To realize the potential of ion implantation in the production of semiconductor devices, thermal annealing have been developed to remove the implant damage and to electrically activate the dopants. With the trend in the silicon industry toward further miniaturization, with 3D structure for higher integrity, and monolithic 3D integration, there is a growing demand to remove the damage produced by ion implantation with low thermal budget. Ion and electron-beam-induced recrystallization have been studied for low temperature crystallization since bombardment of ion and electron can reduce the activation energy of crystallization by bond breaking or interstitial defect generating. Herein, crystallization method having large scalability called ‘Plasma electron-induced crystallization (PEIC)” is proposed, while PEIC remove the damage with the aid of bombardment with energetic electrons. To prove whether PEIC has strength in crystallization from energetic electron bombardment, fundamental experiments comparing with rapid thermal annealing (RTA) are conducted with TEM, XRD, SIMS sheet resistance and Raman analysis. Electron bombardment to the sample in the plasma, reduce the activation energy of crystallization, which means PEIC has small thermal budget compared to RTA. Deep study on the mechanism of PEIC coming from its uniqueness which is very low electron energy with bombardment and joule heating simultaneously, is conducted. To claim mechanism of PEIC is bond relaxing, recrystallization rate is investigated according to different temperature of PEIC and RTA. Deposited amorphous silicon is also crystallized by PEIC with relatively low temperature since Si atoms are easy to be locally ordered with the aid of bond relaxing. To apply the PEIC to the future Si device structure and 3d monolithic integration, the evaluation of PEIC potential in future low thermal budget annealing process is conducted with bulk Si wafer, Ring gate MOSFET, conventional planar MOSFET.
반도체 제조에서 이온 주입을 활용하기 위해, 열적 어닐링이 손상을 제거하고 불순물을 전기적으로 활성화시키기 위해 개발되었다. 실리콘 산업에서 더 작게 만들기 위해 3차원 구조가 사용되고 있고, 집적도를 높이기 위해 모놀리식 3차원 집적이 주목 받고 있다. 이러한 추세에 따라 낮은 열 소모 비용으로 이온 주입에 의한 손상을 제거해야하는 요구가 증가하고 있다. 이온 및 전자의 충격으로 본드 파괴 또는 간극 결함 발생에 의해 결정화 에너지를 감소시킬 수 있기 때문에 이온 및 전자 빔을 이용한 저온 결정화가 연구되어왔다. 본 연구에서는 PEIC (Plasma electron-induced crystallization) 라 불리는 큰 확장성, 높은 호환성을 갖는 결정화 방법을 제안하다. PEIC가 결정화에 열 적 이득이 있는지 보기 위해, 급속 열 어닐링 (RTA)과 비교 하였으며, TEM, XRD, SIMS, 표면 저항 및 라만 분석이 수행 되었다. PEIC의 메커니즘은 ‘결합 완화’로 보이며, 실험적으로 이를 입증하였다. 증착 된 비정질 실리콘은 결합 완화의 도움으로 Si 원자가 국부적으로 정렬되기 쉽기 때문에 비교적 낮은 온도에서 결정화 됨을 보였다. PEIC를 링 게이트 MOSFET, 기존 평면 MOSFET에 적용하여 열 소모 비용이 작음을 보였다.
