KR20090020192A - 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법 - Google Patents

반도체 장비의 파티클 모니터링 방법 Download PDF

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KR20090020192A
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Abstract

본 발명은 실리콘 피트(silicon pit)와 같은 결함(defect)을 발생시키는 파티클을 가지고 있는 세정 장비 또는 열처리 장비를 모니터링하여, 결함으로 인한 반도체 소자의 불량을 방지할 수 있는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 세정 장비 및 열처리 장비를 구비하는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법은 결함 여부를 확인하기 위한 테스트용 웨이퍼를 준비하는 테스트용 웨이퍼 준비 단계; 상기 세정 장비를 이용해 상기 테스트용 웨이퍼에 생성된 자연 산화막(native oxide)을 제거하는 예비 세정 단계; 상기 열처리 장비를 이용해 상기 테스트용 웨이퍼를 고온 열처리하는 고온 열처리 단계; 및 상기 테스트용 웨이퍼의 결함 여부를 확인하여, 결함을 유발하는 세정 장비 또는 열처리 장비의 파티클 여부를 검증하는 결함 여부 확인 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실리콘 피트, 결함, 세정, 열처리, 자연 산화막

Description

반도체 장비의 파티클 모니터링 방법{Particle monitoring method of semiconductor apparatus}
본 발명은 실리콘 피트(silicon pit)와 같은 결함(defect)을 발생시키는 파티클을 가지고 있는 세정 장비 또는 열처리 장비를 모니터링하여, 결함으로 인한 반도체 소자의 불량을 방지할 수 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자가 고집적화됨에 따라 패턴의 크기 및 패턴들 사이의 간격이 매우 작아지고 있다. 이러한 미세패턴을 구비하는 반도체 소자를 제조하기 위해서는 반도체 기판, 즉 웨이퍼의 표면에 흡착된 오염입자를 제거하는 세정공정이 매우 중요하다. 이는 웨이퍼의 표면에 오염입자가 존재할 경우 후속 공정시 패턴불량이 유발될 수 있으며, 오염입자가 도전막으로 이루어진 미세패턴들 사이에 존재할 경우 반도체 소자의 오동작을 유발하기 때문이다.
따라서, 웨이퍼 표면에 존재하는 오염입자는 고집적 반도체 소자의 수율 및 신뢰성을 개선시키기 위하여 세정공정을 통해 반드시 제거되어야 한다.
일반적으로, 반도체 공정에서 사용되는 세정공정에는 건식 세정공정과 습식 세정공정으로 나누어지며, 습식 세정공정에는 SPM(Sulfuric PerOxide Mixture) 클리닝, DHF(Dilute Hydrofluoric Acid) 클리닝, RCA 클리닝 공정등이 있다.
이러한 세정공정 중 습식 세정공정은 여러 캐미컬(chemical) 등의 솔루션이 담긴 배스(bath) 상으로 일정단위의 웨이퍼들이 침적됨으로써 수행된다.
그런데, 이렇게 세정공정을 위해 사용되는 배스(bath) 내에 금속 불순물과 같은 오염이 발생되면, 그 오염이 웨이퍼에 홈과 같은 실리콘 피트(silicon pit)를 발생시킬 수 있다. 그러면, 이후의 고온 열처리 과정에서 실리콘 피트가 성장하여 실리콘 기판의 내부로 더욱 전이되고, 결국 반도체 소자의 불량을 발생시키게 된다. 따라서, 반도체 소자의 수율이 저하되게 된다.
본 발명의 목적은 실리콘 피트(silicon pit)와 같은 결함(defect)을 발생시키는 파티클을 가지고 있는 세정 장비 또는 열처리 장비를 모니터링하여, 결함으로 인한 반도체 소자의 불량을 방지할 수 있는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 세정 장비 및 열처리 장비를 구비하는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법은 결함 여부를 확인하기 위한 테스트용 웨이퍼를 준비하는 테스트용 웨이퍼 준비 단계; 상기 세정 장비를 이용해 상기 테스트용 웨이퍼에 생성된 자연 산화막(native oxide)을 제거하는 예비 세정 단계; 상기 열처리 장비를 이용해 상기 테스트용 웨이퍼를 고온 열처리하는 고온 열처리 단계; 및 상기 테스트용 웨이퍼의 결함 여부를 확인하여, 결함을 유발하는 세정 장비 또는 열처리 장비의 파티클 여부를 검증하는 결함 여부 확인 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 예비 세정 단계는 상기 테스트용 웨이퍼를 상기 세정 장비의 SC-1(Standard Clean-1) 세정 배스(bath), 불소(HF) 세정 배스(bath) 및 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath) 중 적어도 어느 하나에서 세정하는 단계일 수 있다.
상기 고온 열처리 단계는 상기 테스트용 웨이퍼를 상기 열처리 장비의 가열로에서 1000~1250℃의 질소 분위기하에 열처리하는 것일 수 있다.
상기 결함 여부 확인 단계는 상기 테스트용 웨이퍼에 결함이 발생하지 않으면 상기 세정 장치 및 상기 열처리 장치의 사용을 진행하는 것으로 결정하고, 상기 테스트용 웨이퍼에 결함이 발생하면 상기 SC-1 세정 배스(bath), 상기 불소(HF) 세정 배스(bath), 상기 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath) 및 상기 가열로 중 적어도 어느 하나에 파티클이 존재하는 것으로 결정하는 것일 수 있다.
상기 SC-1 세정 배스(bath), 상기 불소(HF) 세정 배스(bath), 상기 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath) 및 상기 가열로 중 적어도 어느 하나에 파티클이 존재하는 것으로 결정하는 단계는, 상기 SC-1 세정 배스(bath), 상기 불소(HF) 세정 배스(bath), 및 상기 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath), 및 상기 가열로 별로 준비한 테스트용 웨이퍼를 상기 예비세정 단계, 상기 고온 열처리 단계, 및 상기 결함 여부 확인 단계를 수행하게 한 후 상기 테스트용 웨이퍼 각각의 결함 여부 확인에 의해 결정되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법은 실리콘 피트(silicon pit)와 같은 결함(defect)을 발생시키는 파티클을 가지고 있는 세정 장비 또는 열처리 장비를 모니터링하여, 결함으로 인한 반도체 소자의 불량을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법은 테스트용 웨이퍼의 결함 유무를 확인함으로써 테스트용 웨이퍼의 결함을 일으키는 세정 장비 또는 열처리 장비 내의 파티클 발생 유무를 검증할 수 있다. 따라서, 세정 장치 또는 열처리 장비를 저비용으로 단기간에 주기적으로 모니터링 할 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법은 테스트용 웨이퍼 준비 단계(S1), 예비 세정 단계(S2), 고온 열처리 단계(S3), 및 결함 여부 확인 단계(S4)를 포함한다.
테스트용 웨이퍼 준비 단계(S1)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 결함(defect)을 모니터링(monitering)하기 위한 테스트용 웨이퍼(10)를 준비하고, 테스트용 웨이퍼(10)에 위치좌표 패턴을 입력하는 단계이다.
테스트용 웨이퍼(10)에 입력되는 위치좌표 패턴은 광학적 리뷰(reviw)로 결함을 확인하거나 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 결함을 하기 위해 필요한 것이다. 이를 위해, 테스트용 웨이퍼(10)는 프리 스캔 장비(AIT 장비)의 내부로 로딩되고, 도 2a에 도시된 바와 같이, 프리 스캔 된다. 도 2a에서는 위치좌표 패턴의 예로 (X2, Y3)을 표시하였는데, X2는 가로축 위치좌표를 나타내며, Y3는 세로축 위치좌표를 나타낸다. 이와 같이, 테스트용 웨이퍼(10)의 스캔 된 데이터는 이후 결함의 위치를 분석하는데 사용되기 위해 프리 스캔 장비에 저장될 수 있다. 위치 좌표 패턴이 입력되는 테스트용 웨이퍼(10)는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 표면에 자연 산화막(Native oxide)이 형성될 수 있다. 여기서, 테스트용 웨이퍼(10)는 베어 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있으며, 결함은 베어 실리콘 웨이퍼의 표면에 발생하는 홈 형태의 실리콘 피트(Si Pit) 일 수 있다.
다음, 예비 세정 단계(S2)는 세정 장비를 이용해 테스트용 웨이퍼(10)에 생성된 자연 산화막(native oxide)을 제거하는 단계이다. 즉, 예비 세정 단계(S2)는 테스트용 웨이퍼(10)를 SC-1 세정 배스(bath), 불소(HF) 세정 배스(bath), 및 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath)에서 세정하는 단계이다.
도 3a를 참조하면, 상기 테스트용 웨이퍼(10)를 먼저 75~85℃의 SC-1(Standard Clean-1) 용액이 담긴 SC-1 세정 배스(bath)에 280~320초 동안 침적시킨다. 여기서, SC-1 용액은 암모니아(NH4OH)와 과산화수소(H2O2)와 물(H2O)을 1:1:5~20으로 혼합한 용액이다. SC-1 용액을 만들 때 암모니아(NH4OH)의 비율을 낮게 설정하는 이유는 암모니아(NH4OH)가 원가에서 차지하는 비율이 커서 사용량을 줄 이는 추세이며, 또한 암모니아(NH4OH)의 질소가 환경규제 항목으로 제한이 되기 때문이다. SC-1 용액을 75~85℃ 온도로 설정하는 이유는 SC-1 용액을 충분히 활성화시키고, 낮은 온도에서 과산화수소의 분해가 급속히 진행되는 것을 억제시키기 위함이다. 여기서, SC-1 용액이 80℃일 경우 상기 테스트용 웨이퍼(10)의 세정 시간을 약 300초로 설정하는데, 이는 자연 산화막(20)에 대한 80℃ SC-1 용액의 식각율이 3Å/min 이기 때문에 자연 산화막(20)을 약 15Å로 식각하기 위해서이다. 이와 같이, 테스트용 웨이퍼(10)가 SC-1 용액에서 세정되는 경우, 테스트용 웨이퍼(10)에 잔존하는 파티클, 유기물 및 무기물이 제거되며, 테스트용 웨이퍼(10) 표면의 자연 산화막(20)이 17.0~17.5Å 로 식각될 수 있다.
또한, 상기 테스트용 웨이퍼(10)에 잔존하는 파티클, 유기물, 무기물을 제거하고 자연 산화막(20)을 완전히 식각하기 위해, 테스트용 웨이퍼(10)를 22~85℃의 불소(HF) 용액이 담긴 불소(HF) 세정 배스(bath)에 760~800초 동안 침적시킨다. 여기서, 불소(HF) 용액은 불소(HF)와 물(H2O)을 1:100으로 혼합한 용액이다. 불소(HF) 자체는 식각률이 너무 우수하여 식각 시간을 조절하기 어렵기 때문에 물(H2O)에 희석되어 세정 용액인 불소(HF) 용액으로 사용된다. 이와 같이, 테스트용 웨이퍼(10)가 불소(HF) 용액에서 세정되는 경우, 테스트용 웨이퍼(10)에 잔존하는 파티클, 유기물 및 무기물이 제거되며, 테스트용 웨이퍼(10) 표면의 자연 산화막(20)이 338~416Å 로 완전히 식각될 수 있다.
또한, 상기 테스트용 웨이퍼(10)에 잔존하는 파티클, 유기물, 및 무기물을 마지막으로 완전히 제거하기 위해, 상기 테스트용 웨이퍼(10)를 과산화수소(H2O2) 용액이 담긴 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath)에 580~620초 동안 침적시킨다. 이와 같이, 테스트용 웨이퍼(10)는 추가적으로 과산화수소(H2O2) 용액에서 세정되어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 테스트용 웨이퍼(10)에 잔존하는 파티클, 유기물, 및 무기물이 완전히 제거된다.
한편, 도 3a에서, 테스트용 웨이퍼(10)가 SC-1 세정 배스(bath), 불소(HF) 세정 배스(bath), 및 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath)에 순차적으로 침적시켜 세정되는 것으로 도시되었는데, 공정 조건에 따라 SC-1 세정 배스(bath), 불소(HF) 세정 배스(bath), 및 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath) 중 선택된 적어도 어느 하나의 배스(bath)에 침적시켜 세정 될 수도 있다.
다음, 고온 열처리 단계(S3)는 테스트용 웨이퍼(10)를 열처리 장비의 가열로에서 1050~1250℃의 질소 분위기하에 대략 10시간 정도 고온 열처리하는 단계이다.
이러한 고온 열처리 단계(S3)는, 예비 세정 단계(S2)에서 파티클에 의해 테스트용 웨이퍼(10)에 결함이 발생할 경우 그 결함이 충분히 성장되도록 함으로써 이후의 결함 여부 확인 단계(S4)에서 테스트용 웨이퍼(10)의 결함을 확인 가능하도록 만든다. 여기서, 테스트용 웨이퍼(10)를 질소 분위기하의 가열로에서 고온 열 처리하는 이유는 가열로에 추가적인 불순물이 들어와 테스트용 웨이퍼(10)에 산화막을 성장시키는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 고온 열처리 단계(S3)를 수행한 테스트용 웨이퍼(10)에 결함이 발생할 때, 그 결함이 순수하게 세정 장비 또는 열처리 장비의 오염에 의한 것임을 단정짓게 하여 세정 장비 또는 열처리 장비 내의 파티클 발생 여부를 판단할 수 있게 하기 위한 것이다.
한편, 예비 세정 단계(S2)를 수행한 테스트용 웨이퍼(10)는 지연 시간(Delay Time) 없이 고온 열처리 단계(S3)를 수행해야 한다. 이는, 지연 시간(Delay Time)이 발생할 경우 테스트용 웨이퍼(10)에 산화막이 다시 자연적으로 형성될 수 있으며, 이러한 자연 산화막은 테스트용 웨이퍼(10)에 결함이 발생된 경우 테스트용 웨이퍼(10)에 발생된 결합을 커버하기 때문이다. 다시 말해서, 테스트용 웨이퍼(10)에 자연적으로 형성된 자연 산화막은 고온 열처리 단계(S3)에서 테스트용 웨이퍼(10)에 발생된 결함이 성장하는 것을 방해하므로 이후의 결함 여부 확인 단계(S4)에서 테스트용 웨이퍼(10)의 결함 확인을 불가능하게 만들기 때문이다.
다음, 결함 여부 확인 단계는 테스트용 웨이퍼(10)의 결함 여부를 확인하여, 결함을 유발하는 세정 장비 또는 열처리 장비의 파티클 여부를 검증하는 단계이다.
구체적으로, 광학적 리뷰 또는 SEM을 이용하여 고온 열처리 단계(S3)를 수행한 테스트용 웨이퍼(10)의 결함 위치좌표를 확인함으로써, 세정 장비 또는 열처리 장비의 파티클 여부를 판단한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 예를 들어 광학적 리뷰 또는 SEM을 통 해 예를 들어 테스트용 웨이퍼(10)의 위치좌표(X2,Y3)에 발생된 결함(30)이 확인되면, 세정 장비 또는 열처리 장비에 파티클이 존재함을 인식하고, 테스트용 웨이퍼(10)의 결함을 발생시키는 파티클이 정확히 어느 장비에 존재하는지 확인한다.
이를 위해, 세정 장치의 SC-1 세정 배스(bath), 불소(HF) 세정 배스(bath), 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath), 및 상기 가열로별로 테스트용 웨이퍼를 준비하여 각 테스트용 웨이퍼를 예비 세정 단계(S2), 고온 열처리 단계(S3), 결함 여부 확인 단계(S4)를 수행하도록 한다.
각 배스(bath)의 테스트용 웨이퍼는 예비 세정 단계(S2)에서 해당 배스(bath)에만 침적되고 다른 배스(bath)에는 침적되지 않고 바로 고온 열처리 단계(S3)로 진행된다. 그리고 나서, 마지막 단계인 결함 여부 확인 단계(S4)에서 예를 들어 불소(HF) 세정 배스(bath)에 침적된 테스트용 웨이퍼에 결함이 발생된 것으로 확인되면, 불소(HF) 세정 배스(bath) 내에 테스트용 웨이퍼의 결함을 발생시키는 파티클이 존재함을 인식하고 불소(HF) 세정 배스(bath) 내부를 별도 세정하여 파티클을 제거한다. 이에 따라, 웨이퍼에 결함을 발생시키는 세정 장비의 파티클이 제거됨으로써 결함으로 인한 반도체 소자의 불량이 방지될 수 있다. 그리고, 세정 장치의 각 배스(bath) 내부에 파티클이 없는 것으로 확인되면, 가열로의 테스트용 웨이퍼가 준비되고 준비된 가열로의 테스트용 웨이퍼에 예비 세정 단계(S2), 고온 열처리 단계(S3) 및 결함 여부 확인 단계(S4)를 진행하여 가열로 내부의 파티클 존재 여부를 확인하게 된다. 만약, 마지막 단계인 결함 여부 확인 단계(S4)에서 가열로의 테스트용 웨이퍼에 결함이 발생된 것으로 확인되면, 가열로 내에 테스트용 웨이퍼의 결함을 발생시키는 파티클이 존재함을 인식하고 가열로 내부를 별도 세정하여 파티클을 제거한다. 이에 따라, 웨이퍼에 결함을 발생시키는 열처리 장비의 파티클이 제거됨으로써 결함으로 인한 반도체 소자의 불량이 방지될 수 있다.
한편, 광학적 리뷰 또는 SEM을 통해 테스트용 웨이퍼(10)에 결함이 없는 것으로 확인되면, 세정 장비 및 열처리 장비를 그대로 사용한다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법은 실리콘 피트(silicon pit)와 같은 결함(defect)을 발생시키는 파티클을 가지고 있는 세정 장비 또는 열처리 장비를 모니터링하여, 결함으로 인한 반도체 소자의 불량을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법은 테스트용 웨이퍼의 결함 유무를 확인함으로써 테스트용 웨이퍼의 결함을 일으키는 세정 장비 또는 열처리 장비 내의 파티클 발생 유무를 검증할 수 있다. 따라서, 세정 장치 또는 열처리 장비를 저비용으로 단기간에 주기적으로 모니터링 할 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2a는 테스트용 웨이퍼의 평면도이다.
도 2b는 세정하기 전 상태의 테스트용 웨이퍼의 단면도이다.
도 3a는 도 2b의 테스트용 웨이퍼가 각 배스(bath)를 거치는 세정단계를 보여주는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 세정 단계를 거친 테스트용 웨이퍼의 단면도이다.
도 4a는 고온 열처리된 테스트용 웨이퍼의 평면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 테스트용 웨이퍼의 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 테스트용 웨이퍼 20: 자연 산화막
30: 결함(defect)

Claims (5)

  1. 세정 장비 및 열처리 장비를 구비하는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법에 있어서,
    결함 여부를 확인하기 위한 테스트용 웨이퍼를 준비하는 테스트용 웨이퍼 준비 단계;
    상기 세정 장비를 이용해 상기 테스트용 웨이퍼에 생성된 자연 산화막(native oxide)을 제거하는 예비 세정 단계;
    상기 열처리 장비를 이용해 상기 테스트용 웨이퍼를 열처리하는 고온 열처리 단계; 및
    상기 테스트용 웨이퍼의 결함 여부를 확인하여, 결함을 유발하는 세정 장비 또는 열처리 장비의 파티클 여부를 검증하는 결함 여부 확인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비 세정 단계는
    상기 테스트용 웨이퍼를 상기 세정 장비의 SC-1(Standard Clean-1) 세정 배스(bath), 불소(HF) 세정 배스(bath) 및 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath) 중 적어도 어느 하나에서 세정하는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 파티클 모니 터링 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고온 열처리 단계는
    상기 테스트용 웨이퍼를 상기 열처리 장비의 가열로에서 1000~1250℃의 질소 분위기하에 열처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결함 여부 확인 단계는
    상기 테스트용 웨이퍼에 결함이 발생하지 않으면 상기 세정 장치 및 상기 열처리 장치의 사용을 진행하는 것으로 결정하고,
    상기 테스트용 웨이퍼에 결함이 발생하면 상기 SC-1 세정 배스(bath), 상기 불소(HF) 세정 배스(bath), 상기 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath) 및 상기 가열로 중 적어도 어느 하나에 파티클이 존재하는 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 SC-1 세정 배스(bath), 상기 불소(HF) 세정 배스(bath), 상기 과산화수소(H2O2) 세정 배스(bath) 및 상기 가열로 중 적어도 어느 하나에 파티클이 존재하 는 것으로 결정하는 단계는,
    상기 SC-1 세정 배스(bath), 상기 불소(HF) 세정 배스(bath), 및 상기 과산화수소(H2O2)세정 배스(bath), 및 상기 가열로 별로 준비한 테스트용 웨이퍼를 상기 예비세정 단계, 상기 고온 열처리 단계, 및 상기 결함 여부 확인 단계를 수행하게 한 후 상기 테스트용 웨이퍼의 각각의 결함 여부 확인에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 장비의 파티클 모니터링 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2021040082A (ja) * 2019-09-05 2021-03-11 株式会社Sumco シリコン試料の前処理方法、シリコン試料の金属汚染評価方法、単結晶シリコンインゴット育成工程の評価方法、単結晶シリコンインゴットの製造方法およびシリコンウェーハの製造方法

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