KR100384680B1 - 반도체 웨이퍼 결함 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼가 가지고 있는 미세한 결함 요인을 검출하기위한 방법으로서, 실리콘 웨이퍼가 가지고 있는 미세한 결함 요인을 검출하기위한 방법에 있어서, 산소 분위기 하에서 약 900 ℃의 온도로 산화막을 형성하고, 약 1150 ℃ 에서 열처리하여 웨이퍼 내의 산소를 발산시켜서 표면으로부터 소정의 깊이까지 무결함영역을 형성하고, 약 720 ∼ 750 ℃의 온도에서 6시간 이상 열처리하여 산소 핵 형성을 한 후에, 약 1000 ∼ 1100 ℃ 사이 온도대에서 16시간 이상 열처리하여 산소 적층 결함으로 발전시키는 열처리 단계와, 웨이퍼 표면을 경면 폴리싱하는 단계와, 폴리싱된 웨이퍼를 세정하는 단계와, 성장된 결함을 파티클 카운터로 검사하는 단계를 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 검사 단계에서는 파티클 카운트로 검사하여 얻은 파티클의 위치를 좌표화 하여 AFM을 사용하여 결함의 형태를 분석하는 것이 바람직하다.

Description

반도체 웨이퍼 결함 검출 방법{A Method for detecting micro defects}

본 발명은 실리콘 웨이퍼에 존재하는 미소결함(마이크로 디펙트)을 찾아내고 분석하는 방법에 관한 것이다. 특히 실리콘 단결정 봉 성장 시 산소 적층 결함 영역 주변에 형성된 마이크로 디펙트 및 웨이퍼 열처리 동안 형성되는 산소 석출 결함의 웨이퍼 내 분포까지 알아내는 방법에 관한 것이다.

반도체 기판에 전자회로를 형성하는 공정은 매우 복잡하고 비용도 많이 소요된다.

그러나 이러한 제조 공정을 끝낸 후 기판에 형성된 전자 회로가 제대로 동작을 하지 못하면 그 반도체 칩은 불량한 제품이 되어서 사용할 수가 없다. 기판에 회로를 형성한 후 회로에 결함이 발생되는 원인을 분석하면, 제조 공정 중에 발생되는 불량도 있지만, 반도체 웨이퍼 자체가 가지고 있는 결함에 의하는 경우도 많이 발생되고 있다.

반도체 웨이퍼 자체가 가지고 있는 결함을 줄이기 위한 여러 가지 방법들이 강구 되고 있지만 아직은 결함을100% 제거한 실리콘 단결정 만으로 된 완벽한 웨이퍼를 생산하기는 불가능하고, 실리콘 잉곳 성장 시에 여러 가지 결함 요소들이 발생되게 된다.

이러한 결함 요소들을 가진 반도체 웨이퍼를 회로 형성 공정 실시 전에 미리 선별하기 위하여 여러 가지 결함 검출 방법들이 제안되어 이용되고 있다.

이러한 방법들 중에는 웨이퍼를 X 선이나 레이저 광선으로 조사하여 결함을 발견하는 방법, 또는 웨이퍼를 열처리하여 결함이 크게 되도록 성장시킨 후 화학적인 식각 공정을 통하여 결함을 발견하는 방법 등이 주로 사용하고 있다.

결함 검출 방법에 따라 발견되는 결함은 서로 다른 종류의 결함이 관찰되는 경우와 동일 종류이지만 검출 방법에 따라 모양 및 형상이 달라지는 경우로 구분될 수 있다. 지금까지 알려진 결함 검출 방법에 의하여 발견된 결함에는 예로서, COP(Crystal Originated Particle), FPD(Flow Pattern Defect), LSTD(Light Scattering Topography Defect), OiSF(Oxidation - induced Stacking FaultRing), DSOD(Direct Surface Oxide Defect), LDP(Large Dislocation Pit) BMD(Bulk Micro-Defect) 등이 있으며 일반적으로 COP, FPD, LSTD, DSOD, LDP등은 잉곳 성장 시 생성된 결정 결함으로 분류된다.

실리콘 웨이퍼는 실리콘 단결정 잉곳 성장 동안 도입된 산소로 인해 산소 적층 결함(Oxygen Stacking Faults), 산소 석출 핵(Oxygen Precipitates Nuclei) 등이 존재할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼에 내포되어 있는 이들 산소 및 산소 석출핵은 반도체 제조를 위한 고온 열처리 시 실리콘 웨이퍼에 산소 석출 결함을 형성 시킨다.

일반적으로 반도체 제조를 위한 디바이스 회로구성은 웨이퍼의 표면으로부터 20 ㎛ 이내에 형성된다. 따라서 이들 산소 적층 결함, 산소 석출 결함, 등과 같은 결함이 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 20 ㎛ 이내의 내부에 존재할 경우 반도체 디바이스에 치명적인 불량 원인이 되기 때문에 이들 디펙트는 반드시 제어되어야 한다.

이러한 이유로 인하여 실리콘 단결정 봉 성장 시 적층 결함, 산소 석출 결함을 적절히 제어하고, 나아가서는 디펙트가 전혀 없는 무결함 실리콘 웨이퍼 (퍼펙트 웨이퍼)를 제조하기 위한 노력이 계속되고 있다.

상기와 같은 이유로 실리콘 웨이퍼 제조 및 연구, 반도체 제조에서 웨이퍼 내에 결정 성장 결함(Grown-in Defect)이 존재하는지 여부 와 그 분포를 분석하는 기술은 매우 중요하다.

결정 성장 결함을 분석하기 위한 종래의 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.

1. 실리콘 웨이퍼를 고온 열처리한 후 라이트 에칭 용액 (Wright가 결함 검출을 위한 에칭 용으로 만든 에칭 용액)에 담가 염색 에칭하여 관찰하는 방법.

2. 열 처리된 웨이퍼를 일정 크기로 잘라낸 후, 앵글 폴리싱(Angle Polishing)하여 앵글 폴리싱된 면을 염색 에칭해서 관찰하는 방법.

3. 파티클 카운터를 이용하여 웨이퍼 표면의 COP를 분석하는 방법.

그러나 상기 1 및 2에 의한 방법으로는 결함 사이즈가 크고 뚜렸한 적층 결함 및 석출 결함 그리고 이들 분포 영역에 대해서만 관찰될 뿐, 직경크기가 0.20㎛하인 작은 마이크로 디펙트는 분석이 불가능하였다. 특히 상기 에칭 방법에서는, 본 발명에서 새로 관찰한 적층 결함 영역 근방에 존재하는 마이크로 디펙트(결정 성장 결함) 영역을 분석할 수 없다. 또한 3 방법과 같이 파티클 카운터를 이용한 COP 분석 방법은 COP에 대해서만 분석 가능할 뿐, 열처리 후 마이크로 디펙트에 대해 분석하고자 할 경우에는 산화막 또는 N₂gas에 의한 표면 상태 변화로 분석이 불가능한 문제점이 있다.

따라서 반도체 웨이퍼에 전자 회로의 집적도를 증가를 증가시켜 생산성 향상을 기하기 위하여는 완전 무결함의 웨이퍼가 필요하게 되고, 완전 무결함의 웨이퍼를 확인하는 방법으로 아주 작은 결함 요인도 검출할 수 있는 결함 검출 방법이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 필요에 따라 종래의 결함 검출 방법이 해결하지 못한 아주 작은 결함 요인까지 검출할 수 있는 웨이퍼의 결함 검출 방법이다.

본 발명의 목적은, 웨이퍼를 고온 열처리하여 실리콘 웨이퍼의 표면 및 내부에 종래의 기술에서 알려진 결정 결함 외 다른 마이크로 디펙트 영역이 존재하는지 여부와 웨이퍼 전면에 걸친 디펙트의 분포 모양 및 개수를 분석하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 실리콘 웨이퍼가 가지고 있는 미세한 결함 요인을 검출하기 위하여, 실리콘 단결정 잉곳에 포함되어 있는 산소가 석출 핵을 생성하도록 일정한 시간 동안 열처리를 하고 이어서 형성된 석출 핵이 측정 가능한 크기로 성장되도록 하기위한 열처리를 실시한 다음 웨이퍼의 표면을 경면 폴리싱하고, 성장된 결함을 파티클 카운터로 검사하는 방법이다.

도1은 본 발명의 공정 단계를 보인 도면.

도2은 종래의 방법으로 검출한 웨이퍼의 결함 분포를 보인 도면.

도3은 본 발명의 결과 검출된 결함 분포를 보인 도면

도4은 본 발명의 결과 검출된 결함 분포를 보인 막대 그림표

도5은 본 발명의 결과 AFM 장비로 분석한 결함의 형상을 보인 도면.

도6은 종래의 방법으로 처리한 웨이퍼 표면의 결함 분포를 광학 현미경으로 촬영한 형상.

도7은 종래의 방법으로 처리한 웨이퍼 단면의 결함 분포를 광학 현미경으로 촬영한 형상.

실리콘 웨이퍼에는 실리콘 잉곳을 성장시킬 때 산소가 포함되게 된다.

이 산소는 반도체 디바이스 형성 공정을 진행하는 동안 본 발명을 통해 새로 발견한 미소 결함(마이크로 디펙트) 핵으로 석출되어 큰 결함으로 발전되고 결국에는 디바이스를 불량으로 만들 수 있다.

본 발명에서는 무 결함 웨이퍼 또는 통상의 실리콘 웨이퍼에서 산화 적층 결함 영역 근방에 미소 결함 영역이 존재하는지를 미리 검사하기 위하여, 실리콘 단결정 잉곳에 포함되어 있는 산소가 미소 결함 핵으로 석출되고, 측정 가능한 크기로 발전되도록 일정한 분위기 가스 내에서 실리콘 웨이퍼를 500 - 1300 ℃ 온도범위 내에서 열처리하고, 웨이퍼 표면을 경면 폴리싱하고, 폴리싱된 웨이퍼를 세정한 후 성장된 결함을 파티클 카운터로 검사하는 단계로 이루어 진다.

웨이퍼에 포함된 산소가 핵 형성을 할 수 있게 하기 위하여는 650 - 800 ℃ 사이 온도대에서 2시간 이상 열처리하고, 산소 적층 결함으로 발전할 수 있게 하기 위하여 900 - 1200 ℃ 사이 온도대에서 10시간 이상 열처리한다.

바람직하게는 약 750 ℃ 에서 6시간 이상 열처리하고, 약 1050 ℃ 에서 16시간 이상 열처리하는 것이 좋다.

분위기 가스는 N₂를 사용하거나, N₂+ O₂가스를 사용하면 된다. 분위기 가스로 N₂+ O₂가스를 사용하였으면 열처리한 다음에는 산화막 에칭 공정을 추가로 실시한 후 폴리싱 단계로 진행한다.

폴리싱단계에서는 웨이퍼의 표면을 깊이 1 - 20 ㎛ 만큼 깎이도록 폴리싱하는데, SiO₂가 포함된 슬러리를 사용하여 폴리싱한다.

또 다른 열처리 방법으로는 산소 분위기 하에서 약 900 ℃ 정도 온도로 산화막을 형성하고, 약 1150 ℃ 에서 열처리하여 웨이퍼 내의 산소를 발산시켜서 표면으로부터 소정의 깊이까지 무결함영역을 형성한 후, 잔류하는 산소가 미소 결함 핵에 석출될 수 있게 하기 위하여 바람직하게는 약 720 - 750 ℃ 에서 6시간 이상 열처리하고, 핵 형성을 한 후, 산소 적층 결함으로 발전할 수 있게 하기 위하여 1000 - 1100 ℃ 사이 온도대에서 16시간 이상 열처리하여도 된다.

검사 단계에서는 파티클 카운트로 검사하고, 파티클 카운트로 검사하여 얻은 파티클의 위치를 좌표화 한 후 AFM 장비를 사용하여 결함의 형태를 분석한다.

이러한 공정으로 발견할 수 있는 결함의 크기는 0.08㎛ 이상의 결함 크기까지 찾아 낼 수 있다. 실제 실험한 결과 결함 크기가 0.08㎛, 0.10㎛, 또는 0.20㎛ 이상의 크기를 가진 것까지 찾아 낼 수가 있었다.

파티클 카운터는 결함으로 디텍터 되는 파티클 즉, 핵을 중심으로 입자가 응축되고, 응축된 상기 핵에 레이저를 주사하여 산란되는 레이저(Laser)를 디텍션(Detection)하여 결함인 파티클을 찾아내고 그 수를 카운트하는 검사장비이다.

실시예를 들어 가면서 본 발명을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

검사할 실리콘 웨이퍼를 세정 공정을 거처 표면 불순물을 제거하고, 열처리로(Diffusion Furnace)를 이용하여 여러 단계의 온도로 N₂또는 O₂Gas 분위기 하에서 열처리를 실시한다. 열처리하는 동안, 실리콘 웨이퍼에 존재하는 산소는 Void 또는 산소 석출핵 등에서 "각 온도에 따른 고용도(solid solubility limit) 이상 과포화(supersaturation)된 양" 만큼 침적 (precipitation)하고 성장(growth)되어 웨이퍼 표면 및 내부에 산소 석출 결함을 형성하게 된다.

이렇게 열처리된 웨이퍼에 대해 깊이 1㎛ - 20 ㎛ 정도 깎여 나가도록 경면 폴리싱을 실시하는데, 이는 경면 폴리싱을 실시하지 않고 파티클 카운터로 측정 할 경우 열처리 시 N₂및 O₂Gas로 인해 표면 상태 변화(예: N₂분위기에서 열처리하였으면 표면 거칠기 가 증가되고, O₂가 포함된 분위기 가스를 사용하여 열처리하였으면 산화막이 형성된다)로 인해 측정이 불가능한 문제점이 있기 때문이다.

웨이퍼 경면 폴리싱을 실시한 후, 세정한다. 세정액으로는 HF, NH₄OH, H₂O₂, Di-water, HCL, 등의 희석액 또는 혼합액을 사용하면 된다.

세정이 끝난 웨이퍼는 파티클 카운터로 폴리싱된 표면에 노출된 마이크로 디펙트를측정함으로서 디펙트 크기별 개수, 웨이퍼상의 분포형태를 용이하게 알아 낼 수 있다.

또한 측정된 마이크로 디펙트의 위치를 좌표화 한 후 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 웨이퍼상에 존재하는 디펙트의 형태를 용이하게 분석할 수 있다.

[실시 예]

쵸크랄스키성장법에 따라 단결정 봉을 성장하고 이를 얇게 절단하고 웨이퍼의 일면을 경면 폴리싱하여 세정한 후 최종 검사하여 실리콘 웨이퍼를 제조하였다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 파티클 카운터를 이용하여 초기 생산된 실리콘 웨이퍼의 표면에 존재하는 리얼 파티클 및 디펙트를 측정하였고, 그 결과가 도 2에 보인 바와 같이, 웨이퍼를 열처리 전에 측정한 결과 전면에서 측정된 전체 파티클 개수는 20개 이하로 검출되었다.

이후 실리콘 웨이퍼를 Diffusion Furnace에 넣어 750℃에서 6시간→1050℃에서 16시간동안 N₂분위기에서 열처리를 실시한 후, 상온으로 온도를 낮추어 웨이퍼를 꺼냈다. 열처리 종료 후 불산(HF)으로 산화막 제거 및 세정을 하고, 웨이퍼의 표면을 폴리싱 장비로 8㎛ 정도가 깎일 만큼 다시 폴리싱하였다.

폴리싱 종료 후 웨이퍼를 세정하였고, 이후 웨이퍼의 경면을 파티클 카운터로 다시 측정하여 보니 도 3에 나타낸 바와 같이 되었다. 파티클 카운터에 의하여 측정된 열처리동안 표면에 성장된 마이크로 디펙트가 중심 축에 대하여 동심원 띠 모양으로 분포되었고, 그 개수가 1786개나 되었다.

이렇게 카운트 된 마이크로 결함을 크기별로 분류하여 보면 도 4에 나타낸 바와 같이 측정된 디펙트 수는 직경 0.08 - 0.10㎛의 것이 200여개, 직경 0.10 - 0.12㎛의 것이 1500여개, 0.12 - 0.16㎛의 것이 80여개 되었다.

도 3에 표시된 디펙트의 위치를 좌표화하여 AFM으로 측정한 결과 하나의 디펙트가 도5에 나타낸 바와 같이 돌출형의 산소 석출 결함으로 확인되었다.

[비교 예]

도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같이, 마이크로 디펙트가 측정된 실리콘 웨이퍼를 종래 기술에서 설명한 바와 같은 방법 1에 따라 라이트 에칭 용액에 5분간 담가 에칭한 후 광학 현미경으로 표면 관찰을 한 결과는 도6과 같았다.

그리고 종래의 방법 2에 따라 웨이퍼의 일부분을 절단하여 앵글 폴리싱하고 라이트 에칭 용액에 담가 5 분간 에칭한 후 에칭 된 웨이퍼 조각을 광학 현미경으로 관찰한 결과는 도7과 같이 되었다.

도 2와 도3을 비교하였듯이 열처리 전에 실리콘 웨이퍼 표면을 파티클 카운터로 측정한 결과, 0.08㎛이상 파티클의 개수는 전면에 걸쳐 20개로 관찰되었었는데, 이 웨이퍼를 본 발명의 방법대로 열처리 및 폴리싱 한 후 파티클 카운터로 다시 측정한 결과는 웨이퍼의 특정 영역에서 원형의 띠를 이루며 밀집된 형태로 파티클이 형성되어 있는 것이 관찰되었고 그 밀도는 약 1800개(사이즈: 0.08㎛ 이상)정도로 측정되었다.

이를 도4에 표시한 바와 같이 사이즈 별로 재 분류한 결과 측정된 디펙트는 직경 0.08 - 0.10㎛, 직경 0.10 - 0.12㎛의 사이즈에서 주로 관찰되었다. 도3에 표시된디펙트의 위치를 좌표화하여 AFM으로 측정한 결과는 이미 설명한 바와 같이 도5에 그 영상이 선명하게 관찰되어서, 파티클 카운터로 관찰된 마이크로 디펙트는 돌출형의 산소 석출 결함으로 확인되었다.

본 발명의 방법에 의하면 도3 -도 5에서 보인 바와 같이 결함 요인이 분명하게 존재하지만, 종래의 방법에 따라 측정하면 도6 및 도7에서 보인 바와 같이 웨이퍼 표면에서는 도6에서와 같이 결함이 전혀 관찰되지 않았고, 웨이퍼 내부에서는 웨이퍼 내부 중심 부위에 있는 0.6㎛ 이상 큰 사이즈의 디펙트만 관찰될 뿐 표면 및 표면 근방 영역에서는 전혀 관찰되지 않았다.

이렇게 되는 이유는 통상의 방법으로는 0.20㎛이하의 마이크로 디펙트를 관찰할 수 없기 때문이다.

따라서 종래의 방법으로는 발견할 수가 없었던 웨이퍼 내에 포함되어 있는 결함 요인을 본 발명의 방법대로 열처리 및 폴리싱 후 파티클 카운터를 이용하여 검사하면 아주 미세한 크키의 결함 까지도 검출 할 수가 있다는 것이 명백하여 진다.

위에서 설명한 실시 예 및 비교 예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시한 예에 지나지 아니하며 본 발명의 기술 사상은 이들 예에만 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 기존의 방법들로는 검출할 수 없었던 웨이퍼의 표면 및 내부 영역에 존재하는 결함 요인을 웨이퍼 상태에서 발견할 수 있는 방법을 실현시킴으로써, 반도체 디바이스 제조 공정에서 보다 신뢰성 있는 웨이퍼를 사용할 수 있고, 생산 수율을 증가 시킬 수 있는 효과가 있다.

미세한 잠재 결함 요인을 0.08㎛ 이하의 크기로 검출할 수가 있고, 디펙트 사이즈 및 웨이퍼 상의 분포 형상을 분석할 수 있는 이점이 있다.

Claims (17)

1. 실리콘 웨이퍼가 가지고 있는 미세한 결함 요인을 검출하기위한 방법에 있어서,

   산소 분위기 하에서 약 900℃의 온도로 산화막을 형성하고, 약 1150℃의 온도에서 열처리하여, 상기 실리콘 웨이퍼 내의 산소를 발산시켜서 표면으로부터 소정의 깊이까지 무결함영역을 형성하고, 약 720 ∼ 750℃의 온도에서 약 6시간 이상 열처리하여 산소 핵 형성을 한 후, 약 1000 ∼ 1100℃의 온도에서 약 16시간 이상 열처리하여 산소 적층 결함으로 발전시키는 열처리 단계와;

   웨이퍼 표면을 경면 폴리싱하는 단계와;

   폴리싱된 웨이퍼를 세정하는 단계와;

   성장된 결함을 파티클 카운터로 검사하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 특징인 반도체 웨이퍼 결함 검출 방법,
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 1항에 있어서,

    상기 검사 단계에서는 파티클 카운트로 검사하여 얻은 파티클의 위치를 좌표화 하여 AFM을 사용하여 결함의 형태를 분석하는 것이 특징인 반도체 웨이퍼 결함 검출 방법,
14. 제 1항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 검사 단계에서는 0.20 ㎛ 이하의 파티클 크기까지 찾아내는 것이 특징인 반도체 웨이퍼 결함 검출 방법,
15. 제 1항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 검사 단계에서는 0.12 ㎛ 이하의 파티클 크기까지 찾아내는 것이 특징인 반도체 웨이퍼 결함 검출 방법,
16. 제 1항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 검사 단계에서는 0.10 ㎛ 이하의 파티클 크기까지 찾아내는 것이 특징인 반도체 웨이퍼 결함 검출 방법,
17. 제 1항 또는 제 13항에 있어서,

    상기 검사 단계에서는 0.08 ㎛ 이하의 파티클 크기까지 찾아내는 것이 특징인 반도체 웨이퍼 결함 검출 방법.