KR20090116481A - Omega gate semiconductor device and method of forming channel for omega gate of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 오메가 게이트 반도체소자 및 상기 오메가 게이트 반도체소자의 오메가 게이트용 채널 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 게이트 모양이 오메가 형태인 오메가 게이트 반도체소자의 채널을 벌크 실리콘(bulk Si) 기판 위에서 형성하는 방법 및 이러한 방법으로 형성된 오메가 게이트 반도체소자에 관한 것이다.The present invention relates to an omega gate semiconductor device and a method for forming an omega gate channel of the omega gate semiconductor device, and more particularly, a channel of an omega gate semiconductor device having an omega gate shape on a bulk silicon substrate. A method for forming and an omega gate semiconductor device formed by such a method.
금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal-oxide-semiconductor field effect transistor; MOSFET)은 성능 및 집적도 증진과 이를 통한 단위 기능 구현에 요청되는 비용 절감을 위해 계속적으로 크기가 작아지고 있다. 그러나 크기가 작아질수록 소스(source)와 드레인(drain) 사이의 거리가 짧아지게 되고, 게이트에 의해 채널에 인가되는 전계를 드레인 전계가 변조시키는 현상인 단채널 효과(short channel effect)가 나타난다. 이로 인해, 게이트의 채널 제어도가 현저하게 저하된다. 구체적으로는, 예컨대 펀치 쓰루 현상(punch through)이나, 드레인 전계에 의 한 장벽 저하 현상(drain-induced barrier lowering; DIBL), 및 문턱전압이 낮아지는 현상 등과 같은 전기적 특성 저하가 나타난다. 이러한 단채널 효과는 게이트의 길이가 65nm 이하가 되면 더욱 극심해져서 트랜지스터의 기본 기능인 스위칭 기능을 훼손할 정도가 된다.Metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) continue to shrink in size to improve performance and integration, and to reduce the cost required to implement unit functions. However, as the size becomes smaller, the distance between the source and the drain becomes shorter, and a short channel effect, a phenomenon in which the drain electric field modulates an electric field applied to the channel by the gate, appears. For this reason, the channel control degree of a gate falls remarkably. Specifically, electrical properties such as punch through, drain-induced barrier lowering (DIBL) due to the drain electric field, and lowering of the threshold voltage appear. This short channel effect becomes more severe when the gate length is less than 65 nm, which is enough to undermine the switching function, which is the basic function of the transistor.
따라서, 상술한 문제를 개선하기 위해 다양한 방안이 제기되고 있다. 그 중에 한 방안으로서, 단위 면적 당 채널 제어도(channel controllability)를 향상시키기 위해 게이트를 3차원 구조로 형성하는 방법이 연구 중에 있다. 이러한 3차원 구조의 게이트를 갖는 대표적인 트랜지스터로는, 예컨대 물고기 비늘 모양의 게이트를 갖은 FinFET(fin field effect transistor)을 들을 수 있다. 하지만 FinFET의 경우, 채널의 모서리 부분에서 전계의 강화로 인해 DIBL과 누설(leakage) 현상이 발생한다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 구조의 높이를 더욱 높인 핀(fin) 모양이 제안되었지만, 높은 종횡비(aspect ratio)의 핀을 구현하는데 있어서 공정 균일성을 확보하지 못하고 있다.Therefore, various measures have been raised to improve the above-mentioned problem. Among them, a method of forming a gate in a three-dimensional structure to improve channel controllability (channel controllability) per unit area is under study. Representative transistors having such a three-dimensional gate include, for example, fin field effect transistors (FinFETs) having fish scale gates. However, FinFET has a problem that leakage occurs with DIBL due to electric field strengthening at the corners of the channel. In order to improve this problem, a fin shape having a higher height is proposed, but process uniformity is not secured in implementing a high aspect ratio fin.
이에 따라, 채널의 모서리 부분을 둥글게 하고 채널 하부의 폭을 더욱 좁게 하여 채널과 게이트와의 접촉 면적을 증가시킨 오메가 게이트 트랜지스터가 제안되었다. 이러한 오메가 게이트 트랜지스터는 채널의 모양이 그리스 문자인 오메가와 같은 형상을 갖는다. 오메가 게이트 트랜지스터는 상술한 여러 문제들을 개선할 수 있지만, 아직까지 SOI(silicon-on-insulator) 기판 위에서만 구현할 수 있기 때문에 제조 비용이 높다. 따라서 실제 양산에 적용하기 위해서는 벌크 실리콘(bulk Si) 기판에서 오메가 게이트 트랜지스터를 구현하는 방법이 개발될 필요가 있다.Accordingly, an omega gate transistor has been proposed in which the corner portion of the channel is rounded and the width of the lower portion of the channel is further narrowed to increase the contact area between the channel and the gate. Such an omega gate transistor has a shape such as omega in which the channel is Greek. Omega gate transistors can improve many of the problems described above, but are still expensive to manufacture because they can only be implemented on silicon-on-insulator (SOI) substrates. Therefore, a method for implementing an omega gate transistor on a bulk silicon substrate needs to be developed in order to apply to actual production.
본 발명의 목적은 오메가 게이트 반도체소자의 채널을 벌크 실리콘(bulk Si) 기판 위에서 형성하는 방법 및 이러한 방법으로 제조된 오메가 게이트 반도체소자를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for forming a channel of an omega gate semiconductor device on a bulk silicon substrate, and an omega gate semiconductor device manufactured by the method.
본 발명의 한 유형에 따른 오메가 게이트용 채널 형성 방법은, 벌크 실리콘 기판 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 산화막과 기판을 패터닝하여 기판 위에 수직하게 형성된 실리콘 핀을 형성하는 단계; 상기 실리콘 핀 양측의 기판 표면에 게르마늄을 주입하는 단계; 기판에 주입된 게르마늄(Ge)과 기판의 실리콘(Si)을 열처리를 통해 반응시켜 상기 실리콘 핀 양측의 기판 표면에 SiGe층을 형성하는 단계; 및 습식 에칭을 통해 실리콘 핀 상부의 실리콘 산화막과 기판 표면의 SiGe층을 함께 제거함으로써, 기판 위에 오메가형 채널을 형성하는 단계;를 포함한다.A method of forming a channel for an omega gate according to one type of the present invention includes forming a silicon oxide film on a bulk silicon substrate; Patterning the silicon oxide film and the substrate to form silicon fins formed vertically on the substrate; Injecting germanium into a substrate surface on both sides of the silicon fin; Reacting germanium (Ge) injected into the substrate and silicon (Si) of the substrate through heat treatment to form a SiGe layer on the substrate surface on both sides of the silicon fin; And removing the silicon oxide film on the silicon fin and the SiGe layer on the surface of the substrate through wet etching to form an omega channel on the substrate.
본 발명에 따른 오메가 게이트용 채널 형성 방법은, 산소 분위기에서 열처리를 통해 상기 채널 둘레에 산화막을 형성하는 단계; 및 습식 에칭을 통해 산화막을 제거함으로써 상기 채널의 모서리를 둥글게 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.According to the present invention, there is provided a method for forming a channel for an omega gate, comprising: forming an oxide film around the channel through heat treatment in an oxygen atmosphere; And rounding the corners of the channel by removing the oxide layer through wet etching.
본 발명에 따르면, 상기 SiGe층 형성시 실리콘 핀의 하부에도 부분적으로 SiGe이 확산될 수 있다.According to the present invention, SiGe may be partially diffused to the lower part of the silicon fin when the SiGe layer is formed.
예컨대, 상기 SiGe층을 형성하기 위한 열처리는 질소 분위기에서 900℃의 온 도로 수행될 수 있다.For example, the heat treatment for forming the SiGe layer may be performed at a temperature of 900 ℃ in a nitrogen atmosphere.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 SiGe층에서 Ge의 조성은 10at% 내지 40at%의 범위에 있으며, 더욱 바람직하게는 20at% 정도이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the composition of Ge in the SiGe layer is in the range of 10at% to 40at%, more preferably about 20at%.
본 발명에 따르면, 상기 실리콘 산화막과 SiGe층을 함께 제거하기 위한 에칭액은 불화수소, 과산화수소 및 아세트산으로 구성된 혼합액을 사용할 수 있다.According to the present invention, the etchant for removing the silicon oxide film and the SiGe layer together may use a mixed solution composed of hydrogen fluoride, hydrogen peroxide and acetic acid.
본 발명의 다른 유형에 따른 오메가 게이트용 채널 형성 방법은, 벌크 실리콘 기판 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계; 역 도핑 방법을 통해 상기 기판의 내부에 게르마늄(Ge)을 도핑하는 단계; 기판에 주입된 게르마늄(Ge)과 기판의 실리콘(Si)을 열처리를 통해 반응시켜 상기 기판의 내부에 SiGe층을 형성하는 단계; 상기 SiGe층이 노출될 때까지 상기 실리콘 산화막 및 상기 SiGe층 상부의 기판을 패터닝하여 상기 SiGe층 위에 수직하게 형성된 실리콘 핀을 형성하는 단계; 및 습식 에칭을 통해 실리콘 핀 상부의 실리콘 산화막 및 실리콘 핀 양측의 SiGe층을 함께 제거함으로써, 기판 위에 오메가형 채널을 형성하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for forming a channel for an omega gate, comprising: forming a silicon oxide film on a bulk silicon substrate; Doping germanium (Ge) into the substrate through a reverse doping method; Reacting germanium (Ge) injected into the substrate and silicon (Si) of the substrate through a heat treatment to form a SiGe layer inside the substrate; Patterning the silicon oxide film and the substrate over the SiGe layer until the SiGe layer is exposed to form silicon fins formed vertically on the SiGe layer; And forming an omega channel on the substrate by removing the silicon oxide layer on the silicon fin and the SiGe layer on both sides of the silicon fin through wet etching.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 SiGe층 내에서 Ge의 최대 조성은 10at%와 같거나 또는 그보다 작을 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the maximum composition of Ge in the SiGe layer may be less than or equal to 10 at%.
이때, 상기 습식 에칭 과정에서 상기 실리콘 핀의 바로 아래에 있는 SiGe층은 일부만이 제거될 수 있다.In this case, only a part of the SiGe layer directly under the silicon fin may be removed in the wet etching process.
한편, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 오메가 게이트용 채널 형성 방법은, 벌크 실리콘 기판 위에 산화방지막을 형성하는 단계; 상기 산화방지막과 기판을 패터닝하여 기판 위에 수직하게 형성된 실리콘 핀을 형성하는 단계; 상기 실리콘 핀 의 측면에 산화방지막을 더 형성하는 단계; 상기 실리콘 핀을 둘러싸는 부분에만 상기 산화방지막이 남고 상기 실리콘 핀 양측의 기판은 노출되도록 상기 산화방지막을 식각하는 단계; 상기 노출된 기판을 산화시켜 상기 실리콘 기판의 양측에 실리콘 산화층을 형성하는 단계; 습식 에칭을 통해 실리콘 산화층을 제거함으로써, 기판 위에 오메가형 채널을 형성하는 단계; 및 습식 에칭을 통해 상기 채널을 둘러싸고 있는 산화방지막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the method of forming a channel for an omega gate according to another type of the present invention, forming an antioxidant film on a bulk silicon substrate; Patterning the antioxidant layer and the substrate to form silicon fins formed vertically on the substrate; Forming an anti-oxidation film on the side of the silicon fin; Etching the antioxidant film so that the antioxidant film remains only on a portion surrounding the silicon fin and the substrate on both sides of the silicon fin is exposed; Oxidizing the exposed substrate to form silicon oxide layers on both sides of the silicon substrate; Forming an omega channel over the substrate by removing the silicon oxide layer through wet etching; And removing the antioxidant layer surrounding the channel through wet etching.
본 발명에 따르면, 상기 실리콘 산화층 형성시 상기 실리콘 핀의 하부에도 실리콘 산화층이 부분적으로 형성될 수 있다.According to the present invention, the silicon oxide layer may be partially formed on the lower portion of the silicon fin when the silicon oxide layer is formed.
예컨대, 상기 산화방지막은 SiN일 수 있다.For example, the antioxidant layer may be SiN.
본 발명에 따르면, 상기 실리콘 핀의 측면에 산화방지막을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 핀 위의 산화방지막과 상기 기판의 전체 표면 위에 약 200Å 정도의 두께로 산화방지막을 추가적으로 증착함으로써 이루어질 수 있다.According to the present invention, the step of forming the anti-oxidation film on the side of the silicon fin, may be made by additionally depositing an anti-oxidation film on the silicon fin and the thickness of about 200Å over the entire surface of the substrate.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 오메가 게이트용 채널 형성 방법은, 벌크 실리콘 기판을 패터닝하여 기판 위에 수직하게 형성된 실리콘 핀을 형성하는 단계; 상기 기판과 실리콘 핀 위에 실리콘 산화층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 핀이 노출될 때까지 상기 실리콘 산화층을 평탄화하는 단계; 상기 노출된 실리콘 핀을 이용하여 상기 노출된 실리콘 핀 위로 반도체 재료를 재성장시킴으로써 기판 위에 오메가형 채널을 형성하는 단계; 및 습식 에칭을 통해 실리콘 산화층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, a method for forming an omega gate channel according to another type of the present invention includes: patterning a bulk silicon substrate to form silicon fins formed vertically on the substrate; Forming a silicon oxide layer on the substrate and the silicon fins; Planarizing the silicon oxide layer until the silicon fins are exposed; Using the exposed silicon fins to regrow a semiconductor material over the exposed silicon fins to form an omega channel over the substrate; And removing the silicon oxide layer through wet etching.
본 발명에 따르면, 상기 실리콘 산화층을 평탄화한 후에, 상기 실리콘 산화 층 위로 상기 실리콘 핀이 돌출될 수 있도록 습식 에칭을 통해 상기 실리콘 산화층을 부분적으로 제거하는 단계를 더 수행할 수 있다.According to the present invention, after planarizing the silicon oxide layer, the step of partially removing the silicon oxide layer through wet etching may be further performed so that the silicon fin may protrude over the silicon oxide layer.
또한, 상기 반도체 재료를 재성장시키기 전에, 노출된 실리콘 핀의 표면을 열처리 및 클리링하여 상기 실리콘 핀 표면의 격자 배열을 균일하게 조정할 수 있다.In addition, prior to regrowing the semiconductor material, the surface of the exposed silicon fins may be heat treated and cleaned to uniformly adjust the lattice arrangement of the silicon fin surface.
예컨대, 상기 반도체 재료는 실리콘, SiGe 및 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 중에서 어느 하나일 수 있다.For example, the semiconductor material may be any one of silicon, SiGe, and group III-V semiconductors.
한편, 본 발명에 따른 오메가 게이트 반도체소자의 제조 방법은, 상술한 방법으로 오메가 게이트용 채널을 형성하는 단계; 인접하는 트랜지스터 셀들 사이에 전기적 절연을 제공하기 위한 필드 산화막을 상기 채널 양측의 기판 내부에 형성하는 단계; 상기 기판과 채널을 둘러싸도록 유전체 재료를 증착하여 게이트 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 채널을 둘러싸도록 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the method of manufacturing an omega gate semiconductor device according to the present invention, forming the channel for the omega gate by the above-described method; Forming a field oxide film inside the substrate on either side of the channel for providing electrical isolation between adjacent transistor cells; Depositing a dielectric material to surround the substrate and the channel to form a gate oxide film; And forming a gate electrode to surround the channel.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예들에 따른 오메가 게이트 반도체소자 및 그 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, an omega gate semiconductor device and a method of manufacturing the same according to exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 양호한 실시예에 따른 오메가 게이트 반도체소자(10)의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다. 일반적으로 반도체소자는 다수의 트랜지스터 셀들의 어레이로 구성되지만, 도 1a 및 도 1b에는 편의상 단지 하나의 트랜지스터 셀만이 도시되어 있다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 오메가 게이트 반도체소자(10)는, 예컨대 실리콘으로 이루어진 기판(11), 상기 기판(11)의 상면 양측에서 서로 대향하도록 배치된 소스(12)와 드레인(13), 상기 소스(12)와 드레인(13)보다 좁은 폭을 가지며 소스(12)와 드레인(13) 사이에 연결된 채널(14), 상기 채널(14)의 중심 부분에서 채널(14)의 둘레를 둘러싸는 게이트 산화막(15), 및 상기 게이트 산화막(15) 위에 형성된 게이트 전극(16)을 포함한다. 또한, 인접하는 트랜지스터 셀들 사이에 전기적 절연을 제공하기 위한 필드 산화막(17)이 상기 채널(14) 양측의 기판(11) 내부에 더 형성될 수 있다.1A and 1B are a perspective view and a cross-sectional view schematically illustrating the structure of an omega
도 1b는 도 1a의 라인 AA'를 따라 절단한 오메가 게이트 반도체소자(10)의 단면을 도시하고 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 채널(14)의 단면은 대략적으로 그리스 문자인 오메가(Ω)의 모양을 하고 있다. 게이트 산화막(15)도 역시 오메가의 모양으로 채널(14)을 둘러싸고 있으며, 상기 게이트 산화막(15)의 표면에는 게이트 전극(16)이 형성되어 있다. 여기서, 상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 오메가 게이트 반도체소자(10)는 벌크 실리콘 기판을 이용하여 제조될 수 있다. 따라서 상기 기판(11)과 채널(14)은 모두 실리콘으로 구성될 수 있다.FIG. 1B illustrates a cross section of the omega
앞에서 설명한 바와 같이, 일반적으로 오메가 게이트 반도체소자는 채널과 게이트와의 접촉 면적을 최대한 증가시킬 수 있으며, 따라서 단위 면적 당 채널 제어도를 향상시킬 수 있다. 종래에는 SOI 기판 위에서만 이러한 오메가 게이트 반도체소자를 구현할 수 있었다. 종래의 방법에 따라 SOI 기판으로 오메가 게이트 반도체소자를 구현할 경우, 도 1a 및 도 1b에서 기판(11)은 실리콘이 아닌 SiO2와 같은 절연체로 형성될 것이다. 그런데, SOI 기판은 비교적 고가이기 때문에, 종래에는 비용상의 문제로 오메가 게이트 반도체소자의 양산에 어려움이 있었다. 본 발명에 따르면, 벌크 실리콘 기판을 이용하여 비교적 저렴하게 도 1a 및 도 1b에 도시된 오메가 게이트 반도체소자(10)를 양산할 수 있다. 이하, 벌크 실리콘 기판을 이용하여 본 발명에 따른 오메가 게이트 반도체소자(10)를 제조하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.As described above, in general, the omega gate semiconductor device can increase the contact area between the channel and the gate as much as possible, thereby improving the channel control per unit area. Conventionally, such an omega gate semiconductor device could be implemented only on an SOI substrate. When the omega gate semiconductor device is implemented as an SOI substrate according to a conventional method, the
먼저, 도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시하고 있다.First, FIGS. 2A to 2F sequentially illustrate a process of forming an omega gate channel according to a first embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 벌크 실리콘 기판(21)의 상면 위에, 예컨대 실리콘 산화막(SiO2)(22)을 형성한다. 상기 실리콘 산화막(22)은 이후의 게르마늄(Ge) 주입(Ge implantation) 과정에서 마스크의 역할을 한다. 따라서 Ge 주입 과정에서 마스크의 역할을 할 수 있다면 실리콘 산화막(22) 대신 다른 재료를 사용할 수도 있다. 그런 후, 상기 실리콘 산화막(22) 위에 포토레지스트(23)를 형성한 다음, 예컨대 리소그래피(lithography) 공정을 통해 상기 포토레지스트(23)를 소정의 패턴으로 패터닝한다. 그리고 패터닝된 포토레지스트(23)를 마스크로 하여 건식 에칭 방법으로 실리콘 산화막(22)과 기판(21)을 소정의 깊이까지 식각함으로써, 상기 포토레지스트(23)의 패턴과 동일한 형태로 실리콘 산화막(22)과 기판(21)을 패터닝한다. 이렇게 함으로써, 도 2b에 도시된 바와 같이, 수직하게 형성된 실리콘 핀(fin)(25)이 기판(21) 위에 형성된다.Referring to FIG. 2A, a silicon oxide film (SiO 2 ) 22 is formed on the top surface of the
다음으로, 상기 실리콘 핀(25) 양측의 기판(21) 표면에 이온 주입법으로 Ge를 주입한 후, 열처리를 통해 기판(21) 내에 주입된 Ge를 측면 방향으로 확산시킨다. 열처리는 질소(N2) 분위기에서 약 900℃의 온도로 수행할 수 있다. 이때, Ge가 측면 방향으로 확산되는 거리는 수직 방향으로 확산되는 거리의 약 80% 정도이므로 Ge의 측면 확산 거리를 예상할 수 있다. 따라서, 열처리 시간을 조절하여 원하는 측면 확산 거리를 구현하는 것이 가능하다. 열처리가 종료되면 Ge와 Si이 반응하여 SiGex층(24)이 형성된다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 SiGex층(24)은 실리콘 핀(25) 양측의 기판(21) 표면 위에 형성되어 있으며, 또한 실리콘 핀(25)의 하부에도 소정의 길이 만큼 확산되어 있다.Next, after Ge is implanted into the surface of the
이렇게 형성된 SiGex층(24)은 습식 에칭을 통해 실리콘 산화막(22)과 함께 제거된다. 이때, 에칭액으로는 예컨대 불화수소, 과산화수소 및 아세트산으로 구성된 혼합액(HF:H203:CH3COOH)을 사용할 수 있다. 이 경우, 원하는 선택비를 갖기 위해서는 Si0.8Ge0.2의 조성이 가장 적당하지만, 필요에 따라 Ge의 조성을 10~40at% 범위 내에서 변화시켜 식각율(etch rate)을 적절히 조절할 수도 있다. 예컨대, Ge의 조성이 20at%인 경우 약 200Å/min의 식각율을 보이며, Ge의 조성이 증가할수록 식각율이 증가한다.The SiGe x layer 24 thus formed is removed along with the
그 결과, 도 2d에 도시된 바와 같이, 오메가(Ω) 형태의 채널(27)이 형성될 수 있다. 다음으로, 채널(27)의 모서리 부분을 둥글게 처리하기 위하여, 도 2e에 도시된 바와 같이, 산소(O2) 분위기에서 열처리를 통해 채널(27) 둘레에 산화막(26)을 형성한다. 그런 후, 예컨대 DHF(diluted hydrofluoric)을 에칭액으로 사용하여 습식 에칭을 통해 산화막(26)을 제거하면, 도 2f에 도시된 것과 같이 모서리가 둥글게 처리된 채널(27)을 얻을 수 있다.As a result, as shown in FIG. 2D, an omega (Ω)
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시하고 있다.3A through 3E sequentially illustrate a process of forming an omega gate channel according to a second embodiment of the present invention.
제 2 실시예에 따른 방법의 경우, 도 3a에 도시된 바와 같이, 벌크 실리콘 기판(31) 위에 실리콘 산화막(32)을 형성한 후, 반도체 공정에서 사용하고 있는 역 도핑(retrograde doping) 방법을 이용하여 상기 기판(31)의 내부에 Ge를 도핑한다. 이러한 도핑 방법에 따르면, 기판(31) 내부의 한 지점에서 Ge의 도핑 농도가 피크를 이루게 된다.In the case of the method according to the second embodiment, as shown in FIG. 3A, after the
그런 후, 열처리를 통해 Ge와 Si을 반응시키면, 도 3b에 도시된 바와 같이 기판(31) 내에 SiGex층(33)이 형성된다. 이러한 SiGex층(33)에 의해 기판(31)은 두 부분으로 분리된다. 여기서, SiGex층(33)의 상면에 있는 기판(31)의 상부 부분(34)은 이후의 공정을 거쳐 채널이 형성되는 부분이다.Then, when Ge and Si are reacted through heat treatment, a SiGe x layer 33 is formed in the
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막(32) 위에 포토레지스트(35)를 형성한 다음, 리소그래피 공정을 통해 상기 포토레지스트(35)를 소정의 패턴으로 패터닝한다. 그리고 패터닝된 포토레지스트(35)를 마스크로 하여 건식 에칭 방법에 따라 SiGex층(33)이 노출될 때까지 실리콘 산화막(32)과 기판의 상부 부 분(34)을 식각한다. 그러면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트(35)의 패턴과 동일한 형태로 실리콘 산화막(32)과 기판의 상부 부분(34)이 패터닝된다. 이에 따라, 기판의 상부 부분(34)은 SiGex층(33) 위에 수직하게 세워진 실리콘 핀이 된다.Next, as shown in FIG. 3C, the
이어서, 습식 에칭을 통해 실리콘 산화막(32)과 함께 상기 기판의 상부 부분(34) 양측의 SiGex층(33)을 제거한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이때의 에칭액으로는 예컨대 불화수소, 과산화수소 및 아세트산으로 구성된 혼합액(HF:H203:CH3COOH)을 사용할 수 있다. 본 제 2 실시예의 경우, 습식 에칭 과정에서 기판의 상부 부분(34)의 바로 아래에 있는 SiGex층(33)에 대해서는 일부만에 제거될 필요가 있다. 따라서 이 경우에는 SiGex층(33) 내의 Ge량은 최대 10at% 이하를 유지하는 것이 충분한 식각 선택비를 얻는 데 적당하다. 그러면, 도 3e에 도시된 바와 같이, 오메가(Ω) 형태의 채널(36)이 형성된다. 그런 후 추가적으로, 도 2e 내지 도 2f에서 설명한 방법에 따라, 채널(36)의 모서리 부분을 둥글게 처리할 수 있다.Subsequently, wet etching removes the SiGe x layer 33 on both sides of the
또한, 도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시하고 있다.4A to 4G sequentially illustrate a process of forming an omega gate channel according to a third embodiment of the present invention.
먼저, 도 4a를 참조하면, 벌크 실리콘 기판(41) 위에 SiNx층(42)을 형성한다. 여기서, SiNx층(42)은 이후의 공정에서 실리콘의 산화를 방지하기 위한 배리어로서 작용한다. 따라서 SiNx층(42)은 예시적인 것으로, 산화 방지를 위한 적절한 다 른 재료를 실리콘 기판(41) 위에 형성하는 것도 가능하다.First, referring to FIG. 4A, a SiN x layer 42 is formed on a
그런 후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 기판(41)과 SiNx층(42)을 패터닝하여 수직하게 형성된 실리콘 핀(43)을 기판(41) 위에 형성된다. 기판(41)과 SiNx층(42)을 패터닝하는 방법은, 도 2a 및 도 3c와 관련하여 이미 설명한 바와 같다. 즉, 포토레지스트를 SiNx층(42) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정을 통해 상기 포토레지스트를 패터닝하고, 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 하여 기판(41)과 SiNx층(42)을 식각한다.Then, as shown in FIG. 4B, a
다음으로, 기판(41)과 SiNx층(42)의 전체 표면 위에 추가적으로 SiNx를 예컨대 약 200Å 정도의 두께로 증착한다. 이 과정에서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 핀(43)의 측면에도 SiNx가 형성된다. 그런 후, 상기 실리콘 핀(43) 양측의 기판(41) 표면이 드러날 때까지 SiNx를 식각하면, 도 4d에 도시된 바와 같이, 실리콘 핀(43)을 둘러싸는 부분에만 SiNx가 남아 있게 된다. 이렇게 남아 있는 SiNx는 이후의 산소 확산 공정에서 실리콘 핀(43)이 산화되지 않도록 하는 배리어의 역할을 한다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 핀(43) 양측의 노출된 기판(41)에 산소를 확산시키면 실리콘이 산화되어 기판(41)의 노출된 표면에 실리콘 산화층(SiO2)(44)이 형성된다. 이때, 산소가 수직 방향으로 뿐만 아니라 측면 방향으로도 확산되므로, 실리콘 산화층(44)은 실리콘 핀(43)의 바로 아래 부분에도 부분적 으로 형성된다.Next, SiN x is further deposited on the entire surface of the
이어서, 이렇게 형성된 실리콘 산화층(44)과 습식 에칭을 통해 제거된다. 그러면, 도 4f에 도시된 바와 같이, 오메가 형태의 채널(45)이 기판(41) 위에 형성된다. 마지막으로, 예컨대 H3PO4를 에칭액으로 사용하여 채널(45)을 둘러싸고 있는 SiNx를 습식 에칭을 통해 완전히 제거한다. 그러면, 도 4g에 도시된 바와 같이, 오메가 형태의 채널(45)만이 남게 된다. 이후에는, 도 2e 및 도 2f에 도시된 방법으로 상기 채널(45)의 모서리 부분을 둥글게 처리할 수도 있다.Subsequently, the
또한, 도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시하고 있다.5A through 5G sequentially illustrate a process of forming an omega gate channel according to a fourth embodiment of the present invention.
도 5a를 참조하면, 벌크 실리콘 기판(51) 위에 포토레지스트(52)를 형성한 후, 리소그래피 공정을 통해 상기 포토레지스트(52)를 패터닝하고, 패터닝된 포토레지스트(52)를 마스크로 하여 기판(51)을 식각한다. 그러면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 식각된 기판(51) 위에 실리콘 핀(53)이 형성된다.Referring to FIG. 5A, after the
그런 후, 도 5c에 도시된 바와 같이, 예컨대 플라즈마 화학증착(PECVD)을 통해 상기 기판(51)과 실리콘 핀(53) 위에 실리콘 산화층(54)을 증착한다. 이때, 실리콘 핀(53)의 영역에 대응하는 실리콘 산화층(54)의 영역도 역시 돌출되어 있다. 다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 예컨대 CMP 공정을 이용하여 실리콘 핀(53)이 노출될 때까지 상기 실리콘 산화층(54)을 평탄화한다. 그리고, 도 5e에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화층(54) 위로 상기 실리콘 핀(53)이 돌출될 수 있도록 습식 에칭을 통해 상기 실리콘 산화층(54)을 부분적으로 제거한다.Then, as shown in FIG. 5C, a
이어서, 도 5f에 도시된 바와 같이, 상기 노출된 실리콘 핀(53) 위에 반도체 재료를 재성장시켜 채널(55)을 형성한다. 여기서, 반도체 재료의 재성장은 예컨대 에피택스 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 반도체 재료의 재성장이 높은 품질로 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 노출된 실리콘 핀(53)의 표면을 열처리 및 클리링하여 상기 실리콘 핀(53) 표면의 격자 배열을 균일하게 조정할 수 있다. 클리닝은, 예컨대, 탈이온수(DI Water) + SC1(Standard cleaning 1; NH4OH:H2O2:H2O) + DHF 혼합액을 이용하여 실리콘 핀(53) 표면의 자연산화막(native oxide)을 반복적으로 제거한 후, H2 캐리어 가스에 HCl 가스를 혼합하여 약 850℃ 이하의 온도로 고온 화학 베이크 처리를 함으로써 탄소 또는 산소 오염물을 제거한다. 또는 Cl 베이스 플라즈마 에칭 처리를 통해 탄소 또는 산소 오염물을 제거할 수도 있다.Subsequently, as shown in FIG. 5F, the semiconductor material is regrown on the exposed
본 실시예의 경우, 채널(55)의 재료가 되는 반도체 재료로서, 실리콘 뿐만 아니라 다른 다양한 반도체 재료를 재성장시키는 것도 가능하다. 예컨대, SiGex 이나 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 등을 채널(55)로서 재성장시킬 수 있다. 이러한 본 실시예에 따르면, 높은 이동도(mobility) 특성을 갖는 반도체 재료를 채널(55)로서 재성장시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 높은 이동도를 갖는 트랜지스터를 구현하는 것이 가능하다.In the present embodiment, as the semiconductor material to be the material of the
마지막으로, 도 5g에 도시된 바와 같이, 남아 있는 실리콘 산화층(54)을 습식 에칭을 통해 완전히 제거한다. 그러면, 기판(51) 위에 오메가 형태의 채널(55) 이 완성된다. 추가적인 공정으로서, 앞서 설명한 바와 같이, 도 2e 및 도 2f에 도시된 방법으로 상기 채널(55)의 모서리 부분을 둥글게 처리할 수도 있다.Finally, as shown in FIG. 5G, the remaining
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 반도체소자는 다수의 트랜지스터 셀들의 어레이로 구성되며, 인접하는 트랜지스터 셀들은 전기적으로 서로 절연되어야 한다. 이를 위하여, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 채널(14) 양측의 기판(11) 내부에 필드 산화막(17)이 형성되어 있다. 도 6a 내지 도 6d는, 본 발명의 제 1 내지 제 4 실시예에 따라 오메가 게이트용 채널을 형성한 후에, 셀들 사이를 격리시키기 위하여 필드 산화막(17)을 형성하는 방법을 순차적으로 도시하고 있다.On the other hand, as described above, the semiconductor device is composed of an array of a plurality of transistor cells, the adjacent transistor cells should be electrically insulated from each other. To this end, as shown in FIGS. 1A and 1B, a
먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 기판(11) 및 완성된 오메가형 채널(14) 위에 SiNx층(18)을 형성한다. 그런 후, 기판(11)의 표면이 드러날 때까지 SiNx층(18)을 식각하면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 채널(14)을 둘러싸는 부분에만 SiNx층(18)이 남아 있게 된다. 다음으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 기판(11)의 노출된 부분을 통해 기판(11) 내부로 산소를 확산시키면, 기판(11)의 노출된 부분 아래에서 실리콘이 산화되어 SiO2로 이루어진 필드 산화막(17)이 형성된다. 이 과정에서, 산소가 수직 방향으로 뿐만 아니라 측면 방향으로도 확산되므로, 상기 필드 산화막(17)은 채널(14)의 바로 아래의 영역까지 확장될 수 있다. 이렇게 필드 산화막(17)을 형성한 후에는, 예컨대 H3PO4를 에칭액으로 사용하여 상기 오메가형 채널(14)을 둘러싸고 있는 SiNx층(18)을 습식 에칭을 통해 완전히 제거한다.First, as shown in FIG. 6A, a SiN x layer 18 is formed over the
이렇게 오메가형 채널(14)과 필드 산화막(17)을 형성한 후에는 일반적인 트랜지스터 제조 공정에 따라 게이트 및 소스와 드레인을 형성할 수 있다. 도 7a 내지 도 7d는 채널 주위에 오메가 게이트를 형성하기 위한 예시적인 방법을 순차적으로 도시하고 있다.After the
도 7a는 기판(11)에 필드 산화막(17)과 오메가형 채널(14)이 형성된 상태를 도시하고 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 도 7a에 도시된 구조 위에 게이트 산화막(15)으로서 유전체 재료를 일정한 두께로 형성한다. 이때, 유전체 재료로는 SiO2를 사용할 수도 있지만, 게이트 길이(Lg)를 45nm 이하로 구현하기 위해서 고유전율을 갖는 유전체 재료를 사용할 수도 있다. 예컨대, 게이트 산화막(15)을 위한 유전체 재료로서, HfO2, Al2O3, La2O3, ZrO2, HfSiO, HfSiON, HfLaO, LaAlO, SrTiO 등과 같은 고유전 재료를 사용할 수 있다. 그런 후, 도 7c에 도시된 바와 같이, 게이트 산화막(15) 위에 전체적으로 게이트 금속을 증착하여 게이트 전극(16)을 형성한 다음, 도 7d에 도시된 바와 같이 셀들 사이의 게이트 금속을 에칭을 통해 제거한다. 그러면, 채널(14)을 둘러싸는 게이트 전극(16)이 완성된다. 여기서, pMOS용 게이트 금속으로는 예컨대 TiAlN, MoN, TaCN 등을 사용할 수 있으며, nMOS용 게이트 금속으로는 예컨대 W2N, TaSiN, (RE)TaN, WC 등을 사용할 수 있다.FIG. 7A shows a state in which a
이후에는 공지된 기술에 따라, 채널(14) 양측에 연결된 기판(11)을 도핑 및 열처리하여 소스(12)와 드레인(13)을 각각 형성함으로써, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같은 오메가 게이트 반도체소자(10)를 완성할 수 있다.Thereafter, according to the known technique, an omega gate as shown in FIGS. 1A and 1B is formed by doping and heat-treating the
지금까지, 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.To date, exemplary embodiments have been described and illustrated in the accompanying drawings in order to facilitate understanding of the present invention. However, it should be understood that such embodiments are merely illustrative of the invention and do not limit it. And it is to be understood that the invention is not limited to the illustrated and described description. This is because various other modifications may occur to those skilled in the art.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명에 따른 오메가 게이트 반도체소자의 개략적인 구조를 나타내는 사시도 및 단면도이다.1A and 1B are respectively a perspective view and a cross-sectional view showing a schematic structure of an omega gate semiconductor device according to the present invention.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시한다.2A through 2F sequentially illustrate a process of forming an omega gate channel according to an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시한다.3A through 3E sequentially illustrate formation of an channel for an omega gate according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시한다.4A through 4G sequentially illustrate a process of forming an omega gate channel according to another embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오메가 게이트용 채널의 형성 과정을 순차적으로 도시한다.5A through 5G sequentially illustrate a process of forming an omega gate channel according to another embodiment of the present invention.
도 6a 내지 도 6d는 오메가 게이트용 채널을 형성한 후에 다수의 트랜지스터 셀들 사이를 전기적으로 격리시키기 위한 방법을 순차적으로 도시한다.6A-6D sequentially illustrate a method for electrically isolating between multiple transistor cells after forming a channel for an omega gate.
도 7a 내지 도 7d는 셀 격리 후에 채널 주위에 오메가 게이트를 형성하는 방법을 순차적으로 도시한다.7A-7D sequentially illustrate a method of forming an omega gate around a channel after cell isolation.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10.....반도체소자 11.....실리콘 기판10 .....
12.....소스 13.....드레인12 .....
14.....채널 15.....게이트 산화막14 .....
16.....게이트 전극 17.....필드 산화막16 .....
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