[논문 리뷰] The effect of low-energy ion-implantation on the electrical transport properties of Si-SiO2 MOSFETs

Dane R. McCamey, Matthew Francis외 4명|arXiv (Cornell University)|2004. 11. 08.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 16인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 5nm 열산화막을 가진 Si-SiO2 MOSFET에서 저에너지 인 화합물 이온 주입을 수행하고, 저온 DC 전도도 측정을 통해 전기적으로 활성화된 트랩을 정량화한다. 그 결과, 각 주입된 P 이온이 이온화된 기여자로 인해 0.08 ± 0.03개의 추가 트랩을 기여하며, 이온 주입으로 인한 손상은 아님을 확인하였고, 2×10¹² cm⁻²의 주입 농도에서 기여자의 활성화율은 거의 100%에 도달하여 단일 원자 양자 장치의 실현 가능성을 확인한다.

ABSTRACT

Using silicon MOSFETs with thin (5nm) thermally grown SiO2 gate dielectrics, we characterize the density of electrically active traps at low-temperature after 16keV phosphorus ion-implantation through the oxide. We find that, after rapid thermal annealing at 1000oC for 5 seconds, each implanted P ion contributes an additional 0.08 plus/minus 0.03 electrically active traps, whilst no increase in the number of traps is seen for comparable silicon implants. This result shows that the additional traps are ionized P donors, and not damage due to the implantation process. We also find, using the room temperature threshold voltage shift, that the electrical activation of donors at an implant density of 2x10^12 cm^-2 is ~100%.

연구 동기 및 목표

• 저온에서 Si-SiO2 MOSFET의 주입 유도 전기적으로 활성화된 트랩을 특성화하기 위해.
• 인 또는 실리콘 이온 주입이 Si-SiO2 인터페이스 영역의 트랩 농도를 증가시키는지 여부를 규명하기 위해.
• 낮은 주입 농도에서 주입된 기여자의 전기적 활성화 효율을 평가하기 위해.
• 저에너지 이온 주입이 향후 단일 전자 및 양자 컴퓨팅 장치와 호환되는지 평가하기 위해.
• 이온화된 기여자에 의한 트랩 형성과 이온 주입으로 인한 손상에 의한 트랩 형성 간의 차이를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 5nm 열산화막을 가진 MOSFET에서 4.2 K에서의 저온 DC 전도도 및 홀 측정을 수행하였다.
• 이동도 대 실리콘 농도(μ vs. n) 분석을 통해, μ 대 log(n)의 n_crit 이상 영역에서 선형 외삽을 통해 임계 농도(n_crit)를 추출하였으며, 이를 트랩 농도로 해석하였다.
• 실온에서의 임계 전압 이동을 측정하여 활성화된 기여자 농도를 산정하였으며, ΔV_th = q × n_act / C_imp 공식을 사용하였고, C_imp는 산화막 및 실리콘 층의 용량으로 계산되었다.
• 델타 도핑 근사를 적용하여 주입 깊이를 모델링하고, 임계 전압 이동 계산의 타당성을 검증하였다.
• 문헌에서 얻은 이온 분포 모델링을 활용하여, Si-SiO2 인터페이스에서 10nm 이내에 위치한 이온의 비율을 추정하였으며, 여기서 전자 파동함수는 국소화되어 있다.
• P 주입 및 Si 주입 장치의 트랩 농도를 비교하여, 이온화된 기여자 기여를 주입 손상과 분리하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지 인 화합물 이온 주입은 4.2 K에서 Si-SiO2 MOSFET의 전기적으로 활성화된 트랩 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 관찰된 트랩은 이온화된 인 기여자 때문인가, 아니면 이온 주입으로 인한 손상 때문인가?
• RQ3 낮은 주입 농도에서 주입된 인 기여자의 전기적 활성화 효율은 얼마인가?
• RQ4 주입된 이온의 Si-SiO2 인터페이스에 대한 공간 분포는 전자 이동도 및 트랩 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이온 주입을 통해 최소한의 트랩 간섭을 동반한 단일 원자 양자 장치를 신뢰성 있게 제작할 수 있는가?

주요 결과

• 각 주입된 인 기여자 이온이 저온에서 0.08 ± 0.03개의 전기적으로 활성화된 트랩을 기여하며, 이온화된 기여자가 트랩의 주요 원인임을 시사한다.
• 실리콘 주입은 1 이온당 오직 0.009 ± 0.005개의 추가 트랩만 생성하여, 인 주입에 비해 트랩 농도에 미치는 영향이 미미함을 시사한다.
• 추가 트랩은 주입 손상이 아니라 이온화된 P 기여자로 인한 것으로 판단되며, RTA 이후 트랩 농도 증가 없음과 주입 농도에 대한 선형 상관관계로 확인되었다.
• 주입 농도 2×10¹² cm⁻²에서 기여자 활성화율은 거의 100%에 도달하였고, 5×10¹² cm⁻²에서는 약 60%로 감소하였다.
• 주입되지 않은 장치의 측정된 트랩 농도는 2.1 ± 0.3 × 10¹¹ cm⁻²이며, 이는 트랩 간격 21.8 ± 1.7 nm에 해당하며, 케인 양자 컴퓨터 제안의 20nm 큐비트 간격과 유사하다.
• 임계 농도는 P 주입 농도에 따라 선형적으로 증가하며, 이는 전자 파동함수의 국소화 영역인 인터페이스에서 10nm 이내에 약 10%의 이온이 존재하기 때문이며, 관측된 산란 및 이동도 감소를 설명한다.