[논문]낮은 에너지로 실리콘에 이온 주입된 분포와 열처리된 인듐의 거동에 관한 시뮬레이션과 모델링

정원채

doi:10.4313/jkem.2016.29.12.750

낮은 에너지로 실리콘에 이온 주입된 분포와 열처리된 인듐의 거동에 관한 시뮬레이션과 모델링
Modeling and Simulation on Ion Implanted and Annealed Indium Distribution in Silicon Using Low Energy Bombardment 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.12, 2016년, pp.750 - 758

Abstract ▼ AI-Helper

For the channel doping of shallow junction and retrograde well formation in CMOS, indium can be implanted in silicon. The retrograde doping profiles can serve the needs of channel engineering in deep MOS devices for punch-through suppression and threshold voltage control. Indium is heavier element t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 SiO₂층에서 농도 분포의 끝부분에서 작은 농도 피크가 추가로 나타남을 확인하였다. 복잡한 확산 과정 때문에 본 연구에서는 실리콘에서 주입된 이온의 분포와 확산 후에 이온들의 거동에 따른 재분포를 해석적인 모델로 제시하고자 한다. 이온 주입된 인듐의 분포는 피어슨 분포에서 다소 가우스분포에 가까운 분포로 나타난다.
1 nm의 이온 분포를 각각 나타내어서 현재 반도체 소자제작사에서 30∼20 nm 공정기술에서 보다 더 향상된 10 nm의 공정 기술에 적용될 수 있다고 사료된다. 실제적으로 일차원 및 이차원적인 확산 모델을 본 연구에서 독자적인 계산 및 해석한 결과들을 기술하였고 또한 SIMS 실험 데이터와도 비교 분석하여 본 논문의 실험적인 검증 및 정확성을 본 연구에서 제시하였다. 이러한 해석적인 방법을 통하여 1D 및 2D의 분포를 정확하게 나타내어서 전기적인 특성연구에 실제로 적용되리라고 사료된다.

제안 방법

SRIM과 UT-Marlowe 프로그램을 이용하여 이온 주입 컴퓨터 시뮬레이션에서 good statistics를 위해서 100만 개의 history number를 적용하였다. 열처리 후에 나타나는 인듐이온의 도핑 분포를 수식적인 해석 방법으로 확산 분포를 나타내기 위해서 확산된 1차원의 분포는 수식 (1)에서 (4)를 적용하여 Matlab을 사용하여 결과를 나타내었고, 2차원의 해석적인 분포는 C⁺⁺ 프로그램으로 작성하여 시뮬레이션 격자를 형성하고 확산된 2차원의 분포를 그림 17에 나타내었다.
실리콘기판에 인듐이온의 주입에서 주입량 및 입사된 빔의 각도에 따른 표면에서의 sputtering 효과와 erosion rate를 컴퓨터 시뮬레이션결과로부터 자세히 나타내었다. 낮은 이온 주입량에서 인듐이온의 일차원적인 농도 분포는 몬테카를로 프로그램인 UT-Marlowe와 SRIM을 이용하여 실리콘의 단결정 및 비정질구조에서 인듐이온의 분포에 대한 물리적인 특성을 비교하였고 특히 낮은 도즈의 이온 주입에서 실리콘 단결정기판에서는 channeling tail을 나타내는 도핑 분포를 나타내었다. 또한 이온 주입된 농도분포를 3차원으로 수직 및 측면방향으로 나타내었고 입사이온빔의 각도가 더 커짐에 따라서 측면 방향으로 더 접근되고 기울어지는 분포를 나타내고 있음을 알 수 있었다.
특히 국내 논문은 현재까지 발표된 논문이 거의 없는 편이다. 따라서 본 연구에서는 Monte carlo 이온 주입 컴퓨터 시뮬레이션 tool인 SRIM [4-6]과 UT-MARLOWE [7-9] 프로그램을 이용하여 단결정 및 비정질 실리콘기판에 인듐이온 주입을 실행하여 농도분포를 나타내었다. 특히 UT-MARLOWE 시뮬레이션 결과들은 단결정기판에서 SIMS 데이터와 잘 일치하는 결과를 나타내었다 [7-11].

데이터처리

SRIM과 UT-Marlowe 프로그램을 이용하여 이온 주입 컴퓨터 시뮬레이션에서 good statistics를 위해서 100만 개의 history number를 적용하였다. 열처리 후에 나타나는 인듐이온의 도핑 분포를 수식적인 해석 방법으로 확산 분포를 나타내기 위해서 확산된 1차원의 분포는 수식 (1)에서 (4)를 적용하여 Matlab을 사용하여 결과를 나타내었고, 2차원의 해석적인 분포는 C⁺⁺ 프로그램으로 작성하여 시뮬레이션 격자를 형성하고 확산된 2차원의 분포를 그림 17에 나타내었다.

이론/모형

T-dyn simulation tool 을 이용하여 dose 1×1014 cm-2 및 1×1015 cm-2로 실리콘에 인듐 이온 주입에서 입사각에 따른 erosion rate와 sputtering yield를 그림1 부터 그림 4까지 나타내었다.
T-dyn simulation tool 을 이용하여 인듐 이온주입 입사각에 따른 erosion rate (Å/s) 및 sputtering yield 를 그림 1과 2에 각각 나타내었다. 30° 이상의 입사각에서는 sputtering yield가 큰 값으로 가파르게 증가하는 형태로 나타났고 80°에서는 가장 큰 값으로 나타내었다.
T-dyn simulation tool을 이용하여 dose에 따른 sputtering yield 및 erosion rate (Å/s)를 그림 1에서 4까지 각각 나타내었다. Sputtering 효과에 의한 표면 부식층 두께(X_s)는 수식 (8)과 같이 나타낼 수 있다
또한 낮은 에너지(10∼50 keV)에서 sputtering 효과가 매우 크게 나타나서 실리콘웨이퍼의 표면에서 부식층 (eroded layer)이 나타나게 된다. 이러한 sputtering 효과는 T-dyn [12-15] 시뮬레이션을 통하여 그 결과를 그림으로 나타내었다. 10∼50 keV의 에너지 영역에서 인듐 이온 주입을 통하여 단결정실리콘이 비정질화 되는 이온 주입량은 약 3.

성능/효과

1×1015 cm-2 이상의 높은 dose로 인듐이 주입된 경우는 최대 농도가 약 1.8×1018 cm-3 이상의 영역에서 precipitation의 상태로 나타나서 전기적으로 일부분이 활성화하지 않은 상태로 그대로 있음을 확인할 수가 있었다.
그러나 입사 각도가 80°로 커짐에 따라서 수직 방향보다 약 5배의 더 큰 값을 나타내어 인듐이온의 분포가 측면 방향으로 더 깊이 침투함을 확인할 수 있었다.
0의 값을 나타내어서 실리콘에서 보다 훨씬 더 확산계수가 작음을 나타내었다. 그리고 SiO₂층에서 농도 분포의 끝부분에서 작은 농도 피크가 추가로 나타남을 확인하였다. 복잡한 확산 과정 때문에 본 연구에서는 실리콘에서 주입된 이온의 분포와 확산 후에 이온들의 거동에 따른 재분포를 해석적인 모델로 제시하고자 한다.
그림 16에서 나타난 결과로부터 SIMS data는 SRIM 시뮬레이션결과와 대체로 잘 일치하는 농도분포를 나타내었고 확산된 농도분포는 최대 농도 값 부근에서는 잘 일치함을 나타내었으나, 열처리 후에는 다소 더 깊이 침투하는 분포를 나타내었다. 본 연구에서는 실리콘기판에 인듐이온 주입 후에 열처리하여 이차원적인 농도분포를 그림 17에 처음으로 나타내었다.
또한 본 연구에서 실리콘에서 인듐의 확산계수가 1,100℃에서 20분간 질소 분위기에서 열처리한 경우 인듐의 확산계수는 7.88×10-14 cm2/s이고 1,000℃에서 20분간 열처리한 경우는 5.907×10-15cm2/s의 값을 각각 나타내어서 SIMS data와 잘 일치함을 확인하였다.
낮은 이온 주입량에서 인듐이온의 일차원적인 농도 분포는 몬테카를로 프로그램인 UT-Marlowe와 SRIM을 이용하여 실리콘의 단결정 및 비정질구조에서 인듐이온의 분포에 대한 물리적인 특성을 비교하였고 특히 낮은 도즈의 이온 주입에서 실리콘 단결정기판에서는 channeling tail을 나타내는 도핑 분포를 나타내었다. 또한 이온 주입된 농도분포를 3차원으로 수직 및 측면방향으로 나타내었고 입사이온빔의 각도가 더 커짐에 따라서 측면 방향으로 더 접근되고 기울어지는 분포를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 20 keV 이하의 낮은 에너지에서 인듐이온의 농도분포에 관한 연구는 매우 부족한 실정이다.
수식 (3)은 이온 주입량 즉 dose<1×1015 cm-2의 조건에서는 실험 데이터와 매우 잘 일치함을 나타내었다.
907×10^-15cm²/s의 값을 각각 나타내어서 SIMS data와 잘 일치함을 확인하였다. 실리콘에 10 keV로 인듐이온 주입된 결과로부터 수직 방향으로 12.2 nm, 수평 방향으로 3.1 nm의 이온 분포를 각각 나타내어서 현재 반도체 소자제작사에서 30∼20 nm 공정기술에서 보다 더 향상된 10 nm의 공정 기술에 적용될 수 있다고 사료된다. 실제적으로 일차원 및 이차원적인 확산 모델을 본 연구에서 독자적인 계산 및 해석한 결과들을 기술하였고 또한 SIMS 실험 데이터와도 비교 분석하여 본 논문의 실험적인 검증 및 정확성을 본 연구에서 제시하였다.
수직 방향의 깊이는 100 nm이고 측면의 폭은 50 nm를 나타내고 있다. 입사 이온빔의 각도가 더 커짐에 따라서 농도분포는 측면방향으로 더 기울어짐을 확인하였다.
프로파일 tail 부분을 묘사하는 γ (skewness) 및 β (kurtosis)를 제외한 수식 (3)을 적용함으로써 실험 data와 잘 일치하는 분포를 나타내었다.

후속연구

4%가 증가하였음을 나타내었다. 본 연구 데이터는 CMOS의 halo 및 pocket 이온주입, 매우 얕은 채널형성 및 접합구조에 적용되리라고 사료된다. 10 keV에서 50 keV 에너지로 입사각도가 0°, 즉 수직 방향으로 입사된 이온빔의 평균주행깊이는 122 Å에서 339 Å을 나타내었다.
실제적으로 일차원 및 이차원적인 확산 모델을 본 연구에서 독자적인 계산 및 해석한 결과들을 기술하였고 또한 SIMS 실험 데이터와도 비교 분석하여 본 논문의 실험적인 검증 및 정확성을 본 연구에서 제시하였다. 이러한 해석적인 방법을 통하여 1D 및 2D의 분포를 정확하게 나타내어서 전기적인 특성연구에 실제로 적용되리라고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인듐의 특징은?	인듐은 원자번호가 49이고 원자질량이 114.82 amu. 를 나타내는 기존의 붕소, 갈륨, 알루미늄, BF2 분자 이온등과 비교해서 매우 무거운 3족의 p타입 불순물 원소이다. 또한 인듐의 용융점은 156.
	인듐의 용융점은?	를 나타내는 기존의 붕소, 갈륨, 알루미늄, BF2 분자 이온등과 비교해서 매우 무거운 3족의 p타입 불순물 원소이다. 또한 인듐의 용융점은 156.6℃로 매우 낮은 편이다. 따라서 실리콘에 이온 주입된 인듐의 확산 모델은 현재까지 자세히 나타나 있지 않다.
	인듐이 낮은 에너지에서 갖는 문제점은 무엇인가?	따라서 실리콘에 이온 주입된 인듐의 확산 모델은 현재까지 자세히 나타나 있지 않다. 또한 낮은 에너지(10∼50 keV)에서 sputtering 효과가 매우 크게 나타나서 실리콘웨이퍼의 표면에서 부식층 (eroded layer)이 나타나게 된다. 이러한 sputtering 효과는 T-dyn [12-15] 시뮬레이션을 통하여 그 결과를 그림으로 나타내었다.

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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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