고성능 상보합 트렌지스터 구현을 위한 GeOI 구조 개발과 저마늄 응축기술에 관한 연구

Abstract

반도체 산업은 주로 벌크 실리콘(Bulk Si) 기판을 사용하였지만 시간의 흐름에 따라 Gate Length가 Scaling이 감소되면서 Silicon-on-Insulator(SOI)기반으로 그 후에 상층부 실리콘(Top Si)의 두께가 20 nm 이하인 Ultra-thin bady Silicon-on-Insulator(UTS) 기판이 사용되었다. 하지만 아직도 미래의 소자로는 SOI 기판 또한 양자영학적인 한계점이 있기 때문에 SiGe을 이용한 Strained Si on SiGe-on-Insulator(ε-Si on SGOI) 기판이 요구되어 진다. 양자역학적으로 보면 반전층 내의 캐리어들이 속박되고 Inter-valley산란이 증가되어 이동도의 감소가 일어난다. 이를 개선하기 위해서 나노 스케일의 ε-SGOI 기반을 가지는 C-MOSFET소자가 개발되었다. 전자와 홀 이동도를 향상시키기 위해서 ε-Si on SGOI C-MOSFET소자에서 Inter-valley, Intra-valley 산란을 감소시켜 종전 SOI 기판보다 더 높은 효과를 얻고 있다. 본 연구에서는 이런 C-MOSFET과는 다르게 Strained Si을 사용하지 않고 Silicon보다 이동도가 빠른 Germanium을 이용하여 소자관점에서 약 2배 이상의 이동도를 확보하기 위하여 SGOI 기판에서 Germanium 90 % 이상의 Germanium-on-insulator(GeOI) 기판 제작에 관점을 두어 연구하였다. Germanium은 초기 반도체 산업에서 주로 사용되었지만 Silicon보다 가격이 비싸고 Gate dielectric을 바로 형성할 수 없는 단점이 있어 사용 하지 않았다. 하지만 현재 SOI 기판이 부각되면서 GeOI 기판도 무시할 수 없게 되었다. ε-Si on SGOI의 제작 방법에는 본딩(Bonding), 디스로케이션 싱크(Dislocation sink), 응축(Condensation) 3가지 방법이 보고되고 있다. 이 3가지 방법 중에서 응축(Condensation) 방법이 가격 면에서나 품질 면에서나 가장 효과적으로 소개 되었고, 또한 본 연구의 GeOI 기판 제작에 가장 탁월한 방법이다. 응축방법은 기존 SiGe 층을 산소 분위기에서 산화과정을 통해 Si 원자만 반응시켜 SiO2 생성하여 소비시키고 Ge은 상대적으로 반응하지 않고 남아 그 원자가 축적되어 고농도의 Ge 층을 만드는 방법이다. 본 연구에서는 응축 방법을 통하여 GeOI 기판를 제작하면서 실험을 통하여 발견된 SiGe 층의 Strained 상태에서 Relaxed 상태로 변화하는 Mechanism과 그의 따른 공정 최적화에 대해 설명할 것이다. 또한 소자 제작에 적합한 GeOI 기판은 Germanium 농도가 Silicon 대비 90 % 이상이며 표면 거칠기 또한 0.4 nm 이하의 값을 필요로 한다. 이런 기판을 응축 방법으로 제작하기 위하여 공정 단계마다 산화 시간(Oxidation time), SiGe 층의 Germanium 농도와 두께, 마지막으로 산화 온도(Oxidation temperature)가 중요한 파라미터로 작용한다. 결국 이 모든 조건을 고려하여 SGOI의 공정을 진행하여야 가장 최적화 GeOI 기판을 제작할 수 있다.