KR101487595B1 - FinFET의 신규의 핀 구조 - Google Patents
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Abstract
기판 상에 배치된 핀 구조 및 핀 구조의 형성 방법이 개시된다. 핀 구조는 메사, 메사 위에 배치된 채널, 및 채널과 메사 사이에 배치된 볼록 형상의 특징부를 포함한다. 메사는 제1 반도체 재료를 갖고, 채널은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다. 볼록 형상의 특징부는 단차 형상, 계단 형상 또는 사다리 형상이다. 볼록 형상의 특징부는 채널과 메사 사이에 배치된 제1 격리 특징부, 및 채널과 제1 격리 특징부 사이에 배치된 제2 격리 특징부를 포함한다. 제1 격리 특징부는 U 형상이고, 제2 격리 특징부는 직사각형 형상이다. 제2 격리 특징부의 일부는 채널에 둘러싸이고, 제2 격리 특징부의 다른 일부는 제1 격리 특징부에 둘러싸인다.
Description
본 발명은 반도체 분야에 관한 것이다.
반도체 집적 회로(IC; integrated circuit) 산업은 급격한 성장을 경험하여 왔다. IC 재료 및 설계에서의 기술 발전은 IC 세대들을 만들었으며, 각 세대는 이전 세대보다 더 작고 보다 복잡한 회로를 갖는다. 새로운 금속 산화물 반도체(MOS; metal-oxide-semiconductor) 기술의 개발 뿐만 아니라 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET; fin field-effect transistor)와 같은 3차원 설계의 개발에 있어서, 주요 목적은 디바이스의 채널에서의 모빌리티(mobility)를 개선하는 것이다. 이를 달성하기 위해, 예를 들어 추가의 변형(strain)이 있거나 없이 게르마늄(Ge), 갈륨 비소(GaAs), 또는 실리콘 게르마늄(SiGe)과 같은 재료를 사용하여, 실리콘과 비교하여 볼 때 개선된 모빌리티를 갖는 재료의 사용이 고려되었다. 디바이스의 채널에 걸친 누설 전류의 제어를 가능하게 하고자 하는 바람도 존재한다.
예를 들어, SiGe 디바이스를 만들기 위해, SiGe의 전면(full sheet) 에피텍시가 일반적으로 실리콘 기판 상에 형성된다. 그 결과, 이 기술로는 너무 두꺼운 SiGe 층이 되며, 따라서 얇은 바디의 디바이스에 적합하지 못하다. 또한, SiGe 채널이 두꺼울수록, 누설 전류도 더 높아진다. 따라서, 낮은 누설 전류의 요건을 달성할만큼 충분히 얇은 SiGe 채널을 형성하기 위한 필요성이 존재한다.
기판 상에 배치된 핀 구조 및 핀 구조의 형성 방법이 개시된다. 핀 구조는 메사, 메사 위에 배치된 채널, 및 채널과 메사 사이에 배치된 볼록 형상의 특징부를 포함한다. 메사는 제1 반도체 재료를 갖고, 채널은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다. 볼록 형상의 특징부는 단차 형상, 계단 형상 또는 사다리 형상이다. 볼록 형상의 특징부는 채널과 메사 사이에 배치된 제1 격리 특징부, 및 채널과 제1 격리 특징부 사이에 배치된 제2 격리 특징부를 포함한다. 제1 격리 특징부는 U 형상이고, 제2 격리 특징부는 직사각형 형상이다. 제2 격리 특징부의 일부는 채널에 둘러싸이고, 제2 격리 특징부의 다른 일부는 제1 격리 특징부에 둘러싸인다.
본 개시의 양상은 첨부 도면과 함께 볼 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 산업계에서의 표준 실시에 따라, 다양한 특징부들이 축척대로 도시된 것은 아님을 강조한다. 사실상 다양한 특징부들의 치수는 설명을 명확하게 하기 위해 임의적으로 증가되거나 감소되어질 수 있다.
도 1a는 본 개시의 다양한 양상에 따라 기판(102) 위에 배치된 핀 구조(100)의 사시도이다.
도 1b는 도 1a에서의 선 A-A'를 따라 취한 핀 구조(100)의 단면도이다.
도 1c는 도 1a에서의 선 B-B'를 따라 취한 핀 구조(100)의 단면도이다.
도 2a는 본 개시의 다양한 양상에 따라 도 1a에서의 핀 구조(100)로부터 구축된 복수의 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET)(200)의 사시도이다.
도 2b는 도 2a에서의 선 C-C'를 따라 취한 복수의 FinFET(200) 중 하나의 단면도이다.
도 2c는 도 2a에서의 선 D-D'를 따라 취한 복수의 FinFET(200)의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 다양한 양상에 따라 핀 구조(100)를 형성하는 방법(300)의 흐름도이다.
도 4는 본 개시의 다양한 양상에 따라 제1 격리 특징부 및 제2 격리 특징부를 형성하는 서브프로세스(365)의 흐름도이다
도 5a 내지 도 17c는 본 개시의 다양한 양상에 따른 다양한 제조 단계들에서 FinFET(200)의 평면도 및 단면도이다.
도 1a는 본 개시의 다양한 양상에 따라 기판(102) 위에 배치된 핀 구조(100)의 사시도이다.
도 1b는 도 1a에서의 선 A-A'를 따라 취한 핀 구조(100)의 단면도이다.
도 1c는 도 1a에서의 선 B-B'를 따라 취한 핀 구조(100)의 단면도이다.
도 2a는 본 개시의 다양한 양상에 따라 도 1a에서의 핀 구조(100)로부터 구축된 복수의 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET)(200)의 사시도이다.
도 2b는 도 2a에서의 선 C-C'를 따라 취한 복수의 FinFET(200) 중 하나의 단면도이다.
도 2c는 도 2a에서의 선 D-D'를 따라 취한 복수의 FinFET(200)의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 다양한 양상에 따라 핀 구조(100)를 형성하는 방법(300)의 흐름도이다.
도 4는 본 개시의 다양한 양상에 따라 제1 격리 특징부 및 제2 격리 특징부를 형성하는 서브프로세스(365)의 흐름도이다
도 5a 내지 도 17c는 본 개시의 다양한 양상에 따른 다양한 제조 단계들에서 FinFET(200)의 평면도 및 단면도이다.
본 발명은 반도체 디바이스에 대한 신규의 핀 구조의 형성에 관한 것으로, 특히 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET; fin field-effect transistor)의 형성에 관한 것이다.
다음의 개시는 다양한 실시예의 상이한 특징들을 구현하기 위한 수많은 상이한 실시예 또는 예를 제공하는 것임을 이해하여야 한다. 본 개시를 단순화하도록 컴포넌트 및 구성의 구체적 예가 아래에 기재된다. 이들은 물론 단지 예일 뿐이고 한정하고자 하는 것이 아니다. 예를 들어, 이어지는 다음 설명에서 제2 특징부 상에 또는 위에 제1 특징부의 형성은 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉하여 형성되는 실시예를 포함할 수 있고, 또한 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉하지 않도록 제1 특징부와 제2 특징부 사이에 추가의 특징부가 형성될 수 있는 실시예도 포함할 수 있다. 또한, 본 개시는 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이 반복은 단순하고 명확하게 하기 위한 목적이며, 그 자체가 설명되는 다양한 실시예 및/또는 구성 간의 관계를 지시하는 것은 아니다.
또한, "밑에", "아래에", "하단", "위에", "상단" 등과 같이 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 예시된 하나의 구성요소 또는 특징부의 또다른 구성요소(들) 또는 특징부(들)에 대한 관계를 기재하고자 설명을 쉽게 하기 위해 여기에 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 배향 외에도 사용시 또는 동작시 디바이스의 다른 배향을 포함하고자 한다. 예를 들어, 도면에서의 디바이스가 뒤집어지는 경우, 그러면 다른 구성요소 또는 특징부 "아래에" 또는 "밑에" 있는 것으로서 기재된 구성요소는 그 다른 구성요소 또는 특징부 "위에" 있는 것으로 배향될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위와 아래의 배향 둘 다를 포함할 수 있다. 장치는 달리 배향될 수 있고(90도 회전되거나 다른 배향으로), 여기에 사용된 공간적으로 상대적인 서술어는 마찬가지로 그에 따라 해석될 수 있다.
도 1a는 본 개시의 다양한 양상에 따른 기판(102) 위에 배치된 핀 구조(100)의 사시도이다. 일부 실시예에서, 핀 구조(100)는 하나의 핀만 포함한다. 일부 실시예에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 핀 구조(100)는 서로 평행하며 서로에 대해 가까이 떨어져 있는 다수의 핀을 포함한다. 도 1b는 도 1a에서의 선 A-A'를 따라 취한 핀 구조(100)의 단면도이다. 도 1c는 도 1a에서의 선 C-C'를 따라 취한 핀 구조(100)의 단면도이다. 적어도 하나의 실시예에서, 기판(102)은 결정질 실리콘 기판(예를 들어, 웨이퍼)을 포함한다. 기판(102)은 설계 요건에 따라 다양한 도핑 영역을 포함할 수 있다(예를 들어, p 타입 기판 또는 n 타입 기판). 일부 실시예에서, 도핑 영역은 p 타입 또는 n 타입 도펀트로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 도핑 영역은 붕소 또는 BF2와 같은 p 타입 도펀트; 인 또는 비소와 같은 n 타입 도펀트; 및/또는 이들의 조합으로 도핑될 수 있다. 도핑 영역은 n 타입 FinFET에 대하여 구성되거나, 또는 대안으로서 p 타입 FinFET에 대하여 구성될 수 있다.
일부 대안의 실시예에서, 기판(102)은 다이아몬드 또는 게르마늄과 같은 일부 기타 적합한 원소 반도체; 갈륨 비소화물, 실리콘 카바이드, 인듐 비소화물, 또는 인듐 인화물과 같은 적합한 화합물 반도체; 또는 실리콘 게르마늄 카바이드, 갈륨 비소 인화물, 또는 갈륨 인듐 인화물과 같은 적합한 합금 반도체로 제조될 수 있다. 또한, 기판(102)은 에피텍셜 층(에피 층)을 포함할 수 있고, 성능 향상을 위해 변형될 수 있으며, 그리고/또는 SOI(silicon-on-insulator) 구조를 포함할 수 있다.
도 1a, 도 1b, 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 핀 구조(100)는 메사(106), 메사(106) 위에 배치된 채널(108), 및 채널(108)과 메사(106) 사이에 배치된 볼록(convex) 형상의 특징부(110)를 포함한다. 메사(106)는 기판(102)으로부터 형성되거나, 또는 기판(102) 위의 핀 층(도시되지 않음)으로부터 형성될 수 있다. 메사(106)는 제1 반도체 재료를 갖고, 채널(108)은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 반도체 재료 및 제2 반도체 재료는 실리콘, 다이아몬드, 또는 게르마늄과 같은 적합한 원소 반도체; 갈륨 비소화물, 실리콘 카바이드, 인듐 비소화물 또는 인듐 인화물과 같은 적합한 화합물 반도체; 실리콘 게르마늄 카바이드, 갈륨 비소 인화물, 또는 갈륨 인듐 인화물과 같은 적합한 합금 반도체; 또는 성능 향상을 위해 변형될 수 있는 에피텍셜 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메사(106)는 실리콘으로 제조되고 채널(108)은 게르마늄 또는 실리콘 게르마늄으로 제조된다.
쉘로우 트렌치 아이솔레이션(STI; shallow trench isolation), 필드 산화물(FOX; field oxide), LOCOS(local-oxidation of silicon) 특징부, 및/또는 기타 적합한 격리 요소와 같은 격리 구조(104)가 각각의 2개의 인접한 메사(106) 사이에 배치된다. 격리 구조(104)는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, FSG(fluoride-doped silicate), 로우 k 유전체 재료, 이들의 조합, 및/또는 기타 적합한 재료와 같은 유전체 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 볼록 형상의 특징부(110)는 단차(stepped) 현상, 계단(stair) 형상 또는 사다리(ladder) 형상이다. 일부 실시예에서, 볼록 형상의 특징부(110)는 채널(108)과 메사(106) 사이에 배치된 제1 격리 특징부(112), 및 채널(108)과 제1 격리 특징부(112) 사이에 배치된 제2 격리 특징부(114)를 포함한다. 제1 격리 특징부(112)는 U 형상이다("U 형상의 특징부(112)"). 제2 격리 특징부(114)는 직사각형(rectangular) 형상이다("직사각형 형상의 특징부(114)"). 제2 격리 특징부(114)의 일부는 채널(108)에 둘러싸이고, 제2 격리 특징부(114)의 다른 일부는 제1 격리 특징부(112)에 둘러싸인다.
일부 실시예에서, 제1 격리 특징부(112)의 두께 T는 약 1 nm 내지 약 10 nm의 범위이다. 다양한 실시예에서, 두께 T는 약 3 nm 내지 약 8 nm의 범위이다. 일부 실시예에서, 제1 격리 특징부(112)의 폭 W1에 대한 제1 격리 특징부(112)의 높이 H1의 비(ratio)는 약 2 내지 약 99의 범위이다. 다양한 실시예에서, 비는 약 30 내지 약 70의 범위이다. 예를 들어, 높이 H1은 약 100 nm와 약 495 nm 사이의 범위이고, 폭 W1은 약 5 nm와 약 50 nm 사이의 범위이다. 일부 실시예에서, 제2 격리 특징부(114)의 폭 W2에 대한 제2 격리 특징부(114)의 높이 H2의 비는 약 1 내지 약 166의 범위이다. 다양한 실시예에서, 비는 약 35 내지 약 130의 범위이다. 예를 들어, 높이 H2는 약 48 nm와 약 498 nm 사이의 범위이고, 폭 W1은 약 3 nm와 약 48 nm 사이의 범위이다.
일부 실시예에서, 제1 격리 특징부(112)는 제1 유전체 재료를 갖고, 제2 격리 특징부(114)는 제1 유전체 재료와 상이한 제2 유전체 재료를 갖는다. 제1 유전체 재료와 제2 유전체 재료는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, FSG, 로우 k 유전체 재료, 이들의 조합, 및/또는 기타 적합한 재료와 같은 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체 재료는 질화물을 포함하고, 제2 유전체 재료는 산화물을 포함한다.
본 개시의 구조는 상기 언급한 실시예에 한정되지 않고, 많은 상이한 실시예를 가질 수 있다. 설명을 단순하게 하기 위해 그리고 본 개시의 각각의 실시예 간의 비교의 편의상, 다음 각각의 실시예에서 동일한 컴포넌트는 동일한 번호로 표시된다. 실시예들 간의 차이를 비교하는 것을 쉽게 하기 위해,다음의 설명은 상이한 실시예들 간의 다른 점을 상세하게 할 것이며, 동일한 특징은 중복으로 기재되지 않을 것이다.
도 2a는 본 실시예의 다양한 양상에 따라 도 1a의 핀 구조(100)로부터 구축된 복수의 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET)(200)의 사시도이다. 도 2a는 게이트 구조(120)가 더 포함된 것을 제외하고는 도 1a와 유사하다. 일부 실시예에서, 하나의 FinFET(200)만 기판(102) 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 서로 평행하며 서로에 대해 가까이 떨어져 있는 복수의 FinFET(200)이 기판(102) 위에 배치된다. 도 2b는 도 2a에서의 선 C-C'를 따라 취한 복수의 FinFET(200) 중의 하나의 단면도이다. 도 2c는 도 2a에서의 선 D-D'를 따라 취한 복수의 FinFET(200)의 단면도이다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c에 도시된 바와 같이, FinFET(200)은 메사(106), 메사(106) 위에 배치된 채널(108), 채널(108)과 메사(106) 사이에 배치된 U 형상의 특징부(112), 채널(108)과 U 형상의 특징부(112) 사이에 배치된 직사각형 형상의 특징부(114), 채널(108) 위에 배치된 게이트 유전체(116), 및 게이트 유전체(116) 위에 배치된 게이트 전극(118)을 포함한다. 메사(106)는 기판(102)으로부터 형성되거나, 또는 기판(102) 위의 핀 층(도시되지 않음)으로부터 형성될 수 있다. 메사(106)는 제1 반도체 재료를 갖고, 채널(108)은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다. 각각의 2개의 인접한 메사(106) 사이에 격리 구조(104)가 배치된다. 직사각형 형상의 특징부(114)의 일부는 채널(108)에 둘러싸이고, 직사각형 형상의 특징부(114)의 다른 일부는 U 형상의 특징부(112)에 둘러싸인다. 도 2a, 도 2b, 및 도 2c에서의 U 형상의 특징부(112) 및 직사각형 형상의 특징부(114)의 상세한 설명은 도 1a, 도 1b, 및 도 1c에서의 제1 격리 특징부(112) 및 제2 격리 특징부(114)의 설명을 참조할 수 있다.
일부 실시예에서, 게이트 유전체(116)는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 하이 k 유전체를 포함할 수 있다. 하이 k 유전체는 금속 산화물을 포함한다. 하이 k 유전체에 사용되는 금속 산화물의 예는 Li, Be, Mg, Ca, Sr, Sc, Y, Zr, Hf, Al, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 및/또는 이들의 혼합물의 산화물을 포함한다. 본 실시예에서, 게이트 유전체(116)는 약 10 옹스트롬(Å) 내지 약 30 옹스트롬(Å) 범위의 두께를 갖는 하이 k 유전체 층이다. 게이트 유전체(116)는 원자층 증착(ALD; atomic layer deposition), 화학적 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition), 물리적 기상 증착(PVD; physical vapor deposition), 열 산화, UV-오존 산화, 또는 이들의 조합과 같은 적합한 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 게이트 유전체(116)는 게이트 유전체(116)와 채널(108) 사이의 손상을 감소시키기 위한 계면 층(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 계면 층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 게이트 전극(118)은 단층 또는 다층 구조를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 게이트 전극(118)은 폴리 실리콘을 포함한다. 또한, 게이트 전극(118)은 균일 또는 비균일 도핑되어진 도핑된 폴리-실리콘일 수 있다. 대안의 실시예에서, 게이트 전극(118)은 W, Cu, Ti, Ag, Al, TiAl, TiAlN, TaC, TaCN, TaSiN, Mn, 및 Zr의 그룹으로부터 선택된 금속을 포함한다. 대안의 실시예에서, 게이트 전극(118)은 TiN, WN, TaN, 및 Ru의 그룹으로부터 선택된 금속을 포함한다. 본 실시예에서, 게이트 전극(118)은 약 30 nm 내지 약 60 nm 범위의 두께를 갖는다. 게이트 전극(118)은 ALD, CVD, PVD, 도금 또는 이들의 조합과 같은 적합한 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
FinFET(200)은 소스/드레인 영역, 컨택/비아, 상호접속 금속 층, 유전체 층, 패시베이션 층 등과 같은 다양한 특징부를 형성하도록 부가의 CMOS 공정을 겪을 수 있다. 캐리어 모빌리티를 개선하기 위해, 선택적으로 성장된 실리콘 게르마늄을 이용한 FinFET(200)의 리세싱된 소스/드레인(S/D) 부분에서의 변형 재료가 사용될 수 있다.
도 3은 본 개시의 다양한 양상에 따라 핀 구조(100)를 형성하는 방법(300)의 흐름도이다. 방법(300) 전에, 방법(300) 동안 그리고 방법(300) 후에 추가의 단계가 제공될 수 있고, 방법의 다른 실시예에 대하여, 기재된 단계의 일부가 교체되거나 없어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 방법(300)은 제1 반도체 재료를 갖는 메사가 형성되는 단계 320에서 시작된다. 방법(300)은 제1 격리 특징부가 메사 위에 형성되는 단계 340으로 이어진다. 방법(300)은 제2 격리 특징부가 제1 격리 특징부 위에 형성되는 단계 360으로 이어진다. 방법(300)은 제1 격리 특징부, 제2 격리 특징부, 및 메사 위에 채널이 형성되는 단계 380으로 이어지며, 채널은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다. 방법(300)은 채널 위에 게이트 구조를 형성하는 것을 더 포함할 수 있고, 게이트 구조는 채널 위에 배치된 게이트 유전체, 및 게이트 유전체 위에 배치된 게이트 전극을 포함한다. 이어지는 설명은 도 3의 방법(300)에 따라 제조될 수 있는 핀 구조(100)의 실시예를 예시한다.
단계 340 및 단계 360은 서브프로세스(365)를 구성한다. 도 4는 본 개시의 다양한 양상에 따라 제1 격리 특징부 및 제2 격리 특징부를 형성하는 서브프로세스(365)의 흐름도이다. 서브프로세스(365)의 단계들의 참조 번호는 반드시 단계들의 순서를 나타내는 것은 아니다. 단계들은 다른 방법 실시예를 형성하도록 재순서화될 수 있고, 이들 전부가 본 발명 내에 속한다. 서브프로세스(365)는 오목(concave) 부분이 메사에 형성되는 단계 370에서 시작하며, 오목 부분은 바닥 표면 및 측벽을 갖는다. 서브 프로세스(365)는 제1 유전체 층이 바닥 표면, 측벽, 메사, 및 쉘로우 트렌치 아이솔레이션(STI) 구조의 상부 표면 위에 형성되는 단계 372로 이어지며, 제1 유전체 층은 상부 표면 위의 상단 부분 및 상부 표면 아래의 하단 부분을 갖는다. 서브 프로세스(365)는 제2 유전체 층이 제1 유전체 층 위에 형성되는 단계 374로 이어지며, 제2 유전체 층은 상부 표면 위의 상단 세그먼트 및 상부 표면 아래의 하단 세그먼트를 갖는다. 서브 프로세스(365)는 제2 격리 특징부를 형성하도록 상단 세그먼트 및 하단 세그먼트의 일부가 제거되는 단계 376으로 이어진다. 서브 프로세스(365)는 제1 격리 특징부를 형성하도록 상단 부분 및 하단 부분의 일부가 제거되는 단계 378로 이어지며, 제2 격리 특징부의 높이는 제1 격리 특징부의 높이보다 더 크다.
도 5a 내지 도 16c는 본 개시의 다양한 양상에 따른 다양한 제조 단계들에서의 핀 구조(100)의 평면도 및 단면도이다. 도 5a 내지 도 17c는 본 개시의 다양한 양상에 따른 다양한 제조 단계들에서의 FinFET(200)의 평면도 및 단면도이다. 본 개시에서 채용될 때, 핀 구조(100)는 FinFET(200)의 임의의 핀 기반 구조를 지칭한다. FinFET(200)은 마이크로프로세서, 메모리 셀, 및/또는 기타 집적 회로(IC)에 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 3에서 언급한 동작의 수행이 완성된 FinFET(200)을 만드는 것은 아님을 유의해야 한다. 완성된 FinFET(200)은 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS; complementary metal-oxide-semiconductor) 기술 공정을 사용함으로써 제조될 수 있다. 따라서, 도 3의 방법(300) 전에, 방법(300) 동안 그리고/또는 방법(300) 후에 추가의 프로세스가 제공될 수 있고, 일부 다른 공정이 여기에서 간략하게만 기재될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 도 5a 내지 도 17c는 본 개시의 개념의 보다 나은 이해를 위해 단순화된다. 예를 들어, 도면에서는 핀 구조(100) 또는 FinFET(200)을 예시하고 있지만, 집적 회로(IC)는 저항, 커패시터, 인덕터, 퓨즈 등을 포함한 다수의 다른 디바이스를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 도 12a, 도 13a, 도 14a, 도 15a, 도 16a 및 도 17a는 실시예에 따른 다양한 제조 단계들 중의 하나에서의 FinFET(200)의 평면도들이다. 도 5b, 도 6b, 도 7b, 도 8b, 도 9b, 도 10b, 도 11b, 도 12b, 도 13b, 도 14b, 도 15b, 도 16b 및 도 17b는 각각 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 도 12a, 도 13a, 도 14a, 도 15a, 도 16a 및 도 17a에서의 선 A-A'를 따라 취한 FinFET(200)의 단면도들이다. 도 5c, 도 6c, 도 7c, 도 8c, 도 9c, 도 10c, 도 11c, 도 12c, 도 13c, 도 14c, 도 15c, 도 16c 및 도 17c는 각각 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 도 12a, 도 13a, 도 14a, 도 15a, 도 16a 및 도 17a에서의 선 B-B'를 따라 취한 FinFET(200)의 단면도들이다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c와 도 3의 단계 320에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 기판(102) 위에 제1 반도체 재료를 갖는 메사(106)를 형성함으로써 단계 320에서 시작한다. 메사(106)는 기판(102)으로부터 형성되거나, 또는 기판(102) 위의 핀 층(도시되지 않음)으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 메사(106)는 실리콘으로 제조된다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 층(130)이 격리 특징부(104)(예를 들어, 쉘로우 트렌치 아이솔레이션 구조(104)) 및 메사(106) 위에 스핀온 코팅과 같은 적합한 공정에 의해 형성되고, 그 다음, 적합한 리소그래피 패터닝 방법에 의해 패터닝되어 포토레지스트 층(130)에 개구(140)를 형성한다.
도 7a, 도 7b, 및 도 7c와 도 4의 단계 370에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 메사(106)에 오목 부분(150)을 형성함으로써 단계 370으로 이어지며, 오목 부분(150)은 바닥 표면(152) 및 측벽(154)을 갖는다. 포토레지스트 층(130)에 개구(140)의 형성 후에, 개구(140) 아래에 오목 부분(150)을 형성하도록 에칭 단계에 의해 도 6a, 도 6b, 및 도 6c에서의 메사(106)의 일부가 제거된다. 하나의 실시예에서, 에칭 단계는 건식 에칭 공정을 사용함으로써 수행될 수 있고, 예를 들어 건식 에칭 공정은 HBr, O2, Cl2, 및 CH4를 포함한 혼합 가스를 사용함으로써 수행될 수 있다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c에 도시된 바와 같이, 메사(106)에 오목 부분(150)의 형성 후에, 포토레지스트 층(130)이 박리 제거된다.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c와 도 4에서의 단계 372에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 바닥 표면(152), 측벽(154), 메사(106) 및 STI 구조(104)의 상부 표면(124) 위에 제1 유전체 층(160)을 형성함으로써 단계 372로 이어지며, 제1 유전체 층(160)은 상부 표면(124) 위의 상단 부분(162) 및 상부 표면(124) 아래의 하단 부분(164)을 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 유전체 층(160)은 예를 들어 저압 화학적 기상 증착(LPCVD; low-pressure CVD) 또는 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD; plasma enhanced CVD)을 사용함으로써 실리콘 질화물로 형성된다.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c와 도 4에서의 단계 374에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 제1 유전체 층(160) 위에 제2 유전체 층(170)을 형성함으로써 단계 374로 이어지며, 제2 유전체 층(170)은 상부 표면(124) 위의 상단 세그먼트(172) 및 상부 표면(124) 아래의 하단 세그먼트(174)를 갖는다. 제2 유전체 층(170)은 실리콘 산화물, FSG, 또는 로우 k 유전체 재료로 제조될 수 있다. 실시예에서, 제2 유전체 층(170)은 반응 전구체로서 실란(SiH4) 및 산소(O2)를 사용하여 고밀도 플라즈마(HDP; high density plasma) CVD 공정을 사용함으로써 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 유전체 층(170)은 SACVD(sub-atmospheric CVD) 공정 또는 HARP(high aspect-ratio process)를 사용함으로써 형성될 수 있으며, 공정 가스는 TEOS(tetraethylorthosilicate) 및/또는 오존(O3)을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제2 유전체 층(170)은 HSQ(hydrogen silsesquioxane) 또는 MSQ(methyl silsesquioxane)과 같은 SOD(spin-on-dielectric) 공정을 사용함으로써 형성될 수 있다.
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 11a, 도 11b, 및 도 11c와 도 4의 단계 376에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 제2 격리 특징부(114)를 형성하도록 상단 세그먼트(172) 및 하단 세그먼트(174)의 일부를 제거함으로써 단계 376으로 이어진다. 일부 실시예에서, 제2 유전체 층(170)은 실리콘 산화물로 제조된다. 상단 세그먼트(172)를 제거하는 것은 화학 기계적 평탄화/연마(CMP; chemical-mechanical planarization/polishing)에 의해 수행될 수 있고, 하단 세그먼트(174)의 일부를 제거하는 것은 에칭 단계에 의해 수행될 수 있다. 하나의 실시예에서, 에칭 단계는 습식 에칭 공정을 사용함으로써, 예를 들어 HF(hydrofluoric acid)에 제2 유전체 층(170)의 하단 세그먼트(174)를 디핑(dipping)함으로써 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 에칭 단계는 건식 에칭 공정을 사용함으로써 수행될 수 있으며, 예를 들어 건식 에칭 공정은 CF4, CHF3, BF3, 또는 SF6 등과 같이 F, Cl, 또는 Br을 함유하는 에칭 가스를 사용함으로써 수행될 수 있다.
도 12a, 도 12b, 및 도 12c와 도 4에서의 단계 378에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 제1 격리 특징부(112)를 형성하도록 상단 부분(162) 및 하단 부분(164)의 일부를 제거함으로써 단계 378로 이어지며, 제2 격리 특징부(114)의 높이 H2는 제1 격리 특징부(112)의 높이 H1보다 더 크다. 일부 실시예에서, 제1 유전체 층(160)은 실리콘 질화물로 제조된다. 상단 부분(162) 및 하단 부분(164)의 일부를 제거하는 것은 에칭 단계에 의해 수행될 수 있다. 하나의 실시예에서, 에칭 단계는 습식 에칭 공정을 사용함으로써, 예를 들어 고온 H3PO4에 제1 유전체 층(160)을 디핑함으로써 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 에칭 단계는 건식 에칭 공정을 사용함으로써, 예를 들어 플루오르 가스(예를 들어, CH3F 또는 CF4) 및 산소 가스(예를 들어, O2)를 포함한 혼합 가스를 이용해 수행될 수 있다.
도 13a, 도 13b, 및 도 13c에 도시된 바와 같이, 메사(106)의 상단 부분은 에칭 단계에 의해 리세싱된다. 일부 실시예에서, 메사(106)는 실리콘으로 제조된다. 에칭 단계는 습식 에칭, 건식 에칭, 및/또는 반응성 이온 에칭(RIE; reactive ion etching)과 같은 기타 에칭을 포함한 임의의 적합한 에칭 공정을 사용할 수 있다. 하나의 실시예에서, 에칭 단계는 습식 에칭 공정을 사용함으로써, 예를 들어 KOH, EDP(ethylenediamine pyrocatechol), 또는 테트라메틸암모늄 히드록사이드(TMAH 또는 TMAOH)에 메사(106)를 디핑함으로써 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 에칭 단계는 건식 에칭 공정을 사용함으로써 수행될 수 있고, 예를 들어 건식 에칭 공정은 HBr, O2, Cl2, 및 CH4를 포함한 혼합 가스를 사용함으로써 수행될 수 있다.
도 14a, 도 14b, 및 도 14c에 도시된 바와 같이, 채널 층(128)이 제1 격리 특징부(112), 제2 격리 특징부(114), 및 메사(106) 위에 형성되며, 채널 층(128)은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 반도체 재료와 제2 반도체 재료는실리콘, 다이아몬드, 또는 게르마늄과 같은 적합한 원소 반도체; 갈륨 비소화물, 실리콘 카바이드, 인듐 비소화물, 또는 인듐 인화물과 같은 적합한 화합물 반도체; 실리콘 게르마늄 카바이드, 갈륨 비소 인화물, 또는 갈륨 인듐 인화물과 같은 적합한 합금 반도체; 또는 성능 향상을 위해 변형될 수 있는 에피텍셜 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 채널 층(128)은 게르마늄 또는 실리콘 게르마늄으로 제조된다.
도 15a, 도 15b, 및 도 15c와 도 3에서의 단계 380에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 제1 격리 특징부(112), 제2 격리 특징부(114), 및 메사(106) 위에 채널(108)을 형성함으로써 단계 380으로 이어지며, 채널(108)은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다. 채널 층(128)의 상단 부분은 채널(108)을 형성하도록 CMP에 의해 제거될 수 있다.
도 16a, 도 16b, 및 도 16c에 도시된 바와 같이, STI 구조(104)의 상단 부분은 채널(108)이 리세싱된 STI 구조(104)에 의해 커버되거나 둘러싸이게 되지 않도록 미리 결정된 두께로 리세싱된다.
도 17a, 도 17b, 및 도 17c에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 채널(108) 위에 배치된 게이트 유전체(116)를 형성하고, 게이트 유전체(116) 위에 배치된 게이트 전극(118)을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 먼저, 게이트 유전체 층(도시되지 않음)이 채널(108), 제1 격리 특징부(112), 제2 격리 특징부(114), 메사(106) 및 STI 구조(104) 위에 형성되고, 게이트 전극 층(도시되지 않음)이 게이트 유전체 층 위에 형성된다. 그 다음, 포토레지스트 층(도시되지 않음)이 스핀온 코팅과 같은 적합한 공정에 의해 게이트 전극 층 위에 형성되고, 적합한 리소그래피 패터닝 방법에 의해 게이트 전극 층 위에 패터닝된 포토레지스트 특징부(도시되지 않음)를 형성하도록 패터닝된다. 그 다음, 패터닝된 포토레지스트 특징부는 건식 에칭 공정을 사용하여 아래의 층(즉, 게이트 유전체 층 및 게이트 전극 층)에 전사될 수 있으며, 그리하여 게이트 유전체(116) 및 게이트 전극(118)을 포함하는 게이트 구조(120)를 형성할 수 있다.
방법(300)은 소스/드레인 영역, 컨택/비아, 상호접속 금속 층, 유전체 층, 패시베이션 층 등과 같은 다양한 특징부를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 캐리어 모빌리티를 개선하기 위해, 선택적으로 성장된 실리콘 게르마늄을 이용한 FinFET(200)의 리세싱된 소스/드레인(S/D) 부분에서의 변형 재료가 사용될 수 있다.
본 개시의 핀 구조 및 방법을 사용함으로써, 디바이스의 채널에 걸친 누설 전류가 잘 제어된다. 채널이 두꺼워질수록, 누설 전류는 더 높아지게 된다. 채널과 메사 사이에 배치되는 오목 형상의 특징부를 추가함으로써, 채널 두께는 더 얇아진다. 그 결과, 본 개시의 핀 구조 및 방법을 사용함으로써 누설 전류가 감소될 수 있다.
본 개시의 하나의 넓은 형태는 핀 구조를 포함한다. 핀 구조는 제1 반도체 재료를 갖는 메사, 메사 위에 배치된 채널 - 채널은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 가짐 - , 및 채널과 메사 사이에 배치된 볼록 형상의 특징부를 포함한다.
일부 실시예에서, 볼록 형상의 특징부는 단층 형상, 계단 형상 또는 사다리 형상이다.
일부 실시예에서, 볼록 형상의 특징부는 채널과 메사 사이에 배치된 제1 격리 특징부, 및 채널과 제1 격리 특징부 사이에 배치된 제2 격리 특징부를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 격리 특징부는 U 형상이다.
일부 실시예에서, 제2 격리 특징부는 직사각형 형상이다.
일부 실시예에서, 제2 격리 특징부의 일부는 채널에 둘러싸이고, 제2 격리 특징부의 다른 일부는 제1 격리 특징부에 둘러싸인다.
일부 실시예에서, 제1 격리 특징부의 두께는 약 1 nm 내지 약 10 nm의 범위이다.
일부 실시예에서, 제1 격리 특징부의 폭에 대한, 제1 격리 특징부의 높이의 비는 약 2 내지 약 99의 범위이다.
일부 실시예에서, 제2 격리 특징부의 폭에 대한, 제2 격리 특징부의 높이의 비는 약 1 내지 약 166의 범위이다.
일부 실시예에서, 제1 격리 특징부는 제1 유전체 재료를 갖고, 제2 격리 특징부는 제1 유전체 재료와 상이한 제2 유전체 재료를 갖는다.
일부 실시예에서, 제1 유전체 재료는 질화물을 포함한다.
일부 실시예에서, 제2 유전체 재료는 산화물을 포함한다.
본 개시의 다른 넓은 형태는 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET)를 포함한다. FinFET은 제1 반도체 재료를 갖는 메사, 메사 위에 배치된 채널 - 채널은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 가짐 - , 채널과 메사 사이에 배치된 U 형상의 특징부, 채널과 U 형상의 특징부 사이에 배치된 직사각형 형상의 특징부, 채널 위에 배치된 게이트 유전체 및 게이트 유전체 위에 배치된 게이트 전극을 포함한다.
일부 실시예에서, 직사각형 형상의 특징부의 일부는 채널에 둘러싸이고 직사각형 형상의 특징부의 다른 일부는 U 형상의 특징부에 둘러싸인다.
일부 실시예에서, U 형상의 특징부의 두께는 약 1 nm 내지 약 10 nm의 범위이다.
일부 실시예에서, U 형상의 특징부의 폭에 대한, U 형상의 특징부의 높이의 비는 약 2 내지 약 99의 범위이다.
일부 실시예에서, 직사각형 형상의 특징부의 폭에 대한, 직사각형 형상의 특징부의 높이의 비는 약 1 내지 약 166의 범위이다.
일부 실시예에서, U 형상의 특징부는 제1 유전체 재료를 갖고, 직사각형 형상의 특징부는 제1 유전체 재료와 상이한 제2 유전체 재료를 갖는다.
본 개시의 또 다른 넓은 형태는 핀 구조를 형성하는 방법을 포함한다. 방법은 제1 반도체 재료를 갖는 메사를 형성하고, 메사 위에 제1 격리 특징부를 형성하고, 제1 격리 특징부 위에 제2 격리 특징부를 형성하고, 제1 격리 특징부, 제2 격리 특징부 및 메사 위에 채널을 형성하는 것을 포함하며, 채널은 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는다.
일부 실시예에서, 제1 격리 특징부를 형성하고 제2 격리 특징부를 형성하는 것은, 메사에 오목 부분을 형성하고 - 오목 부분은 바닥 표면과 측벽을 가짐 - , 바닥 표면, 측벽, 메사, 및 STI 구조의 상부 표면 위에 제1 유전체 층을 형성하고 - 제1 유전체 층은 상부 표면 위의 상단 부분 및 상부 표면 아래의 하단 부분을 가짐 - , 제1 유전체 층 위에 제2 유전체 층을 형성하고 - 제2 유전체 층은 상부 표면 위의 상단 세그먼트 및 상부 표면 아래의 하단 세그먼트를 가짐 - , 제2 격리 특징부를 형성하도록 상단 세그먼트 및 하단 세그먼트의 일부를 제거하고, 제1 격리 특징부를 형성하도록 상단 부분 및 하단 부분의 일부를 제거하는 것을 포함하며, 제2 격리 특징부의 높이는 제1 격리 특징부의 높이보다 더 크다.
전술한 바는 당해 기술 분야에서의 숙련자들이 본 개시의 양상을 보다 잘 이해할 수 있도록 여러 실시예의 특징을 나타낸 것이다. 당해 기술 분야에서의 숙련자라면 여기에 소개된 실시예와 동일한 목적을 수행하고 그리고/또는 동일한 이점을 달성하도록 다른 프로세스 및 구조를 설계하거나 수정하기 위한 기반으로서 본 개시를 용이하게 사용할 수 있다는 것을 알아야 한다. 당해 기술 분야에서의 숙련자라면 또한 이러한 등가 구성이 본 개시의 사상 및 범위에서 벗어나지 않음을 알아야 하고, 본 개시의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고서 여기에 다양한 변경, 치환 및 대안을 행할 수 있다는 것을 알아야 한다.
100: 핀 구조 102: 기판
104: 격리 구조 106: 메사
108: 채널 110: 볼록 형상의 특징부
112: 제1 격리 특징부 114: 제2 격리 특징부
116: 게이트 유전체 118: 게이트 전극
104: 격리 구조 106: 메사
108: 채널 110: 볼록 형상의 특징부
112: 제1 격리 특징부 114: 제2 격리 특징부
116: 게이트 유전체 118: 게이트 전극
Claims (10)
- 핀 구조에 있어서,
제1 반도체 재료를 갖는 메사(mesa);
상기 메사 위에 배치된 채널 - 상기 채널은 상기 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 가짐 - ; 및
상기 채널과 상기 메사 사이에 배치된 볼록(convex) 형상의 특징부로서, 상기 볼록 형상의 특징부는 제1 격리 특징부(isolation feature)와 제2 격리 특징부를 포함하고, 상기 제1 격리 특징부는 U 형상이고 상기 제2 격리 특징부는 직사각형 형상인 것인, 상기 볼록 형상의 특징부를 포함하는 핀 구조. - 청구항 1에 있어서, 상기 볼록 형상의 특징부는 단차 형상(stepped-shaped), 계단 형상(stair-shaped), 또는 사다리 형상인 것인 핀 구조.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 격리 특징부는 상기 채널과 상기 메사 사이에 배치되고,
상기 제2 격리 특징부는 상기 채널과 상기 제1 격리 특징부 사이에 배치된 것인 핀 구조. - 청구항 3에 있어서, 상기 제2 격리 특징부의 일부는 상기 채널에 의해 둘러싸이고, 상기 제2 격리 특징부의 다른 일부는 상기 제1 격리 특징부에 의해 둘러싸이는 것인 핀 구조.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제1 격리 특징부의 두께는 1 nm 내지 10 nm의 범위인 것인 핀 구조.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제1 격리 특징부의 폭에 대한, 상기 제1 격리 특징부의 높이의 비(ratio)는 2 내지 99의 범위인 것인 핀 구조.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제2 격리 특징부의 폭에 대한, 상기 제2 격리 특징부의 높이의 비는 1 내지 166의 범위인 것인 핀 구조.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제1 격리 특징부는 제1 유전체 재료를 갖고, 상기 제2 격리 특징부는 상기 제1 유전체 재료와 상이한 제2 유전체 재료를 갖는 것인 핀 구조.
- 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET; fin field-effect transistor)에 있어서,
제1 반도체 재료를 갖는 메사;
상기 메사 위에 배치된 채널 - 상기 채널은 상기 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 가짐 - ;
상기 채널과 상기 메사 사이에 배치된 U 형상의 특징부;
상기 채널과 상기 U 형상의 특징부 사이에 배치된 직사각형 형상의 특징부;
상기 채널 위에 배치된 게이트 유전체; 및
상기 게이트 유전체 위에 배치된 게이트 전극을 포함하는 핀 전계 효과 트랜지스터(FinFET). - 핀 구조를 형성하는 방법에 있어서,
제1 반도체 재료를 갖는 메사를 형성하는 단계;
상기 메사 위에 제1 격리 특징부를 형성하는 단계;
상기 제1 격리 특징부 위에 제2 격리 특징부를 형성하는 단계; 및
상기 제1 격리 특징부, 상기 제2 격리 특징부, 및 상기 메사 위에 채널을 형성하는 단계로서, 상기 채널은 상기 제1 반도체 재료와 상이한 제2 반도체 재료를 갖는 것인, 상기 채널을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 격리 특징부는 U 형상이고, 상기 제 2 격리 특징부는 직사각형 형상인 것인, 핀 구조의 형성 방법.
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