.

따라서, 본 발명에서는, 10nm인 곡률 반경의 팁을 가진 금속 프로브를 탑재한 캔틸레버를 이용함으로써, 10 nm 정도인 최소 프로브간 거리를 실현할 수 있다.

도 16은 곡률 반경이 10nm인 팁을 가진 2개의 프로브 (61, 62) 가 최소 프로브간 거리로 샘플 표면 (63) 과 접촉하고 있는 상태를 나타낸다.

참고를 위하여, 원들이 프로브 (61 및 62) 의 팁 부분과 일치하도록 10nm인 반경을 가진 원들이 도시된다. 프로브 (61 및 62) 는 점 (A 및 B) 을 통하여 샘플 표면 (63) 과 접촉한다.

본 발명의 목적이 샘플의 전기 특성 측정이기 때문에, 샘플표면 (63) 과 접촉하는 부분들간의 거리 (도 16에는 A와 B 사이의 거리) 를 프로브 거리라 한다. 측정 동안에, 프로브 (61 및 62) 를 서로 접근시킬 수 있으므로, 터널링 전류가 흐를 수 있는 정도까지 프로브 거리를 감소시킬 수 있다.

즉, 프로브간 거리가 약 1nm로 되도록 프로브 서로를 접근시킬 수 있다. 이때, A와 B 사이의 거리, 즉, 최소 프로브간 거리는 21nm가 된다. 상술한 구성은 프로브 팁 각각의 형상이 완전 구형인 것으로 가정한 것이다. 그러나, 도 16의 파선으로 나타나는 형상 (곡률 반경 : 10nm) 을 갖는 프로브를 이용하는 경우, 최소 프로브간 거리를 더욱 감소시킬 수 있다.

이와 반대로, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 종래의 캔틸레버에서는, 프로브 (22) 가 선택에칭을 통하여 각각의 캔틸레버 (23) 의 자유단 근방에 형성된다. 따라서, 피라미드형 프로브 (22) 의 팁간 최근접 거리는 피라미드의 크기에 의존한다. 통상적인 캔틸레버의 경우, 각각의 피라미드형 프로브의 저변 길이는 약 50 ㎛이므로, 2개의 프로브간 최근접 거리는 적어도 100 ㎛가 된다. 따라서, 나노스케일 영역내의 전기 특성 평가는 종래의 캔틸레버를 이용해서는 수행될 수 없다.

또한, 종래의 캔틸레버는, 피라미드형 프로브가, 금속이 아닌 절연 재료 또는 실리콘과 같은 반도체 재료로 형성되기 때문에, 에칭에 대하여 이방성을 나타낸다. 즉, 프로브와 샘플 사이의 접촉저항에 추가하여, 프로브 자체의 저항은 측정결과에 영향을 준다. 따라서, 종래의 캔틸레버는 샘플의 전기 전도도 측정에 적합하지 못하다.

상술한 문제를 피하기 위하여, 종래의 캔틸레버를 이용하여 전기 특성을 측정하는 경우 (특히, 단일 프로브 측정을 수행하는 경우), 캔틸레버의 전체 하부표면상에 금속을 증착함으로써, 피라미드 프로브를 금속화한다.

그러나, 금속 증착은 캔틸레버의 휘어짐 검출용 전극을 가져야만 하는 캔틸레버, 즉, 캔틸레버상에 형성되는 저항 소자의 저항 변화 또는 압전 소자의 전위 변화가 검출되는 자체변위 검출형 캔틸레버에 전극간 또는 전극과 프로브 사이에 쇼트 회로를 형성시킨다.

금속을 증착함으로써 피라미드형 프로브를 금속화하는 경우, 쇼트 회로의 형성을 방지하기 위한 대책수단으로서, 도 1(b) 에 도시된 바와 같이, (광학 레버 구조라 하는) 변위 검출 방식의 캔틸레버를 이용하였다. 이 방식에서는, 반도체 레이저 (24) 를 이용하여 캔틸레버 (25) 의 상부표면상에 레이저 빔 (26) 을 조사하고, 검출기 (28) 를 이용하여 반사광 (27) 을 수광한다.

캔틸레버 (25) 가 휘어지는 경우, 레이저 빔 (26) 의 반사각 (θ) 이 변화하므로, 검출기 (28) 에 의해 수광되는 반사광 (27) 의 밀도가 변화한다. 이 반사광 (27) 의 밀도 변화 검출을 통하여, 캔틸레버 (25) 의 휘어짐을 검출한다. 도 1(b) 에 도시된 바와 같이, 이 방식은 캔틸레버 (25) 의 하부표면상에 금속증착막 (29) 형성을 가능하게 한다.

그러나, 이 방식에서는, 반도체 레이저 및 검출기를 각각의 캔틸레버에 설치해야만 하며, 각각의 캔틸레버, 이에 대응하는 반도체 레이저, 및 이에 대응하는 검출기 사이의 위치관계를 항상 일정하게 유지시켜야 한다. 따라서, 종래에는, 캔틸레버, 반도체 레이저, 및 검출기 사이의 위치관계를 고정시키고, 샘플의 위치를 변화시켜, 프로브와 샘플 사이의 상대 위치를 변화시킨다 (단일 프로브 측정).

그러나, 샘플의 이동만으로는, 샘플에 대한 복수의 캔틸레버의 위치를 자유롭게 설정할 수 없다. 즉, 종래의 방식은 복수의 프로브를 요구하는 전기 특성 평가에 적용할 수 없다.

상술한 이유로, 본 발명에서는, 도 3에 도시된 바와 같은 캔틸레버를 이용하여, 복수의 프로브를 이용하여 극미소 영역내의 전기 특성 측정을 실시한다.

도 3(b) 는 도 3(a) 의 선 A-A를 따라 절단한 단면도이다. 저항 측정 전극 (1) 은 컨택트 홀 전극 (3) 을 통하여 저항부 (5) 에 접속된다. 저항부 (5) 는 보론 (boron) 을 불순물로서 n형 실리콘 기판 (11) 에 주입하여 그 기판내에 p형 영역을 형성하는 공정을 통하여 제조될 수 있다. 다른 방법으로, 저항부 (5) 는 인 (phosphorous) 등을 p형 기판에 주입하여 그 기판안에 n형 영역을 형성하는 공정을 통하여 제조될 수도 있다.

저항부 (5) 를 형성하기 위한 방법은 Proceeding of Transducers '91 (IEEE, New York, 1991), pp. 448-451 에 상세히 설명되어 있다. 캔틸레버 (6) 의 휘어짐 양은 캔틸레버 (6) 의 휘어짐; 즉, 저항부 (5) 의 휘어짐에 의해 생기는 저항 변화의 검출을 통하여 결정된다. 저항부 (5) 는 절연막 (9) 에 의해, 프로브에 접속되는 전극으로부터 전기절연되어 있다. 캔틸레버 (6) 는 산화막 (12) 을 통하여 지지기판 (10) 에 의해 지지되어 있다.

도 3(c) 는 도 3(a) 의 선 B-B을 따라 절단한 단면도이다. 금속 프로브 (8) 는 도전성 멤브레인 (13) 에 의해 전기 측정 전극 (7) 의 팁에 접착되어 있다. 금속 프로브 (8) 와 전극 (7) 은 절연막 (9) 에 의해 저항부 (5) 및 다른 부분으로부터 절연되어 있다.

도 3(d) 는 도 3(b) 및 도 3(c) 의 선 C-C을 따라 절단한 단면도이다. 저항부 (5) 의 양단부는 콘택트 홀 전극 (3 및 4) 에 각각 접속되어 있다. 도 3(c) 로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 캔틸레버 (6) 는 캔틸레버 (6) 의 팁에 제공되는 금속 프로브 (8) 를 가지며, 금속 프로브 (8) 의 팁은 캔틸레버의 자유단보다 더 돌출한다. 금속 프로브 (8) 는 캔틸레버의 자유단의 표면에 대하여 경사져 있어, 금속 프로브 (8) 가 도 16에 도시된 바와 같은 샘플의 표면에 대해서도 경사져 있게 된다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 캔틸레버 기판 (캔틸레버에 프로브를 부착하기 이전의 캔틸레버) 의 제조 단계를 나타낸 도면이다. 이들 도면에는 캔틸레버 기판의 단면도가 좌측에, 그리고, 캔틸레버 기판의 평면도가 우측에 도시되어 있다.

(상부면으로부터 Si층, 산화막 (1㎛) 및 기판 순서로 정렬된) (100)-면 SOI (Silicon On Insulator) 웨이퍼 (30) 가 기판으로서 이용된다 (도 5(a) 를 참조). 먼저, SOI 웨이퍼 (30) 내로의 이온 주입을 위하여, SOI 웨이퍼 (30) 상에 마스크 (31) 를 형성한다 (도 5(b) 를 참조). 다음, 이온 주입을 수행함으로써, 이온 확산 영역 (32) 을 형성한다 (도 5(c) 를 참조). 다음, 마스크 (31) 를 제거한 후 (도 5(d) 를 참조), 절연막 (33) 을 형성한다 (도 5(e) 를 참조). 다음, 컨택트 홀 (35) (전극) 을 형성하기 위하여, 마스크 (34) 를 형성한다 (도 5(f) 를 참조).

다음, 에칭을 통하여, 절연막 (33) 에 홀 (36) 을 형성한다 (도 6(a) 를 참조). 다음, 컨택트 홀 전극 (37) 을 형성한 후 (도 6(b) 를 참조), 마스크 (34) 를 제거한다 (도 6(c) 를 참조). 다음, 전극 형성용 마스크 (38) 를 형성한 후 (도 6(d) 를 참조), 전극 (39) 을 형성한다 (도 6(e) 를 참조). 그 후, 마스크 (38) 를 제거한다 (도 6(f) 를 참조).

다음, 캔틸레버로서 기능하는 부분 이외의 Si 층을 에칭하기 위한 마스크 (40) 를 형성한 후 (도 7(a) 를 참조), 절연막 (33) 및 SOI 웨이퍼 (30) 의 Si 층을 에칭한다 (도 7(b) 를 참조). 다음, 마스크 (40) 를 제거함으로써, SOI 웨이퍼 (30) 의 산화막층상에 캔틸레버를 형성한다 (도 7(c) 를 참조). 다음, 캔틸레버의 상부표면 (도 7의 하부표면) 상에 마스크 (41) 를 형성한 후 (도 7(d) 를 참조), SOI 웨이퍼 (30) 의 기판을 에칭한다 (도 7(e) 를 참조). 마지막으로, SOI 웨이퍼 (30) 의 산화막 및 마스크 (41) 를 제거하여, 캔틸레버 기판을 완성한다 (도 7(f) 를 참조).

본 발명에서는, 이렇게 완성된 캔틸레버 기판에 금속 프로브를 이식한다. 더 자세하게는, 전해 연마를 거친 금속 프로브의 팁부분을 집속 이온빔을 이용하여 절단 제거하고, 캔틸레버 기판의 자유단에 이식한다.

도 8은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 것이며, 금속 프로브의 팁부분을 캔틸레버 기판에 이식하기 위한 예시적인 과정을 나타낸다.

(1) 먼저, 도 8(a) 에 도시된 바와 같이, 전해 연마에 의해 예리해진 팁 단부를 가진 금속 프로브 (51) 를, 집속 이온빔 장치의 샘플 스테이지 (60) 상에 배치되는 프로브 홀더 (50) 에 부착하며, 상술한 제조 방법에 의해 형성되었던 캔틸레버 기판 (53) 을 캔틸레버 홀더 (52) 에 부착한다. 집속 이온빔 장치의 샘플 스테이지 (60) 만을 도 8(a)에 나타내었지만, 금속 프로브 (51) 와 캔틸레버 기판 (53) 을, 상술한 조건으로, 집속 이온빔 장치의 샘플 챔버에 위치시킨다.

(2) 도 8(b) 에 도시된 바와 같이, 예리한 팁을 갖는 프로브 전달용 프로브 (54) 를 집속 이온빔 장치내에 제공한다. 프로브 (54) 는 금속 프로브 (51) 의 팁 부분과 접촉하게 된다.

(3) 다음, 도 8(c) 에 도시된 바와 같이, 프로브 (54) 가 금속 프로브 (51) 와 접촉하게 되는 영역에 집속 이온빔 (55) 을 조사함과 동시에, 헥사카르보닐 텅스텐 [W(CO)₆] 과 같은 반응 가스 (56) 를 샘플챔버내에 도입한다. 그 결과, 접착 부재 (57; 예를 들면, 텅스텐) 가 접촉 영역내에 성장하여, 프로브 (54) 와 금속 프로브 (51) 를 서로 접착시킨다.

(4) 다음, 도 8(d) 에 도시된 바와 같이, 집속 이온빔 (55) 을 이용하여 금속 프로브 (51) 를 절단한다. 이때, 프로브 (54) 가 프로브 (51) 에 접착되어 있는 위치로부터 프로브 (51) 의 근원을 향하여 오프셋되는 위치에서 절단을 수행한다.

(5) 다음, 도 8(e) 에 도시된 바와 같이, 상술한 방법으로 절단 제거되는 금속 프로브 팁 부분 (58) 을 이동시켜, 캔틸레버 기판 (53) 상에 전달한다.

(6) 다음, 도 8(f) 에 도시된 바와 같이, 반응 가스 (59) 를 도입시키면서, 금속 프로브 팁 부분 (58) 의 근원상에 집속 이온빔 (55) 을 조사하여, 금속 프로브 팁 부분 (58) 을 캔틸레버 기판 (53) 상에 접착시킨다. 이때, 반응 가스 (59) 의 종은 도전 재료를 형성할 수 있는 것으로 선택한다. 예를 들면, 상술한 바와 같이, 헥사카르보닐 텅스텐을 이용한 경우, 텅스텐이 성장한다. 이는, 금속 프로브 팁 부분 (58) 과, 캔틸레버 기판 (53) 상의 전극 사이의 기계적 접속 및 전기 접속을 동시 성립시킨다.

(8) 다음, 도 8(g) 에 도시된 바와 같이, 집속 이온빔 (55) 을 이용하여 금속 프로브 팁 부분 (58) 으로부터 프로브 (54) 를 분리시킨다.

(9) 마지막으로, 도 8(h) 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 캔틸레버를 완성한다.

상술한 바와 같이, 도 3에 도시된 제 1 실시형태에 따른 캔틸레버를 도 5 내지 도 8에 도시된 방법에 의해 제조할 수 있다.

다음, 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다.

여기서는, 제 1 실시형태에서 설명된 캔틸레버를 탑재한 전기 특성 측정 장치의 전체 구성을 설명한다.

도 9는 캔틸레버가 탑재된 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전기 특성 측정 장치의 시스템 개략도이다.

본 발명에 따른 캔틸레버를 탑재한 프로브 이동 기구 (100) 는 초고진공 시스템 (101) 내에 배치된다. 이 초고진공 시스템 (101) 은 진동 제진대 (102; vibration isolator), 진공 펌프 (103), 캔틸레버 교환 기구 (104 및 105), 샘플 교환 기구 (106), 및 캔틸레버 샘플 도입 챔버 (107) 를 구비한다.

프로브 이동 기구 (100) 는 진공 시스템의 외측에 배치되는 제어 시스템 (108) 에 의해 전기 제어된다. 또한, 캔틸레버 위치 확인용 주사형 전자 현미경 (SEM; 109) 이 시스템상에 장착되어, SEM 제어 시스템 (110) 에 의해 제어된다.

본 발명의 주요부 (프로브 이동 기구 (100)) 를 대기압상태에서도 동작시킬 수 있지만, 본 실시형태에서는, 초고진공 시스템을 채용하여, 샘플의 오염을 방지하고 SEM을 이용할 수 있게 한다. 따라서, 광학 현미경을 캔틸레버의 현미경 관찰을 위한 수단으로 이용하는 경우, 시스템을 대기압상태에 배치시킬 수도 있다.

도 10은 본 발명에 따른 전기 특성 측정 장치의 주요부인 프로브 이동 기구의 확대 개략도이다.

본 실시형태에는, 간략하게, 2개의 캔틸레버를 갖는 시스템을 설명한다. 각각의 캔틸레버 (프로브; 111 및 112) 가 각각의 캔틸레버 홀더 (126 및 127) 를 통하여 각각의 이동기구 상에 배치된다. 이 이동기구는 3축을 따라 이동할 수 있는 조동기구 (113 및 114) 및 미동 기구 (115 및 116) 각각을 구비한다. 이러한 구성은 캔틸레버 (111 및 112) 의 팁에서의 금속 프로브의 위치를 0.1 nm의 정확도 또는 그보다 더욱 우수한 정확도로 제어시킨다.

실험의 효율성을 개선하기 위해서는, 조동 기구 (113 및 114) 가 약 1 ㎛인 정확도와 약 수 mm인 스트로크를 갖고, 미동 기구 (115 및 116) 가 약 0.01 ㎛인 정확도와 약 수 ㎛인 스트로크를 갖는 것이 바람직하다. 이들 프로브 이동 기구에 추가하여, 샘플 (117) 과 샘플 홀더 (118) 가, 고무 부재 (119) 에 의해 진동으로부터 차단되는 스테이지 (120) 상에 배치된다. 이들 구성은 스테이지 (120) 의 진동 레벨을 원자 레벨 이하로 억제시킨다.

상술한 시스템은 X-Y 스테이지 (121) 상에 배치되어, 프로브와 샘플이 SEM의 대물 렌즈 (122) 에 대하여 함께 이동할 수 있다. X-Y 스테이지 (121) 의 이동 거리는 측정되어질 샘플의 크기에 주로 의존한다. 그러나, X-Y 스테이지 (121) 는 약 10mm의 스트로크를 갖는 것이 바람직하다. 측정동안에는, 오퍼레이터가 SEM 관찰을 수행하면서, 프로브 (캔틸레버; 111 및 112) 를 샘플 (117) 의 표면상의 원하는 위치에 이동시킨다.

이러한 이동은 조동 기구 (113 및 114) 에 구동 신호 (CX, CY 및 CZ) 를 공급하고 미동 기구 (115 및 116) 에 구동 신호 (FX, FY 및 FZ) 를 공급하는 프로브 위치 제어 시스템 (123 및 124) 에 의해 실시된다. 저항부의 저항 (R) 을 나타낸 신호는 캔틸레버 (111 및 112) 로부터 프로브 위치 제어 시스템 (123 및 124) 으로 공급되어, 프로브와 샘플 사이의 접촉 상태를 모니터링할 수 있게 한다.

더 자세하게는, 먼저, 오퍼레이터는 SEM 화상으로부터 위치를 확인하면서, 샘플 (117) 과 평행한 방향 (X 및 Y 방향) 을 따라 프로브 (111 및 112) 를 이동시킨다. 다음, 오퍼레이터는 (Z 방향을 따라) 샘플 (117) 을 향하여, 프로브와 샘플 사이에 원자력이 작용하는 지점으로 프로브 (111 및 112) 를 이동시킨다. SEM 해상도가 최고 10 nm 이기 때문에, 원자 레벨 정확도로 X-Y 평면상의 원하는 위치에 프로브를 설정하기 위하여, 다음 과정을 수행한다. 원자력 현미경법을 사용하여, 각각의 프로브로 샘플표면상을 스캔하며, 얻어진 화상으로부터 프로브의 위치를 결정한 후, 미동 기구 (115 및 116) 를 이용하여 프로브 (111 및 112) 를 위치결정시킨다. 프로브 위치를 결정한 후, 전기 특성 측정 시스템 (125) 은 프로브 (111), 프로브 (112) 및 샘플 (117) 에 각각 바이어스 전압 (V₁, V₂, V_s) 을 인가하여, 전류 (I₁, I₂, I_s) 를 측정한다.

이로서, 극미소 영역내에서의 전기 특성을 측정할 수 있다. 도 10 에서 점선으로 둘러싸인 부분은 장치의 개략도인 도 9에 도시된 고진공 시스템 (101) 에 위치되며, 프로브 위치 제어 시스템 (123 및 124) 및 전기 특성 측정 시스템 (125) 은 제어 시스템 (108) 내에 배치된다.

다음, 본 발명의 제 3 실시형태를 설명한다.

여기서는, 본 발명에 따른 캔틸레버를 이용하는 측정 방법을 설명한다.

먼저, 주사형 터널링 현미경법을 이용하는 종래의 방법에서는, 도 2(a) 에 도시된 바와 같이, 프리세트 터널링 전류 (It₁) 가 프로브 (201) 와 샘플 (203) 사이에 흐르고 프리세트 터널링 전류 (It₂) 가 프로브 (202) 와 샘플 (203) 사이에 흐르도록, 터널링 전류 제어 시스템 (204 및 205) 및 프로브 이동 기구 (206 및 207) 가 프로브 (201 및 202) 의 위치를 제어한다. 이러한 동작 동안에, 스위치 (208 및 209) 가 폐쇄되고, 스위치 (210) 가 개방된다.

다음, 샘플의 전기 특성을 측정하려는 경우, 스위치 (208 및 209) 가 개방되고, 스위치 (210) 가 폐쇄된다. 즉, 도 2(b) 에 도시된 폐쇄 루프가 형성된다. 도 2(b) 에서, R₁ 및 R₂는 터널링 전류 (It₁ 및 It₂) 와 터널링 전압 (V₁ 및 V₂) 으로부터 결정되는, 프로브와 샘플 사이의 접촉저항을 나타낸다.

예를 들면, 1 V인 바이어스 전압 인가시 1 nA인 터널링 전류가 흐르는 상태로 프로브의 위치를 유지시키는 경우, 접촉저항은 1 GΩ이 된다. 전압을 (10 mV로) 감소시키고 전류를 (10nA로) 증가시키는 경우에도, 접촉저항은 약 1 MΩ이 된다. 따라서, 프로브 위치를 터널링 현미경법에 의해 제어하는 한, 접촉저항을 이보다 더욱 작게 실현하는 것이 어려웠다.

이와 반대로, 양자화 전도도가 나타나는 시스템에는, 측정되어질 샘플의 저항이 약 수 kΩ이다. 따라서, 종래의 시스템에서는, 측정되어질 저항값의 적어도 100 배 이상인 접촉저항을 포함하였다. 또한, 측정동안에는, 터널링 전류에 기초하여 프로브의 위치를 제어하지 않기 때문에, 프로브의 위치를 일정하게 유지하는 것이 보장되지 않았다.

도 11은 프로브와 샘플 사이의 거리와, 프로브와 샘플 사이의 저항간의 관계를 개략적으로 나타낸 것이다. 종래의 방법 (STM) 에서는, 터널링 전류가 흐르는 영역 (터널링 영역) 내로 프로브 위치가 유지되기 때문에, 접촉저항이 약 1 MΩ내지 1 GΩ으로 되어, 감소될 수 없다.

이와 반대로, 프로브와 샘플 사이에 작용하는 힘을 검출하면서 현미경이 동작되는 원자력 현미경법 (AFM) 을 채용하는 경우, 샘플과 프로브 사이의 거리를 (도 11에 도시된 전체 영역에 걸쳐) 자유롭게 설정할 수 있어, 수 Ω인 저 접촉저항을 실현할 수 있다. 이러한 이유로, 원자력 현미경법에 기초한 프로브 위치 제어를 본 발명에 채용한다.

도 12는 프로브와 샘플 사이의 관계와, 프로브와 샘플 사이에 작용하는 힘 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 11에 도시된 저 접촉저항을 실현하기 위해서는, 프로브와 샘플 사이의 거리를 약 0.1 nm 로 유지시켜야만 한다. 따라서, 프로브와 샘플 사이에 작용하는 힘이 척력으로 되는 영역내에 있도록 프로브와 샘플 사이의 거리를 제어해야만 한다. 척력의 크기는 프로브와 샘플의 재료, 및 접촉 영역의 크기에 따라 결정된다. 그러나, 통상적으로, 척력의 양은 약 1 nN 내지 1 μN 이다.

본 발명의 장치를 이용하여 수행되는 나노-트랜지스터의 측정예를, 도 13을 통하여 설명한다.

도 13(a) 는 원자 배선 (211, 212 및 213) 및 아일랜드 (island) 구조물 (214) 을 구비한 나노-트랜지스터의 특성을 측정하는 예를 나타낸다. 캔틸레버 (215, 216, 및 217) 의 자유단에 배치되는 금속 프로브 (218, 219 및 220) 는 원자 배선 (211, 212 및 213; 소스 : 211, 드레인 : 213, 게이트 : 212) 과 각각 접촉한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 캔틸레버를 이용함으로써, 금속 프로브 (218, 219 및 220) 는, 10-nm 영역 내에 형성되는 나노-트랜지스터의 구조 소자 (소스 : 211, 드레인 : 213, 게이트 : 212) 와 저 접촉저항을 갖는다. 도 13(b) 는 소스-드레인 전류의 게이트전압 의존도를 상술한 상태에서 측정하는 측정 동작의 결과를 나타낸다.

도 13(b) 에 도시된 바와 같이, 측정결과는, 전류-전압 특성 곡선이 아일랜드 구조물 (214) 내에 트래핑되는 전자의 개수 (n; 도면에는 N=n으로 나타냄) 에 의존하여 시프트함을 나타낸다. 도면에서의 점선은 아일랜드 구조물 (214) 에 트래핑되는 전자의 개수가 일정한 경우에 대한 전류-전압 특성을 나타낸다.

종래에는, 특성 측정을 수행하기 전에, 예를 들면, 배선 접속을 이용하여 원자 배선을 매크로 측정 시스템에 접속시켜야만 한다. 본 발명은 이러한 측정을 더욱 용이하고 더욱 정확하게 수행하도록 한다.

다음, 본 발명의 제 4 실시형태를 설명한다.

도 14는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 캔틸레버를 나타낸 일련의 개략도이다.

도 14(a) 는 캔틸레버의 하부표면 (샘플을 향하는 표면) 을 나타낸 개략도이다. 제 1 실시형태에서 설명한 캔틸레버의 경우와 동일하게, 3개의 전극 (301, 302 및 303) 이 캔틸레버 (304) 상에 형성된다. 금속 프로브 (305) 가 캔틸레버 (304) 의 자유단에 배치된다. 금속 프로브 (305) 의 팁은 캔틸레버 (304) 의 자유단보다 더 돌출한다. 부재번호 (309 및 310) 는 컨택트 홀 전극을 나타낸다.

도 14(b) 는 도 14(a) 의 선 A-A을 따라 절단한 단면도이다. 압전소자 (306) 와 전극 (307 및 308) 은, 전극 (307 및 308) 이 압전소자 (306) 를 사이에 샌드위칭하도록, 캔틸레버 (304) 상에 형성된다. 캔틸레버 (304) 의 휘어짐, 즉 압전소자 (306) 의 휘어짐에 의해 유도되는 전압은 전극 (307 및 308) 을 이용하여 검출된다.

전극 (307) 은 컨택트홀 (309) 을 통하여 전극 (301) 에 접속되며, 전극 (308) 은 컨택트 홀 (310) 을 통하여 전극 (302) 에 접속된다 (도 14(a) 의 선 C-C를 따라 절단한 단면도인 도 14(d) 를 참조). 전극 특성 측정용 전극 (303) 은 절연막 (311) 에 의해 이들 전극들로부터 전기절연되어 있다 (도 14(a) 의 선 B-B을 따라 절단한 단면도인 도 14(c) 를 참조).

압전 효과 자체를 이용하는 휘어짐 검출 방식은 종래 기술에 널리 공지되어 있다 (예를 들면, Rev. Sci. Instrum, 67 (1996), pp. 3896-3903을 참조). 그러나, 본 발명의 특징은, 각각의 캔틸레버의 자유단에 배치되는 금속 프로브의 팁이 각각의 캔틸레버의 자유단보다 더 돌출하는 점, 및 압전 효과 검출용 전극에 추가하여 전기 특성 측정용 전극이 캔틸레버상에 형성되어 있는 점에 있다.

제 1 내지 제 3 실시형태를 통하여 설명한 바와 같이, 이들 특징에 의해, 극미소영역내에서의 전극 특성 평가를 할 수 있다.

다음, 본 발명의 제 4 실시형태를 설명한다.

여기서는, 캔틸레버의 팁에 금속 프로브를 배치하는 다른 방법을 설명한다. 제 1 실시형태에서는, 금속 프로브를 절단하여 집속 이온빔을 이용하여 접착하는 방법을 설명하였다. 본 실시형태에서는, 금속의 선택 성장 원리를 이용하여, 금속 프로브를 캔틸레버의 자유단에 형성한다. 본 발명에서는, 금속 프로브의 팁이 대응 캔틸레버의 자유단보다 더 돌출하는 구성을 갖는 점이 중요하기 때문에, 금속 프로브의 선택 성장의 방향을 제어해야 한다.

도 15는 본 발명의 제 5 실시형태에 따라 캔틸레버를 제조하는 단계를 나타낸 도면들을 포함한다.

먼저, 선택 성장용 시드 (seed) 로 기능하는 은입자 (314) 를 캔틸레버 (312) 상에 형성되는 금속 전극 (313) 상에 증착한다. 마스크를 이용한 증착을 통하여, 약 0.1 ㎛인 입경을 갖는 입자를 증착할 수 있다. 캔틸레버 (312) 를 도 15(a) 에 도시된 방향인 황화가스 흐름 방향으로 배치하고, 히터 (315) 를 이용하여 온도를 약 300 ℃로 유지시킨다. 모세관 (316) 을 이용하여, 황화 가스를 은 입자 (314) 를 향해 단일 방향으로 분사하여, 은입자 (314) 를 시드 결정으로서 이용하면서, 도 15(b) 에 도시된 바와 같이 황화 가스 흐름의 방향으로 황화은 (Ag₂S) 의 결정을 성장시킨다. 따라서, 황화은으로 형성되는 금속 프로브를 제조할 수 있다.

다른 방법으로는, 금속 할로겐화물의 수증기 스트림내에서의 가열환원 공정을 통하여 캔틸레버의 팁에 프로브를 제공함으로써 금속 단결정 (whisker) 을 성장시킬 수 있다. 본 발명에서는, 금속 프로브의 팁이 캔틸레버의 자유단보다 더 돌출하는 구성을 갖는 점이 중요하기 때문에, 시드 결정의 위치와 방향을 제어해야만 한다. 예를 들면, 염화구리 (CuCl) 를 할로겐화물로서 이용하는 경우, [100] 방향으로 성장이 발생하기 때문에, 금속 프로브가 성장되어질 방향이 염화구리의 [100] 방향과 일치하도록, 시드 결정을 배치시켜야만 한다. 이와 반대로, 황화은의 결정을 이용하는 상술한 방법에서는, 황화가스 흐름의 방향 조절을 통하여 성장 방향을 제어할 수 있기 때문에, 선택 성장의 방향 제어를 용이하게 수행할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태로 한정하지 않는다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 본 발명의 취지에 기초하여 다양하게 변형 및 변경할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 저 접촉저항으로 복수의 프로브를 극미소영역과 접촉시킬 수 있다. 따라서, 배선 접속이나 다른 접속 수단을 이용하지 않고 나노-스케일 구조물의 전기 특성을 높은 정확도로 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 특히, 본 발명에 따른 전기 특성 평가 장치는 복수의 프로브가 저 접촉저항으로 나노-스케일 영역과 접촉하는 것을 실현하여, 나노-스케일 구조물의 전기 특성을 높은 정확도로 직접 평가할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전기 특성 평가 장치는 절연기판상에 형성되고 임의의 형상을 가진 나노-스케일 구조물의 전기 특성을 측정하는데 적합하다.

Claims (8)

1. 독립 구동되는 복수의 캔틸레버를 구비하고 원자력 현미경 (atomic force microscopy) 을 이용하여 프로브와 샘플 사이의 위치 관계를 제어하는 전기특성 평가장치로서,

   금속 프로브의 팁이 상기 캔틸레버의 자유단부로부터 돌출하도록, 상기 금속 프로브가 각각의 상기 캔틸레버의 상기 자유단부에 제공되며,

   상기 금속 프로브는 상기 캔틸레버의 상기 자유단부의 표면에 대하여 경사짐으로써 상기 샘플의 표면에 대하여 경사진 것을 특징으로 하는 전기특성 평가장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   각각의 상기 캔틸레버 상에 저항 소자가 형성되고,

   상기 저항 소자의 저항 변화에 기초하여 상기 캔틸레버의 휘어짐 (deflection) 이 검출되는, 전기특성 평가장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   각각의 상기 캔틸레버 상에 압전 소자가 형성되고,

   상기 압전 소자의 전위 변화에 기초하여 상기 캔틸레버의 휘어짐이 검출되는, 전기특성 평가장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   각각의 상기 캔틸레버 또는 캔틸레버 지지 기판상에 3개 이상의 전극이 설치되며,

   상기 전극 중 2개는 상기 저항 소자 또는 상기 압전 소자에 접속되고,

   나머지 하나의 전극은 상기 금속 프로브에 접속되는, 전기특성 평가장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 프로브는, 도전 재료를 이용하여 대응 캔틸레버의 자유단에 제공되는 전극상에 접착되는, 전기특성 평가장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 금속 프로브의 접착은 집속 이온빔을 이용하여 수행되는 절단 및 부착에 의해 실시되는, 전기특성 평가장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 프로브와 상기 샘플 사이의 상기 위치 관계는, 상기 프로브와 상기 샘플 사이에 반발적인 원자력이 발생하는 영역내에 상기 프로브와 상기 샘플이 위치하도록 제어되는, 전기특성 평가장치
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속 프로브는, 선택 성장을 이용하여 대응 캔틸레버의 자유단에 제공되는 전극상에 형성되는, 전기특성 평가장치.

Images