KR102644675B1 - 탄소농도 평가방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 실리콘웨이퍼에 소정의 원소의 이온을 주입하고, 그 후, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도로부터 탄소농도를 측정하는 탄소농도 평가방법으로서, 상기 이온의 주입을, 1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73<주입량(cm-2)<4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73이 되는 주입조건으로 행하고, 탄소농도를 평가하는 것을 특징으로 하는 탄소농도 평가방법을 제공한다. 이에 따라, 촬상소자의 포토다이오드영역인 표층 1~2μm의 탄소농도를 고감도로 측정할 수 있는 탄소농도 평가방법이 제공된다.

Description

탄소농도 평가방법
본 발명은, 탄소농도 평가방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로를 제작하기 위한 기판으로서, 주로 CZ(Czochralski)법에 의해 제작된 실리콘웨이퍼가 이용되고 있다. 최근의 최첨단 촬상소자에 있어서의 불량은, 디바이스활성영역 중의 극미량의 금속불순물이 원인으로 생각되고 있다. 구체적으로는, 웨이퍼 중의 금속불순물은 깊은 준위를 형성함으로써 흰스크래치불량의 원인이 된다. 한편, 디바이스공정에 있어서는, 이온주입공정이 있으며, 점결함이 발생한다. 이온주입으로 발생한 점결함은, 웨이퍼 중의 탄소와 반응하여, CiCs복합체를 형성한다. CiCs복합체는 준위를 형성하므로 흰스크래치불량의 한 요인이 되는 것으로 예상된다.
웨이퍼 중의 탄소농도 측정에는, FT-IR법, SIMS 또는 전자선조사+저온PL측정을 들 수 있다.
일본특허공개 2015-222801호 공보
JEITA EM-3503 응용물리 제84권 제11호 (2015) p.976
상기의 FT-IR법은 웨이퍼에 적외광을 투과시켜, 1106cm-1위치의 적외흡수피크로부터 탄소농도를 정량하는 방법이다(비특허문헌 1). 그러나, FT-IR법에 의한 분석은 투과광의 흡수로 측정하기 때문에 웨이퍼깊이방향 전체의 평가가 되어, 디바이스활성층인 극표층의 평가는 할 수 없다. 게다가, 감도가 낮고, 검출 하한도 0.03ppma 정도로 높다.
상기의 2차이온질량분석법(SIMS)은, 샘플 표면에 1차이온을 조사하고, 방출된 2차이온을 질량분석함으로써 원소분석을 행하는 것이 가능하다. SIMS분석은 탄소농도의 깊이방향분포가 측정가능한데, 검출 하한이 0.05ppma 정도가 되어, 극저탄소분석은 어렵다.
상기의 전자선조사+저온PL측정법은, 전자선조사에 의해 웨이퍼 내에 도입된 점결함과 탄소가 반응하여, 격자간탄소와 치환탄소의 복합체(CiCs복합체)가 형성되고, 저온PL법으로 그 복합체에 의한 발광강도로부터 탄소농도를 정량하는 방법이다(비특허문헌 2).
이 수법은, 감도가 놓고 검출 하한이 낮은데, 웨이퍼깊이방향 전체에 CiCs복합체가 형성되어, 저온PL법으로 검출되는 CiCs복합체는 저온PL측정시의 캐리어의 확산깊이에 의존한다. 예를 들어 비특허문헌 2에서는 약 10μm가 되어, 그보다 얕은 영역의 탄소농도는 측정할 수 없다. 예를 들어, 촬상소자의 포토다이오드영역인, 표층 1~2μm의 평가는 할 수 없다.
또한, 이온주입+PL법으로 탄소농도를 측정하는 선행기술로서, 특허문헌 1이 있는데, 정량하기 위한 검량선의 작성방법이다. 나아가, 탄소농도 측정에 있어서의 저온PL법으로 검출하는 CiCs복합체를 형성하기 위한 이온주입의 조건에 대해서는, 고감도로 탄소농도를 측정한다는 관점에서 최적화되어 있지 않다.
본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 촬상소자의 포토다이오드영역인 표층 1~2μm의 탄소농도를 고감도로 측정할 수 있는 탄소농도 평가방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 실리콘웨이퍼에 소정의 원소의 이온을 주입하고, 그 후, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도로부터 탄소농도를 측정하는 탄소농도 평가방법으로서, 상기 이온의 주입을, 1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73<주입량(cm-2)<4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73이 되는 주입조건으로 행하고, 탄소농도를 평가하는 것을 특징으로 하는 탄소농도 평가방법을 제공한다.
이처럼, 이온의 주입을, 1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73<주입량(cm-2)<4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73이 되는 주입조건으로 행함으로써, 표층에 있어서의 CiCs복합체의 발광강도를 높일 수 있으므로, 촬상소자의 포토다이오드영역인 표층 1~2μm의 탄소농도를 고감도로 측정할 수 있고, 이에 따라, 촬상소자특성이 양호한 웨이퍼를 선별할 수 있다. 또한, 프로세스의 도중단계에서도 표층의 탄소농도의 측정을 가능하게 함으로써, 각종 프로세스의 탄소농도의 오염상황의 파악을 용이하게 할 수 있다.
이때, 상기 이온주입 후에 회복열처리를 200℃ 이하의 온도에서 행하고, 그 후 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도로부터 탄소농도를 측정하는 것이 바람직하다.
이처럼 이온주입 후에 회복열처리를 200℃ 이하의 온도에서 행함으로써, CiCs복합체의 발광강도를 보다 효과적으로 높일 수 있다.
이때, 상기 실리콘웨이퍼에 이온주입하는 원소를, 헬륨 또는 수소로 할 수 있다.
실리콘웨이퍼에 이온주입하는 원소로서, 이러한 원소를 호적하게 이용할 수 있다.
이때, 상기 탄소농도는 상기 실리콘웨이퍼의 표면으로부터 2μm 이하의 범위인 영역을 측정하는 것이 바람직하다.
이러한 영역의 탄소농도를 측정함으로써, 촬상소자의 포토다이오드영역인 표층 1~2μm의 탄소농도를 고감도로 측정할 수 있고, 촬상소자특성이 양호한 웨이퍼를 선별할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 탄소농도 평가방법에 따르면, CiCs복합체의 발광강도를 높일 수 있으므로, 촬상소자의 포토다이오드영역인 표층 1~2μm의 탄소농도를 고감도로 측정할 수 있고, 이에 따라, 촬상소자특성이 양호한 웨이퍼를 선별할 수 있다. 또한, 프로세스의 도중단계에서도 표층의 탄소농도의 측정을 가능하게 함으로써, 각종 프로세스의 탄소농도의 오염상황의 파악을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 탄소농도 평가방법을 나타내는 플로우도이다.
도 2는 He이온주입, He이온주입+추가열처리(150℃/60min), O이온주입을 이용한 경우의 CiCs복합체의 발광강도의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 3은 에칭 전후의 저온PL스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4는 각 원소이온주입 후의 저온PL측정에 있어서의 CiCs복합체의 발광강도를 나타내는 도면이다.
도 5는 CiCs복합체의 발광강도의 He이온주입의 주입량의존성을 나타내는 도면이다.
도 6은 CiCs복합체의 발광강도가 높아지는 주입조건을 나타내는 도면이다.
도 7은 이온주입 후의 추가열처리시간과 CiCs복합체의 발광강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 이온주입 후의 추가열처리온도와 CiCs복합체의 발광강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여, 실시태양의 일 예로서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하나, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
우선, 이온주입을 행한 후에 저온PL법에 의해 웨이퍼표층의 탄소농도의 측정을 행할 수 있는 것을 이하에 설명한다.
이온주입함으로써, 웨이퍼 중에 점결함을 도입한다. 도입된 점결함은 웨이퍼 중의 탄소와 반응하여, CiCs복합체를 형성한다. 형성된 CiCs복합체는, 저온PL법으로 검출할 수 있으며, 같은 도전형이고 저항률과 산소농도가 동일 정도이면, 탄소농도를 정량하는 것이 가능하다.
점결함은 웨이퍼 중에서 C 외에 산소나 도펀트 모두 반응한다. 따라서, 산소농도나 도펀트농도가 상이한 웨이퍼 중의 탄소농도를 측정하는 경우는, 주의가 필요하다.
또한, 이온주입으로 발생하는 점결함은, 국소에 한정할 수 있다. 구체적으로는, 이온주입의 주입에너지에 따라, 점결함이 발생하는 깊이영역을 선택할 수 있다. 그 깊이는 대체로 수μm이며 에너지가 낮을수록, 얕아진다. 이 점으로부터, 웨이퍼표층의 탄소농도의 측정이 가능하다.
처음에, 이온주입에 의해 형성되는 CiCs복합체가 표층에 한정되어 있는 것을 확인하는 조사를 행하였다. 에피택셜층의 두께가 5μm인 n/n-EPW(에피택셜웨이퍼)에 비정(飛程)이 0.5μm가 되는 에너지의 이온주입(He이온주입, 주입량(이하, 도즈량이라고도 한다): 1×1011cm-2, 에너지: 150keV)을 실시한 후에 저온PL법으로 평가를 행하였다. 그 후, 표층 1μm를 에칭으로 제거하고, 재차 저온PL법으로 평가하였다. 도 3에 에칭 전후의 저온PL법에 의한 측정결과를 나타낸다. 도 3(a)는 저온PL스펙트럼 전체를, 도 3(b)는 CiCs복합체의 발광영역을 확대한 것을 나타낸다. 에칭 후에는 CiCs복합체의 발광(1278nm 부근에 나타나는 발광)이 검출되지 않게 된 것을 확인할 수 있었다.
즉, 금회 실시한 이온주입에 의해 도입된 점결함과 반응하는 탄소는, 표층 1μm 이내인 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터, 이온주입+저온PL법에 의해 평가되는 탄소는 이온주입에 있어서의 비정 정도의 표층인 것을 알 수 있었다.
그리고, 표층의 탄소농도를 저농도까지 정량하기 위해서는, 저온PL측정에 있어서 CiCs복합체의 발광강도가 높은 편이 유리하다. 즉, CiCs복합체의 발광강도가 높아지는 이온주입조건을 구할 필요가 있다.
다음에, CiCs복합체의 발광강도가 높아지는 이온주입조건(주입량)을 어떻게 구할지에 대하여, 이하에 설명한다.
복수의 실리콘웨이퍼를 준비하고, 각각의 실리콘웨이퍼에 H, He, B, O의 이온주입을 실시한 후에, 저온PL법에 의한 측정을 행한 결과를 도 4에 나타낸다. 어느 이온주입도 주입량은 1.0×1011cm-2이다. 그 결과, He의 이온주입의 경우가 가장 CiCs복합체의 발광강도가 높은 것을 알 수 있었다.
다음에, He의 이온주입에 관해, 주입량이 상이한 경우를 조사하였다. 구체적인 주입량은 1.0×1011~1.0×1014cm-2이다. 저온PL법에 의한 측정을 행하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5로부터, CiCs복합체의 발광강도는 주입량이 낮을수록 높아지는 것을 알 수 있었다.
상기 두 결과로부터, 주입량 1.0×1011cm-2의 He을 이온주입한 CiCs복합체의 발광강도가 가장 높고, 같은 주입량이며, He보다 질량이 가볍고 주입데미지가 낮은 H의 이온주입에서는 CiCs복합체의 발광강도가 약간 작아지지만 높은 CiCs복합체의 발광강도가 얻어진다. 즉, 이 영역에 최적의 이온주입조건이 존재하는 것을 알 수 있었다.
이에, 이온주입에서 발생하는 점결함량을, 이체충돌시뮬레이션소프트SRIM(http://www.srim.org/)을 이용하여 견적하였다. 그 결과, 주입량 1.0×1011cm-2의 He의 이온주입인 경우의 표층 1μm의 평균공공농도는, 약 1.8×1017cm-3이고, 주입량 1.0×1011cm-2의 H의 이온주입인 경우의 표층 1μm의 평균공공농도는, 약 1.5×1016cm-3로 견적되었다. 즉, 평균공공농도가 1.5×1016cm-3~1.8×1017cm-3의 범위가 되는 이온주입조건이, CiCs복합체의 발광강도가 높아지는 조건인 것을 알 수 있었다. 이 조건을 만족하는 이온주입조건을 주입원소의 원자량과 주입량으로 나타내면, 1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73<주입량(cm-2)<4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73이 되는 것을 알 수 있었다. 상기의 조건으로 이온주입을 행함으로써 CiCs복합체의 발광강도가 높아진다. 이것을 도면으로 나타내면 도 6과 같이 된다. 도 6에 있어서, 사선영역이 CiCs복합체의 발광강도가 높아지는 영역(유효영역)이다.
이와 같이 최적의 이온주입조건이 존재하는 것은, 이하와 같이 생각할 수 있다. CiCs복합체의 형성에는 점결함의 도입이 필요한데, 도입되는 점결함량이 탄소농도와 비교하여 과잉인 경우는, CiCs복합체가 추가로 점결함과 반응하여, CiCs복합체의 발광강도는 낮아진다. 이 점으로부터, 최적의 점결함도입량이 존재하는 것으로 추정된다.
나아가, CiCs발광강도를 추가열처리로 높일 수 있는지의 여부를 조사하였다. 구체적으로는, 주입량 1.0×1011cm-2의 He의 이온주입의 후에, 50~300℃에서 10~300min의 열처리를 가한 후에, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도를 조사하였다. 그 결과를 도 7, 8에 나타낸다. 도 7, 8로부터 150℃/60min의 열처리를 추가함으로써 CiCs복합체의 발광강도가 가장 높아지는 것을 알 수 있었다. 이 이유는, 이온주입 후의 추가열처리에 의해 CiCs복합체의 형성이 촉진되었기 때문으로 생각된다. 250℃ 이상에서는, CiCs복합체가 소멸되는 것으로 나오기 때문으로 생각된다.
다음에, 본 발명의 탄소농도 평가방법을, 도 1을 참조하면서 이하에서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 탄소농도 평가방법을 나타내는 플로우도이다.
우선, 평가대상인 실리콘웨이퍼를 준비한다(도 1의 S11 참조).
다음에, 준비한 실리콘웨이퍼에, 소정의 원소의 이온을, 1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73<주입량(cm-2)<4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73이 되는 주입조건으로 주입한다(도 1의 S12 참조).
실리콘웨이퍼에 이온주입하는 원소는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 헬륨 또는 수소로 할 수 있다.
실리콘웨이퍼에 이온주입하는 원소로서, 이러한 원소를 호적하게 이용할 수 있다.
다음에, 이온주입한 실리콘웨이퍼에 대하여, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도로부터 탄소농도를 측정한다(도 1의 S13 참조).
도 1의 S13의 탄소농도의 측정에 있어서, 실리콘웨이퍼의 표면으로부터 2μm 이하의 범위인 영역을 측정하는 것이 바람직하다.
이러한 영역의 탄소농도를 측정함으로써, 촬상소자의 포토다이오드영역인 표층 1~2μm의 탄소농도를 고감도로 측정할 수 있고, 촬상소자특성이 양호한 웨이퍼를 선별할 수 있다. 한편, 탄소농도를 측정하는 영역은, 실리콘웨이퍼의 표면으로부터 2μm 이하의 범위이면 되고, 그 하한은 0μm(실리콘웨이퍼의 표면)로 할 수 있다.
도 1의 S12의 이온주입 후에, 회복열처리를 200℃ 이하의 온도에서 행하고, 그 후 도 1의 S13의 탄소농도의 측정을 행하는 것이 바람직하다.
이처럼 이온주입 후에 회복열처리를 200℃ 이하의 온도에서 행함으로써, CiCs복합체의 발광강도를 보다 효과적으로 높일 수 있다. 한편, 회복열처리는, 예를 들어, 50℃ 이상, 200℃ 이하의 온도에서 행할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 탄소농도 평가방법에 따르면, 표층의 CiCs복합체의 발광강도를 높일 수 있으므로, 촬상소자의 포토다이오드영역인 표층 1~2μm의 탄소농도를 고감도로 측정할 수 있고, 이에 따라, 촬상소자특성이 양호한 웨이퍼를 선별할 수 있다. 또한, 프로세스의 도중단계에서도 표층의 탄소농도의 측정을 가능하게 함으로써, 각종 프로세스의 탄소농도의 오염상황의 파악을 용이하게 할 수 있다.
(실시예)
이하, 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
에피택셜층 중의 C농도를 변화시킨 n형의 실리콘에피택셜웨이퍼에, 주입량 1×1011cm-2의 He을 이온주입한 후, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도를 측정하였다.
한편, He의 원자량은 4이고, 상기의 주입량은, 1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73=3.99×1010<주입량(cm-2)<4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73=1.56×1011의 범위 내이다.
또한, 상기와 동일한 조건으로 이온주입을 행한 후, 추가로 150℃/60min의 열처리를 가한 경우에 대해서도, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도를 측정하였다.
다음에, 이들 실리콘에피택셜웨이퍼의 에피택셜층의 탄소농도를 SIMS로 측정하였다.
그리고, 이들의 측정결과로부터 얻어진 CiCs복합체의 발광강도와 탄소농도의 관계로부터 탄소농도의 검량선을 작성하였다(도 2 참조).
이 탄소농도는, 이온주입조건으로부터 표층에서부터 1μm 정도의 탄소농도를 나타내는 것이며, 0.002ppma 미만의 탄소농도의 측정이 가능해지는 것을 알 수 있었다(도 2 참조). 또한, 열처리를 가한 쪽이 CiCs복합체의 발광강도가 약간 높아졌다(도 2 참조). 이에 따라, 열처리를 가함으로써 탄소농도의 검출감도가 더욱 높아지는 것이 확인되었다.
(비교예 1)
에피택셜층 중의 C농도를 변화시킨 n형 실리콘에피택셜웨이퍼에 주입량 1×1011cm-2의 O를 이온주입한 후, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도를 측정하였다.
다음에, 이들 실리콘에피택셜웨이퍼의 에피택셜층의 탄소농도를 SIMS로 측정하였다.
그리고, 이들의 측정결과로부터 얻어진 CiCs복합체의 발광강도와 탄소농도의 관계로부터 탄소농도의 검량선을 작성하였다(도 2 참조).
이 탄소농도는 이온주입조건으로부터 표층에서부터 1μm 정도의 탄소농도를 나타내는 것이다. 실시예 1의 He을 이온주입한 경우에 비하면 CiCs복합체의 발광강도는 작아지고, 탄소농도의 검출감도는 뒤떨어지고, 0.02ppma 미만의 에피택셜층의 표층의 탄소농도 측정의 측정이 불가능한 것을 알 수 있었다(도 2 참조).
이때, 0.002ppma 미만의 탄소농도를 측정할 수 있는 검량선을 얻으려면, O의 원자량이 15.99이므로, 주입량을 1.45×1010(=1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73)cm-2<주입량<5.68×1010(=4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73)cm-2로 할 필요가 있다.
(실시예 2, 비교예 2, 3)
본 발명에 있어서의 He이온주입의 도즈량(주입량)의 범위는, He의 원자량이 4이므로, 4×1010cm-2<도즈량(주입량)<1.6×1011cm-2이다.
이에, 실시예 1과 마찬가지로, n/n-EPW(에피택셜웨이퍼)에 도즈량이 3×1010(비교예 2), 5×1010(실시예 2), 5×1011(비교예 3)cm-2인 He이온주입을 실시한 후에, 저온PL법으로의 CiCs복합체의 발광강도를 측정하였다.
그 결과, 도즈량 1×1011cm-2의 경우(실시예 1)의 CiCs복합체의 발광강도를 1로 하면, 도즈량이 3×1010cm-2에서는 0.6, 도즈량이 5×1010cm-2에서는 0.98, 도즈량이 5×1011cm-2에서는 0.4가 되었다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 도즈량(주입량)의 범위에서 CiCs복합체의 발광강도가 높아지는 것으로 나타났다.
도즈량이 낮은 경우에 CiCs복합체의 발광강도가 낮아지는 이유는, 측정영역 중의 탄소가 CiCs복합체의 형성에 필요한 점결함량이 부족하기 때문이다. 또한, 도즈량이 너무 높은 경우에 CiCs복합체의 발광강도가 저하되는 이유는, 주입에 의해 도입되는 점결함량이 과잉이 되고, CiCs복합체와 점결함이 반응하여, CiCs복합체농도가 저하되었기 때문이다.
한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 마찬가지의 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (5)

  1. 실리콘웨이퍼에 소정의 원소의 이온을 주입하고, 그 후, 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도로부터 탄소농도를 측정하는 탄소농도 평가방법으로서,
    상기 이온의 주입을, 1.1×1011×[주입원소원자량]-0.73<주입량(cm-2)<4.3×1011×[주입원소원자량]-0.73이 되는 주입조건으로 행하고, 탄소농도를 평가하는 것을 특징으로 하는 탄소농도 평가방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온주입 후에 회복열처리를 200℃ 이하의 온도에서 행하고, 그 후 저온PL법으로 CiCs복합체의 발광강도로부터 탄소농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 탄소농도 평가방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘웨이퍼에 이온주입하는 원소를, 헬륨 또는 수소로 하는 것을 특징으로 하는 탄소농도 평가방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실리콘웨이퍼에 이온주입하는 원소를, 헬륨 또는 수소로 하는 것을 특징으로 하는 탄소농도 평가방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소농도는 상기 실리콘웨이퍼의 표면으로부터 2μm 이하의 범위인 영역을 측정하는 것을 특징으로 하는 탄소농도 평가방법.
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