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sMIM(Scanning Microwave Impedance Microscopy)은 새로운 SPM(Scanning Probe Microscopy) 기술로써 기존의 SCM(Scanning Capacitance Microscopy) 방식을 대체한다. 이 새로운 sMIM 기술은 SCM와 마찬가지로 반도체에 주입된 도판트 구조에 대한 정보를 알아내는데 쓰인다.

sMIM 기술을 이용하면 전통적인 dC/dV SCM 이미지를 얻을 수 있는데 이것을 통해 도판트 타입이나 교차지점의 위치 등을 파악할 수 있다. 더불어 sMIM-C, sMIM-R과 같은 정보를 얻게 된다. sMIM-C 신호 강도는 유전율(permittivity)/전기용량(capacitance) 수치에 따라 비례하는데 반도체 샘플의 경우에는 캐리어 집약 정도에 따라 달라진다. 집약도가 높은 물질은 낮은 물질에 비해 팁과 샘플이 접촉하는 부위에 전기용량이 낮다. sMIM-R 채널은 샘플의 전도성에 대한 정보를 제공한다.

칩웍스는 최근 미국 캘리포니아주 팔로알토에 위치한 프라임나노와 파트너십을 맺었다. 프라임나노는 sMIM 기술을 공급하고 있다. 이번 파트너십을 통해 프라임나노의 스캔웨이브(ScanWave) sMIM 기술을 브루커(Bruker) SPM에 추가했으며 최근에 오래곤주 포틀랜드에서 열린 ‘International Symposium for Testing and Failure Analysis(ISTFA) 2015’ 컨퍼런스에 공동으로 논문을 발표를 하기도 했다. 논문 내용을 아래에 간략하게 소개한다.

프라임나노의 스캔웨이브 sMIM 기술은 <그림1>에 나와 있는 것처럼 특수하게 코팅된 SPM 프로브를 통해 3GHz의 초극단파를 보낸다. 프로브 끝에 생기는 근거리 전기자기장은 샘플 표면과 반응하게 되고 초극단파의 일부가 반사되어 코팅된 경로를 통해 탐지 장치로 되돌아오는 구조이다. sMIM 전자 장치의 높은 감도와 코팅된 프로브가 함께 쓰임으로써 정전용량을 sMIM-C의 방식으로 직접적으로 측정할 수 있게 됐다. 이는 비해 전통적인 SCM은 도핑된 샘플에서 정전 반응을 추출하는 록인(lock-in) 기술을 써야한다.

sMIM, 선형과 비선형적 데이터 동시에 측정
sMIM이 제공하는 부가적인 정보는 매우 유용하다. 이미지 대비는 더 분명하고 샘플을 준비하는 과정에서 발생하는 인공결함은 덜 발생한다. 결과적은 데이터를 더 빨리 추출할 수 있으며 이미지 품질도 좋다.

sMIM은 선형적(금속과 유전체) 또는 비선형적(도핑된 반도체) 데이터를 동시에 측정할 수 있어 유전 물질과 금속 속성의 변화에 대한 정보를 얻을 수 있게 된다. 도핑된 반도체 샘플일 경우 sMIM- C 신호는 캐리어 집중도에 대해 단조롭게 나타나며 장치의 도판트 구조에 대한 어느 정도 정량적 프로파일링 용도로 쓰일 수 있다.

칩웍스의 ISTFA 논문은 프라임나노와의 공동작업이었다. 이 논문에서 sMIM 하드웨어에서 동시에 측정할 수 있는 dC/dV- phase와 dC/dV-amplitude 그리고 sMIM-C 신호를 비교하고 대비시켜 보았다. 논문에는 옴니비전 OV2D7AG의 픽셀의 횡단면과 평면도 이미지가 포함되어 있다.

옴니비전 OV2D7AG는 아마존 파이어폰에 내장된 CMOS 이미지센서(CIS)이며 전면 광택을 가지고 있디. 지역적으로 발생하는 CV 커브도 측정했다. <그림2>는 OV2D7AG의 평면도와 횡단면 SEM 이미지를 보여주고 있다. 횡단면도는 픽셀 어레이를 대각선으로 가로지르며 픽셀 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 포함하고 있다.

OV2D7AG 표면은 표면 근처를 드러내기 위해 매우 약하게 경사각을 주었는데 이를 sMIM로 스캐닝한 결과가 <그림3>이다. 이 세 개의 신호는 동시에 측정됐다. 일반적인 픽셀 배열은 세 이미지에서 분명히 확인할 수 있다.

dC/dV 신호는 AC 바이어스를 팁-샘플 인터페이스에 적용한 다음 록인 증폭기를 써서 얻을 수 있다. dC/dV-phase 신호(A)는 현미경의 스캐닝 프로브 아래에 있는 캐리어 타입에 대한 정보를 제공한다. P-타입 물질은 양성 신호(파랑-보라)를 주고 N-타입 물질은 음성 신호(노랑)를 준다. 너무 강하게 도핑이 되거나 전혀 되지 않은 경우에는 무효값(주황색)을 준다.

도판트 구조 초미세 해상도로 제공
dC/dV-amplitude 신호(B)는 캐리어 집중도와 관계가 있다. 그러나 진폭 신호는 단조로운 형태로 도판트 레벨과 관계가 있는 것이 아니다. 앞서 언급했듯이 sMIM-C 신호(C)는 캐리어 집중도에 따라 단조롭게 변화를 보인다. 비전도 물질은 약한 신호를 강하게 도핑된 물질은 강한 신호를 보낸다.

<그림4>는 OV2D7AG 픽셀 구조의 횡단면 sMIM 이미지이다. N-타입 광전음극이 dC/dV-phase 이미지에서(A) 노란색으로 선명하게 보인다. 얇은 P-피닝 레이어가 광전음극과 그 위에 위치한 유전 물질 사이에 위치하고 있다. 광전음극과 P-피닝 구조는 dC/dV-amplitude(B)와 sMIM-C(C) 이미지에서도 관찰 된다. 이 결과에 대한 더 자세한 내용은 ISTFA 2015 논문에 담겨져 있다.

sMIM은 대단히 흥미로운 신기술이다. 도판트 구조와 특히 교차점 위치에 대한 정보 및 초미세 공간 해상도를 제공한다. 이 기술은 전통적 SCM의 기능을 확장하며 sMIM-C를 포함한 몇몇 다른 이미징 채널의 추가로 인해 도판트 집중도에 대한 정보를 제공하고 dC/dV-phase 신호가 제공하는 도판트 타입에 대한 정보를 보완한다. sMIM의 큰 장점은 전통적인 SCM 이미지 상 PN 교차점에서 자주 나타나는 비선형적 인공결함이 제거된다는 것이다.

특히 sMIM은 CIS 업체에게 가치 있는 기술이다. 특허 중 도판트 구조를 포함하고 있는 것을 보호하는 것은 항상 어려운 일이었다. 이는 SRP (Spreading Resistance Profiling) 또는 SIMS(Secondary Ion Mass Spectro metry) 등의 전통적인 도판트 프로파일링 방식으로는 충분히 구조적 해상도를 얻기 힘들었기 때문이다.

전통적인 SCM 방식은 도판트 레벨에 대한 정보를 주지 않는다. sMIM 기술은 리버스 엔지니어링으로 전통적인 SCM보다 더 확실한 구조적 해상도와 일정 정도 도판트 레벨에 대한 정보를 제공해 특허를 뒷받침할 수 있다. 특허의 범위를 확장할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

<B.드레비녹·딕슨 워렌 칩웍스 연구원, O.암스텔 프라임나노, 김영심 칩웍스코리아 이사> yskim@chipworks.com