It has been found that the misfit dislocations in heavily boron-doped silicon layers which are useful materials in micro-machining are originated from the wafer edge, where the boron-doped layers were formed by thermal diffusion. And, a heavily boron-doped silicon region which is free of misfit dislocation has been obtained by surrounding the region with an undoped region which prevents the propagation of the misfit dislocations from the wafer edge. The surrounding undoped region using chemical vapor deposited oxide can suppress effectively the misfit dislocations, while many misfit dislocations are usually generated in the heavily boron-doped regions surrounded by the undoped regions using the thermal oxide and low-pressured chemical vapor deposited nitride due to the oxidation-induced stacking faults and half-loop dislocations, respectively. In the case of chemical vapor deposited oxide, well aligning of the surrounding undoped region to [110] direction as well as large width of the region is very critical for the suppression of the misfit dislocations because misfit dislocations can penetrate with climb motion through a tilted undoped region to [110] direction due to the tensile stress in the region induced from the boron-doped regions, while the induced tensile stress in the well aligned undoped region is relaxed by the 60˚ dislocations in the region.
Using the heavily boron-doped silicon layer without misfit dislocations, heavily boron-doped silicon membranes which are free of misfit dislocation have been fabricated. The surface roughness of the dislocation-free membrane at the etch-stopped surface have been measured as small as 20 Å peak-to-peak, while that of the conventional membrane which contains many misfit dislocations as 500 Å peak-to-peak. Using blister test, the fracture strength and residual tensile stress of the dislocation-free membrane have been extracted as high as $1.39\times10^{10}dyne/cm^2$ and $2.7\times10^9dyne/cm^2$, while those of the conventional membrane as $8.27\times10^9dyne/cm^2$ and $9.3\times10^8dyne/cm^2$, respectively. The Young's modulii have been measured as $1.45\times10^{12}dyne/cm^2$ for both membranes. From the extracted residual stresses and Young's modulus, the residual strains have been calculated as $1.34\times10^{-3}$ for the dislocation-free membrane and $4.6\times10^{-4}$ for the conventional membrane, where the average boron concentration of the membranes was $1.3\times10^{20}atoms/cm^3$. And, the lattice constant of the strain-free membrane, misfit coefficient, and density of misfit dislocation in the conventional membrane have been calculated as 5.424Å, $1.03\times 10^{-23}cm^3$/atom, and $2.3\times10^4/cm$, respectively. These calculated values agreed very well with those extracted by X-ray diffraction analysis and theory.
Also, it has been shown that a dislocation-free lightly doped epitaxial silicon can be grown on the dislocation-free heavily boron-doped silicon layer. From X-ray diffraction analysis, it has been known that the dislocation-free epitaxial layer has good crystallinity similar to that of the epitaxial layer grown directly on the undoped substrate. The conventional epitaxial layer which contains many misfit dislocations has a compressive stress and a large roughnesses at the top and bottom surfaces, while the epitaxial layer without misfit dislocation shows free of stress and good surface finishes. The electronic devices fabricated in the dislocation-free epitaxial layer show lower junction leakage current (less than 0.25 nA/㎠ at gated diode), lower interface fixed charge, and less degradation of various electronic properties by LOCOS process than those fabricated in the conventional epitaxial layer.
Thus, it is expected that the dislocation-free heavily boron-doped silicon layer and epitaxial silicon on the layer which were invented in this thesis can be utilized well in micro-machining because the layers show superior mechanical and electrical properties for micro-machining.
마이크로-머시닝에서 유용한 열확산에 의하여 형성된 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층의 부정합전위는 웨이퍼 가장자리로부터 기인함을 알았다. 그리고, 고농도로 붕소가 도핑된 영역을 웨이퍼 가장자리로부터의 부정합전위의 전파를 차단하는 도핑되지 않은 영역으로 둘러쌓음으로써 부정합전위가 억제된 고농도로 붕소가 도핑된 영역을 형성하였다. 화학기상증착된 산화막을 사용한 도핑되지 않은 영역으로는 부정합전위를 효과적으로 억제할 수 있지만, 열산화막 및 저압 화학기상증착된 질화막에 의한 도핑되지 않은 영역으로 둘러싼 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층에는 각 각 산화에 기인하는 적층결함 및 반환(half-loop)전위로인하여 부정합전위가 발생된다. 화학기상증착된 산화막의 경우, 부정합전위를 억제하기 위해서는 [110] 방향에 대하여 도핑되지 않은 영역을 잘 정렬하는 것이 매우 중요한데, 그 이유는 [110] 방향에 기울어진 도핑되지 않은 영역은 붕소 도핑층으로부터 기인된 인장응력에 의해 부정합전위가 상승운동막 통과할 수 있는 반면, 잘 정렬된 도핑되지 않은 영역에서는 이러한 인장응력이 이영역 내에서 발생하는 60˚ 전위에 의하여 완화되기 때문이다.
부정합전위가 제거된 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층을 이용하여, 부정합전위가 없는 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘 멤브레인을 제작하였다. 부정합 전위가 제거된 멤브레인의 식각정지된 면의 표면거칠기는 20 Å 정도로 작았지만, 부정합전위를 포함하는 기존의 멤브레인의 거칠기는 500 Å 이었다. 공기압 시험(blister test)으로부터 부정합전위가 제거된 멤브레인의 파괴강도와 잔류인장응력은 각 각 $1.39\times10^{10}dyne/cm^2$과 $2.7\times10^9dyne/cm^2$로 크게 추출된 반면, 기존의 멤브레인은 각 각 $8.27\times10^9dyne/cm^2$과 $9.3\times10^8dyne/cm^2$으로 추출되었다. 영스 모듈러스는 두 멤브레인 모두 $1.45\times10^{12}dyne/cm^2$로 추출되었다. 추출된 잔류응력과 영스 모듈러스로부터, 잔류변형은 부정합전위가 제거된 멤브인이 $1.34\times10^{-3}$ 그리고 기존의 멤브레인이 $4.6\times10^{-4}$ 으로 계산되었고 이때, 멤브레인들의 평균 붕소도핑농도는 $1.3\times10^{20}atoms/cm^3$ 이었다. 또, 변형이 없는 멤브레인의 격자상수, 부정합 계수, 그리고 기존의 멤브레인 내의 부정합전위의 밀도는 각각 5.424 Å, $1.03\times10^{-23}cm^3/atom$, 그리고 $2.3\times10^4/cm$으로 계산되었다. 계산된 이들 값은 X-선 회절 분석과 이론에 의한 값과 상당히 일치하였다.
또, 부정합전위가 억제된 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층 위에는 역시 부정합전위가 없는 저농도 에피 실리콘이 성장됨을 보였다. X-선 회절분석으로부터, 부정합전위가 제거된 이 에피 실리콘은 도핑되지 않은 기판에 직접 성장된 에피 실리콘 만큼의 양호한 결정성을 가짐을 알았다. 또한, 많은 부정합전위를 포함하는 기존의 에피 실리콘층은 압축응력과 윗 및 아랫면에서 큰 표면거칠기를 갖지만, 부정합전위가 제거된 에피층은 응력이 없고 양호한 표면상태를 나타낸다. 부정합전위가 제거된 에피 실리콘층에 제작된 전자소자들은 기존의 에피 실리콘층에 제작된 전자소자들에 비하여 작은 접합누설전류(게이트 다이오우드에서 0.25nA/㎠ 이하), 작은 계면고정전하, 그리고 작은 LOCOS공정에 의한 여러가지 전기적 특성의 열화를 나타낸다.
그러므로, 본 논문에서 고안된 부정합전위가 제거된 고농도로 붕소가 도핑된 실리콘층 및 그 위에 성장된 에피 실리콘은, 마이크로 머시닝에 적합한 양호한 기계적, 전기적 특성을 갖고 있으므로 마이크로 머시닝에서 매우 유용할 것으로 기대된다.
