KR100465527B1 - Ｓｏｉ 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SOI 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, SOI 웨이퍼의 결함을 제거하고, 표면을 경면화 시키는 방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명인 SOI 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법은 SOI 웨이퍼를 준비하여 열처리로의 내부에 장입한 후, 약 500℃의 온도로 아르곤(Ar)가스 분위기에서 예열하는 제 1 단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 하고, 900 내지 1050℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 2 단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 유지하면서, 1050 내지 1100℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 3단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 바꾸고, 1050 내지 1150℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 4단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 유지하면서, 약 500℃의 온도로 강온시켜 상기 SOI 웨이퍼를 안정화시키는 제 5단계를 포함하여 이루어진다.

Description

ＳＯＩ 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법{A method for removing defects and smoothing surface of SOI wafer}

본 발명은 SOI 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, SOI 웨이퍼의 결함을 제거하고, 표면을 경면화 시키는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 SOI 웨이퍼는 접합(Bonded) SOI 웨이퍼의 제조 방법에 따라서, 먼저 한 장의 실리콘 웨이퍼의 상부면에 산화막을 형성하여 도너 웨이퍼를 제조한다. 그 후, 산화막으로부터 일정 깊이의 도너 웨이퍼에 수소이온을 주입하여 수소 이온 주입층을 형성시킨다. 그리고, 핸들 웨이퍼를 도너 웨이퍼의 상부면에 산화막과 맞닿도록 접합시킨다. 이 후, 도너 웨이퍼를 수소 이온 주입층을 따라 절단하여 SOI 웨이퍼를 형성한다.

그리고, SOI 웨이퍼는 산소 이온 주입(SIMOX : Separation by IMplanted OXygen) SOI 웨이퍼 제조 방법에 따라, 한 장의 실리콘 웨이퍼에 산소 이온을 주입하는 공정을 실시 한 후, 고온의 열처리를 통하여 실리콘 웨이퍼의 내부에 실리콘 산화막을 형성함으로서 제조된다.

이와 같은 방법으로 제조되어진 SOI 웨이퍼는 그 SOI 층의 표면에 균일한 평탄도를 가지지 못하고, 요철을 가지게 된다.

즉, 접합 방식의 SOI 웨이퍼 제조 방법은 도너 웨이퍼와 핸들 웨이퍼의 접합 후, 수소 이온 주입층을 따라서 분리됨에 따라, 그 분리면에 거친 요철이 발생되어, 결국 제조되어진 SOI 웨이퍼의 SOI 층 표면이 균일한 평탄도를 가지지 못하는 것이다. 그리고, 산소 이온 주입(SIMOX) SOI 웨이퍼 제조 방법 또한 산소 이온 주입 후 고온 열처리 과정에서 실리콘과 매립 산화막 계면에서의 굴곡이 표면에 전사됨에 따라 표면의 요철이 발생하게 되는 것이다.

이와 같은 SOI 웨이퍼의 표면 요철을 경면화하기 위하여 종래에는 화학적 기계 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing) 또는 PACE(Plasma Assisted Chemical Etching) 방법 등을 사용하였다.

그러나, SOI 웨이퍼의 표면 경면화를 위한 화학적 기계 연마(CMP) 공정은 슬러리(Slurry) 및 기계적 마찰에 의한 기판 손상의 발생과 가장 자리 부분이 연마패드의 점 탄성 변형 때문에 연마의 균일성에 영향을 미치는 에지 라운딩(Edge Rounding) 현상이 발생하여 공정 관리에 많은 문제점이 있는 것이다.

그리고, SOI 웨이퍼의 표면 경면화를 위한 PACE 방법은 기존의 연삭 연마법으로 SOI웨이퍼를 특별한 장치에 의해 정밀 연마하는 것으로 SOI웨이퍼 전체의 두께 균일성은 개선 할 수 있으나, 국소적 에칭 도구의 특성으로 인한 PACE 연마에 의해 형성된 주기적인 표면 요철을 남겨 고주파 형상을 지닌 표면의 형상 개선에 어려움이 있다. 또한 PACE 전극 주사에 의한 흔적이 막 두께 차이에 의해 얼룩으로 나타나는 경우가 빈번히 발생하는 문제점이 있으며, 이러한 이유로 SOI 웨이퍼의 경면화 작업에 생산성이 낮아지는 문제가 있는 것이다.

또한, SOI 웨이퍼의 디바이스 층의 결정 결함(COP)이나 선형 전위(treading dislocation)가 없는 무결함의 고품질 SOI 웨이퍼를 제조하기 위해서는 초기 기판 선택 시, 결정 성장 단계에서 무결함 결정을 제조하거나, 저결함 기판 위에 전사되는 두께보다 두꺼운 에피텍셜(epitaxial) 층을 성장시키는 방법이 주로 사용되어 진다. 그러나, 무결함 결정을 제조할 때에는 특정 성장 열이력 관리 때문에 수율 저하와 공정 시간 증대 등의 기판의 생산비용을 증가시키는 문제점이 있고, 또 에피텍셜(epitaxial) 층을 전사시키는 방법의 경우에는 접합 시의 표면 상태에 따라서 수율이 저하되고, 이를 해결하기 위하여 별도의 다른 공정을 부가하여야 하는 등의 불편함과 이에 따른 생산비용의 증대라는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 하나의 공정으로서, SOI 웨이퍼에 발생한 결정 결함(COP)이나 선형전위(treading dislocation) 등의 결함을 제거함과 동시에 SOI 웨이퍼의 표면을 경면화시킬 수 있는 SOI 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그리고, SOI웨이퍼의 결함 제거와 표면 경면화를 동시에 가능하도록 함으로서, SOI 웨이퍼 제조 공정의 단순화와 이에 따른 생산비용을 절감시키려는 것이다.

이를 위한 본 발명인 SOI 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법은 SOI 웨이퍼를 준비하여 열처리로의 내부에 장입한 후, 약 500℃의 온도로 아르곤(Ar)가스 분위기에서 예열하는 제 1 단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 하고, 900 내지 1050℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 2 단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 유지하면서, 1050 내지 1100℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 3단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 바꾸고, 1050 내지 1150℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 4단계와, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 유지하면서, 약 500℃의 온도로 강온시켜 상기 SOI 웨이퍼를 안정화시키는 제 5단계를 포함하여 이루어진다.

그리고, 이 때, 상기 제 2단계에서 그 열처리 시간은 4 내지 10분 동안으로 하고, 상기 제 3단계에서 그 열처리 시간은 10 내지 20분 동안으로 하며, 상기 제 4단계에서 그 열처리 시간은 60 내지 90분 동안으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 열처리로는 종형 확산 열처리로를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

도 1은 본 발명의 전체 공정 순서도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 온도 그래프.

도 3은 본 발명의 실시예에 사용되는 종형 확산 열처리로의 개념도.

도 4a는 종래의 SOI 웨이퍼의 HF 결함 측정 결과 사진.

도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 SOI웨이퍼의 HF 결함 측정 결과 사진.

도 5a는 화학적 기계 연마 공정에 의한 SOI 웨이퍼의 표면 경면화 측정 결과 사진.

도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 SOI웨이퍼의 표면 경면화 측정 결과 사진.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 먼저, 접합 SOI 웨이퍼의 제조 방법 또는 산소 이온 주입(SIMOX) SOI 웨이퍼의 제조 방법 등에 의하여 제조되어진 SOI 웨이퍼를 준비하여 열처리로의 내부에 장입한 후, 열처리로의 내부 가스 분위기를 아르곤(Ar) 가스로 하여 약 500℃의 온도로 예열하는 제 1단계(S1)를 가진다.

그 후, 상기 열처리로 내부에 장입된 SOI 웨이퍼 표면의 자연 산화막을 제거함과 동시에 SOI 웨이퍼의 표면상에 오염되어 있는 유기물 등의 이물질을 제거하여 SOI 웨이퍼의 청정 표면을 형성시키기 위하여, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 하고, 900 내지 1050℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 2 단계(S2)를 가진다. 그리고, 이 때의 열처리 시간은 4 내지 10분 동안으로 하는 것이 바람직하다.

따라서, 열처리 내부에 장입된 SOI 웨이퍼를 수소 가스 분위기에서 약 900 내지 1050℃의 온도로 열처리를 함으로서 SOI웨이퍼의 표면의 자연 산화막이 제거되고, 또한 SOI 웨이퍼의 표면에 오염되어 있는 유기물 등의 이물질이 제거 될 수 있는 것이다.

상기 SOI 웨이퍼 표면을 세정하기 위한 열처리 단계(S2) 후에는, 상기 SOI 웨이퍼에 형성되어 있는 결정 결함 및 선형 전위 등의 결함을 제거하기 위하여, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 유지하면서, 1050 내지 1100℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 3단계(S3)를 가진다. 이 때의 열처리 시간은 10 내지 20분 동안으로 하는 것이 바람직하다.

따라서, SOI 웨이퍼를 수소 가스 분위기에서 약 1050 내지 1100℃의 온도로 열처리함으로서 SOI 웨이퍼의 내부에 형성되어 있는 결함이 제거 될 수 있는 것이다.

여기에서 열처리로 내부의 온도를 1050 내지 1100℃로 제한한 것은 수소가스 분위기에서1100℃이상 온도로 고온 열처리 할 경우 도판트의 out diffusion 및 quartz tube의 식각 작용에 의해 비저항의 변화 및 불순물 오염의 소지가 있기 때문이다. 그리고, 그 열처리 시간을 약 10 내지 20분으로 제한한 것은 상기 온도에서 SOI 웨이퍼의 결함 제거 시, 결함 제거 효율과 생산성을 고려한 것이다.

그리고, SOI 웨이퍼 표면의 미소 거칠기를 개선시켜 표면 경면화를 이루기 위하여, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 바꾸고, 1050 내지 1150℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 4단계(S4)를 거친다. 이 때의 열처리 시간은 60 내지 90분 동안으로 하는 것이 바람직하다.

따라서, 열처리로 내부의 가스 분위기가 아르곤 가스로 바뀐 상태에서 그 열처리로 내부의 온도를 1050 내지 1150℃에서 SOI웨이퍼를 열처리함으로서, SOI 웨이퍼의 표면의 미소 거칠기가 개선되어 표면 경면화가 이루어지는 것이다.

여기에서 열처리로 내부의 온도를 1050 내지 1150℃로 제한한 것은 아르곤 가스 분위기 하에서 최소 1050 ℃ 정도가 되어야만 실리콘 표면의 재배열 현상이 나타나 실리콘 표면의 경면화가 이루어 질 수 있으며, 그 상한 온도는 1150℃가 적절하다. 그리고, 1150℃를 초과한 온도에서는 열처리 공정 특유의 오염 문제가 대두 될 수 있으며, 생산비용이 많이 소요되기 때문에 온도 상한을 1150℃로 제한 한 것이다.

그리고, 그 열처리 시간을 약 60 내지 90분으로 제한한 것은 최소 60분 이상은 상기 온도에서 열처리를 실시하여야 원하는 경면화 표면을 얻을 수 있으며 90분 이상 진행할 경우에는 생산성이 나빠지기 때문이다.

SOI 웨이퍼를 상기 4단계(S4)의 표면 경면화를 위한 열처리 과정까지 마친 후에는, 상기 SOI 웨이퍼를 안정화시키기 위하여, 상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 유지하면서, 약 500℃의 온도로 강온시켜 상기 SOI 웨이퍼를 안정화시키는 제 5단계(S5)를 거침으로서 본 발명인 SOI 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법이 완성된다.

그리고, 상기와 같은 본 발명의 열처리 과정에서 사용되어지는 열처리로는 종형 확산 열처리로(vertical furnace)를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

종형 확산 열처리로의 구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 다량의 SOI 웨이퍼를 열처리로의 내부에 동시에 장입하여 배치 방식으로 열처리가 가능하며, 이는 SOI 웨이퍼에 발생한 결정 결함(COP)이나 선형 전위(treading dislocation) 등의 결함을 제거함과 동시에 SOI 웨이퍼의 표면을 경면화가 가능하도록 하여 SOI 웨이퍼 제조 공정을 단순화시킨다.

상기와 같은 과정(S1 내지 S5)을 포함하는 본 발명인 SOI 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법을 거친 SOI 웨이퍼의 결함 제거 결과 및 표면 경면화 결과를 분석하여 보면 다음과 같다.

본 발명의 실시예를 거치지 않은 종래의 SOI 웨이퍼를 HF 결함 측정하여 보면 도 4a에서와 같이, HF 결함 밀도가 1∼2개/㎠로 나타난다. 그러나, 본 발명의 실시예를 통하여 SOI 웨이퍼의 결함 제거 과정을 거친 HF 결함 측정 결과는 도 4b에서와같이 HF 결함 밀도가 완전히 제거되었다는 것을 알 수 있다.

그리고, 종래의 화학적 기계 연마(CMP) 공정을 통한 SOI 웨이퍼의 표면 거칠기는 도 5a에서와 같이, 그 표면 미소 거칠기(Rms)가 약 0.76Å이하로 나타나며, 본 발명의 실시예에 의한 SOI 웨이퍼의 표면 경면화를 통한 SOI웨이퍼의 표면 미소 거칠기(Rms)는, 도 5b에서와 같이, 0.75Å미만으로 나타난다는 것을 알 수 있다.

따라서, SOI 웨이퍼를 본 발명의 실시예를 통한 일괄적인 열처리 공정을 행함으로서, SOI 웨이퍼의 결함을 제거하고, 동시에 SOI 웨이퍼 표면의 미소 거칠기가 개선되어 표면 경면화가 이루어진다는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

본 발명은 하나의 공정으로 SOI 웨이퍼에 발생한 결정 결함(COP)이나 선형 전위(treading dislocation) 등의 결함을 제거함과 동시에 SOI 웨이퍼의 표면을 경면화시킬 수 있는 SOI 웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법을 제공하였다.

그리고, 본 발명은 SOI웨이퍼의 결함 제거와 표면 경면화를 하나의 공정에서 동시에 가능하도록 함으로서, 결함 제거와 표면 경면화가 이루어진 고품질의 SOI 웨이퍼를 제조하는 방법으로 공정을 단순화시키고, 이에 따른 생산비용을 절감시키게 되었다.

Claims (5)

1. SOI 웨이퍼를 준비하여 열처리로의 내부에 장입한 후, 약 500℃의 온도로 아르곤(Ar)가스 분위기에서 예열하는 제 1 단계와;

   상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 하고, 900 내지 1050℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 2 단계와;

   상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 수소 가스로 유지하면서, 1050 내지 1100℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 3단계와;

   상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 바꾸고, 1050 내지 1150℃의 온도로 상기 SOI 웨이퍼를 열처리하는 제 4단계와;

   상기 열처리로 내부의 가스 분위기를 100% 아르곤(Ar)가스로 유지하면서, 약 500℃의 온도로 강온시켜 상기 SOI 웨이퍼를 안정화시키는 제 5단계를 포함하는 것이 특징인 SOI웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2단계에서 그 열처리 시간은 4 내지 10분 동안으로 하는 것이 특징인 SOI웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 3단계에서 그 열처리 시간은 10 내지 20분 동안으로 하는 것이 특징인 SOI웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 4단계에서 그 열처리 시간은 60 내지 90분 동안으로 하는 것이 특징인 SOI웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열처리로는 종형 확산 열처리로로 하는 것이 특징인 SOI웨이퍼의 결함 제거 및 표면 경면화 방법.