This dissertation focuses on the formation and analysis of pn junction using laser annealing, which is essential in a monolithic 3D integration structure to reduce the RC delay in BEOL of logic and memory devices. The first purpose of this study is to compare and analyze the annealing effect according to the skin depth of each wavelength based on laser annealing emerging as a next-generation heat treatment process. The second purpose is to compare and analyze the pn junction characteristics formed by the conventional annealing system, rapid thermal annealing, and to suggest a method for improving the characteristics. The third purpose is to analyze the mechanism of crystallization and dopant activation according to laser fluence.
Experiments were carried out on bulk wafer and SOI wafer using excimer laser (308 nm) and green laser (532 nm) wavelength, which are most widely used in industry. In the case of the bulk wafer, first, with respect to the relationship between the skin depth according to the wavelength of the laser and the projection range of the ion implantation process, a high laser fluence causes melting of a thin film, and thus pn junction can be formed regardless of the wavelength. However, due to thermal stress between different interfaces, a multiple-shots annealing was applied at a low laser fluence to achieve similar or superior performance to the pn junction formed by the rapid thermal annealing process. As a result, compared to conventional annealing system, the on current characteristic of n+p junction is degraded due to surface degradation, but the p+n junction shows improved performance in terms of on current and ideality factor due to the removal of boron cluster defects due to melting process.
PN junction was formed and analyzed in SOI wafers to mimic the final monolithic 3D integrated structure. In the case of SOI wafers, unlike bulk wafer, the mechanism by which polysilicon is formed in high laser fluence was analyzed. In addition, the crystallization mechanism was analyzed through cross-sectional measurement and SIMS measurement, and the degradation of the surface due to the melting process was observed. UV Raman spectroscopy was measured to analyze the crystallinity of thin silicon film, and in the case of boron, the reason why peak is broadened was analyzed. In addition, the pn junction characteristics formed by a rapid thermal annealing were compared and analyzed through electrical measurement.
In conclusion, laser annealing, which is essential for monolithic 3D integration structures, was applied to propose a method and analysis of pn junction, which are basic components of transistors, indicating that it could be a breakthrough technology to future monolithic 3D integration process and next-generation annealing system.
본 논문은 로직과 메모리 소자에서 급증하고 있는 BEOL의 RC 딜레이를 줄이기 위한 모노리식 3D 집적 구조에서 필수적으로 요구되는 레이저 어닐링을 활용한 pn 접합 형성과 분석에 대해 다루었다. 본 연구의 첫 번째 목적은, 차세대 열처리 공정으로 대두되는 레이저 어닐링을 기반으로 하여 레이저의 파장별 투과 깊이에 따른 열처리 효과를 비교분석 하는 것이다. 두 번째 목적은, 기존의 열처리 시스템인 급속 열처리 시스템으로 형성된 pn 접합 특성의 비교 분석과 특성 향상을 위한 방안을 제시하였다. 세 번째 목적으로는 레이저 플루언스에 따른 결정화 및 이온 활성화의 메커니즘을 분석하는 것이다.
범용적으로 가장 널리 사용되는 엑시머 레이저(308 nm)와 그린 레이저(532 nm) 파장대를 활용하여 벌크 웨이퍼와 SOI 웨이퍼에서 실험을 진행하였다. 벌크 웨이퍼의 경우 먼저, 레이저의 파장에 따른 투과 깊이와 이온 주입 공정의 주입 깊이의 관계에 대해 고출력의 펄스 레이저는 박막의 멜팅을 유발하기 때문에 파장에 관계없이 pn 접합이 형성되는 것을 알 수 있었다. 하지만, 다른 계면 사이에서의 열적 스트레스로 인해, 낮은 레이저 플루언스에서 멀티플 샷 공정을 적용하여 기존의 pn 접합과 유사하거나 보다 우수한 성능을 확보하였다. 결과적으로, 급속 열처리 공정으로 형성된 pn 접합에 비해 n+p 접합의 경우 표면의 열화로 인해 온 전류 특성이 저하되었지만 p+n 접합의 경우 멜팅으로 인한 보론 클러스터 결함의 제거로 온 전류와 아이디얼리티 팩터 측면에서 향상된 성능을 보였다.
최종적인 모노리식 3D 집적 구조를 모방하기 위해 SOI 웨이퍼에서 pn 접합을 형성 및 분석하였다. SOI 웨이퍼의 경우, 벌크 웨이퍼와 달리 높은 레이저 플루언스에서 폴리 실리콘이 형성되는 메커니즘을 분석하였다. 또한, 결정화가 이루어지는 과정을 단면 측정과 심스 측정을 통해 분석하였고 멜팅 공정으로 인한 표면의 열화를 관측하였다. 얇은 실리콘 박막의 결정성을 분석하기 위해 UV 라만 스펙트로스코피 측정을 진행했으며 보론의 경우 브로드한 픽이 나타나는 현상에 대해 분석하였다. 또한 전기적 측정을 통해 급속 열처리 시스템으로 형성된 pn 접합 특성을 비교분석하였다.
결론적으로, 모노리식 3D 집적 구조에 필수적인 레이저 어닐링을 적용하여 트랜지스터의 기본 구성 요소가 되는 pn 접합 형성 방법과 분석에 대해 방안을 제시하였고, 이는 앞으로의 모노리식 3D 집적 구조와 차세대 열처리 방안에 대한 혁신적인 해결책이 될 수 있음을 나타낸다.
