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이희덕 교수, 세계 최초 나노반도체 소자의 산화막 계면특성 분석 방법 개발

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  • 작성일2006-10-11 12:10:00
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 나노반도체 소자의 산화막 계면 특성을 정확하게 분석하는 방법을 세계 최초로 국내 연구진이 개발하였다.

  과학기술부 21세기 프론티어 연구개발사업의 일환으로 발족한 테라급나노소자개발사업단(단장 : 이조원(李兆遠) 박사)의 충남대학교(총장 : 양현수) 이희덕(李熙德) 교수 연구팀은 매그나칩반도체(연구소장 : 이종근 박사)와 공동으로“1.5 nm 이하의 절연막을 갖는 실리콘 소자에서 기존의 방법으로는 추출이 불가능하던 절연막과 실리콘 기판 사이의 계면 특성을 분석할 수 있는 On-Chip Charge Pumping 분석방법을 개발하였다”고 밝혔다. 

  Si/SiO2 계면의 특성은 실리콘 소자에서 매우 중요한 부분이다. 계면의 특성은 계면에 존재하는 계면 결함 밀?돈? 결정되는데 Nano CMOS 제작 초기에 계면 결함 밀도가 얼마나 되는가를 정확히 평가해야 한다. 이는 소자가 초기에 만들어졌을때 뿐만이 아니라 일정시간 소자 동작 후의 계면 결함 밀도 변화에 따라 소자의 특성이 영향을 받기 때문에 정확한 산화막 계면특성 분석이 필요한 것이다.

  일반적인 전하 펌프 방법은 두꺼운 산화막에서만 계면 결함 특성에 대한 측정 및 분석이 가능하였으나 나노미터 영역의 Nano CMOS에서는 산화막이 매우 얇아짐에 따라 산화막을 통한 누설전류가 크게 증가하여 기존 방법으로는 더이상 정확한 계면 특성을 측정할 수 없었다. 

  이번에 개발된 새로운 On-Chip 전하펌프 방법은 고주파의 On-Chip 주파수 발생 개념을 토대로 펄스 발생 및 펄스 전압 조절을 위한 회로를 wafer 내에서 구현하여 고주파 펄스를 생성하게 한 것이다. 따라서 고주파 인가를 위한 고가의 장비가 필요없을 뿐만 아니라 wafer 내에서 발생시킨 수백 MHz 이상의 고주파 펄스를 게이트에 직접 인가함으로써 매우 얇은 산화막을 갖는 나노 MOSFET에서도 산화막 계면의 특성을 정확히 측정할 수 있게 되었다. 

  고주파 펄스를 외부에서도 인가할 수 있으나 외부 장비에서 웨이퍼 내의 소자로 펄스를 전달하기 위한 Probe Line, Probe Tip, Metal Pad 등에 존재하는 기생 정전용량과 기생 인덕턴스 때문에 펄스가 소자로 정확한 전달이 불가능하다. 특히 파형의 왜곡에 의한 누설전류 증가가 매우 커질 수 있기 때문에 이 방법은 사실상 불가능하게 여겨지고 있다. 

  이 기술은 기존 방법으로는 불가능했던 1.5 nm 이하의 절연막을 갖는 Nano CMOS에서 측정이 가능하도록 했고 On-Chip에서 전하 펌핑 방법을 구현하였다. 따로 측정 시스템을 구비할 필요가 없어 예산절감에 효과적이며, 외부 측정 시스템에서 여러 라인에 의해 전달되는 펄스의 왜곡현상이 없어 측정결과에 신뢰성을 부여했다.   

  개발 책임자인 충남대 이희덕 교수는“그동안 Nano size의 CMOS에서 측정이 불가능하였던 산화막 계면 특성 분석방법을 확보함으로써 신뢰성 있는 Nano CMOS의 개발을 촉진시키는데 매우 큰 영향을 미치게 될 것이며, 이번 연구결과는 Logic 소자뿐만 아니라 DRAM 및 Flash memory 등 모든 실리콘 기반 소자에 적용되어 반도체 소자 개발의 기술력을 증대시켰다고 할 수 있다. 또한 본 기술은 산학(매그나칩-충남대) 협동을 통해 개발된 기술로 산업체로의 기술이전시 국내 반도체 사업 발전과 함께 연간 250조원에 달하는 세계 반도체 시장의 70% 이상, 국내 반도체 시장의 20% 이상을 차지하고 있는 비메모리 반도체에 적용되면 국가 수익 창출에 크게 이바지할 것으로 생각된다.”고 말했다.

  한편, 이번 연구성과는 기술의 우수성을 인정받아 지난 12월 7일 세계적으로 권위있는 학회인 국제 전자소자 회의(IEDM)에서 발표되었으며 현재 이 기술과 관련한 개념은 이미 국내와 미국에 각각 1건의 특허 등록이 완료되었다.

 

<2005. 12. 30>




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