Three-dimensional analysis of semiconductor devices using atom probe tomography

Abstract

반도체소자는 나노미터 스케일에서의 복잡한 3차원 구조로 구성되어 있다. 소자의 전기적 특성은 구성원소들의 구조적, 조성적 분포에 직접적으로 연관되어 있다. 소자의 디자인 룰이 수십나노미터로 급격히 감소함에 따라 나노소자의 3차원 분석에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다. 원자탐침 현미경(APT)은 ppm 수준의 조성분해능과 원자수준의 조성분포를 3차원 이미지로 제공하게 됨에 따라 반도체소자의 분석에 가장 적합한 차세대 분석기기로 주목받고 있다. 하지만, 아직 명확히 밝혀지지 않은 인자들에 대한 연구가 부족하기 때문에 APT 이미지의 해석은 매우 세심한 주의가 필요하다. 본 연구에서는 반도체소자의 APT 분석에서 나타나는 해석상의 불명확성에 대하여 조사하였으며 APT 분석의 근원적 원리인 레이저와 구성성분의 전계증발 간의 상관관계를 관찰하였다. 이를 통하여 실제 반도체 소자의 APT 분석 신뢰도를 향상시키고자 한다. 본 연구를 통하여 APT 데이터의 신뢰도 향상을 위해서 투과전자현미경 (TEM)의 협업이 필수적임을 확인하였다. 이러한 이해를 바탕으로 반도체 소자를 구성하는 가장 기본적인 구조인 STI 로부터, 다결정 실리콘 게이트내의 불순물 분포를 살펴보았다. 또한, 차세대 메모리소자로 주목받고 있는 저항성 소자들의 특성향상에 TEM 과 APT 의 협업이 매우 유용함으로 증명하였다. Si/SiO2 이중박막은 우수한 계면특성과 각 박막의 우수한 전기적 특성으로 인하여 수십년간 반도체 소자에서 사용되어 왔다. Si/SiO2 계면의 막질은 소자의 전기적 특성에 매우 밀접하게 연관되어 있으므로 APT 를 이용한 반도체소자의 분석을 수행함에 있어 필수적으로 검증되어야 하는 구조이다. 하지만, 계면의 조성을 정량화하기 위해서는 레이저와 계면구성 원소들의 반응을 반드시 살펴보아야 한다. 이번 실험에서 레이저를 이용한 전계증발으로 인하여 계면반응이 유도될 수 있으며 이에 의하여 계면조성이 실제와 달라질 수 있음을 관찰하였다. Si 과 SiO2 의 수직계면에서 SiO2 분자는 Si 와 결합하여 SiO 분자의 형태로 증발함으로써 증발전계를 낮출 수 있으므로, SiO 결합반응이 일어나게 됨을 증명하였다. 레이저의 조사방향에 따라 결합반응의 양이 달라짐을 보였으며 이를 AP 분석 전/후의 TEM 이미지를 비교함으로써 증명하였다. 이러한 반응은 팁내부의 구조에 밀접하게 연관되어 있어 정확한 조성을 파악하고자 할 때 시료의 내부구조를 관찰하는 것이 매우 중요함을 밝혀내었다. 반도체 구조내의 불순물을 필요한 위치에 필요한 양만큼 분포시키는 것은 반도체소자가 작아질수록 그 중요성이 더욱 증대되고 있다. 두번째 주제는 TEM 과 APT 를 이용하여 다결정실리콘 게이트 구조내의 불순물분포를 관찰하는 실험이다. 다결정실리콘 게이트 구조는 3차원 소자로의 진입이후로도 지속적으로 활용되는 구조이므로 이에 대한 연구는 반도체구조에 대한 APT 분석에 있어 필수적이다. Phosphorus 와 carbon 원자들을 silicon-nitride 박막으로 둘러싸인 다결정실리콘 게이트에 주입한 후 불순물의 분포를 파악하였다. APT 를 통하여 phosphorus 는 실리콘영역을 벗어나 인접 영역으로 확산하고자 하는 경향이 매우 강하며 이에 반하여 carbon 은 다결정실리콘의 입계에 석출되어 결정립의 성장을 강하게 억제함을 밝혀내었다. 또한, 1-nm 두께의 silicon-nitride 로 phosphorus 의 외부확산을 효율적으로 억제할 수 있음을 증명하였다. 이를 통하여 APT 가 불순물 분포를 관찰하기에 매우 유용한 분석기법임을 확인하였다. 마지막으로 차세대 메모리소자의 스위칭회로로 주목받고 있는 NbO2 의 threshold switching 에 대한 실험을 진행하였다. NbO2 의 결정성을 APT 로 구분할 수 있는지는 NbO2의 비행시간을 정교하게 관찰해야 하는 실험으로써 threshold switching 의 메커니즘을 규명할 수 있을 뿐만 아니라 전계증발의 원리를 관찰할 수 있는 실험이다. TEM 관찰을 통하여 비정질 NbO2 의 threshold switching 은 국부적 결정화에 기인함을 밝혔다. 국부적 결정화와 전류의 관계를 파악하기 위하여 AP 시료에서 직접 전류-전압관계를 측정한 후 이를 APT 분석한 결과 국부적 결정화는 전류의 크기와 무관함을 밝혔다. 이는 비정질과 결정질의 비저항 차이와 밴드갭 내부의 트랩에 의해 지연된 전하의 재결합에 기인한 것으로 확인되었다. 이를 통하여 전기전도도가 낮은 산화물의 레이저 기인 전계증발은 강한 전계에 의한 밴드갭의 감소, 산화물의 저항에 의한 비행시간의 증가, 밴드갭내부의 트랩에 의한 지연증발, 시료의 형태와 연관된 열전달계수 등의 복합적인 인자들이 연관되어 있음을 검증하였다. 이는 금속, 반도체, 부도체의 복합적인 구성으로 조합되는 반도체소자의 AP 이미지 해석에 있어 반드시 고려해야 하는 사항으로 파악된다. 결론적으로 반도체소자에 대한 APT 분석결과의 해석은 인가되는 레이저와 시료의 반응, 각 박막층의 전계증발속도를 고려한 이미지 해석, 증발된 이온들의 비행시간에 영향을 주는 인자들에 대한 이해가 필수적으로 동반되어야 함을 검증하였다.

Semiconductor memory devices consist of complex three-dimensional structures at nanometer scale. Their electrical properties are directly related to the structural and compositional distribution of constituent elements. As the design rule decreases below 100 nm, there is a demand for the three-dimensional evaluation of nanostructures. Atom probe tomography (APT) provides three-dimensional images at the atomic scale with ppm-level compositional sensitivity. Recent development in APT opened many new avenues in the field of three-dimensional analysis; however, care must be taken while interpreting APT data because several unknown factors exist. In this research, APT artifacts in semiconductor analysis were examined, and pulsed laser–matter interaction was discussed. The use of transmission electron microscopy (TEM) is necessary for the evaluation of APT data to complement the local magnification effect and crystallographic information. Based on these understandings, semiconductor structures such as shallow trench isolation, nand flash gate, and resistive switching RAM (RRAM) were observed. Si/SiO2 multilayers have been used in semiconductor devices for several decades owing to their excellent compatibility. The quality of the Si/SiO2 interface critically affects the device performance, and many APT data have been reported. However, laser–matter interaction must be considered for the quantification of interfacial composition. We demonstrate that the interface reaction can be activated by laser-assisted field evaporation and that it affects the quantification of interfacial composition. At a vertical interface between Si and SiO2, a SiO2 molecule tends to combine with a Si atom and evaporate as a SiO molecule, reducing the evaporation field. The features of the reaction depend on the direction of laser illumination and the inner structure of the tip. A high concentration of SiO is observed at a vertical interface between Si and SiO2 when the Si column is positioned at the center of the tip, whereas no significant SiO is detected when the SiO2 layer is at the center. The difference in the interfacial compositions of the two samples is due to the preferential evaporation of the Si layer. This was explained using TEM observations before and after atom probe experiments. Dopant control becomes more difficult and critical as silicon devices become smaller. We observed the dopant distribution in a thermally annealed polysilicon gate using TEM and APT. Phosphorus was doped at the polycrystalline silicon gate covered with a silicon-nitride diffusion barrier layer. Carbon was also incorporated at the gate for the enhancement of operation uniformity. The impurity distribution was observed using APT. The carbon atoms had segregated at grain boundaries and suppressed silicon grain growth. Phosphorus atoms, on the other hand, tended to pile up at the interface. A 1-nm-thick diffusion barrier layer effectively blocked the out-diffusion of P atoms. Threshold switching or insulator–metal transition (IMT) is a change in the resistivity of materials from insulating to metallic behavior. Threshold switching could be explained by the phase transformation of oxide material. However, amorphous insulators also show same switching behavior. In this study, we proved using ex-situ TEM measurements that the IMT switching of amorphous NbO2 accompanies local crystallization. The change of I–V characteristics after electroforming was examined by evaluating the concentration profile. APT combined with an in-situ TEM probing technique was used to understand threshold switching in amorphous NbO2. The observation of local crystallization in amorphous NbO2 was based on the difference in time-of-flight (ToF) between amorphous and crystalline NbO2. We concluded that the resistivity difference resulted in the larger ToF of amorphous NbO2 (a-NbO2) compared with that of crystalline NbO2 (c-NbO2).