A new method to form the gate oxide and recrystllize the polycrystalline silicon (poly-Si) active layer simultaneously is proposed and fabricated successfully. During te irradiation of excimer laser, the poly-Si film is recrystallized, while the oxygen ion impurities injected into the amorphous silicon(a-Si) film are activated by laser energy and react with silicon atoms to form SiO2. We investigated the characteristics of the sample fabricated by proposed method using AES, TEM, AFM. The electrical performance of oxide was verified by ramp up voltage method. Our experimental results show that a high quality oxide, a pol-Si film with fine grain, and a smooth and clean interface between oxide and poly-Si film have been successfully obtained by the proposed fabrication method. The interface roughness of oxide/poly-Si fabricated by new method is superior to film by conventional fabrication os that the proposed method may improve the performance of poly-Si TFTs.
Degradation of thin oxide by doped poly-Si and its improvement were studied. The gate oxide can be degraded by phosphorous in poly-Si doped POCl3. The degradation is increased with the decrement of sheet resistance and poly-Si thickness. Oxide failures of amorphous-Si are higher than those of poly-Si. In-situ double deposition of amorphous-Si, 54$0^{\circ}C$/30 nm, and poly-Si, 6$25^{\circ}C$/220 nm, forms the mismatch structure of grain boundary between amorphous-Si and poly-Si, and suppresses the excess phosphorous on oxide surface by the mismatch structure. The control of phosphorous through grain boundary improves the oxide reliability.
오늘날 표시장치는 경량, 고밀도, 고해상도 대면적화의 요구에 의해 TFT-LCD의 발전이 이루어졌다. TFT에는 반도체 재료로서, Poly-Si을 사용하는 Poly-Si TFT와 a-Si:H를 이용하는 a-Si;H TFT가 있는데 a-Si는 $350^{\circ}C$ 이하의 저온으로 제작이 가능하여 많이 사용되고 있다. 이러한 방향에 맞추어 bottom gate 구조의 a-Si TFT 실험을 진행하였다. P-type silicon substrate ($0.01{\sim}0.02{\Omega}-cm$)에 gate insulator 층인 SiNx (SiH4 : NH3 = 6:60)를 200nm 증착하였다. 그리고 그 위에 active layer 층인 a-Si (SiH4 : H2 : He =2.6 : 10 : 100)을 다른 RF power를 적용하여 100 nm 증착하였다. 그 위에 Source와 Drain 층은 Al 120 nm를 evaporator로 증착하였다. active layer, gate insulator 층은 ICP-CVD 장비를 이용하여 증착하였으며, 공정온도는 $300^{\circ}C$ 로 고정하였다. active layer층 증착시 RF power는 100W, 300W, 500W, 600W로 가변하였고, width/length는 100 um/8um로 고정하였다. 증착한 a-Si layer층을 Raman spectroscope, SEM 측정 하였으며, TFT 제작 후, VG-ID, VD-ID 측정을 통해 전기적 특성인 Threshold voltage, Subthreshold swing, Field effect mobility, ON/OFF current ratio를 비교해 보았다.
반도체 디바이스의 발전은 높은 직접화 및 동작 속도를 추구하고 있으며, 이를 위해서 MOSFET의 scale down시 발생되는 문제를 해결해야만 한다. 특히, Channel이 짧아짐으로써 발생하는 device의 열화현상으로 동작전압의 조절이 어려워 짐을 해결해야만 하며, gate oxide 두께를 줄임으로써 억제할 수 있다고 알려져 왔다. 현재, gate oxide으로 사용되고 있는 SiO2박막은 비정질로써 ~8.7 eV의 높은 band gap과 Si기판 위에서 성장이 용이하며 안정하다는 장점이 있으나, 두께가 1.6 nm 이하로 얇아질 경우 전자의 direct Tunneling에 의한 leakage current 증가와 gate impurity인 Boron의 channel로의 확산, 그리고 poly Si gate의 depletion effect[1,2] 등의 문제점으로 더 이상 사용할 수 없게 된다. 2001년 ITRS에 의하면 ASIC제품의 경우 2004년부터 0.9~l.4 nm 이하의 EOT가 요구된다고 발표하였다. 따라서, gate oxide의 물리적인 두께를 증가시켜 전자의 Tunneling을 억제하는 동시에 유전막에 걸리는 capacitance를 크게 할 수 있다는 측면에서 high-k 재료를 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다[3]. High-k 재료로 가능성 있는 절연체들로는 A1₂O₃, Y₂O₃, CeO₂, Ta₂O, TiO₂, HfO₂, ZrO₂,STO 그리고 BST등이 있으며, 이들 재료 중 gate oxide에 적용하기 위해 크게 두 가지 측면에서 고려해야 하는데, 첫째, Si과 열역학적으로 안정하여 후속 열처리 공정에서 계면층 형성을 배제하여야 하며 둘째, 일반적으로 high-k 재료들은 유전상수에 반비례하는 band gap을 갖는 것으로 알려줘 있는데 이 Barrier Height에 지수적으로 의존하는 leakage current때문에 절연체의 band gap이 낮아서는 안 된다는 점이다. 최근 20이상의 유전상수와 ~5 eV 이상의 Band Gap을 가지며 Si기판과 열역학적으로 안정한 ZrO₂[4], HfiO₂[5]가 관심을 끌고 있다. HfO₂은 ~30의 고유전상수, ~5.7 eV의 높은 band gap, 실리콘 기판과의 열역학적 안전성 그리고 poly-Si와 호환성등의 장점으로 최근 많이 연구가 진행되고 있다. 또한, Hf은 SiO₂를 환원시켜 HfO₂가 될 수 있으며, 다른 silicide와 다르게 Hf silicide는 쉽게 산화될 수 있는 점이 보고되고 있다.
Density-gradient 방법을 이용하여 게이트의 양자효과가 double-gate MOSFET의 단채널 효과에 미치는 영향을 2차원으로 분석하였다. 게이트와 sidewall 산화막 경계면에서 발생하는 2차원 양자공핍 현상에 의하여 게이트 코너에 큰 전하 다이폴이 형성되며 subthreshold 영역에서 다이폴의 크기가 증가하고 classical 결과에 비하여 전자 농도와 전압 분포가 매우 다름을 알 수 있었다. Evanescent-nude분석을 통하여 게이트의 양자효과가 소자의 단채널 효과를 증가시키며 이는 기판에서의 양자효과에 의한 영향보다 크다는 것을 확인하였다. 양자효과에 의하여 게이트 코너에 형성되는 전하 다이폴이 단채널 효과를 증가시키는 원인임을 밝혔다.
We investigated the effects of SiH$_4$ gas on the surface of Hf-silicate films during the deposition of polycrystalline (poly) Si films and the thermal stability of sputtered Hf-silicate films in poly Si/Hf-silicate structure by using High Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Hf-silicate films were deposited by using DC-mag-netron sputtering with Hf target and Si target and poly Si films were deposited at 600$^{\circ}C$ by using Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) with SiH$_4$ gas. After poly Si film deposition at 600$^{\circ}C$, Hf silicide layer was observed between poly Si and Hf-silicate films due to the reaction between active SiH$_4$ gas and Hf-silicate films. After annealing at 900$^{\circ}C$, Hf silicide, formed during the deposition of poly Si, changed to Hf-silicate and the phase separation of the silicate was not observed. In addition, the Hf-silicate films remain amorphous phase.
Dimension of a transistor has rapidly shrunk to increase the speed of device and to reduce the power consumption. However, it is accompanied with several problems like direct tunneling through the gate dioxide layer and low conductivity characteristic of poly-Si gate in nano-region. To cover these faults, study of new materials is urgently needed. Recently, high dielectric materials like $Al_2O_3$, $ZrO_2$, and $HfO_2$ are being studied for equivalent oxide thickness (EOT). However, poly-Si gate is not compatible with high-k materials for gate-insulator. Poly Si gate with high-k material has some problems such as gate depletion and dopant penetration problems. Therefore, new gate structure or materials that are compatible with high-k materials are also needed. TiN for metal/high-k gate stack is conductive enough to allow a good electrical connection and compatible with high-k materials. According to this trend, the study on dry etching of TiN for metal/high-k gate stack is needed. In this study, the investigations of the TiN etching characteristics were carried out using the inductively coupled $BCl_3$-based plasma system and adding $Cl_2$ gas. Dry etching of the TiN was studied by varying the etching parameters including $BCl_3$/Ar gas mixing ratio, RF power, DC-bias voltage to substrate, and $Cl_2$ gas addition. The plasmas were characterized by optical emission spectroscopy analysis. Scanning electron microscopy was used to investigate the etching profile.
Schottky barrier thin film transistors (SB-TFT) on polycrystalline silicon(poly-Si) are fabricated by platinum silicided source/drain for p-type SB-TFT. High quality poly-Si film were obtained by crystallizing the amorphous Si film with excimer laser annealing (ELA) or solid phase crystallization (SPC) method, The fabricated poly-Si SB-TFTs showed low leakage current level and a large on/off current ratio larger than 10), Significant improvement of electrical characteristics were obtained by the additional forming gas annealing in 2% $H_2/N_2$ ambient, which is attributed to the termination of dangling bond at the poly-Si grain boundaries as well as the reduction of interface trap states at gate oxide/poly-Si channel.
We have investigated the electrical characteristics of the poly-Si TFT's with the novel gate insulator structure. The gate insulator makes the offset region to reduce leakage current, and the electrical characteristics are obtained by employing Virtual Wafer Fab. simulator. As increases the gate insulator thickness above the offset region of this structure from $0{\AA}$ to $2000{\AA}$, the OFF state current at $V_G$=10V decrease by two orders in magnitude while ON state current doesn't decrease significantly. ON/OFF current ratios for conventional device and the proposed device with $2000{\AA}$ gate insulator thickness are $1.68{\times}10^5$ and $1.07{\times}10^7$, respectively.
Poly-silicon thin film transistors were fabricated on quartz substrates by high temperature processes. Electrical characteristics were measured and compared for 3 transistor structures of Standard Inverted Gate(SIG), Lightly Doped Drain(LDD), and Dual Gate(DG). Leakage currents of DG and LDD TFT's were smaller that od SIG transistor, while ON-current of LDD transistor is much smaller than that of SIG and DG transistors. Temperature dependence of the leakage currents showed that SIG and DG TFT's had thermal generation current at small drian bias and Frenkel-Poole emission current at hight gate and drain biases, respectively. In case of LDD transistor, thermal generation was the dominant mechanism of leakage current at all bias conditions. It was found that the leakage current was closely related to the reduction of the electric field in the drain depletion region.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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