KR100279263B1 - SOHI semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SOI 기판의 실리콘층 농도를 증대시키지 않고도 펀치 스루를 방지할 수 있는 SOI 반도체 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은, 핸들링 기판과 제 1 절연막, 버퍼층, 제 2 절연막 및 실리콘층이 순차적으로 적층된 SOI 기판을 제공하는 단계와, 상기 실리콘층의 소정 부분에 필드 산화막을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층의 소정 부분에 제 1 전도 타입의 실리콘 게르마늄 영역을 형성하는 단계와, 상기 실리콘층의 소정 부분에 게이트 전극을 형성하는 단계, 및 상기 게이트 전극 양측의 실리콘층에 제 2 불순물 타입을 갖는 소오스, 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses an SOI semiconductor device capable of preventing punch through without increasing the silicon layer concentration of the SOI substrate and a method of manufacturing the same. The disclosed invention provides a SOI substrate in which a handling substrate, a first insulating film, a buffer layer, a second insulating film, and a silicon layer are sequentially stacked, forming a field oxide film on a predetermined portion of the silicon layer, and the buffer layer. Forming a silicon germanium region of a first conductivity type in a predetermined portion of the semiconductor layer, forming a gate electrode in a predetermined portion of the silicon layer, and a source and a drain having a second impurity type in the silicon layers on both sides of the gate electrode Forming a region.
Description
본 발명은 에스오아이(silicon on insulator, 이하 SOI) 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판 농도를 증대시키지 않고도 펀치 스루를 방지할 수 있는 SOI 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon on insulator (SOI) semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an SOI semiconductor device and a method for manufacturing the same, which can prevent punch-through without increasing the substrate concentration. .
일반적으로 SOI(silicon on insulator) 기판은 반도체 디바이스의 기생 캐패시턴스에 의한 RC 지연 시간과 접합 영역의 누설 전류등을 방지하여, 저전력 및 고속의 디바이스를 형성하기 위한 기판으로 제공된다.In general, a silicon on insulator (SOI) substrate is provided as a substrate for forming devices of low power and high speed by preventing RC delay time due to parasitic capacitance of a semiconductor device and leakage current in a junction region.
이러한 SOI 기판은 절연막이 형성된 디바이스 웨이퍼와, 핸들링 웨이퍼를 부착하는 방법과 실리콘 웨이퍼에 산소 이온을 깊숙히 주입하여, 형성하는 SIMOX(seperation by implanted oxygen) 방법등에 의하여 제조된다.Such an SOI substrate is manufactured by a device wafer having an insulating film, a method of attaching a handling wafer, and a SIMP (seperation by implanted oxygen) method in which oxygen ions are deeply implanted into a silicon wafer and formed.
종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 핸들링 기판(1)와 매몰 산화막(2) 및 디바이스가 형성되는 실리콘층(3)으로 구성되는 SOI 기판(100)이 구비된다. 여기서, 실리콘층(3)은 제 1 전도 타입의 불순물이 도핑된 층이다. 이 실리콘층(3)의 소정 부분에 액티브 영역을 한정하기 위한 필드 산화막(4)이 공지의 로코스(LOCOS) 방식에 의하여 형성된다. 여기서, 필드 산화막(4)의 하부는 매몰 산화막(2)과 접촉되어 있어, 소자가 형성되는 액티브 영역은 완전히 분리된다. 게이트 산화막(5)과 폴리실리콘막은 실리콘층(3) 상부에 순차적으로 형성되고, 게이트 산화막(5)과 폴리실리콘막은 패터닝되어, 게이트 전극(6)이 형성된다. 소오스/드레인 영역(7)은 게이트 전극(6)과 필드 산화막(4) 사이의 실리콘층(3)에는 제 2 전도 타입의 불순물이 이온 주입되어 형성된다. 여기서, 소오스/드레인 영역(6)은 매몰 산화막(2)과 접하게 되어, 접합 캐패시턴스와 누설 전류가 발생하지 않게 된다. 그 후에, 층간 절연막(8)은 전체 구조물 상부에 소정 두께로 증착되고, 소오스/드레인 영역(7)이 노출되도록 식각된다음, 소오스/ 드레인 영역과 콘택되는 금속 배선(9)이 형성된다As shown in FIG. 1, an SOI substrate 100 composed of a handling substrate 1, an embedded oxide film 2, and a silicon layer 3 on which a device is formed is provided. Here, the silicon layer 3 is a layer doped with impurities of the first conductivity type. A field oxide film 4 for defining an active region in a predetermined portion of the silicon layer 3 is formed by a known LOCOS method. Here, the lower part of the field oxide film 4 is in contact with the buried oxide film 2, so that the active region where the element is formed is completely separated. The gate oxide film 5 and the polysilicon film are sequentially formed on the silicon layer 3, and the gate oxide film 5 and the polysilicon film are patterned to form a gate electrode 6. The source / drain regions 7 are formed by ion implantation of impurities of the second conductivity type in the silicon layer 3 between the gate electrode 6 and the field oxide film 4. Here, the source / drain region 6 is in contact with the buried oxide film 2, so that the junction capacitance and the leakage current do not occur. Thereafter, the interlayer insulating film 8 is deposited to a predetermined thickness over the entire structure, and is etched so that the source / drain regions 7 are exposed, and then a metal wiring 9 is formed in contact with the source / drain regions.
그러나, 반도체 소자의 집적도가 증가됨에 따라, 상기한 SOI 반도체 소자에서도 벌크 반도체 소자와 마찬가지로 단채널 현상으로 유발되는 펀치 스루(punch through) 현상이 발생된다.However, as the degree of integration of semiconductor devices increases, a punch through phenomenon caused by a short channel phenomenon occurs in the SOI semiconductor device as well as the bulk semiconductor device.
이러한 펀치 스루 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 반도체 소자가 형성되는 실리콘층의 농도를 증대시켰는데, 이와같이 실리콘층의 농도를 증대시키게 되면, 캐리어 이동도가 현저하게 저하된다. 특히 이러한 현상은 저전압 인가시 심각하게 나타난다.In order to solve such a punch-through problem, the concentration of the silicon layer in which the semiconductor device is formed is increased in the related art, but when the concentration of the silicon layer is increased in this way, the carrier mobility is significantly reduced. This phenomenon is particularly severe when low voltage is applied.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, SOI 기판의 실리콘층 농도를 증대시키지 않고도 펀치 스루를 방지할 수 있는 SOI 반도체 소자를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide an SOI semiconductor device capable of preventing punch through without increasing the silicon layer concentration of the SOI substrate.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 SOI 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the SOI semiconductor device.
도 1은 일반적인 SOI 반도체 소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a typical SOI semiconductor device.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일실시예에 따른 SOI 소자의 제조방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도.2A to 2H are cross-sectional views of respective processes for explaining a method of manufacturing an SOI device according to an embodiment of the present invention.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
10 - 핸들링 기판 11 - 제 1 절연막10-handling substrate 11-first insulating film
12 - 에피택셜층 20 - 디바이스 기판12-epitaxial layer 20-device substrate
21 - 제 2 절연막 22 - 실리콘층21-second insulating film 22-silicon layer
23 - 필드 산화막 24,29 - 레지스트 패턴23-Field Oxide 24,29-Resist Pattern
25 - 고농도 P형의 실리콘 게르마늄 영역25-High concentration P-type silicon germanium region
26 - 게르마늄 이온층 27 - 게이트 절연막26-germanium ion layer 27-gate insulating film
28 - 게이트 전극 30 - 층간 절연막28-gate electrode 30-interlayer insulating film
31 - 금속 배선31-metal wiring
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 견지에 따르면, 실리콘 핸들링 기판, 제 1 절연막, 버퍼층, 제 2 절연막 및 실리콘층이 순차적으로 적층된 SOI 기판과, 상기 SOI 기판의 실리콘층의 소정 부분에 형성되며 액티브 영역을 한정하는 필드 산화막과, 상기 SOI 기판의 실리콘층 액티브 영역에 형성되는 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 양측의 실리콘층 액티브 영역에 형성되는 소오스 드레인 영역, 및 상기 소오스, 드레인 영역 사이의 채널 형성공간 아래의 버퍼층에 형성되는 소오스, 드레인 영역과 반대의 불순물 타입을 갖는 실리콘 게르마늄 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object of the present invention, in accordance with one aspect of the present invention, a silicon handling substrate, a first insulating film, a buffer layer, a second insulating film and a silicon layer sequentially stacked SOI substrate, the silicon layer of the SOI substrate A field oxide film formed in a predetermined portion of the SOI substrate to define an active region, a gate electrode formed in a silicon layer active region of the SOI substrate, a source drain region formed in a silicon layer active region on both sides of the gate electrode, and the source, And a silicon germanium region having an impurity type opposite to that of the source and drain regions formed in the buffer layer under the channel formation space between the drain regions.
또한, 본 발명의 다른 견지에 따르면, 핸들링 기판과 제 1 절연막, 버퍼층, 제 2 절연막 및 실리콘층이 순차적으로 적층된 SOI 기판을 제공하는 단계와, 상기 실리콘층의 소정 부분에 필드 산화막을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층의 소정 부분에 제 1 전도 타입의 실리콘 게르마늄 영역을 형성하는 단계와, 상기 실리콘층의 소정 부분에 게이트 전극을 형성하는 단계, 및 상기 게이트 전극 양측의 실리콘층에 제 2 불순물 타입을 갖는 소오스, 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a SOI substrate in which a handling substrate, a first insulating film, a buffer layer, a second insulating film, and a silicon layer are sequentially stacked, and forming a field oxide film on a predetermined portion of the silicon layer. Forming a silicon germanium region of a first conductivity type in a predetermined portion of the buffer layer, forming a gate electrode in a predetermined portion of the silicon layer, and forming a second impurity type in the silicon layers on both sides of the gate electrode. Forming a source, a drain region having a.
본 발명에 의하면, SOI 기판에서 채널이 형성되는 부분 하부에 드레인 영역의 공핍층의 증대를 제어하는 채널과 반대 타입의 실리콘 게르마늄 영역을 형성하므로써, 펀치 스루를 방지할 수 있다.According to the present invention, punch-through can be prevented by forming a silicon germanium region of a type opposite to the channel controlling the increase of the depletion layer of the drain region under the portion where the channel is formed in the SOI substrate.
이에따라, 펀치 스루 현상을 방지하기 위하여 기판 농도를 증대시키지 않아도 되므로, 모스 트랜지스터의 이동도를 개선할 수 있다.Accordingly, it is not necessary to increase the substrate concentration in order to prevent the punch-through phenomenon, so that the mobility of the MOS transistor can be improved.
또한, 소오스, 드레인 영역을 형성하기 전에 기판(실리콘층)내 정공을 포획할 수 있도록, 게르마늄 이온을 실리콘층내에 이온 주입하므로써, 한층 더 이동도를 개선할 수 있다.Further, the mobility can be further improved by ion implantation of germanium ions into the silicon layer so as to trap holes in the substrate (silicon layer) before forming the source and drain regions.
(실시예)(Example)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부한 도면 도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일실시예에 따른 SOI 소자의 제조방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views of respective processes for explaining a method of manufacturing an SOI device according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 2a를 참조하여, 제 1 절연막(11)과 에피택셜 실리콘층(12)이 약 90 내지 110Å의 두께로 순차적으로 적층된 실리콘 핸들링 기판(10)과, 표면에 제 2 절연막(21)이 약 5 내지 15Å 두께로 형성된 디바이스 기판(20)이 준비된다. 이때, 에피택셜 실리콘층(12) 대신 폴리실리콘층이 사용될 수 있다.First, referring to FIG. 2A, a silicon handling substrate 10 in which the first insulating film 11 and the epitaxial silicon layer 12 are sequentially stacked with a thickness of about 90 to 110 GPa, and the second insulating film 21 on the surface thereof, are described. The device substrate 20 formed to the thickness of about 5-15 micrometers is prepared. In this case, a polysilicon layer may be used instead of the epitaxial silicon layer 12.
이어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 핸들링 기판(10)의 에피택셜 실리콘층(12)과 제 2 산화막(21)이 맞닿도록 접합시킨다음, 디바이스 기판(20)을 약 5 내지 15Å정도가 남도록 백그라인딩(backgrinding)하여 실리콘층(22)을 형성한다. 이때, 상기와 같이 접합 방식으로 SOI 구조체를 형성할 수도 있고, 또는 산소 이온을 2단계로 주입하여 SIMOX(Separation by Implanted OXygen) 방식으로 SOI 구조체를 형성할 수도 있다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the epitaxial silicon layer 12 of the handling substrate 10 and the second oxide film 21 are bonded to each other so that the device substrate 20 remains about 5 to 15 mm. Backgrinding is performed to form the silicon layer 22. In this case, the SOI structure may be formed by a junction method as described above, or the SOI structure may be formed by a separation by implanted OXygen (SIMOX) method by implanting oxygen ions in two steps.
그후, 도 2c에서와 같이, 실리콘층(22)의 소정 부분에 공지의 로코스(LOCOS) 방법, 트랜치(trench) 방법등을 이용하여 필드 산화막(23)을 형성한다. 여기서, 필드 산화막(23)의 저면은 상기 제 2 산화막(21)과 접촉되도록 형성되어, 완전하게 절연 분리된 소자 형성층(실리콘층:22)을 제공하게 된다.Thereafter, as shown in FIG. 2C, the field oxide film 23 is formed in a predetermined portion of the silicon layer 22 using a known LOCOS method, a trench method, or the like. Here, the bottom surface of the field oxide film 23 is formed in contact with the second oxide film 21 to provide a completely insulated and separated element formation layer (silicon layer 22).
그리고나서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 실리콘층(22)의 소정 부분이 노출되도록 필드 산화막(23) 및 실리콘층(22) 상부에 레지스트 패턴(24)을 형성한다. 그런다음, 노출된 실리콘층(22) 하부의 상기 에피택셜층(12)에 고농도 P형의 불순물과 게르마늄(Ge) 이온을 동시에 주입하여, 고농도 P형 실리콘 게르마늄 영역(25)을 형성한다. 이때, P형의 불순물로는 붕소(B)이온이 이용된다. 이때, P형 불순물로 붕소 이온을 이용하는 것은 실리콘과 게르마늄 사이에 스트레스 차가 거의 발생되지 않기 때문이다. 여기서, 상기 제 2 절연막(21)은 고농도 P형 실리콘 게르마늄 영역(25)과 실리콘층(22) 사이의 확산을 방지하는 역할을 하고, 예를들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 실리콘 산화막/실리콘 질화막의 적층막으로 사용된다.Then, as shown in FIG. 2D, a resist pattern 24 is formed over the field oxide film 23 and the silicon layer 22 so that a predetermined portion of the silicon layer 22 is exposed. Thereafter, a high concentration of P-type impurities and germanium (Ge) ions are simultaneously injected into the epitaxial layer 12 under the exposed silicon layer 22 to form a high concentration of P-type silicon germanium region 25. At this time, boron (B) ions are used as the P-type impurities. At this time, the use of boron ions as a P-type impurity is because a stress difference hardly occurs between silicon and germanium. Here, the second insulating film 21 serves to prevent diffusion between the high concentration P-type silicon germanium region 25 and the silicon layer 22, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxide film / silicon. It is used as a laminated film of a nitride film.
그런다음, 도 2e에 도시된 바와 같이, 레지스트 패턴(24)을 제거하지 않은 채로, 이후 형성될 소오스, 드레인 영역의 가장자리 부분에 게르마늄(Ge) 이온을 이온 주입한다. 이때, 게르마늄 이온은 약 7 내지 45°정도 만큼 틸트시켜서 이온 주입함이 바람직하다. 여기서, 게르마늄 이온층(26)은 플로팅 본체 효과(floating body effect)를 방지하기 위하여 주입되는 것으로, 이러한 게르마늄 이온은 재결합 센터(recombination center)를 형성하여, 본체 즉 실리콘층(22)에 생성되는 정공을 제거한다. 이에따라, 이후 형성될 모스 트랜지스터의 이동도 특성을 개선할 수 있다.Then, as illustrated in FIG. 2E, without removing the resist pattern 24, germanium (Ge) ions are ion implanted into the edge portion of the source and drain regions to be formed later. At this time, the germanium ion is preferably tilted by about 7 to 45 ° and ion implanted. Here, the germanium ion layer 26 is implanted to prevent the floating body effect, and the germanium ions form a recombination center to form holes generated in the body, that is, the silicon layer 22. Remove Accordingly, it is possible to improve the mobility characteristics of the MOS transistor to be formed later.
그후, 도 2f에 도시된 바와 같이, 실리콘층(22) 상부에 게이트 산화막(27)과 도전체막, 예를들어 고농도 N형의 실리콘 게르마늄층(N+SiGe:28)을 형성한다음, 소정 부분 패터닝하여, 게이트 전극을 형성한다.Then, as shown in FIG. 2F, a gate oxide film 27 and a conductor film, for example, a high concentration N-type silicon germanium layer (N + SiGe: 28) are formed on the silicon layer 22, and then a predetermined portion is formed. Patterning is performed to form a gate electrode.
그 다음, 도 2g에 도시된 바와 같이, 필드 산화막(23) 상부와 게이트 전극(28) 상부에 공지의 방법으로 레지스트 패턴(29)을 형성한다음, 노출된 실리콘층(22)에 소오스, 드레인용 불순물을 이온 주입하여, 소오스, 드레인 영역(30)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 2G, a resist pattern 29 is formed on the field oxide film 23 and the gate electrode 28 by a known method, and then the source and drain on the exposed silicon layer 22 are formed. The impurity impurities are ion implanted to form the source and drain regions 30.
그런다음, 도 2h에 도시된 바와 같이, 레지스트 패턴(29)을 제거한다음, 결과물 상부에 층간 절연막(31)을 형성한다. 이어, 상기 게이트 전극(28), 소오스, 드레인 영역(30)이 노출되도록 층간 절연막(31)의 소정 부분을 식각하여, 콘택홀을 형성한다. 이어, 노출된 게이트 전극(28)과, 소오스, 드레인 영역(30)과 각각 콘택되도록 금속 배선(32)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 2H, the resist pattern 29 is removed, and then an interlayer insulating film 31 is formed on the resultant. Subsequently, a predetermined portion of the interlayer insulating layer 31 is etched to expose the gate electrode 28, the source, and the drain region 30 to form a contact hole. Next, the metal wiring 32 is formed to contact the exposed gate electrode 28 and the source and drain regions 30, respectively.
이와같은 구성을 갖는 본 발명은, SOI 기판의 매몰 절연막(11,21) 사이에 에피택셜 실리콘층(12)이 개재되고, 이 에피택셜 실리콘층(12)의 소정 부분에 고농도 P형의 실리콘 게르마늄 영역(25)이 형성된다. 이때, 고농도 P형의 실리콘 게르마늄 영역(25)은 상기 n형의 소오스, 드레인 영역(30)과의 밴드갭 차이를 크게하여 드레인 영역의 공핍층이 증대되는 것을 방지한다. 이에따라, 펀치 스루 특성을 개선되어, 기판(실리콘층)의 도핑 농도를 상승시키지 않아도 되므로, 이동도 특성이 개선된다.In the present invention having such a configuration, the epitaxial silicon layer 12 is interposed between the buried insulating films 11 and 21 of the SOI substrate, and the high concentration P-type silicon germanium is disposed in the predetermined portion of the epitaxial silicon layer 12. Region 25 is formed. At this time, the high concentration P-type silicon germanium region 25 prevents an increase in the depletion layer of the drain region by increasing a band gap difference between the n-type source and drain region 30. As a result, the punch-through characteristics are improved, so that the doping concentration of the substrate (silicon layer) does not have to be increased, thereby improving mobility characteristics.
더구나, 소오스, 드레인 영역을 형성하기 전에 기판(실리콘층)내 정공을 포획할 수 있도록, 게르마늄 이온을 실리콘층(12)내에 이온 주입하므로써, 한층 더 이동도를 개선할 수 있다.Furthermore, by implanting germanium ions into the silicon layer 12 so as to trap holes in the substrate (silicon layer) before forming the source and drain regions, the mobility can be further improved.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 의하면, SOI 기판에서 채널이 형성되는 부분 하부에 드레인 영역의 공핍층의 증대를 제어하는 채널과 반대 타입의 실리콘 게르마늄 영역을 형성하므로써, 펀치 스루를 방지할 수 있다.As described in detail above, according to the present invention, punch throughs can be prevented by forming a silicon germanium region of a type opposite to the channel controlling the increase of the depletion layer of the drain region under the portion where the channel is formed in the SOI substrate. Can be.
이에따라, 펀치 스루 현상을 방지하기 위하여 기판 농도를 증대시키지 않아도 되므로, 모스 트랜지스터의 이동도를 개선할 수 있다.Accordingly, it is not necessary to increase the substrate concentration in order to prevent the punch-through phenomenon, so that the mobility of the MOS transistor can be improved.
또한, 소오스, 드레인 영역을 형성하기 전에 기판(실리콘층)내 정공을 포획할 수 있도록, 게르마늄 이온을 실리콘층내에 이온 주입하므로써, 한층도 이동도를 개선할 수 있다.Further, the mobility of germanium ions can be improved by ion implantation into the silicon layer so as to trap holes in the substrate (silicon layer) before forming the source and drain regions.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.In addition, this invention can be implemented in various changes within the range which does not deviate from the summary.
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