[논문]급속 건식 열산화 방법에 의한 초박막 SiO2의 성장과 특성

정상현; 김광호; 김용성; 이수홍

doi:10.4313/jkem.2004.17.1.021

문제 정의

본 연구에서는 동상적으로 사용하는 산화로에 의한 열산화 방법보다 우수한 전기적 특성을 갖는 초 박막 SiO₂를 얻기 위해 급속 열처리 장치를 제작하여 이를 이용한 급속 건식 열산화 방법으로 실리콘 초박막 SiO₂ 를 제작하여 그 특성을 평가하였다. 초 박막의 산화 속도에 대한 결과는 가장 최근에 da Silva & Stosic[12]에 의해 제안된 이론적인 모델에 적용시켜 산화속도 모델을 논의하였으녀, 산화모델 의 대표적인 Deal-Grove 모델과 비교하였다.
또한, 850 ℃와 1050 ℃에서 성장한 SiOz의 경우 약간의 히스테리시스가 나타나지만 950 ℃ 에서 성장한 SiOz에서는 히스테 리시스가 거의 없는 양호한 계면 특성이 얻어짐을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 본 논문의 이 후에서는 급속 건식 열산화에 의해 950 ℃, 1기압 에서 성장한 SiOz박막에 관한 특성들에 관하여 논 의를 행하기로 한다.

제안 방법

C-V 곡선으로부터 산출된 11L6 A 산화막 두께를 갖는 MOS 커패 시터에 있어서 midgap 부근에서의 최소 계면 준위 민도는 6~ 10x10® /cm'eV로 양호하여 본 급속 건식 열산화법에 의해 성장한 산화막의 전기적 특성은 산업체에서 막대한 자금을 들여 엄격하게 곤+ 리하는 환경에서 얻어지는 특성에는 미치지 못하지만, 엄격하게 관리할 수 없는 대학 같은 연구기관에서는 유용한 방법이라고 판단하고 있다. 10 kHz CT/특성 결과를 초박막 산화물의 두께를 평가하는데 이용하였다. AI 거}이드 NMOS 구조에서 측정된 I-V 특성은 63.
8 nm 파장 의 ellipsometer와 C-V 특성에 의해 산출하였다. 10 kHz에서 1 MHz의 주파수 범위에서 C-V 측정 은 HP 4192A LCR meter를 이용하였고 HP 4140B pA meter는 MOS 커패시터의 누설전류 평가용 I-V 측정에 이용하였다.
반응로를 IxlO₆ Torr 이하 까지 유지한 후 산화용 고순도 산소를 넣어 동작 압력으로 안정화되면 할로겐램프에 전원을 인가함 으로써 급속 건식 열산화가 시작되며 산화 시간은 30초에서 20분까지 변화시켰다. SiO의 특성을 확 인하기 위해서 금속 shadow mask를 사용하여 열 증착법에 의해 알루미늄을 증착시켜 제작한 MOS 커패시터를 이용하였다. 게이트 전극의 면적은 3.
먼 저, 이 방법으로 제 작한 누설전류가 적은 적 정 한 두께를 갖는 산화막의 전기적 특성을 평가하였다. 그림 3에 급속 건식 열산화법에 의해 850, 950, 1050 ℃로 성장한 SiCb의 MOS 커패시터에 대한 1 MHz C-V 특성 곡선을 보인다.
건식산화 에 이용되는 고순도 산소 가스는 유량조절기 (MFC) 에 의해 정확히 조절하였다. 산화 실험은 각각 850, 950, 1050 ℃, 1 기압에서 수행하였다.
길이가 45 cm인 석영관 외부는 할로겐램프(220V, 1000W)를 위, 아래 5개씩 두어 열이 균일하게 시 료에 전달되도록 하였다. 석영관외부에는 금으로 코팅된 원통형 덮개로 덮어서 복사 에너지 효율을 향상시켰으며 원통형 덮개의 내부에는 냉각수가 순 환되도록 설계하였다. 진공 시스템은 석영관 내부 에서 실리콘 시료를 산화시키기 전에 잔류 가스 등의 오염을 최소화 하도록 오일 확산펌프로 1x106 Torr 이하까지 배기시키도록 실계하였다.
석영관외부에는 금으로 코팅된 원통형 덮개로 덮어서 복사 에너지 효율을 향상시켰으며 원통형 덮개의 내부에는 냉각수가 순 환되도록 설계하였다. 진공 시스템은 석영관 내부 에서 실리콘 시료를 산화시키기 전에 잔류 가스 등의 오염을 최소화 하도록 오일 확산펌프로 1x106 Torr 이하까지 배기시키도록 실계하였다. 건식산화 에 이용되는 고순도 산소 가스는 유량조절기 (MFC) 에 의해 정확히 조절하였다.
를 제작하여 그 특성을 평가하였다. 초 박막의 산화 속도에 대한 결과는 가장 최근에 da Silva & Stosic[12]에 의해 제안된 이론적인 모델에 적용시켜 산화속도 모델을 논의하였으녀, 산화모델 의 대표적인 Deal-Grove 모델과 비교하였다. 초박 막 sioysi 구조의 전기적인 특성은 전류-전압 (I-V), 용량-전압(C-V) 특성에 의해 평가하였다.
초 박막의 산화 속도에 대한 결과는 가장 최근에 da Silva & Stosic[12]에 의해 제안된 이론적인 모델에 적용시켜 산화속도 모델을 논의하였으녀, 산화모델 의 대표적인 Deal-Grove 모델과 비교하였다. 초박 막 sioysi 구조의 전기적인 특성은 전류-전압 (I-V), 용량-전압(C-V) 특성에 의해 평가하였다.

대상 데이터

그림 3. 850, 950, 1050 ℃ 에서 성장한 약 100 A 의 산화막으로 1 MHz에서의 MOS 커패 시터에 대한 C-V 특성.

이론/모형

:丄림 에서처 럼 축적 커패시턴스가 두 주파수에서 다르게 되는 주파수 의존 성은 주로 벌크 실리콘의 직렬저항 성분의 존재에 기인하는 것으로 알려져 있다[13]. 二/■러므로 본 연구에서는 ellipsometer로 평가한 박막의 두께 뿐 아니라 Maserjian0] 제안하는 방법에 따라 10 kHz C-V특성으로 초박막 산화물의 정확한 두께를 평가 하는데 이용하였다[13T4]. MOS 커패시터에서 측정된 산화막 누께는 약 33.
본 실험에 있어서 2 cmx2 cm 샘플의 9점을 ellipsometer로 즉정한 두께의 면내 uniformity는 대부분 1 % 이내였다. 각각의 삼각형, 사각형, 원형의 흑점들은 실험결과 이며, 각 온도에 해당하는 실선들은 나중에 논의하는 da Silva & Stosic 모델에 fitting 시킨 것이다. 산화막 두께는 시간에 따라 증가하고 있고, 온도의 증가에 따라 산화 속도가 급격히 증가하고 있는 바, 산화 온도에 따른 영향이 지배적임을 알 수 있 나.
초박막 실리콘 산화막을 30초에서 20분까지의 산하 시간동안에 850, 950, 1050 ℃ 1기압에서 급속 건식 열산화법에 의해 성장하였다. 본 연구의 급속 건식 열산화 과정에서 얻은 산화속도에 관한 실험 결과는 da Silva & Stosic에 의해 제안된 이론적 모델을 따르는 것으로 판명되었다. 850-1050 ℃의 온도범위에서 제작된 MOS 커패시터는 950 笆의 경우 히스테리시스가 거의 없는 양호한 SiOa-Si 계면 특성이 얻어짐을 확인하였다.
. 이러한 결과를 비교하기 위해 Deal-Grove 모델은 실선으로 보였다. (이론적인 적용 결과를 나타내는 파선과 실선은 다음에서 논 의한다.
초박막 실리콘 산화막을 30초에서 20분까지의 산하 시간동안에 850, 950, 1050 ℃ 1기압에서 급속 건식 열산화법에 의해 성장하였다. 본 연구의 급속 건식 열산화 과정에서 얻은 산화속도에 관한 실험 결과는 da Silva & Stosic에 의해 제안된 이론적 모델을 따르는 것으로 판명되었다.

성능/효과

본 연구의 급속 건식 열산화 과정에서 얻은 산화속도에 관한 실험 결과는 da Silva & Stosic에 의해 제안된 이론적 모델을 따르는 것으로 판명되었다. 850-1050 ℃의 온도범위에서 제작된 MOS 커패시터는 950 笆의 경우 히스테리시스가 거의 없는 양호한 SiOa-Si 계면 특성이 얻어짐을 확인하였다. C-V 곡선으로부터 산출된 11L6 A 산화막 두께를 갖는 MOS 커패 시터에 있어서 midgap 부근에서의 최소 계면 준위 민도는 6~ 10x10® /cm'eV로 양호하여 본 급속 건식 열산화법에 의해 성장한 산화막의 전기적 특성은 산업체에서 막대한 자금을 들여 엄격하게 곤+ 리하는 환경에서 얻어지는 특성에는 미치지 못하지만, 엄격하게 관리할 수 없는 대학 같은 연구기관에서는 유용한 방법이라고 판단하고 있다.
10 kHz CT/특성 결과를 초박막 산화물의 두께를 평가하는데 이용하였다. AI 거}이드 NMOS 구조에서 측정된 I-V 특성은 63.5 A 및 11L6A의 산화막 두께에서는 Fowler-Nordheim 터널링 전류가 지배적이고 33.6 A 및 41.0 A의 얇은 산화막 두께에서는 direct tunneling 전류가 지배적임을 확인하였다.
산화막 두께는 시간에 따라 증가하고 있고, 온도의 증가에 따라 산화 속도가 급격히 증가하고 있는 바, 산화 온도에 따른 영향이 지배적임을 알 수 있 나. 또한 본 연구에서 급속 건식 열산화 방법으로 성장시킨 SiOz는 나중에 실명하는 da Silva & Stosic 모델에 적용한 결과[12]와도 거의 잘 일치함 을 알 수 있다.
각각의 삼각형, 사각형, 원형의 흑점들은 실험결과 이며, 각 온도에 해당하는 실선들은 나중에 논의하는 da Silva & Stosic 모델에 fitting 시킨 것이다. 산화막 두께는 시간에 따라 증가하고 있고, 온도의 증가에 따라 산화 속도가 급격히 증가하고 있는 바, 산화 온도에 따른 영향이 지배적임을 알 수 있 나. 또한 본 연구에서 급속 건식 열산화 방법으로 성장시킨 SiOz는 나중에 실명하는 da Silva & Stosic 모델에 적용한 결과[12]와도 거의 잘 일치함 을 알 수 있다.
6 A인 MOS 구조의 경우, 절연 파괴 강도는 약 10MV/cm이었다. 이러한 전기적 특성을 열산화 온도가 1000℃ 이상인 기존의 발표된 결과[15]와 비교해 볼 때 Dn는 1.5~2배정 도, 절연파괴 강도는 1.5배 정도 차이를 보이지만 본 연구에서는 열산화 온도가 950笆라는 점을 감안 할 경우 비슷한 수준의 특성이라고 판단된다.

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