KR100232320B1 - Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator - Google Patents

Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator Download PDF

Info

Publication number
KR100232320B1
KR100232320B1 KR1019970032774A KR19970032774A KR100232320B1 KR 100232320 B1 KR100232320 B1 KR 100232320B1 KR 1019970032774 A KR1019970032774 A KR 1019970032774A KR 19970032774 A KR19970032774 A KR 19970032774A KR 100232320 B1 KR100232320 B1 KR 100232320B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
region
semiconductor
silicon
mobility
Prior art date
Application number
KR1019970032774A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR19990010119A (en
Inventor
마시모 빈센조 피스쳇띠
메이 문네이 파트리샤
샌디프 티워리
Original Assignee
포만 제프리 엘
인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포만 제프리 엘, 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션 filed Critical 포만 제프리 엘
Priority to KR1019970032774A priority Critical patent/KR100232320B1/en
Publication of KR19990010119A publication Critical patent/KR19990010119A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100232320B1 publication Critical patent/KR100232320B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/04Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their crystalline structure, e.g. polycrystalline, cubic or particular orientation of crystalline planes
    • H01L29/045Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their crystalline structure, e.g. polycrystalline, cubic or particular orientation of crystalline planes by their particular orientation of crystalline planes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/822Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using silicon technology
    • H01L21/8232Field-effect technology
    • H01L21/8234MIS technology, i.e. integration processes of field effect transistors of the conductor-insulator-semiconductor type
    • H01L21/8238Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS
    • H01L21/823807Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS with a particular manufacturing method of the channel structures, e.g. channel implants, halo or pocket implants, or channel materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/822Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using silicon technology
    • H01L21/8232Field-effect technology
    • H01L21/8234MIS technology, i.e. integration processes of field effect transistors of the conductor-insulator-semiconductor type
    • H01L21/8238Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS
    • H01L21/823828Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS with a particular manufacturing method of the gate conductors, e.g. particular materials, shapes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/822Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using silicon technology
    • H01L21/8232Field-effect technology
    • H01L21/8234MIS technology, i.e. integration processes of field effect transistors of the conductor-insulator-semiconductor type
    • H01L21/8238Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS
    • H01L21/823871Complementary field-effect transistors, e.g. CMOS interconnection or wiring or contact manufacturing related aspects
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1025Channel region of field-effect devices
    • H01L29/1029Channel region of field-effect devices of field-effect transistors
    • H01L29/1033Channel region of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate, e.g. characterised by the length, the width, the geometric contour or the doping structure
    • H01L29/1037Channel region of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate, e.g. characterised by the length, the width, the geometric contour or the doping structure and non-planar channel
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42356Disposition, e.g. buried gate electrode
    • H01L29/4236Disposition, e.g. buried gate electrode within a trench, e.g. trench gate electrode, groove gate electrode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66568Lateral single gate silicon transistors
    • H01L29/66613Lateral single gate silicon transistors with a gate recessing step, e.g. using local oxidation
    • H01L29/66621Lateral single gate silicon transistors with a gate recessing step, e.g. using local oxidation using etching to form a recess at the gate location

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

캐리어 이동도를 향상시키는 장치와, 반도체 섬 형성 방법Device for improving carrier mobility and semiconductor island forming method

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 plane 100.

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: gate electrode 129, 131, 133: lead

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. Curve 12 is the conduction band edge of the compressive stressed semiconductor layer. Curves 13 and 14 are the valence band edges of the corresponding layer subjected to compressive stress. Curves 13 and 14 are separated from each other, and curve 14 has lower energy. Curve 15 is the conduction band edge of the zero stressed semiconductor layer. Curves 16 and 17 are valence band edges of the corresponding layer subjected to zero stress. Curve 20 is the conduction band edge of the semiconductor layer under tensile stress. Curves 21 and 22 are valence band edges of the corresponding layer under tensile stress. The maximum energy of curve 21 at point 23 is lower than the maximum energy of curve 22 at point 24. As shown by curves 13 and 14 and curves 21 and 22, the valence band edges of the layer are divided according to compressive or tensile stress, respectively. Reference line 26 shows that the conduction band edge has gradually lower energy as it progresses from the compressive stress layer through the zero stress layer to the tensile stress layer. Reference line 27 shows that the valence band edge has a higher energy as it progresses from the compressive stress layer through the zero stress layer to the tensile stress layer.

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 plane 100. In Figure 2, the ordinate represents energy and the abscissa represents stress. Curve 29 is the conduction band edge of the compressive stressed semiconductor layer. Curves 30 and 31 are valence band edges of the corresponding layer subjected to compressive stress. Curves 30 and 31 are separated from each other, and curve 31 has lower energy. Curve 33 is the conduction band edge of the semiconductor layer with zero stress. Curves 34 and 35 are valence band edges of the corresponding layer subjected to zero stress. Curve 37 is the conduction band edge of the semiconductor layer under tensile stress. Curves 38 and 39 are valence band edges of the corresponding layer under tensile stress. Reference line 41 indicates that the conduction band edge has lower energy under compressive stress (point 44) than under zero stress (point 42). Reference line 43 shows that the conduction band edge has lower energy under tensile stress (point 45) than under zero stress (point 42). It should be noted that in FIG. 1 the reference line 26 from compressive stress to zero stress proceeds in a low direction, whereas in FIG. 2 the reference line 41 from compressive stress to zero stress proceeds in a high direction. Thus, point 44 on curve 41 in FIG. 2 is lower than points 42 and 45 on curve 43. Reference line 47 indicates that the valence band edge has higher energy as it progresses from the compressive stress layer through the zero stress layer to the tensile stress layer.

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 reference line 70 are for the <110> direction, and curves 51-56 on the right side of reference line 70 are for the <100> direction.

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 reference line 71 are for the <110> direction, and the curves 57-62 on the right side of the reference line 70 are for the <100> direction.

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 reference line 100 are for the <111> direction of the silicon layer, and the curves 81-86 on the right side of the reference line 100 are for the <1> direction.

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 reference line 101 are for the <111> direction of the silicon layer, and the curves 87-92 on the right side of the reference line 101 are for the <1> direction.

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 reference line 102 are for the <111> direction of the silicon layer, and curves 93-98 on the right side of the reference line 102 are for the <1> direction.

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 . Curve 105 represents the hole mobility of the silicon layer in the <100> direction parallel to the layer (in in plane), and curve 106 is perpendicular to the layer (in off plane). The hole mobility in the <1> direction is shown. In FIG. 5, when c / a 0 is 1.00, there is no strain in the silicon layer. In FIG. 5, the acoustic phonon deformation potential Δac is 6.1 eV and the optical phonon deformation potential (DK) op is 7.98 × 10 10 eV / cm. If there is even a very small tensile strain with respect to the silicon layer, the mobility of the parallel planes is rapidly increased at c / a 0 , for example with a value of 0.99 (point 103), so that the mobility μ is about 5 Increase from x10 2 to about 3 × 10 3 cm 2 / Vs. In addition, if there is even a very small compressive strain with respect to the silicon layer, the mobility of the parallel plane is rapidly increased, for example, at c / a 0 with a value of 1.01 on the abscissa of the point 104, so that the parallel plane shifts The figure increases from about 5 × 10 2 to about 1.3 × 10 3 cm 2 / Vs. 5 and 6, the lattice space c is a direction perpendicular to the silicon layer, and the lattice space a 0 is a direction parallel to the silicon layer.

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 . Curve 108 represents the electron mobility of the silicon layer in a direction parallel to the layer, and curve 109 represents the electron mobility of the silicon layer perpendicular to the layer. If c / a 0 of FIG. 6 is 1.00, there is no strain in the silicon layer. In FIG. 6, the dilation deformation potential Ed is +1.1 eV and the uniaxial deformation potential Eu is 10.5 eV. As shown by curve 108, if there is a value for a small amount of tensile strain of about 0.99 for the silicon layer in abscissa, the electron mobility is from about 1.5 × 10 3 to about 2.25 × 10 3 cm 2 / Vs To increase. If there is a small amount of compressive strain of about 1.01 for the silicon layer in abscissa, the electron mobility slowly decreases from about 1.5 × 10 3 to about 1.3 × 10 3 cm 2 / Vs, but slightly more than 1.025 in abscissa. With values for large compressive strains the electron mobility increases from about 1.5 × 10 3 to about 1.7 × 10 3 cm 2 / Vs. As shown for curve 109, the presence of a small amount of tensile strain reduces the electron mobility in the vertical direction with the silicon layer, and the presence of a small amount of compressive strain increases the electron mobility in the vertical direction with the silicon layer. . Thus, if there is a small amount of strain of about 1 percent on c / a 0 relative to the mobility in the direction parallel to the top surface, hole and electron transfer for either compressive strain in the biaxial direction or tensile strain in the biaxial direction The degree is increased.

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 substrate 111 of a silicon on insulator is shown. For example, the carrier layer 112, which may be silicon, has an insulating layer 113 formed on the top surface, which may be, for example, silicon dioxide. In addition, the insulating layer 113 may be formed by an oxidation step after ion implantation of oxygen. A process called separation by implantation of oxygen (SIMOX) can be used in such a process. The semiconductor layer 114 may be, for example, monocrystalline silicon and may be formed by a SIMOX process or a bond and etch back process, which process is carried out by RH Dennard et al. 1995. U.S. Patent No. 5,462,883, issued October 31, 1986. Layer 114 may have a thickness in the range of 250-5000 angstroms and typically has a thickness of 2000 angstroms or less.

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 mask 116 is shown that may be an insulating metal that includes silicon oxide and / or silicon nitride. The mask 116 functions to protect the semiconductor layer 114 under the mask 116 while oxidizing the layer 114 surrounding the protective region. Mask 116 is a layer that is first deposited on layer 114 and then patterned.

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 semiconductor layer 114 having the mask 116 thereon is oxidized. Oxidation is performed by conventional thermal dry or wet oxidation means, such that the mask 116 may comprise silicon oxide and silicon nitride. Oxidation can also be achieved by injecting oxygen at high doses similar to those used to implement SOI wafers through the SIMOX process. If oxygen injection is used, the material used for the mask 116 may be obtained from a broader set of materials that includes substantially photoresists.

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 mask 116 causes the silicon dioxide to expand around the silicon under the mask 116. The unprotected layer 114 is fully oxidized to form an oxide layer 118 with the layer 114 remaining in the silicon region 119. Mask 116 remains on silicon region 119. The expansion of the silicon dioxide volume is slightly larger than the coefficient 2, and the molecular weight of the silicon molecule has 12.056 cm −3 . When expansion is performed in this manner, compressive stress is generated between the silicon regions 119. As shown in FIG. 10, a device such as p-channel field effect transistor 122 may be partially fabricated prior to stripping mask 116 on silicon region 119 or fully fabricated thereafter. Can be. This compressive stress increases the hole mobility of the silicon region 119. The stresses are all generated on the four sides of the region 119 and thus are biaxially generated in two transverse directions in the plane of the region 119 or with a stress of the region 119 parallel to the top surface. Has a direction. This stress may be in two perpendicular directions to the plane of region 119.

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 silicon region 119 is a function of the aspect ratio (length to width), the area, and the volume and size of the surrounding silicon to be subsequently oxidized. Thus, in the geometry of the transistor where the aspect ratio of each silicon region may have 3: 1, it has a different stress than the FET whose characteristic ratio of each silicon region is 1: 1. The latter has a uniform biaxial stress when the surrounding oxide regions are symmetrical. In either case, the stress can be controlled through control of the silicon and silicon dioxide regions.

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 silicon region 119. Oxidation of a very small region around region 119 may cause the isolation oxide to have an area similar to that of a p-channel device with shallow trench isolation. Thus, there is little loss of packing density compared to shallow trench isolation. More importantly, it becomes possible to design stresses and may be asymmetric.

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 field effect transistor 122 formed in the silicon region 119 is shown. Source 123 and drain 124 are formed on the upper surface of silicon region 119. Gate oxide layer 126 is formed on silicon region 119. The gate electrode 128 is formed on the gate oxide layer 126 and may be made of aluminum or polysilicon. Gate 128 may be connected to lead 129. The source 123 may be connected to the lead 131 and the drain 124 may be connected to the lead 133. The n channel field effect transistor can be shown in a similar manner as the transistor 122. N-channel and p-channel transistors can be used to form CMOS logic circuits, which are well known in the art.

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 semiconductor island 141 surrounded by a trench 142, having a dielectric layer such as silicon dioxide 143 on the inside of the trench 142, and the dielectric layer shown in FIG. 12. As shown, the side walls and the lower part are applied. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line 12-12 of FIG. 12. In Fig. 12, the aspect ratio of the semiconductor island 141, i.e., length to width, is 1, and thus the length is equal to the width.

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 substrate 146 has an upper surface 147 and includes silicon, silicon germanium alloy, silicon carbide, gallium arsenide, gallium indium acetone. Gallium indium arsenide, gallium aluminum arsenide and indium phosphide. An insulating layer 149, such as silicon dioxide, is formed on the top surface 147. Semiconductor layer 150 is formed on layer 149, and layer 149 may be a single crystal semiconductor of the same or different material as substrate 146 and has a thickness of about 2000 angstroms. The trench 142 may be formed through the layers 150 and 149 to the substrate 146.

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 trench 142 may be filled with amorphous silicon, which may then be converted to polysilicon 153 by heat treatment in the range of 600-750 ° C. Polycrystalline silicon is expanded until a compressive stress and strain are applied to the semiconductor islands 141. Alternatively, the polysilicon 153 may be oxidized to form silicon dioxide, which may expand to apply a compressive force to the semiconductor island 141. Instead of successive trenches in the periphery of the semiconductor islands 141, a plurality of separated spaces are formed along the trench paths, or a plurality of short trenches are formed along the periphery of the semiconductor islands 141 to provide compressive stress in the biaxial direction. 141 may be provided.

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 quantum wiring device 156 with a quantum wire 157, which is formed of a semiconductor material such as a material suitable for the substrate 146. An oxide region 158 is formed in the semiconductor layer 150. In FIG. 13, similar reference numerals are used for functional parts corresponding to the apparatus of FIGS. 11 and 12. Electrodes 161 and 162 create ohimic contacts to each end of quantum interconnect 157. The electrode 163 creates an electrical contact in the middle of the quantum wiring 157 or provides a gate electrode on the insulating region 164 that insulates the quantum wiring 157 from the electrode 162.

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 quantum wiring 157 can be formed by using a thin line having a large aspect ratio value. For example, using a 0.45 micron line on 0.2 micrometer thick silicon can produce a narrow sub 500 angstrom line, which then controls oxidation to surround the line. The quantum interconnects can then be designed to have the desired properties depending on the stresses they are formed or programmed.

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 quantum box 170. Similar reference numerals are used in FIG. 14 for functions corresponding to the apparatus of FIGS. 11 and 12. The semiconductor islands 141 may be formed by oxidizing the controlled semiconductor layer 150 around the periphery to form the structure or the semiconductor islands 141 in a 1: 1 characteristic ratio. The peripheral oxide region 167 surrounds the semiconductor island 141.

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 silicon region 119 and silicon layer 114 may be replaced with other semiconductor compounds suitably designated for substrate 146.

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)

반도체 층에서 캐리어(carriers)의 이동도(mobility)를 향상시키는 장치에 있어서,An apparatus for improving the mobility of carriers in a semiconductor layer, ① 절연 기판(an insulating substrate)과,① an insulating substrate, ② 상기 절연 기판상에 위치되는 반도체 층을 포함하고,② comprises a semiconductor layer located on the insulating substrate, 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 형성되며, 이로 인해 상기 반도체 층의 물질을 갖는 합금, 산화물, 침전물 또는 화합물(compound)이 형성되어 상기 제 1 영역은 상기 물질의 초기 용적보다 큰 용적을 갖게 되며, 그 결과 상기 제 2 영역이 압축 응력(compressive stress)을 받게 되어, 가전자대(valence band)의 축퇴(degeneracy)가 제거되고 캐리어의 대역 에지 질량(band edge mass of carriers)이 감소되는The semiconductor layer has first regions that substantially surround a second region, the first region alloying, oxidizing, precipitating, and reacting. formed by a process selected from the group comprising a reacting process, whereby an alloy, oxide, precipitate or compound having a material of the semiconductor layer is formed such that the first region is larger than the initial volume of the material. Resulting in a compressive stress in the second region, thereby eliminating the degeneracy of the valence band and reducing the band edge mass of carriers. felled 캐리어 이동도를 향상시키는 장치.Device for improving carrier mobility. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 영역은 p 채널 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하는 캐리어 이동도를 향상시키는 장치.And said second region further comprises a p-channel field effect transistor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 영역은 n 채널 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하는 캐리어 이동도를 향상시키는 장치.And said second region further comprises an n-channel field effect transistor. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 다수의 제 1 및 제 2 영역을 더 포함하고, 상기 다수의 제 2 영역들중 적어도 하나의 영역에 n 채널 전계 효과 트랜지스터가 형성되는 캐리어 이동도를 향상시키는 장치.Further comprising a plurality of first and second regions, wherein an n-channel field effect transistor is formed in at least one of the plurality of second regions. 제 4 항에 있어서The method of claim 4 CMOS 논리 회로를 구성하기 위해 상기 p 채널 및 n 채널 트랜지스터들중 적어도 하나 사이에 상호접속 배선(interconnect wiring)을 더 포함하는 캐리어 이동도를 향상시키는 장치.And interconnect interconnection between at least one of said p-channel and n-channel transistors to construct a CMOS logic circuit. 양자 배선(a quantum wire)에 있어서,In a quantum wire, ① 절연층과,① insulation layer, ② 두께, 길이 및 폭을 가지며, 상기 절연층상에서 500 옹스트롬(angstroms) 미만의 폭을 갖는 반도체 물질의 라인과,A line of semiconductor material having a thickness, a length and a width and having a width of less than 500 angstroms on the insulating layer; ③ 상기 라인의 폭을 압축하여 대역이 분리됨에 따라 상기 라인의 캐리어의 이동도가 향상되게 하는 물질의 주변 영역(a surrounding region of material)을 포함하는A surrounding region of material that compresses the width of the line to improve the mobility of the carrier of the line as the band is separated 양자 배선.Quantum wiring. 양자 박스(a quantum box)에 있어서,In a quantum box, ① 절연층과,① insulation layer, ② 두께, 길이 및 폭을 가지며, 상기 절연층상에서 상기 길이 및 폭이 500 옹스트롬 미만인 반도체 물질의 섬(an island)과,(2) an island of semiconductor material having a thickness, a length and a width, wherein said length and width are less than 500 angstroms on said insulating layer; ③ 상기 섬의 상기 길이 및 폭을 압축하여, 캐리어의 대역이 분리됨에 따라 상기 섬의 캐리어의 이동도가 향상되게 하는 물질의 주위 영역을 포함하는 양자 박스.(3) a quantum box comprising a perimeter region of material that compresses the length and width of the island to improve the mobility of the carrier of the island as the band of carriers is separated. 캐리어의 대역 분리가 증가되도록 반도체 섬을 형성하는 방법에 있어서,A method of forming a semiconductor island such that band separation of a carrier is increased, ① 절연층을 선택하는 단계와,① selecting an insulating layer, ② 상기 절연층상에 반도체 섬을 형성하는 단계와,(2) forming a semiconductor island on the insulating layer; ③ 상기 반도체 섬 주변에 트렌치(a trench)를 형성하는 단계와,(3) forming a trench around the semiconductor island; ④ 상기 트렌치에 비결정 물질(amorphous material)을 채우는 단계와,④ filling the trench with an amorphous material, ⑤ 상기 비결정 물질을 다결정 물질(crystalline material)로 변환하여, 상기 비결정 물질이 다결정 물질로 확장함에 따라 상기 반도체 섬이 2축 방향의 압축 응력(biaxial compressive stress)을 받게 하는 단계를 포함하는Converting the amorphous material into a crystalline material such that the semiconductor island is subjected to a biaxial compressive stress as the amorphous material expands into a polycrystalline material; 반도체 섬 형성 방법.Semiconductor island formation method. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 다결정 물질을 산화하는 단계를 더 포함하는 반도체 섬 형성 방법.And oxidizing the polycrystalline material.
KR1019970032774A 1997-07-15 1997-07-15 Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator KR100232320B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019970032774A KR100232320B1 (en) 1997-07-15 1997-07-15 Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019970032774A KR100232320B1 (en) 1997-07-15 1997-07-15 Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19990010119A KR19990010119A (en) 1999-02-05
KR100232320B1 true KR100232320B1 (en) 1999-12-01

Family

ID=19514486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019970032774A KR100232320B1 (en) 1997-07-15 1997-07-15 Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100232320B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100760912B1 (en) * 2005-12-29 2007-09-21 동부일렉트로닉스 주식회사 Semiconductor Device and Method for Fabricating The Same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Also Published As

Publication number Publication date
KR19990010119A (en) 1999-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10755985B2 (en) Gate metal patterning for tight pitch applications
KR100724560B1 (en) Semiconductor device having a crystal semiconductor layer, fabricating method thereof and operating method thereof
CN100461430C (en) Semiconductor structure and its forming method
US8890255B2 (en) Structure and method for stress latching in non-planar semiconductor devices
CN101310386B (en) Hybrid substrate technology for high-mobility planar and multiple-gate mosfets
US7781840B2 (en) Semiconductor device structure
US8174095B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US8461653B2 (en) Semiconductor devices including fin shaped semiconductor regions and stress inducing layers
US9711413B2 (en) High performance CMOS device design
US7902005B2 (en) Method for fabricating a fin-shaped semiconductor structure and a fin-shaped semiconductor structure
US20030013305A1 (en) Method of producing semiconductor device and semiconductor substrate
US20090321794A1 (en) Cmos devices incorporating hybrid orientation technology (hot) with embedded connectors
US9899217B2 (en) Method for producing a strained semiconductor on insulator substrate
JP2005510039A (en) Method for forming strained silicon on insulator (SOI) and the structure formed
US11329067B2 (en) Co-integration of bulk and SOI transistors
JP2007329295A (en) Semiconductor, and its manufacturing method
TWI523112B (en) Biaxial strained field effect transistor devices
US7381624B2 (en) Technique for forming a substrate having crystalline semiconductor regions of different characteristics located above a crystalline bulk substrate
US6784515B1 (en) Semiconductor integrated circuit device
JP3676910B2 (en) Semiconductor device and method for forming semiconductor island
KR100232320B1 (en) Enhanced mobility p-channel structure in silicon on insulator
US6563131B1 (en) Method and structure of a dual/wrap-around gate field effect transistor
US20230065970A1 (en) Strain generation and anchoring in gate-all-around field effect transistors
US20230329008A1 (en) Strained transistors and phase change memory
KR100738458B1 (en) Semiconductor, Method of fabricating the same and apparatus for fabricating the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20020715

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee