The importance of poly-crystalline silicon (poly-Si) in semiconductor manufacturing is rapidly increas-ing due to its highly controllable conductivity and excellent, uniform deposition quality. With the continuing miniaturization of electronic components, low dimensional structures such as 1-dimensional nanowires (NWs) have attracted a great deal of attention. But such components have a much higher current density than 2- or 3- dimensional films, and high current can degrade device lifetime and lead to breakdown problems due to the high temperature. First, we report on the electrical and thermal characteristics of poly-Si NWs, which can also be used to control electrical and physical breakdown under high current density. This work reports a con-trollable catastrophic change of poly-Si NWs by thermally-assisted electromigration and underlying mecha-nisms. It also reports the direct and real time observation of these catastrophic changes of poly-Si nanowires for the first time, using scanning electron microscopy.
However, aforementioned thermal characteristics including catastrophic breakdown of the poly-Si nanowires are not always regarded as detrimental problems in nanotechnology. If the current density and corresponded thermal properties can be controlled properly, poly-Si NW can be used advantageously. For example, the NW can be utilized as a built-in heater in MOSFET. The heater generated Joule heat, and re-paired the degradation induced by hot-carrier injection successfully. The concentrated high temperature an-neals the gate oxide locally and degraded device parameters are recovered or further enhanced within a short time of 1 ms. Selecting a proper range of repair voltage is very important to maximize the annealing effects and minimize extra damages caused by excessive high temperature. The repairing voltage is related to the resistance of the poly-Si gate according to the device scaling.
본 논문에서는 나노기술에서 전극으로 널리 사용되고 있는 폴리실리콘의 고 전류 동작 특성을 분석하고 연관된 메커니즘을 규명 하였다. 그 과정에서 전기적 분석, 전자 광학적 분석, 성분 분석, 그리고 온도 시뮬레이션 분석 기법이 활용되었다. 고 전류에 의해 유도된 높은 열은 도펀트의 어닐링 특성을 변화시켜 폴리실리콘의 전기전도도를 변화시키거나, 회로의 파괴 현상을 유발하였다. 이러한 현상들의 발현은 전기전도도의 불안정함, 회로의 단락과 개폐 등을 유발시킬 수 있을 만큼 치명적으로 작용할 것이다. 특히, 회로의 최소 선폭이 점점 감소하는 현재 시점에서, 그로 인한 전류밀도의 증가는 앞으로 이러한 현상을 더욱 가속화 시킬 것이다. 본 논문에서는 이러한 현상 발현이 사전에 예방되고 통제 되어질 수 있음을 시사하였고, 현상의 발현이나 방지를 위한 구체적인 전류밀도의 가이드라인을 제시하였다.
하지만, 폴리실리콘의 이러한 현상 발현이 반드시 부정적으로만 여기지는 것은 아니다. 가이드라인 내에서 적절한 구동 조건 하에서만 동작한다면, 이는 분명 장점으로 쓰여질 수 있다. 본 논문에서는 앞서 분석된 전기적.열적 결과를 바탕으로 하여, 고 전류밀도의 폴리실리콘을 디바이스에 유용하게 사용할 수 있는 구체적 응용 예시를 제시하였다. 매우 짧은 시간의 전기신호를 폴리실리콘에 인가하여, 그로 인해 방출되는 짧은 시간 동안의 고온을 트랜지스터에 유용하게 활용한 것이다. 발생된 열을 통해 노후화된 트랜지스터의 성능을 효과적으로 복구 시키는데 성공하였다. 더 나아가, 복구된 트랜지스터의 성능을 처음과 동일하거나 혹은 오히려 더 우수한 성능을 지닐 수 있도록 할 수 있는 최적의 전기적 조건 및 구조적 특성을 자세히 분석 및 검증하였고 이를 통하여, 트랜지스터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
