KR100901823B1 - 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법 - Google Patents

Abstract

금속 강제오염을 이용해 실리콘 웨이퍼의 결함을 분석하는 경우에 있어서, 고농도로 웨이퍼 전면(全面)에 균일하게 오염을 달성하여 결함을 분석하는 방법을 제공한다. 본 발명에서는 단결정 실리콘 잉곳의 조각 또는 실리콘 웨이퍼로 된 시료를 준비하여, 상기 시료 표면에 금속 오염 용액을 도포한 후 금속 박막을 증착하는 2 단계의 과정을 통해 상기 시료 표면을 금속 오염시킨다. 본 발명에서는 또한, 일부 측정 방식에서 요구되는 시료 표면의 산화막 처리 및 금속 박막 제거를 쉽게 수행할 수 있는 방법도 제공한다.

Description

실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법{Method of testing defect of silicon wafer}

본 발명은 반도체 소자에 사용되는 실리콘 웨이퍼 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단결정 실리콘 잉곳(ingot) 또는 실리콘 웨이퍼에 내재하는 결함을 분석하는 방법에 관한 것이다.

반도체 소자 제조용 실리콘 웨이퍼의 대구경화가 진행됨에 따라, 실리콘 웨이퍼의 대부분은 초크랄스키(Czochralski, 이하 CZ) 단결정 실리콘 성장 방법에 의해 생산되고 있다. 이 방법으로 제조된 단결정 실리콘 잉곳 또는 실리콘 웨이퍼는COP(Crystal Originated Particles), FPD(Flow Pattern Defect), OiSF(Oxygen induced Stacking Fault), BMD(Bulk Micro Defect) 등의 결정 결함이 나타나고 있으며, 이와 같은 성장 중에 도입되는 결함(grown-in defect)의 밀도와 크기의 감소가 요구되어 오고 있다. 상기 결정 결함은 소자 수율 및 품질에 영향을 미치는 것으로 확인되고 있다. 따라서, 결정 결함을 완전히 제거시킴과 동시에 이런 결함을 쉽고 빠르게 평가하는 기술은 아주 중요하다.

또한, 단결정 실리콘 잉곳 또는 실리콘 웨이퍼는 그 결정의 성장 조건에 따라서 베이컨시형 점결함이 우세하여 과포화된 베이컨시가 응집된 결함을 갖는 v- rich 영역, 베이컨시형 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 Pv 영역, 베이컨시/인터스티셜 경계(V/I boundary), 인터스티셜 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 Pi 영역, 인터스티셜 점결함이 우세하여 과포화된 인터스티셜 실리콘이 응집된 결함을 갖는 i-rich 영역 등이 존재한다. 그리고, 이러한 영역이 발생하는 성장 조건과 단결정 실리콘 잉곳의 결정 길이별로 이러한 영역들이 어떻게 변화해 가는지 확인하는 것은 결정의 품질 수준을 평가함에 있어서 가장 기초적인 것이다.

종래 베이컨시형 점결함 분포를 분석하기 위한 기술은 크게 금속 강제오염, 열처리 및 측정의 3 단계로 구성되어 있다.

금속 강제오염은 크게 표준 금속 오염 용액(standard solution)을 이용하는 방식과, 금속 원소를 직접 웨이퍼에 증착시키는 방식으로 나눌 수 있다. 열처리는 대부분 유도 코일 가열(inductor coil heating) 방식을 이용한 열처리로(furnace)에서 고온(600℃ 이상) 열처리를 시행한다. 그 때의 가스 분위기는 대부분 질소(N₂), 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 이용하여, 금속 원소를 웨이퍼 표면에서 벌크(bulk)로 확산시키는 역할을 수행한다. 마지막으로 측정의 경우 실리콘 금지대(forbidden band)의 포획 준위에 영향을 받아 전 송자(carrier)의 영향을 분석할 수 있는 장비, 예를 들어 전송자 재결합 수명(carrier recombination lifetime) 측정 장비, DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy, 접합 (또는 계면)에 역방향 전계를 가한 상태로 정방향의 펄스 전압을 가하고, 공핍층 내의 준위에 전송자 를 포획시키는 방법을 구현하는 장비), 소수 전송자 확산 길이(Minority Carrier Diffusion Length :MCDL, 소수 전송자가 거리에 따라 감소되는 정도를 분석하는 장비), 광 발광(Photo Luminescence: PL) 장비 등을 이용한 웨이퍼 전면(全面) 분포의 정성, 정량화 분석을 시행한다.

종래 금속 강제오염 중 표준 금속 오염 용액을 이용하는 경우 웨이퍼 전면에 고르게 오염이 되는 장점이 있으나, 고농도의 오염이 요구되는 경우 충분한 오염 농도를 확보하지 못하는 단점이 있다. 또한 금속 원소를 직접 웨이퍼에 증착하는 방식의 경우 저농도(수백ppb) ~ 고농도(10000ppm 이상)의 오염을자유롭게 오염시킬 수 있으나, 웨이퍼 표면 상태 및 목표 금속(target metal) 증착 장비의 상태에 따른 추가적인 오염 및 전면에 고르게 오염이 되지 않는 단점이 존재한다.

따라서, 웨이퍼 전면의 베이컨시형 점결함 분포 상태를 파악하기 위하여 고농도로 전면에 고르게 금속 오염을 실시하여야 하나, 상기 두 방식으로는 목적에 적합한 오염 농도, 상태로 시행하기 불가능하거나, 매우 어렵다.

한편, 종래 열처리 방식은 오염금속의 단순 확산을 위한 불활성 분위기에서의 고온 열처리로, 사용하는 가스보다 온도 및 시간에 초점을 맞추고 있다. 그러나, 일부 측정 방식의 경우 시료 전처리가 필요하기 때문에 표면에 산화막 처리가 필요하나, 소개되어 있는 방식에는 표면 산화막 처리가 없기 때문에, 측정 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 표면에 금속 박막이 존재하는 경우 일부 측정 방법에서는 금속 박막을 제거해야 하지만 금속이 열에 의해 실리콘과 결합하여 실리사이드 형태로 존재하는 경우 제거하기 매우 어려운 난점이 존재한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 오염을 이용해 실리콘 웨이퍼의 결함을 분석하는 경우에 있어서, 고농도로 웨이퍼 전면에 균일하게 오염을 달성하는 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 일부 측정 방식에서 요구되는 시료 표면의 산화막 처리 및 금속 박막 제거를 쉽게 수행할 수 있는 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법은 시료를 준비하여 상기 시료 표면에 금속 오염시키는 단계, 금속 오염된 상기 시료를 열처리하는 단계, 및 열처리된 상기 시료에 대해 결함을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 시료는 단결정 실리콘 잉곳의 조각 또는 실리콘 웨이퍼로 된 것이고, 상기 금속 오염시키는 단계는, 상기 시료 표면에 금속 오염 용액을 도포하는 단계 및 상기 금속 오염 용액을 도포한 시료 표면에 금속 박막을 증착하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 시료 표면에 금속 오염 용액을 도포하는 단계 전에 상기 시료 표면의 자연 산화막을 제거하는 단계를 더 포함한다. 상기 금속 오염 용액은 과산화수소수(H₂O₂), 암모니아수(NH₄OH) 및 탈이온수 혼합물(SC1 세정액)과 금속 표준 용액을 혼합한 것을 사용한다. 이 때, 상기 금속 오염 용액을 도포하는 단계는, 상기 시료를 가열하는 단계 및 상기 시료 표면에 상기 금속 오염 용액을 투적하여 금속 오염된 화학적 산화막을 상기 시료 표면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

특히, 상기 열처리하는 단계는, 불활성 가스 분위기에서의 1차 열처리 및 상기 1차 열처리와는 인시튜(in-situ)이고 상기 시료 표면 및 금속 박막을 산화시키는 2차 열처리를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 금속 오염 용액 도포 및 금속 박막 증착이라는 2 가지 과정을 거쳐 금속 오염을 달성하므로, 기존 화학 적인 오염 또는 단순 금속 박막 증착법에서 달성하기 어려운, 웨이퍼 전면에 대한 고농도의 균일한 오염을 시행할 수 있게 된다. 종래 기술에 비해 오염양을 현저히 증가시켜 고농도의 균일한 금속 오염을 한 후 간단한 열처리를 통해 실리콘 웨이퍼 특성 및 품질 평가에 적용될 수 있다.

금속 오염 후 열처리 시 산화시키는 열처리를 추가 수행하므로, 시료의 표면 산화막 형성을 통해 표면 안정화를 이룰 수 있으며, 금속 박막 제거를 용이하게 할 수 있다. 이에 따라, 정성, 정량 분석에 적합한 상태로 시료를 제조할 수 있으며 측정 정밀도가 향상되는 효과가 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다 양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명에서 구현하고자 하는 바는 크게 세 가지로, 고농도로 웨이퍼 전면에 균일한 오염을 달성하는 것, 열처리 시 표면 안정화를 위한 산화막을 형성하는 것, 그리고 금속 박막 제거가 필요한 측정 방식의 경우 쉽게 금속 박막 제거가 가능하도록 하는 것이다. 본 발명은 이 세 가지를 전부 구현하며 그에 따라 분석시 정밀도가 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법의 순서도이다.

먼저, 분석할 시료를 준비한다(단계 S1). 이하 실시예에서 시료는 단결정 실리콘 잉곳을 슬라이싱하고 슬라이싱에 의해 형성된 표면결함을 제거하기 위해 그라인딩을 수행한 웨이퍼를 예로 들어 설명한다. 그러나, 시료는 슬라이싱 공정만이 수행된 웨이퍼, 그라인딩 공정이나 랩핑 공정이 수행된 웨이퍼일 수 있으며, 폴리싱을 수행한 웨이퍼도 가능하다. 뿐만 아니라, 실리콘 잉곳의 중심을 지나고 축 방향으로 사각형 모양으로 절단한 단결정 실리콘 잉곳의 조각에 대해서도 적용하는 것이 가능하다.

다음 단계 S2에서, 결함, 특히 베이컨시형 점결함 농도 분포를 분석하고자 하는 웨이퍼를 금속 오염시킨다. 금속 오염은 다음의 단계 S21 내지 S24를 통해 이루어진다.

먼저, 웨이퍼를 HF 희석액을 이용하여 세정함으로써 웨이퍼 표면에 존재하는 자연 산화막을 제거한다(단계 S21). 만일 이러한 과정을 거치지 않는 경우, 즉 표면에 자연 산화막이 존재하게 되면, 그 다음 과정에서 웨이퍼 전면에 고르게 분포하는 오염된 화학적 산화막을 얻을 수 없다. 이 때 표면 자연 산화막을 제거하기 위해 HF 희석액 이외 다양한 방법, 예를 들어 HF 흄(hume)을 이용한 제거 등과 같은 방법을 적용할 수 있다. 이후 탈이온수(DI Water)로 웨이퍼 표면에 잔류할 수 있는 금속 염 및 기타 불순물을 충분히 세정하여 제거한다.

다음 단계 S22에서 웨이퍼 표면에 금속 오염 용액을 도포한다. 금속 오염 용액은 과산화수소수(H₂O₂), 암모니아수(NH₄O_H) 및 탈이온수 혼합물(SC1 세정액)과 금속 표준 용액(주로 백금 및 니켈 오염용액)을 적당한 비율로 섞어 제조한다. 일반적으로 혼합비는 부피비로 과산화수소수 : 암모니아수: 탈이온수 혼합물(SC1 세정액) = 1 : 1 : 5 에 금속 표준 용액(주로 백금 오염용액, 1000ppm)을 부피비로 1을 넣어 제조한다. 그 후 적외선 램프를 이용하여 웨이퍼 표면의 온도를 약 50℃ 정도로 가열한 후 제조한 금속 오염 용액을 웨이퍼 후면에 다 덮이도록 피펫을 이용하여 조심스럽게 투적한다. 이 때, 반응이 격렬하게 나타날 수 있으므로 주의해서 반응시키는 것이 좋다. 이 때의 반응시간은 온도와 제조한 금속 오염 용액의 부피비에 따라 결정되며, 반응에 의해 표면에 화학적 산화막이 형성되면서 오염 원소가 증착되게 된다. 대략 오염된 화학적 산화막 두께가 20 ~ 50Å 정도가 될 때를 기준으로 결정하면 된다.

다음 단계 S23에서 웨이퍼를 세정한 후, 오염된 웨이퍼 후면(오염된 화학적 산화막이 형성된 곳)에 금속 원소 박막(오염에 사용된 금속과 동일한 것, 주로 백 금)을 덮어준다(단계 S24). 이는 제조한 오염 용액의 원소 농도가 평가하는 데 필요한 농도보다 낮기 때문에, 이를 열처리 동안에 보충시켜 주기 위한 방법으로, 두께는 대략 100Å~ 10000Å 정도면 충분하다. 이 때의 금속 박막의 증착방법 및 두께 균일도는 크게 상관없으나, 최소 두께 이상이 되어야만 한다. 금속 박막을 웨이퍼 후면에 증착하기 위한 방법으로는 대표적으로 증기 증착(Evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 등이 있다.

이와 같이 본 발명에서는 웨이퍼 표면에 고농도로 금속 오염을 형성하기 위하여 기존과 다르게 금속 오염 용액 도포 및 금속 박막 증착이라는 2 가지 과정을 거치게 되는 것이다. 이상의 금속 오염 과정은 고농도의 오염이 가능할 뿐만 아니라 웨이퍼 전면에 고르게 오염이 되는 장점이 있으며 웨이퍼 표면 상태에 의존하지 않는 특성이 있다.

이상의 과정으로 금속 오염된 웨이퍼는 다음 단계 S3에서 열처리한다. 오염된 웨이퍼를 열처리하기 위한 방법으로 일반적인 수직 또는 수평로(爐)를 이용한 열처리를 실시하며, 온도는 600 ~ 1000℃에서 10분~ 60분 이내에 열처리를 실시하는 것을 기준으로 한다.

단, 기존의 불활성 분위기(주로 질소, 아르곤 등)에서만 실시하는 것이 아니라, 불활성 분위기에서 오염 확산을 위한 1차 열처리 후 표면 안정화 및 웨이퍼 표면에 잔류하는 금속 박막 제거를 용이하게 하기 위하여 불활성 가스에 부피비로 약 1 ~ 10% 정도의 산소 가스를 섞어 웨이퍼 표면 및 금속막을 산화시키는 2차 열처리(산화 열처리)를 인시튜(in-situ)로 실시한다. 이 때, 산화 열처리에 의해 생성 되는 웨이퍼 표면의 산화막 두께는 20 ~ 1000Å 이내가 적당하다.

이와 같이 본 발명에서 제안하는 열처리는 일부 측정 방식에서 시료 표면에 산화막 처리가 필요한 경우에 특히 적합한 열처리이다. 또한, 표면에 금속 박막이 남아 있는 형태가 아니라 산화막이 되는 경우이므로, 일부 측정 방식에서처럼 금속 박막 제거가 필요한 경우에는 산화막 제거를 통해 수월하게 금속을 제거할 수 있는 장점이 있다.

이상의 과정, 즉 단계 S2 및 S3에 의해 전처리된 웨이퍼는 세정한 후 다음 단계 S4에서, 실제 베이컨시형 점결함 분포를 분석하기 위하여 여러 방법을 적용한다. 기존에 정량, 정성 분석을 위한 DLTS를 이용하는 방법과, 웨이퍼 전면의 정성적인 분포를 확인하기 위한 u-PCD를 이용한 수명 분석 방법 등이 있으며, 상황과 목적에 적합한 방법을 선정하여 평가를 실시한다.

본 발명과 기존 보고된 방법과 비교를 위하여 평가한 결과는 도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같다. 도 2a와 도 2b의 비교 평가에서 사용한 시료는 인접한 잉곳 위치에서 평가를 위해 채취한 시료로, 동일한 시료라 말할 수 있다. 도 2a와 도 2b는 본 발명에 의해 전처리된 시료와, 기존에 보고된 스핀 코팅에 의해 오염시킨 시료의 u-PCD를 이용한 수명 맵핑(Lifetime Mapping)의 비교 결과이다.

도 2a의 경우 일부 가장자리 영역을 제외하고 원치 않는 오염으로 인한 수명 저하 현상이 관찰되지 않아, 결정결함 영역의 구분이 용이하나, 도 2b의 경우 균일하지 못한 강제 오염과 원치 않는 오염으로 인한 수명 변화 정도가 크기 때문에, 결정결함 영역의 구분이 용이하지 못하다.

또한, 정량분석을 위해 DLTS 평가를 실시하였다. 도 3은 전처리 방법 적용 여부에 따른 DLTS 신호 평가결과(본 발명 적용: 점선, 기존 방법 적용: 실선)이다.

도 3에서 보는 바와 같이 동일한 온도, 시간에서 열처리를 시행했음에도 검출된 베이컨시형 점결함의 농도의 편차가 매우 큼을 알 수 있다. 즉, 실제 베이컨시형 점결함 농도가 1E13 atoms/㎤ 이상이 존재하는 경우 기존 화학 용액을 이용한 방법으로는 검출을 위한 충분한 농도로 오염이 불가능하기 때문에, 이러한 현상이 발생함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서 설명한 전처리 방법을 적용하는 경우, 기존 방법으로 확보하기 어려운 균일한 고농도의 오염이 가능하며, 이러한 현상을 이용하여 결정결함 영역의 정성적인 평가, 베이컨시형 점결함 농도의 정량적인 평가를 좀 더 정확하게 확보할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법의 순서도이다.

도 2a와 도 2b는 전처리 방법 적용 여부에 따른 u-PCD 수명 맵핑(Lifetime Mapping) 결과이다.

도 3은 전처리 방법 적용 여부에 따른 DLTS 신호 평가결과이다.

Claims (5)

1. 단결정 실리콘 잉곳의 조각 또는 실리콘 웨이퍼로 된 시료를 준비하여 상기 시료 표면에 금속 오염시키는 단계, 금속 오염된 상기 시료를 열처리하는 단계, 및 열처리된 상기 시료에 대해 결함을 측정하는 단계를 포함하고,

   상기 금속 오염시키는 단계는,

   상기 시료 표면에 금속 오염 용액을 도포하는 단계 및

   상기 금속 오염 용액을 도포한 시료 표면에 금속 박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 시료 표면에 금속 오염 용액을 도포하는 단계 전에 상기 시료 표면의 자연 산화막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 오염 용액은 과산화수소수(H₂O₂), 암모니아수(NH₄OH) 및 탈이온수 혼합물과 금속이온이 산에 용해되어 있는 용액을 혼합한 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 금속 오염 용액을 도포하는 단계는,

   상기 시료를 가열하는 단계 및

   상기 시료 표면에 상기 금속 오염 용액을 투적하여 금속 오염된 화학적 산화막을 상기 시료 표면에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 열처리하는 단계는,

   불활성 가스 분위기에서의 1차 열처리 및

   상기 1차 열처리와는 인시튜(in-situ)이고 상기 시료 표면 및 금속 박막을 산화시키는 2차 열처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 결함 분석 방법.

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