KR20020051346A - 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법 - Google Patents

단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명의 목적은 실리콘 웨이퍼의 표면에 Gettering 효과를 내기 위하여 인위적으로 웨이퍼의 표면에 물리적인 손상을 형성하고, 잉여 캐리어를 형성시켜서 나타나는 표면 광전압을 이용하여 잉여 캐리어의 표면 재결합 속도를 측정함으로써 물리적 손상의 정도를 평가하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적을 달성을 위한 해결원리는 실리콘 단결정 웨이퍼의 검사 방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼의 일측 면에 슬러리를 분사하여 물리적인 손상을 형성하는 단계와, 상기 웨이퍼를 세정하는 단계와, 세정 후의 웨이퍼를 SPV장비를 이용하여 캐리어의 재결합 속도 또는 캐리어의 확산 거리를 측정하거나, 표면 광전압을 측정하여 물리적 손상의 정도를 판단하는 것이다.
여기서 슬러리 분사 강도를 몇 단계로 나누어서 분사하고, 웨이퍼 세정은 ANC-1 공정을 실시한 후, 불산 HF 용액에 넣어서 표면을 일정 깊이로 식각하고, SC-1 공정을 실시하여 표면에 붙어 있는 파티클들을 제거하는 방법을 사용한다.

Description

단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법{A Method for inspection a single crystalline wafer}
본 발명은 실리콘 단결정 웨이퍼의 검사 방법으로서, 특히 표면에 물리적인 손상이 있는 웨이퍼의 검사 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 표면(Front side)에는 많은 전자 회로들이 형성되는데, 이러한 회로를 형성하는 공정 중에 웨이퍼 내로 불순물이 칩입하거나 웨이퍼 자체에 내재되어 있는 결합들이 발전하여 제조를 완료한 디바이스의 불량품으로 만드는 경우가 많다.
Fe, Cu, Ni, Cr 과 같은 천이 금속들은 Si 웨이퍼 내부로 빠르게 확산하는 금속 불순물로서 반도체 디바이스 생산 수율을 저하시키는 중요한 요인 중 하나이다.
이러한 불순물들을 흡수하여 고정하여 더 이상 디바이스에 영향을 주지 못하게 하는 것을 통상 게터링이라 한다 . 웨이퍼에 존재하는 불순물을 흡수하거나 고정시키는 역할을 하게 하기 위한 이러한 게터링(Gettering) 목적으로 웨이퍼의 이면(Back side)에 물리적인 손상을 형성하는 경우가 있다. 웨이퍼의 이면에 형성된 이러한 물리적 손상들은 웨이퍼 표면에 전자회로를 형성하는 열처리 공정 중에 웨이퍼 내의 금속 불순물들을 흡수하여 고정하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
그래서 반도체 디바이스 메이커들은 웨이퍼의 한면에 물리적 손상을 형성시켜 주기를 요구하고 있고 그 손상의 정도를 미리 알 수 있기를 요구하고 있다.
종래에는 이러한 물리적 손상을 형성하기 위하여 도1에서 보인 바와 같이 슬러리를 웨이퍼의 표면(Surface)에 분사하여 미세한 스크래치 같은 흠을 형성한 후, 세정공정으로 이들 슬러리를 제거하고, 고온열처리 공정으로 표면에 산화막을 형성하고, 식각 공정으로 표면 산화막을 식각한 후, 현미경으로 표면을 관찰하여 물리적 손상의 밀도를 보고 물리적 손상의 등급을 결정하는 방법을 사용하였다.
그러나 이러한 방법은 슬러리를 분사한 후, 고온열처리를 하여야 하고, 현미경으로 관찰하여야 하기 때문에, 여러 가지 공정을 거쳐야 하고, 시간도 오래 걸리고, 육안으로 관찰하여 평가하므로 정확도나 신뢰성이 약하였다.
본 발명의 목적은 실리콘 웨이퍼의 표면에 Gettering 효과를 내기 위하여 인위적으로 웨이퍼의 표면에 물리적인 손상을 형성하고, 표면이 손상된 정도를 잉여 캐리어를 형성시켜서 나타나는 표면 광전압을 이용하여 잉여 캐리어의 표면 재결합 속도를 측정함으로써 물리적 손상의 정도를 평가하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적을 달성을 위한 해결원리는 실리콘 단결정 웨이퍼의 검사 방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼의 일측 면에 슬러리를 분사하여 물리적인 손상을 형성하는 단계와, 상기 웨이퍼를 세정하는 단계와, 세정 후의 웨이퍼를 SPV장비를 이용하여 실리콘 웨이퍼에 잉여 캐리어를 형성시키고, 이로 인해 발생되는 표면의 광전압을 측정함으로써 캐리어의 재결합 속도를 계산하여 물리적 손상의 정도를 판단하는 것이다
여기서 슬러리 분사 강도를 몇 단계로 나누어서 분사하고, 웨이퍼 세정은 ANC-1 공정을 실시한 후, 불산 HF 용액에 넣어서 표면을 일정 깊이로 식각하고, SC-1 공정을 실시하여 표면에 붙어 있는 파티클들을 제거하는 방법을 사용한다.
도1은 종래의 웨이퍼 검사 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도2는 본 발명의 웨이퍼 검사 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도3은 표면에 물리적 손상에 의한 재결합 중심이 있는 경우의 잉여 캐리어의 표면 재결합 양상을 보인 도면이다.
도4는 잉여 캐리어의 생성 깊이에 따른 표면 광전압을 나타낸 그래프이다.
도5는 슬러리를 분사하는 강도에 따른 표면 재결합 속도의 차이를 표시한 그래프이다.
도6은 실리콘 웨이퍼의 표면에 물리적 손상을 입힌 후 고온의 열처리를 가하여 표면의 재결합 중심에 결함을 형성시킨 후 결함의 밀도를 보인 그래프이다.
도7은 도5와 도6에서 보인 데이터를 표면 재결합 속도와 결함의 수의 관계를 보인 그래프이다.
본 발명에서는 도2에서 보인 공정도와 같이, 실리콘 웨이퍼의 이면의 표면, 즉 반도체 회로 소자들이 형성되지 아니할 백 사이드의 표면에 슬러리를 분사하여 물리적인 손상을 입히고, 세정공정을 진행한 다음, SPV장비( 통상 소수 캐리어의 확산 거리를 측정하는 데에 주로 이용됨 )를 이용하여 소수 캐리어의 재결합 속도를 측정하여 물리적 손상의 등급을 판단한다.
실리콘 웨이퍼의 표면에 물리적 손상을 형성하는 공정은 웨이퍼의 표면에 슬러리(SiO2를 포함하는 현탄액) 를 분사하는 것이다. 이때 슬러리를 분사하는 분사압력과 분사 회수를 변화시킴으로써 표면의 물리적 손상을 정도를 달리 할 수 있다. 본 발명에서는 이렇게 하는 슬러리 분사 강도 즉 분사 압력과 회수를 실험적으로 변화시켜 손상의 정도가 6단계가 되도록 조절하였으며, 분사를 아니하여 손상이 없는 것을 None으로 하고 손상의 강도가 작은 것으로부터 큰 것이 이르기까지 각각 Soft-Soft, Soft, E-Soft, Medium, Hard로 구분하였다.
슬러리 분사 공정을 거친 후, 세정공정을 실시한다.
세정 공정에서는 웨이퍼의 표면으로부터 슬러리를 제거하기 위하여 ANC-1 세정 공정을 실시하는데 이공에서는 여러가지 성분이 혼합된 ANC-1이라는 상품명을 가진 세정제를 사용하여 상온에서 5분 정도 웨이퍼 세정을 실시한 후 DI 순수로 깨끗이 한 후, 다시 불산 HF 용액에 넣어서 표면을 일정 깊이로 식각한다. 이 공정에서는 HF : H2O 를 1 : 235 정도로 용액을 만들어서 상온에서 1분 정도 실시하는데 이때 산화막이 식각된다. 그리고 이어서 SC-1 세정 공정을 실시하여 표면에 붙어 있는 파티클들을 제거한다. 이때는 NH4OH : H2O2: H2O 의 비를 10 : 3 :117 정도로 한 용액을 만들어서 상온에서 2분 정도 웨이퍼를 세정한다.
이렇게 깨끗하게 세정 된 웨이퍼를 SPV 측정장비를 사용하여 표면의 재결합 속도를 측정하여 손상의 정도에 따라 등급을 결정한다.
SPV 장비는 표면 재결합을 측정하기 위하여 통상 소수 캐리어의 확산 거리를 측정하는 데에 주로 이용되는 장비이다. 실리콘 반도체 웨이퍼에 표면에 빛을 조사하면 웨이퍼의 표면 근처에 잉여 캐리어들이 형성되며, 이들이 모여서 공간 전하영역을 형성한다. 이 공간전하 영역을 중심으로 하여 다수 캐리어(Majority Carrier) 는 내부로 확산되고, 소수 캐리어 (Minority Carrier) 는 표면에 축적되면서 표면에 부가적인 전압을 발생시킨다. 이러한 전압을 표면 광전압(Surface Photo-voltage)이라고 하며, SPV 장비는 이러한 표면 광전압을 측정하여 잉여 캐리어의 확산 거리 혹은 재결합 속도를 계산하는 장비이다.
반도체 웨이퍼 표면 근처의 표면 광전압은 캐리어의 생성 깊이에 따라 그 값이 변화하는데, 표면의 물리적 손상에 의한 재결합 중심이 존재하는 경우, 이러한 잉여 캐리어들은, 도3에 보인 바와 같이, 표면의 재결합 중심에 의해 재결합하여 표면 광전압의 크기에 영향을 미치게 된다.
도면3은 표면에 물리적 손상에 의한 재결합 중심이 있는 경우의 잉여 캐리어의 표면 재결합을 나타낸 것이다. 표면의 재결합 중심이 증가할수록 잉여 캐리어의 표면 재결합 정도가 커져 표면 재결합 속도가 커지며 표면 광전압에 영향을 미치게 된다.
캐리어의 생성 깊이에 따른 표면 광전압의 변화 및 이에 대한 표면 재결합의 영향은 아래의 식을 따른다.
Φeff / ΔV = A/L ( S + D/L ) (1/α + L )
여기서 S : 표면 재결합 계수, D : 확산 계수, L : 잉여 전자의 확산 거리, α: 잉여 캐리어를 형성시키는 빛의 흡수계수, A: 상수 이다
잉여 캐리어의 재결합 양상은 도3에 보인 바와 같으며, 이로 인해 나타나는 표면 광전압 기울기의 변화는 도4에 인 그래프와 같이 변화되는 것으로 측정되었다.
도면 3는 잉여 캐리어의 생성 깊이에 따른 표면 광전압을 나타낸 것으로, 표면에 재결합 중심이 분포하는 정도에 따라 표면 광전압의 기울기가 달라진다. 도3에서 X축은 잉여 캐리어가 형성되는 표면으로부터의 깊이를 나타내고, Y축은 표면 광전압을 나타낸다.
발명의 실시 예
실리콘 웨이퍼의 표면에 슬러리를 분사하는 압력과 회수를 변화함으로써 실험적으로 여러 번 반복하여 표면의 물리적 손상을 6단계로 조절하였으며, 슬러리를 분사하여 손상을 거치지 않은 것을 None으로 표시하고 손상의 강도가 작은 것으로부터 큰 것이 이르기까지 각각 Soft-Soft, Soft, E-Soft, Medium, Hard로 되돌고 표시하였다.
슬러리를 분사한 후 ANC-1 -> HF -> SC-1등의 순서로 세정한 후 표면의 재결합 속도를 측정하였다.
손상 정도에 따라 표면 재결합의 속도가 변화하는 것이 도4와 같이 관찰되었다. 즉 결함이 많이 형성되어 표면의 재결합 중심들이 많이 있는 경우에는 표면 광전압의 기울기가 작으며, 반대로 결함이 적게 형성되어 표면의 재결합 중심들이 적은 경우에는 표면 광전압의 기울기가 크게 된다는 것이다.
도5는 슬러리를 분사하는 분사 압력과 분사 회수의 차이에 따라 표면 재결합 속도의 차이를 표시한 것이다.
표면에 가해지는 물리적인 손상의 정도가 커지면 커질수록 표면 재결합 속도도 증가한다는 것을 알 수 있다.
도6은 본 발명의 방법대로 슬러리의 분사 강도(분사 압력과 분사 회수)를 변경시키면서 실리콘 웨이퍼의 표면에 물리적 손상을 입힌 후, 종래의 방법과 같이 고온의 열처리를 하여 재결합 중심이 발생되게 한, 현미경 관찰을 통하여 측정한 결함의 밀도로서 물리적 손상 정도를 평가한 결과이다.
도면7은 도5 및 도6에서 나타난 표면 재결합 속도와 결함의 숫자를 비교하여 그 관계를 보이기 위한 그래프이다. 그래서 표면 재결합 속도가 500(단위는 SPV 장비에서 발생하는 임의 단위이다) 이상이 되면 표면 결함수가 제곱 센치 당 10,000 개 이상 형성되어 있다는 것을 알 수 있다는 것을 보여 준다.
본 발명은 표면의 재결합 속도를 측정하여 표면의 물리적 손상 정도를 측정함으로써, 검사하는 공정도 단축되고, 측정 시간이 감소되며, 측정의 신뢰성도 증대되는 효과를 가져 온다.

Claims (10)

  1. 실리콘 단결정 웨이퍼의 검사 방법에 있어서,
    실리콘 웨이퍼의 일측 면에 슬러리를 분사하여 물리적인 손상을 형성하는 단계와,
    상기 웨이퍼를 세정하는 단계와,
    세정 후의 웨이퍼를 캐리어의 재결합 속도를 측정하여 물리적 손상의 정도를 판단하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    물리적인 손상은 슬러리 분사 압력과 분사회수를 변경시키면서 여러 단계로 나누어서 분사하여 형성하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 웨이퍼 세정단계는 ANC-1 세정 공정을 실시한 후, 불산 HF 용액에 넣어서 표면의 산화막을 식각하고, SC-1 세정 공정을 실시하여 표면에 붙어 있는 파티클들을 제거하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    웨이퍼 세정단계는 ANC-1 세정 공정은 ANC-1이라는 상품명을 가진 세정제를 사용하여 상온에서 5분 정도 웨이퍼 세정을 실시하고, HF : H2O 를 1 : 235 정도로 용액을 만들어서 상온에서 1분 정도 산화막을 식각하고, NH4OH : H2O2: H2O 의 비를 10 : 3 :117 정도로 한 용액을 만들어서 상온에서 2분 정도 세정을 실시하여 웨이퍼의 파티클을 제거하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    물리적 손상의 단계를 판단하는 단계에서 표면 재결합 속도가 500 이상이 되면 단위 제곱 센티미터 당 10,000개 이상의 결함이 형성된 것으로 평가하는 것이 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  6. 실리콘 단결정 웨이퍼의 검사 방법에 있어서,
    실리콘 웨이퍼의 일측 면에 슬러리를 분사하여 물리적인 손상을 형성하는 단계와,
    상기 웨이퍼를 세정하는 단계와,
    세정 후의 웨이퍼를 SPV장비를 이용하여 표면 광전압을 측정하여 물리적 손상의 정도를 판단하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    물리적인 손상은 슬러리 분사 압력과 분사회수를 변경시키면서 여러 단계로 나누어서 분사하여 형성하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 웨이퍼 세정단계는 ANC-1 세정 공정을 실시한 후, 불산 HF 용액에 넣어서 표면의 산화막을 식각하고, SC-1 세정 공정을 실시하여 표면에 붙어 있는 파티클들을 제거하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    웨이퍼 세정단계는 ANC-1 세정 공정은 ANC-1이라는 상품명을 가진 세정제를 사용하여 상온에서 5분 정도 웨이퍼 세정을 실시하고, HF : H2O 를 1 : 235 정도로 용액을 만들어서 상온에서 1분 정도 산화막을 식각하고, NH4OH : H2O2: H2O 의 비를 10 : 3 :117 정도로 한 용액을 만들어서 상온에서 2분 정도 세정을 실시하여 웨이퍼의 파티클을 제거하는 것이 특징인 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    물리적 손상의 단계를 판단하는 단계에서 표면 재결합 속도가 500 이상이 되면 단위 제곱 센티미터 당 10,000개 이상의 결함이 형성된 것으로 평가하는 것이 단결정 실리콘 웨이퍼 검사 방법.
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