KR101160267B1 - 웨이퍼 상에 원추형 구조물 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법은 산소 석출물을 포함하는 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계, 및 상기 실리콘 웨이퍼를 식각하여 상기 실리콘 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 원추형 구조물은 상기 실리콘 웨이퍼의 실리콘과 상기 산소 석출물 사이의 식각 선택비에 의하여 상기 원추형 구조물의 높이와 폭의 비율이 결정된다.

Description

웨이퍼 상에 원추형 구조물 형성 방법{Method of fabricating micro cone shape on a wafer}
본 발명은 웨이퍼 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼 상에 미소 원추형 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 특성상 원추형 구조물을 갖는 실리콘 웨이퍼가 요구될 경우가 있다. 예컨대, 원자간력 현미경(Automic Force Microscope)의 탐침, 및 전계 방출 소자(Field Emission Array)의 캐소드 전극(cathod electrode) 상의 팁(tip) 등은 그 형상이 원추형인 구조물이다.
도 5는 일반적인 원자간력 현미경의 탐침을 나타내고, 도 6은 일반적인 전계 방출 소자의 캐소드 전극 상의 팁을 나타낸다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 캔틸레버(cantilever, 5) 일단에 마련되는 탐침(10) 및 도 6에 도시된 캐소드 전극 상의 팁(20)은 그 형상이 원추형인 구조물이다.
일반적으로 포토리쏘그라피(photolithography) 및 식각 공정(예컨대, 결정 방향 식각을 이용하는 caustic etching 또는 건식 식각)을 이용하여 상기 원추형 구조물(10, 또는 20)을 형성할 수 있다. 이러한 방법으로 형성되는 원추형 구조물의 형상은 공정의 숙련도, 및 미세 가공 기술에 의해 결정되며, 공정 시간 및 고가의 공정 비용이 수반될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 고밀도로 형성하고, 식각 조건에 의하여 원추형 구조물의 크기를 조절할 수 있는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법을 제공한다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예는 산소 석출물을 포함하는 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계 및 상기 실리콘 웨이퍼를 식각하여 상기 실리콘 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 원추형 구조물은 상기 실리콘 웨이퍼의 실리콘과 상기 산소 석출물 사이의 식각 선택비에 의하여 상기 원추형 구조물의 높이와 폭의 비율이 결정된다. 상기 실리콘과 상기 산소 석출물 사이의 식각 선택비는 45~55:1일 수 있다.
상기 원추형 구조물을 형성하는 단계는 상기 실리콘의 식각률은 80 ~ 120nm/min이고, 식각 가스는 Cl2, HBr, 및 He-20% O2을 포함하고, Cl2와 HBr의 비율은 1:1이며, 식각 가스의 농도는 150 ~ 250 sccm이고, 식각 압력은 50 ~100 토르일 수 있다.
상기 산소 석출물을 포함하는 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계는 500℃ ~ 900℃의 온도로 1~10 시간 동안 상기 실리콘 웨이퍼에 대한 제1차 열처리 공정을 수행하여 실리콘 웨이퍼 내부에 산소 석출핵을 형성하는 단계, 및 1000℃ ~ 1100℃의 온도로 10 ~ 24 시간 동안 상기 실리콘 웨이퍼에 대한 제2차 열처리 공정을 수행하여 상기 산소 석출핵을 성장시켜 상기 산소 석출물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 산소 석출물을 포함하는 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계는 산소 적층 결함을 갖는 단결정 잉곳을 성장시키는 단계, 및 상기 단결정 잉곳을 가공하여 상기 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 단결정 잉곳 성장시 850℃ ~ 1080℃의 냉각 구간을 갖도록 하여 상기 산소 적층 결함을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 고밀도로 형성하고, 식각 조건에 의하여 원추형 구조물의 크기를 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법에 대한 플로차트이다.
도 2a 내지 도 2b는 도 1에 도시된 원추형 구조물을 형성하는 방법에 대한 공정 단면도를 나타낸다.
도 3a는 실시예에 따라 형성된 수직 방향의 웨이퍼의 결정 구조를 나타낸다.
도 3b는 도 3a에 도시된 웨이퍼를 식각하여 형성되는 원추형 구조물의 밀도를 나타낸다.
도 4a는 실시예에 따른 원추형 구조물을 갖는 웨이퍼를 나타낸다.
도 4b는 도 4a에 도시된 원추형 구조물의 상단을 나타낸다.
도 4c는 도 4a에 도시된 원추형 구조물의 높이를 나타낸다.
도 5는 일반적인 원자간력 현미경의 탐침을 나타낸다.
도 6은 일반적인 전계 방출 소자의 캐소드 전극 상의 팁을 나타낸다.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 실시예에 따른 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법에 대한 플로차트이고, 도 2a 내지 도 2b는 도 1에 도시된 원추형 구조물을 형성하는 방법에 대한 공정 단면도를 나타낸다. 도 1 및 도 2a 내지 도 2b를 참조하여 실시예에 따른 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법을 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 내부에 결정 구조(220)를 포함하는 실리콘 웨이퍼(210)를 형성한다(S110). 이때 결정 구조(220)는 산소 석출물(oxide precipitate, 220)일 수 있다.
먼저 단결정 잉곳을 성장시킨다. 이때 단결정 잉곳은 실리콘 단결정 잉곳일 수 있고, 쵸크랄스키법 또는 플래트존(FZ) 방법을 사용하여 성장될 수 있다. 이때 단결정 잉곳 내에는 점결함 특성에 따라 베이컨시-리치 영역(Vacancy rich region, V-rich), small void 영역, O-band 영역, VDP(Vacancy Dominant Point defect) 영역, IDP(Interstitial Dominant Point defect) 영역, 및 아이-리치 영역(i-rich region)을 가질 수 있다.
여기서 베이컨시-리치 영역은 베이컨시형 점 결함이 우세하여 과포화된 베이컨시가 응집된 결함을 갖는 영역이며, VDP 영역은 베이컨시형 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 영역이고, IDP 영역은 인터스티셜(Interstitial) 점 결함이 우세하나 과포화된 인터스티셜 실리콘이 응집된 결함을 갖는 영역이고, O-band 영역은 산소 적층 결함(Oxygen induced Stacking Fault, OiSF)이 형성되는 영역이고, small void 영역은 베이컨시-리치 영역과 O-band 영역 사이에서 void 결함을 갖는 영역일 수 있다.
도 3a는 실시예에 따라 형성된 수직 방향의 웨이퍼의 결정 결함을 나타내고, 도 3b는 도 3a에 도시된 웨이퍼를 식각하여 형성되는 원추형 구조물의 밀도를 나타낸다.
도 3a에 도시된 웨이퍼는 200mm 웨이퍼이고, 잉곳을 수직 방향으로 가공하여 베이컨시-리치 영역(또는 small void 영역), O-band 영역, VDP 영역, 및 IDP 영역만 검출되도록 제작된 샘플을 나타낸다.
도 3b는 원추형 구조물의 웨이퍼의 수평 방향(AB 방향)의 밀도를 나타낸다. 산소 적층 결함을 내포하는 O-band 영역(#2)에서 원추형 구조물의 밀도가 높은 것을 알 수 있다. 따라서 산소 적층 결함의 밀도를 높이는 잉곳 성장 조건으로 잉곳을 성장시킬 경우 고밀도의 원추형 구조물을 갖는 웨이퍼를 생산할 수 있다.
예컨대, 단결정 잉공 성장 시 850℃ ~ 1080℃ 사이의 냉각 구간을 갖도록 하여 산소 적층 결함을 웨이퍼 전면에 형성하여 산소 적층 결함의 밀도를 높임으로써 원추형 구조물의 밀도를 높일 수 있다.
그리고 단결정 잉곳을 가공하여 단결정 기판을 형성한다. 이때 단결정 기판은 실리콘 웨이퍼(210)일 수 있다. 단결정 기판(예컨대, 실리콘 웨이퍼)을 형성하는 단계는 슬라이싱 단계, 식각 단계, 연마 단계 및 세정 단계를 포함할 수 있다. 슬라이싱 단계는 단결정 잉곳을 슬라이싱하여 단결정 기판을 형성하는 단계이고, 식각 단계는 슬라이싱 단계에서 단결정 기판에 발생한 슬라이싱 손상을 제거하고, 단결정 기판의 측부를 라운딩하기 위해 수행할 수 있다. 연마 단계는 단결정 기판의 표면을 경면화하기 위해 수행할 수 있다. 이하의 설명에서 단결정 기판은 실리콘 웨이퍼로 설명한다.
다음으로 실리콘 웨이퍼(210)에 고온 또는 저온 열처리 공정을 수행하여 내부에 산소 석출물(220))을 형성한다.
예컨대, 저온(예컨대, 500℃ ~ 900℃)으로 1 ~ 10시간 동안 실리콘 웨이퍼에 대한 제1차 열처리 공정을 수행하여 실리콘 웨이퍼 내부에 산소 석출핵을 형성시킨다. 그리고 고온(예컨대, 1000℃ ~ 1100℃)으로 10 ~ 24 시간 동안 제2차 열처리 공정을 수행하여 산소 석출핵을 성장시켜 산소 석출물(220)을 형성시킬 수 있다.
열처리 공정 조건에 따라 실리콘 웨이퍼(210) 내부에 형성되는 산소 석출물(220)의 크기 및 형상이 결정될 수 있다. 또한 산소 석출물(220)은 실리콘 웨이퍼 전면에 균일하게 분포하거나, 실리콘 웨이퍼의 특정 영역(에지 영역 또는 중앙 영역)에만 분포하도록 성장될 수 있다.
또는 예컨대, 실리콘 웨이퍼(210)를 급속 열처리(Rapid Thermal Processing; RTP)하여 산소 석출물(220)을 형성할 수도 있다. 이때 급속 열처리는 제1 급속 열처리 단계와 제2 급속 열처리 단계를 포함할 수 있다. 제1 급속 열처리 단계는 베이컨시-산소 복합체 형성 단계(step for forming vacancy-oxygen complex)일 수 있다. 그리고 제2 급속 열처리 단계는 베이컨시 주입 및 산소 석출물 핵 생성 가속화 단계(step for vacancy injection and acceleration of nucleation)일 수 있다.
단결정 잉곳 성장 단계에서 잉곳 성장 후 냉각 시 약 650℃의 온도 구간을 지나면서 산소 클러스터(oxygen cluster)의 생성이 촉진되며, 여기서 살아남은 베이컨시는 단결정 잉곳 나아가, 단결정 기판 내에 잔존할 수 있다.
제1 급속 열처리 단계에서는 단결정 기판 내에 잔존하는 베이컨시의 외방 확산(out-diffusion)을 억제하면서, 단결정 기판 내에 이미 존재하는 베이컨시와 산소를 결합시켜 베이컨시-산소 복합체(Vacancy-Oxygen complex)를 형성한다. 베이컨시-산소 복합체는 복합체를 형성하지 않은 베이컨시나 산소와는 달리 후속 열처리에 의해서도 단결정 기판 내 이동이나 외방 확산이 불가능하다.
제2 급속 열처리 단계에서는 단결정 기판 내에 베이컨시를 추가적으로 주입하여 단결정 기판의 베이컨시의 밀도를 벌크 영역에 비해 높게 조절하고, 산소 석출물 핵의 생성을 가속화시킨다. 또한 추가적으로 주입되는 베이컨시는 산소와 결합하여 베이컨시-산소 복합체를 추가적으로 형성하며, 단결정 기판 내의 베이컨시-산소 복합체의 농도를 향상시킬 수 있다.
베이컨시-산소 복합체는 급속 열처리 단계들 내의 급속 냉각 과정들에서 주로 형성되며, 후속 열처리에 의해 산소 석출물(Oxygen precipitates)의 핵(Nuclei)으로 성장될 수 있다. 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼(210) 내에 산소 석출물을 형성하는 방법(S110)은 상술한 바에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 실리콘(Si)과 산소 석출물(SiOx, x는 양의 실수, 예컨대, x=2)의 식각률의 차이를 이용하여 실리콘 웨이퍼(210)에 원추형 구조물(230)을 형성한다(S120). 이때 원추형 구조물(230)의 크기 및 밀도는 도 2a에 도시된 실리콘 웨이퍼(210)의 성장 조건과 실리콘 웨이퍼(210)에 대한 열처리 조건, 및 도 2b에 도시된 실리콘 웨이퍼(210)에 대한 식각 조건에 의하여 결정될 수 있다.
예컨대, 산소 석출물(220)이 형성된 실리콘 웨이퍼(210)를 반응성 이온 식각하여 높이가 1um이하이고, 폭이 1.5um이하인 원추형 구조물(230)을 형성할 수 있다. 폭은 원추형 구조물(230)의 밑면의 지름일 수 있다.
실리콘 웨이퍼(210)의 실리콘(Si)의 식각률은 산소 석출물(SiOx, 220)의 식각률보다 크다. 즉 산소 석출물(220)이 상대적으로 실리콘(Si)에 비하여 식각되는 속도가 느리며, 산소 석출물(220)과 실리콘의 식각 선택비에 따라 산소 석출물(220)은 일종의 식각 마스크 역할을 할 수 있다.
산소 석출물(220)을 갖는 실리콘 웨이퍼(210)를 반응성 이온 식각하면 실리콘과 산소 석출물(220)과의 식각 선택비에 따라 원추형 구조물(230)이 형성될 수 있다. 이때 실리콘의 식각률이 R1이고, 산소 석출물(220)의 식각률이 R2일 때, 식각 선택비(R)은 R1/R2일 수 있다.
반응성 이온 식각 공정 조건은 아래와 같을 수 있다. 예컨대, 실리콘(Si)의 식각률은 80 ~ 120nm/min일 수 있다. 그리고 식각 가스는 Cl2, HBr, He-20% O2(He + O2)을 포함하며, Cl2와 HBr의 비율은 1:1일 수 있다. 그리고 식각 가스의 농도는 150 ~ 250 sccm이고, 식각 압력은 50 ~100 토르(Torr)일 수 있다. 그리고 실리콘과 산소 석출물(220)의 식각 선택비는 45~55:1일 수 있으며, 식각 선택비는 식각 가스의 비율 및 유량에 따라 결정될 수 있다. 식각 선택비 및 식각 시간에 의하여 원추형 구조물의 크기가 결정될 수 있다. 예컨대, 상술한 식각 공정 조건에 의하여 높이가 1um이하이고, 폭이 1.5um이하인 미소 원추형 구조물(230)을 형성할 수 있다.
바람직하게 반응성 이온 식각 공정 조건은 실리콘(Si)의 식각률은 100nm/min이고, 식각 가스는 Cl2, HBr, He-20% O2(He + O2)을 포함하며, Cl2와 HBr의 비율은 1:1이고, 식각 가스의 농도는 210 sccm이고, 식각 압력은 60 토르(Torr)일 수 있다.
예컨대, 식각 시간이 증가할수록 원추형 구조물(2320)의 높이(H)는 증가할 수 있다. 또한 식각 선택비(R)가 증가할수록 원추형 구조물(230)의 높이(H)와 폭(W)의 비율(H/W)은 증가하고, 반면에 식각 선택비(R)가 감소할수록 상기 비율(H/W)은 감소할 수 있다.
도 4a는 실시예에 따른 원추형 구조물(230)을 갖는 웨이퍼를 나타내고, 도 4b는 도 4a에 도시된 원추형 구조물(230)의 상단(410)을 나타내고, 도 4c는 도 4a에 도시된 원추형 구조물의 높이(H)를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 원추형 구조물(230)은 원추형 형상이며, 산소 석출물(220)로 이루어지는 꼭지점(401)과 실리콘으로 이루어지는 몸체(402)로 이루어질 수 있다.
원추형 구조물(230)의 높이(H)는 1um이하일 수 있으며, 폭(W)은 1.5um이하일 수 있다. 실리콘 웨이퍼(210)의 원추형 구조물의 높이(H), 폭(W), 및 비율(H/W)은 상술한 바와 같이 식각 선택비, 및 식각 시간에 의하여 결정될 수 있다. 여기서 폭(W)은 원추형 구조물(230)의 밑면의 지름일 수 있다.
실시예에 따른 웨이퍼 상의 원추형 구조물을 형성하는 방법은 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 고밀도로 형성하고, 식각 조건에 의하여 원추형 구조물의 크기를 조절할 수 있다.
실시예에 따라 형성되는 웨이퍼 상의 원추형 구조물은 원자간력 현미경(Automic Force Microscope)의 탐침, 및 전계 방출 소자(Field Emission Array)의 캐소드 전극(cathod electrode) 상의 팁(tip) 등으로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
210: 실리콘 웨이퍼, 220: 산소 석출물,
230: 원추형 구조물 401: 꼭지점,
402: 몸체.

Claims (5)

  1. 산소 석출물을 포함하는 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 웨이퍼를 식각하여 상기 실리콘 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 원추형 구조물은 상기 실리콘 웨이퍼의 실리콘과 상기 산소 석출물 사이의 식각 선택비에 의하여 상기 원추형 구조물의 높이와 상기 원추형 구조물의 밑면의 지름의 비율이 결정되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘과 상기 산소 석출물 사이의 식각 선택비는 45~55:1인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 원추형 구조물을 형성하는 단계는,
    상기 실리콘의 식각률은 80 ~ 120nm/min이고, 식각 가스는 Cl2, HBr, 및 He-20% O2을 포함하고, Cl2와 HBr의 비율은 1:1이며, 식각 가스의 농도는 150 ~ 250 sccm이고, 식각 압력은 50 ~100 토르인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산소 석출물을 포함하는 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계는,
    500℃ ~ 900℃의 온도로 1~10 시간 동안 상기 실리콘 웨이퍼에 대한 제1차 열처리 공정을 수행하여 실리콘 웨이퍼 내부에 산소 석출핵을 형성하는 단계; 및
    1000℃ ~ 1100℃의 온도로 10 ~ 24 시간 동안 상기 실리콘 웨이퍼에 대한 제2차 열처리 공정을 수행하여 상기 산소 석출핵을 성장시켜 상기 산소 석출물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 산소 석출물을 포함하는 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계는,
    산소 적층 결함을 갖는 단결정 잉곳을 성장시키는 단계; 및
    상기 단결정 잉곳을 가공하여 상기 실리콘 웨이퍼를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 단결정 잉곳 성장시 850℃ ~ 1080℃의 냉각 구간을 갖도록 하여 상기 산소 적층 결함을 형성하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 상에 원추형 구조물을 형성하는 방법.
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