KR20000035823A - 반도체 물질의 웨이퍼를 큰 치수로 제조하는 방법 및 이 결과의웨이퍼를 절연체 상의 반도체 형태의 기판을 제조하는 데 사용하는 방법 - Google Patents

반도체 물질의 웨이퍼를 큰 치수로 제조하는 방법 및 이 결과의웨이퍼를 절연체 상의 반도체 형태의 기판을 제조하는 데 사용하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 물질의 잉곳(ingot)을 잘라 적어도 하나의 반도체 물질의 웨이퍼를 얻는 방법에 관한 것이다. 자름이 잉곳의 길이 방향의 평면을 따라 이루어져 큰 치수를 가지는 웨이퍼(10)를 얻는다.
얻어진 웨이퍼는 절연체 상의 반도체(Semiconductor On Insulator) 형태의 기판, 예를 들어 절연체 상의 실리콘(Silicon On Insulator) 기판을 제조하는 데 사용될 수 있다.

Description

반도체 물질의 웨이퍼를 큰 치수로 제조하는 방법 및 이 결과의 웨이퍼를 절연체 상의 반도체 형태의 기판을 제조하는 데 사용하는 방법{Method for obtaining a wafer in semiconducting material of large dimensions and use of the resulting wafer for producing substrates of the semiconductor on insulator type}
절연체의 지지물 상에 형성된 반도체 물질의 층 또는 막으로 이루어지는 기판을 제조하는 방법들이 다수 알려져 있다. 상세하게는, 이러한 방법들은 절연체 상의 실리콘 형태의 기판들을 제조하는 데 이용될 수 있다.
헤테로-에피택시(hetero-epitaxy) 방법들은 결정 성장, 예를 들어, 다른 재질의 단결정 기판 상에 박막으로써 실리콘 결정을 성장시키는 데 이용될 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3) 기판 또는 불화 칼슘(CaF2) 기판 등과 같은 이런 다른 재질의 단결정 기판은 실리콘의 메시 변수(mesh parameter)와 유사한 메시 변수를 가진다.
SIMOX 방법은 실리콘의 체적 내에, 기판의 덩어리로부터 단결정 실리콘의 박막을 분리하는 산화 실리콘층을 형성하기 위해서 실리콘 기판 없이 높은 산소 도즈의 이온 주입을 이용한다.
다른 방법들은 기계적-화학적 또는 화학적 삭마로 웨이퍼를 얇게 하는 원리를 이용한다. 이러한 분야에서 가장 효과적인 방법들은 또한, 요구되는 두께에 도달하는 즉시 웨이퍼의 얇아짐을 종료함으로써 균일한 두께를 보장하는 식각 정지 장벽의 원리를 이용한다. 예를 들어, 이러한 기술은 요구되는 막 두께에 걸친 n형 기판에의 p형 도핑, 및 n형 실리콘에 대해서는 활성이고 p형 실리콘에 대해서는 비활성인 화학물 욕조로 기판을 화학적으로 식각하는 것으로 이루어진다.
얇은 반도체 박막은 절연체 상의 실리콘 기판, X-선 리소그래피(X-ray lithography)를 위한 마스크를 제조하기 위한 실리콘 또는 탄화 실리콘(silicon carbide)의 자기 지지막(self-supporting membrane), 센서, 태양 전지 및 다양한 활성층들을 가지는 집적 회로의 생산에 주로 적용된다.
박막을 제조하는 많은 방법들은 제조 기술들에 연관되는 불리한 점들을 가지고 있다.
헤테로-에피택시 방법들은 기판의 재질에 의해서 제한된다. 기판 메시 변수가 반도체에 대해서 정확하게 동일하지 않기 때문에, 박막은 많은 결정학적 결함들을 포함하게 된다. 더욱이, 이러한 기판들은 매우 비싸고, 쉽게 깨어지며, 제한된 치수들에서만 유용하다.
SIMOX 방법은 매우 높은 도즈로의 이온 주입을 요구하며 이는 매우 크고 복잡한 이온 주입 장치를 필요로 한다. 이러한 장치들의 처리향은 낮고 이를 의미 있을 정도로 증가시키는 방법을 찾기가 어렵다.
단지 식각 정지 장벽 원리를 사용한다면, 두께를 감소시키는 방법들은 균질도 및 질의 관점에서 경쟁력이 있다. 불행하게도, 정지 장벽을 만드는 것은 이런 방법을 복잡하게 하고 몇몇 경우에서는 막의 적용을 제한하게 된다. n형 기판에 p형 도핑에 의해서 식각 정지가 이루어지면, 이 막을 이용하는 어떤 전자 소자들은 막의 p형 특성의 기능으로 설계되어야만 한다.
이러한 종래의 기술들을 극복하기 위해서 더 최근의 기술이 개발되었다. 이러한 기술은 프랑스 특허 공보 FR-A-2 681 472호에 기술되었으며, 다음의 단계들에 따라 평탄한 표면을 가지는 요구되는 반도체 물질의 웨이퍼를 제공함으로써 이루어진다:
- 이온들에 의한 웨이퍼의 평탄한 면의 피폭에 의한 주입의 제1단계; 웨이퍼의 두께 내에 이온의 투사 깊이와 거의 대등한 깊이로 마이크로-공동(micro-cavity)들의 층을 형성하고, 이러한 층은 웨이퍼를 기판 덩어리를 구성하는 하부 영역 및 박막을 형성하는 상부 영역으로 분리시킨다. 이온들은 희소 가스(rare gas) 또는 수소 가스 이온들로부터 선택되어지고, 웨이퍼의 온도는 주입된 이온들이 확산에 의해서 반도체로부터 탈출할 수 있는 온도 이하로 유지된다.
- 웨이퍼의 평탄한 표면을, 적어도 하나의 단단한 물질로 이루어지는 층으로 구성되는 지지물(보강제)과 가능하면 밀접하게 접촉하도록 놓는 제2단계; 이러한 밀접함 접촉은 예를 들어 접착제를 사용하거나 또는 예비 표면 준비 및 지지물과 웨이퍼간에 상호 원자적 결합을 조장하기 위한 가능한 가열 및/또는 정전기적 처리에 의해서 이루어질 수 있다.
- 웨이퍼와 지지물의 결합체가 주입이 수행된 온도를 초과하며, 웨이퍼에서의 결정 재배열과 마이크로 공동들의 압력에 의해서 박막과 기판 덩어리가 분리되기에 충분한 온도(예컨대, 실리콘에 대해서는 500℃ 정도의 온도일 수 있다)로 가열 처리되는 제3단계.
이 방법은 매우 전도 유망한 것이다. 예를 들어, 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 시작되는 SOI(Silicon On Insulator) 기판들을 구현하는 데 이 방법이 사용되어질 수 있다. 마이크로 전가학적 응용을 위해서, 반도체 물질은 전자학적 특성을 가져야 한다. 실리콘의 경우에, 이러한 특성을 가지는 웨이퍼는 산업적으로 두 가지 성장 방법, 즉, 용융된 실리콘 욕조로부터 시작되는 쵸코랄스키 당김(Czochralski pulling) 방법(CZ)과 다결정질 잉곳(ingot)으로부터 시작되는 존 융해(zone fusion) 방법(FZ)을 사용하여 얻어지며, 먼저의 방법이 더 자주 사용된다. 이러한 성장 방법들은 실린더형 잉곳들을 제공하고, 이러한 잉곳들은 일반적으로 내부로 자르는 원형 톱을 사용하여 실린더의 중심축에 수직한 슬라이스(slice)들로 잘린다.
프랑스 특허 공보 FR-A-2 681 472호에 기술된 방법을 사용하고자하는 전자학적 기술자는, 따라서 반도체 물질의 소오스로 반도체 인곳의 슬라이스들로부터 잘려지는 웨이퍼를 이용하곤 한다. 만약에 그가 큰 SOI 기판을 얻고자 한다면, 슬라이스내에서 적절하게 웨이퍼를 자를 것이다. 현재 기술로 300㎜ 지름의 잉곳을 제조하는 것이 가능하고, 이에 따라 이러한 치수가 SOI 기판의 치수 제한으로 강제된다.
그러나, 가장 큰 잉곳 보다 큰 치수의 SOI 기판들이 요구되는 경우가 발생하고 있다. 예들 들어, 이러한 경우는 "유리 상의 실리콘"에 대한 경우로, 이는 특히 LCD/TFT 형 표시 스크린을 제조하는 데 사용된다. 이러한 스크린들은 사각형, 예컨대, 16/9 형식의 사각형이다. 그러므로, 이러한 형식을 가지는 300㎜의 높이를 가지는 스크린은 대략 533㎜의 폭을 가지게 되고, 따라서, 300㎜ 지름의 웨이퍼는 이러한 형태의 스크린을 제조하는 데 이용될 수 없다.
다른 적용들, 즉, 얇은 실리콘 자기 지지막, 광 전지 또한 필적하는 치수들을 가지는 기판들을 요구한다.
따라서, 이러한 형태의 큰 소자는 종래의 반도체 잉곳의 슬라이스로 이루어지는 원형 웨이퍼로부터 제조될 수 없다.
본 발명은 반도체 물질로 이루어지는 웨이퍼를 큰 치수로 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 이 결과의 웨이퍼를 절연체 상의 반도체(Semiconductor On Insulator) 형태의 기판, 특히 절연체 상의 실리콘(Silicon On Insulator) 기판을 제조하는 데 사용하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 단결정 실리콘의 잉곳을 관련되는 결정학적 평면들과 함께 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 반도체 물질의 잉곳을 자르는 제1방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 반도체 물질의 잉곳을 자르는 제2방법을 도시한 것이다.
이러한 단점들을 극복하기 위해서, 본 발명은 실린더형 잉곳을, 실린더의 중심축에 대해 수직인 슬라이스들보다는 실린더의 중심축에 대해 평행한 길이 방향의 슬라이스들로 자르는 것을 제안하고, 잉곳으로서 그 지름이 요구되는 웨이퍼의 폭과 적어도 동일하고, 그 길이가 요구되는 웨이퍼의 길이와 적어도 동일한 것이 선택된다.
반도체 물질의 잉곳을 자르는 이런 방법은 반도체 웨이퍼들의 사용자 및 제조자들 모두에 의해 채용된 모든 표준화된 실무에 반대된다. 사용자는 제조자로부터 유용한 크기에 따라 그의 웨이퍼들을 구입한다. 제조자는 반도체 물질의 잉곳들을 종래의 방법 외의 다른 방법으로 자르는 것에 대해서는 고려하지 않고 있으며, 이는 특히 그의 설비가 이것에 맞게 설계되어 있기 때문이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 실리콘 잉곳을 잘라 적어도 하나의 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법으로서, 잉곳의 길이 방향의 평면을 따라 자르는 것으로 특징 지워진다. 이러한 자름은 큰 치수를 가지는 웨이퍼의 제조를 가능하게 한다.
잉곳의 길이 방향의 평면은 잉곳의 최장 치수 방향으로의 축에 반드시 평행한 평면을 의미하지는 않는다. 평면은 잉곳의 최장 치수 방향의 축에 대해서 경사진 사면일 수 있으며, 예를 들어, 단결정 반도체 물질의 특정 결정학적 평면에 대해서 경사질 수 있으며, 본 발명의 원리는 잉곳의 최장 치수 방향의 축에 수직하게 잘라서 얻어지는 웨이퍼의 표면적 보다 큰 웨이퍼의 표면적을 얻을 수 있는 것이다.
자름은 실리콘 잉곳에 존재하는 결정학적 평면에 평행하거나 거의 평행한 면을 따라 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 또 다른 신규한 점은 자름이 잉곳의 길이 방향뿐만 아니라 결정학적으로 배향된 기판을 얻을 수 있다는 것이다.
그러나, 본 발명은 일반적으로 어떠한 반도체 물질(단결정, 다결정, 비정질의)의 잉곳들에 적용될 수 있다.
본 발명에 따르는 방법은 특히 잉곳이 CZ 또는 FZ 당김으로 얻어지는 실리콘 잉곳인 경우에 관련된다. 이러한 경우에, 잉곳은 인곳의 축에 대해서 수직한 <1,0,0> 형의 평면을 발생시키는 당김에 의해서 얻어질 수 있다.
잉곳은 두 가지 다른 방법으로 바람직하게 잘려질 수 있는 데, 한 그룹의 웨이퍼들은 서로 평행하고 다른 그룹의 웨이퍼들에 대해 수직한다.
이러한 방법으로 제조된 웨이퍼는 절연체 상의 반도체 형태의 기판을 제조하는 데 바람직하게 사용될 수 있으며, 특히, 큰 치수를 가지는 기판에 사용될 수 있다. 따라서, 특히 특허 공보 FR-A-2 681 472호에 기술된 방법을 사용하고, 적어도 하나의 절연부를 포함하는 지지물을 사용하여 이러한 기판을 얻는 것이 흥미롭다.
본 발명은, 첨부된 도면들을 참조하며 본 발명을 한정하는 것이 아닌 실시예로 주어진 다음의 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해될 수 있으며, 다른 장점들 및 특이점들이 명확해질 것이다.
나머지 설명에서, 기술된 반도체 물질의 잉곳은 단결정 실리콘의 잉곳이고 요구되는 웨이퍼는 직사각형의 웨이퍼이다. 이러한 물질은 마이크로 전자학에서 가장 자주 이용되는 물질이기 때문에 선택된 것이다. 그러나, 본 발명이 이러한 형태의 물질에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 CZ 또는 FZ 당김에 의해서 얻어진 단결정 실리콘 인곳(1)을 나타낸다. 이것은 회전축(2)을 가지는 거의 실린더 형태이다. 두 밑면(3, 4)은 이런 실린더형 잉곳에 대해서 축(2)에 대해서 수직하게 규정될 수 있다. <1,0,0> 결정학적 평면으로 배향된 잉곳이 얻어지도록 당김이 선택되며, <1,0,0> 결정학적 평면은 도 1에서 참조 부호 5로 표기된다. 이러한 경우에, <1,0,0> 평면의 다른 두 가지 형태가 있는 데, 이는 잉곳 축(2)에 평행하며 각기 참조 부호 6과 7로 표기된 <0,0,1>과 <0,1,0> 평면들이다.
본 발명의 목적은 큰 치수를 가지는 적어도 하나의 웨이퍼를 얻는 것이므로, 잉곳 지름은 웨이퍼의 직사각형 표면의 폭과 적어도 동일하고, 잉곳의 길이가 얻어지는 웨이퍼의 직사각형 표면의 길이와 적어도 동일하도록 당겨진다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 잉곳(1)을 자르는 제1방법을 나타낸다. 이 경우에, 웨이퍼들이 각각 평행하고 도 1의 참조 부호 6과 7로 표기된 <1,0,0> 평면 중 하나에 평해하도록 잘려진다. 얻어지는 웨이퍼들은, 10으로 표기된 웨이퍼와 같이 모두 동일한 길이를 가지나 다른 폭들을 가진다. 줄 톱을 이용하여 자르는 것이 바람직하다.
도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 잉곳(1)을 자르는 제2방법을 나타낸다. 잉곳을 주축(2)에 대해서 대략 90° 정도가 되게 주기적으로 돌려서 자른다. 따라서, 예를 들어, 참조 부호 11과 11′으로 표기된 두 웨이퍼들을 자른 후에, 인곳은 90°로 돌려지고 참조 부호 12와 12′으로 표기된 두 웨이퍼들로 잘려질 수 있으며, 이후에, 다시 90° 정도 회전되어 참조 부호 13과 13′으로 표기된 두 웨이퍼 등으로 잘려질 수 있다. 또한 줄 톱을 이용하여 자르는 것이 바람직하다.
이후에, 얻어진 웨이퍼들에는 마이크로 전자학에서 이용되는 가열 처리들이 수행될 수 있고, 특히 마이크로 전자학적 표면 특성을 제공하기 위해서 종래의 연마 처리들이 수행될 수 있다.
이후에, 얻어진 웨이퍼를 실리콘 소오스로 이용함으로써, 특허 공보 FR-A-2 681 472호에 기술된 절연체 상의 실리콘 기판을 얻는 방법이 사용될 수 있다.
따라서, 제조된 각 단결정 실리콘 웨이퍼는 다수의 SOI 기판들(에를 들어, 유리 상의 실리콘)을 제조하는 데 사용되어질 수 있다. 얻어진 웨이퍼들의 두께는 ㎜의 차수 또는 수 ㎜일 수 있고, 절연 지지물 상으로 이전되는 실리콘의 두께는 마이크로미터의 차수일 수 있다. 특허 공보 FR-A-2 681 472호에 따라 실리콘 이전 방법(가능하면 보강재를 사용하지 않고)을 적용한 이후에, 웨이퍼는 단순히 재연마되고, 이에 따라 재사용될 수 있다. 실리콘 이전 방법을 적용한 후, 또한 웨이퍼의 표면을 재연마하고 초기의 두께를 복원하기 위해서 그 위에 실리콘 에피택시로 다른 실리콘을 형성하는 것이 가능하다.
이러한 에피택시 기술은, 웨이퍼를 자른 후 초기 두께의 일부 또는 전부를 회복시키기 위해서 반도체 잉곳을 복원하는 데 사용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 실리콘 잉곳(1)을 잘라 적어도 하나의 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법에 있어서,
    상기 자름이 상기 잉곳의 길이 방향의 평면을 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자름이 상기 실리콘 잉곳의 결정학적 평면에 평행하거나 거의 평행한 평면을 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 길이 방향의 평면(6, 7)은 상기 잉곳의 최장 치수에 평행한 축(2)에 평행한 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 잉곳(10)은 CZ 또는 FZ 당김에 의해서 얻어진 실리콘 잉곳인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 잉곳(10)은 상기 잉곳의 축에 수직한 <1,0,0> 형태의 평면을 형성하는 당김에 의해서 얻어진 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 잉곳이 잘려진 후에 잘려진 웨이퍼의 두께의 일부 또는 전부를 복원하기 위해서 에피택시가 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  7. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 자름은 상기 잉곳(1)을 상호 평행하는 웨이퍼(10)들로 자르는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  8. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 자름은 상기 잉곳(1)을 두 그룹의 웨이퍼들로 자르는 것으로 이루어지며, 한 그룹의 웨이퍼들(11, 11′, 13, 13′)은 상호 평행하고 다른 그룹의 웨이퍼들(12, 12′)에 수직한 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 한 그룹의 두 웨이퍼들이 잘려진 이후에, 다른 그룹의 두 웨이퍼들이 잘려지는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼를 얻는 방법.
  10. 반도체 물질의 잉곳(1)을 잘라 반도체 물질의 웨이퍼들을 얻는 방법에 있어서,
    상기 자름이 상기 잉곳의 길이 방향의 평면을 따라 이루어지며 상기 잉곳은 두 그룹의 웨이퍼들로 잘려지며, 한 그룹의 웨이퍼들(11, 11′, 13, 13′)은 상호 평행하고 다른 그룹의 웨이퍼들에 수직한 것을 특징으로 하는 반도체 물질의 웨이퍼들을 얻는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 한 그룹의 두 웨이퍼들이 잘려진 이후에, 다른 그룹의 두 웨이퍼들이 잘려지는 것을 특징으로 하는 반도체 물질의 웨이퍼들을 얻는 방법.
  12. 이전의 어느 한 항을 따르는 방법에 의해서 얻어진 웨이퍼를, 절연체 상의 반도체 형태의 기판을 제조하는 데 사용하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기판은
    -웨이퍼 내에서 박막을 경계 짓는 마이크로-공동층을 얻기 위해서 반도체 물질의 웨이퍼에 이온 주입을 하는 단계;
    -이후에 상기 웨이퍼의 상기 박막 면이 적어도 하나의 절연부를 구비하는 지지물과 밀접하게 접촉하도록 놓는 단계; 및
    - 마지막으로, 상기 웨이퍼와 지지물의 결합체를 가열 처리하여 상기 웨이퍼의 나머지로부터 상기 박막을 분리하는 단계로 이루어지는 방법으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼를 사용하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 웨이퍼의 나머지에는 상기 박막 두께의 전부 또는 일부분를 복원하기 위해서 에피택시가 수행되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼를 사용하는 방법.
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