반도체 8대 공정 - Doping 공정 (9)

지난 시간에 동일한 공간에 실리콘과 동일한 원자 수의 Si-Ge가 이종성장될 경우 부피 팽창으로 인해 주변에서는 압축 응력(compressive stress)을 받게 된다는 내용까지 알아보았습니다.

이어서 알아보도록 하겠습니다.

 

소스와 드레인 영역의 실리콘을 에치 공정으로 일부분 제거하고 그 공간에 Si-Ge을 에피성장한다면 소스 드레인 영역의 부피 팽창으로 인해 게이트 아래의 채널 영역은 양쪽에서 미는 힘을 받게 됩니다.

먼저, 원하는 영역만 선택적으로 에피성장을 시키는 방법을 SEG(Selective Epitaxial Growth)라고 합니다. 실리콘이 있는 소스와 드레인 영역을 에치로 파내고 에피 공정이 진행되면, 먼저 수소 분위기에서 열공정을 진행하여 Si이 에치된 영역에 자연산화막 및 이물질을 제거해 줍니다. 그 상태에서 in-situ로 Si-Ge의 에피공정을 진행하는데, PMOSFET의 소스/드레인 영역이기 때문에 p+ 도핑을 해주기 위해 Boron을 에피진행하면서 동시에 불순물로서 주입하게 됩니다. 하지만 B가 많이 주입되면 에피막의 특성이 좋지 않기 때문에 초기에는 농도가 낮게 도핑을 해둡니다. 그러다가 말미에 컨택트 저항을 낮게 하려는 목적으로 높은 도핑을 해주고 있습니다. Si-Ge 이종에피 성장으로 채워준 영역은 Ge이 더 무겁기 때문에 TEM에서 더 짙은 명암으로 보입니다. Si-Ge은 기판의 실리콘과 격자상수의 차이가 크지 않기 때문에 bonding 하게 되면 에너지를 낮출 수 있어 에피성장이 되게 되고, Gate 위쪽의 비정질 산화물절연체로 덮인 곳에서는 성장이 되지 않습니다. 이러한 SEG의 방법으로 원하는 영역만 선택적으로 에피성장을 할 수 있습니다.

SEG 공정을 통해 소스와 드레인 영역은 시리콘 대신 Si-Ge가 실리콘과 동일한 결정성을 가지고 에피 되면서 부피가 팽창하게 되고, 채널 영역은 압축응력을 받게 되는데 PMOSFET의 경우 채널에 압축응력이 형성되면 캐리어의 이동도(mobility)가 향상되기 때문에 에피공정을 진행하는 것입니다. PMOSFET의 캐리어인 홀(hole)은 NMOSFET의 전자보다 이동도가 3배 정도 낮은데, 이처럼 SEG 공정으로 채널에 압축응력을 갖도록 만들어 hole mobility를 향상합니다. hole mobility가 압축응력이 작용하는 공간에서 증가하는 이유는 동일 공간에 실리콘 원자가 더 많이 존재하게 되는데 이는 effective mass가 증가하는 방향이기 때문에 에너지 밴드를 변화시키게 됩니다. 이 PMOSFET에서 채널 영역에 압축 응력이 작용하여 1.5배 수준의 hole mobility가 증가하였고, 소자적인 측면에서 성능이 향상되기 되는데 동일한 off 상태의 전류값에서 on 상태의 전류값을 비교해 보면 약 1.5배 이상 전류가 증가함을 알 수 있습니다.