KR100763833B1 - 단결정 실리콘의 결정 결함 영역 구분 방법 - Google Patents

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Abstract

단결정 실리콘 잉곳 또는 실리콘 웨이퍼에 내재하는 여러 가지 결함들의 영역을 구분하여 평가하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 결정 결함 영역 구분 방법은, 단결정 실리콘 잉곳의 조각 또는 실리콘 웨이퍼로 된 샘플의 한쪽 면을 선택적 에칭하여 현미경으로 관찰함으로써 결정 결함 영역을 1차적으로 구분하는 단계, 샘플의 한쪽 면에서 선택적 에칭된 부분을 제거하는 단계, 샘플의 한쪽 면에 금속을 오염시키는 단계, 오염된 샘플을 열처리하는 단계, 열처리된 샘플에서 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 육안으로 관찰함으로써 결정결함 영역을 2차적으로 구분하는 단계 및 열처리된 샘플을 발광 분석법(photoluminescence)으로 측정하여 결정 결함 영역을 3차적으로 구분하는 단계를 포함한다. 기존에 결정 결함 영역을 구분하는 방법들은 일반적으로 한 두 가지의 결정 결함 영역을 확인할 수 있지만, 본 발명에 따르면 모든 영역의 결정 결함 영역을 구분할 수 있다.
웨이퍼, 열처리, 결정 결함, 헤이즈, 발광 분석법

Description

단결정 실리콘의 결정 결함 영역 구분 방법 {Method of identifying crystal defect region in crystalline silicon}
도 1은 본 발명에 의한 결정 결함 영역 구분 방법을 예시한 공정흐름도,
도 2는 본 발명에 의한 결정 결함 영역 구분 방법에 포함된 열 사이클(heat cycle) 그래프,
도 3은 본 발명에 의한 결정 결함 영역 구분 방법의 다른 예를 도시한 공정흐름도,
도 4는 잉곳을 수직 방향으로 절단하여 제작한 샘플의 도면으로서 도 1을 참조하여 설명한 것과 같은 본 발명을 이용해 결정 결함 영역을 확인한 도면,
도 5는 단결정 실리콘의 슬러그 상태의 샘플의 도면으로서 도 1을 참조하여 설명한 것과 같은 본 발명을 이용하여 결정 결함 영역을 확인한 도면,
도 6은 단결정 실리콘의 샘플의 도면으로서 도 3을 참조하여 설명한 것과 같은 본 발명을 이용하여 결정 결함 영역을 확인한 도면,
도 7은 종래의 결함 영역 구분 방법으로 실리콘 웨이퍼의 결함 영역을 측정한 결과와 본 발명에 의하여 실리콘 웨이퍼의 결함 영역을 구분한 결과를 함께 보여주는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예를 통해 추정되는 각 결정 결함 영역의 게터링 사이 트(gettering site)에 대한 정보이다.
본 발명은 반도체 소자에 사용되는 웨이퍼 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단결정 실리콘 잉곳 또는 실리콘 웨이퍼에 내재하는 여러 가지 결함들의 영역을 구분하여 평가하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법으로 플로우팅존(Floating Zone : FZ, 이하 FZ) 방법 또는 초크랄스키(CZochralski : CZ, 이하 CZ) 방법을 많이 이용하고 있으며, 이 중에서 가장 일반화되어 있는 방법이 CZ 방법이다. CZ 방법에서는 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 이를 흑연 발열체에 의해 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 씨드 결정을 담그고 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 씨드 결정을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정의 실리콘 잉곳을 성장시킨다. 그런 다음, 실리콘 잉곳을 슬라이싱(slicing), 에칭(etching) 및 폴리싱(polishing)하여 웨이퍼 형태로 만들게 된다.
이러한 방법으로 제조된 단결정 실리콘 잉곳 또는 실리콘 웨이퍼는COP(Crystal Originated Particles), FPD(Flow Pattern Defect), OiSF(Oxygen induced Stacking Fault), BMD(Bulk Micro Defect), LDP(Large Dislocation Pit) 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 수 율 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 베이컨시(vacancy)형 점결함이 우세하여 과포화된 베이컨시가 응집된 결함을 갖는 v-rich 영역, 베이컨시형 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 Pv 영역, 베이컨시/인터스티셜(interstitial) 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 위치와 단결정 실리콘 잉곳의 결정 길이별로 이러한 영역들이 어떻게 변화해 가는지 확인하는 것은 결정의 품질 수준을 평가함에 있어서 가장 기초적인 것이다.
이러한 단결정 실리콘의 결함 영역을 확인하기 위한 종래의 방법으로는 첫째, 폴리싱 처리를 한 웨이퍼 세정 후의 COP의 분포를 입자계수기(particle counter)를 이용하여 평가하는 방법, 둘째, 세코 에칭(Secco etching) 등 습식 부식액을 이용한 FPD 평가, 셋째, 고온/장시간의 열처리를 통해 산소 석출물을 형성시킨 후 각각 다른 결함 영역의 석출 거동의 차이를 이용한 평가, 넷째 전이금속을 저농도로 오염시켜 확산 열처리를 한 다음 재결합 라이프 타임을 측정하는 방법 등이 있다.
그러나, 첫째 평가 방법은 평가를 위해서는 반드시 웨이퍼의 상태가 폴리싱과 세정을 통해 깨끗한 상태라야 한다. 따라서 평가를 위해서는 단결정을 성장시킨 후 여러 후속 공정을 거쳐야 하며, 이에 따른 소요 시간이 길어지며, 평가를 위 해 입자계수기라는 고가의 장비가 필요하다.
두 번째 방법인 습식 부식액을 이용한 FPD 평가에서는 적당한 부식속도를 가지고, 모든 결정면에 적용할 수 있으며, 환경 유해 물질을 포함하지 않는 결정 결함 평가용 선택적 부식제를 마련하는 것이 문제이다.
세 번째 방법은 평가에 소요되는 시간이나 고온 열처리 등에 소요되는 비용, 기타 고가의 장비 면에서 여러 가지 단점을 가지고 있다. 또한, 샘플 내의 산소 농도가 10 ppma(new ASTM 기준) 이하의 샘플에서는 결정 결함 영역 구분이 불가능하다는 한계가 있다.
네 번째 방법으로는 한국 공개 특허 제2005-0067417호가 있는데, 단결정 잉곳의 점결함 분포를 측정하기 위한 방법으로서 잉곳 상태에 대해서만 평가법의 적용을 언급하고 있다. 구체적으로 설명하면, 잉곳을 축 방향으로 절단하여 가공한 다음, 낮은 오염 범위로 2 가지 이상의 금속 원소(Cu, Ni, Fe, Co)를 2개의 시료에 나누어 오염시킨 후, 열처리를 하여 실리콘 내부에 재결합 중심을 형성하여, 재결합 라이프 타임을 측정하여 점결함 분포를 측정하는 방법이다. 이 방법은 금속 2종의 오염 결과를 중합하여 결정 결함을 해석해야 하며 표면에 금속의 석출물이나 헤이즈(haze)가 발생할 경우는 측정이 되지 않기 때문에 금속 오염의 양과 열처리 시간의 제약이 있어 오염의 농도가 1× 1012 ~ 1× 1014 atoms/㎠ 사이로 낮으며 석출물이 발생한 경우에는 추가적인 에칭 작업과 추가 분석 장비가 필요하다는 문제가 있다.
또한, 선택적인 에칭이나 금속 오염을 이용한 방법들은 일반적으로 한 두 가지의 결정 결함 영역을 확인할 수 있는 방법으로 모든 영역의 결정 결함 영역을 확인하기 어려운 점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 산소 농도에 의존하지 않으면서 단결정 실리콘의 전 결정 결함 영역을 평가할 수 있는 결정 결함 영역 구분 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 결정 결함 영역 구분 방법은, 단결정 실리콘 잉곳의 조각 또는 실리콘 웨이퍼로 된 샘플의 한쪽 면을 선택적 에칭하여 현미경으로 관찰함으로써 결정 결함 영역을 1차적으로 구분하는 단계, 상기 샘플의 한쪽 면에서 선택적 에칭된 부분을 제거하는 단계, 상기 샘플의 한쪽 면에 금속을 오염시키는 단계, 상기 오염된 샘플을 열처리하는 단계, 상기 열처리된 샘플에서 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 육안으로 관찰함으로써 결정 결함 영역을 2차적으로 구분하는 단계 및 상기 열처리된 샘플을 발광 분석법(photoluminescence)으로 측정하여 결정 결함 영역을 3차적으로 구분하는 단계를 포함한다.
상기 샘플을 오염시키는 금속의 종류 및 농도에 특별한 제한은 없다. 그러나, 상기 금속은 1× 1012 ~ 1× 1017 atoms/㎠ 농도로 오염시킬 수 있다. 상기 열처 리 단계는 헬륨, 질소, 아르곤, 산소, 수소 및 암모니아 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 분위기 하에서 실시할 수 있다.
특히, 상기 열처리 단계는 베이컨시형 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 Pv 영역에서는 상기 금속의 석출물을 상기 샘플 내부에 발생시키고, 인터스티셜 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 Pi 영역에서는 상기 금속의 석출물을 상기 샘플 표면에 헤이즈 형태로 발생시키도록 실시함이 바람직하다. 또한, 상기 샘플 안의 산소 농도가 11 ppma(new ASTM 기준) 이하인 경우에 상기 열처리 단계는 600~950℃에서 0.01~10시간 진행하는 1차 열처리 단계와 1000~1150℃에서 0.01~10시간 진행하는 2차 열처리 단계를 포함하고, 상기 샘플 안의 산소 농도가 11 ppma 이상인 경우에 상기 열처리 단계는 1000~1150℃에서 0.01~10시간 진행하면 더욱 바람직하다. 상기 열처리 단계 후 강온 속도는 200℃/min 이하로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 다른 결정 결함 영역 구분방법은, 단결정 실리콘 잉곳 안의 인접 위치에서 채취한 2개의 조각 또는 2개의 실리콘 웨이퍼로 된 제1 및 제2 샘플을 준비하는 단계, 상기 제1 샘플의 한쪽 면을 선택적 에칭하여 현미경으로 관찰하는 단계, 상기 제2 샘플의 한쪽 면에 금속을 오염시키는 단계, 상기 오염된 제2 샘플을 열처리하는 단계, 상기 열처리된 제2 샘플에서 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 육안으로 관찰하는 단계 및 상기 열처리된 제2 샘플을 발광 분석법으로 측정하는 단계를 포함한다.
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.
도 1은 본 발명에 의한 결정 결함 영역 구분 방법을 예시한 공정흐름도이고, 도 2는 본 발명에 의한 결정 결함 영역 구분 방법에 포함된 열 사이클(heat cycle) 그래프이다.
본 발명의 주요 특징은 다른 분석 방법을 이용하지 않고도 단결정 실리콘의 모든 결정 결함 영역을 확인할 수 있다는 점이다. 즉, 베이컨시 결함이 우세한 Pv 영역, 미소한 판 형상 석출물이 존재하고 산화성 분위기 하에서의 열처리로 OiSF가 형성되는 P-band 영역의 구분과 인터스티셜 결함이 우세한 Pi 영역, 인터스티셜 실리콘의 응집체가 핵이 되어 열처리에 의해 산소 석출이 고농도로 발생되는 B-band, 인터스티셜 실리콘이 우세한 i-rich 등의 모든 단결정 실리콘 결정 결함 영역에 대한 평가를 본 발명에 따른 방법을 통하여 한 번에 할 수 있다는 점이다.
본 발명의 또 다른 주요 특징은 샘플의 두께가 0.4 ~ 3 mm 정도 되는 모든 형태의 샘플에 적용할 수 있다는 점이다. 즉, 단결정 실리콘 잉곳을 축 방향으로 수직으로 절단한 버티컬 샘플과 표면 폴리싱을 하지 않은 에칭 면의 샘플을 포함하여 실리콘 웨이퍼 등 모든 형태의 단결정 실리콘 샘플에 적용할 수 있다는 점이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 결정 결함 영역 구분 방법에서는, 단결정 실리콘 잉곳의 조각 또는 실리콘 웨이퍼로 된 샘플을 준비한다(단계 s1).
실험예에서는 단결정 실리콘 잉곳을 슬라이싱하고 슬라이싱에 의해 형성된 표면결함을 제거하기 위해 그라인딩을 수행한 웨이퍼를 샘플로 이용한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 슬라이싱 공정만이 수행된 웨이퍼, 그라인딩 공정이나 랩핑 공정이 수행된 웨이퍼에도 적용가능하며, 폴리싱을 수행한 웨이퍼에 대해서도 적용하는 것이 가능하다. 뿐만 아니라, 실리콘 잉곳의 중심을 지나고 축 방향으로 사각형 모양으로 절단한 단결정 실리콘 잉곳의 조각에 대해서도 적용하는 것이 가능하다. 이와 같이, 본 발명은 실리콘 잉곳을 축 방향으로 절단한 시료 및 완제품인 웨이퍼의 결정 결함 영역평가에 모두 적용할 수 있다.
샘플을 준비한 다음, 샘플의 한쪽 면을 선택적 에칭한다(단계 s2). 이 때 부식액의 종류에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어 HF : HNO3: CH3CHOOH가 1 : 3 : 12인 dash 부식액, HF : Cr : H2O가 1 : 0.4 : 0.2인 Sirtle 부식액, HF : K2Cr2O7 수용액(0.15mol%)이 2 : 1인 Secco 부식액, HF, HNO3, CrO3수용액(5mol%). Cu(NO3)2, CH3COOH 및 H2O의 혼합액인 Wright 부식액 등을 이용할 수 있다.
다음으로, 선택적 에칭된 샘플의 면을 현미경으로 관찰함으로써 결정결함 영역을 1차적으로 구분한다(단계 s3). 이 단계를 통해 COP가 존재하는 v-rich, LDP가 존재하는 i-rich 등의 결정 결함 영역을 1차적으로 확인할 수 있게 된다.
이러한 영역 확인 후 샘플을 다시 에칭하여 샘플의 한쪽 면에서 선택적 에칭된 부분을 제거해낸다(단계 s4).
그런 다음, 샘플의 한쪽 면에 금속을 오염시킨다(단계 s5). 이 때 오염시키는 금속으로는 전이금속을 이용할 수 있으며, 금속의 종류에 제한이 있는 것은 아 니다. 종래에는 2 가지의 전이금속을 이용해야 하나 본 발명에서는 하나의 전이금속만으로 오염시켜도 충분하다. 금속을 오염시키는 이유는 다음의 열처리를 통해 금속이 실리콘 결정 결함 영역에 따라 선택적으로 석출되는 위치를 다르게 하여 결정 결함 영역을 구분하기 위해서이다. 예컨대 Cu를 사용하여 샘플을 오염시키고 Pv와 Pi 영역에서의 구리 석출물 생성 거동 위치를 다르게 하는 열처리를 하여 표면에 발생되는 헤이즈 패턴으로 결정 결함 영역을 육안으로 구분한다. 금속의 헤이즈 패턴을 보고자 하는 면을 앞면으로 기준했을 때 샘플의 뒷면에 균일하게 금속을 오염시킨다. 이러한 헤이즈 패턴을 일으키려면 바람직하게 샘플의 한쪽 면에 금속을 1× 1014 ~ 5× 1016 atoms/㎠ 농도로 오염시킨다. 그러나, 본 발명에서는 육안 검사 외에 발광 분석법 검사 단계도 진행하므로 금속의 종류 및 농도에 무관하게 오염 단계를 진행하여도 되며, 따라서 1× 1012 ~ 1× 1017 atoms/㎠ 농도로 오염시켜도 된다. 금속을 오염시키는 방법은 금속 오염 용액을 샘플의 한쪽 면에 도포하여 일정시간 방치한 후 건조시키는 것이 가능하다.
이렇게 금속 오염이 된 샘플을 열처리한다(단계 s6). 이 때, 열처리 단계는 금속을 확산(diffusion)시킬 수 있는 정도이면 되나, Pv 영역에서는 금속의 석출물을 샘플 내부에 발생시키고, Pi 영역에서는 금속의 석출물을 샘플 표면에 헤이즈 형태로 발생시키도록 함이 바람직하며, 자세한 열처리 방법은 도 2를 참조한다.
도 2를 참조하면, 노 내에 헬륨, 질소, 아르곤, 산소, 수소, 암모니아 또는 이들의 혼합 가스 분위기를 조성한다. 생산적인 면에 있어서, 통상 열처리 노의 온도는 열처리 단계를 제외하고는 소정 온도로 유지되며, 보통 400-800℃로 유지된다. 이러한 노 내에 샘플이 적재된 보트를 장입한다(도 2의 단계 I).
다음으로 1~50℃/min의 속도로 노 내의 온도를 승온시켜 600~950℃에서 0.01~10시간 1차 열처리를 진행한다(도 2의 Ⅱ). 여기서, 승온 속도를 1℃/min 이상으로 한 것은 검사에 소요되는 시간을 고려해야 하기 때문이며, 50℃/min 이하로 한 것은 급격한 온도 변화로 인한 응력 발생 등을 방지하기 위해서이다.
이와 같은 1차 열처리는 Pv 영역에서 베이컨시의 응집 공간을 만들어 주는 역할을 하여 베이컨시의 응집 공간에 금속의 석출물, 바람직하게는 구리 석출물이 생성되도록 한다.
좀 더 자세히 설명하면, 이러한 열처리를 통해, 샘플의 내부를 통과하여 금속 오염 용액이 도포되지 않은 다른 쪽 면으로 금속이 확산될 수 있도록 하는 것이다. 이 때, 샘플의 한쪽 면에만 도포된 금속 오염 용액 중의 금속은 샘플 내부의 단결정 실리콘 또는 단결정 실리콘의 내부에 형성되어 있는 각종결함 영역, 즉 Pv 영역, Pi 영역 등으로 확산되며, 각종 결함 영역에서 그 양상을 달리하면서 확산된다. 그리고 이 과정에서 금속의 화합물이 석출되게 된다. 즉, Si 내의 금속 이온은 결함 영역에서 환원되어 석출물이 형성되게 된다.
1차 열처리 후에는 다시 1~50℃/min의 속도로 노 내의 온도를 승온시켜 1000~1150℃에서 0.01~10시간 2차열처리를 진행한다(도 2의 Ⅲ). 여기서도, 승온 속도를 1℃/min 이상으로 한 것은 검사에 소요되는 시간을 고려해야 하기 때문이며, 50℃/min 이하로 한 것은 급격한 온도 변화로 인한 응력발생 등을 방지하기 위 해서이다.
2차 열처리는 1차 열처리를 통하여 석출된 금속 석출물이 성장하는 단계와 금속이 샘플 전체에 확산될 수 있도록 하는 역할을 한다. 그러나, 샘플 안의 산소 농도 [Oi]에 따라 1차 열처리를 생략하고 2차 열처리로 바로 진행하기도 한다. 샘플 내의 산소 농도가 11 ppma 이하로 낮은 경우 1차 열처리를 제외하면 금속 석출물이 Pv 영역 내에서 석출될 수 있는 베이컨시 응집 공간을 제공할 수 없어 전면헤이즈 패턴이 발생된다. 또한, 산소 농도가 11 ppma 이상으로 높은 경우 1차 열처리와 2차 열처리를 전부 적용하면, 실리콘 내부에 산소 석출이 발생되어 금속을 게터링(gettering)하여 금속 석출물이 내부에 발생이 되며 샘플 표면에는 헤이즈 패턴이 발생되지 않아 결정 결함 영역을 구분할 수가 없다. 따라서, [Oi]가 11 ppma 이상의 경우 1차 열처리 단계는 제외하고, 2차 열처리 단계를 바로 적용한다. 실리콘 산소의 농도가 10 ppma 이하의 경우 기존의 산소 석출물에 의한 방법으로 결정 결함 영역 구분을 할 수 없으나, 본 발명의 경우 산소석출을 배제하므로 산소 농도가 낮을수록 결정 결함 영역구분에 이로움을 준다.
2차 열처리 단계 이후에는 200℃/min 이하의 강온 속도로 노의 온도를 강온한다(도 2의 Ⅳ). 이와 같이 천천히 냉각시킴으로써 Pv와 Pi 영역에서의 석출물 발생된 영역의 차이를 더욱 뚜렷하게 만든다.
다음으로, 이러한 열처리 과정을 거친 샘플을 꺼내어 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 육안으로 관찰함으로써 결정 결함 영역을 2차적으로 구분한다(도 1의 단계 s7). 이 때 별도의 에칭 작업이나 별도의 검사 장비가 특별히 필요하지는 않다. 열처리된 샘플을 집광등 하에서 육안으로 금속 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 검사하면 금속 오염된 면에 발생된 헤이즈를 관찰할 수 있어 단결정 실리콘의 결정 결함 영역(Pv, Pi)을 구분할 수 있다. 즉, 상기와 같은 열처리를 이용해 열처리된 샘플 표면에서 헤이즈가 발생된 영역은 Pi 영역으로, 표면에서 헤이즈가 발생되지 않은 영역은 Pv 영역으로 해석한다. 이렇게 하여 1차적인 구분 단계(도 1의 단계 s3)의 결과와 종합하면 v-rich, i-rich, Pi, Pv 영역 등의 구분이 가능해진다.
기존에 결정 결함을 구분하기 위해서는 고온/장시간의 산소 석출 열처리를 통하여 재결합 라이프 타임을 측정하거나 X-선 토포그래프 이미지 분석을 통하여 결함 영역을 구분하였으나, 본 발명은 단결정 실리콘의 산소 농도에 의존하지 않고, 금속이 실리콘 결정 결함 영역에서의 다른 석출 거동을 일으키는 열처리를 통해 표면에 나타난 금속 헤이즈 현상을 이용하여 추가 검사 없이 간단히 결정 결함 영역을 구분할 수 있다.
또한 본 발명은 한 가지 금속 원소만을 사용하여 결정 결함을 구분할 수 있다. 뿐만 아니라 종래 기술은 금속의 석출물이나 헤이즈가 발생할 경우 재결합 라이프 타임을 측정할 수가 없기 때문에 금속 오염의 양과 열처리 시간의 제약이 있었다. 그러나, 본 발명은 헤이즈를 발생시켜 결정 결함 영역을 구분케 된다.
계속하여, 열처리된 샘플에 대해 추가로 발광 분석법 측정하여 결정 결함 영역을 3차적으로 구분한다(도 1의 단계 s8). 이 3차 구분 결과는 앞서 1차 및 2차의 구분 결과에 중합 또는 보충되어v-rich, i-rich, Pi, Pv, P-band, B-band 등을 구분케 함으로써, 단결정 실리콘 전결함 영역에 대한 구분을 할 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 이러한 발광 분석 단계가 실시되므로, 금속 오염시 금속의 종류 및 농도에 무관하게 적용할 수 있는 특징이 있다. 또한, 발광 분석법을 통해 샘플 내의게터링 효율을 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 결정 결함 영역 구분 방법의 다른 예를 도시한 공정흐름도이다.
도 1을 참조하여 설명한 방법에서는 하나의 샘플을 이용하며 도 3에 도시된 방법에서는 동일 잉곳에서 채취한 2개의 샘플을 이용함에 특징이 있다. 도 1을 참조하여 설명한 방법에서와 중복되는 내용은 생략하고 이하 설명하기로 한다.
도 3을 참조하여, 단결정 실리콘 잉곳 안의 인접 위치에서 채취한 2개의 조각 또는 2개의 실리콘 웨이퍼로 된 제1 및 제2 샘플을 준비한다(단계 s11).
제1 샘플의 한쪽 면을 선택적 에칭하여(단계 s12) 현미경으로 관찰한다(단계 s13). 이 단계를 통해 v-rich, i-rich 등의 결정 결함 영역을 1차적으로 확인할 수 있게 된다.
그리고, 제2 샘플에 대해서는 그 한쪽 면에 금속을 오염시킨다(단계 s14).
오염된 제2 샘플을 열처리(단계 s15)한 후, 열처리된 제2 샘플에서 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 육안으로 관찰한다(단계 s16). 위에서 설명한 방법을 이용해 금속을 오염시키고 특정 열처리를 하여 열처리된 제2 샘플 표면에서 헤이즈가 발생된 영역은 Pi 영역으로, 표면에서 헤이즈가 발생되지 않은 영역은 Pv 영역으로 해석한다. 이렇게 하여 제1 샘플에 대한 관찰 단계(단계 s13)의 결과와 종합하면 v-rich, i-rich, Pi, Pv 영역 등의 구분이 가능해진다.
이어서, 열처리된 제2 샘플을 발광 분석법으로 측정(단계 s17), 제1 및 제2 샘플에 대한 관찰 및 측정 결과를 종합하여 단결정 실리콘 잉곳의 전 결정 결함 영역, 이를 테면 v-rich, i-rich, Pi, Pv, P-band, B-band 등을 구분할 수 있게 된다.
도 4는 잉곳을 수직 방향으로 절단하여 제작한 샘플의 도면으로서 도 1을 참조하여 설명한 것과 같은 본 발명을 이용하여 결정 결함 영역을 확인하여, 발광 분석법으로 측정된 도면에 각 영역을 구분 표시해 놓은 것이다. LDP 영역, B-band, Pi, Pv 영역 등이 구분된다.
도 5는 단결정 실리콘의 슬러그 상태의 샘플의 도면으로서 도 1을 참조하여 설명한 것과 같은 본 발명을 이용하여 결정 결함 영역을 확인하여, 발광 분석법으로 측정된 도면에 각 영역을 구분 표시해 놓은 것이다. 슬러그 샘플이란 웨이퍼로 가공되기 전의 에칭된 샘플을 가리킨다. 도 5에서 보는 바와 같이, Pi, Pv 영역 등이 구분된다.
도 6은 단결정 실리콘의 샘플의 도면으로서 도 3을 참조하여 설명한 것과 같은 본 발명을 이용하여 결정 결함 영역을 확인하여, 발광 분석법으로 측정된 도면에 각 영역을 구분해 놓은 것이다. Pi, Pv 영역 등이 구분된다.
도 7은 종래의 결함 영역 구분 방법으로 실리콘 웨이퍼의 결함 영역을 측정한 결과와 본 발명에 의하여 실리콘 웨이퍼의 결함 영역을 구분한 결과를 함께 보여준다.
샘플은 실리콘 잉곳을 수직 방향으로 절단하여 두 개의 버티컬 샘플을 제작하여 진행하였다. 측정 결과 각 샘플 내의 산소 농도는 9 ppma (New ASTM 기준)이었다. 하나의 샘플에 대해서는 금속 오염 없이 전통적인 산소 석출 열처리(800℃에서 4시간 + 1000℃ 16시간)를 하여 산소 석출에 의한 재결합 라이프 타임을 조사하였다. 다른 하나의 샘플에 대해서는 본 발명에 따른 방법, 특히 Cu로 오염을 시키고 도 2를 참조하여 2 단계 열처리를 적용하였다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 샘플 내의 산소 농도가 9 ppma로 낮은 경우에는 기존의 방법으로는 결정 결함 영역의 구별이 전혀 확인되지 않음을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에서와 같은 방법으로 선택적 에칭 방법으로 v-rich 영역과 i-rich 영역을 확인한 후, Pi, Pv 영역 등의 각 세부 영역은 금속 오염과 발광 분석법을 이용하여 구별하면 각 영역의 확인이 명확히 이루어짐을 볼 수 있다. 또한, 각 영역별 검사의 필요성 없이 버티컬 단면에 대해서 1번의 검사만으로 전 결정 결함 영역이 구분되는 것을 알 수 있다.
도 8은 위와 같은 실시예를 통해 발광 분석법으로 추정되는 각 결정 결함 영역의 게터링 사이트(gettering site)에 대한 정보이다. 발광 분석법을 이용하므로 게터링 효율에 관한 정보도 얻을 수 있는 것이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 금속 오염을 시키되 금속의 종류와 무관하게, 또한 샘플의 형태에 무관하게 모든 단결정 실리콘 샘플의 모든 결정 결함 영역을 확인할 수 있는 분석 방법을 제공한다. 하나의 샘플 또는 인접 위치에서 채취한 두 개의 샘플에 대해 선택적 에칭, 금속 오염 및 발광 분석법을 적용함으로써 모든 결정결함 영역을 확인할 수 있는 것이다.
본 발명에 의하면 단결정 실리콘의 산소 농도에 의존하지 않고 결정 결함 영역을 정확하고 간편하며 빠른 시간에 분석할 수 있다. 이에 따라, 향후 반도체 업계에서 꾸준히 요구하고 있는 낮은 산소 농도의 Pv와 Pi 영역을 갖는 단결정 실리콘 샘플의 결정 결함 영역 확인 및 결함 없는 단결정 실리콘 개발의 핵심 도구로 활용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 단결정 실리콘 잉곳의 조각 또는 실리콘 웨이퍼로 된 샘플의 한쪽 면을 선택적 에칭하여 현미경으로 관찰함으로써 결정 결함 영역을 1차적으로 구분하는 단계;
    상기 샘플의 한쪽 면에서 선택적 에칭된 부분을 제거하는 단계;
    상기 샘플의 한쪽 면에 금속을 오염시키는 단계;
    상기 오염된 샘플을 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리된 샘플에서 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 육안으로 관찰함으로써 결정 결함 영역을 2차적으로 구분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열처리된 샘플을 발광 분석법(photoluminescence)으로 측정하여 결정 결함 영역을 3차적으로 구분하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 샘플은 1×1012 ~ 1× 1017 atoms/㎠ 농도로 금속을 오염시키는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열처리 단계는 헬륨, 질소, 아르곤, 산소, 수소 및 암 모니아 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 분위기 하에서 실시하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열처리 단계는 베이컨시형 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 Pv 영역에서는 상기 금속의 석출물을 상기 샘플 내부에 발생시키고, 인터스티셜 점결함이 우세하나 응집된 결함이 없는 Pi 영역에서는 상기 금속의 석출물을 상기 샘플 표면에 헤이즈 형태로 발생시키는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 샘플 안의 산소 농도가 11 ppma 이하인 경우에 상기 열처리 단계는 600~950℃에서 0.01~10시간 진행하는 1차 열처리 단계와 1000~1150℃에서 0.01~10시간 진행하는 2차 열처리 단계를 포함하고, 상기 샘플 안의 산소 농도가 11 ppma 이상인 경우에 상기 열처리 단계는 1000~1150℃에서 0.01~10시간 진행하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 열처리 단계 후 강온 속도는 200℃/min 이하로 하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 발광 분석법으로 상기 샘플의 게터링 효율(gettering efficiency)을 평가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  9. 단결정 실리콘 잉곳 안의 인접 위치에서 채취한 2개의 조각 또는 2개의 실리콘 웨이퍼로 된 제1 및 제2 샘플을 준비하는 단계;
    상기 제1 샘플의 한쪽 면을 선택적 에칭하여 현미경으로 관찰하는 단계;
    상기 제2 샘플의 한쪽 면에 금속을 오염시키는 단계;
    상기 오염된 제2 샘플을 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리된 제2 샘플에서 오염된 면 또는 오염된 면의 반대면을 육안으로 관찰하는 단계를 포함하여, 상기 제1 및 제2 샘플에 대한 관찰 및 측정 결과를 종합하여 상기 단결정 실리콘 잉곳의 결정 결함 영역을 구분하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 열처리된 제2 샘플을 발광 분석법으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 결함 영역 구분 방법.
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