KR100429869B1 - CMOS Integrated circuit devices and substrates having buried silicon germanium layers therein and methods of forming same - Google Patents
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Abstract
CMOS 집적회로 소자들이 전기적 절연층과 상기 전기적 절연층상의 비변형된 활성층을 포함한다. 또한 절연 게이트전극이 비변형된 실리콘 활성층의 표면에 제공된다. 또한 Si1-xGex층이 전기적인 절연층과 비변형된 실리콘 활성층 사이에 배치된다. Si1-xGex층은 비변형된 실리콘 활성층과 제1 접합을 형성하며 그 내에 저머늄이 피크 레벨로부터 비변형된 실리콘 활성층의 표면을 향하는 제1 방향으로 단조롭게 감소하는 경사진 농도를 갖는다. 저머늄의 피크 농도 레벨은 x=0.15 이상이며, Si1-xGex층 내에서 저머늄의 농도는 피크 레벨로부터 제1 접합에서 x=0.1 이하의 레벨까지 변화한다. 제1 접합에서 저머늄의 농도는 급경사일 수 있다. Si1-xGex층 내에서 저머늄의 농도는 0.2<x<0.4인 피크 레벨로부터 제1 접합에서 x=0인 레벨까지 변화한다. 또한 Si1-xGex층은 표면에 대하여 그 내부에 리트로그레이드된 비소 도핑 프로파일을 갖는다. 이 리트로그레이드된 프로파일은 비변형된 실리콘 활성층내에서 채널영역 내의 제1 도전형 도펀트의 농도에 비하여 큰 그 내에 제1 도전형 도펀트의 농도를 갖는 Si1-xGex층이 되게 한다. 채널영역 및 하부 Si1-xGex층 내의 전체 도펀트량은 원하는 문턱전압을 얻기 위해 주의깊게 제어될 수 있다.CMOS integrated circuit devices include an electrically insulating layer and an unmodified active layer on the electrically insulating layer. An insulating gate electrode is also provided on the surface of the unmodified silicon active layer. In addition, a Si 1-x Ge x layer is disposed between the electrically insulating layer and the unmodified silicon active layer. The Si 1-x Ge x layer forms a first junction with the unmodified silicon active layer, in which germanium has a sloped concentration that monotonously decreases from the peak level toward the surface of the unmodified silicon active layer. The peak concentration level of germanium is at least x = 0.15, and the concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer varies from the peak level to a level of x = 0.1 or less at the first junction. The concentration of germanium at the first junction may be steep. The concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer varies from a peak level of 0.2 <x <0.4 to a level of x = 0 at the first junction. The Si 1-x Ge x layer also has a arsenic doping profile retrologated therein with respect to the surface. This retranslated profile results in a Si 1-x Ge x layer having a concentration of the first conductivity type dopant therein as compared to the concentration of the first conductivity type dopant in the channel region in the unmodified silicon active layer. The total amount of dopant in the channel region and in the lower Si 1-x Ge x layer can be carefully controlled to obtain the desired threshold voltage.
Description
본 발명은 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MOS계 반도체소자 및 기판과 그 형성방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a MOS semiconductor device and a substrate and a method of forming the same.
부분공핍 SOI(Partially-depleted Silicon-On-Insulator;PDSOI) MOSFET들은 빠른 속도와 낮은 전력 성능을 제공하지만, 전형적으로 소자의 성능을 심각하게 저화시키는 기생 플로팅 바디 효과(floating body effect;FBE)에 민감하다. SOI MOSFET에서 플로팅 바디 효과를 줄이기 위하여 여러가지 기술들이 제안되어왔다. 그 기술들 중의 하나가 SOI NMOS 전계효과 트랜지스터의 소오스에 인접하는 좁은 갭의 실리콘저머늄(SiGe)층을 사용하는 것이다. 당해 기술분야에서 당업자에게 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 실리콘저머늄층의 사용은 바디영역으로부터 소오스영역으로 통과하는 홀들에 대하여 포텐셜 장벽을 감소시켜준다. 따라서, 충격이온화에 의해 바다영역에서 발생된 홀들은 p-Si(바디)/n+SiGe(소오스)/n+Si(소오스)의 경로를 통하여 소오스영역으로 쉽게 흘러갈 수 있다. 이러한 그리고 다른 관련 기술들이 제이. 심(J.Sim)씨등의 "Elimination of Parasitic Bipolar-Induced Breakdown Effects in Ultra-Thin SOI MOSFETs Using Narrow-Bandgap-Source(NBS) Structure"(IEEE Trans. Elec. Dev., Vol.42, No.8, pp. 1495-1502, August 1995)라는 제하의 논문, 엠.요시미(M.Yoshimi)씨등의 "Suppression of the Floating-Body Effect in SOI MOSFETs by the Bandgap Engineering Method Using a Si1-xGexSource Structure"(IEEE Trans. Elec. Dev., Vol. 44, No.3, pp.423-429, March 1997)라는 제하의 논문에 개시되어 있다. 또한, 요시미 씨등에 부여된 "Insulated-Gate Transistor Having Narrow-Bandgap-Source"라는 제하의 미합중국 특허 제5,698,869호에도 MOSFET의 소오스영역내에 좁은 밴드갭 물질의 사용을 개시하고 있다.Partially-depleted Silicon-On-Insulator (PDSOI) MOSFETs offer high speed and low power performance, but are typically susceptible to parasitic floating body effects (FBEs) that seriously degrade device performance. Do. Several techniques have been proposed to reduce floating body effects in SOI MOSFETs. One of the techniques is the use of a narrow gap silicon germanium (SiGe) layer adjacent to the source of a SOI NMOS field effect transistor. As will be readily appreciated by those skilled in the art, the use of a silicon germanium layer reduces the potential barrier for holes passing from the body region to the source region. Therefore, holes generated in the sea region by impact ionization can easily flow into the source region through the path of p-Si (body) / n + SiGe (source) / n + Si (source). These and other related technologies are Jay. J. Sim et al., "Elimination of Parasitic Bipolar-Induced Breakdown Effects in Ultra-Thin SOI MOSFETs Using Narrow-Bandgap-Source (NBS) Structure" (IEEE Trans.Elec. Dev., Vol. 42, No. 8, pp. 1495-1502, August 1995), "Suppression of the Floating-Body Effect in SOI MOSFETs by the Bandgap Engineering Method Using a Si 1-x Ge" by M. Yoshimi et al. x Source Structure "(IEEE Trans. Elec. Dev., Vol. 44, No. 3, pp. 423-429, March 1997). U.S. Patent No. 5,698,869, entitled "Insulated-Gate Transistor Having Narrow-Bandgap-Source," to Yoshimi et al. Also discloses the use of a narrow bandgap material in the source region of a MOSFET.
FBE를 감소시키고 MOSFET내에서 채널 특성을 향상시키기 위한 기술들이 리아우(Liau)씨등에 부여된 "Method for Forming a Semiconductor Device Having a Heteroepitaxial Layer"라는 제하의 미합중국 특허 제5,891,769호에 개시되어 있다. 특히, 상기 '769특허는 MOSFET내에서 캐리어 이동도를 증진시키기 위하여 변형된 채널영역의 사용을 개시하고 있다. 이러한 변형된 채널영역은 애스-그로운(as-grown) 상태의 이완되거나 비변형된 실리콘저머늄층상에 실리콘층을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 추(Chu)씨등에 부여된 "Bulk and Strained Silicon on Insulator Using Selective Oxidation"라는 제하의 미합중국 특허 제5,963,817호도 또한 FBE를 향상시키기 위하여 실리콘에 비하여 빠른 속도로 선택적으로 산화하는 실리콘저머늄층의 사용을 개시하고 있다. 나아가, 추(Chu)씨 등에 부여된 미합중국 특허 제5,906,951호 및 제6,059,895호에는 웨이퍼 본딩기술과 SOI 기판을 제공하기 위하여 변형된 SiGe층을 개시하고 있다. 웨이퍼 본딩기술 및 SOI 기판을 제공하기 위해 실리콘저머늄층을 사용하는 것은 또한 가울(Gaul)씨 등에 부여된 미합중국 특허 제5,218,213호 및 제5,240,876호에도 개시되어 있다. SOI 기판을 형성하기 위한 종래의 기술들이 도 1a -1d 내지 도 2a- 2d에 도시되어 있다. 특히, 도 1a는 그 내에 다공성 실리콘층(112) 및 그 위에 에피택셜 실리콘층(114)을 구비한 핸들링(handling) 기판(110)의 형성을 보여준다. 도 1b는 상기 에피택셜 실리콘층(114)의 표면에 서포팅(supporting) 기판(120)의 접착을 보여준다. 상기 서포팅 기판(120)은 종래의 기술을 사용하여 상기 에피택셜 실리콘층(114)상에 직접 접촉되는 산화물층(122)이 그 위에 형성될 수 있다. 이어서 도 1c에서 보여지듯이, 핸들링 기판(110)의 일부가 제거되어 다공성 실리콘층(112)을 노출시킨다. 이러한 제거단계는 핸들링 기판(110)의 일부를 연마하거나 식각하여 수행하거나 다공성 실리콘층(112)을 분리하여 수행할 수도 있다. 이어서 도 1d에서 보여지듯이, 일반적인 평탄화 기술이 다공성 실리콘층(112)을 제거하기 위해 수행되어, 그 내에 매물된 산화물층(122) 및 그 위에 연마된 실리콘층(114)을 갖는 SOI 기판을 제공한다. 도 1a 내지 도 1d에 나타난 종래의 기술은 일반적으로 ELTRAN(epi-layertransfer) 기술로서 알려져 있다.Techniques for reducing FBE and improving channel characteristics in MOSFETs are disclosed in US Pat. No. 5,891,769, entitled "Method for Forming a Semiconductor Device Having a Heteroepitaxial Layer," to Liau et al. In particular, the '769 patent discloses the use of modified channel regions to enhance carrier mobility in MOSFETs. This strained channel region can be formed by growing a silicon layer on a relaxed or unmodified silicon germanium layer in an as-grown state. U.S. Patent No. 5,963,817, entitled "Bulk and Strained Silicon on Insulator Using Selective Oxidation," to Chu et al. Doing. Further, US Pat. Nos. 5,906,951 and 6,059,895 to Mr. Chu et al. Disclose SiGe layers modified to provide wafer bonding techniques and SOI substrates. The use of silicon germanium layers to provide wafer bonding techniques and SOI substrates is also disclosed in US Pat. Nos. 5,218,213 and 5,240,876 to Mr. Gaul et al. Conventional techniques for forming an SOI substrate are shown in FIGS. 1A-1D-2A-2D. In particular, FIG. 1A shows the formation of a handling substrate 110 having a porous silicon layer 112 therein and an epitaxial silicon layer 114 thereon. 1B shows the adhesion of the supporting substrate 120 to the surface of the epitaxial silicon layer 114. The supporting substrate 120 may be formed thereon with an oxide layer 122 directly contacting the epitaxial silicon layer 114 using conventional techniques. Subsequently, as shown in FIG. 1C, a portion of the handling substrate 110 is removed to expose the porous silicon layer 112. This removing step may be performed by grinding or etching part of the handling substrate 110 or by separating the porous silicon layer 112. As shown in FIG. 1D, a general planarization technique is then performed to remove the porous silicon layer 112 to provide an SOI substrate having an oxide layer 122 embedded therein and a silicon layer 114 polished thereon. . The prior art shown in FIGS. 1A-1D is generally known as an epi-layertransfer (ELTRAN) technique.
도 2a는 그 내에 매몰된 수소주입층(132)을 정의하기 위해 기판의 표면에 수소이온들을 주입함으로써 그 위에 실리콘층(130')을 구비한 핸들링(handling) 기판(130)의 형성을 보여준다. 이어서 도 2b는 상기 핸들링 기판에 서포팅 기판(120)이 접착된다. 이어서, 핸들링 기판(132)의 일부가 도 2c에서 보여지는 바와 같이, 수소 주입층(132)을 따라 상기 접착된 기판을 제거함으로써 제거된다. 이어서 도 2d에서 보여지듯이, 일반적인 평탄화 기술이 수소 주입층(132)을 제거하기 위해 수행된다. 도 2a 내지 도 2d에 나타난 이러한 종래의 기술은 일반적으로 "스마트-컷(smart-cut)" 기술로서 알려져 있다.FIG. 2A shows the formation of a handling substrate 130 with a silicon layer 130 ′ on it by implanting hydrogen ions into the surface of the substrate to define a hydrogen implanted layer 132 embedded therein. 2B, the supporting substrate 120 is adhered to the handling substrate. A portion of the handling substrate 132 is then removed by removing the adhered substrate along the hydrogen injection layer 132, as shown in FIG. 2C. As shown in FIG. 2D, a general planarization technique is performed to remove the hydrogen injection layer 132. This conventional technique, shown in FIGS. 2A-2D, is generally known as a "smart-cut" technique.
불운하게도, 비록 변형된 실리콘 채널영역의 사용이 NMOS 및 PMOS 소자 모두에서 캐리어의 이동도를 증진시키만, 그러한 변형된(strained) 영역은 일반적으로 단채널 소자 특성을 열화시킨다. 따라서, MOSFET 및 SOI 기판을 형성하기 위한 전술한 기술들에도 불구하고 증진된 채널 이동도 특성을 확보하기 위해 변형된 채널 영역의 사용을 요구하지 않는 기판들을 형성하는 개선된 방법들 및 그에 의해 형성된 구조물에 대한 요구가 계속되어지고 있다.Unfortunately, although the use of strained silicon channel regions promotes carrier mobility in both NMOS and PMOS devices, such strained regions generally degrade short channel device characteristics. Thus, improved methods and structures formed by forming substrates that do not require the use of modified channel regions to ensure enhanced channel mobility characteristics despite the foregoing techniques for forming MOSFET and SOI substrates. The demand for it continues.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 증진된 채널 이동도 특성을 확보하기 위해 변형된 채널영역의 사용을 요구하지 않는 MOS계 반도체소자 및 기판과 그 형성방법에 관한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and relates to a MOS-based semiconductor device, a substrate, and a method of forming the same, which do not require the use of a modified channel region to secure enhanced channel mobility characteristics. will be.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 SOI(Semiconductor On-Insulator)기판을 형성하는 방법을 보여주는 중간 구조물의 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views of an intermediate structure showing a method of forming a conventional semiconductor on-insulator (SOI) substrate.
도 2a 내지 도 2d는 종래의 SOI 기판을 형성하는 방법을 보여주는 중간 구조물의 단면도들이다.2A-2D are cross-sectional views of an intermediate structure showing a method of forming a conventional SOI substrate.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따라 그내에 SiGe층을 갖는 SOI 기판을 형성하는 방법을 보여주는 중간 구조물의 단면도들이다.3A-3E are cross-sectional views of an intermediate structure showing a method of forming an SOI substrate having a SiGe layer therein in accordance with one embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따라 그내에 SiGe층을 갖는 SOI 기판을 형성하는 방법을 보여주는 중간 구조물의 단면도들이다.4A-4E are cross-sectional views of an intermediate structure showing a method of forming an SOI substrate having a SiGe layer therein in accordance with one embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 SOI계 전계효과 트랜지스터들을 형성하는 바람직한 방법을 나타내는 공정단계들의 플로우도이다.5 is a flow diagram of process steps illustrating a preferred method of forming SOI field effect transistors in accordance with one embodiment of the present invention.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따라 SOI계 MOS 트랜지스터들을 형성하는 방법을 나타내는 중간 구조물의 단면도들이다.6A-6E are cross-sectional views of intermediate structures illustrating a method of forming SOI-based MOS transistors in accordance with one embodiment of the present invention.
도 7a는 종래의 SOI 기판에 대하여 어닐링 전의 기판 깊이 대 N형 도펀트 농도의 그래프로서, 인 및 비소 도펀트가 각기 30 KeV 및 200 KeV의 에너지로 주입된것이다.FIG. 7A is a graph of substrate depth prior to annealing versus N-type dopant concentration for conventional SOI substrates, in which phosphorus and arsenic dopants were implanted with energy of 30 KeV and 200 KeV, respectively.
도 7b는 종래의 SOI 기판에 대하여 어닐링 후의 기판 깊이 대 N형 도펀트 농도의 그래프로서, 어닐링 전의 도펀트 프로파일은 도 7a에 나타난다.FIG. 7B is a graph of substrate depth after annealing versus N-type dopant concentration for a conventional SOI substrate, with the dopant profile before annealing shown in FIG. 7A.
도 7c는 그내에 삽입된 SiGe층을 갖는 바람직한 SOI 기판에 대하여 기판 깊이 대 N형 도펀트 농도의 그래프로서, 인 및 비소 도펀트가 각기 30 KeV 및 200 KeV의 에너지로 주입된 것이다.FIG. 7C is a graph of substrate depth versus N-type dopant concentration for a preferred SOI substrate having a SiGe layer inserted therein, with phosphorus and arsenic dopants implanted at energies of 30 KeV and 200 KeV, respectively.
도 7d는 그내에 삽입된 SiGe층을 갖는 바람직한 SOI 기판에 대하여 기판 깊이 대 N형 도펀트 농도의 그래프로서, 어닐링 전의 도펀트 프로파일은 도 7c에 나타난다.FIG. 7D is a graph of substrate depth versus N-type dopant concentration for a preferred SOI substrate having a SiGe layer inserted therein, the dopant profile before annealing is shown in FIG. 7C.
본 발명의 실시예들은 그 내에 매몰 Si1-xGex층을 갖는 SOI(semiconductor-on-insulator) 기판을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 SOI 기판은 그 위에 전기적인 절연층을 갖는 실리콘 웨이퍼와 상기 전기적인 절연층상에 연장되어 있으며 그 내에 저머늄이 경사진 농도를 갖는 Si1-xGex층을 포함한다. 또한 비변형된 실리콘 활성층이 SOI 기판내에 제공된다. 이러한 비변형된 실리콘 활성층은 Si1-xGex층 상에 연장되며 그와 함께 접합을 이룬다. 또한 상기 비변형된 실리콘 활성층은 바람직하게는 SOI 기판의 표면으로 연장되어, 집적회로 소자들이 상기 실리콘 활성층의 표면에 형성될 수 있다. 상대적으로 박막 실리콘 활성층의 사용을 촉진하기 위하여, Si1-xGex층은 바람직하게는 비변형된 실리콘 활성층으로부터 에피택셜 성장된다. 이러한 에피택셜 성장 단계는 비변형된 실리콘 활성층을 제공하며(또는 초기에 기판상에 비변형된 실리콘 활성층을 에피택셜 성장시키고), 이어서 최대의 원하는 저머늄 농도가 얻어질 때까지 경사지도록 저머늄의 농도를 증가시킴으로써 활성층상에 Si1-xGex층의 성장을 계속한다. 이어서, 경사지는 방식으로 저머늄의 농도를 x=0까지 감소시킴으로써 더 이상의 성장이 발생될 수 있다. Si1-xGex층 내에서 저머늄의 경사는 직선형의 경사를 이룰 수도 있다.Embodiments of the present invention include a semiconductor-on-insulator (SOI) substrate having an embedded Si 1-x Ge x layer therein. An SOI substrate according to an embodiment of the present invention includes a silicon wafer having an electrical insulating layer thereon and a Si 1-x Ge x layer extending on the electrical insulating layer and having a concentration in which germanium is inclined therein. do. An unmodified silicon active layer is also provided in the SOI substrate. This unmodified silicon active layer extends over and bonds with the Si 1-x Ge x layer. The unmodified silicon active layer also preferably extends to the surface of the SOI substrate so that integrated circuit devices can be formed on the surface of the silicon active layer. In order to facilitate the use of a relatively thin silicon active layer, the Si 1-x Ge x layer is preferably epitaxially grown from an unmodified silicon active layer. This epitaxial growth step provides an unmodified silicon active layer (or initially epitaxially grows an unmodified silicon active layer on the substrate) and then slopes the germanium to be inclined until a maximum desired germanium concentration is obtained. Increasing the concentration continues the growth of the Si 1-x Ge x layer on the active layer. Subsequently, further growth can occur by reducing the concentration of germanium in an oblique manner to x = 0. The inclination of germanium in the Si 1-x Ge x layer may be linear inclination.
바람직한 SOI 기판은 초기에 그 내에 비변형된 실리콘층 및 상기 실리콘층 상에 연장된 Si1-xGex층을 갖는 핸들링 기판을 형성시킴으로써 제작될 수 있다. 이어서 서포팅(Supporting) 기판이 상기 핸들링 기판에 접착되어, Si1-xGex층이 상기서포팅 기판과 상기 비변형된 실리콘층 사이에 배치된다. 이어서, 실리콘층의 표면을 노출시키고 그 내에 매몰 Si1-xGex층을 갖는 SOI 기판을 형성하기 위해 상기 핸들링 기판의 일부가 상기 서포팅 기판으로부터 제거되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 매몰 Si1-xGex층은 바람직하게는 상기 서포팅 기판으로부터 상기 실리콘층의 표면으로 연장되는 방향으로 감소되는 프로파일을 갖는 경사진 저머늄의 농도를 갖는다.Preferred SOI substrates can be fabricated by initially forming a handling substrate having an unmodified silicon layer therein and an Si 1-x Ge x layer extending on the silicon layer. A supporting substrate is then bonded to the handling substrate such that a Si 1-x Ge x layer is disposed between the supporting substrate and the unmodified silicon layer. Subsequently, a portion of the handling substrate is preferably removed from the supporting substrate to expose the surface of the silicon layer and form an SOI substrate having an embedded Si 1-x Ge x layer therein. Here, the buried Si 1-x Ge x layer preferably has a concentration of inclined germanium having a profile that decreases in a direction extending from the supporting substrate to the surface of the silicon layer.
이러한 방법들은 또한 그 내에 비변형된 제1 실리콘층, 상기 제1 실리콘층상에 연장된 Si1-xGex층 및 상기 Si1-xGex층상에 연장된 비변형된 또는 변형된 제2 실리콘층을 갖는 핸들링 기판을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 접착 단계 전에 상기 Si1-xGex층 상에 열적 산화층을 형성하기 위해 열적으로 상기 제2 실리콘층을 산화시키는 단계를 수행할 수 있다. 또한, 상기 서포팅 기판은 그 위에 산화물 표면층을 포함할 수 있으며, 상기 접착 단계는 상기 열적 산화층에 상기 산화물 표면층을 접착시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한 다른 대안으로, 상기 접착 단계 전에 Si1-xGex층 상에 전기적인 절연층을 증착시키는 단계를 수행할 수 있으며, 상기 접착 단계는 상기 전기적인 절연층에 상기 산화물 표면층을 접착하는 단계를 포함할 수 있다.These methods also include a first silicon layer unmodified therein, an Si 1-x Ge x layer extending on the first silicon layer and an unmodified or modified second silicon extending on the Si 1-x Ge x layer. Forming a handling substrate having a layer. In addition, the step of thermally oxidizing the second silicon layer to form a thermal oxide layer on the Si 1-x Ge x layer before the bonding step. In addition, the supporting substrate may include an oxide surface layer thereon, and the bonding may include adhering the oxide surface layer to the thermal oxide layer. Alternatively, the step of depositing an electrical insulating layer on the Si 1-x Ge x layer may be performed prior to the bonding step, wherein the bonding step comprises adhering the oxide surface layer to the electrical insulating layer. It may include.
SOI 기판을 형성하는 또 다른 바람직한 방법에 따르면, 핸들링 기판은 그 내에 다공성 실리콘층을 포함할 수 있으며, 상기 제거 단계는 상기 다공성 실리콘층을 분리함으로써 상기 서포팅 기판으로부터 상기 핸들링 기판의 일부를 제거하고이어서 연속하여 상기 다공성 실리콘층과 실리콘층을 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다. 핸들링 기판을 형성하는 바람직한 방법은 실리콘층 상에 Si1-xGex층을 에피택셜 성장시키고, 이어서 상기 핸들링 기판내에 수소주입층을 형성하기 위하여 상기 Si1-xGex층과 상기 실리콘층을 통하여 수소 이온을 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제거 단계는 상기 수소주입층을 분리하고, 실리콘층의 표면을 노출시키기 위하여 상기 수소주입층을 평탄화함으로써 수행될 수 있다. 전계효과 트랜지스터를 포함하는 반도체소자들은 상기 실리콘층의 표면에 형성될 수 있다.According to another preferred method of forming an SOI substrate, the handling substrate may comprise a porous silicon layer therein, wherein the removing step removes a portion of the handling substrate from the supporting substrate by separating the porous silicon layer. And subsequently planarizing the porous silicon layer and the silicon layer. A preferred method of forming a handling substrate is to epitaxially grow a Si 1-x Ge x layer on a silicon layer, and then use the Si 1-x Ge x layer and the silicon layer to form a hydrogen injection layer in the handling substrate. And implanting hydrogen ions therethrough. The removing step may be performed by separating the hydrogen injection layer and planarizing the hydrogen injection layer to expose the surface of the silicon layer. Semiconductor devices including field effect transistors may be formed on the surface of the silicon layer.
본 발명의 부가적인 실시예는 SOI 전계효과 트랜지스터를 포함한다. 그러한 트랜지스터는 전기적인 절연층과 상기 전기적인 절연층상의 비변형된 실리콘 활성층을 포함한다. 또한, 상기 비변형된 실리콘 활성층 표면상에 절연된 게이트전극이 제공된다. 또한, 상기 전기적인 절연층과 상기 비변형된 실리콘 활성층 사이에 Si1-xGex층이 배치된다. 상기 Si1-xGex층은 상기 비변형된 실리콘 활성층과 제1 접합을 형성하며, 그 내에서 저머늄이 피크 레벨로부터 상기 비변형된 실리콘 활성층의 표면을 향하여 연장되는 제1 방향으로 단조롭게 감소하는 경사진 농도를 갖는다. 본 실시예의 한 형태에 따르면, 피크 저머늄 농도 레벨은 x=0.15 보다 크며, 상기 Si1-xGex층 내에서의 저머늄의 농도는 상기 피크 레벨로부터 상기 제1 접합에서 약 x=0.1 보다 작은 레벨까지 변화한다. 상기 제1 접합에서 저머늄의 농도는 가파를 수도 있다. 보다 바람직하기로는, 상기 Si1-xGex층 내에서의 저머늄의 농도는 0.2<x<0.4인 피크 레벨로부터 상기 제1 접합에서 x=0인 레벨까지 변화한다.Additional embodiments of the present invention include SOI field effect transistors. Such transistors include an electrically insulating layer and an unmodified silicon active layer on the electrically insulating layer. In addition, an insulated gate electrode is provided on the surface of the unmodified silicon active layer. In addition, a Si 1-x Ge x layer is disposed between the electrical insulating layer and the unmodified silicon active layer. The Si 1-x Ge x layer forms a first junction with the unmodified silicon active layer, in which germanium monotonically decreases from the peak level in a first direction extending toward the surface of the unmodified silicon active layer. Have an inclined concentration. According to one form of this embodiment, the peak germanium concentration level is greater than x = 0.15 and the concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer is greater than about x = 0.1 at the first junction from the peak level. Change up to a small level. The concentration of germanium in the first junction may be steep. More preferably, the concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer varies from a peak level of 0.2 <x <0.4 to a level of x = 0 at the first junction.
또한, 상기 Si1-xGex층은 상기 하부의 전기적인 절연층과 계면을 이루며, 또한 상기 Si1-xGex층 내에서 상기 경사진은 저머늄의 농도는 상기 전기적인 절연층과의 계면에서 약 x=0.1 보다 작은 레벨로부터 상기 피크 레벨까지 증가할 수도 있다. 또한, 상기 비변형된 실리콘 활성층은 약 600 Å 이상의 두께를 가질 수 있으며, 상기 Si1-xGex층은 약 800 Å 이하의 두께를 가질 수 있다.In addition, the Si 1-x Ge x layer forms an interface with the lower electrical insulating layer, and the concentration of the inclined germanium in the Si 1-x Ge x layer may be different from that of the electrical insulating layer. It may increase from the level less than about x = 0.1 at the interface to the peak level. In addition, the unmodified silicon active layer may have a thickness of about 600 GPa or more, and the Si 1-x Ge x layer may have a thickness of about 800 GPa or less.
PMOS 트랜지스터에서 보다 큰 구동전류 능력이 채널영역과 바디영역에서 도펀트 프로파일을 재편성함으로써 달성될 수 있다. 특히, 실리콘과 Si1-xGex에서 어떤 도펀트의 용해도가 다르다는 것이 PMOS 소자의 특성을 향상시키는 데 유리하게 사용될 수 있다. 바람직한 PMOS 트랜지스터에 있어서, Si1-xGex층은 N형 도펀트로 도핑되며, Si1-xGex층 내에서 N형 도펀트의 농도는 상기 비변형된 실리콘 활성층의 표면을 향하는 제1 방향으로 감소하는 프로파일을 갖는다. 이 프로파일은 바람직하게는 Si1-xGex층 내에 피크 레벨을 가지며, 계속적으로 리트로그레이드된 N형 도펀트 프로파일이 상기 비변형된 실리콘 활성층을 가로질러 연장되는 단조로운 방식으로 상기 제1 방향에서 감소될 수 있다. 이러한 N형 도펀트는 바람직하기로는 바디영역에서 펀치쓰루우를 억제하는 데 사용될 수 있지만, PMOS 트랜지스터의 문턱전압에 영향을 주는 데 사용될 수도 있다.Larger drive current capability in PMOS transistors can be achieved by reorganizing the dopant profiles in the channel and body regions. In particular, the difference in solubility of certain dopants in silicon and Si 1-x Ge x can be advantageously used to improve the properties of PMOS devices. In a preferred PMOS transistor, the Si 1-x Ge x layer is doped with an N-type dopant, and the concentration of the N-type dopant in the Si 1-x Ge x layer is in a first direction towards the surface of the unmodified silicon active layer. Have a decreasing profile. This profile preferably has a peak level in the Si 1-x Ge x layer and is continuously reduced in the first direction in a monotonous manner in which the retranslated N-type dopant profile extends across the unmodified silicon active layer. Can be. Such an N-type dopant may preferably be used to suppress punchthrough in the body region, but may also be used to affect the threshold voltage of a PMOS transistor.
또한, 다른 SOI 전계효과 트랜지스터는 전기적인 절연층과 상기 전기적인 절연층상의 복합 반도체 활성영역을 포함할 수 있다. 상기 복합 반도체 활성영역은 약 600Å 이상의 두께를 갖는 실리콘 활성층과 상기 전기적인 절연층과 상기 실리콘 활성층과의 사이에 배치되는 단일 Si1-xGex층을 구비할 수 있다. 상기 Si1-xGex층은 상기 실리콘 활성층과 제1 접합을 형성하며, 그 내에서 저머늄이 피크 레벨로부터 상기 실리콘 활성층의 표면으로 향하여 연장되는 제1 방향으로 단조롭게 감소하는 경사진 농도를 갖는다. 상기 Si1-xGex층 내에서 저머늄의 피크 레벨은 바람직하게는 x=0.15 보다 크며, 상기 Si1-xGex층 내에서의 저머늄의 농도는 상기 피크 레벨로부터 상기 제1 접합에서 약 x=0.1 보다 작은 레벨까지 변화한다. 보다 바람직하게는, 상기 Si1-xGex층 내에서의 저머늄의 농도는 0.2<x<0.4인 피크 레벨로부터 상기 제1 접합에서 x=0인 레벨까지 변화한다. 또한, 상기 Si1-xGex층은 상기 전기적인 절연층과 계면을 이루며, 또한 상기 Si1-xGex층 내에서 상기 경사진은 저머늄의 농도는 상기 계면에서 약 x=0.1 보다 작은 레벨로부터 상기 피크 레벨까지 증가할 수도 있다.Further, other SOI field effect transistors may include an electrical insulating layer and a composite semiconductor active region on the electrical insulating layer. The composite semiconductor active region may include a silicon active layer having a thickness of about 600 GPa or more, and a single Si 1-x Ge x layer disposed between the electrical insulating layer and the silicon active layer. The Si 1-x Ge x layer forms a first junction with the silicon active layer, in which germanium has a monotonically decreasing inclined concentration in a first direction in which germanium extends from the peak level toward the surface of the silicon active layer. . The peak level of germanium in the Si 1-x Ge x layer is preferably greater than x = 0.15, and the concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer is at the first junction from the peak level. Varying to a level less than about x = 0.1. More preferably, the concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer varies from a peak level of 0.2 <x <0.4 to a level of x = 0 at the first junction. In addition, the Si 1-x Ge x layer interfaces with the electrical insulating layer, and the concentration of the inclined germanium in the Si 1-x Ge x layer is less than about x = 0.1 at the interface. It may increase from level to the peak level.
본 발명의 다른 실시예는 전기적인 절연층상으로 연장되며 그 내에 복합 반도체 활성영역을 갖는 PMOS 전계효과 트랜지스터를 포함한다. 상기 복합 반도체 활성영역은 그 내에서 저머늄이 단일 Si1-xGex층 내의 피크 레벨로부터 그 표면으로 향하여 연장되는 제1 방향으로 단조롭게 감소하는 경사진 농도를 갖는 단일의 Si1-xGex층을 포함한다. 또한 비변형된 실리콘 활성층이 상기 단일 Si1-xGex층과의 제1 접합으로부터 상기 표면으로 연장되도록 제공된다. 또한, 상기 복합 반도체 활성영역은 그 내에 표면을 향하여 연장된 기본적으로 적어도 리트로그레이드된 N형 도펀트 프로파일을 가지면 단일 Si1-xGex층 내에서 피크 레벨을 갖는다. 이러한 N형 도펀트에 의해 제공된 전체 전하는 PMOS 트랜지스터의 문턱전압에 영향을 준다. 또한 단일 Si1-xGex층 내에서 N형 도펀트는 상기 소오스 및 드레인영역 사이에서 연장될 수 있는 공핍층에 의해 발생되는 펀치쓰루우를 현저히 방지해준다. 또한, 저농도로 도핑된 P형 소오스 및 드레인영역이 제공된다. 이러한 영역들은 상기 절연된 게이트전극에 대향하는 실리콘 활성층 내에 형성된다. N형 도전성의 소오스측 포켓 주입영역이 제공되며, 이는 상기 저농도로 도핑된 P형 소오스영역과 상기 단일 Si1-xGex층 사이에 형성된다. 이 포켓 주입영역은 각기 소오스영역 및 단일 Si1-xGex층과 정류 및 반정류 접합을 형성하며, 접합 누설을 억제하도록 작용한다.Another embodiment of the invention includes a PMOS field effect transistor extending over an electrically insulating layer and having a composite semiconductor active region therein. The composite semiconductor active region is within the germanium two days Si 1-x Ge x layer peak level one of Si 1-x Ge x having an inclined concentration decreasing monotonously in a first direction extending towards a surface thereof from within Layer. Also provided is an unmodified silicon active layer extending from the first junction with the single Si 1-x Ge x layer to the surface. In addition, the composite semiconductor active region has a peak level in a single Si 1-x Ge x layer if it has essentially at least a re-logated N-type dopant profile extending towards the surface therein. The total charge provided by this N-type dopant affects the threshold voltage of the PMOS transistor. In addition, an N-type dopant in a single Si 1-x Ge x layer significantly prevents punchthrough caused by a depletion layer that may extend between the source and drain regions. In addition, a lightly doped P-type source and drain region is provided. These regions are formed in the silicon active layer opposite the insulated gate electrode. A source side pocket implant region of N type conductivity is provided, which is formed between the lightly doped P type source region and the single Si 1-x Ge x layer. These pocket implanted regions form rectified and semi-rectified junctions with source regions and a single Si 1-x Ge x layer, respectively, and serve to suppress junction leakage.
SOI 전계효과 트랜지스터의 또 다른 실시예는 벌크 실리콘 영역과 상기 벌크 실리콘 영역상의 전기적인 절연층을 포함한다. 제1 두께를 갖는 비변형된 실리콘 활성층이 또한 상기 전기적인 절연층상에 제공되며, 측벽 절연 스페이서를 갖는 절연된 게이트전극이 상기 비변형된 실리콘 활성층의 표면상에 형성된다. 제1 도전형의 Si1-xGex층이 상기 전기적 절연층과 비변형된 실리콘 활성층 사이에 배치된다. 특히, 상기 Si1-xGex층은 상기 비변형된 실리콘 활성층과 제1 접합을 형성하며, 그 내에 저머늄이 피크 레벨로부터 표면을 향하여 연장되는 제1 방향으로 단조롭게 감소하는 경사진 농도를 갖는다. 또한 저농도로 도핑된 제2 도전형의 소오스 및 드레인영역이 제공된다. 이러한 저농도로 도핑된 영역들은 비변형된 실리콘 활성층내에 형성되지만, 상기 비변형된 실리콘 활성층의 두께 보다 작은 깊이로 형성된다. 게다가, 제1 도전형의 소오스측 포켓 주입영역이 상기 비변형된 실리콘 활성층내에 제공되며, 이러한 소오스측 포켓 주입영역은 상기 저농도로 도핑된 소오스영역과 상기 Si1-xGex층 사이에 형성된다. 본 실시예의 바람직한 형태에 따르면, 상기 Si1-xGex층은 표면에 대하여 그 내에 리트로그레이드된 제1 도전형 도핑 프로파일을 갖는다. 이러한 리트로그레이드된 제1 도전형 도핑 프로파일은 리트로그레이드된 비소(또는 비소/인) 도핑 프로파일일 수 있으며, 상기 비변형된 실리콘 활성층 내의 상기 채널영역에서 제1 도전형 도펀트의 최대 농도에 비하여 그 내의 제1 도전형 도펀트의 농도가 큰 Si1-xGex층이 되게 할 수 있다. 특히, 상기 리트로그레이드된 도펀트 프로파일은 Si1-xGex층에서 피크를 가지며, 상기 게이트전극 하부에서 최소가 된다. 이러한 리트로그레이드 프로파일은 바람직하게는 상기 피크 레벨로부터 상기 최소 레벨까지 단조롭게 감소되지만, 다른 리트로그레이드 프로파일이 얻어질 수도 있다. 상기 비변형된 실리콘 활성층의 두께 및 상기 채널영역과 하부의 Si1-xGex층 내의 도펀트의 총량은 원하는 문턱전압을 달성하고 펀치쓰루우를 방지하기 위해 주의깊게 조절될 수 있다.Another embodiment of an SOI field effect transistor includes a bulk silicon region and an electrically insulating layer on the bulk silicon region. An unmodified silicon active layer having a first thickness is also provided on the electrically insulating layer, and an insulated gate electrode having sidewall insulating spacers is formed on the surface of the unmodified silicon active layer. A Si 1-x Ge x layer of a first conductivity type is disposed between the electrically insulating layer and the unmodified silicon active layer. In particular, the Si 1-x Ge x layer forms a first junction with the unmodified silicon active layer, in which the germanium has an inclined concentration monotonously decreasing in a first direction extending from the peak level towards the surface. . A low concentration doped source and drain region of the second conductivity type is also provided. These lightly doped regions are formed in the unmodified silicon active layer, but at a depth less than the thickness of the unmodified silicon active layer. In addition, a source-side pocket implant region of a first conductivity type is provided in the unmodified silicon active layer, which source-side pocket implant region is formed between the lightly doped source region and the Si 1-x Ge x layer. . According to a preferred form of this embodiment, the Si 1-x Ge x layer has a first conductivity type doping profile retrologed therein with respect to the surface. This retranslated first conductivity type doping profile may be a retranslated arsenic (or arsenic / phosphorus) doping profile, wherein the retranslated arsenic (or arsenic / phosphorus) doping profile is present in the channel region in the unmodified silicon active layer relative to the maximum concentration of the first conductivity type dopant The concentration of the first conductivity type dopant can be made large Si 1-x Ge x layer. In particular, the retranslated dopant profile has a peak in the Si 1-x Ge x layer and is minimal at the bottom of the gate electrode. This retrolled profile is preferably monotonically reduced from the peak level to the minimum level, although other retrolled profiles may be obtained. The thickness of the unmodified silicon active layer and the total amount of dopant in the channel region and underlying Si 1-x Ge x layer may be carefully adjusted to achieve the desired threshold voltage and to prevent punchthrough.
또한, 본 발명의 실시예들은 SOI 기판의 표면상에 절연된 게이트전극을 형성함으로써 전계효과 트랜지스터를 형성하는 방법을 포함한다. 이 기판은 전기적인절연층, 상기 전기적인 절연층상의 비변형된 실리콘 활성층 및 상기 전기적인 절연층과 비변형된 실리콘 활성층 사이에 배치되며 그 내에 저머늄이 경사진 농도를 갖는 Si1-xGex층을 포함한다. 상기 비변형된 실리콘 활성층내에서 제1 도전형의 소오스 및 드레인영역을 형성하고, 상기 비변형된 실리콘 활성층 및 상기 Si1-xGex에피택셜층내에 형성된 제2 도전형의 소오스측 및 드레인측 포켓 주입영역을 형성하기 위한 단계들이 또한 수행되어진다. 이러한 포켓 주입영역들은 각기 소오스 및 드레인영역들과 P-N 접합을 형성한다. 절연된 게이트전극을 형성하는 단계 전에 바람직하게는 상기 비변형된 실리콘 활성층내로 제1 도전형의 문턱전압 조절용 도펀트를 주입하는 단계가 선행된다. 이어서 이러한 문턱전압 조절용 도펀트는 상기 절연된 게이트전극이 형성되어진 후 어닐링되고, 실리콘과 Si1-xGex에서의 도펀트 용해도의 차이의 결과로서 재분포되어, Si1-xGex에피택셜층과 실리콘 활성층내에 문턱전압 조절용 도펀트의 리트로그레이드 프로파일을 형성한다. 또한 Si1-xGex에피택셜층내의 도펀트는 PMOS 소자에서 펀치쓰루우를 방지해주고, NMOS 소자에서 플로팅 바디효과를 감소시켜준다.Embodiments of the present invention also include a method of forming a field effect transistor by forming an insulated gate electrode on a surface of an SOI substrate. The substrate is disposed between an electrically insulating layer, an unmodified silicon active layer on the electrically insulating layer, and the electrically insulating layer and an unstrained silicon active layer, in which Si 1-x Ge having a concentration of germanium inclined therein. x layer. A source and drain region of a first conductivity type is formed in the unmodified silicon active layer, and a source and drain side of a second conductivity type formed in the unmodified silicon active layer and the Si 1-x Ge x epitaxial layer. Steps for forming the pocket injection area are also performed. These pocket implant regions form a PN junction with the source and drain regions, respectively. Prior to forming the insulated gate electrode, a step of injecting a dopant for controlling a threshold voltage of a first conductivity type into the unmodified silicon active layer is preferably preceded. This threshold voltage dopant is then annealed after the insulated gate electrode is formed, and redistributed as a result of the difference in dopant solubility in silicon and Si 1-x Ge x , resulting in a Si 1-x Ge x epitaxial layer and A retrode profile of the threshold voltage dopant is formed in the silicon active layer. The dopant in the Si 1-x Ge x epitaxial layer also prevents punchthrough in PMOS devices and reduces floating body effects in NMOS devices.
본 발명의 기판 및 형성방법들은 플로팅 바디효과(FBE)가 감소된 NMOS 트랜지스터를 형성하기 위해 사용될 수도 있다. FBE의 감소는 그 내에 경사진 저머늄 농도를 갖는 매몰 실리콘저머늄층이 바디영역으로부터 소오스영역으로 흘러가는 홀들에 대한 포텐셜 장벽을 감소시켜주기 때문이다. 따라서, 충격이온화에 의해 바디영역에서 발생된 홀들은 p-Si(바디)/p-SiGe(바디)/n+SiGe(소오스)/n+Si(소오스)의경로를 따라 소오스영역으로 보다 쉽게 흘러갈 수 있다. 드레인-소오스 전압(Vds)에 대하여 평탄하게 분포된 서브쓰레시홀드 기울기를 갖는 드레인전류(Id) 대 게이트전압(Vg) 곡선 및 양호하게 제어된 킹크효과 특성을 갖는 NMOS 트랜지스터가 또한 형성될 수 있다. 본 발명의 기판 및 형성방법은 채널영역에서 높은 반전층 캐리어 이동도로부터 기인하는 우수한 구동 능력을 갖는 PMOS 트랜지스터를 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 향상된 구동 능력은 리트로그레이드된 도펀트 프로파일과 원하는 문턱전압이 동시에 달성되도록 어닐링을 통하여 채널영역 도펀트를 재편성함으로써 얻어진다. 이러한 채널영역 도펀트의 재편성은 포켓 이온주입효과를 증진시키기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 NMOS 및 PMOS 소자들의 문턱전압 롤오프(roll-off) 특성은 감소된 단채널 효과 (reduced short channel effects;RSCE)를 나타낼 수 있으며, 이러한 소자들에 있어서 억제된 기생 바이폴라 작용(parasitic bipolar action;PBA)이 오프 누설전류를 감소시키기 위해 사용될 수 있다.The substrates and formation methods of the present invention may be used to form NMOS transistors with a reduced floating body effect (FBE). This is because the reduction of FBE reduces the potential barrier for holes flowing from the body region to the source region with the buried silicon germanium layer inclined therein. Therefore, holes generated in the body region by impact ionization flow more easily into the source region along the path of p-Si (body) / p-SiGe (body) / n + SiGe (source) / n + Si (source). I can go. An NMOS transistor can also be formed having a drain current (Id) to gate voltage (Vg) curve with a well-dispersed kink effect characteristic with a subthreshold slope that is evenly distributed over the drain-source voltage (Vds). . The substrate and formation method of the present invention may be used to provide a PMOS transistor having excellent driving capability resulting from high inversion layer carrier mobility in the channel region. This improved drive capability is obtained by reorganizing the channel region dopant through annealing so that the retranslated dopant profile and the desired threshold voltage are achieved simultaneously. Such reorganization of channel region dopants may be used to enhance pocket ion implantation effects. The threshold voltage roll-off characteristics of these NMOS and PMOS devices can exhibit reduced short channel effects (RSCE), and the parasitic bipolar action (PBA) in these devices is suppressed. ) Can be used to reduce the off leakage current.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하는 도면에 있어서, 어떤 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상부"에 있다고 기재된 경우, 상기 어떤 층이 상기 다른 층 또는 기판의 상부에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재되어질 수도 있다. 더구나, "제1 도전형" 및 "제2 도전형"이라는 용어는 N형 또는 P형과 같이 반대의 도전형을 나타내지만, 여기에 설명되고 묘사된 각 실시예는 또한 그 상보적인 실시예를 포함한다. 동일한 참조번호는 전체에 걸쳐 동일한 구성요소를 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. In the drawings illustrating embodiments of the present invention, the thicknesses of certain layers or regions are exaggerated for clarity of specification. In addition, where a layer is described as being "top" of another layer or substrate, the layer may be present directly on top of the other layer or substrate, with a third layer intervening therebetween. Moreover, while the terms "first conductivity type" and "second conductivity type" refer to opposite conductivity types, such as N-type or P-type, each embodiment described and described herein also refers to its complementary embodiment. Include. Like numbers refer to like elements throughout.
도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 그 내에 Si1-xGex층을 갖는 SOI 기판을 형성하는 바람직한 방법들을 설명한다. 도 3a에서 보여지듯이, 묘사된 방법은 그 내에 다공성 실리콘층(12)과 상기 다공성 실리콘층(12)상에 형성된 제1 에피택셜 실리콘층(14)을 갖는 핸들링 기판(10)을 형성하는 단계를 포함한다. 이 제1 에피택셜 실리콘층(14)은 약 600 Å 이상의 두께를 가질 수 있다. 도 3b에서 보여지듯이, 이어서 Si1-xGex층(16)이 상기 제1 에피택셜 실리콘층(14)상에 형성된다. 이 Si1-xGex층(16)은 약 800 Å 이하의 두께를 가지며, 700 ℃ 내지 1300℃ 사이의 범위내의 온도에서 수행되는 저압 화학기상증착(LPCVD) 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 증착 단계는 제1 에피택셜 실리콘층(14)의 표면을 GeH4및 SiH2Cl2소오스 가스의 혼합물을 포함하는 증착가스에 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 특히, 상기 증착 단계는 바람직하게는 저머늄 소오스가스(예를 들어, GeH4)의 상대적 농도를 인시튜로 변화시키면서 수행된다. 예를 들어, 저머늄 소오스가스의 유량은 바람직하게는 Si1-xGex층(16) 내에서 저머늄의 농도가 상기 하부의 제1 에피택셜 실리콘층(14)과의 접합에서 x=0의 값으로부터 0.2 ≤x ≤0.4의 최대값으로 증가되도록 변화시킨다. 최대 농도 레벨에 도달된 후 상기 저머늄 소오스가스의 유량은 Si1-xGex층(16) 내에서 저머늄의 농도가 제로로 감소될 때까지 점진적으로 감소된다.With reference to FIGS. 3A-3E, preferred methods of forming an SOI substrate having a Si 1-x Ge x layer therein are described. As shown in FIG. 3A, the depicted method includes forming a handling substrate 10 having a porous silicon layer 12 therein and a first epitaxial silicon layer 14 formed on the porous silicon layer 12. Include. The first epitaxial silicon layer 14 may have a thickness of about 600 GPa or more. As shown in FIG. 3B, a Si 1-x Ge x layer 16 is then formed on the first epitaxial silicon layer 14. This Si 1-x Ge x layer 16 has a thickness of about 800 GPa or less and can be formed using low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) techniques performed at temperatures in the range between 700 ° C and 1300 ° C. This deposition step can be performed by exposing the surface of the first epitaxial silicon layer 14 to a deposition gas comprising a mixture of GeH 4 and SiH 2 Cl 2 source gas. In particular, the deposition step is preferably performed while changing the relative concentration of germanium source gas (eg GeH 4 ) in situ. For example, the flow rate of germanium source gas is preferably such that the concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer 16 is equal to x = 0 at the junction with the underlying first epitaxial silicon layer 14. Change from the value of to increase to a maximum of 0.2 ≦ x ≦ 0.4. After reaching the maximum concentration level, the flow of germanium source gas is gradually reduced until the concentration of germanium in the Si 1-x Ge x layer 16 is reduced to zero.
계속하여 도 3b를 참조하면, 제2 에피택셜 실리콘층(18)이 약 850℃ 의 온도에서 SiH2Cl2소오스가스를 사용하여 상기 증착 단계를 계속함으로써 상기 Si1-xGex층(16) 상에 형성될 수 있다. 제2 에피택셜 실리콘층(18)을 형성하는 단계는 선택 사항이다.With continued reference to FIG. 3B, the second epitaxial silicon layer 18 continues the deposition step using a SiH 2 Cl 2 source gas at a temperature of about 850 ° C., thereby allowing the Si 1-x Ge x layer 16 to proceed. It can be formed on. Forming the second epitaxial silicon layer 18 is optional.
도 3c를 참조하면, 서포팅 기판(20)이 바람직하게는 상기 제2 에피택셜 실리콘층(18)에 접착된다. 도시된 바와 같이, 이러한 접착 단계는 바람직하게는 상기 서포팅 기판(20)상에 존재하는 산화층(22)과 상기 제2 에피택셜 실리콘층(18)의 연마된 표면 사이에서 수행된다. 상기 산화층(22)은 약 800 내지 3000Å 범위의 두께를 갖는다. 이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 핸들링 기판(10)이 상기 다공성 실리콘층(12)을 따라 상기 복합 기판을 분리함으로써 상기 복합 기판으로부터 제거된다. 이때 종래 기술들이 상기 복합 기판으로부터 상기 다공성 실리콘층(12)의 잔류하는 일부를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 도 3e에서 보여지듯이, 이러한 제거 단계는 제1 에피택셜 실리콘층(14)의 초기 표면(14a)을 노출시키는 평탄화 또는 연마기술을 사용하여 상기 다공성 실리콘층(12)을 제거하는 단계를 포함한다. 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 보다 바람직한 전기적 특성을 갖는 활성 소자(예를 들어, CMOS 소자)들은 제1 "비변형된(unstrained)" 에피택셜 실리콘층(14)에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3C, the supporting substrate 20 is preferably bonded to the second epitaxial silicon layer 18. As shown, this bonding step is preferably performed between the oxide layer 22 present on the supporting substrate 20 and the polished surface of the second epitaxial silicon layer 18. The oxide layer 22 has a thickness in the range of about 800 to 3000 microns. Subsequently, as shown in FIG. 3D, the handling substrate 10 is removed from the composite substrate by separating the composite substrate along the porous silicon layer 12. Conventional techniques may then be used to remove the remaining portion of the porous silicon layer 12 from the composite substrate. As shown in FIG. 3E, this removal step includes removing the porous silicon layer 12 using a planarization or polishing technique that exposes the initial surface 14a of the first epitaxial silicon layer 14. As described in more detail below, active devices (eg, CMOS devices) having more desirable electrical properties can be formed in the first " unstrained " epitaxial silicon layer 14.
도 4a 내지 도 4e를 참조하여, 그 내에 Si1-xGex층을 갖는 SOI 기판을 형성하는 다른 방법들을 설명한다. 도 4a에서 보여지듯이, 묘사된 방법은 그 위에 Si1-xGex층(16')과 상기 Si1-xGex층(16')상에 형성된 제2 에피택셜 실리콘층(18')을 갖는 핸들링 기판(10')을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 Si1-xGex층(16')은 도 3b와 관련하여 전술한 바와 같이 형성될 수 있다. 이어서, 블랭킷 이온주입 단계가 수행된다. 이 이온주입 단계는 수소 이온주입층(15)을 형성하기 위하여 상기 제2 에피택셜 실리콘층(18')을 통하여 상기 핸들링기판(10')으로 수소 이온을 이온주입하는 단계를 포함한다. 수소 이온들은 바람직하게는 상기 수소 이온주입층(15)과 Si1-xGex층(16') 사이에 제1 실리콘층(14')을 형성하기에 충분한 에너지 레벨에서 이온주입된다. 예를 들어, 수소 이온들은 1 x 1016내지 1x 1017cm-2의 도즈 레벨과 150 내지 400 KeV의 에너지 레벨에서 이온주입된다. 도 4c를 참조하면, 서포팅 기판(20)이 바람직하게는 상기 제2 에피택셜 실리콘층(18')에 접착된다. 도시된 바와 같이, 이러한 접착 단계는 바람직하게는 상기 서포팅 기판(20)상에 존재하는 산화층(22)과 상기 제2 에피택셜 실리콘층(18')의 연마된 표면 사이에서 수행된다. 이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 핸들링 기판(10')이 상기 수소 이온주입층(15)을 따라 상기 복합 기판을 분리함으로써 상기 복합 기판으로부터 제거된다. 이때 종래 기술들이 상기 복합 기판으로부터 상기 수소 이온주입층(15)의 잔류하는 일부를 제거하기 위해 사용될 수 있다.4A-4E, other methods of forming an SOI substrate having a Si 1-x Ge x layer therein will be described. As shown in FIG. 4A, the depicted method uses a Si 1-x Ge x layer 16 ′ and a second epitaxial silicon layer 18 ′ formed on the Si 1-x Ge x layer 16 ′ thereon. Forming a handling substrate 10 'having the same. The Si 1-x Ge x layer 16 ′ may be formed as described above with respect to FIG. 3B. Subsequently, a blanket ion implantation step is performed. The ion implantation step includes implanting hydrogen ions into the handling substrate 10 ′ through the second epitaxial silicon layer 18 ′ to form the hydrogen ion implantation layer 15. Hydrogen ions are preferably implanted at an energy level sufficient to form a first silicon layer 14 'between the hydrogen ion implantation layer 15 and the Si 1-x Ge x layer 16'. For example, hydrogen ions are implanted at a dose level of 1 × 10 16 to 1 × 10 17 cm −2 and an energy level of 150 to 400 KeV. Referring to FIG. 4C, the supporting substrate 20 is preferably bonded to the second epitaxial silicon layer 18 ′. As shown, this bonding step is preferably performed between the oxide layer 22 present on the supporting substrate 20 and the polished surface of the second epitaxial silicon layer 18 '. Then, as shown in FIG. 4D, the handling substrate 10 ′ is removed from the composite substrate by separating the composite substrate along the hydrogen ion implantation layer 15. At this time, conventional techniques may be used to remove the remaining portion of the hydrogen ion implantation layer 15 from the composite substrate.
도 4e에서 보여지듯이, 이러한 제거 단계는 제1 실리콘층(14')의 초기 표면을 노출시키는 평탄화 또는 연마기술을 사용하여 상기 수소 이온주입층(15)을 제거하는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3c의 제2 에피택셜 실리콘층(18)과 도 4c의 제2 에피택셜 실리콘층(18')은 상기 접착 단계가 수행되기 전에 열적으로 산화될 수도 있다. 다른 대안으로, 상기 접착 단계 이전에, 전기적인 절연층이 상기 제2 에피택셜 실리콘층(18, 18')상에, 또는 상기 제2 에피택셜 실리콘층(18, 18')이 존재하지 않을 경우 상기 Si1-xGex층(16, 16') 상에 증착될 수도 있다. Si1-xGex층(16, 16')의 두께는 이러한 층들이 접착 단계를 위한 준비시 부분적으로 열적으로 산화될 경우 증가될 수도 있다. 제2 에피택셜 실리콘층(18, 18')의 두께는 약 200 내지 400Å 사이의 범위내로 설정될 수 있다.As shown in FIG. 4E, this removal step includes removing the hydrogen ion implantation layer 15 using planarization or polishing techniques that expose the initial surface of the first silicon layer 14 ′. According to another embodiment of the present invention, the second epitaxial silicon layer 18 of FIG. 3C and the second epitaxial silicon layer 18 'of FIG. 4C may be thermally oxidized before the bonding step is performed. Alternatively, prior to the bonding step, an electrical insulating layer is on the second epitaxial silicon layer 18, 18 ′, or when the second epitaxial silicon layer 18, 18 ′ is not present. It may be deposited on the Si 1-x Ge x layers 16, 16 ′. The thickness of the Si 1-x Ge x layers 16, 16 ′ may be increased if these layers are partially thermally oxidized in preparation for the bonding step. The thickness of the second epitaxial silicon layers 18, 18 'may be set within a range between about 200 and 400 microns.
다른 대안으로, 상기 Si1-xGex층(16, 16')은 약 30 퍼센트의 최대 레벨에 도달하는 그 내부의 저머늄의 경사진 농도를 갖는 층으로서 형성될 수 있다. 이러한 층들은 700 내지 800 ℃범위의 온도와 약 20 Torr의 압력에서 형성될 수 있다. 상기 소오스가스는 GeH40 내지 60 sccm, DCS(SiH2Cl2) 200 sccm 및 HCl 50 내지 100 sccm을 포함할 수 있다.Alternatively, the Si 1-x Ge x layers 16, 16 ′ may be formed as layers with an inclined concentration of germanium therein that reaches a maximum level of about 30 percent. Such layers may be formed at temperatures in the range of 700 to 800 ° C. and pressures of about 20 Torr. The source gas may include GeH 4 0 to 60 sccm, DCS (SiH 2 Cl 2 ) 200 sccm, and HCl 50 to 100 sccm.
도 5를 참조하면, SOI 기판에서 전계효과 트랜지스터(예를 들어, MOSFET)를 형성하는 바람직한 방법들을 설명한다. 도 3a 내지 도 3e 및 도 4a 내지 도 4e와 관련하여 설명된 바와 같이, 이러한 방법들은 비변형된 실리콘 활성층과 그 내에 매몰 Si1-xGex층을 형성하는 단계를 포함한다(블럭 102). 상기 매몰 Si1-xGex층은 바람직하게는 저머늄의 농도가 초기에 x=0인 레벨로부터 0.2≤ x ≤0.4인 피크 레벨까지 증가되는 동안에 상기 비변형된 실리콘 활성층으로부터 에피택셜 성장된다. 따라서, 매몰 Si1-xGex층 내에서 저머늄의 농도는 그 내부의 피크 레벨로부터 상기 비변형된 실리콘 활성층의 초기 표면(즉, SOI 기판의 상부 표면)을 향하여 연장되는 방향에서 바람직하게 감소하는 프로파일을 갖는다. 이어서 문턱전압을 조정하기 위한 도펀트들이 기판으로 주입된다(블럭 104). NMOS 및 PMOS 트랜지스터에서 사용되는 "문턱전압" 도펀트들은 각기 NMOS 및 PMOS 주입 마스크를 사용하여 기판 내로 별도로 주입될 수도 있다. NMOS 트랜지스터에 대하여, 상기 문턱전압 도펀트는 전형적으로 보론 및 인듐과 같은 P형 도펀트를 포함한다. 그러나, PMOS 트랜지스터에 대하여는 문턱전압 도펀트는 비소 및 인과 같은 N형 도펀트들을 포함한다.Referring to FIG. 5, preferred methods of forming field effect transistors (eg, MOSFETs) in SOI substrates are described. As described in connection with FIGS. 3A-3E and 4A-4E, these methods include forming an unmodified silicon active layer and a buried Si 1-x Ge x layer therein (block 102). The buried Si 1-x Ge x layer is preferably epitaxially grown from the unmodified silicon active layer while the concentration of germanium is initially increased from a level of x = 0 to a peak level of 0.2 ≦ x ≦ 0.4. Thus, the concentration of germanium in the buried Si 1-x Ge x layer is preferably reduced in the direction extending from the peak level therein towards the initial surface of the unmodified silicon active layer (ie, the top surface of the SOI substrate). Have a profile. Dopants for adjusting the threshold voltage are then injected into the substrate (block 104). The "threshold voltage" dopants used in NMOS and PMOS transistors may be separately implanted into the substrate using NMOS and PMOS injection masks, respectively. For NMOS transistors, the threshold voltage dopant typically includes P-type dopants such as boron and indium. However, for PMOS transistors, the threshold voltage dopant includes N-type dopants such as arsenic and phosphorous.
문턱전압 도펀트를 주입하는 단계는 동일한 도전형의 다른 도펀트들을 다중으로 주입하는 단계를 포함한다. 예를 들어, PMOS소자에 있어서, 비소 및 인은 모두 각기 에너지 레벨과 도즈 레벨에서 문턱전압 도펀트로서 주입될 수 있다. 이러한 다중의 도펀트들은 실리콘 및 실리콘저머늄 내에서 다른 도펀트 용해도를 가지며, 이러한 다른 용해도가 연속되는 열적 어닐링 단계가 수행될 때 문턱전압 도펀트들의 바람직한 재분포를 달성하는 데 유리하게 이용될 수 있다. 이러한 바람직한 재분포는 문턱전압 도펀트들의 리트로그레이드 프로파일을 초래할 것이다. 특히, 도펀트들의 바람직한 재분포는, 문턱전압 도펀트들이 트랜지스터의 채널영역으로 유입될 때 전형적으로 발생하는 채널 이동도 감소를 방지시킴으로써 결과적인 트랜지스터의 반전층 채널 특성을 향상시킬 수 있다. 이것은 특히 반전층 채널에서의상대적으로 낮은 홀 이동도로부터 전형적으로 제한을 받는 PMOS 소자에 대하여 유리하다. 실리콘 활성층 및 하부의 Si1-xGex층의 두께는, 또한 전체 도펀트 전하가 결과적인 문턱전압에 영향을 끼친다는 것을 동시에 보증하면서 문턱전압 도펀트의 바람직한 재분포의 정도를 증진시키도록 설계될 수 있다. PMOS소자에서 문턱전압에 영향을 끼치기 위해 사용된 도펀트들은 또한 펀치쓰루우를 방지하는 데 유리하게 사용될 수도 있다.Injecting the threshold voltage dopant includes injecting multiple different dopants of the same conductivity type. For example, in a PMOS device, both arsenic and phosphorus can be implanted as threshold voltage dopants at energy and dose levels, respectively. These multiple dopants have different dopant solubility in silicon and silicon germanium, and this different solubility can be advantageously used to achieve the desired redistribution of the threshold voltage dopants when subsequent thermal annealing steps are performed. Such a desired redistribution will result in a retrograde profile of the threshold voltage dopants. In particular, the desired redistribution of the dopants can improve the resulting inversion layer channel characteristics of the transistor by preventing the reduction in channel mobility that typically occurs when threshold voltage dopants enter the channel region of the transistor. This is particularly advantageous for PMOS devices that are typically limited from the relatively low hole mobility in the inversion layer channel. The thickness of the silicon active layer and the underlying Si 1-x Ge x layer can also be designed to enhance the desired degree of redistribution of the threshold voltage dopant while simultaneously ensuring that the overall dopant charge affects the resulting threshold voltage. have. Dopants used to influence the threshold voltage in PMOS devices may also be advantageously used to prevent punchthrough.
이어서, 블럭 "106"을 참조하면, 절연된 게이트전극이 종래의 기술들을 사용하여 기판상에 형성된다. 블럭 "108"에서 보여지듯이, 상기 절연된 게이트전극은 저농도로 도핑된 소오스(LDS) 및 저농도로 도핑된 드레인(LDD) 드펀트들을 비변형된 실리콘 활성층 내로 주입하는 동안 마스크로서 사용된다. 포켓 주입영역들이 포켓 영역 도펀트들을 비변형된 실리콘 활성층 및 하부 Si1-xGex층으로 주입함으로써 형성될 수 있다(블럭 110). 이러한 포켓 영역 도펀트들은 바람직하게는 충분한 도즈 레벨과 에너지 레벨로 주입되어 상기 LDS 및 LDD 영역과 상기 Si1-xGex층 사이에 형성되는 포켓 주입영역을 형성하게 된다. 블럭 "112"에서 보여지듯이, 종래의 일반적인 기술들이 게이트전극의 측벽에 전기적인 절연 스페이서를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 고농도로 도핑된 소오스 및 드레인 영역 도펀트들은 게이트전극과 측벽 절연 스페이서를 주입 마스크로 사용하여 상기 LDS 및 LDD 영역을 통하여 그리로 이들 속으로 주입된다(블럭 "114"). 블럭 "116"에서 보여지듯이, 급속 열적 어닐링(RTA) 단계가 소오스 및 드레인 영역 도펀트들을 드라이브-인하기 위해 수행될 수 잇다. 이러한 어닐링 단계 동안에, 미리 주입된 도펀트들이 상기 실리콘 활성층 및 하부 Si1-xGex층 내에서 확산되거나 재분포될 수 있다.Subsequently, referring to block 106, an insulated gate electrode is formed on the substrate using conventional techniques. As shown in block 108, the insulated gate electrode is used as a mask during the implantation of lightly doped source (LDS) and lightly doped drain (LDD) dopants into an unmodified silicon active layer. Pocket implant regions may be formed by implanting pocket region dopants into an unmodified silicon active layer and a bottom Si 1-x Ge x layer (block 110). Such pocket region dopants are preferably implanted at a sufficient dose level and energy level to form a pocket implant region formed between the LDS and LDD regions and the Si 1-x Ge x layer. As shown at block 112, conventional general techniques may be used to form electrically insulating spacers on the sidewalls of the gate electrode. Highly doped source and drain region dopants are implanted into and through the LDS and LDD regions using the gate electrode and sidewall insulating spacers as implant masks (block “114”). As shown at block 116, a rapid thermal annealing (RTA) step may be performed to drive in the source and drain region dopants. During this annealing step, pre-implanted dopants can be diffused or redistributed in the silicon active layer and the bottom Si 1-x Ge x layer.
도 6a 내지 도 6e를 참조하면, SOI 전계효과 트랜지스터를 형성하는 바람직한 방법들은 그 위에 형성된 비변형된 실리콘 활성층(36)과 그 내에 형성된 매몰 Si1-xGex층(34)을 갖는 기판을 형성하는 단계를 포함한다. 도 6a에서 보여지듯이, 상기 비변형된 실리콘 활성층(36)은 약 600Å 이상의 두께를 가지며, 상기 매몰 Si1-xGex층(34)은 약 800Å 이하의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 상기 비변형된 실리콘 활성층(36)은 약 800 내지 1200Å 범위의 두께를 가지며, 상기 매몰 Si1-xGex층(34)은 약 200 내지 600Å 범위의 두께를 갖는다. 보다 바람직하게는, 상기 비변형된 실리콘 활성층(36)은 1000Å의 두께를 가지며, 상기 매몰 Si1-xGex층(34)은 400Å의 두께를 갖는다. 약 300 Å정도의 두께를 갖는 변형된 또는 비변형된 상대적으로 얇은 하부층(32)이 상기 매몰 Si1-xGex층(34) 및 매몰 산화층(30) 사이에 제공될 수도 있다. 상기 하부층(32)은 생략될 수도 있다. 상기 매몰 Si1-xGex층(34) 내에서 저머늄의 농도는 실리콘 활성층(36)과 상기 하부층(32)의 접합에서 제로로 설정될 수 있다. 또한, 매몰 Si1-xGex층(34) 내에서 저머늄의 농도는 0.2 내지 0.4 범위의 피크 페벨로 설정될 수 있으며, 상기 피크 레벨에 대하여 선형적으로 경사질 수 있다.상기 매몰 산화층(30)은 반도체 기판 또는 웨이퍼(도시안됨) 상에 제공될 수도 있다.6A-6E, preferred methods of forming an SOI field effect transistor form a substrate having an unmodified silicon active layer 36 formed thereon and an embedded Si 1-x Ge x layer 34 formed therein. It includes a step. As shown in FIG. 6A, the unmodified silicon active layer 36 has a thickness of about 600 GPa or more and the buried Si 1-x Ge x layer 34 has a thickness of about 800 GPa or less. Preferably, the unmodified silicon active layer 36 has a thickness in the range of about 800 to 1200 microns and the buried Si 1-x Ge x layer 34 has a thickness in the range of about 200 to 600 microns. More preferably, the unmodified silicon active layer 36 has a thickness of 1000 GPa and the buried Si 1-x Ge x layer 34 has a thickness of 400 GPa. A modified or unmodified relatively thin underlayer 32 having a thickness of about 300 mm 3 may be provided between the buried Si 1-x Ge x layer 34 and the buried oxide layer 30. The lower layer 32 may be omitted. The concentration of germanium in the buried Si 1-x Ge x layer 34 may be set to zero at the junction of the silicon active layer 36 and the lower layer 32. In addition, the concentration of germanium in the buried Si 1-x Ge x layer 34 may be set to a peak pevel in the range of 0.2 to 0.4, and may be linearly inclined with respect to the peak level. 30 may be provided on a semiconductor substrate or wafer (not shown).
도 6b를 참조하면, 문턱전압 조절용 도펀트들(38)이 비변형된 실리콘 활성층(36) 내로 주입된다. 만일 NMOS 및 PMOS 소자가 상기 실리콘 활성층(36) 내에서 인접한 위치에 형성된다면, 분리된 NMOS 및 PMOS 주입마스크(도시안됨)가 상기 비변형된 실리콘 활성층(36)상에 형성될 수 있다. 이러한 마스크들은 N형 도펀트들이 PMOS 소자들을 위한 문턱전압 조절용 도펀트로서 주입될 때 및 P형 도펀트가 NMOS소자를 위한 문턱전압 조절용 도펀트로서 주입될 때 사용될 수 있다. 상기 주입된 도펀트들(38)은 NMOS소자를 형성할 때는 보론 및 인듐을 포함하며, PMOS 소자를 형성할 때는 비소 및 인을 포할할 수 있다. 다른 도펀트들이 또한 사용될 수 있다. 특히, 묘사된 주입 단계는 두개의 분리된 주입 단계들을 포함할 수 있다. 첫째로, BF2 이온과 같은 문턱전압 조절용 도펀트들이 약 30 내지 60 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 8 x 1011내지 5 x 1013cm-2범위의 도즈 레벨에서 0°의 틸트각으로 주입될 수 있다. 둘째로, 인듐 이온과 같은 문턱전압 조절용 도펀트들이 약 150 내지 250 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 8 x 1011내지 5 x 1013cm-2범위의 도즈 레벨에서 주입될 수 있다. PMOS 소자를 형성할 때, 상기 설명된 이온주입 단계는 상기 실리콘 활성층(36)과 하부 Si1-xGex층(34) 내에서 상기 채널영역 및 바디영역내에 원하는 리트로그레이드 도펀트 프로파일을 얻기 위해 충분한 도즈 및 에너지 레벨로 비소 및 인 이온들을 분리하여 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 상기 제1 주입 단계는 인 이온들이 약 20 내지 40 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 8 x 1011내지 5 x 1013cm-2범위의 도즈 레벨에서 7°의 틸트각으로 주입될 수 있다. 이어서 비소 이온들이 약 150 내지 250 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 8 x 1011내지 5 x 1013cm-2범위의 도즈 레벨에서 주입될 수 있다. 상기 비소 이온들은 문턱전압에 영향을 줄 수 있지만, 전형적으로 PMOS 소자의 바디영역에서 펀치쓰루우를 방지함으로써 소자 특성에 보다 큰 영향을 끼칠 수 있다.Referring to FIG. 6B, dopants 38 for adjusting the threshold voltage are injected into the unmodified silicon active layer 36. If NMOS and PMOS devices are formed at adjacent locations within the silicon active layer 36, separate NMOS and PMOS implantation masks (not shown) may be formed on the unmodified silicon active layer 36. Such masks may be used when the N-type dopants are implanted as a threshold voltage dopant for PMOS devices and when the P-type dopant is implanted as a threshold voltage dopant for NMOS devices. The implanted dopants 38 may include boron and indium when forming an NMOS device, and may include arsenic and phosphorus when forming a PMOS device. Other dopants may also be used. In particular, the depicted implantation step may comprise two separate implantation steps. Firstly, threshold voltage dopants, such as BF2 ions, can be implanted at a tilt angle of 0 ° at an energy level in the range of about 30 to 60 KeV and at a dose level in the range of about 8 x 10 11 to 5 x 10 13 cm -2. have. Secondly, threshold voltage dopants, such as indium ions, may be implanted at an energy level in the range of about 150 to 250 KeV and at a dose level in the range of about 8 x 10 11 to 5 x 10 13 cm -2 . When forming a PMOS device, the ion implantation step described above is sufficient to obtain a desired retrode dopant profile in the channel and body regions within the silicon active layer 36 and the lower Si 1-x Ge x layer 34. Separating and implanting arsenic and phosphorus ions at the dose and energy levels. In particular, the first implantation step may be phosphorus ions are implanted at a tilt angle of 7 ° at an energy level in the range of about 20 to 40 KeV, at a dose level in the range of about 8 x 10 11 to 5 x 10 13 cm -2 . . Arsenic ions may then be implanted at an energy level in the range of about 150-250 KeV, at a dose level in the range of about 8 × 10 11 to 5 × 10 13 cm −2 . The arsenic ions can affect the threshold voltage, but typically can have a greater effect on device characteristics by preventing punchthrough in the body region of the PMOS device.
도 6c를 참조하면, 종래의 일반적인 기술이 상기 실리콘 활성층(36)의 초기 표면에 절연된 게이트전극을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 기술들은 상기 초기 표면상에 열적 산화층(42)을 형성하는 단계 및 상기 열적 산화층(42) 상에 도핑된 또는 언도핑된 폴리실리콘층(40)을 증착하는 단계를 포함한다. 또한 상기 폴리실리콘층과 열적 산화층을 노출된 측벽을 갖는 절연 게이트전극으로 패턴닝하기 위해 종래 기술들이 사용될 수 있다. 절연 게이트전극을 형성하기 위한 기술들은 주로 박(Park)씨에게 부여된 "Semiconductor-on-insulator Substrates Containing Electrically Insulating Mesas"라는 제하의 미합중국 특허 제6,6064,092호, 김(Kim)에게 부여된 "Semiconductor-on-insulator Field Effect Transistors With Reduced Floating Body Parasitics"라는 제하의 미합중국 특허 제5,998,840호, 유(Yu)씨 등에게 부여된 "Methods of Forming Semiconductor-on-insulator Substrates"라는 제하의 미합중국 특허 제5,877,046호에 상세히 설명되어 있으며, 이들의 개시내용은 본 명세서에 참고문헌으로써 함께 결합시킨다. 먼저 소오스 및 드레인영역 도펀트들(39)이 저농도로 도핑된 소오스(LDS) 및 드레인(LDD)영역(44a,44b)을 형성하기 위해 상기 실리콘 활성층(36) 내로 주입된다. 설명된 바와 같이, 이러한 도펀트들은 상기 절연 게이트전극을 주입마스크로 사용하여 자기정렬 방식으로 주입될 수도 있다. PMOS 소자를 위하여 보론 도펀트들(예를 들어, BF2이온들)이 약 3 내지 30 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 1 x 1012내지 1 x 1016cm-2범위의 도즈 레벨에서 주입될 수 있다. 또한 NMOS 소자를 위해, 비소 도펀트가 약 20 내지 50 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 1 x 1012내지 1 x 1016cm-2범위의 도즈 레벨에서 주입될 수 있다. 이어서, 상대적으로 단기간의 어닐링 단계가 상기 LDD 및 LDS 도펀트들을 수평적 및 수직적으로 확산시키기 위해 수행될 수 있다. LDS 및 LDD 영역을 형성할 때 다른 도펀트들이 사용될 수도 있을 것이다.Referring to FIG. 6C, a conventional general technique may be used to form an insulated gate electrode on the initial surface of the silicon active layer 36. These techniques include forming a thermal oxide layer 42 on the initial surface and depositing a doped or undoped polysilicon layer 40 on the thermal oxide layer 42. Conventional techniques can also be used to pattern the polysilicon layer and thermal oxide layer into an insulated gate electrode having exposed sidewalls. Techniques for forming an insulated gate electrode are mainly granted to US Pat. No. 6,6064,092, Kim, entitled "Semiconductor-on-insulator Substrates Containing Electrically Insulating Mesas" granted to Park. U.S. Patent No. 5,998,840, entitled "Semiconductor-on-insulator Field Effect Transistors With Reduced Floating Body Parasitics," U.S. Pat. 5,877,046, described in detail, the disclosures of which are hereby incorporated by reference. First, source and drain region dopants 39 are implanted into the silicon active layer 36 to form lightly doped source (LDS) and drain (LDD) regions 44a and 44b. As described, these dopants may be implanted in a self-aligning manner using the insulating gate electrode as an injection mask. Boron dopants (eg, BF 2 ions) for a PMOS device may be implanted at an energy level in the range of about 3 to 30 KeV and at a dose level in the range of about 1 × 10 12 to 1 × 10 16 cm −2. have. Also for NMOS devices, arsenic dopants may be implanted at dose levels in the range of about 1 × 10 12 to 1 × 10 16 cm −2 , at energy levels in the range of about 20 to 50 KeV. A relatively short annealing step can then be performed to diffuse the LDD and LDS dopants horizontally and vertically. Other dopants may be used when forming the LDS and LDD regions.
도 6d를 참조하면, 포켓 주입영역 도펀트(46)들이 NMOS 소자내에서 P형 포켓 주입영역들(48a, 48b) 또는 PMOS 소자내에서 N형 포켓 주입영역들(48a,48b)을 형성하기 위해 약 7 및 35도 범위의 경사각도(tilt angle)로 주입될 수 있다. 이러한 주입 단계는 바람직하게는 상기 LDD 및 LDS영역(44a,44b)들을 통과하여 상기 매몰 Si1-xGex층(34) 내로 충분한 에너지 레벨과 도즈 레벨로 주입될 수 있다. 특히, N형 포켓 주입영역들(48a, 48b)이 비소 이온들을 약 100 내지 300 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 1 x 1012내지 1 x 1015cm-2범위의 도즈 레벨에서 주입함으로써 형성될 수 있다. 또한 P형 포켓 주입영역들(48a,48b)이 보론 이온들을 약 20 내지 60 KeV 범위의 에너지 레벨에서, 약 1 x 1012내지 1 x 1015cm-2범위의 도즈 레벨에서주입함으로써 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6D, pocket implant region dopants 46 may be formed to form P-type pocket implant regions 48a and 48b in an NMOS device or N-type pocket implant regions 48a and 48b in a PMOS device. It can be injected at tilt angles in the range of 7 and 35 degrees. This implantation step may be preferably implanted at a sufficient energy level and dose level through the LDD and LDS regions 44a and 44b into the buried Si 1-x Ge x layer 34. In particular, N-type pocket implantation regions 48a and 48b may be formed by implanting arsenic ions at an energy level in the range of about 100 to 300 KeV, at a dose level in the range of about 1 x 10 12 to 1 x 10 15 cm -2. Can be. P-type pocket implantation regions 48a and 48b may also be formed by implanting boron ions at an energy level in the range of about 20 to 60 KeV, at a dose level in the range of about 1 x 10 12 to 1 x 10 15 cm -2. have.
고농도로 도핑된 N형 소오스 및 드레인 영역(50a, 50b)은 비소 이온(52)을 약 20 내지 60 KeV 범위의 에너지 및 약 5 x 1014cm-2내지 1 x 1017cm-2범위의 도즈로 주입함으로써 형성할 수 있다. 또, PMOS 소자를 위해서는, 고농도로 도핑된 P형 소오스 및 드레인 영역(50a,50b)은 BF2이온을 약 25 내지 40 KeV 범위의 에너지 및 약 1 x 1014cm-2내지 5 x 1016cm-2범위의 도즈로 주입함으로써 형성할 수 있다. 드라이브-인(drive-in) 및 활성화 단계는 급속 열처리 기술을 이용하여 기판을 어닐링함으로써 수행될 수 있다. 이 어닐링 단계는 900℃ 내지 1050℃의 온도 범위에서 10 내지 200초 동안 수행될 수 있다.Highly doped N-type source and drain regions 50a and 50b allow arsenic ions 52 to have an energy in the range of about 20 to 60 KeV and a dose in the range of about 5 x 10 14 cm -2 to 1 x 10 17 cm -2. It can form by inject | pouring into it. In addition, for PMOS devices, the heavily doped P-type source and drain regions 50a and 50b may contain BF 2 ions with energy in the range of about 25 to 40 KeV and about 1 x 10 14 cm -2 to 5 x 10 16 cm. It can form by inject | pouring with the dose of -2 range. Drive-in and activation steps may be performed by annealing the substrate using rapid thermal processing techniques. This annealing step may be performed for 10 to 200 seconds in the temperature range of 900 ℃ to 1050 ℃.
도 7a 내지 도 7d를 참조하여, 종래의 SOI 기판과 그 내에 삽입된 실리콘저머늄층을 갖는 SOI 기판에서 N형 도펀트들의 전-어닐링 및 후-어닐링 프로파일들에 대하여 설명한다. 특히, 도 7c는 실리콘 활성층(Top-Si)과 실리콘 웨이퍼(도시안됨) 사이에 형성되는 매몰 산화층(BOX)을 갖는 종래의 SOI 기판에서 인 및 비소에 대한 도핑 프로파일을 나타낸다. 이러한 인 및 비소 도펀트들은 각기 30 KeV 및 200 KeV의 에너지로 주입되었다. 도 7b에서 보여지듯이, 약 1000℃ 의 온도에서 약 30 초 동안 급속 열처리(RTA)를 수행한 후에 초기 가우시안형 도핑 프로파일이 퍼져서 본질적으로 균일한 프로파일로 된다. 이와 대비하여, 도 7a에 나타난 도핑 프로파일은, 본 발명의 방법에 따라 형성된 그 내부에 매몰 Si1-xGex층을 갖는 SOI 기판내에서 리트로그레이드 비소 프로파일이 얻어질 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 리트로그레이드 프로파일은 부분적으로는 실리콘 활성층에 대하여 상기 Si1-xGex층 내에 비소의 도펀트 용해도를 본질적으로 증가시키기 위하여 충분한 저머늄의 농도로 상기 Si1-xGex층을 도핑시킴으로써 얻어진다. 특히, 도 7a는 전 어닐링된 인 및 비소 프로파일(인 및 비소 도펀트가 각기 30 및 200 KeV의 에너지로 주입됨)을 보여주며, 도 7d는 후 어닐링된 프로파일을 보여준다. 도 7b에서 보여지듯이, 급속 열처리 단계는 약 1000℃ 에서 약 30초간 수행되었다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 비소 프로파일은 매몰 Si1-xGex층 내에서 1 x 1019cm-3의 피크 농도 레벨로부터 기판의 표면에서 1 x 1017cm-3의 최소 농도 레벨로 단조롭게 감소되고 있다. 실리콘 활성층에서 인 도펀트의 농도 및 프로파일에 따라서, 인 및 비소 도펀트의 결합 프로파일은 또한 실리콘 활성층을 가로질러 리트로그레이드 될 수 있다.With reference to FIGS. 7A-7D, the pre-annealing and post-annealing profiles of N-type dopants in a conventional SOI substrate and a silicon germanium layer embedded therein will be described. In particular, FIG. 7C shows a doping profile for phosphorus and arsenic in a conventional SOI substrate having an buried oxide layer (BOX) formed between a silicon active layer (Top-Si) and a silicon wafer (not shown). These phosphorus and arsenic dopants were injected with energy of 30 KeV and 200 KeV, respectively. As shown in FIG. 7B, the initial Gaussian doping profile spreads out after a rapid heat treatment (RTA) for about 30 seconds at a temperature of about 1000 ° C., resulting in an essentially uniform profile. In contrast, the doping profile shown in FIG. 7A shows that a retrode arsenic profile can be obtained in an SOI substrate having an embedded Si 1-x Ge x layer therein formed according to the method of the present invention. This retrograde profile is obtained in part by doping the Si 1-x Ge x layer at a concentration of sufficient germanium to essentially increase the dopant solubility of arsenic in the Si 1-x Ge x layer relative to the silicon active layer. . In particular, FIG. 7A shows the pre annealed phosphorus and arsenic profile (phosphorus and arsenic dopants are injected with energy of 30 and 200 KeV, respectively) and FIG. 7D shows the post annealed profile. As shown in FIG. 7B, the rapid heat treatment step was performed at about 1000 ° C. for about 30 seconds. As shown in FIG. 7D, the arsenic profile is monotonically from the peak concentration level of 1 × 10 19 cm −3 in the buried Si 1-x Ge x layer to the minimum concentration level of 1 × 10 17 cm −3 at the surface of the substrate. It is decreasing. Depending on the concentration and profile of the phosphorus dopant in the silicon active layer, the binding profile of the phosphorus and arsenic dopant may also be retrolated across the silicon active layer.
도면 및 발명의 상세한 설명에서 본 발명의 바람직한 실시예들이 설명되었으며, 비록 특정 용어들이 사용되었지만, 이것은 단지 포괄적 및 설명적 의미로 사용된 것이지 첨부하는 클레임들에서 전개되는 발명의 사상을 한정하기 위해 사용된 것은 아니다.Although the preferred embodiments of the invention have been described in the drawings and the description of the invention, although specific terms have been used, these are used only in a generic and descriptive sense, and are used to limit the spirit of the invention as set forth in the appended claims. It is not.
본 발명에 의하면, 증진된 채널 이동도 특성을 확보하기 위해 변형된 채널 영역의 사용을 요구하지 않는 기판들을 형성하는 개선된 방법들 및 그에 의해 형성된 구조물이 얻어질 수 있으며, 특히 PMOS 소자에서 펀치쓰루우를 방지해주고, NMOS 소자에서 플로팅 바디효과를 감소시켜준다.According to the present invention, improved methods and structures formed by forming substrates which do not require the use of modified channel regions to ensure enhanced channel mobility characteristics can be obtained, in particular in punch-through in PMOS devices. This prevents false negatives and reduces floating body effects in NMOS devices.
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