[논문]중수소 이온 주입된 게이트 산화막을 갖는 MOSFET의 전기적 특성

이재성

중수소 이온 주입된 게이트 산화막을 갖는 MOSFET의 전기적 특성
The Electrical Characteristics of MOSFET having Deuterium implanted Gate Oxide 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.47 no.4=no.394, 2010년, pp.13 - 19

초록
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중수소 결합이 존재하는 게이트 산화막을 갖는 MOSFET는 일반 MOSFET에 비해 신뢰성이 개선된다고 알려져 있다. 본 연구에서는 MOS 소자의 게이트 산화막내에 중수소를 분포시키기 위해 새로운 중수소 이온 주입법을 제안하였다. MOS 소자를 구성하는 층간 물질 및 중수소가 분포할 위치에 따라 중수소 이온 주입 에너지는 다양하게 변하게 된다. 이온 주입 후 발생할 수 있는 물질적 손상을 방지하기 위해 후속 열처리 공정이 수반된다. 제조된 일반 MOSFET를 사용하여 제안된 중수소이온 주입을 통해 게이트 산화막내 계면 및 bulk 결함이 감소함을 확인하였다. 그러나 이온 주입으로 인해 실리콘 기판의 불순물 농도가 변화할 수 있으므로 이온 주입 조건의 최적화가 필요하다. 중수소 이온 주입된 MOSFET의 CV 및 IV 특성 조사를 통해 이온 주입으로 인한 트랜지스터의 성능 변화는 발생하지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

MOSFET with deuterium-incorporated gate oxide shows enhanced reliability compared to conventional MOSFET. We present an alternative process whereby deuterium is delivered to the location where the gate oxide reside by an implantation process. Deuterium ions were implanted using two different energies to account for the topography of the overlaying layers and placing the D peak at the top of gate oxide. A short anneal at forming gas was performed to remove the D-implantation damage. We have observed that deuterium ion implantation into the gate oxide region can successfully remove the interface states and the bulk defects. But the energy and the dose of the deuterium implant need to be optimized to maintain the Si substrates dopant activation, while generating deuterium bonds inside gate oxide. CV and IV characteristics studies also determined that the deuterium implant dose not degrade the transistor performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

있다. 본 연구에서는 이온 주입법을 통해 게이트 산화막내에 중수소를 주입시키는 방법을 시도하였다. 중수소 이온 주입은 소자의 제조 공정이 모두 끝난 최종 단계에서 진행하기 때문에 각 소자 구조에 대한 최적의 이온 주입 조건을 찾아야 한다.
이온 주입 후 400 ℃의 질소 분위기에서 열처리를 최종적으로 행하였다. 이러한 과정을 통해 이온 주입으로 인해 발생할 수 있는 게이트 산화막내 결함생성을 피하면서 게이트 산화막내에 중수소를 효과적으로 분포시키고자 하였다. 제조된 소자의 전기적 특성은 전류-전압 (IV) 특성 및 정전용량-전압 (CV) 특성으로 각각 조사되었다.

가설 설정

5. Shift of threshold voltage for (a) P and (b) NMOSFET having 3 nm gate oxide film.

제안 방법

금속배선이 끝난 웨이퍼의 전면에 그림 1과 같이 중수소 이온 주입을 행한 후, 후속 열처리 공정을 통하여 게이트 산화막 전체에 중수소를 균일하게 분포시키고자 하였다. 중수소 주입된 여러 종류의 소자에서 나타나는 전기적 특성 변화 및 전기적 스트레스에 따른 특성 열화를 조사였다.
제조된 소자의 전기적 특성은 전류-전압 (IV) 특성 및 정전용량-전압 (CV) 특성으로 각각 조사되었다. 소자의 신뢰성 평가는 상온에서 게이트 전극에 일정한 전압을 인가한 정전압스트레스 (constant voltage stress : CVS)를 통해 이루어졌으며, 소자의 열화 정도는 구동 전류(Ids)의 백분율 변화 및 문턱전압 (Vth)의 변화로써 관찰하였다.
게이트 산화막 위에는 층간 절연막 (Si。? Tox=3(X) run) 및 다결정 실리콘 전극 (Tox=250 ng이 존재한다. 정전압 스트레스에 따른 역방향 포화 전류의 감소 정도를 신뢰성 지표로 하였다. 그림에서 각 이온 주입량에 대해 4개의 소자를 측정하였다.
이러한 과정을 통해 이온 주입으로 인해 발생할 수 있는 게이트 산화막내 결함생성을 피하면서 게이트 산화막내에 중수소를 효과적으로 분포시키고자 하였다. 제조된 소자의 전기적 특성은 전류-전압 (IV) 특성 및 정전용량-전압 (CV) 특성으로 각각 조사되었다. 소자의 신뢰성 평가는 상온에서 게이트 전극에 일정한 전압을 인가한 정전압스트레스 (constant voltage stress : CVS)를 통해 이루어졌으며, 소자의 열화 정도는 구동 전류(Ids)의 백분율 변화 및 문턱전압 (Vth)의 변화로써 관찰하였다.
PMOSFET는 게이트 산화막의 두께에 따라 thin (Tox=3 nm) 및 thick (Tox=7 nm) MOSFET로 나뉜다. 조사된 전기적 특성은 역방향 포화 전류 변화(%)와 문턱 전압 변화량(mV)이다. Thin 및 thick PMOSFET에 대한 전기적 스트레스는 -3.
소자의 게이트 산화막 두께는 3 nm 이다. 중수소 주입된 각 소자의 곡선은 일반 소자(control device) 의 곡선과 비교하였다. 중수소의 주입 조건은 [30 KeV, lOe/cm²], :60 KeV, 1014/cm²], 및 [60 KeV, 10%n曲이며, 이온 주입이 이루어진 후 400 ℃ 질소 분위기에서 동일하게 열 처리되 었다.
금속배선이 끝난 웨이퍼의 전면에 그림 1과 같이 중수소 이온 주입을 행한 후, 후속 열처리 공정을 통하여 게이트 산화막 전체에 중수소를 균일하게 분포시키고자 하였다. 중수소 주입된 여러 종류의 소자에서 나타나는 전기적 특성 변화 및 전기적 스트레스에 따른 특성 열화를 조사였다. 소자의 구조에 따른 최적의 이온 주입의 조건을 찾는 것이 중요하며, 본 연구에서는 중수소 이온 주입된 소자의 동작에 대한 신뢰성이 기존의 수소열처리된 소자의 경우보다 향상됨을 확인하였다.
주입된 중수소 이온의 양은 IxlO₁₀ ~ lxl016/cm² 범위를 갖으며, 주입 에너지는 30 - 80 KeV의 범위를 갖는다. 중수소의 농도를 게이트전극용 다결정 실리콘에서 최고값이 나타나도록 주입에너지를 정하였다. 이온 주입 후 400 ℃의 질소 분위기에서 열처리를 최종적으로 행하였다.
최적의 중수소 이온 주입 에너지를 찾기 위해 주입량을 으로 고정하고 여러 에너지에서 PMOSFET 에 중수소를 주입하고 그 신뢰성 변화를 조사하였다. PMOSFET는 게이트 산화막의 두께에 따라 thin (Tox=3 nm) 및 thick (Tox=7 nm) MOSFET로 나뉜다.

대상 데이터

CMOS 공정을 사용하여 게이트 산화막의 물리적 두께가 약 3 - 7 nm 이고 다양한 채널 면적 (W x 1.=500 X 500 ㎛2 - 北 X 0.15 /zm2X 갖는 MOSFET 소자를 제조하였다. 게이트 산화막은 1%-(为 분위기에서 성장시킨 후, NO 열처리를 통해 제조되었다.
15 /zm2X 갖는 MOSFET 소자를 제조하였다. 게이트 산화막은 1%-(为 분위기에서 성장시킨 후, NO 열처리를 통해 제조되었다. 게이트 전극 물질로는 고농도 도핑된 250 nm 두께의 다결정 실리콘을 사용하였다.
게이트 산화막은 1%-(为 분위기에서 성장시킨 후, NO 열처리를 통해 제조되었다. 게이트 전극 물질로는 고농도 도핑된 250 nm 두께의 다결정 실리콘을 사용하였다. 금속 배선 접촉부분은 Co 실리사이드를 사용하여 접촉 저항을 줄였다.

이론/모형

본 연구에서는 게이트 산화막에 중수소를 효과적으로 분포시키기 위해 이온 주입법을 사용하였다. 금속배선이 끝난 웨이퍼의 전면에 그림 1과 같이 중수소 이온 주입을 행한 후, 후속 열처리 공정을 통하여 게이트 산화막 전체에 중수소를 균일하게 분포시키고자 하였다.

성능/효과

Scanning Tunneling Microscope으로 실리콘 표면을 분석한 결과, 실리콘과의 결합을 파괴하기 위한 해리 에너지가 중수소(3)의 경우가 수소(H₂)보다 매우 높다는 것이 밝혀졌다. 즉, Si-H 결합보다 Si-D 결합을 파괴할 때 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 Si-SiO₂ 의 계면 트랩 준위를 낮추는데 수소 대신 중수소를 응용할 수 있다.
그러므로 중수소 이온 주입 후 후속 열처리 공정을 통해서 이러한 현상을 최소화하여야 한다. 본 실험에서 제안한 중수소 이온 주입 방법은 MOS 구조에서 특정 부분에 중수소를 분포시킬 수 있어 MOSFET의 신뢰성 개선에 효과적이라고 판단된다.
중수소 이온 주입은 소자의 제조 공정이 모두 끝난 최종 단계에서 진행하기 때문에 각 소자 구조에 대한 최적의 이온 주입 조건을 찾아야 한다. 본 실험에서는 중수소 주입에 따른 열화 억제 현상을 발견할 수 있었으며, 특히 PMOSFET에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. 이는 중수소와의 화학적 반응이 도펀트(dopant)의 종류에 따라 차이가 날 수 있다는 것을 의미한다.
반면에 NMOSFET에서는 채널 부분이 B로 도핑되어 P-type를 구성한다. 본 연구에서는 P 및 NMOSFET사이에 중수소 효과가 다르게 나타났으므로 도핑 불순물 사이에서도 동위원소 효과가 나타날 수 있을 것으로 판단된다.
중수소 주입된 여러 종류의 소자에서 나타나는 전기적 특성 변화 및 전기적 스트레스에 따른 특성 열화를 조사였다. 소자의 구조에 따른 최적의 이온 주입의 조건을 찾는 것이 중요하며, 본 연구에서는 중수소 이온 주입된 소자의 동작에 대한 신뢰성이 기존의 수소열처리된 소자의 경우보다 향상됨을 확인하였다.
그리고 게이트 산화막 영역 근처에도 중수소가 분포하고 있음을 알 수 있다. 이러한 분석을 통해 본 실험에서 주입된 중 수소가 효과적으로 게이트 산화막내에 분포할 수 있음을 알 수 있다. 실리콘 원소의 분포를 통해서는 각 구성 박막의 두께 범위를 알 수 있다.
주입되는 중수소는 게이트 산화막 영역 뿐 아니라 그아래 영역인 채널 영역에까지 주입되고 있음을 CV 특성을 통해 알 수 있었다. 중수소가 주입됨으로써 게이트 산화막내에 중수소 결합 형성 및 계면 결합의 passivation 효과가 발생함과 동시에 채널 영역의 실리콘 기판의 불순물이 비활성화되는 경향도 나타나고 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
이재성, "박막 게이트 산화막을 갖는 n-MOSFET에서 SILC 및 Soft breakdown 열화 동안 나타나는 결함 생성," 대한전자공학회, vol. 41, no. 8, pp. 613-620, 2004.
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상세보기
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상세보기
J. Wu, E. Rosenbaum, B. MacDonald, E. Li, B. Tracy, and P. Fang, "Anode hole injection versus hydrogen release: The mechanism for gate oxide breakdown," IEEE Int. Reliability Physics Symp., pp. 27-32, San Jose, CA, 2000.
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상세보기
이재성, 도승우, 이용현 "MOSFET 게이트 산화막 내 결함 생성 억제를 위한 효과적인 중수소 이온 주입", 대한전자공학회 논문지, 제 45권, SD 편 7호, pp.23-31, 2008.
R. W. Lee, R. C. Frank, and D. E. Swets, "Diffusion of hydrogen and deuterium in fused quartz," J. Chem. Phys., vol. 36, pp. 1026-1071, 1962.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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