고순도 이온 샤워를 이용한 ＳＯＩ 구조의 제조 document_id A220623073273

여기에 사용되는 것으로서, 약어 "SiOI"는 실리콘-온-절연체를 의미한다. 약어 "SOI"는 일반적으로 SiOI를 포함하나 이에 제한되지 않는 절연기판 상의 반도체를 의미한다. 약어 "SiOG"는 실리콘-온-유리를 의미한다. 약어 "SOG"는 일반적으로 SiOG를 포함하나 이에 제한되지 않는 반도체-온-유리를 의미한다. SOG는 반도체-온-세라믹 및 반도체-온-유리세라믹 구조를 포함하는 의미이다. 마찬가지로, SiOG는 실리콘-온-세라믹 및 실리콘-온-유리세라믹 구조를 포함하는 의미이다. SiOI 기술은 액티브 매트릭스 디스플레이와 같은 고성능 박막(thin film) 트랜지스터, 태양 전지, 및 디스플레이에서 중요성이 중가하고 있다. 상기 SiOI 웨이퍼는 전형적으로 절연체 물질 상에 일반적으로 0.1-0.3 마이크론 두께의, 단 일정 경우에서는 5 마이크론의 두께의 실질적인 단결정 실리콘의 박막으로 이루어진다. SiOI 웨이퍼를 얻기 위한 다양한 방법은 격자와 일치된 기판 상의 Si의 에피텍셜(epitaxial) 성장을 포함한다: 단결정 웨이퍼를 그 위에서 SiO2의 산화층이 성장된 다른 실리콘 웨이퍼와 결합하고, 예를들어, 웨이퍼 상단을 0.1 내지 0.3 마이크론의 층으로 연마 또는 에칭하는 단계; 또는 수소나 산소 이온이 주입되는 이온 주입 방법으로써, 산소이온 주입의 경우, Si으 로 덮인 실리콘 웨이퍼에 있는 매립되어 있는(buried) 산화층을 형성하고, 수소 이 온 주입의 경우, 산화층을 가진 또 다른 Si 웨이퍼를 접합을 위한 실리콘 웨이퍼로 부터 박막의 Si층을 분리(박리)시키기 위해 주입된다. 상기 3가지 접근 중, 이온 주입에 기초한 접근이 더 실질적으로 상업적인 거으로 알려져있다. 특히, 수소 이온 주입법은 산소 주입 공정보다 요구되는 주입 에너지가 산소 이온 주입의 경우보다 50%가 적고, 요구되는 첨가량이 20배 가량 적다. 수소 이온 주입법에 의한 박리는 예를들어, 비스터 등의 "Ranges of the 0.3-2 KeV H+ and 0.2-2 KeV H2+ Ions in Si and Ge," Radiation Effects, 1982, 59:199-202에서 최초로 생각되었고, Michel Bruel에 의하여 더 논의되었다. 이는 Bruel의 미국 특허 등록 제5,374,564; M. Bruel의 Electronic Lett., 31, 1995, 1201-02; 및 L. Dicioccio, Y. Letiec, F. Letertre, C. Jaussad 및 M. Bruel의 Electronic Lett., 32, 1996, 1144-45에 나타나있다. 상기 수소이온 주입법은 전형적으로 다음의 단계로 이루어진다. 열 산화물 층(thermal oxide layer)이 단결정 실리콘 웨이퍼에서 성장한다. 그리고 나서 수소 이온이 상기 웨이퍼로 주입되어 플로(flaw)를 발생시킨다. 상기 주입의 에너지는 결함이 발생되는 깊이에 따라 결정되고, 첨가량은 결함의 밀도에 따라 결정된다. 이러한 웨이퍼는 그 이후에 실온에서 다른 실리콘 웨이퍼(지지 기판, support substrate)와 접촉되게 배치되어 임시의 결합을 형성한다. 상기 웨이퍼는 그 이후에 약 600 ℃에서 열처리되어 Si 웨이퍼로부터 실리콘의 얇은 층을 분리하는데 사용되는 상기 기판 결함의 성장을 일으킨다. 상기 결과의 조립품은 그 이후에 1000 ℃ 이상의 온도로 가열되어 SiO2 하층을 갖는 Si 필름이 지지 기판, 즉 주입되지 않은 실리콘 웨이퍼와 완전히 결합된다. 이러한 공정은 이리하여 산화물 절연체 층을 갖는 다른 실리콘 웨이퍼와 결합된 실리콘의 박막을 갖는 SiOI 구조를 형성한다. 비용은 SOI 및 SiOI 구조의 상업적인 적용을 위한 중요한 고려사항이다. 현재, 상기의 구조의 비용의 주요 부분은 Si 박막에 의하여 덮힌 산화층을 지지하는 실리콘 웨이퍼의 비용, 즉 비용의 주요 부분은 지지 기판이다. 비록 지지 기판으로서 석영의 사용이 여러 특허에 언급되어있지만(미국 특허등록 제 6,140,209호, 제6,211,041호, 제6,309,950호, 제6,323,108호, 제6335,231호 및 제6,391,740호를 보라), 석영은 그자체로 상대적으로 비싼 물질이다. 지지 기판에 대한 논의에서, 상기 참고문헌의 일부는 석영 유리, 유리 및 유리-세라믹을 언급하고 있다. 상기 참고 문헌에 나타나 있는 다른 지지 기판 물질은 다이아몬드, 사파이어, 실리콘 카바이드, 질화 실리콘(silicon nitride), 세라믹, 금속, 및 플라스틱을 포함한다. SOI 구조에서 덜 비싼 물질로 만들어진 웨이퍼를 갖는 실리콘 웨이퍼를 대체하기 위한 것은 전혀 간단한 문제가 아니다. 특히, 유리 또는 유리-세라믹 또는 낮은 비용으로 많은 양을 생산할 수 있는 형태의 세라믹을 갖는 실리콘 웨이퍼를 대체하는 것은 어려운 문제이다. 즉, SOG 및 SiOI 구조를 효과적인 비용으로 만드는 것은 어려운 일이다. 공동으로 계류중이며, 공동으로 양도된 US2004/0229444 A1으로서 공개된 미국 특허 출원 번호제 10/779,582는 SiOI 및 SOG 구조를 제조하는 기술 및 이러한 구조의 새로운 형태를 설명한다. 다수의 출원의 발명들은 광전자공학, FR 일렉트로닉스, 및 혼합 신호(mixed signal, analog/digital) 일렉트로닉스 뿐만아니라 디스플레이 어플리케이션, 예를들어 비결정 및 다실리콘계 장치와 비교하여 두드러지게 향상된 성능을 이룰 수 있는 LCDs 및 OLEDs와 같은 영역에 존재한다. 또한, 고효율을 갖는 광전 변환 소자(photovoltaics) 및 태양전지 역시 가능하다. 공정 기술 및 신규한 SOI 구조 자체는 SOI 구조의 비용을 충분히 낮춘다. SOI, SiOI, SOG 및 SiOG 구조를 위한 이온 주입의 비용에 두드러지게 영향을 미치는 다른 요소는 이온 주입 공정의 효율이다. 전통적으로, 바람직하게는 더 높은 효율을 위하여 포머(former)를 사용한 수소 이온 주입 또는 산소 이온 주입이 사용되었다. 그러나, 이러한 전통적인 이온 주입 공정은 긴 주입 시간 및 높은 비용을 초래하는 좁은 이온 빔의 사용이 요구되었다. 결과적으로, 대체 이온 공급이 개발되었고, 종래기술에 개시되었다. 예를들어, 미국 특허등록 제6,027,988호는 실리콘 웨이퍼와 같은 상기 반도체 기판이 플라즈마 분위기 및 전기장에 놓이는 넓은 영역에서 동시에 이온 주입이 가능한 플라즈마 이온 이머젼 주입( "PⅢ")을 제안한다. 그러나 PⅢ은 면의 부하(charging) 및 플라즈마 에 의한 에칭에 의한 결점 및 더 높은 에너지에서 유연성의 부족, 정밀한 첨가량 조절의 부족, 및 이온 주입 영역의 두께 및 박리 필름의 두께의 정밀한 조절을 할 수 없는 결점을 지닌다. 좁은 면적의 이온 빔 주입의 다른 대안은 이온 샤워 주입(ion shower implantation, ISI)이다. 이온 샤워는 전형적으로 넓은 면적의 추출 전극 및 선택적인 후-가속 시스템에 의하여 플라즈마 소스로 부터 추출된 이온 빔이다. 이온 샤워는 원격의 플라즈마, 이온이 주입될 기판 주위의 필드-자유(field-free) 영역, 및 펄스 이온 빔 대신 연속적이라는 점에서 PⅢ과는 다르다. ISI 시스템의 이러한 특징은 PⅢ의 문제점인 상기 면의 부하 및 에칭을 제거하고, 정밀한 첨가량 조절을 가능하게 한다. 본 발명의 발명자들은, ISI가 빠른 이온 주입을 이룰 수 있게 하는 반면, SOG 구조의 생산에서 종래의 ISI의 사용이 기판으로부터 박막의 분리에서 박막의 용인될 수 없는 손상을 초래할 수 있다는 것을 발견하였다. 많은 반도체 장치의 생산에서, 박막의 결정 격자의 완전성이 이온 주입 및 기판으로부터 박막의 분리동안 실질적으로 유지되는 것이 중요하다. 그러므로, 반도체 물질의 박막의 분리를 위한 효율적, 효과적, 그러나 박막의 요구되는 구조의 손상이 없는 공정이 여전히 해결되지 않은채 남아있다. 특히, 상기 이온 주입 공정이 효율적이고 유효하게 주입될 수 있는 SOG 구조를 만드는 공정이 여전히 해결되지 않고 남아있다. 본 발명은 이러한 오랜동안의 요구를 만족한다.