KR101208969B1 - Single electron transistor with extended channel using work-function difference and fabrication method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단전자 트랜지스터 및 그 공정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리세스된(recessed) 채널을 갖도록 함으로써, 누설전류로 작용하는 MOSFET 성분 전류를 최대한 줄이면서, 양자점에 영향을 미치는 컨트롤 게이트의 커패시턴스 값이 최소가 되도록 하여 동작온도를 높일 수 있는 함은 물론, 상기 리세스된 채널과 일함수 차이가 나는 물질을 양측 사이드 게이트로 형성함으로써, 종래와 같은 바이어스 인가 없이도 일함수 차이로 채널에 터널링 장벽이 형성되도록 한 일함수 차이를 이용한 확장된 리세스 채널을 갖는 단전자 트랜지스터 및 그 공정방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single-electron transistor and a process method thereof, and more particularly, to have a recessed channel, thereby minimizing the MOSFET component current acting as a leakage current and controlling the quantum dot. The operating temperature can be increased by minimizing the capacitance value, and both side gates are formed of a material having a work function difference from the recessed channel, thereby tunneling the channel with a work function difference without applying a conventional bias. The present invention relates to a single-electron transistor having an extended recess channel using a work function difference that allows a barrier to be formed, and a process method thereof.
Description
본 발명은 단전자 트랜지스터 및 그 공정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리세스된(recessed) 채널을 갖도록 함으로써, 누설전류로 작용하는 MOSFET 성분 전류를 최대한 줄이면서, 양자점에 영향을 미치는 컨트롤 게이트의 커패시턴스 값이 최소가 되도록 하여 동작온도를 높일 수 있는 함은 물론, 상기 리세스된 채널과 일함수 차이가 나는 물질을 양측 사이드 게이트로 형성함으로써, 종래와 같은 바이어스 인가 없이도 일함수 차이로 채널에 터널링 장벽이 형성되도록 한 일함수 차이를 이용한 확장된 리세스 채널을 갖는 단전자 트랜지스터 및 그 공정방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
단전자 트랜지스터는 기본적으로, 도 1a와 같이, 소스/드레인, 양자점(QD: Quantum Dot), 소스/드레인과 양자점 사이에 형성되는 터널링 장벽 2개, 그리고 양자점의 전위를 독립적으로 조절하기 위한 게이트로 구성된다.The single-electron transistor is basically a source / drain, a quantum dot (QD), two tunneling barriers formed between the source / drain and the quantum dot, and a gate for independently controlling the potential of the quantum dot, as shown in FIG. 1A. It is composed.
이와 같은 구성으로, 도 1b와 같은, 단전자 트랜지스터의 특성을 얻기 위해서는 다음 두 가지 조건을 만족하여야 한다.With this configuration, the following two conditions must be satisfied to obtain the characteristics of the single-electron transistor, as shown in FIG. 1B.
첫째는, 양자점의 크기가 충분히 작아서 양자점에서의 커패시턴스 C가 다음 수식 1의 조건을 만족하여야 한다.First, the size of the quantum dot is small enough that the capacitance C in the quantum dot must satisfy the condition of the following equation (1).
[수식 1][Equation 1]
q2/C ? kBT q 2 / C? k B T
수식 1에서 q2/C는 전자 1개가 양자점에 들어가는데 필요한 충전 에너지(charging energy)이고, kBT 는 온도 T에서의 열적 에너지(thermal energy)이다.In
둘째는, 소스/드레인과 양자점 사이가 약하게 coupling 되도록 하여 양자간의 터널링 저항 RT는 수식 2와 같이 최저 터널링 저항 RT,min 보다 크도록 해야한다.Second, it is necessary to make the coupling between the source / drain and the quantum dot weakly so that the tunneling resistance R T between the two is larger than the lowest tunneling resistance R T, min as in
[수식 2][Equation 2]
RT ? h/q2 (= RT,min )R T ? h / q 2 (= R T, min )
상기 두 조건을 만족시킬 수 있는 단전자 트랜지스터의 공정방법들이 다양하게 연구되고 있는데, 그 중에 양자점을 형성하는 터널링 장벽을 전기적으로 유도하고, 이를 소자의 구조 파라미터로 제어할 수 있는 사이드 게이트(혹은 듀얼 게이트: dual gate) 구조를 갖는 단전자 트랜지스터가 보다 많은 관심을 모으고 있다.Process methods of single-electron transistors capable of satisfying the above two conditions have been studied in various ways. Among them, a side gate (or dual) which electrically induces a tunneling barrier forming a quantum dot and can be controlled by a structural parameter of the device. Single-electron transistors with dual gate structures have attracted more attention.
그러나, 지금까지 연구되어온 사이드 게이트 단전자 트랜지스터는 컨트롤 게이트와 사이드 게이트, 사이드 게이트와 소스/드레인 영역 사이의 정열 문제 등으로 비 이상적인 특성들이 나타나 실용화되기 어려운 문제점이 있었다.However, the side gate single-electron transistor that has been studied so far has a problem that it is difficult to put practical use due to the non-ideal characteristics due to the alignment problem between the control gate and the side gate, the side gate and the source / drain region.
예를 들어, 도 2a에 도시된 종래 사이드 게이트 단전자 트랜지스터는 기생적인 MOSFET 성분들에 의하여 비 이상적인 전기적 특성들을 갖게 된다.For example, the conventional side gate single electron transistor shown in FIG. 2A has non-ideal electrical characteristics due to parasitic MOSFET components.
즉, 도 2a의 ① 및 ③ 부분과 같이, 소스/드레인 영역이 터널링 장벽과 바로 인접하게 있지 않고 일정 거리 떨어져(underlap) 있게 되어 상부에 있는 ONO층(TEOS/Si3N4/TEOS) 및 컨트롤 게이트에 의하여 발생하는 직렬 MOSFET 성분과, 도 2a의 ② 부분과 같이, 컨트롤 게이트가 전기적 장벽을 형성하는 사이드 게이트(측벽 게이트) 위를 덮고 있기 때문에 발생하는 병렬 MOSFET 성분에 의하여, 낮은 컨트롤 게이트 전압에서는 전류가 완전히 차단되고, 컨트롤 게이트 전압이 증가함에 따라 전기적인 장벽의 높이가 줄어들면서 피크(peak) 전류와 밸리(valley) 전류 사이의 차이(Peak-to-Valley-Current-Ratio; PVCR)가 줄어들어 단전자 전류는 줄어들고 MOSFET 전류(단전자 트랜지스터에선 누설전류로 작용함)는 증가하게 되는 문제점이 발생한다(도 2b 참조).That is, as shown in the ① and ③ portions of FIG. 2A, the source / drain regions are not immediately adjacent to the tunneling barrier but underlap a certain distance, so that the ONO layer (TEOS / Si 3 N 4 / TEOS) and the control on top are located. Due to the series MOSFET component generated by the gate and the parallel MOSFET component generated because the control gate covers the side gate (side wall gate) forming an electrical barrier, as shown in
도 2b는 종래 사이드 게이트 단전자 트랜지스터에서 측벽 게이트에 의하여 고정되어야 할 포텐셜 장벽의 높이가 컨트롤 게이트의 전압에 의하여 변하고 있음을 보여주는 시뮬레이션 결과 도면이다.FIG. 2B is a simulation result diagram showing that the height of the potential barrier to be fixed by the sidewall gate in the conventional side gate single-electron transistor is changed by the voltage of the control gate.
또한, 종래 사이드 게이트 단전자 트랜지스터는 도 2c에서 보여지는 바와 같이 단전자 터널링 현상이 있더라도 극저온에서만 관측되어 상용화하는데 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.In addition, the conventional side gate single-electron transistor is the largest obstacle to commercialization is observed only at cryogenic temperatures even if there is a single-electron tunneling phenomenon, as shown in FIG.
상기와 같은 문제점을 해결하고자 도 3의 구조를 갖는 단전자 트랜지스터를 제안하고 동일 출원인에 의하여 대한민국 특허출원 제10-2006-0135357호(자기 정렬된 듀얼게이트 단전자 트랜지스터 및 그 제조방법)가 출원된 바 있다.In order to solve the above problems, a single electron transistor having the structure of FIG. 3 is proposed, and Korean Patent Application No. 10-2006-0135357 (self-aligned dual gate single electron transistor and a method of manufacturing the same) has been filed by the same applicant. There is a bar.
도 3에서 110은 매몰 산화막(BOX), 122a는 소스 영역, 124b는 드레인 영역, 126은 채널 영역, 140b는 컨트롤 게이트, 170은 측벽 게이트 절연막, 180a 및 180b는 측벽 게이트(사이드 게이트), 그리고 190a 및 190b는 절연막 측벽 스페이서이다.In FIG. 3, 110 is a buried oxide film (BOX), 122a is a source region, 124b is a drain region, 126 is a channel region, 140b is a control gate, 170 is a sidewall gate insulating film, 180a and 180b is a sidewall gate (side gate), and 190a And 190b are insulating film sidewall spacers.
그러나, 상기 특허출원은 평면 채널 구조를 갖는 단전자 트랜지스터이어서, 누설전류로 작용하는 MOSFET 성분 전류를 줄이는데 일정한 한계가 있을 수밖에 없는 문제점이 있다.However, since the patent application is a single-electron transistor having a planar channel structure, there is a problem that there is a certain limit in reducing the MOSFET component current acting as a leakage current.
또한, 종래 사이드 게이트 단전자 트랜지스터는 사이드 게이트에 별도 바이어스를 인가하여 전기적으로 터널링 장벽을 형성하는 것이어서, 양자점과 사이드 게이트 간에 커플링(coupling)이 증가하여 양자점의 커패시턴스를 증가시키는 문제점이 있고, 사이드 게이트에 바이어스를 가하기 위한 추가 접속 단자가 필요하게 되어 회로 응용적 측면에서 복잡성을 요구하게 되는 문제점, 그리고 사이드 게이트에 인가해 준 바이어스 때문에 양자점 양측으로 기생(parasitic) MOSFET 들이 형성되는 문제점 및 사이드 게이트에 가해주는 바이어스의 증가에 따라 MOSFET 성분 전류도 증가되는 문제점 등이 있다.In addition, the conventional side gate single-electron transistor is to form a tunneling barrier electrically by applying a separate bias to the side gate, there is a problem that increases the coupling (coupling) between the quantum dot and the side gate to increase the capacitance of the quantum dot, side The need for additional connection terminals for biasing the gate requires complexity in terms of circuit applications, and the parasitic MOSFETs are formed on both sides of the quantum dots due to the bias applied to the side gate and the side gate. As the bias increases, the MOSFET component current also increases.
따라서, 본 발명은 리세스된 채널을 갖도록 하고, 아울러 채널 영역과 일함수 차이가 나는 물질을 사이드 게이트로 형성함으로써, 종래 사이드 게이트 단전자 트랜지스터가 가지고 있던 문제점들을 근본적으로 해결하고, 양자점에 영향을 미치는 컨트롤 게이트의 커패시턴스 값이 최소가 되도록 하여 동작온도도 높일 수 있는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터 및 그 공정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention fundamentally solves the problems of the conventional side gate single-electron transistor by forming a side gate having a recessed channel and a material having a work function difference from the channel region, thereby affecting the quantum dot. It is an object of the present invention to provide a single-electron transistor having an extended channel using a work function difference that can increase the operating temperature by minimizing the capacitance value of the control gate.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터는 SOI 기판의 매몰산화막 상에 리세스된 채널영역을 갖도록 수직하게 파여진 실리콘층과; 상기 채널영역 상에 형성된 제 1 게이트 절연막과; 상기 제 1 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 채널영역의 양측 모서리 면상에 채널방향으로 일정거리 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 사이드 게이트와; 상기 각 사이드 게이트에 제 2 게이트 절연막를 사이에 두고 상기 매몰산화막 상에 형성된 컨트롤 게이트를 포함하여 구성되되, 상기 제 1 및 제 2 사이드 게이트는 상기 리세스된 채널영역과 일함수 차이가 나는 물질로 형성되고, 상기 사이드 게이트 사이 채널영역 상의 상기 제 1 게이트 절연막 상에도 상기 제 2 게이트 절연막이 형성되고, 상기 사이드 게이트 사이 채널영역 상의 상기 제 2 게이트 절연막의 양 측벽에 제 3 게이트 절연막이 더 형성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the single-electron transistor having an extended channel using a work function difference according to the present invention comprises a silicon layer vertically dug to have a channel region recessed on the buried oxide film of the SOI substrate; A first gate insulating film formed on the channel region; First and second side gates spaced at a predetermined distance in a channel direction from both edge surfaces of the channel region with the first gate insulating layer interposed therebetween; And a control gate formed on the buried oxide layer with a second gate insulating layer interposed therebetween, wherein the first and second side gates are formed of a material having a work function difference from the recessed channel region. And the second gate insulating film is formed on the first gate insulating film on the channel region between the side gates, and the third gate insulating film is further formed on both sidewalls of the second gate insulating film on the channel region between the side gates. It is done.
또한, 본 발명에 따른 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법은 SOI 기판 상에 식각률이 서로 다른 하나 이상의 하드 마스크용 물질층을 증착하고, 상기 하드 마스크용 물질층 상부에 제 1 절연성 물질 도포후 미세 패턴을 형성하는 제 1 단계와; 상기 기판 전면에 감광막을 도포후 식각공정을 통하여 소스/드레인 및 핀 형상의 채널 형성을 위한 믹스엔매치(mix and match) 패턴을 형성하는 제 2 단계와; 상기 믹스엔매치 패턴을 마스크로 상기 하드 마스크용 물질층을 식각하여 하드 마스크를 형성하고, 상기 하드 마스크로 상기 SOI 기판의 실리콘층을 식각하여 소스/드레인 패드 및 핀 형상의 채널영역을 형성하는 제 3 단계와; 상기 기판 전면에 필드산화막을 증착하고 평탄화시키는 제 4 단계와; 상기 평탄화된 기판 전면에 제 2 절연성 물질을 증착하고, 상기 제 2 절연성 물질 상에 제 2의 감광막을 도포후 식각공정을 통하여 리세스 채널 형성을 위한 제 2의 감광막 패턴을 형성하는 제 5 단계와; 상기 제 2의 감광막 패턴을 마스크로 상기 제 2 절연성 물질 및 상기 필드산화막을 순차 식각하여 상기 핀 형상의 채널영역을 드러내는 제 6 단계와; 상기 제 2의 감광막 패턴을 마스크로 상기 핀 형상의 채널영역을 식각하여 리세스된 채널영역을 형성하는 제 7 단계와; 상기 제 2의 감광막 패턴을 제거하고, 열산화공정으로 상기 리세스된 채널영역 상에 제 1 게이트 절연막을 형성하는 제 8 단계와; 상기 기판 전면에 상기 리세스된 채널영역과 일함수 차이가 나는 측벽 게이트 물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 리세스된 채널영역 양 측벽에 제 1, 2 측벽 게이트를 형성하는 제 9 단계와; 상기 각 측벽 게이트 상에 제 2 게이트 절연막을 형성하는 제 10 단계와; 상기 기판 전면에 컨트롤 게이트 물질을 증착하고 평탄화시켜 상기 제 2 절연성 물질이 드러나게 한 다음, 상기 드러난 제 2 절연성 물질을 제거하여 컨트롤 게이트를 형성하는 제 11 단계와; 상기 기판 전면에 불순물 이온주입을 통하여 상기 컨트롤 게이트에 이웃한 상기 핀 형상의 채널영역 및 상기 소스/드레인 패드에 상기 제 1, 2 측벽 게이트의 상부와 일부 겹치도록 낮은 접합을 갖는 제 1 도핑층을 각각 형성하는 제 12 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the process of the single-electron transistor having an extended channel using the work function difference according to the present invention is deposited on at least one hard mask material layer having a different etching rate on the SOI substrate, and on top of the material layer for the hard mask Forming a fine pattern after applying the first insulating material; A second step of forming a mix and match pattern for forming a source / drain and fin-shaped channel through an etching process after coating the photoresist on the entire surface of the substrate; A hard mask is formed by etching the hard mask material layer using the mix-and-match pattern as a mask, and a source / drain pad and a fin-shaped channel region are formed by etching the silicon layer of the SOI substrate using the hard mask. With three steps; Depositing and planarizing a field oxide film over the entire surface of the substrate; Depositing a second insulating material on the entire surface of the planarized substrate, applying a second photosensitive film on the second insulating material, and forming a second photoresist pattern for forming a recess channel through an etching process; ; A sixth step of sequentially etching the second insulating material and the field oxide film using the second photoresist pattern as a mask to expose the fin-shaped channel region; A seventh step of forming a recessed channel region by etching the fin-shaped channel region by using the second photoresist pattern as a mask; An eighth step of removing the second photoresist pattern and forming a first gate insulating film on the recessed channel region by a thermal oxidation process; Depositing sidewall gate material having a work function difference from the recessed channel region over the substrate, and anisotropically etching to form first and second sidewall gates on both sidewalls of the recessed channel region; A tenth step of forming a second gate insulating film on each sidewall gate; An eleventh step of depositing and planarizing a control gate material over the substrate to expose the second insulating material, and then removing the exposed second insulating material to form a control gate; A first doped layer having a low junction to partially overlap an upper portion of the first and second sidewall gates in the fin-shaped channel region and the source / drain pad adjacent to the control gate through impurity ion implantation on the entire surface of the substrate; Characterized in that it comprises a twelfth step of forming each.
본 발명은 리세스된 채널을 갖도록 하고, 아울러 채널 영역과 일함수 차이가 나는 물질을 사이드 게이트로 형성함으로써, 채널 길이 방향으로 터널링 장벽이 자연스럽게 형성하게 되어 종래 바이어스 인가를 위해 추가 접속 단자가 필요함에 따른 회로의 복잡성을 근본적으로 제거하게 되었음은 물론, 채널길이를 길게 확장하여 누설전류로 작용하는 MOSFET 전류를 획기적으로 줄일 수 있게 되었고, 열산화공정과 측벽공정에 의하여 양자점이 형성되는 실리콘 핀의 폭 및 길이를 얼마든지 줄일 수 있고, 제 1 게이트 절연막, 제 2 게이트 절연막 및/또는 제 3 게이트 절연막에 의하여 컨트롤 게이트와의 거리를 얼마든지 크게 할 수 있게 됨에 따라, 양자점에 영향을 미치는 컨트롤 게이트의 커패시턴스 값을 최소로 하여 동작온도를 높일 수 있는 있는 효과가 있다.The present invention provides a recessed channel, and by forming a side gate of a material having a work function difference from the channel region, the tunneling barrier is naturally formed in the channel length direction, so that an additional connection terminal is required for conventional bias application. In addition to eliminating the complexity of the circuit, the channel length can be extended to significantly reduce the MOSFET current acting as a leakage current, and the width of the silicon fin where the quantum dots are formed by thermal oxidation and sidewall processes. And the length can be reduced, and the distance to the control gate can be increased by the first gate insulating film, the second gate insulating film, and / or the third gate insulating film. The effect of increasing the operating temperature by minimizing the capacitance value have.
도 1a 및 도 1b는 각각 단전자 트랜지스터의 기본 구조도와 이상적인 동작 특성도이다.
도 2a는 종래 사이드 게이트 단전자 트랜지스터의 구조 단면도이다.
도 2b는 도 2a에서 측벽 게이트에 의하여 고정되어야 할 포텐셜 장벽의 높이가 컨트롤 게이트의 전압에 의하여 변하고 있음을 보여주는 시뮬레이션 결과 도면이다.
도 3은 도 2a의 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 대한민국 특허출원 제10-2006-0135357호의 구조 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 단전자 트랜지스터의 일함수 차이에 따라 터널링 장벽이 형성되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 5는 도 4의 결과를 대비하고자 종래 사이드 게이트에 바이어스를 인가하여 터널링 장벽이 형성되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 6은 본 발명에 의한 단전자 트랜지스터를 n형 컨트롤 게이트 및 p형 사이드 게이트로 형성시 Vsg=0 V 상태에서 컨트롤 게이트의 바이어스에 따라 터널링 장벽이 형성되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 7은 도 6의 결과를 대비하고자 종래 사이드 게이트에 바이어스를 인가한 상태에서(Vsg= -1 V) 컨트롤 게이트의 바이어스에 따라 터널링 장벽이 형성되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 8은 본 발명에 의한 단전자 트랜지스터를 n형 실리콘 기판, p형 소스/드레인, p형 컨트롤 게이트 및 n형 사이드 게이트로 형성시(SHT) Vsg=0 V 상태에서 컨트롤 게이트의 바이어스에 따라 터널링 장벽이 형성되는 모습을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 9는 본 발명에 의한 단전자 트랜지스터의 전기적 특성을 파악하기 위해 사용된 시뮬레이션 구조 및 파라미터를 보여주는 단면도이다.
도 10 내지 도 35는 본 발명에 따른 단전자 트랜지스터의 제조 공정 사시도이다.
도 36 및 도 37은 각각 도 35의 AA선 및 BB선을 따라 절단된 단면도이다.1A and 1B are basic structural diagrams and ideal operating characteristics diagrams of single-electron transistors, respectively.
2A is a structural cross-sectional view of a conventional side gate single electron transistor.
FIG. 2B is a simulation result diagram showing that the height of the potential barrier to be fixed by the sidewall gate in FIG. 2A is changed by the voltage of the control gate.
3 is a structural cross-sectional view of Korean Patent Application No. 10-2006-0135357 for solving the problems of the structure of FIG.
FIG. 4 is a simulation result diagram showing a tunneling barrier formed according to a work function difference of a single-electron transistor according to the present invention.
FIG. 5 is a simulation result diagram illustrating a tunneling barrier formed by applying a bias to a conventional side gate to prepare a result of FIG. 4.
FIG. 6 is a simulation result diagram illustrating a tunneling barrier formed according to a bias of a control gate in a state of Vsg = 0 V when the single-electron transistor according to the present invention is formed of an n-type control gate and a p-type side gate.
FIG. 7 is a simulation result diagram illustrating a tunneling barrier formed according to a bias of a control gate in a state where a bias is applied to a conventional side gate (Vsg = −1 V) in order to prepare the result of FIG. 6.
FIG. 8 illustrates tunneling according to the bias of the control gate in the state of Vsg = 0 V when the single-electron transistor according to the present invention is formed of an n-type silicon substrate, a p-type source / drain, a p-type control gate and an n-type side gate (SHT). The simulation results show how the barrier is formed.
9 is a cross-sectional view showing a simulation structure and parameters used to grasp the electrical characteristics of the single-electron transistor according to the present invention.
10 to 35 are perspective views illustrating a manufacturing process of a single electron transistor according to the present invention.
36 and 37 are cross-sectional views taken along lines AA and BB of FIG. 35, respectively.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
[구조에 관한 실시예][Example of Structure]
본 발명에 의한 구조는 기본적으로, 도 35, 도 36 및 도 37과 같이, SOI 기판의 서브 실리콘층(1) 위의 매몰산화막(2) 상에 리세스된 채널영역(19)을 갖도록 수직하게 파여진 액티브 실리콘층(14, 14a, 16, 18a, 18b)과; 상기 채널영역 상에 형성된 제 1 게이트 절연막(80)과; 상기 제 1 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 채널영역의 양측 모서리 면상에 채널방향으로 일정거리 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 사이드 게이트(92)와; 상기 각 사이드 게이트에 제 2 게이트 절연막(82)을 사이에 두고 상기 매몰산화막 상에 형성된 컨트롤 게이트(66a)를 포함하여 구성되되, 상기 제 1 및 제 2 사이드 게이트(92)는 상기 리세스된 채널영역(19)과 일함수 차이가 나는 물질로 형성된다.The structure according to the present invention is basically perpendicular to the
여기서, 상기 액티브 실리콘층은, 도 24에서 도면부호 14와 같이, 리세스된 채널영역을 사이에 두고, 양측에 소스/드레인이 형성되며, 도 36과 같이, 상기 소스/드레인(18a)(18b)은 상기 수직한 핀 양측에 형성된 shallow doping 영역(16)으로 연결된다.Here, in the active silicon layer, as shown by
상기와 같은 구성을 함으로써, 채널 길이는 도 36의 도면부호 19와 같이, 종래 평면형 구조보다 현저히 증가시킬 수 있게 되어 사이드 게이트(92)에 의하여 전위 장벽을 형성하기 용이함은 물론 단전자트랜지스터에서 누설전류로 작용하는 MOSFET 전류 성분을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. By the above configuration, the channel length can be significantly increased as compared with the conventional planar structure, as shown by
또한, 컨트롤 게이트(66a) 양측에 리세스된 채널영역(19)과 일함수 차이가 나는 물질로 형성된 상기 제 1 및 제 2 사이드 게이트(92)에 의하여 채널 길이 방향으로 형성되는 터널링 장벽을 보다 확실하게 형성할 수 있게 되어, 종래와 같이 터널링 장벽을 형성하기 위하여 사이드 게이트에 바이어스를 인가할 필요가 없게 됨에 따라 회로의 복잡성을 대폭 줄이면서 바이어스 인가에 따라 발생되었던 MOSFET 전류 성분도 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. In addition, the tunneling barrier formed in the channel length direction by the first and
상기 후자의 장점을 갖기 위하여 보다 구체적으로, 상기 SOI 기판의 액티브 실리콘층(14, 14a, 16, 18a, 18b)은 p형으로, 상기 소스/드레인(18a)(18b)은 n형 불순물 도핑층으로, 상기 컨트롤 게이트(66a)는 n형으로 도핑된 실리콘계 물질(예컨대, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 등, 이하 동일)으로, 상기 제 1 및 제 2 사이드 게이트(92)는 상기 리세스된 채널영역(19)(즉, 소스/드레인 형성시 이온주입되지 않은 p형 액티브 실리콘층)과 일함수 차이가 나는 물질로 하여, 전자를 캐리어로 하는 SET(Single Electron Transistor)를 구현할 수 있다.More specifically, the active silicon layers 14, 14a, 16, 18a, and 18b of the SOI substrate may be p-type, and the source /
여기서, 상기 리세스된 채널영역(19)과 일함수 차이가 나는 물질은 금속, 금속실리사이드 및 p형으로 도핑된 실리콘계 물질 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 반드시 제한되지는 아니한다. 즉, 상기 리세스된 채널영역(19)과 일함수 차이가 나는 물질은 어느 것이나 이용될 수 있다.Here, the material having a work function difference from the recessed
한편, 상기 각 구성의 타입을 바꾸어 즉, 상기 SOI 기판의 액티브 실리콘층(14, 14a, 16, 18a, 18b)은 n형으로, 상기 소스/드레인(18a)(18b)은 p형 불순물 도핑층으로, 상기 컨트롤 게이트(66a)는 p형으로 도핑된 실리콘계 물질로, 상기 제 1 및 제 2 사이드 게이트(92)는 상기 리세스된 채널영역(19)(즉, 소스/드레인 형성시 이온주입되지 않은 n형 액티브 실리콘층)과 일함수 차이가 나는 물질로 하여, 홀을 캐리어로 하는 SHT(Single Hole Transistor)를 구현할 수도 있다.On the other hand, the type of each configuration is changed, that is, the active silicon layers 14, 14a, 16, 18a, and 18b of the SOI substrate are n-type, and the source /
여기서도, 상기 리세스된 채널영역(19)과 일함수 차이가 나는 물질은 금속, 금속실리사이드 및 n형으로 도핑된 실리콘계 물질 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 반드시 제한되지는 아니한다. 즉, 상기 리세스된 채널영역(19)과 일함수 차이가 나는 물질은 어느 것이나 이용될 수 있다.Here, the material having a work function difference from the recessed
상기 금속실리사이드는 TiSi2, IrSi3, Ni2Si 및 Pt2Si 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The metal silicide may be any one selected from TiSi 2 , IrSi 3 , Ni 2 Si, and Pt 2 Si.
상기 각 금속실리사이드의 일함수 차이에 따라 터널링 장벽의 높이가 서로 다르게 형성될 수 있음이, 도 4을 통해 알 수 있다. 도 4는 도 9의 구조에서 시뮬레이션 파라미터로 Lcg=10nm, Lsg=20nm, tCOX=10nm, tSOX=5nm 한 다음, SILVACO tools를 이용하여 시뮬레이션한 결과이다. 도 4에서 W=4.53eV는 TiSi2, W=4.68eV는 IrSi3, W=4.96eV는 Ni2Si, W=5.17eV는 Pt2Si의 일함수를 각각 나타낸다.It can be seen from FIG. 4 that the height of the tunneling barrier may be formed differently according to the work function difference of each metal silicide. FIG. 4 shows the simulation results using SILVACO tools after Lcg = 10nm, Lsg = 20nm, t COX = 10nm, t SOX = 5nm as the simulation parameters in the structure of FIG. 9. In FIG. 4, W = 4.53eV represents TiSi 2 , W = 4.68eV represents IrSi 3 , W = 4.96eV represents Ni 2 Si, and W = 5.17eV represents Pt 2 Si.
도 4로부터 사이드 게이트에 아무런 바이어스를 가하지 않았음에도, 채널영역과 일함수 차이가 나는 물질로 사이드 게이트를 형성하게 되면, 그 일함수 차이에 따라 터널링 장벽의 높이가 서로 다르게 형성될 수 있음을 알 수 있다. 이는 도 5와 같이 종래 사이드 게이트에 바이어스를 인가한 상태에서 컨트롤 게이트의 인가 전압에 따른 터널링 장벽 모습과 유사함을 알 수 있다.Although no bias is applied to the side gate from FIG. 4, when the side gate is formed of a material having a work function difference from the channel region, the height of the tunneling barrier may be formed differently according to the work function difference. have. This can be seen that similar to the tunneling barrier appearance according to the voltage applied to the control gate in a state where a bias is applied to the conventional side gate as shown in FIG.
특히, 본 실시예에 의한 단전자 트랜지스터의 터널링 장벽 높이는 컨트롤 게이트와 이의 양측에 형성된 사이드 게이트가 각각 n형 폴리 실리콘, p형 폴리 실리콘으로 형성되었을때, 가장 큰 일함수 차이가 생성되어, 도 6의 시뮬레이션 결과와 같은 터널링 장벽이 형성됨을 알 수 있었다.In particular, the tunneling barrier height of the single-electron transistor according to the present embodiment has the largest work function difference when the control gate and the side gates formed on both sides thereof are formed of n-type polysilicon and p-type polysilicon, respectively. It can be seen that the tunneling barrier is formed as the simulation result of.
도 6은 본 실시예에 의한 단전자 트랜지스터로 Vsg=0 V 상태에서 컨트롤 게이트의 바이어스에 따라 터널링 장벽이 형성되는 모습을 보여주는데, 이에 의하면 컨트롤 게이트의 바이어스를 1V 이상의 차이를 두고 인가할 수 있으므로, 상온 동작도 충분히 가능함을 알 수 있다.FIG. 6 shows a tunneling barrier formed according to the bias of the control gate in the state of Vsg = 0 V with the single-electron transistor according to the present embodiment. As a result, the bias of the control gate can be applied with a difference of 1V or more. It can be seen that room temperature operation is sufficiently possible.
그리고, 도 6의 결과는 종래 사이드 게이트에 바이어스를 인가한 상태에서(Vsg= -1 V) 컨트롤 게이트의 바이어스에 따라 터널링 장벽이 형성되는 모습을 보여주는 도 7과 거의 동일한 프로파일을 보여준다.6 shows a profile almost identical to that of FIG. 7 showing a tunneling barrier formed according to the bias of the control gate while the bias is applied to the conventional side gate (Vsg = -1 V).
본 실시예에 의한 SET(Single Electron Transistor) 구성에서 각 구성의 타입을 바꾸게 되면, 전술한 바와 같이, 홀을 캐리어로 하는 SHT(Single Hole Transistor)도 구현할 수 있다. When the type of each configuration is changed in the configuration of a single electron transistor (SET) configuration according to the present embodiment, as described above, a single hole transistor (SHT) having a hole as a carrier may also be implemented.
이에 대한 시뮬레이션 결과도 도 8과 같다. 즉, 도 8은 본 실시예에 의한 단전자 트랜지스터를 n형 기판, p형 소스/드레인, p형 컨트롤 게이트 및 n형 사이드 게이트로 하여 SHT(Single Hole Transistor)로 형성시 Vsg=0 V 상태에서 컨트롤 게이트의 바이어스에 따라 터널링 장벽이 형성되는 모습을 얻은 것이다.Simulation results thereof are also shown in FIG. 8. That is, FIG. 8 shows the single-electron transistor according to the present embodiment when the single-electron transistor is formed as a single hole transistor (SHT) using an n-type substrate, a p-type source / drain, a p-type control gate, and an n-type side gate. The tunneling barrier is formed by the bias of the control gate.
한편, 도 27에서 사이드 게이트(92) 상에 제 2 게이트 절연막(82)을 형성시킬때, 상기 사이드 게이트(92) 사이에 위치한 채널영역 상의 제 1 게이트 절연막(80) 상에도 제 2 게이트 절연막(82a)을 형성시켜 채널영역에 형성되는 양자점과 컨트롤 게이트(66a)와의 거리가 크게 되도록 함이 바람직하다.Meanwhile, when the second
더욱 바람직하게, 도 28과 같이, 사이드 게이트(92) 사이의 채널영역 상의 제 2 게이트 절연막(82a)의 양 측벽에 제 3 게이트 절연막(84)이 더 형성되도록 하여 상기 사이드 게이트(92) 사이에 위치한 채널영역을 감싸며 형성되는 컨트롤 게이트(66a)와의 거리를 더 크게 할 수 있다.More preferably, as shown in FIG. 28, the third
그리고, 상기 리세스된 채널영역 양측은, 도 24와 같이, 필드산화막(64)으로 둘러싸이고, 도 26과 같이, 상기 각 사이드 게이트은 채널영역의 양측 모서리 면상 및 필드산화막(64)과 매몰산화막(2)이 이루는 양측 모서리 면상에 측벽 게이트(92)로 형성된다.In addition, both sides of the recessed channel region are surrounded by the
첨부된 도면에서 측벽 게이트(92) 사이의 채널영역이 길게 도시되었으나, 이는 각 구조를 보여주기 위해 편의상 도시된 것으로, 실제 소자 구조에서는 최소한으로 작게하여 컨트롤 게이트(66a)와 접하는 부분이 최대한 작게된다. 이는 상기 측벽 게이트(92)의 폭을 조절하면 컨트롤 게이트(66a)와 접하는 채널영역을 얼마든지 작게 할 수 있다.In the accompanying drawings, the channel region between the
상기와 같은 구성으로, 양자점에 영향을 미치는 컨트롤 게이트(66a)의 커패시턴스 값을 최소로 하여 단전자트랜지스터의 동작온도도 높일 수 있게 된다.
With the above configuration, the operating temperature of the single-electron transistor can be increased by minimizing the capacitance value of the
[공정방법에 관한 실시예]EXAMPLES ABOUT PROCESS METHOD
상기 구조에 관한 실시예에 따른 단전자 트랜지스터를 제조하는 방법에 대하여, 도 10 내지 도 37을 참조하며 설명한다.A method of manufacturing a single electron transistor according to an embodiment of the above structure will be described with reference to FIGS. 10 to 37.
우선, 도 10 및 도 11과 같이, SOI 기판의 실리콘층(10) 상에 식각률이 서로 다른 하나 이상의 하드 마스크용 물질층(20, 30)을 증착하고, 상기 하드 마스크용 물질층 상부에 제 1 절연성 물질(40) 도포 후 미세 패턴(42)을 형성한다(제 1 단계).First, as shown in FIGS. 10 and 11, one or more hard mask material layers 20 and 30 having different etching rates are deposited on the
여기서, 상기 하드 마스크용 물질층은, 도 10과 같이, 산화막층(20) 및 실리콘계 물질층(예컨대, 다결정 실리콘층 또는 비정질 실리콘층; 30)을 순차적으로 증착된 것이 바람직하다.Here, as shown in FIG. 10, the hard mask material layer may be formed by sequentially depositing an
그리고, 상기 제 1 절연성 물질(40)은 미세 패턴이 가능한 e-beam용 음성 감광막(negative PR)으로 HSQ이 바람직하나, 양성 감광막인 ZEP도 가능하다.In addition, the first insulating
전자를 사용할 경우, 도 10과 같이, e-beam에 노출된 부분만 남아, 도 11과 같이, 미세 패턴(42)을 형성할 수 있다.When using the electron, as shown in FIG. 10, only the portion exposed to the e-beam remains, and as illustrated in FIG. 11, the
다음, 도 12 및 도 13과 같이, 상기 기판 전면에 감광막(50)을 도포 후 공지의 사진식각공정을 통하여 소스/드레인 및 핀 형상의 채널 형성을 위한 믹스엔매치(mix and match) 패턴(42, 52)을 형성한다(제 2 단계).Next, as shown in FIGS. 12 and 13, after the
이어, 도 14 내지 도 16과 같이, 상기 믹스엔매치 패턴(42, 52)을 마스크로 상기 하드 마스크용 물질층(20, 30)을 식각하여 하드 마스크(22, 32)를 형성하고, 상기 하드 마스크로 상기 SOI 기판의 실리콘층(10)을 식각하여, 도 16의 도면번호 18과 같이, 소스/드레인 패드 및 핀 형상의 채널영역을 형성한다(제 3 단계).14 to 16, the hard mask material layers 20 and 30 are etched using the mix and match
여기서, 상기 하드 마스크용 물질층이, 도 10과 같이, 산화막층(20) 및 실리콘계 물질층(30)으로 순차 증착된 것일 경우, 상기 제 3 단계의 상기 하드 마스크용 물질층 식각은, 도 14 및 도 15와 같이, 상기 실리콘계 물질층(30) 및 상기 산화막층(20)이 순차 식각되고, 도 16과 같이, 상기 믹스엔매치 패턴으로 식각된 상기 산화막층을 하드 마스크(22)로 하여 상기 SOI 기판의 실리콘층(10)을 식각하여 도면부호 12와 같은 소스/드레인 패드 및 핀 형상의 채널영역을 형성하게 된다.Here, when the hard mask material layer is sequentially deposited with the
즉, 상기 믹스엔매치 패턴(42, 52)을 마스크로 실리콘계 물질층(30)을 식각한 다음, 산화막층(20)을 식각할 경우에는 감광막과 제 1 절연성 물질(예컨대, HSQ)로 이루어진 믹스엔매치 마스크(42, 52)도 식각되어 제거되고, SOI 기판의 실리콘층(10) 식각시에는 결국 산화막층을 하드 마스크(22)로 하여 식각하게 된다.That is, when the silicon-based
다음, 도 17 및 도 18과 같이, 상기 기판 전면에 TEOS 등으로 필드산화막(60)을 증착하고 평탄화시킨다(제 4 단계).Next, as shown in FIGS. 17 and 18, the
이때, 도 18과 같이, 액티브 실리콘층(12)이 식각되기 이전에 평탄화 공정을 멈추어, 산화막층 하드 마스크가 일부 남아 있도록 함이 바람직하다(도면부호 24 참조).In this case, as shown in FIG. 18, it is preferable to stop the planarization process before the
이어, 도 19 및 도 20과 같이, 상기 평탄화된 기판 전면에 제 2 절연성 물질(70)을 증착하고, 상기 제 2 절연성 물질 상에 제 2의 감광막(44)을 도포 후 공지의 식각공정을 통하여 리세스 채널 형성을 위한 제 2의 감광막 패턴(44a)을 형성한다(제 5 단계).Subsequently, as shown in FIGS. 19 and 20, a second insulating
여기서, 상기 제 2 절연성 물질(70)은 질화물(nitride)로 충분히 높게 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제 2의 감광막(44)은 ZEP 물질(양성 PR)을 스핀 코팅기를 이용하여 도포한 다음, e-beam lithography를 이용하여 조사된 부위를 제거함으로써, 개방된 부분(이빔으로 조사된 부분)의 폭이 되도록 좁게 하여 차후 컨트롤 게이트와 접하는 채널영역이 작게 되도록 함이 바람직하다(물론, 이 경우도 HSQ를 이빔 감광막으로 사용할 수도 있다.).Here, the second insulating
상기 개방된 부분(이빔으로 조사된 부분)은 차후 리세스 채널이 형성된 다음, 사이드 게이트(측벽 게이트) 형성으로 더 줄어들게 된다.The open portion (the portion irradiated by the two beams) is further reduced by forming a side gate (side wall gate) after the recess channel is formed later.
이후, 도 21 및 도 22와 같이, 상기 제 2의 감광막 패턴(44a)을 마스크로 상기 제 2 절연성 물질(70) 및 상기 필드산화막(62)을 순차 식각하여 상기 핀 형상의 채널영역(12a)을 드러낸다(제 6 단계).Next, as shown in FIGS. 21 and 22, the second insulating
이어, 도 23과 같이, 상기 제 2의 감광막 패턴(44a)을 마스크로 상기 핀 형상의 채널영역(12a)을 식각하여 리세스된 채널영역(14a)을 형성한다(제 7 단계).Next, as illustrated in FIG. 23, the fin-shaped
다음, 도 24와 같이, 상기 제 2의 감광막 패턴(44a)을 제거하고, 열산화공정을 통하여 상기 리세스된 채널영역(14a) 상에 제 1 게이트 절연막(80)을 형성한다(제 8 단계).Next, as shown in FIG. 24, the second
이렇게 함으로써, 노출된 리세스 채널영역의 실리콘층(14a)에 제 1 게이트 절연막(80)으로 산화막을 형성함은 물론, 실리콘 핀의 폭(두께)을 잠식산화로 줄일 수 있게 되어 차후 컨트롤 게이트와 접하는 실리콘 핀의 면적을 줄이면서 거리를 크게할 수 있는 장점이 있다.In this way, an oxide film is formed on the exposed
이후, 도 25 및 도 26과 같이, 상기 기판 전면에 상기 리세스된 채널영역(14a)과 일함수 차이가 나는 측벽 게이트 물질(90)을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 리세스된 채널영역(14a) 양 측벽에 제 1, 2 측벽 게이트(92)를 형성한다(제 9 단계).Then, as shown in FIGS. 25 and 26, the
이때, 측벽공정을 조절하여 상기 제 1, 2 측벽 게이트(92)의 폭을 충분히 크게하여 리세스된 채널영역(14a; 80)이 약간만 드러나게 함이 바람직하다(도면상에서는 과장되어 표현되었음). 또한, 상기 측벽 게이트 물질(90)은 상기 액티브 실리콘층(12)이 p형일 경우 금속, 금속실리사이드 또는 p형으로 도핑된 실리콘계 물질로 사용하는 것이 바람직하고, 상기 액티브 실리콘층(12)이 n형일 경우 금속, 금속실리사이드 또는 n형으로 도핑된 실리콘계 물질로 사용하는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable that the width of the first and
이어, 도 27과 같이, 상기 각 측벽 게이트 상에 제 2 게이트 절연막(82)을 형성한다(제 10 단계).Next, as shown in FIG. 27, a second
상기 제 2 게이트 절연막(82) 형성에서도 열산화공정에 의할 수 있으나, MTO 장비 등을 이용하여 상기 측벽 게이트 사이에 노출된 채널영역(80) 상에도 형성될 수 있도록 함이 바람직하다.Although the second
나아가, 도 28과 같이, 선택적으로, TEOS 등과 같은 절연막의 증착과 비등방성 식각으로 상기 측벽 게이트 사이에 노출된 채널영역(80) 상의 상기 제 2 게이트 절연막(82a)의 측벽에 제 3 게이트 절연막 측벽(84)을 형성하는 공정을 더 진행함으로써, 양자점과 컨트롤 게이트와의 거리를 최대한 크게 하여 단전자트랜지스터의 동작온도를 한층 더 높일 수 있다(도 37 참조).Further, as shown in FIG. 28, a third gate insulating film sidewall is formed on the sidewall of the second
이후, 도 29 내지 도 31과 같이, 상기 기판 전면에 게이트 물질(66)을 다시 증착하고 평탄화시켜 상기 제 2 절연성 물질(72)이 드러나게 한 다음, 상기 드러난 제 2 절연성 물질(66)을 제거하여 컨트롤 게이트(66a)를 형성한다(제 11 단계).Thereafter, as shown in FIGS. 29 to 31, the
여기서, 상기 제 2 절연성 물질(72)이 질화물(nitride)일때, 공지의 CMP로 평탄화 공정을 진행할 경우, 상기 질화물은 식각 스토퍼(stopper)로 작용하게 된다.Here, when the second insulating
이어, 도 34와 같이, 상기 기판 전면에 불순물 이온주입을 통하여 상기 컨트롤 게이트(66a) 및 컨트롤 게이트(66a)에 이웃한 상기 핀 형상의 채널영역 및 상기 소스/드레인 패드(14)에 shallow doping 층(16)을 각각 형성한다(제 12 단계).
여기서, 상기 shallow doping 층(16)이란 도 36에서 확인되는 바와 같이, 제 1, 2 사이드 게이트(92)의 상부와 일부 겹치도록(overlap 되도록) 낮은 접합(shallow junction)을 갖는 도핑층을 말한다.34, a shallow doping layer is formed on the fin-shaped channel region adjacent to the
Here, as shown in FIG. 36, the
상기 불순물 이온주입은 상기 사이드 게이트 물질로 p형 또는 n형 불순물이 도핑된 실리콘계 물질을 사용하였을 경우에는 이와 다른 타입의 불순물로 이온주입하는 것이 바람직하다.The impurity ion implantation is preferably implanted with another type of impurity when a silicon-based material doped with p-type or n-type impurity is used as the side gate material.
그리고, 도 31에서 남아있는 산화막층 하드 마스크(26)가 두꺼울 경우 등에는, 도 32와 같이, 상기 산화막층 하드 마스크(26)를 제거하고, 도 33과 같이, 다시 도핑용 희생 산화막(86, 88)을 형성한 다음, 상기 12 단계를 진행함이 바람직하다.In the case where the remaining oxide film
도 35의 AA선 단면도인 도 36에서 확인되는 바와 같이, 상기 shallow doping 층(16)을 형성함으로써, 채널(19)의 길이를 수직으로 더 연장되는 효과가 있다.As shown in FIG. 36, which is a cross-sectional view along line AA of FIG. 35, by forming the
그러나, 상기 shallow doping 층(16)은 낮은 접합(shallow junction)을 갖게 되므로, 소스/드레인 컨택을 위한 소스/드레인 패드 영역(18a, 18b)에는, 상기 shallow doping 층(16)보다 접합 깊이가 깊은 deep doping 층으로 형성되도록 함이 바람직하다.However, since the
이는, 도 35와 같이, 상기 제 12 단계 이후에 상기 기판 전면에 TEOS 등으로 필드산화막을 더 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 컨트롤게이트(66a) 양측에 산화막 측벽(68)을 형성한 다음, 도핑 에너지를 크게하여 불순물 이온주입 공정을 더 진행함으로써, 구현할 수 있다.As shown in FIG. 35, after the twelfth step, a field oxide film is further deposited on the entire surface of the substrate using TEOS, and then anisotropically etched to form oxide sidewalls 68 on both sides of the
여기서도, 상기 불순물 이온주입 공정은 상기 사이드 게이트 물질로 p형 또는 n형 불순물이 도핑된 실리콘계 물질을 사용하였을 경우에는 이와 다른 타입의 불순물로 이온주입하는 것이 바람직하다.Here, in the impurity ion implantation process, when a silicon-based material doped with a p-type or n-type impurity is used as the side gate material, ion implantation with other types of impurities is preferable.
도 35에서 BB선 단면도는 도 37에 도시되어 있다. 도 37에 의하면, 양자점이 형성되는 채널영역인 실리콘 핀(14a)에서 컨트롤 게이트(66a) 사이의 거리는 제 1 게이트 절연막(80), 제 2 게이트 절연막(82a) 및 제 3 게이트 절연막(84)에 의하여 크게할 수 있음을 알 수 있다.In FIG. 35, a cross-sectional view along line BB is shown in FIG. 37. According to FIG. 37, the distance between the
기타 공정 및 미설명된 부분들은 일반적인 CMOS 공정을 따르므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Other processes and non-described parts follow a general CMOS process, and thus a detailed description thereof will be omitted.
10, 12, 14, 16, 18: SOI 기판의 액티브 실리콘층
20, 22: 산화막층 30, 32: 실리콘계 물질층
40, 42: 제 1 절연성 물질 44, 44a: 제 2의 감광막
50, 52: 감광막 60, 62, 64, 64a, 68: 필드산화막
66, 66a: 컨트롤 게이트 70, 72: 제 2 절연성 물질
80: 제 1 게이트 절연막 82, 82a: 제 2 게이트 절연막
84: 제 3 게이트 절연막 90, 92: 사이드 게이트(측벽 게이트)10, 12, 14, 16, 18: active silicon layer of SOI substrate
20, 22:
40, 42: first insulating
50, 52:
66, 66a: control
80: first
84: third
Claims (16)
상기 채널영역 상에 형성된 제 1 게이트 절연막과;
상기 제 1 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 채널영역의 양측 모서리 면상에 채널방향으로 일정거리 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 사이드 게이트와;
상기 각 사이드 게이트에 제 2 게이트 절연막를 사이에 두고 상기 매몰산화막 상에 형성된 컨트롤 게이트를 포함하여 구성되되,
상기 제 1 및 제 2 사이드 게이트는 상기 리세스된 채널영역과 일함수 차이가 나는 물질로 형성되고,
상기 사이드 게이트 사이 채널영역 상의 상기 제 1 게이트 절연막 상에도 상기 제 2 게이트 절연막이 형성되고,
상기 사이드 게이트 사이 채널영역 상의 상기 제 2 게이트 절연막의 양 측벽에 제 3 게이트 절연막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터.
A silicon layer vertically dug to have a channel region recessed on the buried oxide film of the SOI substrate;
A first gate insulating film formed on the channel region;
First and second side gates spaced at a predetermined distance in a channel direction from both edge surfaces of the channel region with the first gate insulating layer interposed therebetween;
A control gate formed on the buried oxide film with a second gate insulating film interposed therebetween,
The first and second side gates are formed of a material having a work function difference from the recessed channel region.
The second gate insulating film is also formed on the first gate insulating film on the channel region between the side gates,
And a third gate insulating film is further formed on both sidewalls of the second gate insulating film on the channel region between the side gates.
상기 실리콘층은 수직한 핀 형상에 상기 리세스된 채널영역을 갖고, 상기 채널영역 양측에 소스/드레인이 형성되되,
상기 소스/드레인은 상기 수직한 핀 양측에 상기 각 사이드 게이트의 상부와 일부 겹치도록 낮은 접합을 갖는 도핑 영역으로 연결된 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터.
The method of claim 3, wherein
The silicon layer has the recessed channel region in a vertical fin shape, and sources / drains are formed on both sides of the channel region.
And the source / drain is connected to a doped region having a low junction on both sides of the vertical fin so as to partially overlap with an upper portion of the respective side gates.
상기 리세스된 채널영역 양측은 필드산화막으로 둘러싸이고,
상기 각 사이드 게이트은 상기 채널영역의 양측 모서리 면상 및 상기 필드산화막과 상기 매몰산화막이 이루는 양측 모서리 면상에 측벽 게이트로 형성된 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터.
The method of claim 4, wherein
Both sides of the recessed channel region are surrounded by a field oxide layer,
Wherein each side gate is formed as a sidewall gate on both edges of the channel region and on both edges of the field oxide film and the buried oxide film, wherein the side gates are extended.
상기 SOI 기판은 p형 기판이고,
상기 소스/드레인은 각각 n형 불순물 도핑층이고,
상기 컨트롤 게이트는 n형으로 도핑된 실리콘계 물질이고,
상기 각 사이드 게이트는 금속, 금속실리사이드 및 p형으로 도핑된 실리콘계 물질 중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터.
The method of claim 5, wherein
The SOI substrate is a p-type substrate,
The source / drain is an n-type impurity doped layer, respectively
The control gate is an n-type doped silicon-based material,
Wherein each side gate is formed of any one selected from a metal, a metal silicide, and a p-type doped silicon-based material.
상기 금속실리사이드는 TiSi2, IrSi3, Ni2Si 및 Pt2Si 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터.
The method according to claim 6,
The metal silicide is a single electron transistor having an extended channel using a work function difference, characterized in that any one selected from TiSi 2 , IrSi 3 , Ni 2 Si and Pt 2 Si.
상기 SOI 기판은 n형 기판이고,
상기 소스/드레인은 각각 p형 불순물 도핑층이고,
상기 컨트롤 게이트는 p형으로 도핑된 실리콘계 물질이고,
상기 각 사이드 게이트는 금속, 금속실리사이드 및 n형으로 도핑된 실리콘계 물질 중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터.
The method of claim 5, wherein
The SOI substrate is an n-type substrate,
The source / drain is a p-type impurity doped layer, respectively
The control gate is a p-type doped silicon-based material,
Wherein each side gate is formed of any one selected from a metal, a metal silicide, and an n-type doped silicon-based material.
상기 금속실리사이드는 TiSi2, IrSi3, Ni2Si 및 Pt2Si 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터.
The method of claim 8,
The metal silicide is a single electron transistor having an extended channel using a work function difference, characterized in that any one selected from TiSi 2 , IrSi 3 , Ni 2 Si and Pt 2 Si.
상기 기판 전면에 감광막을 도포후 식각공정을 통하여 소스/드레인 및 핀 형상의 채널 형성을 위한 믹스엔매치(mix and match) 패턴을 형성하는 제 2 단계와;
상기 믹스엔매치 패턴을 마스크로 상기 하드 마스크용 물질층을 식각하여 하드 마스크를 형성하고, 상기 하드 마스크로 상기 SOI 기판의 실리콘층을 식각하여 소스/드레인 패드 및 핀 형상의 채널영역을 형성하는 제 3 단계와;
상기 기판 전면에 필드산화막을 증착하고 평탄화시키는 제 4 단계와;
상기 평탄화된 기판 전면에 제 2 절연성 물질을 증착하고, 상기 제 2 절연성 물질 상에 제 2의 감광막을 도포후 식각공정을 통하여 리세스 채널 형성을 위한 제 2의 감광막 패턴을 형성하는 제 5 단계와;
상기 제 2의 감광막 패턴을 마스크로 상기 제 2 절연성 물질 및 상기 필드산화막을 순차 식각하여 상기 핀 형상의 채널영역을 드러내는 제 6 단계와;
상기 제 2의 감광막 패턴을 마스크로 상기 핀 형상의 채널영역을 식각하여 리세스된 채널영역을 형성하는 제 7 단계와;
상기 제 2의 감광막 패턴을 제거하고, 열산화공정으로 상기 리세스된 채널영역 상에 제 1 게이트 절연막을 형성하는 제 8 단계와;
상기 기판 전면에 상기 리세스된 채널영역과 일함수 차이가 나는 측벽 게이트 물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 리세스된 채널영역 양 측벽에 제 1, 2 측벽 게이트를 형성하는 제 9 단계와;
상기 각 측벽 게이트 상에 제 2 게이트 절연막을 형성하는 제 10 단계와;
상기 기판 전면에 컨트롤 게이트 물질을 증착하고 평탄화시켜 상기 제 2 절연성 물질이 드러나게 한 다음, 상기 드러난 제 2 절연성 물질을 제거하여 컨트롤 게이트를 형성하는 제 11 단계와;
상기 기판 전면에 불순물 이온주입을 통하여 상기 컨트롤 게이트에 이웃한 상기 핀 형상의 채널영역 및 상기 소스/드레인 패드에 상기 제 1, 2 측벽 게이트의 상부와 일부 겹치도록 낮은 접합을 갖는 제 1 도핑층을 각각 형성하는 제 12 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법.
Depositing at least one hard mask material layer having different etching rates on the SOI substrate, and forming a fine pattern after applying the first insulating material on the hard mask material layer;
A second step of forming a mix and match pattern for forming a source / drain and fin-shaped channel through an etching process after coating the photoresist on the entire surface of the substrate;
A hard mask is formed by etching the hard mask material layer using the mix-and-match pattern as a mask, and a source / drain pad and a fin-shaped channel region are formed by etching the silicon layer of the SOI substrate using the hard mask. With three steps;
Depositing and planarizing a field oxide film over the entire surface of the substrate;
Depositing a second insulating material on the entire surface of the planarized substrate, applying a second photosensitive film on the second insulating material, and forming a second photoresist pattern for forming a recess channel through an etching process; ;
A sixth step of sequentially etching the second insulating material and the field oxide film using the second photoresist pattern as a mask to expose the fin-shaped channel region;
A seventh step of forming a recessed channel region by etching the fin-shaped channel region by using the second photoresist pattern as a mask;
An eighth step of removing the second photoresist pattern and forming a first gate insulating film on the recessed channel region by a thermal oxidation process;
Depositing sidewall gate material having a work function difference from the recessed channel region over the substrate, and anisotropically etching to form first and second sidewall gates on both sidewalls of the recessed channel region;
A tenth step of forming a second gate insulating film on each sidewall gate;
An eleventh step of depositing and planarizing a control gate material over the substrate to expose the second insulating material, and then removing the exposed second insulating material to form a control gate;
A first doped layer having a low junction to partially overlap an upper portion of the first and second sidewall gates in the fin-shaped channel region adjacent to the control gate and the source / drain pads by implanting impurity ions into the entire surface of the substrate; And a twelfth step of forming each of them.
상기 제 10 단계의 상기 제 2 게이트 절연막은 상기 측벽 게이트 사이에 노출된 채널영역 상에도 형성되고,
상기 제 10 단계와 상기 제 11 단계 사이에는 절연막의 증착과 비등방성 식각으로 상기 측벽 게이트 사이에 노출된 채널영역 상의 상기 제 2 게이트 절연막의 측벽에 제 3 게이트 절연막 측벽을 형성하는 공정을 더 진행하는 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법.
11. The method of claim 10,
The second gate insulating film of the tenth step is also formed on the channel region exposed between the sidewall gates,
Between the tenth step and the eleventh step, a process of forming a third gate insulating film sidewall on the sidewalls of the second gate insulating film on the channel region exposed between the sidewall gates by deposition and anisotropic etching of the insulating film is further performed. Process for the single-electron transistor having an extended channel using a work function difference, characterized in that.
상기 하드 마스크용 물질층은 산화막층 및 실리콘계 물질층이 순차적으로 증착된 것이고,
상기 제 3 단계의 상기 하드 마스크용 물질층 식각은 상기 실리콘계 물질층 및 상기 산화막층이 순차 식각되고, 상기 믹스엔매치 패턴으로 식각된 상기 산화막층을 하드 마스크로 하여 상기 SOI 기판의 실리콘층을 식각하여 소스/드레인 패드 및 핀 형상의 채널영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법.
11. The method of claim 10,
The hard mask material layer is formed by sequentially depositing an oxide layer and a silicon-based material layer.
In the etching of the hard mask material layer of the third step, the silicon layer of the SOI substrate is etched by sequentially etching the silicon-based material layer and the oxide layer and using the oxide layer etched in the mix-n-match pattern as a hard mask. And a channel region having a source / drain pad and a pin shape to form an extended channel using a work function difference.
상기 실리콘계 물질층은 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘이고,
상기 제 1 절연성 물질 및 상기 제 2의 감광막은 HSQ 또는 ZEP이고,
상기 제 2 절연성 물질은 질화물(nitride)인 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법.
13. The method of claim 12,
The silicon-based material layer is polycrystalline silicon or amorphous silicon,
The first insulating material and the second photosensitive film are HSQ or ZEP,
And the second insulating material is nitride. 2. The method of claim 1, wherein the second insulating material is nitride.
상기 제 12 단계 이후에 상기 기판 전면에 필드산화막을 더 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 컨트롤게이트 양측에 산화막 측벽을 형성한 다음, 불순물 이온주입을 통하여 상기 소스/드레인 패드에 상기 제 1 도핑층보다 접합 깊이가 깊은 제 2 도핑층을 형성하는 단계를 더 진행하는 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법.
The method according to any one of claims 10 to 13,
After the twelfth step, a field oxide film is further deposited on the entire surface of the substrate, and anisotropically etched to form oxide sidewalls on both sides of the control gate. The method of claim 1, further comprising forming a second doped layer having a deep junction depth.
상기 SOI 기판은 p형 기판이고,
상기 컨트롤 게이트 물질은 n형으로 도핑된 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘이고,
상기 측벽 게이트 물질은 금속, 금속실리사이드 및 p형으로 도핑된 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘 중에서 선택된 어느 하나이고,
상기 불순물 이온주입은 n형 불순물로 행하는 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법.
15. The method of claim 14,
The SOI substrate is a p-type substrate,
The control gate material is n-type doped polycrystalline silicon or amorphous silicon,
The sidewall gate material is any one selected from metal, metal silicide and p-doped polycrystalline silicon or amorphous silicon,
And the impurity ion implantation is performed using n-type impurities.
상기 SOI 기판은 n형 기판이고,
상기 컨트롤 게이트 물질은 p형으로 도핑된 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘이고,
상기 측벽 게이트 물질은 금속, 금속실리사이드 및 n형으로 도핑된 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘 중에서 선택된 어느 하나이고,
상기 불순물 이온주입은 p형 불순물로 행하는 것을 특징으로 하는 일함수 차이를 이용한 확장된 채널을 갖는 단전자 트랜지스터의 공정방법.
15. The method of claim 14,
The SOI substrate is an n-type substrate,
The control gate material is p-type polycrystalline silicon or amorphous silicon,
The sidewall gate material is any one selected from metal, metal silicide and n-type doped polycrystalline silicon or amorphous silicon,
And the impurity ion implantation is performed using a p-type impurity.
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