KR100925136B1 - FORMATION OF PATTERNED SILICON-ON-INSULATORSOI/SILICON-ON-NOTHINGSON COMPOSITE STRUCTURE BY POROUS Si ENGINEERING - Google Patents

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디옌드라 케이 사다나
가밤 쥐 샤히디
산딥 티와리
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Abstract

패터닝된 SOI/SON 복합 구조물 및 그 형성 방법이 제공된다. SOI/SON 복합 구조물에서, 패터닝된 SOI/SON 구조물은 Si 오버층과 반도체 기판 사이에 삽입된다. 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물을 형성하는 방법은 SOI 및 SON 구조물이 함께 형성되는 공유 프로세싱 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 매립 보이드 평면만을 포함하는 복합 구조물을 형성하는 방법뿐만 아니라 매립 도전/SON 구조물을 포함하는 복합 구조물을 형성하는 방법을 제공한다.Patterned SOI / SON composite structures and methods for forming the same are provided. In an SOI / SON composite structure, the patterned SOI / SON structure is inserted between the Si overlayer and the semiconductor substrate. The method of forming the patterned SOI / SON composite structure includes a shared processing step in which the SOI and SON structures are formed together. The invention also provides a method of forming a composite structure comprising only a buried void plane, as well as a method of forming a composite structure comprising a buried conductive / SON structure.

매립 절연 영역, 보이드 평면, Si 오버층 Buried Insulation Area, Void Plane, Si Overlayer

Description

다공성 Si 엔지니어링에 의한 패터닝된 실리콘-온-인슐레이터(SOI)/실리콘-온-낫싱 (SON) 복합 구조물의 형성{FORMATION OF PATTERNED SILICON-ON-INSULATOR(SOI)/SILICON-ON-NOTHING(SON) COMPOSITE STRUCTURE BY POROUS Si ENGINEERING}FORMATION OF PATTERNED SILICON-ON-INSULATOR (SOI) / SILICON-ON-NOTHING (SON) COMPOSITE STRUCTURE BY POROUS Si ENGINEERING}

본 발명은 반도체 복합 구조물에 관한 것으로, 특히 얇은 실리콘층, 즉, Si 오버층(over-layer)이 절연 영역에 의해 기판으로부터 분리된 실리콘-온-인슐레이터(SOI; Silicon-on-insulator) 구조물과 Si 오버층이 확장된 보이드 평면(void plane) 또는 에어 갭에 의해 기판으로부터 분리된 실리콘-온-낫싱(SON; silicon-on-nothing) 구조물의 조합을 포함하는 반도체 복합 구조물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상술한 반도체 복합 구조를 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor composite structure, and more particularly to a silicon-on-insulator (SOI) structure in which a thin silicon layer, i.e., an Si over-layer, is separated from a substrate by an insulating region. The Si overlayer relates to a semiconductor composite structure comprising a combination of silicon-on-nothing (SON) structures separated from the substrate by an expanded void plane or air gap. The present invention also relates to a method of forming the semiconductor composite structure described above.

마이크로일렉트로닉 집적 회로(IC) 제조에 있어서, SOI 및 SON 웨이퍼는, 특정 IC에서 액티브 디바이스 영역이 하부에 형성된 반도체 기판으로부터 분리되고 격리될 필요가 있는 경우에 사용된다. 물리적 치수와 체적에 있어서 비교적 작은 액티브 디바이스 영역이 체적이 매우 큰 기판과 접촉되면, 디바이스 및 회로 성능에 대한 다양한 악영향이 관찰된다. 예를 들어, 누설 전류 및 접합 용량의 증가, 방사 및 열의 영향에 대한 저항의 감소, 쇼트 채널(short-channel) 영향의 증가, 및 래치업(latch-up)이라 불리우는 전기적 분열에 대한 취약성의 증가 등의 악영향이 관찰될 수 있다. 이러한 모든 악영향은 디바이스 및 회로 성능의 손실 및 소비 전력의 증가로 변형된다.In microelectronic integrated circuit (IC) fabrication, SOI and SON wafers are used in certain ICs where active device regions need to be separated and isolated from underlying semiconductor substrates. If a relatively small active device area in physical dimension and volume comes into contact with a very large substrate, various adverse effects on device and circuit performance are observed. For example, an increase in leakage current and junction capacity, a decrease in resistance to radiation and heat effects, an increase in short-channel influences, and an increase in susceptibility to electrical breakdown called latch-up. Adverse effects such as can be observed. All these adverse effects translate into loss of device and circuit performance and increased power consumption.

SOI 및 SON 디바이스 및 회로는 이들 디바이스 및 회로가 설치되는 독특한 반도체 재료 구조물 때문에 본질적으로 상술한 영향을 받지 않고, 따라서, 수요가 많다.SOI and SON devices and circuits are inherently unaffected above because of the unique semiconductor material structures on which these devices and circuits are installed, and are therefore in demand.

SOI에서, 산화물과 같은 매립 절연층의 연속층이 Si 오버층과 반도체 기판 사이에 형성된다. 매립 절연 재료는 Si 오버층을 기판으로부터 전기적으로 격리ㅅ시킨다. BESOI(bond-and-etch-back SOI)로 지칭되는 입증된 방법은, 2개의 개시 반도체 웨이퍼의 표면을 산화하고 2개의 웨이퍼를 산화된 표면에서 본딩하고 하나의 웨이퍼를 후면에서 에칭하여 얇은 오버층으로 변형시키고 에칭된 웨이퍼를 연마하여 디바이스 제조에 적합한 평활한 표면을 제공함으로써 달성된다. 웨이퍼 표면은 본딩 전에 소망의 깊이로 산화되므로, 매우 양호한 매립 산화물 형성의 제어가 유지될 수 있다. 따라서, 결과적인 매립 산화물은 매우 균일하며 거의 임의의 소망 두께를 가질 수 있다. 그러나, 본딩된 인터페이스에서의 불순물의 트래핑(trapping) 및 에치백(etch-back) 프로세스를 통해 얇고 균일한 Si 오버층을 달성하는데 있어서의 어려움은 종래기술의 BESOI 프로세스의 중요한 취약점이다. In SOI, a continuous layer of buried insulating layer such as oxide is formed between the Si overlayer and the semiconductor substrate. The buried insulating material electrically isolates the Si overlayer from the substrate. A proven method called bond-and-etch-back SOI (BESOI) is a thin overlayer by oxidizing the surfaces of two starting semiconductor wafers, bonding the two wafers on the oxidized surface and etching one wafer from the backside. And etched wafers to provide a smooth surface suitable for device fabrication. Since the wafer surface is oxidized to the desired depth before bonding, very good control of buried oxide formation can be maintained. Thus, the resulting buried oxide is very uniform and can have almost any desired thickness. However, the difficulty in achieving a thin and uniform Si overlayer through the trapping and etch-back process of impurities in the bonded interface is an important weakness of the prior art BESOI process.

SIMOX (separation by ion implantation of oxygen)라 불리우는 또 다른 입증된 방법에서는, 산소 이온이 웨이퍼 표면에 직접 주입된 후 고온의 어닐링시에 주입된 산소 이온이 Si 원자와 반응하여 매립 산화물층을 형성한다. 매립 산화물층 의 깊이, 두께 및 균일성은 주로 주입된 산소의 도즈량 및 에너지 및 후속의 어닐링 조건에 의존한다. 일반적으로, SIMOX 프로세스는, 균일하고 고품질의 매립 산화물 및 Si 오버층을 제공한다.In another proven method called SIMO (separation by ion implantation of oxygen), oxygen ions are implanted directly on the wafer surface and then implanted oxygen ions react with Si atoms during hot annealing to form a buried oxide layer. The depth, thickness and uniformity of the buried oxide layer mainly depend on the dose and energy of the injected oxygen and the subsequent annealing conditions. In general, the SIMOX process provides a uniform, high quality buried oxide and Si overlayer.

FIPOS (full isolation by porous oxidized silicon)라 불리우는 다른 입증된 방법에서는, 패터닝된 Si 표면이 HF 함유 용액에서 양극 산화 처리(anodized)되어 양극 산화 처리되지 않은 Si 아일랜드(island)를 완전히 둘러싸는 다공성 Si를 형성한다. 이 방법에서는, 용액으로의 삽입 전에 Si 아일랜드가 패터닝되고 양극산화처리에 견디는 형태로 변환된다. 다공성 Si는 매우 증가된 표면적에 의해 벌크 Si보다 빨리 산화하므로, 열산화시 다공성 Si는 Si 아일랜드를 완전히 둘러싸고 격리시킨다. 이 종래 방법은 SOI를 형성하는 매우 저렴한 방법으로 간주된다. 그러나, 일반적으로, 이 종래 방법으로 얇은 고밀도의 열산화물을 형성하는 것이 어렵다. 또한, 둘러싸는 산화된 다공성 Si에 의해 압력이 가해지면, Si 아일랜드는 변위 및 스택 결함을 가질 수 있다.In another proven method called FIPOS (full isolation by porous oxidized silicon), the patterned Si surface is anodized in an HF-containing solution to form porous Si that completely encloses an unanodized Si island. Form. In this method, the Si islands are patterned and converted into anodizing forms prior to insertion into the solution. Porous Si oxidizes faster than bulk Si by a very increased surface area, so during thermal oxidation the porous Si completely surrounds and isolates the Si islands. This conventional method is considered a very inexpensive way of forming SOI. In general, however, it is difficult to form a thin high density thermal oxide by this conventional method. In addition, when pressure is applied by the surrounding oxidized porous Si, the Si islands may have displacement and stack defects.

SON에서, 확장된 보이드 평면 또는 에어 갭은 Si 오버층 아래에 형성된다. 그러나, 보이드 평면이 반도체 웨이퍼의 전체 직경에 걸쳐 연장하면, Si 오버층 및 그 하부의 반도체 기판이 분리되기 때문에, 매립 보이드 평면이 측면 치수에 있어서 필연적으로 제한된다. 통상, 제한된 크기의 매립 보이드 평면은 웨이퍼 상의 선택 위치에 형성된다.In SON, an expanded void plane or air gap is formed below the Si overlayer. However, when the void plane extends over the entire diameter of the semiconductor wafer, the buried void plane is inevitably limited in the lateral dimension because the Si overlayer and the underlying semiconductor substrate are separated. Typically, buried void planes of limited size are formed at selected locations on the wafer.

ESS(empty space in silicon)라 불리우는 종래의 입증된 방법에서, 긴 에치 피트(etch-pit)가 웨이퍼 표면에 형성되고, Si 원자의 표면 이동을 유도하는 상승 된 온도에서 수소 분위기에서의 어닐링에 의해 매립 보이드 평면으로 변환된다. 매립 보이드 평면 및 그 위의 Si 오버층의 면적 및 두께는 에치 피트의 수와 피치 뿐만 아니라 에치 피트 각각의 폭과 깊이에 의해 결정된다.In a conventional proven method called ESS (empty space in silicon), long etch-pits are formed on the wafer surface, and by annealing in a hydrogen atmosphere at elevated temperatures leading to surface movement of Si atoms Convert to a buried void plane. The area and thickness of the buried void plane and the Si overlayer thereon are determined by the number and pitch of etch pits as well as the width and depth of each of the etch pits.

또다른 입증된 방법에서, SiGe 층이 선택적 에피택셜 성장에 의해 반도체 웨이퍼 표면 상에 증착되고, Si 브릿지가 SiGe 층 상에 형성되고, 에어 갭을 남겨두고 SiGe 층이 선택적으로 에칭된다. 이 종래의 방법에서는, 전체의 절차가 디바이스 제조 프로세스의 일부로서 병합될 수 있다.In another proven method, a SiGe layer is deposited on the semiconductor wafer surface by selective epitaxial growth, a Si bridge is formed on the SiGe layer, and the SiGe layer is selectively etched leaving an air gap. In this conventional method, the entire procedure can be incorporated as part of the device fabrication process.

SOI 및 SON 복합물을 제조하는 공지된 종래 방법들은 서로 다르고 SOI가 매립 산화물을 포함하고 SON이 보이드를 형성하기 때문에, 단일의 반도체 웨이퍼 상에 2개의 복합 구조물을 결합하는 것이 실행되지 않았다. 저전력 디바이스 격리에 있어서, SiO2 등의 일반적인 매립 산화물의 유전율이 약 3.9인 반면에, SON 복합물은 보이드의 유전율이 가장 낮은 유전율인 1에 근접하다는 점에서 매우 우수하다.Since known conventional methods for producing SOI and SON composites are different and SOI includes buried oxide and SON forms voids, joining two composite structures onto a single semiconductor wafer has not been performed. For low power device isolation, the dielectric constant of typical buried oxides, such as SiO 2 , is about 3.9, while SON composites are very good in that the dielectric constant of voids is close to 1, the lowest dielectric constant.

그러나, 디바이스 격리에 더하여, SON은 SiGe 및 GaAs 등의 격자-부정합(lattice-mismatched) 에피택셜층을 위한 기판으로서 사용될 수 있으면서, 매립 절연 영역이, 적절히 패터닝되면, 백게이트 유전체로서 추가의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, SOI/SON 복합물 결합은 SOI 및 SON을 개별적으로 이용하는 마이크로일렉트로닉 애플리케이션을 개선할 뿐만 아니라 현재 공지되거나 실현되지 않은 많은 새로운 애플리케이션에서 이용될 수 있다.However, in addition to device isolation, SON can be used as a substrate for lattice-mismatched epitaxial layers such as SiGe and GaAs, while the buried isolation region, if properly patterned, provides additional functionality as a backgate dielectric. Can be done. Thus, SOI / SON composite combining not only improves microelectronic applications that use SOI and SON separately, but can also be used in many new applications that are not currently known or realized.

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명은 공유 프로세스에 의해 단일의 반도체 웨이퍼 상에 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물을 형성하는 방법을 제공한다. 진보적인 공유 프로세스의 중요한 특징은 HF 함유 용액에서 전해질 양극 산화 처리에 의해 다공성 Si 층을 형성한다는 것이다. 일부의 종래의 SOI 방법에서, 다공성 Si는 희생 에칭 정지, 분할 평면, 필드 산화물 영역 또는 전체 격리 산화물 영역으로서 사용된다. 그러나, 본 발명에서는, 다공성 Si는 매립 절연/보이드 조합을 형성하는데 사용된다.The present invention provides a method of forming a patterned SOI / SON composite structure on a single semiconductor wafer by a sharing process. An important feature of the advanced sharing process is the formation of porous Si layers by electrolytic anodization in HF containing solutions. In some conventional SOI methods, porous Si is used as a sacrificial etch stop, split plane, field oxide region or full isolation oxide region. However, in the present invention, porous Si is used to form a buried insulation / void combination.

본 발명의 주된 목적은 패터닝된 SOI/SON 구조물을 포함하는 반도체 복합 구조물을 제공하는 것이다. 복합 구조물은 단일 또는 다중 레벨의 SOI 및 SON 구조물을 포함할 수 있다. 본 발명에서, 주어진 층 내의 패터닝된 SOI/SON 구조물들은 SOI 및 SON의 교호 패턴으로 서로 인접한다.It is a primary object of the present invention to provide a semiconductor composite structure comprising a patterned SOI / SON structure. Composite structures may include single or multiple levels of SOI and SON structures. In the present invention, the patterned SOI / SON structures in a given layer are adjacent to each other in an alternating pattern of SOI and SON.

본 발명의 다른 목적은 SOI/SON 함유 복합물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the SOI / SON containing composite.

본 발명의 또 다른 목적은, SOI 및 SON 구조물들에 의해 거의 공유되는 프로세싱 단계를 포함하는 SOI/SON 함유 복합물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a method of making an SOI / SON containing composite comprising a processing step that is almost shared by SOI and SON structures.

본 발명의 또 다른 목적은 SOI/SON 구조적 패턴이 고정되지 않고 임의의 원하는 형상 및 크기로 형성될 수 있도록 하는 것이다.Another object of the present invention is to allow the SOI / SON structural pattern to be formed in any desired shape and size without being fixed.

본 발명의 일 형태에 따르면, 패터닝된 SOI 및 SON 구조물의 조합을 포함하는 반도체 복합 구조물이 제공된다. 특히, 진보적인 반도체 복합 구조물은 반도체 기판; 서로 인접하고 상기 반도체 기판 상에 배치된 패터닝된 매립 절연 영역 및 보이드 평면(void plane)을 갖는 하나 이상의 층; 및 상기 패터닝된 매립 절연 영 역 및 보이드 평면을 갖는 하나 이상의 층의 상부에 배치된 소정의 두께를 갖는 Si 오버층(over-layer)을 포함한다.According to one aspect of the present invention, a semiconductor composite structure including a combination of a patterned SOI and a SON structure is provided. In particular, advanced semiconductor composite structures include semiconductor substrates; At least one layer adjacent to each other and having a patterned buried isolation region and a void plane disposed on the semiconductor substrate; And an Si over-layer having a predetermined thickness disposed on top of the one or more layers having the patterned buried isolation region and void plane.

본 발명의 일 실시예에서, 진보적인 반도체 복합 구조물의 매립 절연 영역은 매립 도전 영역으로 대체된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 진보적인 반도체 복합 구조물은 보이드 평면만을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 진보적인 반도체 복합 구조물은 매립 절연 영역, 매립 도전 영역 및 보이드 평면을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the buried insulating region of the advanced semiconductor composite structure is replaced with a buried conductive region. In another embodiment of the present invention, the progressive semiconductor composite structure includes only the void plane. In another embodiment of the present invention, an advanced semiconductor composite structure includes a buried insulated region, a buried conductive region and a void plane.

본 발명의 다른 형태에 있어서, 상술한 반도체 복합 구조물을 형성하는 방법이 제공된다. 특히, 본 발명의 방법은 (a) 반도체 웨이퍼의 표면 영역에 다공성 Si의 층을 형성하는 단계; (b) 다공성 Si의 층 상에 에피-Si(epi-Si) 층을 형성하는 단계 - 상기 에피-Si 층과 다공성 Si의 층 사이에 인터페이스가 존재함 -; (c) 상기 웨이퍼의 소정 영역에 이온을 선택적으로 주입하여 상기 인터페이스 또는 그 부근에 주입 영역을 형성하는 단계; 및 (d) 다공성 Si의 주변층과의 반응에 의해 주입 영역을 매립 절연 영역으로 변형시키는 상승된 온도에서 상기 웨이퍼를 어닐링하고 기공 유착에 의해 주입되지 않은 다공성 Si를 매립 보이드 평면으로 변형시키는 단계를 포함한다.In another aspect of the present invention, a method of forming the semiconductor composite structure described above is provided. In particular, the method includes the steps of (a) forming a layer of porous Si in the surface region of the semiconductor wafer; (b) forming an epi-Si layer on the layer of porous Si, wherein an interface exists between the epi-Si layer and the layer of porous Si; (c) selectively implanting ions into a predetermined region of the wafer to form implant regions in or near the interface; And (d) annealing the wafer at an elevated temperature that transforms the implanted region into a buried insulating region by reaction with a peripheral layer of porous Si and transforming the porous Si not implanted by pore adhesion into a buried plane of voids. Include.

본 발명의 일부의 실시예에서, 수직으로 스택된 매립 절연/보이드 평면의 다수층이 형성되고, 어닐링 단계(d)를 수행하기 전에 단계(a) 내지 (c)가 임의의 횟수 반복된다.In some embodiments of the present invention, multiple layers of buried insulation / void planes stacked vertically are formed, and steps (a) to (c) are repeated any number of times before performing annealing step (d).

본 발명에 따르면, 다공성 Si 층이 HF-함유 용액에서 수행되는 전해질 양극 산화 처리에 의해 형성된다. HF 양극 산화 처리에서, 형성된 다공성 Si의 다공도는 사용된 전류 및 전압, HF 농도 및 반도체 웨이퍼의 도핑 유형 및 농도에 의존한다. 다공성 Si 층의 두께는 양극 산화 처리 프로세스의 시간에 의존한다.According to the invention, a porous Si layer is formed by an electrolyte anodization treatment carried out in an HF-containing solution. In the HF anodic oxidation treatment, the porosity of the formed porous Si depends on the current and voltage used, the HF concentration and the doping type and concentration of the semiconductor wafer. The thickness of the porous Si layer depends on the time of the anodization process.

상승된 온도에서 수소 분위기에서의 단시간의 어닐링은, 필요하면, 단계(a) 후에 채용되어 다공성 Si 층의 표면 상에서 개구 기공을 제거한다. 다른 실시예에서, 어닐링 단계(d) 이후에 선택적 수소 어닐링이 또한 수행된다.A short time annealing in hydrogen atmosphere at elevated temperature is employed, if necessary, after step (a) to remove opening pores on the surface of the porous Si layer. In another embodiment, selective hydrogen annealing is also performed after the annealing step (d).

일부의 실시예에서, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 포토레지스트 또는 그 조합의 패터닝된 마스크가 채용되어 웨이퍼에 주입 영역을 선택적으로 형성할 수 있다. 이러한 실시예에서, 패터닝된 마스크는 보이드 평면이 형성될 구조물의 영역에 이온이 주입되는 것을 방지하기에 충분한 두께를 갖는다.In some embodiments, a patterned mask of silicon dioxide, silicon nitride, photoresist, or a combination thereof may be employed to selectively form implant regions in the wafer. In this embodiment, the patterned mask has a thickness sufficient to prevent ions from being implanted in the area of the structure in which the void plane is to be formed.

본 발명의 다른 방법에서, 주입되는 이온은 어닐링시 매립 도전 영역을 형성할 수 있다. 이러한 실시예에서, 금속 이온이 주입되고 매립 도전 영역은 금속 실리사이드를 포함한다. In another method of the invention, the implanted ions may form a buried conductive region upon annealing. In this embodiment, metal ions are implanted and the buried conductive region comprises metal silicide.

본 발명의 다른 실시예에서, 매립 보이드 평면만을 포함하는 복합 구조물이 제공된다. 본 발명의 이 방법은 (i) 반도체 웨이퍼 상에 HF-저항 포토레지스트, 즉, 포토레지스트의 패터닝된 마스크를 형성하는 단계 - 상기 패터닝된 마스크는 상기 반도체 웨이퍼의 부분을 노출하는 하나 이상의 개구를 가짐 -; (ii) 상기 반도체 웨이퍼의 상기 노출된 부분의 표면 영역에 다공성 Si를 형성하는 단계; (iii) 상기 패터닝된 마스크를 제거하는 단계; (iv) 상기 다공성 Si를 포함하는 웨이퍼 상에 에피 Si를 형성하는 단계; 및 (v) 다공성 Si를 매립 보이드 평면으로 변형시키는 상승된 온도에서 상기 웨이퍼를 어닐링하는 단계를 포함한다.In another embodiment of the present invention, a composite structure is provided that includes only a buried void plane. This method of the invention comprises the steps of: (i) forming a patterned mask of an HF-resistive photoresist, ie, photoresist, on the semiconductor wafer, the patterned mask having one or more openings that expose portions of the semiconductor wafer; -; (ii) forming porous Si in the surface region of the exposed portion of the semiconductor wafer; (iii) removing the patterned mask; (iv) forming epi Si on the wafer comprising porous Si; And (v) annealing the wafer at an elevated temperature that transforms the porous Si into a buried void plane.

본 발명의 다른 방법에서, 나란히 배치된 절연체/보이드 평면 구조물, 나란히 배치된 도전체/보이드 평면 구조물 및 보이드 평면 구조물의 매립층을 포함하는 반도체 복합 구조물이, 상술한 변형을 일으키는 최종의 어닐링 단계를 수행하기 전에 단계 (a) 내지 (c) 및 단계 (i) 내지 (iv)를 임의의 횟수 반복함으로써 제공된다.In another method of the present invention, a semiconductor composite structure comprising side-by-side insulator / void plane structures, side-by-side conductor / void plane structures, and buried layers of void plane structures, performs a final annealing step causing the above-described deformation. Prior to repeating steps (a) to (c) and steps (i) to (iv) any number of times.

도 1은 본 발명의 진보적인 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물을 나타내는 도면(단면도)이다. 패터닝된 SOI 및 SON의 단일층이 도시된다.1 is a diagram (section view) illustrating an advanced patterned SOI / SON composite structure of the present invention. A single layer of patterned SOI and SON is shown.

도 2는 본 발명의 진보적인 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물을 나타내는 도면(단면도)이다. 패터닝된 SOI 및 SON의 다수층이 도시된다.2 is a diagram (section view) showing an advanced patterned SOI / SON composite structure of the present invention. Multiple layers of patterned SOI and SON are shown.

도 3a 내지 3d는 도 1에 도시된 구조물을 형성하는 데 사용되는 본 발명의 기본 프로세싱 단계를 나타내는 도면(단면도)이다. 이들 도면에서, 포함되지 않지만 어닐링 단계까지의 프로세싱 단계가 도시된다.3A-3D are diagrams (sectional views) showing the basic processing steps of the present invention used to form the structure shown in FIG. In these figures, the processing steps up to the annealing step are included but not included.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 방법을 나타내는 도면(단면도)이다.4A to 4D are diagrams (sectional views) showing another method of the present invention.

패터닝된 SOI/SON 복합 구조물 및 그 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 본 발명은 본 애플리케이션을 수반하는 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 수반된 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일 및 대응하는 요소에 사용된다.The present invention providing a patterned SOI / SON composite structure and a method of manufacturing the structure will be described in detail with reference to the drawings accompanying the present application. In the accompanying drawings, the same reference numbers are used for the same and corresponding elements.

종래 기술의 프로세스 특징에 있어서의 차이 때문에, 단일의 반도체 웨이퍼 상으로의 SOI 및 SON의 집적화는 일반적이지 않다. 본 발명의 이점은 공유된 제조 프로세스에서 단일의 반도체 웨이퍼 상에 SOI 및 SON 구조물들을 임의의 소망의 패턴으로 나란히 배치하는 것이다. "반도체 웨이퍼"라는 용어는 Si, SiGe, SiC, SiGeC, GaAs, GeAs, InAs 및 InP 및 III/V 화합물 반도체 등의 반도체 재료를 포함하는 웨이퍼를 지칭하기 위하여 사용된다. "반도체 웨이퍼"라는 용어는 또한 실리콘-온-인슐레이터 기판을 포함할 수 있다.Due to differences in prior art process features, integration of SOI and SON onto a single semiconductor wafer is not common. It is an advantage of the present invention to arrange SOI and SON structures side by side in any desired pattern on a single semiconductor wafer in a shared manufacturing process. The term "semiconductor wafer" is used to refer to a wafer comprising semiconductor materials such as Si, SiGe, SiC, SiGeC, GaAs, GeAs, InAs and InP and III / V compound semiconductors. The term "semiconductor wafer" may also include a silicon-on-insulator substrate.

도 1은 본 발명의 방법들 중의 하나를 사용하여 제조될 수 있는 일반적인 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물의 단면도이다. 도 1에 도시된 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물은 Si 오버층(30)과 반도체 웨이퍼 또는 기판(10) 사이에 삽입된 매립 절연 영역(26) 및 보이드 평면(27)의 단일층을 포함한다. 매립 절연 영역(26)은 보이드 평면(27)과 나란히 배치된다. 따라서, 진보적인 복합 구조물은 단일 반도체 기판 내에 교호하는 매립 절연 영역(SOI) 및 보이드 평면(SON)의 층을 포함한다.1 is a cross-sectional view of a typical patterned SOI / SON composite structure that may be prepared using one of the methods of the present invention. The patterned SOI / SON composite structure shown in FIG. 1 includes a single layer of buried planes 26 and buried planes 26 interposed between the Si overlayer 30 and the semiconductor wafer or substrate 10. The buried insulation region 26 is disposed alongside the void plane 27. Thus, advanced composite structures include layers of buried isolation regions (SOI) and void planes (SON) alternating within a single semiconductor substrate.

진보적인 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물의 다양한 층의 두께는 구조물을 제조하는데 채용되는 프로세스 조건에 따라 변할 수 있다. 일반적으로, 매립 절연 영역 및 보이드 평면의 층은 약 5 nm 내지 약 1 ㎛의 두께, 더 바람직하게는 약 5 내지 약 200 nm의 두께를 갖는다. 매립 절연 영역 및 보이드 평면의 층의 두께는 디바이스의 요구사항에 의존하며, 본 발명에서는, 주입된 이온의 도즈량 및 HF 양극 산화 처리 동안 형성된 다공성 Si 층의 수직 깊이를 조절함으로써 제어될 수 있다.The thicknesses of the various layers of the advanced patterned SOI / SON composite structure may vary depending on the process conditions employed to fabricate the structure. In general, the buried isolation region and the layer of the void plane have a thickness of about 5 nm to about 1 μm, more preferably about 5 to about 200 nm. The thickness of the layer of the buried insulating region and the void plane depends on the requirements of the device, and in the present invention, it can be controlled by adjusting the dose amount of implanted ions and the vertical depth of the porous Si layer formed during the HF anodic oxidation treatment.

Si 오버층(30)은 단결정 구조물을 가지며, 층(30)의 두께는 일반적으로 약 2 nm 내지 약 1 ㎛, 더 바람직하게는 약 2 내지 약 100 nm의 두께를 갖는다. Si 오버층의 두께는 디바이스 요구사항에 의존하며, 본 발명에서, 열적 어닐링 동안 Si 에피 증착(Si epi deposition) 및 Si 소비량에 의해 제어될 수 있다. 기판(10)의 두께는 본 발명에서는 중요하지 않다. 패터닝된 SOI/SON 구조물의 층은 실질적으로 균일하고 다양한 SOI/SON 구조물은 고품질이다.Si overlayer 30 has a single crystal structure, and the thickness of layer 30 generally has a thickness of about 2 nm to about 1 μm, more preferably about 2 to about 100 nm. The thickness of the Si overlayer depends on the device requirements and, in the present invention, can be controlled by Si epi deposition and Si consumption during thermal annealing. The thickness of the substrate 10 is not critical to the present invention. The layers of patterned SOI / SON structures are substantially uniform and the various SOI / SON structures are of high quality.

본 발명의 일부의 실시예에서, 매립 절연 영역(26)은 매립 도전 영역으로 대체된다. 이러한 실시예에서, 패터닝된 매립 도전/SON 복합 구조물이 제공된다. 이러한 복합 구조물은, 매립 절연 영역(26)이 매립 도전 재료로 대체되는 것을 제외하고, 상기의 도 1 또는 하기의 도 2에 도시된 구조물이다.In some embodiments of the present invention, buried isolation region 26 is replaced with a buried conductive region. In this embodiment, a patterned buried conductive / SON composite structure is provided. This composite structure is the structure shown in FIG. 1 above or FIG. 2 below, except that the buried insulating region 26 is replaced with a buried conductive material.

도 2는 매립 절연 영역(26) 및 보이드 평면(27)의 다수층을 포함하는 본 발명의 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물을 나타내며, 다수층의 각각은 개별적으로 패터닝될 수 있고 상층 및 하층과 다를 수 있다. 구조물의 최하층은 기판(10)이고, 도시된 구조물의 최상층은 Si 오버층(30')이다. 본 발명은 패터닝된 매립 절연 영역 및 보이드 평면의 일층 또는 이층을 각각 포함하는 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물을 나타내지만, 본 발명은 단일 복합 구조물에 이러한 복수의 패터닝된 SOI/SON 층을 형성하는 것을 포함할 수 있다.2 shows a patterned SOI / SON composite structure of the present invention comprising multiple layers of buried isolation regions 26 and void planes 27, each of which can be individually patterned and differs from the top and bottom layers. Can be. The bottom layer of the structure is the substrate 10 and the top layer of the shown structure is the Si overlayer 30 '. While the present invention shows a patterned SOI / SON composite structure each comprising one or two layers of patterned buried isolation regions and void planes, the present invention is directed to forming such a plurality of patterned SOI / SON layers in a single composite structure. It may include.

도 2에서, 2개의 매립 SOI/SON 층(26 및 27)은 정렬될 필요가 없고 동일하게 설계되지 않을 수 있다. 그러나, 명확하게 하기 위하여, 도 2는 동일한 설계 치수를 가지며 정렬된 2개의 매립 SOI/SON 층을 나타낸다. 주어진 예시 외에, 본 발명은 각각의 매립 영역이 자신의 설계 치수를 갖는 미정렬(misaligned) SOI/SON 층을 포함한다.In FIG. 2, the two buried SOI / SON layers 26 and 27 need not be aligned and may not be designed identically. However, for clarity, FIG. 2 shows two buried SOI / SON layers having the same design dimensions and aligned. In addition to the examples given, the present invention includes a misaligned SOI / SON layer in which each buried region has its own design dimensions.

이하, 도 1 및 도 2에 도시된 패터닝된 SOI/SON 복합 구조물을 제조하는데 사용되는 진보적인 프로세싱 단계를 상세히 설명한다. 먼저, 도 3a에 도시된 구조물을 참조한다. 특히, 도 3a에 도시된 구조물은 표면 영역에 다공성 Si(12)의 층을 갖는 반도체 웨이퍼 또는 기판(10)을 포함한다. "웨이퍼" 및 "기판"이라는 용어는 본 애플리케이션에서 상호 교환적으로 사용된다. 반도체 웨이퍼는 일반적으로 임의의 소망 크기를 갖는 Si 함유 반도체 재료이다. 반도체 웨이퍼는, 필수적인 것은 아니지만, 바람직하게 p형 도핑 원자로 도핑된다. 붕소 도핑 p형 웨이퍼가 채용되면, 웨이퍼의 도펀트 농도는 일반적으로 약 1E15 내지 약 1E19 atoms/㎤, 더 바람직하게는 약 5E17 내지 1E19 atoms/㎤이다.The advanced processing steps used to fabricate the patterned SOI / SON composite structure shown in FIGS. 1 and 2 are described in detail below. First, reference is made to the structure shown in FIG. 3A. In particular, the structure shown in FIG. 3A includes a semiconductor wafer or substrate 10 having a layer of porous Si 12 in the surface area. The terms "wafer" and "substrate" are used interchangeably in this application. Semiconductor wafers are generally Si-containing semiconductor materials having any desired size. The semiconductor wafer is preferably, but not necessarily, doped with a p-type doping atom. If a boron doped p-type wafer is employed, the dopant concentration of the wafer is generally about 1E15 to about 1E19 atoms / cm 3, more preferably about 5E17 to 1E19 atoms / cm 3.

다공성 Si 층(12)은 약 100 nm 내지 약 2 ㎛의 두께, 더 바람직하게는 약 500 nm 내지 1 ㎛의 두께를 갖는 박층이다. 다공성 Si 층(12)의 다공도는 약 5 내지 약 70%, 바람직하게는 약 10 내지 약 40%이다. 다공성 Si 층은 일반적으로 반도체 웨이퍼(10)의 상부 표면 영역 또는 그 아래에 형성된다.Porous Si layer 12 is a thin layer having a thickness of about 100 nm to about 2 μm, more preferably about 500 nm to 1 μm. The porosity of the porous Si layer 12 is about 5 to about 70%, preferably about 10 to about 40%. The porous Si layer is generally formed at or below the upper surface area of the semiconductor wafer 10.

다공성 Si 층(12)은 HF 함유 용액에서 수행되는 양극 산화 처리 기술을 이용하여 형성된다. "HF 함유 용액"이라는 용어는 탄화수소, 알코올 및 물 등의 전해질과 HF의 혼합물을 지칭한다. 본 발명에서 채용되는 바람직한 전해질은 응집된 HF (49 wt% HF + 51 wt% H2O)이다. 양극 산화 처리 프로세스는, 웨이퍼가 침지되고 양으로 바이어스되는 HF 함유 배스(bath)에서 수행된다. 배스는 또한 음으로 바이어스되는 전극을 포함한다.The porous Si layer 12 is formed using an anodization technique performed in an HF containing solution. The term "HF containing solution" refers to a mixture of HF and electrolytes such as hydrocarbons, alcohols and water. Preferred electrolytes employed in the present invention are aggregated HF (49 wt% HF + 51 wt% H 2 O). The anodization process is performed in an HF containing bath in which the wafer is immersed and positively biased. The bath also includes a negatively biased electrode.

HF 양극 산화 처리는 예를 들어, 다공성 Si 및, 예를 들어, Ge 및 GaAs 등의 다른 다공성 반도체를 형성하는 공지된 기술이다. 다양한 HF 농도, 전류 및 전압 레벨, 웨이퍼의 도핑 유형(n 및 p형) 및 도펀트 농도 및 양극 산화 처리 시간을 포함하는 적절한 실험에 의해, 특정한 소망의 다공성 층 구조물에 적합한 양극 산화 처리 파라미터의 방법을 얻을 수 있다. 본 발명에서는, 웨이퍼의 표면적 전체에 걸쳐 균일한 밀도의 전류의 흐름을 허용하도록 설계되는 한, 임의의 공지된 양극 산화 처리 장치가 다공성 Si 층을 형성하는데 채용될 수 있다.HF anodic oxidation is a known technique for forming porous Si and other porous semiconductors such as, for example, Ge and GaAs. By appropriate experiments, including varying HF concentrations, current and voltage levels, doping types (n and p type) of the wafers and dopant concentrations and anodization treatment times, methods of anodizing treatment parameters suitable for a particular desired porous layer structure can be obtained. You can get it. In the present invention, any known anodizing apparatus may be employed to form the porous Si layer, so long as it is designed to allow a uniform flow of current throughout the surface area of the wafer.

본 발명에 따르면, 상술한 다공도를 달성하기 위하여, HF 양극 산화 처리는 100% 전해질에서 약 25 내지 약 50 wt%의 HF 농도, 더 바람직하게는 100% 전해질에서 약 40 내지 약 50 %의 HF 농도를 이용하여 수행된다. 양극 산화 처리는 전류 흐름에 의해 구동되므로, 전류는 통상 양극 산화 처리 동안 소망의 밀도값에서 일정하게 설정된다. 양극 산화 처리 프로세스 동안 채용된 일정한 전류 밀도는 약 0.1 내지 약 20 mA/㎠, 더 바람직하게는 약 1 내지 약 2 mA/㎠이다. Si 웨이퍼의 유형 및 도핑 밀도에 의존하여, 양극 산화 처리 동안 전류 밀도를 구동하는데 필요한 전압은 일반적으로 약 0.1 내지 약 10 볼트, 더 바람직하게는 0.5 내지 5 볼트이다. 양극 산화 처리는 일반적으로 약 실온에서 약 30초 내지 약 10분의 기간동안, 더 바람직하게는 약 1 내지 약 5분의 기간 동안, 수행된다.According to the present invention, in order to achieve the porosity described above, the HF anodic oxidation treatment is carried out in an HF concentration of about 25 to about 50 wt% in 100% electrolyte, more preferably in an HF concentration of about 40 to about 50% in 100% electrolyte. Is performed using. Since the anodic oxidation process is driven by the current flow, the current is usually set constant at the desired density value during the anodic oxidation process. The constant current density employed during the anodic oxidation process is about 0.1 to about 20 mA / cm 2, more preferably about 1 to about 2 mA / cm 2. Depending on the type and doping density of the Si wafer, the voltage required to drive the current density during the anodic oxidation process is generally about 0.1 to about 10 volts, more preferably 0.5 to 5 volts. The anodic oxidation treatment is generally performed at about room temperature for a period of about 30 seconds to about 10 minutes, more preferably for a period of about 1 to about 5 minutes.

양극 산화 처리 후에, 다공성 Si 층을 함유하는 구조물은 상승된 온도에서 수소 분위기에서 선택적으로 단시간 어닐링되어 다공성 Si 표면 상에서 실질적으로 개구 기공을 제거할 수 있다. 특히, 선택적 수소 어닐은 약 10 분 내지 약 2 시간의 기간 동안 약 800 ℃ 내지 약 1100 ℃의 온도에서 수행된다. 특히, 선택적 수소 어닐은 약 30 분 내지 약 1 시간의 기간 동안 약 850 ℃ 내지 900 ℃에서 수행된다. 수소 어닐은 통상 순수 100% 수소를 이용하여 수행된다. 그러나, 필요하면, 수소가 He, Ar 또는 Xe 등의 불활성 가스 또는 그 혼합물이 혼합될 수 있다. 가스 혼합물 내의 수소의 양은 일반적으로 약 50 내지 약 100%이다. 이 선택적 사전 어닐링 단계 동안 사용된 수소의 압력은 일반적으로 약 10 내지 약 760 Torr이다.After the anodic oxidation treatment, the structure containing the porous Si layer can be selectively annealed in a hydrogen atmosphere at elevated temperature to substantially remove opening pores on the porous Si surface. In particular, the selective hydrogen annealing is performed at a temperature of about 800 ° C. to about 1100 ° C. for a period of about 10 minutes to about 2 hours. In particular, the selective hydrogen annealing is performed at about 850 ° C. to 900 ° C. for a period of about 30 minutes to about 1 hour. Hydrogen annealing is usually carried out using pure 100% hydrogen. However, if necessary, hydrogen may be mixed with an inert gas such as He, Ar, or Xe or a mixture thereof. The amount of hydrogen in the gas mixture is generally about 50 to about 100%. The pressure of hydrogen used during this optional pre-annealing step is generally about 10 to about 760 Torr.

수소 어닐링은 개구 표면 기공을 실질적으로 제거하도록 하는 Si 원자의 표면 이동을 유도하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 상승된 온도에서, 벌크 내의 기공은 더 큰 기공으로 유착되어 표면 에너지를 최소화한다. 그러므로, 수소 어닐링 프로세스가 본 발명에 이용되는 경우, 수소 어닐링 프로세스가 너무 높은 온도에서 장기간 수행되지 않아야 한다.Hydrogen annealing is known to induce surface movement of Si atoms to substantially remove opening surface pores. However, at elevated temperatures, the pores in the bulk coalesce into larger pores to minimize surface energy. Therefore, when a hydrogen annealing process is used in the present invention, the hydrogen annealing process should not be performed for a long time at a temperature that is too high.

다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 에피-Si(epi-Si) 층(14)이 저결함 에피-Si 층을 성장시킬 수 있는 증착 방법을 이용하여 다공성 Si 층(12)상에 형성된다. 본 발명에서 채용될 수 있는 적절한 증착 방법의 예는 화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 지원 CVD 및 분자 빔 에피택셜 증착을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 단결정 구조물을 갖는 에피-Si 층의 두께는 약 100 nm 내지 약 1 ㎛이고, 더 바람직하게는 약 400 내지 약 600 nm이다. 인터페이스(13)가 다공성 Si 층 및 에피-Si 층(14) 사이에 존재한다.Next, as shown in FIG. 3B, an epi-Si layer 14 is formed on the porous Si layer 12 using a deposition method capable of growing a low defect epi-Si layer. . Examples of suitable deposition methods that may be employed in the present invention include, but are not limited to, chemical vapor deposition (CVD), plasma assisted CVD, and molecular beam epitaxial deposition. In general, the thickness of the epi-Si layer having a single crystal structure is about 100 nm to about 1 μm, more preferably about 400 to about 600 nm. An interface 13 is present between the porous Si layer and the epi-Si layer 14.

본 발명의 일 실시예에서, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 포토레지스트 또는 그 임의의 조합의 종래의 마스킹 재료가 저온 CVD 및 스핀-온 코팅(spin-on coating) 등의 종래의 증착 프로세스를 이용하여 에피-Si 층(14)의 상면에 도포될 수 있고, 그 후, 종래의 리소그래피가 에피-Si 층(14)의 하부면을 노출하는 하나 이상의 개구(20)를 갖는 패터닝된 마스크(18)에 사용된다. 패터닝된 마스크와 하나 이상의 개구를 포함하는 결과적인 구조물은 예를 들어 도 3c에 도시된다. 본 발명의 이 단계에서 사각 단면 패턴이 형성된다. 실리콘 이산화물 및 실리콘 질화물의 경우, 리소그래피 단계는, 포토레지스트를 증착하고, 방사의 패턴으로 포토레지스트를 노광하고, 종래의 레지스트 현상제를 이용하여 노광된 포토레지스트를 현상하는 것을 포함한다.In one embodiment of the present invention, conventional masking materials of silicon oxide, silicon nitride, photoresist or any combination thereof may be epitaxially utilizing conventional deposition processes such as low temperature CVD and spin-on coating. Can be applied to the top surface of the -Si layer 14, and then conventional lithography is used in the patterned mask 18 with one or more openings 20 exposing the bottom surface of the epi-Si layer 14. do. The resulting structure comprising a patterned mask and one or more openings is shown, for example, in FIG. 3C. In this step of the invention a square cross-sectional pattern is formed. In the case of silicon dioxide and silicon nitride, the lithography step includes depositing the photoresist, exposing the photoresist in a pattern of radiation, and developing the exposed photoresist using a conventional resist developer.

후속의 이온 주입 단계 동안 차단된 영역에 이온이 주입되는 것을 방지(즉, 차단)할 수 있는 한, 패터닝된 마스크의 두께가 변할 수 있다. 일반적으로, 마스크의 두께는 약 500 nm 이상이고, 더 바람직하게는 약 1 내지 약 3 ㎛일 수 있다.The thickness of the patterned mask can vary as long as it can prevent (ie, block) implantation of ions into the blocked area during subsequent ion implantation steps. Generally, the thickness of the mask is at least about 500 nm, more preferably from about 1 to about 3 μm.

다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 산소 이온(22)이 개구(20)를 통해 구조물 내로 균일하게 주입되어 인터페이스(13) 및 그 부근에 산소 주입 영역(24)을 형성한다. 특히, 산소 주입 영역은 에피-Si/다공성 Si 인터페이스 및 그보다 약간 아래에서 주입의 피크 농도가 되도록 형성된다. 패터닝된 마스크가 존재하는 영역에서, 주입된 산소 이온이 패터닝된 마스크 내에서 정지하고 하부의 에피-Si 층으로 침투하지 않는다. 역으로, 마스크가 존재하지 않는 영역에서는 주입된 산소 이온이 구조물로 침투한다.Next, as shown in FIG. 3D, oxygen ions 22 are uniformly implanted through the opening 20 into the structure to form an oxygen implantation region 24 in and near the interface 13. In particular, the oxygen injection region is formed to be the peak concentration of the implant at and slightly below the epi-Si / porous Si interface. In the region where the patterned mask is present, the implanted oxygen ions stop within the patterned mask and do not penetrate into the underlying epi-Si layer. Conversely, implanted oxygen ions penetrate into the structure in the region where no mask is present.

산소 주입은 임의의 종래 이온 주입 장치를 이용하여 형성될 수 있고 임의의 종래 이온 주입 조건이 본 발명에서 채용될 수 있다. 예를 들어, 산소 이온 주입은 약 1E16 내지 약 2E18 atoms/㎠의 산소 이온 도즈량, 약 50 KeV 내지 약 10 MeV의 주입 에너지, 약 0.05 내지 약 500 mA/㎠의 이온 빔 전류 밀도 및 약 480 ℃ 내지 약 650 ℃의 주입 온도를 이용하여 수행될 수 있다. 더 바람직하게, 산소 이온 주입은 약 5E16 내지 약 2E17 atoms/㎠의 산소 이온 도즈량, 약 150 내지 약 300 KeV의 주입 에너지, 약 1.0 내지 약 10 mA/㎠의 이온 빔 전류 밀도 및 약 550 ℃ 내지 약 600 ℃의 주입 온도를 이용하여 수행될 수 있다. 상술한 것 이외의 다른 이온 주입 조건이 또한 고려될 수 있다. 이 고온 주입 단계 후에 참고로 여기에 기재된 미국 특허 제5,930,643, 6,043,166 및 6,090,689 호에 기재된 실온 주입이 수행된다.Oxygen implantation may be formed using any conventional ion implantation apparatus and any conventional ion implantation conditions may be employed in the present invention. For example, oxygen ion implantation may include an oxygen ion dose of about 1E16 to about 2E18 atoms / cm 2, an implantation energy of about 50 KeV to about 10 MeV, an ion beam current density of about 0.05 to about 500 mA / cm 2, and about 480 ° C. To about 650 ° C. More preferably, the oxygen ion implantation comprises an oxygen ion dose of about 5E16 to about 2E17 atoms / cm 2, an implantation energy of about 150 to about 300 KeV, an ion beam current density of about 1.0 to about 10 mA / cm 2, and about 550 ° C. to It can be carried out using an injection temperature of about 600 ℃. Ion implantation conditions other than those described above may also be considered. After this hot injection step, room temperature injections described in US Pat. Nos. 5,930,643, 6,043,166 and 6,090,689 described herein are performed.

산소 이온은 단일 단계에서 주입되거나 다수의 이온 주입 단계가 채용될 수 있다. 주입은 연속적인 주입이거나 펄스 주입일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 산소 이온은 후속의 고온 어닐링 프로세스를 수행할 때 구조물 내의 매립 절연 영역을 형성할 수 있는 질소 이온 또는 산소 및 질소 이온의 결합으로 대체된다. 질소 이온의 주입은 본 기술에 숙련된 자에게 잘 알려진 주입 조건을 포함하는 임의의 이온 주입 프로세스를 이용하여 수행된다.Oxygen ions may be implanted in a single step or multiple ion implantation steps may be employed. The injection can be a continuous injection or a pulse injection. In another embodiment of the present invention, the oxygen ions are replaced with nitrogen ions or combinations of oxygen and nitrogen ions that can form a buried insulating region in the structure when performing a subsequent high temperature annealing process. Implantation of nitrogen ions is performed using any ion implantation process including implant conditions well known to those skilled in the art.

본 발명의 다른 실시예에서, 주입된 이온은 Mo, Ta, W 및 Si와 합금될 때 약 1300 ℃보다 높은 공융 온도를 갖는 내화(refractory) 금속 등의 금속 이온이다. 이들 금속 이온은 이하에서 더 자세히 설명될 후속의 고온 어닐링 프로세스가 수행될 때 매립 도전 영역을 형성할 수 있다. 이 실시예에서, 교호하는 매립 도전 영역 및 보이드 평면을 포함하는 층이 형성될 수 있다.In another embodiment of the present invention, the implanted ions are metal ions such as refractory metals having a eutectic temperature higher than about 1300 ° C. when alloyed with Mo, Ta, W and Si. These metal ions may form a buried conductive region when a subsequent high temperature annealing process is described in more detail below. In this embodiment, a layer including alternating buried conductive regions and a void plane can be formed.

주입 단계 후에, 패터닝된 마스크는 일반적으로 본 기술에 숙련된 자에게 잘 알려진 종래의 스트리핑(stripping) 프로세스를 이용하여 구조물의 표면으로부터 제거된다. 다른 실시예에서, 패터닝된 마스크는 어닐링 프로세스가 수행된 후까지 제거되지 않는다. 그러나, 본 발명에서, 패터닝된 마스크는 어닐링 단계 이전에 제거되는 것이 바람직하다.After the implantation step, the patterned mask is generally removed from the surface of the structure using conventional stripping processes well known to those skilled in the art. In another embodiment, the patterned mask is not removed until after the annealing process is performed. However, in the present invention, the patterned mask is preferably removed before the annealing step.

어닐링은, 예를 들어, 도 1에 도시된 구조물을 제공하도록 수행된다. 특히, 본 발명의 이 시점에 채용되는 어닐링 단계는, 산소 이온을 포함하지 않는 영역을 보이드 평면(26)으로 변형시키면서, 주입된 산소 영역(24)을 매립 산화물 영역(26)으로 변형시킬 수 있는 고온 어닐링이다. 영역(26 및 27) 상의 층은 Si 오버층(30)이다. 산소 이외의 다른 이온이 채용되면, 매립 산화물 영역 대신에 매립 절연 영역이 사용된다. 도전 이온이 채용되면, 매립 산화물 영역 대신에 매립 도전 영역이 형성된다.Annealing is performed, for example, to provide the structure shown in FIG. 1. In particular, the annealing step employed at this point in the present invention is capable of transforming the injected oxygen region 24 into a buried oxide region 26 while deforming the region not containing oxygen ions into the void plane 26. High temperature annealing. The layer over regions 26 and 27 is Si overlayer 30. If ions other than oxygen are employed, buried insulating regions are used instead of buried oxide regions. When conductive ions are employed, buried conductive regions are formed instead of buried oxide regions.

이 매립 산화물/보이드 형성에 있어서, 다공성 Si가 소비되고 에피-Si 층이 표면 산화에 의해 얇게 될 수 있고, 그 결과, 표면 산화물이 제거될 때 본래의 에피-Si 층보다 훨씬 얇은 Si 오버층(30)이 얻어진다. 일부의 실시예에서, 도시되지 않았지만, 표면 산화물이 복합 구조물 상에 잔존한다.In this buried oxide / void formation, porous Si is consumed and the epi-Si layer can be thinned by surface oxidation, resulting in a much thinner Si overlayer (which is much thinner than the original epi-Si layer when the surface oxide is removed). 30) is obtained. In some embodiments, although not shown, surface oxides remain on the composite structure.

본 발명에 따르면, (매립 도전 영역뿐만 아니라) 매립 절연 영역은 주입된 이온과 다공성 Si 사이의 열적 상호작용에 의해 형성된다. 보이드 평면은 기공 유착에 의해 형성된다. "보이드 평면"이라는 용어는 Si 오버층과 기판 사이에 공기를 제외하고 어떠한 것도 존재하지 않는 갭을 지칭한다.According to the invention, buried insulating regions (as well as buried conductive regions) are formed by thermal interaction between implanted ions and porous Si. The void plane is formed by pore coalescence. The term "void plane" refers to a gap between the Si overlayer and the substrate in which nothing exists except air.

고온 어닐링은 약 2 시간 이상의 기간 동안 약 1300 ℃이상이며 1415 ℃의 Si 용융점 미만의 온도에서 수행된다. 더 바람직하게, 고온 어닐링 단계는 약 5 내지 약 10 시간의 기간 동안 약 1300 ℃ 내지 약 1350 ℃의 온도에서 수행된다. 고온 어닐링은 100% 순수 산소, 불활성 가스 또는 N2 또는 불활성 가스 및 N2이 혼합된 산소, 불활성 가스 또는 N2 또는 그들의 혼합물, 또는 진공에서 수행될 수 있다. 산소 함유 혼합물이 채용되면, 산소는 일반적으로 약 0.25 내지 약 99.75%의 농도, 더 바람직하게는 약 2 내지 약 25%의 농도로 존재한다. 100%까지 이르기 위한 혼합물의 나머지는 불활성 가스, N2, 또는 불활성가스 및 N2이다.The high temperature annealing is performed at a temperature below about 1300 ° C. and below the Si melting point of 1415 ° C. for a period of at least about 2 hours. More preferably, the high temperature annealing step is performed at a temperature of about 1300 ° C. to about 1350 ° C. for a period of about 5 to about 10 hours. The high temperature annealing can be carried out in 100% pure oxygen, inert gas or N 2 or inert gas and N 2 mixed oxygen, inert gas or N 2 or mixtures thereof, or in vacuum. If an oxygen containing mixture is employed, oxygen is generally present at a concentration of about 0.25 to about 99.75%, more preferably at a concentration of about 2 to about 25%. The remainder of the mixture up to 100% is inert gas, N 2 , or inert gas and N 2 .

어닐링 단계는 단일 상승(ramp-up) 레이트 및 냉각(cool down) 레이트가 채용되는 연속적인 가열 방식을 이용하여 형성될 수 있다. 대안으로, 고온 어닐링 단계는 다양한 상승 레이트, 침액(soak) 및 냉각 레이트를 포함할 수 있다.The annealing step can be formed using a continuous heating scheme in which a single ramp-up rate and cool down rate are employed. Alternatively, the high temperature annealing step can include various rising rates, soaks and cooling rates.

고온 어닐링 단계 동안, 기판(10)에 존재하는 도펀트는 기판(10)으로부터 Si 오버층(30)으로 확산될 수 있다. Si 오버층(30)의 도핑 농도의 레벨이 너무 높으면, 주어진 디바이스 애플리케이션에 대하여, 도 1에 도시된 구조물이 후속 수소 어닐링 처리된다. 후속 수소 어닐링은 상술한 선택적 수소 어닐링과 같은 또는 다른 조건을 포함한다. 본 발명에서 채용될 수 있는 바람직한 후속 수소 어닐링은 1100 내지 1150 ℃에서 저압(80 Torr 이하) 수소 분위기에서 0.25 내지 3 시간의 어닐링이다.During the high temperature annealing step, dopants present in the substrate 10 may diffuse from the substrate 10 into the Si overlayer 30. If the level of doping concentration of the Si overlayer 30 is too high, for a given device application, the structure shown in FIG. 1 is subsequently hydrogen annealed. Subsequent hydrogen annealing includes the same or other conditions as the selective hydrogen annealing described above. Preferred subsequent hydrogen annealing that may be employed in the present invention is an annealing of 0.25 to 3 hours in a low pressure (80 Torr or less) hydrogen atmosphere at 1100 to 1150 ° C.

본 발명의 일부의 실시예에서, 상기의 도 3a 내지 도 3d의 프로세싱 단계는 고온 어닐링을 수행하기 전에 반복되어 예를 들어 도 2에 도시된 구조물을 제공할수 있다.In some embodiments of the present invention, the processing steps of FIGS. 3A-3D above may be repeated before performing high temperature annealing to provide the structure shown, for example, in FIG. 2.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기에서 제공된 보이드 평면은 본 기술에 숙련된 자에게 잘 알려진 프로세싱 단계를 이용하여 기체, 액체 또는 고체로 충전될 수 있다. 기체는 공기 이외의 기체이다.In another embodiment of the present invention, the void planes provided above may be filled with gas, liquid or solid using processing steps well known to those skilled in the art. The gas is a gas other than air.

본 발명의 다른 실시예에서, 마스크를 도포하고 마스크를 패터닝하는 단계가 제거될 수 있다. 이 예에서, 이온이 구조물의 소정의 면적에만 주입되는 선택적 이온 주입 프로세스가 사용될 수 있다.In another embodiment of the present invention, applying the mask and patterning the mask can be eliminated. In this example, a selective ion implantation process may be used in which ions are implanted only in a predetermined area of the structure.

본 발명의 다른 실시예에서, HF 양극 산화 처리 단계는 기공 대신에 간극 또는 보이드를 형성하는 프로세스로 대체된다.In another embodiment of the present invention, the HF anodic oxidation step is replaced by a process of forming gaps or voids instead of pores.

본 발명의 다른 방법에서, 매립 보이드 평면만이 반도체 웨이퍼에 형성된다. 본 발명의 이 방법은 도 4a 내지 도 4d에 도시된다.In another method of the present invention, only a buried void plane is formed in the semiconductor wafer. This method of the invention is shown in FIGS. 4A-4D.

도 4a는 반도체 웨이퍼(10)의 표면상에 HF-저항 포토레지스트(18')의 패터닝된 마스크가 형성된 후의 구조물을 나타낸다. 패터닝된 포토레지스트는 상술한 프로세싱 단계를 이용하여 형성된다. 도시한 바와 같이, 패터닝된 포토레지스트(18')는 반도체 웨이퍼의 부분을 노출하는 하나 이상의 개구(20)를 갖는다.4A shows the structure after the patterned mask of HF-resistive photoresist 18 'is formed on the surface of the semiconductor wafer 10. The patterned photoresist is formed using the processing steps described above. As shown, the patterned photoresist 18 'has one or more openings 20 that expose portions of the semiconductor wafer.

다음으로, 도 4b에 도시한 바와 같이, 다공성 Si 영역(12)이 상술한 HF 양극 산화 처리 프로세스를 이용하여 반도체 웨이퍼의 노출된 부분에 형성되고, 그후, 패터닝된 포토레지스트가 제거되고, 다공성 Si 영역을 갖는 인터페이스(13)를 형성하면서 에피-Si(14)가 다공성 Si 영역(12)을 포함하는 전체 구조물 상에 형성된다 (도 4c 참조). 에피-S가 상술한 증착 프로세스 중의 하나를 이용하여 형성된다.Next, as shown in FIG. 4B, a porous Si region 12 is formed in the exposed portion of the semiconductor wafer using the HF anodization process described above, after which the patterned photoresist is removed and the porous Si is removed. Epi-Si 14 is formed on the entire structure including the porous Si region 12 while forming the interface 13 with regions (see FIG. 4C). Epi-S is formed using one of the deposition processes described above.

그 후, 도 4c에 도시된 구조물이 기공 유착에 의해 다공성 Si를 매립 보이드 평면(27)로 변형시키도록 하는 상승된 온도에서 어닐링된다. 고온 어닐링은 상술한 조건을 포함한다. 그 결과의 구조물은 예를 들어 도 4d에 도시된다. 보이드 평면은 상술한 바와 같이 기체, 액체 또는 고체로 충전될 수 있다. 또한, 어닐링 전에 도 4a 내지 도 4c에 도시된 프로세싱 단계를 반복함으로써 보이드 평면의 다수층이 형성될 수 있다.Thereafter, the structure shown in FIG. 4C is annealed at elevated temperature to deform the porous Si into buried plane 27 by pore coalescence. High temperature annealing includes the conditions described above. The resulting structure is shown, for example, in FIG. 4D. The void plane may be filled with gas, liquid or solid as described above. In addition, multiple layers of the void plane can be formed by repeating the processing steps shown in FIGS. 4A-4C before annealing.

본 발명의 다른 실시예에서, 고온 어닐링을 수행하기 전에 도 3a 내지 도 3d 및 도 4a 내지 도 4c의 프로세싱 단계가 임의의 횟수 반복되어 매립 절연 영역, 도전 영역 및 보이드 평면을 포함하는 반도체 복합 구조물을 제공할 수 있다.In another embodiment of the invention, prior to performing the high temperature annealing, the processing steps of FIGS. 3A-3D and 4A-4C are repeated any number of times to form a semiconductor composite structure comprising buried insulating regions, conductive regions and void planes. Can provide.

가능하면, 도 2의 매립 절연 영역, 도전 영역 및 보이드 평면은 비어홀을 통해 표면에 접속되고 서로 접속될 수 있다. 비어홀은 절연 재료 또는 도전 재료로 충전되거나 보이드로서 남을 수도 있다. 비어홀을 형성하고 비어홀을 절연 또는 도전 재료로 채우는 방법 및 프로세싱 단계는 본 기술에 숙련된 자에게 자명하다.If possible, the buried insulating area, the conductive area and the void plane of FIG. 2 may be connected to the surface and via each other via via holes. The via hole may be filled with an insulating material or a conductive material or may remain as a void. Methods and processing steps for forming the via holes and filling the via holes with insulating or conductive materials are apparent to those skilled in the art.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 상술한 형태 및 세부 사항으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 첨부된 도면의 사상과 범위 내에 있다.Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications are possible without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described forms and details, and the present invention is within the spirit and scope of the accompanying drawings.

Claims (38)

반도체 기판;Semiconductor substrates; 서로 옆에 배치되고 상기 반도체 기판 상에 배치되는, 패터닝된 매립 도전 영역과 보이드 평면(void plane)을 갖는 하나 이상의 층; 및At least one layer disposed next to each other and having a patterned buried conductive region and a void plane disposed on the semiconductor substrate; And 상기 패터닝된 매립 도전 영역과 보이드 평면을 갖는 상기 하나 이상의 층의 상부에 배치되며, 미리결정된 두께를 갖는 Si 오버층(over-layer)A Si over-layer having a predetermined thickness disposed on top of the one or more layers having the patterned buried conductive region and the void plane 을 포함하고,Including, 상기 매립 도전 영역은 주입된 내화(refractory) 금속 이온을 포함하고,The buried conductive region comprises implanted refractory metal ions, 상기 Si 오버층은 단결정 구조물을 갖는 것을 특징으로 하는, 반도체 복합 구조물.And said Si overlayer has a single crystal structure. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 Si 오버층은 2 nm 내지 1 ㎛의 두께를 갖는 것인, 반도체 복합 구조물.The semiconductor composite structure of claim 1, wherein the Si overlayer has a thickness of 2 nm to 1 μm. 제1항에 있어서, 상기 주입된 내화 금속 이온은, Si와 합금될 때 1300℃보다 높은 공융 온도를 갖는 것인, 반도체 복합 구조물.The semiconductor composite structure of claim 1, wherein the implanted refractory metal ions have a eutectic temperature higher than 1300 ° C. when alloyed with Si. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 Si 오버층 상에 배치된 표면 산화물을 더 포함하는 것인, 반도체 복합 구조물.The semiconductor composite structure of claim 1, further comprising a surface oxide disposed on the Si overlayer. 제1항에 있어서, 상기 주입된 내화 금속 이온은 Mo, Ta, 및 W로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인, 반도체 복합 구조물.The semiconductor composite structure of claim 1, wherein the implanted refractory metal ions are selected from the group consisting of Mo, Ta, and W. 3. 반도체 복합 구조물을 형성하는 방법으로서,As a method of forming a semiconductor composite structure, (a) 반도체 웨이퍼의 표면 영역에 다공성 Si의 층을 형성하는 단계;(a) forming a layer of porous Si in the surface region of the semiconductor wafer; (b) 상기 다공성 Si의 층 상에 에피-Si(epi-Si) 층을 형성하는 단계로서, 상기 에피-Si 층과 다공성 Si의 층 사이에는 인터페이스가 존재하는 것인, 상기 에피-Si 층을 형성하는 단계;(b) forming an epi-Si layer on the layer of porous Si, wherein an epi-Si layer is present between the epi-Si layer and the layer of porous Si. Forming; (c) 상기 인터페이스 또는 그 부근에 주입 영역을 형성하기 위해 상기 반도체 웨이퍼의 미리결정된 영역에 이온을 선택적으로 주입하는 단계; 및(c) selectively implanting ions into a predetermined region of the semiconductor wafer to form implant regions in or near the interface; And (d) 다공성 Si의 주변층과의 반응에 의해 주입 영역을 매립 절연 영역으로 변형시키고 기공 유착(pore coalescene)에 의해 비주입 다공성 Si를 매립 보이드 평면으로 변형시키는 온도와, 산소-포함 환경에서 상기 웨이퍼를 어닐링하는 단계(d) the temperature at which the injection region is transformed into a buried isolation region by reaction with the periphery layer of porous Si and the non-injected porous Si is transformed into a buried plane of plane by a pore coalescene, and in an oxygen-containing environment Annealing the wafer 를 포함하는 반도체 복합 구조물 형성 방법.Method for forming a semiconductor composite structure comprising a. 제14항에 있어서, 상기 다공성 Si의 층 내의 개구 표면 기공을 실질적으로 제거하기 위해 상기 단계 (a) 및 (b) 사이에 수소 어닐링 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는 반도체 복합 구조물 형성 방법.15. The method of claim 14, further comprising performing a hydrogen annealing step between the steps (a) and (b) to substantially remove the opening surface pores in the layer of porous Si. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제14항에 있어서, 단계 (d)를 수행하기 전에 단계 (a) 내지 (c)를 임의의 횟수 반복하는 단계를 더 포함하는 반도체 복합 구조물 형성 방법.15. The method of claim 14, further comprising repeating steps (a) through (c) any number of times before performing step (d). 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 매립 SON(Silicon-On-Nothing) 구조물을 포함하는 반도체 복합 구조물을 형성하는 방법으로서,A method of forming a semiconductor composite structure including a buried silicon-on-nothing (SON) structure, (i) 반도체 웨이퍼 상에 패터닝된 포토레지스트를 형성하는 단계로서, 상기 패터닝된 포토레지스트는 상기 반도체 웨이퍼의 부분을 노출하는 하나 이상의 개구를 갖는 것인, 상기 패터닝된 포토레지스트를 형성하는 단계;(i) forming a patterned photoresist on a semiconductor wafer, wherein the patterned photoresist has one or more openings that expose portions of the semiconductor wafer; (ii) 상기 반도체 웨이퍼의 상기 노출된 부분의 표면 영역에 다공성 Si를 형성하는 단계;(ii) forming porous Si in the surface region of the exposed portion of the semiconductor wafer; (iii) 상기 패터닝된 포토레지스트를 제거하는 단계;(iii) removing the patterned photoresist; (iv) 상기 다공성 Si를 포함하는 웨이퍼 상에 에피 Si를 형성하는 단계; 및(iv) forming epi Si on the wafer comprising porous Si; And (v) 상기 다공성 Si를 매립 보이드 평면으로 변형시키는 상승된 온도에서 상기 웨이퍼를 어닐링하는 단계(v) annealing the wafer at an elevated temperature that transforms the porous Si into a buried void plane 를 포함하는 반도체 복합 구조물 형성 방법.Method for forming a semiconductor composite structure comprising a. 삭제delete
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