KR100857386B1 - 에스오아이 웨이퍼에 대한 열처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법은, 기준 웨이퍼와 이온 주입된 결합 웨이퍼를 접합시킨 후, 층분리 방법에 의해 제조되는 SOI 웨이퍼 내의 손상층 복구 및 표면 미소 거칠기 개선을 위해 진행되는 SOI 웨이퍼에 대해 하나의 열처리 공정 시스템 내에서 연속적으로 진행하되, 열처리 온도 또는 열처리 시간에 대한 조건을 달리하여 구분되는 적어도 2 단계 이상의 다중 단계의 열처리 공정으로 진행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, SOI 웨이퍼를 제조하는 과정에서 유래되는 손상층이나 표면 결함의 문제를 제거하기 위한 공정을 하나의 공정 시스템에서 진행하되, 온도와 시간을 달리하는 연속적인 열처리 단계로 구분하여 진행함으로써, 공정을 단순화하여 진행할 수 있으므로, 제조 비용을 현저하게 절감할 수 있으며, 제조 과정에서 SOI 웨이퍼 표면에 발생된 손상층의 제거 및 결함 원인의 제거 효율이 종래의 방법에 비하여 현저하게 개선되는 장점이 있다.
SOI, 기준웨이퍼, 결합웨이퍼, 접합, 층분리, 열처리
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 SOI 웨이퍼 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 3 은 종래의 방법에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리방법을 진행한 후의 표면 미소 거칠기를 설명하기 위한 사진이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법을 진행하기 전과 후의 표면 미소 거칠기를 대비하기 위한 각각의 사진들이다.
도 6은 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 온도 및 시간에 따른 결함(COP) 밀도비를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 에스오아이(SOI; Silicon On Insulator) 웨이퍼에 대한 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SOI 웨이퍼에 대해 급속 열처리 공정(Rapid Thermal Process)으로 진행하되, 열처리 온도 또는 열처리 시간을 달리하는 조건으로 구분되는 적어도 2 단계 이상의 다중 단계(Multi Step)의 열처리 공정으로 진행하는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법에 관한 것이다.
통상적인 실리콘 집적회로를 제작하기 위해 사용되는 벌크 실리콘 기판에서의 접합분리(junction isolation)는 적당한 정도의 도핑 수준과 디멘젼하에서 ±30 V 정도의 공급전압하에서 접합 파괴(junction breakdown)가 발생되기 때문에 고전압의 응용에는 적합하지 않을 뿐만 아니라, 접합분리는 감마선에 의해 PN 접합에서 발생되는 과도 광전류(transientphotocurrent)에 기인하여 고방사능 환경하에서는 효과적이지 못하다. 따라서, PN 접합 구조를 대체하여, 절연물로서 소자의 주위를 완전히 둘러싸는 분리기술인 SOI 기술이 개발되었으며, 이러한 SOI 기판에서 제작되는 회로는 벌크 실리콘 기판 내에 제작되는 회로와 비교하여 제작과정 및 결과 구조가 단순하여 칩 사이즈를 작게 할 수 있으며, 칩 사이즈의 감소와 더불어 기생 캐패시턴스가 감소되기 때문에 회로의 동작속도가 빠르다는 장점이 있다.
이러한 SOI 기술로서는, 사파이어 상에 헤테로 에피택셜 실리콘층을 성장시키는 SOS(Silicon On Sapphire) 기술, 실리콘 기판 내에 산소이온을 주입한 후 어닐링시켜 매몰된 실리콘 산화층을 형성시키는 SIMOX(Separation by IMplaneted OXygen)기술, 표면에 절연층이 형성된 적어도 하나의 웨이퍼와 다른 웨이퍼를 접착 시킨 본딩 SOI(Bonding SOI) 기술 등이 알려져 있다.
이하, 종래에 알려진 SOI 제조 기술 중 본딩 방식에 의한 SOI 웨이퍼 제조방법에 대해 도 1을 참조하여 간략하게 살펴보기로 한다.
도 1은 종래의 SOI 웨이퍼를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다. 도시된 바를 참조하면, 먼저, 후속 공정에서 서로 접합되는 기준 웨이퍼(base wafer)와 결합 웨이퍼(bond wafer)를 각각 준비한다(S11). 상기 기준 웨이퍼는 SOI 웨이퍼를 물리적으로 지지해주는 역할을 하며, 핸들링 웨이퍼(handling wafer)라고도 한다. 상기 결합 웨이퍼는 후속 공정에 의해 반도체소자의 채널이 형성되는 웨이퍼로서, 소자 웨이퍼(device wafer)라고 불리기도 한다.
이어서, 상기 (S11)단계에서 준비된 결합 웨이퍼에 수소이온을 주입하여, 결합 웨이퍼의 표면으로부터 소정의 깊이에 투영비정거리(Rp)를 갖는 수소이온 주입부가 형성된다(S12).
상기와 같이 수소 이온이 주입된 결합 웨이퍼에 대하여 열산화 공정을 수행하여 결합 웨이퍼의 표면에 산화막, 즉 실리콘 산화막을 형성한다(S13). 이렇게 형성된 실리콘 산화막은 SOI 웨이퍼에서 매몰 산화층(Buried Oxide Layer)의 역할을 한다. 한편, 전술한 수소이온 주입 단계(S12)와 실리콘 산화막 형성 단계(S13)는 서로 그 순서를 바꾸어 진행하여 결합 웨이퍼를 준비할 수도 있다.
상기와 같이 준비된 결합 웨이퍼와 별도로 준비된 기준 웨이퍼의 표면에 존재하는 여러 오염물을 제거하는 세정 공정을 진행한 후, 상기 준비된 결합웨이퍼와 기준웨이퍼를 상호 접합시킨다(S14).
이후, 고온에서 열처리를 수행하여 결합 웨이퍼 내의 수소이온 주입부에서 층분리(cleavage)가 일어나도록 한다(S15). 이러한 층분리는 열처리에 의해 결합웨이퍼 내의 수소이온 주입부의 버블들이 상호작용을 하여 충분한 블리스터(blister)가 형성되고 이들이 전파되면서 플레이크(flake) 현상에 의해 이루어진다.
상기의 공정을 진행하여 제조된 SOI 웨이퍼의 층분리 표면에는 전술한 여러 공정을 진행하면서 발생되는 손상층 또는 결함층(이하, '손상층 등'이라 함)이 존재하는 문제점과 그 표면의 미소 거칠기가 좋지 않게 형성되는 문제점으로 발생하고 있으며, 이를 해결하기 위한 후속 공정을 추가적으로 진행하였다(S16). 이러한 후속 공정으로는 고온 열처리를 진행하여 SOI 웨이퍼 표면 상에 산화막을 형성한 후, 다시 그 산화막을 제거하면서 SOI 표면 상의 손상층 등을 제거하며, 환원성 분위기하에서 열처리를 진행할 때 SOI 웨이퍼 표면에 잔류하는 손상층 등을 회복시킴과 아울러 표면 미소 거치기의 개선을 행하는 방법과, 층분리를 진행시킨 SOI 웨이퍼에 대해 급속열처리 공정을 진행한 후, 연이어 고온의 종형 확산로를 이용하여 결함 요인을 SOI 웨이퍼 외부로 방출시키는 방법이 알려져 있다.
그러나, 전술한 종래의 층분리 표면에 대한 제문제를 해결하기 위한 후속 공정은, 산화막을 형성하는 공정과 그 형성된 산화막을 제거하는 공정을 개별적으로 진행하여야 하는 문제점이 존재하거나, 급속 열처리 공정을 진행한 후, 다시 고온의 종형 확산로에서의 공정 진행이 개별적으로 진행되어야 하는 점에서, 공정 수가 증가되는 단점이 지적되고 있다.
이러한 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위한 노력이 관련 업계에서 꾸 준히 이루어져 오고 있었으나, 구체적인 다른 해결 수단을 제시되지 못하고 있는 한계를 갖고 있는 기술적 배경하에서 본 발명이 안출되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 층분리가 진행된 SOI 웨이퍼에 대해 동일 공정 시스템 내에서 열처리 조건을 달리하면서 연속 공정으로 열처리를 진행함으로써, 공정 수행을 간이하게 하면서도 SOI 웨이퍼 표면의 손상층 등에 대한 제거 및 그 표면의 미소 거칠기의 개선을 보다 용이하고 경제적으로 이루어내고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 제공되는 본 발명에 따르는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법은, 기준 웨이퍼와 이온 주입된 결합 웨이퍼를 접합시킨 후, 층분리 방법에 의해 제조되는 SOI 웨이퍼 내의 손상층 복구 및 표면 미소 거칠기 개선을 위해 진행되는 SOI 웨이퍼에 대해 하나의 열처리 공정 시스템 내에서 연속적으로 진행하되, 열처리 온도 또는 열처리 시간에 대한 조건을 달리하여 구분되는 적어도 2 단계 이상의 다중 단계의 열처리 공정으로 진행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼를 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도시된 바를 참조하면, (S21) 내지 (S25) 단계는 전술한 도 1에서 설명한 상기 (S11) 내지 (S15) 단계와 순차적으로 대비하여 동일하게 이해될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 약하기로 한다.
상기 (S25)단계를 통해 층분리 표면을 갖는 SOI 웨이퍼는 전술한 여러 공정을 진행하면서 발생되는 손상층 또는 결함층(이하, '손상층 등'이라 함)이 존재하고 있으며, 그 표면의 미소 거칠기가 좋지 않게 형성되므로 이를 해결하기 위해 종래 기술과 다른 방법인 본 발명에서 제안되는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법에 의하여 후속 공정을 진행하였다(S26). 본 발명에 따르는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법은, 전술한 (S21) 내지 (S25)단계를 진행하여 제조된 SOI 웨이퍼 내의 손상층 복구 및 표면 미소 거칠기 개선을 위해 하나의 열처리 공정 시스템을 이용하여 진행하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 하나의 열처리 공정 시스템 내에서, 열처리 온도 또는 열처리 시간에 대한 조건을 달리하여 구분되는 적어도 2 단계 이상의 다중 단계의 열처리 공정을 연속적으로 진행한다. 상기 SOI 웨이퍼에 대한 하나의 열처리 공정 시스템 내에서 다중 단계로 구분되어 진행되는 각각의 열처리단계는, 산소, 수소 및 아르곤 중 선택된 하나의 기체 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합 기체의 분위기 하에서 열처리를 진행하면 바람직하다. 본 발명에 따른 실시예에서는 수소 기체 분위기에서 열처리를 진행하였다. 한편, 단일 기체 분위기하에서 열처리를 진행하는 것이 가장 바람직하지만, 사용되는 기체에 따른 안전성, 장비의 제한 등의 여러 문제가 발생될 수 있으므로, 여러 종류의 기체를 혼합하여 사용하기도 한다.
구체적인 예로서, 상기 SOI 웨이퍼에 대한 다중 단계의 열처리 공정은 2단계(S26a 및 S26b)로 구분되어 진행할 수 있으며, 먼저 진행하는 상기 제1열처리단계(S26a)는, 상기 SOI 웨이퍼 내의 손상층 의 복구와 접합 계면의 결함 원인(Void source)을 제거하는 효과를 극대화할 수 있는 온도 및 시간 조건으로서, 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 10초 내지 60분 동안 진행하면 바람직하다. 상기 제1열처리단계(S26a)의 열처리 온도 및 시간 조건은 정밀하게 제어되어야 한다. 만일, 상기 열처리 온도 및 시간 조건의 하한에 미달하는 경에는 손상층의 충분한 복구가 진행되지 못하고 접합 계면에서의 웨이퍼 결함 원인이 되는 보이드 소스의 방출(out diffusion)이 충분하게 진행되지 못하여 바람직하지 못하며, 상기 열처리 온도 및 시간 조건의 상한을 초과하는 경우에는 웨이퍼 표면에 결합이 발생되며, 고온 유지를 위한 추가적인 장비 사용이 요구되어 바람직하지 못하다. 본 발명에 따른 실시예에서는 구체적으로 1,135℃의 열처리 온도 조건과 20분 간의 열처리 시간 조건하에서 진행하였다.
상기 제1열처리단계(S26a)에 이어서 후속하여 진행하는 상기 제2열처리단계(S26b)는, 상기 SOI 웨이퍼 표면의 실리콘 원자가 충분히 이동할 수 있는 온도와 시간 조건으로서, 구체적으로, 1,200 내지 1,400℃의 온도에서 10 내지 60초 동안 진행하면 바람직하다. 상기 제2열처리단계(S26b)의 열처리 온도 및 시간 조건은 정밀하게 제어되어 한다. 만일, 상기 열처리 온도 및 시간 조건의 하한에 미달하는 경우에는 SOI 웨이퍼 표면층에 존재하는 실리콘 원자들의 유동성이 확보되지 못하여 미소 거칠기 개선 효과가 충분하게 이루어지지 않아 바람직하지 못하며, 상기 열처리 온도 및 시간 조건의 상한을 초과하는 경우에는 SOI 웨이퍼에 다른 물질들이 침투하는 추가적인 오염이나 표면에서의 슬립현상이 발생되어 바람직하지 못하다. 본 발명에 따른 실시예에서는 구체적으로 1,200℃의 열처리 온도 조건과 10초간의 열처리 시간 조건하에서 진행하였다.
도 3 은 종래의 방법에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리방법을 진행한 후의 표면 미소 거칠기를 설명하기 위한 사진이다.
도 3에 도시된 사진은, 스캔 사이즈가 10㎛×10㎛이며, 종래의 방법에 의하여 SOI 웨이퍼에 대한 열처리를 진행한 후의 미소 거칠기의 정도를 나타내는 Rms(Root mean square roughness)가 4.76Å으로서, SOI 웨이퍼에 요구되는 정도를 충족시키지 못하는 표면 미소 거칠기를 갖고 있음을 알 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법을 진행하기 전과 후의 표면 미소 거칠기를 대비하기 위한 각각의 사진들이다.
도 4 및 도 5에 도시된 사진은 스캔 사이즈가 10㎛×10㎛이며, 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 진행 전(도 4)의 SOI 웨이퍼 표면의 Rms는 32.85Å인 반면, 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 진행 후(도 5)의 SOI 웨이퍼 표면 의 Rms는 2.35Å으로 측정되었다. 이러한 결과를 통해, 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법이, SOI 웨이퍼 표면의 미소 거칠기를 현저하게 개선시키는 효과를 직접적으로 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 온도 및 시간에 따른 결함(COP) 밀도비를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 그래프에서, 그래프의 수직축은 열처리 전/후의 웨이퍼 표면 결정 결함(Crystal Originated Particle, 이하 'COP'라 약함) 밀도비(%)를 나타내고, 그래프의 수평축은 열처리 온도를 나타내며, 열처리를 10초 진행한 경우와 30초 진행한 경우로 각각 구분하여 도시하였다. 도시된 바를 참조하면, 1,100℃ 미만에서는 열처리 전후의 COP 밀도 변화가 미미하지만, 1,100℃ 이상의 온도에서는 열처리 전후 50% 이상의 COP 감소 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.
본 발명에 따르면, SOI 웨이퍼를 제조하는 과정에서 유래되는 손상층이나 표면 결함의 문제를 제거하기 위한 공정을 하나의 공정 시스템에서 진행하되, 온도와 시간을 달리하는 연속적인 열처리 단계로 구분하여 진행함으로써, 공정을 단순화하여 진행할 수 있으므로, 제조 비용을 현저하게 절감할 수 있으며, 제조 과정에서 SOI 웨이퍼 표면에 발생된 손상층의 제거 및 결함 원인의 제거 효율이 종래의 방법에 비하여 현저하게 개선되는 장점이 있다.
Claims (3)
- 기준 웨이퍼와 이온 주입된 결합 웨이퍼를 접합시킨 후, 층분리 방법에 의해 제조되는 SOI 웨이퍼 내의 손상층 또는 결함층의 제거 및 표면 미소 거칠기 개선을 위해 진행되는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법에 있어서,상기 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법은, 하나의 열처리 공정 시스템 내에서 진행하되, 열처리 온도 또는 열처리 시간 조건을 달리하여 구분되는 적어도 2 단계 이상의 다중 단계의 열처리 공정으로 진행하되,상기 다중 단계의 열처리 공정은, 제1단계열처리단계 및 제2단계열처리단계의 2단계로 구분되어 연속적으로 진행하되,상기 제1열처리단계는, 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 10초 내지 60분 동안 진행하며,상기 제2열처리단계는, 1,200 내지 1,400℃의 온도에서 10 내지 60초 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법.
- 제1항에 있어서,상기 SOI 웨이퍼에 대한 하나의 열처리 공정 시스템 내에서 진행되는 다중 단계로 구별되는 각각의 열처리단계는, 산소, 수소 및 아르곤 중 선택된 하나의 기체 또는 이들 중 선택된 둘 이상의 혼합기체의 분위기 하에서 열처리 공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 SOI 웨이퍼에 대한 열처리 방법.
- 삭제
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