반도체 공정 - 세정공정

세정공정이란 화학 및 물리적 방법과 가스 등을 이용해 웨이퍼 표면에 있는 불순물을 제거하는 공정이다. 매우 미세한 공정을 다루는 공정의 경우 웨이퍼 표면에 Particle, 금속유기물, 자연산화막 등으로 인해 제품의 수율과 신뢰성에 악영향을 미치게 된다. 웨이퍼에 악영향을 미치는 Particle, 금속유기물, 자연산화막 등을 제거하는 공정을 세정공정이라고 한다. 세정공정은 각각의 공정 사이사이에 반복적으로 진행되며 다른 공정대비 진행 횟수가 약 2배정도 많다.

출처: 삼성반도체이야기

 

1. 습식세정 (Wet Clean)

습식세정은 Chemical 또는 DI Water에 웨이퍼를 담궈 진행하는 방식이다. 습식세정이 진행된 뒤에는 린스(Rins)와 건조(Dry)를 진행하기 때문에 공정횟수가 늘어나는 단점이 있다. 또한 공정의 미세화가 진행됨에 따라 습식세정으로 제거되지 않는 부분이 많아지면서 건식세정(Dry Clean)이 늘어나고 있는 추세이다. 하지만 비용이 적게 들고 공정 방식이 간단하기 때문에 현재까지 많이 사용되고 있다.

 

1) RCA 세정

미국의 전자회사 RCA사에서 개발한 세정방식이다. 산화반응을 하는 과산화수소를 주축으로 다른 여러 세정 물질을 섞어 식각을 추가하거나 다른 세정 항목을 더해 전체적인 세정효율을 높이는 방식으로 다양화되었다. RCA 세정에서 APM(Ammonia Peroxide Mixture), HPM(Hydrochloric Acid and Peroxide Mixture), SPM(Surfuric Acid Peroxide Mixture)에 대해 알아보자.

 

APM 세정 공정(SC1 Cleaning): 암모니아, 과산화수소 그리고 물을 1:1:5의 비율로 혼합하여 75~90℃ 정도의 온도에서 10~20분 정도 Cleaning을 실시하면 H2O2가 H2O+O2로 분리되어 강한 산화작용으로 표면 유기 물질들이 물에 용해되는 복합물질을 형성한다. H2O2의 산화와 NH4OH의 용해 및 식각으로 주로 파티클을 제거하며 표면의 유기오염물과 Au, Ag, Cu, Ni 등과 같은 금속 불순물을 동시에 제거한다.

 

HPM 세정 공정(SC2 Cleaning): 금속오염제거를 위해 사용되며 염산, 과산화수소, 물의 1:1:5의 비율로 혼합하여 75~85℃ 정도의 온도에서 잔류 금속 불순물들을 제거한다. 세정 후 Wafer 표면은 15Å전후의 산화막이 형성된다. 세정온도를 75~85℃로 하는 이유는 세정액을 충분히 활성화함과 동시에 과산화수소의 분해가 급속히 진행되지 않는 온도이기 때문이다. 하지만 실리콘이나 증착된 막질 내부의 식각기능을 가지고 있지 않기 때문에 Wafer 표면에 들어간 오염을 제거할 수 없는 단점이 있다.

 

SPM 세정 공정: 과산화수소와 황산을 4:1의 비율로 90~130℃에서 10~15분 정도 진행하여 Wafer 표면의 유기 오염물을 제거하기 위해 사용된다. SPM 세정은 PR과 같은 유기 오염물을 제거하는데 효과적이며 세정 후 화학적 산화막을 형성시키고 Wafer 표면을 친수성으로 만든다. 그러나 세정 후 많은 황 잔유물을 남기는 단점을 가지고 있다.

 

● 금속 불순물이 Wafer에 미치는 영향

PN접합 전류 누설, 산화막 내압불량 등의 문제를 일으킨다. 금속 오염의 발생원인은 Fab내의 청정도, 인체, 약품, PR 잔여물 등 다양하다.

 

2. 건식세정 (Dry Clean)

공정 미세화에 따라 습식세정으로 제거되지 않는 부분과 세정액이 과다하게 사용되는 문제점이 생기면서 액체를 사용하기 보다 기체를 사용하는 Dry Clean의 비중이 높아지고 있다. 건식은 습식에 비해 투자비용이 많이 들고 장비가 복잡하지만 표면에 남아있는 PR, 산화막 등을 제거하는데 효율적이다.

 

1)  Ashing (PR Strip)

Photo 공정에서 남은 PR을 제거하는 공정이다. 탄소성분으로 구성된 Polymer 재료의 PR이 플라즈마 내의 산소 Radical과 반응하여 CO, CO2와 같이 휘발성 성분이 되어 제거되는 원리이다. 통상적으로 PR막 아래의 박막물질(유전막, 금속막 등)의 경우 산소 Plasma에 거의 반응하지 않으므로 충분한 Etching을 통해 잔류 PR이 남지 않게 한다.

에싱공정의 예(출처: 이인호 외 공저, 반도체 전공정장비 1)