[학위논문]탄소 주입을 통한 CMOS 이미지 센서의 암전류 개선과 플라즈마 도핑의 선량 반복성 모니터링 연구 Improvement of Dark Current Using Carbon Implantation in CMOS Image Sensor and Dose Repeatability Monitoring Study of Plasma Doping원문보기
반도체 공정에서 많이 사용되는 이온 주입 기술(ion implantation technology)에 대해 다양한 방법으로 연구되고 있다. 특히, 트랜지스터(transistor)의 전기적 활성화뿐만 아니라, 반도체의 특성 개선을 위해 이온 주입 기술을 적용하고 있다. 본 논문에서는 이온 주입 기술을 활용해서 특성 개선을 위해 두 가지 연구를 진행했고, 다음과 같이 연구 내용을 요약하였다.
최근 고해상도 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) ...
반도체 공정에서 많이 사용되는 이온 주입 기술(ion implantation technology)에 대해 다양한 방법으로 연구되고 있다. 특히, 트랜지스터(transistor)의 전기적 활성화뿐만 아니라, 반도체의 특성 개선을 위해 이온 주입 기술을 적용하고 있다. 본 논문에서는 이온 주입 기술을 활용해서 특성 개선을 위해 두 가지 연구를 진행했고, 다음과 같이 연구 내용을 요약하였다.
최근 고해상도 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나, 픽셀 크기가 감소함에 따라 센서 이미지의 품질이 저하된다. 특히, 암전류(dark current)는 큰 잡음으로 작용하여 센서 이미지의 품질을 저하 시킬 수 있다. 트랩 상태(trap state)의 밀도를 줄여 암전류를 개선하기 위해 일반적으로 불소(fluorine) 이온 주입이 사용되었다. 하지만, 주입된 불소는 열처리 후에 실리콘 표면 외부로 확산되어 사라졌다. 본 논문에서는 탄소(carbon) 주입이 불소 확산에 미치는 영향과 CMOS 이미지 센서의 암전류 특성을 분석하였다. 탄소를 FD(floating diffusion) 영역의 N+ 영역에 5.0×10¹⁴ ions/㎠ 및 1.0×10¹⁵ ions/㎠의 선량(dose)으로 주입할 때 잔류불소 선량(retained fluorine dose)은 탄소 주입을 하지 않은 경우보다 각각 131% 및 242% 개선됨을 나타냈다. 탄소 주입의 농도가 높을수록 열처리 후 불소의 잔류 선량(retained dose)이 높아진다. 잔류불소 농도가 증가함에 따라 더 많은 Si-F 결합 형성으로 전자 또는 정공의 소수 캐리어(minority carrier)가 감소하여 면저항(sheet resistance)이 증가했다. 탄소에 1.0×10¹⁵ ions/㎠를 주입했을 때 불량 화소(hot pixel), 암전류(dark current), 일시적 잡음(temporal noise) 및 깜박임(flicker)이 탄소를 주입하지 않았을 때 비해 각각 25%, 9.4%, 1% 및 28%로 크게 개선되었다. 따라서, 탄소 주입을 통해 열처리 후 불소의 확산이 개선되어 암전류 특성이 개선될 수 있다.
반도체의 집적도가 높아질수록 구동 회로에 쓰이는 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistors) 특성 향상이 요구되고 있다. p-MOSFET에서 낮은 동작전압 및 누출전류, 높은 작동전류를 얻기 위해 N형 폴리 게이트(N type poly gate)를 P형 폴리 게이트(P type poly gate)로 전환하였다. 그러나, N형 폴리 게이트에 다량의 붕소(boron)를 주입하면서 게이트 하단의 산화막(oxide)에 붕소가 침투하여 p-MOSFET 문턱 전압(threshold voltage, Vt)에 영향을 주는 문제가 발생하였다. 특히, 플라즈마도핑(plasma doping) 에너지가 변함에 따라 문턱 전압에 큰 영향을 준다. 본 논문에서는 산화막에 침투한 붕소 농도를 모니터링(monitoring)할 수 있는 방법에 관해 연구하였다. 즉, 양산에서는 농도를 측정할 수 있는 장비가 없어서 플라즈마 도핑 및 세정(cleaning) 후 남아 있는 손상 층(damaged layer)의 두께로 붕소 농도를 대신 할 수 있는지 분석하였다. 도핑 에너지와 산화막의 붕소 농도 상관관계를 보면 R²이 0.99로 연관성이 매우 강하다는 것을 나타냈다. 그리고, 도핑 에너지와 손상 층의 두께의 상관관계도 R²이 0.97로 연관성이 매우 강하다는 것으로 나타났다. 마지막으로 손상 층의 두께와 p-MOSFET 문턱 전압의 상관관계를 보면 R²이 0.92로 연관성이 매우 강하다는 것을 알 수 있었다. 결론적으로, 도핑 에너지와 산화막에 투과된 붕소 농도, 도핑 에너지와 손상 층의 두께, 그리고, 손상 층의 두께와 p-MOSFET 문턱 전압과의 상관관계가 모두 성립하기 때문에 산화막으로 투과된 붕소 농도의 측정을 대신해서 손상 층의 두께 측정으로 모니터링을 대체할 수 있다.
반도체 공정에서 많이 사용되는 이온 주입 기술(ion implantation technology)에 대해 다양한 방법으로 연구되고 있다. 특히, 트랜지스터(transistor)의 전기적 활성화뿐만 아니라, 반도체의 특성 개선을 위해 이온 주입 기술을 적용하고 있다. 본 논문에서는 이온 주입 기술을 활용해서 특성 개선을 위해 두 가지 연구를 진행했고, 다음과 같이 연구 내용을 요약하였다.
최근 고해상도 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나, 픽셀 크기가 감소함에 따라 센서 이미지의 품질이 저하된다. 특히, 암전류(dark current)는 큰 잡음으로 작용하여 센서 이미지의 품질을 저하 시킬 수 있다. 트랩 상태(trap state)의 밀도를 줄여 암전류를 개선하기 위해 일반적으로 불소(fluorine) 이온 주입이 사용되었다. 하지만, 주입된 불소는 열처리 후에 실리콘 표면 외부로 확산되어 사라졌다. 본 논문에서는 탄소(carbon) 주입이 불소 확산에 미치는 영향과 CMOS 이미지 센서의 암전류 특성을 분석하였다. 탄소를 FD(floating diffusion) 영역의 N+ 영역에 5.0×10¹⁴ ions/㎠ 및 1.0×10¹⁵ ions/㎠의 선량(dose)으로 주입할 때 잔류불소 선량(retained fluorine dose)은 탄소 주입을 하지 않은 경우보다 각각 131% 및 242% 개선됨을 나타냈다. 탄소 주입의 농도가 높을수록 열처리 후 불소의 잔류 선량(retained dose)이 높아진다. 잔류불소 농도가 증가함에 따라 더 많은 Si-F 결합 형성으로 전자 또는 정공의 소수 캐리어(minority carrier)가 감소하여 면저항(sheet resistance)이 증가했다. 탄소에 1.0×10¹⁵ ions/㎠를 주입했을 때 불량 화소(hot pixel), 암전류(dark current), 일시적 잡음(temporal noise) 및 깜박임(flicker)이 탄소를 주입하지 않았을 때 비해 각각 25%, 9.4%, 1% 및 28%로 크게 개선되었다. 따라서, 탄소 주입을 통해 열처리 후 불소의 확산이 개선되어 암전류 특성이 개선될 수 있다.
반도체의 집적도가 높아질수록 구동 회로에 쓰이는 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistors) 특성 향상이 요구되고 있다. p-MOSFET에서 낮은 동작전압 및 누출전류, 높은 작동전류를 얻기 위해 N형 폴리 게이트(N type poly gate)를 P형 폴리 게이트(P type poly gate)로 전환하였다. 그러나, N형 폴리 게이트에 다량의 붕소(boron)를 주입하면서 게이트 하단의 산화막(oxide)에 붕소가 침투하여 p-MOSFET 문턱 전압(threshold voltage, Vt)에 영향을 주는 문제가 발생하였다. 특히, 플라즈마 도핑(plasma doping) 에너지가 변함에 따라 문턱 전압에 큰 영향을 준다. 본 논문에서는 산화막에 침투한 붕소 농도를 모니터링(monitoring)할 수 있는 방법에 관해 연구하였다. 즉, 양산에서는 농도를 측정할 수 있는 장비가 없어서 플라즈마 도핑 및 세정(cleaning) 후 남아 있는 손상 층(damaged layer)의 두께로 붕소 농도를 대신 할 수 있는지 분석하였다. 도핑 에너지와 산화막의 붕소 농도 상관관계를 보면 R²이 0.99로 연관성이 매우 강하다는 것을 나타냈다. 그리고, 도핑 에너지와 손상 층의 두께의 상관관계도 R²이 0.97로 연관성이 매우 강하다는 것으로 나타났다. 마지막으로 손상 층의 두께와 p-MOSFET 문턱 전압의 상관관계를 보면 R²이 0.92로 연관성이 매우 강하다는 것을 알 수 있었다. 결론적으로, 도핑 에너지와 산화막에 투과된 붕소 농도, 도핑 에너지와 손상 층의 두께, 그리고, 손상 층의 두께와 p-MOSFET 문턱 전압과의 상관관계가 모두 성립하기 때문에 산화막으로 투과된 붕소 농도의 측정을 대신해서 손상 층의 두께 측정으로 모니터링을 대체할 수 있다.
Ion implantation technology, which are widely used in semiconductor processes, are being studied in various ways. In particular, ion implantation technology is applied to not only electrically activate transistors but also to improve semiconductor characteristic. In this paper, two studies were cond...
Ion implantation technology, which are widely used in semiconductor processes, are being studied in various ways. In particular, ion implantation technology is applied to not only electrically activate transistors but also to improve semiconductor characteristic. In this paper, two studies were conducted to improve characteristic using ion implantation technology, and the study contents were summarized as follows.
Recently, the demand of a high resolution complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensor is dramatically increasing. As the pixel size reduces to submicron, however, the quality of the sensor image decreases. In particular, the dark current can act as a large noise source resulting in reduction of the quality of the sensor image. Fluorine ion implantation was commonly used to improve the dark current by reducing the trap state density. However, the im-planted fluorine diffused to the outside of the silicon surface and disappeared after annealing process. In this paper, we analyzed the effects of carbon implantation on the fluorine diffusion and the dark current characteristics of the CMOS image sensor. As the carbon was implanted with dose of 5.0×10¹⁴ and 1×10¹⁵ ions/㎠ in N+ area of FD region, the retained dose of fluorine was improved by more than 131% and 242%, respectively than no carbon implantation indicating that the higher concentration of the carbon implantation, the higher the retained dose of fluorine after annealing. As the retained fluorine concentration increased, the minority carriers of electrons or holes decreased by more Si-F bond formation, resulting in increasing the sheet resistance. When carbon was implanted with 1.0×10¹⁵ ions/㎠, the defective pixel, dark current, transient noise, and flicker were much improved by 25%, 9.4%, 1%, and 28%, respectively compared to no carbon implantation. Therefore, the diffusion of fluorine after annealing could be improved by the carbon implantation leading to improvement of the dark current characteristics.
As the degree of integration of semiconductors increases, it is required to improve characteristics of MOSFETs used in driving circuits. In order to obtain a low operating voltage, leakage current, and high operating current in a p-MOSFET, an N-type poly gate is converted to a P-type poly gate. However, while a large amount of boron is implanted into the n-type poly gate, boron penetrates into the oxide film at the bottom of the gate and affects the p-MOSFET threshold voltage (Vt). In particular, as the plasma doping energy changes, the threshold voltage is greatly affected. In this paper, a method for monitoring the concentration of boron penetrating into the oxide film was studied. That is, since there is no equipment capable of measuring the concentration in mass production, it was analyzed whether the thickness of the damaged layer remaining after plasma doping and cleaning could replace the concentration of boron penetrating into the oxide film. Looking at the correlation between the doping energy and the boron concentration of the oxide film, R² was 0.99, indicating a very strong correlation. Also, the correlation between the doping energy and the thickness of the damaged layer was found to be very strong with an R² of 0.97. Finally, looking at the correlation between the thickness of the damage layer and the p-MOSFET threshold voltage, it can be seen that R² is 0.92, indicating a very strong correlation. In conclusion, it was proved that the correlation between the thickness of the damage layer and the doping energy, the doping energy and the boron concentration in the oxide layer, and the thickness of the damage layer and the p-MOSFET threshold voltage are all very strong. Therefore, monitoring can be replaced by measuring the thickness of the damaged layer instead of measuring the concentration of boron penetrating into the oxide film.
Ion implantation technology, which are widely used in semiconductor processes, are being studied in various ways. In particular, ion implantation technology is applied to not only electrically activate transistors but also to improve semiconductor characteristic. In this paper, two studies were conducted to improve characteristic using ion implantation technology, and the study contents were summarized as follows.
Recently, the demand of a high resolution complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensor is dramatically increasing. As the pixel size reduces to submicron, however, the quality of the sensor image decreases. In particular, the dark current can act as a large noise source resulting in reduction of the quality of the sensor image. Fluorine ion implantation was commonly used to improve the dark current by reducing the trap state density. However, the im-planted fluorine diffused to the outside of the silicon surface and disappeared after annealing process. In this paper, we analyzed the effects of carbon implantation on the fluorine diffusion and the dark current characteristics of the CMOS image sensor. As the carbon was implanted with dose of 5.0×10¹⁴ and 1×10¹⁵ ions/㎠ in N+ area of FD region, the retained dose of fluorine was improved by more than 131% and 242%, respectively than no carbon implantation indicating that the higher concentration of the carbon implantation, the higher the retained dose of fluorine after annealing. As the retained fluorine concentration increased, the minority carriers of electrons or holes decreased by more Si-F bond formation, resulting in increasing the sheet resistance. When carbon was implanted with 1.0×10¹⁵ ions/㎠, the defective pixel, dark current, transient noise, and flicker were much improved by 25%, 9.4%, 1%, and 28%, respectively compared to no carbon implantation. Therefore, the diffusion of fluorine after annealing could be improved by the carbon implantation leading to improvement of the dark current characteristics.
As the degree of integration of semiconductors increases, it is required to improve characteristics of MOSFETs used in driving circuits. In order to obtain a low operating voltage, leakage current, and high operating current in a p-MOSFET, an N-type poly gate is converted to a P-type poly gate. However, while a large amount of boron is implanted into the n-type poly gate, boron penetrates into the oxide film at the bottom of the gate and affects the p-MOSFET threshold voltage (Vt). In particular, as the plasma doping energy changes, the threshold voltage is greatly affected. In this paper, a method for monitoring the concentration of boron penetrating into the oxide film was studied. That is, since there is no equipment capable of measuring the concentration in mass production, it was analyzed whether the thickness of the damaged layer remaining after plasma doping and cleaning could replace the concentration of boron penetrating into the oxide film. Looking at the correlation between the doping energy and the boron concentration of the oxide film, R² was 0.99, indicating a very strong correlation. Also, the correlation between the doping energy and the thickness of the damaged layer was found to be very strong with an R² of 0.97. Finally, looking at the correlation between the thickness of the damage layer and the p-MOSFET threshold voltage, it can be seen that R² is 0.92, indicating a very strong correlation. In conclusion, it was proved that the correlation between the thickness of the damage layer and the doping energy, the doping energy and the boron concentration in the oxide layer, and the thickness of the damage layer and the p-MOSFET threshold voltage are all very strong. Therefore, monitoring can be replaced by measuring the thickness of the damaged layer instead of measuring the concentration of boron penetrating into the oxide film.
Keyword
#Implantation Carbon Fluorine Diffusion Dark Current Plasma Doping Damaged layer p-MOSFET Vt
학위논문 정보
저자
채수영
학위수여기관
서울과학기술대학교
학위구분
국내박사
학과
나노IT융합공학과
지도교수
좌성훈
발행연도
2022
총페이지
viii, 102 p.
키워드
Implantation Carbon Fluorine Diffusion Dark Current Plasma Doping Damaged layer p-MOSFET Vt
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