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문제 정의
- 이러한 경우에는 다결정 실리콘 게이트 막에 공핍층이 형성되고, 이는 MOSFET 소자의 전기적인 특성에 심각한 영향을 미치는 것이 확인되었다 [1-3]. 본 논문에서는 다결정 실리콘 게이트 막의 공핍층 형성이 MOSFET 소자의 여러 가지 신뢰성 특성에 미치는 영향을 연구한 결과들에 대하여 논의하였다.
제안 방법
- 게이트 공핍이 NMOS 소자의 중요한 소자 특성 파라미터 중의 하나인 문턱 전압에 미치는 영향을 정량 적으로 분석하기 위하여 n+ 다결정 실리콘 게이트 막을 도핑하기 위해 실시한 P 이온 주입 공정에서 이온 주입 농도(dose)를 다양하게 해서 NMOS 소자들을 제작하였고, 제작된 소자들 중에서 선택된 30개 소자들의 문턱 전압을 측정한 후, 측정된 문턱 전압의 확률 분포도를 그림 2에 도식하였다.
- 게이트 다결정 실리콘 막의 도핑 농도가 MOSFET 소자의 전기적인 특성에 미치는 영향을 연구하기 위하여 다결정 실리콘 게이트 막의 도핑 농도가 서로 다른 NMOS 소자들과 MOS 커패시터들을 설계 및 제작하고 전기적인 특성들을 측정하였다.
- 즉, 다결정 실리콘 게이트 막을 도핑하기 위해서 실시한 이온 주입 공정에서 이온 주입 농도를 1013 ~ 5×1015cm-2 범위에서 다양하게 변화시켰다. 그리고 다양한 이온 주입 농도를 가진 소자 들의 단 채널 효과를 분석하기 위하여 그 소자들의 문턱 전압들을 측정하고 그 측정된 문턱 전압들을 채널 길이의 함수로 도식하였다. 여기서 사용된 소자들의 채널 너비는 25 μm이었다.
- 다결정 실리콘 게이트 공핍이 NMOS의 Ⅰ-Ⅴ 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 n + 게이트의 도핑 농도가 서로 다른 NMOS 소자의 Ⅰ-Ⅴ 특성을 측정하 였다. 이때 n + 다결정 실리콘 게이트 막의 이온 주입 농도는 1013 ～5×1015/cm2이었다.
- 다음으로 전압 스트레스에 따라 전달컨덕턴스, gm이어떻게 변화하는지를 측정하였다(그림 6). 스트레스 시간에 따른 gm의 열화 속도도 문턱 전압의 경우와 마찬 가지로 이온 주입 농도가 작을수록 더 느려지는 것으로 나타났다.
- 먼저 게이트 산화 막의 열화가 가장 많이 받을 것으로 예상되는 조건, 즉 기판 전류가 최대가 되는 조건 에서, 즉 Vd＝6.5 V, Vg ＝3.5 V, VS＝0 V에서 W/L＝25/0.6 μm인 NMOS 소자들에게 전압 스트레스를 인가한 다음 스트레스 시간에 따른 문턱 전압의 변화 량을 측정하였다(그림 5).
- 먼저, 보론(B)이 도핑된 (100) 실리콘 웨이퍼(10 Ω-cm) 를 사용하여 기본적인 LOCOS (local oxidation of silicon) isolation 공정을 수행하고, 건식 산화 공정을 사용하여약 10 nm 두께의 게이트 실리콘 산화 막을 길렀다.
- 여기서는 다결정 실리콘 게이트 막의 이온 주입 농도에 따라 열전자 효과가 어떻게 다르게 나타나는지를 실험하고 그 결과를 분석하였다.
- 즉, 다결정 실리콘 게이트 막을 도핑하기 위해서 실시한 이온 주입 공정에서 이온 주입 농도를 1013 ~ 5×1015cm-2 범위에서 다양하게 변화시켰다.
- 첫 번째 실험으로 n + 다결정 실리콘 게이트 막의 이온 주입 농도가 10 13 /cm 2 인 소자가 MOSFET 소자로서 정상적으로 동작하는지를 확인하기 위하여 그 소자 의 Ⅰ-Ⅴ 특성을 측정하였다(그림 1). 여기서 사용된 소자의 W/L＝25/10 ㎛이었다.
- 테스트 칩이 제작된 후에 반도체 소자 parameter analyzer의 일종인 HP 4156A Precision Semiconductor Parameter Analyser를 사용하여 NMOS 소자들과 MOS 커패시터 소자들의 여러 가지 전기적인 특성들을 측정하였다.
성능/효과
- 또한 문턱 전압이 증가하면 드레인 전류, Id는 감소한다. 결론적으로 문턱 전압이 증가하면 드레인 전류, Id는 감소하고 Em값은 증가한다. 이러한 사실을 식 (1)에 적용하면 문턱 전압이 증가하면 게이트 전류, Ig는 감소하는 것을 알 수 있다.
- 이와 유사한 실험 결과가 전에 논문에 발표된 적이 있다 [2]. 그 논문에서는 다결정 실리콘 게이트 막의 도핑 농도가 축퇴 수준까지 충분히 높지 않으면, 다결정 실리콘 게이트 막의 가장자리, 특히 모서리 부분에서 fringing 게이트 전계가 집중적으로 형성되어 그영역에서 공핍층 형성이 증가하고, 따라서 다결정 실리콘 게이트 막의 평균 공핍층 폭이 증가된다는 것이었 다. 채널 길이가 큰 경우에는 이러한 가장자리와 모서리 부분에서 공핍층이 더 크게 형성되어 있더라도 전체 공핍층 증가에 미치는 영향이 작지만, 채널 길이가 작아지면서 그 미치는 영향이 점점 더 커져서 결국에는 채널 길이가 작을수록 다결정 실리콘 게이트 막의 평균 공핍층 폭이 증가하고 따라서 문턱 전압도 점점더 증가하게 되는 것이다.
- 다결정 실리콘 게이트 막의 이온 주입 농도가 1013/cm2인 경우에는 subthreshold 기울기가 크게 증가하였으며, 게이트 공핍이 열전자 효과는 다결정 실리콘 게이트 막의 이온 주입 농도가 작을수록 더 약하게 나타났다. 이는 이온 주입 농도가 감소하면 게이트 공핍으로 문턱 전압이 증가하고, 따라서 게이트 전류가 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
- 두 번째로 다결정 실리콘 게이트 막의 이온 주입 농도가 증가함에 따라 문턱 전압의 증가율이 더 크게 증가하였다. 이러한 현상은 다음과 같은 게이트 전류에 대한 다음과 식을 이용하여 설명할 수 있다 [7].
- 08 V로 측정되었다. 즉, 문턱 전압의 평균값이 약 2 V 증가하였 고, 문턱 전압의 변동 폭이 크게 증가하였다.
후속연구
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이러한 효과는 단 채널 효과를 상쇄시키는 결과를 가져왔다. 이는 게이트 공핍 효과를 통하여 단채널 효과를 방지할 수 있는 획기적인 방법이 될 수있을 것으로 판단된다.
- 이러한 현상은 다결정 실리콘 막의 이온 주입 농도가 10 13 cm -2 인 소자의 경우에는 더욱 뚜렷하게 나타나서 채널 길이가 줄어들수록 문턱 전압이 오히려 급격히 증가하는 것을 볼 수 있었 다. 이는 단 채널 길이 효과와 정반대이기 때문에 다결정 실리콘 막의 농도를 적당하게 낮추어서 적당한 크기의 공핍층이 다결정 실리콘 막에 형성되게 한다면, 이는 단 채널 효과와 게이트 공핍층 효과가 서로 상쇄 되어 단 채널 효과를 억제할 수 있는 좋은 방안이 될수 있을 것으로 판단된다.
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