KR101007441B1 - 웨이퍼의 벌크금속 분석방법 - Google Patents

Abstract

외부-확산된 벌크금속의 내부-확산을 차단하여 웨이퍼의 벌크금속을 분석할 수 있는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법이 개시된다. 개시된 본 발명에 의한 웨이퍼의 벌크금속 분석방법은, 웨이퍼에 수집부를 형성하는 단계, 웨이퍼의 벌크금속을 외부-확산시키는 단계, 외부-확산된 벌크금속을 수집부로 수집하는 단계, 및 수집된 벌크금속을 분석하는 단계를 포함한다. 여기서, 수집부는 웨이퍼 표면의 결정구조를 인위적으로 파괴하여 형성된다. 이러한 구성에 의하면, 웨이퍼로부터 외부-확산된 벌크금속의 내부-확산이 수집부에 의해 차단되어, 단시간안에 정확한 벌크금속을 분석할 수 있게 된다.

웨이퍼, 벌크, 금속, 구리, 니켈, 수집, 포획, 격자, 결정.

Description

웨이퍼의 벌크금속 분석방법{BULK METAL ANALYSIS METHOD OF WAFER}

본 발명은 반도체 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 과도핑된 EPI 웨이퍼의 벌크금속을 LTOD 방법으로 분석하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법에 관한 것이다.

반도체 제조 공정 중 채용되는 실리콘 웨이퍼 중 에픽텍셜 실리콘 웨이퍼(epitaxial silicon wafer, 이하 EPI 웨이퍼)는 폴리쉬 웨이퍼 표면에 단결정 실리콘을 성장시켜 웨이퍼 표면의 결함을 최대한 줄인 고품질 웨이퍼이다. 이러한 EPI 웨이퍼는 마이크로 프로세서(MPU, MCU), 로직소자(시스템 IC, LCD IC), 플레쉬 메모리, 파워 트랜지스터, 다이오드 등과 같은 다양한 디바이스에 대응하여 다양한 구조로 제작 가능하다는 장점을 가진다. 여기서, 상기 EPI 웨이퍼는 사용되는 불순물(dopant)에 따라 P-Type(Boron doping)과, N-Type(Antimony doping)으로 나뉘는데, EPI층과 기판의 타입에 따라 P/P++, P/N, N/N-, P/P+ 등으로 다양하게 구별된다. 또한, 도핑된 농도에 따라 상기 EPI 웨이퍼는 P+: 0.01~1Ωcm, P++: 0.01 Ωcm 이하, P-: 1 Ωcm 이상으로 구별되기도 한다.

한편, 미세화된 디바이스 공정에 의해 웨이퍼의 표면 금속뿐만 아니라, 벌 크(bulk)에 오염되어 있는 금속도 디바이스에 영향을 미친다. 구체적으로, 상기 웨이퍼의 벌크에 금속이 오염된 상태로 웨이퍼에 열처리를 가하면, 상기 벌크의 금속이 외부-확산(out-diffusion)되어 전류누설(current leakage)과 같은 문제점을 야기하게 된다. 특히, 과도핑된 웨이퍼(heavily dopping wafer)의 경우, 일반 웨이퍼보다 보론(boron, 붕소)의 양이 많아 높은 확산성을 가짐으로, 구리에 의한 오염이 쉽게 발생된다.

상기와 같은 웨이퍼의 벌크금속으로 인한 문제점을 개선하기 위해 벌크금속을 분석하는 방법으로는 실리콘 웨이퍼 조각을 화학용제에 넣고 녹여 잔류한 구리와 니켈을 분석하는 WD 방법(Wafer Digestion method)과, 폴리 실리콘을 웨이퍼 위에 증착시켜 증착 온도에 의해 구리와 니켈을 폴리실리콘과 웨이퍼 표면 사이의 계면에 게터링(gettering)시키고, 식각을 통해 폴리실리콘을 제거한 후 잔류한 구리와 니켈을 분석하는 PUTP(Poly Silicon Trace Profiling) 방법 등이 있다.

그 외에 웨이퍼 표면을 처리한 후 적외선 램프나 열판 등에 의해 125 내지 400℃ 범위의 낮은 온도로 2~3시간 웨이퍼를 가열하여 외부-확산된 금속을 스캔하여 분석하는 LTOD 방법이 있다.

하지만, 상기 WD 방법의 문제점은 상기 웨이퍼를 녹이는 시간을 포함하여 분석에 소요되는 시간이 3일에 이르는 등, 분석시간이 오래걸리는 문제점이 있다. 또한, 웨이퍼의 일부 조각만을 샘플링하므로, 대표성이 낮을 뿐만 아니라, 정량 하한이 높은 단점이 있다.

상기 PUTP 방법은 WD 방법에 비하여 대표성이 낮은 단점을 극복하여 높은 정확도를 가지나, 분석 소요시간이 2 내지 3일로 오래 걸리고, 정량 하한이 WD 방법보다는 양호하지만, 그래도 높은 단점이 있다.

또한, 상기 LTOD 방법은 보론과 구리의 결합을 해리시키기에 어려우며, 해리된 구리가 외부-확산되어도 금속의 스캔 이전에 내부-확산되는 문제점이 있다.

따라서, 과도핑(heavily doping) EPI 웨이퍼의 벌크금속을 분석하는 방법에 대한 연구가 시급하며, 특히 벌크금속 중에서 구리(Cu)와 니켈(Ni)을 분석하는 방법에 대한 연구가 요청되는 시점이라 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, LTOP 분석 방법을 통해 과도핑된 웨이퍼의 벌크금속을 분석할 수 있는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법을 제공하기 위함이다.

본 발명의 다른 목적은 웨이퍼의 금속을 분석하는 시간을 단축시킬 수 있는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법을 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 웨이퍼의 벌크금속 분석방법은, 웨이퍼에 수집부를 형성하는 단계, 상기 웨이퍼의 벌크금속을 외부-확산시키는 단계, 상기 외부-확산된 벌크금속을 상기 수집부로 수집하는 단계, 및 상기 수집된 벌크금속을 분석하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수집부는 상기 웨이퍼 표면의 결정구조를 인위적으로 파괴하여 형성되며, 상기 웨이퍼 표면에 균일하게 분포하도록 복수개 형성된다. 이때, 상기 수집부는 상기 웨이퍼에 다이아몬드 마킹을 통해 형성될 수 있다. 또한, 상기 수집부의 폭, 깊이 및 높이는 각각 2000~3000nm, 100~150nm 및 30~35nm를 가진다. 이러한 수집부의 형성에 의해, 벌크금속이 외부-확산된 후 스캔 이전에 내부-확산됨을 방지할 수 있다.

상기 벌크금속을 외부-확산시키는 단계는, 상기 벌크금속의 외부-확산을 저해하는 요인인 상기 웨이퍼 표면의 자연산화막 및 표면금속을 강산으로 제거하는 단계와 상기 웨이퍼를 가열하는 단계를 포함한다. 참고로, 상기 웨이퍼를 가열하는 단계에서 상기 웨이퍼는 150~400℃로 2시가 이상 가열한다.

상기 수집된 벌크금속의 분석단계는, 상기 웨이퍼의 산화물을 제거하는 단계, 상기 벌크금속을 약산에 의해 스캔하는 단계, 및 상기 스캔된 금속을 분석하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 웨이퍼의 산화물은 불화수소 증기(HF Fume)에 상기 웨이퍼를 노출시킴에 의해 제거된다.

본 발명의 다른 목적에 의한 웨이퍼의 벌크금속 분석방법은, 과도핑 EPI 웨이퍼의 표면에 수집부를 형성시키는 단계, 상기 웨이퍼 표면의 자연산화막 및 금속을 제거하는 단계, 상기 웨이퍼를 가열하는 단계, 상기 수집부로 벌크금속이 수집되는 단계, 상기 가열된 웨이퍼의 산화물을 제거하는 단계, 상기 수집된 벌크금속을 스캔하는 단계, 및 상기 스캔된 벌크금속을 분석하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의한 웨이퍼의 벌크금속 분석방법에 의하면, 웨이퍼의 표면에 외부-확산된 벌크금속을 수거할 수 있는 수거부를 마련함으로써, 외부-확산된 벌크금속이 내부-확산됨을 방지할 수 있게 된다. 따라서, LTOP 분석 방법을 통해서도 과도핑된 EPI 웨이퍼의 벌크금속을 분석할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 경우 LTOP 분석 방법을 통해 과도핑된 EPI 웨이퍼의 벌크금속을 분석할 수 있으므로, 짧은 시간안에 정확한 분석이 가능해진다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설 명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼의 벌크금속 분석방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4 내지 도 11은 웨이퍼의 벌크금속 분석방법을 순차적으로 도시한 도면들이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 웨이퍼(W)의 벌크금속(BM) 분석방법은 수집부(1)의 형성단계(S10), 벌크금속(BM)의 외부-확산단계(S20), 벌크금속(BM)의 수집단계(S30) 및 분석단계(S40)를 포함하며, 이러한 단계를 하기에서 순차적으로 설명한다.

도 1의 도시와 같이, 분석하고자 하는 웨이퍼(W) 상에 수집부(1)를 형성하는 단계가 제 1 단계로 진행된다. 상기 웨이퍼(W) 상에 형성되는 수집부(1)는 도 4의 도시와 같이, 상기 웨이퍼(W)의 표면에 균일하게 분포하도록 복수개 형성된다. 여기서, 도 5의 도시와 같이, 상기 수집부(1)는 상기 웨이퍼(W)의 표면을 인위적으로 손상을 가함으로써, 웨이퍼(W) 표면의 결정구조가 인위적으로 깨진 데미지이다. 이러한 수집부(1)는 벌크(B)로부터 외부-확산된 벌크금속(BM)을 분석하기 이전에 내부-확산됨을 차단하는 일종의 사이트(Site)를 제공한다.

상기와 같은 수집부(1)는 상기 웨이퍼(W)의 표면으로부터 인입된 깊이(D)와 돌출된 높이(H)를 가진다. 이때, 상기 수집부(1)의 폭(L), 깊이(D) 및 높이(H)는 각각 2000~3000nm, 100~150nm 및 30~35nm를 가짐으로써, 후행되는 벌크금속(BM)의 수집 및 분석단계(S30)(S40)를 간섭하지 않는 사이즈를 가진다. 참고로, 본 실시예에서는 상기 수집부(1)의 폭(L), 깊이(D) 및 높이(H)가 각각 2497nm, 128.8nm 및 31.53nm를 가지는 것으로 도시하였다.

한편, 상기 벌크금속(BM)을 분석하고자 하는 웨이퍼(W)는 반도체 기판이 되는 실리콘 웨이퍼로써, 보다 구체적으로는 과도핑된 EPI 웨이퍼(W)이다. 그러나, 꼭 이를 한정하는 것은 아니며, 상기 웨이퍼(W)의 벌크금속(BM)을 분석하고자 하는 다양한 종류 및 형상의 웨이퍼를 포함할 수 있음은 당연하다.

상기 웨이퍼(W) 상에 수집부(1)가 형성되면, 상기 웨이퍼(W)로부터 벌크금속(BM)을 외부-확산시킨다(S20). 이러한 벌크금속(BM)의 외부-확산단계(S20)는 도 2의 도시와 같이, 상기 웨이퍼(W) 표면의 자연산화막(2) 및 표면금속(SM)을 제거하는 단계(S21)와, 상기 웨이퍼(W)를 가열하는 단계(S22)를 포함한다.

구체적으로, 도 6의 도시와 같이, 상기 웨이퍼(W) 표면에 형성되어 있던 자연산화막(2)과 웨이퍼(W)의 표면금속(SM)을 강산(S1)으로 제거한다(S21). 여기서, 상기 웨이퍼(W)의 표면에 형성되는 자연산화막(2)은 공기 중의 산소와 웨이퍼(W)의 반응에 의해 형성되며, 벌크금속(BM)이 표면상으로 외부-확산됨을 저해하는 장벽으로 작용한다. 아울러, 상기 웨이퍼(W)의 표면금속(SM)도 벌크금속(BM)의 외부-확산을 억제하는 요인이다. 그러므로, 상기 웨이퍼(W)의 벌크금속(BM)을 외부-확산시키기 이전에, 상기 웨이퍼(W) 표면의 장애물인 자연산화막(2)과 벌크금속(BM)을 제거하는 것이다.

참고로, 상기 자연산화막(2)과 표면금속(SM)을 제거하는 강산(S1)은 불화수소(HF)와 과산화수소(H₂0₂)가 2:1로 혼합된 용액으로써, 웨이퍼(W)의 표면으로 분사 되어 웨이퍼(W) 표면의 자연산화막(2)과 표면금속(SM)을 스캔하여 제거한다.

상기와 같이, 상기 웨이퍼(W)의 표면의 자연산화막(2)과 표면금속(SM)이 제거되면, 도 7의 도시와 같이, 웨이퍼(W)는 적외선램프 또는 열판과 같은 가열수단(40)에 의해 가열된다(S22). 이때 상기 가열수단(3)의 가열온도는 대략 150~400℃이며, 가열시간은 대략 2시간 이상이다. 이러한 가열수단(3)에 의한 웨이퍼(W)의 가열조건은 도 13과 같이, 보론(Boron)의 농도가 0.005Ωcm, 2*10¹⁰atoms/cm³이고 두께가 대략 750um인 웨이퍼(W)를 다양한 온도에서 3시간 가열하였을 경우, 300℃로 3시간 가열하였을 때 웨이퍼(W) 두께의 2배에 가까운 1140um로 구리가 외부-확산됨을 확인하여 도출된 값이다. 이러한 웨이퍼(W)의 가열(S22)에 의해, 상기 벌크금속(BM)이 표면으로 외부-확산된다. 여기서, 상기 벌크금속(BM)은 웨이퍼(W)의 벌크(B)로부터 확산되는 구리(Cu)와 니켈(Ni)을 포함한다.

상기 확산된 벌크금속(BM)은 도 8의 도시와 같이, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 수집부(1)로 수집된다(S30). 구체적으로, 격자와 격자 사이를 이동하여 외부-확산되는 벌크금속(BM)이 웨이퍼(W)의 표면의 결정구조가 인위적으로 파괴되어 에너지 준위가 불안정한 데미지인 수집부(1)로 포획되는 것이다. 이에 의해, 상기 벌크금속(BM)은 벌크(B)로 내부-확산되지 않으며, 수집부(1)로 집중될 수 있게 된다.

상기 수집부(1)에 벌크금속(BM)이 수집되면(S30), 수집된 벌크금속(BM)을 분석한다(S40). 여기서, 상기 분석단계(S40)는 도 3의 도시와 같이, 상기 웨이퍼(W)의 표면 산화물을 제거하는 단계(S41), 벌크금속(BM)의 스캔단계(S42) 및 스캔된 벌크금속(BM)을 분석하는 단계(S43)를 포함한다.

상기 웨이퍼(W)의 가열에 의해(S22)에 의해 웨이퍼(W)로부터 제거되었던 자연산화막(2)과 유사한 산화물이 형성되며, 이 산화물은 불화수소 증기(HF Fume)를 통해 제거한다(S41). 이는, 앞선 자연산화막(2)의 제거단계(S21)에서와 같이 강산(S1)으로 산화물을 제거할 경우, 외부-확산된 벌크금속(BM)까지도 함께 제거될 수 있음을 방지하기 위함이다. 이렇게, 상기 웨이퍼(W)의 가열에 의해 형성된 산화물을 제거함으로써, 후행될 벌크금속(BM)의 스캔공정을 저해함이 방지된다.

상기 불화수소 증기(HF Fume)로 웨이퍼(W)를 처리한 후(S41), 도 10의 도시와 같이, 수집부(1)로 수집된 벌크금속(BM)을 약산(S2)으로 스캔한다. 이때, 상기 약산(S2)은 불화수소(HF), 과산화수소(H₂O₂), 및 물((H₂O)의 혼합에 의해 형성된다.

이 후, 도 11의 도시와 같이, 상기 약산(S2)에 스캔된 벌크금속(BM)은 무기분석기(5)에 의해 분석된다. 이로써, 상기 웨이퍼(W)의 벌크(B)를 오염시켰던 벌크금속(BM) 즉, 구리와 니켈의 농도가 도 12와 같이 측정된다.

상기와 같은 웨이퍼(W)의 벌크금속(BM) 분석방법은 LTOD 방식과 동일하나, 웨이퍼(W)의 표면에 외부-확산된 벌크금속(BM)을 수집할 수 있는 수집부(1)를 구비하여 벌크금속(BM)의 내부-확산을 방지하다는 점에서 그 특징을 가진다. 즉, 본원발명은 수집부(1)를 가지는 LTOD 방식으로 웨이퍼(W)의 벌크금속(BM)을 분석하는 것이다.

참고로, 도 12의 그래프는, 동일한 양의 벌크금속(BM)으로 오염된 과도핑된 EPI 웨이퍼(W)를 기존의 PUTP 방식과 본발명과 같이 수집부(1)를 구비하는 LTOD 방식으로 벌크금속(BM)을 분석하여 비교한 데이타이다. 도 12의 도시와 같이, 상기 기존의 PUTP방식으로 분석된 벌크금속(BM)인 구리(Cu)와 니켈(Ni)의 농도와, 수집부(1)를 구비하는 LTOP방식의 분석된 구리(Cu)와 니켈(Ni)의 농도가 각각 99.7%와 99.9%로 일치한다. 따라서, 기존의 LTOP방식의 장점인 빠른 시간안에 벌크금속(BM)을 분석할 수 있는 효과를 가짐에도 불구하고, PUTP방식과 같은 높은 정확도를 가질 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 웨이퍼의 벌크금속 분석방법의 순서도,

도 2는 벌크금속의 외부-확산단계를 설명하는 순서도,

도 3은 분석단계를 설명하는 순서도,

도 4는 수집부가 형성된 웨이퍼의 평면도,

도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ단면도,

도 6 내지 도 11은 웨이퍼의 벌크금속 분석단계를 개략적으로 도시한 도면들,

도 12는 기존의 PUTP 방식과 본원발명에 의한 구리와 니켈 분석 정확도를 비교하기 위한 그래프, 그리고,

도 13은 웨이퍼의 가열조건을 설명하기 위한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

W: 웨이퍼 B: 벌크

BM: 벌크금속 1: 수집부

2: 자연산화막 3: 가열수단

4: HF 증기 5: 분석기

Claims (13)

1. 웨이퍼 표면의 결정구조를 인위적으로 파괴하여 상기 웨이퍼에 수집부를 형성시키는 단계;

   상기 웨이퍼의 벌크금속을 외부-확산시키는 단계;

   상기 외부-확산된 벌크금속을 상기 수집부로 수집하는 단계; 및

   상기 수집된 벌크금속을 분석하는 단계;

   를 포함하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수집부는 상기 웨이퍼 표면에 균일하게 분포하도록 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 수집부는 상기 웨이퍼에 다이아몬드 마킹을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 수집부의 폭, 깊이 및 높이는 각각 2000~3000nm, 100~150nm 및 30~35nm를 가지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 벌크금속을 외부-확산시키는 단계는,

   상기 웨이퍼 표면의 자연산화막 및 표면금속을 강산으로 제거하는 단계; 및

   상기 웨이퍼를 가열하는 단계;

   를 포함하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 웨이퍼를 가열하는 단계는 상기 웨이퍼를 150~400℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 웨이퍼를 가열하는 단계는 상기 웨이퍼를 2시간 이상 가열하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 수집된 벌크금속의 분석단계는,

   상기 웨이퍼의 산화물을 제거하는 단계;

   상기 벌크금속을 약산에 의해 스캔하는 단계; 및

   상기 스캔된 금속을 분석하는 단계;

   를 포함하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 웨이퍼의 산화물은 불화수소 증기(HF Fume)에 상기 웨이퍼를 노출시킴에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.
11. 과도핑된 EPI 웨이퍼의 표면의 결정구조를 인위적으로 파괴하여 수집부를 형성시키는 단계;

    상기 웨이퍼 표면의 자연산화막 및 금속을 제거하는 단계;

    상기 웨이퍼를 가열하는 단계;

    상기 수집부로 벌크금속이 수집되는 단계;

    상기 가열된 웨이퍼의 산화물을 제거하는 단계;

    상기 수집된 벌크금속을 약산에 의해 스캔하는 단계; 및

    상기 스캔된 벌크금속을 분석하는 단계;

    를 포함하는 웨이퍼 금속 분석방법.
12. 삭제
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 수집부는 상기 웨이퍼의 표면에 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 벌크금속 분석방법.

Images