KR101013047B1 - 공존 논리 소자를 갖는 백 게이트 제어형 ｓｒａｍ - Google Patents

공존 논리 소자를 갖는 백 게이트 제어형 ｓｒａｍ Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 논리 소자 영역 및 적어도 하나의 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 소자 영역을 포함하는 반도체 구조가 제공되며, 여기서 각 소자 영역은 이중 게이트형 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하며, 각 FET 소자의 백 게이트는 서로 다른 소자 영역들 내의 FET 소자들의 성능을 향상시키도록 특정 레벨로 도핑된다. 특히, SRAM 소자 영역 내의 백 게이트는 논리 소자 영역 내의 백 게이트보다 더 고농도로 도핑된다. 단채널 효과를 제어하기 위하여, SRAM 소자 영역 내의 FET 소자는 도핑된 채널을 포함하지 않는 반면, 논리 소자 영역 내의 FET 소자는 도핑된 채널을 포함한다. 소스/드레인 영역 바로 아래의 낮은 순 도핑 및 채널 아래의 높은 순 도핑을 갖는 비 균일 측면 도핑 프로파일은 논리 소자를 위한 추가적인 단채널 효과(SCE) 제어를 제공한다.

Description

공존 논리 소자를 갖는 백 게이트 제어형 ＳＲＡＭ{BACK GATE CONTROLLED SRAM WITH COEXISTING LOGIC DEVICES}
본 발명은 반도체 구조에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 적어도 하나의 논리 소자 영역 및 적어도 하나의 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 소자 영역-각 소자 영역은 이중 게이트형 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하고, 각 FET 소자의 백 게이트는 서로 다른 소자 영역들 내의 FET 소자의 성능을 향상시키도록 특정 레벨로 도핑됨-을 포함하는 반도체 구조에 관한 것이다. 특히, SRAM 소자 영역 내의 백 게이트는 논리 소자 영역 내의 백 게이트보다 더 고농도로 도핑된다. 단채널효과를 제어하기 위하여, SRAM 소자 영역 내의 FET 소자는 도핑된 채널을 포함하지 않는 반면, 논리 소자 영역 내의 FET 소자는 도핑된 채널을 포함한다.
정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)의 스케일링에 관한 주요한 문제는 도핑 변동(fluctuation)의 역할이다. 45nm 노드에 있어 도핑 변동은 추가적인 스케일링에 대한 하나의 가장 중요한 억제자(inhibitor)들 중 하나가 될 것으로 예상된다.
현재의 가용한 데이터로부터 임계 부정합(threshold mismatch)을 산출하면, 80mV의 일 시그마 부정합(one sigma mismatch)이 예상된다. 이는 실제적인 수리율을 넘는 실패율의 어레이를 가져올 것이다.
도핑 변동 스케일링은, 채널 내의 도핑 원자수의 절대값 N과 그들의 분배에 관련되며, 여기서 N은 소자 면적에 비례한다. 도핑 변동은 수학식 1/sqrt(W*L)에 대략적으로 스케일링될 것이며, 여기서 W와 L은 각각 소자 폭과 소자 길이이다. 또한, 임계값 변이(threshold variation)는, 채널 내의 도펀트의 총개수 N과 관련되는, 게이트 계면에 수직인 도핑 분배의 제2 모먼트의 제곱근에 의해 스케일링된다. 피처 크기를 축소하는 것은 더 높은 도핑 레벨을 필요로할 것이며, SRAM 소자는 반도체 분야에서 알려진 가장 작은 소자 면적 중 하나를 가지므로 도핑 변동이 이러한 영역을 먼저 손상시키는 경향을 가질 것이다.
본 발명은, 상술한 도핑 변동 문제를 해결하는, 공존 논리 소자(coexisting logic device)를 갖는 백 게이트 제어형 SRAM(back gate controlled SRAM)을 위한 기판 솔루션을 제공한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 적어도 하나의 논리 소자 영역과 적어도 하나의 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 소자 영역을 포함하는 반도체 구조를 제공하며, 여기서 각 소자 영역은 이중 게이트형 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하고, 각 FET 소자의 백 게이트는 서로 다른 소자 영역들 내의 FET 소자의 성능을 향상시키도록 특정 레벨(즉, 도펀트 농도)로 도핑된다. 본 발명에 따라, SRAM 소자 영역 내의 백 게이트는 논리 소자 영역 내의 백 게이트보다 더 고농도로 도핑된다. 단채널 효과를 제어하기 위하여, SRAM 소자 영역 내의 FET 소자는 도핑된 채널을 포함하지 않는 반면, 논리 소자 영역 내의 FET 소자는 도핑된 채널을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 각 영역은 초박(약 10nm 내지 약 20nm 정도) 바디 평면 완전 공핍형(ultra-thin body planar fully depleted) 반도체-온-인슐레이터(semiconductor-on-insulator; SOI) 재료와 결합하여 사용되는 이중 게이트 소자를 포함한다. 백 게이트는 초박 바디 평면 완전 공핍형 SOI 재료를 가로질러 패터닝되지 않을 것이다. 바디 두께 Tsi에 있어서, 홀 축적(두꺼운 쪽) 및 논리 소자(얇은 쪽)에 대한 제작가능한 윈도우를 방지하기 위한 최적값이 선택된다. 백 게이트 두께 TBg는 칩 상에 얼마의 양의 전압 VBg이 제공될 수 있는 지에 의해 선택된다. TSi에 대한 최적 범위는 약 10nm 내지 약 20nm이고, 10nm가 매우 바람직하며, TBg에 대한 최적 범위는 약 10nm 내지 약 20nm이고, 역시 10nm가 매우 바람직하다.
SRAM 영역(즉, 비도핑 채널을 포함하는 영역)의 백 게이트 제어를 최대화하기 위하여, 논리 소자 영역(즉, 도핑된 채널을 포함하는 소자)의 도핑 농도와 비교하여, nFET와 pFET에 대해 각각, p+ 도핑과 n+ 도핑으로 고농도 도핑된 백 게이트 전극들이 SRAM 영역에 제공된다. 고농도 도핑된 백 게이트는 드레인의 백 게이트로의 용량성 결합으로 인하여 논리 소자 성능을 열화시킬 것이다.
이 추가 용량을 최소화하기 위하여, 논리 소자 내의 백 게이트는 단지 저농도로 도핑되고, 드레인 아래 부분들을 크게 공핍된 상태로 유지하는 전압으로 바이어싱된다. 딥 소스 드레인 임플란트(deep source drain implant)의 적절한 최적화를 이용하여, 소스/드레인 아래의 백 게이트 영역의 감소된 순 도핑(net doping)이 달성되고, 지금부터는 접합 용량을 최소화하기 위하여 증가된 공핍층 또한 달성된다. 이 옵션은 프론트 게이트로 자기 정렬된다(self-aligned). 본 발명에 따르면, 백 게이트가 임계값 제어를 위하여 논리 영역에서 사용되지는 않는다. 그러나, 본 발명에서 논리 영역 내에 기존의 할로 임플란트(halo implant)를 채택함으로써, 단채널 효과(SCE; Short Channel Effect)를 제어하는 것이 달성될 수 있다. SRAM 영역에서, 적합한 백 게이트 바이어싱에 의해 임계 전압이 설정되기 때문에 할로(halo) 도핑이 필요하지 않다. 이러한 조정은 게이트 길이 또는 바디 두께와 같은 기타 시스템적인 변이를 보상하기 위하여 특정 칩에 대해 미세 튜닝될 수 있다.
상술한 실시예에서, 백 게이트는, 예를 들어 SOI 기판의 매립 격리층(buried isolating layer)과 같은, 유전체 층에 의해 반도체 기판으로부터 격리된다. 백 게이트들이 반도체 기판으로부터 또한 서로로부터 격리되기 때문에, 이러한 특별한 구조는 동작 중에 백 게이트 바이어스의 제한없는 사용을 가능케 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 백 게이트는 본질적으로(essentially) 벌크 반도체 기판 내에 형성되는 딥 웰 임플란트(implant)이다. p-형 기판의 경우, n+ 백 게이트는 pn 접합에 의해 기판 및 p+ 백 게이트로부터 분리된다. n-형 기판의 경우, p+ 백 게이트는 pn 접합에 의해 기판 및 n+ 백 게이트로부터 분리된다. 두 가지 경우에서, 백 게이트 바이어스는 pn 접합 양단의 전압이 역방향 모드의 바이어스를 유지하도록 제한될 것이다. 백 게이트의 도핑 레벨 또한 적당한 양으로 프론트 게이트 임계값을 조정하는데 이용될 수 있다. 이러한 구조에 따른 상충관계(trade off)는 가장 높은 백 게이트 도핑 레벨에서 논리 게이트에 대한 추가적인 접합 용량의 영향을 밸런싱하는 것이다.
일반적인 관점에서, 본 발명은 반도체 구조로서,
격리 영역(isolation region)에 의해 서로 분리되는 적어도 하나의 논리 소자 영역과 적어도 하나의 SRAM 소자 영역을 포함하는 기판;
적어도 하나의 논리 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, 논리 소자의 바디 영역은 도핑된 채널을 포함하는 것인, 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자; 및
적어도 하나의 SRAM 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, SRAM 소자의 바디 영역은 비도핑 채널을 포함하고, SRAM 소자의 백 게이트는 논리 소자의 백 게이트보다 더 높은 도핑 레벨을 갖는 것인, 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자
를 포함하는 반도체 구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 논리 소자 영역과 SRAM 소자 영역 내의 백 게이트와 프론트 게이트는 동일한 전도성을 가질 수 있다. 다른 방법으로, 또한 바람직한 실시예로, 각 소자 영역 내의 백 게이트와 그것의 대응하는 프론트 게이트는 반대의 전도성을 가진다. 본 발명의 일 실시예에서, 양 소자 영역 내의 프론트 게이트는 n-형이고, 각 소자 영역 내의 백 게이트는 p-형이며, 여기서 SRAM 소자 영역 내의 백 게이트는 논리 소자 영역 내의 백 게이트보다 더 높은 p-형 도핑 레벨을 가진다. 다른 실시예에서, 양 소자 영역 내의 프론트 게이트는 p-형이고, 각 소자 영역 내의 백 게이트는 n-형이며, 여기서 SRAM 소자 내의 백 게이트는 논리 소자 영역 내의 백 게이트보다 더 높은 n-형 도핑 레벨을 갖는다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 양 소자 영역은 적어도 하나의 n-형 프론트 게이트 및 적어도 하나의 p-형 프론트 게이트를 포함한다. 이 실시예에서, n-형 프론트 게이트의 백 게이트는 p-형 전도성을 가지고, SRAM 소자 백 게이트 내의 p-형 도핑 농도는 논리 소자 백 게이트의 p-형 도핑 농도보다 더 크다. 마찬가지로, p-형 프론트 게이트의 백 게이트는 n-형 전도성을 가지며, SRAM 소자 백 게이트의 n-형 도핑의 농도는 논리 소자 백 게이트의 n-형 도핑 농도보다 더 크다.
SOI 기판 및 벌크 반도체 기판 둘 모두 본 발명에서 고려되어 이용될 수 있다.
SOI 기판의 경우, 본 발명의 반도체 구조는:
적어도 하나의 논리 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, 논리 소자의 바디 영역은 도핑 채널을 포함하는 것인, 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자;
적어도 하나의 SRAM 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, SRAM 소자의 바디 영역은 비도핑 채널을 포함하고, SRAM 소자의 백 게이트는 논리 소자의 백 게이트보다 더 높은 도핑 레벨을 갖는 것인, 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자; 및
백 게이트들 각각의 아래에 위치되는 적어도 하나의 매립 절연층
을 포함한다.
벌크 실시예에 있어서, 본 발명의 반도체 구조는:
적어도 하나의 논리 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, 논리 소자의 바디 영역은 도핑 채널을 포함하는 것인, 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자;
적어도 하나의 SRAM 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, SRAM 소자의 바디 영역은 비도핑 채널을 포함하고, SRAM 소자의 백 게이트는 논리 소자의 백 게이트보다 더 높은 도핑 레벨을 갖는 것인, 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자; 및
백 게이트들 각각의 아래에 위치되는 반도체 기판
을 포함한다.
도 1은 본원의 기본적인 반도체 구조를 (단면도를 통해) 도시하는 도면이다.
도 2는 SOI 기판이 사용되는 본 발명의 구조의 일 실시예를 (단면도를 통해) 도시하는 도면이다.
도 3은 벌크 반도체 구조가 사용되는 본 발명의 구조의 다른 실시예를 (단면도를 통해) 도시하는 도면이다.
공존 논리 소자를 갖는 백 게이트 제어형 SRAM 소자를 위한 기판 솔루션을 제공하는 본 발명이, 이제 본원에 수반되는 다음의 설명과 도면들을 참조함으로써 더 자세히 설명될 것이다. 도면들은 설명의 목적을 위해 제공되며, 그 자체로 척도에 맞추어지도록 도시되지는 않았음을 유념한다. 또한, 도면들에서 유사하고 대응하는 엘리먼트들은 유사 참조 번호에 의해 지시된다.
도 1은 본 발명의 반도체 구조(10)를 도시하는 확대된 단면도이다. 구체적으로, 도 1에 도시된 반도체 구조(10)는 논리 소자 영역(12)과 SRAM 소자 영역(14)을 포함한다. 이러한 두 개의 상이한 소자 영역들은 격리 영역(16)에 의해 분리된다. 또한, 반도체 구조(10)는 적어도 하나의 논리 소자 영역(12) 내에 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자(18A)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 이 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자(18A)는, 바닥으로부터 최상부의 순서로, 백 게이트(20A), 백 게이트 유전체(22A), 바디 영역(24A), 프론트 게이트 유전체(26A), 및 프론트 게이트(28A)를 포함한다. 논리 소자(18A)의 백 게이트(20A)는 논리 소자(18A)의 프론트 게이트(28A)와 동일한 전도성 타입이거나, 바람직하게는, 논리 소자(18A)의 프론트 게이트(28A)와 반대의 전도성 타입이고, 논리 소자(18A)의 바디 영역(24A)은 도핑된 채널(30A)를 포함한다. 도핑된 채널(30A)은 프론트 게이트(28A)의 아래에 위치되며, 소스/드레인 영역(32A)에 의해 측면이 한정된다. 본 발명에 따르면, 소스/드레인 영역(32A)은 프론트 게이트(28A)와 동일한 전도성 타입을 갖는 반면, 도핑된 채널(30A)은 백 게이트(20A)와 동일한 전도성 타입을 갖는 할로 도핑된 채널(halo doped channel)을 포함한다.
또한, 도 1에 도시된 반도체 구조(10)는 적어도 하나의 SRAM 소자 영역(14) 내에 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자(18B)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자(18B)는, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트(20B), 백 게이트 유전체(22B), 바디 영역(24B), 프론트 게이트 유전체(26B), 및 프론트 게이트(28B)를 포함한다. 본 발명에서, SRAM 소자(18B)의 백 게이트(20B)는 SRAM 소자(18B)의 프론트 게이트(28B)와 동일한 전도성 타입을, 바람직하게는 반대의 전도성 타입을 갖도록 설계되고, SRAM 소자(18B)의 바디 영역(24B)은 비도핑 채널(non-doped channel; 30B)을 포함한다. 비도핑 채널(30B)은 프론트 게이트(28B) 아래에 위치되며, 프론트 게이트(28B)와 동일한 전도성 타입인 소스/드레인 영역(32B)에 의해 측면이 한정된다. 본 발명에 따르면, SRAM 소자(18B)의 백 게이트(20B)는 논리 소자(18A)의 백 게이트(20A)보다 더 높은 도핑 레벨을 갖는다.
비록 도 1에는 도시되지 않았으나, 백 게이트(20A 및 20B)는 기판 위에 위치한다. 일 실시예에서, 기판은, 예를 들어 Si, Ge, SiGe, SiC, SiGeC, Ga, GaAs, InAs, InP, 및 모든 기타 III족/V족 또는 II족/VI족 화합물 반도체들과 같은, 벌크 반도체이다. 다른 실시예에서, 기판은, 바닥의 반도체 층과 이 바닥 반도체 층 위에 위치하는 매립 절연층을 포함하는 반도체-온-인슐레이터(Semiconductor-On-Insulator; SOI)의 단편(fragment)이다. 매립 절연층은 결정질 또는 비결정질 산화물(oxide), 질화물(nitride), 또는 산질화물(oxynitride)일 수 있으며, 여기서 매립된 산화물들이 매우 바람직하다. 기판이 SOI 기판의 단편을 포함하는 실시예들에서, 백 게이트(20A 및 20B)는 매립 절연층에 의해 바닥 반도체층(즉, 반도체 기판)으로부터 격리된다.
도 1에 도시된 구조를 제공하는데 사용되는 재료는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자("통상의 기술자")에게 잘 알려져 있다. 예를 들어, 백 게이트(20A 및 20B)는 전형적으로 상술한 바와 같이 도핑된 반도체 재료 또는 폴리실리콘을 포함하나, 항상 그렇지는 않다. 본 발명에 따르면, 백 게이트(20A 및 20B)의 도핑은, 프론트 게이트가 형성되기 전에(백 게이트 유전체/백 게이트 계면에서의 백 게이트의 측면 균일 도핑), 또는 프론트 게이트가 형성된 후에(백 게이트 유전체/백 게이트 계면을 따라서 백 게이트의 비 균일 도핑, 이 임플란트는 프론트 게이트에 자기 정렬될 것이며, 딥 소스 드레인 임플란트를 이용하여 행해질 수 있음) 발생할 수 있다. 도핑은 이온 주입에 의해 달성되며, 도핑된 영역 내의 도펀트를 활성화시키는데 어닐링이 이용된다.
본 발명에 따르면, SRAM 소자(18B)의 백 게이트(20B)의 도펀트 농도는 논리 소자(18A)의 백 게이트(20A)의 도펀트 농도보다 더 높다. 전형적으로, 백 게이트(20B) 내의 도펀트 레벨은 약 1×2020 원자/cm3 이상이고, 약 1019 원자/cm3 부터 약 1020 원자/cm3 까지의 범위가 훨씬 더 전형적이다. 백 게이트(20A) 내의 도펀트 레벨은 약 1018 원자/cm3 이하이고, 약 1016 원자/cm3 부터 약 1018 원자/cm3 의 범위가 훨씬 더 전형적이다.
도펀트 타입은 n 또는 p이며, 각 소자 영역 내의 프론트 게이트(28A 및 28B)의 도펀트 타입에 의해 결정된다. 본 발명은 백 게이트와 프론트 게이트가 동일한 전도성을 갖는 실시예를 고려한다. 바람직한 선택은 반대의 극성의 프론트 게이트와 백 게이트이다. 백 게이트(20A 및 20B) 각각은 일반적으로 동일한 두께를 갖는다.
각 소자 영역의 백 게이트 유전체(22A 및 22B)는 전형적으로 동일한 유전(dielectric) 재료를 포함한다. 백 게이트 유전체(22A 및 22B)를 위해 사용되는 적합한 유전체는 산화물(oxide), 질화물(nitride), 산질화물(oxynitride), 또는 이들로 이루어진 멀티레이어를 포함한다. 백 게이트(22A 및 22B)를 위해 사용될 수 있는 유전체들의 특정한 예들은 SiO2, SiN, SiON, HfO2, Al2O3, TiO2, La2O3, SrTiO3, LaAlO3, Y2O3, 또는 Gd2O3를 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 층 전사 또는 열 프로세스의 결과로서, 기존의 적층법에 의해 형성되는 백 게이트 유전체의 물리적 두께는, 백 게이트 유전체를 형성하는 재료 또는 재료들 뿐만 아니라 백 게이트 유전체를 형성하는데 사용되는 기술에 따라 변화할 수 있다. 전형적으로, 백 게이트 유전체(22A 및 22B)는 약 10nm 내지 약 20nm의 두께를 갖는다.
각 소자 영역 내의 바디 영역(24A 및 24B)은, 예를 들어 Si, SiGe, 폴리실리콘, 또는 SiGeC와 같은, 반도체 재료를 포함한다. 바디 영역(24A 및 24B)은 전형적으로 층 전사 프로세스(layer transfer process) 또는 증착(deposition)에 의해 제공된다. 바디 영역(24A 및 24B)의 두께는 전형적으로 약 10nm 내지 약 20nm이 다.
소자 영역(18A 및 18B)의 각 바디 영역(24A 및 24B)은 각각 채널(30A 및 30B) 및 그에 인접한 소스/드레인 영역(32A 및 32B)를 포함한다. 본 발명에 따르면, SRAM 소자 영역(14) 내의 채널(30B)는 도핑되지 않는 반면, 논리 소자 영역(12) 내의 채널(30A)은 도핑된다. 논리 소자 영역 내의 채널의 도핑은 기존의 경사진(angled) 이온 주입 프로세스를 이용하여 프론트 게이트를 형성한 후에 발생한다. 전형적으로, 할로 도펀트(p 또는 n)가 사용되고, 도핑된 채널(30A) 내의 할로 도펀트의 농도는 약 1017 원자/cm3 내지 약 1019 원자/cm3 이다. 바람직한 구현예에 있어서, 이 할로 도핑의 타입은 백 게이트(20A)의 할로 도핑 타입과 동일하다. 소스/드레인 영역(32A 및 32B)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 기존의 이온 주입 프로세스를 이용하여 프론트 게이트 이후에 형성된다. 도핑 타입은 프론트 게이트(28A 및 28B)의 도핑 타입과 동일하다.
두 개의 서로 다른 소자 영역들 내의 프론트 게이트 유전체(26A 및 26B)는 백 게이트 유전체(22A 및 22B)에 대하여 상술된 유전체 재료 중 하나를 포함한다. 프론트 게이트 유전체가 백 게이트 유전체와 동일하거나 상이한 유전체를 포함할 수 있음을 유념한다. 백 게이트 유전체(22A 및 22B)를 형성하는데 사용되는 상술한 프로세스들은 프론트 게이트 유전체(26A 및 26B)를 형성하는데에도 역시 사용될 수 있다.
프론트 게이트 유전체(26A 및 26B)의 물리적 두께는, 프론트 게이트 유전체 를 형성하는 재료 또는 재료들뿐만 아니라, 프론트 게이트 유전체를 형성하는데 사용되는 기술에 따라 변화할 수 있다. 전형적으로, 프론트 게이트 유전체(26A 및 26B)는 약 1nm 내지 약 3nm의 두께를 갖는다.
각 소자 영역 내의 프론트 게이트(28A 및 28B)는, 예를 들어 Si-함유 전도체, 금속 전도체, 금속 합금 전도체, 금속 질화물 전도체, 금속 산질화물 전도체, 금속 규화물(silicide), 또는 이들의 멀티레이어를 포함하는, 어떠한 전도성 재료도 포함한다. 전형적으로, 프론트 게이트(28A 및 28B)는 Si-함유 전도체이며, 폴리실리콘 전도체가 매우 바람직하다. 프론트 게이트(28A 및 28B)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 기존의 프로세스들을 이용하여 형성된다. Si-함유 전도체가 이용될 때, 인-시투(in-situ) 도핑 증착 프로세스가 사용될 수 있음을 유념한다. 다른 방법으로는, 우선 비도핑 Si-함유 층이 증착에 의해 도포(apply)되고, 그 후에 비도핑 Si-함유 층으로 도펀트를 도입하는데 이온 주입이 사용될 수 있다. 프론트 게이트(28A 및 28B)가 백 게이트(20A 및 20B)와 동일하거나, 바람직하게는 상이한 전도성 타입을 갖는다는 것이 관찰되었다.
프론트 게이트(28A 및 28B)의 높이는, 프론트 게이트를 형성하는 재료 또는 재료들뿐 아니라, 프론트 게이트를 형성하는데 사용되는 기술에 따라 변화할 수 있다. 전형적으로, 프론트 게이트(28A 및 28B)는 약 75nm 내지 약 200nm의 높이를 갖는다.
두 소자 영역들 내의 프론트 게이트 및 프론트 게이트 유전체는 기존의 리소그래피 및 에칭을 이용하여 게이트 스택 안으로 패터닝된다. 또한, 각 소자 영역 내의 프론트 게이트뿐 아니라 소스/드레인 영역도 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 기존의 규화(silicidation) 프로세스를 이용하여 규화될(silicided) 수 있음을 유념한다.
도 1에 도시된 격리 영역(16)에는, 예를 들어 산화물과 같은, 기존의 트렌치 유전체 재료가 포함된다. 격리 영역(16)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 표준 트렌치 격리 기술을 이용하여 형성된다.
도 2는, 백 게이트 영역 아래의 기판이 SOI 웨이퍼의 단편(fragment)인, 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 도 2에서, 참조 번호(50)은 SOI 기판의 바닥 반도체 층(bottom semiconducting layer)을 나타내고, 참조 번호(52)는 매립 절연층(buried insulating layer)을 나타낸다. 이 실시예에서, n-형 프론트 게이트 소자와 p-형 프론트 게이트 소자 둘 모두 양 소자 영역 내에 나타나 있다. 이 도면에서, '큰 따옴표' 표시가 pFET 소자를 설명하는데 이용되는 반면, '작은 따옴표' 표시는 nFET 소자를 설명하는데 이용된다. 따라서, 18A'는 nFET 논리 소자를 나타내고, 18A"는 pFET 논리 소자를 나타내며, 18B'는 nFET SRAM 소자를 나타내고, 18B"는 pFET SRAM 소자를 나타낸다.
도 3은 백 게이트 영역 아래의 기판이 벌크(bulk) 반도체(54)인, 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 2와 관련하여 설명한 상기 표시가 여기에서도 역시 사용된다.
도 2에서, 각 백 게이트 영역은 매립 절연층(52)에 의해 바닥 반도체층(50)으로부터 격리되는 것으로 관찰된다. 백 게이트들이 서로로부터뿐 아니라 기판으 로부터도 완벽히 격리되므로, 이 특정한 구조는 동작 중에 백 게이트 바이어스의 제한없는 사용을 가능케 한다.
도 3에 관하여, 백 게이트는 실질적으로 벌크 반도체 기판(54)과 함께 형성되는 딥 웰 임플란트(deep well implant)이다. p-형 기판에서, n+ 백 게이트는 pn 접합에 의해 기판 및 p+ 백 게이트로부터 분리된다. n-형 기판의 경우에, p+ 백 게이트는 pn 접합에 의해 기판 및 n+ 백 게이트로부터 분리된다. 두 가지 경우 모두, pn 접합 양단의 전압이 역방향 모드의 바이어스를 유지하도록 백 게이트 바이어스가 제한될 것이다. 또한, 백 게이트의 도핑의 레벨은 프론트 게이트 임계값을 적당한 양으로 조정하는데 이용될 수도 있다. 이 구조에 따른 상충관계(trade off)는 가장 높은 백 게이트 도핑 레벨에서 논리 게이트에 대한 추가 결합 용량의 영향을 밸런싱하는 것이다.
본 발명에 따르면, 그리고 SRAM 영역(즉, 비도핑 채널을 포함하는 영역)에서의 백 게이트 제어를 최대화하기 위해, 논리 소자 영역(즉, 도핑된 채널을 포함하는 소자)에서의 도핑 농도에 비하여, nFET와 pFET에 대해 각각, p+ 도핑 및 n+ 도핑으로 고농도로 도핑된 백 게이트 전극들이 SRAM 영역에 제공된다. 고농도로 도핑된 백 게이트는 드레인의 백 게이트로의 용량성 결합으로 인하여 논리 소자의 성능을 열화시킬 것이다. 이러한 추가 용량을 최소화하기 위하여, 논리 소자 내의 백 게이트는 단지 저농도로 도핑되고, 드레인 아래의 부분을 크게 공핍된 상태로 유지하는 전압으로 바이어싱된다. 본 발명에 따르면, 백 게이트가 임계값 제어를 위해 논리 영역에서 이용되지는 않는다. 그러나, 본 발명에서는 논리 영역 내에 기존의 할로 임플란트(halo implant)를 채택함으로써 단채널 효과(SCE)를 제어하는 것이 달성될 수 있다. SRAM 영역에서, 적절한 백 게이트 바이어싱에 의해 임계 전압이 설정되기 때문에, 할로 도핑이 필요하지 않다. 이러한 조정은 게이트 길이 또는 바디 두께와 같은 기타 시스템적인 변이를 보상하기 위하여 특정 칩에 대해 미세 튜닝될 수 있다. 다른 방법으로, 바람직한 구현예에서, 프론트 게이트로 자기 정렬되는(self aligned), 최적화된 딥 소스/드레인 임플란트(deep source/drain implant)에 의해, 논리 소자 영역 내의 감소된 순 도핑(net doping)이 달성될 수 있다. 이는, 채널 바로 아래의 더 높은 농도의 백 게이트 도핑에 의해 논리 소자에 대한 추가적인 SCE 제어를 가능하게 한다.
본 발명이 그것의 바람직한 실시예들에 관하여 자세히 도시되고 설명되었지만, 통상의 기술자는 형태나 상세사항에 있어서 상술한 변경과 그 밖의 변경들이, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 행해질 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명은 상술되고 예시된 정확한 형태나 상세사항들로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 반도체 구조체로서,
    격리 영역(isolation region)에 의해 서로 분리되는 적어도 하나의 논리 소자 영역과 적어도 하나의 SRAM 소자 영역을 포함하는 기판으로서, 바닥 반도체 층 및 상기 바닥 반도체 층 상에 매립 절연층을 포함하는 반도체-온-인슐레이터(semiconductor-on-insulator)의 단편(fragment)인, 상기 기판;
    상기 적어도 하나의 논리 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, 상기 논리 소자의 바디 영역은 도핑 채널을 포함하는 것인, 상기 적어도 하나의 이중 게이트형 논리 소자; 및
    상기 적어도 하나의 SRAM 소자 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자로서, 바닥부터 최상부의 순서로, 1×1020 원자/cm3 이상의 도펀트 농도를 갖는 백 게이트, 백 게이트 유전체, 바디 영역, 프론트 게이트 유전체, 및 프론트 게이트를 포함하고, 상기 SRAM 소자의 바디 영역은 비도핑 채널을 포함하고, 상기 SRAM 소자의 백 게이트는 상기 논리 소자의 백 게이트보다 더 높은 도핑 레벨을 갖는 것인, 상기 적어도 하나의 이중 게이트형 SRAM 소자
    를 포함하고,
    상기 논리 소자 영역 내의 백 게이트와 상기 SRAM 소자 영역 내의 백 게이트는 둘 다 n-형 전도성을 가지고,
    상기 논리 소자 영역 내의 프론트 게이트와 상기 SRAM 소자 영역 내의 프론트 게이트는 둘 다 p-형 전도성을 가지며,
    상기 도핑 채널은 n-형 전도성을 가지는 것인, 반도체 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 벌크 반도체 기판인 것인 반도체 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 논리 소자 영역 내의 상기 백 게이트는, 저도핑된 측면 균일 도핑 또는 소스/드레인 영역 아래에서 낮은 순도핑(net doping)을 갖는 측면 비 균일(non uniform) 도핑 중 하나를 갖는 것인 반도체 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도핑 채널 및 상기 비도핑 채널은 그 측면이 소스/드레인 영역에 의해 한정되는 것인 반도체 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 백 게이트들 각각은 반도체 물질 또는 폴리실리콘을 포함하는 것인 반도체 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 백 게이트 유전체들 각각은 산화물(oxide), 질화물(nitride), 산질화물(oxynitride), 또는 이들로 이루어진 멀티레이어를 포함하는 것인 반도체 구조체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 바디 영역들 각각은 반도체 물질 또는 폴리실리콘을 포함하는 것인 반도체 구조체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 프론트 게이트 유전체들 각각은 산화물(oxide), 질화물(nitride), 산질화물(oxynitride), 또는 이들로 이루어진 멀티레이어를 포함하는 것인 반도체 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프론트 게이트들 각각은 Si-함유 전도체, 금속 전도체, 금속 합금 전도체, 금속 질화물 전도체, 금속 산질화물 전도체, 금속 규화물(silicide), 또는 이들로 이루어진 멀티레이어를 포함하는 것인 반도체 구조체.
  10. 삭제
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