KR101680070B1 - Semiconductor structure and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 구조 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 구조 제조 방법은 금속 촉매 화학 식각(metal-assisted chemical etching)에 의해 기판상에 돌출 구조를 형성하는 방법으로서, 기판상에 돌출 구조의 역패턴을 갖는 금속 촉매층을 소정의 두께로 형성하는 단계; 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시켜 금속 촉매층이 형성된 식각 영역을 식각함으로써 기판상에 돌출 구조를 형성하는 단계; 및 기판상에 제2 식각 용액을 반응시켜 기판상에 형성된 위스커(whisker)를 제거하는 단계를 포함한다. 돌출 구조는 핀(fin) 구조 또는 나노와이어(nanowire) 구조를 포함할 수 있다.The present invention relates to a semiconductor structure and a method of manufacturing the same, and a method of manufacturing a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention is a method of forming a protruding structure on a substrate by metal-assisted chemical etching, Forming a metal catalyst layer having an inverted pattern of the protruding structure on a predetermined thickness; Forming a protruding structure on the substrate by etching the etched region where the metal catalyst layer is formed by reacting the metal catalyst layer with the first etching solution; And reacting the second etching solution on the substrate to remove a whisker formed on the substrate. The protruding structure may include a fin structure or a nanowire structure.
Description
본 발명은 반도체 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 핀(fin) 구조 또는 나노와이어(nanowire) 구조를 갖는 반도체 구조 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor structure, and more particularly, to a semiconductor structure having a fin structure or a nanowire structure and a method of manufacturing the same.
금속 촉매 화학 식각(Metal-Assisted Chemical Etch, MacEtch) 기술은 금속 촉매를 이용해 반도체를 식각하는 것으로, 식각용액에 담긴 웨이퍼에 산화환원 반응을 일으켜 반도체를 식각하는 방법이다. 웨이퍼에 금속입자를 증착하고 식각용액에 담그면 금속과 반도체의 계면에서 산화환원반응이 일어나 금속이 반도체 내부로 점점 파고 들어가면서 반도체를 식각하게 된다. MacEtch는 비등방성 식각특성을 가지며, 크리스탈 데미지와 플라즈마 데미지를 형성하지 않아 식각으로 인한 반도체 표면 결함을 최소화할 수 있는 식각 방식이다.Metal-Assisted Chemical Etch (MacEtch) technology is a method of etching a semiconductor by using a metal catalyst, and etching a semiconductor by causing a redox reaction on a wafer contained in the etching solution. When the metal particles are deposited on the wafer and immersed in the etching solution, a redox reaction occurs at the interface between the metal and the semiconductor, and the metal is etched into the semiconductor while gradually dipping into the semiconductor. MacEtch is an etching method that has anisotropic etching characteristics and can minimize crystal surface defects due to etching without forming crystal damage and plasma damage.
최근 들어, 보다 작은 크기의 반도체 소자에 대한 요구가 증대되는 추세에 따라, 반도체 소자의 선폭이 감소되고 있다. 특히 FinFET(fin field effect transistor)와 같은 반도체 소자를 제조함에 있어서도 보다 얇은 핀 구조를 갖는 트랜지스터를 제조해야할 필요가 있다.BACKGROUND ART [0002] In recent years, a demand for a smaller-sized semiconductor device has been increasing, and the line width of the semiconductor device has been reduced. Particularly, in manufacturing a semiconductor device such as a fin field effect transistor (FinFET), it is necessary to fabricate a transistor having a thinner fin structure.
본 연구진은 통상의 MacEtch 기술에 의해 기판을 식각하여 핀 구조를 형성함에 있어서, 아래와 같은 문제점들이 발생할 수 있다는 점을 인식하였다. 첫째, 기판 식각 과정에서 금속 촉매층에 휨(bending) 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 수직방향 식각이 이루어지지 않아 기판에 대해 수직인 핀 구조를 형성하기 어려워진다. 둘째, 기판 식각 후 금속 촉매를 식각에 의해 제거하는 처리가 수행되나, 금속 촉매를 제거하기 위해 필요한 식각 조건 하에서, 실리콘 나노와이어(Si nanowire)와 같은 기판상의 위스커(whisker)에 의해 효과적으로 제거되지 않을 수 있다. 위스커는 반도체 소자의 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 위스커는 기판 식각 공정의 변수에 따라 기판으로부터 제거될 때, 남는 핀의 구조에 영향을 줄 수 있다. 셋째, 기판 식각 과정에서 금속 촉매가 식각 용액에 의해 부식되는 문제가 발생될 수 있다.The present inventors recognized that the following problems may occur in forming the fin structure by etching the substrate by the conventional MacEtch technology. First, a bending phenomenon occurs in the metal catalyst layer during the substrate etching process, so that it is difficult to form a pin structure perpendicular to the substrate because the vertical direction etching is not performed. Second, a process of removing the metal catalyst by etching is performed after the substrate is etched, but under the etching conditions necessary for removing the metal catalyst, the metal catalyst is not effectively removed by a whisker on the substrate such as a silicon nanowire . Whiskers can adversely affect the properties of semiconductor devices. In addition, whiskers can affect the structure of the remaining fins when removed from the substrate depending on the parameters of the substrate etch process. Third, the metal catalyst may be corroded by the etching solution during the substrate etching process.
본 발명은 수직인 핀 구조 또는 나노와이어 구조를 형성할 수 있고, 표면 결함을 줄일 수 있는 기판 식각 방법, 반도체 구조 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a substrate etching method, a semiconductor structure, and a manufacturing method thereof that can form a vertical fin structure or a nanowire structure and reduce surface defects.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems. Other technical subjects not mentioned will be apparent to those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체 구조 제조 방법은 금속 촉매 화학 식각(metal-assisted chemical etching)에 의해 기판상에 돌출 구조를 형성하는 방법으로서, 상기 기판상에 상기 돌출 구조의 역패턴을 갖는 금속 촉매층을 소정의 두께로 형성하는 단계; 상기 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시켜 상기 금속 촉매층이 형성된 식각 영역을 식각함으로써 상기 기판상에 상기 돌출 구조를 형성하는 단계; 및 상기 기판상에 제2 식각 용액을 반응시켜 상기 기판상에 형성된 위스커(whisker)를 제거하는 단계를 포함한다.A method of fabricating a semiconductor structure according to one aspect of the present invention is a method of forming a protruding structure on a substrate by metal-assisted chemical etching, the method comprising: forming a metal catalyst layer To a predetermined thickness; Forming the protruding structure on the substrate by reacting the metal catalyst layer with a first etching solution to etch an etching region where the metal catalyst layer is formed; And reacting a second etching solution on the substrate to remove a whisker formed on the substrate.
상기 돌출 구조는 핀(fin) 구조 또는 나노와이어(nanowire) 구조를 포함할 수 있다.The protruding structure may include a fin structure or a nanowire structure.
상기 금속 촉매층은 금(Au)을 포함할 수 있다.The metal catalyst layer may include gold (Au).
상기 소정의 두께는 10㎚ 이상 40㎚ 미만의 두께일 수 있다.The predetermined thickness may be a thickness of 10 nm or more and less than 40 nm.
상기 금속 촉매층은 상기 제1 식각 용액과 반응하는 동안, 휨 변형되지 않을 수 있다.The metal catalyst layer may not be warped during the reaction with the first etching solution.
상기 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시키는 단계는 25℃ 이상, 60℃ 미만의 온도로 행해질 수 있다.The step of reacting the metal catalyst layer with the first etching solution may be performed at a temperature of 25 ° C or more and less than 60 ° C.
상기 제2 식각 용액은 KOH 또는 NaOH를 포함할 수 있다.The second etching solution may comprise KOH or NaOH.
상기 반도체 구조 제조 방법은 상기 기판상에 제3 식각 용액을 반응시켜 상기 금속 촉매층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for fabricating a semiconductor structure may further include removing the metal catalyst layer by reacting a third etching solution on the substrate.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 금속 촉매 화학 식각(metal-assisted chemical etching)에 의해 기판을 식각하는 방법으로서, 상기 기판상에 금속 촉매층을 소정의 두께로 형성하는 단계; 상기 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시켜 상기 금속 촉매층이 형성된 영역을 식각하는 단계; 및 상기 기판상에 제2 식각 용액을 반응시켜 상기 기판상에 형성된 위스커(whisker)를 제거하는 단계를 포함하는 기판 식각 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of etching a substrate by metal-assisted chemical etching, comprising: forming a metal catalyst layer on the substrate to a predetermined thickness; Etching the region where the metal catalyst layer is formed by reacting the metal catalyst layer with the first etching solution; And reacting a second etching solution on the substrate to remove a whisker formed on the substrate.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 돌출 구조를 갖는 기판; 및 상기 기판상에 상기 돌출 구조의 역패턴을 갖도록 형성된 금속 촉매층을 포함하고, 상기 기판상의 위스커(whisker)의 밀도가 0인 반도체 구조가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a substrate having a protruding structure; And a metal catalyst layer formed on the substrate with a reverse pattern of the protruding structure, wherein the whisker density on the substrate is zero.
본 발명의 실시 예에 의하면, 기판에 수직인 돌출 구조(예를 들어, 핀 구조 또는 나노와이어 구조)를 형성할 수 있으며, 반도체 소자의 표면 결함을 줄일 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to form a protruding structure (for example, a fin structure or a nanowire structure) perpendicular to the substrate, thereby reducing surface defects of the semiconductor element.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above. Unless stated, the effects will be apparent to those skilled in the art from the description and the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 구조 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2a는 도 1의 단계 S10을 설명하기 위한 도면으로, 나노와이어 구조를 갖는 반도체 구조를 제조하기 위한 방법을 보여주는 도면이다.
도 2b는 도 1의 단계 S10을 설명하기 위한 도면으로, 핀 구조를 갖는 반도체 구조를 제조하기 위한 방법을 보여주는 도면이다.
도 3a는 도 1의 단계 S20을 설명하기 위한 도면으로, 기판 상에 나노와이어 구조가 형성된 것을 보여주는 도면이다.
도 3b는 도 1의 단계 S20을 설명하기 위한 도면으로, 기판 상에 핀 구조가 형성된 것을 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 금속 촉매층의 두께가 50㎚인 경우, 기판 식각 과정에서 금속 촉매층에 휨 변형이 발생된 것을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 5는 금속 촉매층의 두께가 20㎚인 경우, 기판 식각 과정에서 금속 촉매층에 휨 변형이 발생되지 않은 것을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 6은 위스커가 제거되기 전의 핀 구조의 단면을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 7은 위스커가 제거된 후의 핀 구조의 단면을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 8은 다양한 형상의 패턴을 갖는 금속 촉매층을 이용해 반도체를 식각한 것을 위에서 보여주는 SEM 이미지이다.
도 9는 도 8에 도시된 다양한 패턴 형상을 갖는 20㎚ 두께의 금속 촉매층에 의해 기판이 식각된 단면을 통해 보여주는 SEM 이미지이다.
도 10은 50℃ 온도로 기판 식각이 이루어진 반도체 구조를 위에서 보여주는 SEM 이미지이다.
도 11 및 도 12는 60℃ 온도로 기판 식각이 이루어진 반도체 구조를 위에서 보여주는 SEM 이미지이다.
도 13은 은을 촉매로 하여 기판을 식각한 것을 보여주는 도면이다.
도 14는 금을 촉매로 하여 기판을 식각한 것을 보여주는 도면이다.
도 15는 금을 촉매로 하여 본 실시 예에 따라 형성된 핀 구조를 보여주는 SEM 이미지이다.1 is a flow chart illustrating a method of fabricating a semiconductor structure in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a view for explaining step S10 of FIG. 1, showing a method for manufacturing a semiconductor structure having a nanowire structure.
FIG. 2B is a view for explaining step S10 of FIG. 1, showing a method for manufacturing a semiconductor structure having a fin structure. FIG.
FIG. 3A is a view for explaining step S20 of FIG. 1, showing a nanowire structure formed on a substrate. FIG.
FIG. 3B is a view for explaining step S20 of FIG. 1, showing a pin structure formed on a substrate.
FIGS. 4A and 4B are SEM images showing that the metal catalyst layer is warped when the thickness of the metal catalyst layer is 50 nm. FIG.
5 is an SEM image showing that the metal catalyst layer is not warped when the thickness of the metal catalyst layer is 20 nm.
6 is an SEM image showing a cross-section of the fin structure before the whiskers are removed.
7 is an SEM image showing a cross-section of the pin structure after the whisker has been removed.
FIG. 8 is an SEM image showing an etching of a semiconductor using a metal catalyst layer having patterns of various shapes.
FIG. 9 is an SEM image showing a cross section of a substrate etched by a 20 nm-thick metal catalyst layer having various pattern shapes shown in FIG.
10 is an SEM image showing a semiconductor structure on which a substrate is etched at a temperature of 50 DEG C from above.
11 and 12 are SEM images showing a semiconductor structure in which the substrate is etched at a temperature of 60 DEG C from above.
13 is a view showing that the substrate is etched using silver as a catalyst.
14 is a view showing a substrate etched with gold as a catalyst.
15 is an SEM image showing a fin structure formed according to this embodiment using gold as a catalyst.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.Other advantages and features of the present invention and methods for accomplishing the same will be apparent from the following detailed description of embodiments thereof taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Although not defined, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by the generic art in the prior art to which this invention belongs. A general description of known configurations may be omitted so as not to obscure the gist of the present invention. In the drawings of the present invention, the same reference numerals are used as many as possible for the same or corresponding configurations. To facilitate understanding of the present invention, some configurations in the figures may be shown somewhat exaggerated or reduced.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises", "having", or "having" are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, components, Steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, whether or not explicitly described or implied by the accompanying claims.
본 발명의 실시 예에 따른 핀 구조 형성 방법은 금속 촉매 화학 식각(metal-assisted chemical etching)에 의해 기판상에 핀 구조를 형성하는 방법으로서, 기판상에 돌출 구조, 예를 들어 구조(fin structure) 또는 나노와이어 구조(nanowire structure)의 역패턴을 갖는 금속 촉매층을 소정의 두께로 형성하는 단계; 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시켜 금속 촉매층이 형성된 식각 영역을 식각함으로써 기판상에 돌출 구조를 형성하는 단계; 기판상에 제2 식각 용액을 반응시켜 기판상에 형성된 위스커(whisker)를 제거하는 단계; 및 기판상에 제3 식각 용액을 반응시켜 금속 촉매층을 제거하는 단계를 포함한다.A method of forming a fin structure according to an embodiment of the present invention is a method of forming a fin structure on a substrate by metal-assisted chemical etching, and includes a protruding structure, for example, a fin structure, Or a metal catalyst layer having a reverse pattern of a nanowire structure to a predetermined thickness; Forming a protruding structure on the substrate by etching the etched region where the metal catalyst layer is formed by reacting the metal catalyst layer with the first etching solution; Reacting a second etching solution on the substrate to remove a whisker formed on the substrate; And a third etching solution on the substrate to remove the metal catalyst layer.
금속 촉매층은 10㎚ 이상 40㎚ 미만의 두께로 형성될 수 있다. 이는 금속 촉매층의 두께가 10㎚ 이상 40㎚ 미만인 조건에서, 금속 촉매층이 제1 식각 용액과 반응하는 동안 휨 변형되지 않아 기판에 수직인 돌출 구조가 형성되기 때문이다.The metal catalyst layer may be formed to a thickness of 10 nm or more and less than 40 nm. This is because, under the condition that the thickness of the metal catalyst layer is less than 10 nm and less than 40 nm, the metal catalyst layer is not bent and deformed during reaction with the first etching solution, and a protruding structure perpendicular to the substrate is formed.
금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시키는 단계는 25℃ 이상, 60℃ 미만의 온도로 행해질 수 있다. 이는 기판의 식각 온도가 25℃ 이상, 60℃ 미만인 조건에서, 이후 제2 식각 용액에 의해 위스커(예를 들어, 실리콘 나노와이어)의 제거가 원활하게 이루어질 수 있기 때문이다. 즉, 60℃ 이상의 온도에서 기판의 식각이 이루어지면, 쉽게 제거되지 않을 정도로 두꺼운 위스커가 기판상에 발생할 수 있다. 제2 식각 용액은 KOH 또는 NaOH일 수 있다.The step of reacting the first etching solution with the metal catalyst layer may be performed at a temperature of 25 占 폚 or more and less than 60 占 폚. This is because the whiskers (for example, silicon nanowires) can be smoothly removed by the second etching solution under the condition that the etching temperature of the substrate is higher than or equal to 25 ° C and less than 60 ° C. That is, if the substrate is etched at a temperature of 60 캜 or more, a thick whisker may be formed on the substrate to such an extent that it can not be easily removed. The second etching solution may be KOH or NaOH.
금속 촉매층은 금(Au)을 포함할 수 있다. 이는 금을 촉매로 사용함으로써, 제1 식각 용액(예를 들어, HF)에 의한 금속 촉매층의 부식 및 식각을 방지할 수 있기 때문이다.The metal catalyst layer may include gold (Au). This is because, by using gold as a catalyst, corrosion and etching of the metal catalyst layer by the first etching solution (for example, HF) can be prevented.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 구조 제조 방법을 보여주는 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 구조 제조 방법은 금속 촉매 화학 식각(metal-assisted chemical etching)에 의해 기판상에 돌출 구조를 형성하기 위해, 먼저 기판상에 금속 촉매층을 형성한다(S10).1 is a flow chart illustrating a method of fabricating a semiconductor structure in accordance with an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a method of fabricating a semiconductor structure according to an embodiment of the present invention includes forming a metal catalyst layer on a substrate to form a protruding structure on the substrate by metal-assisted chemical etching (S10).
도 2a는 도 1의 단계 S10을 설명하기 위한 도면으로, 나노와이어 구조를 갖는 반도체 구조를 제조하기 위한 방법을 보여주는 도면이다. 도 2b는 도 1의 단계 S10을 설명하기 위한 도면으로, 핀 구조를 갖는 반도체 구조를 제조하기 위한 방법을 보여주는 도면이다.FIG. 2A is a view for explaining step S10 of FIG. 1, showing a method for manufacturing a semiconductor structure having a nanowire structure. FIG. 2B is a view for explaining step S10 of FIG. 1, showing a method for manufacturing a semiconductor structure having a fin structure. FIG.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기판(10)상에 돌출 구조의 역패턴을 갖는 금속 촉매층(20)을 소정의 두께(T)로 형성한다(S10). 이때 금속 촉매층(20)의 패턴은 예를 들어, 리소그래피(lithography) 공정에 의해 형성될 수 있다. 실시 예에서, 돌출 구조는 핀 구조(fin structure) 또는 나노와이어 구조(nanowire structure)일 수 있다.Referring to FIGS. 1, 2A and 2B, a
기판(10)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs, gallium arsenide), 인화인듐(InP, indium phosphide) 또는 질화갈륨(GaN, gallium nitride)과 같은 III-V 반도체 기판을 포함할 수 있다.The
금속 촉매층(20)에는 금(Au)과 같은 귀금속 촉매 물질이 포함될 수 있다. 이는 금을 촉매로 사용함으로써, 제1 식각 용액(예를 들어, HF)에 의한 금속 촉매층(20)의 부식 및 식각을 방지할 수 있기 때문이다. 금속 촉매층(20)은 예를 들어, 물리적증착(PVD, physical vapor deposition), 열 증착(Thermal Evaporator) 등의 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition), 그 밖의 다양한 방식으로 기판(10) 상에 형성될 수 있으며, 특정한 방식으로 제한되지 않는다.The
후술되는 단계 S20에서, 기판에 수직인 핀 구조가 형성되도록, 금속 촉매층(20)이 제1 식각 용액과 반응하는 동안 휨 변형되지 않게 하기 위하여, 금속 촉매층(20)은 기판(10)상에 10㎚ 이상 40㎚ 미만의 두께로 형성될 수 있다.The
도 3a는 도 1의 단계 S20을 설명하기 위한 도면으로, 기판 상에 나노와이어 구조가 형성된 것을 보여주는 도면이다. 도 3b는 도 1의 단계 S20을 설명하기 위한 도면으로, 기판 상에 핀 구조가 형성된 것을 보여주는 도면이다. 도 1, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 기판(10)상에 금속 촉매층(20)이 형성되면, 금속 촉매층(20)에 제1 식각 용액을 반응시켜 금속 촉매층(20)이 형성된 영역을 식각함으로써, 기판(10)상에 돌출 구조(11)를 형성한다(S20).FIG. 3A is a view for explaining step S20 of FIG. 1, showing a nanowire structure formed on a substrate. FIG. FIG. 3B is a view for explaining step S20 of FIG. 1, showing a pin structure formed on a substrate. Referring to FIGS. 1, 3A and 3B, when the
단계 S10에서 금속 촉매층(20)이 10㎚ 이상 40㎚ 미만의 두께로 형성되면, 금속 촉매층(20)은 제1 식각 용액과 반응하는 동안 휨 변형되지 않으며, 이에 따라 도 3a 및 도 3b와 같이, 기판(10)에 대해 수직인 돌출 구조(11)가 형성된다.If the
도 4a 및 도 4b는 금속 촉매층(20)의 두께가 50㎚인 경우, 기판 식각 과정에서 금속 촉매층(20)에 휨 변형이 발생된 것을 보여주는 SEM 이미지이다. 도 5는 금속 촉매층(20)의 두께가 20㎚인 경우, 기판 식각 과정에서 금속 촉매층(20)에 휨 변형이 발생되지 않은 것을 보여주는 SEM 이미지이다. 이때, 기판은 P-type Si(5~10Ω/㎝, Boron doped)이 사용되었고, 금속 촉매층은 금(Au)이 사용되었으며, 식각용액은 HF(4.6M), H2O2(0.44M), DI가 사용되었고, 식각온도는 50℃로 이루어졌다.FIGS. 4A and 4B are SEM images showing that the
도시된 바와 같이, 금속 촉매층(20)이 50㎚ 두께로 형성된 경우, 기판 식각 과정에서 금속 촉매층(20)에 휨 변형이 발생되고, 기판(10)에 대해 수직인 돌출 구조(11)가 형성되지 않지만, 금속 촉매층(20)이 20㎚ 두께로 형성된 경우, 기판 식각 과정에서 금속 촉매층(20)에 휨 변형이 발생되지 않으며, 기판(10)에 대해 수직인 돌출 구조(11)가 형성되는 것을 알 수 있다.As shown in the figure, when the
본 발명자의 실험 결과, 금속 촉매층(20)의 두께가 40㎚인 경우, 금속 촉매층(20)의 패턴에 따라 식각속도(0.3㎛/min, 0.7㎛/min)가 다르지만, 금속 촉매층(20)의 두께가 20㎚인 경우, 금속 촉매층(20)의 패턴(도 2a 및 도 2b 참조)에 상관없이 식각속도가 일정한 것으로 확인되었다. 따라서, 금속 촉매층(20)의 두께는 40㎚ 미만, 보다 바람직하게는 10 ~ 30㎚ 일 수 있다.As a result of the experiment conducted by the inventors of the present invention, the etch rate (0.3 탆 / min, 0.7 탆 / min) differs depending on the pattern of the
제1 식각 용액은 금속 촉매층(20)과 화학적 반응에 의하여 기판(10)을 식각하게 된다. 제1 식각 용액은 예를 들어, 불화수소(HF), 과산화수소(H2O2) 및 순수(DI, deionized water)를 포함할 수 있다.The first etching solution etches the
금속 촉매층(20)에 제1 식각 용액을 반응시키는 단계는 25℃ 이상, 60℃ 미만의 온도로 행해질 수 있다. 즉, 기판(10)의 식각 온도, 예를 들어, 제1 식각 용액의 온도는 25℃ 이상, 60℃ 미만일 수 있다. 이는 25℃ 미만의 식각 온도에서는 기판(10)의 식각이 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 60℃ 이상의 온도에서 기판(10)의 식각이 이루어지면, 쉽게 제거되지 않을 정도로 두꺼운 위스커(whisker)가 기판상에 발생하여, 후술되는 단계 S30에서 위스커(예를 들어, 실리콘 나노와이어)가 제2 식각 용액에 의해 원활하게 제거되지 않을 수 있기 때문이다.The step of reacting the first etching solution with the
다시 도 1을 참조하면, 단계 S20에서 기판(10)상에 금속 촉매층(20)으로부터 실리콘 나노와이어(Si nanowire)와 같은 위스커가 성장하게 되는데, 이러한 위스커는 반도체 소자의 특성에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 기판(10)상에 제2 식각 용액을 반응시켜 기판(10)상에 형성된 위스커를 제거한다(S30). 이때, 제2 식각 용액은 KOH 또는 NaOH일 수 있다.Referring again to FIG. 1, in step S20, a whisker such as a silicon nanowire is grown on the
도 6은 위스커가 제거되기 전의 핀 구조의 단면을 보여주는 SEM 이미지이다. 도 7은 위스커가 제거된 후의 핀 구조의 단면을 보여주는 SEM 이미지이다. 이는 기판(10)의 식각이 50℃ 온도에서 이루어진 것으로, 쉽게 제거될 수 있는 정도의 얇은 직경의 위스커(whisker)가 형성되기 때문에, 위스커가 제2 식각 용액에 의해 용이하게 제거된 것을 보여준다.6 is an SEM image showing a cross-section of the fin structure before the whiskers are removed. 7 is an SEM image showing a cross-section of the pin structure after the whisker has been removed. This shows that the whiskers are easily removed by the second etching solution because the etching of the
다시 도 1을 참조하면, 기판(10)상에 제3 식각 용액을 반응시켜 금속 촉매층(20)을 제거하는 공정이 수행될 수 있다(S40). 도시된 예에서는 위스커 제거 공정(S30)이 수행된 후, 금속 촉매층(20)을 제거하는 공정(S40)이 수행되는 것으로 나타나 있으나, 금속 촉매층(20)을 제거하는 공정을 먼저 수행한 후, 위스커를 제거하는 것도 가능하다.Referring again to FIG. 1, a process of removing the
도 8은 다양한 형상의 패턴을 갖는 금속 촉매층을 이용해 반도체를 식각한 것을 보여주는 SEM 이미지이다. 도 9는 도 8에 도시된 다양한 패턴 형상을 갖는 20㎚ 두께의 금속 촉매층에 의해 기판이 식각된 것을 단면을 통해 보여주는 SEM 이미지이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의하면, 금속 촉매층의 패턴 형상에 관계 없이 2㎛/min의 일정한 식각속도로 기판 식각이 이루어졌다.FIG. 8 is an SEM image showing that the semiconductor is etched using a metal catalyst layer having patterns of various shapes. 9 is an SEM image showing a cross section of a substrate etched by a 20 nm thick metal catalyst layer having various pattern shapes shown in FIG. Referring to FIGS. 8 and 9, according to an embodiment of the present invention, the substrate is etched at a constant etching rate of 2 μm / min irrespective of the pattern shape of the metal catalyst layer.
도 10은 50℃ 온도로 기판 식각이 이루어진 반도체 구조를 위에서 보여주는 SEM 이미지이고, 도 11 및 도 12는 60℃ 온도로 기판 식각이 이루어진 반도체 구조를 위에서 보여주는 SEM 이미지이다.FIG. 10 is an SEM image showing a semiconductor structure having a substrate etched at a temperature of 50.degree. C. from above, and FIGS. 11 and 12 are SEM images showing a semiconductor structure having a substrate etched at a temperature of 60.degree.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 60℃ 온도로 기판을 식각한 경우 KOH로 제거되는데 시간이 오래 걸리는 두꺼운 위스커가 발생하지만, 50℃ 온도로 기판을 식각한 경우 KOH로 제거 가능한 얇은 위스커가 발생하는 것을 알 수 있다. 두꺼운 위스커들은 KOH로 제거되지 않아, 깨끗한 핀 구조를 형성하기 어려움을 알 수 있다.10 to 12, when a substrate is etched at a temperature of 60 ° C., a thick whisker that takes a long time to be removed by KOH occurs, but when the substrate is etched at a temperature of 50 ° C., a thin whisker that can be removed by KOH occurs . Thick whiskers are not removed by KOH, and it is difficult to form a clean fin structure.
도 13은 은을 촉매로 하여 기판을 식각한 것을 보여주는 SEM 이미지이고, 도 14는 금을 촉매로 하여 기판을 식각한 것을 보여주는 SEM 이미지이고, 도 15는 금을 촉매로 하여 본 실시 예에 따라 형성된 핀 구조를 보여주는 SEM 이미지이다. 도 13 내지 도 15를 참조하면, 금속 촉매로 은이 활용된 경우, HF에 의해서 은이 부식되는 현상이 발견되었다. 따라서, 원활한 기판 식각을 위하여 은(Ag)은 적합하지 않으며, 금(Au)이 적합하다는 것을 알 수 있다.FIG. 13 is an SEM image showing etching of a substrate using silver as a catalyst, FIG. 14 is an SEM image showing etching of a substrate using gold as a catalyst, FIG. 15 is a SEM image of gold SEM image showing pin structure. 13 to 15, when silver is utilized as a metal catalyst, silver is corroded by HF. Therefore, silver (Ag) is not suitable for smooth substrate etching, and gold (Au) is suitable.
본 발명의 실시 예에 따르면, 돌출 구조(11)를 갖는 기판(10); 및 기판(10) 상에 돌출 구조(11)의 역패턴을 갖도록 형성된 금속 촉매층(20)을 포함하는 반도체 구조가 제공될 수 있다. 돌출 구조(11)는 핀 구조 또는 나노와이어 구조일 수 있다. 상기 기판(10)상의 위스커의 밀도는 실질적으로 '0'일 수 있다. 본 발명의 실시 예는 FinFET(fin field effect transistor)와 같은 반도체 소자를 제조함에 있어서, 금속 촉매 화학 식각(Metal-Assisted Chemical Etch)에 의해 핀 구조(fin structure)를 형성하는데 활용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.It is to be understood that the above-described embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention, and it is to be understood that various modifications are possible within the scope of the present invention. It is to be understood that the technical scope of the present invention should be determined by the technical idea of the claims and the technical scope of protection of the present invention is not limited to the literary description of the claims, To the invention of the invention.
10: 기판
11: 돌출 구조
20: 금속 촉매층10: substrate
11: protruding structure
20: metal catalyst layer
Claims (14)
상기 기판상에 상기 돌출 구조의 역패턴을 갖는 금속 촉매층을 소정의 두께의 금(Au)으로 형성하는 단계; 및
상기 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시켜 상기 금속 촉매층이 형성된 식각 영역을 식각함으로써 상기 기판상에 상기 돌출 구조를 형성하는 단계; 및
상기 기판상에 제2 식각 용액을 반응시켜 상기 기판상에 형성된 위스커(whisker)를 제거하는 단계를 포함하며,
상기 소정의 두께는, 상기 금속 촉매층이 상기 제1 식각 용액과 반응하는 동안 휨 변형되지 않도록 10nm 이상 40nm 미만이며,
상기 위스커를 제거하는 단계 수행 후 상기 기판상의 위스커의 밀도가 0이 되도록, 상기 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시키는 단계는 25℃ 이상, 60℃ 미만의 온도로 행해지는 반도체 구조 제조 방법.A method of forming a protruding structure on a substrate by metal-assisted chemical etching,
Forming a metal catalyst layer having an inverted pattern of the protruding structure with gold (Au) having a predetermined thickness on the substrate; And
Forming the protruding structure on the substrate by reacting the metal catalyst layer with a first etching solution to etch an etching region where the metal catalyst layer is formed; And
Reacting a second etchant solution on the substrate to remove a whisker formed on the substrate,
The predetermined thickness is not less than 10 nm and less than 40 nm so that the metal catalyst layer is not warped during reaction with the first etching solution,
Wherein the step of reacting the first etching solution on the metal catalyst layer is performed at a temperature of 25 占 폚 or more and less than 60 占 폚 so that the density of the whisker on the substrate is zero after performing the step of removing the whisker.
상기 돌출 구조는 핀(fin) 구조 또는 나노와이어(nanowire) 구조를 포함하는 반도체 구조 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the protruding structure comprises a fin structure or a nanowire structure.
상기 제2 식각 용액은 KOH 또는 NaOH를 포함하는 반도체 구조 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the second etching solution comprises KOH or NaOH.
상기 기판상에 제3 식각 용액을 반응시켜 상기 금속 촉매층을 제거하는 단계를 더 포함하는 반도체 구조 제조 방법.The method according to claim 1,
Further comprising reacting a third etchant solution on the substrate to remove the metal catalyst layer.
상기 기판상에 금속 촉매층을 소정의 두께의 금(Au)으로 형성하는 단계; 및
상기 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시켜 상기 금속 촉매층이 형성된 영역을 식각하는 단계; 및
상기 기판상에 제2 식각 용액을 반응시켜 상기 기판상에 형성된 위스커(whisker)를 제거하는 단계를 포함하며,
상기 소정의 두께는, 상기 금속 촉매층이 상기 제1 식각 용액과 반응하는 동안 휨 변형되지 않도록 10nm 이상 40nm 미만이며,
상기 위스커를 제거하는 단계 수행 후 상기 기판상의 위스커의 밀도가 0이 되도록, 상기 금속 촉매층에 제1 식각 용액을 반응시키는 단계는 25℃ 이상, 60℃ 미만의 온도로 행해지는 기판 식각 방법.A method of etching a substrate by metal-assisted chemical etching,
Forming a metal catalyst layer of gold (Au) having a predetermined thickness on the substrate; And
Etching the region where the metal catalyst layer is formed by reacting the metal catalyst layer with the first etching solution; And
Reacting a second etchant solution on the substrate to remove a whisker formed on the substrate,
The predetermined thickness is not less than 10 nm and less than 40 nm so that the metal catalyst layer is not warped during reaction with the first etching solution,
Wherein the step of reacting the first etching solution on the metal catalyst layer is performed at a temperature of 25 ° C or more and less than 60 ° C such that the density of the whisker on the substrate is zero after performing the step of removing the whisker.
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| Sang-Joon Park et al., A versatile ultra-thin Au nanomesh from a reusable anodic aluminium oxide membrane, Journal of Materials Chemistry C, Vol. 1, pp.5330-5335(2013.07.03.) |
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