KR100562438B1

KR100562438B1 - 실리콘 웨이퍼의 열처리방법 및 이에 의해 열처리된 실리콘 웨이퍼

Info

Publication number: KR100562438B1
Application number: KR1019980045803A
Authority: KR
Inventors: 노리히로 고바야시; 토찌히꼬 미야노; 사토시 오까
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2006-07-06
Also published as: JP3346249B2; EP0915502A3; DE69839635D1; JPH11135514A; US6531416B1; EP0915502B1; EP0915502A2; TW563174B; KR19990037496A

Abstract

환원 분위기하에서 급속 열 소둔기(rapid thermal annealer, RTA)를 사용하여 실리콘 웨이퍼를 열처리하는 방법이 제공된다. 이 방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼는 1150∼1300℃의 온도에서 1∼60초간 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기에서 열처리된다. 수소는 혼합 기체 분위기내에서 10∼80부피%의 양으로 존재한다. 수소는 바람직하게는 혼합 기체 분위기내에서 20∼40부피%의 양으로 존재한다. 상기 방법은 실리콘 웨이퍼의 표면상의 COP밀도를 감소시켜 TZDB 및 TDDB와 같은 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 개선시키고, 미끄럼 전위(slip dislocation)의 발생을 억제하여 웨이퍼 파단을 방지하고, 생산성 증대 및 수소 기체의 사용 감소와 같은 RTA의 고유 잇점을 이용할 수 있다.

Description

실리콘 웨이퍼의 열처리 방법 및 이에 의해 열처리된 실리콘 웨이퍼

본 발명은 실리콘 웨이퍼의 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 웨이퍼 표면상에 결정 배향된 입자(crystal originated particle, 이하, COP라 한다) 밀도를 감소시키고, 미끄럼 전위(slip dislocation)의 발생을 억제할 수 있는 실리콘 웨이퍼의 열처리 방법에 관한 것이다.

시간 제로 절연성 파괴(time zero dielectric breakdown, 이하, TZDB라 한다)와 같은, 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 개선시키기 위하여, 기기가 제작되는 실리콘 웨이퍼의 표면층은 결함이 없어야만 한다. 결정 성장도중 실리콘 단결정내에 도입되는, COP라 불리는 정팔면체 구조를 갖는 결정 결함은 실리콘 웨이퍼의 표면층에 존재함으로써, 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 열화시킨다.

TZDB를 개선시키기 위하여, 수소 소둔이 많은 연구서(예를 들면, 일본 특허 공고 제5-18254 및 일본 특허 출원 공개 제6-295912)에서 유효한 것으로 개시되었다. 수소 소둔시, 실리콘 웨이퍼는 수소 기체 분위기에서 몇시간동안 고온으로 처리된다.

열처리 성능을 개선시키기 위해서; 예를 들면 열처리 시간을 단축시키기 위하여, 급속 열 소둔기(rapid thermal annealer, 이하, RTA라 한다)를 사용하는 열처리 방법이 제안된 바 있다. 예를 들면, 일본 특허 출원 공개 제7-161707에서는 1∼60초의 단시간동안 950∼1200℃의 비교적 저온에서 수행되는 열처리를 통하여 TZDB를 개선하는 방법이 제안되고 있다.

그러나 일본 특허 출원 공개 제7-160717에서 개시된 바와 같은 통상적인 열처리에 있어서, 열처리 조건은 TZDB를 고려하여 결정된다. 또한 상기 공개공보에 기술된 실시예에서는 벌크 미세 결함(bulk micro defect, 이하, BMD라 한다) 밀도가 고려되더라도, 웨이퍼 표면상에 존재하는 COP는 고려되지 않았다. 이러한 COP는 장치의 전기적 특성에 직접적으로 영향을 끼친다.

본 발명의 발명자들은 상술한 통상의 열처리 방법을 실험에 입각하여 연구한 결과, 통상의 방법이 TZDB를 다소 개선시키나 COP밀도를 개선시키는 만족스러운 효과는 달성되지 않음을 발견하였다. 즉, 통상의 열처리 방법은 TZDB를 제외한 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 향상시키기에 매우 효과적인 것은 아니다.

특히, 통상의 열처리 방법에서 제안된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼를 예를 들면 30초동안 1050℃로 수소 소둔하더라도, COP밀도는 감소되지 않으며, 몇몇 경우에는 실리콘상에 수소에 의한 식각(etching)으로 인하여 표면 거칠기를 나타내는 헤이즈(haze) 수준이 다소 악화되었다. 또한 1100℃에서의 수소 소둔조차도 COP를 제거하기에 만족스러울 정도로 효과적이지는 않았다. 따라서 통상의 열처리 방법은 COP 밀도를 개선시키기에 만족스러울 만큼 효과적이지 않았다.

상기 문제에 대처하기 위해서, 본 발명의 발명자들은 일본 특허 출원 제9-92952에서 환원 분위기에서 RTA를 사용하여 실리콘 웨이퍼를 열처리하는 방법, 보다 상세하게는 실리콘 웨이퍼의 표면상에 COP 밀도를 감소시킬 수 있는 실리콘 웨이퍼의 열처리 방법을 제안하였다.

제안된 발명에 의하면, 실리콘 웨이퍼는 환원 분위기에서 1200℃ 내지 실리콘의 융점까지의 온도에서 1∼60초간 처리된다. 바람직하게는 상기 환원 분위기가 100% 수소 분위기이거나 혹은 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기이고 그 열처리 시간은 1∼30초인 것이다.

상기 제안된 방법은 실리콘 웨이퍼 표면상에 COP밀도를 현저하게 감소시키고 TZDB 및 시간 의존적 절연성 파괴(time dependent dielectric breakdown, 이하, TDDB라 한다)와 같은 전기적 특성을 현저하게 개선시킨다. 또한 본 발명의 발명자들은 장치-제작 공정이 웨이퍼 표면상에 COP를 발생시키는 경향이 있는, 열처리 산화 단계를 포함할 때라도, COP는 통상의 방법에 의해 열처리된 실리콘 웨이퍼의 경우에 비하여 발생되지 않는다는 것을 확인하였다. 즉, 제안된 방법은 COP의 발생을 억제하며 제작된 장치가 우수한 전기적 특성을 보유할 수 있도록 한다. 나아가 RTA의 이용은 그렇지 않다면 열처리에서 발생될 수 있는, 산소 침전(oxygen precipitation)의 발생을 방지하며, 웨이퍼 뒤틀림(warp)의 발생을 억제한다.

수소 소둔에 대한 차후 연구 결과로서, 본 발명의 발명자들은 일본 특허 출원 공개 제7-161707에서 개시된 환원 분위기하에서의 열처리 조건이 현저하게 COP 밀도를 감소시키는데 실패할 뿐만 아니라, 웨이퍼 표면에 온도차를 야기하며, RTA 특유의 경향이 미끄럼 전위를 발생시킬 가능성이 강하다는 것을 확인하였다.

또한 일본 특허 출원 제9-92952에서 기술된 바와 같이 환원 분위기하에서의 열처리 조건은 현저하게 COP 밀도를 감소시키고 따라서 TZDB 및 TDDB와 같은 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 현저하게 개선시키나; 상기 공개공보의 열처리 방법은 미끄럼 전위를 반드시 발생시키지 않는 것은 아니다. 즉, 상기 열처리 방법은 COP 밀도를 감소시킬 수 있으나, 몇몇 경우에는 미끄럼 전위의 발생을 일으킬 수도 있다는 것을 발견하였다.

미끄럼 전위의 발생을 받는 실리콘 웨이퍼는 장치-제작 공정도중 파손되어 제작된 장치의 전기적 특성에 역효과를 낳기 때문에, 미끄럼 전위의 발생이 수반되지 않는 실리콘 웨이퍼의 열처리 방법이 필요시된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 환원 분위기에서 RTA를 사용하여 실리콘 웨이퍼를 열처리하는 방법을 제공하고자 하는 것으로, 상기 방법은 실리콘 웨이퍼의 표면상에 COP밀도를 감소시켜 TZDB 및 TDDB와 같은 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 개선시키고, 미끄럼 전위의 발생을 억제시킴에 따라 웨이퍼 파단을 방지하고, 생산성 증대 및 수소 기체의 사용 감소와 같은, RTA의 고유 잇점을 이용한다.

상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 웨이퍼가 환원 분위기에서 급속 열 소둔기(RTA)를 사용하여 열처리되는, 실리콘 웨이퍼의 열처리 방법이 제공된다. 본 방법에서, 실리콘 웨이퍼는 수소가 10∼80부피%의 양으로 존재하는 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기인 환원 분위기하에 1150∼1300℃의 온도에서 1∼60초간 열처리된다.

상기 급속 열 소둔은 웨이퍼를 온도가 상기 온도 범위내에서 유지되는 열처리로(爐)내로 신속하게 재치하고, 상기 열처리 시간이 경과한 직후, 웨이퍼를 신속하게 상기 로로 부터 꺼내는 방법이나 또는 실리콘 웨이퍼가 열처리로내에 소정 위치에 놓은 다음 신속하게 램프 히터와 같은 히터에 의해 가열되는 방법에 의해 수행될 수 있다. 여기서 "웨이퍼는 열처리로내로 신속하게 재치되고 열처리후 상기 로로 부터 신속하게 꺼낸다"라는 것은 웨이퍼가 열처리로내로 재치되고 로로 부터 꺼내는데 열처리로의 온도가 소정 시간에 걸쳐 증감되거나, 또는 상기 실리콘 웨이퍼가 느리게 열처리로내로 적재되거나 탈착되는 통상의 제어를 수행하지 않을 것을 의미한다. 물론 웨이퍼를 로내에 소정의 위치로 이송시키는 것은 웨이퍼 이송 장치의 용량에 따라 수초 내지는 수분의 특정 시간이 걸린다.

상술한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼는 수소(10∼80부피%) 및 불활성 아르곤 기체로 이루어진 환원 분위하기에서 RTA를 사용하여 1150∼1300℃의 온도에서 1∼60초간 열처리된다. 따라서 실리콘 웨이퍼의 COP밀도는 현저하게 감소될 수 있고, 미끄럼 전위의 발생은 억제될 수 있다. 미끄럼 전위가 발생하더라도, 미끄럼 길이(발생된 미끄럼의 총 길이)는 짧으며, 그 결과 결함이 극히 작고 파손이 없는 현저한 결정도를 갖는 실리콘 웨이퍼가 얻어질 수 있다.

바람직하게는, 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기는 수소를 20∼40부피%의 양으로 함유한다. 상기 수소 농도 범위를 제공하는 동안 내내 미끄럼 전위의 발생은 거의 일어나기 힘들다.

본 발명은 또한 본 발명의 열처리를 수행하는 실리콘 웨이퍼를 제공한다. 이와 같이 열처리된 실리콘 웨이퍼는 예를 들면 COP 밀도가 0.16입자/㎠이하이고 어떠한 미끄럼 전위도 없다. 따라서 상기 실리콘 웨이퍼로 부터 제작된 장치는 개선된 특성을 나타낸다. 또한 장치-제작 공정의 수율도 증대된다.

본 발명에 있어서, 실리콘 웨이퍼는 수소가 10∼80부피%의 양으로 존재하는 수소와 아르곤으로된 환원된 혼합 기체 분위기하에서 실리콘 웨이퍼가 열처리되도록 RTA를 사용하여 고온에서 열처리된다. 따라서 웨이퍼 표면층상에 COP수는 미끄럼 전위가 발생하지 않고 웨이퍼의 표면을 거칠게 하지 않으면서 크게 감소될 수 있다. 그 결과, TZDB 및 TDDB와 같은 탁월한 전기적 특성뿐 아니라 현저한 결정도를 갖는 실리콘 웨이퍼가 얻어질 수 있다. 즉, 그 성장도중에 단결정 실리콘내로 COP가 도입되거나 또는 결정질 성장이후의 열처리로 인하여 COP가 웨이퍼내로 도입되더라도, 본 발명의 열처리는 이와 같이 도입된 COP를 제거한다. 나아가 미끄럼 전위가 열처리동안 발생할 때에도, 미끄럼 길이가 짧아지기 때문에, 미끄럼 전위는 웨이퍼의 파손에 영향을 미치지 않는다.

이와 같이 열처리된 실리콘 웨이퍼는 웨이퍼 표면에 거의 결함을 갖지 않기 때문에, 상기 웨이퍼는 입자 측정기(particle monitor)로서 사용될 수 있다.

고유 잔류 가스 제거(gettering) 열처리와 같은 통상의 배치형 열처리에 반하여, 본 발명에 따른 열처리는 단일 웨이퍼형 RTA를 이용하며, 그 결과 열처리도중 산소 침전이 발생되지 않으며, 열처리된 웨이퍼는 뒤틀림 및 미끄럼 전위가 발생하지 않으며, 웨이퍼는 단시간내에 열처리될 수 있으며, 따라서 대량-생산 효과를 낳는다. 나아가 사용되는 수소 기체의 양이 감소될 수 있기 때문에, 안정성이 증가된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 발명자들은 실리콘 웨이퍼 표면상에 COP 밀도를 감소시키고, 미끄럼 전위의 발생을 쉽게 방지할 수 있는 열처리 조건을 얻는 시도로서 실리콘 웨이퍼용 열처리 조건을 실험적으로 연구한 결과, 통상의 열처리에 사용되는 분위기에 비하여, 아르곤을 첨가하여 수소 기체 활성이 경미하게 약해지는 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기하에서 수행된 열처리를 통하여 COP밀도가 낮고 미끄럼 전위가 없는 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 나아가 본 발명자들은 본 발명을 완결짓는 다른 조건들도 연구하였다.

우선 본 발명의 발명자들은 열처리하에서 실리콘 웨이퍼내에서 미끄럼 전위의 발생을 일으키는지를 조사하였다. RTA(SHS-2800, AST사제)의 사용을 통하여, 적절한 열처리 조건을 측정하려는 시도로서 다음 실험을 수행하였다.

이 실험에 사용된 실리콘 웨이퍼는 쵸코랄스키법에 의해 제조된 실리콘 잉곳을 통상의 방법에 따라 절단하는 단계; 및 상기 절단된 실리콘 웨이퍼를 경면-연마(mirror-polish)하는 단계;에 의해 얻어졌다. 상기 실리콘 웨이퍼는 직경이 8인치이고 결정 배향은 <100>이었다.

열처리를 거치기 전에, 상기 실리콘 웨이퍼의 표면상에 COP밀도를 측정한 결과, COP밀도는 약300입자/웨이퍼∼600입자/웨이퍼이고, 평균 COP 밀도는 약500입자/웨이퍼임을 발견하였다. 통상 실시하는 바와 같이, COP밀도는 입자 계수기(LS-6000, Hitachi Denshi Engineering사제)를 사용하여 측정하였다. 상기 입자 계수기는 700V 범위에서 사용되었다. 입자 크기가 0.12㎛∼0.20㎛인 입자가 계수되었다.

미끄럼 전위에 관해서는, 미끄럼 전위의 발생이 문제시될 뿐만 아니라, 미끄럼 길이 또한 웨이퍼 파단에 현저한 영향을 미친다. 따라서 실리콘 웨이퍼를 미끄럼 전위가 발생하는지에 대하여 검사하고 미끄럼 길이를 측정하였다. 상기 실험에 입각한 연구는 미끄럼 전위의 발생이 억제되거나 또는 미끄럼 전위가 발생되더라도 그 미끄럼 전위가 웨이퍼의 물리적 특성에 어떠한 영향도 미치지 않을 정도로 미끄럼 길이가 억제된 열처리 조건을 얻고자 하는 시도로서 수행되었다.

상기 실험에 입각한 연구에서는 본 발명에 사용된 RTA가 웨이퍼 표면상에 온도차를 야기하기 쉬워 결과적으로 미끄럼 전위를 발생할 가능성을 갖는다는 것을 발견하였다. 또한 실험에 입각한 연구에서는 열처리가 완전히 COP를 제거하는, 100% 수소 분위기에서 수행될 경우 미끄럼 전위의 발생을 야기하는 경향이 있다는 것을 발견하였다.

예를 들면, 실리콘 웨이퍼가 100% 수소 분위기하에서 1200℃에서 10초간 열처리될 때, 열처리된 웨이퍼는 고속에서 미끄럼 전위의 발생을 나타내며, 얼마간이라도 있다면, 발생된 미끄럼 전위의 길이가 길다. 따라서 100% 수소 분위기하에 열처리는 웨이퍼 품질에 불안정성을 야기한다. 이와 반대로 100% 아르곤 분위기하에 열처리할 경우, 미끄럼 전위는 발생하지 않으나, COP는 만족스럽게 제거되지 않고, 또한 웨이퍼 표면은 거칠게 된다.

따라서 열처리용 분위기의 조성이 미끄럼 전위의 발생에 현저한 영향을 미친다고 가정하여, 본 발명의 발명자들은 열처리용 분위기의 조성에 대하여 연구하게 되었다.

실리콘 웨이퍼는 열처리 온도와 시간을 각각 1200℃ 및 30초에 고정시키고 여러 가지 분위기하에 열처리를 수행하였다. 이 실험에서 습윤(수성상) 분위기, 산소 기체 분위기, 혹은 아르곤 기체 분위기에서는 미끄럼 전위가 전혀 발생되지 않다는 것을 발견하였다. 그러나 100% 수소 분위기의 경우, 미끄럼 전위는 웨이퍼의 주변 영역에서 발생되고 미끄럼 길이는 웨이퍼 파단을 일으킬 정도였다.

상기 실험에서 분위기중 조성이 변하는 것을 제외하고는 실리콘 웨이퍼를 동일한 열처리 순서 및 동일한 기체 유속과 같은 고정된 조건하에 열처리시켰다. 그럼에도 불구하고 100% 수소 분위기하에 열처리된 실리콘 웨이퍼는 미끄럼 전위가 발생하였다. 따라서 수소 기체의 활성이 미끄럼 전위의 발생에 연관되고, 미끄럼 전위의 발생은 수소의 활성을 약화시킴을 통하여 방지할 수 있다고 가정하여, 본 발명의 발명자들은 수소 기체와 미끄럼 전위의 발생을 야기시키지 않는 기체; 특히 불활성이고, 매우 안전하고, 취급하기 쉬운 아르곤 기체를 혼합하는 것이 열처리용 분위기의 최적 조성을 얻을 수 있는 것으로 간주하였다. COP 밀도가 감소되고 미끄럼 전위가 없고 표면이 거칠지 않은 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있는 최적 분위기 조성을 얻으려는 시도로서, 본 발명자들은 하기 실험을 수행하였다.

실리콘 웨이퍼는 1200℃에서 10초간 수소 농도가 10∼100부피%의 범위에 걸쳐 변하는 아르곤과 수소의 혼합 기체 분위기하에 열처리시켰다. 이와 같이 열처리된 웨이퍼를 COP 밀도, 헤이즈 및 미끄럼 전위의 발생에 대하여 측정하였다. 그 결과를 도 2,3 및 4에 도시하였다.

구체적으로는 먼저, 열처리된 실리콘 웨이퍼를 COP의 감소%에 대하여 조사하였다. 그 결과를 도 2에 도시하였다. 도 2에서, 수평축은 수소 농도를 나타내는 반면, 수직축은 COP에 있어서 감소%, 또는 열처리후 측정된 COP 대 열처리전에 측정된 COP의 비(%)를 나타내었다. 도 2에서 보여진 바와 같이, 수소 농도가 10%이상, 구체적으로는 20%이상인 아르곤과 수소의 혼합 기체 분위기하에서의 열처리를 통하여 COP밀도는 원래 값을 1/10이하(약 50입자)까지 감소될 수 있다. 수소 농도가 증가함에 따라, COP 밀도가 감소하므로, 수소가 존재하는 것이 COP의 제거에 효율적이었다.

COP밀도가 낮은 것이 바람직하나; 본 발명에서 상술한 바와 같이, COP밀도가 50입자/8인치 웨이퍼 이하이거나 혹은 0.16입자/㎠이하이면, TZDB 및 TDDB와 같은 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성은 현저히 증가된다.

이어서, 열처리된 실리콘 웨이퍼를 헤이즈(haze)에 대하여 조사하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에서, 수평축은 수소 농도를 나타내는 반면, 수직축은 헤이즈 수(비트)를 나타낸다. 도 3에서 보듯이, 수소 농도가 20%이상인 경우, 헤이즈가 적당하고 안정한 수준이 된다.

헤이즈는 표면 거칠기의 일종으로 몇 나노미터(nm)에서 수십 나노미터(nm)의 주기를 갖는 웨이퍼 표면의 기복(waviness)을 나타낸다. 입자 계수기(LS-6000, Hitachi Denshi Engineering사제)를 사용하여, 전체 웨이퍼 표면을 레이저빔으로 주사하여 표면으로 부터의 불규칙한 반사 세기를 측정하였다. 이와 같이 측정된 세기를 사용하여, 웨이퍼 표면 거칠기는 전체 웨이퍼 표면의 헤이즈 수준으로서 준 정량적으로(quasi-quantitatively) 평가된다.

마지막으로, 상기 열처리된 실리콘 웨이퍼를 미끄럼 전위의 발생에 대하여 조사하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서, 수평축은 미끄럼 전위의 총 길이를 나타낸다. 도 4에서 보듯이, 어떠한 미끄럼 전위도 수소 농도 0∼40%에서 관찰된 바없다. 미끄럼 전위가 발생하더라도, 미끄럼 길이(발생된 미끄럼의 총 길이)는 최대 80%의 수소 농도에서 약 50mm를 넘지 못하므로, 어떠한 실질적인 문제도 일으키지 않는다. 미끄럼 전위가 전혀 발생하지 않는 것이 바람직하나; 미끄럼 전위가 발생하더라도, 약50mm이하의 미끄럼 전위는 웨이퍼 파단을 야기하지 않고 따라서 수용가능하다. 그러나 40%를 초과하는 수소 농도에서는, 수소 농도를 증가시킴에 따라 미끄럼 길이가 증가되는 명확한 경향을 나타낸다. 웨이퍼가 수소 농도를 증가시킴에 따라 보다 파단되기 쉽기 때문에, 실리콘 웨이퍼는 수소 농도가 40%이하인 수소 분위기에서 열처리되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 수소 소둔에 있어서, COP 밀도는 통상의 950∼1200℃보다 높은 열처리 온도의 제공을 통하여, 즉 1200℃ 내지 실리콘의 융점까지의 온도의 제공을 통하여 효과적으로 감소될 수 있다. 웨이퍼 특성에 있어서, 환원 혼합 기체 분위기가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 분위기 기체의 조성을 변화시키는 동안 실리콘 웨이퍼를 1100∼1300℃의 온도에서 열처리시켰다. 열처리 시간은 1∼60초에서 변한다. 실험에 입각한 열처리에 사용되는 환원 분위기는 수소(25%)와 아르곤(75%)의 혼합 기체이었다.

도 1은 열처리후 측정된 COP수(입자/8인치 웨이퍼)와 열처리 온도간의 관계를 도시하였다. 도 1에서 보듯이, COP밀도는 열처리 온도가 1150℃이상으로 증가하고 열처리 시간이 1초이상 증가함에 따라 현저하게 감소한다. 이들 열처리 조건하에서, 미끄럼 전위는 전혀 관찰되지 않았으며, 헤이즈 수준은 도 3에서 보이는 바와 같이 낮았다.

상술한 실험에 입각한 발견들을 하기에 요약하였다. 실리콘 웨이퍼가 RTA를 사용하여 환원 분위기에서 단일-웨이퍼를 기준으로 열처리될 때, 열처리 조건은 다음과 같이 설정되는 것이 바람직하다: 열처리 온도: 1150℃∼1300℃; 열처리 시간: 1∼60초; 및 환원 분위기: 수소 농도가 10∼80부피%인 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기. 상기 조건하에 열처리를 통하여, 이들은 COP 밀도가 열처리전에 측정된 값의 10%이하이고, 수용가능한 헤이즈 수준을 갖으며 미끄럼 전위가 없거나 만약 있다고 하더라도, 그 길이는 약50mm를 넘지않아 실질적인 문제를 일으키지 않는 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다. 바람직하게는 환원 분위기내 수소 농도가 20∼40부피%인 것이다. 이러한 경우에, 이들은 미끄럼 전위가 없고, COP밀도가 열처리전에 측정된 값의 10%이하이고, 우수한 수준의 표면 거칠기를 갖는 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 하기에 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명에서, RTA는 실리콘 웨이퍼의 열처리에 사용된다. 이러한 RTA의 예로는 통상 열 방사형 램프 히터와 SHS-2800(AST사제)와 같은 통상적으로 이용가능한 장치를 포함한다. 이러한 장치는 매우 복잡하지도 고가이지도 않다.

도 5는 실리콘 웨이퍼를 열처리하는 본 발명의 방법을 수행하기 위해 사용하는 전형적인 RTA를 도시한 개략 단면도이다.

도 5에서, 열처리 장치 10은 예를 들면 탄화규소나 석영으로된 벨 용기 1을 포함한다. 실리콘 웨이퍼는 벨 용기 1내에서 열처리된다. 히터 2 및 2'는 벨 용기 1을 둘러싸도록 배치되어 실리콘 웨이퍼를 가열하는데 사용된다. 상부 히터 2'는 저부 히터 2와 분리되어, 상부 히터 2'에 공급된 전력은 저부 히터 2에 공급된 전력과 독립적으로 제어될 수 있다. 물론 가열 시스템은 이에 한정하는 것은 아니다. 방사선 가열 혹은 고주파 유도 가열이 제공될 수 있다. 하우징 3은 열차단재로서 제공되도록 히터 2와 2'의 외주에 배치된다.

수냉 챔버 4 및 기저판(base plate) 5는 벨 용기 1의 하부에 재치되어 벨 용기 1의 내부를 분위기와 분리시킨다. 웨이퍼 8은 단(stage) 7상에 올려진다. 단 7은 지지축 6의 상단에 부착되고, 이는 모터 9에 의해 구동되어 수직으로 이동한다. 수냉 챔버 4는 그 내부에 형성된 미도시된 웨이퍼 흡입구/출입구를 가지므로, 웨이퍼는 수냉 챔버 4내로 수평으로 적재되거나 탈착될 수 있다. 웨이퍼 흡입구/출입구는 게이트 밸브에 의해 밀폐되거나 개방된다. 상기 기저판 5는 기체 유입구 및 배기 출입구를 가지므로 벨 용기 1내에 기체 분위기를 조정할 수 있다.

상기 열처리 장치 10을 사용하여, 실리콘 웨이퍼는 다음과 같은 방식으로 열 소둔된다.

먼저, 벨 용기 1의 내부는 히터 2 및 2'에 의해 바람직한 온도, 예를 들면 1150∼1300℃의 온도로 가열되고 그 온도에서 유지되었다. 분리 히터 2와 2'에 공급된 전력의 독립적인 제어를 통하여, 바람직한 온도 구배가 벨 용기 1의 높이 방향을 따라 벨 용기 1내로 설정될 수 있다. 따라서 웨이퍼용 열처리 온도는 단 7의 위치 혹은 벨 용기 1내로 지지축 6을 삽입한 양에 의해 측정될 수 있다.

벨 용기 1의 내부가 바람직한 온도에서 유지될 때, 실리콘 웨이퍼는 열처리 장치 10에 인접하여 위치된 미도시된 웨이퍼 취급 장치를 사용하여 수냉 챔버 4내에 형성된 웨이퍼 흡입구/출입구를 통하여 수냉 챔버 4내로 적재된다. 이와 같이 적재된 실리콘 웨이퍼는 단 7상에 재치되고, 예를 들면, SiC 보우트를 거쳐 수직 이동 스트로크(vertical movement stroke)의 최저 위치에서 대기한다. 수냉 챔버 4 및 기저판 5가 물-냉각되기 때문에, 수냉 챔버 4내에 위치한 실리콘 웨이퍼는 고온까지 가열되지 않는다.

단 7상에서 실리콘 웨이퍼의 재치가 완료될 때, 지지축 6은 모터 9에 의해 즉시 구동되며 벨 용기 1내로 삽입되어 단 7을 1150∼1300℃의 바람직한 온도에 상응하는 위치까지 올리고, 단 7상에 재치된 실리콘 웨이퍼를 고온 열처리시킨다. 이 경우, 실리콘 웨이퍼는 예를 들면 약 20초만에 수냉 챔버 4내에 위치된 단 7의 최저 대기(standby) 위치로 부터 바람직한 온도에 상응하는 위치까지 이동된다. 따라서 실리콘 웨이퍼는 신속하게 가열된다.

그런 다음 단 7은 소정 시간(1∼60초)동안 바람직한 온도에 상응하는 위치에 정지 유지되며, 실리콘 웨이퍼는 그 시간동안 고온 열처리를 수행한다. 고온 열처리를 종료하는 소정 시간이 경과한 후, 지지축 6을 모터 9에 의해 즉시 구동시켜 벨 용기 1로 부터 꺼내고, 그 결과 단 7을 수냉 챔버 4내에 위치된 최저 대기 위치까지 하강시킨다. 이 하강 운동은 예를 들면 약20초만에 완료될 수 있다. 따라서 단 7상에 실리콘 웨이퍼는 수냉 챔버 4와 기저판 5가 수냉되기 때문에 신속하게 냉각된다. 최종적으로 실리콘 웨이퍼는 웨이퍼 취급 장치를 사용하여 수냉 챔버 4로 부터 탈착되고, 그 결과 열처리가 완료된다.

보다 많은 실리콘 웨이퍼가 열처리될 때에는, 열처리 장치 10이 상기 열처리 온도에서 유지되기 때문에, 웨이퍼는 하나씩 차례로 열처리 장치 10내로 적재되어 연속적으로 열처리를 수행할 수 있다.

실시예

본 발명은 하기 실시예에 의해 상술되나 이에 한정하려는 것은 아니다.

실시예:

CZ법에 의해 성장된 실리콘 잉곳으로 부터 절단되고 배향이 <100>이고 직경이 8인치인 실리콘 웨이퍼를 사용하여 본 발명의 열처리 방법을 수행하였다. RTA, SHS-2800(AST사제)를 사용하여, 상기 웨이퍼는 수소(25부피%)와 아르곤(75부피%)의 혼합 기체 분위기하에서 1200℃에서 10초간 급속 열 소둔시켰다.

열처리를 거치기 전에, 실리콘 웨이퍼에 대하여 COP 밀도를 측정하고 평균 COP밀도가 약 500입자/웨이퍼임을 발견하였다.

열처리 결과, 상기 COP밀도가 약 25입자/웨이퍼까지 감소되었다. 또한 미끄럼 전위는 열처리된 웨이퍼에서 전혀 관찰되지 않았다.

비교예 1:

100% 수소 기체 분위기에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는, 실시예와 유사한 조건하에서 실리콘 웨이퍼를 열처리하였다. 그 결과, COP밀도는 약10입자/웨이퍼까지 감소되었다. 그러나 미끄럼 전위의 발생은 열처리된 웨이퍼 모두에서 관찰되었다. 특히 몇몇 웨이퍼는 2개의 긴 미끄럼을 나타내었으며, 이들 각각의 길이는 약40mm(총 미끄럼 길이는 약 80mm)였다. 또한 몇몇 웨이퍼는 장치가 형성되려는 표면에 확장된 미끄럼을 나타내었다. 이러한 미끄럼 전위가 나타난 웨이퍼는 쉽게 파단된다.

비교예 2:

100% 아르곤 기체 분위기에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예와 유사한 조건하에서 실리콘 웨이퍼를 열처리하였다. 그 결과, 미끄럼 전위의 발생은 관찰되지 않았으나; 거칠게된 표면을 나타내는 헤이즈가 관찰되었으며, COP밀도도 감소되지 않았다.

본 발명은 상기 실시예에 한정하는 것은 아니다. 상술된 실시예는 단지 실험예이며, 첨부된 청구범위에 기재된 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖으며 유사한 작용 및 효과를 제공하는 것은 본 발명의 범위내에 포함되는 것이다.

예를 들면, 상술된 실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 열처리 장치 10을 사용한다. 그러나 본 발명을 수행하기 위한 장치는 이에 한정하는 것은 아니다. 그 장치가 실리콘 웨이퍼를 급속 소둔시킬 수 있고 실리콘 웨이퍼를 1150℃이상의 온도에서 가열할 수 있는 한 어떠한 종류의 열처리 장치도 사용될 수 있다.

본 발명의 열처리 방법은 에피택셜 성장 공정용 전처리에 적용될 수 있으며, 이는 상술된 열처리와 유사하다.

상기 실시예는 직경이 8인치인 실리콘 웨이퍼의 열처리를 언급하는 것으로 기술되었다. 그러나 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, 예를 들면 10∼16인치 또는 그 이상의 어떠한 직경을 갖는 실리콘 웨이퍼에 적용할 수 있다.

상술한 바에 따르면, 급속 열 소둔기를 이용하여 수소가 10∼80부피%인 혼합 기체 분위기에서 실리콘 웨이퍼를 열처리시킴으로써, 실리콘 웨이퍼의 표면에 COP밀도를 감소시켜 TZDB 및 TDDB와 같은 실리콘 웨이퍼의 전기적 특성을 개선시키고, 미끄럼 전위(slip dislocation)의 발생을 억제하여 웨이퍼 파단을 방지하고, 생산성 증대 및 수소 기체의 사용 감소와 같은 RTA의 고유 잇점을 이용할 수 있다.

도 1은 열처리가 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기하에서 RTA를 사용하여 수행되는데 있어서, 열처리 온도, 열처리 시간 및 열처리후 측정된 COP수간의 관계를 나타낸 그래프이며;

도 2는 열처리가 상기 혼합 기체 분위기하에서 RTA를 사용하여 수행된 다음, 수소-아르곤 혼합 기체 분위기내의 수소 농도와 COP수사이에 관계를 나타낸 그래프이며;

도 3은 수소-아르곤 혼합 기체 분위기내의 수소 농도와 열처리후 측정된 헤이즈(haze)수준간의 관계를 나타낸 그래프이며;

도 4는 수소-아르곤 혼합 기체 분위기내의 수소 농도와 열처리후 측정된 미끄럼 전위(slip dislocation)의 총길이간의 관계를 나타낸 그래프이며;

도 5는 실리콘 웨이퍼를 열처리하는 본 발명의 방법을 수행하기 위하여 사용하는 전형적인 RTA를 도시한 개략 단면도이다.

Claims

실리콘 웨이퍼는 1150～1300℃의 온도에서 1～60초간 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기하에 열처리되며, 혼합 기체 분위기에 존재하는 수소는 20～80부피%임을 특징으로 하는 급속 열 소둔기(rapid thermal annealer)를 이용한 환원 분위기에서의 실리콘 웨이퍼 열처리 방법
제1항에 있어서, 상기 수소는 수소와 아르곤의 혼합 기체 분위기에서 20-40부피%의 양으로 존재함을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 열처리 방법
제1항 또는 제2항의 방법에 의해 열처리된 실리콘 웨이퍼로서, COP 밀도가 0.16개/㎠ 이하인 동시에 미끄럼 전위(slip dislocation)가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼