KR100232320B1 - Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator - Google Patents
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Abstract
본 발명의 전계 효과 트랜지스터는 반도체 물질층에서 합금화, 산화, 침전 또는 합성에 의해 형성되어 초기 용적보다 큰 용적을 갖게 되고 2축 방향 압축 응력(biaxial compressive stress)을 받는 채널 영역(channel region)을 갖는다. 본 발명은 캐리어의 이동도(carrier mobility)가 낮은 n 채널 및 p 채널 트랜지스터와, 캐리어의 이동도가 낮은 p 형 채널 트랜지스터를 갖는 CMOS 논리 회로의 문제점을 해결한다.The field effect transistor of the present invention is formed by alloying, oxidizing, precipitation or synthesizing in a semiconductor material layer to have a volume larger than the initial volume and to have a channel region subjected to biaxial compressive stress. . The present invention solves the problems of CMOS logic circuits having n-channel and p-channel transistors with low carrier mobility and p-type channel transistors with low carrier mobility.
Description
본 발명은 실리콘 온 인슐레이터(silicon on insulator)의 p 채널 및 n 채널 전계 효과 트랜지스터에 관한 것으로, 특히, 실리콘 평면에서 압축 응력(compressive stress)에 따라 무거운 정공 대역(heavy hole band)의 실효 대역 에지 질량(band edge mass)이 감소되고 전도성 대역(conduction band)의 실효 질량이 감소되게 하는 실리콘 온 인슐레이터의 실리콘 섬(silicon island)에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to p-channel and n-channel field effect transistors of silicon on insulators, in particular the effective band edge mass of heavy hole bands due to compressive stress in the silicon plane. (silicon island) of a silicon on insulator that allows for reduced band edge mass and reduced effective mass of the conduction band.
전계 효과 트랜지스터(field effect transistors: FET)의 특성을 향상시키는 데 실리콘 박막의 응력(stress)을 사용할 수 있다. 하나의 실시예로서, 실리콘과 같은 반도체가 층의 평면에 2축 방향의 응력(biaxial stress)을 받으면, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 논리 회로, 메모리 및 아날로그 회로에 사용되는 채널 FET의 정공 이동도(hole mobility)가 향상될 수 있다. p-FET의 성능이 저하되는 원인은 낮은 전계에서 정공이 산란되는 특성(scattering properties) 뿐만 아니라 정공의 실효 질량이 높으므로 캐리어의 속도가 감소한다는 데 있다. 이로 인해, 속도를 전계에 관련시키고 캐리어의 전송의 통상적인 척도가 되는 이동도가 감소된다. 정공의 속도 또는 정공의 이동도가 증가하면, 이에 대응하여 p-채널 FET, CMOS 회로 및 메모리의 성능이 개선될 것이다. 또한, 충분히 높은 응력하에서, 전자의 속도가 증가하면 비록 그 비율은 보다 작겠지만 n 채널 디바이스에서도 개선이 이루어진다.Stresses in silicon thin films can be used to improve the properties of field effect transistors (FETs). In one embodiment, when a semiconductor, such as silicon, is subjected to biaxial stress in the plane of the layer, the hole mobility of the channel FETs used in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) logic, memory, and analog circuits. (hole mobility) can be improved. The performance degradation of the p-FET is due to the scattering properties of the holes at low electric fields, as well as the high effective mass of the holes, thereby reducing the carrier speed. This reduces the mobility relative to the velocity and becomes a common measure of the carrier's transmission. As the speed of holes or hole mobility increases, the performance of p-channel FETs, CMOS circuits and memories will be improved correspondingly. In addition, under sufficiently high stresses, if the velocity of the electrons increases, the improvement is made in the n-channel device, although the ratio is smaller.
더블유 헤이왕(W. Heywang)에게 1971년 2월 23일 허여된 미국 특허 제 3,566,215 호에 개시된 전계 효과 트랜지스터에서는 반도체 기판에 기계적으로 응력을 가함으로써 캐리어 이동도를 향상시켰다. 실리콘 층을 침착하는 동안 실리콘과 상이한 물질을 갖는 기판의 온도가 상승되고, 냉각시 실리콘 층은 층에 대한 기판의 열적 수축(thermal contraction)의 차이로 인해 응력을 받았다.The field effect transistor disclosed in US Patent No. 3,566,215, issued February 23, 1971 to W. Heywang, improves carrier mobility by mechanically stressing the semiconductor substrate. During deposition of the silicon layer, the temperature of the substrate having a material different from that of silicon was raised, and upon cooling the silicon layer was stressed due to the difference in thermal contraction of the substrate relative to the layer.
비에이 에크(B.A. Ek) 등에게 1995년 10월 24일 허여된 미국 특허 제 5,461,243 호에 개시된 SOI 기판은 초기에 그 위에 실리콘 층을 갖고, SiGe 층이 그 위에 성장되고 이 층의 두께로 이완(relax)되고, 실리콘의 층이 SiGe 층상에 성장된다. 실리콘 층은 격자 간격의 부정합으로 인해 인장 스트레인(tensile strain)을 받는다.The SOI substrate disclosed in US Pat. No. 5,461,243, issued October 24, 1995 to BA Ek et al., Initially has a silicon layer thereon, a SiGe layer is grown thereon and relaxed to the thickness of this layer ( and a layer of silicon is grown on the SiGe layer. The silicon layer is subject to tensile strain due to mismatch of lattice spacing.
본 발명에 따르면, 절연 기판과, 절연 기판상에 위치되는 반도체 층을 포함하여 반도체 층의 캐리어의 정공 및 전자의 이동도를 향상시키는 장치 및 방법으로서, 상기 반도체 층은 제 2 영역(a second region) 주변을 실질적으로 애워싸는 제 1 영역(first regions)을 구비하고, 상기 제 1 영역은 합금화(alloying), 산화(oxidizing), 침전(precipitating), 반응(reacting) 공정을 포함하는 그룹으로부터 선택된 공정에 의해 합금, 산화물, 침전물 또는 화합물(compound)이 독자적으로 혹은 상기 반도체 층의 물질을 조합하여 형성됨으로써, 상기 제 1 영역은 상기 물질의 초기 용적보다 큰 용적을 갖게 되며, 이로 인해 상기 제 2 영역이 압축 응력(compressive stress)을 받게 되어(제 2 영역에 대해 충분히 높은 응력을 받음), 가전자대의 축퇴(degeneracy)가 제거되고 정공과 같은 캐리어의 대역 에지 질량(band edge mass of carriers)이 감소되고, 정공 및 전자의 전송이 향상되도록 하는 장치 및 방법을 제공한다.According to the present invention, there is provided an apparatus and method for improving the mobility of holes and electrons in a carrier of a semiconductor layer, including an insulating substrate and a semiconductor layer located on the insulating substrate, the semiconductor layer comprising a second region. A first region substantially enclosing the periphery), wherein the first region is a process selected from the group comprising alloying, oxidizing, precipitating, and reacting processes. Thereby forming an alloy, oxide, precipitate or compound, alone or in combination with materials of the semiconductor layer, whereby the first region has a volume larger than the initial volume of the material, thereby allowing the second region. Under this compressive stress (high enough stress for the second region), degeneracy of the valence band is eliminated and in the band of the carrier such as a hole An apparatus and method are provided that reduce band edge mass of carriers and improve the transport of holes and electrons.
또한, 본 발명은 채널 영역 주변의 반도체 층의 주변 산화로 인해 2축 방향의 압축 응력을 받는 반도체 층의 채널 영역을 형성하여, 이러한 응력으로 인해 평면 캐리어, 정공 및 전자의 질량이 감소되고 비율 변화가 감소되고 큰 응력을 받게 되도록 하는 향상된 캐리어 이동도를 갖는 p 채널 및 n 채널 전계 효과 트랜지스터를 제공한다.In addition, the present invention forms a channel region of the semiconductor layer subjected to compressive stress in the biaxial direction due to the peripheral oxidation of the semiconductor layer around the channel region, such that the stress reduces the mass of planar carriers, holes and electrons and changes the ratio. Provided are p-channel and n-channel field effect transistors with improved carrier mobility such that is reduced and subjected to large stresses.
또한, 본 발명은 절연체상의 반도체 물질의 층과, 제 2 영역 주변의 일부층을 산화함으로써 2축 방향의 압축 응력을 받는 제 1 영역과, 제 1 영역내에 형성되는 p 채널 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 CMOS 논리 회로를 제공한다. CMOS를 형성하기 위해 전술한 반도체 층은 설계시 유사한 n 채널 전계 효과 트랜지스터와, p 및 n 채널 전계 효과 트랜지스터를 상호 접속하는 전도체를 또한 포함한다.The present invention also includes a layer of semiconductor material on an insulator, a first region subjected to compressive stress in the biaxial direction by oxidizing a partial layer around the second region, and a p-channel field effect transistor formed in the first region. Provides a CMOS logic circuit. The semiconductor layer described above for forming a CMOS also includes a similar n-channel field effect transistor in design and a conductor interconnecting the p and n-channel field effect transistors.
본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징, 목적 및 장점들은 첨부된 도면과 함께 본 발명의 상세한 설명을 참조하면 더욱 명백하게 이해될 것이다.The foregoing and other features, objects, and advantages of the present invention will become more apparent with reference to the detailed description of the invention in conjunction with the accompanying drawings.
도 1은 2축 방향의 압축 응력, 제로 응력 및 인장 응력에 따라 지향성 밴드갭 반도체의 동작을 도시한 그래프1 is a graph illustrating the operation of a directional bandgap semiconductor according to compressive, zero and tensile stresses in the biaxial direction;
도 2는 평면(100)의 2축 방향의 압축 응력(스트레인), 제로 응력 및 인장 응력에 따라 실리콘과 같은 지향성 밴드갭 반도체의 동작을 도시한 그래프FIG. 2 is a graph illustrating the operation of a directional bandgap semiconductor such as silicon according to biaxial compressive stress (strain), zero stress and tensile stress in the
도 3은 인장 스트레인, 제로 스트레인 및 압축 스트레인에 따라 상부 표면과 평행한 <110> 및 <100> 방향의 실리콘 가전자대에 대한 계산을 도시한 그래프FIG. 3 is a graph depicting calculations for silicon valence bands in the <110> and <100> directions parallel to the top surface according to tensile strain, zero strain and compressive strain
도 4는 인장 스트레인, 제로 스트레인 및 압축 스트레인에 따라 상부 표면과 평행한 <111> 및 <1> 방향의 실리콘 가전자대에 대한 계산을 도시한 그래프FIG. 4 is a graph depicting calculations for silicon valence bands in the <111> and <1> directions parallel to the top surface according to tensile strain, zero strain and compressive strain
도 5는 스트레인에 따른 실리콘의 정공 이동도에 대한 계산을 도시한 그래프5 is a graph showing the calculation of hole mobility of silicon according to strain
도 6은 스트레인에 따른 실리콘의 전자 이동도에 대한 계산을 도시한 그래프6 is a graph showing the calculation of electron mobility of silicon according to strain
도 7-9는 도 6에 도시된 본 발명의 실시예를 구현하는 제조 진행 단계들중 하나의 실시예를 도시한 도면7-9 illustrate one embodiment of the manufacturing progress steps for implementing the embodiment of the present invention shown in FIG.
도 10은 본 발명의 하나의 실시예를 도시한 도면10 illustrates one embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예의 평면도11 is a plan view of a second embodiment of the present invention;
도 12는 도 11의 라인 12-12을 따라 취해진 단면도12 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG.
도 13은 본 발명의 제 3 실시예의 평면도13 is a plan view of a third embodiment of the present invention;
도 14는 본 발명의 제 4 실시예의 평면도14 is a plan view of a fourth embodiment of the present invention.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
112: 캐리어 층 113: 절연층112: carrier layer 113: insulating layer
114, 150: 반도체 층 116: 마스크114, 150: semiconductor layer 116: mask
118: 산화층 119: 실리콘 영역118: oxide layer 119: silicon region
122: p 채널 전계 효과 트랜지스터 126: 게이트 산화층122: p-channel field effect transistor 126: gate oxide layer
128: 게이트 전극 129, 131, 133: 리드128:
141: 반도체 섬 142: 트렌치141: semiconductor island 142: trench
143: 실리콘 다이옥사이드 153: 폴리실리콘143: silicon dioxide 153: polysilicon
156: 양자 배선 디바이스 157: 양자 배선156: quantum wiring device 157: quantum wiring
158, 167: 산화 영역 170: 양자 박스158, 167: oxidation region 170: quantum box
도 1을 참조하면 층의 평면에 2축 방향의 압축 응력과, 제로 응력과, 2축 방향의 인장 응력에 영향을 받는 직접 밴드갭 반도체 층(direct bandgap semiconductor layer)의 그래프가 도시되어 있다. 도 1에서, 세로 좌표는 에너지를 나타내고, 가로 좌표는 응력을 나타낸다. 곡선(12)은 압축 응력을 받는 반도체 층의 전도대 에지(conduction band edge)이다. 곡선(13, 14)은 압축 응력을 받는 대응하는 층의 가전자대 에지(valence band edge)이다. 곡선(13, 14)은 서로 분리되어 있으며, 곡선(14)이 보다 낮은 에너지를 갖는다. 곡선(15)은 제로 응력을 받는 반도체 층의 전도대 에지이다. 곡선(16, 17)은 제로 응력을 받는 대응하는 층의 가전자대 에지이다. 곡선(20)은 인장 응력을 받는 반도체 층의 전도대 에지이다. 곡선(21, 22)은 인장 응력을 받는 대응하는 층의 가전자대 에지이다. 포인트(23)에서 곡선(21)의 최대 에너지는 포인트(24)에서 곡선(22)의 최대 에너지보다 낮다. 곡선(13, 14) 및 곡선(21, 22)으로 도시된 바와 같이, 층의 가전자대 에지는 제각기 압축 응력 또는 인장 응력에 따라 분할된다. 기준 라인(26)은 압축 응력층으로부터 제로 응력층을 거쳐 인장 응력층으로 진행함에 따라 전도대 에지가 점차 낮은 에너지를 갖는 것을 보여준다. 기준 라인(27)은 압축 응력층으로부터 제로 응력층을 거쳐 인장 응력층으로 진행함에 따라 가전자대 에지가 점차 높은 에너지를 갖는 것을 보여준다.Referring to FIG. 1, there is shown a graph of a direct bandgap semiconductor layer affected by biaxial compressive stress, zero stress, and biaxial tensile stress in the plane of the layer. In Figure 1, the ordinate represents energy and the abscissa represents stress.
도 2는 평면(100)의 2축 방향의 스트레인(biaxial strain)에 영향을 받는 실리콘과 같은 반도체 층의 간접 밴드갭(indirect bandgap)을 도시한 그래프이다. 도 2에서, 세로 좌표는 에너지를 나타내고, 가로 좌표는 응력을 나타낸다. 곡선(29)은 압축 응력을 받는 반도체 층의 전도대 에지이다. 곡선(30, 31)은 압축 응력을 받는 대응하는 층의 가전자대 에지이다. 곡선(30, 31)은 서로 분리되어 있으며, 곡선(31)이 보다 낮은 에너지를 갖는다. 곡선(33)은 제로 응력을 갖는 반도체 층의 전도대 에지이다. 곡선(34, 35)은 제로 응력을 받는 대응하는 층의 가전자대 에지이다. 곡선(37)은 인장 응력을 받는 반도체 층의 전도대 에지이다. 곡선(38, 39)은 인장 응력을 받는 대응하는 층의 가전자대 에지이다. 기준 라인(41)은 제로 응력하에서(포인트(42))보다 압축 응력하에서(포인트(44)) 전도대 에지가 더 낮은 에너지를 갖는 것을 나타낸다. 기준 라인(43)은 제로 응력하에서(포인트(42))보다 인장 응력하에서(포인트(45)) 전도대 에지가 더 낮은 에너지를 갖는 것을 나타낸다. 도 1에서 압축 응력에서 제로 응력까지의 기준 라인(26)은 낮은 방향으로 진행하지만, 반대로 도 2에서 압축 응력에서 제로 응력까지의 기준 라인(41)은 높은 방향으로 진행함에 유의하여야 한다. 따라서, 도 2의 곡선(41)상의 포인트(44)는 곡선(43)상의 포인트(42, 45)보다 낮다. 기준 라인(47)은 압축 응력층으로부터 제로 응력층을 거쳐 인장 응력층으로 진행함에 따라 가전자대 에지가 보다 높은 에너지를 갖는 것을 나타낸다.FIG. 2 is a graph showing indirect bandgaps of a semiconductor layer, such as silicon, affected by biaxial strain in the
도 3을 참조하면, 곡선(51-68)이 도시되어 있다. 도 3에서, 세로 좌표는 에너지(eV)를 나타내고, 가로 좌표는 k-벡터(2π/a)를 나타낸다. 곡선(51-53)은 k-벡터에 대해 작성된 EP를 도시한 것으로서, EP는 서로 분리된 3개의 가전자대를 나타낸다. EP는 실험적인 (국부적이 아닌) 의사 전위(pseudopotentials)이다. (케이 닷 피(k dot p)로 발음하는) kp는 가전자대의 근사해(solution)를 나타낸다(여기서, k는 전자 또는 정공 준-운동량(electron or hole quasi-momentum)이고, p는 운동량 연산자이다).Referring to Figure 3, curves 51-68 are shown. In FIG. 3, the ordinate represents energy (eV) and the abscissa represents a k-vector (2π / a). Curves 51-53 show the EP written for the k-vector, where EP represents three valence bands separated from each other. EP is experimental (not local) pseudopotentials. Kp (pronounced k dot p) represents an approximate solution of the valence band, where k is the electron or hole quasi-momentum and p is the momentum operator ).
곡선(54-56)은 k-벡터에 대해 작성된 kp를 도시한 것으로서, kp는 서로 분리된 3개의 가전자대를 나타낸다. 곡선(51-56)은 1.034 옹스트롬의 실리콘 층의 평면에서 격자 파라미터(lattice parameter) a를 갖는 인장 응력에 대해 계산되고, c/a0는 0.975이다. 여기서, c는 <100> 방향, 즉, 상부 표면과 수직하는 방향의 격자 파라미터이다. 기준 라인(70)의 좌측의 곡선(51-56)은 <110> 방향에 대한 것이고, 기준 라인(70)의 우측의 곡선(51-56)은 <100> 방향에 대한 것이다.Curves 54-56 show kp plotted for the k-vector, where kp represents three valence bands separated from each other. Curves 51-56 are calculated for tensile stresses with lattice parameter a in the plane of the silicon layer of 1.034 Angstroms, and c / a0 is 0.975. Where c is the lattice parameter in the <100> direction, ie the direction perpendicular to the top surface. Curves 51-56 on the left side of
k-벡터에 대해 곡선(57-59)은 EP를 나타내고 곡선(60-62)은 kp를 나타내며, k-벡터는 세개의 가전자대중 두개의 가전자대가 곡선(57, 58, 60, 61)으로 나타낸 것처럼 서로 중첩하여 캐리어의 스캐터링이 증가되는 것을 나타내고 있다. 실리콘 층은 스트레인을 받지 않았다. 기준 라인(71)의 좌측의 곡선(57-62)은 <110> 방향에 대한 것이고, 기준 라인(70)의 우측의 곡선(57-62)은 <100> 방향에 대한 것이다.For k-vectors curves 57-59 represent EP and curves 60-62 represent kp, and k-vectors represent two valence band curves 57, 58, 60, 61 of the three valence bands. As shown by, the scattering of carriers is increased by overlapping each other. The silicon layer was not strained. The curves 57-62 on the left side of the
k-벡터에 대해 곡선(63-65)은 EP를 나타내고 곡선(66-68)은 kp를 나타내며, 이들 곡선은 압축 스트레인을 받는 실리콘 층에 대한 3개의 가전자대를 나타낸다. 실리콘 층은 단위셀에 해당하는 a/a0가 1에서부터 0.970까지 압축되었고, c/a0는 1.025이다. 기준 라인(72)의 좌측의 곡선(63-68)은 <110> 방향에 대한 것이고, 기준 라인(72)의 우측의 곡선(63-68)은 <100> 방향에 대한 것이다. 곡선(63-68)은 3개의 가전자대가 분리되어 있음을 보여주고 있다.For k-vectors curves 63-65 represent EP and curves 66-68 represent kp and these curves represent three valence bands for the silicon layer subjected to compressive strain. In the silicon layer, a / a 0 corresponding to a unit cell is compressed from 1 to 0.970, and c / a 0 is 1.025. Curves 63-68 on the left side of reference line 72 are for the <110> direction, and curves 63-68 on the right side of reference line 72 are for the <100> direction. Curves 63-68 show that the three valence bands are separated.
도 4에는 곡선(81-98)과 기준 라인(100-102)이 도시되어 있다. 도 4에서, 세로 좌표는 에너지(eV)를 나타내고, 가로 좌표는 k-벡터(2π/a)를 나타낸다. 도 4에서, 곡선(81-86)은 인장 스트레인을 받는 실리콘 층에 대해 계산되고 도 3의 곡선(51-56)에 대응하지만, k-벡터에 대해 상이한 방향을 가리킨다. 기준 라인(100)의 좌측의 곡선(81-86)은 실리콘 층의 <111> 방향에 대한 것이고, 기준 라인(100)의 우측의 곡선(81-86)은 <1> 방향에 대한 것이다.4, curves 81-98 and reference lines 100-102 are shown. In FIG. 4, the ordinate represents energy (eV) and the abscissa represents a k-vector (2π / a). In FIG. 4, curves 81-86 are calculated for the silicon layer under tensile strain and correspond to curves 51-56 of FIG. 3, but indicate different directions for the k-vector. The curves 81-86 on the left side of the
곡선(87-92)은 제로 스트레인을 받는 실리콘 층에 대해 계산되고 도 3의 곡선(57-62)에 대응하지만, k-벡터에 대해 상이한 방향을 가리킨다. 기준 라인(101)의 좌측의 곡선(87-92)은 실리콘 층의 <111> 방향에 대한 것이고, 기준 라인(101)의 우측의 곡선(87-92)은 <1> 방향에 대한 것이다.Curves 87-92 are calculated for the zero strained silicon layer and correspond to curves 57-62 of FIG. 3, but indicate different directions for the k-vector. The curves 87-92 on the left side of the
곡선(93-98)은 압축 스트레인을 받는 실리콘 층에 대해 계산되고 도 3의 곡선(63-68)에 대응하지만, k-벡터에 대해 상이한 방향을 가리킨다. 기준 라인(102)의 좌측의 곡선(93-98)은 실리콘 층의 <111> 방향에 대한 것이고, 기준 라인(102)의 우측의 곡선(93-98)은 <1> 방향에 대한 것이다.Curves 93-98 are calculated for the silicon layer subjected to the compressive strain and correspond to curves 63-68 of FIG. 3, but indicate different directions for the k-vector. Curves 93-98 on the left side of
도 3 및 도 4에서, 실리콘 층은 평행면 방향이 <110> 및 <100>을 가리키도록 지향된다. 도 3 및 도 4에서는 전술한 지향 방향을 갖는 실리콘 층에 대해 2축 방향의 압축 응력 또는 인장 응력중 어느 하나가 제공됨으로써 가전자대가 분할(split)되는 것을 보여준다. 가전자대가 서로 분리되면 캐리어 산란이 감소되어 캐리어의 이동도가 증가된다.3 and 4, the silicon layer is oriented so that the parallel plane directions point to <110> and <100>. 3 and 4 show that the valence band is split by providing either the compressive stress or the tensile stress in the biaxial direction with respect to the silicon layer having the aforementioned directing direction. When the valence bands are separated from each other, carrier scattering is reduced to increase the mobility of the carriers.
도 5는 300K의 실리콘(001)에서 스트레인에 대해 계산된 정공 이동도를 나타낸 그래프이다. 도 5에서, 세로 좌표는 정공 이동도를 나타내고, 가로 좌표는 스트레인 c/a0을 나타낸다. 곡선(105)은 층에 평행한(평행면(in plane)으로 표시) <100> 방향의 실리콘 층의 정공 이동도를 나타내고, 곡선(106)은 층에 수직(수직면(off plane)으로 표시)하는 <1> 방향의 정공 이동도를 나타낸다. 도 5에서 c/a0가 1.00이면, 실리콘 층에는 스트레인이 존재하지 않는다. 도 5에서, 음향 포논 변형 전위(acoustic phonon deformation potential) Δac는 6.1 eV이고, 광학적 포논 변형 전위(optical phonon deformation potential) (DK)op는 7.98×1010eV/cm이다. 실리콘 층에 대해 매우 작은 크기의 인장 스트레인이라도 존재하면, 평행면의 이동도는 예를 들어, 0.99(포인트(103))의 값을 갖는 c/a0에서 급격하게 증가되어, 이동도 μ는 약 5×102에서 약 3×103cm2/Vs까지 증가된다. 또한, 실리콘 층에 대해 매우 작은 크기의 압축 스트레인이라도 존재하면, 평행면의 이동도는 예를 들어, 포인트(104)의 가로 좌표상에서 1.01의 값을 갖는 c/a0에서 급격하게 증가되어 평행면의 이동도는 약 5×102에서 약 1.3×103cm2/Vs까지 증가된다. 도 5 및 도 6에서, 격자 공간 c은 실리콘 층과 수직하는 방향이고, 격자 공간 a0은 실리콘 층에 평행한 방향이다.5 is a graph showing the hole mobility calculated for strain in 300K silicon (001). In FIG. 5, the ordinate represents hole mobility, and the abscissa represents strain c / a 0 .
도 6은 300K에서 실리콘의 스트레인에 대해 계산된 전자 이동도의 그래프이다. 도 6에서, 세로 좌표는 전자 이동도를 나타내고, 가로 좌표는 스트레인 c/a0을 나타낸다. 곡선(108)은 층에 평행한 방향의 실리콘 층의 전자 이동도를 나타내고, 곡선(109)은 층에 수직하는 실리콘 층의 전자 이동도를 나타낸다. 도 6의 c/a0가 1.00이면, 실리콘 층에는 스트레인이 존재하지 않는다. 도 6에서, 팽창 변형 전위(dilation deformation potential) Ed는 +1.1 eV이고, 일축 방향 변형 전위(uniaxial deformation potential) Eu는 10.5 eV이다. 곡선(108)으로 도시된 바와 같이, 가로 좌표상에서 실리콘 층에 대해 0.99 정도의 소량의 인장 스트레인에 대한 값이 존재하면, 전자 이동도는 약 1.5×103에서 약 2.25×103cm2/Vs까지 증가한다. 가로 좌표상에서 실리콘 층에 대해 1.01 정도의 소량의 압축 스트레인이 존재하면, 전자 이동도는 약 1.5×103에서 약 1.3×103cm2/Vs까지 완만하게 감소되지만, 가로 좌표상에서 1.025 정도로 약간 더 큰 압축 스트레인에 대한 값을 가지면 전자 이동도는 약 1.5×103에서 약 1.7×103cm2/Vs까지 증가된다. 곡선(109)에 대해 도시된 바와 같이, 소량의 인장 스트레인이 존재하면 실리콘 층과 수직 방향의 전자 이동도는 감소되고, 소량의 압축 스트레인이 존재하면 실리콘 층과 수직 방향의 전자 이동도는 증가된다. 따라서, 상부 표면과 평행한 방향의 이동도에 대해 c/a0상에서 1 퍼센트 정도의 소량의 스트레인이 존재하면, 2축 방향의 압축 스트레인 또는 2축 방향의 인장 스트레인중 어느 쪽에 대해서도 정공 및 전자 이동도가 증가된다.6 is a graph of calculated electron mobility for strain of silicon at 300K. In FIG. 6, the ordinate represents electron mobility and the abscissa represents strain c / a 0 .
도 7을 참조하면, 실리콘 온 인슐레이터의 기판(111)이 도시되어 있다. 예를 들어, 실리콘일 수 있는 캐리어 층(112)은 예를 들어, 실리콘 다이옥사이드일 수 있는, 상부 표면상에 형성되는 절연층(113)을 갖는다. 또한, 절연층(113)은 산소를 이온 주입한 후 산화 단계에 의해 형성될 수 있다. SIMOX(separation by implantation of oxygen)으로 일컬어지는 공정이 이와 같은 공정에서 사용될 수 있다. 반도체 층(114)은 예를 들어 단결정 실리콘일 수 있으며 SIMOX 공정 또는 본드 및 에칭백 공정(bond and etch back process)에 의해 형성될 수 있고, 이러한 공정은 알에이치 데나드(R.H. Dennard) 등에 의해 1995년 10월 31일에 허여된 미국 특허 제 5,462,883 호에 개시되어 있다. 층(114)은 250∼5000 옹스트롬 범위의 두께를 가질 수 있으며, 전형적으로 2000 옹스트롬 이하의 두께를 갖는다.Referring to FIG. 7, a
도 8을 참조하면, 실리콘 옥사이드 및/또는 실리콘 나이트라이드를 포함하는 절연 금속일 수 있는 마스크(116)가 도시되어 있다. 마스크(116)는 보호 영역을 에워싸는 층(114)을 산화하는 동안에 마스크(116) 아래의 반도체 층(114)을 보호하는 기능을 한다. 마스크(116)는 층(114)상에 먼저 침착된 후 패터닝되는 층이다.Referring to FIG. 8, a
그후, 위에 마스크(116)를 갖는 반도체 층(114)이 산화된다. 산화는 통상적인 열 건식 또는 습식 산화 수단(thermal dry or wet oxidation means)에 의해 수행되며, 그 결과 마스크(116)는 실리콘 옥사이드 및 실리콘 나이트라이드를 포함할 수 있게 된다. 또한, SIMOX 공정을 통해 SOI 웨이퍼를 구현하는데 사용되는 것과 유사하게 높은 투입량(doses)으로 산소를 주입함으로써 산화를 성취할 수 있다. 산소 주입이 사용되면, 마스크(116)에 대해 사용되는 물질은 실질적으로 포토레지스트(photoresists)를 포함하는 더욱 넓은 물질의 집합으로부터 얻을 수 있다.Thereafter, the
도 9에 도시된 바와 같이, 마스크(116)에 의해 보호되는 주변 영역을 산화하면, 마스크(116) 아래의 실리콘 주변에 실리콘 다이옥사이드가 확장된다. 보호되지 않은 층(114)은 완전히 산화되어 실리콘 영역(119)에 층(114)이 남아 있는 산화층(118)을 형성한다. 마스크(116)는 실리콘 영역(119)상에 남게 된다. 실리콘 다이옥사이드 용적의 확장은 계수 2보다 약간 크고, 실리콘 분자의 분자량(molecular weight)은 12.056cm-3을 갖는다. 이와 같이 확장을 수행하게 되면, 실리콘 영역(119) 사이에 압축 응력이 발생된다. 도 10에 도시된 바와 같이, p 채널 전계 효과 트랜지스터(122)와 같은 디바이스는 실리콘 영역(119)상에 마스크(116)를 스트립(strip)하기 이전에 부분적으로 제조되거나 혹은 그 이후에 완전히 제조될 수 있다. 이러한 압축 응력으로 인해 실리콘 영역(119)의 정공 이동도가 증가된다. 응력은 영역(119)의 4개의 측면상에서 모두 발생되며, 따라서 영역(119)의 평면에 두개의 트래버스 방향(transverse directions)으로 발생되거나 혹은 상부 표면에 평행한 영역(119)의 응력을 갖는 2축 방향을 갖는다. 이러한 응력은 영역(119)의 평면에 두개의 수직하는 방향에 대한 것일 수 있다.As shown in FIG. 9, oxidizing the peripheral region protected by the
실리콘 영역(119)의 응력의 크기는 종횡비(길이 대 폭), 면적, 부차적으로 산화될 주변 실리콘의 용적, 크기의 함수이다. 따라서, 각각의 실리콘 영역의 종횡비가 3:1을 가질 수 있는 트랜지스터의 기하학적 구조에서는 각각의 실리콘 영역의 특성비가 1:1인 FET와 상이한 응력을 갖는다. 후자의 것은 주변 산화 영역이 대칭적일 때 균일한 2축 방향의 응력을 갖는다. 어느 경우든, 응력은 실리콘 및 실리콘 다이옥사이드 영역의 제어를 통해 제어될 수 있다.The magnitude of the stress in the
전형적으로, c/a0에서 2% 미만의 작은 변화를 가져오는 응력이 바람직하며, 실리콘 영역(119) 주변의 매우 작은 영역을 산화함으로써 이를 달성한다. 영역(119) 주변에 매우 작은 영역을 산화하게 되면 분리 산화부가 얕은 트렌치 분리(shallow trench isolation)를 갖는 p 채널 디바이스의 영역과 유사한 영역을 갖게 할 수 있다. 따라서, 얕은 트렌치 분리에 비해 패킹 밀도(packing density)의 손실이 거의 없게 된다. 보다 중요한 점으로서, 응력을 설계하는 것이 가능해지며 비대칭적으로 될 수도 있다.Typically, a stress that results in a small change of less than 2% at c / a 0 is desirable, and is accomplished by oxidizing a very small area around
도 10을 참조하면, 실리콘 영역(119)에 형성된 p 채널 전계 효과 트랜지스터(122)가 도시되어 있다. 소스(123) 및 드레인(124)은 실리콘 영역(119)의 상부 표면에 형성된다. 게이트 산화층(126)은 실리콘 영역(119)상에 형성된다. 게이트 전극(128)은 게이트 산화층(126)상에 형성되고 알루미늄 또는 폴리실리콘 재질일 수 있다. 게이트(128)는 리드(lead)(129)에 접속될 수 있다. 소스(123)는 리드(131)에 접속될 수 있고, 드레인(124)은 리드(133)에 접속될 수 있다. n 채널 전계 효과 트랜지스터는 트랜지스터(122)와 유사한 방식으로 도시될 수 있다. CMOS 논리 회로를 형성하는데 n 채널 및 p 채널 트랜지스터를 사용할 수 있으며, 이에 대해서는 본 기술 분야에 잘 알려져 있다.Referring to FIG. 10, a p-channel
도 11은 트렌치(142)에 의해 둘러싸인 반도체 섬(semiconductor island)(141)을 도시한 평면도로서, 트렌치(142) 내부상에는 실리콘 다이옥사이드(143) 등의 유전체 층을 가지며, 유전체 층은 도 12에 나타난 바와 같이 측벽 및 하부를 도포하고 있다. 도 11은 도 12의 라인 12-12을 따라 취해진 단면도이다. 도 12에서, 반도체 섬(141)의 종횡비, 즉 길이 대 폭은 1이고, 따라서 그 길이는 폭과 동일하다.FIG. 11 is a plan view illustrating a
도 12에 도시된 바와 같이, 기판(146)은 상부 표면(147)을 가지며, 실리콘, 실리콘 게르마늄 합금(silicon germanium alloy), 실리콘 카바이드(sillicon carbide), 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 갈륨 인듐 아세나이드(gallium indium arsenide), 갈륨 알루미늄 아세나이드(gallium aluminum arsenide) 및 인듐 포스파이드(indium phosphide)일 수 있다. 실리콘 다이옥사이드와 같은 절연층(149)이 상부 표면(147)상에 형성된다. 반도체 층(150)은 층(149)상에 형성되고, 층(149)은 기판(146)과 동일하거나 혹은 상이한 물질의 단결정 반도체일 수 있고 약 2000 옹스트롬 두께를 갖는다. 트렌치(142)는 층(150)과 층(149)을 관통하여 기판(146)까지 형성될 수 있다.As shown in FIG. 12, the
트렌치(142)에 비결정 실리콘을 채울 수 있으며, 그후 비결정 실리콘은 600∼750℃ 범위의 열 처리에 의해 폴리실리콘(153)으로 변환될 수 있다. 다결정 실리콘은 반도체 섬(141)에 압축 응력 및 스트레인을 인가할 때까지 확장된다. 이와 달리, 폴리실리콘(153)을 산화시켜 실리콘 다이옥사이드를 형성하여 이것이 확장하여 반도체 섬(141)에 압축력을 인가하도록 할 수도 있다. 반도체 섬(141)의 주변부의 연속적인 트렌치대신, 트렌치 경로를 따라 다수의 분리 이격된 영역을 형성하거나 반도체 섬(141) 주변부를 따라 다수의 짧은 트렌치를 형성하여 2축 방향의 압축 응력을 반도체 섬(141)에 제공할 수도 있다.The
도 13은 양자 배선(quantum wire)(157)이 구비된 양자 배선 디바이스(156)의 평면도로서, 양자 배선(157)은 기판(146)에 적합한 물질과 같은 반도체 물질로 형성된다. 반도체 층(150)에 산화 영역(158)이 형성된다. 도 13에서 도 11 및 도 12의 장치에 대응하는 기능부에 대해서는 유사한 참조부호가 사용된다. 전극(161, 162)은 양자 배선(157)의 각각의 단부에 대한 오오믹 접점(ohimic contact)을 생성한다. 전극(163)은 양자 배선(157)의 중간에 전기 접점을 생성하거나, 전극(162)으로부터 양자 배선(157)을 절연하는 절연 영역(164)상에 게이트 전극을 제공한다.FIG. 13 is a plan view of a
큰 종횡비 값을 갖는 가는 라인을 사용함으로써 양자 배선(157)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 0.2 마이크로미터 두께의 실리콘상에 0.45 마이크로미터 라인을 사용하면 좁은 서브(narrow sub) 500 옹스트롬 라인을 만들 수 있으며, 이후에 산화를 제어하여 이 라인을 둘러싸게 한다. 그러면, 자체로 형성되거나 혹은 프로그래밍된 응력에 따라 이들 양자 배선이 원하는 특성을 갖도록 설계할 수 있다.The
도 14에는 양자 박스(quantum box)(170)가 도시되어 있다. 도 14에서 유사한 참조 부호는 도 11 및 도 12의 장치에 대응하는 기능을 위해 사용된다. 반도체 섬(141)은 1:1 특성비의 구조 또는 반도체 섬(141)을 형성하기 위해 주변부의 주위에 제어된 반도체 층(150)을 산화함으로써 형성될 수 있다. 주변 산화 영역(167)은 반도체 섬(141)을 애워싼다.14 shows a
실리콘 영역(119) 및 실리콘 층(114)은 기판(146)에 대해 적합하게 지정된 다른 반도체 화합물로 대체될 수 있음을 이해할 것이다.It will be appreciated that
본 발명은 층에 형성되는 전계 효과 트랜지스터에 대해 향상된 캐리어 이동도가 제공되도록 응력을 받는 반도체 층이 도시되고 기술되었지만, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 첨부된 특허 청구범위에 정의된 본 발명의 영역을 벗어나지 않은 범위내에서 여러가지 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.While the present invention is shown and described with a semiconductor layer stressed to provide improved carrier mobility for the field effect transistors formed in the layer, those of ordinary skill in the art, as defined in the appended claims, It will be understood that various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
따라서, 본 발명의 전계 효과 트랜지스터는 반도체 물질층에서 합금화, 산화, 침전 또는 합성에 의해 형성되어 초기 용적보다 큰 용적을 갖게 되고 2축 방향 압축 응력을 받는 채널 영역을 제공하고, 캐리어의 이동도가 낮은 n 채널 및 p 채널 트랜지스터와, 캐리어의 이동도가 낮은 p 형 채널 트랜지스터를 갖는 CMOS 논리 회로의 문제점을 해결하는 장점을 제공한다.Thus, the field effect transistor of the present invention is formed by alloying, oxidizing, precipitation or synthesizing in a semiconductor material layer to provide a channel region which has a volume larger than the initial volume and is subjected to biaxial compressive stress, and the mobility of the carrier It provides the advantages of solving the problems of CMOS logic circuits having low n-channel and p-channel transistors and p-type channel transistors with low carrier mobility.
Claims (9)
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KR100501849B1 (en) * | 2001-05-14 | 2005-07-20 | 샤프 가부시키가이샤 | ENHANCED MOBILITY NMOS AND PMOS TRANSISTORS USING STRAINED Si/SiGe LAYERS ON SILICON-ON-INSULATOR SUBSTRATES |
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1997
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