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논문 상세정보

마이크로 머시닝을 위한 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘 층의 부정합 전위의 억제

Suppression of misfit dislocations in heavily boron-doped silicon layers for micro-machining

초록

고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층 내에 존재하는 부정합 전위는 웨이퍼 가장자리에서 발생됨을 알았으며, 이 층을 도핑되지 않은 영역으로 둘러쌓음으로써 부정합 전위가 억제된 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층을 형성할 수 있었다. 이를 이용하여 부정합 전위가 없는 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘 멤브레인을 제작하였으며, 이 멤브레인의 표면 거칠기 및 파괴 강도 그리고 잔류 인장 응력을 각각 20$\AA$ 1.39${\times}10^{10}dyn/cm^{2}$ 그리고 2.7${\times}10^{9}dyn/cm^{2}$로 측정되었다. 반면에 부정합 전위를 포함하는 기존 멤브레인은 각각 500$\AA$ 8.27${\times}10^{9}dyn/cm^{2}$ 그리고 9.3${\times}10^{8}dyn/cm^{2}$로 측정되었으며, 두 멤브레인의 이러한 차이는 부정합 전위에서 기인함을 알았다. 측정된 두 멤브레인의 Young's 모듈러스는 1.45${\times}10^{12}dyn/cm^{2}$로 동일하게 나타났다. 또, 도핑 농도 1.3${\times}10^{12}dyn/cm^{3}$에 대한 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘의 유효 격자 상수 및 기존 멤브레인의 평면적 격자 상수 그리고 기존 멤브레인 내의 부정합 전위의 밀도는 각각 5.424$\AA$ 5.426$\AA$ 그리고 2.3${\times}10^{4}$/cm 로 추출되었으며, 붕소가 도핑된 실리콘의 부정합 계수는 1.04${\times}10^{23}$/atom으로 추출되었다. 한편 별도의 추가적인 공정없이 일반적인 에피 성장법을 사용하여 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층 위에 부정합 전위가 없는 에피 실리콘을 성장시켰으며, 이 에피 실리콘의 결정성은 매우 양호한 것으로 밝혀졌다. 또 부정합 전위가 없는 에피 실리콘에 n+/p 게이트 다이오드를 제작하고 그 전압-전류 특성을 측정한 결과 5V의 역 바이어스에서 0.6nA/$cm^{2}$의 작은 누설 전류값을 나타내었다.

Abstract

It has been found that the misfit dislocations in heavily boron-doped layers originate from wafer edges. Moreover, the propagation of the misfit dislocation into a heavily boron-doped region can be suppressed by placing a surrounding undoped region. Using a surrounding undoped region the disloction-free heavily boron-deoped silicon membranes have been fabricated. The measured surface roughness, fracture strength, and residual tensile stress of the membrane are 20.angs. peak-to-peak, 1.39${\times}$10$^{10}$ and 2.7${\times}$10$^{9}$dyn/cm$^{2}$, while those of the conventional heavily boron-doped silicon membrane with high density of misfit dislocations are 500 peak-to-peak, 8.27${\times}$10$^{9}$ and 9.3${\times}$10$^{8}$dyn/cm$^{2}$ respectively. The differences between these two membranes are due to the misfit dislocations. Young's modulus has been extracted as 1.45${\times}$10$^{12}$dyn/cm$^{2}$ for both membranes. Also, the effective lattice constant of heavily boron-doped silicon, the in-plane lattice constant of the conventional membrane, and the density of misfit dislocation contained in the conventional membrane have been extracted as density of misfit dislocation contained in the conventional membrane have been extracted as density of misfit dislocation contained in the conventional membrane have been extracted as 5.424.angs. 5.426.angs. and 2.3${\times}$10$^{4}$/cm for the average boron concentration of 1.3${\times}$10$^{20}$/cm$^{-23}$ cm$^{3}$/atom. Without any buffer layers, a disloction-free lightly boron-doped epitaxial layer with good crsytalline quality has been directly grown on the dislocation-free heavily boron-doped silicon layer. X-ray diffraction analysis revealed that the epitaxial silicon has good crystallinity, similar to that grown on lightly doped silicon substrate. The leakage current of the n+/p gated diode fabricated in the epitaxial silicon has been measured to be 0.6nA/cm$^{2}$ at the reverse bias of 5V.

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