KR20230053212A - 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 경면 연마된 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 웨이퍼를 열처리하는 단계; 상기 웨이퍼를 세정하여, 상기 열처리 중에 형성된 산화막을 제거하는 단계; 상기 웨이퍼를 폴리싱하는 단계; 및 상기 웨이퍼 표면의 결함을 평가하는 단계를 포함하는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법를 제공한다.
Description
본 발명은 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리와 표면 연마를 통하여 RIE 결함 영역을 정의하는 방법에 관한 것이다.
반도체 등의 전자 부품이나 태양 전지를 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는, 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법 등으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨 후, 일련의 공정을 통하여 제조된다. 그리고, 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 등의 공정을 거쳐서 반도체가 제조된다.
실리콘 웨이퍼는 반도체 소자의 가장 기초 재료로서 불순물이나 결함은 반도체 제조 과정 또는 반도체 완제품에 치명적인 영향을 끼치게 된다. 실리콘 웨이퍼는 잉곳(ingot)의 성장 속도 (V, pulling speed)와 멜트(melt) 계면에서의 잉곳의 성장 축 방향의 온도 구배(G, axial temperature gradient)에 기인하여 점 결함(point defect)의 속성 및 농도가 변화한다.
V/G가 클수록 베이컨시(vacancy)의 농도가 증가하고, V/G가 작을수록 베이컨시의 농도는 감소하며 인터스티셜(interstitial) 실리콘 농도가 증가한다. 그리고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 냉각 중에 점결함 간의 또는 점결함과 실리콘(Si) 간의 반응이 발생하여, 점결함 종류(베이컨시 또는 인터스티셜 실리콘) 및 농도에 따라서 결정 결함이 생성된다.
대표적인 결정 결함인 COP(crystal originated particle)나 LDP(large dislocation pit) 등은 반도체 제조 수율에 치명적인 영향을 주기 때문에, 이를 배제한 무결함(결정 결함 free) 실리콘 웨이퍼의 제조가 필요하다.
특히, 반도체 디자인 룰(Design rule)이 미세해지면서, 기존에 영향을 주지 않는 미세한 결함이 반도체 소자에 영향을 주게 되어, 더 작은 결정 결함을 제어할 필요성이 있다.
실리콘 단결정 잉곳의 점 결함 거동은 V/G에 의해 결정되는데, V/G 값이 클수록 보이드 결함(COP)이 발생하고 낮을 경우에는 LDP가 생성되는데, 이 두 구간 사이에는 V/G가 높은 순으로 O-band 영역(산소 석출물 형태의 결함이 생성되며, 고온의 산화 열처리시에 OISF(Oxidation Induced stacking fault)가 발생하는 영역), VDP(산소 석출물이 존재하나 그 크기가 O-band 영역보다는 작음), IDP(Interstitial Dominant Pure) 및 B-band 영역 등이 존재한다. 따라서, 성장 결함(grown-in defect) 발생 영역을 제어함과 동시에 무결함 영역 중의 점결함 분포를 결정 성장 단계에서 미리 파악하는 것과 아울러 O-band, VDP 영역과 IDP 영역의 경계를 정확히 구분할 필요가 있다.
O-band 영역과 VDP 영역, IDP 영역 및 B-band 영역의 경우에는 대한민국 등록특허공보 제10-0763834호와 제10-2037748호 및 제10-2060085호 등에 기재된 구리 헤이즈(Cu haze) 방법과 밀크 헤이즈(milk haze) 방법을 통하여 영역 구분이 가능하고, O-band와 VDP 영역의 사이의 기존에 명확하게 구분하지 않았던 영역에 대하여는, 반응성이온식각법 (RIE, Reactive Ion Etching)에 의해서 결함 영역을 구분할 수 있다.
도 1은 상술한 단결정의 성장 속도와 결정 결함 영역의 관계를 나타낸 도면이다.
RIE 결함 영역을 평가할 때는 고가의 RIE 장비(예, dry etcher)가 필요하고, 또한 RIE 영역은 기존의 VDP 영역에서 O-band 영역에 가깝게 배치되는 영역으로 밀크 헤이즈(milk haze) 평가 방법이나 구리 헤이즈 방법으로는 공정이 복잡해지고 분석 시간이 증가하는 등의 어려움이 있다.
본 발명은 웨이퍼의 RIE 결함 영역을 정확하게 평가하고자 한다.
실시예는 경면 연마된 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 웨이퍼를 열처리하는 단계; 상기 웨이퍼를 세정하여, 상기 열처리 중에 형성된 산화막을 제거하는 단계; 상기 웨이퍼를 폴리싱하는 단계; 및 상기 웨이퍼 표면의 결함을 평가하는 단계를 포함하는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법를 제공한다.
웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법은 웨이퍼 표면의 결함 평가에서 확인된 산소 석출물의 크기를 분류하는 단계를 더 포함할 수 있다.
열처리를 900~1100℃의 온도에서, 1~16시간 수행할 수 있다.
경면 연마된 웨이퍼는 상기 산소 석출물을 포함하는 RIE(Reactive Ion Etching) 결함 영역을 포함하고, 상기 RIE 결함 영역은 오-밴드(O-band) 영역과 VDP(VAncy Dominant Pure) 영역의 사이에 구비되고, 상기 오-밴드 영역은 OISF(Oxidation Induced Stacking Fault) 결함이 에지 또는 센터 영역에 링 형태로 발생되는 영역이고, 상기 VDP 영역은 베이컨시가 우세한 영역일 수 있다.
열처리 단계에서, 상기 웨이퍼의 표면에 산화막이 형성되고, 상기 산소 석출물의 크기가 성장하고, 새로운 산소 석출물이 형성될 수 있다.
불산을 사용하여 상기 산화막을 제거할 수 있다.
웨이퍼 표면의 결함 평가는, P-counter 또는 MAGICS를 사용하여 진행될 수 있다.
웨이퍼 표면의 결함을 평가하는 단계에서, RIE(Reactive Ion Etching) 결함 영역을 결정하고, 상기 RIE 영역은 상기 웨이퍼 표면의 결함 평가에서 확인된 산소 석출물의 크기를 분류하여, 상기 웨이퍼의 반경 방향으로 1 밀리미터 간격으로 산소 석출물의 밀도를 계산하고, 상기 산소 석출물의 밀도가 2개/cm2 이상이 연속하여 3지점 이상인 영역일 수 있다.
본 발명에 따른 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법은, 열처리 및 연마 공정 중 추가되는 결함을 배제하고, 특정 크기 이상의 결함의 면내 밀도를 이용하여 RIE 결함 영역을 정의할 수 있다.
도 1은 단결정의 성장 속도와 결정 결함 영역의 관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 3은 V/G 변화에 따른 점 결함 농도와 산소 석출물 분포를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 웨이퍼의 열처리 전,후와 이후의 세정 및 연마 공정에서 (as-grown) 결함의 변화 등을 나타낸다.
도 5은 본 발명의 방법으로 구한 RIE 결함 만의 분포를 나타낸다.
도 6은 반경 방향의 결함 밀도를 구하고 특정 밀도 이상을 RIE 영역이라고 정의하여 평가 과정의 노이즈를 제거하여 면내 RIE 결함 분포를 정량화한 것을 나타낸다.
도 7은 종래의 RIE 평가 방법과 본 발명의 RIE 평가 방법을 비교한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 3은 V/G 변화에 따른 점 결함 농도와 산소 석출물 분포를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 웨이퍼의 열처리 전,후와 이후의 세정 및 연마 공정에서 (as-grown) 결함의 변화 등을 나타낸다.
도 5은 본 발명의 방법으로 구한 RIE 결함 만의 분포를 나타낸다.
도 6은 반경 방향의 결함 밀도를 구하고 특정 밀도 이상을 RIE 영역이라고 정의하여 평가 과정의 노이즈를 제거하여 면내 RIE 결함 분포를 정량화한 것을 나타낸다.
도 7은 종래의 RIE 평가 방법과 본 발명의 RIE 평가 방법을 비교한 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법은, 경면 연마된 웨이퍼를 준비하는 단계(S110)와, 웨이퍼를 열처리하는 단계(S120)와, 웨이퍼를 세정하여, 상기 열처리 중에 형성된 산화막을 제거하는 단계(S130)와, 웨이퍼를 폴리싱하는 단계(S140)와, 웨이퍼 표면의 결함을 평가하는 단계(S150), 및 웨이퍼 표면의 결함 평가에서 확인된 산소 석출물의 크기를 분류하는 단계(S160)를 포함한다.
이하에서 도 3 내지 도 7을 참조하여, 상술한 실시예에 따른 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법을 설명한다.
먼저, 경면 연마된 웨이퍼를 준비한다. 여기서, 웨이퍼는 쵸크랄스키법 등으로 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 외주면을 가공하는 연삭 공정, 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정, 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼 내부의 손상(damage)층 제거를 위한 식각 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing)을 진행할 웨이퍼일 수 있다.
도 3은 V/G 변화에 따른 점 결함 농도와 산소 석출물 분포를 나타낸다.
위의 공정으로 준비된 경면 연마된 웨이퍼는 도 3에 도시된 점 결함 농도와 산소 석출물 분포를 나타낸다. 도시된 바와 같이, V/G가 큰 V-rich 영역에서는 COP 밀도가 크고, O-band 영역와 VDP 영역에서는 (as-grown) 산소 석출물이 생성된다. 여기서의 산소 석출물을, 후술하는 열처리 공정에서 생성되는 산소 석출물과 구분하기 위하여 (as-grown) 산소 석출물이라고 할 수 있다.
RIE 결함 영역은 오-밴드(O-band) 영역과 VDP(VAncy Dominant Pure) 영역의 사이에 구비되는 영역이고, 오-밴드 영역은 OISF(Oxidation Induced Stacking Fault) 결함이 에지 또는 센터 영역에 링 형태로 발생되는 영역이고, VDP 영역은 베이컨시가 우세한 영역이며, RIE(Reactive Ion Etching) 결함 영역은 상술한 (as-grown) 산소 석출물을 포함할 수 있다.
이때, O-band 영역과 VDP 영역의 차이점은 상대적으로 베이컨시(vacancy) 농도가 높은 O-band 영역에서는 (as-grown) 산소 석출물의 크기가 크고 밀도가 높으며, 베이컨시 농도가 낮아질수록 (as-grown) 산소 석출물의 크기가 작아지고 생성 빈도가 점차 감소할 수 있다.
도 3에서, (as-grown) 산소 석출물의 결함 분포는 단결정 잉곳의 성장시에 결정되므로, 벌크(bulk) 방향으로는 밀도 차이가 크지 않다. 즉, 웨이퍼 표면이나 벌크에서나 동일한 위치에서의 결함 분포(밀도)는 유사하다.
(as-grown) 산소 석출물에 따른 결함의 크기는 매우 작아서 직접 평가하기는 어렵기 때문에, 해당 결함을 성장시키는 열처리를 한 후 (as-grown) 산소 석출물의 분포를 확인할 수 있다. 그러나, 열처리 온도나 시간에 따라서 (as-grown) 산소 석출물에 따른 결함이 제거(dissolution)되거나, 새로운 산소 석출물이 생성될 수 있기 때문에 열처리 조건 설정이 매우 중요하다.
도 4a 내지 도 4d는 웨이퍼의 열처리 전,후와 이후의 세정 및 연마 공정에서 (as-grown) 결함의 변화 등을 나타낸다.
도 4a에서 경면 연마된 웨이퍼에 RIE 결함인 (as-grown) 결함이 나타나고 있다.
도 4b에서 웨이퍼를 900~1100℃의 온도에서, 1~16시간 동안 열처리할 수 있다. 열처리 공정을 통하여, 웨이퍼의 표면에는 산화막(oxide fime)이 형성되고, (as-grown) 산소 석출물 중 일부의 크기가 성장될 수 있다. 이때, 새로운 산소 석출물(BMD)의 성장을 최소화할 필요가 있다.
(as-grown) 산소 석출물을 후술할 표면 결함 검사 장비(P-counter 또는 MAGICS)에서 검출 가능한 크기 이상으로 성장시켜야 하므로, 일반적인 반도체 소자의 공정에서 진행하는 산화 열처리보다 더 높은 온도인900~1100℃의 온도에서, 더 긴 시간인 1~16시간 동안 열처리 할 필요가 있다.
그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 도 4b의 열처리 공정에서 생성된 산화막을 불산(HF)를 이용하여 제거한다.
그리고, 웨이퍼의 니어 서페이스(near surface)에서는 열처리 중 발생하는 산소 out-diffusion에 의해서 산소 석출물의 성장이 어렵기 때문에, 도 4d에 도시된 바와 같이 수 마이크로 미터(um), 예를 들면 1 내지 10 마이크로 미터의 연마(polishing)을 진행한다.
그리고, 연마 공정의 종료 후에, P-counter 또는 MAGICS 등의 표면 결함 검사 장비를 이용하여 측정하면 크기가 커진 (as-grown) 산소 석출물 뿐만 아니라 상술한 열처리 도중 새롭게 생성된 산소 석출물, 연마 기인 결함(PID) 및 파티클(particle) 등이 모두 측정될 수 있다.
따라서, (as-grown) 산소 석출물에 의한 결함의 분포만 확인하기 위하여, 표면 결함 검사 장비에서 검출된 결함 중에서 RIE 영역에 존재하는 결함 만을 분류할 필요가 있다.
본 발명에서는 RIE 영역에 존재하는 결함 만을 분류하기 위하여, 표면 결함 측정시 얻을 수 있는 결함 크기를 이용한다.
즉, 동일 결정 영역에 형성된 (as-grown) 석출물의 크기는 대부분 유사한 크기를 갖고 있기 때문에, 열처리 후 추가로 성장된 (as-grown) 석출물의 크기 역시 유사한 크기를 갖고 있을 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 동일한 속성을 가진 (as-grown) 산소석출물의 크기는 베이컨시 농도 등의 석출 환경에 차이에 따라서 달라진다. 상세하게는 O-band 영역의 (as-grown) 산소석출물의 크기가 가장 크고, RIE 영역 및 VDP 영역 순으로 크기가 감소한다.
또한, 열처리에 의해서 새롭게 형성된 산소 석출물의 경우는 (as-grown) 석출물에 비하여 크기가 상대적으로 작다. 반면, PID(polishing induced defect)나 파티클의 경우 다양한 크기로 존재할 수 있다.
본 발명에서는 특정한 크기를 갖는 결함의 웨이퍼의 면 내 밀도를 계산하여 특정한 값 이상(RIE 조건에 따라 변화)의 밀도가 반경(radial) 방향으로 연속적으로 존재하는 것을 기준으로 설정하였다.
도 5은 본 발명의 방법으로 구한 RIE 결함 만의 분포를 나타내고, 도 6은 반경 방향의 결함 밀도를 구하고 특정 밀도 이상을 RIE 영역이라고 정의하여 평가 과정의 노이즈를 제거하여 면내 RIE 결함 분포를 정량화한 것을 나타낸다.
본 발명에서는, 반경 방향으로 1 밀리미터(mm) 간격으로 결함 밀도를 계산하고, 결함 밀도가 2개/cm2 이상이 연속하여 3지점(point) 이상인 영역을 RIE 영역으로 정의하였다. 단, 웨이퍼의 열처리 시간이나 온도 등이 달라지면, 상술한 밀도 기준은 변경될 수도 있다.
도 5에서 2개의 샘플 웨이퍼(Wafer #1, Wafer #2)의 모든 결함과, 상술한 방법으로 분석한 상술한 방법으로 정의한 RIE 영역이 도시되고 있다.
도 6에서, 예를 들면, 청색 원으로 표시된 부분은 밀도가 2개/cm2 이지만, 연속 3지점 조건을 만족하지 못하였기 때문에 RIE 영역으로 정의하지 않는다.
도 7은 종래의 RIE 평가 방법과 본 발명의 RIE 평가 방법을 비교한 도면이다.
본 발명에서는 평가 웨이퍼(200mm)의 마진(margin)을 고려하여 보수적인 조건을 적용하였다. 구리 헤이즈 방법의 VDP 영역 폭을 기준으로 하였을 때, RIE 평가 방법은 VDP의 폭이 30mm 이상에서 RIE 영역이 발생하였고, 본 발명에서는 29mm 이상에서부터 RIE 영역이 확인되어 두 방법의 결과가 잘 매칭되는 것을 확인할 수 있었다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 제한되는 것은 아니다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (8)
- 경면 연마된 웨이퍼를 준비하는 단계;
상기 웨이퍼를 열처리하는 단계;
상기 웨이퍼를 세정하여, 상기 열처리 중에 형성된 산화막을 제거하는 단계;
상기 웨이퍼를 폴리싱하는 단계; 및
상기 웨이퍼 표면의 결함을 평가하는 단계를 포함하는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 웨이퍼 표면의 결함 평가에서 확인된 산소 석출물의 크기를 분류하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 열처리를 900~1100℃의 온도에서, 1~16시간 수행하는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 경면 연마된 웨이퍼는 상기 산소 석출물을 포함하는 RIE(Reactive Ion Etching) 결함 영역을 포함하고,
상기 RIE 결함 영역은 오-밴드(O-band) 영역과 VDP(VAncy Dominant Pure) 영역의 사이에 구비되고,
상기 오-밴드 영역은 OISF(Oxidation Induced Stacking Fault) 결함이 에지 또는 센터 영역에 링 형태로 발생되는 영역이고,
상기 VDP 영역은 베이컨시가 우세한 영역인 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 열처리 단계에서,
상기 웨이퍼의 표면에 산화막이 형성되고, 상기 산소 석출물의 크기가 성장하고, 새로운 산소 석출물이 형성되는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법. - 제1 항에 있어서,
불산을 사용하여 상기 산화막을 제거하는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 웨이퍼 표면의 결함 평가는, P-counter 또는 MAGICS를 사용하여 진행되는 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 웨이퍼 표면의 결함을 평가하는 단계에서, RIE(Reactive Ion Etching) 결함 영역을 결정하고,
상기 RIE 영역은 상기 웨이퍼 표면의 결함 평가에서 확인된 산소 석출물의 크기를 분류하여, 상기 웨이퍼의 반경 방향으로 1 밀리미터 간격으로 산소 석출물의 밀도를 계산하고, 상기 산소 석출물의 밀도가 2개/cm2 이상이 연속하여 3지점 이상인 영역인 웨이퍼의 결함 영역의 평가 방법.
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