[논문]이온 주입된 프로파일의 3-D의 해석적인 모델에 관한 연구

정원채; 김형민

doi:10.4313/jkem.2012.25.1.6

이온 주입된 프로파일의 3-D의 해석적인 모델에 관한 연구
A Study on 3-D Analytical Model of Ion Implanted Profile 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.1, 2012년, pp.6 - 14

정원채 (경기대학교 전자공학과) , 김형민 (경기대학교 기계시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For integrated complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits, the lateral spread for two-dimensional (2-D) impurity distributions are very important for the analyzing the devices. The measured two-dimensional SEM data obtained using the chemical etching-method matched very well with the results of the Gauss model for boron implanted samples. But the profiles in boron implanted silicon were deviated from the Gauss model. The profiles in boron implanted silicon were shown a little bit steep profile in the deep region due to backscattering effect on the near surface from the bombardments of light boron ions. From the simulated 3-D data obtained using an analytical model, the 1-D and 2-D data were compared with the experimental data and could be verified the justification from the experimental data. The data of 3-D model were also shown good agreements with the experimental and the simulated data. It can be used in the 3-D chip design and the analysis of microelectro-mecanical system (MEMS) and special devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 선택적 에칭을 사용하여 얻어진 이차원의 SEM (scanning electron microscope) mapping데이터와 SIMS를 이용한 일차원적인 데이터를 ICECREM (integrated circuits and electronics group computerised remedial education and mastering) [4-6]과 SRIM (the stopping and range of ions in matter) [7-10]과 서로 비교하였고 일차원, 이차원의 붕소의 분포를 통하여 삼차원적인 해석적 모델을 개발하여 본 논문에서 처음으로 제시하였다. SRIM의 range 데이터와 SIMS의 데이터로부터 계산된 일차원적인 데이터는 이차원 및 삼차원적인 확산분포를 나타내기 위해서 본 논문에서 제안된 모델이 적용되어 졌다. 해석적인 모델을 개발하기 위해서 메쉬와 그리드의 구조는 Gambit [11-15]을 이용하였고 모든 열처리와 확산은 확산계수를 적용하여 Fluent[16-20] 프로그램을 사용하였다.
그럼에도 불구하고 붕소의 cluster들의 형성과 이에 따른 확산 현상들은 아직도 완전하게 이해되지 못하고 있다. 본 실험에서는 선택적 에칭을 사용하여 얻어진 이차원의 SEM (scanning electron microscope) mapping데이터와 SIMS를 이용한 일차원적인 데이터를 ICECREM (integrated circuits and electronics group computerised remedial education and mastering) [4-6]과 SRIM (the stopping and range of ions in matter) [7-10]과 서로 비교하였고 일차원, 이차원의 붕소의 분포를 통하여 삼차원적인 해석적 모델을 개발하여 본 논문에서 처음으로 제시하였다. SRIM의 range 데이터와 SIMS의 데이터로부터 계산된 일차원적인 데이터는 이차원 및 삼차원적인 확산분포를 나타내기 위해서 본 논문에서 제안된 모델이 적용되어 졌다.

제안 방법

1. Gambit 프로그램을 사용하여 3-D (three dimensional) 구조와 grid를 생성한다.
2. 제시한 수식들을 Fluent에 적용하여 3-D 구조의 profiles를 정의한다.
PMOS에서 주입된 붕소의 분포는 Cameca 6f의 SIMS를 이용하여 1-D 데이터를 측정하였고 화학적인 에칭과 빛을 조사한 다음 SEM으로 측정한 2-D 분포를 나타내었다. 본 논문에서 제시한 3-D 모델은 실험 데이터와 비교하여 1-D 및 2-D의 결과와 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
84×10¹⁹ cm^-3이었다. RTA로 1,000℃에서 10초 간 열처리를 수행한 후에 화학용액 (HF: HNO₃: CH₃COOH= 1:3:8)에 10초간 담그면서 동시에 500 W의 램프로 빛을 조사하였다.
15. Three dimensional analytical model of implanted and diffused boron profiles with the reflection effects at cutting position. (a) implanted profiles, (b) diffused profiles.
가우스모델은 대체적으로 SEM 데이터와 잘 일치하지만 1-D의 경우에서는 제시한 모델이 단지 가우스모델을 사용한 경우보다 더 좋은 결과를 나타냄을 데이터들을 서로 비교하여 확인하였다. 화학적인 에칭방법은 실리콘에서 단지 전기적으로 활성화된 도핑 농도만을 나타낼 수가 있다.
주입된 붕소이온들은 전기적인 활성화를 위해서 질소가스분위기에서 1,000℃에서 10초 간 급온열처리 (RTA) 하였다[21,22]. 본 연구에서는 주입된 붕소이온들의 분포를 나타내기 위해서 가우스와 후방산란을 가진 가우스모델을 사용하여 1-D, 2-D 및 3-D 모델들을 각각 해석할 수가 있었다. 일차원적인 분포는 SRIM 및 SIMS 데이터와서로 비교하였고 이차원적 데이터는 에칭 후에 측정된 SEM 데이터와 비교하여 본 연구에서 제시한 3-D 모델의 정당성을 입증할 수가 있었다.
실리콘에 p타입의 도핑을 위해서, 붕소 (boron)가 5×1015 cm-2의 도즈 (dose)이고 200 keV에서 0°와 7° wafer tilt 조건에서 스캔속도는 5 cm/sec로 이온주입을 하였다.
전기적인 활성화를 위해서 붕소가 주입된 실리콘기판은 RTA를 사용하여 1,000℃에서 10초 간 열처리를 수행하였고 확산된 프로파일들은 그림 8에 나타내었다. RTA로 매우 짧은 시간 동안 열처리하였기 때문에 확산효과는 거의 나타나지 않았다.
실리콘에 p타입의 도핑을 위해서, 붕소 (boron)가 5×10¹⁵ cm^-2의 도즈 (dose)이고 200 keV에서 0°와 7° wafer tilt 조건에서 스캔속도는 5 cm/sec로 이온주입을 하였다. 주입된 붕소이온들은 전기적인 활성화를 위해서 질소가스분위기에서 1,000℃에서 10초 간 급온열처리 (RTA) 하였다[21,22]. 본 연구에서는 주입된 붕소이온들의 분포를 나타내기 위해서 가우스와 후방산란을 가진 가우스모델을 사용하여 1-D, 2-D 및 3-D 모델들을 각각 해석할 수가 있었다.

대상 데이터

본 실험에서 비저항이 1∼2 Ωcm이고 인 (phosphorus)이 도핑된 n 타입의 (100)의 4 inch 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.

데이터처리

본 논문에서 제시한 3-D 모델은 Gambit [11-15] 과 Fluent [16-20] 프로그램들을 사용하였다. 제시한이 3-D 모델은 Gambit 프로그램으로 그리드와 삼차원적인 구조를 만든 다음 Fluent 프로그램에 수식 7에서 12를 C++ 프로그램으로 작성하여 적용한 결과를 그림 3, 4, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 15에 각각 나타내었다. 주입된 이온들의 분포와 확산된 농도분포를 3-D 모델로 해석하기 위한 순서는 다음과 같다.

이론/모형

4. Multi-grid gauss seidel 방법 [16-20]을 사용하여 각각의 시간 스텝에서 정의된 값을 구한다.
본 논문에서 제시한 3-D 모델은 Gambit [11-15] 과 Fluent [16-20] 프로그램들을 사용하였다. 제시한이 3-D 모델은 Gambit 프로그램으로 그리드와 삼차원적인 구조를 만든 다음 Fluent 프로그램에 수식 7에서 12를 C++ 프로그램으로 작성하여 적용한 결과를 그림 3, 4, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 15에 각각 나타내었다.
SRIM의 range 데이터와 SIMS의 데이터로부터 계산된 일차원적인 데이터는 이차원 및 삼차원적인 확산분포를 나타내기 위해서 본 논문에서 제안된 모델이 적용되어 졌다. 해석적인 모델을 개발하기 위해서 메쉬와 그리드의 구조는 Gambit [11-15]을 이용하였고 모든 열처리와 확산은 확산계수를 적용하여 Fluent[16-20] 프로그램을 사용하였다. 개발된 해석적인 모델의 결과들은 급온 열처리 RTA (rapid thermal annealing) 후에 측정된 SEM (scanning electron microscope) 및 SIMS (secondary ion mass spectroscopy) 데이터와 서로 비교하여 제시한 본 모델의 정당성을 확립할 수 있었다.

성능/효과

해석적인 모델을 개발하기 위해서 메쉬와 그리드의 구조는 Gambit [11-15]을 이용하였고 모든 열처리와 확산은 확산계수를 적용하여 Fluent[16-20] 프로그램을 사용하였다. 개발된 해석적인 모델의 결과들은 급온 열처리 RTA (rapid thermal annealing) 후에 측정된 SEM (scanning electron microscope) 및 SIMS (secondary ion mass spectroscopy) 데이터와 서로 비교하여 제시한 본 모델의 정당성을 확립할 수 있었다. 이온 주입된 분포의 파라미터는 다음의 수식들을 통하여 구해질 수 가 있다.
스퍼터링 (sputtering) 효과는 상대적으로 높은 에너지로 가벼운 붕소이온이 주입된 경우이기 때문에 거의 무시할 수가 있고 SRIM 시뮬레이션의 결과로부터도 입증이 되었다. 또한 제안한 본 모델은 3-D 분포를 나타낼 수가 있고 2-D의 데이터는 측정된 SEM 데이터와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 그러나 0°와 7°에서 후방산란 (backscattering) 효과는 1-D, 2-D에서 각각 영향을 나타내었다.
PMOS에서 주입된 붕소의 분포는 Cameca 6f의 SIMS를 이용하여 1-D 데이터를 측정하였고 화학적인 에칭과 빛을 조사한 다음 SEM으로 측정한 2-D 분포를 나타내었다. 본 논문에서 제시한 3-D 모델은 실험 데이터와 비교하여 1-D 및 2-D의 결과와 잘 일치하고 있음을 확인하였다. HF:HNO3:CH3COOH=1:3:8의 화학적 에칭용액을 사용하여 좋은 해상도를 나타내는 2-D 분포를 얻을 수 있었다.
HF:HNO3:CH3COOH=1:3:8의 화학적 에칭용액을 사용하여 좋은 해상도를 나타내는 2-D 분포를 얻을 수 있었다. 소스와 드레인영역의 코너부분 뿐만 아니라 어떠한 영역에서도 1-D에서 3-D 까지 농도 분포를 구할 수 있는 방법을 본 논문에서제시하였으며, 표면 가까이에서 후방산란효과를 나타내는 모델을 개발하여 해석적인 방법을 적용하여 측정된 데이터들과 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 1-D의 경우에서는 SRIM, ICECREM 및 제시한 해석적인 모델 모두가 SIMS 데이터와 잘 일치하였다.
본 연구에서는 주입된 붕소이온들의 분포를 나타내기 위해서 가우스와 후방산란을 가진 가우스모델을 사용하여 1-D, 2-D 및 3-D 모델들을 각각 해석할 수가 있었다. 일차원적인 분포는 SRIM 및 SIMS 데이터와서로 비교하였고 이차원적 데이터는 에칭 후에 측정된 SEM 데이터와 비교하여 본 연구에서 제시한 3-D 모델의 정당성을 입증할 수가 있었다. 서로 다른 입사각으로 주입된 붕소이온들의 농도분포를 그림 1에 나타내었다.
즉 350 keV 이상의 에너지에서 붕소 이온주입은 거의 반사효과 없이 모든 이온들이 실리콘기판에 주입된다는 것을 나타내고 있다. 제시된 본 모델은 무거운 기판에서 가벼운 이온들의 반사효과를 고려함으로써 SIMS 데이터와 잘 일치함을 나타내어 SRIM 시뮬레이션의 결과를 근거로 하여 350 keV 아래의 에너지영역에서 다양하게 적용할 수 있는 모델임을 검증하였다 [10].

후속연구

그림 14와 15에서 나타낸 붕소의 3-D 분포는 임의적인 경사나 회전의 이온 주입조건에서도 단면과 다양한 구조에서도 이온분포를 알 수가 있고 신뢰할 수 있는 공정조건을 확립할 수 있다고 사료된다. 또한 제시된 모델은 집적회로에서 3-D chip의 해석 및 디자인이나, MEMS 구조 및 특수한 소자들의 해석에도 이용이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학적인 에칭방법의 장점은?	가우스모델은 대체적으로 SEM 데이터와 잘 일치하지만 1-D의 경우에서는 제시한 모델이 단지 가우스모델을 사용한 경우보다 더 좋은 결과를 나타냄을 데이터들을 서로 비교하여 확인하였다. 화학적인 에칭방법은 실리콘에서 단지 전기적으로 활성화된 도핑 농도만을 나타낼 수가 있다. 또한 이 방법은 PMOS의 경우에 최소한으로 측정될 수 있는 측정한계는 1×1016 cm-3의 농도를 나타내었다.
	붕소의 이온이 주입된 실리콘웨이퍼는 전기적인 활성화를 위해 무엇이 수행되는가?	CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 소자제작을 위해서, 소스와 드레인 영역들은 P+ 도핑을 위해서 붕소의 이온주입기술이 사용된다. 붕소이온이 주입된 실리콘웨이퍼는 전기적인 활성화를 위해서 N2 가스 분위기에서 열처리가 수행된다. 현재에 붕소이온들의 확산과 활성화 메커니즘은 광범위하게 연구되어 왔다 [1-3].
	CMOS 소자제작을 위해서 소스와 드레인 영역들에 무엇이 주입되는가?	CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 소자제작을 위해서, 소스와 드레인 영역들은 P+ 도핑을 위해서 붕소의 이온주입기술이 사용된다. 붕소이온이 주입된 실리콘웨이퍼는 전기적인 활성화를 위해서 N2 가스 분위기에서 열처리가 수행된다.

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저자의 다른 논문 :

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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