[논문]수소 및 중수소가 포함된 실리콘 산화막의 전기적 스트레스에 의한 열화특성

이재성; 백종무; 정영철; 도승우; 이용현

doi:10.4313/jkem.2005.18.11.996

수소 및 중수소가 포함된 실리콘 산화막의 전기적 스트레스에 의한 열화특성
Degradation of Ultra-thin SiO2 film Incorporated with Hydrogen or Deuterium Bonds during Electrical Stress 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.18 no.11, 2005년, pp.996 - 1000

이재성 (위덕대학교 정보통신공학부) , 백종무 (대원과학대학 전자정보통신과) , 정영철 (경주대학교 컴퓨터멀티미디어공학부) , 도승우 (경북대학교 전자전기공학부) , 이용현 (경북대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Experimental results are presented for the degradation of 3 nm-thick gate oxide $(SiO_2)$ under both Negative-bias Temperature Instability (NBTI) and Hot-carrier-induced (HCI) stresses using P and NMOSFETS, The devices are annealed with hydrogen or deuterium gas at high-pressure $(1\~5\;atm.)$ to introduce higher concentration in the gate oxide. Both interface trap and oxide bulk trap are found to dominate the reliability of gate oxide during electrical stress. The degradation mechanism depends on the condition of electrical stress that could change the location of damage area in the gate oxide. It was found the trap generation in the gate oxide film is mainly related to the breakage of Si-H bonds in the interface or the bulk area. We suggest that deuterium bonds in $SiO_2$ film are effective in suppressing the generation of traps related to the energetic hot carriers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 hot-carrier 이외의 열화 현상에서 동위원소 효과에 대해서는 아직 연구 중에 있다. 본 연구에서는 CMOS 공정으로 제조된 나노급 크기의 MOSFET를 수소 및 중수소에서 추가적으로 열처리를 행하여 각 소자의 열화 특성을 조사하였다. 소자의 열화는 HC 및 NBTI 스트레스를 통해 각각 진행되었다.
살리콘 산화막을 게이트 절연막으로 사용한 MOSFET에 추가적으로 수소 및 중수소에서 열처리함으로써 MOSFET에서 발생할 수 있는 열화 원인을 분석하고자 하였다. NBTI 스트레스에 의한 열화는 채널 전 영역에 걸쳐 발생하며, HCI 스트레스의 경우에는 드레인 근처의 좁은 채널 영역에서 열화가 발생하게 된다.
소자의 열화는 HC 및 NBTI 스트레스를 통해 각각 진행되었다. 최종적으로 열화의 원인인 결함의 거동을 관찰하여 박막의 실리콘 산화막의 신뢰성을 높이는 방법을 모색하고자 한다.

제안 방법

추가 열처리는 450 °C, 및 1〜5 기압의 조건에서 이루어졌다. Negative-bias Temperature Instability (NBTI) 및 Hot-carrier-induced (HCI) 스트레스를 통해 실리콘 산화막을 열화시켰다.
금속 배선 형성 후, 후속 열처리는 수소(H。분위기에서 행하여졌다. 기본적 후속 열처리 공정을 행한 소자는 두 분류로 나누어, 추가로 수소 및 중수소 열처리를 각각 행하였다. 추가 열처리는 450 °C, 및 1〜5 기압의 조건에서 이루어졌다.
동위원소 효과를 조사하기 위해 각 조건에서 열처리된 실리콘 산화막내에 존재하는 SiOz/Si 계면결함 및 고정 전하 결함 (fixed-oxide defect)를 각각 조사하였다. 그림 3은 그림 2와 동일한 스트레스 동안 관찰된 계면 전하(NQ 및 고정 전하(Nf)의 증가를 나타내고 있다.
본 연구에서는 CMOS 공정으로 제조된 나노급 크기의 MOSFET를 수소 및 중수소에서 추가적으로 열처리를 행하여 각 소자의 열화 특성을 조사하였다. 소자의 열화는 HC 및 NBTI 스트레스를 통해 각각 진행되었다. 최종적으로 열화의 원인인 결함의 거동을 관찰하여 박막의 실리콘 산화막의 신뢰성을 높이는 방법을 모색하고자 한다.
중수소 효과를 관찰하기 위해 동일한 압력 조건(5 atm.)에서 열처리를 각각 행하였다. PMOSFET의 HCI 스트레스 동안에는 에너지가 높은 정공이발생되어 실리콘 산화막을 열화시키게 된다.

대상 데이터

13 例인 MOSFET 소자를 제조하였다. 게이트 산화막은 H₂-O₂ 분위기에서 성장시킨 후, NO 열처리를 통해 제조되었다. 게이트 전극 물질로는 고농도 도핑된 250 nm 두께의 다결정 실리콘을 사용하였다.
게이트 산화막은 H₂-O₂ 분위기에서 성장시킨 후, NO 열처리를 통해 제조되었다. 게이트 전극 물질로는 고농도 도핑된 250 nm 두께의 다결정 실리콘을 사용하였다. 금속 배선 형성 후, 후속 열처리는 수소(H。분위기에서 행하여졌다.
기본적인 CMOS 공정을 사용하여 실리콘 산화막(SiO₂)의 물리적 두께가 약 3 nm 이고 채널 길이와 폭이 최소 0.13 例인 MOSFET 소자를 제조하였다. 게이트 산화막은 H₂-O₂ 분위기에서 성장시킨 후, NO 열처리를 통해 제조되었다.
본문 현재의 CMOS 공정에서는 나노급의 두께를 갖는 실리콘 산화막(SiO₂)을 MOSFET의 게이트 절연막으로 사용하고 있다. 절연막의 두께가 얇아질수록 소자의 성능은 증가하지만 신뢰성은 매우 취약하게 된다.

성능/효과

열처리 조건은 다르지만 MOSFET의 전기적 특성은 동일하게 나타나고 있다. P 및 NMOSFET에서 관찰된 드레인 평균 포화 전류 값은 각각 64 剧/width 및 288 M/width 이었다. MOSFET의 carrier 전도 특성은 수소나 중수소 등의 후속 열처리 공정에 무관함을 알 수 있다.
원시료(FG)에 비해 수소 분위기의 압력이 증가할수록 실리콘 산화막의 열화가 증가되고 있다. 수소 및 중수소 열처리 효과에서는 같은 조건에서 중수소를 사용함으로써 실리콘 산화막의 열화를 다소 억제할 수 있었다. 그림에서 추가 열처리를 하지 않은 원시료가 추가 중수소 열처리 된 시료보다 열화가 적게 진행됨을 확인할 수 있다.
NBTI 스트레스는 실리콘 산화막의 계면특성 뿐 아니라 bulk특성을 동시에 열화시키나, 계면 열화에서는 동위원소 효과가 나타나지 않았다. 여러 종류의 열화 실험을 통해 게이트 산화막내에 존재하는 수소 결합이 MOSFET 동작 열화에 직접적인 원인이 됨을 확인하였으며, 수소 결합을 중수소 결합으로 대체함으로써 게이트 산화막의 계면 뿐 아니라 bulk 특성도 개선시킬 수 있음을 확인하였다.

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