Characterization of Gate Oxides with a Chlorine Incorporated $SiO_2/Si$ Interface

염소(Chlorine)가 도입된 $SiO_2/Si$ 계면을 가지는 게이트 산화막의 특성 분석

We have developed a technique for growing thin oxides (6~10 nm) by the Last step TCA method. N-channel metal-oxide-semiconductor (n-MOS) capacitor and n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor's (MOSFET's) having a gate oxide with chlorine incorporated $SiO_2/Si$ interface have been analyzed by electrical measurements and physical methods, such as secondary ion mass spectrometry (SIMS) and electron spectroscopy for chemical analysis (ESCA). The gate oxide grown with the Last strp TCA method has good characteristics as follows: the electron mobility of the MOSFET's with the Last step TCA method was increased by about 7% and the defect density at the $SiO_2/Si$ interface decreases slightly compared with that with No TCA method. In reliability estimation, the breakdown field was 18 MV/cm, 0.6 MV/cm higher than that of the gate oxide with No TCA method, and the lifetime estimated by TDDB measurement was longer than 20 years. The device lifetime estimated from hot-carrier reliability was proven to be enhanced. As the results, the gate oxide having a $SiO_2/Si$ interface incorporated with chlorine has good characteristics. Our new technique of Last step TCA method may be used to improve the endurance and retention of MOSFET's and to alleviate the degradation of thin oxides in short-channel MOS devices.

두께가 6~10 nm인 게이트 산화막의 계면에 염소(Cl)를 도입시킨 n-MOS capacitor 및 n-MOSFET을 제잘하여 물성적인 방법(SIMS, ESCA)과 전기적인 방법에 의해서 소자의 특성을 분석, 평가하였다. Last step TCA법을 이용하여 성장시킨 산화막은 No TCA법으로 성장시킨 것보다 mobility가 7% 정도 증가하였고, 결함 밀도도 감소하였다. Time-zero-dielectric-breakdown(TZDB)으로 측정한 결과, Cl를 도입한 막의 파괴 전계(breakdon field)는 18 MV/cm인데, 이것은 Cl을 도입하지 않은 것보다 약 0.6 MV/cm 정도 높은 값이다. 또한 time-dependent-dielectric-breakdown(TDDB) 결과로부터 수명이 20년 이상인 것으로 평가되었고, hot carrier 신뢰성 측정으로부터 평가한 소자의 수명도 양호한 것으로 나타났다. 이상의 결과에서 Cl을 계면에 도입시킨 게이트 산화막을 가진 소자가 좋은 특성을 나타내고 있으므로 Last step TCA법을 종래의 산화막 성장 방법 대신에 사용하면 MOSFET 소자의 새로운 게이트 절연막 성장법으로서 대단히 유용할 것으로 생각된다.