KR20090116647A - 반도체 웨이퍼의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치로 초점 위치를 맞추고 소정의 깊이 위치에서 반도체 웨이퍼의 특정 부분에만 다광자 흡수 공정을 발생시켜 게터링 싱크를 형성하도록 반도체 웨이퍼의 어느 한 면에 레이저 빔을 조사하는 것을 포함하는 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체, 웨이퍼

Description

반도체 웨이퍼의 제조방법{METHOD OF PRODUCING SEMICONDUCTOR WAFER}
본 발명은 고체 촬상 소자 등에 사용하기 적합한 반도체 웨이퍼의 제조방법에 관한 것이다. 특히 본 발명의 반도체 웨이퍼는, 웨이퍼가 300 mm 이상의 큰 직경을 갖는 경우라 하더라도, 화이트 결함(white defects)을 초래하는 중금속 오염을 효율적으로 억제할 수 있다.
최근, 반도체에 사용되는 고성능 고체 촬상 소자가 이동 전화 또는 디지털 비디오 카메라에 장착됨에 따라, 픽셀의 수 등과 같은 성능이 놀랍게 개선되었다. 컨슈머 고체 촬상 소자에서 예측되는 성능으로서는 더욱 높은 픽셀수 및 동적 이미지를 찍는 능력이 있으며, 추가로 소형화가 필요하다. 동적 이미지를 찍기 위해서는, 고속 컴퓨팅 디바이스 및 메모리 디바이스가 촬상 소자와 조합되는 것이 필요하다. 이 목적을 위해, 시스템 온 칩(SoC)을 촉진하는 CMOS 이미지 센서가 사용되며, CMOS 이미지 센서의 소형화가 발전되었다.
포토다이오드의 암누설 전류는 고체 촬상 소자의 촬상 특성을 악화시키는 인자로서 문제가 된다. 암누설 전류의 원인은 공정 단계 동안의 중금속 오염이다. 중금속 오염을 억제하기 위해, 반도체 웨이퍼의 내부 또는 이면에 중금속에 대한 게터링 싱크를 형성하는 것이 시도되었다.
반도체 웨이퍼의 내부에 게터링 싱크를 형성하는 수단으로서 언급되는 것은, 예를 들어, 반도체 웨이퍼 내부에 산소 석출물 부분을 형성하기 위해 반도체 웨이퍼를 열처리하는 방법이다. 그러나, 이 방법에서, 장시간의 열처리가 소정의 산소 석출물 부분을 형성하기 위해서는 장시간의 열처리가 필요하기 때문에, 열처리의 단계에서 제조 비용 및 중금속 오염의 증가가 문제된다.
반도체 웨이퍼의 이면에 게터링 싱크를 형성하기 위한 방법으로서 언급되는 것은, 예를 들어, 반도체 웨이퍼의 이면에 다결정질 실리콘층을 형성시키고 게터링 싱크로서 이의 이면을 사용하는 방법이다. 그러나, 특히 반도체 웨이퍼가 300 mm 등의 큰 직경을 가지는 경우, 이러한 큰 직경 웨이퍼는 일반적으로 이의 두 표면이 연마되기 위한 웨이퍼이기 때문에 이의 이면에 게터링 싱크를 형성하는 것이 어렵다.
따라서, 웨이퍼가 300 mm 이상의 큰 직경을 갖는 경우라 하더라도, 게터링 싱크가 장시간 열처리없이 반도체 웨이퍼 내부에 형성되는 방법이 요구된다.
발명의 요약
본 발명의 목적은, 단시간의 레이저 빔의 조사를 통해 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치에서만 유리화된 낮은 파워 레이저를 사용하여 다광자 흡수 공정을 발생시킴에 의해 개질부가 형성되고 게터링 싱크로서 사용되는, 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명자는 단시간에 반도체 웨이퍼 내부에 게터링 싱크를 형성시키기 위해 다양한 연구를 수행하여 왔으며, 웨이퍼의 표면으로부터 낮은 파워 레이저 빔 조사에 의해 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치에서만 다광자 흡수 공정을 발생시킴에 의해 개질부가 형성되고 게터링 싱크로서 사용될 수 있다는 것을 발견하였다.
JP-A-2007-245173에서는 초점(focusing point) 주변에 약한(fragile) 개질 영역을 형성하기 위해 반도체 웨이퍼의 내부로 이의 초점을 맞추도록 레이저 빔이 조사된 다음 웨이퍼가 개질 영역으로부터 분리되는, 반도체 웨이퍼를 부분적으로 제조하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, JP-A-2007-245173의 방법에서는, 반도체 웨이퍼를 부분적으로 제조할 목적으로 YAG 레이저와 같은 높은 파워 레이저 빔의 조사에 의해 개질 영역이 형성되므로, 이러한 레이저 빔 에너지에 의해 영향받는 변위 등이 초점의 주변 이외의 장소에도 자주 발생하게 된다. 또한, 높은 파워 레이저가 레이저 부분 공정에 사용되기 때문에, 개질 영역이 조사 위치에서 깊이 방향으로 반도체 웨이퍼에 형성될 것으로 생각된다.
본 발명은 상기 지식에 근거한 것이며 본 발명의 요약 및 구성은 아래와 같다:
1. 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치로 초점 위치를 맞추고 소정의 깊이 위치에서 반도체 웨이퍼의 특정 부분에만 다광자 흡수 공정을 발생시켜 게터링 싱크를 형성하도록 반도체 웨이퍼의 어느 한 면에 레이저 빔을 조사하는 것을 포함하는 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
2. 제1항에 따른 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 레이저 빔이 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치로 투과되고 소정의 깊이 위치에서 반도체 웨이퍼의 특정 부분에만 다광자 흡수 공정을 발생시키는 특성을 가지는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 따른 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 레이저 빔이 초단파 펄스-레이저인 방법.
본 발명에 따르면, 웨이퍼가 300 mm 이상의 큰 직경을 갖는 경우라 하더라도, 단시간의 레이저 빔의 조사를 통해 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치에서만 다광자 흡수 공정을 발생시킴에 의해 개질부가 제공된 반도체 웨이퍼를 제조할 수 있으며 상기 개질부가 게터링 싱크로서 사용될 수 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명에 따른 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법이 도면을 참고하여 기재될 것이다. 도 1은 반도체 웨이퍼로 레이저 빔의 조사를 시작한 직후 레이저 빔의 초 점 위치의 주변을 도시한 확대된 횡단면도이다.
레이저 빔(10)은 집광 렌즈(11)로 반도체 웨이퍼(20)의 소정의 깊이 위치(21) 내로 레이저 빔(10)의 초점 위치를 맞추도록 반도체 웨이퍼(20)의 어느 한 면으로 조사되고, 따라서 레이저 빔(10)은 다광자 흡수 공정을 발생시키고 이에 의해 개질부(22)를 형성하도록 소정의 깊이 위치(21)에 초점이 맞추어진다.
이 경우, 표면층의 변형없이 레이저 빔(10)의 경로로써 표면층(23)을 쉽게 투과하는 조건하에서 레이저 빔(10)을 조사하는 것이 중요하다. 표 1은 예로써 일반적인 반도체 재료 및 Si 반도체에 적합한 레이저 조사 조건을 보여준다.
레이저 조사 조건은 반도체 재료의 기본적 특성으로써 금지대(에너지 밴드 갭)에 의존하여 결정된다. 예를 들어, Si 반도체의 금지대는 1.1 eV이므로, 입사 파장이 1000 nm 이상인 경우 투과성이 뛰어나게 된다. 따라서, 레이저 파장은 반도체 재료의 금지대를 고려하여 결정될 수 있다.
표 1
레이저 조사 조건
일반적인 반도체 재료 Si 반도체
빔 파장 300-1200 nm 1000-1200 nm
빔 직경 0.1-100 μm 0.5-1.0 μm
반복 주파수 0.001-100 MHz 1-100 MHz
펄스 넓이 1.0×10-15-1.0×10-8초 1.0×10-15-1.0×10-9초
출력 1-1000 mJ/pulse 1-100 mJ/pulse
YAG 레이저 등과 같은 높은 파워 레이저는 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치 뿐 아니라 상기 깊이 위치와 다른 부분에 열적 에너지를 전달하기 때문에 레이저 빔 생성기로서는 낮은 파워 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 낮은 파워 레이저로서는 펨토초 레이저 등과 같은 초단파 펄스-레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 반도체 레이저 등으로 티타늄-사파이어 결정(고체 상태 레이저 결정)을 여기함에 의해 바람직한 레이저 파장 범위를 갖는 초단파 펄스-레이저를 제공할 수 있다. 초단파 펄스-레이저에서, 여기된 레이저 빔의 펄스 넓이는 1.0×10-15(펨토)초 이상으로 될 수 있으므로, 여기에 의해 발생된 열적 에너지의 발산은 다른 레이저를 사용하는 예들과 비교하여 억제될 수 있고, 따라서 광 에너지는 초점의 주변에만 초점이 맞추어질 수 있다.
다광자 흡수 공정의 발생에 의해 형성된 개질부(22)는 아마도 비정질일 것으로 추정된다. 이러한 비정질 구조를 얻기 위해서는, 소정의 깊이 위치(21)가 부분적으로 재빨리 가열되고 냉각될 필요가 있다. 비록 표 1에서 보여주는 초단파 펄스-레이저가 적은 양의 에너지를 갖는 레이저이지만, 반도체 웨이퍼(20)를 부분적으로 재빨리 가열하기에는 충분한 에너지가 집광 렌즈(11)로 레이저 빔의 초점을 맞춤에 의해 제공될 수 있다. 초점 위치의 온도는 9900 내지 10000 K의 고온에 이른다. 또한, 열 주입 범위가 초점 때문에 매우 좁아지게 되므로, 아래에 기재된 바와 같이 초점 위치가 레이저 빔 스캐닝에 의해 제거되는 경우, 이동 전에 초점 위치에서의 열 주입량이 재빨리 감소하며, 따라서 빠른 냉각 효과를 얻게 된다.
또한, 표 1에서 보여주는 초단파 펄스-레이저의 파장이 1000 nm 이상이기 때문에, 레이저의 투과성이 높으며 표면층(23)의 결정 구조에 영향을 주지 않고 개질부(22)를 형성할 수 있다. 결과적으로, 개질부(22)는 반도체 웨이퍼의 게터링 싱크로서 사용되는 것이 바람직하다. 파장이 1200 nm를 초과하는 경우, 장파장 영역에 기인하여 광자 에너지(레이저 빔 에너지)가 낮으며, 따라서 레이저 빔이 집광 렌즈로 초점화되는 경우라도, 반도체의 내부를 변형하는데 충분한 광자 에너지가 얻어질 수 없는 문제가 있다. 따라서, 파장은 1200 nm 이하인 것이 바람직하다.
개질부(22)의 위치 또는 반도체 웨이퍼(20)의 표면으로부터 이의 소정의 깊이 위치(21)의 영역의 거리는 근적외선 영역에서 투과성이 우수한 집광 렌즈(11)로 레이저 빔(10)을 초점화하고 소정의 깊이 위치(21)에 초점의 이미지를 형성하도록 반도체 웨이퍼(20)의 위치를 승강 이동함에 의해 조절될 수 있다.
반도체 웨이퍼의 게터링 싱크로서, 소정의 깊이 위치(21)가 약 0.5 μm이고 넓이(24)가 약 100 μm인 것이 바람직하다.
도 2는 레이저-빔 조사면으로부터 바라본 반도체 웨이퍼로 조사된 레이저 빔의 스캐닝 방향을 보여주는 개략도이다.
더욱이, 반도체 웨이퍼(20)에서 보여주는 각 화살표는 레이저 빔의 스캐닝 방향을 보여준다. 화살표들 사이의 간격 또는 스캐닝 피치는 자유롭게 설정될 수 있다. 레이저 빔은 일부 또는 전체 웨이퍼에 걸쳐 반도체 웨이퍼의 내부로 조사될 수 있다.
도 3은 레이저 빔의 스캐닝 후 도 2에서 보여지는 선 I-I에 따른 반도체 웨이퍼의 횡단면도이다. 개질부(22) 사이의 간격 또는 개질부(22)의 밀도는 스캐닝 피치에 의해 설정될 수 있다. 반도체 웨이퍼의 게터링 싱크에 대해, 개질부(22)의 밀도는 1.0×105 내지 1.0×106 석출물(precipitates)/cm2의 범위인 것이 바람직하다. 개질부의 밀도는 TEM(투과 전자 현미경)에 의해 웨이퍼의 단면을 관찰함에 의해 얻어진 산소 석출물의 갯수를 의미한다.
다음에, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼의 제조방법에 사용된 레이저 광학 시스템이 설명될 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼의 제조방법에서 사용된 레이저 광학 시스템의 예를 보여주는 개략도이다.
레이저 광학 시스템(100)은 레이저 빔(10b)으로 조사되는 반도체 웨이퍼(20), 레이저 빔(10a)을 펄스-진동시키는 레이저 생성기(15), 레이저 빔의 펄스 등을 조절하는 펄스 제어 회로(16)(Q 스위치), 레이저 빔(10a)을 반사하고 90°로 이의 진행 방향을 변화시키도록 배치된 빔 스플리터(17a)(하프 미러), 빔 스플리터(17a)(하프 미러)에 의해 반사된 레이저 빔(10a)을 수집하는 집광 렌즈(11), 반도체 웨이퍼의 임의의 위치에 수집된 레이저 빔(10b)의 초점을 맞추기 위해 수직 또는 수평 방향에서 이동할 수 있는 스테이지(40), 및 스테이지(40)의 이동을 조절하는 스테이지 제어 회로(45)를 포함한다.
레이저 생성기(15) 및 펄스 제어 회로(16)(Q 스위치)는 표 1에서 보여주는 바람직한 범위에서 레이저 빔을 생성할 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 반도체 재료 내부의 임의의 위치에 개질부를 형성하기 위해 투과가능한 레이저 파장을 가지며 짧은 펄스 주기에서 진동할 수 있는 티타늄-사파이어 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
레이저 생성기(15)에 의해 발생된 레이저 빔(10a)은 90°로 이의 진행 방향을 변화시키도록 빔 스플리터(17a)(하프 미러)에 의해 반사되고 집광 렌즈(11)로 레이저 빔(10b)으로 초점이 맞추어지며, 컴퓨터 제어를 통해 수직 방향에서 스테이지(40)의 이동에 의해 반도체 웨이퍼(20)의 소정의 깊이 위치(21)에서 초점의 이미지로서 형성된다. 집광 렌즈(11)는 10 내지 300배의 확대, 0.3 내지 0.9의 N.A. 및 30 내지 60%의 레이저 빔의 파장 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 개질부가 웨이퍼의 표면으로부터 2 μm의 깊이 위치에 형성되는 경우, 레이저 빔의 파장은 1080 nm로 설정되고 60%의 투과율을 갖는 집광 렌즈(50배의 확대)가 사용되며, 이에 의해 다광자 흡수 공정을 발생시키고 이에 의해 개질부를 형성시키도록 레이저 빔은 웨이퍼의 표면으로부터 2 μm의 깊이 위치에 초점화될 수 있다.
레이저 광학 시스템(100)은 가시광 레이저 생성기(19), 빔 스플리터(17b)(하프 미러), CCD 카메라(30), CCD 카메라 제어 회로(35), 촬상 렌즈(12), 중앙 집중 제어 회로(50) 및 디스플레이 수단(51)을 추가로 포함한다.
가시광 레이저 생성기(19)에 의해 생성된 가시광 레이저 빔(18a)은 90°로 이의 진행 방향을 변화시키도록 빔 스플리터(17b)(하프 미러)에 의해 반사되고, 반 도체 웨이퍼(20)를 조사하며 집광 렌즈(11) 및 빔 스플리터(17a 및 17b)를 통해 촬상 렌즈(12)에 도달하도록 반도체 웨이퍼(20)의 표면에서 반사된다. 촬상 렌즈(12)에 도달한 가시광 레이저 빔(18b)은 촬상 렌즈(12)를 통해 CCD 카메라(30)에 의해 이미지로서 촬영된 다음 이미지 데이터로서 CCD 카메라 제어 회로로 입력된다. 스테이지(40)은 입력 데이터에 근거하여 스테이지 제어 회로(45)로부터 출력된 데이터에 따라 수직으로 이동하며, 이에 의해 도 2에서 보여주는 바와 같은 레이저 빔 스캐닝이 달성될 수 있다.
상술한 바와 같이 레이저 빔 스캐닝에 의해 형성된 개질부의 크기는 층으로서 박막화되는 것이 바람직하며 10 내지 150 μm의 범위가 될 수 있다.
또한, 비록 상기 내용은 본 발명의 한 구체예에 관해서만 기재되었으나, 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 만들어질 수 있다.
실시예
레이저 빔으로 조사된 웨이퍼의 표면으로부터 2 μm의 깊이 위치에서 10-6/cm2의 밀도를 갖는 개질부가 제공된 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위해 표 2에서 보여주는 조건하에서 300 mm의 직경 및 0.725 mm의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼를 조사하였다.
표 2
조사 조건
빔 파장 1080 nm
빔 직경 1.0 μm
반복 주파수 1 MHz
펄스 넓이 1.0×10-9초
출력 100 mJ/pulse
비교 실시예 1
개질부의 게터링 효과를 확인하기 위해, 레이저 빔으로 조사되지 않은 웨이퍼인 점을 제외하고는 실시예에서와 동일한 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.
비교 실시예 2
산소 석출물 부분이 장시간 열처리에 의해 형성되는 경우, 게터링 효과를 확인하기 위해, 10시간 또는 20시간 동안 열처리된 웨이퍼인 점을 제외하고는 비교 실시예 1에서와 동일한 실리콘 웨이퍼를 사용하였다.
평가 방법
상기 실시예 및 비교 실시예 1 및 2에서 제조된 각 샘플의 게터링 효과는 아래의 방법에 의해 평가하였다.
각 샘플을 암모니아 및 과산화수소의 혼합 용액으로 세척하고 추가로 염산 및 과산화수소의 혼합 용액으로 세척한 다음 스핀 코팅 오염법에 의해 약 1.0×1012 atoms/cm2의 양에서 니켈로 샘플의 표면을 오염시켰다. 그 후, 샘플을 질소 분위기하에서 1000℃에서 1시간 동안 수직 열처리 퍼니스(furnace)에서 확산 열처리한 다음 라이트 용액(Wright solution)(48% HF: 30 ml, 69% HNO3: 30 ml, CrO3 1g + H2O: 2 ml, 아세트산: 60 ml)으로 에칭하고 게터링 능력의 평가를 위해 에칭 피트 밀도(pits/cm2)를 측정하도록 표면의 에칭 피트(etch pit)(니켈 규소 화합물의 에칭에 의해 형성된 피트)의 갯수를 광학 현미경으로 관찰하였다. 이 방법에서 에칭 피트 밀도의 측정 한계는 1.0×103 pits/cm2이다. 게터링 능력은, 에칭 피트 밀도가 1.0×103 pits/cm2 이하(측정 한계 이하)인 경우 우수한 것으로 평가되고, 1.0×103 pits/cm2 이상 1.0×105 pits/cm2 이하인 경우 허용가능하고, 1.0×105 pits/cm2 이상인 경우 허용될 수 없다.
비교 실시예 2에서, 게터링 싱크로서 산소 석출물 부분의 형성에 필요한 시간을 아래처럼 평가하였다.
각 샘플을 (110) 방향으로 쪼개고 라이트 용액으로 에칭하고, 그 후 쪼개진 면(샘플의 단면)을 산소 석출물 밀도(precipitates/cm2)를 측정하기 위해 광학 현미경으로 관찰하였다. 실시예 1과 같은 방법으로 니켈 성분으로 표면을 오염시킴에 의해 게터링 능력을 평가하였다.
평가의 결과로서, 에칭 피트 밀도는 1.0×105 pits/cm2이고 비교 실시예 1에서는 게터링 효과가 확인되지 않는다.
비교 실시예 2에서, 10시간 동안 열처리된 샘플은 1.0×104 precipitates/cm2의 산소 석출물 밀도 및 1.0×105 pits/cm2의 에칭 피트 밀도를 가지며 게터링 효과는 거의 보여주지 않는다. 또한, 20시간 동안 열처리된 샘플은 1.0×105 precipitates/cm2의 산소 석출물 밀도 및 1.0×104 pits/cm2의 에칭 피트 밀도를 가지며 단지 일부의 게터링 효과만을 보여준다.
대조적으로, 실시예에서의 샘플은 1.0×103 pits/cm2 이하의 에칭 피트 밀도를 가지며 충분한 게터링 효과를 보여준다.
상술한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 소정의 깊이 위치에서만 다광자 흡수 공정을 발생시키도록 단시간에 레이저 빔을 조사함에 의해 개질부가 형성되고 게터링 싱크로서 효과적으로 사용된다.
본 발명에 따르면, 웨이퍼가 300 mm 이상의 큰 직경을 갖는 경우라 하더라도, 단시간의 레이저 빔의 조사를 통해 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치에서만 다광자 흡수 공정을 발생시킴에 의해 개질부가 제공되고 게터링 싱크로서 상기 개질부가 사용되는 반도체 웨이퍼를 제조할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 기재될 것이며, 여기서:
도 1은 반도체 웨이퍼로 레이저 빔의 조사를 시작한 직후 레이저 빔의 초점 위치의 주변을 도시한 확대된 횡단면도이고;
도 2는 레이저-빔 조사면으로부터 바라본 반도체 웨이퍼로 조사된 레이저 빔의 스캐닝 방향을 보여주는 개략도이고;
도 3은 레이저 빔의 스캐닝 후 도 2에서 보여지는 선 I-I에 따른 반도체 웨이퍼의 횡단면도이고;
도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼의 제조방법에서 사용된 레이저 광학 시스템의 예를 보여주는 개략도이다.

Claims (3)

  1. 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치로 초점 위치를 맞추고 소정의 깊이 위치에서 반도체 웨이퍼의 특정 부분에만 다광자 흡수 공정을 발생시켜 게터링 싱크를 형성하도록 반도체 웨이퍼의 어느 한 면에 레이저 빔을 조사하는 것을 포함하는 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 레이저 빔이 반도체 웨이퍼의 소정의 깊이 위치로 투과되고 소정의 깊이 위치에서 반도체 웨이퍼의 특정 부분에만 다광자 흡수 공정을 발생시키는 특성을 가지는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 레이저 빔이 초단파 펄스-레이저인 방법.
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