반도체 세정공정(Cleaning)

 현재 반도체 소자 제조 공정은 약 400단계 이상의 제조 공정을 가지고 있으며 이들 중 적어도 20% 이상의 공정이 웨이퍼 표면의 오염을 막기 위한 세정공정과 표면 처리 공정이다. 세정공정은 웨이퍼 표면에 부착된 미세입자(particle)나 유기 오염물, 금속 불순물을 제거하여 이로 인한 불량이 생기지 않도록 방지하는 기술이다. 반도체 소자의 미세화에 따라 수율과 신뢰성 측면에서 눈에 보이는 파티클, 유기 오염물뿐만 아니라 눈에 보이지 않는 금속 오염도 소자 성능 및 수율을 좌우하는 중요한 요소가 되어 이를 제거하는 세정기술이 점점 더 중요해지고 있다. 세정 공정은 반도체 웨이퍼 표면의 물질을 제거한다는 점에서 식각 공정과 매우 유사하다. 하지만 그 대상이 박막 물질이 아닌 웨이퍼 표면에 존재하는 유기물/무기물 잔여물, 파티클, 흡착된 가스 등의 다른 특성을 갖는 다양한 물질을 제거해야 한다는 점이 다르다. 세정 방법을 선택할 때 중요한 것은 반도체 소자 제작 과정 중 어느 단계에서, 또 어떤 표면 상태에서 진행하는지와 공정 전처리 과정인지 아니면 후처리 과정인지를 정하는 것, 그리고 무엇을 없애기 위한 세정을 하는가를 파악해야 한다는 것이다. 먼저 밑바닥에 노출된 층이 무엇인지 확인하고, 세정 용액에 의해서 식각 되는지 등을 파악한 후 세정 방법을 결정하는 것이 바람직하다. 일반적으로 웨이퍼 세정 방법은 습식 세정의 경우에는 게이트 전 단계공정과 후 단계공정에 따라 각자 다른 세정 방법을 사용한다.

1. 웨이퍼 세정

 실리콘 웨이퍼의 세정은 습식 세정법과 건식 세정법으로 구분된다. 습식 세정법은 화학 용액을 사용하여 화학적 반응을 통해 오염을 제거하지만, 화학 용액이 웨이퍼 표면에 남아 있으면 부작용이 있기 때문에 화학 용액을 없애기 위한 DI Rinse와 건조 과정이 수반된다. 전통적인 실리콘 웨이퍼 세정 방법은 과산화수소 용액을 기반으로 한 습식 방법을 기본으로 한다. 과산화수소를 사용하는 이유는 DI Water Rinse가 가능하고 건조 후에도 잔류물이 매우 적고, 제거될 오염물에 따라 적당한 종류의 화학 용액을 선택하여 사용할 수 있다. 또한 공정 재현성도 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 많은 화학 물질의 소모와 사용 후 폐기, 그리고 패턴 크기가 작아지면서 액체가 표면장력 현상 때문에 고형상비(High Aspect Ratio) 패턴의 밑바닥을 세정하는 효과가 떨어지는 등의 문제가 있다. 또 후속 진공 공정 장비와의 비호환성으로 인해 대체할 수 있는 건식 세정 기술을 개발하고 있다. 건식 세정법은 반응성 가스를 이용하여 표면의 오염을 제거하는 방법이다. 유기물 및 실리콘을 제거하는 경우는 각각 산화성 분위기 및 불소를 포함한 기체 상태에서 플라스마 방전 또는 자외선 조사 등을 보조 에너지로 하여 세정효율을 높인다. 또한 세정기술 중 드라이아이스, Ar 에어로졸 등의 미립자를 웨이퍼 표면에 불어서 기계적 충격으로 표면의 오염을 제거하는 방법도 있는데, 이러한 방법을 CMP 연마 후 표면 세정에 유효하다고 알려져 있다. 현재 세정공정은 한 가지 방식으로만 완성되지 않고, 공성 단계에 따라 습식 세정과 건식 세정을 적절한 방법으로 복합적으로 선택하여 사용하고 있다.

2. 습식 세정 기술

 현재 대부분의 반도체 공정에서 오염물질을 제거하기 위해 사용되고 있는 대표적인 습식 세정 공정은 1970년에 소개된 RCA 세정법을 기반으로 하고 있다. 이 세정공정은 과산화수소를 기본으로 하여 NH4OH 용액과 혼합한 SC-1과 HCl 용액과 혼합한 SC-2의 대표적인 공정을 비롯하여 순차적인 공정을 통해 웨이퍼 내 모든 오염물질이 제거되도록 이루어져 있다. APM(Ammonia Peroxide Mixture)라고도 불리는 SC-1 세정은 산화 및 식각 반응을 통해 유기 오염물이나 파티클을 효과적으로 제거할 수 있다. 최근에는 과산화수소 대신 오존을 사용하여 화학 용액 폐기량을 줄이는 방법도 활발히 적용되고 있다.

3. 건식 세정 기술

건식 세정은 고순도의 가스 및 증기를 사용하여 세정을 하기 때문에 습식 세정처럼 과도한 화학 용액을 사용하지 않아 환경 문제를 완화할 수 있으며, 습식 세정으로는 제거하기 어려운 Hole과 Trench 등의 작은 패턴까지도 각종 잔류 오염물을 제거할 수 있는 방법이다. 또한 건식 세정은 박막 증착장비, 식각장비 등과 결합한 Cluster 장비에서 수행됨으로써 기판 위에 불순물의 재오염 및 파티클의 기판 위 오염을 감소시킬 수 있다. 반면 대부분의 중금속은 가스와 반응하여 휘발성 반응물을 형성하기 어렵기 때문에 건식 세정으로 금속 오염을 제거하는 것은 효과가 떨어진다. 최근까지 개발된 건식 세정 방법으로는 산화막 제거용 HF vapor 세정, 유기막 제거용 세정, 금속 불순물 제거용 세정, 미세 유기물 제거용 플라즈마 세정 등이 있다. 이와 같은 건식 세정 방법들은 기판 위에서의 세정과 관련된 화학 반응을 향상하기 위해 플라즈마, UV 조사, 가열 등과 같은 활성화 에너지원을 사용한다. 한편 건식 세정법도 습식 세정 대비 단점들을 가지고 있는데 우선 공정 재현성이 낮고, 습식 세정처럼 기판 여러 장을 한꺼번에 세정하는 배치(Batch) 방식을 사용하기 힘들므로 단위 시간당 공정 처리량이 적다는 문제가 있다. 또한 고가의 장비를 사용해야 하고 고온 공정 사용 시, 금속 불순물의 확산 가능성이 존재한다. 따라서 습식 세정의 전면적인 대체보다는 서로의 단점을 보완하는 방식으로 결합하여 사용되고 있다.