반도체는 집적 기술 이외에도 소자를 분석하는 기술이 매우 중요합니다. 일반적으로 소자의 특성을 이해하고 품질을 향상시키기 위해 분석을 진행합니다. 반도체가 더욱 발전하기 위해서는 시료의 성분 분석, 표면 분석, 결정성 등을 파악하는 것이 매우 중요합니다. 이를 통해 설계, 공정, 품질 개선이 가능합니다. 이번 글에서는 미세 반도체 소자의 시료 성분 분석에 필요한 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscope), XRD(X-ray Diffraction), XRR(X-ray Reflectometer), SR(Spectroscopic Reflectometer)에 대해 상세히 알아보겠습니다.
XPS 원리 및 특징
XPS는 시료 표면에 특성 X-Ray를 조사하여 방출되는 광전자의 운동에너지를 통해 결합에너지를 측정하는 원리입니다.
1)시료 표면의 구성 원소 및 표면 조성(결합 상태) 분석할 수 있습니다.
2) 수소, 헬륨 제외 모든 원소를 검출할 수 있습니다.
3) 비파괴 분석으로 빠른 속도로 분석할 수 있습니다.
4) 에너지원으로 X-ray를 사용하기 때문에 절연체에 적용할 수 있으며, 도체 및 반도체 절연막도 분석할 수 있습니다.
5) Ion Beam이 표면을 식각하는 파괴 방식을 이용하면 깊이에 따른 박막 조성 분포 측정도 가능합니다.
XPS 분석 결과 및 해석
Wide Scan (Survey Spectrum)
시료 표면의 정성적, 정량적 분석이 가능하며, 피크의 결합에너지 위치와 강도를 이용해 시료 표면의 구성 원소 및 조성을 분석할 수 있습니다.
Narrow Scan (High-Resolution Spectrum)
시료 표면의 결합 형태를 분석할 수 있으며, 화학적 결합 상태에 따라 결합 에너지의 위치가 달라지는 화학적 이동 현상을 이용해 표면 원소의 결합 형태를 분석할 수 있습니다.
Depth Profile
Ar Ion beam을 이용한 스퍼터링을 통해 깊이 방향으로 성분 분석을 진행할 수 있으며, 다층 구조의 박막 분석도 가능합니다.
XRD 원리 및 특징
XRD는 시료에 고에너지의 X선을 조사하여 결정격자와 부딪혀 회절되어 나오는 파장을 검출하는 원리입니다. Bragg 조건을 만족하는 보강간섭이 발생할 때 Diffraction Peak이 발생하여 격자상수, 결정구조, 면 간 거리 등 여러 가지 구조 정보를 얻을 수 있습니다. 주로 벌크 시료를 측정하지만, 박막 표면 분석도 가능합니다.
XRD 분석 결과 및 해석
θ-2θ Method vs 2θ Method
X선 입사각이 낮아질수록 Glass Peak이 감소하고, Si Peak이 선명해지는 것을 확인할 수 있습니다
증착 온도별 ZrO2 film의 결정성 (2θ Method, GIXRD)
증착(ALD) 온도가 증가할수록 결정화되어 피크가 선명해지는 것을 알 수 있습니다. (X선 입사각 = 0.5°)
Al film의 결정성(θ Method, Rocking curve)
Detector 고정 후, 시료를 각도 ω만큼 회전하여 측정하면 시료 내 그레인의 정렬이 좋으면 Bragg 조건을 만족하는 각도에서 강한 피크가 나타납니다.
[반도체] 비 전공자도 쉽게 이해하는 SEM, TEM, XPS, XRD, SIMS, TOF-SIMS 분석 기술
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