KR100400684B1 - 반도체물질 박막의 제조방법 - Google Patents

반도체물질 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 방법은 다음의 단계들을 포함하는 바:
- 반도체 웨이퍼(10) 내에 이온을 주입(12)하여 상기 웨이퍼 내에 가스상 마이크로블리스터(16)의 분열층을 만들고,
-마이크로블리스터층을 따라 표면층(18)이 웨이퍼의 나머지 부분으로부터의 분리가 일어나도록 상기 웨이퍼를 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 상기 주입이 주어진 최소깊이와 같거나 그 이상으로 수행되어 얻어진 박막이 단단하고 상기 열처리가 박막을 방출할 수 있도록 한다.

Description

반도체물질 박막의 제조방법
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은,
- 반도체의 결정학적 평면에 거의 평행한 반도체물질의 기판표면을 통해 이온주입을 하여 웨이퍼 내 표면층의 범위를 정하는 기체 마이크로블리스터로 이루어진 분열(cleavage)층을 웨이퍼 내에 형성하고,
- 결정 재배열효과와 기체 마이크로블리스터의 압력효과에 의해, 마이크로블리스터 층을 따라 상기 표면층을 상기 웨이퍼의 나머지 부분으로부터 분리할 수 있도록 하는 온도에서 상기 웨이퍼를 열처리하는 단계로 구성되되, 이온주입깊이가, 충분히 단단하여 상기 열처리가 이를 떼어 놓을 수 있는 것인, 상기 표면층을 포함하는 박막을 얻기 위한 소정의 최소깊이와 같거나 그 이상이 되도록 하는 에너지에서 상기 주입이 되어지는 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법을 제공한다.
본 발명의 상기 목적에서, "기체인 마이크로블리스터"는 수소 가스 또는 희(稀) 가스 이온을 물질 내에 주입함으로써 생성된 어떠한 공동(cavity) 또는 마이크로-공동을 지칭한다. 공동은 매우 평탄화된 형, 달리말해 예컨데 수 개의 원자간 거리 정도의 매우 낮은 높이를 가지거나, 또는 거의 구형일 수 있거나, 또는 상기두 가지 형상과는 다른 형상일 수 있다. 이러한 공동은 자유 기체 상 및/또는 상기 공동의 벽을 형성하는 물질원자 위에 부착된 주입이온으로부터 나온 가스 원자를 함유할 수 있다. 이러한 공동은 대개 "작은 판", "마이크로블리스터", 또는 "버블"이라고까지 불려진다.
나아가, 단단한 박막은 그 기계적 성질이 팽창, 블리스터 및 제2단계 적용 중의 블리스터의 터짐이 출현하지 않도록 하기에 충분한 것이고, 따라서 전체 표면의 분리에서 제2단계 결과를 적용하지 않아도 되는 것이다. 따라서 박막의 방출은 막의 완전한 분리를 의미한다. 본 발명의 방법에 의하여 얻어진 상기 막은 자영(self-supporting)될 수 있는 다시 말해서 기계적으로 독립되어지고 직접 사용되어질 수 있는 것이다.
반도체 믈질의 웨이퍼는 단결정이거나 다결정일 수 있다.
나아가 상기 열처리 과정에서 일어난 분열이 박막의 전 표면에 걸친 전체적 분열을 야기하도록 하는 도우즈에서 상기 주입이 수행되어질 때에는 기체 마이크로블리스터층이 분열층인 것으로 여겨진다. 박막 제조에 이용되는 물질 유형에 의존하는 최소 깊이는 또한 이 막의 최소 두께와 일치한다.
본 발명 실행에 특히 유리한 한 방법에 의하면, 웨이퍼 물질보다 더 큰 강도(stiffness)를 가진 물질로 이루어진 적어도 하나의 이른바 "스티프닝"층을 주입단계 전에 웨이퍼의 자유표면 위에 형성하는 것이 가능한데, 이때 상기 층의 두께는 충분하고 상기 주입은 이온들이 스티프닝층을 통과할 수 있도록 하는 에너지에서 수행되어진다. 표면층과 스티프닝층은 이렇게 하여 박막을 형성한다.
그래서 박막은 표면층과 스티프닝막층(들)을 포함하는 다층막이다. 상기 주입의 최소 침투 깊이는 항상 이 박막, 달리말해 상기 층들 전체의 두께가 필요로 하는 강도 특성을 지니도록 하는 것이다.
스티프닝층을 만들기 위해서는, 가벼운 원자들, 달리말해 낮은 원자번호를 가지는 것으로서 예컨데 원자번호 14번 또는 그 이하인 것으로서, 주입된 이온에 대해 낮은 감속능력을 가진 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법이 상대적으로 낮은 에너지로 실행되어질 수 있다는 것은 놀랍게 보인다. 물질의 적절한 선택은 200keV 이하의 주입 에너지로 이 방법을 실행하는 것을 고려할 수 있게 한다.
본 발명의 그 외 특징과 장점은 첨부된 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이는 단지 설명을 위한 목적이며 결코 한정적인 것이 아니다.
[실시예]
본 발명의 첫 번째 실행에 해당하는 제1도에 보인 바와 같이, 이 방법은 우선 단결정 또는 다결정의 웨이퍼 또는 잉고트(10)에 이온주입을 하는 것을 포함한다.
상기 주입은 참조부호 12의 화살표로 표시된다. 상기 주입은 기판의 주된 결정학적 평면 예컨데 (1,0,0) 평면과 같은 것에 거의 평행한 기판(10) 상부표면(14)를 통하여 수행되어진다.
상기 주입은 웨이퍼의 용적 내에서 평균 이온 침투깊이에 거의 대등한 깊이에 기체 마이크로블리스터층(16)이 형성되도록 한다. 이 마이크로블리스터층은 웨이퍼(10) 내에서 박막을 형성할 표면층(18)의 범위를 정한다.
문서(5)에 규정되어 있는 방법의 설명은 정보의 목적으로 본 설명 내에 포함되어진 것으로 간주되는 점을 주목하여야 한다.
특히, 웨이퍼가 바람직하게는, 이온주입 중에 주입된 가스의 원자들이 확산에 의하여 반도체로부터 빠져 나갈 수 있는 온도보다 낮은 온도에서 유지되는 점이 주목되어져야 한다.
본 발명에 따르면, 침투깊이가 최소깊이와 같거나 그 이상이 되도록 하는 에너지에서 주입이 수행되어 막이 단단하게 된다. 따라서, 적어도 이 최소깊이에 도달하기 위해서, 주입에너지는 상기 최소깊이에의 이온침투에 상응하는 문턱에너지를 초과하여야 한다.
깊이와 주입에너지는 관련되어 있다. 주어진 주입이온 유형에 있어, 이들은 주로 사용된 반도체물질의 성질에 의하여 결정되어진다.
예컨데 표1은 수소이온을 실리콘에 주입하는 특별한 경우에서의, 제조될 막의 두께와 필요로 하는 주입에너지 간의 대응을 보여준다.
두께 5㎛ 10㎛ 30㎛ 100㎛
에너지 500keV 750keV 1500keV 3200keV
아래의 표2는 막이 단단해지기 위한 최소 필요 주입깊이, 수소이온의 최소주입 도우즈, 및 본 발명에 특히 적합한 두 반도체물질(Si 및 SiC)에의 최소주입에너지의 실례 값을 연속적으로 제공한다.
실리콘 SiC
최소깊이 5㎛ 1.15㎛
최소 수소도우즈 51016cm-2 21017cm-2
최소 수소에너지 500keV 180keV
도2는 분열작동을 보인 것이다. 기판(10)은, 웨이퍼(10) 내의 결정 재배열과 마이크로블리스터(16) 내의 압력에 의하여, 기판의 고체부분(20)으로부터 표면층(18)의 문리가 일어나기에 충분한, 이온 충돌이 일어나는 온도를 초과하는 온도에서 열처리되어진다.(도1)
표면층(18)은 이후 박막을 형성한다.
사용된 반도체물질이 실리콘이면 열처리온도는 500℃의 오더(order)이다.
본 발명을 개량한 것인 본 발명의 또 하나의 실행이 도3과 도4에 도시되어진다. 도1과 도2에서의 부분과 동일하거나 유사한 도3과 도4의 부분은 같은 참조부호를 가지며, 이 부분들에 대하여는 상기 설명이 참조되어질 수 있다.
도3에 보인 바와 같이, 기판(10)의 표면(14)은 스티프닝층(22)으로 덮혀 진다. 상기 층은 바람직하게는 기판에서의 반도채물질보다 더 딱딱한 물질로 이루어진다. 나아가 이 실행은 이온주입(12)보다 먼저 수행되어진다.
기판(10) 위에 하나 또는 복수의 이러한 스티프닝층을 형성할 수 있다. 예컨데 이러한 층(들)은 플라즈마 인핸스드 화학기상증착(PECVD)기술 또는 저압화학기상증착(LPCVD)기술, 또는 진공에서 스프레이하거나 증발시킴으로써 형성되거나, 또는 접촉 후 원자간 결합이 생성되도록 적절한 표면처리를 함으로써 간단히 부착될 수 있다.
도3의 예에서는 단일 스티프닝층이 형성되어 있다.
이 층은 바람직하게는, 주입된 이온을 감속시키는 능력이 낮은, 가벼운 원자로 구성된 물질로 만들어진 층이다. 다이아몬드(Z(C)=6)와 실리콘 카바이드(Z(C)=6, Z(Si)=14)는 층들로 증착되어질 수 있고, 수소이온과 같은 이온들이 쉽게 가로지를 수 있고, 우수한 기계적 성질을 가지는 물질이다. 따라서, 이 물질들은 본 발명의 실행에 특히 적절하다. 이들은 예컨데 PECVD(플라즈마 인핸스드 화학기상증착) 또는 LPCVD(저압화학기상증착) 등의 공지의 방법을 사용하여 증착되어진다.
스티프닝층이 기판(10)에 적용될 때, 상기 스티프닝층은 기체 마이크로블리스터(16)층을 형성하기 위해 예컨데 수소이온과 같은 이온으로 충돌되어진다. 이 마이크로블리스터층은 기판(10) 내의 표면층(18)의 범위를 정한다. 주입에너지는 이온이 스티프닝층(14)를 통과하여 반도체물질로 침투되도록 선택되어진다. 따라서 주입깊이는 스티프닝층(들)의 두께를 초과해야 되고, 박막, 달리말해 상부충(18)과 스티프닝층(22)로 구성된 조립체가 충분히 딱딱하게 되도록 선택되어진다.
스티프닝층 자체가 박막을 충분히 딱딱하게 만들때에는 기판(10) 내에 형성되는 상부층(18)은 두께를 고려하지 않고 선택되어질 수 있다.
아래의 표3은 실례를 통하여 단단한 박막을 얻기 위해 표면(14) 위에 형성되어져야 하는 스티프닝층의 두께를 보여준다. 표3은 다이아몬드 및 실리콘 카바이드(SiC)로 만들어진 스티프닝층에 적용가능한 것이다. 이 표는 또한 스티프닝층을 통과할 수 있도록 하는 수소이온에 필요한 주입에너지를 보여준다.
스티프닝 물질 다이아몬드 SiC
두께 1㎛ 1.25㎛
H+ 에너지 ≥200keV ≥200keV
주입 후, 기판은 도4에 보인 바와 같이 열처리되어 기판으로부터 박막을 방출하는데, 이 박막은 표면층(18)과 스티프닝층(22)를 포함하는 것이다.
본 설명에서 언급한 문서
(1) 1986, IEEE SOS/SOI 테크놀로지 워크숍, 9월 30일 - 10월 2일, 1986, 사우스 씨즈 플란테이션 리조트 앤드 요트 하아버 아일랜드, 플로리다.
(2) 혼 와이 램, 집적회로 제조를 위한 SIMOX SOI, IEEE 서어킷 앤드 디바이스 매거진, 1987년 7월.
(3) 하이스마, 스피에링스, 비어만, 및 팔스, 실리콘 온 인설레이터 웨이퍼 결합 웨이퍼 얇히기 기술, 저패니즈 저어널 오브 어플라이드 피직스, 28권 8번, 1989년 8월.
(4) 마스즈라, 고에츠, 캐비글리아 및 맥키테릭, 실리콘 온 인설레이터를 위한 실리콘 웨이퍼의 결합, 저어널 오브 어플라이드 피직스 64(10), 1988년 11월 15일.
(5) FR-A-2 681 472
도1은 본 발명의 방법의 제1단계에 따라 반도체물질로 이루어진 웨이퍼 내에 이온주입을 하는 것을 개략적으로 보인 것이다.
도2는 본 발명의 제2단계에 따라 웨이퍼 상부층의 분리에 의하여 박막이 형성되어지는 것을 개략적으로 보인 것이다.
도3은 본 발명의 개선된 실행에 따라 웨이퍼에 이온을 주입하는 단계를 보인 것이다.
도4는 본 발명의 개선된 실행에 따른 웨이퍼의 다층박막의 분리를 보인 것이다.
[기술분야]
본 발명은 반도체 물질로 이루어진 박막, 상세하게는 단결정막의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 형태의 막은 마이크로 일렉트로닉 분야에서 많이 응용되어진다. 예컨데, 이 막들은 절연체 위의 실리콘 기판과 같은 기판의 제조, 멤브레인 제조, 예컨데 X-레이 리소그래피 기술에서 사용되어지는 것과 같은 마스크의 제조, 및 다수 액티브 층을 구비한 집적회로의 제조 등에 사용되어진다.
[배경기술]
단결정 반도체박막을 제조하는데 여러 가지 방법들이 있고, 이 방법들은 때때로 복잡하고 실행하기에 비싸다는 점이 알려져 있다. 비록 다결정 또는 비결정 물질막을 제조하는 것이 상대적으로 용이하나, 단결정막을 제조하는 것은 더욱 어렵다.
단결정막의 제조방법은 이른바 "실리콘 온 인설레이터(Silicon on Insulastor)" 기판의 제조에 사용되는 몇 가지 방법을 포함하는 바, 여기서의 목적은 그 막으로부터 전기적으로 절연된 기판에 의해 지지되어지는 단결정 실리콘 막을 형성하는 것이다. 예컨데 실리콘으로 이루어진 결정을 실리콘과 비슷한 메쉬(mesh) 파라미터를 가진 성질을 달리하는 단결정 기판 위에 박막으로 성장시키기 위해 헤테로 에피택시얼법이 사용되어질 수 있다. 이러한 기판들은 사파이어(Al2O3), 또는 칼슘 플루오라이드(CaF2) 기판을 포함한다. 이에 관하여, 본 설명의 말미에 참조된 문서(1)을 참조할 수 있다.
이른바 "SIMOX"(Separation by IMplanation of Oxygen:산소주입에 의한 분리)법은 실리콘 기판 내에 높은 산소 함유량의 이온주입을 사용하여 기판 덩어리로부터 단결정 실리콘 박막을 분리시키면서 실리콘 용적 내에 실리콘 산화물막을 만든다. 추가 정보를 위해서는, 이 방법을 더욱 상세히 기술하는 본 설명 말미에 참조된 문서(2)를 참조할 수 있다.
그 외 방법들은 기계-화학적 또는 화학적 연마에 의하여 웨이퍼를 얇게하는 원리를 이용하는 바; 이러한 범주에서 가장 효과적인 방법은 식각저지 원리를 또한사용하는데, 이는 필요로 하는 두께에 도달하면 곧 웨이퍼 얇히기를 중단하고, 따라서 균일한 두께를 보장한다. 예컨데, 이 기술은 얻어질 막의 두께를 위해, n형 기판에 p형 도핑을 하고, 상기 기판을 n형 실리콘에 활성이고 p형 실리콘에 비활성인 화학 배스(bath)로 화학적 식각을 하는 것으로 구성된다. 이에 관하여 본 설명의 말미에 참조된 문서(3) 및 (4)를 참조할 수 있다.
단결정박막을 제조하는 다양한 방법들은 제조기술과 관련한 단점들을 가진다.
헤테로 에피텍시얼 방법은 기판의 성질에 의해 한계지워지는 바: 기판 메쉬 파라미터가 반도체의 그것과 정확히 동일하지 않기 때문에 박막은 다수의 결정 결함을 가진다. 더욱이 이 기판들은 비싸고 부서지기 쉬우며, 제한된 크기까지에서만 존재할 수 있다.
SIMOX법은 매우 무겁고 복잡한 주입장치를 필요로 하는 매우 높은 도우즈의 이온주입을 필요로 하는 바; 이들 장치의 처리량이 낮으며 이를 상당한 정도로 증가시키는 것을 고려하기는 쉽지 않다.
얇히는 방법은 식각저지 원리를 사용하지 않으면 균일성 및 품질의 관점에서 경쟁성이 없다. 불행히도, 상기 식각저지를 만들어 내는 것은 상기 방법을 복잡하게 만들고 어떤 경우 상기 막의 용도를 제한할 수 있다. 만약 식각저지가 n형 기판에 p형 도우핑을 함으로써 되어진다면 후속하는 막에서의 전자장치 제조가 P형 막의 성질에 맞추어져야만 한다.
기체 마이크로블리스터(microblisters) 층을 주입함으로써 정의되어지는 평면을 따라 기판으로부터 박막을 분리시킴으로써 박막이 형성되는 반도체 물질의 박막 제조방법이 또한 알려져 있다. 이 방법은 세 개의 주요한 단계로 구성되어진다.
제1단계는 반도체 기판을 적절한 이온과 충돌시켜 상기 기판의 용적 내에서 박막의 범위를 정하는 기체 마이크로블리스터층을 형성한다.
제2단계는 상기 충돌 과정을 통하여 두꺼운 스티프너(stiffener)로 상기 기판을 단단하게 만드는 것이다. 단단한 물질로 된 이 스티프너는 이 방법의 제3단계 동안 상기 박막의 부착 및 그 형상이 유지되도록 설계되어진다.
제3단계는 웨이퍼 내의 결정 재배열효과 및 마이크로 블리스터 내의 압력효과에 의해, 박막과 기판의 나머지 부분을 분리시키는 열처리로 구성된다. 그러나 박막은 스티프너에 굳게 부착되어 있다.
이 방법에 관하여, 이 설명의 말미에 참조된 문서(5)를 참조할 수 있다. 이 방법은 많은 장점을 가지고 있으며, 선택된 반도체와 다른 성질의 초기 기판을 사용해야할 필요, 매우 높은 주입 도우즈의 필요, 식각저지의 필요 등등의 상기에서 언급한 다른 방법들의 제한을 극복할 수 있다.
그러나, 이 방법의 중요한 한계는 박막이 이를 충분히 단단하게 하는 스티프너의 사용에 의해서만 얻어질 수 있다는 사실에 기인한다.
따라서 본 발명의 한 목적은 스티프너 필요없이 충분히 단단한 박막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또 하나의 목적은 균일하고 조절된 두께를 가지는 박막을 얻는데에 사용될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또 하나의 목적은 상대적으로 낮은 에너지로 실행될 수 있는 간단한 방법을 제공하는 것이다.

Claims (8)

  1. - 반도체의 결정학적 평면에 거의 평행한, 반도체물질로 이루어진 웨이퍼(10) 표면(14)을 통하여 이온들을 주입하여((12), 웨이퍼(10) 내에 표면층(18)의 범위를 정하는, 기체 마이크로블리스터(16)로 이루어진 분열층을 웨이퍼 내에 만들고,
    - 웨이퍼를 충분히 높은 온도에서 열처리하여, 결정재배열효과와 기체 마이크로블리스터(16) 내의 압력효과에 기인하여 마이크로블리스터층을 따라 표면층(18)의 웨이퍼 나머지 부분으로부터의 분리가 일어나도록 하되, 이온침투 깊이가, 상기 표면층을 포함하고 충분히 단단하여 상기 열처리에 의하여 방출되어질 수 있는 박막을 얻기 위한 일정한 최소깊이를 초과하는 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 웨이퍼(10) 물질의 강도를 초과하는 강도를 가지는 물질로 만들어진 적어도 하나의 이른바 스티프닝층(22)이 상기 이온주입단계 전에 상기 표면(14) 위에 형성되어지되, 상기 층의 두께와 주입에너지는 이온들이 상기 스티프닝층을 통과하도록 되어지고, 상기 표면층 및 상기 스티프닝층이 그 다음에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법
  3. 제2항에 있어서, 상기 스티프닝층을 형성하는데에 원자번호 Z인 물질이 사용되어지되, Z ≤ 14인 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 스티프닝층이 인핸스드 기상화학증착기술을 사용하여 형성되어지는 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 스티프닝층(22)이 흡착에 의하여 웨이퍼(10)의 상기 표면(14)에 부착되어지는 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법.
  6. 제2항에 있어서, 1㎛의 오더(order)의 두께를 가지는 다이아몬드 스티프닝층이 형성되고, 이온주입이 E ≥ 200keV인 에너지 E로 수행되어지는 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법.
  7. 제2항에 있어서, 실리콘 카바이드 스티프닝층이 1.25㎛의 오더의 두께로 형성되고, 이온주입이 E ≥ 200keV인 에너지 E로 수행되어지는 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼는 실리콘 또는 실리콘 카바이드이고, 최소깊이는 각각 5㎛ 및 1.15㎛인 것을 특징으로 하는 반도체물질로 이루어진 박막제조방법.
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