이번 포스팅에서는 세정공정을 다루어보도록 하겠습니다. 반도체 제조공정에서 모든 공정 단계마다 세정 공정이 빠지지 않을 정도로 세정공정은 정말 중요합니다. 세정 공정에 대해서 한 번 알아볼까요.
[질문 1] 세정 공정을 희망하시네요 세정 공정의 목적과 세정 공정 엔지니어의 역할에 대해서 설명해주시겠어요?
세정공정은 반도체 제조 공정 과정에서 장치나 공정 반응에 의해 발생된 오염물을 제거하기 위한 공정입니다. 모든 반도체 제조 공정 단계 사이에서 세정 공정이 이루어질 정도로 세정공정은 중요합니다. 웨이퍼가 FAB-IN 된 후 FAB-OUT 되기 까지 약 2-3개월 정도의 기간이 소요되는 데, 이 기간 동안에 Photo, Etch, Diffusion, Thin Film, CMP 등 공정의 수가 800개 이상의 공정 단계를 거칩니다. 그중 세정 공정이 1/3의 비중을 차지합니다. 많은 공정을 진행하다 보면 여러 오염들이 잔류할 수 밖에 없고, 이러한 오염물은 수율 저하의 요인 중 가장 큰 비중을 차지합니다. 이러한 오염원을 분석하고 제거하는 것이 바로 세정 공정 엔지니어의 책무라고 할 수 있죠.
[질문 2] 반도체 공정 상에서 발생할 수 있는 오염원에 대해서 설명해주시겠어요?
반도체 제조 공정상의 오염원은 크게 유기물, Particle, 자연산화막, 금속 오여물, Micro Roughness 등이 있습니다. ① 유기오염물의 경우 공기 중에서 존재하는 Carbon에 의한 오염물 혹은 노광 공정 상에 Photoresist가 잔류하면서 발생할 수 있습니다. 이러한 유기 오염물은 후속공정인 Oxidation이나 Etch 공정에서 악영향을 미칠 수 있습니다. ② Particle은 장비나 반응 Gas Source 기인하여 발생합니다. Particle의 경우 Size가 매우 크기 때문에 Back-end Line에 Particle이 존재하면 Short가 발생하여 수율 저하에 직접적인 영향을 미칩니다. ③ 자연산화막은 Si이 공기중에 산소와 반응하면서 형성되는 얇은 산화막입니다. 두께가 매우 얇기 때문에 후속공정에 미치는 영향을 판단 후에 제거 유무를 결정합니다. ④ 금속오염물은 주로 장비나 Chemical 등에 포함된 불순물에 의해 발생합니다. 치명적인 전기적 특성에 영향을 미치기 때문에 반드시 제거되어야 하는 오염물입니다. ⑤ Micro Roughness는 실리콘의 표면 거칠기 입니다. 오염물로 분류하지는 않지만 세정 공정에서 반드시 제어 해야 하는 요소입니다. 표면 상태의 Quality에 따라 소자 특성이 좌우되기 때문에 매우 중요한 인자입니다. 반도체 제조 공정 상에 발생할 수 있는 오염원
[꼬리 2-1] 오염원들 중에 본인이 생각하는 가장 Critical한 오염원이 무엇이라고 생각하나요?
모든 오염원들은 반도체 칩에 부정적인 영향을 미치기 때문에 빈틈없이 관리되어야 하는 요소입니다. 그 중 하나를 선정하자면 저는 Metallic Impurity 오염원이라고 생각합니다. 현직자 인터뷰를 진행했던 경험이 있습니다. 금속 오염원의 주요 원인은 장비나 Chemical Reaction에 의해 발생할 수 있지만, 공정 사고에 의해서 발생할 수 있다고 들었습니다. 금속오염원의 경우 극소량으로도 반도체 칩의 전기적 특성에 영향을 주고, 육안이나 Scan 등을 통해 공정 라인에서 쉽게 발견할 수 없다는 특징을 가지고 있습니다. 금속오염원의 이러한 특징으로 인해 공정 사고 발생 시 정확한 Affect 구간을 파악하기 어렵고, 자칫 잘못하면 전량 폐기를 해야 할 정도로 심각한 이슈라고 생각합니다.
[질문 3] 오염원에 따른 이슈에 대해서 설명해주시겠어요?
Pattern 형성 시 Pattern Line 위에 ① Particle이 존재할 경우, Line Short가 발생할 수 있습니다. 반도체 칩의 Line은 Metal Line의 비중이 크며 Metal Line 위에 Particle이 존재할 경우 Line Short가 발생하여 Leakage가 커지거나, Chip의 원하는 Function 구현이 어렵습니다. ② 대기나 PR 잔여물에 의해 발생한 유기오염원이 제거되지 않을 경우, Oxidation Rate을 변화시키거나 Oxide 특성을 저하시킬 수 있습니다. 즉, 유기 오염물을 완벽하게 제거하지 않는 다면 후속 공정인 Depo. 공정에서 두께 Control이 어려울 수 있습니다. ③ 금속 오염원은 앞서 말씀드린 것처럼 2 - 3개월이라는 장기간의 공정 과정에서 금속오염원을 제대로 제거하지 않는다면 Affect 구간을 특정 짓기 어렵고 최대 2개월 이상 공정이 진행된 Wafer가 전체 폐기될 수 있기에 금속 오염 사고가 회사 입장에서는 Critical할 수 있습니다. ④ 자연산화막의 경우 높은 Selectivity를 요구하는 에치공정에서 Contact/VIA Hole을 뚫을 때, 자연산화막에 의해 에치 공정이 Stop 되면서 원하는 깊이 만큼 에치가 되지 않는 Not Open 이슈가 발생할 수 있습니다. 이 같은 경우는 불량 발생 시 Over-Etch가 강화된 레시피를 적용하여 이슈를 해결할 수 있습니다. 그 외에도 ⑤ Micro Roughness 의 경우 Cleaning 시 Wafer 표면의 미세 거칠기가 발생하여 표면으로 흐르는 전류의 흐름을 방해하기 때문에 저항이 증가하는 결과를 초래하게 됩니다. 결국 소자 전기적 특성에 영향을 미치기에, 반드시 Control 되어야 하는 이슈입니다.
★★Bring-up !!★★ -. 반도체 공정의 대표적인 오염원 : 유기물, Particle, Native Oxide, 금속오염물, Micro Roughness -. Organic Impurity의 Issue : Film Depo. Rate 저하, Film 특성 열화 등등 -. Metal Impurity의 Issue : Affect 구간 특징 짓기 어려움 (Scan 시 검출의 제한), Junction Spike, Carrier Life Time 열화, -. Particle : Line Short을 발생시키기 때문에 수율의 직접적인 영향을 미침 (Line Short 발생하는 순간 Fail임.)
[질문 4] 세정 공정의 구분에 대해서 설명해주세요.
세정 공정은 적용되는 공정의 순서와 세정 메커니즘에 따라 구분될 수 있습니다. 포토, 에치, 증착 등 메인 공정 앞단에 세정 공정이 진행되면 Pre-Cleaning, 메인 공정 뒷 단에 적용되면 Post-Cleaning으로 분류합니다. (예 : Process Sequence 상에서 보면 Pre-CVD Cleaning, Pre-Photo Cleaning 명시). 또한 세정 메커니즘에 따라 크게 습식세정과 건식 세정으로 구분됩니다. 습식 세정의 경우, 용액공정으로 불산, 황산, 암모니아, 과산화수소수 등 각종 용액을 적용하여 화학적 반응을 수반한 세정 공정을 일컫어 습식 세정이라 합니다. 건식세정의 경우, 공정 상에 용액이 포함되지 않는 세정 방법을 말합니다. 보통 Fluorine이나 Chlorine Gas 등을 이용하여 Plasma를 이용하여 세정을 진행하는 방법입니다.
[꼬리 4-1] 습식 세정과 건식 세정 무엇이 더 좋나요?
개인적인 의견으로 습식 세정과 건식 세정은 장단점이 뚜렷하기 때문에 무엇이 좋다고 설명드리기 어렵습니다. 모두가 아시다 시피, 미세화가 진행되면서 정확한 미세 Profile을 구현하기 위해서는 Wet이 아닌 Dry 방식으로 공정 기술들이 채택되고 있습니다. 세정공정 또한 마찬가지입니다. Dry 방식의 세정은 Etch Rate이나 높은 Selectivity가 요구되는 특수한 공정에만 적용됩니다. 그 외에는 습식 세정을 적용합니다. 그 이유는 간단합니다. 건식 세정의 경우, Rinse나 Wafer Dry 같은 추가적인 공정이 필요 없고 높은 Selectivity의 특징을 가지지만 습식 세정 대비 Particle 세정 능력이 부족하고, 가벼운 Metal 오염원의 제거 능력이 떨어집니다. 무엇 보다도 건식 세정의 경우, 설비가 비싸며 Throughput 또한 떨어집니다. 반도체 제조 공정 전체에서 1/3 비중을 차지하는 세정 공정에 건식세정을 적용할 경우, 공정 단가가 증가하게 돼서 공정 경쟁력이 저하될 거승로 생각됩니다.
[질문 5] RCA 세정에 대해서 간략하게 설명해주시겠어요?
RCA 세정은 대부분의 반도체 제조 공정 라인에서 적용하고 있는 대표적인 세정법입니다. Radio Corporation of America라는 회사에서 세정 절차에 대한 표준을 만든 세정법이라고 할 수 있습니다. RCA 세정법은 크게 4단계로 구분됩니다. ① 황산 (H2SO4)과 과산화수소수 (H2O2)를 혼합하여 (4:1 비율) 120도 이상에서 10분 정도 처리합니다. 이는 SPM 세정이라고 부르며, PR 잔류 오염원인 유기 오염물을 제거하는 용도로 사용됩니다. ② 불산 (HF)을 1:50으로 물에 희석시켜 표면에 잔류하는 산화막을 제거하기 위한 용도입니다. ③ Ammonia와 DIW, H2O2를 적정 비율로 혼합하여, Particle 기인 오염물을 제거 및 재흡착 방지 목적의 세정입니다. 이는 APM 세정이라고 하며, Metal Partilce을 포함한 주요 오염물 제거에 중요한 세정 단계입니다. ④ HCl와H2O2, H2O를 적절 비율로 혼합하여 Metal 오염물과 이온 Impurity를 제거하기 위한 목적의 세정법이 적용됩니다. RCA 세정법은 세정 능력이 매우 뛰어나기 때문에 현재도 대부분의 현업 공정 라인에서 적용되고 있는 효과적인 세정법이라고 할 수 있습니다.
[세부 설명] "RCA 세정법" ① SPM (Sulfuric Acid & Hydrogen Peroxide Mixture) Cleaning : H2SO4 : H2O2 = 4 : 1, 120-150℃, 10 min -. 대기중에 Carbon 오염원이나 PR 잔여 유기물을 제거하는 목적으로 사용됩니다. 과산화수소수의 높은 산화력과 황산의 높은 용해력으로 세정이 이루어집니다. RCA 세정에서 가장 먼저 적용되는 세정법입니다. 가장 먼저 사용되는 이유는 RCA 후속공정은 각기 다양한 화학용액을 사용하여 각기 다른 오염원들을 Target으로 세정이 진행됩니다. 이때, 표면에 유기 오염원이 존재하게 되면 RCA 세정의 후속 공정에서 Chemical Reaction이 저하되면서 세정효과가 현저하게 저하되기 떄문에, 가장 우선 적으로 유기 오염물을 제거해주는 SPM 세정법이 적용되는 것입니다. -. 그 외에도 Metal 오염물을 제거하는데 Mechanism 상 Metal을 산화시키고 황산으로 녹일 수 있습니다. 따라서 오염물질 뿐만 아니라 Metal Line이 제거될 수 있기 때문에 SPM 세정시 Metal Line 노출에 주의가 요구됩니다.
② DHF (Diluted HF) Cleaning : HF : H2O = 1 : 10 or 1 : 50 at Room Temp. for 10 min. → DI Water (H2O) Rinse. -불산을 물에 희석 시켜 자연산화막이나 Chemical Oxide를 제거하기 위한 목적입니다. SPM Cleaning을 진행하게 되면 과산화수소(H2O2)의 높은 산화력에 의해 SPM Cleaning 이후 표면에 Oxide 잔류막이 형성될 수 있습니다. 그리 두껍지는 않지만, 표면에 잔여 산화막이 존재하게 되면 역시 후속 공정에서 Chemical Reaction을 방해할 수 있기 때문에 반드시 제거 해주어야 합니다. 이후 잔류하고 있는 Chemical을 제거해주기 위해 DI Water를 이용하여 Rinse 과정이 수반됩니다. -. 자연산화막이나 Chemical Oxide 제거에 용이하며, 필요에 따라 Thermal Oxide, CVD Oxide 제거에도 사용됩니다. (Cleaning 목적 외 목적에도 사용, 불량 분석 시 Delayer 목적으로 사용) -. 부수적으로 Light Metal 제거에도 용이함. -. 불산의 경우 인체에 매우 치명적이기 때문에 각별한 취급이 요구되는 화학물질이라는 점!!!
③ APM (or SC1) Cleaning : NH4OH/H2O2/H2O = 1 : 1 : 5, at 80-90℃ for 10 min. -. 본격적인 오염물 제거를 위한 세정 단계입니다. 건식 세정은 습식 세정과 비교했을 떄, Particle 기인 오염원들을 제거하는 능력이 저하됩니다. APM 세정에서 Particle 성 Defect을 제거 능력이 뛰어나고, 제거된 오염원들이 재흡착을 방지하기 위해 DI Water로 Rinse가 수반됩니다. -. H2O2의 높은 산화력과 암모니아의 높은 식각력을 이용하여 Partic,e 제거. H2O2가 Si 표면을 산화시키면 NH4OH에서 OH- 수산기가 산화물을 식각함으로써 Particle이 실리콘 표면으로부터 분리되는 메커니즘을 가집니다. 또한 NH4OH가 알카리성 계열이기 때문에 표면으로부터 분리된 Particle들이 재흡착 되는 것을 방지하는 기능도 있습니다.
④ HPM (or SC2) Cleaning : HCl : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 6, at 80-90℃ for 10 min. -. HPM 세정의 경우, 금속 이온 오염물을 제거하기 위한 목적입니다. 앞서 이야기 했듯이 Metallic Impurity는 회사에 큰 손실을 초래할 수 있는 아주 골치아픈 오염물입니다. RCA 세정 마지막에 이러한 골칫거리를 가장 마지막에 처리합니다. 금속과 반응성이 높은 HCl과, 산화력이 높은 H2O2를 사용하여 금속산화물을 만들고 DIW Water Rinse를 통해 깨끗하게 제거해줍니다.
[질문 6] 질화막은 어떤 Chemical로 제거가 되죠?
RCA 세정에 사용되는 Chemical은 현업에서 범용적으로 사용되는 Chemical들이 적용됩니다. 그 외에도 Phosphoric Acid (PA) 인산을 물에 희석 시킨 Chemical을 사용합니다. 인산의 경우, 반도체 공정에서 Hard Mask나 Stop Layer로 사용되는 Nitride 박막만을 제거하는 목적으로만 사용됩니다. 질화막의 경우, 막질 자체가 Dense하고 상당히 안정적인 막질이기 때문에 기존 Chemical로 제거능력이 낮습니다. 따라서 PA를 사용하여 질화막을 제거해줍니다. (PA 또한 Etch Rate이 그리 높은 수준은 아님)
[꼬리 6-1] Scrubber 에 대해서 설명해주시겠어요?
스크러버는 Chemical이 아닌 설비를 통해 Wafer 표면의 Particle 기인 오염물을 제거하는데 사용합니다. 다른 세정과 달리 용액을 사용하지만 Chemical Reaction을 수반하지 않고, 오직 설비 내에 Wafer를 로딩하고 Spin 장비에서 Rinse 형태혹은 Spray 형식으로 물을 뿌리면서 Particle을 표면으로부터 제거합니다. 스크러버 세정의 경우, Particle 오염이 많고 이러한 오염원에 취약한 Thin FIlm 공정 뒤에 주로 사용합니다. 스크러버의 경우 비용이 저렴하고 Chemical이 수반되지 않아 다른 부작용을 배제시킬 수 있다는 장점이 있습니다.
[꼬리 6-2] Ozone Cleaning에 대해서 설명해주세요.
Ozone Cleaning의 경우 Ozone gas를 H2O에 용해시킨 오존 수를 이용하여 세정을 진행합니다. 오존이라는 물질은 산화력이 매우 높습니다. 따라서 SPM Cleaning과 유사하게 Carbon 계열의 유기오염물을 산화시켜 제거하는 능력이 탁월합니다. 오존수만 있으면 되기 때문에 Single 장비에서 세정이 용이하고 SPM 대비 비교적 저렴합니다. SPM 대비 Particle 제거 능력은 떨어지지만, 세정 시간도 짧고 농도도 낮아 Single Type 세정 장비에서 쉽게 적용하여 처리합니다.
[꼬리 6-3] Dry Cleaning에 대해서 설명해주시겠습니까?
Dry Cleaning은 앞서 말씀드렸듯이 화학용액 공정이 아닌 Plasma나 UV 조사 등 여러 방법들이 존재합니다. Plasma 방식은 Fluorine 같은 Gas를 사용하며 Plasma의 Chemical Etch가 Cleaning에 접목되면서 세정 공정 기술의 눈부신 발전을 이루어냈습니다. Dry Cleaning의 경우, High Selectivity, Uniform Etch rate이 요구되는 Contact/VIA Hole 등의 계면 특성 개선을 위한 목적으로 제한적으로 사용됩니다. 습식 세정보다 미세공정에서 뛰어난 효과를 보이나, 역시 Throughput이 낮다는 점에서 경제성, 측면에서 세정 공정의 비중은 크지 않고 특수한 경우에 사용됩니다.
여러분들 오늘은 세정공정에 대해서 다루어보았습니다. 세정 공정이 메인 공정이 아니라고 생각하시는 분들도 많습니다. 물론 그렇지 않습니다. 정상적인 반도체 제품을 제조하기 위해서 세정 공정의 비중과 중요성은 점점 더 커지고 있습니다.
목표한 취업 골인하실 때까지 압도적으로 공부할 것을 당부드리면서 이만 마치겠습니다. 오늘 하루도 고생 많으셨습니다.
