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KR102106720B1 - Method of fabricating semiconductor structure and semiconductor device - Google Patents

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KR102106720B1
KR102106720B1 KR1020180169733A KR20180169733A KR102106720B1 KR 102106720 B1 KR102106720 B1 KR 102106720B1 KR 1020180169733 A KR1020180169733 A KR 1020180169733A KR 20180169733 A KR20180169733 A KR 20180169733A KR 102106720 B1 KR102106720 B1 KR 102106720B1
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KR
South Korea
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semiconductor
structures
substrate
mold
layer
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KR1020180169733A
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Korean (ko)
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고대홍
김형섭
김대현
신찬수
장현철
이인근
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
성균관대학교산학협력단
경북대학교 산학협력단
(재)한국나노기술원
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Abstract

본 발명 핀 형상을 갖는 반도체 구조의 제조 방법 및 이를 이용한 반도체 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 구조의 제조 방법은, 몰드 층이 형성된 기판을 준비하는 단계; 상기 몰드 층을 패터닝하여 서로 이격된 복수의 몰드 핀 구조들을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 노출된 표면을 씨드 표면으로 하여 반도체 층을 에피택셜 성장시켜 인접한 몰드 핀 구조들 사이에 한정된 복수의 반도체 구조들을 형성하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor structure having a fin shape and a semiconductor device using the same. A method of manufacturing a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention includes preparing a substrate on which a mold layer is formed; Patterning the mold layer to form a plurality of mold pin structures spaced apart from each other; And epitaxially growing the semiconductor layer using the exposed surfaces of the plurality of mold pin structures as a seed surface to form a plurality of semiconductor structures defined between adjacent mold pin structures.

Description

반도체 구조의 제조 방법 및 반도체 소자{Method of fabricating semiconductor structure and semiconductor device}Method of fabricating semiconductor structure and semiconductor device

본 발명은 반도체 기술에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 핀 형상을 갖는 반도체 구조의 제조 방법 및 이를 이용한 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor technology, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor structure having a fin shape and a semiconductor device using the same.

정보통신 기술의 발전과 스마트폰, 디지털 카메라, 및 태블릿 PC와 같은 휴대용 디지털 응용 기기들의 수요가 증가함에 따라 반도체 시장은 급속도로 팽창하고 있다. 반도체 기술은 지난 수십년 동안 집적회로의 스케일링을 통하여 반도체 시장에서 성장 구동력을 확보하여 왔다. 그러나, 스케일링을 통해 고밀도화 또는 고용량화하는 기술만으로는 기술 경쟁력을 확보하기 어려운 것이 현실이며, 현재는 각 디바이스의 성능 최적화도 중요한 이슈로서 부각되고 있다. The semiconductor market is expanding rapidly with the development of information and communication technology and the demand for portable digital application devices such as smart phones, digital cameras, and tablet PCs. Semiconductor technology has secured a driving force for growth in the semiconductor market through scaling of integrated circuits for the past several decades. However, it is a reality that it is difficult to secure technological competitiveness only with technologies that increase density or increase capacity through scaling, and currently, performance optimization of each device is also an important issue.

집적 회로 소자의 제조에서, 입체적 형상의 반도체 활성층을 이용한 트리-게이트 핀펫(tri-gate fin-field effect transistor; tri-gate finFET) 또는 듀얼-게이트 핀펫(dual-gate fin-field effect transistor; dual-gate finFET)과 같은 멀티 게이트 트랜지스터는 스케일링이 지속될수록 평판형 전계효과트랜지스터에 비하여 성능 측면에서 더욱 주목을 받고 있다. 상기 멀티게이트 트랜지스터는 일반적으로 벌크 실리콘 기판이나 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator;SOI) 기판 상에서 제조된다. 상기 벌크 실리콘 기판은 낮은 비용과 덜 복잡한 방법으로 멀티게이트 트랜지스터를 제조할 수 있기 때문에 선호되고 있다. 상기 SOI 기판은 멀티게이트 트랜지스터의 기생 효과를 억제하여 더욱 고성능화하기 위한 대안 기술로서 활발히 연구되고 있다.In the manufacture of integrated circuit devices, a tri-gate fin-field effect transistor (tri-gate finFET) or a dual-gate fin-field effect transistor (dual-) using a three-dimensionally shaped semiconductor active layer Multi-gate transistors, such as gate finFETs, are attracting more attention in terms of performance as scaling continues, compared to flat field effect transistors. The multi-gate transistor is generally manufactured on a bulk silicon substrate or a silicon-on-insulator (SOI) substrate. The bulk silicon substrate is preferred because it can manufacture a multi-gate transistor in a low cost and less complicated method. The SOI substrate has been actively researched as an alternative technique for suppressing the parasitic effect of a multi-gate transistor to further enhance performance.

그러나, 전술한 벌크 실리콘 기판이나 SOI 기판 상에 형성된 멀티게이트 트랜지스터는 근본적으로 4족 기반의 결정성 실리콘 활성층을 이용하기 때문에 그 성능상 물리적 한계를 갖는다. 특히, 나노미터 미만의 영역으로 스케일링 다운이 계속되면서 누설 전류(Ioff) 대비 구동 전류(Ion)의 비를 향상시키면서 문턱 전압의 안정성(stability)을 유지하여 고성능을 얻기 위해서는 높은 전자이동도를 갖는 활성층이 필요하며, 이를 위해서 실리콘의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 GaAs, InGaAs, InAs 및 InSb와 같은 II-VI 족 또는 III-V 족 화합물 반도체를 이용한 고성능 멀티게이트 트랜지스터, 또는 핀펫(fin-fet) 구조의 반도체 소자가 연구되고 있다. 그러나, 화합물 반도체 활성층은 결함을 최소화하면서 단결정을 얻는 것이 어려워 상기 화합물 반도체 소자의 응용에 큰 장벽이 되고 있다.However, the multi-gate transistor formed on the above-described bulk silicon substrate or SOI substrate basically has a physical limitation in performance because it uses a group 4 based crystalline silicon active layer. In particular, as the scaling down continues to an area of less than a nanometer, while increasing the ratio of the leakage current (I off ) to the driving current (I on ) while maintaining the stability of the threshold voltage, high electron mobility is required to obtain high performance. A high-performance multi-gate transistor using a II-VI or III-V compound semiconductor such as GaAs, InGaAs, InAs, and InSb having a lattice constant greater than that of silicon is required. Fet) structured semiconductor devices are being studied. However, it is difficult to obtain a single crystal while minimizing defects in the compound semiconductor active layer, which is a great barrier to application of the compound semiconductor device.

미국 등록특허 9,698,253 B2 (2017.07.04)U.S. Patent No. 9,698,253 B2 (2017.07.04)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 실리콘 기판과 같은 저가의 반도체 기판을 이용하여 고성능 반도체 소자의 활성층으로서 응용가능한 높은 전자이동도를 갖는 고품질의 반도체 구조의 제조 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a high-quality semiconductor structure with high electron mobility applicable as an active layer of a high-performance semiconductor device using a low-cost semiconductor substrate such as a silicon substrate.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기 이점을 갖는 반도체 구조를 이용한 반도체 소자를 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device using a semiconductor structure having the above advantages.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 구조의 제조 방법은, 몰드 층이 형성된 기판을 준비하는 단계; 상기 몰드 층을 패터닝하여 서로 이격된 복수의 몰드 핀 구조들을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 노출된 표면을 씨드 표면으로 하여 반도체 층을 에피택셜 성장시켜 인접한 몰드 핀 구조들 사이에 한정된 복수의 반도체 구조들을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. A method of manufacturing a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention for solving the above technical problem includes preparing a substrate on which a mold layer is formed; Patterning the mold layer to form a plurality of mold pin structures spaced apart from each other; And epitaxially growing the semiconductor layer using the exposed surfaces of the plurality of mold pin structures as a seed surface to form a plurality of semiconductor structures defined between adjacent mold pin structures.

상기 복수의 반도체 구조들을 형성하는 단계 이후에, 상기 복수의 몰드 핀 구조들을 선택적으로 제거하는 단계가 더 수행될 수도 있다. 상기 기판은 기저 기판 또는 상기 기저 기판 상의 절연층을 포함할 수 있다. After the step of forming the plurality of semiconductor structures, the step of selectively removing the plurality of mold pin structures may be further performed. The substrate may include a base substrate or an insulating layer on the base substrate.

일 실시예에서, 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 격자 상수는 상기 기판의 격자 상수보다는 크고 상기 복수의 반도체 구조들의 격자 상수보다 작을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기판은 실리콘 또는 실리콘 게르마늄을 포함하는 기판일 수 있다. 상기 몰드 층은 게르마늄을 포함하며, 상기 반도체 층은 II-VI 족 또는 III-V 족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. In one embodiment, the lattice constant of the plurality of mold fin structures may be greater than the lattice constant of the substrate and less than the lattice constant of the plurality of semiconductor structures. In one embodiment, the substrate may be a substrate containing silicon or silicon germanium. The mold layer may include germanium, and the semiconductor layer may include a II-VI or III-V compound semiconductor.

일 실시예에서, 상기 복수의 반도체 구조들은 핀 형상을 가질 수 있다. 에피택셜 성장된 상기 반도체 층은 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 상부 표면 상으로 과잉 성장될 수 있으며, 이 경우, 상기 과잉 성장된 상기 반도체 층의 일부가 제거되는 단계가 더 수행될 수도 있다. 상기 과잉 성장된 상기 반도체 층은, 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 상기 상부 표면이 노출되도록, 에치 백 또는 화학기계적 연마 공정을 통해 제거될 수 있다. In one embodiment, the plurality of semiconductor structures may have a fin shape. The epitaxially grown semiconductor layer may be overgrown onto the top surfaces of the plurality of mold pin structures, in which case the step of removing a portion of the overgrown semiconductor layer may be further performed. The overgrown semiconductor layer may be removed through an etch back or a chemical mechanical polishing process to expose the upper surface of the plurality of mold pin structures.

일 실시예에서, 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 상부 표면에 제 1 캡핑막을 형성하는 단계가 더 수행될 수 있다. 상기 제 1 캡핑막은 산화막 또는 질화막을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 복수의 몰드 핀 구조들 사이의 상기 기판의 노출 표면 상에 제 2 캡핑막을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 2 캡핑막은 산화막 또는 질화막을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 반도체 구조들은 상기 제 2 캡핑막 상에 각각 형성되고, 상기 복수의 반도체 구조들은 다른 기판 상으로 전달될 수도 있다. In one embodiment, the step of forming a first capping layer on the upper surface of the plurality of mold pin structures may be further performed. The first capping layer may include an oxide layer or a nitride layer. In another embodiment, the method further includes forming a second capping film on the exposed surface of the substrate between the plurality of mold pin structures, and the second capping film may include an oxide film or a nitride film. In this case, the plurality of semiconductor structures are respectively formed on the second capping layer, and the plurality of semiconductor structures may be transferred onto another substrate.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 비정질 캡핑막; 및 상기 캡핑막 상에 에피택셜 성장된 핀 형상의 단결정 반도체 구조를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 캡핑막은 산화물 또는 질화물을 포함하며, 상기 단결정 반도체 구조는 II-VI 족 또는 III-V 족 화합물 반도체를 포함할 수 있다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention for solving the other technical problem, the substrate; An amorphous capping film formed on the substrate; And a fin-shaped single crystal semiconductor structure epitaxially grown on the capping film. In one embodiment, the capping layer includes oxide or nitride, and the single crystal semiconductor structure may include a II-VI or III-V compound semiconductor.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 몰드 핀 구조들의 노출된 표면을 씨드 표면으로 하여 반도체 층을 에피택셜 성장시킴으로써, 인접한 몰드 핀 구조들 사이에 복수의 반도체 구조들을 형성할 수 있어 높은 전자이동도를 갖는 고품질의 반도체 구조의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, by epitaxially growing a semiconductor layer with the exposed surface of the plurality of mold pin structures as a seed surface, it is possible to form a plurality of semiconductor structures between adjacent mold pin structures, resulting in high electron mobility. It is possible to provide a method for manufacturing a high-quality semiconductor structure having a degree.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 경제적으로 공급 가능한 저가의 반도체 기판을 이용함으로써 고성능 소자에 적합한 화합물 반도체로 이루어진 반도체 구조를 이용한 반도체 소자를 제공할 수 있다. In addition, according to another embodiment of the present invention, a semiconductor device using a semiconductor structure made of a compound semiconductor suitable for a high-performance device can be provided by using a low-cost semiconductor substrate that can be economically supplied.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 핀 형상의 반돛체 구조를 이용한 전계효과트랜지스터들을 나타내는 사시도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핀 형상의 반도체 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3a 내지 도 3h는 도 2의 각 단계의 공정 결과물들을 도시한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핀 형상의 반도체 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
1A and 1B are perspective views illustrating field effect transistors using a pin-shaped half-sail structure according to various embodiments of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fin-shaped semiconductor structure according to an embodiment of the present invention.
3A to 3H show the process results of each step of FIG. 2.
4A to 4E are diagrams for describing a method of manufacturing a fin-shaped semiconductor structure according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.

또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals in the drawings refer to the same elements. As used herein, the term “and / or” includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.Terms used in this specification are used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. As used herein, singular forms may include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, “comprise” and / or “comprising” specifies the shapes, numbers, steps, actions, elements, elements and / or the presence of these groups. And does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, actions, elements, elements and / or groups.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 핀 형상의 반도체 구조(30)를 이용한 전계효과트랜지스터들을 나타내는 사시도들이다. 1A and 1B are perspective views illustrating field effect transistors using a fin-shaped semiconductor structure 30 according to various embodiments of the present invention.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 트리-게이트 전계효과트랜지스터들(tri-gate finFETs; 100A)이 예시되어 있다. 각 트리-게이트 전계효과트랜지스터는, 기판(10) 상에 형성된 핀 형상의 반도체 구조(30)를 포함할 수 있다. 기판(10)은 기저 기판(11) 및 기저 기판(11) 상에 형성된 절연층(12)을 포함하는 SOI 기판일 수 있다. 기저 기판(11)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 또는 게르마늄을 포함할 수 있으며, 절연층(12)은 실리콘 산화물, 게르마늄 산화물 또는 이의 혼합 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(10)은 절연층(12)이 생략된 벌크 반도체 기판일 수도 있다. 상기 벌크 반도체 기판은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 또는 게르마늄을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1A, tri-gate finFETs 100A according to an embodiment of the present invention are illustrated. Each tree-gate field effect transistor may include a fin-shaped semiconductor structure 30 formed on the substrate 10. The substrate 10 may be an SOI substrate including a base substrate 11 and an insulating layer 12 formed on the base substrate 11. The base substrate 11 may include silicon, silicon germanium, or germanium, and the insulating layer 12 may include silicon oxide, germanium oxide, or a mixed compound thereof. In another embodiment, the substrate 10 may be a bulk semiconductor substrate in which the insulating layer 12 is omitted. The bulk semiconductor substrate may include silicon, silicon germanium, or germanium.

트리-게이트 전계효과트랜지스터(100A)는 절연층(12) 상에 형성된 핀 형상의 반도체 구조(30); 반도체 구조(30)의 대향하는 양 측부 표면들과 상부 표면 상에 배치되는 단일의 연속적 도전층(50)을 포함할 수 있다. 반도체 구조(30)와 연속적 도전층(50) 사이에는 게이트 절연막(40)이 형성되어, 반도체 구조(30)의 양 측부 표면들과 상부 표면을 포함하는 3 면 채널 영역을 갖는 MOS 트랜지스터가 제공될 수 있다. 연속적 도전층(50)은 게이트 전극으로서 상기 3 면 채널 영역에 대한 바이어스 전압을 조절하여, 입체적 구조에 의해 증가된 유효 채널 폭에 의해 평판형 모스펫에 비하여 더 큰 구동 전류를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 큰 구동 전류에 의해, 트리-게이트 전계효과트랜지스터(100A)는 반도체 집적회로의 I/O 회로의 스위칭 소자로서 적용될 수 있다. The tri-gate field effect transistor 100A includes a fin-shaped semiconductor structure 30 formed on the insulating layer 12; It may include opposing side surfaces of the semiconductor structure 30 and a single continuous conductive layer 50 disposed on the top surface. A gate insulating film 40 is formed between the semiconductor structure 30 and the continuous conductive layer 50 to provide a MOS transistor having a three-sided channel region including both side surfaces and an upper surface of the semiconductor structure 30. You can. The continuous conductive layer 50 may adjust the bias voltage for the three-sided channel region as a gate electrode, thereby providing a larger driving current compared to a flat plate MOSFET by an effective channel width increased by a three-dimensional structure. In one embodiment, by a large driving current, the tri-gate field effect transistor 100A can be applied as a switching element of an I / O circuit of a semiconductor integrated circuit.

일 실시예에서, 핀 형상의 반도체 구조(30)는 전술한 것과 같이 채널 영역과 같이 집적회로 소자의 활성층으로서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 구조(30)는 실리콘, 실리콘 탄화물, 실리콘 게르마늄, 게르마늄과 같은 단결정 4족 반도체이거나 GaAs, InGaAs, InAs 및 InSb와 같은 II-VI 족 또는 III-V 족 단결정 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 구조(30)는 동일 조성의 반도체 재료에 비하여 격자 상수가 증가된 변형된 단결정 4 족 반도체 또는 단결정 화합물 반도체일 수도 있다. In one embodiment, the fin-shaped semiconductor structure 30 may be used as an active layer of an integrated circuit device, such as a channel region, as described above. In one embodiment, the semiconductor structure 30 is a single crystal group 4 semiconductor such as silicon, silicon carbide, silicon germanium, germanium, or a group II-VI or group III-V single crystal compound semiconductor such as GaAs, InGaAs, InAs, and InSb. can do. In one embodiment, the semiconductor structure 30 may be a modified single crystal group 4 semiconductor or a single crystal compound semiconductor having an increased lattice constant compared to a semiconductor material having the same composition.

반도체 구조(30)의 높이(H)와 폭(W)은 비제한적 예로서, 각각 5 nm 내지 200 nm와 5 nm 내지 100 nm의 범위 내일 수 있으며, 도시된 것과 같이 직육면체 구조를 가질 수 있다. 그러나, 반도체 구조(30)의 형상은 상기 직육면체 구조에 한정되지 않고 후술하는 몰드 핀 구조의 형상의 조절을 통해 다양하게 변형 실시될 수 있다. 반도체 구조(30)는 기판(10) 상에 형성된 몰드 핀 구조로부터 횡방향 에피택셜 성장되어 기판(10)을 구성하는 반도체 물질과는 별개의 재료일 수 있으며, 이에 관하여는 도 3a 내지 도 3h를 참조하여 상세히 개시될 것이다. The height (H) and width (W) of the semiconductor structure 30 may be in the range of 5 nm to 200 nm and 5 nm to 100 nm, respectively, as non-limiting examples, and may have a cuboid structure as shown. However, the shape of the semiconductor structure 30 is not limited to the rectangular parallelepiped structure and may be variously modified through adjustment of the shape of the mold pin structure described later. The semiconductor structure 30 may be a material separate from the semiconductor material constituting the substrate 10 by transversely epitaxially growing from the mold pin structure formed on the substrate 10, in which FIGS. 3A to 3H are described. It will be disclosed in detail with reference.

일 실시예에서, 반도체 구조(30)는 트랜지스터의 문턱 값 조절을 위해 이온 주입 공정을 통한 불순물을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, N 형 핀펫 소자의 경우에는, 반도체 구조(30) 내에 붕소(B) 함유 불순물이 도핑될 수 있다. 반대로, P 형 핀펫 소자의 경우에는, 반도체 구조(30) 내에 비소(As) 도는 인(P) 함유 불순물이 도핑될 수도 있다.In one embodiment, the semiconductor structure 30 may further include impurities through an ion implantation process to control a threshold value of the transistor. For example, in the case of an N-type finpet element, boron (B) -containing impurities may be doped in the semiconductor structure 30. Conversely, in the case of a P-type finpet element, arsenic (As) or phosphorus (P) -containing impurities may be doped in the semiconductor structure 30.

반도체 구조(30) 상에 형성되는 게이트 절연막(40)은 반도체 구조(50) 형성 후 인시츄 증기생성(in-situ steam-generated oxidation; ISSG) 산화 또는 급속열산화(RTP)를 통해 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, CVD(chemical vapor deposition), LPCVD(low pressure CVD), APCVD(atmospheric Pressure CVD), LTCVD(low temperature CVD), PECVD(plasma enhanced CVD), ALCVD(atomic layer CVD) 또는 ALD(atomic layer deposition), PVD(physical vapor deposition)와 같은 다양한 증착 방법에 의해 유전체를 반도체 구조(30)의 표면 상에 직접 형성하여 게이트 절연막(40)을 제공할 수도 있다. The gate insulating layer 40 formed on the semiconductor structure 30 may be formed through in-situ steam-generated oxidation (ISSG) oxidation or rapid thermal oxidation (RTP) after the semiconductor structure 50 is formed. have. However, the present invention is not limited thereto, CVD (chemical vapor deposition), LPCVD (low pressure CVD), APCVD (atmospheric pressure CVD), LTCVD (low temperature CVD), PECVD (plasma enhanced CVD), ALCVD (atomic layer CVD) ) Or a dielectric layer may be directly formed on the surface of the semiconductor structure 30 by various deposition methods such as atomic layer deposition (ALD) or physical vapor deposition (PVD) to provide the gate insulating layer 40.

하나의 반도체 구조들의 측부 표면과 상부 표면 상에 형성된 연속적 도전층(50)은 폴리실리콘, 또는 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 타이타늄 질화물(TiN), 지르코늄 질화물(ZrN), 하프늄 질화물(HfN), 바나듐 질화물(VN), 니오븀 질화물(NbN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨알루니뮴 질화물(TiAlN), 탄탈륨 탄화물(TaC), 탄탈륨마그네슘 탄화물(TaMgC) 또는 탄탈륨탄소 질화물(TaCN)과 같은 금속, 금속의 도전성 탄화물, 도전성 질화물, 또는 이의 혼합물이나 적층 구조일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 연속적 도전층(50)의 폭(L)은 약 5 nm 내지 50 nm일 수 있으며, 이에 의해 채널 길이가 한정될 수 있다. 연속적 도전층(50)에 의해 게이트 전극이 제공되며, 상기 게이트 전극에 의해 이격된 반도체 구조(30)의 양 단부는 각각 소오스 및 드레인이 된다.The continuous conductive layer 50 formed on the side surface and the top surface of one semiconductor structures is polysilicon, or tungsten (W), tantalum (Ta), titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN), hafnium nitride (HfN) ), Vanadium nitride (VN), niobium nitride (NbN), tantalum nitride (TaN), tungsten nitride (WN), tantalum aluminium nitride (TiAlN), tantalum carbide (TaC), tantalum magnesium carbide (TaMgC) or tantalum carbon It may be a metal such as nitride (TaCN), a conductive carbide of metal, a conductive nitride, or a mixture or a stacked structure thereof, and the present invention is not limited thereto. The width L of the continuous conductive layer 50 may be about 5 nm to 50 nm, whereby the channel length can be limited. A gate electrode is provided by the continuous conductive layer 50, and both ends of the semiconductor structure 30 spaced by the gate electrode are source and drain, respectively.

도 1b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼-게이트 전계효과트랜지스터들(dual-gate finFETs; 100B)이 예시되어 있다. 각 듀얼-게이트 전계효과트랜지스터는, 전술한 트리-게이트 전계효과트랜지스터들(100A)과 유사하게, 기판(10) 및 반도체 구조(30)를 포함할 수 있다. 듀얼 게이트 전계효과트랜지스터(100B)는 도 1a의 트리-게이트 전계효과트랜지스터(100A)와 달리, 반도체 구조(30)의 상부 표면 상에 절연부(45)가 배치된다. 절연부(45)는 게이트 전극(50)을 전기적으로 분리된 2 개의 독립 게이트 전극들(50_1, 50_2)로 나누어 2 개의 독립 게이트 전극들(50_1, 50_2)이 하나의 반도체 구조(30)를 공유하도록 한다.Referring to FIG. 1B, dual-gate finFETs 100B according to another embodiment of the present invention are illustrated. Each dual-gate field effect transistor may include a substrate 10 and a semiconductor structure 30, similar to the tri-gate field effect transistors 100A described above. Unlike the tri-gate field effect transistor 100A of FIG. 1A, the dual gate field effect transistor 100B has an insulating portion 45 disposed on the upper surface of the semiconductor structure 30. Insulator 45 divides the gate electrode 50 into two independent gate electrodes 50_1 and 50_2 that are electrically separated, and the two independent gate electrodes 50_1 and 50_2 share one semiconductor structure 30. Do it.

일 실시예에서, 절연부(45)는 반도체 구조(30)의 상부 표면 상에 형성되어 상부 표면을 커버할 수 있다. 절연부(45)가 형성된 반도체 구조(30)에 대하여 전술한 것과 같은 ISSG 산화 또는 열산화 공정을 수행하면, 반도체 구조(30)의 노출된 측부 표면에서만 게이트 절연막(40)이 형성될 수 있다. 게이트 절연막(40)이 형성된 이후, 절연부(45)와 게이트 절연막(40) 상에 게이트 전극이 될 도전층을 형성한다. 이후, 절연부(45)의 상부 표면이 노출될 때까지 상기 도전층에 대해 기계적 평탄화 공정을 수행하면, 절연부(45)에 의해 2 개로 나누어진 게이트 전극들(50_1, 50_2)이 반도체 구조(30) 상에 형성될 수 있다. In one embodiment, the insulating portion 45 may be formed on the upper surface of the semiconductor structure 30 to cover the upper surface. When the ISSG oxidation or thermal oxidation process as described above is performed on the semiconductor structure 30 on which the insulating portion 45 is formed, the gate insulating film 40 may be formed only on the exposed side surface of the semiconductor structure 30. After the gate insulating film 40 is formed, a conductive layer to be a gate electrode is formed on the insulating portion 45 and the gate insulating film 40. Subsequently, when a mechanical planarization process is performed on the conductive layer until the upper surface of the insulating portion 45 is exposed, the gate electrodes 50_1 and 50_2 divided into two by the insulating portion 45 have a semiconductor structure ( 30).

독립 게이트 전극들(50_1, 50_2)은 반도체 구조 내의 전류 크기의 조절과 임계 전압 및 서브 임계 스윙(sub-threshold swing)과 같은 소자 특성이 특정 응용에 적합하도록 전계효과트랜지스터를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 듀얼 게이트 전계효과트랜지스터는 외부 회로로부터 수신되는 신호를 듀얼 게이트들 중 어느 하나에 인가하여 핀펫 소자(100B)의 특성을 동적으로 조절하는데 사용될 수 있기 때문에 집적회로의 논리 소자에 적용될 수 있다. The independent gate electrodes 50_1 and 50_2 can control the field effect transistor so that the current size in the semiconductor structure and device characteristics such as threshold voltage and sub-threshold swing are suitable for a specific application. In some embodiments, the dual gate field effect transistor can be used to dynamically adjust the characteristics of the finpet device 100B by applying a signal received from an external circuit to any of the dual gates, so it can be applied to logic devices of integrated circuits. You can.

도 1a 및 도 1b에 도시된 트랜지스터들은 동일 기판 상에서 어느 하나의 종류만으로 형성되거나 서로 조합되어 형성될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 구동 회로의 경우 도 1a에 도시된 트리-게이트 핀펫이 형성되고, 논리 회로의 경우 도 1b에 도시된 듀얼-게이트 핀펫이 형성될 수 있다. 또한, 하나의 기판 내에서 코어 로직부는 듀얼-게이트 핀펫이 형성되고 주변 구동부에는 스위칭 소자로서 트리-게이트 핀펫이 형성될 수도 있다. 다른 예로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 구조(30)의 자유로운 특성 조절이 가능하기 때문에 반도체 구조의 전자 이동도를 극대화시켜 HEMT(High Electron Mobility Transistor Device) 소자의 트랜지스터도로도 사용될 수 있다The transistors illustrated in FIGS. 1A and 1B may be formed of only one type or in combination with each other on the same substrate, and the present invention is not limited thereto. For example, in the case of a driving circuit, the tree-gate finpet shown in FIG. 1A may be formed, and in the case of a logic circuit, the dual-gate finpet shown in FIG. In addition, a dual-gate finpet may be formed in the core logic part in one substrate, and a tri-gate finpet may be formed in the peripheral driving part as a switching element. As another example, according to an embodiment of the present invention, since the free characteristics of the semiconductor structure 30 can be adjusted, the electron mobility of the semiconductor structure can be maximized, and thus a transistor of the High Electron Mobility Transistor Device (HEMT) device can also be used.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핀 형상의 반도체 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 3a 내지 도 3h는 도 2의 각 단계의 공정 결과물들을 도시한다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fin-shaped semiconductor structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3A to 3H show process results of each step of FIG. 2.

도 2와 함께 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 몰드 층(13)이 형성된 기판(10A, 10B, 10C)이 준비된다(S10). 일 실시예에서, 기판(10A)은, 도 3a에 도시된 것과 같이, 기저 기판(11) 및 기저 기판(11) 상에 형성된 절연층(12)을 포함하는 SOI 기판일 수 있다. 기저 기판(11)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 또는 게르마늄을 포함할 수 있으며, 절연층(12)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기저 기판(11)은 반도체 기판에 한정되는 것은 아니며, 여하의 세라믹 기판, 또는 유연성을 갖는 폴리머 기판일 수도 있다. Referring to FIGS. 3A to 3C together with FIG. 2, substrates 10A, 10B, and 10C on which mold layer 13 is formed are prepared (S10). In one embodiment, the substrate 10A may be an SOI substrate including a base substrate 11 and an insulating layer 12 formed on the base substrate 11, as shown in FIG. 3A. The base substrate 11 may include silicon, silicon germanium, or germanium, and the insulating layer 12 may include silicon oxide. In other embodiments, the base substrate 11 is not limited to a semiconductor substrate, and may be any ceramic substrate or a flexible polymer substrate.

다른 실시예에서, 기판(10B)은 도 3b에 도시된 것과 같이, 절연층(12)이 생략된 벌크 반도체 기판(11)일 수도 있다. 벌크 반도체 기판(11)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 또는 게르마늄을 포함할 수 있다. In another embodiment, the substrate 10B may be a bulk semiconductor substrate 11 in which the insulating layer 12 is omitted, as shown in FIG. 3B. The bulk semiconductor substrate 11 may include silicon, silicon germanium, or germanium.

기판(10A, 10B) 상의 몰드 층(13)은 후술하는 반도체 구조의 에피택셜 성장을 위한 씨드 표면층을 제공하기 때문에 단결정 층이다. 단결정 구조의 몰드 층(13)은 웨이퍼 본딩 방식에 의해 도 3a에 도시된 기저 기판(11) 상으로 전달되거나, 도 3b에 도시된 것과 같이 기판(11) 상에서 에피택셜 성장에 의해 직접 형성될 수도 있다. 다른 실시예에서, 몰드 층(13) 자체가, 도 3c에 도시된 것과 같이 단일한 벌크 기판으로서 기능할 수도 있다.The mold layer 13 on the substrates 10A and 10B is a single crystal layer because it provides a seed surface layer for epitaxial growth of a semiconductor structure, which will be described later. The mold layer 13 of the single crystal structure may be transferred onto the base substrate 11 shown in FIG. 3A by a wafer bonding method, or may be directly formed by epitaxial growth on the substrate 11 as shown in FIG. 3B. have. In other embodiments, the mold layer 13 itself may function as a single bulk substrate, as shown in FIG. 3C.

몰드 층(13)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 또는 게르마늄일 수 있다. 바람직하게는, 몰드 층(30)은 실리콘 또는 실리콘 게르마늄보다 더 큰 격자 상수를 가지면서 단결정으로의 제조가 용이한 게르마늄일 수 있다. 몰드 층(13)이 게르마늄인 경우, 실리콘 또는 실리콘 게르마늄의 기저 기판(11)으로부터 게르마늄의 몰드 층(30)을 용이하게 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 후술하는 것과 같이 화합물 반도체로 형성된 반도체 구조의 형성 시 상기 게르마늄은 상기 화합물 반도체와 격자 상수의 차이가 적어 결함이 적은 우수한 품질의 화합물 반도체를 얻기 위한 버퍼 요소로 작용할 수 있다. The mold layer 13 may be silicon, silicon germanium, or germanium. Preferably, the mold layer 30 may be germanium having a lattice constant larger than that of silicon or silicon germanium and easy to manufacture into a single crystal. When the mold layer 13 is germanium, not only can the germanium mold layer 30 be easily obtained from the silicon or silicon germanium base substrate 11, but also when forming a semiconductor structure formed of a compound semiconductor as described below The germanium may act as a buffer element for obtaining a compound semiconductor of excellent quality with few defects due to a small difference in lattice constant from the compound semiconductor.

다시, 도 2 및 도 3d를 참조하면, 몰드 층(13)을 패터닝하여 서로 이격된 복수의 몰드 핀 구조들(13F)을 형성할 수 있다(S20). 도 3d의 기판(10)은 도 3a에 도시된 기저 기판(11)과 절연막(12)의 적층 구조, 도 3b에 도시된 벌크 기판(11)이거나 도 3c에 도시된 것과 같이 몰드 층 자체로 형성된 벌크 기판(13)일 수도 있다. 복수의 몰드 핀 구조들(13F) 사이의 간격(S)은 후에 형성될 반도체 구조의 폭(도 1a 및 1b의 W 참조)과 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 간격(S)은 5 nm 내지 100 nm 범위 내일 수 있다. Referring again to FIGS. 2 and 3D, the mold layer 13 may be patterned to form a plurality of mold pin structures 13F spaced apart from each other (S20). The substrate 10 of FIG. 3D is a stacked structure of the base substrate 11 and the insulating film 12 shown in FIG. 3A, the bulk substrate 11 shown in FIG. 3B, or formed of the mold layer itself as shown in FIG. 3C. It may be a bulk substrate 13. The spacing S between the plurality of mold pin structures 13F may be the same as the width of the semiconductor structure to be formed later (see W in FIGS. 1A and 1B). In one embodiment, the spacing S may be in the range of 5 nm to 100 nm.

몰드 핀 구조들(13F)의 형성은 비제한적 예로서 반응성 이온 식각(RIE) 또는 종횡비 트랩핑(aspect-ratio trapping)에 의해 수행될 수 있으며, 이들 공정 대신에 고품질의 이방성 패턴이 가능한 다른 건식 공정에 의해서도 몰드 핀 구조들(13F)이 형성될 수도 있다. 일 실시예에서, 몰드 핀 구조들(13F) 사이에 노출된 기판(10)의 표면에 산화막, 질화막 또는 이의 혼합물과 같은 비정질 구조를 갖는 캡핑막(도 4a의 제 2 캡핑막(14b) 참조)을 형성하여 기판(10)의 노출 표면을 패시베이션할 수도 있다. 상기 캡핑막은 복수의 몰드 핀 구조들(13F) 사이의 노출된 기판(10) 표면이 씨드 표면으로 작용하여 기판(10) 표면으로부터 반도체 층(30L)이 에피택셜 성장하는 것을 차단하기 위한 장벽층으로서 작용한다. 기판(10)과 후술하는 반도체 층(도 3e의 30L 참조) 사이에 격자 상수 또는 결정 구조의 차이가 커서 성장되는 반도체 층(30L)에 결함을 초래할 수 있는 경우, 기판(10)의 영향을 배제하기 위해 상기 캡핑막의 적용은 바람직하다.The formation of the mold fin structures 13F can be performed by reactive ion etching (RIE) or aspect-ratio trapping as a non-limiting example, and other dry processes capable of high quality anisotropic patterns instead of these processes The mold pin structures 13F may also be formed by. In one embodiment, a capping film having an amorphous structure such as an oxide film, a nitride film, or a mixture thereof on the surface of the substrate 10 exposed between the mold fin structures 13F (see the second capping film 14b in FIG. 4A) It is also possible to passivate the exposed surface of the substrate 10 by forming. The capping layer serves as a barrier layer for preventing the semiconductor layer 30L from epitaxially growing from the surface of the substrate 10 by acting as a seed surface where the surface of the exposed substrate 10 between the plurality of mold pin structures 13F is used. Works. When the difference in lattice constant or crystal structure between the substrate 10 and the semiconductor layer (see 30L in FIG. 3E) is large, a defect may be caused in the semiconductor layer 30L to be grown, thereby excluding the effect of the substrate 10 In order to do so, the application of the capping film is preferred.

이후, 몰드 핀 구조들(13F)의 노출된 표면을 씨드 표면으로 하여, 도 3e에 도시된 것과 같이, 상기 씨드 표면으로부터 화살표 k1 및 K2 방향으로 에피택셜 성장에 의해 단결정질의 반도체 층(30L)이 형성될 수 있다(S30). 화살표 k1의 성장 방향은 몰드 핀 구조들(13F)의 측부 표면을 씨드 표면으로 하는 횡방향(y 방향) 에피택셜 성장이며, 화살표 k2의 성장 방향은 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면을 씨드 표면으로 하는 종방향(z 방향) 에피택셜 성장이다. 화살표 k1과 화살표 k2 방향으로의 반도체 층(30L)의 성장 속도는 원자 충전 밀도(atom packing density)와 같은 요인에 의해 서로 차이가 날 수 있다. 도 3e에서는, 예시적으로 2 개의 방향 모두 동일한 성장 속도를 갖는 것을 예시한다. Thereafter, using the exposed surface of the mold pin structures 13F as a seed surface, as shown in FIG. 3E, a monocrystalline semiconductor layer 30L by epitaxial growth from the seed surface in the direction of arrows k 1 and K 2 ) May be formed (S30). The growth direction of the arrow k 1 is the transverse (y direction) epitaxial growth with the side surface of the mold pin structures 13F as the seed surface, and the growth direction of the arrow k 2 is the upper surface of the mold pin structures 13F. Is the epitaxial growth in the longitudinal direction (z direction) with the seed surface. The growth rate of the semiconductor layer 30L in the direction of the arrow k 1 and the arrow k 2 may be different from each other by factors such as atomic packing density. In FIG. 3E, it is exemplified that both directions have the same growth rate.

화살표 k1과 화살표 k2 방향으로의 에피택셜 성장을 고려하면, 형성된 반도체 층(30L)은 하지의 기판(10)과 결정학적 관련성을 갖지 않으며, 몰드 핀 구조체들(13F)과만 결정학적 관련성을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 층(30L)의 결정성은 몰드 핀 구조체들(13F)의 결정학적 특성, 예를 들면, 결정학적 구조, 우선 배향 방향과 격자 상수에 의존할 뿐 기판(10)의 결정학적 특성과는 무관하거나 몰드 핀 구조체들(13F)의 형성과 관련하여 간접적으로 관련성을 가질 수 있을 뿐이다. 따라서, 반도체 층(30L)은 몰드 핀 구조체들(13F)의 노출 표면으로부터 에피택셜 성장 가능한 실리콘, 실리콘 탄화물, 실리콘 게르마늄, 게르마늄과 같은 단결정 4족 반도체이거나 GaAs, InGaAs, InAs 및 InSb와 같은 II-VI 족 또는 III-V 족 단결정 화합물 반도체 층을 포함할 수 있다. 특히, 몰드 핀 구조체들(13F)이 게르마늄과 같이 격자 상수가 큰 4족 결정질 반도체인 경우, 하지의 기판(10)이 어떠한 결정학적 성질을 갖는지와 무관하게 격자 상수가 큰 II-VI 족 또는 III-V 족 단결정 화합물 반도체 층을 형성할 수 있다. Considering epitaxial growth in the direction of the arrows k 1 and k 2 , the formed semiconductor layer 30L does not have a crystallographic relationship with the underlying substrate 10, and has only a crystallographic relationship with the mold pin structures 13F. Can have According to an embodiment of the present invention, the crystallinity of the semiconductor layer 30L depends only on the crystallographic properties of the mold fin structures 13F, for example, the crystallographic structure, preferential orientation direction and lattice constant, the substrate 10 It has nothing to do with the crystallographic properties of or can be indirectly related to the formation of the mold pin structures 13F. Accordingly, the semiconductor layer 30L is a single crystal group 4 semiconductor such as silicon, silicon carbide, silicon germanium, or germanium that can be epitaxially grown from the exposed surfaces of the mold fin structures 13F or II- such as GaAs, InGaAs, InAs, and InSb. And a group VI or III-V single crystal compound semiconductor layer. Particularly, when the mold fin structures 13F are a group 4 crystalline semiconductor having a large lattice constant such as germanium, the II-VI group or III having a large lattice constant regardless of the crystallographic properties of the underlying substrate 10 -V group single crystal compound semiconductor layer can be formed.

반도체 층(30L)은 에피택셜 성장이 가능한 분자빔 에피택시, 화학기상증착 또는 원자층 층착과 같은 방식에 의해 몰드 핀 구조들(13F) 상에 형성될 수 있다. 반도체 층(30L)의 에피택셜 성장이 계속되면, 반도체 층(30L)이, 도 3f에 도시된 것과 같이, 몰드 핀 구조들(13F)의 측부 표면 사이의 공간을 모두 채우게 되고, 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면 위로도 과잉 성장될 수 있다. The semiconductor layer 30L may be formed on the mold fin structures 13F by a method such as molecular beam epitaxy capable of epitaxial growth, chemical vapor deposition, or atomic layer deposition. When epitaxial growth of the semiconductor layer 30L continues, the semiconductor layer 30L fills all the space between the side surfaces of the mold fin structures 13F, as shown in FIG. 3F, and the mold pin structures Overgrowth may also occur on the top surface of (13F).

일 실시예에서는, 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면 위로 과잉 성장된 반도체 층(30L)의 일부가 제거될 수 있다. 예를 들면, 과잉 성장된 반도체 층(30L)은 도 3g에 도시된 것과 같이 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면이 노출될 때까지 제거될 수 있다. 이에 의해 몰드 핀 구조들(13F)의 측부 표면 사이의 공간, 즉 인접하는 몰드 핀 구조들 사이에 한정된 영역에 반도체 층(30L)이 잔존할 수 있다. 일 실시예에서, 과잉 성장된 반도체 층(30L)의 제거는 에치백 또는 화학기계적 연마 공정(CMP)를 통해 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, a portion of the overly grown semiconductor layer 30L over the top surface of the mold fin structures 13F may be removed. For example, the overgrown semiconductor layer 30L can be removed until the top surface of the mold fin structures 13F is exposed, as shown in FIG. 3G. Thereby, the semiconductor layer 30L may remain in the space between the side surfaces of the mold fin structures 13F, that is, a region defined between adjacent mold fin structures. In one embodiment, removal of the overgrown semiconductor layer 30L may be performed through an etchback or chemical mechanical polishing process (CMP), and the present invention is not limited thereto.

이후, 기판(10) 상의 복수의 몰드 핀 구조들(13F)은 선택적으로 제거될 수 있다(S40). 복수의 몰드 핀 구조들(13F)의 선택적 제거는 몰드 핀 구조들(13F)과 반도체 구조들(30) 사이의 식각비를 이용한 습식 식각에 의해 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그 결과, 기판(10) 상에는 도 3h에 도시된 것과 같이 핀 형상의 반도체 구조들(30)이 형성될 수 있다. 전술한 것과 같이, 반도체 구조들(30)의 결정성은 제거된 몰드 핀 구조체들(13F)의 결정학적 특성에 의존할 뿐 기판(10)과는 관련성을 갖지 않을 수 있다. 따라서, 통상의 실리콘 기판으로부터 직접 에피택셜 성장에 의해 고품질의 화합물 반도체를 얻을 수 없지만, 본 발명의 실시예에 다르면 몰드 핀 구조체들의 선택과 품질에 따라 고품질의 반도체 구조들(30)을 얻을 수 있다.Thereafter, the plurality of mold pin structures 13F on the substrate 10 may be selectively removed (S40). The selective removal of the plurality of mold pin structures 13F may be performed by wet etching using an etch ratio between the mold pin structures 13F and the semiconductor structures 30, and the present invention is not limited thereto. . As a result, fin-shaped semiconductor structures 30 may be formed on the substrate 10 as shown in FIG. 3H. As described above, the crystallinity of the semiconductor structures 30 depends only on the crystallographic properties of the removed mold pin structures 13F and may not have a relationship with the substrate 10. Therefore, it is not possible to obtain a high-quality compound semiconductor by epitaxial growth directly from a conventional silicon substrate, but according to the embodiment of the present invention, high-quality semiconductor structures 30 can be obtained according to the selection and quality of mold fin structures. .

다른 관점에서, 본 발명의 실시예에 따르면, 몰드 핀 구조체들(13F)은 기판(11)의 의존성을 제거하거나 최소화하면서 반도체 구조들(30)을 형성하기 위해 버퍼 층으로서 기능할 수 있다. 기판(10)으로부터 직접 반도체 구조들(30)이 형성되는 것이 아니고 복수의 몰드 핀 구조들(13F)로부터 반도체 구조들(30)을 형성할 수 있으므로, 버퍼 층인 몰드 핀 구조체들(13F)의 재료를 선택하는 것만으로 반도체 구조들(30)의 결정성과 품질이 결정될 수 있다. In another aspect, according to an embodiment of the present invention, the mold pin structures 13F may function as a buffer layer to form semiconductor structures 30 while eliminating or minimizing the dependence of the substrate 11. Since the semiconductor structures 30 are not formed directly from the substrate 10 and the semiconductor structures 30 can be formed from the plurality of mold pin structures 13F, the material of the mold pin structures 13F which is a buffer layer The crystallinity and quality of the semiconductor structures 30 can be determined only by selecting.

일 실시예에서, 몰드 핀 구조체들(13F)의 격자 상수는 기판(11)의 격자 상수보다는 크고 반도체 구조들(30)의 격자 상수보다는 작은 값을 가질 수 있다. 이 경우, 몰드 핀 구조체들(13F)은 기판(11)의 격자 상수와 반도체 구조들(30) 사이의 격자 상수 사이의 큰 차이를 상쇄시켜 결함 없이 결정질의 반도체 구조들(30)을 형성할 수 있는 버퍼 요소로서 작용할 수 있다. 예를 들면, 경제적으로 공급 가능한 예를 들면 실리콘 기판(10)과 버퍼 층으로서 실리콘 기판(10)의 격자 상수보다 더 큰 격자 상수를 갖는, 예를 들면 게르마늄의 몰드 핀 구조체들(13F)을 포함하는 하부 기판을 사용하여, 몰드 핀 구조체들(13F)보다 더 큰 격자 상수에 따른 고성능 소자에 적합한 화합물 반도체로 이루어진 핀 형상의 반도체 구조들(30)이 형성될 수 있다.In one embodiment, the lattice constant of the mold fin structures 13F may be greater than the lattice constant of the substrate 11 and less than the lattice constant of the semiconductor structures 30. In this case, the mold fin structures 13F can cancel the large difference between the lattice constant of the substrate 11 and the lattice constant between the semiconductor structures 30 to form crystalline semiconductor structures 30 without defects. Can act as a buffer element. For example, economically-supplied, for example, silicon substrate 10 and mold pin structures 13F of, for example, germanium, having a lattice constant greater than that of silicon substrate 10 as a buffer layer. Using the lower substrate, fin-shaped semiconductor structures 30 made of a compound semiconductor suitable for a high-performance device according to a larger lattice constant than the mold fin structures 13F may be formed.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핀 형상의 반도체 구조의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도시된 구성 요소들 중 전술한 도면들의 구성 요소와 동일한 참조 부호를 갖는 구성 요소에 대하여는 모순되지 않는 한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.4A to 4E are diagrams for describing a method of manufacturing a fin-shaped semiconductor structure according to another embodiment of the present invention. Among the illustrated components, the components having the same reference numerals as those of the above-mentioned drawings may be referred to the above-mentioned disclosure unless contradicted.

도 4a를 참조하면, 서로 이격된 복수의 몰드 핀 구조들(13F)이 형성된 기판(10)이 제공된다. 기판(10)에 관하여는 전술한 개시 사항이 참조될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면은 제 1 캡핑막(14a)에 의해 패시베이션될 수 있다. 따라서, 복수의 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면은 에피택셜 성장될 반도체 층(30L)의 씨드 표면으로 작용하지 않는다. 제 1 캡핑막(14a)은 산화막, 질화막, 이의 혼합물 또는 이의 적층 구조와 같은 비정질 절연막일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 4A, a substrate 10 on which a plurality of mold pin structures 13F spaced apart from each other is formed is provided. Reference may be made to the foregoing disclosure regarding the substrate 10. In one embodiment, the upper surface of the plurality of mold pin structures 13F may be passivated by the first capping film 14a. Therefore, the upper surface of the plurality of mold pin structures 13F does not act as the seed surface of the semiconductor layer 30L to be epitaxially grown. The first capping film 14a may be an amorphous insulating film such as an oxide film, a nitride film, a mixture thereof, or a laminated structure thereof, and the present invention is not limited thereto.

다른 실시예에서, 복수의 몰드 핀 구조들(13F) 사이의 노출된 기판(10)의 표면에도 제 2 캡핑막(14b)이 형성될 수 있다. 제 2 캡핑막(14b)은 복수의 몰드 핀 구조들(13F) 사이의 기판(10)으로부터 반도체 층(30L)이 에피택셜 성장하는 것을 차단한다. 이러한 에피택셜 성장은 기판(10)과 반도체 층(30L) 사이의 결정학적 특성의 차이가 큰 경우 반도체 층(30L)에 결함을 초래할 수 있으므로 이들 차단하는 장벽으로서 작용할 수 있다. 제 1 캡핑막(14a)과 제 2 캡핑막(14b)은 모두 실시되거나 어느 하나만이 선택적으로 실시될 수도 있을 것이다. In another embodiment, the second capping layer 14b may be formed on the surface of the exposed substrate 10 between the plurality of mold pin structures 13F. The second capping layer 14b blocks epitaxial growth of the semiconductor layer 30L from the substrate 10 between the plurality of mold pin structures 13F. Such epitaxial growth may cause defects in the semiconductor layer 30L when the difference in crystallographic properties between the substrate 10 and the semiconductor layer 30L is large, and thus may act as a barrier to these barriers. Both the first capping film 14a and the second capping film 14b may be implemented or only one of them may be selectively implemented.

도 4b를 참조하면, 이후, 제 1 캡핑막(14a)에 의해 몰드 핀 구조들(13F)의 노출된 측부 표면만이 씨드 표면으로 한정되고, 상기 씨드 표면으로부터 화살표 k1 방향, 즉 횡방향 에피택셜 성장에 의해 단결정질의 반도체 층(30L)이 형성될 수 있다). 도 3e에 도시된 것과 같이, 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면을 씨드 표면으로 하여 반도체 층이 화살표 k2 방향으로 성장하는 것은 제 1 캡핑막(14a)에 의해 억제될 수 있다. Referring to FIG. 4B, only the exposed side surface of the mold pin structures 13F is limited to the seed surface by the first capping film 14a, and the arrow k 1 direction from the seed surface, that is, the transverse epi. A monocrystalline semiconductor layer 30L may be formed by tactical growth). As shown in FIG. 3E, the growth of the semiconductor layer in the direction of the arrow k 2 using the upper surface of the mold fin structures 13F as a seed surface can be suppressed by the first capping film 14a.

에피택셜 성장이 가능한 분자빔 에피택시, 화학기상증착 또는 원자층 층착과 같은 방식에 의해 몰드 핀 구조들(13F) 상에서 반도체 층(30L)이 지속적으로 에피택셜 성장하여, 도 4c에 도시된 것과 같이, 반도체 층(30L)이 몰드 핀 구조들(13F)의 측부 표면 사이의 공간을 모두 채우게 될 것이다.The semiconductor layer 30L is continuously epitaxially grown on the mold fin structures 13F by a method such as molecular beam epitaxy capable of epitaxial growth, chemical vapor deposition, or atomic layer deposition, as shown in FIG. 4C. , The semiconductor layer 30L will fill all the spaces between the side surfaces of the mold fin structures 13F.

이후, 도 4d에 도시된 것과 같이 몰드 핀 구조들(13F) 상에 형성된 제 1 캡핑막(14a)이 제거될 수 있다. 몰드 핀 구조들(13F)의 상부 표면 위로 반도체 층(30L)이 과잉 성장된 경우 이를 제거하기 위한 전술한 에치백 또는 화학기계적 연마 공정과 같은 평탄화 공정이 수행될 수 있으며, 상기 평탄화 공정 중에 제 1 캡핑막(14a)이 제거될 수도 있다. Thereafter, as illustrated in FIG. 4D, the first capping layer 14a formed on the mold pin structures 13F may be removed. When the semiconductor layer 30L is overgrown over the upper surface of the mold fin structures 13F, a planarization process such as the above-described etch-back or chemical mechanical polishing process for removing it may be performed, and during the planarization process, a first The capping film 14a may be removed.

이후, 기판(10) 상의 복수의 몰드 핀 구조들(13F)을 선택적으로 제거할 수 있다. 복수의 몰드 핀 구조들(13F)의 선택적 제거는 몰드 핀 구조들(13F)과 반도체 구조들(30) 사이의 식각비를 이용한 습식 식각에 의해 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전술한 실시예에서, 제 1 캡핑막(14a)은 몰드 핀 구조들(13F)의 제거 전에 비제한적 예로서 평탄화 공정을 통해 제거되었지만, 본 발명의 실시예가 이에 한정된 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 캡핑막(14a)를 직접적으로 제거하지 않고 몰드 핀 구조들(13F)의 제거를 통해, 제 1 캡핑막(14a)이 몰드 핀 구조들(13F)와 함께 리프트-오프되어 제거될 수도 있다. Thereafter, the plurality of mold pin structures 13F on the substrate 10 may be selectively removed. The selective removal of the plurality of mold pin structures 13F may be performed by wet etching using an etch ratio between the mold pin structures 13F and the semiconductor structures 30, and the present invention is not limited thereto. . In the above-described embodiment, the first capping film 14a was removed through a planarization process as a non-limiting example before removing the mold pin structures 13F, but the embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, through removal of the mold pin structures 13F without directly removing the first capping film 14a, the first capping film 14a is lifted-off with the mold pin structures 13F. It may be removed.

복수의 몰드 핀 구조들(13F)이 제거되면 기판(10) 상에는 도 4e에 도시된 것과 같이 핀 형상의 반도체 구조들(30)이 형성될 수 있다. 제 2 캡핑막(14b)이 적용된 경우, 각 반도체 구조(30)와 기판(10) 사이에는 제 2 캡핑막(14b)이 배치될 수 있다. 제 2 캡핑막(14b)은 기판(10)으로부터 반도체 구조들(30)을 절연시켜 기판(10)으로부터 바디 효과 또는 기판(10)으로의 누설 전류를 차단하는 부가적인 역할을 할 수 있다. 다른 실시예에서 제 2 캡핑막(14b) 상에 형성된 반도체 구조들(30)은 웨이퍼 본딩 방식에 의해 제 2 캡핑막(14b)으로부터 분리되어 또는 제 2 캡핑막(14b)과 기판(10) 사이의 분리됨으로써, 다른 기판 상으로 전달되어 별개의 기판 상에서 소자 형성을 위해 활용될 수도 있을 것이다.When the plurality of mold fin structures 13F are removed, fin-shaped semiconductor structures 30 may be formed on the substrate 10 as illustrated in FIG. 4E. When the second capping film 14b is applied, a second capping film 14b may be disposed between each semiconductor structure 30 and the substrate 10. The second capping layer 14b may insulate the semiconductor structures 30 from the substrate 10 to serve as an additional role of blocking the body effect from the substrate 10 or leakage current from the substrate 10. In another embodiment, the semiconductor structures 30 formed on the second capping film 14b are separated from the second capping film 14b by a wafer bonding method or between the second capping film 14b and the substrate 10 By separating, it can be transferred onto another substrate and utilized for device formation on a separate substrate.

이후, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 것과 같이 반도체 구조(30)의 측부 표면 및/또는 상부 표면 상에 게이트 절연막과 게이트 전극이 순차 형성될 수 있다. 그 결과, 전술한 반도체 구조들(30)을 활성층으로서 트리-게이트 트랜지스터 또는 듀얼 게이트의 채널층으로서 사용하는 반도체 소자가 제공될 수 있다.Thereafter, as described with reference to FIGS. 1A and 1B, a gate insulating layer and a gate electrode may be sequentially formed on a side surface and / or an upper surface of the semiconductor structure 30. As a result, a semiconductor device using the above-described semiconductor structures 30 as a tri-gate transistor or a channel layer of a dual gate as an active layer can be provided.

전술한 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 구조들(30)의 결정성은 제거된 몰드 핀 구조체들(13F)의 결정학적 특성에 의존할 뿐 기판(10)과는 관련성을 갖지 않을 수 있다. 따라서, 기판(11)으로부터 직접 반도체 구조들(30)이 에피택셜 성장되지 않고 복수의 몰드 핀 구조들(13F)을 매개로 하여 복수의 몰드 핀 구조들(13F)로부터 반도체 구조들(30)이 형성되므로, 버퍼 층인 몰드 핀 구조체들(13F)의 재료와 품질을 선택하는 것만으로 반도체 구조들(30)의 실현 가능한 재료의 선택과 결정성을 향상시킬 수 있다. As described above, according to an embodiment of the present invention, the crystallinity of the semiconductor structures 30 depends only on the crystallographic properties of the removed mold pin structures 13F and may not have a relationship with the substrate 10. have. Accordingly, the semiconductor structures 30 are not epitaxially grown directly from the substrate 11 but the semiconductor structures 30 from the plurality of mold pin structures 13F via the plurality of mold pin structures 13F. Since it is formed, it is possible to improve the selectivity and crystallinity of the feasible material of the semiconductor structures 30 only by selecting the material and quality of the mold fin structures 13F as the buffer layer.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 경제적으로 공급 가능한 예를 들면 실리콘 기판(11)과 버퍼 층으로서 실리콘 기판(11)의 격자 상수보다 더 큰 격자 상수를 갖지만 예를 들면 게르마늄의 몰드 핀 구조체들(13F)을 포함하는 하부 기판을 사용하여, 몰드 핀 구조체들(13F)보다 더 큰 격자 상수를 가지므로 고성능 소자에 적합한 화합물 반도체로 이루어진 핀 형상의 반도체 구조들(30)이 형성될 수 있다.Further, according to an embodiment of the present invention, economically supplyable, for example, silicon substrate 11 and buffer layer having a lattice constant greater than that of silicon substrate 11, for example, mold pin structures of germanium By using the lower substrate including (13F), pin-shaped semiconductor structures 30 made of a compound semiconductor suitable for a high-performance device may be formed because it has a larger lattice constant than the mold fin structures 13F.

전술한 실시예들에서는 몰드 핀 구조들(20)을 제거한 경우에 대해 개시하고 있지만, 본 발명의 실시예가 이에 한정된 것은 아니며 몰드 핀 구조들(20)은 형성된 반도체 구조와 일체화되거나 잔류하여 반도체 소자의 일부로서 활용될수도 있을 것이다.In the above-described embodiments, the case where the mold pin structures 20 are removed is disclosed, but the embodiment of the present invention is not limited thereto, and the mold pin structures 20 may be integrated with or remain with the formed semiconductor structure, and thus It could be used as part.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have knowledge.

Claims (14)

단결정의 몰드 층이 형성된 기판을 준비하는 단계;
상기 몰드 층을 패터닝하여 서로 이격된 복수의 몰드 핀 구조들을 형성하는 단계;
상기 복수의 몰드 핀 구조들의 노출된 표면을 씨드 표면으로 하여 단결정의 화합물 반도체를 포함하는 반도체 층을 에피택셜 성장시켜 인접한 몰드 핀 구조들 사이에 한정된 핀 형상을 갖는 복수의 반도체 구조들을 형성하는 단계; 및
상기 복수의 몰드 핀 구조들을 선택적으로 제거하여, 상기 복수의 몰드 핀 구조들 사이의 상기 복수의 반도체 구조의 적어도 일부를 잔존시키는 단계를 포함하는며,
상기 기판의 격자 상수와 상기 잔존하는 복수의 반도체 구조들의 격자 상수의 차이는 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 격자 상수에 의해 상쇄되는 반도체 구조의 제조 방법.
Preparing a substrate on which a single crystal mold layer is formed;
Patterning the mold layer to form a plurality of mold pin structures spaced apart from each other;
Epitaxially growing a semiconductor layer comprising a single crystal compound semiconductor using the exposed surfaces of the plurality of mold fin structures as a seed surface to form a plurality of semiconductor structures having a fin shape defined between adjacent mold fin structures; And
And selectively removing the plurality of mold pin structures to remain at least a portion of the plurality of semiconductor structures between the plurality of mold pin structures.
A method of manufacturing a semiconductor structure in which a difference between the lattice constant of the substrate and the lattice constant of the plurality of remaining semiconductor structures is canceled by the lattice constant of the plurality of mold fin structures.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 반도체 구조들은 트리-게이트 트랜지스터 또는 듀얼 게이트 트랜지스터의 채널층으로 활용되는 반도체 구조의 제조 방법.
According to claim 1,
The plurality of semiconductor structures is a method of manufacturing a semiconductor structure that is utilized as a channel layer of a tri-gate transistor or a dual gate transistor.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 기저 기판 또는 상기 기저 기판 상의 절연층을 포함하는 반도체 구조의 제조 방법.
According to claim 1,
The substrate is a method of manufacturing a semiconductor structure including a base substrate or an insulating layer on the base substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 몰드 핀 구조들의 격자 상수는 상기 기판의 격자 상수보다는 크고 상기 복수의 반도체 구조들의 격자 상수보다 작은 반도체 구조의 제조 방법.
According to claim 1,
A method of manufacturing a semiconductor structure in which the lattice constant of the plurality of mold fin structures is greater than the lattice constant of the substrate and less than the lattice constant of the plurality of semiconductor structures.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 또는 실리콘 게르마늄을 포함하는 기판인 반도체 구조의 제조 방법.
According to claim 1,
The substrate is a method of manufacturing a semiconductor structure that is a substrate containing silicon or silicon germanium.
제 5 항에 있어서,
상기 몰드 층은 게르마늄을 포함하며,
상기 반도체 층은 II-VI 족 또는 III-V 족 화합물 반도체를 포함하는 반도체 구조의 제조 방법.
The method of claim 5,
The mold layer includes germanium,
The semiconductor layer is a method of manufacturing a semiconductor structure comprising a II-VI or III-V compound semiconductor.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
에피택셜 성장된 상기 반도체 층은 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 상부 표면 상으로 과잉 성장되며,
상기 과잉 성장된 상기 반도체 층의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 반도체 구조의 제조 방법.
According to claim 1,
The epitaxially grown semiconductor layer is overgrown on top surfaces of the plurality of mold pin structures,
And removing a portion of the overgrown semiconductor layer.
제 8 항에 있어서,
상기 과잉 성장된 상기 반도체 층은, 상기 복수의 몰드 핀 구조들의 상기 상부 표면이 노출되도록, 에치 백 또는 화학기계적 연마 공정을 통해 제거되는 반도체 구조의 제조 방법.
The method of claim 8,
The overgrown semiconductor layer is a method of manufacturing a semiconductor structure that is removed through an etch back or a chemical mechanical polishing process so that the upper surface of the plurality of mold pin structures is exposed.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 몰드 핀 구조들의 상부 표면에 제 1 캡핑막을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 제 1 캡핑막은 산화막 또는 질화막을 포함하는 반도체 구조의 제조 방법.
According to claim 1,
Further comprising the step of forming a first capping film on the upper surface of the plurality of mold pin structures,
The first capping film is a method of manufacturing a semiconductor structure including an oxide film or a nitride film.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 몰드 핀 구조들 사이의 상기 기판의 노출 표면 상에 제 2 캡핑막을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 제 2 캡핑막은 산화막 또는 질화막을 포함하는 반도체 구조의 제조 방법.
According to claim 1,
Forming a second capping layer on the exposed surface of the substrate between the plurality of mold pin structures,
The second capping film is a method of manufacturing a semiconductor structure including an oxide film or a nitride film.
제 11 항에 있어서,
상기 복수의 반도체 구조들은 상기 제 2 캡핑막 상에 각각 형성되고,
상기 복수의 반도체 구조들은 다른 기판 상으로 전달되는 반도체 구조의 제조 방법.
The method of claim 11,
The plurality of semiconductor structures are respectively formed on the second capping film,
A method of manufacturing a semiconductor structure in which the plurality of semiconductor structures are transferred onto different substrates.
반도체 소자로서,
기판;
상기 기판 상에 형성된 비정질 캡핑막; 및
상기 캡핑막 상에 에피택셜 성장된 핀 형상의 단결정의 화합물 반도체를 포함하는 반도체 구조를 포함하며,
상기 기판의 격자 상수와 상기 핀 형상의 단결정 반도체 구조의 격자 상수의 차이는 복수의 몰드 핀 구조들의 격자 상수에 의해 상쇄되는 반도체 소자.
As a semiconductor device,
Board;
An amorphous capping film formed on the substrate; And
It includes a semiconductor structure including a pin-shaped single crystal compound semiconductor epitaxially grown on the capping film,
The difference between the lattice constant of the substrate and the lattice constant of the fin-shaped single crystal semiconductor structure is canceled by the lattice constant of the plurality of mold fin structures.
제 13 항에 있어서,
상기 캡핑막은 산화물 또는 질화물을 포함하며,
상기 단결정 반도체 구조는 II-VI 족 또는 III-V 족 화합물 반도체를 포함하는 반도체 소자.
The method of claim 13,
The capping film includes oxide or nitride,
The single crystal semiconductor structure is a semiconductor device comprising a group II-VI or III-V compound semiconductor.
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