KR910006250B1 - 게이트 절연층으로 단결정 실리콘 카바이드를 사용하는 반도체 전계효과 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1a도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 소자 영역을 한정한 전계효과 트랜지스터의 단면도.
제1b도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 단결정 SiC층을 단결정 Si 기판상에 성장시킨 전계 효과 트랜지스터의 단면도.
제1c도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 폴리실리콘 충을 SiC층상의 게이트 전극에 증착시킨 전계효과 트랜지스터의 단면도.
제1d도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 게이트 전극에 형성된 폴리실리콘 층의 불필요한 부분을 제거시킨 전계효과 트랜지스터의 단면도.
제1e도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 게이트 구조물에 형성된 SiC층의 불필요한 부분을 에칭 제거시킨 전계효과 트랜지스터의 단면도.
제1f도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 Si 기판에 불순물을 도핑하여 Si 기판상의 소오스와 드레인 영역을 형성시킨 전계효과 트랜지스터의 단면도.
제1g도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 소자의 전 표면에 SiO2필름을 형성하고 소오스와 드레인 영역에 불순물을 활성화 시킨 전뎨효과 트랜지스터의 단면도.
제1h도는 본 발명을 실현하기 위한 제조단계로서 포스포실리케니트 글라스(Phosphosilicate glass)(PSG) 층이 소자 구조물을 덮고 있는 소오스와 드레인 접촉홀을 만든 전계효과 트랜지스터의 단면도.
제1i도는 본 발명을 실현한 전계효과 트랜지스터의 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터에서 SiC층의 에피택셜 성정과정을 나타낸 온도와 가스의 플로우 프로그램도.
제3도는 P형 Si 기판상에 형성된 SiC/Si공유 영역의 에너지 대역도.
본 발명은 절연게이트 전계효과 트랜지스터(IGFET), 특히 IGRET의 게이트 절연층으로 단결정 실리콘 카바이드(SiC)를 사용하는 IGFET에 관한 것이다.
IGFET, 즉 금속산화물 반도체9MOS) FET는 고기록 밀도 메모리 소자인 VLSI(Very Large Scale Integrated) 능동소자로서 광범위하게 사용되고 있다.
종래의 MOS FET에 있어서, 단결정 실리콘(Si)이 반도체 기판으로 사용되고, 이산화실리콘(SiO2)이 게이트 절연층으로 사용된다. 그 주된 이유는 SiO2게이트 절연층이 Si 기판을 열적 산화 시킴으로써 간단히 제조되고, 그 제조된 SiO2게이트 절연층의 성질, 즉 유전울과 절연 강도는 Mos RET가 IM비트의 메모리 용량을 갖는 메모리 소자와 같은 VLSI 소자에 사용 될 때에 한해서 좋다.
그러나 최근의 메모리 소자가 16M 비트 혹은 그 이상의 메모리 용량에 달한다는 사실로 볼 때에 VLAI 소자는 고기록 밀도가 요구된다. 이런 경우에 많은 양의 MOS FET들은 단일 칩으로 제조될 필요가 있고, 그 소자의 크기 또한 가능한 한 작게 할 필요가 있다. 따라서 각 MOS FET의 크기는 매우 작아야만 되고, 게이트의 길이가 작아짐에 따라 SIO2게이트 절연층의 두께는 ＂스케일링 룰(Scaling rule)＂에 의하여 더 얇아져야 한다. 그러나 후에 서술되지만, 게이트의 길이는 매우 작게 할 수가 없다.
일반적으로 IGFET의 드레인 전류는 게이트 길이와 게이트 절연층 두께에 반비례 한다. 이것은 MOS FET의 장점중의 하나로서 FET의 크기가 감소될 때에 드레인 전류의 구동능력은 증가되어 MOS FET의 동작속도를 증가시킨다.
현재 0.25㎛의 실효게이트 길이와 50Å의 게이트 절연층 두께를 갖는 MOS FET가 실험 제작되고 있다. 그러나, 매우 얇은 SiO2게이트 절연층을 갖는 MOS FET에 있어서의 핫 캐리어(hot carrier)는 채널 영역에서 발생하여 게이트 절연층을 통과해 들어간다. 그리고 캐리어의 이동성이 감소하며, MOS FET의 동작이 불안정하며 MOS FET의 신뢰도가 떨어지는 문제들이 발생한다. 만일 게이트 전압이 MOS FET 크기의 스케일링-다운(scaling-down)비에 비례하여 낮아지면 SiO2게이트 절연층이 얇아져서 발생하는 상기 문제들을 피할 수 있다. 그러나 그 소자의 사용자에 있어서는 게이트 전압이 통상 게이트 전압, 예를 들면 5V정도가 바람직하다. 그러므로 SiO2게이트 절연층이 매우 얇아질 때, SiO2게이트 절연층에서의 전계는 증가한다. 결과적으로 핫 캐리어는 채널 영역에 발생되고, 그들의 수는 증가한다. 이 핫 캐리어들은 게이트 전압의 불안정을 초래하고, MOS FET의 동작을 불안정하게 한다.
또한, SiO2필름은 비결정체로서 기판의 실리콘 용적과 SiO2층 사이의 경계에 많은 표면 상태들을 포함하고 있다. 이 표면 상태들의 상호 작용으로 MOS FET의 특성을 결정하는데에 중요한 표면전자 이동도가 Si 용적에서의 전자 이동도보다 20%-40% 정도 낮게 감소한다. 이것은 MOS FET의 동작속도를 감소시키는 또 다른 원인이다.
더욱이 SiO2게이트 절연층에 적용된 정계가 1×107V/㎝를 초과할 때에는 절연파괴가 일어나며, SiO2게이트 절연층의 두께를 20Å 이하가 될 때 까지 얇게 만들었을 때 다이렉트 터널 전류는 SiO2게이트 절연층을 통하여 흐르기 시작한다.
이러한 이유로부터 SiO2 게이트 절연층을 얇게 만드는 데에는 한계가 있다. 다시 말하면 MOS FET의 스케일링 다운이 제한된다.
또한, SiO2물질은 세밀하지 않기 때문에 핀홀들이 SiO2물질에서 쉽게 만들어진다. 특히, SiO2게이트 절연층이 100Å 보다 얇게 만들어져 있을 때에 핀홀들은 SiO2게이트 절연층에 게이트 전극의 전도체를 확산시키기 위해 게이트 절연층에 영향을 주며, 때때로 절연층의 절연파괴, 전기적 누출 또는 단락을 일으킨다.
반도체 소자에서의 SiC 물질과 그것의 용융이 오랜동안 연구되었고, SiC를 이용한 많은 종류의 반도체 소자가 개발 되었었다. 그러나 이들 연구와 개발은 바이폴라 트랜지스터, 반전형 MOS FET(K. Furukawa 등에 의하여 저술된 기술문헌＂Application of SiC to Semiconductor Device and its Trend＂와 1979년 12월호 월간지 ＂Semiconductor World＂에서 볼 수 있음), 절연-게이트 혹은 접합-게이트 FET(K. Furukawa 등에 의하여 저술된 기술 문헌 ＂Insulated-Gate and Junction-Gate FET's of CVD-Grown β-SiC＂와 1987년 2월호 VOL. EDL-8. NO.2의 ＂IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS＂에서 볼 수 있음) 등과 같은 SiC의 캐리어들을 이용한 반도체 소자의 발명을 가져왔다. 그러나 발명자가 아는 바로는 FET의 게이트 절연층으로 사용된 SiO2필름을 단결정 반도체 기판상에 성장 시킨 단결정 SiC로 대체된 고안은 없었다.
MOSFET의 상기 문제들을 고려해서, 본 발명은 종래의 MOS FET와 비교하여 반도체 소자의 집적회로 실현과 고속동작이 가능한 IGFET를 제공하려는 것이다.
그러므로 본 발명의 목적은 Si 기판과 SiO2게이트 절연층으로 구성된 종래의 MOS FET 보다 작은 크기의 IGFET를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 MOS FET보다 높은 상호 콘덕턴스를 갖는 IGFET를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 MOS FET의 동작 속도보다 빠르고 안정성 있는 IGFET을 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 IGFET의 크기가 종래의 MOS FET보다 작지만, 제조시에 고신뢰도의 고재생산성을 갖는 IGFET를 제공함에 있다.
상기 목적들은 비결정 SiO2대신에 단결정 Si 기판상에 에피택셜 성장된 단결정 SiC층으로 구성된 게이트 절연층을 갖는 IGFET를 제공함으로써 성취된다.
본 발명에 있어서, 제1(9)도는 고저항을 갖는 순순 단결정 탄화실리콘(SiC) 필름 2가 P형 Si기판 1, 즉 Si와 SiC 사이의 공유 영역(하기에서는 ＂Si/SiC 공유 영역＂이라 함)에 형성되고, 게이트 전극 3은 SiC 필름 2상에 형성되어 있는 것을 도시한 것이다. SiC의 금지 대역 갭은 Si 금지 대역 갭보다 크기 때문에 Si/SiC 공유영역의 에너지 레멜은 제3도와 같다. 이 경우에 전자는 Si/SiC 공유 영역의 Si 측면에 형성된 전위 우물에 트랩(trap)되고, IGFET의 채널에서 캐리어들로써 동작한다. 그러한 상태는 SiO2게이트 산화 필름을 사용하는 통상의 FET들과 유사하다.
게이트 절연층으로 단결정 SiC를 1000℃의 성장온도 이하에서 저압력가스, 즉 실리콘 테트라클로라이드 아세틸렌(SiCl4), 트리클로로 실란(SiHCl3), 모노실란(SiH4) 등과 같은 Si원 가스와 카본 테트라클로라이드(CCl4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C2H8) 등과 같은 C원 가스를 이용하는 기상 에피택셜법에 의하여 단결정 Si 기판상에 형성할 수 있다.
SiC의 비유전율으 SiO2보다 2.5배 정도 큰 10에 가깝다. 그러므로 SiC 층을 갖는 게이트 전극 구조의 캐패시턴스는 SiO2게이트 절연층보다 2.5배 정도 크게 증가하며, 발명된 IGFET의 드레인 전류가 증가되어 VLSI소자의 동작속도를 증가시키는데 필요한 IGFET의 전류 구동능력을 증가시킨다.
관점을 바꾸어, 만일 SiC 게이트 절연층이 종래의 MOS FET와 동일한 드레인 전류가 필요하다면 SiC 게이트 절연층의 두께는 SiO2게이트 절연층보다 2.5배 정도 더 두껍게 허용될 수 있다. 그러므로 SiC 게이트 절연층의 전계 강도가 SiO2게이트 절연층에서 보다 1/2.5정도 작게 감소되므로써, 발명된 IGFET의 절연파괴 전압은 종래의 FET들보다 2.5배 정도 크게 증가한다.
발명된 IGFET 게이트 절연층의 SiC 단결정이기 때문에 SiC에서 캐리어 트랩으로 활동하는 비결정 SiO2게이트 절연층에서 보다 적다. 이것은 채널에서 캐리어들을 트랩하거나 캐리어의 이동성을 방해하는 결함을 감소시킨다. 그리고 SiC가 단결정이기 때문에 Si/SiC 공유 영역은 원자층 오더(order)를 평탄하게 할 수 있고, 그 공유 영역의 결함을 감소 시킬 수 있어서 표면 전자 이동도는 증가할 수 있다. 따라서 발명된 IGFET의 동작은 고속화 될 수 있다.
SiC가 0.4W/㎝.℃의 큰 전도율을 가지고 있기 때문에 SiC 게이트 절연층은 고온에서 기계적으로 안정하며, 단결정 SiC가 비결정 SiO2보다 세밀한 구조를 가지고 있기 때문에 IGFET의 제조과정 중 혹은 장시간 동작 후에 게이트 전극 재료를 게이트 절연층에 확산시키거나 Sic 절연층의 핀홀을 통하여 이의 게이트 전극 재료가 꿰뚫고 들어감에 따라 일어나는 IGFET의 특성 저하를 피할 수 있다.
본 발명에 따라 n-채널 IGFET는 제1(1)도-제1(9)도에 대응하는 다음 단계들로 제조된다.
(1) 소자 영역 21을 한정하기 위한 SiO2의 전계 산화 필름 6은 Si3N4(Silicon nitride)필름을 마스크로 이용하는 LOCOS(Local Oxidation of Silicon)법으로 브론(B)이 도핑된 10Ω/㎝의 전도도를 갖는 P형 Si 기판 1의 표면상에 1㎛ 두께로 형성된다. 그 중에 면방향(100)의 P형 Si 기판은 단결정 SiC 층 2를 에피택셜 성장시키기 위해 제공되는데 다음 단계(2)에서 서술될 것이다.
(2) 제1(2)도에서와 같이 200Å 두께의 단결정 SiC 층 2는 VPE법(기상 에피택셜법)으로 Si 기판 1의 표면상에 에피택셜 성장되며, 제2도에서와 같이 그 Si 층의 에피택셜 성장은 200Pa의 가스압력에서 Si원 가스인 SiHCl3가스, C원 가스인 C3H8가스, 캐리어 가스인 수소(H2)가스 등을 이용하는, 온도와 가스 플로우 프로그램도에 따라 행하여진다. H2유량 7ℓ/min이 기판을 받치고 있는 반응용기(reaction chamber)에 도입되며, 또한 기판의 온도는 50℃/min의 비율로 증가한다. 그 온도가 1000℃까지 상승되었을 때에 SiHCl3유량 0.7ℓ/min와 C3H8유량 38cc/min이 H2가스에 부가된다. 이런 조건하에서 제1(2)도에서와 같이 단결정 SiC 층 2는 Si 기판 1의 표면상에 성장되며, 다결정 SiC 층 2는 전계 산화 필름 6의 표면상에 성장된다. 그 성장시간은 200Å 두께의 단결정 SiC 층 2를 얻는데에 약 60초가 걸린다. 그 때에 SiHCl3와 C3H8가스들의 흐름은 중단되어 H2의 가스의 흐름만 존재하며, 온도는 100℃/min의 비율로 감소한다. 단결정 SiC 층 2의 시트(sheet)저항율은 그 두께가 200Å일 때에 1000Ω/□이다.
(3) 다음에, 제1(3)도와 같이 4000Å 두께의 폴리실리콘 층 3'를 SiC 층 2의 표면상에서 CVD(화학증착)법에 의해 증착시키면 1×106/㎠ 도우스(dose)의 As+이온이 70KeV의 가속 전압하에서 폴리실리콘 3'로 확산된다. 그 때에 폴리실리콘 3'를 활성화 시키기 위해 기판을 950℃에서 20분동안 에닐링(anneuling)함으로써 폴리실리콘 3'는 50-100Ω/□ 시트 저항을 갖는다.
(4) 폴리실리콘 층 3'의 표면은 보편적인 포토리소 그래피(사진 석판술)에 의하여 본을 떠서 만든 포토레지스트 필름 12로 덮고, 게이트 전극 3을 덮고 있는 부분을 남기고 모두 제거한다. 그 때 제1(4)도와 같이 포토레지스트 필름 12로부터 노출된 폴리실리콘 층 3'는 RIE(반응이온 에칭)에 의햐여 제거된다. 상기 에칭은 카본 테트라 클로라이드(CCl4)와 브론 트리클로라이드(BCl3)를 동일 비율로 혼합한 가스를 이용한다.
(5) 다음에, 폴리실리콘 층 3'로부터 노출된 단결정 SiC 층 2와 다결정 SiC 층 2'는 95:5의 체적비를 갖는 카본 테트라플로오라이드(CF4)와 옥시겐(O3)의 에칭 가스를 사용하는 RIE에 의하여 에칭 제거된다. 따라서 게이트 전극 3의 구조물은 제1(5)도에서와 같이 최종 형성된다.
(6) 플라즈마 애싱(plasma ashing)에 대하여 게이트 전극 3상의 포토레지스트 필름 12를 제거한 후에 소오스 영역 4와 드레인 영역 5는 40KeV의 가속전압으로 기판에 1×1014-1×1015/㎠ 도우스(dose)의 As+이온을 확산시키므로 제1(6)도와 같이 n형이 되도록 도핑되었다. 그 후에 기판 1은 1000℃에서 적외선 램프를 이용하는 RTA(Rapid Thermal Annealing)법으로 애닐링된다.
(7) 결과적으로, 제1(7)도와 같이 SiO2필름 7이 열적 산화에 의하여 소자의 전표면에 형성되며, 이 단계에서 소오스 영역 4와 드레인 영역 5의 표면과 게이트 전극 3의 상측면은 얇은 SiO2 층으로 덮고, 동시에 단계(6)에서 확산된 불순물(As+)은 이 단계에서 활성화되어 소오스와 드레인 영역을 기판 1에 형성한다.
(8) 다음에, 제1(8)도에서와 같이 소자 구조물의 표면은 보편적인 CVD법으로 1㎛두께의 PSG(Phosphosilicate Glass)로 덮고, 소오스와 드레인 전극에 대한 홀들 9는 포토리소그래피와 에칭으로 PSG 8을 통하여 소오스 영역 4와 드레인 영역 5상에 만든다.
(9) 마지막으로, 제1(9)도와 같이 소오스와 드레인 전극은 보편적인 포토리소그래피와 에칭법에 의하여 Al-Si(2%)(Si 2중량%를 함유한 알루미늄 실리콘 합금)으로 형성된다.
상기 명세서에서는 면방위(100)의 Si 기판이 사용되었지만, 상술된 단계(1)-(9)의 어떠한 수정도 없이 면방위(111)의 기판을 사용할 수 있음이 확인되었고, 면방위(111)의 기판을 사용하면 표면 결함을 감소시키는데에 효과적이다.
게이트 길이가 1㎛, 게이트 폭이 10㎛, 게이트 절연층의 두께가 200Å인 치수를 갖는 발명된 IGFET의 소자특성 SiO2게이트 절연층을 갖고 있고 동일 치수를 갖는 종래의 MOS FET이 비교되었다. 종래의 FET들의 상화 콘덕턴스가 평균 50㎝ 인데 반하여 본 발명에 의한 IGFET의 상호 콘덕턴스는 평균100m이며, 이 값의 차이는 SiC 게이트 절연층의 기대효과를 반영한 것이다.
본 발명이 상기 실시예에서 설명되었지만 그 소자의 치수와 불순물은 상술된 것들만으로 제한되지 않으며, 이온확산법, 반응이온 에칭법과 같은 프로세스 기술은 IGFET의 디자인을 제조하기에 알맞은 기술들 중의 하나로 대체할 수 있어서 기술의 숙련을 가져오는 것은 명백하다. 예를 들면, 소오스와 드레인 영역은 확산 프로세서로써 형성될 수 있도, 알루미늄, 텅스텐 혹은 몰리브덴과 같은 내구성 금속, 실리사이드 내구성 금속, 폴리실리콘과 실리사이드의 혼합물등 등은 폴리실리콘 게이트 전극으로 사용될 수 있다.
상기 실시예에서는 N-채널 FET가 설명되었지만, 본 발명이 적당한 전도형의 불순물을 선택함으로써 P-채널 FET에도 적용될 수 있음은 명백하다.
Claims (4)
- 절연 게이트 전계효과 트랜지스터 (IGFET)에 있어서, 단결정 실리콘 기판(1)과, 상기 실리콘 기판의 표면상에 에피택셜 성장시킨 단결정 실리콘 카바이드(SiC)층을 포함하는 게이트 절연층(2)과, 상기 실리콘 기판의 표면 영역에 채널 영역을 형성하기 위하여 상기 게이트 절연층상에 형성시킨 게이트 전극과, 상기 채널 영역의 단부와 전기적으로 접속되도록 상기 실리콘 기판의 표면 영역에 형성되어 있는 드레인 영역과로 구성되어 있는 절연 게이트 전계효과 트랜지스터(IGFET).
- 제1항에 있어서, 기상 에피택셜 성장법으로 상기 실리콘 기판상에 에피택셜 성장 시킨 상기 실리콘 카바이드 층을 포함하는 절연 게이트 전계효과 트랜지스터(IGFET).
- 제1항에 있어서, 상기 실리콘의 상기 표면의 주 면방위가 (100)인 절연 게이트 전계효과 트랜지스터(IGFET).
- 제1항에 있어서, 상기 실리콘의 상기 표면의 주 면방위가 (111)인 절연 게이트 전계효과 트랜지스터(IGFET).
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