Amplitude Modulation Imaging Technique Using the Tip-on-Gate of Field-Effect-Transistor Probe

Abstract

주사탐침현미경 (Scanning probe microscopy, SPM) 기술은 외팔보 끝의 첨예한 팁과 시료 사이에 발생하는 상호작용을 측정하여 높은 분해능의 이미지를 측정하는 현미경 기술이다. 2000년 대 후반, SPM 기술의 파생 기술로써 metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET)를 외팔보 끝에 탑재한 구조의 프로브를 사용하는 SPM 기술이 보고되었다. Tip-on-Gate Field-Effect-Transistor (ToGoFET) 프로브라 명명된 해당 프로브는 표면의 형상을 측정하는 기능과 동시에 표면의 전기적 특성을 시각화하는 기능을 갖는다. 팁이 접촉한 시료 표면의 전기적 특성이 팁의 전압 변화를 야기하며, 팁 아래 위치한 MOSFET이 팁에 유도된 전압을 증폭시켜 높은 민감도의 측정을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, MOSFET의 동작 특성을 차용하여 높은 속도의 측정이 가능할 것으로 기대되었다. 한편 기존의 전기적 특성 측정을 위한 SPM 기술들은 팁과 외팔보 구조를 포함한 전면에 메탈이 코팅된 형태의 프로브를 사용한다. 다만, 해당 형상의 프로브를 이용한 SPM 측정에서 팁 외의 영역과 샘플이 형성하는 표류 정전용량 (Stray capacitance)에 의한 이미지의 왜곡은 꾸준히 지적되어 온 문제이다. 하지만, ToGoFET 프로브는 팁 아래 위치한 MOSFET에서 측정 신호가 증폭되기 때문에, 표류 정전용량에 의해 발생하는 신호의 영향으로부터 자유로울 수 있다. 본 연구는 ToGoFET 프로브의 개발의 후속 연구로, 선행 연구의 결과를 바탕으로 구동 방식에 대한 분석과 공정에서의 문제들을 해결함으로써 경쟁력있는 수준의 측정 성능을 가지는 SPM 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 선행 연구에서 지적된 ToGoFET 프로브 기술의 문제점은 크게 2 가지이다. 첫 번째는 구동 방식에 대한 문제이다. 개발 초기의 DC 바이어스 기반 ToGoFET 프로브 기술은 시료의 기준 전극에 DC 전압을 인가하여, 팁이 접촉한 시료의 국부 영역과의 상호 작용의 변화를 실시간으로 관측할 수 있도록 구동하였다. 하지만, 시료에 직류 전압을 인가하는 방식의 ToGoFET 프로브 측정은 측정 신호와 탑재된 MOSFET의 플리커 노이즈 (flicker noise)를 구분하는 것이 어려우며, 또한 높은 전기적 임피던스를 가지는 표면 측정 시 게이트가 플로팅되어 신호가 불안정해지는 문제를 갖는다. 두 번째 ToGoFET 프로브의 문제점은 제작 공정에서 발생하는 MOSFET 구조의 성능 열화이다. 기존의 공정은 금속 재료의 게이트를 포함하는 MOSFET을 제작하였으며 이에 따라 게이트 산화막의 열화와 패턴 정렬 오차 등의 문제가 발생했다. 뿐만 아니라, 후속으로 진행되는 외팔보 구조의 제작 과정에서 MOSFET의 게이트가 노출되어 있어 추가적인 성능 열화를 피할 수 없었다. 이에 따라, 실제 탑재된 MOSFET 특성 평가 실험에서 예상 보다 낮은 트랜스컨덕턴스 (transconductance)와 과도한 게이트 누설 전류가 측정되었다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 본 연구에서는 적절한 ToGoFET 프로브의 구동 방식에 대한 분석과 성능 열화를 막기 위한 공정 개선을 수행하였다. ToGoFET 프로브의 구동 방식을 분석하기 위해서 측정 감도에 대한 이론적 모델을 제시하였다. 모델은 시료의 기준 전극부터 시료의 표면과 MOSFET의 기판 까지를 포함하며, 각 영역의 전기적 임피던스를 고려하여 시료의 기준 전극에서 게이트로 전달되는 전압에 대한 해석을 수행하였다. 시료의 기준 전극에서 게이트로 전달되는 전압을 나타내는 전달 함수는 시료를 구성하는 재료나 형상, 그리고 팁이 접촉한 위치 등에 따라 바뀌며 전달 함수의 변화가 MOSFET의 전압-전류 변환 특성 (트랜스컨덕턴스)에 의해 증폭되어 측정되는 이미지의 대비로 표현된다. 시료의 종류를 단순화하여 전달 함수를 유도함으로써 ToGoFET 프로브의 감도를 분석하였으며, 결과적으로 DC 바이어스 기반의 측정 방식은 높은 전기적 임피던스를 갖는 시료 측정에 있어 게이트 영역의 전압 변화에 긴 응답시간이 요구되며, 뿐만 아니라, 측정에 영향을 주는 시료의 저항이 팁과 시료 사이의 접촉 조건에 따라 크게 바뀌어 측정에 적절하지 않다고 판단되었다. 반면, 샘플에 교류 전압을 인가하는 AC 바이어스 기반 측정 방식은 적절한 주파수 대역에서 측정 감도가 팁과 시료의 기준 전극 사이의 국부 정전용량 (local capacitance, C_local)과 강한 상관관계를 가지는 신호를 출력하기 때문에 응답 속도가 빠르며 접촉 상태에 크게 영향을 받지 않을 수 있다. 뿐만 아니라, MOSFET에 내재된 플리커 노이즈를 측정신호로부터 분리할 수 있어 더 높은 신호 대 잡음비를 가지는 이미징을 수행할 수 있을 것이라고 판단하였다. MOSFET의 제작 공정에서는 금속 재질의 게이트를 폴리 실리콘 재질의 게이트로 수정하였다. 이를 통해, 게이트는 소스, 드레인 영역과 자동으로 정렬되어 정렬 오차가 감소하였으며, 뿐만 아니라 채널 영역의 실리콘 표면이 노출되는 시간을 최소화할 수 있었다. 또한 실리콘 기판의 접지를 위한 바디(body) 전극을 형성하여 기판의 전압을 안정적으로 정의하고자 하였으며, 제작된 소자는 층간 절연막 (inter-layer dielectric, ILD)로 절연되어 후속 공정에서 발생할 수 있는 소자 영역의 손상을 최소화하였다. 결과적으로 제작된 소자의 특성 평가를 통해 트랜스컨덕턴스가 선행 연구 대비 177 μA⁄V 에서 412 μA⁄V로 증가한 것을 확인하였으며, 게이트의 누설 전류 역시 측정 감도에 영향을 주지 않는 것을 확인하였다. 이미징 실험에 앞서, 프로브의 특성 평가를 위한 실험들이 수행되었다. 우선 ToGoFET 프로브가 의도한 바와 같이 동작하는지 확인하기 위하여 금속 재질의 표면에 ToGoFET 프로브의 팁을 접촉시킨 후, 전류-전압 전달 특성을 측정하였다. 측정 결과, 탑재된 MOSFET의 전달 특성과 시료로부터 전달되는 전류-전압 전달 특성이 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 표면에 산화막이 증착된 시료에 대하여 시료에서 프로브를 통해 흐르는 교류 전류의 크기를 측정하여 ToGoFET 프로브에서의 표류 정전용량의 영향을 확인하였다. 금속이 전면에 코팅된 상용 프로브로 동일한 측정을 수행하여, ToGoFET 프로브 측정에서는 국부 영역의 신호가 증폭되어 상대적으로 표류 정전용량의 영향을 크게 낮출 수 있음을 확인하였다. 최종적으로 ToGoFET 프로브를 이용한 이미지 측정 실험이 수행되었다. 측정 실험은 전압이 인가된 금속 패턴, 산화막 내부의 금속 패턴, 그리고 실리콘의 도핑 패턴에 대해 수행되었다. 첫 번째 실험인 전압이 인가된 금속 패턴의 이미징 실험은 특성 평가 실험에서 수행한 금속 표면 측정의 확장으로 팁과 전도성 팁 사이의 저항이 매우 낮아 높은 감도로 전극 패턴을 이미징 할 수 있음을 확인하였다. 두 번째 산화막 내부의 전극 패턴 측정 실험에서는 400-nm 두께의 산화막 내부에 묻혀 있는 전극 패턴의 이미징을 수행하였다. 측정을 통해 팁과 시료 사이의 정전용량에 강한 상관관계를 가지는 이미지를 얻을 수 있었다. 뿐만 아니라, 선행 연구에서 동일한 시료에 대해 측정한 이미지와의 라인 프로파일을 비교하여 이미지의 신호 대 잡음비가 최대 20배 향상되었음을 확인하였다. 마지막으로, static random access memory (SRAM)의 도핑 패턴에 대한 측정이 수행되었다. 이는 해당 측정에서는 ToGoFET 프로브를 이용하여 도핑 농도에 따라 바뀌는 팁과 실리콘 표면 사이의 국부 정전용량을 이미징할 수 있음을 확인하였다. 측정된 이미지로부터 도핑 농도에 따라 확연히 구분되는 대비를 가지는 이미지를 얻을 수 있었으며, 정전용량의 미분 값 (dC⁄dV)을 보여주는 scanning capacitance microscopy (SCM) 이미지와는 다른 대비를 가지는 이미지를 제공함으로써 반도체 재료에 대한 분석을 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 ToGoFET 프로브의 구동 방식 변경과 제작 공정의 개선을 통하여 측정 성능을 향상시켰으며, 여러 종류의 재료에 대한 이미징을 통해 ToGoFET 프로브의 응용 범위를 확장시켰다. 다양한 측정 결과를 통해 ToGoFET 프로브의 측정 성능의 경쟁력을 확인할 수 있었으며, ToGoFET 프로브를 이용한 이미징 기술이 다양한 연구, 특히 반도체 소자 평가에 활발하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

The scanning probe microscopy (SPM) technology enables simultaneous measurement of surface electrical properties as well as surface topography with ultra-high resolution, and the tip-on-gate of field-effect-transistor (ToGoFET) probe has been developed as an SPM tool to rapidly image surface electrical properties. However, the high sensitivity inherited from the metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET), as well as the measurement speed, gives the ToGoFET a potential as an excellent SPM technology for the general purpose related with electrical properties. In this thesis, an improvement of the imaging technique using the ToGoFET probe by adopting the signal process based on the amplitude modulation is presented. Several experiments not only verify the performance improvement, but also provide an opportunity to identify the characteristic of the probe and find its originality. This follow-up study starts to revisit the theoretical model for the ToGoFET probe, points out issues in previous results. According to the review, the ToGoFET probe imaging with DC bias cannot avoid signal drift during scanning and desensitization caused by the presence of the leakage current, and an operation based on amplitude modulation scheme is suggested for the modification. To improve the built-in MOSFET, the design and fabrication process are modified, and several parameters extracted from the measured I-V curves clearly show the improvement in the quality of the MOSFET. As an example, the transconductance value at the operating point, which directly affect the sensitivity, increases from 177 μA/V to 412 μA/V. The subsequent characterization experiments using the completed probe perform proof-on-concept of the ToGoFET probe. The notable results from the characterization experiments are that the built-in MOSFET follows the measured I-V characteristics when the probe is in contact with sample surface, and that the measured signal is free from the influence of the stray capacitance. The actual case studies are conducted for three types of the materials (metal, oxide, semiconductor), and each result demonstrates the ability of the ToGoFET probe to analyze each material. In the oxide sample imaging, signal-to-noise ratio (SNR) increases by up to 20 times, compared with results from the previous study on same sample. Also, the changes in capacitance for the humps of the oxide film with a width of 184 nm and a height of 7 nm can be observed in the ToGoFET image. In the semiconductor imaging, the doping regions of the static random access memory are clearly visualized, and the results suggest that the ToGoFET probe has the potential to be an useful SPM technique for dopant concentration analysis.