KR20020059957A - 다공성 산화 실리콘층의 선택적 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

P형 실리콘 기판에 실리콘 산화막 패턴을 형성하고, 실리콘 산화막 패턴을 마스크로 하여 실리콘 기판에 N형 불순물을 확산시킨다. 다음, 실리콘 산화막 패턴을 제거하고 실리콘 기판을 양극화 반응시킨다. 이렇게 하면, N형 불순물이 도핑되어 있는 영역을 제외한 실리콘 기판 표면부에 선택적으로 다공성 실리콘층이 형성된다. 이렇게 하여 다공성 실리콘층을 선택적으로 형성한 후, 산화공정을 하면 다공성 실리콘층이 다공성 산화 실리콘층으로 바뀌게 되며, 결국 이온 주입에 의해 높은 정밀도를 기할 수 있고, 손상이 없는 우수한 품질의 다공성 산화 실리콘층을 형성할 수 있다.

Description

다공성 산화 실리콘층의 선택적 형성 방법{A fabrication method of selectively oxidized porous silicon(SOPS) layer}
본 발명은 다공성 산화 실리콘층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
멀티칩 패키징용 기판으로서 실리콘 기판의 사용이 점차 일반화되어 가고 있다. 이는 실리콘 기판이 알루미나 기판에 비해 가격이 저렴하고 열전도도가 높으며 트랜지스터나 IC 등의 능동 소자를 기판에 직접 형성할 수 있을 뿐만 아니라 실리콘 기판을 사용하는 반도체 공정 기술이 충분히 개발되어 있어서 실용화하기 쉽기 때문이다. 그러나 실리콘 기판은 반도체인 특성상 절연성이 떨어져 초고주파 영역에서 사용하기 어려운 단점이 있다.
따라서 일반적으로 실리콘 기판을 멀티칩 패키징용으로 사용하고자 할 때에는 실리콘 기판 위에 CVD(chemical vapor deposition)를 이용하여 절연막을 형성하거나 실리콘 표면에 양극화 반응을 통하여 다공성 산화 실리콘층을 형성하고 그 위에 수동 소자를 형성하고 칩을 배치한다. 이중에서 다공성 산화 실리콘층은 폴리이미드 등의 유전 물질에 비하여 높은 열전도 계수를 가지며 낮은 비유전계수를 지니고 실리콘 산화층과 유사한 낮은 유전 손실을 보인다. 따라서 다공성 산화 실리콘층을 형성하는 방법이 선호된다.
그러나 다공성 산화 실리콘층을 실리콘 기판 전면에 형성할 경우에는 칩으로부터 발생되는 열을 충분히 방출시키지 못하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 실리콘 기판에 선택적으로 일부만을 다공성 산화 실리콘층으로 만듦으로써 열전도도가 우수한 실리콘 기판이 칩과 직접 접촉할 수 있도록 만드는 방법이 제시되었다. 그 한 예로 국내 특허출원 제1996-035061호에 보면 감광막을 이용하여 선택적으로 다공성 산화 실리콘층을 형성하는 방법이 제시되어 있다. 이에 대하여 도 1을 참고로 하여 설명한다.
도 1a와 도 1b는 종래의 기술에 따라 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성하는 방법을 순서에 따라 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(1) 위에 감광막(2)을 도포하고, 노광 및 현상하여 필요로 하는 감광막 패턴을 형성한다.
다음, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 감광막(2)을 마스크로 하여 실리콘 기판(1)을 양극화 반응시켜 감광막(2)으로 덮이지 않은 부분에 다공성 실리콘층(3)을 형성하고, 감광막(2)을 제거한다.
이어서, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 다공성 실리콘층(3)을 산화시켜 다공성 산화 실리콘층(4)을 형성한다.
그런데 이러한 방법을 통하여 다공성 실리콘층(3)을 형성하면 도 1b에 나타난 바와 같이 다공성 실리콘층(3)이 감광막(2) 하부로 깊숙히 파고 들어온 형상으로 형성되어 원하는 패턴을 얻기가 어렵다. 뿐만 아니라, 마스크로 사용한 감광막(2)을 제거하는 과정에서 내화학성이 약한 다공성 실리콘층(3)이 손상을 입게된다.
또, 선택적 다공성 산화 실리콘을 형성하는 방법에 대하여 설명하고 있는 다른 예로 국내 특허 출원 제1994-26395호가 있다. 이에 대하여 도 2를 참조로 하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따라 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성한 MMIC 기판의 단면도이다.
활성영역이 될 실리콘층(150)을 남겨두고 우수한 절연특성을 갖는 다공성 실리콘 또는 다공성 산화 실리콘(100)을 상기 활성 영역(150) 이외의 실리콘 기판에 형성시켜 활성 영역(150)만을 완전히 고립시킨 구조를 갖는다. 절연막(230)은 PSL 또는 OPSL의 표면노출을 방지하기 위한 보호막으로 사용된 것이며 필요에 따라 제거할 수 있다. 절연막(230) 위에는 전송선(170), 비활성 소자(190) 등이 형성되어 있다. PSL 또는 OPSL(100)의 하부에는 평면 전극(16)이 형성되어 회로에 기준 전압을 인가할 수 있게 한다.
이 발명에서는 활성영역(150)을 완전히 고립시키도록 다공성 산화 실리콘층(100)을 불순물 도핑 영역 하부에까지 형성한다. 그런데 이처럼 활성 영역(150) 하부에도 다공성 산화 실리콘층(100)이 형성된 기판을 멀티칩 패키지용으로 사용하면 칩으로부터 발생하는 열이 잘 방출되지 못하는 문제가 여전히 남는다.
또, 그 형성 과정에서는 실리콘 기판을 양극화 반응시키는 과정에서 활성 영역(150)이 손상되는 것을 방지하기 위하여 활성 영역(150)만을 덮는 절연막 패턴을 형성하는데, 이를 위하여 한 번의 사진 식각 공정이 추가된다. 그러나 사진 식각 공정의 추가는 제조 공정을 복잡화하고 제조 비용을 높이는 큰 요인이 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 다공성 산화 실리콘층을 정교하게 선택적으로 형성하는 방법을 제시하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 손상받지 않은 우수한 다공성 산화 실리콘을 선택적으로 형성하는 방법을 제시하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 정교하고 손상없는 선택적 다공성 산화 실리콘층을 이용하여 형성한 멀티칩 패키지를 제공하는 것이다.
도 1a와 도 1c는 종래의 기술에 따라 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성하는 방법을 순서에 따라 나타낸 공정 단면도이고,
도 2는 종래의 기술에 따라 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성한 MMIC 기판의 단면도이고,
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제1 실시예에 따라 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성하는 방법을 순서에 따라 나타낸 공정 단면도이고,
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 제2 실시예에 따라 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성하는 방법을 순서에 따라 나타낸 공정 단면도이고,
도 5와 도 6은 각각 본 발명의 실시예에 따라 형성한 선택적 다공성 산화 실리콘층을 이용하여 제조한 플립칩 방식의 멀티칩 패키지와 와이어본딩 방식의 멀티칩 패키지의 단면도이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 실리콘 기판에 도핑 영역을 형성하고 실리콘 기판을 양극화 반응시킨다. 또는 실리콘 질화막 패턴을 형성하고 이를 양극화 반응 차단막으로 하여 실리콘 기판을 양극화 반응시킨다.
구체적으로는, 실리콘 기판에 산화막 패턴을 형성하는 제1 단계, 상기 실리콘 기판에 상기 산화막 패턴을 마스크로 하여 불순물 이온을 확산시키는 제2 단계, 상기 산화막 패턴을 제거하는 제3 단계, 상기 실리콘 기판을 양극화 반응시켜 다공성 실리콘층을 형성하는 제4 단계, 상기 다공성 실리콘층을 산화시키는 제5단계를 포함하는 과정을 통하여 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성한다.
이 때, 상기 실리콘 기판은 P형 기판이고, 상기 제2 단계에서 확산시키는 상기 불순물 이온은 N형인 것이 바람직하다.
또는, 실리콘 기판에 질화막 패턴을 형성하는 제1 단계, 상기 질화막 패턴을 양극화 반응 차단막으로 하여 상기 실리콘 기판을 양극화 반응시킴으로써 다공성 실리콘층을 형성하는 제2 단계, 상기 다공성 실리콘층을 산화시키는 제5단계를 포함하는 과정을 통하여 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성한다.
이 때, 상기 실리콘 기판은 P형 기판이고, 상기 불순물 도핑 영역은 N형 불순물로 도핑되어 있는 것이 바람직하고, 상기 제1 단계는 상기 실리콘 기판의 양 표면에 실리콘 질화막을 증착하는 단계, 상기 실리콘 질화막 위에 감광막 패턴을형성하는 단계, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 실리콘 질화막을 식각하는 단계로 이루어질 수 있다.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 다공성 산화 실리콘층의 선택적 형성 방법에 대하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제1 실시예에 따라 두꺼운 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성하는 방법을 순서에 따라 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 3a에 나타낸 바와 같이, P형 실리콘 기판(10)을 노(furnace)에 넣고 가열하여 실리콘 기판(10)의 양 표면에 약 3000Å 정도 두께로 실리콘 산화막(12)을 형성한다.
다음, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 위쪽 실리콘 산화막(12) 위에 감광막(20)을 도포하고, 이 감광막(20)을 필요한 패턴의 광마스크를 통하여 노광한 다음 현상하여 다공성 산화 실리콘층이 형성될 부분을 덮는 감광막(20) 패턴을 형성한다. 이어서, 감광막(20) 패턴을 식각 차단층으로 하여 노출되어 있는 실리콘 산화막(12)을 식각함으로써 실리콘 기판(10)을 노출시킨다. 실리콘 산화막(12)의 식각은 RIE(reactive ion etching)를 이용하여 행한다.
도 3c에 나타낸 바와 같이, 감광막(20) 패턴을 제거한다. 실리콘 기판(10)은 내확학성이 강한 편이므로 감광막(20) 제거를 위해 사용하는 아세톤, 메탄올 등의 화학 물질에 의하여 손상되지 않는다.
다음, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(10)을 확산로에 넣고 실리콘 산화막(12)에 의하여 덮이지 않고 노출되어 있는 실리콘 기판(10)에 인(P) 등의 N형 불순물 이온을 확산시켜 N형 우물(11)을 형성한다. 이때, 불순물 이온 농도는 5E13/cm2이상으로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 도 3e에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(10) 양면에 형성되어 있는 실리콘 산화막(12)을 식각하여 제거하고, 실리콘 기판(10) 하부 표면에 알루미늄을 증착하여 양극화 전극(13)을 형성한다. 실리콘 산화막(12)의 식각은 불산(HF) 용액의 의한 식각 방법에 의한다.
다음, 도 3f에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(10)을 양극화 반응시켜 다공성 실리콘층(30)을 형성한다. 이 때, 다공성 실리콘층(30)의 두께는 실리콘 기판의 반전도 특성으로 인한 초고주파대역에서의 전송선 손실을 제거하기 위해 약 20um이상으로 형성한다. 이 때, N형 우물이 형성되어 있는 부분(11)은 양극화 반응에 영향받지 않고 그대로 남아있게 된다.
이어서, 도 3g에 나타낸 바와 같이, 양극화 전극(13)을 식각하여 제거한다. 이 때, 양극화 전극은 알루미늄으로 이루어져 있으므로 불산(HF)과 초순수를 1:10의 비율로 혼합한 식각액을 사용한다.
이어서, 도 3h에 나타낸 바와 같이, 다공성 실리콘층(30)을 산화시켜 다공성 산화 실리콘층(31)으로 변환한다. 이 때, N형 우물이 형성되어 있는 부분(11)에도 얇게(약 1,500Å) 산화막이 형성되나 이 정도 두께의 산화막은 N형 우물이 형성되어 있는 부분(11)의 열방출 특성에 크게 영향을 주지 않는다. 결국 다공성 산화 실리콘층(31)의 패턴은 도 3b 단계에서 감광막(20) 패턴에 의하여 정의된 모양 그대로 형성된다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면 실리콘 기판에 다공성 산화 실리콘층을 매우 정교하게 선택적으로 형성할 수 있고, 손상없는 우수한 다공성 산화 실리콘층을 형성할 수 있다. 또한 다공성 산화 실리콘층 형성 중에 형성된 N형 우물에는 트랜지스터 등의 소자를 형성할 수 있어서 실리콘 기판을 단순히 패키지용 베이스(base)로써 사용하는 것이 아니라 칩 차체로서의 역할도 겸하게 할 수 있다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 제2 실시예에 따라 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성하는 방법을 순서에 따라 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 4a에 나타낸 바와 같이, P형 실리콘 기판(10)의 양 표면에 약 3000Å 정도 두께로 실리콘 질화막(14)을 증착한다.
다음, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 위쪽 실리콘 질화막(14) 위에 감광막(20)을 도포하고, 이 감광막(20)을 필요한 패턴이 형성되어 있는 광마스크를 통하여 노광한 다음 현상하여 다공성 산화 실리콘층이 형성될 부분을 노출시키는 감광막(20) 패턴을 형성한다. 이어서, 감광막(20) 패턴을 식각 차단층으로 하여 노출되어 있는 실리콘 질화막(14)을 식각함으로써 실리콘 기판(10)을 노출시킨다. 실리콘 질화막(14)의 식각은 RIE(reactive ion etching)를 이용하여 행한다.
다음, 도 4c에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 하부 표면에 형성되어 있는 실리콘 질화막(14)을 식각하여 제거한다.
도 4d에 나타낸 바와 같이, 감광막(20) 패턴을 제거한다. 이 때는 아세톤이나 메탄올 등을 사용하는데 실리콘 기판(10)은 내화학성이 강한 편이므로감광막(20) 제거를 위해 사용하는 아세톤, 메탄올 등의 화학 물질에 의하여 손상되지 않는다.
다음, 도 4e에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(10) 하부 표면에 알루미늄을 증착하여 양극화 전극(13)을 형성한다.
다음, 도 4f에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(10)을 양극화 반응시켜 실리콘 질화막(14)으로 덮이지 않고 노출되어 있는 부분에 다공성 실리콘층(30)을 형성한다. 이 때, 다공성 실리콘층(30)의 두께는 실리콘 기판의 반전도 특성으로 인한 초고주파대역에서의 전송선 손실을 제거하기 위해 약 20um이상으로 형성한다.
이어서, 도 4g에 나타낸 바와 같이, 양극화 전극(13)을 식각하여 제거한다. 이 때, 양극화 전극(13)은 알루미늄으로 이루어져 있으므로 불산(HF)과 초순수를 1:10의 비율로 혼합한 식각액을 사용한다.
이어서, 도 4h에 나타낸 바와 같이, 다공성 실리콘층(30)을 산화시켜 다공성 산화 실리콘층(31)으로 변환한다.
마지막으로, 도 4i에 나타낸 바와 같이, 남아있는 실리콘 질화막(14)을 제거한다.
본 발명에 따르면 실리콘 기판에 다공성 산화 실리콘층을 손상없이 선택적으로 형성할 수 있다.
도 5와 도 6은 각각 본 발명의 실시예에 따라 형성한 선택적 다공성 산화 실리콘층을 이용하여 제조한 플립칩 방식의 멀티칩 패키지와 와이어본딩 방식의 멀티칩 패키지의 단면도이다.
먼저, 도 5를 보면, P형 실리콘 기판(10) 표면에 다공성 산화 실리콘층(30)이 선택적으로 형성되어 있고, 실리콘 기판(10) 표면의 다공성 산화 실리콘층(30)이 형성되어 있지 않은 부분(11)에는 N형 불순물이 도핑되어 있다. 다공성 산화 실리콘층(30)과 N형 불순물이 도핑되어 있는 부분(11)의 하부는 실리콘 기판(10)이 그대로 남아 있다. 이러한 실리콘 기판(10) 위에는 광집적 회로 또는 전기적 집적 회로 등의 플립칩(51)이 실장되어 있는데 플립칩(51)과 실리콘 기판(10)은 단자(41, 42)와 그 사이의 솔더 범퍼(61, 62)를 통하여 연결되어 있다. 이 때, 단자(41, 42)와 솔더 범퍼(61, 62)는 다공성 산화 실리콘층(30) 위에 형성되어 있는 배선과 플립칩(51)의 배선을 연결하기 위한 입출력 단자(41) 및 솔더 범퍼(61)와 플립칩(51)으로부터 발생하는 열을 실리콘 기판(10)으로 전달하기 위한 열전달용 단자(42)와 솔더 범퍼(62)로 이루어져 있다.
이러한 구조에서는 플립칩(51)으로부터 발생하는 열이 열전달용 단자(42)와 솔더 범퍼(62)를 통하여 열전도도가 매우 큰 실리콘 기판(10)의 N형 도핑 영역(11)으로 전달되어 실리콘 기판(10) 하부로 용이하게 방출된다.
도 6을 보면, 다공성 산화 실리콘층(30)과 N형 도핑 영역(11)이 형성되어 있는 실리콘 기판(10) 위에 베어칩(bare-chip) 장착을 위한 도금 전극(70)이 형성되어 있고, 도금 전극(70) 위에 베어칩(52)이 장착되어 있다. 베이칩(52)에는 입출력 단자(40)가 형성되어 있어서 본딩 와이어(80)를 통하여 다공성 산화 실리콘층(30) 위에 형성되어 있는 수동 소자(90) 또는 N형 도핑 영역(11)에 형성되어 있는 능동 소자 등과 연결되어 있다.
이러한 구조에서는 베어칩(52)에서 발생하는 열이 도금 전극(70)을 거쳐 열전도도가 매우 큰 실리콘 기판(10)의 N형 도핑 영역(11)을 통하여 실리콘 기판(10) 하부로 용이하게 방출된다.
본 발명에 따르면 실리콘 기판에 다공성 산화 실리콘층을 선택적으로 형성함에 있어서 높은 정밀도를 기할 수 있고, 손상이 없는 우수한 품질의 다공성 산화 실리콘층을 형성할 수 있다.

Claims (5)

  1. 실리콘 기판에 산화막 패턴을 형성하는 제1 단계,
    상기 실리콘 기판에 상기 산화막 패턴을 마스크로 하여 불순물 이온을 확산시키는 제2 단계,
    상기 산화막 패턴을 제거하는 제3 단계,
    상기 실리콘 기판을 양극화 반응시켜 다공성 실리콘층을 형성하는 제4 단계,
    상기 다공성 실리콘층을 산화시키는 제5단계
    를 포함하는 다공성 산화 실리콘층의 선택적 형성 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 실리콘 기판은 P형 기판이고, 상기 제2 단계에서 확산시키는 상기 불순물 이온은 N형인 다공성 산화 실리콘층의 선택적 형성 방법.
  3. 실리콘 기판에 질화막 패턴을 형성하는 제1 단계,
    상기 질화막 패턴을 양극화 반응 차단막으로 하여 상기 실리콘 기판을 양극화 반응시킴으로써 다공성 실리콘층을 형성하는 제2 단계,
    상기 다공성 실리콘층을 산화시키는 제5단계
    를 포함하는 다공성 산화 실리콘층의 선택적 형성 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 실리콘 기판은 P형 기판이고, 상기 불순물 도핑 영역은 N형 불순물로 도핑되어 있는 멀티칩 패키지.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 단계는
    상기 실리콘 기판의 양 표면에 실리콘 질화막을 증착하는 단계,
    상기 실리콘 질화막 위에 감광막 패턴을 형성하는 단계,
    상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 실리콘 질화막을 식각하는 단계
    로 이루어지는 다공성 산화 실리콘층의 선택적 형성 방법.
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