KR20030086804A - Method of manufacturing an active layer and a method for manufacturing a MOS transistor using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating an active layer of a semiconductor device is provided to prevent a problem arising from germanium segregation by forming a high density germanium segregation layer on an interface between silicon germanium and an oxide so that the germanium segregation layer is used as a channel of a metal oxide semiconductor(MOS) transistor after a heat treatment process. CONSTITUTION: A silicon germanium layer(22) and a silicon layer are sequentially formed on a semiconductor substrate(21). The silicon layer is oxidized to form the germanium segregation layer(22a) on the silicon germanium layer. A heat treatment process is performed to uniformly distribute germanium of the germanium segregation layer.

Description

반도체 소자의 활성층 제조 방법 및 그를 이용한 모스 트랜지스터 제조 방법 {Method of manufacturing an active layer and a method for manufacturing a MOS transistor using the same}Method of manufacturing an active layer of a semiconductor device and a method of manufacturing a MOS transistor using the same {Method of manufacturing an active layer and a method for manufacturing a MOS transistor using the same}

본 발명은 반도체 소자의 활성층 제조 방법 및 그를 이용한 모스(MOS) 트랜지스터 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고농도의 게르마늄(Ge) 편석층을 채널로 이용하여 캐리어의 이동도를 향상시킨 실리콘 게르마늄(SiGe) 화합물을 이용한 반도체 소자의 활성층 및 그를 이용한 이종 구조의 모스 트랜지스터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an active layer of a semiconductor device and a method of manufacturing a MOS transistor using the same, and more particularly, silicon germanium having improved mobility of a carrier using a high concentration of germanium (Ge) segregation layer as a channel ( An active layer of a semiconductor device using a SiGe) compound and a method for producing a MOS transistor having a heterostructure using the same.

반도체 소자의 집적도 및 동작속도가 증가됨에 따라 실리콘(Si)을 채널로 이용하는 현재의 모스 트랜지스터(MOSFET)는 동작의 한계를 갖게 된다. 그래서 반도체 화합물인 실리콘 게르마늄(SiGe)을 채널로 이용하는 이종 구조(Hetero-structure)의 트랜지스터 제조에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.As the integration density and operation speed of semiconductor devices increase, current MOSFETs using silicon (Si) as a channel have limitations in operation. Therefore, studies on the fabrication of hetero-structure transistors using silicon germanium (SiGe) as a channel have been actively conducted.

모스 트랜지스터에서 운반자 역할을 하는 전자(Electron) 및 정공(Hole)은 실리콘(Si)보다 실리콘 게르마늄(SiGe)에서 빠른 이동도(Mobility)를 갖는다고 알려져 왔다. 또한, 실리콘 게르마늄(SiGe)의 이종 구조를 이용하면 운반자의 이동도를 향상시킬 수 있고, 단채널에서 야기되는 제반 문제점들을 해결할 수 있다고 보고되었다.Electrons and holes serving as carriers in MOS transistors have been known to have higher mobility in silicon germanium (SiGe) than silicon (Si). In addition, the heterogeneous structure of silicon germanium (SiGe) has been reported to improve the mobility of the carrier and to solve all problems caused by the short channel.

실리콘(Si)과 실리콘 게르마늄(SiGe)으로 이루어진 이종 구조에서는 에너지 밴드갭의 변형으로 운반자가 양자우물에 갇힌 상태에서 전기전도가 발생하므로 스케터링(Scattering)이 줄어들고 운반자의 이동도도 증가한다(IEEE Trans. on Electron Devices, 43(8), pp1224).In the heterogeneous structure composed of silicon (Si) and silicon germanium (SiGe), deformation of the energy band gap causes electrical conduction while the carrier is trapped in the quantum well, thus reducing scattering and increasing the mobility of the carrier ( IEEE Trans.on Electron Devices, 43 (8), pp 1224 ).

PMOS 트랜지스터는 통상적으로 Si/SiGe/Si 구조로 이루어지며, 스트레인(Strained)된 실리콘 게르마늄(SiGe)층이 정공이 감금(Confine)되는 채널로 이용된다. 이 경우 밸런스(Valence) 밴드의 채널에서 양자우물이 생성된다(IEEE Trans. on Electron Devices, 41(5), pp 857).PMOS transistors typically have a Si / SiGe / Si structure, and a strained silicon germanium (SiGe) layer is used as a channel in which holes are confined. In this case, a quantum well is generated in a channel of a balance band ( IEEE Trans.on Electron Devices, 41 (5), pp 857 ).

한편, NMOS 트랜지스터는 SiGe/Si/SiGe 혹은 Si/SiGe 구조로 이루어지며, 스트레인된 실리콘(Si)층이 채널로 이용된다. 이와 같은 채널은 특히, 표면층에 근접하게 위치할수록 상호 전도도(Trans-conductance; gm)가 향상된다고 보고되었다 (IEEE Electron Device Letters, 15(3), pp 100).Meanwhile, the NMOS transistor has a SiGe / Si / SiGe or Si / SiGe structure, and a strained silicon (Si) layer is used as a channel. Such a channel has been reported to improve in trans-conductance (gm), especially when located closer to the surface layer ( IEEE Electron Device Letters, 15 (3), pp 100 ).

실리콘 게르마늄(SiGe)의 이종 구조를 갖는 CMOS 소자의 개발을 위해 많은 연구가 행하여지고 있지만, NMOS와 PMOS 트랜지스터를 동시에 구현할 수 있는 구조가 제안되는 단계에 그치고 있다. 하나의 예로써 저농도의 게르마늄(Ge) 조성을 갖는 실리콘 게르마늄(SiGe)층을 기반으로 NMOS 소자에서는 실리콘(Si)층을, PMOS 소자에서는 고농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층을 채널로 이용하는 기술이 보고되었다(IEEE Trans. on Electron Devices, 43(8), pp1224). 또한, 이와 관련된 소자의 구조도 최근에 특허로 등록되었다(Fischer et al., 미국특허 U.S. 006111267A).Although much research has been conducted to develop a CMOS device having a heterogeneous structure of silicon germanium (SiGe), only a structure capable of simultaneously implementing an NMOS and a PMOS transistor is proposed. As an example, a technology using a silicon (Si) layer in an NMOS device and a high concentration of a silicon germanium (SiGe) layer in a PMOS device has been reported based on a silicon germanium (SiGe) layer having a low concentration of germanium (Ge). ( IEEE Trans.on Electron Devices, 43 (8), pp 1224 ). In addition, the structure of the device associated with it has also recently been registered as a patent ( Fischer et al., US patent US 006111267A ).

이와 같이 실리콘 게르마늄(SiGe)의 이종 구조를 갖는 모스 트랜지스터를 구현하기 위한 연구는 가속되고 있으나, 한편으로는 게르마늄(Ge) 편석(Segregation)으로 인해 발생되는 문제점이 커다란 장벽으로 부각되고 있다. 게르마늄(Ge) 편석은 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)의 엔탈피 차이에 의해 실리콘 게르마늄(SiGe) 화합물에서 게르마늄(Ge)이 일정량의 용해도를 갖고 나머지가 박막의 성장에 따라 표면에 쌓이는 현상으로, 에너지 장벽이 높지 않아 소정 온도 이상이 되면 급격하게 발생한다(Applied Physics Letter, 59(17), pp2103). 예를들어, 400℃ 이상의 온도에서 게르마늄(Ge)의 이동에 의해 편석이 발생하거나, 실리콘 게르마늄(SiGe)층을 산화시킬 때 산화물(SiO2)이 생성되면서 게르마늄(Ge)이 밀려나 산화물과 실리콘 게르마늄(SiGe)의 계면에 쌓인다.As such, research for realizing a MOS transistor having a heterogeneous structure of silicon germanium (SiGe) has been accelerated, but on the other hand, a problem caused by germanium (Ge) segregation is emerging as a large barrier. Germanium (Ge) segregation is a phenomenon in which germanium (Ge) has a certain amount of solubility in silicon germanium (SiGe) compounds due to the difference in enthalpy between silicon (Si) and germanium (Ge), and the rest accumulates on the surface as the thin film grows. When the energy barrier is not high and becomes above a predetermined temperature, it occurs suddenly ( Applied Physics Letter, 59 (17), pp 2103 ). For example, segregation occurs due to the movement of germanium (Ge) at a temperature of 400 ° C. or higher, or when the silicon germanium (SiGe) layer is oxidized, oxides (SiO 2 ) are generated, and germanium (Ge) is pushed out to form oxides and silicon germanium. Accumulate at the interface of (SiGe).

이와 같이 표면에 고농도로 존재하는 게르마늄(Ge) 편석은 소자의 특성에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 즉, 반도체와 산화물의 계면에 쌓인 게르마늄(Ge)은 계면 전하 역할을 하므로 운반자의 트랩(Trap) 역할을 하면서 소자의 특성을 저하시킨다. 이러한 문제는 게르마늄(Ge) 편석이 계면에 불균일하게 분포되고, 농도 분포의 중심이 계면에 있기 때문에 발생된다.As such, the high concentration of germanium (Ge) segregation on the surface adversely affects the properties of the device. That is, since germanium (Ge) accumulated at the interface between the semiconductor and the oxide plays a role of interfacial charge, it acts as a trap for the carrier and deteriorates the characteristics of the device. This problem occurs because germanium (Ge) segregation is unevenly distributed at the interface, and the center of the concentration distribution is at the interface.

게이트 산화막을 성장시킬 때 실리콘 게르마늄(SiGe)층에서 실리콘(Si)이 우선적으로 산화된다. 그리고 계면에 게르마늄(Ge)이 소정 두께 이상 쌓이게 되면 게르마늄(Ge)이 산화되기 시작한다(Journal of Applied Physics, 74(7), pp 4750). 게이트 산화막의 경우에는 매우 얇기 때문에 게르마늄(Ge)이 산화되기 전 단계 즉, 게르마늄(Ge)이 계면에 쌓이는(Pile up) 단계에 머물게 된다.When the gate oxide film is grown, silicon (Si) is preferentially oxidized in the silicon germanium (SiGe) layer. When germanium (Ge) is accumulated at a predetermined thickness or more at the interface, germanium (Ge) begins to be oxidized ( Journal of Applied Physics, 74 (7), pp 4750 ). In the case of the gate oxide film, since it is very thin, it remains in the stage before germanium (Ge) is oxidized, that is, the germanium (Ge) piles up at an interface.

게르마늄(Ge) 편석의 축적은 산화 온도, 게르마늄(Ge)의 조성, 산화 방법(건식 또는 습식) 등에 따라 달라진다(Journal of Applied Physics, 81(12), pp 8024). 박막의 성장 시 편석된 게르마늄(Ge)과 산화중에 밀려나 쌓인 게르마늄(Ge)으로 인해 계면에는 채널층보다 농도가 매우 높은 게르마늄(Ge)이 존재하게 된다. 이러한 게르마늄(Ge)의 농도 분포는 후속 열처리에 의해 농도의 최대값이 감소되면서 분포의 중심이 계면에서 채널쪽으로 이동한다고 최근 보고된 바 있다(Applied Physics Letter, 79(22), pp 3607). 이는 게르마늄(Ge) 편석이 채널에 기여할 가능성을 제시한다는 점에서 주목을 끈다.The accumulation of germanium segregation depends on oxidation temperature, composition of germanium (Ge), oxidation method (dry or wet), etc. ( Journal of Applied Physics, 81 (12), pp 8024 ). Due to the segregation of germanium (Ge) during the growth of the thin film and germanium (Ge) pushed out during oxidation, germanium (Ge) having a much higher concentration than the channel layer is present at the interface. This concentration distribution of germanium (Ge) has recently been reported that the center of the distribution moves from the interface toward the channel as the maximum value of the concentration is reduced by subsequent heat treatment ( Applied Physics Letter, 79 (22), pp 3607 ). This draws attention because it suggests that germanium (Ge) segregation may contribute to the channel.

고농도의 게르마늄(Ge)을 함유한 실리콘 게르마늄(SiGe)층의 역할은 다양하게 응용 가능하다는 사실이 부각되고 있다. 붕소(Boron)의 확산으로 인한 소자의 특성 저하를 막기 위해 실리콘 게르마늄(SiGe)층을 성장시키는 기술에 관한특허(Schmitzet al., 미국특허 U.S. 006271551B1)와, Ta2O5와 같은 금속산화물을 게이트 유전막으로 사용할 때 계면에 저유전막이 생성되지 않도록 게르마늄(Ge)층을 성장시켜 소자의 특성 향상을 이루는 기술에 관한 특허(Okunoet al., 미국특허 U.S. 006287903B1)가 있다. 따라서 실리콘 산화막을 유전막으로 사용할 때 계면에 축적되는 게르마늄(Ge)과는 달리 금속산화막과 같은 고유전막의 성장에서 게르마늄(Ge)의 긍정적인 역할이 기대된다.The role of the silicon germanium (SiGe) layer containing a high concentration of germanium (Ge) has been highlighted that a variety of applications. Patents related to the technology for growing a silicon germanium (SiGe) layer to prevent deterioration of the device due to the diffusion of boron (Schmitz et al., US Patent US 006271551B1 ) and metal oxides such as Ta 2 O 5 There is a patent (Okuno et al., US Pat . Therefore, unlike germanium (Ge) that accumulates at the interface when using a silicon oxide film as a dielectric film, a positive role of germanium (Ge) is expected in the growth of high-k dielectric films such as metal oxide film.

반도체와 산화막 계면에서의 게르마늄(Ge) 편석은 소자의 전기적 특성을 저하시킨다는 보고가 지배적이다. 현재 어느 정도 이상의 온도에서는 게르마늄(Ge) 편석의 생성을 억제시키기 매우 힘든 상황이고, 이러한 게르마늄(Ge) 편석은 실리콘 게르마늄(SiGe)의 이종 구조를 실현하는 데 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.Germanium (Ge) segregation at the interface between the semiconductor and the oxide film is predominantly reported to reduce the electrical characteristics of the device. At present, it is very difficult to suppress the formation of germanium (Ge) segregation at a certain temperature or more, and such germanium (Ge) segregation is the biggest obstacle to realizing heterogeneous structure of silicon germanium (SiGe).

따라서 본 발명은 산화 과정을 통해 실리콘 게르마늄(SiGe)과 산화물의 계면에 고농도의 게르마늄(Ge) 편석층이 생성되도록 하고 열처리하여 모스 트랜지스터의 채널로 이용하므로써 게르마늄(Ge) 편석으로 인한 문제를 해결할 뿐 아니라 나아가 향상된 특성을 갖는 모스(MOS) 트랜지스터를 제조할 수 있도록 한다.Therefore, the present invention only solves the problem due to germanium segregation by using high temperature germanium segregation layer at the interface between silicon germanium (SiGe) and oxide through oxidation and heat treatment to use as channel of MOS transistor. Furthermore, it is possible to manufacture MOS transistors having improved characteristics.

본 발명에 따르면 게르마늄(Ge) 편석에 의한 소자의 제반특성 저하가 방지될 뿐 아니라 고이동도의 채널이 형성되어 소자의 특성 향상을 이룰 수 있다. 따라서 기존의 실리콘 게르마늄(SiGe) 소자가 갖는 한계의 주 요인이었던 게르마늄(Ge) 편석 문제를 해결하고, 고농도의 게르마늄(Ge) 채널층을 구성하여 두가지 효과를 한꺼번에 얻을 수 있도록 한다. 이러한 실리콘 게르마늄(SiGe) 채널층을 PMOS와 NMOS 소자에 모두 적용하였다. 또한, 실리콘 게르마늄(SiGe)층 상에 실리콘 캡(Si cap)층을 형성하되, 실리콘 캡층의 두께를 조절하여 계면에서 게르마늄(Ge) 편석의 농도가 조절되도록 하고, 이를 통해 실리콘 게르마늄(SiGe) 채널의 농도와 두께 조절을 이루어 양자우물의 크기와 폭을 제어할 수 있도록 한다. 더 나아가서는 고농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층에 의해 붕소(B)의 확산이 방지되고, 고유전율 금속박막의 저유전층 생성이 방지되도록 하는 효과를 기대할 수 있게 한다.According to the present invention, not only the deterioration of the overall characteristics of the device due to germanium (Ge) segregation is prevented, but also a high mobility channel is formed, thereby improving the characteristics of the device. Therefore, it solves the germanium (Ge) segregation problem, which was the main factor of the limitation of the existing silicon germanium (SiGe) device, and configures a high concentration of germanium (Ge) channel layer to achieve two effects at once. This silicon germanium (SiGe) channel layer was applied to both PMOS and NMOS devices. In addition, a silicon cap layer is formed on the silicon germanium (SiGe) layer, and the thickness of the silicon cap layer is controlled so that the concentration of the germanium (Ge) segregation is controlled at the interface, and thus the silicon germanium (SiGe) channel. By adjusting the concentration and thickness of the quantum well to control the size and width. Furthermore, the high concentration of silicon germanium (SiGe) layer prevents the diffusion of boron (B), it is possible to expect the effect of preventing the generation of low dielectric layer of the high-k metal film.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 활성층 제조 방법은 반도체 기판 상에 실리콘 게르마늄층 및 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계, 상기 실리콘 게르마늄층의 상부에 게르마늄 편석층이 형성되도록 상기 실리콘층을 산화시키는 단계, 상기 게르마늄 편석층의 게르마늄 분포를 균일하게 하기 위해 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing an active layer of a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object, the step of sequentially forming a silicon germanium layer and a silicon layer on a semiconductor substrate, the silicon germanium segregation layer is formed on top of the silicon germanium layer Oxidizing the layer, heat treatment to uniformize the germanium distribution of the germanium segregation layer.

또한, 본 발명에 따라 제조된 활성층을 이용한 모스 트랜지스터 제조 방법은 반도체 기판 상에 실리콘 게르마늄층 및 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계, 게이트 산화막이 형성되는 동시에 상기 실리콘 게르마늄층의 상부에 게르마늄 편석층이 형성되도록 상기 실리콘층을 산화시키는 단계, 상기 게르마늄 편석층의 게르마늄 분포를 균일하게 하기 위해 열처리하는 단계, 상기 게이트 산화막 상에 폴리실리콘층을 형성한 후 패터닝하여 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극 양측벽에 스페이서를 형성한 후 노출된 상기 실리콘 게르마늄층에 불순물 이온을 주입하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of manufacturing a MOS transistor using an active layer manufactured according to the present invention, the step of sequentially forming a silicon germanium layer and a silicon layer on a semiconductor substrate, a gate oxide film is formed at the same time the germanium segregation layer on top of the silicon germanium layer Oxidizing the silicon layer so as to be formed, heat-treating it to make a germanium distribution of the germanium segregation layer uniform, forming a polysilicon layer on the gate oxide film, and then patterning to form a gate electrode, the gate electrode And forming a source and a drain by implanting impurity ions into the exposed silicon germanium layer after forming spacers on both side walls.

상기 실리콘 게르마늄층 및 실리콘층은 다중 구조로 형성하며, 상기 산화 공정 시 상기 실리콘층의 일부 두께만 산화시키는 것을 특징으로 한다.The silicon germanium layer and the silicon layer may be formed in a multi-structure, and oxidize only a partial thickness of the silicon layer during the oxidation process.

또한, 상기 실리콘 게르마늄층의 게르마늄 농도는 5 내지 20at%인 것을 특징으로 하며, 상기 게르마늄 편석층의 두께는 상기 실리콘층의 두께, 산화 시간 및 온도에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다. 이는 실리콘층이 게르마늄의 편석에 대한 장벽으로 작용하기 때문이다.In addition, the germanium concentration of the silicon germanium layer is characterized in that 5 to 20at%, the thickness of the germanium segregation layer is characterized by the thickness, oxidation time and temperature of the silicon layer. This is because the silicon layer acts as a barrier to segregation of germanium.

상기 게르마늄 편석층의 게르마늄 농도는 10 내지 100at%이며, 상기 실리콘층의 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.The germanium concentration of the germanium segregation layer is 10 to 100 at%, characterized in that determined by the thickness of the silicon layer.

도 1은 게르마늄(Ge)의 농도 분포를 설명하기 위한 소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a device for explaining the concentration distribution of germanium (Ge).

도 2a는 실리콘 캡층을 형성하지 않은 경우 게르마늄(Ge)의 농도 분포를 도시한 그래프도.Figure 2a is a graph showing the concentration distribution of germanium (Ge) when the silicon cap layer is not formed.

도 2b 및 도 2c는 실리콘 캡층을 형성한 경우 게르마늄(Ge)의 농도 분포를 도시한 그래프도.2B and 2C are graphs showing the concentration distribution of germanium (Ge) when the silicon cap layer is formed.

도 3은 열처리 전후의 게르마늄(Ge) 농도 분포를 도시한 그래프도.3 is a graph showing the distribution of germanium (Ge) concentration before and after heat treatment.

도 4는 실리콘 게르마늄(SiGe) 이종 구조에서 게이트 산화막 형성시 발생하는 게르마늄(Ge)의 축적 현상을 설명하기 위한 단면도.4 is a cross-sectional view illustrating a phenomenon in which germanium (Ge) accumulates when a gate oxide film is formed in a hetero structure of silicon germanium (SiGe).

도 5는 본 발명에서 제시하는 고농도의 게르마늄(Ge) 채널을 갖는 PMOSFET의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.5 is a cross-sectional view of a device for explaining a method of manufacturing a PMOSFET having a high concentration of germanium (Ge) channels according to the present invention.

도 6은 도 5에 도시된 트랜지스터의 에너지 밴드를 도시한 그래프도.FIG. 6 is a graph illustrating an energy band of the transistor illustrated in FIG. 5.

도 7은 본 발명에서 제시하는 고농도의 게르마늄(Ge) 채널을 갖는 NMOSFET의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.7 is a cross-sectional view of a device for explaining a method of manufacturing an NMOSFET having a high concentration of germanium (Ge) channel according to the present invention.

도 8은 도 7에 도시된 트랜지스터의 에너지 밴드를 도시한 그래프도.FIG. 8 is a graph showing an energy band of the transistor shown in FIG. 7. FIG.

도 9는 열처리 온도와 시간의 변화에 따른 편석된 실리콘 게르마늄(SiGe)층의 두께와 농도 변화를 도시한 그래프도.9 is a graph showing the thickness and concentration change of the segregated silicon germanium (SiGe) layer with the change of heat treatment temperature and time.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1, 11, 21 및 31: 실리콘 기판1, 11, 21, and 31: silicon substrate

2, 12, 22 및 32: 실리콘 게르마늄(SiGe)층2, 12, 22, and 32: silicon germanium (SiGe) layers

2a, 12a, 22a 및 32a: 게르마늄(Ge) 편석층2a, 12a, 22a, and 32a: germanium (Ge) segregation layer

3 및 23: 실리콘 캡층3a: 산화막3 and 23: silicon cap layer 3a: oxide film

13, 23a 및 33a: 게이트 산화막24 및 34: 게이트 전극13, 23a and 33a: gate oxide films 24 and 34: gate electrode

25 및 35: 스페이서26 및 36: 소스/드레인25 and 35: spacers 26 and 36: source / drain

27: 정공33: 실리콘층27: hole 33: silicon layer

39: 전자39: electronic

본 발명은 게르마늄(Ge) 편석을 이용하여 고농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)으로 이루어진 채널을 구현한다. 이를 위해서는 게르마늄(Ge) 편석의 생성을 제어할 수 있는 기술이 필요한데, 증착온도, 유량 및 압력, 증착 시의 수소 분위기와 분압 등이 게르마늄(Ge) 편석의 농도와 분포를 결정할 수 있는 요인이 되겠지만, 최적화된 공정에서 이들을 변화시키기 위해서는 다소의 어려움이 따른다.The present invention implements a channel made of high concentration of silicon germanium (SiGe) using germanium (Ge) segregation. This requires a technique that can control the formation of germanium segregation. Deposition temperature, flow rate and pressure, hydrogen atmosphere and partial pressure during deposition will be factors that can determine the concentration and distribution of germanium segregation. However, there are some difficulties in changing these in an optimized process.

따라서 본 발명에서는 실리콘 게르마늄(SiGe)층 상에 실리콘 캡층을 성장시키고, 실리콘 캡층의 두께 조절을 통해 게르마늄(Ge) 편석의 농도를 조절할 수 있도록 한다.Therefore, in the present invention, the silicon cap layer is grown on the silicon germanium (SiGe) layer, and the concentration of the germanium (Ge) segregation may be adjusted by controlling the thickness of the silicon cap layer.

도 1a는 게르마늄(Ge)의 농도 분포를 확인하기 위해 실리콘(Si) 기판(1) 위에 실리콘 게르마늄(SiGe)층(2) 및 실리콘 캡층(3)을 순차적으로 형성한 상태의 단면도로서, 실리콘 게르마늄(SiGe)층(2)은 30torr의 압력 및 600℃의 온도에서, 실리콘 캡층(3)은 30torr의 압력 및 700℃의 온도에서 각각 RPCVD(Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition)법으로 형성한다.FIG. 1A is a cross-sectional view of a silicon germanium (SiGe) layer 2 and a silicon cap layer 3 sequentially formed on a silicon (Si) substrate 1 to confirm a concentration distribution of germanium (Ge). The (SiGe) layer 2 is formed at a pressure of 30 torr and a temperature of 600 ° C., and the silicon cap layer 3 is formed by a reduced pressure chemical vapor deposition (RPCVD) method at a pressure of 30 tor and a temperature of 700 ° C., respectively.

도 1b는 상기 실리콘 캡층(3)을 산화시켜 산화막(3a)을 형성한 상태의 단면도인데, 산화 과정에서 상기 실리콘 게르마늄(SiGe)층(2)의 상부에 게르마늄(Ge) 편석층(2a)이 생성된다.FIG. 1B is a cross-sectional view of a state in which an oxide film 3a is formed by oxidizing the silicon cap layer 3, wherein a germanium segregation layer 2a is formed on the silicon germanium (SiGe) layer 2 during the oxidation process. Is generated.

도 2a는 도 1a의 구조에서 실리콘 캡층(3)을 형성하지 않고 산화 공정을 실시한 후 표면분석기기(Secondary Ion-Mass Spectrometer; SIMS)를 이용하여 실리콘 게르마늄(Ge)층(2)에서의 게르마늄(Ge) 농도 분포를 분석한 결과를 도시한 그래프로서, 이 경우 게르마늄(Ge)의 조성이 20at% 정도로 비교적 저농도이며(선 A), 계면(선 B)에 70at% 농도의 게르마늄(Ge)이 편석되어 매우 뾰족한 최대치(Peak) 분포를 보인다.FIG. 2A illustrates the germanium in the silicon germanium (Ge) layer 2 using a surface ion analyzer (SIM) after performing an oxidation process without forming the silicon cap layer 3 in the structure of FIG. 1A. Ge is a graph showing the result of analyzing the concentration distribution. In this case, the composition of germanium (Ge) is relatively low at 20at% (line A), and the germanium (Ge) of 70at% concentration is segregated at the interface (line B). This results in a very sharp peak distribution.

한편, 인(Phosphorus)이 도핑된 경우에는 80 내지 90at% 정도로 농도가 향상됨을 관찰할 수 있었는데, 게르마늄(Ge) 편석의 에너지 장벽을 낮추는 데 인(P)이 영향을 미치는 것으로 판단된다. 유사한 예로써, 최근에 안티몬(Sb)의 표면 편석에 대한 에너지 장벽이 게르마늄(Ge)의 존재 유무에 따라 변화한다는 보고가 있었다(Journal of Crystal Growth, 201/202, pp 560). 이러한 게르마늄(Ge) 농도 분포의 중심은 반도체와 산화막 계면의 중심과 일치하므로 계면의 고에너지 상태에 게르마늄(Ge)이 결합되어 있음을 알 수 있다.On the other hand, when the phosphorus (Phosphorus) is doped it was observed that the concentration is improved to about 80 to 90 at%, it is determined that phosphorus (P) has an effect on lowering the energy barrier of germanium (Ge) segregation. As a similar example, it has recently been reported that the energy barrier to surface segregation of antimony (Sb) changes depending on the presence or absence of germanium (Ge) ( Journal of Crystal Growth, 201/202, pp 560 ). Since the center of the germanium (Ge) concentration distribution coincides with the center of the semiconductor and the oxide film interface, it can be seen that the germanium (Ge) is bonded to the high energy state of the interface.

도 2b는 도 1a에서 실리콘 캡층(3)을 5nm의 두께로 형성하고 산화 공정을 실시한 후 표면분석기기(SIMS)를 이용하여 실리콘 게르마늄(Ge)층(2)에서의게르마늄(Ge) 농도 분포를 분석한 결과를 도시한 그래프로서, 실리콘 게르마늄(SiGe)층(2)과 산화막(3a)의 계면(선 C)에 50at% 정도의 게르마늄(Ge)이 편석되어 있음을 알 수 있다. 이는 실리콘 캡층(3)의 두께 조절을 통해 계면에서의 게르마늄(Ge) 편석량을 조절할 수 있다는 가능성을 제시하는 측면에서 매우 중요한 결과로 볼 수 있다. 이 경우에도 편석된 게르마늄(Ge) 농도의 최대치가 계면의 중심에 위치함을 알 수 있으며, 매우 뾰족한 최대치 분포를 보여준다.FIG. 2B is a graph illustrating the germanium (Ge) concentration distribution in the silicon germanium (Ge) layer 2 using a surface analyzer (SIMS) after forming the silicon cap layer 3 to a thickness of 5 nm and performing an oxidation process in FIG. As a graph showing one result, it can be seen that about 50 at% of germanium (Ge) is segregated at the interface (line C) of the silicon germanium (SiGe) layer 2 and the oxide film 3a. This is a very important result in terms of suggesting the possibility of controlling the amount of segregation of germanium (Ge) at the interface by adjusting the thickness of the silicon cap layer (3). In this case, it can be seen that the maximum value of segregated germanium (Ge) concentration is located at the center of the interface, and shows a very sharp maximum distribution.

도 2c는 도 1에서 실리콘 캡층(3)을 10nm의 두께로 형성하고 산화 공정을 실시한 후 표면분석기기(SIMS)를 이용하여 실리콘 게르마늄(Ge)층(2)에서의 게르마늄(Ge) 농도 분포를 분석한 결과를 도시한 그래프로서, 이 경우 표면(선 D)에 편석된 게르마늄(Ge)의 양은 10at% 정도로 오히려 하부의 실리콘 게르마늄(SiGe)층(2)의 20at%보다 더 낮은 수치를 나타낸다. 역시 뾰족한 최대치 분포를 보여주고 있으며, 분포의 중심도 계면에 위치한다.FIG. 2C illustrates the distribution of germanium (Ge) concentration in the silicon germanium (Ge) layer 2 using a surface analyzer (SIMS) after forming the silicon cap layer 3 to a thickness of 10 nm and performing an oxidation process in FIG. 1. As a graph showing the results of the analysis, in this case, the amount of germanium (Ge) segregated on the surface (line D) is lower than about 20 at% of the lower silicon germanium (SiGe) layer (2). It also shows a sharp peak distribution, and the center of the distribution is also located at the interface.

도 2a 내지 도 2c의 결과를 통해 알 수 있듯이 0 내지 10nm 정도의 비교적 얇은 두께를 갖는 실리콘 캡층(3)으로 게르마늄(Ge) 편석의 농도를 조절할 수 있었으며, 붕소(B) 또는 인(P)과 같은 도펀트에 의해 상당한 영향을 받음을 알 수 있다.As can be seen from the results of FIGS. 2A to 2C, the concentration of germanium segregation was controlled by a silicon cap layer 3 having a relatively thin thickness of about 0 to 10 nm, and boron (B) or phosphorus (P) and It can be seen that the same dopant is significantly affected.

도 3은 게르마늄(Ge) 편석이 실리콘 게르마늄(SiGe)층(2)과 산화막(3a)의 계면 중심에 불균일하게 분포하기 때문에 게르마늄(Ge) 농도의 최대치 중심을 이동시키기 위해 후속 열처리를 행하는 경우 열처리 전후의 농도 최대치 분포를 나타낸다. 이는 최근의 논문을 통해 확인된 것으로(Applied Physics Letter, 79(22), pp3607), 열처리 전 게르마늄(Ge)의 농도 분포(선 E)의 최대치 중심이 열처리 후에는 분포(선 F)와 같이 채널쪽으로 이동하며, 최대치의 농도는 다소 낮아지고 최대치의 양상도 둥근 모양으로 변한 것을 관찰할 수 있다. 정확한 조절을 위해 후속 열처리는 인-시투(In-situ)로 하는 것이 바람직하지만, 후속 모스 소자의 제조 공정에서 실리사이드(Silicide)를 생성하거나 도펀트를 활성화시키는 과정에서 불가피하게 열처리 효과가 나타나기도 한다. 열처리 후 고농도의 게르마늄(Ge) 분포는 균일해지며, 고이동도의 양자우물 채널로의 응용 가능성도 한층 높아진다.3 is a heat treatment when subsequent heat treatment is performed to shift the maximum center of germanium (Ge) concentration because germanium (Ge) segregation is unevenly distributed at the interface center between the silicon germanium (SiGe) layer 2 and the oxide film 3a. The concentration maximum distribution before and after is shown. This was confirmed by a recent paper ( Applied Physics Letter, 79 (22), pp3607 ), where the center of the maximum concentration distribution of germanium (Ge) before heat treatment (line E) is the same as the channel after heat treatment (line F). Moving toward, the concentration of the maximum is somewhat lowered and the pattern of the maximum is changed to a round shape. Subsequent heat treatment is preferred to be in-situ for accurate control. However, heat treatment may be inevitable in the process of generating silicide or activating the dopant in a subsequent manufacturing process of the MOS device. After heat treatment, the high concentration of germanium (Ge) distribution becomes uniform, and the possibility of application to the high mobility quantum well channel is further increased.

도 4는 실리콘 기판(11) 상에 실리콘 게르마늄(SiGe)층(12)이 적층된 구조의 실리콘 게르마늄(SiGe) 이종 구조에서 게이트 산화막(13) 형성 시 발생하는 게르마늄(Ge)(12a)의 축적(Pile up) 현상을 단면으로 보여주고 있다. 여기서 게이트 산화막(13)으로는 실리콘 산화막(SiO2) 또는 금속 산화막을 이용한다.4 shows accumulation of germanium (Ge) 12a generated when the gate oxide layer 13 is formed in a silicon germanium (SiGe) heterostructure in which a silicon germanium (SiGe) layer 12 is stacked on the silicon substrate 11. (Pile up) The phenomenon is shown in cross section. Here, the silicon oxide film (SiO 2 ) or the metal oxide film is used as the gate oxide film 13.

실리콘 게르마늄(SiGe) 박막의 성장 시 편석되는 게르마늄(Ge)과 마찬가지로 실리콘 산화막(SiO2)을 성장시킬 때에도 게르마늄(Ge)은 계면으로 밀려 쌓이게 되고, 어느 정도의 두께가 되면 실리콘 게르마늄(SiGe)층 상부에 게르마늄 산화막(GeO2)이 생성된다. 게르마늄 산화막(GeO2)의 생성에 필요한 산화막의 두께는 습식산화보다 건식산화 시 두꺼워야 하고, 게이트 산화막의 경우에는 두께가 얇기 때문에 게르마늄(Ge)이 축적되는 상태로 남게 된다. 이러한 산화막 성장 시의 게르마늄(Ge) 축적은 게르마늄(Ge)의 농도를 더욱 높게 만드는 요인이 된다. 게르마늄(Ge)의 축적 현상은 산화온도, 산화방법(건식, 습식, 오존, 플라즈마), 게르마늄(Ge)의 조성, 산화막의 두께에 따라 그 정도가 다르게 나타나며, 이에 대한 예측도 매우 필요한 실정이다.Like germanium (Ge) that is segregated during the growth of a silicon germanium (SiGe) thin film, when growing a silicon oxide film (SiO 2 ), the germanium (Ge) is pushed to the interface, the silicon germanium (SiGe) layer at a certain thickness A germanium oxide film GeO 2 is formed on the top. The thickness of the oxide film required to generate the germanium oxide film (GeO 2 ) should be thicker when dry oxidation than wet oxidation, and in the case of the gate oxide film, the thickness of the oxide film is thin so that germanium (Ge) remains. The accumulation of germanium (Ge) during the oxide film growth becomes a factor that makes the concentration of germanium (Ge) higher. The accumulation of germanium (Ge) varies depending on the oxidation temperature, oxidation method (dry, wet, ozone, plasma), the composition of germanium (Ge), and the thickness of the oxide film, and prediction of this is very necessary.

도 5a 내지 도 5b는 본 발명에서 제시하는 고농도의 게르마늄(Ge) 채널을 갖는 PMOSFET의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.5A to 5B are cross-sectional views of devices for explaining a method of manufacturing a PMOSFET having a high concentration of germanium (Ge) channels according to the present invention.

도 5a는 실리콘 기판(21) 상에 게르마늄(Ge)의 조성이 일정한 저농도, 예를들어, 5 내지 20at% 농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층(22) 및 실리콘 캡층(23)을 순차적으로 형성한 상태의 단면도이다.FIG. 5A illustrates that a germanium (SiGe) layer 22 and a silicon cap layer 23 are sequentially formed on a silicon substrate 21 at a low concentration, for example, at a concentration of 5 to 20 at%. It is a cross section of the condition.

도 5b는 실리콘 캡층(23)을 산화시켜 게이트 산화막(23a)을 형성한 상태의 단면도로서, 산화 과정에서 실리콘 게르마늄(SiGe)층(22)의 상부에 고농도의 게르마늄(Ge) 편석층(22a)이 생성되는데, 이때, 게르마늄(Ge) 편석층(22a)의 게르마늄(Ge) 농도는 10 내지 100at% 정도로 고농도가 된다.FIG. 5B is a cross-sectional view of a state in which the gate oxide film 23a is formed by oxidizing the silicon cap layer 23, and a high concentration of germanium (Ge) segregation layer 22a is formed on the silicon germanium (SiGe) layer 22 during the oxidation process. In this case, the germanium (Ge) concentration of the germanium (Ge) segregation layer 22a becomes high at about 10 to 100 at%.

이후, 후속 열처리를 실시하여 게르마늄(Ge) 편석의 분포가 균일해지도록 한다.Subsequently, subsequent heat treatment is performed to make the distribution of germanium (Ge) segregation uniform.

도 5c는 게이트 산화막(23a) 상에 폴리실리콘층을 형성한 후 패터닝하여 게이트 전극(24)을 형성하고, 게이트 전극(24)의 양측벽에 스페이서(25)를 형성한 다음 노출된 부분의 실리콘 게르마늄(SiGe)층(22)에 불순물 이온을 주입하여 소스/드레인(26)을 형성한 상태의 단면도이다.FIG. 5C illustrates the gate electrode 24 by forming and patterning a polysilicon layer on the gate oxide layer 23a, forming spacers 25 on both sidewalls of the gate electrode 24, and then exposing the silicon. It is sectional drawing of the state in which the source / drain 26 was formed by injecting impurity ion into the germanium (SiGe) layer 22. FIG.

상기와 같이 제조된 트랜지스터는 고농도의 게르마늄(Ge) 편석층(22a)을 채널로 이용한다. 따라서 저농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층(22)의 두께는 매우 얇아야 하며, 고농도의 게르마늄(Ge) 편석층(22a)에서 양자우물 효과가 충분히 나타나도록 해야 한다. 선행특허에 의하면 게이트 산화막(23a)으로 금속 산화막을 이용한 경우 게르마늄(Ge) 편석층(22a)에 의해 저유전막의 생성이 억제된다는 보고가 있었으므로 이와 같은 구조에서 이런 효과를 기대할 수 있다.The transistor manufactured as described above uses a high concentration of the germanium (Ge) segregation layer 22a as a channel. Therefore, the thickness of the low concentration silicon germanium (SiGe) layer 22 should be very thin, and the high concentration of the germanium (Ge) segregation layer 22a should be sufficiently exhibited the quantum well effect. According to the prior patent, when the metal oxide film is used as the gate oxide film 23a, the formation of the low dielectric film is suppressed by the germanium (Ge) segregation layer 22a, so such an effect can be expected in such a structure.

도 6은 도 5c와 같이 산화막/실리콘 게르마늄(SiGe) 채널/실리콘 기판으로 이루어지는 구조에서의 에너지 밴드를 나타낸 것으로, 밸런스 밴드(Valence band)에서의 양자우물 형성으로 정공(27)이 우물에 갇혀서 전도되는 모습을 보여준다. 이런 구조가 가능하려면 실리콘 게르마늄(SiGe)층은 응력이 이완되지 않은 상태로 존재해야 한다. 고농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층에서 우물의 깊이가 더 깊고 저농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층의 존재로 약간 늘어지는 양상을 보여준다. 따라서 저농도 실리콘 게르마늄(SiGe)층의 두께를 줄이는 것이 중요하다. 이 소자에서는 게르마늄(Ge)이 70at% 이상 함유되어 물질 자체에서의 운반자 이동이 증가할 뿐 아니라 양자우물에 제한되어 운반자의 산란이 줄어들고, 또한 전도 채널의 위치가 표면에 근접하여 전류의 유도 능력이 커져 상호 전도도(gm)와 차단 주파수(fT)의 향상을 꾀할 수 있다.FIG. 6 shows an energy band in a structure consisting of an oxide film / silicon germanium (SiGe) channel / silicon substrate as shown in FIG. 5C. The hole 27 is confined in the well by conducting quantum well formation in a balance band. Show the appearance. To achieve this structure, the silicon germanium (SiGe) layer must be in an unstressed state. The wells in the high concentration of silicon germanium (SiGe) layers are deeper and slightly sag due to the presence of low concentrations of silicon germanium (SiGe) layers. Therefore, it is important to reduce the thickness of the low concentration silicon germanium (SiGe) layer. This device contains more than 70 at% of germanium (Ge), which not only increases the transport of carriers in the material itself, but is also limited to quantum wells, reducing scattering of the carriers, and the conduction channel's position close to the surface, leading to the ability to induce current. It can be increased to improve the mutual conductivity (gm) and the cutoff frequency (f T ).

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에서 제시하는 고농도의 게르마늄(Ge) 채널을 갖는 NMOSFET의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.7A to 7C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an NMOSFET having a high concentration germanium (Ge) channel according to the present invention.

도 7a는 실리콘 기판(31) 상에 저농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층(32) 및 스트레인된 실리콘층(33)을 순차적으로 형성한 상태의 단면도로서, 이때, 실리콘 게르마늄(SiGe)층(32) 및 실리콘층(33)을 다중 구조로 형성할 수도 있다.FIG. 7A is a cross-sectional view of a low-concentration silicon germanium (SiGe) layer 32 and a strained silicon layer 33 sequentially formed on the silicon substrate 31, wherein the silicon germanium (SiGe) layer 32 is formed. And the silicon layer 33 may be formed in a multiple structure.

실리콘 게르마늄(SiGe)층(32)은 응력 완화된 완충층 역할을 할 수 있을 정도의 두께로 형성해야 한다. 실제의 실험에서는 200nm 정도의 얇은 두께를 성장시킬 수 있었다.The silicon germanium (SiGe) layer 32 should be formed to a thickness sufficient to serve as a stress relaxation buffer layer. In the actual experiment, a thin thickness of about 200 nm could be grown.

도 7b는 실리콘층(33)의 일부를 산화시켜 게이트 산화막(33a)을 형성한 상태의 단면도로서, 산화 과정에서 실리콘 게르마늄(SiGe)층(32)의 상부에 고농도의 게르마늄(Ge) 편석층(32a)이 생성되는데, 이후 후속 열처리를 실시하여 게르마늄(Ge) 편석의 분포가 균일해지도록 한다.FIG. 7B is a cross-sectional view of a state in which a part of the silicon layer 33 is oxidized to form a gate oxide film 33a, and a high concentration of germanium (Ge) segregation layer (top) of the silicon germanium (SiGe) layer 32 during the oxidation process. 32a) is generated, followed by subsequent heat treatment to ensure uniform distribution of germanium (Ge) segregation.

도 7c는 게이트 산화막(33a) 상에 폴리실리콘층을 형성한 후 패터닝하여 게이트 전극(34)을 형성하고, 게이트 전극(34)의 양측벽에 스페이서(35)를 형성한 다음 노출된 부분의 실리콘층(33) 및 실리콘 게르마늄(SiGe)층(32)에 불순물 이온을 주입하여 소스/드레인(36)을 형성한 상태의 단면도이다.FIG. 7C illustrates a gate electrode 34 by forming and patterning a polysilicon layer on the gate oxide layer 33a, forming spacers 35 on both sidewalls of the gate electrode 34, and then exposing silicon. It is sectional drawing of the state in which the source / drain 36 was formed by injecting impurity ions into the layer 33 and the silicon germanium (SiGe) layer 32. FIG.

상기와 같이 이루어진 트랜지스터는 채널로 이용되는 실리콘층(33)에서 전자의 전도가 이루어진다.In the transistor formed as described above, electrons are conducted in the silicon layer 33 used as a channel.

도 8은 도 7c와 같이 산화막/실리콘(Si) 채널/실리콘 기판으로 이루어지는 구조에서의 에너지 밴드를 나타낸 것으로, 전도 밴드(Conduction band)에서 양자우물이 생성되고 전자(39)가 이 우물에 제한되어 전도가 발생한다. 이 경우에도 비교적 채널이 표면에 근접되어 있어서 전류의 유도 능력이 뛰어나리라 판단된다. 본 발명에서 제안하는 이와 같은 구조의 소자에서는 채널로 이용되는 실리콘(Si)층(33)의 두께를 얼마나 줄일 수 있느냐가 소자의 특성을 좌우하는 큰 관건이 될 것이다.FIG. 8 illustrates an energy band in a structure consisting of an oxide film / silicon channel / silicon substrate as shown in FIG. 7C, in which a quantum well is generated in a conduction band and electrons 39 are limited to the well. Conduction occurs. Even in this case, the channel is relatively close to the surface, so it is judged that the current inducing ability is excellent. In the device having such a structure proposed by the present invention, how much the thickness of the silicon (Si) layer 33 used as a channel can be a key factor in determining the characteristics of the device.

도 9는 열처리 온도와 시간의 변화에 따른 편석된 고농도 실리콘 게르마늄(SiGe)층의 두께와 농도 변화를 도시한 그래프로서, 고온의 열처리를 장시간 실시하면 고농도 실리콘 게르마늄(SiGe)층의 농도 중심이 아래로 이동하고 농도의 최대치도 낮아지는 경향을 갖는다(선 G, H, I). 실리콘 게르마늄(SiGe)의 이종 구조를 이용하여 NMOSFET 또는 PMOSFET을 구현하고자 할 때 조건에 따라서 두꺼운 실리콘 게르마늄(SiGe)층이 필요하기도 하고 농도가 높은 실리콘 게르마늄(SiGe)층이 필요하기도 하다. 그러므로 원하는 두께와 농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층을 형성하기 위해서는 열처리 시간과 온도 변화에 따른 두께와 농도의 변화에 대한 데이터가 충분히 확보되어야 한다. 이때, 스트래인된 구조들이 응력 완화되지 않도록 열처리 조건을 조절하는 것도 중요하다.9 is a graph showing the thickness and concentration change of the segregated high concentration silicon germanium (SiGe) layer with the change of the heat treatment temperature and time, the concentration center of the high concentration silicon germanium (SiGe) layer is lowered when the high temperature heat treatment is performed for a long time. It tends to migrate to and the maximum concentration is also lower (lines G, H, I). When implementing a NMOSFET or a PMOSFET using a heterogeneous structure of silicon germanium (SiGe), a thick silicon germanium (SiGe) layer may be required depending on conditions, and a high concentration of silicon germanium (SiGe) layer may be required. Therefore, in order to form a silicon germanium (SiGe) layer having a desired thickness and concentration, sufficient data on the thickness and concentration change according to the heat treatment time and temperature change should be obtained. At this time, it is also important to adjust the heat treatment conditions so that the strained structures do not relieve stress.

상술한 바와 같이 본 발명은 실리콘 게르마늄(SiGe) 이종 구조의 MOSFET에서 문제되는 게르마늄(Ge) 편석 현상을 이용하여 고 이동도의 채널을 구현한다. 기존에는 게르마늄(Ge) 편석으로 인한 소자의 특성 저하를 방지하기 위해 편석 현상의 발생을 감소시키거나 피하는 방향으로 연구가 진행되었으나, 본 발명에서는 게르마늄(Ge) 편석을 이용하여 보다 나은 특성을 갖는 소자를 제조할 수 있도록 한다. 본 발명에서는 실리콘 캡층의 두께 조절에 따라 게르마늄(Ge) 편석의 농도가 조절되고, 붕소(B) 또는 인(P)과 같은 도펀트가 게르마늄(Ge) 편석에 영향을 미칠 수 있다는 사실을 확인하였다. 따라서 게르마늄(Ge) 편석량에 영향을 미치는 요인들을 조절하므로써 이를 제어할 수 있다.As described above, the present invention implements a channel of high mobility by using germanium (Ge) segregation which is a problem in a silicon germanium (SiGe) heterostructure MOSFET. Conventionally, research has been conducted to reduce or avoid occurrence of segregation in order to prevent deterioration of the device due to germanium (Ge) segregation, but in the present invention, a device having better characteristics using germanium (Ge) segregation To be prepared. In the present invention, the concentration of the germanium (Ge) segregation is adjusted according to the thickness control of the silicon cap layer, and it was confirmed that dopants such as boron (B) or phosphorus (P) may affect the germanium (Ge) segregation. Therefore, this can be controlled by controlling factors influencing the amount of segregation of germanium (Ge).

후속 열처리 시간과 온도의 조절에 의해 게르마늄(Ge) 농도의 중심 위치와 최대치 분포의 제어가 가능해진다. 이와 같이 얻어진 고농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층은 PMOSFET에서의 채널층이나 NMOSFET에서의 계면 바로 아래층의 다양한 용도에 맞게 두께나 농도량이 결정된다. 마지막으로 기대되는 효과는 기존에 고농도의 실리콘 게르마늄(SiGe)층이 붕소(B)의 확산 방지막으로 쓰이거나 고유전 금속 산화막에서 저유전막 형성 방지층으로 사용될 수 있다는 보고가 있었으므로 이런 효과들이 부가적으로 나타날 수 있다. 이러한 고이동도의 채널은 소자의 채널 전도도를 향상시키고 고주파(RF) 소자의 차단 주파수를 향상시킬 수 있다.Subsequent heat treatment times and temperature adjustments allow control of the central position and maximum distribution of germanium (Ge) concentrations. The high-concentration silicon germanium (SiGe) layer thus obtained is determined in thickness or concentration in accordance with various applications of the channel layer in the PMOSFET or the layer just below the interface in the NMOSFET. The last expected effect is that the high concentration of silicon germanium (SiGe) layer has been reported to be used as a diffusion barrier of boron (B) or to a low dielectric film formation prevention layer in high-k dielectric metal oxide layer. May appear. Such a high mobility channel can improve the channel conductivity of the device and improve the cutoff frequency of the high frequency (RF) device.

Claims (7)

반도체 기판 상에 실리콘 게르마늄층 및 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계,Sequentially forming a silicon germanium layer and a silicon layer on a semiconductor substrate, 상기 실리콘 게르마늄층의 상부에 게르마늄 편석층이 형성되도록 상기 실리콘층을 산화시키는 단계,Oxidizing the silicon layer such that a germanium segregation layer is formed on the silicon germanium layer; 상기 게르마늄 편석층의 게르마늄 분포를 균일하게 하기 위해 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 활성층 제조 방법.Method of manufacturing an active layer of a semiconductor device comprising the step of heat treatment to uniformize the germanium distribution of the germanium segregation layer. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 게르마늄층 및 실리콘층은 다중 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 활성층 제조 방법.The method of claim 1, wherein the silicon germanium layer and the silicon layer are formed in a multiple structure. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 게르마늄층의 게르마늄 농도는 5 내지 20at%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 활성층 제조 방법.The method of claim 1, wherein the germanium concentration of the silicon germanium layer is 5 to 20 at%. 제 1 항에 있어서, 상기 산화 공정 시 상기 실리콘층의 일부 두께만 산화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 활성층 제조 방법.The method of claim 1, wherein only a partial thickness of the silicon layer is oxidized during the oxidation process. 제 1 항에 있어서, 상기 게르마늄 편석층의 두께는 상기 실리콘층의 두께, 산화 시간 및 온도에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 활성층 제조 방법.The method of claim 1, wherein the thickness of the germanium segregation layer is determined by a thickness, an oxidation time, and a temperature of the silicon layer. 제 1 항에 있어서, 상기 게르마늄 편석층의 게르마늄 농도는 10 내지 100at%이며, 상기 실리콘층의 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 활성층 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the germanium concentration of the germanium segregation layer is 10 to 100 at%, and is determined by the thickness of the silicon layer. 제 1 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 형성된 활성층 상에 폴리실리콘층을 형성한 후 패터닝하여 게이트 전극을 형성하는 단계,Forming a polysilicon layer on the active layer formed by the method according to any one of claims 1 to 6 and then patterning to form a gate electrode, 상기 게이트 전극 양측벽에 스페이서를 형성한 후 노출된 상기 실리콘 게르마늄층에 불순물 이온을 주입하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모스 트랜지스터의 제조 방법.And forming a source and a drain by implanting impurity ions into the exposed silicon germanium layer after forming spacers on both sidewalls of the gate electrode.
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