KR100198618B1 - 반도체기판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체기판의 제조방법에 관한 것으로, 양질의 실리콘 활성층을 형성할 수 있으므로 고품질의 반도체소자의 제조에 적합하도록 한 것이다.

본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법은 실리콘기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘 기판에 실리콘이온을 주입하는 단계; 상기 실리콘기판에 산소이온을 주입하는 단계; 상기 실리콘기판을 열산화시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

반도체기판의 제조방법

제1도는 종래 제 1 실시예인 반도체기판의 단면도.

제2도는 종래 제 2 실시예인 반도체기판의 단면도.

제3a∼3b도는 종래 제 3 실시예인 반도체기판의 공정단면도.

제4a∼4e도는 본 발명에 따른 반도체기판의 공정단면도.

제5a∼5c도는 본 발명에 따른 반도체기판내에서의 Si와 O이온의 상호반응 메카니즘 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 실리콘기판 12 : 열산화막

12a : 실리콘 산화막 13 : 매립실리콘 산화막

본 발명은 반도체소자의 제조시에 필요한 반도체기판에 관한 것으로, 특히 고품질의 반도체소자의 제조에 적합하도록 한 반도체기판의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체소자를 제조함에 있어서, 반도체소자의 집적화 및 고품질화(저소모전력, 고속동작 등)가 요구되면서 상기 반도체소자 제조에 필요로 하는 반도체기판 형성방법으로는 SOI(Silicon On Insulator) 기판기술이 제안되었다.

상기 SOI 기판기술로는 제1도와 같이 절연막(insulator)과 절연막(insulator) 표면을 서로 본딩(bonding)하고 폴리싱(polishing)하는 방식의 웨이퍼 본딩(wafer bonding)방식과 실리콘과, 격자구조가 비슷한 단결정 Al₂O₃기판(sappire)에 실리콘을 단결정 막으로 성장시키는 방식의 SOS(Silicon On Sappire) 기술과, 제2도와 같이 절연막(insulator)위의 다결정이나 무결정 실리콘막을 코팅(coating)하고 시드 결정(seed crystal)을 이용하며 국소용융(melting)과 제결정을 되풀이하는 방식의 ZMR(Zone-Melting-Recrystallization) 기술과, 제3a∼3b도와 같이 실리콘 기판(1)에 산소(Oxygen)나 질소(Nitrogen)을 이온주입하고 열처리하여 절연층을 실리콘기판(1)내에 매립하는 방식의 Simox(Separation by implanted oxygen) 기술들이 있다.

상기와 같은 SOI 기술들은 종래에는 그 제조기술이 미성숙되어 제한된 영역의 특수 용도의 제조(예를 들면, 전자부품 제조)에 사용되었다.

그러나 앞으로 예견되는 SOI 기술의 큰 장점때문에 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.

상기 기판제조 기술들중에서 대표적으로 발전된 SOI 기술로는 웨이퍼 본딩(wafer bonding)기술과 Simox 기술을 들 수 있다.

특히, Simox 기술은 실리콘 웨이퍼(wafer)에 산소(Oxygen)이온을 주입하고 열처리 하여 기판에 절연막(SiO₂)를 매립하는 방식으로 이루어지기 때문에 그 공정방식이 간단하여 그 연구가 활발하게 진행되어 왔다.

상기 종래 Simox 형태의 반도체기판의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

제3a∼3b도는 종래의 제 3 실시예인 반도체기판의 제조공정 단면도이다.

종래 반도체기판의 제조방법은, 먼저 제3a도에 도시된 바와 같이. 실리콘기판(1)에 산소이온(oxygen ion)을 악 150∼180Kev의 이온주입에너지로 가속시켜 약 2.0 ×10¹⁸ion/㎠의 도우즈(dose)로 이온주입(ion implantation)한다.

이때 상기 실리콘기판(1)은 표면의 결정성을 유지하기 위하여 악 400℃ 이상의 온도를 유지한다.

이어서 제3b도에 도시된 바와 같이, 상기 산소이온 주입 후 질소(N₂) 분위기로 약 1100∼1175℃의 고온에서 장시간(약 3∼5시간)동안 열처리하여 실리콘기판(1)내에 매립실리콘 산화막(2)을 형성한다.

이때, 상기 매립실리콘 산화막(2)은 앞선 공정에서 이온주입된 산소(Oxygen)이온과 격자내의 Si 이온이 상호 결합되므로서 형성된다.

상기에서와 같이 종래의 반도체기판의 제조방법에 있어서는 공정단계(step)가 종래의 일반적인 IC 제조방법과 유사하기 때문에 쉽게 적용가능함은 물론 공정단계가 간단하고, 용이하므로 기존의 IC 제조공정에 적용하여 집적화(Integration)할 수 있는 장점을 갖고 있다.

그러나, 종래의 반도체기판의 제조방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 종래 반도체기판의 제조방법에 있어서는 고농도 산소이온 주입을 요구하기 때문에 성능이 우수하고 가격이 비싼 이온주입(Implantation) 장비를 필요로 한다.

둘째, 종래 반도체기판의 제조방법에 있어서는 고농도 이온주입을 실시해야 하기 때문에 웨이퍼(wafer) 제조시 장시간의 공정처리 시간이 요구되므로 생산원가가 높아진다.

셋째, 종래 반도체기판의 제조방법에 있어서는 반도체기판내에 이온주입된 산소이온과 반도체기판내의 Si 이온이 반응하여 매립실리콘 산화막(SiO₂)를 형성하므로 매립실리콘 산화막(SiO₂)을 두껍게 형성하기가 어렵다.

넷째, 종래 반도체기판의 제조방법에 있어서는 단결정 실리콘 기판에 많은 결정결함이 존제하기 때문에 그 위에 제조되는 소자의 특성 만족과 신뢰성 확보가 어렵다.

본 발명은 상기 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 양질의 실리콘 활성층을 형성할 수 있어 고품질의 반도체소자 제작에 적합하도록 한 반도체기판의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법은 실리콘기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘기판에 실리콘이온을 주입하는 단계; 상기 실리콘기판에 산소이온을 주입하는 단계; 상기 실리콘기판을 열산화시키는 단계를 포함하여 이루어짐에 특징이 있다.

본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제4a∼4e도는 본 발명에 따른 반도체기판의 제조공정 단면도이다.

본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법은, 먼저 제4a도에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(11)을 준비하고, 상기 실리콘기판(11)을 H₂/O₂분위기로 약 900℃ 온도하에서 일정시간동안 열처리하여 열산화막(12)을 약 200∼500Å 두께로 상기 실리콘기판(11)위에 성장시킨다.

이어서 제4b도에 도시된 바와 같이, 실리콘(Si)이온을 약 400∼600KeV 이온주입에너지 및 약 5.0e17/㎠∼5.0e18/㎠ 도우즈량으로 상기 실리콘기판(11)에 주입한다.

그 다음 제4c도에 도시된 바와 같이, 산소(O₂)이온을 약 180KeV 이온주입에너지 및 약 2.0∼5.0e17/㎠ 도우즈랑으로 이온주입한다.

이어서 제4d도에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(11)을 퍼니스(furnace)내에 이동시켜 H₂/O₂/CO₂혼합가스 분위기로 약 1100∼1300℃ 온도하에서 일정시간동안 열산화 시킨다.

이렇게 하여 상기 실리콘기판(11)내에 매립실리콘 산화막(13)을 형성하고, 상기 실리콘 기판(11) 표면에 앞선 공정에서 형성된 열산화막(12)이 열처리 즉, 열산화되면서 실리콘 산화막(12a)을 형성한다.

그 다음 제4e도에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(11) 표면에 생성된 실리콘 산화막(12a)을 제거하여 반도체기판 제조를 완료한다.

상기와 같이 제조되는 본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법에 있어서의 반응 메카니즘(reactive mechanism)을 제5a∼5c도를 참조하여 설명하면, 제5a∼5c도는 반도체기판 내부에서의 Si과 O 이온들의 상호반응 메카니즘을 설명한 개략도이다.

먼저, 제5a도에 도시된 바와 같이, 실리콘기판에 Si⁺이온과 O⁺이온이 함께 이온 주입하고 열산화 분위기에서 열처리하는 경우에, Si 이온이 실리콘기판(11) 표면으로 확산되어 이동할 때 매립 실리콘 산화막(13)으로 산소이온이 표면으로부터의 확산을 도와 매립실리콘 산화막(buried silicon oxide)의 성장을 촉진시킨다.

또한 제5b도에 도시된 바와 같이, 이온주입후에 실리콘기판(11)내부에 존재하는 잉여의 Si 이온은 실리콘기판(11) 표면으로 확산되어 기판의 표면에 양질의 Si 에피택셜(epitaxy)층을 형성한다.

그리고 제5c도에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(11) 내부에 이온주입된 Si 이온은 높은 에너지 상태를 유지하므로 산소이온의 게더링 소오스(gettering source)나 불순물의 게더링 소오스가 된다.

따라서 기판(11) 표면으로부터 확산되면서 유입되는 산소이온은 실리콘기판(11) 내부에 형성되는 매립실리콘 산화막(13) 성장을 도와주기 때문에 저농도의 산소이온 주입으로도 매립실리콘 산화막을 충분히 형성할 수 있다.

상기에서와 같이 본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법에 있어서는 다음과 같은 특징이 있다.

첫째, 본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법에 있어서는 저농도의 산소이온주입으로 실리콘 기판내에 매립 실리콘산화막을 형성할 수 있으므로 고농도의 이온주입시에 매립실리콘 산화막이외의 기판표면과 매립실리콘 산화막사이의 소자 활성영역에 생기는 산소침전(oxygen precipitates)을 최소화할 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법에 있어서는 실리콘이온의 상호 확산을 통해 기판 표면으로부터의 산소이온의 확산을 활성화시켜 양질의 매립실리콘 산화막을 형성할 수 있다.

셋째, 본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법에 있어서는 기판내부에 이온주입된 잉여의 실리콘이온을 기판의 표면으로 확산시켜 기판표면에 고체상해의 에피택셜층을 형성할 수 있으므로 양질의 실리콘 활성층을 형성할 수 있다.

넷째, 본 발명에 따른 반도체기판의 제조방법에 있어서는 이온주입된 실리콘이온층이 게더링사이트(getterlng site)가 되어 산소이온이나 불순물이온을 게더링하므로 양질의 실리콘 활성층 형성에 적합하다.

Claims (9)

1. 실리콘기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘기판에 실리콘이온을 주입하는 단계; 상기 실리콘기판에 산소이온을 주입하는 단계; 상기 실리콘기판을 열산화시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘이온 주입과 산소이온 주입의 순서는 서로 바꾸어 진행가능함을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘이온은 약 5.0×1017∼5.0×1017/㎠ 도우즈와 약 400-600KeV이온주입 에너지로 실리콘기판에 이온주입함을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 산소이온은 약 2.0×1017∼5.0×1017/㎠ 도우즈와 약 180KeV 이온주입 에너지로 실리콘기판에 이온주입함을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 열산화시키는 단계는 H2/O2/CO2의 혼합가스 분위기로 약 1100∼1300℃ 온도하에서 진행함을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 실리콘기판에 실리콘이온을 주입하기 전에 열산화막을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 열산화막은 H2/O2 분위기로 약 900℃ 온도하에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 열산화막은 약 200-500Å 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.
9. 제6항에 있어서, 실리콘기판표면에 상기 열산화막이 열산화되면서 생성된 실리콘 산화막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체기판의 제조방법.