Cleaning 공정은 반도체 FAB 공정에서 30~40%를 차지할 정도로 그 비중과 중요도가 높습니다.
[질문 1] Cleaning 공정에 대해서 설명하세요.
Cleaning 공정은 반도체 제조 프로세스에서 Si Wafer 표면의 불순물, 유기물 오염, 표면의 피막, 불순물과 같은 이물의 오염을 물리 화학적인 방법으로 제거하는 공정기술입니다. Cleaning 공정은 전체 FAB 공정에서 30~40%정도의 막대한 비중을 차지하고 있으며, 이물에 의한 Hard 성 Fail에 직접적인 연관이 있는 매우 중요한 공정이라 할 수 있습니다.
[꼬리 1.1] Cleaning 공정의 목적에 대해서 설명하세요.
Cleaning 공정의 궁극적인 목적은 보다 높은 수율을 확보하는 것입니다. 아무리 공정이 Target 조건으로 완벽하게 진행되었다 하더라도 Cleaning이 원활히 이루어지지 않는다면 해당 반도체 Wafer의 수율은 확보할 수 없습니다. Cleaning 공정을 통해 Particle이나 PR 잔여물, 공정을 거치면서 생성된 금속 오염물과 입자적 불순물은 제품의 성능과, 신뢰성, 그리고 수율에 큰 영향을 미칩니다. 이는 선폭이 미세화 되면서 Cleaning 공정의 중요성이 더욱 커지고 있는 추세입니다.
[Tip] 주요 Contamination ① Particle : 대기 중에 떠 있는 Dust, 또는 장비나 사람으로부터 발생되는 Dust Particle ② Organic : 대기 중에 오염된 Carbon, Photoresist 잔여물, 작업자 등으로부터 발생되는 Organic Impurity ③ Metallic Impurity : Chemical, Material, 장비 등에서 발생하는 금속 오염물 ④ Micro Roughness : Cleaning 공정 시 Wafer 표면의 미세 거칠기 ⑤ Native Oxide : 공정 중에 자연적으로 발생하는 자연 산화막 ( tox ~1nm)
[꼬리 1.2] Cleaning 공정의 Requirements에 대해서 설명하세요
Cleaning 공정은 공정 이후에 Wafer 표면에 어떤 종류의 오염물질도 존재해서는 안됩니다. 예를 들어, 식각 공정을 진행했을 때, 식각하고자 하는 영역에는 식각 Target 물질의 잔여물이 남아서는 안 됩니다. 그리고 Cleaning 공정을 거치면서 Wafer 표면에 Damage를 주어서는 안 됩니다. 공정 상에서 역으로 오염이 존재해서는 안 되며 이는 적절한 휘발성을 가지는 화학물질을 택해야 합니다. 비중이 큰 공정인 만큼 안전하고, 단순하며, 비용 효율적이어야 합니다. 다양한 반도체 공정기술들에 대해서 적용 가능해야 하며, 최근 사회적 이슈인 ESG 경영의 가치와 부합하기 위해 친환경적이면서 독성이 없는 부산물 처리가 요구됩니다.
[질문 2] 반도체 공정 상에서 주요 오염원에 대해서 설명하세요.
오염의 종류는 크게 이온성 오염과 비이온성 오염으로 구분할 수 있습니다. 먼저 이온성 오염은 Na+, Li+, K+와 같은 알카리 금속으로 인체나 원료로부터 오염이 발생할 수 있습니다. 그 외에도, 식각 공정에서 Etchant Gas로 사용되는 F-, Cl- 와 같은 할로겐 음이온들에 의한 오염이 있습니다. 다음은 비이온성 오염입니다. 비이온성 오염은 유기물과 무기물 오염으로 구분할 수 있습니다. 유기물은 Polishing 공정이나, 포토공정에서의 PR, WF 핸들링, 식각 공정 등 다양한 공정 내에서 왁스나 오일, 수지, PR 잔여물 등이 오염입니다. 그 외에도 챔버 내 부품이나, WF 핸들링 재료 부품에서 중금속이나 귀금속 오염이 발생할 수 있습니다. 마지막으로 무기 오염은 산화막이나 Carbon 오염이 발생 할 수 있습니다.
[세부 사항] ① Organic Contamination → 오염원 : 윤활유, 냉각수, 부유입자, 유기 잔유물 → 오염 : 대부분의 유기용매를 증발 시킨 후에 표면에서 발견 됩니다. → 영향 : 효과적인 Cleaning 공정과 Rinse를 방해합니다. 증착하고자 하는 타겟 박막과 하부막의 Adhesion을 저하시킵니다. 그리고 열에 의해 유해한 분해물이 형성될 수 있습니다.
② Particle → 오염원 : 액체 용액이나, 흡착 Gas, 대기 중, 등 → 오염 : 대부분 공정이 진행되면서 발생함 → 영향 : Wafer 공정의 진행을 방해함. Hard 성 Fail에 대부분이기에, 다발할 시 Wafer 공정 Hold 됩니다. Pinhole, Micro Void 또는 Interface 내에 Defect을 유발합니다. 그리고 제품 자체 Function의 불량을 유발하는 인자입니다.
③ Native Oxide → 오염원 : 공기중에 산소, DI Water 또는 액체 Chemical 등. → 오염 : Si Wafer 표면에 항상 산화막으로 존재 (~1nm 수준) → 영향 : Thin Film의 Epitaxial Growth를 방해합니다. 산화막 내에 무기물을 Trapping 합니다.
④ Chemical Oxide → 오염원 : Wet Cleaning 공정 중 용액으로부터 발생 → 특징 : Native Oxide 보다 Uniform하게 박막이 형성됨 → 영향 : 역시 Epitaxial Growth를 방해함.
⑤ Metallic Impurity → 오염원 : FAB 공정 장비 혹은 금속 Tweezer, PR 잔유물 등 → 영향 : 열처리 동안 Si 기판 내로 확산되면서, Si Band gap의 trap을 형성합니다. 이로 인해 MOSFET의 Main Current 인자인 Minority Carrier의 Life Time을 감소시킵니다. 이는 전기적 특성의 저하를 유발하고, 누설전류 증가, 항복전압의 감소로 이어지면서 제품 수율과 신뢰성을 감소시킵니다.
[꼬리 2.1] 오염들이 공정 상에 미칠 수 있는 영향에 대해서 설명하세요.
앞서 말씀드린 오염들은 수율에 큰 영향을 미칩니다. 구체적으로 말씀드리자면 라인 간에 Particle이 존재할 경우 전기적인 Short가 발생하면서 원하지 않는 Current가 흐를 수 있습니다. 반대로 Contact Hole 내부에 절연성 Particle이 존재할 경우 회로가 Open 될 수 있습니다. 이러한 Particle 오염원들은 박막 증착을 방해하며, 노광공정시 Particle이 광을 흡수 또는 산란 시키면서 원하는 회로 Pattern을 얻을 수 없습니다. 또한 RIE 공정에서 Particle이 식각을 저하시키면서 Etch Uniformity를 저하시킬 수 있습니다.
