KR100862837B1 - 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 먼저 단결정 에피 웨이퍼의 결함 위치를 파티클 카운터나 육안관찰을 통해 파악한다. 그런 다음, 파악된 결함 위치를 근거로 집적 이온 빔(Focused Ion Beam; FIB) 장비에서 다시 결함을 확인하여 에피 웨이퍼의 단면 가공 위치를 선정한다. 그러고 나서 FIB 장비로 상기 단면 가공 위치를 중심으로 집적 이온 빔을 조사하여 에피 결함이 드러날 때까지 단면 가공(이온밀링)을 실시한다. 그 다음, 단면가공 지점에 선택 에칭액을 적가하여 웨이퍼와 에피층의 경계를 구분한다. 그런 다음, 에피 웨이퍼를 세정 및 건조시키고, FIB 장비 또는 전자현미경 장비를 이용하여 에피 웨이퍼의 단면 가공면을 관찰하여 에피 결함을 평가한다.
본 발명에 따르면, 간단하고 빠르게 에피 결함의 시작지점과 결함 발생원의 위치 확인이 가능하고, 에피층과 웨이퍼의 경계 구분이 가능하도록 하여 에피 결함의 발생 공정과 발생원을 정확하게 추적할 수 있다.
집적 이온 빔, FIB, 단면 가공, 선택 에칭, 에피 결함 평가

Description

단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법{Method of simple evaluation for Epi. Defect on single crystal epitaxial wafer}
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 종래 기술에 따라 단결정 실리콘 에피 웨이퍼의 시편을 제작한 후 투과전자현미경으로 에피층과 실리콘 웨이퍼에 동시에 나타난 결함을 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법의 절차를 실제 사진과 함께 순차적으로 보여주는 절차 흐름도이다.
도 3은 도 2의 S50 단계에서 관찰한 에피 웨이퍼의 단면 가공 지점을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 다른 시편의 단면 가공 지점을 촬영한 사진이다.
본 발명은 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함을 평가하는 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 집적 이온 빔(Focused Ion Beam; FIB)에 의한 단면 가공법과 선택 에칭법을 결합하여 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 발생원을 간단하게 구별하고 결함 발생 공정을 추적할 수 있는 에피 결함 평가 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조에 이용되는 단결정 실리콘 에피 웨이퍼는 일반적인 실리콘 웨이퍼가 갖고 있는 표면의 결정 결함과 웨이퍼 가공 과정에서 발생되는 결함이 배제되어 있으므로 각종 고급 전자 디바이스에 응용되고 있다. 하지만 에피 웨이퍼의 경우도 에피층이 성장되는 웨이퍼 표면 상태와 에피 성장 챔버의 오염원에 의해 에피층 표면과 에피층 내에 결함이 발생될 수 있다. 따라서 에피 웨이퍼 제조 시에는 에피층이 성장되는 실리콘 웨이퍼 보다는 에피층 표면과 에피층 내에 발생되는 결함이 더 중요한 제어 대상이 되고 있다.
단결정 에피 웨이퍼 제조시 발생되는 주요한 에피 결함에는 적층 결함과 마운드 등이 있다. 이들 결함은 에피층이 성막되는 웨이퍼 표면에 존재하는 미세 파티클이나 에피층을 성장시키는 도중에 반응가스와 함께 혼입되는 파티클에 의해 발생되기도 하고, 부적절한 에피 성장조건, 즉, 웨이퍼 면내의 열적 불균형, 에피 반응 챔버 내로 혼입되는 가스의 부적절한 조성비 등에 의해서도 발생된다.
종래에는 여러 가지 요인에 의해 발생되는 에피 결함의 원인을 정확히 판별하기 위해, 파티클 카운터(particle counter)로 결함의 위치를 파악하고, 파악된 위치를 중심으로 FIB 장비를 이용한 이온 밀링 방법 또는 수동연마 방법을 이용하 여 결함의 단면을 시편으로 제작한 후 투과전자현미경으로 해당 에피 결함의 단면을 고배율로 관찰하는 방법을 주로 사용하였다. 그런데 이러한 방법은 고가의 투과전자현미경을 이용해야 하는 부담이 있고, 투과전자현미경의 관찰을 위해 많은 시간을 할애하여 시편을 매우 정밀하게 제작하는 전처리 과정이 수반되어야 한다는 문제가 있다. 또한 무엇보다도 투과전자현미경으로는 웨이퍼와 에피층의 경계를 명확하게 구분하기 어렵다. 실리콘 웨이퍼와 에피층이 모두 동일한 실리콘 원자로 이루어져 있기 때문이다. 따라서 투과전자현미경을 이용할 경우 에피 결함이 에피 성장 공정에서 발생되었는지 아니면 에피층을 성장하기 전 웨이퍼에 존재했던 미세 파티클이나 결정 결함으로부터 발생되었는지를 정확하게 판단하기 어려운 단점이 있다.
도 1은 투과전자현미경으로 에피층과 실리콘 웨이퍼에 동시에 나타난 결함(10)을 관찰한 사진을 보여주고 있다. 도면을 참조하면, 실리콘 웨이퍼와 에피층의 경계가 정확하게 나타나 있지 않기 때문에 결함(10)의 발생 원인이 무엇인지를 분석하는데 상당한 어려움이 있다.
따라서 본 발명이 속한 기술 분야에서는 에피 결함의 발생 원인을 쉽게 판단할 수 있는 에피 결함 평가 방법에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 간단하고 빠르게 에피 결함의 시작지점과 결함 발생원의 위치 확인이 가능하고, 에피 층과 웨이퍼의 경계 구분이 가능하도록 하여 에피 결함의 발생 공정과 발생원을 정확하게 추적할 수 있는 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가방법은, (a) 단결정 에피 웨이퍼의 결함 위치를 파티클 카운터나 육안관찰을 통해 파악하는 단계; (b) 상기 (a) 단계로부터 얻어진 정보를 바탕으로 FIB 장비에서 결함을 확인하여 에피 웨이퍼의 단면가공 위치를 선정하는 단계, (c) FIB 장비로 상기 단면가공 위치를 중심으로 집적 이온 빔을 조사하여 에피 결함이 드러날 때까지 단면 가공(이온밀링)을 실시하는 단계, (d) 단면가공 지점에 선택 에칭액을 적가하여 웨이퍼와 에피층의 경계를 구분하는 단계, (e) 에피 웨이퍼를 세정 및 건조시키는 단계, 및 (f) FIB 장비 또는 전자현미경 장비를 이용하여 에피 웨이퍼의 단면 가공면을 관찰하여 에피 결함을 평가하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 선택 에칭액은 웨이퍼와 에피층을 구성하는 물질의 종류에 따라 달라진다. 에피 웨이퍼가 단결정 실리콘 에피 웨이퍼인 경우, 상기 선택 에칭액으로는 라이트(Wright), 세코(Secco) 또는 서틀(Sirtl) 에칭액을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 선택 에칭액의 적가량은 0.5 내지 10ml, 에칭 유지 시간은 5 내지 30초 정도가 바람직하다.
바람직하게, 상기 (e) 단계의 에피 웨이퍼 세정시에는 탈이온수를 사용한다. 이 때 세정 시간은 60 내지 300초가 바람직하다.
바람직하게, 상기 전자현미경 장비는 주사전자현미경 또는 집적이온빔 (FIB) 또는 투과전자현미경이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한편 본 발명의 바람직한 실시예는 에피 결함 평가의 대상이 되는 단결정 에피 웨이퍼가 단결정 실리콘 에피 웨이퍼인 경우를 중심으로 설명한다. 하지만 본 발명은 단결정 에피 웨이퍼의 구체적인 종류에 한정되지 않는다. 따라서 선택 에칭액의 종류 및 적가시간, 세정액의 종류 및 세정 시간 등은 단결정 에피 웨이퍼의 종류에 따라 얼마든지 변경될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법의 절차를 실제 사진과 함께 순차적으로 보여주는 절차 흐름도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 에피 결함 평가 방법은, 먼저 파티클 카운 터를 이용하거나 육안 관찰에 의해 단결정 실리콘 에피 웨이퍼(20)에 발생된 에피 결함(30)의 위치를 확인한다(S10). 그런 다음 FIB 장비에서 위치가 확인된 에피 결함을 다시 확인한다(S20). 여기까지는 종래의 방법과 동일하다. 그런데 본 발명은 종래와 같이 집적 이온 빔을 이용하여 시편제작을 하고 투과전자현미경으로 에피 결함을 관찰하는 것이 아니라, 집적 이온 빔을 이용하여 에피 결함(30)의 위치가 확인된 지점을 중심으로 에피 결함이 노출될 때까지 단면 가공을 실시한다(S30). 이러한 S30 단계는 일종의 건식 식각 과정에 해당된다.
S30 단계의 진행을 통해 에피 결함이 노출되면 집적 이온 빔을 이용한 단면 가공을 중단하고, FIB 장비에서 에피 웨이퍼를 인출한 후 선택 에칭액을 단면 가공 지점에 적가한다(S40). 이 때, 선택 에칭액은 라이트(Wright), 세코(Secco) 또는 서틀(Sirtl) 에칭액을 사용하고, 에칭액 적가량은 0.5 내지 10ml, 에칭액 적가 후 선택 에칭 유지 시간은 10 내지 20 초로 설정하는 것이 바람직하다. S40 단계에서 에피 웨이퍼에 선택 에칭액이 적가되면, 실리콘 에피층, 실리콘 웨이퍼 및 결함 부위의 에칭 속도가 각각 다르기 때문에 에피층과 웨이퍼 간의 경계면과 에피 결함이 분명하게 드러나게 된다.
다음으로, 선택 에칭이 완료된 에피 웨이퍼를 세정함으로써 선택 에칭이 더 이상 진행되지 않도록 한다. 바람직하게, 세정액으로는 탈이온수를 사용하며, 세정 유지 시간은 60 내지 300초로 유지한다. 세정이 완료되면, 충분한 시간 동안 에피 웨이퍼를 건조시켜 단면 가공 지점에 존재하는 수분을 완전히 제거한다. 그러면 에피 결함의 관찰을 위한 시편 제작이 완료된다.
상술한 과정을 거쳐 시편 제작이 완료되면, 에피 웨이퍼를 다시 FIB 장비에 인입하여 단면 가공 지점을 관찰함으로써 에피 결함의 발생 위치와 발생 원인 등을 평가한다(S50).
도 3은 도 2의 S50 단계에서 FIB 장비를 이용하여 관찰한 단면 가공 지점의 실제 사진을 확대하여 도시한 것이다. 도면을 참조하면, 집적 이온 빔을 이용하여 에피 결함이 발생 된 지점을 단면 가공한 후 선택 에칭 과정을 거침으로써 실리콘 에피층과 실리콘 웨이퍼의 경계와 에피 결함을 분명하게 확인할 수 있도록 단면 처리가 이루어졌음을 확인할 수 있다. 도면에 도시된 사진에서는, 에피 결함의 시작 지점(40)이 실리콘 웨이퍼의 상부 표면에 위치하고 있는 점으로 미루어볼 때, 에피 결함의 발생 원인을 실리콘 웨이퍼 상에 존재하는 미세 파티클로 평가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 다른 시편의 단면 가공 지점의 실제 사진을 도시한 것이다. 도면을 참조하면, 에피 결함의 시작 지점(50)이 실리콘 웨이퍼의 표면으로부터 이격되어 있으므로 에피 결함의 발생 원인을 에피 성장 중에 반응 가스와 함께 혼입된 미세 파티클로 평가할 수 있다.
상술한 실시예에서는, 결함 발생 지점이 집적 이온 빔에 의해 단면 가공된 지점을 FIB 장비를 이용하여 관찰하였지만, 경우에 따라서는 주사전자현미경 또는 투과전자현미경과 같은 전자현미경 장비를 이용하여 단면 가공 지점을 관찰할 수도 있음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 간단하고 빠르게 에피 결함의 시작지점과 결함 발생원의 위치 확인이 가능하고, 에피층과 웨이퍼의 경계 구분이 가능하도록 하여 에피 결함의 발생 공정과 발생원을 정확하게 추적할 수 있다.

Claims (6)

  1. (a) 단결정 에피 웨이퍼의 결함 위치를 파티클 카운터나 육안관찰을 통해 파악하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계로부터 얻어진 정보를 바탕으로 집적 이온 빔(Focused Ion Beam; FIB) 장비에서 결함을 확인하여 에피 웨이퍼의 단면가공 위치를 선정하는 단계;
    (c) FIB 장비로 상기 단면가공 위치를 중심으로 집적 이온 빔을 조사하여 에피 결함이 드러날 때까지 단면 가공(이온밀링)을 실시하는 단계;
    (d) 단면가공 지점에 선택 에칭액을 적가하여 웨이퍼와 에피층의 경계를 구분하는 단계;
    (e) 에피 웨이퍼를 세정 및 건조시키는 단계; 및
    (f) FIB 장비 또는 전자현미경 장비를 이용하여 에피 웨이퍼의 단면 가공면을 관찰하여 에피 결함을 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에피 웨이퍼는 단결정 실리콘 에피 웨이퍼이고,
    상기 선택 에칭액은 라이트(Wright), 세코(Secco) 또는 서틀(Sirtl) 에칭액인 것을 특징으로 하는 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 선택 에칭액의 적가량은 0.5 내지 10ml인 것을 특징으로 하는 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 선택 에칭액 적가 후 에칭 과정이 유지되는 시간은 5 내지 30초인 것을 특징으로 하는 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 에피 웨이퍼 세정 시에는 탈이온수를 사용하고,
    세정 시간은 60 내지 300초인 것을 특징으로 하는 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자현미경 장비는 주사전자현미경 또는 투과전자현미경인 것을 특징으로 하는 단결정 에피 웨이퍼의 에피 결함 평가 방법.
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