KR20020060457A - 에스오아이 기판의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두 실리콘 기판 사이의 절연막으로 질화규소(Si3N4)를 사용하는 SOI(Silicon-on-Insulator) 기판의 제조방법에 관한 것으로서 단결정 기판 전판에 소정 두께의 균일한 Si3N4박막을 형성하는 단계와, 상기 Si3N4박막이 형성된 단결정 기판과 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 클래스 100이상의 고청정 분위기에서 세정하는 단계와, Si3N4박막이 형성된 단결정 기판 상부에 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 접합시키는 단계와, 상기 접합된 상태의 기판을 열처리하는 단계로 구성되는 제조방법을 제공함으로써 종래의 열산화 SiO2를 절연막으로 하여 제조된 SOI 기판에 비하여 고집적 디바이스에 사용될 경우에 성능을 크게 향상시킬 수 있으며 고유전율이나 알칼리 내식성이 우수한 절연막질이 요구되는 MEMS 분야 등에 적용이 가능할 뿐만 아니라 Si3N4와 비슷한 구조를 갖는 다이아몬드나 탄화규소박막의 이종재료와의 접합에도 유용하게 사용될 수 있다.

Description

에스오아이 기판의 제조방법{Manufacturing Process of Silicon On Insulator Wafer}
본 발명은 SOI(Silicon-on-Insulator) 기판의 제조방법에 관한 것으로써, 특히 두 실리콘 기판 사이의 절연막으로 질화규소(Si3N4)를 사용하는 SOI 기판의 제조방법에 관한 것이다.
SOI 기판은 1986년 실리콘 기판의 실온접합이 IBM사의 J. B. Lasky에 의해 개발된 이후 기존 반도체 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 소자의 기판하부로의 누설전류를 적극적으로 차단하여 스피드를 향상시킬 수 있는 기판으로서 이미 고속형 반도체 시장을 중심으로 적용단계에 들어섰다.
상기한 SOI 기판의 제조방법으로 ZMR (zone melting recrystallization)법, SIMOX (Separation by IMplanted OXygen)법, 그리고 실리콘직접접합법이 있다. ZMR법은 재결정과정에서 기판의 휨현상(warpage)이 발생할 가능성이 크고 재결정화된 박막의 아결정립계가 존재하는 문제가 있고, SIMOX는 산소를 기판내부로 주입하므로 매입산화물(buried oxide)의 품질이 떨어지는 단점이 있다. 반면 실리콘직접접합법은 고품질의 절연막을 형성시키기 용이하고 절연막층의 두께를 자유롭게 조절할 수 있어 소자설계의 다양성을 확보할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 최근의 SOI 기판제조에 주로 채택되는 접합법이다.
실리콘직접접합법은 임의 절연막질을 가진 기판쌍을 고청정상태에서 가접시킨후 열처리를 이용하여 절연막층과 실리콘층의 공유결합을 유도하여 접합시키는 방법으로서, 절연막으로 열산화 실리카(SiO2)를 주로 사용한다.
SOI 기판은 MEMS (micro-electro-mechanical system) 분야로 사용이 확대되고 있으며 MEMS분야에서는 고유전율이나 알칼리 내식성이 우수한 절연막질이 요구되는데 열산화 실리카를 절연막으로 사용하는 종래의 SOI 기판은 알칼리 내식성이 떨어지고 유전율이 낮기 때문에 MEMS 분야에 적용하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 종래의 열산화 실리카와 비교하여 누설전류차단이 용이하고, 유전상수(dielectric constant)가 크며 알칼리 이온에 대한 방지막으로 우수한 특성을 갖는 Si3N4을 절연막질로 사용하는 SOI 기판의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 기판쌍의 IR 카메라 사진.
도 2는 실시예 1-2 및 비교예 1에 의해 제조된 기판쌍의 선형열처리 입열량에 따른 접합면적을 나타낸 그래프.
도 3은 실시예 1-2 및 비교예 1에 의해 제조된 기판쌍의 선형열처리 입열량에 따른 접합강도를 나타낸 그래프.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 단결정 기판 전판에 소정 두께의 균일한 Si3N4박막을 형성하는 단계와, 상기 Si3N4박막이 형성된 단결정 기판과 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 클래스 100이상의 고청정 분위기에서 세정하는 단계와, Si3N4박막이 형성된 단결정 기판 상부에 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 접합시키는 단계와, 상기 접합된 상태의 기판을 열처리하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 SOI 기판의 제조방법을 제공한다.
상기의 절연막으로 사용되는 Si3N4는 종래의 열산화 실리카에 비해 100배정도의 더 큰 저항도를 가져 누설전류차단이 용이하고, 유전상수(dielectric constant)가 5.8∼6.1 정도로 실리콘의 4.0보다 큰 특징이 있으며 알칼리 이온에 대한 방지막으로 우수한 특성이 알려져 있어 MEMS 관련분야에 선택적인 목적하에 용도가 다양하다. 특히 종래의 SiO2절연막층에 비해 같은 절연도에서 더욱 얇은 박막을 채용할 수 있는 장점이 있어 수요증가가 예상된다.
단결정 기판 전판에 소정 두께의 균일한 Si3N4박막을 형성하는 단계는 화학증착법 및 물리증착법을 이용하여 형성할 수 있다. Si3N4박막이 성막되는 단결정 기판은 실리콘 이외에도 단결정을 가지는 갈륨비소(GaAs), 사파이어 및탄화규소(SiC) 등 통상의 단결정 구조를 갖는 기판을 사용할 수 있다.
상기 Si3N4박막이 형성된 단결정 기판과 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 클래스 100이상의 고청정 분위기에서 세정한 후 Si3N4박막이 형성된 단결정 기판 상부에 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 접합시키는 단계에서, 고청정 분위기의 세정공정은 유기불순물 및 무기불순물을 제거하고 일반 반도체 공정에서 활용되는 습식 세정 방법을 적용할 수 있는데 특히 표면을 활성화시키기 위해 자연산화막을 선택적으로 잔류시키거나 제거하는 습식세정공정을 적용할 수 있다. 또한 진공상태에서 표면의 산화막과 불순물을 제거하는 건식제거공정 및 플라즈마를 활용한 표면 개질 공정을 적용할 수 있다.
상기 접합된 상태의 기판을 열처리하는 단계는 절연막층과 실리콘층의 공유결합을 유도하여 접합시키는 방법으로 로를 이용한 열처리외에 고밀도 할로겐램프를 이용하여 특정속도로 기판쌍을 주사가열하면서 온도구배에 의해 가열시 발생하는 기상 불순물을 효과적으로 제거하여 저온에서 접합하는 선형열처리 및 급속열처리등을 사용할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 SOI 기판 제조방법의 적합한 실시예에 대하여 상세히 설명을 하기로 한다.
<실시예 1>
직경 10㎝인 p-type(100) Si 기판을 785℃에서 염화규소가스(Si2Cl2)와 암모니아가스(NH4)를 사용하여 저압화학기상증착법(Low Pressure Chemical VaporDeposition ; LPCVD)법으로 500Å두께의 Si3N4막을 기판전면에 성장시켜 준비한다. 완성된 각 박막의 두께는 일립소미터(Ellipsometer)로 확인한다. 이 때 염화규소가스(Si2Cl2) 플로(flow)는 28.9sccm이고, 암모니아가스 플로는 100sccm이다.
Si3N4박막이 형성된 실리콘 기판(Si3N4/Si)과 직경 10cm의 p-type(100) 실리콘 기판을 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)를 3:1로 혼합한 SPM(Sulfuric Peioxide Mixture)과 초순수를 이용하여 세척하고 스핀건조기로 건조하여 표면에 매우 얇은 산화막층을 형성시켜 친수성이 되도록 한다. 건조 후 즉시 30분내에 실온에서 실리콘 연마면과 Si3N4상부층을 마주보게 하여 접촉시킨다. 이 때 접촉된 기판의 계면은 계면의 수소결합으로 유지되어 계속 접합상태를 유지한다.
상기의 가접된 기판쌍의 접합강도를 향상시키기 위하여 선형열처리기를 사용한다. 선형열처리기는 기판상의 표면을 일정속도로 이동하여 할로겐 램프의 열원을 표면에 집속시키는 방법이다. 반타원형의 반사경에 의해 집속된 열원은 기판쌍 표면위에 폭 1㎜의 가열영역을 만들고 이때의 표면온도를 기판쌍 상부에서 열전쌍을 이용하여 표면온도를 측정하였다. 이때 열원의 이동속도는 0.1㎜/s로 고정하고 할로겐 램프의 입열량은 400, 600, 780, 1125W로 변환시키며 접합을 실시한다. 이 때 기판쌍 하부 중심부에는 R type의 직경 1㎜의 열전대 접점을 물리적으로 기판쌍 하부 표면부에 접촉시킨 후 선형열처리시 기판쌍의 최고온도를 측정한다.
<실시예 2>
열처리를 로내가열법으로 하여 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한다. 로내가열은 가접된 기판쌍을 900℃에서 2시간동안 전기로에서 열처리하며 이 때 로의 승온(ramp up) 조건은 10℃/min이다.
<비교예 1>
Si3N4박막이 형성된 실리콘 기판(Si3N3/Si)과 직경 10cm의 p-type(100) 실리콘 기판을 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)를 3:1로 혼합한 SPM(Sulfuric Peioxide Mixture)과 초순수를 이용하여 세척하고 스핀건조기로 건조하여 표면에 매우 얇은 산화막층을 형성시킨 후 10% 불산(HF)을 사용하여 표면의 자연산화막을 제거하여 기판표면이 소수성을 되도록 한 다음 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한다.
실시예 1과 비교예 1의 기판쌍의 접합강도를 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 IR 카메라를 이용하여 접합면 전체를 관찰하여 내부의 접합면적을 비파괴적으로 확인한 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1의 (a),(b),(c),(d)는 비교예 1의 기판쌍으로써 각각 할로겐 램프의 입열량을 400, 600, 780, 1125W하여 열처리한 것이다. 도 1의 (e),(f),(g),(h)는 실시예 1의 기판쌍으로써 각각 할로겐 램프의 입열량을 400, 600, 780, 1125W하여 열처리한 것이다. 도 1에 나타난 입열량의 명암차이로 접합정도를 판단할 수 있다. 접합면은 입열량에 따라 큰 의존성이 75%이상의 접합을 보이고 내부에 직경 1cm정도의 다수 보이드 결함이 무작위로 생성되는 것을 볼 수 있다.
실시예 1-2과 비교예 1의 IR 카메라 사진을 Image proTM소프트웨어로 정확한 접합면적을 계산한 후 도 2에 나타내었다. 도 2의 결과로부터 입열량에 따라 75%정도의 접합율을 보여 접합율의 의존성은 없다. 접합율이 계면 개스가 선형열처리시 포획되는 현상에 의해 주로 결정된다고 가정하면, 내부개스의 포획량은 주어진 입열량 변화조건에서 선형 입열량에 따라 큰 차이가 없었다고 판단된다. HF로 자연산화막을 제거한 비교예 1과 HF로 자연산화막을 제거하지 않은 실시예 1 모두 접합면적에 있어서는 큰 차이를 보이지 않는다. 한편 기존의 로내 열처리법을 사용하여 접합을 시킨 실시예 2의 경우에는 88%의 접합면적을 얻을 수 있었다.
실시예 1-2과 비교예 1의 기판쌍에 대하여 크랙오픈법(Crack opening)을 이용하여 측정한 접합강도를 도 3에 나타내었다. 크랙오픈법은 3곳에 면도날을 삽입하여 생성된 균열의 평균적인 길이를 이용하여 접합강도를 측정하는 방법이다. 도 3의 결과로부터 HF으로 자연산화막을 제거한 소수성 접합의 비교예 1의 경우에는 입열량에 따라 접합강도가 증가하여 1125w에서는 1577mJ/m2이상의 접합강도를 나타내는 반면에 HF으로 자연산화막을 제거하지 않은 친수성 접합의 실시예 1의 경우는 입열량에 관계없이 약 2000mJ/m2이상의 접합강도를 나타냄을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 Si3N4박막을 절연막으로 하여 제조된 SOI 기판은 종래의 열산화 SiO2을 절연막으로 하여 제조된 SOI 기판에 비하여 고집적 디바이스에 사용될 경우에 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 고유전율이나 알칼리 내식성이 우수한 절연막질이 요구되는 MEMS 분야 등에 적용이 가능할 뿐만 아니라 Si3N4와 비슷한 구조를 갖는 다이아몬드(diamond)나 탄화규소(SiC)박막의 이종재료와의 접합에도 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 단결정 기판 전판에 소정 두께의 균일한 Si3N4박막을 형성하는 단계와, 상기 Si3N4박막이 형성된 단결정 기판과 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 클래스 100이상의 고청정 분위기에서 세정하는 단계와, Si3N4박막이 형성된 단결정 기판 상부에 다른 하나의 단결정 실리콘 기판을 접합시키는 단계와, 상기 접합된 상태의 기판을 열처리하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 SOI 기판의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Si3N4박막을 형성하는 단계는 화학증착법, 물리증착법중 어느 하나인 것을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 SOI 기판의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    세정하는 단계는 습식세정공정, 건식제거공정, 표면개질공정중 어느 하나인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 SOI 기판의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    열처리하는 단계는 로를 이용한 열처리, 저온선형열처리, 급속열처리중 어느 하나인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 SOI 기판의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    Si3N4박막을 형성하는 단결정 기판은 실리콘, 갈륨비소(GaAs), 사파이어, 탄화규소(SiC)중 어느 하나인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 SOI 기판의 제조방법.
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