[딴딴's 직무 Master] Session 1-4. C&C, CMP 공정 Cleaning Unit

CMP 공정이 끝난 직후 Wafer 표면에는 슬러리 잔유물, 연마 부산물, 금속성 이물질 등이 남아있죠. 이를 충분히 제거하지 않을 경우 후속 공정에서 심각한 불량한 이슈로 이어질 수 있습니다. 이번 게시글에서는 세정 순서와 각 Chemical의 역할, 그리고 Brush 관리 방법 등 공정과 설비 관점에서 CMP Cleaning 공정을 파헤쳐 봅시다.

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[기초 5-1]  CMP 공정 이후 Cleaning 공정이 반드시 필요한 이유를 설명해주세요.

CMP는 Slurry와 Pad의 기계적 연마가 동시에 작용하는 공정이기 때문에 CMP 공정 이후 다량의 부산물과 Slurry 잔여물들이 필연적으로 표면에 발생합니다. Slurry 입자와 반응 부산물이 Wafer 표면에 잔류하게 될 경우, Scratch 불량의 소스로 작용할 수 있으며, 잔류 입자가 후속 공정에서 Wafer-장비 간 마찰이 발생하면서 새로운 Defect이 발생할 수 있습니다.

특히, 금속성 이물이 Si 기판이나 접합 부에 잔류하게 될 경우 소자의 누설전류, Junction 오염 등 MOSFET 특성 열화와 더 나아가 Hard성 불량 기인 Yield Loss가 발생할 수 있습니다. 또한 잔류 슬러리가 건조가 되면 고형물로 굳어져 Particle 형태로 표면 위에 남아 후속 공정 불량을 유발할 수 있습니다. 따라서, CMP 공정은 Polishing 이후에 지체 없이 Cleaning이 이어지도록 in-line으로 세정이 진행됩니다. 

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[기초 4-2] DHF 세정의 역할은 무엇인가요?

DHF 세정은 CMP Cleaning 모듈의 첫단계로 불화소수산(DHF) 세정액을 사용하여 Slurry로 인한 금속성 이물을 제거하는 단계입니다. CMP Slurry에는 금속 이온들이 포함되어 있으며, 연마 과정에서 Wafer 표면의 SiO2나 Si에 금속 이온들이 흡착됩니다. DHF는 이 금속 오염물을 용해하여 제거할 수 있습니다. 또한 DHF는 SiO2 산화막을 Wet Etch하는 작용이 있습니다. 표면 산화막을 얇게 제거함으로써 산화막에 흡착된 불순물들도 Global 하게 제거할 수 있습니다. 또한, Si 표면을 Hydrogen Passivation 상태로 만들어 이후 세정 Step에서 오염물들이 다시 표면에 흡착하는 것을 방지할 수 있습니다. 

① DHF (Dilution Hydrogn Fluoride) 
불산 자체는 독성이 있고 부식성이 강하기 때문에 적정 희석 농도를 정확하게 관리해야 합니다. 또한 DHF가 표면 불순물 제거 및 Hydrogen Passivation 기능을 하지만, 과도한 DHF 노출은 Si 표면 자체에 Damage를 줄 수 있어 시간과 농도 제어가 핵심이라고 할 수 있죠.

② DHF의 SiO2 화학적 반응 (Wet Etch)
HF + SiO2 → H2SiF6 + H2O 
반응의 생성물인 H2SiF6 (헥사플루오로규산)은 물에 잘 용해되어 쉽게 제거됩니다. 이 반응에서 Si 표면에 Si-H Passivation이 이루어지면서 소수성으로 표면이 개질되고 그로 인해 소수성 Si 표면은 수용성 기반 오염물들의 재흡착을 억제하는 효과가 있는 것이죠.

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[기초 4-3] NH4OH와 SC-1이 Wafer 표면의 파티클을 제거하는 화학적 원리를 설명해주세요.

DHF 세정 이후 두 번째 단계로 NH4OH 희석액 또는 SC-1(Standard Clean-1)로 세정 공정이 진행됩니다. (SC-1 자체가 NH4OH를 포함하으로 역할은 유사함) NH4OH의 화학적 반응을 설명드리면, NH4OH의 OH- 수산화 이온이 SiO2를 화학적으로 용해합니다. 표면 산화막이 얇게 제거되면서 그 위에 잔존하던 Particle을 제거할 수 있습니다. 또한 OH-은 Wafer의 Si 표면과 Particle 표면을 모두 음전하(-) 상태로 만들게 됩니다. 같은 극성의 전하를 띠면 서로 반발하므로, 전하를 띄는 이온들이 Wafer 표면에 흡착되는 것을 억제해줍니다. 이 상태에서 Brush의 회전력으로 물리적으로 Particle을 이탈시키게 됩니다.

SC-1은 NH4OH / H2O2 / H2O 조합에서 H2O2는 Si 표면을 산화시켜 얇은 산화막을 형성하고, NH4OH가 이를 다시 용해하는 Cycle로 표면 오염물이 제거됩니다.  

 SC-1 (Standard Clean-1)
Bell Lab의 Werner Kern이 1970년 개발한 표준 세정방법으로, SC-1은 NH4OH + H2O2 + H2O 혼합 용액으로, Particle과 유기 오염물 제거에 매우 효과적입니다. SC-2 (HCl+ H2O2 + H2O)는 금속 이온 제거에 용이하며, 반도체 세정 공정의 기반이 되는 방법으로 CMP 세정 뿐 아니라 다른 공정 Step 중간 중간에 광범위하게 세정 공정이 적용됩니다.

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[기초 4-4] CMP Cleaning의 건조 방식에 대해서 알고 있나요. (복습)

CMP 세정 공정이 완료된 후 Wafer를 충분히 Dry 하지 않을 경우, 남은 물 입자가 건조되면서 Wafet 표면에 Watermark 결함을 만들어 후속 공정에서 불량을 야기합니다. 실제 양산에서 적용되는 대표적인 Dry 방법은 SRD(Spin Rinse Dry)와 화학용액을 활용한 건조 방식이 있는 것으로 알고 있습니다. SRD는 Wafer를 수백~수천 rpm의 고속으로 회전시켜 원심력으로 Wafer 표면의 물을 탈수하는 방식입니다. 단순하고 빠르지만, 패턴 깊이가 깊은 경우 패턴 내부의 물이 완전히 제거되지 않을 수 있고, 고속 회전 시 정전기 발생으로 Particle이 표면에 흡착될 수 있는 문제가 있습니다.

그래서 Marangoni Effect(마란고니 효과)를 이용한 건조가 수반됩니다. IPA 증기를 Wafer 상의 물 표면에 불어 넣습니다. IPA는 물보다 표면 장력이 낮아 IPA와 물의 표면장력 차이에 의해 물이 Wafer 표면에서 이탈 되어 건조되는 원리입니다. 물리적 충격 없이 건조가 가능하며, 패턴 손상이 없고 Watermark 발생이 SRD 대비 적다는 장점이 있습니다. (다만, IPA 용액 소비량 + 비용 증가)

워터마크 Defect이 발생하는 이유.

Watermark는 세정 이후 충분히 건조가 이루어지지 않아, 물 방울이 증발하면서 그 경계에 있는 불순물이 농축되어 남는 반원형 혹은 링 형태의 결함입니다. 특히 친수성 기판에서 물방울이 증발하면서 세정액에 포함된 미량의 이물질들이 표면에 고착되고, 이렇게 발생한 워터마크는 후속 Photo, Etch 공정에서 워터마크가 있는 영역에서 불량이 발생하게 됩니다.

■ 메가소닉 세정 (Megasonic Cleaning)
CMP Cleaning 모듈 중에 Brush 세정 이전에 사용하는 초음파 세정 방식입니다. 1MHz 이상의 고주파 음파를 세정액에 가하면, 미세 기포가 생성되면서 Wafer 표면의 파티클을 물리적으로 제거할 수 있습니다. 특히, Brush가 닿기 어려운 Pattern 내부나 좁은 공간에 있는 Particle을 제거하는데 효과적입니다.

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[기초 4-5] CMP Cleaner에서 사용되는 PVA Brush의 파티클 제거 원리를 설명해주세요.

PVA (Polyvinyl Alcohol) Brush는 CMP 세정에서 가장 보편적으로 사용되는 세정 Brush 입니다. PVA Brush의 경우 높은 흡수력으로 세정액 보유 능력이 높고, Brush가 회전하여 Wafer 표면에 접촉하면 Particle에 작용하는 Brush의 회전 모멘트가 Particle의 흡착 모멘트 보다 커 Particle을 Wafer 표면으로부터 제거할 수 있습니다. 또한 정전기 발생이 거의 없어 제거된 Particle의 재흡착을 방지하고 높은 내화학성을 가지기에 Chemical과 같이 사용해도 무방합니다. 다만, Brush의 경우 사용기간이 길어질수록 이물 제거 능력이 저하되고, Bruch 자체에 오염은 Wafer에 Defect을 발생시킬 수 있어, 일반적으로 10,000매 Wafer 처리 시 교체 주기를 가지는 것으로 알고 있습니다. 

두 개의 Brush 사이의 간격 또한 최적화 해야 Wafer 전면을 균일하게 세정할 수 있습ㄴ디ㅏ. 간격이 너무 넓으면 Wafer 수막과 접촉이 되지 않아 세정효과가 저감되고, Edge에 결함이 남을 수 있습니다. 반대로 간격이 너무 좁으면 과도한 압력으로 Wafer 파손 Risk가 있습니다. 최근에는 자동 보정 기능을 Brush 간격 또한 자동 관리하는 것으로 알고 있습니다.

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[기초 4-6] Post-Cleaning이 별도로 필요한 경우는 어떤 경우인지 알고 있나요.

Post-Cleaning이 별도로 필요한 공정은 금속 막질을 Target으로 연마하는 공정 Step인 경우입니다. 최근 공정 미세화로 RC Delay와 IR Drop 등 기생 저항과 Cap. 성분을 최소화 하기 위해 배선 소재의 변화가 있었습니다. W, Cu, Co 같은 다양한 금속 소재가 사용되면서 기존 CMP Cleaning인 DHF, NH4OH/SC-1 세정 만으로는 금속 이온을 충분히 제거하기 어려워졌습니다. 

이러한 금속 이온 제거되지 않을 경우, 금속 이온이 Si 기판 위에 침투하면서 Deep Level Trap을 형성하기에, 소자의 누설전류 증가와 더 나아가 소자의 신뢰성 열화까지 야기합니다. 특히 DRAM의 경우 Retention 저하가 금속 오염과 직결됩니다. 따라서, Post-Cleaning을 통해 추가 Cheamical 처리 (HCl+H2O2 혼합액, SC-2)를 통해 금속 이온을 선택적으로 제거하고, 현재도 Nano-Spray Nozzle이나 새로운 Chemical 개발로 Particle 제거 효율을 높이는 연구가 활발히 진행중인 것으로 알고 있습니다.

SC-2 (Standard Clean-2)
HCl+H2O2+H2O 혼합액으로 SC-1이 Particle과 유기 오염물 제거에 최적화 되었다면, SC-2는 금속 이온 오염 제거에 특화된 세정입니다. CMP 이후 금속 배선 주변의 금속 이온 오염을 제거하는 Post-Cleaning인 SC-2가 주로 적용됩니다.

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[기출 4-7] 화학적 원리 이해가 강점이라고 말씀하셨는데, Brush 세정에서 화학적 세정 메커니즘을 설명해주세요.

CMP Cleaner에서 Particle 제거는 Brush의 물리적 작용과 Chemical 용액의 화학적 반응이 서로 상호작용을 합니다. Chemical인 N4HOH의 OH-가 Wafer 표면 산화막을 얇게 용해하고, Wafer 표면과 Particle 표면 모두를 음전하로 만듦으로써 전기적 반발력을 만들어 냅니다. 이 반발력이 Particle의 Wafer 표면 흡착 에너지를 낮춥니다. 

동시에 회전하는 PVA Brush가 Wafer 표면에 물리적으로 Particle을 표면으로부터 제거합니다. Chemical이 흡착 에너지를 낮추기 때문에 Brush의 물리력이 더 쉽게 Particle을 표면으로부터 제거할 수 있습니다. Chemical 단독으로 Particle을 완전히 제거하기 어렵고, 마찬가지로 Brush만으로 강하게 흡착된 Particle을 제거하기에는 한계가 있습니다. 그래서 물리적, 화학적 조합으로 높은 세정력을 가질 수 있습니다.

DIW(Deionized Water) 초순수 Rinse 역할
NH4OH/SC-1 세정 후 보통 DIW로 헹구어 Chemical 잔류물을 제거합니다. Chemical이 Wafer 표면에 남으면 Dry 이후 고형물로 굳어 표면에 Particle이 되고 이는 후속 공정에 Defect으로 작용하게 되죠. DIW Rinse는 충분한 수량으로 진행되어야 하며, 마지막 건조 단계로 자연스럽게 연결되죠. LST(Low Surface Tension) Rinse 첨가제를 사용하면, 표면 장력을 낮춰 Pattern 내부 까지 DIW가 꼼꼼히 침투하기에 더 깨끗하게 표면을 세정할 수 있습니다!

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