Application technology of Si1-xGex for ULSI CMOS device : growth and oxidation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We studied the characteristics of growth, surface treatment and oxidation for Si1-XGeX to apply ULSI CMOS device. Si1-XGeX is the most focused material for generation of strain in channel. In order to form and control the strain in channel with using Si1-XGeX, new technology is needed to control the strain in Si1-XGeX. Therefore, we studied several properties of Si1-XGeX corresponding to growth and oxidation.In section about growth of Si1-XGeX, first, we investigated a new pre-cleaning technique with using plasma. We observed etch rate of Si and SiO2 by various mixture gas containing SF6 and Cl2 and contamination with using secondary ion molecular scattering (SIMS) at plasma pre-cleaned interface between grown epitaxial layer and Si substrate. Also, we observed interface defects generated by plasma damage with using transmission electron microscopy. Through above work, we propose new surface cleaning method with using plasma. Second, we investigate growth rate of Si1-XGeX with various growth condition and explain the origins of the role of Ge for growth rate in two different growth modes. Especially, we reveal the growth kinetics at high Ge concentration and high temperature. Through above work, we suggest key parameters to grow layer by layer grown defect free Si1-XGeX in process condition.In the other section about oxidation, first, we investigate the condensation process to control the strain in Si1-XGeX. We observe oxidation properties of Si1-XGeX in dry ambient and inspect each strain in the Ge pile-up layer and in the remaining initial Si1-XGeX, respectively. We also suggest a mechanism for strain relaxation in the Ge pile-up layer and the remaining initial Si1-XGeX layer during dry oxidation of the Si1-XGeX. From our experiments, we show a possibility to apply the condensation process without the SGOI (Si1-XGeX on insulator) structure. Second, we investigated the strain in Si1-XGeX (x=0,15) grown on oxidized and etched Si1-XGeX films grown on conventional bulk Si substrates. We observed the strain behaviors and interface structures in newly grown Si1-XGeX and oxidized and etched Si1-XGeX using raman spectroscopy and transmission electron microscopy. The strain in Si1-XGeX was successfully controlled by oxidation temperature, time and initial Ge fraction and newly grown Si1-XGeX showed a low defect density. We suggest that our process is a new and novel method of forming a relaxed Si1-XGeX and of growing an epi-Si1-XGeX with a low defect density.

국문 초록 (Abstract)

최근 Si1-XGeX는 스트레인 Si 채널을 형성시키기 위한 물질로 주목 받고 있다. 이런 Si1-XGeX를 고집적 소자에 성공적으로 적용시키기 위해서는 적은 밀도의 결함을 함유한 스트레인이 완화된 Si1-XGeX을 성장시키는 것이 중요한 공정 요소이다. Si1-XGeX 을 Si 기판 위에 성장시킬 경우 Si1-XGeX 과 Si의 격차크기 차이로 인해 스트레인이 발생하게 되며 발생된 스트레인은 Si1-XGeX 내에 결함을 형성함으로써 완화될 수 있다. 따라서 스트레인이 완화된 Si1-XGeX을 형성시키기 위해서는 여러 층의 서로 다른 조성을 갖는 두꺼운 단결정 Si1-XGeX 박막의 성장을 통한 결함 밀도의 감소 노력이 필요하다. 하지만 이와 같은 공정은 단위 웨이퍼에 스트레인이 완화된 Si1-XGeX을 성장시키는데 긴 시간과 많은 량은 가스 소모를 필요로 하며, 이 점이 고집적 소자 공정 직접 적용에 장애물이 되어왔다. 최근 Si1-XGeX의 산화시 Si만의 선택적인 산화가 발생하는 특성을 이용하여 적은 밀도의 결함을 갖는 고농도의 Si1-XGeX을 형성시킬 수 있는 새로운 기술이 보고 되었다. 하지만 이 공정은 silicon on insulator (SOI) 웨이퍼에서만 적용 가능하다는 단점이 있다. 따라서 일반적인 고집적 소자 형성 공정에 적용 가능한 새로운 기술 연구가 필요하다.본 연구에서는 Si 기판 위에 직접 성장되어 스트레인이 존재하는Si1-XGeX 을 산화를 이용하여 적은 밀도의 결함을 함유한 스트레인이 완화된 Si1-XGeX 을 형성시키기 위한 연구를 진행하였다. 산화를 이용한 Si1-XGeX 의 스트레인 완화 연구를 위해서, 우선 ultra high vacuum chemical vapor deposition (UHVCVD) 장비를 이용하여 Si 기판 위에 적은 밀도의 결함을 함유한 스트레인 Si1-XGeX 을 형성시키기 위한 연구를 진행하였다. Si1-XGeX을 Si 기판 위에 직접 성장시키기 위해서는 Si1-XGeX의 성장 전에 Si 기판의 표면처리가 중요하며, 이를 위해서 플라즈마를 이용한 새로운 표면처리 공정을 연구하였다. 이후 Si 기판 위에 UHVCVD 장비를 이용하여 성장된 Si1-XGeX의 성장 조건에 따른 성장 속도, 조성 및 스트레인을 분석하여, Si1-XGeX의 성장 특성을 연구하였다. 이렇게 형성된 적은 밀도의 결함을 함유한 Si1-XGeX을 다양한 온도와 시간에서 산화를 진행시켜가며, 산화 조건에 따른 스트레인의 변화 거동에 대한 연구를 진행하였다. 이와 같은 연구를 통해 적은 밀도의 결함을 함유한 스트레인이 완화된 Si1-XGeX을 형성시키기 위한 조건을 확인하였으며, 산화된 Si1-XGeX 위에 새로운 Si1-XGeX을 성장시키고 이것의 스트레인을 관찰하여 산화를 이용한 Si1-XGeX의 스트레인을 조절할 수 있는 공정에 대한 가능성을 확인하였다.