Abstract
In this study, the effects of $WSi_x$, thickness and fluorine concentration in tungsten polycide gate structure on gate oxide were investigated. As $WSi_x$, thickness increases, gate oxide thickness increases with fluorine incorporation in gate oxide, and time-to-breakdown($T_{BD,50%}$) of oxide decreases. The stress change with $WSi_x$ thickness was also examined. But it is understood that the dominant factor to degrade gate oxide properties is not the stress but the fluorine, incorporated during $WSi_x$ deposition, diffused into $WSiO_2$ after heat treatment. In order to understand the effect of fluorine diffusion into oxidem fluorine ion implanted gates were compared. The thickness variation and $T_{BD,50%}$ of gate oxide is saturated over 600 $\AA$ thickness of $WSi_x$. The TEM and SIMS studies show the microstructure less than 600 $\AA$ thickness is dense and flat in surface. However, over 600$\AA$, the microstructure of $WSi_x$ is divided into two parts: upper porous phase with rugged surface and lower dense phase with smmoth interface. And this upper phase is transformed into oxygen rich crystalline phase after annealing, and the fluorine is captured in this layer. Therefore, the fluorine diffusion into the gate oxide is saturated.
Tungsten(W) polycide gate 구조에서 $WSi_x$의 두께가 증가하면 열처리 공정 후 Gate oxide의 두께가 증가하며, 전기적 신뢰도가 열화 되는 현상이 발생한다. 이러한 특성 열화를 일으키는 지배적인 요인은 $WSi_x$ 증착 공정 중 유입되어 후속 열 공정에 의하여 gate oxide로 환산되는 fluorine인 것으로 밝혀졌다. 이러한 현상을 규명하기 위하여 fluorine ion implantation된 poly Si과의 특성을 비교하였으며, SIMS 및 단면 TEM을 이용한 미세 구조 연구를 실시하였다. 그러나 $WSi_x$의 두께가 600$\AA$ 이상부터는이러한 특성 열화가 포화되는 현상이 관찰되었다. 600$\AA$ 이상의 $WSi_x$ 두께에서는 미세 구조가 표면이 거칠고, porous한 phase로 구성된 상부 구조와 비교적 dense하고, 매끈한 계면 상태를 갖는 하부 구조로 이루어졌으며, porous한 표면 부위는 후속 열공정 중 oxygen-rich한 phase로 변하여 fluorine을 포획하여 oxide로의 확산을 억제하여 특성 열화가 포화되는 것으로 해석되었다.