MOSCAP 기술기획 및 웨이퍼 분할 보고서

문서 내 토픽

1. MOSCAP 구조 설계

고보유·저전압 MOSCAP 구조는 Metal/SiO₂/Al₂O₃/HFzByOₓ/Al₂O₃/SiO₂/Si 스택으로 구성되며, 고유전율 Hf 기반 복합층에 F·B 소량 도핑으로 깊은 트랩(Et_eff≈2.8–2.9eV)을 형성한다. Al₂O₃ 듀얼 배리어층으로 누설을 억제하고 대칭 전계를 설계하여 저전압(±3.5–4.0V) 구동으로 DRAM급 속도를 확보한다.
2. 전기적 성능 특성

READ 속도는 15–35 ns의 DRAM급 성능을 달성하며, PROG/ERASE 시간은 0.3–0.8 µs/스텝이다. 85°C에서 10년 이상, 125°C에서 2–10년의 보유 특성을 보이고, 누설전류는 ±3.5V에서 10⁻⁹ A/cm² 이하로 매우 낮다. 총 유효 두께는 약 10 nm, 평균 유전 상수는 12–15이다.
3. ALD 공정 기술

SiO₂는 250°C ALD로 게이트 절연 및 전계 제어를 담당하고, Al₂O₃는 200°C ALD로 전자 차단과 산소 확산 억제를 수행한다. HFzByOₓ는 Plasma-ALD로 B·F 소량 도핑을 통해 깊은 트랩을 형성하며, 터널막 SiO₂는 Thermal 또는 ALD로 주입 경로를 조절한다. 전체 공정은 250°C 이하의 저온 ALD 기반으로 기존 CMOS와 호환된다.
4. 웨이퍼 분할 실험 설계

DOE는 3가지 스플릿으로 구성된다. S1은 SiO₂ 1.0 nm/HFzByOₓ 4.2 nm/±3.5V로 속도 최적화, S2는 SiO₂ 1.2 nm/HFzByOₓ 4.2 nm/±3.5V로 기준, S3는 SiO₂ 1.0 nm/HFzByOₓ 4.8 nm/±4.0V로 보유 향상을 목표로 한다. 평가 항목은 ΔVfb, J–V, Retention, TDDB/BTI, 10⁵-cycle endurance이다.

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1. MOSCAP 구조 설계

MOSCAP(Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor) 구조 설계는 반도체 소자의 기본이 되는 중요한 분야입니다. 효과적인 구조 설계는 게이트 산화막의 두께, 금속-산화막 계면의 특성, 그리고 기판의 도핑 농도 등 여러 변수를 최적화해야 합니다. 특히 나노스케일 공정에서는 계면 특성이 전체 성능을 좌우하므로, 정밀한 설계와 시뮬레이션이 필수적입니다. 고유전율 물질의 도입과 같은 혁신적 접근은 성능 향상에 기여하지만, 공정 복잡도와 비용을 증가시킵니다. 따라서 설계 단계에서 공정 가능성과 경제성을 함께 고려한 균형잡힌 접근이 필요합니다.
2. 전기적 성능 특성

MOSCAP의 전기적 성능 특성 평가는 용량-전압(C-V) 측정과 누설 전류 분석을 통해 이루어집니다. 이러한 특성들은 산화막의 품질, 계면 트랩 밀도, 그리고 고정 산화막 전하 등을 직접 반영합니다. 우수한 전기적 특성은 낮은 누설 전류, 높은 유전 강도, 그리고 안정적인 임계 전압을 의미합니다. 다양한 온도와 주파수 조건에서의 측정은 소자의 신뢰성을 평가하는 데 중요합니다. 특히 장시간 신뢰성 테스트는 실제 응용에서의 성능 예측에 필수적이며, 이를 통해 공정 개선 방향을 결정할 수 있습니다.
3. ALD 공정 기술

원자층 증착(ALD) 공정은 극도로 얇고 균일한 박막을 형성할 수 있는 혁신적인 기술입니다. 자기 제한적 화학 반응을 이용하여 원자 단위의 정밀한 제어가 가능하며, 높은 종횡비 구조에서도 우수한 단차 피복성을 제공합니다. 고유전율 물질의 증착에 특히 효과적이며, 계면 특성 개선에 기여합니다. 다만 공정 속도가 상대적으로 느리고 장비 비용이 높다는 단점이 있습니다. 그럼에도 불구하고 나노스케일 반도체 공정의 요구사항이 증가함에 따라 ALD 기술의 중요성은 계속 높아질 것으로 예상됩니다.
4. 웨이퍼 분할 실험 설계

웨이퍼 분할 실험은 공정 변수의 영향을 체계적으로 평가하기 위한 중요한 방법론입니다. 웨이퍼를 여러 영역으로 나누어 각각 다른 공정 조건을 적용함으로써, 단일 웨이퍼에서 다양한 조건의 결과를 얻을 수 있습니다. 이는 실험 비용을 절감하고 공정 변수 간의 상호작용을 파악하는 데 효과적입니다. 그러나 웨이퍼 내 온도 분포, 화학 물질의 확산, 그리고 측정 위치의 선택 등 여러 변수를 신중하게 고려해야 합니다. 통계적으로 유의미한 결과를 얻기 위해서는 충분한 샘플 수와 반복 실험이 필요하며, 실험 설계 단계에서의 정밀한 계획이 성공의 핵심입니다.

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