세정 공정

기출문제 풀이

기출문제 ❶

세정 공정에 대해 설명하시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중 수준이며 세정 공정 전반에 대한 지식을 묻는 기본적인 문제이다.

• 세정 공정의 정의 및 분류 기준에 대해 설명한다.

• RCA, 기계적 습식 세정법 및 건조 방법에 대해 설명한다.

• 건식 세정법의 도입 배경 및 내용에 대해 간략히 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q 세정 공정?

• 웨이퍼 표면 파티클, 유기 오염물, 금속 불순물, 자연 산화막 등 제거

• 분류: 습식/건식 세정

- 습식 세정: FEOL(RCA)/BEOL(기계적 세정) & Batch식/매엽식

- 건식 세정: UV, 플라즈마, 기상 세정

• 건조: 스핀 건조/마랑고니

STEP3 모범답안

세정 공정은 웨이퍼 표면의 파티클(Particle)을 비롯하여, 유기 및 금속 오염물, 그리고 자연 산화막 등의 원하지 않는 다양한 불순물을 물리, 화학적 방법을 사용하여 제거하는 공정으로 정의됩니다. 세정 공정은 습식 세정과 건식 세정으로 분류할 수 있는데, 습식 세정은 금속 배선 공정(Back-End) 후, 금속의 부식 등의 위험성으로 화학 약품의 사용이 불가하므로 메가소닉 등의 기계적 세정을 사용하고, 전 단계 공정(Front-End)의 트랜지스터 제작 공정에서는 대표적인 습식 세정법인 RCA 세정을 기반으로 한 산이나 알칼리 케미칼 세정을 사용합니다. RCA 세정은 염기성 케미칼인 암모니아를 사용하여 파티클 및 유기 물질 그리고 일부 금속을 제거하는 SC-1 세정과 산성 용액인 염산을 사용하여 SC-1 세정에서 제거하지 못한 중금속 및 알칼리 금속을 제거하는 SC-2 세정으로 구성됩니다.

반도체 소자의 미세화에 따라 고전적인 습식 세정의 한계로 최근에는 건식 세정이 그 범위를 넓혀 가고 있습니다. 습식 세정은 설비 측면에서 복수의 웨이퍼를 동시에 처리하여 생산성이 높은 일괄 처리 방식(Batch type wet station)과 낱장씩 처리하는 매엽식(Single type) 설비로 나눌 수 있습니다. 일괄 처리 방식은 웨이퍼 간 교차 오염(Cross contamination)과 과다한 세정액 사용량, 그리고 이에 따른 폐수 처리 비용의 부담이 크므로, 최근에는 이러한 단점을 보완할 수 있는 매엽식 설비로 바뀌는 추세입니다.

습식 세정 후에 진행되는 웨이퍼의 건조 공정은 수분의 완전한 건조는 물론, 건조 시 물리적인 충격, 파티클의 재부착, 물반점(Water-Mark) 발생 등의 불량이 없어야 합니다. 전통적으로 사용되던 건조 방식인 스핀 건조기(Spin dryer)는 고속 회전에 의한 원심력을 이용하여 웨이퍼를 건조하는 방식으로 설비가 단순하며, 일괄 처리 방식의 경우 다수의 웨이퍼를 한번에 처리할 수 있어 저비용이라는 장점이 있습니다. 반면 원심력에 의해 웨이퍼 상의 미세 패턴이 손상되거나 파티클이 재부착되고 건조 중 웨이퍼의 깨짐이 발생하는 경우 동시에 진행한 웨이퍼들에도 영향을 줄 수 있다는 문제점이 있습니다. 때문에 최근에는 표면 장력의 차이로 인해 유체가 이동하는 원리를 이용한 마랑고니(Marangoni) 건조 방식을 적용하여 이러한 스핀 건조기의 단점을 해결하고 있습니다.

핵심 이론 정리

1. 세정 공정의 개요

세정 공정은 웨이퍼 표면의 파티클(Particle)을 비롯하여, 유기 또는 무기 오염물과 자연 산화막 등의 원치 않는 모든 불순물을 제거하는 공정으로 정의할 수 있다. 오염원은 장비, 화공 약품(케미칼), 공정 자체, 인적 오염, 청정실 내 공기 등 다양하다.

2. 세정 공정 분류

세정 공정은 [그림 3-64]와 같이 금속배선 공정을 기준으로 하거나 용액 사용 여부에 따라 습식 세정과 건식 세정으로 분류할 수 있다. 전 단계 공정(Front-End)인 트랜지스터 제작 공정에서는 세정 효과가 뛰어난 강산이나 알칼리 케미칼을 사용하는 RCA 세정법을 주로 사용한다. 반면, 금속배선 이후 공정(Back-End)에서는 금속의 용해나 부식의 위험성 때문에 화학 약품 대신 기계적 세정을 사용한다. 이러한 고전적 습식 세정은 반도체 소자의 미세화에 따른 한계가 있어, 최근에는 건식 세정이 그 범위를 넓혀가고 있다.

3. 화학적 습식 세정(Front-End wet cleaning) - RCA 세정

습식 세정 장비에는 [그림 3-65]와 같이 일괄 처리 방식(Batch type)과 매엽식(Single type) 방식이 있다. 일괄처리 방식은 복수의 웨이퍼를 동시에 처리하는 방법으로, 생산성은 높으나 웨이퍼 간 교차 오염 방지 및 세정액의 사용량 저감, 그리고 이에 따른 폐수 처리 비용을 감소할 목적으로, 세정액을 재사용하지 않고 낱장씩 처리하는 매엽식 방식으로 전환되고 있다. RCA 세정은 1960년대 미국 RCA 사에서 개발된 세정법으로, 그 탁월한 세정 효과로 인해 현재 습식 세정 공정의 근간이 되었다. RCA 세정은 염기성 케미칼인 암모니아를 사용하는 SC-1(Standard Clean-1)과 산성 케미칼인 염산을 사용하는 SC-2 세정으로 구성되며, [그림 3-66]과 같은 순서로 진행된다. 후술할 기계적 세정 방식인 메가소닉(Megasonic) 세정 방식을 접목시켜 세정 효과를 극대화하기도 한다.

(1) SC-1 세정

SC-1 세정은 APM(Ammonium Peroxide Mixture) 세정이라고도 하는데, 암모니아(\text{NH}_4\text{OH}), 과산화수소(\text{H}_2\text{O}_2), 물(\text{H}_2\text{O})을 1:1:5로 혼합하여 75 \sim 90^{\circ}\text{C}의 온도에서 10 \sim 20분 동안 세정하는 방법이나, 반도체 소자의 미세화에 따라 세정 용액의 온도와 농도(1:1:5 \to 1:1:10 \sim 50)는 점차 낮아지고 있는 추세이다. SC-1은 \text{H}_2\text{O}_2의 강한 산화 작용을 이용하여 [그림 3-67]과 같이 표면 파티클 및 유기 물질 그리고 일부 Au, Ag, Cu, Ni 등의 금속들을 산화시켜 제거하거나 산화된 오염물들을 \text{NH}_4\text{OH}로 식각하여 박리(Lift-Off)시키는 원리이다. 박리된 오염물은 같은 극성을 띠게 되어 웨이퍼에 재부착되지 않는다.

(2) QDR(Quick Dump Rinse)

SC-1과 SC-2 세정 사이에 있는 QDR 단계는 초순수(De-Ionized Water, DIW)를 사용해 헹구는 단계이다. [그림 3-68]과 같이 웨이퍼에 스프레이 방식으로 초순수를 분사하고, 초순수가 수조에 가득 차게 되면 빠른 속도로 배수해 헹궈준다. 이러한 과정을 2 \sim 3회 반복한 후 SC-2 세정으로 넘어간다.

(3) SC-2 세정

SC-2는 HPM(Hydro-chloric Peroxide Mixture) 세정이라고도 하는데, 염산(\text{HCl}), 과산화수소(\text{H}_2\text{O}_2), 물(\text{H}_2\text{O})을 1:1:5로 혼합하여 75 \sim 85^{\circ}\text{C}의 온도에서 세정하는 방법이다. [그림 3-69]와 같이 SC-1 세정에서 제거되지 못한 금속 불순물(중금속 및 알칼리 금속)을 \text{H}_2\text{O}_2로 먼저 산화시킨 후, 이를 \text{HCl}로 제거하는 원리이다. SC-1과 마찬가지로 반도체 소자의 미세화에 따라 세정 용액의 온도와 농도(1:1:5 \to 1:1:10 \sim 50)가 점차 낮아지고 있는 추세이다. 세정 후에는 과산화수소(\text{H}_2\text{O}_2)에 의해 기판 표면에 \sim 30\text{Å} 전후의 화학적 산화막(Chemical oxide)이 자라고, 그 표면은 [그림 3-70(a)]와 같은 \text{OH}^{-} 종단(Termination)을 갖게 되어 친수성(Hydrophilic)을 띠게 된다. 이후 웨이퍼는 QDR을 거쳐 DHF(Diluted HF) 처리로 이송된다.

(4) DHF(Diluted HF)

자연 산화막과 화학적 산화막은 배선의 접촉(Contact) 저항 증가와 산화막 내 불순물에 의한 게이트 산화막 누설 전류 등의 불량을 발생시킬 수 있으므로 반드시 제거해야 한다. 이는 DHF(Diluted HF) 단계에서 이루어지며, 주로 불산(HF) 원액을 초순수에 1:50~100 비율로 희석하여 사용한다. 이렇게 DHF 단계를 끝으로 세정을 완료하면, [그림 3-70(b)]와 같은 \text{H}^{+} 종단(Termination)을 갖게 되어 소수성(Hydrophobic)을 띠게 되고 이는 파티클의 재부착을 용이하게 하므로, 다음 공정을 바로 진행하여야 한다. 이 때문에 웨이퍼를 장기간 보관할 때에는 [그림 3-70(a)]와 같이 표면이 친수성을 띠게 되는 SC-1 또는 SC-2 세정 및 QDR 후 보관한다.

4. 기계적 습식 세정(Back-End wet cleaning)

기계적 세정 방법은 ~1MHz 정도 주파수의 초음파를 사용하는 메가소닉(Megasonics) 방식과 직접 웨이퍼 표면과 접촉하는 PVA 브러쉬 스크러버(Poly-Vinyl Acetate brush scrubber) 방식으로 나눌 수 있다.

(1) 메가소닉(Megasonics) 세정

메가소닉 세정은 900KHz~1.2MHz의 고주파 영역을 사용하여 [그림 3-71(a)]와 같이 음파의 힘에 의해 물리적으로 세정하는 비 접촉식 세정 방법으로, 피 세정물의 손상이 적고 침투력이 우수하여 정밀 세정에 유리하다.

(2) PVA 브러쉬 스크러버(Poly-Vinyl acetate brush scrubber)

[그림 3-71(b)]와 같이 스크러버의 회전력과 브러쉬의 접촉력을 이용해 CMP 오염물 등의 상대적으로 큰 파티클을 세정하는 방법이다. 예전에는 나일론과 같은 재료로 된 브러시를 사용했으나, 웨이퍼 표면의 긁힘 불량이 생길 수 있어 부드럽고 유연한 PVA(Poly-Vinyl Alcohol) 재질의 브러시를 사용하고 있다.

5. 웨이퍼 건조(Wafer dry) 공정

웨이퍼 건조 공정은 습식 세정 후에 진행되는 공정으로 수분이 완전히 건조되어야 함은 물론, 공정 과정에서 물리적인 충격, 파티클의 재부착, 물반점(Water-Mark) 발생 등의 불량이 없어야 한다. 전통적으로 [그림 3-72(a)]의 회전(~5,000rpm)에 의한 원심력을 이용해 기판을 건조시키는 스핀 건조기(Spin dryer) 방식이 사용되었으나 원심력에 의해 웨이퍼 상 미세 패턴의 손상 및 파티클의 재부착이 생길 수 있어 최근에는 사용 빈도가 낮아지게 되었다. 이러한 스핀 건조기의 단점을 해결한 것이 [그림 3-72(b)]의 마랑고니(Marangoni) 건조 방식이다. 초순수 표면에 이소프로필알코올(IPA) 증기층을 형성하여 웨이퍼를 초순수 표면 위로 상승시켜 초순수와 IPA의 표면장력 차이를 이용하여 건조가 이루어지는 방법이다.

6. 건식 세정(Dry cleaning) 공정

소자의 미세화에 따라, DRAM의 커패시터 및 3D 낸드/V-NAND 등의 고종횡비(High Aspect Ratio, HAR) 패턴 구조로 발전하였고, 이러한 구조의 습식 세정에서 모세관 현상(Capillary phenomenon) 및 표면장력에 의해 패턴이 서로 들러붙거나(Leaning) 무너지는(Collapse) 불량이 발생하게 되었다. 이 외에 케미칼 내의 불순물에 의한 역 오염, 케미칼과 초순수의 대량 사용 및 폐수 처리로 인한 비용 증가 등 여러 문제점들로 인해 건식 세정에 대한 필요성이 대두되었다. 건식 세정은 액체 상태의 화학 약품 대신 기상(Vapor)이나 가스 상태에서 세정하는 방식이기 때문에, 습식 세정의 문제점 해결은 물론 미세한 구멍 등의 고종횡비(HAR) 패턴도 세정도 가능하다. 또한 증착, 식각, 산화 등 후속 공정 장비와 클러스터 툴(Cluster tool)로 연결되어, 세정 후 웨이퍼의 외부 노출을 막아 오염을 최소화할 수 있다는 장점도 있다. 이러한 건식 세정의 종류에는 유기물 제거 목적의 UV/O_3 및 플라즈마 세정, 금속 오염 세정을 위한 UV/Cl_2, 자연 산화막 제거 목적의 불산 기상 세정(HF vapor cleaning) 등이 있으며 [표 3-3]에 각 건식 세정 공정을 도시하였다.