[논문]산화막의 질화 조건에 따른 트랩 파라미터에 관한 연구

윤운하; 강성준; 정양희

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.5.473

초록
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본 논문은 RTP법으로 산화막을 질화시킨 질화산화막으로 MIS 커패시터를 제작하여 avalanche 주입에 따른 캐리어 트랩 특성을 조사하였다. avalanche 주입에 의한 flatband 전압 변화는 두 번의 turn-around가 관찰되었는데 이는 처음 산화막에서 전자 트래핑이 있어나고, 전하 주입에 따라 홀 트래핑에 의한 turn-around 후 다시 전자 트래핑이 일어나는 것을 관찰하였다. 질화 산화막의 캐리어 트랩 파라미터를 결정하기 위하여 실험 결과를 기초로 종류가 다른 여러 트랩을 갖는 계에 대한 캐리어 트래핑을 비교한 결과 실험값과 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the MIS(: Metal-Insulator-Semiconductor) Capacitor with the nitrided-oxide by RTP are fabricated to investigate the carrier trap parameters due to avalanche electron injection. Two times turn-around phenomenon of the flatband voltage shift generated by the avalanche injection are obse...

In this paper, the MIS(: Metal-Insulator-Semiconductor) Capacitor with the nitrided-oxide by RTP are fabricated to investigate the carrier trap parameters due to avalanche electron injection. Two times turn-around phenomenon of the flatband voltage shift generated by the avalanche injection are observed. This shows that electron trapping occurs in the oxide film at the first stage. As the electron injection increases, the first turn-around occures due to a positive charge in the oxide layer. After further injection, the curves turns around once again by electron captured. Based on the experimental results, the carrier trapping model for system having multi-traps is proposed and is fitting with experimental data in order to determine trap parameter of nitrided-oxide.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이러한 질화산화막에서 제기되는 문제를 규명하고 개선을 위해서는 산화막의 질화가 트랩생성에 미치는 영향을 알아야 한다. 본 논문에서는 RTP(: Rapid Thermal Process)법으로 SiO₂막을 여러 조건으로 질화하여 MIS 커패시터를 제작하고 avalanche 주입 후 질화조건에 따른 캐리어 트랩 특성을 조사하였다.

제안 방법

5MV/㎝에 해당된다. Avalanche 주입 후 flatband 전압과 그 변화를 측정하기 위해 고주파 C-V를 측정하고 다시 avalanche 주입을 하고 C-V를 측정하는 실험을 반복하여 avalanche 주입에 따른 flatband 전압의 변화를 조사하였다. 실험결과 C-V 곡선을 얻기 위해 전하주입을 중단할 때 생기는 영향은 거의 무시할 수 있는 것으로 나타났다.
본 실험에서는 비저항이 0.3 Ω㎝이고 결정 방향이 (100)인 p형 실리콘 웨이퍼를 사용하여 H₂:O₂=1:2의 비율로 950℃에서 20분간 산화하여 700Å 두께의 초기 산화막을 형성한 후, NH3 가스 분위기에서 rapid thermal nitridation하여 질화시켰다. RTN 온도는 900, 1100℃에서 90∼120초 범위에서 수행하였고, 이들 RTN 막중 일부는 1100℃의 O₂ 분위기에서 30초 동안 RTO 방법으로 열처리하였다.
여러 가지 질화조건에서 형성한 질화산화막을 가지는 MIS capacitor에 대해 avalanche 주입에 따른 고주파 C-V를 측정하고 이들 고주파 C-V 곡선으로부터 주입 시간과 flatband 전압 변화(△V_FB)의 관계를 구하였다(그림 1). 그림 1에서 곡선 A는 900℃에서 90초간 암모니아 가스로 열처리한 시료의 flatband 전압 변화(△V_FB)를 나타낸 것이고 곡선 B는 900℃에서 120초간 열처리한 시료의 flatband 전압 변화(△V_FB)이다.

성능/효과

질화 조건이 다른 질화 산화막의 avalanche 주입에 따른 flatband 변화(△VFB)는 전자 트래핑과 홀 트래핑이 함께 일어나는 turn-around 현상이 관찰 되었으며, 이는 생성 양전하에 의해 포획된 전자의 영향, 이미 존재하고 있던 전자 트랩에 포획되는 전자의 영향 그리고 새로이 생성되는 전자 트랩에 의해 포획되는 전자의 영향과 같은 전하 발생 매커니즘으로 일어난다는 이론적 고찰을 뒷받침하는 실험적 사실로 볼 수 있다. 또한 이러한 전하 주입량과 △V_FB사이의 관계로부터는 질화 시간이 길어지고 질화 온도가 증가하면 새롭게 생성되는 트랩 밀도가 증가하여 소자의 동작 특성에 악 영향을 미치기 때문에 산화막을 질화시킬 때 질화 시간은 짧게, 질화 온도는 가능한 낮게 조절하는 것이 양질의 절연막을 얻을 수 있는 방법임을 확인할 수 있었다. 비록 질화가 심한 시료라도 O₂가스를 사용하여 열처리하면 트랩 밀도가 감소하는 경향으로 확인됨으로써 산화막의 질화와 질화 산화막의 O₂ 가스 열처리는 MIS 소자에서 산화막의 신뢰성과 안정성 향상에 기여할 것으로 판단된다.
질화 조건이 다른 질화 산화막의 avalanche 주입에 따른 flatband 변화(△VFB)는 전자 트래핑과 홀 트래핑이 함께 일어나는 turn-around 현상이 관찰 되었으며, 이는 생성 양전하에 의해 포획된 전자의 영향, 이미 존재하고 있던 전자 트랩에 포획되는 전자의 영향 그리고 새로이 생성되는 전자 트랩에 의해 포획되는 전자의 영향과 같은 전하 발생 매커니즘으로 일어난다는 이론적 고찰을 뒷받침하는 실험적 사실로 볼 수 있다. 또한 이러한 전하 주입량과 △V_FB사이의 관계로부터는 질화 시간이 길어지고 질화 온도가 증가하면 새롭게 생성되는 트랩 밀도가 증가하여 소자의 동작 특성에 악 영향을 미치기 때문에 산화막을 질화시킬 때 질화 시간은 짧게, 질화 온도는 가능한 낮게 조절하는 것이 양질의 절연막을 얻을 수 있는 방법임을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 이러한 전하 주입량과 △V_FB사이의 관계로부터는 질화 시간이 길어지고 질화 온도가 증가하면 새롭게 생성되는 트랩 밀도가 증가하여 소자의 동작 특성에 악 영향을 미치기 때문에 산화막을 질화시킬 때 질화 시간은 짧게, 질화 온도는 가능한 낮게 조절하는 것이 양질의 절연막을 얻을 수 있는 방법임을 확인할 수 있었다. 비록 질화가 심한 시료라도 O₂가스를 사용하여 열처리하면 트랩 밀도가 감소하는 경향으로 확인됨으로써 산화막의 질화와 질화 산화막의 O₂ 가스 열처리는 MIS 소자에서 산화막의 신뢰성과 안정성 향상에 기여할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	게이트 절연막으로 질화산화막을 사용할 때 발생될 수 있는 문제는 무엇인가?	SiO2막을 고온에서 열적으로 질화시켜 형성한 질화산화막은 기존의 SiO2막보다 불순물 확산에 대한 장벽효과가 좋고 높은 전기장의 스트레스에 대한 저항력과 유전상수를 가지는 잇점이 있다[6]. 그러나 SiO2막을 암모니아(NH3) 분위기에서 열적으로 질화시키는 경우 NH3의 해리로 생긴 수소(Hydrogen)나 질소(Nitrogen)가 SiO2막내로 확산되어 많은 전자 트랩(trap)에 기인한 질화산화막의 불안정성과 퇴화를 초래하는 것으로 알려져 있다[7-8]. 따라서 이러한 질화산화막에서 제기되는 문제를 규명하고 개선을 위해서는 산화막의 질화가 트랩생성에 미치는 영향을 알아야 한다.
	질화산화막의 장점은?	그러므로 VLSI 기술에서 산화막을 대체할 절연막으로 질화산화막(Nitrided-oxide)에 관한 많은 연구가 활발하게 이루어지고 있다. SiO2막을 고온에서 열적으로 질화시켜 형성한 질화산화막은 기존의 SiO2막보다 불순물 확산에 대한 장벽효과가 좋고 높은 전기장의 스트레스에 대한 저항력과 유전상수를 가지는 잇점이 있다[6]. 그러나 SiO2막을 암모니아(NH3) 분위기에서 열적으로 질화시키는 경우 NH3의 해리로 생긴 수소(Hydrogen)나 질소(Nitrogen)가 SiO2막내로 확산되어 많은 전자 트랩(trap)에 기인한 질화산화막의 불안정성과 퇴화를 초래하는 것으로 알려져 있다[7-8].
	실리콘 산화막을 대체할 새로운 게이트 절연막으로 제시되는 것은?	이중에서 실리콘 표면을 산화시킨 실리콘 산화막은 게이트 절연막으로 널리 사용되어 왔으나 불순물 확산과 방사선 손상에 의한 저항력 감소 등의 문제가 발생하여 이를 대체할 새로운 게이트 절연막이 요구되고 있다[1-5]. 그러므로 VLSI 기술에서 산화막을 대체할 절연막으로 질화산화막(Nitrided-oxide)에 관한 많은 연구가 활발하게 이루어지고 있다. SiO2막을 고온에서 열적으로 질화시켜 형성한 질화산화막은 기존의 SiO2막보다 불순물 확산에 대한 장벽효과가 좋고 높은 전기장의 스트레스에 대한 저항력과 유전상수를 가지는 잇점이 있다[6].

참고문헌 (12)

T. Ito, T. Nakamura, and H. Ishikawa, "Effect of Thermally Nitrided SiO2(Nitroxide) on MOS Characteristics," J. Electrochem. Soc, vol. 129, no. 1, 1982, pp. 184-188.

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S. Mun, S. Kang, and Y. Joung, "A study on the DC parameter matching according to the shrink of 0.13um technology," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 11, 2014, pp. 1227-1232.

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S. Mun, S. Kang, and Y. Joung, "A study on the Hot Carrier Injection Improvement of I/O Transistor," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 0, no. 8, 2014, pp. 847-852.

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S. Mun, S. Kang, and Y. Joung, "A study on Flicker Noise Improvement by Decoupled Plasma Nitridation," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 7, 2014, pp. 747-752.

원문보기 상세보기
T. Ito, H. Arakawa, T. Nozaki, and H. Ishikawa, "Retardation of Destructive Breakdown of SiO2 Films Annealed in Ammonia Gas," J. Electrochem. Soc., vol. 127, no. 10, 1980, pp. 2248-2251.

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G. Ruggles and J. Monkowski, "An Investigation of Fixed Charge Buildup in Nitrided Oxides," J. Electrochem. Soc., vo1. 133, no. 4, 1986, pp. 787-793.

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C. Tah, Y. Sun, and J. Tzou, "Generation annealing Kinetics and atomic models of a compensating donor in the surface space charge layer of oxidized silicon," J. Appl. Phys., vol. 54, 1983, pp. 944-952.

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S. Tantelides, "The electronic structure of impurities and defects in SiO2," Thin Solid Films, vol. 89, no. 1, 1982, pp. 103-108.

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G, Hu and C. Johnson, "Relationship between trapped holes and interface states in MOS capacitors," J. of Appl. Phys. Lett., vol. 36, no. 7, 1980, pp. 590-592.

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