KR101995331B1 - 트랜지스터의 특성 테스트를 위한 반도체 장치 및 테스트 방법 - Google Patents

Abstract

트랜지스터의 특성을 평가할 수 있는 반도체 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치는, 기판; 상기 기판에 정의된 액티브 영역; 상기 액티브 영역에 형성된 절연된 게이트; 상기 게이트의 제1양측에 있는 액티브 영역에 형성된 제1소스층 및 제1드레인층; 및 상기 게이트의 제2양측에 있는 액티브 영역에 형성된 제2소스층 및 제2드레인층을 포함할 수 있다. 상기 제1소스층, 상기 제1드레인층 및 상기 제2드레인층은 제1도전형으로, 상기 제2소스층은 제2도전형으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 반도체 장치의 계면 내에 다양한 결함이 발생한 환경을 다양한 전기적 스트레스를 통하여 구성할 수 있고, 그를 이용하여 터널링 전계효과 트랜지스터의 특성을 분석하여 신뢰성 평가에 관한 연구에 기여할 수 있다.

Description

트랜지스터의 특성 테스트를 위한 반도체 장치 및 테스트 방법{Semiconductor Devices and Testing Methods for Transistor's Performance Testing}

본 발명은 반도체 장치 및 반도체 장치의 특성 테스트 방법에 관한 것이다.

오늘날 반도체 기술은 우리 주위의 거의 모든 물건에 적용된다고 해도 과언이 아닐 정도로 광범위하게 사용된다. 수많은 반도체 트랜지스터 중 가장 많이 쓰이는 소자로는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)이 있다. 그러나 모스펫 소자는 무어의 법칙에 따른 반도체 집적도의 증가와 동작 속도의 빨라짐으로 인해 전력 소모가 크게 증가되어, 저전력 소자로 활용하는 데에는 한계에 도달하였다. 그 대안으로 밴드 간 터널링을 이용한 TFET(Tunneling Field Effect Transistor)의 연구가 진행되고 있다. 모스펫의 경우 캐리어가 에너지 장벽 이상의 에너지를 받아 장벽을 넘어가는 원리이나, TFET의 경우 가전자대에서 전도대로 전자를 터널링시켜 전류를 흐르게 하는 원리로 동작 된다. 즉 터널링을 사용하는 만큼 대기 전류를 줄이는 데에는 장점이 있다. 하지만 TFET을 활용하기 이전에, 신뢰성 평가가 앞서야 한다. 신뢰성이란, 일반적으로 제품이나 부품이 소비자가 사용하는 동안 고장 없이 얼마나 오랜 기간 안전하고 편리하게 사용할 수 있는가를 정량적인 수치로 나타내는 평가지표로 정의된다. 이러한 신뢰성 특성을 정확히 평가 및 분석하는 것이 필요하며, 따라서 터널링 전계효과 트랜지스터를 사용할 경우 사전에 위와 같은 신뢰성 평가가 요구된다.

본 발명에서는 본 발명의 반도체 장치의 전압 인가 방식에 따라 터널링 전계효과 트랜지스터 혹은 모스 전계효과 트랜지스터로 사용 가능한 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 반도체 장치에 의도적인 스트레스를 주어 터널링 전계효과 트랜지스터의 구체적인 특성 및 신뢰성 평가를 진행하여 성능을 분석할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 반도체 장치는 제1 트랜지스터; 및 제2 트랜지스터;를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터와 상기 제2 트랜지스터는 동일한 채널층을 공유하도록 구성된다.

본 발명의 일 실시예에서, 반도체 장치는 기판; 상기 기판에 정의된 액티브 영역; 상기 액티브 영역에 형성된 절연된 게이트; 상기 게이트의 제1양측에 있는 액티브 영역에 형성된 제1소스층 및 제1드레인층; 및 상기 게이트의 제2양측에 있는 액티브 영역에 형성된 제2소스층 및 제2드레인층;을 포함할 수 있고, 상기 제1소스층, 상기 제1드레인층 및 상기 제2드레인층은 제1도전형으로, 상기 제2소스층은 제2도전형으로 형성될 수 있다.

상기 반도체 장치에 있어서, 상기 제1소스층, 상기 제1드레인층, 상기 제2소스층 및 상기 제2드레인층과 전기적으로 연결되는 제1소스전극, 제1드레인전극, 제2소스전극, 제2드레인전극을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1소스전극, 상기 제1드레인전극, 상기 제2소스전극, 상기 제2드레인전극은, 상기 액티브 영역에 형성된 대응하는 소스층 및 드레인층에 전기적으로 연결되고 상기 반도체 장치의 외측으로 그리고 수평으로 신장하는 제1전극부재; 상기 제1전극부재와 인접하지 않는 위치에 형성된 제1전극패드; 및 상기 제1전극부재의 일단과 제1전극패드의 일단을 전기적으로 연결하고 상기 제1전극부재 및 제1전극패드의 폭보다 좁은 폭을 가지는 제2전극부재;를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 반도체 장치의 절연된 게이트의 폭은 상기 제1소스층, 상기 제1드레인층, 상기 제2소스층, 상기 제2드레인층이 형성되는 상기 액티브 영역의 폭보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 액티브 영역에 상기 제1소스층과 상기 제1드레인층 사이에 제1채널을 형성하기 위한 제1모드를 구비하고, 상기 액티브 영역에 상기 제2소스층과 상기 제2드레인층 사이에 제2채널을 형성하기 위한 제2모드를 구비하는 제어부;를 더 포함할 수 있고, 상기 제1채널 및 상기 제2채널은 선택적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 반도체 장치의 구동 여부를 확인하는 단계와, 제1소스층, 제1드레인층, 제2소스층 및 제2드레인층 중의 적어도 하나와, 게이트 절연층 간의 계면에 스트레스(stress)를 형성하기 위한 자극을 상기 반도체 장치에 가하는 단계, 및 상기 계면에 스트레스가 형성된 후 상기 터널링 전계효과 트랜지스터의 성능을 평가하는 단계를 포함하는 반도체 장치 테스트 방법이 제시된다.

상기 자극을 상기 반도체 장치에 가하는 단계는, 게이트층에 상기 계면을 열화시키기 위한 전압을 인가하는 단계 및 상기 반도체 장치를 상기 계면을 열화시키기 위한 온도로 가열하는 단계 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 터널링 전계효과 트랜지스터의 성능을 평가하는 단계는, 모스 전계효과 트랜지스터의 성능을 평가하는 방식을 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 반도체 테스트패턴은 기판; 상기 기판에 정의된 십자가 형태의 액티브 영역; 상기 액티브 영역의 중심부 상에 위치하는 게이트; 상기 게이트와 상기 액티브 영역의 중심부 사이에 위치하는 게이트 절연막; 및 상기 게이트의 외측의 액티브 영역에 형성된 4개의 불순물 영역;을 포함할 수 있고, 상기 4개의 불순물영역 중 어느 하나의 영역은 제1도전형으로, 나머지 3개의 불순물영역은 제2도전형으로 형성될 수 있다.

상기 게이트의 폭은 상기 불순물이 형성되는 상기 액티브 영역의 폭보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 모스 전계효과 트랜지스터와 터널링 전계효과 트랜지스터의 채널이 공유된 소자가 제공되어, 하나의 소자에서 전압 제어 방식에 따라 모스 전계효과 트랜지스터 혹은 터널링 전계효과 트랜지스터로 사용이 가능하다.

본 발명에 따르면 의도적 스트레스 인가 정도에 따라 계면의 열화 정도를 조절할 수 있어 다양한 조건하에 터널링 전계효과 트랜지스터 및 모스 전계효과 트랜지스터의 특성을 분석할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 모스 전계효과 트랜지스터의 특성 평가 방식을 터널링 전계효과 트랜지스터에 적용함으로써 터널링 전계효과 트랜지스터의 신뢰성을 평가하는 바, 터널링 전계효과 트랜지스터 뿐만이 아닌 차세대 반도체 소자에서의 신뢰성 평가에서도 본 발명을 이용할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에서 채널층을 공유하는 반도체 장치의 일 실시예의 평면도이다.
도 2a 및 도 2b는 상기 도 1의 반도체 장치를 1A-1B, 1C-1D 방향으로 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 게이트의 가로와 세로의 비율이 다양한 반도체 장치에 대한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 장치에 전극을 연결한 일 실시예의 평면도이다.
도 6은 도 5에 따른 실시예의 반도체 장치의 사시도이다.
도 7은 도 5에 따른 실시예의 반도체 장치를 5A-5B 방향으로 자른 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 반도체 장치에 전극을 다른 방식으로 연결한 실시예의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 반도체 장치 테스트 방법을 표현한 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.

어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 명세서 전체에서 사용되는 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부'가 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 제1방식으로 구동되는 트랜지스터와, 상기 제1방식과 다른 제2방식으로 구동되는 트랜지스터의 채널 공유를 과제 해결 원리로 하는 반도체 장치이다. 상기 트랜지스터들의 채널 영역이 공유되는 구조적 특징을 이용하여 하나의 장치 내에서 제1방식으로 구동되는 트랜지스터와 제2방식으로 구동되는 트랜지스터로 각각 동작할 수 있다. 또한 제1방식으로 구동되는 트랜지스터의 특성 평가 방식을 이용하여 제2방식으로 구동되는 트랜지스터의 특성 평가에 활용할 수 있다. 본 발명의 채널을 공유하는 반도체 장치의 과제 해결 원리는, 마주하는 소스층과 드레인층이 다수 존재하는 경우에도 적용할 수 있을 것이다. 또한 공유하는 채널 영역이 반드시 수직으로 형성되는 경우만이 아닌 여러 각도로 형성되는 경우에도 적용할 수 있을 것이다.

이하에서는 본 발명의 최적의 실시예에 대해 설명한다.

도 1에는 본 발명의 반도체 장치(300)의 평면도가 개시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 반도체 장치는 기판(30), 상기 기판에 정의된 액티브 영역(40) 및 상기 액티브 영역 상에 형성된 게이트(10), 게이트(10)의 제1양측방향의 액티브 영역(40)에 형성된 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1)을 포함하고, 게이트의 제2양측방향의 액티브 영역(40)에 형성된 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2)을 포함할 수 있다. 상기 반도체 장치(300)는 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1) 사이의 채널층, 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2) 사이의 채널층이 공유되는 특징을 가진다. 상기 게이트(10)의 제1양측방향은 x축 방향일 수 있다. 상기 게이트(10)의 제2양측방향은 제1양측방향과 직교하는 방향, 즉 y축 방향일 수 있다. 상기 액티브 영역(40)은 십자가 형태로 형성될 수 있다. 제1소스층(S1), 제1드레인층(D1), 제2드레인층(D2)은 제1도전형으로 형성되고, 제2소스층(S2)는 제2도전형으로 형성될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2a와 도 2b를 참조하여 상기 반도체 장치를 1A-1B 방향으로 자른 단면도 및 상기 반도체 장치를 1C-1D 방향으로 자른 단면도를 살펴본다.

도 2a를 참조하면, 상기 반도체 장치(300)는 n타입으로 형성된 제1소스층(S1)과 n타입으로 형성된 제1드레인층(D1)을 포함하며, 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1)이 형성되는 액티브 영역(40)의 일부를 덮도록 형성되는 절연막(20)과 게이트(10)을 포함할 수 있다. 게이트 전극을 통해 게이트에 게이트 전압이 인가되고, 적절한 전압이 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1)에 인가되는 경우, 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1)의 사이의 절연막(20) 아래의 액티브 영역(40)에 채널층이 형성되어 전류가 흐를 수 있게 된다. 즉 도 2a의 반도체 장치는 모스 전계효과 트랜지스터로 구동될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 상기 반도체 장치(300)는 p타입으로 형성된 제2소스층(S2)과 n타입으로 형성된 제2드레인층(D2)를 포함하며, 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2)이 형성되는 액티브 영역(40)의 일부를 덮도록 형성되는 절연막(20)과 게이트(10)를 포함할 수 있다. 게이트 전극을 통해 게이트에 게이트 전압이 인가되고, 적절한 전압이 본 반도체 장치(300)의 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2)에 인가되는 경우, 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2) 사이의 절연막(20) 아래의 액티브 영역(40)에서 액티브 영역의 에너지 준위가 변화하여 전자가 터널링 방식으로 이동할 수 있도록 채널층이 형성되어 전류가 흐를 수 있게 된다. 즉 도 2b의 반도체 장치는 터널링 전계효과 트랜지스터로 구동될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 반도체 장치(300)를 입체적으로 도시한 도면이 제시된다. 상기 게이트(10)는 쇼트 방지를 위해서 게이트의 폭이 액티브 영역의 폭보다 더 크도록 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 W1은 게이트의 폭을 의미하며, W2는 액티브 영역의 폭을 의미한다. 즉 W1 값은 W2의 값보다 크게 형성된다. 상기 게이트 폭의 크기는 고정되어 있지는 않지만, 게이트 사이즈 마진(Gate size margin)은 바람직하게는 최소 0.1um의 값을 가지도록 디자인 될 수 있다. 즉 (W1-W2)/2의 값이 최소 0.1um로 형성될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 반도체 장치(300)는 일반적인 트랜지스터와 달리 2개의 트랜지스터가 채널을 공유하며, 소스 및 드레인으로 되는 두 쌍의 불순물 영역을 포함한다. 본 발명의 반도체 장치 제작 시 이온 주입 공정 과정에 있어서, 게이트 및 채널층을 공유하는 특징 때문에 너무 작게 디자인 되는 경우 불순물끼리 접촉하게 되거나 혹은 전자 농도 분포의 차이로 인해 확산(diffusion)이 발생할 가능성이 있다. 확산이 발생하는 경우 제대로 채널 형성을 할 수 없어 반도체 장치로서의 기능을 상실하게 된다. 따라서 쇼트 방지를 위해, 게이트(10)를 크게 형성하여 모스 전계효과 트랜지스터와 터널링 전계효과 트랜지스터가 제대로 구동될 수 있도록 한다.

상기 기판(30)은 임의의 적절한 반도체 재료, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘 게르마늄(SiGe), 인듐 비화물(InAs), 실리콘 게르마늄(Sin), 게르마늄 주석(GeSn), 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn), 또는 임의의 다른 III-V 또는 II-VI 화합물 반도체일 수 있다.

기판(30)은 도핑되거나, 도핑되지 않거나, 그 안에 도핑된 영역 및 도핑되지 않은 영역 둘 다를 포함할 수 있다. 기판(30)은 또한 하나 이상의 도핑된(n- 또는 p-) 영역을 포함할 수 있으며, 다수의 도핑된 영역을 포함하는 경우, 이러한 영역들은 동일할 수 있거나, 상이한 도전율들 및/또는 도핑 농도들을 가질 수 있다. 이러한 도핑된 영역들은 "웰"로서 알려져 있으며, 다양한 장치 영역들을 정의하는 데 사용될 수 있다.

절연막(20)은 유전율이 높은 물질, 예를 들어 금속의 산화물인 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 등을 ALD(atomic layer deposition) 방식으로 적층하는 것이 바람직하며, STI(Shallow Trench Isolation) 또는 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass) 공정을 이용하여 형성할 수 있다.

절연막(20) 상에 적층 되는 게이트(10)는 금속으로 형성되는 것이 바람직하고, 예를 들어 알루미늄 또는 타이타늄 등을 증착하여 형성될 수 있다.

반도체 장치(300)의 일 실시예에서, 제1소스층(S1), 제1드레인층(D1), 제2드레인층(D2)의 형성이 제1도전형으로 형성되느냐 제2도전형으로 형성되느냐에 따라, 다양한 스타일로 반도체 장치의 디자인이 가능하다. 상기 제1도전형 및 제2도전형은 n타입 혹은 p타입으로 형성될 수 있다. 이하에서 보다 구체적으로 예를 들어 설명한다.

n타입 기판에 p- 영역을 포함하고, 제1소스층(S1), 제1드레인층(D1), 제2드레인층(D2)은 n타입, 제2소스층(S2)이 p타입으로 형성되는 경우, 전압의 인가 방식에 따라 nMOSFET 또는 pTFET으로 디자인이 가능하다. 또 다른 실시 예로, p타입 기판에 n-영역을 포함하고, 제1소스층(S1), 제1드레인층(D1), 제2드레인층(D2)은 p타입, 제2소스층(S2)이 n타입으로 형성되는 경우 전압의 인가 방식에 따라 pMOSFET 또는 nTFET으로 디자인 할 수 있다.

본 발명의 반도체 장치의 또 다른 실시예를 도 4를 참조하여 설명한다. 모스 전계효과 트랜지스터와 터널링 전계효과 트랜지스터의 게이트의 가로 길이 및 세로 길이의 비율은 고정되어 있는 값이 아니다. 따라서 여러 비율로 바꾸어 디자인 가능하다. 도 4에 도시된 바로는 게이트의 가로 길이 및 세로 길이의 비율이 정수의 비율로만 도시되었으나, 정수비가 아닌 소수 비율로도 디자인 될 수 있다. 즉 게이트의 가로 길이는 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1) 사이에 형성되는 채널길이, 게이트의 세로 길이는 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2) 사이에 형성되는 채널길이에 대응하여 볼 수 있으므로, 본 실시예에 의하면 터널링 전계효과 트랜지스터와 모스 전계효과 트랜지스터의 채널 길이를 다양하게 변화시켜 사용 가능할 수 있다.

도 5에는 전극을 5개 가지는 반도체 장치(300)의 평면도가 개시된다. 도 6에는 상기 도 5의 반도체 장치의 사시도가 개시되어 있다. 본 발명의 반도체 장치(300)의 구체적인 실시예로, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 상기 반도체 장치는 도 1의 반도체 장치에 제1소스전극(200), 제1드레인전극(220), 제2소스전극(210), 제2드레인전극(230)을 더 포함할 수 있다. 상기 소스전극들 및 드레인전극들은, 각기 대응하는 소스층 및 드레인층과 전기적으로 연결된다.

상기 소스전극들 및 상기 드레인전극들은, 제1전극부재(110), 제1전극패드(130), 제2전극부재(120)를 포함할 수 있다. 제1전극부재(110)는 대응하는 소스층 혹은 대응하는 드레인층의 일부와 전기적으로 연결되어 있다. 제1전극부재(110)는 반도체 장치(300)의 외측 방향에 형성될 수 있고, 수평으로 신장하는 방향에 형성될 수 있다. 실제로 전압이 인가되는 제1전극패드(130)는, 상기 제1전극부재(110)와 직접적으로는 접촉하지 않는다. 상기 반도체 장치(300)는 제1전극패드(130)와 제1전극부재(110)를 전기적으로 연결하는 제2전극부재(120)를 더 포함한다.

상기 제2전극부재(120)는 제1전극패드(130)와 제1전극부재(110)를 물리적으로 연결하며, 상기 반도체 장치(300)의 외측으로 신장하는 방향으로 형성된다. 또한 제1전극패드(130) 및 제1전극부재(110)의 길이보다 좁은 폭을 가진다. 상기 제2전극부재(120)가 좁은 폭을 이용하여 상기 제1전극패드(130)와 제1전극부재(110)를 연결함으로써, 상기 전극들 사이에 쇼트가 날 우려를 방지할 수 있다. 상기 제2전극부재(120)의 길이는 전극들 사이에 쇼트가 나지 않을 만큼의 길이를 갖도록 형성된다. 또한 상기 제1전극패드(130)는 쇼트를 방지하기 위해 제1전극부재(110)와 멀리 떨어지도록 레이아웃 된다. 따라서 전극들이 가까이 위치함으로 인하여 생기는 모스 전계효과 트랜지스터와 터널링 전계효과 트랜지스터 사이의 쇼트 문제가 해결되고, 전압이 동시에 가해져 두 트랜지스터가 동시에 구동될 수 있는 염려 또한 존재하지 않는다.

도 7은 상기 도 5의 반도체 장치를 5A-5B의 단면으로 자른 단면도를 나타낸다. 상기 반도체 장치(300)의 실시예는 n형 기판, p- 웰, 제2소스층(S2)가 p타입으로, 제2드레인층(D2)가 n타입으로 형성된 터널링 전계효과 트랜지스터를 나타낸다. 상기 터널링 전계효과 트랜지스터는 절연막(20), 게이트(10), 게이트 전극(100)을 더 포함하며, 제2소스전극(210), 제2드레인전극(230)을 더 포함한다. 또한 상기 제2소스층(S2)과 제2소스전극(210), 제2드레인층(D2)와 제2드레인전극(230)의 일부는 STI 절연막(50)으로 이어져 있다. 상기 제2소스전극(210)은 제1전극부재(110), 제1전극패드(130), 제2전극부재(120)를 포함한다. 상기 제1전극부재(110)는 제2소스층(S2)의 상단에 위치하며, 상기 제1전극패드(130), 제2전극부재(120)는 STI 절연막(50)의 상단에 위치할 수 있다.

본 반도체 장치의 다른 실시예를 도 8을 참조하여 설명한다. 도 7의 경우는 소스전극 및 드레인전극을 수평으로 구성하나, 도 8의 경우는 백엔드(Back-End) 공정을 이용하여 전극을 수직으로 구성할 수 있다. 도 8은 도 5의 반도체 장치를 5A-5B 방향으로 자른 단면도에서, 전극의 배치를 수직으로 구성한 터널링 전계효과 트랜지스터의 단면도이다. 도 1의 반도체 장치(300)에 제1전극부재(110)를 대응하는 소스층 혹은 대응하는 드레인층의 일부와 접하도록 형성한다. 게이트(10)와 동일한 높이까지 BPSG 절연막(60)을 형성한 후, 실제로 전압을 인가하는 제1전극패드(130)를 게이트 전극(100)이 있는 높이와 동일한 위치의 평면에 위치하도록 구성할 수 있다. 제1전극패드(130)와 제1전극부재(110)는 수직으로 위치한 제2전극부재(120)을 통해 전기적으로 연결되어 있다. 본 실시예를 이용하는 경우 상기 도 7에서 전극을 수평적으로 넓게 배치하여 집적도가 상대적으로 떨어지는 문제를 해결할 수 있다.

본 발명의 반도체 장치(300)는 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1) 사이의 액티브 영역(40)에 제1채널을 형성하기 위한 제1모드와, 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2) 사이의 액티브 영역(40)에 제2채널을 형성하기 위한 제2모드를 구비하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1모드는 모스 전계효과 트랜지스터로 구동되는 모드일 수 있으며 상기 제2모드는 터널링 전계효과 트랜지스터로 구동되는 모드일 수 있다.

상기 제1채널은 반도체 장치(300)의 게이트 전극에 전압이 인가되면 전류를 흐르게 하기 위해 제1소스층(S1)과 제1드레인층(D1)의 사이에 생성되는 채널일 수 있다. 상기 제 2채널은 반도체 장치(300)의 게이트 전극(100)에 전압이 인가되는 경우 전자가 터널링 방식으로 이동할 수 있도록 액티브 영역의 에너지 준위가 변화하여 제2소스층(S2)과 제2드레인층(D2)의 사이에 생성되는 채널일 수 있다.

상기 제1채널과 상기 제2채널은 선택적으로 형성되고, 동시에 구동될 수는 없다. 즉 상기 실시예에서, 도 1, 도 2a, 도 2b를 참조하면, 전압의 구동 방식에 따라 제1모드의 모스 전계효과 트랜지스터로 구동하거나, 제2모드의 터널링 전계효과 트랜지스터로 구동할 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 게이트(10)에 펄스 전압을 인가하고, 제2소스전극(210), 제2드레인전극(230)을 플로팅시킨다. 제1소스전극(200)과 제1드레인전극(220)에 전압을 인가시키는 경우 모스 전계효과 트랜지스터로 구동된다. 같은 원리로, 게이트(10)에 펄스 전압을 인가하고, 제1소스전극(200), 제1드레인전극(220)을 플로팅시킨다. 제2소스전극(210)과 제2드레인전극(230)에 전압을 인가시키는 경우 터널링 전계효과 트랜지스터로 구동된다.

이하에서는, 본 발명의 다른 측면으로, 반도체 장치의 테스트 방법에 대해 설명한다. 터널링 전계효과 트랜지스터의 구동 확률을 높이기 위해서는 전자가 소스의 가전자대에서 드레인의 전도대로 터널링 되는 확률이 높아야 하고, 이 때 전자가 터널링 되는 확률은 게이트 산화막 및 게이트 산화막과 채널 사이의 계면의 특성에 따라 달라진다. 따라서 본 발명에서는 전기적 스트레스를 인위적으로 인가하여 계면 내 결함을 발생하게 한 뒤, 계면특성과 성능의 상관관계를 분석하는 소자를 제공한다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 반도체 장치 테스트 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 상기 도 9를 참조하여, 각 단계들을 이하에서 설명한다.

반도체 장치(300)의 특성 평가 단계에서, 선행되어야 하는 단계는 반도체 장치의 구동여부를 확인하는 단계이다. 반도체 장치가 정상적으로 작동이 될 때 비로소 얼마나 안정적으로 사용할 수 있는지 확인할 수 있는 것이므로, 신뢰성 평가에 앞서 구동 여부를 파악하여야 한다. 상기 반도체 장치(300)의 구동 여부 확인은 i-v 특성 평가 방식을 이용할 수 있다. 상기 반도체 장치의 모스 전계효과 트랜지스터 및 터널링 전계효과 트랜지스터가 정상적으로 구동되는 경우, 다음 단계를 진행한다. 상기 반도체 장치가 정상적으로 구동되지 않는 경우, 테스트를 종료한다.

다음 단계에서는, 게이트(10)를 열화시킨 후 모스 전계효과 트랜지스터의 특성 평가 방식을 이용하여 터널링 전계효과 트랜지스터의 특성과 신뢰성을 평가한다. 공통된 게이트 전극에 직접적으로 정전압이나 정전류를 인가하게 되면, 게이트 산화막 내에 결함이 생성된다. 이러한 결함이 전하를 띄게 되면, 소자의 구동에 영향을 주게 된다. 소자 구동의 열화는 포화 전류나 문턱전압의 변화로 알 수 있으며, 게이트 산화막의 열화는 게이트 누설 전류의 변화로 알 수 있다.

시중에 나와 있는 특성평가 시험은 모스 전계효과 트랜지스터에 적용되는 것으로써, 모스 전계효과 트랜지스터에 적용되는 시험을 게이트를 공유시킨 터널링 전계효과 트랜지스터에 적용시켜 봄으로써 터널링 전계효과 트랜지스터의 성능을 평가하고, 소자를 분석한다.

본 실시예에서 반도체 장치의 게이트를 열화시키는 방법은 핫 캐리어를 이용한 방법일 수 있다. 또는 BTI(Bias Temperature Instability) 방법을 활용하여 고온의 자극을 가하는 방법일 수 있다. TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown) 방식도 사용될 수 있다.

본 실시예에서, Hot carrier를 이용한 열화 방식으로 CHC(Channel hot carrier) 방식과 DAHC(drain avalanche hot carrier) 방식이 주로 사용된다.

CHC(Channel hot carrier) 방식은 채널 양단에 걸리는 전계에 의해 채널을 통과하는 전자 중 일부가 확률적으로 격자와의 충돌을 하지 않고 가속되어 큰 에너지를 갖게 된 전자가 산화막을 넘어 산화막 내 트랩으로 전자가 포획되는 것을 이용한 열화로, 게이트 전압과 드레인 전압을 같게 설정하는 조건을 이용한다. DAHC 방식은 드레인 끝단에서 드레인과 기판 간에 인가된 전계에 의해 가속되어 에너지를 얻은 전자가 격자와 충돌하여 전자-정공 쌍이 생성되고, 이러한 충돌 이온화(Impact ionization)가 최대(Vg~Vd/2)가 될 때 가장 큰 열화 특성을 나타낸다.

본 발명의 실시예에서, CHC 방식을 사용하는 경우 반도체 장치를 열화시키기 위한 게이트 전압은 4.2/4.4/4.6V,　드레인 전압은　4.2/4.4/4.6V를 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, DAHC의 방식을 사용하는 경우 반도체 장치를 열화시키기 위한 게이트 전압은 2V, 드레인 전압은 4.2/4.4/4.6V를 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 핫 캐리어(Hot Carrier)라고 명명된 고 에너지 캐리어는 MOSFET 소자의 드레인 근처의 높은 채널 전기장에 의해서 발생된다. 핫 캐리어는 포논 방출을 통해서 실리콘 격자에 에너지를 전달하고 실리콘/실리콘 산화막 계면 내 결합을 파괴한다. 즉 핫 캐리어는 모스펫 소자의 드레인 근처의 높은 채널 전기장에 의하여 발생하므로, 본 발명의 반도체 장치(300)의 모스 전계효과 트랜지스터를 구동시켜 핫 캐리어를 발생시킨다면 반도체 장치(300)의 게이트를 공유하고 있는 터널링 전계효과 트랜지스터에도 그 영향이 미칠 것이므로, 이러한 핫 캐리어의 영향을 받은 터널링 전계효과 트랜지스터의 성능은 어떤지에 대해 평가하고자 함이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 반도체 장치의 또 다른 열화 방식에 대해 설명한다. 소자의 열화를 발생시키는 전기-화학 반응은 게이트 수직 전기장과 스트레스 온도에 크게 의존하여 NBTI 평가는 고온에서 실시된다. 본 실시예에서, pMOSFET의 NBTI 스트레스 인가는 높은 온도에서 제1소스전극(200), 제1드레인전극(220), 기판(30)은 접지시키고 pMOSFET의 게이트 전극(100)에 음의 전압을 인가한다. NBTI에 의한 성능저하는 일반적으로 온도가 100~300 ℃, 게이트 산화막 전계는 6 ㎹/㎝ 이하인 조건에서 측정된다. NBTI 시험을 진행하면서, 스트레스 시간이 증가함에 따라 △Vth는 증가하게 되는데, 이는 스트레스를 인가하는 동안 트랩이 지속적으로 발생되기 때문이다. 또한 게이트 전압이 증가할수록 △Vth는 크게 증가하는데 이는 게이트 전압 증가에 따른 수직방향의 전계가 증가하기 때문이다.

본 발명에서, 상기 설명된 방법들에 의해 열화가 진행된 후에는 반도체 장치(300)의 상태에 따라 흐르는 전류 특성을 분석하는, 즉 반도체 장치의 DC 특성을 분석한다. 본 실시예에서는 모스 전계효과 트랜지스터의 특성 평가 방식을 이용하여 터널링 전계효과 트랜지스터의 특성 평가를 진행한다. 상기 모스 전계효과 트랜지스터의 특성 평가 방법은 문턱전압을 측정하는 방법일 수 있다. 또는 캐리어 이동도를 측정하는 방법일 수 있다. 또한 DCIV(Direct-current current-voltage)를 측정하는 방법일 수 있다. 그 외에 문턱전압 이하에서의 기울기 값, 누설전류 등을 측정하는 방법일 수 있다.

상기 핫 캐리어의 영향을 받은 반도체 소자는, 핫 캐리어에 의해 문턱전압이 증가하고, 트랜스 컨덕턴스와 드레인 전류가 감소하여 소자 성능이 감소된다. 위 세 가지 변수들의 변화율을 스트레스 인가 시간에 따라 측정하고 동작 전압에서의 동작시간을 추출하는 방식을 이용하여 특성 평가를 진행할 수도 있다.

본 발명에서는 문턱전압 측정 방법에 대해서만 간단히 설명한다. 상기 문턱전압을 측정하는 방법은 드레인에 0.05V 미만의 작은 전압을 인가하였을 때, 드레인 단에 단위 um 당 100nA 의 전류가 흐를 때의 Vg 값으로 추출될 수 있다.

결과적으로, 본 발명을 이용하면 상기 기재된 다양한 전기적 스트레스를 통하여 게이트 산화막의 계면을 열화 시키고 그에 따라 연계 연구를 진행할 수 있다.

또한 본 발명의 터널링 전계효과 트랜지스터 뿐만 아니라 다른 차세대 반도체 소자에서도 이러한 기술을 이용하여 신뢰성을 평가할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해 반도체 장치의 산화막의 품질을 확인할 수 있는 효과도 존재한다.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

S1: 제1소스층
S2: 제2소스층
D1: 제1드레인층
D2: 제2드레인층
W1: 게이트 폭의 길이
W2: 액티브 영역 폭의 길이
10: 게이트
20: 절연막
30: 기판
40: 액티브 영역
50: STI 절연막
60: BPSG 절연막
100: 게이트 전극
110: 제1전극부재
120: 제2전극부재
130: 제1전극패드
200: 제1소스전극
210: 제2소스전극
220: 제1드레인전극
230: 제2드레인전극
300: 반도체 장치

Claims (10)

1. 제1 방식으로 구동되는 제1 트랜지스터; 및
   상기 제1 방식과 다른 제2 방식으로 구동되는 제2 트랜지스터;를 포함하고,
   상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 동일한 채널층을 공유하도록 구성되며,
   상기 제1 트랜지스터는 모스 전계효과 트랜지스터이며,
   상기 제2 트랜지스터는 터널링 전계효과 트랜지스터인 반도체 장치.
2. 기판;
   상기 기판에 정의된 액티브 영역;
   상기 액티브 영역에 형성된 절연된 게이트;
   상기 게이트의 제1양측에 있는 액티브 영역에 형성된 제1소스층 및 제1드레인층; 및
   상기 게이트의 제2양측에 있는 액티브 영역에 형성된 제2소스층 및 제2드레인층;을 포함하고,
   상기 제1소스층, 상기 제1드레인층 및 상기 제2드레인층은 제1도전형으로 형성되고,
   상기 제2소스층은 제2도전형으로 형성되며,
   상기 제1소스층 및 제1 드레인층을 공유하는 제1 트랜지스터는 모스 전계효과 트랜지스터이며,
   상기 제2소스층 및 제2 드레인층을 공유하는 제2 트랜지스터는 터널링 전계효과 트랜지스터인 반도체 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1소스층, 상기 제1드레인층, 상기 제2소스층 및 상기 제2드레인층과 전기적으로 연결되는 제1소스전극, 제1드레인전극, 제2소스전극, 제2드레인전극을 더 포함하고,
   상기 제1소스전극, 상기 제1드레인전극, 상기 제2소스전극, 상기 제2드레인전극은,
   상기 액티브 영역에 형성된 대응하는 소스층 및 드레인층에 전기적으로 연결되고 상기 반도체 장치의 외측으로 그리고 수평으로 신장하는 제1전극부재;
   상기 제1전극부재와 인접하지 않는 위치에 형성된 제1전극패드; 및
   상기 제1전극부재의 일단과 제1전극패드의 일단을 전기적으로 연결하고 상기 제1전극부재 및 제1전극패드의 폭보다 좁은 폭을 가지는 제2전극부재;를 포함하는 반도체 장치.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 절연된 게이트의 폭은 상기 제1소스층, 상기 제1드레인층, 상기 제2소스층, 상기 제2드레인층이 형성되는 상기 액티브 영역의 폭보다 크게 형성되는 반도체 장치.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 액티브 영역에 상기 제1소스층과 상기 제1드레인층 사이에 제1채널을 형성하기 위한 제1모드를 구비하고,
   상기 액티브 영역에 상기 제2소스층과 상기 제2드레인층 사이에 제2채널을 형성하기 위한 제2모드를 구비하는 제어부;를 더 포함하고,
   상기 제1채널 및 상기 제2채널은 선택적으로 형성되는 반도체 장치.
6. 제 1항의 반도체 장치의 구동 여부를 확인하는 단계;
   제1소스층, 제1드레인층, 제2소스층 및 제2드레인층 중의 적어도 하나와, 게이트 절연층 간의 계면에 스트레스(stress)를 형성하기 위한 자극을 상기 반도체 장치에 가하는 단계;
   상기 계면에 스트레스가 형성된 후 상기 터널링 전계효과 트랜지스터의 성능을 평가하는 단계;를 포함하는 반도체 장치 테스트 방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 자극을 상기 반도체 장치에 가하는 단계는,
   게이트층에 상기 계면을 열화시키기 위한 전압을 인가하는 단계 및 상기 반도체 장치를 상기 계면을 열화시키기 위한 온도로 가열하는 단계 중의 적어도 하나를 포함하는 반도체 장치 테스트 방법.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 터널링 전계효과 트랜지스터의 성능을 평가하는 단계는,
   모스 전계효과 트랜지스터의 성능을 평가하는 방식을 이용하는 반도체 장치 테스트 방법.
9. 기판;
   상기 기판에 정의된 십자가 형태의 액티브 영역;
   상기 액티브 영역의 중심부 상에 위치하는 게이트;
   상기 게이트와 상기 액티브 영역의 중심부 사이에 위치하는 게이트 절연막; 및
   상기 게이트의 외측의 액티브 영역에 형성된 4개의 불순물 영역;을 포함하고,
   상기 4개의 불순물영역 중 어느 하나의 영역은 제1도전형으로 형성되고,
   나머지 3개의 불순물영역은 제2도전형으로 형성되며,
   상기 4개의 불순물영역 중 상기 게이트를 기준으로 제1양측에 있는 2개의 불순물영역이 상기 제2도전형으로 형성되는 트랜지스터는 모스 전계효과 트랜지스터이며,
   상기 4개의 불순물영역 중 상기 게이트를 기준으로 제2양측에 있는 2개의 불순물영역 중 어느 하나는 상기 제1도전형으로 형성되고, 나머지 하나는 상기 제2도전형으로 형성되는 트랜지스터는 터널링 전계효과 트랜지스터인 반도체 테스트패턴.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 게이트의 폭은 상기 불순물이 형성되는 상기 액티브 영역의 폭보다 크게 형성되는 반도체 테스트패턴.

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