반도체 습식 세정 공정

초록: 트랜지스터의 크기가 계속 작아짐에 따라 웨이퍼 제조 공정은 점점 더 복잡해지고 있으며 반도체 습식 세정 기술에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 이 논문은 기존의 반도체 세정 기술을 기반으로 고급 반도체 제조의 웨이퍼 세정 기술과 다양한 세정 공정의 세정 원리를 소개합니다. 경제성과 환경 보호의 관점에서 웨이퍼 세정 공정 기술을 개선하면 고급 웨이퍼 제조의 요구를 더 잘 충족할 수 있습니다.

0 서 론 세척 공정은 전체 반도체 제조 공정에 걸쳐 중요한 연결 고리이며 반도체 소자의 성능과 수율에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다. 칩 제조 공정에서 모든 오염은 반도체 소자의 성능에 영향을 미치고 심지어 고장을 일으킬 수도 있습니다 [1-2]. 따라서 그림 1과 같이 표면 오염 물질을 제거하고 웨이퍼 표면의 청결을 보장하기 위해 칩 제조의 거의 모든 공정 전후에 세척 공정이 필요합니다. 세척 공정은 칩 제조 공정에서 가장 비중이 높은 공정으로 모든 칩 제조 공정의 약 30%를 차지합니다.

초대형 집적회로의 개발로 칩 공정 노드는 28nm, 14nm, 그리고 훨씬 더 진보된 노드에 진입했고, 집적도는 계속 증가하고, 선폭은 계속 감소하고, 공정 흐름은 더욱 복잡해졌습니다[3]. 고급 노드 칩 제조는 오염에 더 민감하고, 작은 크기 조건에서 오염 세척이 더 어려워 세척 공정 단계가 늘어나 세척 공정이 더 복잡하고, 더 중요하고, 더 어려워졌습니다[4-5]. 90nm 칩의 세척 공정은 약 90단계이고, 20nm 칩의 세척 공정은 215단계에 도달했습니다. 칩 제조가 14nm, 10nm, 그리고 훨씬 더 높은 노드에 진입함에 따라, 그림 2와 같이 세척 공정의 수는 계속 증가할 것입니다.

1 반도체 세정공정 소개

세정 공정은 화학적 처리, 가스 및 물리적 방법을 통해 웨이퍼 표면의 불순물을 제거하는 공정을 말합니다. 반도체 제조 공정에서 웨이퍼 표면의 입자, 금속, 유기물 및 자연 산화막과 같은 불순물은 반도체 소자의 성능, 신뢰성 및 수율에 영향을 미칠 수 있습니다 [6-8].

세척 공정은 다양한 웨이퍼 제조 공정 사이의 교량이라고 할 수 있습니다. 예를 들어, 세척 공정은 코팅 공정 전, 포토리소그래피 공정 전, 에칭 공정 후, 기계적 연삭 공정 후, 심지어 이온 주입 공정 후에도 사용됩니다. 세척 공정은 대략 습식 세척과 건식 세척의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

1.1 습식 세척

습식 세정은 화학 용매 또는 탈이온수를 사용하여 웨이퍼를 세정하는 것입니다. 공정 방법에 따라 습식 세정은 그림 3과 같이 침지법과 분무법의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 침지법은 화학 용매 또는 탈이온수가 채워진 용기 탱크에 웨이퍼를 침지하는 것입니다. 침지법은 널리 사용되는 방법이며, 특히 일부 비교적 성숙한 노드에 사용됩니다. 분무법은 회전하는 웨이퍼에 화학 용매 또는 탈이온수를 분무하여 불순물을 제거하는 것입니다. 침지법은 동시에 여러 웨이퍼를 처리할 수 있는 반면 분무법은 한 번에 하나의 작동 챔버에서 하나의 웨이퍼만 처리할 수 있습니다. 기술의 발전으로 세정 기술에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있으며 분무법의 사용이 점점 더 널리 퍼지고 있습니다.

1.2 드라이클리닝

이름에서 알 수 있듯이, 건식 세척은 화학 용매나 탈이온수를 사용하지 않고 가스나 플라즈마를 사용하여 세척하는 공정입니다. 기술 노드의 지속적인 발전으로 세척 공정에 대한 요구 사항이 점점 높아지고 있으며 [9-10] 사용 비중도 증가하고 있습니다. 습식 세척으로 발생하는 폐액도 증가하고 있습니다. 습식 세척과 비교할 때 건식 세척은 투자 비용이 높고 장비 작동이 복잡하며 세척 조건이 더 엄격합니다. 그러나 일부 유기물과 질화물 및 산화물을 제거하기 위해 건식 세척은 정밀도가 높고 결과가 우수합니다.

2 반도체 제조에서의 습식 세정 기술 반도체 제조에 일반적으로 사용되는 습식 세정 기술은 세정액의 구성 요소에 따라 표 1에 나타나 있습니다.

2.1 DIW 세척 기술

반도체 제조의 습식 세정 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 세정액은 탈이온수(DIW)입니다. 물에는 전도성 음이온과 양이온이 포함되어 있습니다. 탈이온수는 물 속의 전도성 이온을 제거하여 물을 기본적으로 비전도성으로 만듭니다. 반도체 제조에서는 원수를 직접 사용하는 것이 절대 허용되지 않습니다. 한편으로는 원수의 양이온과 이온이 웨이퍼의 소자 구조를 오염시키고 다른 한편으로는 소자의 성능이 떨어질 수 있습니다. 예를 들어, 원수는 웨이퍼 표면의 재료와 반응하여 부식되거나 웨이퍼의 일부 금속과 배터리 부식을 형성할 수 있으며 웨이퍼의 표면 저항률을 직접 변화시켜 웨이퍼 수율을 크게 감소시키거나 직접 폐기할 수도 있습니다. 반도체 제조의 습식 세정 공정에서 DIW의 두 가지 주요 용도가 있습니다.

(1) DIW만 사용하여 웨이퍼 표면을 세척합니다. 롤러, 브러시 또는 노즐과 같은 다양한 형태가 있으며 주된 목적은 웨이퍼 표면의 일부 불순물을 세척하는 것입니다. 첨단 반도체 제조 공정에서 세척 방법은 거의 항상 단일 웨이퍼 방법입니다. 즉, 챔버에서 동시에 하나의 웨이퍼만 세척할 수 있습니다. 단일 웨이퍼를 세척하는 방법도 위에서 소개했습니다. 사용되는 세척 방법은 스핀 스프레이 방법입니다. 웨이퍼가 회전하는 동안 롤러, 브러시, 노즐 등으로 웨이퍼 표면을 세척합니다. 이 과정에서 웨이퍼는 공기와 마찰되어 정전기를 생성합니다. 정전기는 웨이퍼 표면에 결함을 일으키거나 직접 장치 고장을 일으킬 수 있습니다. 반도체 기술 노드가 높을수록 결함 처리 요구 사항이 높아집니다. 따라서 첨단 반도체 제조의 DIW 습식 세척 공정에서 공정 요구 사항이 더 높습니다. DIW는 기본적으로 비전도성이며 세척 공정 중에 생성된 정전기는 잘 방출될 수 없습니다. 따라서 고급 반도체 제조 공정 노드에서는 웨이퍼를 오염시키지 않고 전도도를 높이기 위해 일반적으로 이산화탄소 가스(CO2)를 DIW에 혼합합니다. 공정 요구 사항이 다르기 때문에 암모니아 가스(NH3)를 DIW에 혼합하는 경우도 있습니다.

(2) 웨이퍼 표면의 잔류 세척액을 세척한다. 다른 세척액을 사용하여 웨이퍼 표면을 세척할 때 세척액을 사용한 후 웨이퍼가 회전함에 따라 대부분의 세척액이 버려졌지만 웨이퍼 표면에는 여전히 소량의 세척액이 남아 있으며 DIW가 웨이퍼 표면을 세척하는 데 필요합니다. 여기서 DIW의 주요 기능은 웨이퍼 표면의 잔류 세척액을 세척하는 것입니다. 세척액을 사용하여 웨이퍼 표면을 세척한다고 해서 이러한 세척액이 웨이퍼를 절대 부식시키지 않는다는 것은 아니지만 에칭 속도가 매우 낮아 단기 세척이 웨이퍼에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 잔류 세척액을 효과적으로 제거할 수 없고 잔류 세척액이 웨이퍼 표면에 장시간 머무르게 하면 여전히 웨이퍼 표면을 부식시킵니다. 또한 세척액이 거의 부식되지 않더라도 웨이퍼의 잔류 세척액은 여전히 ​​남아 있어 장치의 최종 성능에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 따라서 웨이퍼를 세정액으로 세정한 후에는 DIW를 사용하여 잔여 세정액을 제때 깨끗이 제거해 주시기 바랍니다.

2.2 HF 세척 기술

우리 모두가 알다시피, 모래는 코어로 정제됩니다. 칩은 단결정 실리콘 웨이퍼에 무수한 조각으로 형성됩니다. 칩의 주요 구성 요소는 단결정 실리콘입니다. 단결정 실리콘 표면에 형성된 자연 산화막(SiO2)을 세척하는 가장 직접적이고 효과적인 방법은 HF(불산)를 사용하여 세척하는 것입니다. 따라서 HF 세척은 DIW에 이어 두 번째 세척 기술이라고 할 수 있습니다. HF 세척은 단결정 실리콘 표면의 자연 산화막을 효과적으로 제거할 수 있으며 자연 산화막 표면에 부착된 금속도 세척 용액에 용해됩니다. 동시에 HF는 자연 산화막 형성을 효과적으로 억제할 수도 있습니다. 따라서 HF 세척 기술은 일부 금속 이온, 자연 산화막 및 일부 불순물 입자를 제거할 수 있습니다. 그러나 HF 세척 기술에도 피할 수 없는 몇 가지 문제가 있습니다. 예를 들어 실리콘 웨이퍼 표면의 자연 산화막을 제거하는 동안 부식된 후 실리콘 웨이퍼 표면에 작은 구덩이가 남아 웨이퍼 표면의 거칠기에 직접적인 영향을 미칩니다. 또한, 표면 산화막을 제거하는 동안 HF는 일부 금속도 제거하지만 일부 금속은 HF에 의해 부식되기를 원하지 않습니다. 반도체 기술 노드의 지속적인 발전으로 이러한 금속이 HF에 의해 부식되지 않아야 한다는 요구 사항이 점점 더 높아져 HF 세척 기술을 사용할 수 있는 곳에서 사용할 수 없게 되었습니다. 동시에, 세척 용액에 들어가 자연 산화막이 용해되면서 실리콘 웨이퍼 표면에 부착된 일부 금속은 HF에 의해 쉽게 제거되지 않아 실리콘 웨이퍼 표면에 남게 됩니다. 위의 문제에 대응하여 몇 가지 개선된 방법이 제안되었습니다. 예를 들어, HF를 최대한 희석하여 HF 농도를 줄입니다. HF에 산화제를 첨가하면 이 방법은 자연 산화층 표면에 부착된 금속을 효과적으로 제거할 수 있으며 산화제는 표면의 금속을 산화시켜 산화물을 형성하여 산성 조건에서 제거하기가 더 쉽습니다. 동시에 HF는 이전의 자연 산화층을 제거하고 산화제는 표면의 단결정 실리콘을 산화시켜 새로운 산화층을 형성하여 금속이 단결정 실리콘 표면에 부착되는 것을 방지합니다.HF에 음이온 계면활성제를 첨가하여 HF 세척 용액의 단결정 실리콘 표면이 음전위가 되고 입자 표면이 양전위가 되도록 합니다.음이온 계면활성제를 첨가하면 실리콘 표면과 입자 표면의 전위가 같은 부호가 되게 할 수 있습니다.즉, 입자의 표면 전위가 양에서 음으로 바뀌는데, 이는 실리콘 웨이퍼 표면의 음전위와 같은 부호이므로 실리콘 웨이퍼 표면과 입자 표면 사이에 전기적 반발이 발생하여 입자의 부착을 방지합니다.HF 세척 용액에 착화제를 첨가하여 불순물과 착물을 형성하여 세척 용액에 직접 용해되고 실리콘 웨이퍼 표면에 부착되지 않습니다.

2.3 SC1 세척 기술

SC1 세척 기술은 웨이퍼 표면의 오염을 제거하는 가장 일반적이고 저렴하며 고효율의 세척 방법입니다. SC1 세척 기술은 유기물, 일부 금속 이온 및 일부 표면 입자를 동시에 제거할 수 있습니다. 유기물을 제거하는 SC1의 원리는 과산화수소의 산화 효과와 NH4OH의 용해 효과를 사용하여 유기 오염물을 수용성 화합물로 전환한 다음 용액과 함께 배출하는 것입니다. 산화 및 착물화 특성으로 인해 SC1 용액은 일부 금속 이온을 산화시켜 이러한 금속 이온을 높은 원자가 이온으로 전환한 다음 알칼리와 더 반응하여 용액과 함께 배출되는 가용성 착물을 형성할 수 있습니다. 그러나 일부 금속은 산화 후 생성된 산화물의 자유 에너지가 높아 웨이퍼 표면의 산화막에 쉽게 부착됩니다(SC1 용액은 특정 산화 특성을 가지고 있어 웨이퍼 표면에 산화막을 형성하기 때문). 따라서 Al 및 Fe와 같은 금속과 같이 제거하기 쉽지 않습니다. 금속 이온을 제거할 때 웨이퍼 표면의 금속 흡착 및 탈착 속도는 결국 균형에 도달합니다. 따라서 첨단 제조 공정에서 세척액은 금속 이온에 대한 요구 사항이 높은 공정에 한 번 사용됩니다. 사용 후 직접 배출되고 다시 사용되지 않습니다. 목적은 세척액의 금속 함량을 줄여 웨이퍼 표면의 금속을 최대한 씻어내는 것입니다. SC1 세척 기술은 표면 입자 오염도 효과적으로 제거할 수 있으며 주요 메커니즘은 전기적 반발입니다. 이 공정에서 초음파 및 메가소닉 세척을 수행하여 더 나은 세척 효과를 얻을 수 있습니다. SC1 세척 기술은 웨이퍼의 표면 거칠기에 상당한 영향을 미칩니다. SC1 세척 기술이 웨이퍼의 표면 거칠기에 미치는 영향을 줄이려면 적절한 세척액 구성 비율을 공식화해야 합니다. 동시에 표면 장력이 낮은 세척액을 사용하면 입자 제거 속도를 안정화하고 높은 제거 효율을 유지하며 웨이퍼의 표면 거칠기에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. SC1 세척액에 계면 활성제를 첨가하면 세척액의 표면 장력을 줄일 수 있습니다. 또한, SC1세척액에 킬레이트제를 첨가하면 세척액 속 금속이 지속적으로 킬레이트를 형성하게 되어 금속 표면 접착을 억제하는 데 유익합니다.

2.4 SC2 세척 기술

SC2 세척 기술은 또한 좋은 오염 제거 능력을 가진 저비용 습식 세척 기술입니다. SC2는 매우 강력한 착화 특성을 가지고 있으며 산화되기 전에 금속과 반응하여 염을 형성할 수 있으며 이는 세척 용액으로 제거됩니다. 산화된 금속 이온과 염화물 이온의 반응으로 형성된 가용성 착물도 세척 용액으로 제거됩니다. 웨이퍼에 영향을 미치지 않는 조건에서 SC1 세척 기술과 SC2 세척 기술은 서로 보완한다고 할 수 있습니다. 세척 용액의 금속 접착 현상은 알칼리성 세척 용액(즉, SC1 세척 용액)에서 발생하기 쉽고 산성 용액(SC2 세척 용액)에서는 발생하기 쉽지 않으며 웨이퍼 표면의 금속을 제거하는 능력이 강합니다. 그러나 SC1 세척 후 Cu와 같은 금속을 제거할 수 있지만 웨이퍼 표면에 형성된 자연 산화막의 일부 금속 접착 문제는 해결되지 않았으며 SC2 세척 기술에 적합하지 않습니다.

2.5 O3 세척 기술

칩 제조 공정에서 O3 세척 기술은 주로 유기물을 제거하고 DIW를 소독하는 데 사용됩니다. O3 세척에는 항상 산화가 포함됩니다. 일반적으로 O3는 일부 유기물을 제거하는 데 사용할 수 있지만 O3의 산화로 인해 웨이퍼 표면에 재증착이 발생합니다. 따라서 일반적으로 O3를 사용하는 공정에는 HF가 사용됩니다. 또한 O3와 함께 HF를 사용하는 공정은 일부 금속 이온도 제거할 수 있습니다. 일반적으로 유기물, 입자 및 금속 이온을 제거하는 데 더 높은 온도가 유익하다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 O3 세척 기술을 사용할 때 DIW에 용해된 O3의 양은 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 즉, DIW에 용해된 O3의 농도는 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 따라서 세척 효율을 극대화하기 위해 O3 공정 세부 사항을 최적화해야 합니다. 반도체 제조에서 O3는 DIW를 소독하는 데에도 사용할 수 있습니다. 주로 식수를 정화하는 데 사용되는 물질에는 일반적으로 칩 제조 분야에서 허용할 수 없는 염소가 포함되어 있기 때문입니다. 또 다른 이유는 O3가 산소로 분해되어 DIW 시스템을 오염시키지 않기 때문입니다. 그러나 DIW의 산소 함량을 제어해야 하며, 이는 반도체 제조에 사용하기 위한 요구 사항보다 높을 수 없습니다. 2.6 유기 용매 세척 기술 반도체 제조 공정에는 종종 몇 가지 특수 공정이 포함됩니다. 많은 경우 위에서 소개한 방법을 사용할 수 없습니다. 세척 효율이 충분하지 않고, 씻어낼 수 없는 일부 구성 요소가 에칭되고 산화막이 생성되지 않기 때문입니다. 따라서 일부 유기 용매도 사용하여 세척 목적을 달성합니다.

3 결론

반도체 제조 공정에서 세척 공정은 가장 많은 반복이 발생하는 공정입니다. 적절한 세척 기술을 사용하면 칩 제조 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 실리콘 웨이퍼의 크기가 커지고 장치 구조가 소형화됨에 따라 적층 밀도 지수가 증가하고 웨이퍼 세척 기술에 대한 요구 사항이 점점 높아지고 있습니다. 웨이퍼 표면의 청결성, 표면의 화학적 상태, 산화막의 거칠기 및 두께에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해졌습니다. 성숙한 공정 기술을 기반으로 이 글에서는 고급 웨이퍼 제조의 웨이퍼 세척 기술과 다양한 세척 공정의 세척 원리를 소개합니다. 경제성과 환경 보호의 관점에서 웨이퍼 세척 공정 기술을 개선하면 고급 웨이퍼 제조의 요구를 더 잘 충족할 수 있습니다.