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문제 정의
- 하지만, 중수소 이온의 정확한 양과 정확한 깊이 등을 조절하기엔 다소 문제점이 있다고 판단되었다 [8]. 본 논문에서는 중수소 열처리 공정이 아닌 중수소 이온 주입 공정을 이용하여 게이트 산화막의 절연특성을 연구하기 위해 여러 가지 조건에서 중수소를 주입하여 게이트 산화막의 중수소 이온 분포를 조사하고, 최적의 중수소 이온 주입 조건을 찾아 MOS 구조에서 절연 및 전기적인 특성을 조사하였다. 또한, 이온 주입 후 손상 (defect)을 감소시키기 위해 어닐링 (annealing)을 시행하는데 이때의 최적의 온도와 시간을 찾기 위해 특성 분석을 하였다.
- 중수소 이온 주입을 할 때, 게이트 산화막에 손상 (damage)이 가해진다면, 오히려 절연 특성이 더 좋지 못하게 된다. 이러한 이유로 중수소 이온 주입할 때 발생되는 물질의 손상 분포에 대해 조사하였다. 다른 구조에서 같은 에너지로 에너지 주입을 했을 때 게이트 산화막에 생기는 손상은 다르게 나타났다.
제안 방법
- MOS (metal oxide silicon)구조 소자에 중수소 이온 주입 조건을 찾기 위해 SRIM (stopping and range of ions in matter)을 이용하여 모의실험을 하였다. 중수소 이온을 주입한 후 중수소의 안정적인 결합을 위해 질소 분위기에서 어닐링 (annealing)을 하였다.
- 그림 9은 NMOS와 PMOS에서의 어닐링에 따른 게이트 누설 전류 (gate leakage current)를 측정한 그림이다. 같은 조건으로 이온 주입을 한 소자에 어닐링의 온도와 시간을 변화시켜 게이트 누설 전류를 측정하였다. 이 때 게이트에 인가된 전압은 각 소자의 역바이어스 (reverse bias)를 인가하여 스트레스를 인가하였다.
- 게이트에 3.8 V를 인가하여 accumulation 상태에서 게이트 전류를 측정하였다. 중수소 이온 주입하지 않은 소자와 비교하였을 때 45 keV 이하의 에너지로 이온 주입한 소자의 경우 게이트 전류가 작게 나타나는 특성을 갖는다.
- 본 논문에서는 중수소 열처리 공정이 아닌 중수소 이온 주입 공정을 이용하여 게이트 산화막의 절연특성을 연구하기 위해 여러 가지 조건에서 중수소를 주입하여 게이트 산화막의 중수소 이온 분포를 조사하고, 최적의 중수소 이온 주입 조건을 찾아 MOS 구조에서 절연 및 전기적인 특성을 조사하였다. 또한, 이온 주입 후 손상 (defect)을 감소시키기 위해 어닐링 (annealing)을 시행하는데 이때의 최적의 온도와 시간을 찾기 위해 특성 분석을 하였다.
- 최적의 조건으로 중수소 이온 주입을 하게 되면, 게이트 산화막과 실리콘과의 계면 특성이 향상되어 일반적인 소자보다 절연 특성이 좋아지게 된다. 또한, 중수소 이온 주입 후 게이트 산화막의 손상을 최소화 하기위해 질소 분위기에서 어닐링 공정을 실시한다. 이때, 어닐링 온도와 시간을 변화하여 전기적 특성을 측정하였다.
- 그림 4는 capacitor-voltage (C-V) 특성 곡선이다. 면적이 크고, 게이트 산화막의 두께가 비교적 두꺼운(7 ㎚) MOS capacitor에 1 ㎒의 고주파수 (high frequency)를 이용하여 측정하였다.
- 결과적으로 중수소 이온 주입으로 생기는 게이트 산화막의 손상은 구조에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 모의실험을 이용하여 중수소 이온 주입의 최적 조건을 찾았고, 최적의 조건을 이용하여 실제 소자에 이온 주입을 하였다.
- 본 논문에서는 MOS 구조로 이루어진 소자에 중수소 이온 주입 방법을 사용하여 소자의 전기적 특성을 분석하였다. 중수소 이온 주입의 최적의 조건을 찾고, 최적의 조건으로 이온 주입한 소자의 전기적 특성을 분석하였다.
- 전기적인 특성은 HP 4,156을 이용하여 I-V를 측정하였고, HP 4,280을 이용하여 C-V를 측정하였다. 신뢰성 평가는 소자에 게이트 정전압 스트레스 (constant volatage stress, CVS)를 인가한 후 소자의 성능을 측정하였다 [9]. 그림 1은 제조된 소자의 단면이다.
- MOS 구조에서 중수소 이온의 주입 조건을 찾기 위해 SRIM tool을 이용하여 모의실험을 하였다. 실험에 사용된 소자의 박막 두께와 밀도를 설정하여 가장 안정적인 에너지를 찾고 dose 양을 고찰하였다. 그림2는 중수소 이온 주입을 하기 전 SRIM을 이용하여 모의 실험한 결과이다.
- 그림 8은 앞서 연구가 중수소 이온 주입 조건 중 최적의 조건이라 판단되는 조건으로 중수소 이온 주입을 한 소자를 이용하였다. 어닐링 조건은 기존에 400℃에서 30분 동안 한 소자와 90분 동안 한 소자, 450℃로 어닐링을 실시한 소자 450℃를 90분 동안 실시한 소자로 측정을 하였다. 측정 결과, 400℃에서 90분 동안 어닐링을 실시한 소자는 400℃에서 30분 동안 어닐링을 한 소자보다 약 6배 정도 긴 항복 시간을 갖았다.
- 중수소 이온을 주입한 후 중수소의 안정적인 결합을 위해 질소 분위기에서 어닐링 (annealing)을 하였다. 이때 최적의 안정화되는 조건을 찾기 위해어닐링의 온도와 시간을 변화시켜 특성 분석을 하였다.
- 또한, 중수소 이온 주입 후 게이트 산화막의 손상을 최소화 하기위해 질소 분위기에서 어닐링 공정을 실시한다. 이때, 어닐링 온도와 시간을 변화하여 전기적 특성을 측정하였다. 하지만, 어닐링의 온도가 높으면 오히려, 열적 스트레스가 크게 작용하여 게이트 산화막의 항복 시간을 단축시키는 결과를 초래하였다.
- 일반적인 CMOS 공정으로 제조된 소자에 중수소 이온 주입 조건을 다르게 주입하여 각각의 조건에 따른 전기적 특성을 분석하였다.
- 본 논문에서는 MOS 구조로 이루어진 소자에 중수소 이온 주입 방법을 사용하여 소자의 전기적 특성을 분석하였다. 중수소 이온 주입의 최적의 조건을 찾고, 최적의 조건으로 이온 주입한 소자의 전기적 특성을 분석하였다. 중수소 이온을 최적의 조건으로 주입하게 되면, 수소 열처리 공정을 이용한 일반적인 소자보다 전기적 특성이 우수하게 나타났다.
- MOS (metal oxide silicon)구조 소자에 중수소 이온 주입 조건을 찾기 위해 SRIM (stopping and range of ions in matter)을 이용하여 모의실험을 하였다. 중수소 이온을 주입한 후 중수소의 안정적인 결합을 위해 질소 분위기에서 어닐링 (annealing)을 하였다. 이때 최적의 안정화되는 조건을 찾기 위해어닐링의 온도와 시간을 변화시켜 특성 분석을 하였다.
- 중수소 이온의 분포는 SIMS (secondary ion mass spectroscopy) profile을 이용하여 분포도에 대해 분석을 하였다. 전기적인 특성은 HP 4,156을 이용하여 I-V를 측정하였고, HP 4,280을 이용하여 C-V를 측정하였다.
대상 데이터
- 소자의 구조는 SiO2/poly-Si/SiO2/Si로 되어 있다. 게이트 산화막의 두께는 3 ㎚인 비교적 얇은 소자로 측정을 하였다.
- 본 연구에 사용된 소자는 일반적인 CMOS 공정을 이용하여 제조된 소자이다. MOS 소자는 SiO2 [300㎚]/ poly-Si [250 ㎚]/ gate oxide thickness [3∼7㎚]/ Si 기판의 구조를 갖는다.
- 중수소 이온의 분포는 SIMS (secondary ion mass spectroscopy) profile을 이용하여 분포도에 대해 분석을 하였다. 전기적인 특성은 HP 4,156을 이용하여 I-V를 측정하였고, HP 4,280을 이용하여 C-V를 측정하였다. 신뢰성 평가는 소자에 게이트 정전압 스트레스 (constant volatage stress, CVS)를 인가한 후 소자의 성능을 측정하였다 [9].
이론/모형
- MOS 구조에서 중수소 이온의 주입 조건을 찾기 위해 SRIM tool을 이용하여 모의실험을 하였다. 실험에 사용된 소자의 박막 두께와 밀도를 설정하여 가장 안정적인 에너지를 찾고 dose 양을 고찰하였다.
성능/효과
- 다른 구조에서 같은 에너지로 에너지 주입을 했을 때 게이트 산화막에 생기는 손상은 다르게 나타났다. 결과적으로 중수소 이온 주입으로 생기는 게이트 산화막의 손상은 구조에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 모의실험을 이용하여 중수소 이온 주입의 최적 조건을 찾았고, 최적의 조건을 이용하여 실제 소자에 이온 주입을 하였다.
- 이것은 실리콘 기판 부분에서 중수소 이온이 일부 불순물을 불활성화 시켜 나타나게 된 결과라고 판단된다. 또한 inversion 영역이 시작되는 부분이 문턱전압이라고 볼 수 있는데, 미세하지만 점차 문턱전압이 이동하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 게이트 산화막내에 존재하는 계면 트랩 밀도 (interface trap density)가 감소하였음을 나타내는 결과이다.
- 중수소 이온을 최적의 조건으로 주입하게 되면, 수소 열처리 공정을 이용한 일반적인 소자보다 전기적 특성이 우수하게 나타났다. 또한, 소자가 파괴되는 시간이 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만, 최적의 조건이 아닌 이온 주입을 하게 되면, 오히려 게이트 산화막에 손상이 가해져 게이트 전류가 증가하고, 항복 시간이 낮게 나타나는 결과가 생겼다.
- /㎠의 도즈(dose)량과 45 keV가 N-PMOS 커패시터의 가장 안정적인 에너지라고 할 수 있다. 또한, 중수소 이온 주입 후 질소 분위기로 실리콘 결정의 손상 (defect)을 억제하였다. 이때의 온도는 400℃에서 30분 동안 어닐링을 하였다.
- 모의실험 결과 Al/SiO2/poly-Si/SiO2/Si 구조에서는 85 keV의 에너지를 이용한 중수소 이온 주입이 게이트 절연막에 효과적으로 주입되는 것을 알 수 있었다. 또한, SiO2/poly-Si/SiO2/Si 구조에서는 30 keV의 에너지를 이용한 중수소 이온 주입이 효과적인 것을 알 수 있다.
- 또한, SiO2/poly-Si/SiO2/Si 구조에서는 30 keV의 에너지를 이용한 중수소 이온 주입이 효과적인 것을 알 수 있다. 모의실험을 통해 물질의 종류와 두께에 따라 이온 주입의 최적 에너지 조건이 달라질 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 중수소 이온 주입의 최적의 조건을 찾고, 최적의 조건으로 이온 주입한 소자의 전기적 특성을 분석하였다. 중수소 이온을 최적의 조건으로 주입하게 되면, 수소 열처리 공정을 이용한 일반적인 소자보다 전기적 특성이 우수하게 나타났다. 또한, 소자가 파괴되는 시간이 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 어닐링 조건은 기존에 400℃에서 30분 동안 한 소자와 90분 동안 한 소자, 450℃로 어닐링을 실시한 소자 450℃를 90분 동안 실시한 소자로 측정을 하였다. 측정 결과, 400℃에서 90분 동안 어닐링을 실시한 소자는 400℃에서 30분 동안 어닐링을 한 소자보다 약 6배 정도 긴 항복 시간을 갖았다. 반면, 450℃에서 30분 동안 어닐링을 실시한 소자는 약 30초 정도로 절연 파괴 시간이 짧게 나타났다.
- 그림 7에서도 그림 5와 같은 결과로 중수소 이온 주입을 한 소자가 중수소 이온 주입을 하지 않은 소자에 비해 항복 시간이 더 길게 나타났다. 특히 1015/㎠으로 동일한 dose량에서 30 keV의 에너지로 이온 주입한 소자는 이온 주입을 하지 않은 소자에 비해 항복시간이 길게 측정되었다. 이것은 중수소 이온 주입이 안정적인 조건으로 주입되어 계면 부분에 존재하는 트랩이 감소한 결과이다.
후속연구
- 반면, 어닐 링의 시간이 증가하게 되면, 항복시간의 증가와 게이트 누설 전류의 감소를 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 중수소 이온 주입을 최적의 조건으로 실행하고 질소 분위기의 어닐링 시간을 길게 한다면 현재 사용되고 있는 수소 열처리 공정을 대처할 수 있는 공정으로 판단된다.
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