KR20090038082A - 전류특성 측정용 반도체 소자 및 반도체 소자의 전류특성측정 방법 - Google Patents

전류특성 측정용 반도체 소자 및 반도체 소자의 전류특성측정 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 의한 반도체 소자의 전류특성 측정방법은 기판에 소자분리영역 및 웰영역이 형성되는 단계; 상기 소자분리영역 사이에 각각 P+영역 및 N+영역이 형성되는 단계; 상기 N+영역, P+영역 중 하나의 액티브 영역 위에 폴리실리콘층이 형성되는 단계; 및 상기 폴리실리콘층이 형성되지 않은 나머지 액티브 영역에 측정장비 프로브가 연결되고, 상기 폴리실리콘층에 전원 단자가 연결되는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 반도체 소자의 액티브 영역에 발생되는 스트레스의 영향, 가령 포화 전류, 누설 전류의 양 등을 정확하게 신속하게 파악할 수 있으므로 반도체 소자의 프로파일을 효율적으로 설계할 수 있는 효과가 있다. 따라서 반도체 소자의 개발 기간을 단축시킬 수 있다.
반도체 소자, 누설 전류, 구동 전류, TEG, 전류특성 측정

Description

전류특성 측정용 반도체 소자 및 반도체 소자의 전류특성 측정 방법{Semiconductor device for monitoring current character and monitoring method of current character of semiconductor}
실시예는 전류특성 측정용 반도체 소자 및 반도체 소자의 전류특성 측정 방법에 관하여 개시한다.
반도체 소자의 고집적화가 진행됨에 따라 성능 구현이 점차 어려워지고 있는데, 가령 모스 트랜지스터의 경우 게이트/소스/드레인 전극 등의 사이즈가 축소되므로 채널 길이 역시 축소된다. 이렇게 채널 길이가 축소되면 SCE(Short Channel Effect), RSCE(Reverse Short Channel Effect) 등이 발생되며 트랜지스터의 문턱전압 조절이 매우 어려워진다.
또한, 고집적화된 반도체 소자의 사이즈에 비하여 구동 전압은 상대적으로 높으므로, 소스에서 주입된 전자가 드레인의 전위 변동(potential gradient) 상태로 인하여 심하게 가속되며, 드레인 근처에서 핫 캐리어(hot carrier)가 발생된다.
이처럼 액티브 영역의 축소화로 인한 스트레스 현상은 반도체 소자를 설계하거나 단위 공정 조건을 결정할 때 우선적으로 고려되어야 할 요인이다.
누설 전류(leakage current)의 경우, 설계 단계에서부터 결정되는 액티브 영역의 폭 및 단위 공정의 특성을 조절함으로써 제어가능한데, 특히 전압 비인가(standby) 상태 및 동작(operation) 상태에서 최소 누설 전류를 요구하는 저전력(low power) 소자 제품 군에 있어서는 상기 요인이 매우 중요하게 인식된다.
이에 따라 반도체 소자 또는 TEG(Test Element Group)의 설계 시, 최적의 누설 전류가 발생되는 액티브 영역의 폭 및 단위 공정 조건의 영향을 정확하게 파악하고 이를 설계에 반영해야 할 필요성이 있다.
도 1은 반도체 소자의 누설 전류를 측정하는 형태를 예시한 상면도이고, 도 2는 반도체 소자의 누설 전류를 측정하는 형태를 예시한 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 소자는 P-웰(well)(10)에 소자분리영역(11)에 의하여 이격된 P+영역(20), N+영역(30)을 포함하고, P+영역(20) 및 N+영역(30)을 각각 상측의 P전극(24) 및 N전극(34)과 연결하는 메탈 라인(22, 32), 메탈 라인(22, 32)이 형성된 절연층(40)을 포함하여 구성된다.
이와 같은 반도체 소자는 액티브 영역(20, 30)과 P-웰(10) 영역 사이의 누설 전류를 측정하기 위한 TEG로서, 액티브 영역(20, 30)이 형성된 기판 위에 절연층(40), 메탈 라인(22, 32)을 형성하고, P전극(24) 및 N전극(34)를 형성한 후에 전기적 측정이 가능하다.
즉, 전극(24, 34)이 형성된 후, P전극(24)에는 P-웰(10)로 누설되는 전류량을 측정하기 프로브(A)가 연결되고, N전극(34)에는 전원(Vcc; B)이 연결됨으로써 누설 전류의 측정이 시행될 수 있다.
이렇게 누설 전류량을 체크함에 따라 최적의 액티브 영역 폭과 단위 공정 조건을 알아낼 수 있다.
그러나, 종래의 방법에 의하면, 메탈 라인(22, 32), 전극(24, 34)과 같은 금속층 형성 공정을 이중으로 처리하는 등 공정이 까다롭고, 측정 시간이 많이 소요된다.
이는 특정의 효과를 고려한 측정 방식이 아닌, 관습적 측정 방식으로서, 액티브 영역의 스트레스 영향을 신속하고 정확하게 모니터링할 수 있는 새로운 측정 방식의 연구가 필요한 시점이다.
실시예는 반도체 소자의 집적화에 따라서 액티브 영역에 발생되는 스트레스의 영향을 신속하고 정확하게 측정할 수 있고, 측정을 위한 부가적인 공정을 필요로 하지 않으며, 공정이 완료되기 전의 중간 단계에서 측정을 수행할 수 있는 전류특성 측정용 반도체 소자 및 반도체 소자의 전류특성 측정 방법을 제공한다.
실시예에 의한 전류특성 측정용 반도체 소자는 기판에 형성된 웰 영역; 상기 웰 영역의 기판 상측에 형성된 P+영역 및 N+영역; 상기 P+영역 및 상기 N+영역을 분리시키는 소자분리영역; 및 상기 N+영역 또는 P+영역 위에 형성된 폴리실리콘층을 포함한다.
실시예에 의한 반도체 소자의 전류특성 측정방법은 기판에 소자분리영역 및 웰영역이 형성되는 단계; 상기 소자분리영역 사이에 각각 P+영역 및 N+영역이 형성되는 단계; 상기 N+영역, P+영역 중 하나의 액티브 영역 위에 폴리실리콘층이 형성되는 단계; 및 상기 폴리실리콘층이 형성되지 않은 나머지 액티브 영역에 측정장비 프로브가 연결되고, 상기 폴리실리콘층에 전원 단자가 연결되는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 반도체 소자의 액티브 영역에 발생되는 스트레스의 영향, 가령 구동 전류, 누설 전류의 양 등의 전류 특성을 정확하게 신속하게 파악할 수 있으므로 반 도체 소자의 프로파일을 효율적으로 설계할 수 있는 효과가 있다. 따라서 반도체 소자의 개발 기간을 단축시킬 수 있다.
둘째, 별도의 부가적인 공정을 처리할 필요없이 중간 단계의 반도체 공정에서 액티브 영역에 발생되는 스트레스의 영향을 파악할 수 있으므로, 공정을 신속하게 진행할 수 있다. 따라서, 공정을 단순화하고 소요 시간 및 비용을 절감할 수 있으므로 반도체 소자의 생산 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
첨부한 도면을 참조하여 실시예에 따른 전류특성 측정용 반도체 소자 및 반도체 소자의 전류특성 측정 방법에 대하여 상세히 설명하는데, 설명의 편의를 위하여 실시예에 따른 전류특성 측정용 반도체 소자 및 반도체 소자의 전류특성 측정 방법을 함께 설명하기로 한다.
도 3은 실시예에 의한 전류특성 측정용 반도체 소자의 형태를 도시한 상면도이고, 도 4는 실시에에 의한 전류특성 측정용 반도체 소자의 형태를 도시한 측단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예에 의한 전류특성 측정용 반도체 소자는 기판(도시되지 않음) 상에 형성된 P-웰(Well)(100), P-웰(100)이 형성된 기판 상측에 형성된 P+영역(120), N+영역(130), 액티브 영역(120, 130) 사이를 전기적으로 분리하는 소자분리영역(110), N+영역(130) 위에 형성된 폴리실리콘층(140)을 포함하여 구성된다.
이하, 실시예에 의한 전류특성 측정용 반도체 소자의 형성 방법 및 측정 방 법에 대하여 설명한다.
반도체 기판, 예를 들어 단결정 실리콘 기판에 형성될 액티브 영역(120, 130) 사이를 전기적으로 절연시키기 위하여 소자분리영역(110)을 형성한다.
상기 소자분리영역(110)은 아이솔레이션(Isolation) 공정, 예를 들어 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하여 기판의 필드 영역에 산화막과 같은 절연막으로 형성될 수 있다.
이후, P+형 이온 주입 공정을 진행하여 P-웰(100) 영역을 형성한다.
도면에 도시되지 않았으나, 상기 소자분리막(110)이 형성된 후 문턱전압(VT)의 조절을 위한 이온주입, 펀치 스루(punch through)를 방지하기 위한 이온주입, 채널 스토퍼(channel stopper) 형성을 위한 이온주입 등을 추가로 진행할 수 있다.
이어서, 상기 소자분리영역(110)을 이온주입 마스크로 이용하여 기판의 액티브 영역에 P+영역(120)과 N+영역(130)을 형성한다.
가령, P+영역(120)을 형성하기 위하여, 상기 P-웰(100)이 형성된 기판의 상측에 P형 불순물, 예를 들어 보론(B) 이온을 3~20 KeV의 이온주입 에너지와, 1×1015~ 5×1015 ions/cm2의 이온주입 농도로 이온주입시킨다.
참고로, N-웰을 형성하는 경우에는, 가령 아세나이드(As) 이온을 이온주입시킬 수 있으며, 웰 영역을 형성하기 위하여 감광막 패턴과 같은 이온주입 마스킹층을 이용할 수도 있다.
액티브 영역(120, 130)이 형성되면, 액티브 영역(120, 130)과 이후 형성될 폴리실리콘층(140) 사이에 통상적으로 존재한 게이트 옥사이드를 제거하기 위하여 식각 공정을 처리한다.
상기 식각 공정을 처리하기 위하여, 포토 리소그래피 공정을 통하여 N+영역(130)이 개구된 감광막 패턴을 형성하고, 건식 식각 공정 또는 습식 식각 공정을 진행할 수 있다.
이후, 식각 공정을 위한 감광막 패턴은 제거된다.
N+영역(130) 상에 통상적으로 존재하는 게이트 옥사이드가 제거되면, 소자분리영역(110), 액티브 영역(120, 130)이 형성된 기판 위에 폴리실리콘을 도포한다.
다음으로, 포토 리소그래피 공정을 통하여 N+영역(130) 상의 폴리실리콘이 노출되도록 감광막 패턴을 형성하고, 식각 공정을 처리한다.
이때, 건식 식각 또는 습식 식각 방식 모두 사용될 수 있다.
이와 같이 하여, N+영역(130) 상에 폴리실리콘층(140)이 형성되면, 폴리실리콘층(140)에 실리사이데이션(silicidation) 공정을 처리한다.
예를 들어, 실리사이데이션된 폴리실리콘층(140)은 고융점금속의 스퍼터링 및 열처리 방식을 통하여 구현가능하여, 그 저항이 매우 낮아지므로 폴리실리콘층(140)을 패드로 이용하여 전류 특성을 측정하는데 영향을 미치지 않는다.
이와 같이 하여, 실시예에 따른 전류특성 측정용 반도체 소자가 완성되면, P+영역(120)에 측정 장비의 프로브(C)를 연결하고, 폴리실리콘층(140)에 전원(Vcc; D)을 연결하여 전류 특성을 측정한다.
실시예에 따른 전류특성 측정용 반도체 소자에 의하면, 종래와 같이 절연층 증착 공정, 컨택트 형성 공정, 메탈 라인 형성 공정 등을 진행할 필요없이, P+영역(120)을 측정 장비용 패드로 사용하고, 폴리실리콘층(140)을 전원 패드로 사용함으로써 신속하고 정확하게 전류 특성을 측정할 수 있다.
따라서, 공정을 단순화하고, 단시간 내에 측정을 반복할 수 있으며, 최적의 액티브 영역의 폭, 공정 조건 등을 용이하게 찾아낼 수 있다.
실시예에 따른 전류특성 측정용 반도체 소자를 이용하여 측정을 수행한 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 5는 실시예에 의한 누설 전류 측정용 반도체 소자를 이용하여 액티브 영역과 구동 전류 사이의 관계를 측정한 그래프이고, 도 6은 실시예에 의한 누설 전류 측정용 반도체 소자를 이용하여 액티브 영역과 누설 전류 사이의 관계를 측정한 그래프이다.
측정을 수행하는데 있어서, 90nm 기술급 nMOS를 대상으로 하였고, 동작전압을 일정하게 유지하였다. 또한, 액티브 영역의 폭을 0.12 μm, 0.6 μm, 10 μm의 세가지 형태로 조정하였고, 이에 따른 누설 전류와 동작 전류를 측정하였다.
도 5의 그래프에서, X축은 액티브 영역의 폭을 나타내고, Y축은 구동 전류(μA/μm)을 나타낸다.
또한, 도 6의 그래프에서, X축은 액티브 영역의 폭을 나타내고, Y축은 누설 전류(pA/μm)를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 액티브 영역의 폭이 가장 작은 0.12μm인 경우, 누설 전류 및 구동 전류의 산포가 함께 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 반 도체 소자의 프로파일이 최소화될수록 액티브 영역이 전기적 스트레스로 인한 영향을 많이 받는 것으로 해석될 수 있다.
이와 같이, 실시예에 의한 전류특성 측정용 반도체 소자에 의하면 액티브 영역의 미세폭에 따라 전류특성을 정교하게 측정할 수 있으며, 반도체 소자의 집적화가 급격히 진행되는 상황에서, 전류특성을 정교하게 측정하는 것은 설계상 매우 중요하다고 볼 수 있다.
또 다른 측정 결과를 예시하면 다음의 표 1과 같다.
액티브 영역(μm2) 누설 전류 최소 액티브 영역 (μm2)
N+영역 대 P-웰 P+영역 대 N-웰
0.49 0.14(pA/μm2) 0.08(pA/μm2) 0.06
0.042 0.61(mA/μm2) 0.57(mA/μm2)
상기 표 1은 액티브 영역의 넓이가 변화됨에 따라 액티브 영역과 웰 영역 사이의 누설 전류를 측정한 것이다.
상기 표 1을 참조하면, 두 종류의 액티브 영역이 기재되어 있는데, 여기서 액티브 영역은 웰 영역과의 결합 영역과 동일한 의미이다.
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 액티브 영역의 넓이가 90 nm 로직 공정의 디자인 룰에서 명시된 최소 영역인 0.06 μm2보다 작은 경우, 즉, 액티브 영역의 넓이가 0.042 μm2인 경우, 0.49 μm2인 경우보다 N+영역, P+영역 모두에서 누설 전류가 크게 발생됨을 알 수 있다.
실시예에 의한 전류특성 측정용 반도체 소자 및 그 측정 방법에 의하면, 액티브 영역의 폭 뿐만 아니라 넓이 측면에서도 전류 특성을 정교하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 반도체 소자의 누설 전류를 측정하는 형태를 예시한 상면도.
도 2는 반도체 소자의 누설 전류를 측정하는 형태를 예시한 측단면도.
도 3은 실시예에 의한 누설 전류 측정용 반도체 소자의 형태를 도시한 상면도.
도 4는 실시에에 의한 누설 전류 측정용 반도체 소자의 형태를 도시한 측단면도.
도 5는 실시예에 의한 누설 전류 측정용 반도체 소자를 이용하여 액티브 영역과 구동 전류 사이의 관계를 측정한 그래프.
도 6은 실시예에 의한 누설 전류 측정용 반도체 소자를 이용하여 액티브 영역과 누설 전류 사이의 관계를 측정한 그래프.

Claims (8)

  1. 기판에 형성된 웰 영역;
    상기 웰 영역의 기판 상측에 형성된 P+영역 및 N+영역;
    상기 P+영역 및 상기 N+영역을 분리시키는 소자분리영역; 및
    상기 N+영역 또는 P+영역 위에 형성된 폴리실리콘층을 포함하는 전류특성 측정용 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 웰 영역은
    P-웰인 것을 특징으로 하는 전류특성 측정용 반도체 소자.
  3. 기판에 소자분리영역 및 웰영역이 형성되는 단계;
    상기 소자분리영역 사이에 각각 P+영역 및 N+영역이 형성되는 단계;
    상기 N+영역, P+영역 중 하나의 액티브 영역 위에 폴리실리콘층이 형성되는 단계; 및
    상기 폴리실리콘층이 형성되지 않은 나머지 액티브 영역에 측정장비 프로브가 연결되고, 상기 폴리실리콘층에 전원 단자가 연결되는 단계를 포함하는 반도체 소자의 전류특성 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 웰영역은 P-웰이고,
    상기 폴리실리콘층은 상기 N+영역 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전류특성 측정 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 폴리실리콘층이 형성되는 단계는
    상기 액티브 영역이 형성된 후, 게이트 옥사이드를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전류특성 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 게이트 옥사이드를 제거하는 단계는
    습식 식각 공정 또는 건식 식각 공정을 통하여 상기 N+영역, P+영역 중 하나의 액티브 영역 표면을 식각함으로써 상기 게이트 옥사이드가 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전류특성 측정 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 폴리실리콘층이 형성되는 단계는
    상기 폴리실리콘층이 실리사이데이션(silicidation)처리되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전류특성 측정 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 습식 식각 공정 또는 건식 식각 공정은
    포토리소그래피 공정을 통하여 상기 N+영역, P+영역 중 하나의 액티브 영역에 개구가 형성된 감광막 패턴이 형성된 후 처리되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전류특성 측정 방법.
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