KR20030085536A

KR20030085536A - 막두께 측정용 모니터 웨이퍼

Info

Publication number: KR20030085536A
Application number: KR10-2003-7011256A
Authority: KR
Inventors: 에바따마꼬또; 후지따후사오; 사이또마꼬또
Original assignee: 미쯔이 죠센 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 아드맵
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-11-05
Also published as: JP3990575B2; US20040067370A1; WO2002071473A1; TW522451B; JP2002334911A; EP1408544A1; EP1408544A4; US7087980B2; KR100607890B1; EP1408544B1

Abstract

본 발명은 SiC 웨이퍼를 막두께 모니터용 웨이퍼로서 실용화할 수 있는 구조의 웨이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이로 인해, 적어도 SiC 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 를 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막되는 막의 두께와 거의 동등하게 설정한다. 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막되는 복수 종이면 그 막의 최소 막두께를 상한값으로 하고, 해당 상한값 미만으로 설정한다. 보다 구체적으로는 제품 Si 웨이퍼의 평균표면조도의 약 400 배의 표면조도로 설정하는 것으로 하고, Ra 가 0.08㎛ 이하로 하면 된다. 이로써, 단단하고 화학 내성이 있는 막두께 측정용 웨이퍼를 제품 Si 웨이퍼정도까지 연마하지 않아도 막두께 모니터 웨이퍼로서 실용에 이용할 수 있어 연마 비용을 저감시키고 또한 반영구적으로 사용할 수 있는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼를 얻을 수 있다.

Description

막두께 측정용 모니터 웨이퍼 {FILM THICKNESS MEASURING MONITOR WAFER}

반도체 제조 공정에서는 제품이 되는 Si 웨이퍼에 열산화 처리나 CVD 성막 처리를 실시하는 경우, 제품 Si 웨이퍼와 함께 더미 웨이퍼나 모니터 웨이퍼를 웨이퍼 보트에 동시에 탑재시키는 것이 실시된다. 더미 웨이퍼는 제품 웨이퍼의 장수가 규정 장수에 부족할 때 보충하거나, 또는 CVD 공정 등에서 노 (爐) 내의 온도 및 가스의 흐름을 균일하게 하기 위해 삽입되는 것으로 제품이 될 수 없는 것이다. 또, 모니터 웨이퍼는 제품 Si 웨이퍼에 형성되는 CVD 막 등의 두께 및 노내 파티클 수를 모니터하기 위해 제품 Si 웨이퍼와 완전히 동일한 공정으로 처리되는 것이다. 따라서, 특히 제품 Si 웨이퍼와 모니터 웨이퍼는 웨이퍼 보트에 동시 수용되고, 소정 처리에 의해 제품 웨이퍼 및 모니터 웨이퍼의 표면에 열산화 막 또는 CVD 막이 동시에 형성된다.

소정의 처리 종료 후, 막두께 측정용 모니터 웨이퍼를 보트로부터 꺼낸 후, 막두께 측정기에 의해 모니터 웨이퍼에 형성된 막의 두께가 측정되고, 측정된 막두께가 규격내인지의 여부가 판정된다. 규격내이면 동시에 처리된 제품 웨이퍼에도 규정내 두께의 막이 형성되어 있는 것으로 평가할 수 있어 제품 웨이퍼가 다음 공정으로 이동된다.

그러나, 일반적으로 상기 서술한 막두께 측정용 모니터 웨이퍼로서, 종래부터 제품 웨이퍼와 동일한 소재로 이루어지는 Si 웨이퍼를 사용하고 있다. 이 Si 웨이퍼를 막두께 측정용 모니터 웨이퍼로서 사용하는 경우, 막두께 측정이 종료될 때마다 연마 또는 에칭, 또는 연마와 에칭의 병용에 의해 막을 제거하여 재사용에 이용된다. 예컨대, 6 인치 웨이퍼의 D-poly 성막 공정에서는 한번으로 1000Å 의 D-poly 막을 막두께 측정용 모니터 웨이퍼 상에 형성한다. 한번 형성되었다면 HF+HNO₃+H₂O (1:8:12) 로 D-poly 막을 제거하고 다시 막두께 측정용 모니터 웨이퍼로서 사용한다. 이것을 3∼4 회 반복한 후에는 표면이 거칠어지므로 막두께 모니터 웨이퍼로서 사용할 수 없게 된다. 또, 재연마를 3∼4 회 반복한 후에는 연마에 의해 웨이퍼 판두께가 얇아져 변형이 생기거나 파손되기 쉽다. 또는 계측 불가가 되는 등 사용할 수 없게 된다. 이로 인해, 모니터 웨이퍼가 아니라 더미 웨이퍼로서 사용하거나 폐기 처분하고 있다.

따라서, 상기 서술한 Si 웨이퍼를 막두께 측정용 모니터 웨이퍼로 한 경우에는, 수회 정도의 사용으로 인해 모니터 웨이퍼로서 사용할 수 없게 되어 모니터 웨이퍼로서의 수명이 단축되는 문제가 있다. 이러한 관점에서 최근, 탄화규소 (SiC) 로 이루어지는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼가 이 분야의 주목을 모으고 있다. 즉, 이 SiC 모니터 웨이퍼는 CVD 로 형성된 두께 1㎜ 정도의 원판형상 탄화규소막으로서,

a) 질산, 플루오르화수소산 등에 대한 내식성이 우수하기 때문에 에칭에 의한 부착물의 제거가 용이하며, 또한 모니터 웨이퍼 자체의 표면이 거칠지 않기 때문에 장기간의 반복사용이 가능한 점,

b) 질화규소, 폴리규소와의 열팽창계수의 차이가 작기 때문에 모니터 웨이퍼 상에도 부착되는 막은 잘 박리되지 않아 공정 도중의 큰 파티클을 저감시킬 수 있는 점,

c) 고온에서의 중금속 등 불순물의 확산계수가 매우 낮기 때문에 노내 오염의 우려가 적은 점,

d) 내열 변형성이 우수하기 때문에 로봇반송 등의 자동 이동적재가 용이한 점 등,

많은 이점이 있어 경제적 효과가 크기 때문에 실용화가 촉진되고 있다.

그러나, 상기 SiC 웨이퍼를 모니터 웨이퍼로서 사용하는 경우, 기본적으로는 제품이 되는 Si 웨이퍼와 동등한 표면조도가 요구된다. 특히 파티클 측정용으로는 Si 웨이퍼와 동등한 표면조도가 요구되지만, SiC 웨이퍼를 Si 웨이퍼와 동등한 정도까지 연마하는 것은 매우 어렵다. 연마하는 경우에는 케미컬 기계 연마 (CMP) 등에 의해 실시하는데, SiC 웨이퍼는 기계적 강도가 높고 내약품성이 강한 것이 이점이지만, 이것이 반대로 연마하는 데에 있어서 장해가 되기 때문이다. 따라서, SiC 웨이퍼를 모니터 웨이퍼로서 사용하고, 파티클과 막두께를 동시에 측정할 수 있게 하는 데에는 실용화상의 문제가 있었다.

그러나, 모니터 웨이퍼는 파티클 및 막두께를 동시에 측정하는 경우와, 단순히 막두께만을 측정하는 경우가 있어 막두께 측정에만 사용되는 것도 많이 있다.

막두께 모니터로서 요구되는 사양을 고려할 경우, 막두께 모니터 웨이퍼에서의 막두께 측정법의 기본적인 원리는 막의 굴절률이나 두께가 바뀜으로써 간섭색이 변화하는 현상을 이용한 간섭색 측정법을 응용한 것이 있고, 이와 같은 관점에서 보면 입사된 광에 대해 측정에 필요한 반사강도 (반사율) 가 얻어지는 면이면 측정이 가능하며, 따라서 Si 웨이퍼 정도의 초경면 (Ra=0.0002㎛) 은 불필요하다는 결론에 이르게 된다.

물론, 막두께 측정용 모니터 웨이퍼로는 SiC 에 한정되지 않고, 알루미나, 석영, 텅스텐, 몰리브덴 외에, 글래시 카본이나 사파이어를 소재로 하는 것이 있고, 이것들에도 적용할 수 있다.

본 발명은 SiC 재료 등의 경질 웨이퍼를 막두께 모니터용 웨이퍼로서 실용화할 수 있는 구조의 웨이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 모니터 웨이퍼에 관련된 것으로, 특히 모니터 웨이퍼 중 표면조도를 Si 제품 웨이퍼정도까지 연마하지 않아도 모니터 웨이퍼로서 이용할 수 있는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼에 관한 것이다.

도 1 은 SiC 모니터 웨이퍼의 제조 공정도이다.

도 2 는 Si 웨이퍼와 SiC 웨이퍼에 다른 막두께로 성막했을 때의 모니터 적용 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3 은 Si 웨이퍼와 SiC 웨이퍼에 다결정 규소를 두껍게 성막 (2300Å 정도) 했을 때의 모니터 적용 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.

도 4 는 Si 웨이퍼와 SiC 웨이퍼에 다결정 규소를 중 정도의 두께가 되도록 성막 (1500Å 정도) 했을 때의 모니터 적용 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.

도 5 는 Si 웨이퍼와 SiC 웨이퍼에 다결정 규소를 얇은 두께가 되도록 성막(790Å 정도) 했을 때의 모니터 적용 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6 은 SiC 웨이퍼의 표면조도의 측정방법의 설명도이다.

도 7 은 SiC 웨이퍼의 표면조도의 실측결과의 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하에, 본 발명에 관련되는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼의 구체적 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 은, 실시형태에 관련되는 모니터 웨이퍼 (40) 는 SiC 를 소재로 형성하는 제조 공정의 일례를 나타낸 것으로, SiC 의 제조방법으로는 SiC 분말을 소결시켜 제작한다. 또는 카본을 Si 가스로 SiC 화시키는 등 몇 가지의 제조방법 중, CVD 법에 의한 제조 공정을 나타낸 것이다. 우선, 제조할 SiC 모니터 웨이퍼 (40) 의 치수에 맞춰 고순도 흑연으로 이루어지는 소정 치수의 원판형상 흑연기재 (42) 를 제작한다 (도 1(1)).

그 후, 상기 원판형상 흑연기재 (42) 을 CVD 장치에 넣고, 장치 (노) 내의 소정 온도를 예컨대 1000∼1600℃ 가 되도록 가열, 유지하는 동시에 노내를 소정 압력 예컨대 100Torr 로 설정한다. 그리고, 이 CVD 장치에 대해 SiC 의 원료가 되는 SiCl₄와 C₃H₈을 각각 5∼20 체적% 로 하여 캐리어 가스로서의 수소 가스 (H₂) 와 함께 공급한다. 이로 인해, 흑연기재 (42) 표면에 SiC 층 (탄화규소층) (44) 이 성막되는데, 이 막두께가 0.1∼1㎜ 정도가 될 때까지 성막 처리한다 (도 1 (2)).

그 후, 표면에 SiC 층 (44) 의 막을 형성한 흑연기재 (42) 를 CVD 장치로부터 꺼내어 기계가공에 의해 주면을 연삭하고 절제하여 흑연기재 (42) 의 주면을 노출시킨다 (도 1(3)). 그리고, SiC 막 사이에 놓인 상태의 흑연기재 (42) 를 900∼1400℃ 의 노에 넣어 산소를 공급하고, 산화 분위기 중에서 흑연기재 (42) 를 연소시켜 이것을 제거함으로써 2 장의 SiC 모니터 웨이퍼 (40) 를 얻는 것이다 (도 1(4)). 그 후, 도1 의 (5) 에 나타낸 바와 같이, SiC 모니터 웨이퍼 (40) 를 연마하는 동시에 주연부를 모서리깎기로 마무리한다.

모니터 웨이퍼는 통상 규소 웨이퍼와 동일하게 표면 연마된다. SiC 모니터 웨이퍼 (40) 는 다이아몬드 지립을 사용한 폴리싱에 의해 연마되고, 그 평균표면조도 (Ra) 를 다음과 같이 설정하도록 하고 있다.

즉, 적어도 SiC 웨이퍼 (40) 의 편면의 평균표면조도 (Ra) 를 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막되는 막의 두께와 거의 동등하거나 그 보다 작아지도록 설정하고 있다. Si 웨이퍼에는 절연 산화막이나 다결정 규소막 등이 예컨대 250Å, 500Å, 또는 1000Å 등의 막두께가 되도록 성막 처리가 이루어진다. 이 막두께의 모니터를 위해 상기 SiC 웨이퍼 (40) 의 표면조도 (Ra) 를 적어도 최소 막두께가 되는두께와 거의 동등하거나 그 보다 작아지도록 설정하는 것이다. 예컨대 Si 웨이퍼에 대해 250Å, 500Å 및, 1000Å 의 막두께가 되는 성막 처리가 복수에 걸쳐 실시되는 경우, 최소 막두께는 250Å (=0.025㎛) 이기 때문에, SiC 웨이퍼 (40) 에 실시되는 평균표면조도 (Ra) 는 Ra＜0.025㎛ 가 되도록 설정된다. 물론, Si 웨이퍼가 단일 성막 처리마다 모니터하는 경우, 예컨대 500㎛ 의 D-poly 막을 성막하는 경우에는 SiC 모니터 웨이퍼 (40) 의 평균표면조도 (Ra) 가 500Å (=0.05㎛) 을 상한값으로 하고, 해당 상한값 미만 (Ra＜0.05㎛) 이 되도록 연마된다.

또, 제품 웨이퍼 (Si 웨이퍼) 의 평균표면조도는 Ra≒0.0002㎛ 이지만, 이에 대응하여 SiC 모니터 웨이퍼 (40) 의 표면조도 (Ra) 의 상한값을 그 400 배인 Ra≒0.08㎛ 로 설정하도록 해도 된다.

이와 같이 SiC 모니터 웨이퍼 (40) 평균표면조도 (Ra) 를 조정해도 막두께 모니터를 실시할 수 있으므로, 기계적 강도가 높고 내약품성도 높은 SiC 웨이퍼에 대한 연마작업을 Si 웨이퍼와 동등한 정도까지 연마할 필요성이 없어진다. 이로써 SiC 웨이퍼를 막두께 모니터로서 실용에 적극 이용할 수 있는 것이다. 물론, Ra≒0.08㎛ 를 상한값으로 하지만 표면조도는 작은 것이 바람직하므로, 제품 웨이퍼의 평균표면조도의 100 배인 Ra=0.02㎛ 를 상한값으로 하는 것이 바람직하다. 이하에 구체적으로 Si 웨이퍼와 SiC 웨이퍼의 각각에 성막 처리를 실시하고, SiC 웨이퍼를 막두께 모니터로서 적용할 수 있음을 확인한 실험예를 나타낸다.

＜실험예 1＞

웨이퍼는 Si 모니터 웨이퍼와 SiC 모니터 웨이퍼를 사용하였다. 성막은 다결정 규소를 다른 막두께 즉 2000Å, 1400Å, 700Å 의 오더가 되도록 Si 모니터 웨이퍼와 SiC 모니터 웨이퍼에 동시에 증착시키고, 이것을 각 1 배치 실시하였다. 하기 표 1, 2 는 증착된 막의 두께를 계측한 결과를 나타낸다. 계측값은 나노메트릭스사 제조인 NanoSpec 8000XSE 를 사용하여 구하였다.

Si (단위:Å)
No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6
1998	2039	2032	2052	2049	2020
1429	1461	1466	1463	1465	1450
693	705	706	707	704	701

SiC (단위:Å)
No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6
2011	2035	2022	2036	2027	2023
1435	1458	1455	1460	1451	1448
687	700	701	709	698	703

도 2 는 Si 웨이퍼를 횡축으로 하고 SiC 웨이퍼를 종축으로 하여 No.1 의 계측 막두께를 플롯한 것으로, 근사도가 0.9998 이며, SiC 웨이퍼를 막두께 측정용 모니터 웨이퍼로서 이용할 수 있음을 명료하게 나타내고 있다. 또, 도 3 내지 도 5 는 막두께마다 구한 것이다.

이어서, 모니터 웨이퍼의 표면조도와 막두께 측정 한계에 대해 조사한 실험예를 나타낸다.

＜실험예 2＞

8 인치 CVD-SiC 흑색 경면 웨이퍼를 막두께 모니터 웨이퍼로서 사용하고 제품 Si 웨이퍼와 함께 Poly-Si 막을 성막하였다. 해당 모니터 웨이퍼에서는 경면 (표면) 측 중심부에서 막두께를 측정할 수 있었지만, 경면측 외주 및 광택제거면 (이면) 에서 계측할 수 없었다. 웨이퍼 캐리어 케이스의 슬릿 No.1, 3, 5, 7 에 들어 있던 모니터 웨이퍼의 표면조도를 측정하였다. 도 6 은 모니터 웨이퍼의 표면조도의 측정방법의 설명도이다. 측정은 오리엔티어링 플랫 부분을 하측으로 하여 웨이퍼 반경방향의 중앙, 중앙으로부터 50㎜, 중앙으로부터 90㎜ 의 부분을 원주방향으로 45 도 피치 간격으로 실시하고, 경면측을 표면으로 하여 표리면 양측에서 계측한다. 표면조도의 측정은 접촉식 표면조도계로 도쿄정밀사 제조 서프콤 120A 를 사용하였다. 그 계측결과를 다음 표에 나타낸다.

	각도	슬릿 No.
		1	3	5	7
		겉	뒤	겉	뒤	겉	뒤	겉	뒤
중심		0.06	0.10	0.08	0.10	0.06	0.10	0.08	0.10
중심으로부터 50㎜	0도	0.08	0.10	0.04	0.10	0.06	0.10	0.10	0.12
	45도	0.08	0.10	0.10	0.10	0.06	0.12	0.08	0.10
	90도	0.06	0.10	0.08	0.10	0.06	0.10	0.08	0.12
	135도	0.08	0.10	0.08	0.10	0.06	0.10	0.08	0.10
	180도	0.08	0.10	0.08	0.10	0.06	0.10	0.08	0.10
	225도	0.06	0.10	0.06	0.10	0.06	0.10	0.10	0.10
	270도	0.08	0.12	0.06	0.10	0.06	0.10	0.08	0.10
	315도	0.08	0.10	0.06	0.10	0.06	0.10	0.08	0.10
	평균	0.08	0.10	0.07	0.10	0.06	0.10	0.09	0.11
중심으로부터 90㎜	0도	0.10	0.10	0.08	0.10	0.06	0.14	0.10	0.14
	45도	0.08	0.10	0.08	0.10	0.08	0.12	0.08	0.12
	90도	0.08	0.10	0.06	0.10	0.06	0.10	0.10	0.12
	135도	0.10	0.10	0.08	0.10	0.06	0.10	0.08	0.10
	180도	0.08	0.10	0.06	0.10	0.10	0.10	0.08	0.10
	225도	0.08	0.10	0.08	0.10	0.10	0.12	0.10	0.12
	270도	0.08	0.10	0.08	0.10	0.10	0.10	0.10	0.12
	315도	0.10	0.10	0.08	0.08	0.10	0.10	0.08	0.12
	평균	0.09	0.10	0.08	0.10	0.08	0.11	0.09	0.12
(단위: ㎛)

상기 측정결과를 그래프화하여 도 7 에 나타낸다. 도 7 에서 실선이 표면측을 나타내고, 파선이 이면측을 나타낸다. 이 도면에서 표면측이 이면측보다 표면조도가 작게 되어 있고, 전체적으로 웨이퍼의 중심으로부터 외주를 향해 표면조도가 커지고 있음을 알 수 있다. 막두께를 측정할 수 있었던 표면측 중심부는 다른 부분에 비해 표면조도가 작고, 그 값인 표면조도 (Ra)=0.08㎛ 이하에서는 막두께 측정이 가능하며, Ra=0.08㎛ 이상에서는 안정적으로 측정할 수 없고, 또한 Ra=0.1㎛ 이상에서는 측정이 불가능함이 판명되었다.

또한, 상기 실시형태에서는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼로서 SiC 를 소재로 한 예를 설명하였지만, SiC 에 한정되지 않고, 알루미나, 석영, 텅스텐, 몰리브덴 외에, 글래시 카본이나 사파이어 등을 사용하여 형성된 경질 웨이퍼에 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관련되는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼는 적어도 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 를 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막되는 막의 두께와 거의 동등하게 설정한 구성으로 하였으므로, 단단하고 화학 내성이 있는 막두께 측정용 웨이퍼를 제품 Si 웨이퍼정도까지 연마하지 않아도 막두께 모니터 웨이퍼로서 실용에 이용할 수 있어 연마 비용을 저감시키고 또한 반영구적으로 사용할 수 있는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼를 제공할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

발명의 개시

발명자들은 모니터 웨이퍼의 표면조도가 제품 Si 웨이퍼의 표면조도와 동등하지 않아도 측정에 필요한 반사강도 (반사율) 가 얻어지는 표면조도이면 되다는 것, 측정대상 막두께의 측정한계 최소 막두께와 거의 동등한 표면조도를 갖게 하면 적정하게 막두께를 모니터할 수 있다는 지견을 얻어 본 발명에 이르게된 것이다.

즉, 본 발명에 관련되는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼는 적어도 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 를 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막된 막의 두께와 동등 이하로 설정하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련되는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼는 적어도 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 를 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막되는 복수 종의 막의 최소 막두께를 상한값으로 하고, 해당 상한값 미만의 근방값으로 설정하도록 할 수 있다.

또, 적어도 모니터 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 의 상한값을 제품 Si 웨이퍼의 평균표면조도보다 약 400 배 크게 설정하도록 구성해도 된다.

이 경우에, 상기 모니터 웨이퍼의 평균표면조도를 0.08㎛ 이하, 특히 0.02㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관련되는 모니터 웨이퍼는 반도체 제조 공정의 웨이퍼에 대한 성막 처리에 이용할 수 있다.

Claims

적어도 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 를 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막되는 막의 두께와 거의 동등하게 설정하는 것을 특징으로 하는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼.
적어도 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 를 측정대상인 Si 웨이퍼에 성막되는 복수 종의 막의 최소 막두께를 상한값으로 하고, 해당 상한값 미만으로 설정하는 것을 특징으로 하는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼.
적어도 웨이퍼의 편면의 평균표면조도 (Ra) 의 상한값을 제품 Si 웨이퍼의 평균표면조도의 약 400 배 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼.
제 3 항에 있어서, 상기 웨이퍼의 평균표면조도를 0.08㎛ 이하, 바람직하게는 0.02㎛ 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 막두께 측정용 모니터 웨이퍼.