KR20190009256A

KR20190009256A - 반도체 컴포넌트의 2차원 액티브 캐리어 프로파일링을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20190009256A
Application number: KR1020180081879A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 파레디스; 움베르토 켈라노; 윌프라이드 반더보스트; 오베론 딕손-루이넨버그
Original assignee: 아이엠이씨 브이제트더블유
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2019-01-28
Also published as: EP3432007A1; US20190025341A1; KR102488707B1; US10495666B2; EP3432007B1

Abstract

본 발명은 디바이스와 관계되어 있다. 이때, 디바이스는, 주사형 확산 저항 현미경(scanning spreading resistance microscopy, SSRM)을 위한 프로브(2), 상기 프로브에 의해 접촉된 테스트 샘플(1), 상기 테스트 샘플의 후면 접촉(5)(back contact (5) on the test sample), 바이어스 전압원(Vb) 및 대수 SSRM 증폭기(10)를 포함하는 전류 경로의 전기적 특성을 측정하기 위한 디바이스(15)에 있어서, 상기 디바이스(15)는, 사전 정의된 주파수에서의 변조가 상기 프로브의 접촉력(contact force) 또는 상기 바이어스 전압에 적용될 때, 상기 디바이스는 수학식

에 따라 상기 전기적 특성을 나타내는 신호를 실시간으로 생성하기 위한 전기적 회로를 포함하고, 상기 수학식의 A는 상기 전기적 특성이고, 상기 수학식의 n은 대수 SSRM 증폭기(10)에 적용된 대수 함수(logarithmic function)의 베이스(base)이고, 상기 수학식의 V_SSRM은 대수 SSRM 증폭기(10)에 의해 생성된 신호의 DC 성분이고, 상기 수학식의 Log_n(dV)는 프로브(2)의 접촉력 또는 바이어스 전압원(Vb)에 적용되는 변조의 주파수에서 대수 증폭기(10)에 의해 생성된 신호의 변조의 대수이고, 상기 수학식의 V_multiplier는 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인 상수이다.

Description

반도체 컴포넌트의 2차원 액티브 캐리어 프로파일링을 위한 장치 및 방법{ A DEVICE AND METHOD FOR 2 DIMENSIONAL ACTIVE CARRIER PROFILING OF SEMICONDUCTOR COMPONENTS}

본 발명은 주사형 확산 저항 현미경(SSRM)에 의한 활성 캐리어(active carrier) 농도의 측정에 관한 것이다.

주사형 확산 저항 현미경(scanning spreading resistance microscopy, SSRM)는 반복 가능한 정량적인 캐리어 프로파일링을 가능하게 해주는 잘 확립된(well-established) 기법으로 서브-나노 미터 해상도 프로파일/매우 큰 동적 범위의 2D 이미지를 제공한다. SSRM은 테스트 샘플의 표면에 근접한 날카로운 프로브(팁 반경 50nm 미만)을 사용하여 테스트 샘플의 표면 매핑을 수행하는 원자 힘 현미경(AFM, atomic force microscopy)을 기반으로 한다. 전류는 피코 암페어(pA, picoampere)에서 밀리 암페어(mA, milliampere) 단위(regime)로 측정되므로 프로브는 전도성이 있고 표면과 전기적으로 잘 접촉되어 있어야 한다. 이러한 접촉은 프로브를 유지하는 캔틸레버(cantilever)로부터 반사된 레이저 스폿(laser spot)의 위치를 모니터링함으로써 표면을 가로질러 스캐닝하는 동안 유지된다. 표면 토포 그래피(surface topography)에 대한 응답으로 샘플에 수직인(perpendicular) 축(Z 축으로 지칭됨)을 따라 프로브 팁을 이동시킴으로써 광 검출기(photodetector) 상의 기준점(reference point)으로부터 레이저의 일정한 편향(constant deflection)을 유지함으로써 팁-샘플 힘(tip-sample force)이 일정하다는 것을 보장한다. SSRM에 필요한 좋은 전기적 접촉은 큰 힘을 필요로 하기 때문에 붕소로 도핑된(boron-doped) 다이아몬드 팁을 사용하여 손상 및 마모의 기회를 줄일 수 있다.

안정적인 접촉으로 바이어스가 샘플의 후면에 적용되고 팁을 통해지면으로 흐르는 전류는 SSRM 증폭기에 의해 대수적으로(베이스 10 로그에 의한 표준(standard by a base 10 logarithm)) 증폭된다. 팁을 통과하는 전류의 10 진 로그(base-10 log)가 기준 저항을 통해 동일한 바이어스 전압으로 인해 생성된 전류의 10 진 로그와 비교되어, 유효 범위 kΩ ~ TΩ 저항의 10 진 로그가 생성된다. 저항은 수학식 1에서처럼 일련의 복수의 저항들의 합으로 모델링될 수 있다.

후면 접촉 저항은 샘플의 후면의 전기적 접촉의 저항이다. 접촉이 기판에 대한 것이면 일반적으로 무시할 만하지만, 디바이스의 영역이 기판으로부터 절연(isolated)되고 샘플의 후면에 대한 수 평방 마이크론 금속성 FIB(several square micron metallic FIB) 접촉을 통해 연결되어야 하는 것과 같이 접촉이 작은 영역에 대한 것이라면 중요 할 수 있다. 개입 저항(intervening resistance)은 후면 접촉과 표면 사이의 저항으로, 접합부(junctions) 또는 긴 제한된 볼륨(long confined volumes)의 저항으로 구성된다. 팁 저항은 다이아몬드 팁의 팁 저항으로, 범위는 1 ~ 10kΩ 사이이며, 이는 일정한 구성 요소와 접촉력 종속적인 구성 요소로 구성된다. 마지막으로, 확산 저항은 수학식 2에서 맥스웰의 근사법에 의해 기술된, 프로브 팁의 나노 스케일 접촉으로부터 벌크(bulk)까지의 제한된 볼륨 저항이다.

확산 저항은 저항률(resistivity) ρ와 접촉 면적 α에 따라 달라진다. 접촉 영역은 여러 가지 방법으로 모델링될 수 있지만 동일한 프로브, 측정 조건 및 적용된 힘에 대해 일정하다. 반도체에서의 저항률(resistivity)은 물질 및 활성 캐리어 농도의 함수이다. 따라서 확산 저항이 SSRM 저항을 지배(dominate)하는 한, SSRM 측정은 저항률에 대한 정보를 전달하고 캐리어 농도를 활성화시킨다. 벌크 저항률-저항 관계가 알려진 기준 샘플에 기반한 커브 피팅을 사용하면 2D SSRM 맵을 2D 저항률 또는 활성 캐리어 농도 맵으로 변환할 수 있다.

그러나 직렬 저항(series resistance) R_series가 확산 저항 R_spreading에 비해 상대적으로 중요한 경우에는 정보가 손실될 수 있다. 팁 저항은 부분적으로 접촉력에 결합되지만 그 이외의 경우 일정하다. 따라서 동일한 팁과 동일한 파라미터로 정량화를 필요로하는 측정으로서 조정(calibration)이 수행되면 저항률에 대한 저항(relate resistance to resistivity)을 잃지 않는다. 그러나 확산 저항이 10kΩ 정도인 고도로 도핑된 영역에서는 명암(contrast)이 감소(diminish)하므로 정량화에 대한 부정확도가 증가한다. 반면에, 후면 접촉 및 개입 저항은 구조-종속적이므로 서로 다른 샘플 간에 일관된 것으로 가정할 수 없다. 이러한 저항이 확산 저항에 비해 상대적으로 중요한 경우 어떤 분율이 직렬 저항 대 확산 저항인지 알 수 없기 때문에 SSRM 저항을 직접적으로 해석할 수 없다.( When these resistances are significant relative to the spreading resistance one can no longer directly interpret the SSRM resistance because it cannot be known what fraction is series versus spreading resistance.)

이를 처리하기 위해, 예를 들어 문서 EP-A-2706560에 기술된 바와 같이, 고속 푸리에 변환 SSRM(FFT-SSRM)이 개발되었다. 원리는 프로브의 Z축 이동에 변조를 추가하는 것이다. 접촉 영역은 힘에 의존하고 힘은 편향(deflection)에 따라 선형이기 때문에, Z-변조는 수학식 2을 통해 확산 저항에서 변조를 생성한다. 변조는 광 검출기 편향 신호(photodetector deflection signal)에 작은 AC 신호를 추가하여 적용될 수 있으며, 편향을 일정하게 유지하려고 할 때 응답으로 프로브 이동에 대한 도구 피드백(tool feedback)에 의존한다. 수학식 1로부터의 다른 저항은 힘의 변조에 의해 영향을 받지 않으므로, 확산 저항 변조 dR은 SSRM 신호의 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)에 의해 SSRM 신호로부터 필터링될 수 있다.

FFT-SSRM 방식의 어려움은 SSRM 신호가 대수 증폭기의 출력이라는 사실이다. 따라서 변조 주파수에서의 확산 저항 dR과 대응하는 동일한 주파수에서의 SSRM 신호 dV 사이에는 고유한 관계가 없다. 따라서 dR의 결정은 R + dR을 나타내는 신호를 얻기 위해 대수 증폭기의 전달 함수(transfer function)를 사용하여 SSRM 신호 V + dV를 변환하는 것을 필요로 한다. 후자의 신호는 dR을 얻기 위하여 FFT에 의해 처리된다. 이러한 계산 기반의 dR 추출은 복잡하며 변조된 SSRM 측정 중에 실시간으로 dR을 얻을 수 없다.

본 발명은 실시간으로 dR을 얻을 수 있는 방법 및 디바이스를 제공하는 것이다. 이것은 첨부된 청구 범위에 따른 디바이스 및 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 주사형 확산 저항 현미경(scanning spreading resistance microscopy, SSRM)을 위한 프로브(2), 상기 프로브에 의해 접촉된 테스트 샘플(1), 상기 테스트 샘플의 후면 접촉(5)(back contact (5) on the test sample), 바이어스 전압원(Vb) 및 대수 SSRM 증폭기(10)를 포함하는 전류 경로의 전기적 특성을 측정하기 위한 디바이스(15)에 있어서, 상기 디바이스(15)는, 사전 정의된 주파수에서의 변조가 상기 프로브의 접촉력(contact force) 또는 상기 바이어스 전압에 적용될 때, 상기 디바이스는 수학식

에 따라 상기 전기적 특성을 나타내는 신호를 실시간으로 생성하기 위한 전기적 회로를 포함하고, 상기 수학식의 A는 상기 전기적 특성이고, 상기 수학식의 n은 대수 SSRM 증폭기(10)에 적용된 대수 함수(logarithmic function)의 베이스(base)이고, 상기 수학식의 V_SSRM은 대수 SSRM 증폭기(10)에 의해 생성된 신호의 DC 성분이고, 상기 수학식의 Log_n(dV)는 프로브(2)의 접촉력 또는 바이어스 전압원(Vb)에 적용되는 변조의 주파수에서 대수 증폭기(10)에 의해 생성된 신호의 변조의 대수이고, 상기 수학식의 V_multiplier는 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인 상수이며, 상기 수학식의 플러스 또는 마이너스는 상기 바이어스 전압원(Vb)의 신호와 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접촉력 또는 상기 바이어스 전압원을 구동(driving)하기 위한 구동 신호(drive signal, Vd)를 생성하는 회로를 더 포함하는 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전류 경로에 포함되는 조정가능한(tuneable) 저항(30)을 더 포함하는 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기적 특성은 변조가 상기 접촉력에 적용될 때 상기 전류 경로의 저항의 변조 dR이고, 상기 V_multiplier는 log_n(ln10/g)이고, g는 정수인 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 디바이스는 SSRM 측정 셋업에 추가되는 전기적 장치(electrical apparatus)로서 생성되며, 상기 장치는 V_SSRM 및 dV를 나타내는 신호들을 수신하기 위한 입력 연결과 log_nA를 나타내는 신호를 전달(deliver)하기 위한 적어도 하나의 출력 연결을 포함하는 디바이스일 수 있다. SSRM 측정 셋업은 공지된 셋업 일 수있다. 이 경우, 본 발명의 디바이스는 상기 측정 셋업에 포함된 SSRM 툴의 제어기에 결합된(coupled) 독립형 장치(stand-alone apparatus)이다. 대안적으로, 상기 장치는 SSRM 툴의 제어기에 통합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 dV를 나타내는 신호를 수신하기 위한 입력 연결은, 상기 신호를 실시간으로 생성하도록 배치된 록-인 증폭기(lock-in amplifier, 16)에 결합되는(coupled) 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 장치는 수동 인터페이스(manual interfaces)를 더 포함하는 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수동 인터페이스는 측정되려는 전기적 파라미터를 선택할 수 있는 인터페이스를 포함하는 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, ±V_SSRM,± log_n(dV) and V_multiplier를 각각 나타내는 신호들을 수신하는 입력들을 포함하는 합산 회로(summing circuit, 20)를 포함하는 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, ±V_SSRM을 나타내는 상기 신호 대신에 ±V_SSRM을 나타내는 신호를 수신하는 입력에 연결되는 기준 전압(reference voltage)을 허용(allow)하는 디바이스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 주사형 확산 저항 현미경(scanning spreading resistance microscopy, SSRM)을 위한 프로브(2), 상기 프로브에 의해 접촉된 테스트 샘플(1), 상기 테스트 샘플의 후면 접촉부(5), 바이어스 전압원(Vb) 및 대수 SSRM 증폭기(10)를 포함하는 전류 경로의 전기적 특성을 측정하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은, 사전 정의된 주파수에서의 변조를 상기 프로브의 접촉력(contact force) 또는 상기 바이어스 전압에 적용하는 단계, 대수 SSRM 증폭기(10)의 출력 전압 V_SSRM + dV 를 측정하는 단계, - V_SSRM은 상기 대수 SSRM 전압 증폭기에 의해 생성된 신호의 DC 성분이고, 상기 dV는 프로브의 접촉력 또는 바이어스 전압원에 적용되는 변조의 주파수에서 상기 대수 증폭기에 의해 생성된 신호의 변조임 - 록-인 증폭기(16)에 의해 dV를 결정하는 단계, V_SSRM을 결정하는 단계, 수학식

에 의해서 실시간으로 대수 스케일의 전기적 특성을 계산하는 단계를 포함하며, 상기 수학식의 A는 상기 전기적 특성이고, 상기 수학식의 n은 대수 SSRM 증폭기에 적용된 대수 함수(logarithmic function)의 베이스(base)이고, 상기 수학식의 V_multiplier는 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인 상수이며, 상기 수학식의 플러스 또는 마이너스는 상기 바이어스 전압원(Vb)의 신호와 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인 방법일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변조는 상기 접촉력에 적용되며, 상기 전기적 특성은 상기 전류 경로의 저항의 변조 dR이고, 상기 V_multiplier는 log_n(ln10/g)이고, g는 정수인 방법일 수 있다.

도 1은 종래 기술로 알려진 바와 같은 전형적인(typical) SSRM 측정 셋업을 나타낸다.
도 2는 종래 기술로 알려진 FFT-SSRM에 대한 셋업을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 신호 처리 디바이스를 포함하는 SSRM 셋업을 나타낸다
도 4는 변조된 확산 저항 dR을 측정하기 위해 본 발명에 따른 디바이스의 최소한으로 필요한 구성 요소(component)를 나타낸다
도 5는 DC 및 AC 전압을 셋업하는 성능을 더 포함하는 디바이스의 일 실시 예를 나타낸다.
도 6은 도 5의 디바이스를 SSRM 측정 셋업에 통합한 것을 나타낸다.
도 7은 SSRM 측정에 적용된 전류 경로에 직렬 저항을 부가하는 성능을 더 포함하는 디바이스의 일 실시 예를 나타낸다.
도 8은 도 6의 디바이스를 SSRM 측정 셋업에 통합한 것을 나타낸다.

도 1은 공지된 SSRM 측정의 측정 셋업을 나타낸다. 샘플 1은 전형적으로 다양한 재료(materials)로 구성되며, 종종 도핑된 반도체 재료들을 포함한다. 측정은 샘플의 상단 (웨이퍼 표면에 평행) 또는 단면(cross sections)(웨이퍼 표면에 수직인 절단(a cut perpendicular to the wafer surface))에서 수행된다.

캔틸레버 (4)(cantilever) 상에 장착된 팁 (3)을 포함하는 AFM 프로브 (2)는 레귤러 AFM 에서처럼 샘플을 가로질러 스캐닝되고, 알려진 바이어스 전압 Vb는 프로브와 샘플 아래(underneath)에 제공된 후면 접촉 (5) 사이에 적용된다. 이 셋업은 레이저 (6) 및 광 검출기 (7)를 더 포함한다. 레이저에 의해 생성된 레이저 빔은 캔틸레버 (4)상의 지점(spot)에서 반사된다.

반사된 빔은 광 검출기 (7)에 의해 검출된다. 레이저 스폿은 샘플의 토포그래피(topography)의 함수(function)에 따라 움직인다. 이러한 움직임은 광 검출기 (7)에 의해 검출되고 제어기 (8)에 대한 입력으로 사용된다. 제어기는 제 2 입력 신호로서 주어진 레벨에서 DC 신호를 수신한다.

결합된 입력 신호들은 제어기 (8)에 의해 일정한 팁-샘플 힘(force)을 유지하기 위해 Z-축의 방향으로 캔틸레버의 움직임을 제어하는 출력 신호로 변환되고, 이로써 팁과 샘플 사이에 연속적인 전기적 접촉이 보장된다.

이러한 팁/샘플 접촉은 전류 I가 흐르는 굵은 선(bold lines)으로 표시된 전류 경로를 닫는다(close). 다른 도면들에서와 같이 도 1에서, 굵은체(bold type)로 표시되지 않은 라인들은 전용(dedicated) 입력 또는 출력 채널들을 나타내며, 화살표로 표시된 바와 같이 가능하게는 두 방향으로의 신호 경로를 나타낸다.

SSRM 분석기 (9)는 전류 I를 측정하고 도입 섹션에 주어진 수학식 1에 의해 정의된 바와 같이 전류 경로 R의 저항의 대수에 비례하는 출력 신호 VSSRM 으로 전류를 변환하도록 구성된 대수 증폭기 (10)를 포함한다.

다른 모든 도면에서와 같이 도 1에서, 제어기 (8)는 전류 경로에 포함되지만, 수학식 1에 주어진 저항에 더하여 중요한 저항을 나타내는 것으로 간주되어서는 안된다.

도 2에 나와있는 FFT-SSRM에서 변조 성분 dZ가 프로브의 Z-이동에 추가되어 샘플에 적용되는 힘 F + dF - 사전 정의된 주파수에서 변조를 나타내는 dZ 및 dF 그리고 일정한 F -를 결과로 도출한다.(In FFT-SSRM, illustrated in Figure 2, a modulation component dZ is added to the Z-movement of the probe, resulting in a force F+dF being applied to the sample, with F constant and with dZ and dF representing modulations at a predefined frequency)

변조는 사전 정의된 주파수에서 AC 신호를 제어기 (8)의 입력에 적용함으로써 획득될 수있다. SSRM 툴의 출력은 변조된 확산 저항 dR과 관련된 변조 성분 dV를 갖는 VSSRM + dV이다. dR은 로그 증폭기의 전달 함수 TF를 적용하여 dR의 각 샘플을 계산한 후에 신호에 대해 FFT를 수행하여 계산된다.

도입 부분에서 설명된 바와 같이 dR의 계산은 광범위한 컴퓨팅 파워(extensive computing power)이 필요하기에 실시간으로 확산 저항의 결정을 불가능하도록 할 수 있다. 아마도 dV 값은 변조의 알려진 AC 주파수에 동조된 록-인 증폭기 (11)로부터 직접 획득될 수있다.

이러한 디바이스는 그 자체로 알려져 있으며 종종 SSRM 툴에 내장되어 있다.(This device is known per se and often inbuilt in SSRM tools.) AC 변조는 프로브의 Z-이동 대신 바이어스 전압 Vb에 중첩(superposed)될 수 있다. 오퍼레이터는 이러한 두 옵션 사이에서 제어기 (8)를 설정할 수 있다.

이전 단락 및 다음 단락에서, 대수 증폭기의 출력에서의 신호는 " VSSRM + 사전 정의된 주파수 f에서의 주기 함수"이다.

주기 함수는 예를 들어 진폭을 A 및 w= 2πf로 하는 사인 함수 (sinusoidal function)가 바람직하다. 용어 'dV'와 'dR'은 주기 신호로부터 추출된 스칼라 값이다. 이들은 진폭을 (0- 피크), 피크 대 피크 값, RMS 값 또는 다른 대표 값으로 나타낼 수 있다.

따라서 이 명세서의 문맥(context)에서 'X + dX'라는 표기(notation)는 'X + 특성 값 dX로 정의된 주기 함수'의 축약된(abbreviated) 버전이다. 명세서 및 청구 범위에 사용된 '변조 dX'라는 용어는 상기 특성 값 (즉, 0 피크, 피크 대 피크, RMS 또는 기타)을 지칭한다.

실시간으로 dR을 측정하기에 적합한 본 발명의 실시 예에 따른 디바이스 (15)를 포함하는 측정 셋업이 도 3에 도시되어있다.

디바이스 (15)는 SSRM 신호의 DC 부분 VSSRM 뿐만 아니라 전체 신호 VSSRM + dV를 수신하고 디바이스 (15)에 dV를 나타내는 신호를 전달하는 록-인 증폭기 (16)로부터 오는 dV 신호를 수신하도록 구성된다. 실시간으로 디바이스 (15)가 대수 스케일상의 dR에 대한 수학식 3에 기초하여 실시간으로 dR을 계산하는 것을 허락한다.

수식은 여러 가지 수학적 단계에서 따른다. dR은 VSSRM 에 중첩된(superimposed) 주어진 사전 정의된 주파수에서의 변조를 나타내므로 다음은 변조의 진폭으로 간주되는 dR에 대해 사실에 해당한다(The formula follows from a number of mathematical steps. As dR represents a modulation at a given pre-defined frequency, superimposed on VSSRM, the following is true for dR regarded as the amplitude of the modulation):

저항 R과 SSRM 툴의 전압 출력 사이의 대수 관계의 결과로

사항도 참에 해당한다.

수학식 4는 다음과 같이 작성될 수 있다.

수학식 5는 다음과 같이 작성될 수 있다.

하이버볼릭 사인 함수의 정의에 기반하여 다음과 같이 작성될 수 있다:

dV는 VSSRM와 비교하여 작을 때, 1차 근사법(first order approximation)에 의해 대략적으로 다음과 같을 수 있다:

수학식 8의 대수를 통해 수학식 3을 산출한다. 실제로, 변조 진폭 dV의 크기의 순서는 VSSRM에 비해 상대적으로 작도록 쉽게 제어될 수 있으므로 수학식 8은 수학식 3에 적용되는 등호 부호(equality sign)를 정당화(justify)하는 dR 값의 매우 근사치(close approximation)를 산출한다.

수학식 8은 각각의 변조의 진폭으로 간주되는 dR과 dV 사이의 관계로서 유도된다. 그러나 관계는 dR과 dV가 변조된 신호의 RMS 값 또는 피크 대 피크 값을 나타내는 신호로 재생(reproduce)될 때도 참(true)이다.

도 4는 본 발명에 따른 신호 처리 디바이스 (15)의 빌딩 블록의 개략적(schematic) 인 이미지이며, 도 3의 셋업을 위해 요구된다.

신호 VSSRM은 SSRM 분석기 (9)의 출력 신호의 DC 성분이며, 예를 들어 증폭기 (10)의 출력 신호를 적분함으로써 대부분의 SSRM 툴의 표준 신호 처리 성능을 이용하여 쉽게 추출될 수있다. dV는 록-인 증폭기 (16)의 출력이다.

선택적으로, 록-인 증폭기는 VSSRM을 나타내는 신호뿐만 아니라 dV를 나타내는 신호를 제공할 수있다. 대수 전압 증폭기 회로 (17)는 log10(dV)를 생성한다. 오프셋 회로 (18)는 입력 (19)을 VSSRM 및 log10(dV) 와 동일한 스케일로 ln10을 나타내는 신호로 변환한다.

합산 회로 (20)는 수학식 3을 재생(reproduce)하여 log10(dR)에 비례하는 신호를 생성하여 dR을 나타낸다.(A summing circuit 20 then reproduces formula (3), thereby producing a signal that is proportional to log10(dR) and thus representative of dR) 증폭기에 의해 계산된 대수의 베이스는 바람직하게는 10이지만, 그것과 다를 수 있으며, 따라서 첨부된 청구범위의 일반화는 베이스 n을 갖는 일반적인 대수 함수(logarithmic function)를 포함한다.

다른 실시 예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 도 5에서, 본 발명의 신호 처리 디바이스 (15)는 DC 신호 및 AC 신호를 수신하기 위한 2 개의 추가 입력을 포함한다. 이러한 신호들은 추가의 합산 회로 (25)에 의해 가산되며, 바람직하게는 DC에 대해 AC 신호를 스케일링하기위한 스케일링 회로를 더 포함하고, AFM 툴에 대한 구동 신호 (Vd)로서 보내진다.

구동 신호는 프로브에 의해 샘플에 적용된 일정한 힘 F로서 AFM 툴에서 바뀌고(translate) AC 주파수에서의 변조 dF가 그 위에 중첩(superimposed)된다. 도 5에서 디바이스에 추가된 부분은 그 자체로 새로운 것은 아니며(The portion added to the device in figure 5 is not new per se), 도 1 및 도 2에 도시된 종래 기술의 셋업에서 제어기 (8)에 포함된 회로에 효과적으로 대응한다.

본 발명의 디바이스 (15)에 포함된다는 사실은 AFM 프로브 상의 조절된 힘의 적용 및 단일 디바이스에서의 확산 저항의 실시간 획득을 허용하는 다기능(maltifunctional) 디바이스를 초래한다. 도 5의 디바이스가 SSRM 셋업에서 구현되는 방식은 도 6에 도시된다.

도 7은 추가 성능을 갖는 또 다른 실시 예를 도시한다. 샘플의 SSRM 측정에는 알려진 캐리어 농도 레벨을 갖는 샘플인 보정 표준(calibration standard)의 측정이 수반된다.

SSRM 측정 및 보정 측정의 조합은 샘플에서 측정된 SSRM 저항 값을 보정 표준의 알려진 캐리어 밀도 레벨과 연관시킴으로써 샘플에 활성 캐리어 밀도의 2D 맵을 생성할 수 있도록 한다.

수학식 1의 직렬 저항(series resistance) Rseries 가 SSRM 측정을 지배(dominate)하면 FFT-SSRM을 적용해도 직렬 저항을 필터링 할 수 없다.

보정 측정에 동일한 높은 직렬 저항을 포함하지 않기 때문에 샘플에서 측정된 저항과 보정 표준 사이의 상관 관계가 실패한다(The correlation between the measured resistance on a sample and on the calibration standard fails because the calibration measurement does not include the same high series resistance). 이러한 이유로, 도 7의 실시 예는 튜닝 가능한 직렬 저항 (30)을 의도적으로 전류 경로에 부가하는 것을 허용한다.

보정 측정 중에 저항을 경로에 추가함으로써 보정 결과가 테스트 측정을 대표(representative)하게 되고 상관 관계가 올바르게 될 수 있다. SSRM 셋업에서 실시 예에 따른 디바이스의 구현이 도 8에 도시되어 있다.

튜닝 가능한 저항기가 0으로 설정되면, 도 6의 셋업이 재생(reproduce)된다. 도 7 및 도 8의 실시 예에서, AFM 툴에 대한 구동 신호를 생성하고 전류 경로에 직렬 저항을 부가하는 성능은 둘 다 디바이스에 포함된다. 본 발명은 또한 이러한 2 가지 성능 중 하나만이 포함되는 실시 예를 포함한다.

도 4, 도 5 및 도 7에 도시된 다양한 구성 블록(building block)이 실제로 구현될 수 있는 방법에 대한 세부 사항은 당업자의 능력 범위 내에 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 신호 처리 디바이스는 아날로그 디바이스 또는 디지털 디바이스로서 구현 될 수 있다.

도 4에 도시된 주요 구성 블록은 집적 회로에 구현된 디지털 구성 요소의 형태로 실행될 수있다. 상기 디바이스는 상기 집적 회로 또는 동등한 아날로그 회로를 포함하는 별도의 전기적 장치로서 생산될 수 있고, 또한 다수의 파라미터를 설정하기 위한 손잡이(knobs) 또는 다이얼(dials)과 같은 수동 조작 가능한 인터페이스가 더 제공될 수있다.

예를 들어, 독립형 박스로서 실행되는도 7의 실시 예는 DC 신호, AC 신호의 진폭 및 주파수 및 조정 가능한 저항 (30)의 값을 설정하기 위한 손잡이(knobs) 또는 다이얼을 요구할 것이다. 별도의 장치로서 생산될 때, 본 발명의 디바이스는 당 업계에 공지된 SSRM 측정 셋업에 추가되도록 구성된다.

바람직한 실시 예에 따르면, 본 발명의 디바이스는 dR을 측정할 뿐만 아니라 대수 증폭기로부터 유래하는 전류 경로의 임의의 전기적 특성 (A)을 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 이러한 실시 예는 추가적인 입력 및 회로를 요구할 수 있지만, 특성을 계산하기 위한 아래의 공식은 항상 다음의 방식으로 수학식 3과 유사한 공식이 될 것이다.

+ 또는 - 사이의 선택은 양 또는 음의 바이어스 전압Vb 가 샘플에 적용되는지 여부에 의존한다. Vmultiplier 라는 용어는 측정되는 특성에 따라 종속적인 상수이다. 표 1은 여러 전기적 특성을 측정하기 위한 다양한 승수 값(various multiplier values )을 보여준다. 'z 진폭'은 프로브에 부과된(imposed) z-변위(displacement)의 AC 성분의 일정 진폭이다.(AFM 툴로부터 신호 형태로 얻을 수 있음).

는 AC 변조의 주파수 f를 갖는 2ðf와 같다. '이득(gain)'은 록-인 증폭기의 이득 팩터(gain factor), 즉 록-인 증폭기가 설정된 주파수에서 입력 신호의 AC 성분의 진폭과 출력 신호의 진폭 사이의 비율이다.

Zd는 변조가 AFM 프로브에 적용되지 않고 바이어스 전압, 즉 바이어스 전압 Vb 가 DC 전압 VDC 와 진폭 VAC 및 주파수 f를 갖는 AC 변조의 중첩(superposition)인 경우의 전류 경로의 동적 임피던스이다. Vmultiplier 의 공식은 다음 설명과 같이 1 차 근사를 기반으로 한다. DC 바이어스 전압 VDC에 AC 변조 VAC 가 추가되면, 동적 전류 IAC 는

과 같이 작성될 수 있다.

위에서 주어진 dR의 유도(derivation)와 유사하게,

과 같이 작성될 수 있다.

동적 임피던즈 Zd는 다음의 수학식 10와 같이 작성될 수 있다:

이 함수(function)의 대수는 표 1에서 설명한 Vmultiplier항을 사용하여 수학식 9를 산출한다.

전류 경로 Ceq의 커패시턴스에 대한 공식은 유사한 근사화로부터 유도될 수 있으며, 커패시턴스가 RSSRM 및 RSSRM.Ceg>>1에 병렬로 결합된(coupled)다고 추가적인 가정이 필요하다(The formula for the capacitance of the current path Ceq can be derived from a similar approximation, which further requires the assumption that the capacitance is coupled in parallel to RSSRM and that RSSRM.Ceg>>1).

C

인 경우, 수학식 10을 대입하면 Ceq에 대한 공식이 구해진다. 가정 RSSRM.Ceg>>1은

<<dV.ln10일 때 참(true)이다. 따라서 Ceq의 공식에 대한 신뢰성(reliability)은 VAC 대 VDC의 비율을 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다.

표 1은 최종적으로 Zd/R에 대한 공식을 포함한다. 실제로 표의 R은 RSSRM이다. RSSRM이

와 같기 때문에, 수학식 9의 첫 번째 항(first term)은 실제로 0, 즉 접지 전압(ground voltage)이다. VSSRM전압 대신에 접지 전압(또는 보다 일반적으로 기준 전압(reference voltage))을 합산 회로 (20)에 제공하는 성능은 본 발명의 특정 실시 예의 특징으로 간주된다. 인터페이스를 통해 오퍼레이터는 두 가지 옵션 중 하나(VSSRM 또는 합산 회로 (20)에 결합된 접지)로 디바이스를 설정할 수 있습니다.

바람직한 실시 예에 따르면, 본 발명의 디바이스는 전기적 특성이 디바이스에 의해 측정되는지를 수동(manually)으로 설정할 수 있도록 하는 하나 이상의 인터페이스를 포함한다. 필요한 경우 공식에 + 또는 - 부호(sign)를 설정하는 바이너리 스위치가 포함될 수 있다. 디바이스는 또한 표 1 (및 다른 가능한 경우)의 Vmultiplier 항 중 임의의 항을 자동으로 계산하도록 구성될 수 있다.

이는 본 발명의 디바이스를 SSRM 툴의 제어기 (8)에 통합하고, 제어기에 의해 생성된 대표 신호(representative signals)의 형태로 디바이스에 직접적으로 이용 가능한 파라미터 zamplitude, VAC and VDC 를 생성함으로써 달성(achieve)될 수있다. 대안적으로, 디바이스는 제어기 (8)로부터 분리될 수 있고 제어기로부터 입력으로서 필요한 대표 신호를 수신하는 본 발명의 디바이스에 신호 라인(signal lines)이 제공된다.

각각의 경우에, 디바이스는 선택된 전기적 특성에 따라 Vmultiplier를 계산하고 합산 회로 (20)에 대한 입력으로서 Vmultiplier를 나타내는 신호를 생성하기 위한 적절한 오프셋 회로 (도면의 회로 (18) 대신에 또는 부가하여(in replacement of or in addition to circuit 18 in the figures))를 포함한다. 또 다른 실시 예에 따라, Vmultiplier의 계산은 파라미터 zamplitude, VAC, VDC의 지식에 기초하여 개별적으로 발생하고, Vmultiplier를 나타내는 신호는 회로 (18)에 추가되거나 또는 회로 (18)의 대체로서 적절한 오프셋 회로에 의해 생성된다.

본 발명은 전술한 실시 예에 따른 디바이스의 사용과 동일하게 관련된다. 가장 일반적인 공식에서, 이 사용은 주사형 확산 저항 현미경 (SSRM)을 위한 프로브, 테스트 샘플, 테스트 샘플상의 후면 접촉(back contact), 바이어스 전압원 및 대수 전압 증폭기를 포함하는 전류 경로의 전기적 특성을 측정하는 방법으로 설명될 수 있다. 상기 방법의 단계들은 첨부된 청구 범위에 기재되어 있다. 본 발명의 방법의 실시 양태의 관련 특징은 본 발명에 따른 디바이스의 조작(operation)과 관련하여 전술한 단락에서 개시된다.

본 발명은 도면 및 상기 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 그러한 예시(illustration) 및 설명(description)은 예시(illustrative) 또는 예시(exemplary)적인 것으로 고려되어야하며 제한적이지는 않다. 개시된 실시 예에 대한 다른 변형은 도면, 개시 및 첨부된(disclosure and the appended) 청구 범위의 연구(study)로부터 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 영향(effect)을 받는 범위를 포함할 수있다. 청구 범위에서, "포함한다"라는 단어는 다른 요소(element) 또는 단계를 배제하지 않으며, "a"또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 특정 측정 값이 서로 다른 종속 항에서 인용된다는 단순한 사실만으로 이러한 측정 값의 조합을 활용할 수 없다는 것을 의미하지는 않는다(The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage). 청구 범위 내의 모든 참조 부호(reference signs)는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims

주사형 확산 저항 현미경(scanning spreading resistance microscopy, SSRM)을 위한 프로브(2), 상기 프로브에 의해 접촉된 테스트 샘플(1), 상기 테스트 샘플의 후면 접촉(5)(back contact (5) on the test sample), 바이어스 전압원(Vb) 및 대수 SSRM 증폭기(10)를 포함하는 전류 경로의 전기적 특성을 측정하기 위한 디바이스(15)에 있어서,
상기 디바이스(15)는,
사전 정의된 주파수에서의 변조가 상기 프로브의 접촉력(contact force) 또는 상기 바이어스 전압에 적용될 때, 상기 디바이스는 수학식
에 따라 상기 전기적 특성을 나타내는 신호를 실시간으로 생성하기 위한 전기적 회로를 포함하고,
상기 수학식의 A는 상기 전기적 특성이고,
상기 수학식의 n은 대수 SSRM 증폭기(10)에 적용된 대수 함수(logarithmic function)의 베이스(base)이고,
상기 수학식의 V_SSRM은 대수 SSRM 증폭기(10)에 의해 생성된 신호의 DC 성분이고,
상기 수학식의 Log_n(dV)는 프로브(2)의 접촉력 또는 바이어스 전압원(Vb)에 적용되는 변조의 주파수에서 대수 증폭기(10)에 의해 생성된 신호의 변조의 대수이고,
상기 수학식의 V_multiplier는 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인 상수이며,
상기 수학식의 플러스 또는 마이너스는 상기 바이어스 전압원(Vb)의 신호와 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인
디바이스.
제1항에 있어서,
상기 접촉력 또는 상기 바이어스 전압원을 구동(driving)하기 위한 구동 신호(drive signal, Vd)를 생성하는 회로를 더 포함하는 디바이스.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전류 경로에 포함되는 조정가능한(tuneable) 저항(30)을 더 포함하는 디바이스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기적 특성은 변조가 상기 접촉력에 적용될 때 상기 전류 경로의 저항의 변조 dR이고,
상기 V_multiplier는 log_n(ln10/g)이고, g는 정수인 디바이스.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디바이스는 SSRM 측정 셋업에 추가되는 전기적 장치(electrical apparatus)로서 생성되며,
상기 장치는 V_SSRM 및 dV를 나타내는 신호들을 수신하기 위한 입력 연결과 log_nA를 나타내는 신호를 전달(deliver)하기 위한 적어도 하나의 출력 연결을 포함하는
디바이스.
제5항에 있어서,
상기 dV를 나타내는 신호를 수신하기 위한 입력 연결은, 상기 신호를 실시간으로 생성하도록 배치된 록-인 증폭기(lock-in amplifier, 16)에 결합되는(coupled)
디바이스.
제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 수동 인터페이스(manual interfaces)를 더 포함하는
디바이스.
제7항에 있어서,
상기 수동 인터페이스는 측정되려는 전기적 파라미터를 선택할 수 있는 인터페이스를 포함하는
디바이스.
제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서,
±V_SSRM,± log_n(dV) and V_multiplier를 각각 나타내는 신호들을 수신하는 입력들을 포함하는 합산 회로(summing circuit, 20)를 포함하는
디바이스.
제9항에 있어서,
±V_SSRM을 나타내는 상기 신호 대신에 ±V_SSRM을 나타내는 신호를 수신하는 입력에 연결되는 기준 전압(reference voltage)을 허용(allow)하는
디바이스.
주사형 확산 저항 현미경(scanning spreading resistance microscopy, SSRM)을 위한 프로브(2), 상기 프로브에 의해 접촉된 테스트 샘플(1), 상기 테스트 샘플의 후면 접촉부(5), 바이어스 전압원(Vb) 및 대수 SSRM 증폭기(10)를 포함하는 전류 경로의 전기적 특성을 측정하기 위한 방법에 있어서,
상기 방법은,
사전 정의된 주파수에서의 변조를 상기 프로브의 접촉력(contact force) 또는 상기 바이어스 전압에 적용하는 단계,
대수 SSRM 증폭기(10)의 출력 전압 V_SSRM + dV 를 측정하는 단계, - V_SSRM은 상기 대수 SSRM 전압 증폭기에 의해 생성된 신호의 DC 성분이고, 상기 dV는 프로브의 접촉력 또는 바이어스 전압원에 적용되는 변조의 주파수에서 상기 대수 증폭기에 의해 생성된 신호의 변조임 -
록-인 증폭기(16)에 의해 dV를 결정하는 단계,
V_SSRM을 결정하는 단계,
수학식
에 의해서 실시간으로 대수 스케일의 전기적 특성을 계산하는 단계
를 포함하며,
상기 수학식의 A는 상기 전기적 특성이고,
상기 수학식의 n은 대수 SSRM 증폭기에 적용된 대수 함수(logarithmic function)의 베이스(base)이고,
상기 수학식의 V_multiplier는 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인 상수이며,
상기 수학식의 플러스 또는 마이너스는 상기 바이어스 전압원(Vb)의 신호와 측정되는 전기적 특성의 유형에 종속적인
방법.
제11항에 있어서,
변조는 상기 접촉력에 적용되며,
상기 전기적 특성은 상기 전류 경로의 저항의 변조 dR이고,
상기 V_multiplier는 log_n(ln10/g)이고, g는 정수인 방법.