Si on insulator formation by ion-cut process

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1 Si on insulator formation by ion-cut process
우 형 주, 최 한 우, 김 기 동, 홍 완, 김 준 곤, 지 영 용, 최 우 범* 한국지질자원연구원 입자빔응용팀. *(주)비앤피사이언스 웨이퍼 세정/접합 시스템 구축 서 론 SOI (Si-On-Insulator)는 저전력, 저전압, 고속의 ULSI제조에 필수적이며, Gb DRAM제조, 내방사선 및 고온소자, MEMS, 태양전지, smart power 등 활용성이 뛰어남. SOI 제조기술중 ion-cut (일명 smart-cut) 기술은 웨이퍼 접합과 양성자주입기술을 결합함으로서 두께균일성, 양질의 결정특성, 두께 가변성, 경제성 등을 확보함. 이 기술은 SOS (Si-On-Sapphire), Si on quartz, SiC on glass, 매입형금속층, 3차원구조형성 등 다양한 활용이 가능함. 본 논문에서는 ion-cut공정을 위한 양성자주입 및 양성자 조사기구에 대한 연구결과를 기술하였으며, 친수성 웨이퍼접합을 위한 세정기술과 접합 웨이퍼의 열처리에 의한 웨이퍼 분리 및 SOI 웨이퍼 제조기술을 소개하고자 함. Carrier type : teflon carrier (2 sheets of 4” wafer) Bonding method : Si direct bonding (hydrophilic treatment) Bonding process : cleaning ⇒ drying ⇒ bonding ⇒ inspection Chemical bath SC-1 bath (quartz) : NH4OH/H2O2/H2O (1:1:5~1:1:50), RT to 80℃,   mega-sonic generator (200kHz/2.4kW) SPM bath (quartz) : H2SO4/H2O2/H2O (1:1:6~1:1:60), RT to 120℃ Drying method : spin drying (2400rpm) Direct wafer bonding & IR void inspection    IR light source : 5" size B/W CCD camera, zoom lens, 14" monitor   pressure applying module Clean air unit (class 10) Process specification bonding area in 4" wafer : >90% bonding process reliability : >80% bonding wafer throughput : 1 pair/run Wafer Cleaning & Bonding System (a) (b) Ion implantation technology (precise definition of layer thickness) 표면(접합)에너지 측정 + 2h C d Wafer bonding technology (keeping the original Si quality) = Ion-Cut SOI wafers Schematic diagram of the crack-opening method C IR transmission images of two directly bonded wafers with bond interface a) with no dust particle and b) contami- nated with several large dust particles. Wafer Bonding & IR Inspection System 양성자 주입조건 및 주입특성 조사 TRIM 전산모사 Si wafer (prime 급): 4”Φ, p-type, 14-22Ωcm, TTV 1.5 μm BOX layer : 406.11.6 nm 65 keV H+ for 200nm Si/400nm SiO2 양성자 주입조건 전류용량 > 수 mA (5” Φ) 에너지분산 및 선량균일도 < 5% expected optimum dose : 3.5-5x1016/cm2 experimental dose range : 3-12x1016/cm2 양성자 주입 특성 수소 깊이분포, 비정위치의 결함특성 ERD, SIMS, X-TEM Surface energy, γ = 3Eh2d3/4c4, as bonded : c = 19.0 mm, γ = J/m2, annealed for splitting : c = 11.3mm, γ = 1.09 J/m2 SOI구조 안정화를 위한 2차 열처리 공정 및 SOI 특성 SOI wafer produced by ion-cut splitting Estimated depth profile of H concentration for implantation dose of 1x1017 H+/cm2 at 65 keV in SOI wafer 열처리 조건 : 1100℃, 60분, N2 분위기 SOI 두께 (Spectro-Ellipsometer) : 28825nm (TRIM simulated : 294nm) 표면조도 측정(AFM) (a) (b) (a) (b) (c) BOX SOI BOX (a) (b) Si-sub. Si-sub Spectrum of (a) ERD and (b) SIMS of Si implanted at a dose of 9x1016 H+/cm2 with 65 keV proton beam. X-TEM images (a,b) and SEM image (c) of SOI Wafer Scan size : 2 m×2 m Rms Roughness : 6.9 nm MOS CV 측정 (BOX특성조사) SOI film removed MOS Capacitor with BOX BOX/Sub interface analysis TBOX : 398 nm (ε=3.9) effective oxide charge : 2.4x1011/cm2 interface trap charge : 3x1010/cm2-eV 양질의 산화막 확인 X-TEM images showing (a) damaged layer, and (b) three different orientations of platelets in the damaged layer in Si implanted at a dose of 6x1016 H+/cm2 with 65 keV proton beam before annealing. Substrate SOI BOX Gate Low freq. Splitting을 위한 1차열처리 공정 (a) High freq.(100kHz) Ion-cut을 위한 최적 이온주입 및 열처리 조건 양성자조사후 기판 표면상태 유지 고선량(1.2x1017 H+/cm2) 시료 : 표면변화 발생 열처리후 충분한 blistering/flaking 발생 선량별 열처리 결과 열처리 조건 : 450°C - 650°C, 5-30 min 저선량 (3x1016 H+/cm2) 시료 : 표면변화 없음 열처리 시험 : 6x1016 H+/cm2, 9x1016 H+/cm2 결과 요약 양성자 조사선량 범위 : 6-9x1016 H+/cm2 적정 열처리 조건 : 550°C - 650°C, 10분 이상 결 론 (b) 전산모사를 이용한 양성자 주입조건 조사 대면적 양성자 주입공정 개발 및 양성자조사기구 규명 웨이퍼 분리를 위한 최적 양성자 주입선량 및 열처리 조건 도출 청정실-웨이퍼 세정/접합 시스템 구축 및 환경친화적 친수성 세정법 확립 SOI구조 안정화를 위한 고온열처리 공정 확립 및 SOI 특성조사 X-TEM images of damaged layer after annealing in Si implanted at a dose of 6x1016 H+/cm2 with 65 keV proton beam. Photographs of Si wafer for (a) implantation dose of 1.2x1017 H+/cm2 before annealing and (b) implantation dose of 9x1016 H+/cm2 after annealing. 감사의 글 본 연구는 과학기술부에서 시행하는 프론티어사업의 지원에 의해 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사 드립니다.