KR20080038535A - Manufacturing Method of Stacked Semiconductor Device - Google Patents
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Abstract
채널 실리콘층으로 이용되는 표면층의 두께 균일도가 향상될 수 있는 스택형 반도체 장치의 제조 방법에서는 표면층을 갖는 제1 기판 및 반도체 구조물이 형성된 제2 기판을 마련한다. 표면층 아래에 산화물 또는 질화물을 포함하는 연마 저지층을 형성하고, 연마 저지층 아래에 수소 이온 주입을 이용하여 분리층을 형성한다. 제1 기판과 제2 기판을 접합한 다음, 분리층을 절단면으로 하여 제1 기판의 벌크층을 제2 기판으로부터 분리한다. 접합된 제1 기판에 화학적 기계적 연마하여 연마 저지층이 노출시키고, 연마 저지층을 제거하여 제1 기판의 표면층이 노출시킨다. 상기와 같이 연마 저지층을 형성한 후 상기 연마 희생층을 서로 다른 연마 속도를 갖는 슬러리들을 이용하여 완전히 제거함으로써, 이후에 채널 실리콘층으로 이용되는 표면층의 두께 균일도를 향상시킬 수 있다.In the method for manufacturing a stacked semiconductor device in which the thickness uniformity of the surface layer used as the channel silicon layer can be improved, a first substrate having a surface layer and a second substrate having a semiconductor structure are provided. An abrasive barrier layer comprising an oxide or nitride is formed under the surface layer, and a separation layer is formed under hydrogen polishing by using hydrogen ion implantation. After bonding the first substrate and the second substrate, the bulk layer of the first substrate is separated from the second substrate with the separation layer as the cut surface. The abrasive stop layer is exposed by chemical mechanical polishing to the bonded first substrate, and the surface stop layer is exposed by removing the abrasive stop layer. After the polishing stop layer is formed as described above, the polishing sacrificial layer may be completely removed using slurries having different polishing rates, thereby improving thickness uniformity of the surface layer subsequently used as the channel silicon layer.
Description
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다.1 to 6 are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a stacked semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 제1 기판 12 : 연마 저지층10: first substrate 12: polishing stop layer
14 : 분리층 16 : 표면층14
18 : 실리콘층 19 : 벌크층18: silicon layer 19: bulk layer
20 : 제2 기판 22 : 게이트 패턴20: second substrate 22: gate pattern
22a : 게이트 절연막 22b : 게이트 도전막22a: gate
24 : 소스/드레인 25 : 반도체 구조물24 source /
26 : 절연막 30 : 개구부26
32 : 콘택 34 : 산화막32: contact 34: oxide film
본 발명은 스택형 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온 수입하고 두 장의 기판을 접착한 후 분리시키는 이온 절단(ion-cut) 기술에 의해 제조되는 에스오아이(silicon on insulator; 이하, SOI라 한다) 기판의 제조를 포함하는 스택형 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a stacked semiconductor device, and more particularly, a silicon on insulator manufactured by an ion-cut technique in which ions are imported and two substrates are bonded and separated. The manufacturing method of a stacked semiconductor device including manufacture of a board | substrate is called.
반도체 장치가 초고집적화되면서 기생 커패시턴스에 의한 접합 영역의 누설 전류는 소자의 전력 소모를 증가시켜 고속 동작과 저전력을 요구하는 반도체 장치의 제조에 걸림돌이 되고 있다. As semiconductor devices become highly integrated, leakage current in the junction region due to parasitic capacitance increases the power consumption of the device, which is an obstacle to manufacturing a semiconductor device requiring high-speed operation and low power.
특히, 반도체 장치에서 가장 많은 부분을 차지하는 트랜지스터의 채널 길이가 0.5㎛ 이하로 미세화됨에 따라 기판의 집적도는 오히려 증가되어 모스 트랜지스터의 소스/드레인 전극의 접합 커패시턴스와 누설 전류가 증가되어 기생 커패시턴스 및 누설 전류를 최소화하여 반도체 장치의 고속 동작 및 저전력을 실현하기 위하여 SOI 기판의 사용이 대두되었다.In particular, as the channel length of the transistor, which occupies the largest portion of the semiconductor device, becomes smaller than 0.5 μm, the density of the substrate is increased, thereby increasing the junction capacitance and leakage current of the source / drain electrodes of the MOS transistor, thereby increasing the parasitic capacitance and leakage current. The use of SOI substrates has emerged to minimize the cost and to realize high-speed operation and low power of semiconductor devices.
상기 SOI 기판은 실리콘 기판 상에 절연 역할을 하는 실리콘 산화막을 형성하고, 그 위에 단결정 실리콘층을 형성하고, 상기 단결정 실리콘층 상부에 반도체 소자를 제조하는 방법으로 형성된다. 이때, 상기 SOI 기판은 소자의 전기적 특성, 예를들면 저전압(<1V), 저전력 및 가속 특성이 우수하여 고속의 ULSI 회로(Ultra Large Scale Interated Circuit) 제조, Gb-DRAM의 제조, 내 방사선 및 고온 회로, MEMS, 태양전지 등에 활용되고 있다.The SOI substrate is formed by forming a silicon oxide film that functions as an insulating layer on a silicon substrate, forming a single crystal silicon layer thereon, and manufacturing a semiconductor device on the single crystal silicon layer. At this time, the SOI substrate is excellent in electrical characteristics, such as low voltage (<1V), low power and acceleration characteristics of the device, manufacturing a high-speed ULSI circuit (Ultra Large Scale Interated Circuit), manufacturing Gb-DRAM, radiation and high temperature It is used in circuits, MEMS, and solar cells.
상기 SOI 기판을 제조하는 방법은 일반적으로 사이목스(Separation by IMplanted OXygen, 이하 'SIMOX'라 한다) 방법 및 이온 절단(Ion-cut) 방법이 있다. 먼저, 상기 SIMOX 방법은 실리콘 기판의 소정 깊이에 산소 원자를 이온 주입하 여 기판의 일정 깊이 내부로 산소 원자가 침투하게 한 후, 어닐링 공정을 수행하여 SOI 기판을 형성한다.Generally, the SOI substrate is manufactured by a Separation by IMplanted OXygen (hereinafter referred to as 'SIMOX') method and an ion-cut method. First, the SIMOX method implants oxygen atoms into a predetermined depth of a silicon substrate to allow oxygen atoms to penetrate into a predetermined depth of the substrate, and then performs an annealing process to form an SOI substrate.
상기와 같은 방식으로 SOI 기판을 형성하고 상기 SOI 기판에 트렌치를 형성하여 절연물을 채워 필드 영역을 형성하고 활성 영역의 SOI 기판 상에 모스 트랜지스터의 기본 전극을 구성하면, 모스 트랜지스터의 소스/드레인 전극은 활성 영역의 실리콘막 하부에 형성된 절연막과 접하게 되어 접합 하부의 접합 커패시턴스와 누설 전류가 거의 존재하지 않게 된다. 이에 따라 소자의 저전력 및 고속 동작을 실현할 수 있게 되며, 소자와 소자간의 절연 또한 하부에 위치하는 절연막에 의해 이룰 수 있다.When the SOI substrate is formed in the above manner, the trench is formed in the SOI substrate to fill the insulator to form the field region, and the base electrode of the MOS transistor is formed on the SOI substrate in the active region. In contact with the insulating film formed under the silicon film in the active region, there is almost no junction capacitance and leakage current under the junction. As a result, low power and high speed operation of the device can be realized, and insulation between the device and the device can also be achieved by using an insulating film disposed below.
상기 이온 절단 방법은 절연막이 형성된 기판을 서로 접합하고 에치백하는 방법으로, 실리콘 산화막이 형성된 기판에 수소 이온을 주입하고 다른 기판에 상기 기판을 고온에서 접착시킨 후, 이온 주입층을 이용하여 분리시킨 다음, 고온 열처리 및 화학적 기계적 연마를 통해 표면 거칠기를 완화시키는 기술이 사용된다. 상기 SOI 기판 제조에 있어, 상기 이온 절단 방법은 상기 SIMOX 방법에 비해 두께 균일성, 결정성 등의 웨이퍼 특성이 우수하고, 기존 반도체 공정과 호환적이며, 이온이 주입되는 주게(donor) 기판을 재사용할 수 있다는 장점이 있다. The ion cutting method is a method of bonding and etching back substrates on which an insulating film is formed, and injecting hydrogen ions into a substrate on which a silicon oxide film is formed, adhering the substrate to another substrate at high temperature, and then separating the substrate using an ion implantation layer. Next, a technique for relieving surface roughness through high temperature heat treatment and chemical mechanical polishing is used. In the production of the SOI substrate, the ion cutting method has better wafer characteristics such as thickness uniformity and crystallinity than the SIMOX method, is compatible with existing semiconductor processes, and reuses donor substrates into which ions are implanted. The advantage is that you can.
그러나, 상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 이온 절단 기술을 이용하여 SOI 기판을 제조할 경우 접합된 기판 중 하나를 균일한 표면층을 갖도록 가공하는 기술에 어려움이 있다. 구체적으로, 표면 거칠기를 완화시키기 위해 한 면을 원하는 두께까지 직접적으로 연마하는 방식은 박막 두께가 10 내지 100㎛ 정도에서는 적용이 가능하나 두께가 감소하면 균일도가 급격히 저하된다. However, when the SOI substrate is manufactured by using the ion cutting technique according to the prior art as described above, there is a difficulty in processing one of the bonded substrates to have a uniform surface layer. In detail, a method of directly polishing one side to a desired thickness in order to alleviate surface roughness may be applied at a thin film thickness of about 10 to 100 μm, but uniformity decreases rapidly when the thickness is reduced.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 접합된 기판의 계면을 직접 화학적 기계적 연마한 후 노출되는 표면층의 두께 균일도 저하를 감소시킬 수 있는 SOI 기판을 포함하는 스택형 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide a method for manufacturing a stacked semiconductor device including an SOI substrate capable of reducing the decrease in thickness uniformity of the surface layer exposed after direct chemical mechanical polishing of the interface of the bonded substrate. To provide.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 반도체 장치의 제조 방법에서는 표면층을 갖는 제1 기판 및 반도체 구조물이 형성된 제2 기판을 마련한다. 상기 표면층 아래에 산화물 또는 질화물을 포함하는 연마 저지층을 형성한다. 상기 연마 저지층 아래에 수소 이온 주입을 이용하여 분리층을 형성한다. 상기 표면층이 상기 반도체 구조물 상에 접하도록 상기 제1 기판과 제2 기판을 접합한다. 상기 분리층을 절단면으로 하여 상기 제1 기판의 벌크층(bulk layer)을 제2 기판으로부터 분리한다. 상기 접합된 제1 기판의 연마 저지층이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 공정을 수행한다. 상기 접합된 제1 기판의 표면층이 노출되도록 상기 연마 저지층을 제거한다.In the method of manufacturing a stacked semiconductor device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a first substrate having a surface layer and a second substrate having a semiconductor structure are provided. An abrasive stop layer comprising an oxide or nitride is formed under the surface layer. Under the polishing barrier layer, a separation layer is formed using hydrogen ion implantation. The first substrate and the second substrate are bonded to each other such that the surface layer contacts the semiconductor structure. The bulk layer of the first substrate is separated from the second substrate using the separation layer as a cut surface. The chemical mechanical polishing process is performed until the polishing stop layer of the bonded first substrate is exposed. The polishing stop layer is removed to expose the surface layer of the bonded first substrate.
바람직하게는, 상기 연마 저지층은 상기 제1 기판의 내부에 산소 이온 또는 질소 이온을 주입한 후, 상기 제1 기판을 열처리하여 형성한다. 이때, 상기 연마 저지층의 열처리는 900 내지 1300℃의 온도에서 수행된다. Preferably, the polishing barrier layer is formed by injecting oxygen ions or nitrogen ions into the first substrate and then heat treating the first substrate. At this time, the heat treatment of the polishing stop layer is carried out at a temperature of 900 to 1300 ℃.
그리고, 상기 접합하는 단계 이전에, 상기 제2 기판 상에 산화막을 더 형성할 수 있다.In addition, an oxide layer may be further formed on the second substrate before the bonding.
여기서, 상기 연마 저지층은 50 내지 5000Å의 두께로 형성된다. 또한, 상기 분리층은 상기 연마 저지층으로부터 500 내지 10000Å의 간격을 갖고 형성되고, 상기 표면층은 200 내지 5000Å의 두께를 갖는다.Here, the polishing stop layer is formed to a thickness of 50 to 5000 kPa. In addition, the separation layer is formed at an interval of 500 to 10000 kPa from the polishing barrier layer, and the surface layer has a thickness of 200 to 5000 kPa.
그리고, 상기 화학 기계적 연마 공정은 실리콘을 연마하고 실리콘 산화물에서 연마 정지할 수 있도록 아민 화합물을 포함하며, 실리카(silica)를 포함하며, 고형분이 0.01 내지 20 wt% 이며, pH는 8 내지 12인 염기성을 갖는 슬러리가 사용된다. The chemical mechanical polishing process includes an amine compound to polish silicon and stop polishing on silicon oxide, includes silica, has a solid content of 0.01 to 20 wt%, and a basic pH of 8 to 12. A slurry having
또한, 상기 연마 저지층은 식각 또는 화학적 기계적 연마에 의해 제거된다.이때, 상기 연마 저지층을 화학적 기계적 연마 공정을 통해 제거하는 경우, 실리콘 산화물을 연마하고 실리콘에서 연마 정지할 수 있도록 비이온성 고분자 화합물을 포함하며, 실리카(silica) 또는 세리아(ceria)을 포함하며, 고형분이 0.01 내지 20 wt% 인 슬러리가 사용된다.In addition, the polishing stop layer is removed by etching or chemical mechanical polishing. In this case, when the polishing stop layer is removed through a chemical mechanical polishing process, a nonionic polymer compound is used to polish silicon oxide and stop polishing in silicon. And a slurry containing silica or ceria and having a solid content of 0.01 to 20 wt%.
언급한 바와 같이, 본 발명의 스택형 반도체 장치의 제조 방법에 의하면 두 개의 기판을 접합하기 이전에 실리콘 주게로 사용되는 제1 기판의 표면층 아래에 산화물 또는 질화물을 포함하는 연마 저지층을 형성함으로써, SOI 기판의 형성 후 채널 실리콘층으로 사용될 표면층의 두께를 상기 연마 저지층을 통해 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판을 반도체 구조물이 형성된 제2 기판에 접합 후 서로 다른 연마 속도를 갖는 슬러리들을 이용하여 단계적으로 상기 연마 저지층을 노출시킨 후 완전히 제거하는 공정을 수행함으로써, 노출되는 표면층의 두께 균일도를 향상시킬 수 있다.As mentioned, according to the manufacturing method of the stacked semiconductor device of the present invention, by forming an abrasive stop layer containing an oxide or nitride under the surface layer of the first substrate used as the silicon donor before bonding the two substrates, After formation of the SOI substrate, the thickness of the surface layer to be used as the channel silicon layer can be easily adjusted through the polishing stop layer. In addition, after bonding the first substrate to the second substrate on which the semiconductor structure is formed, a step of exposing the polishing barrier layer step by step using slurry having different polishing rates and then completely removing the thickness of the exposed surface layer is performed. Uniformity can be improved.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 박막(층) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한 박막이 다른 박막 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 박막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3 박막이 개재될 수도 있다. 아울러, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 스택형 반도체 장치로서 에스램과 유사한 구조에 한정하여 설명하겠지만, 이에 국한되지 않고 에스오씨(SOC : Silicon On Quartz), SiC on glass, GaAs(or InP, GaN, SiC) on silicon 등에도 다양하게 적용할 수 있음은 당업자에게 있어 자명하다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be implemented in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to make the disclosure more complete and to fully convey the spirit and features of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of the layers and regions are exaggerated for clarity. If it is also mentioned that the thin film is on another thin film or substrate, it may be formed directly on the other thin film or substrate or a third thin film may be interposed therebetween. In addition, in the preferred embodiment of the present invention as a stack-type semiconductor device will be described limited to the structure similar to SRAM, but is not limited to such as SOC (SiC On Silicon), SiC on glass, GaAs (or InP, GaN, It will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be variously applied to SiC) on silicon and the like.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택형 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다.1 to 6 are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a stacked semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 표면층(16, 도 2)을 갖는 제1 기판(10) 및 반도체 구조물(25)이 형성된 제2 기판(20)을 마련한다. 여기서, 상기 제1 기판(10) 및 제2 기판(20)의 예로서는 실리콘 기판, 실리콘-온-인슐레이터 기판, 게르마늄 기판, 게르마늄-온-인슐레이터 기판, 실리콘-게르마늄 기판 등을 들 수 있다. 아울러, 상기 제1 기판(10)이 스택형 반도체 장치에서 상부에 형성되는 채널층으로 형성될 수 있으므로 상기 제1 기판(10)은 선택적 에피택시얼 성장(selective epitaxial growth : SEG)을 수행하여 수득하는 단결정 구조의 박막을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a
그리고, 상기 제2 기판(20)은 스택형 반도체 장치의 구조에서 하부에 위치하기 때문에 상기 제2 기판(20)으로는 단결정 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다. In addition, since the
이어서, 도시하지는 않았지만, 상기 제2 기판(20)에 소자 분리막으로서 트렌치 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역과 필드 영역을 한정한다. 상기 소자 분리막으로서 트렌치 소자 분리막을 형성하는 것은 집적도 측면을 고려하기 때문이다.Next, although not shown, a trench device isolation film is formed on the
그리고, 상기 제2 기판(20)의 액티브 영역에 게이트 패턴(22)과 소스/드레인(24)을 포함하는 트랜지스터 등과 같은 반도체 구조물(25)을 형성한다. 아울러, 상기 게이트 패턴(22)은 주로 게이트 절연막(22a)과 게이트 도전막(22b)을 포함한다. In addition, a
상기 게이트 패턴(22)은 소스/드레인(24)을 포함하는 트랜지스터 등과 같은 반도체 구조물(25)을 형성하는 방법은 다음과 같다.The
상기 제2 기판(20) 상에 절연막과 도전막을 형성한다. 그리고, 사진 식각 공정과 같은 패터닝을 수행하여 게이트 패턴(22)을 형성한다. 구체적으로, 상기 도전막 상에 상기 도전막을 부분적으로 노출시키는 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하는 식각을 수행한다. 이에 따라, 상기 포토레지스트 패턴에 의해 노출된 도전막과 그 아래에 위치하는 절연막이 제거 된다. 그리고, 상기 포토레지스트 패턴을 완전히 제거한다. 그러면, 상기 제2 기판(20) 상에는 게이트 절연막(22a)과 게이트 도전막(22b)을 포함하는 게이트 패턴(22)이 형성된다.An insulating film and a conductive film are formed on the
그리고, 상기 게이트 패턴(22)을 마스크로 사용하는 이온 주입을 수행한다. 그러면, 상기 게이트 패턴(22)과 인접하는 제2 기판(20)의 표면 아래에 불순물이 도핑된 소스/드레인(24)이 형성된다. 여기서, 상기 소스/드레인(24)을 형성하기 위한 불순물의 예로서는 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등을 들 수 있다. 만약, 상기 스택형 반도체 장치로서 더블 스택형 에스램을 형성할 경우에는 하부의 반도체 기판에 엔모스(NMOS) 트랜지스터를 형성하기 때문에 상기 불순물로서 인(P), 비소(As)를 사용한다.Then, ion implantation using the
아울러, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 소스/드레인을 엘디디(LDD : Lightly Doped Drain) 구조로 형성하기도 한다. 상기 LDD 구조의 소스/드레인은 상기 게이트 패턴의 측벽에 스페이서를 형성한 후, 깊은 접합 영역을 갖도록 이온 주입을 더 수행함으로써 수득할 수 있다.In addition, in another embodiment of the present invention, the source / drain may be formed in a lightly doped drain (LDD) structure. The source / drain of the LDD structure may be obtained by forming a spacer on the sidewall of the gate pattern and then further performing ion implantation to have a deep junction region.
본 발명의 실시예에서는 상기 반도체 구조물(25)로서 상기 게이트 패턴(22)과 소스/드레인(24)을 포함하는 트랜지스터에 한정하고 있지만, 상기 반도체 구조물은 회로 설계에 근거하여 로직 소자, 배선 등을 더 포함할 수도 있다.In the embodiment of the present invention, the
계속해서, 상기 게이트 패턴(22)과 소스/드레인(24)의 트랜지스터 등을 포함하는 반도체 구조물(25)을 갖는 제2 기판(20) 상에 절연막(26)을 형성한다. 상기 절연막(26)은 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 그러므로, 상기 절연막의 예로 서는 비피에스지(BPSG : borophosphor silicate glass) 박막, 피에스지(PSG : phosphor silicate glass) 박막, 유에스지(USG : undoped silicate glass) 박막, 에스오지(SOG : spin on glass) 박막 등을 들 수 있다.Subsequently, an insulating
그리고, 본 발명의 실시예에서는 상기 절연막을 패터닝하여 상기 기판(10)의 표면을 노출시키는 개구부(30)들을 갖는 절연막 패턴(28)으로 형성한다. In the exemplary embodiment of the present invention, the insulating film is patterned to form an insulating film pattern 28 having
그리고, 상기 개구부(30)들 각각에 선택적 에피택시얼 성장을 수행하여 충분하게 매립되는 콘택(32)을 형성한다. 상기 콘택(32)은 상기 제2 기판(20)과 실질적으로 동일한 결정 구조를 가지는 것이 바람직하다. 그러므로, 상기 콘택(32)은 상기 제2 기판(20)이 단결정 실리콘 기판일 경우에 상기 선택적 에피택시얼 성장을 수행하여 수득하는 단결정 실리콘 콘택인 것이 바람직하다. Selective epitaxial growth is then performed on each of the
그리고, 상기 콘택(32) 및 절연막(26)이 형성된 상기 제2 기판(20) 상부에 산화막(34)을 형성한다. 상기 산화막(34)은 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 스퍼터링(sputtering) 등의 증착 공정을 통해 형성된다. 상기 산화막(34)은 최종 SOI 구조에서 매몰 산화막(buried oxide layer)이 된다. An
도 2를 참조하면, 상기 제1 기판(10)의 상기 표면층(16) 아래에 산화물 또는 질화물을 포함하는 연마 저지층(12)을 형성한다. 우선, 상기 제1 기판(10)의 내부에 산소 이온 또는 질소 이온을 주입한다. 그런 다음, 상기 제1 기판(10)을 열처리하여 연마 저지층(12)을 완성한다. 여기서, 본 발명의 실시예에서는 상기 연마 저지층(12)의 열처리는 900 내지 1300℃의 온도에서 수행된다. Referring to FIG. 2, an
따라서, 상기 표면층(16) 아래에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함 하는 상기 연마 저지층(12)이 형성된다. 이때, 상기 연마 저지층(12)은 50 내지 5000Å의 두께로 형성된다. 일 예로서, 상기 연마 저지층(12)은 약 1300Å 두께를 갖는 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. Accordingly, the polishing
여기서, 상기 연마 저지층(12)은 이후의 상기 제1 기판(10)의 상기 표면층(16)만 남기고 제거하기 위한 화학적 기계적 연마 공정을 수행할 때 일차적인 연마 저지용으로 사용된다. 더 나아가, 상기 연마 저지층(12)은 하부의 표면층(16)의 손상을 최소화시키면서 완전히 제거될 수 있다. 따라서, 상기 연마 저지층(12)은 표면층(16) 상에 형성되어 상기 표면층을 노출시키기 위한 직접 연마로 인한 표면 거칠기를 크게 감소시킬 수 있다.Here, the polishing
그리고, 상기 연마 저지층(12)은 상기 제1 기판(10)의 상면으로부터 이온 주입 깊이만큼 아래에 형성되어 아래에 채널층으로 이용될 표면층(16)의 두께를 한정시킬 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에서 상기 표면층(16)은 상기 연마 저지층(12)의 형성에 의해 200 내지 5000Å의 두께를 갖도록 한정된다. In addition, the polishing
여기서, 상기 표면층(16)의 두께 균일도를 향상시키기 위해 상기 연마 저지층(12)의 두께는 일정하게 유지되어야 한다. 따라서, 상기 제1 기판(10)의 내부에 상기 산소 이온 또는 질소 이온을 주입할 때 주입 깊이를 균일하도록 조절시킨다.Here, the thickness of the polishing
그리고, 상기 연마 저지층(12) 아래에 수소 이온을 이온주입하여 분리층(14)을 형성한다. 이때, 상기 분리층(14)을 형성시키기 위한 수소 이온의 도즈(dose) 량은 1×1016 내지 1×1017 H 입자/㎠인 것이 바람직하다. 또한, 상기 수소 이온의 주입 깊이는 상기 연마 저지층(12)을 형성하기 위한 상기 산소 또는 질소 이온의 주입 깊이보다 깊은 것이 바람직하다. In addition, hydrogen ions are implanted under the polishing
본 발명의 실시예로서, 상기 분리층(14)은 상기 연마 저지층(12)으로부터 500 내지 10000Å의 간격을 갖도록 형성된다. 그리고, 상기 분리층(14)은 매우 얇은 두께로 형성되며, 후속하는 상기 제1 기판(10) 및 제2 기판(20)의 접합 후 수행되는 분리 공정시 수소 이온이 된 면을 갖도록 분리가 수행된다. In an embodiment of the present invention, the
계속해서, 상기 제1 기판(10) 및 제2 기판(20)은 접합 전에 표면 상에 접착된 이물질을 제거시키기 위한 세정 공정을 수행할 수 있다.Subsequently, the
도 3을 참조하면, 상기 제1 기판(10)의 표면층(16)이 상기 반도체 구조물(25) 상에 위치하도록 상기 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 접합한다. 상기 접합 공정은 정렬-직접 접합 과정을 거쳐 이루어진다.Referring to FIG. 3, the
도 4를 참조하면, 상기 접합된 제1 기판(10) 및 제2 기판(20)을 열처리하여 상기 분리층(14)을 절단면으로 하여 상기 제1 기판(10)의 벌크층(bulk layer, 19)을 상기 제2 기판(20)으로부터 분리한다. 이때, 상기 열처리는 300 내지 700℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 이는 상기 열처리 온도가 300℃ 미만인 경우에는 상기 분리 공정이 수행되기가 어렵고, 상기 열처리 온도가 700℃를 초과하는 경우에는 상기 제2 기판(20) 상에 형성되어 있는 소자들에 열부담이 가해질 수 있기 때문이다. 그 결과, 상기 제2 기판(20)의 상기 산화막(34) 상에는 표면층(16), 연마 저지층(12) 및 실리콘층(18)이 형성된다. 상기 열처리 공정을 통하여 상기 제1 기판(10)의 벌크층(19)이 분리되면서, 상기 제1 기판(10)의 표면층(16)과 상기 제2 기판(20)의 접합 계면에서의 결합 강도가 증가되고, 상기 제1 기판(10) 내부에 주입된 잔류 수소 이온 및 이온주입에 의한 결함이 제거된다. Referring to FIG. 4, a
그러나, 상기 분리 공정 이후 상기 제1 기판(10) 및 제2 기판(20)의 절단면들은 표면 거칠기가 존재한다. 그러므로, 후속하여 상기 절단면을 평탄화시키는 공정이 수행될 수 있다. However, after the separation process, the cut surfaces of the
이때, 상기 분리된 제1 기판(10)의 벌크층(19)은 절단면의 표면 거칠기를 연마하여 재사용할 수 있다. In this case, the
도 5를 참조하면, 상기 접합된 제1 기판(10)의 실리콘층(18)을 상기 연마 저지층(12)이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마하여 제거한다. Referring to FIG. 5, the silicon layer 18 of the bonded
이때, 본 발명의 실시예에서 상기 화학적 기계적 연마 공정은 실리콘을 연마하고 실리콘 산화물에서 연마 정지할 수 있도록 아민 화합물을 포함하는 제1 슬러리를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 제1 슬러리는 실리카(silica)를 포함하며, 고형분이 0.01 내지 20 wt% 이며, pH는 8 내지 12인 염기성을 갖는 것이 바람직하다. At this time, in the embodiment of the present invention, in the chemical mechanical polishing process, it is preferable to use a first slurry including an amine compound to polish the silicon and stop polishing the silicon oxide. In addition, the first slurry includes silica, and the solid content is preferably 0.01 to 20 wt%, pH has a basicity of 8 to 12.
종래의 접합된 기판 상의 표면층을 직접 CMP한 경우에는 상기 절단면의 표면 불균일도가 약 290Å의 두께만큼 측정되어, 상기 절단면에서의 표면 균일도가 매우 감소되는 문제점을 가졌다. 그러나, 본 발명의 상기 산화물 또는 질화물을 포함하는 상기 연마 저지층(12)을 이용하면 상기 연마 저지층(12) 하부의 표면층(16)이 일정한 두께로 유지될 수 있다. 또한, 상기 연마 저지층(12)의 제거 이후에 상기 표면층(16)의 표면 균일도를 유지시킬 수 있다.When the surface layer on the conventional bonded substrate is directly CMP, the surface unevenness of the cut surface is measured by a thickness of about 290 mm 3, which causes a problem that the surface uniformity at the cut surface is greatly reduced. However, when the polishing
도 6을 참조하면, 상기 접합된 제1 기판(10)의 표면층(16)이 노출되도록 상기 연마 저지층(12)을 제거한다. 이때, 상기 연마 저지층(12)은 건식 식각, 습식 식각 또는 화학적 기계적 연마에 의해 제거된다. 여기서, 상기 연마 저지층(12)의 제거 공정은 실리콘으로 이루어지는 표면층(16)에서 식각 정지할 수 있는 공정으로 수행한다. 상기 제거 공정에 의해 상기 표면층(16)의 상부 표면 일부가 제거될 수 있으며, 그 결과, 상기 표면층(16)은 원하는 두께 및 평탄한 상면을 갖도록 형성된다. 상기 표면층(16)은 200 내지 5000Å의 두께를 가지므로, 상기 채널층은 상기 표면층(16)의 두께와 동일하거나 더 작은 두께를 갖도록 형성된다. Referring to FIG. 6, the polishing
여기서, 본 발명의 실시예로서 상기 연마 저지층(12)을 화학적 기계적 연마 공정을 통해 제거할 경우, 실리콘 산화물을 연마하고 실리콘에서 연마 정지할 수 있도록 비이온성 고분자 화합물을 포함하는 제2 슬러리를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 제2 슬러리는 실리카(silica) 또는 세리아(ceria)를 포함하며, 고형분이 0.01 내지 20 wt%인 것이 바람직하다. Here, as an embodiment of the present invention, when the polishing
이와 같이, 연마 저지층(12)을 표면층(16) 상에 위치하도록 형성시키고 상기 연마 저지층(12)을 서로 다른 연마 선택비를 갖는 슬러리를 이용하여 제거시키는 방법은 기존의 표면층(16)을 원하는 두께만큼이 남도록 직접 화학적 기계적 연마한 경우에 비해 표면 거칠기가 감소되어 두께 균일도 측면에서 개선될 수 있다. As such, the method of forming the
또한, 연마 저지층(12)에 의해 상기 표면층(16)의 두께가 결정되므로, 상기 연마 저지층(12)을 형성하기 위한 산소 이온 또는 질소 이온의 주입 깊이 조절에 의한 두께 및 두께 균일도 제어가 용이할 수 있다. 따라서, 수십 ㎛까지 다양한 두 께의 채널층을 갖는 SOI 기판을 포함하는 스택형 반도체 장치를 제조시킬 수 있다.In addition, since the thickness of the
상기와 같은 본 발명의 스택형 반도체 장치의 제조 방법에 의하면 두 개의 기판을 접합하기 이전에 실리콘 주게로 사용되는 제1 기판의 표면층 아래에 산화물 또는 질화물을 포함하는 연마 저지층을 형성함으로써, SOI 기판의 형성 후 채널 실리콘층으로 사용될 표면층의 두께를 상기 연마 저지층을 통해 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판을 반도체 구조물이 형성된 제2 기판에 접합 후 서로 다른 연마 선택비를 갖는 슬러리들을 이용하여 단계적으로 상기 연마 저지층을 노출시킨 후 완전히 제거하는 공정을 수행함으로써, 노출되는 표면층의 두께 균일도를 향상시킬 수 있다.According to the method of manufacturing a stacked semiconductor device of the present invention as described above, an SOI substrate is formed by forming an abrasive stop layer containing an oxide or nitride under the surface layer of a first substrate used as a silicon donor before bonding two substrates. After formation of the thickness of the surface layer to be used as the channel silicon layer can be easily adjusted through the polishing stop layer. In addition, after bonding the first substrate to the second substrate on which the semiconductor structure is formed, a step of exposing and completely removing the polishing stop layer by using slurry having different polishing selectivities may be performed. Thickness uniformity can be improved.
그러므로, 최근의 고집적화를 요구하는 스택형 반도체 장치의 제조에 본 발명의 방법을 적극적으로 활용할 수 있다.Therefore, the method of the present invention can be actively utilized in the manufacture of stacked semiconductor devices that require recent high integration.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
Claims (10)
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|---|---|---|---|
| KR1020060105523A KR20080038535A (en) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | Manufacturing Method of Stacked Semiconductor Device |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020060105523A KR20080038535A (en) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | Manufacturing Method of Stacked Semiconductor Device |
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2006
- 2006-10-30 KR KR1020060105523A patent/KR20080038535A/en not_active Withdrawn
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| PA0109 | Patent application |
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