.com ㈜울텍 삼성SDI벤처 초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com Closed system과 Vapor 식에 의한 웨 이퍼 세정 1. 경과 목적 LSI의 미세화가 진행됨과 동시에 웨이퍼의 세정기술이 점점 중요하게 되고 있다. 웨이퍼 세정기술의 중요한 특성의 하나는 어떻게 전 공정까지 파티클이나 중금속을 제거하냐 하는 것과, 이 세정공정자체에서 파티클의 제거 및 결함의 발생을 억제하냐 하는 것이다. 웨이퍼의 세정기술로서는 현재도 수조식세정 이 사용되고 있고 세정에 사용하는 약품은 종 래로부터 RCA세정 1) 이 주류를 이루고 있다. RCA세정의 각각의 단계와 목적을 이하에 표 시한다. [1] SPM (H 2 SO 4 +H 2 O 2 +H 2 O): 웨이퍼 표면에 부착한 유기물을 유산과 과산화수소의 강력한 산화력에 의해 제거한다. [2] DHF (HF+H 2 O): 실리콘 표면의 불필요한 자연 산화막을 제거한다. [3] SC-1 (NH 4 OH+H 2 O 2 +H 2 O): 표면의 파티 클을 과산화수소로 산화시키고, 산화막을 암모 니아로 제거하는 것에 의해 lift off하여 제거한 다. [4] SC-2 (HCI+H 2 O 2 +H 2 O): 표면에 부착된 중금속(Fe, Ni, Cr, Cu etc)를 HCI로 용해하여 제거한다. 또한 이 단계의 사이에는 초 준수에 의한 린 스가 행하여지고 각 약액(藥液)을 웨이퍼 표면 으로부터 완전히 제거한다. 더욱이 최종 린스 후에 건조 단계가 있고, 웨이퍼를 회전시켜 수 분을 제거하는 스핀 드라이 및 IPA Vapor에 물을 치환하는 법이 채용되고 있다. 최근에 half um 및 이 이하의 LSI에 있어서 는 트랜지스터의 특성에 큰 영향을 끼치는 gate산화막의 두께가 10mm정도로 얇고, 산화 공정의 전 세정이 매우 중요시 되고 있다. 많 은 장비제조회사는 상기의 RCA세정 후에 부 착된 chemical의 산화막을 HF로 제거하고 다 음의 산화공정으로 이동시킨다. 이 것은 chemical의 산화막 내에 Fe 및 Al등의 금속이 포함되기 쉽고, 포함된 금속이 트랜지스터특성 의 신뢰성을 저하시키는 것으로 알려져 있기 때문이다. 그러나 최종공정을 HF클리닝으로 마무리 하는 경우, 마지막의 건조공정이 큰 문 제로, 친수성(親水性)의 산화막과 달리 소수성 (疎水性)의 실리콘 표면에 건조의 얼룩이 생기 기 쉽고, 건조 후에 water-mark라는 물때가 발생한다. 이는 최종 린스 후부터 건조까지의 웨이퍼의 이송 중에 웨이퍼 표면이 대기에 노 출되는 것이 원인이라고 생각된다. 웨이퍼가 대기에 노출되지 않게 세정부터 건 조까지 완료되는 법인 closed system과 IPA Vapor에 의한 건조 식을 사용하고, 이 gate 산화 전의 세정에 대해서 유용성을 확인함과 동시에 시스템의 웨이퍼세정으로서의 성능을 평가한다. 2. 기술 2-1. closed system의 개요 Fig.1에 평가된 closed system의 단면도를 표시한다 4)5) . 웨이퍼의 모든 약액의 처리는 1 개의 조(Vessel)로 완전히 밀폐된 상태로 행하 여 진다. Fig.1(a)는 약액처리 및 순수에 의한 린스일 때의 상태로 약액은 조의 하부에서 투 입되어 상부로 출된다. 약액처리 중에는 조 의 상하에 설치된 브가 교차 하여 이 상태로 일정시간 유지된다. 약액의 치환은 하부에서부 터 순수로 밀어내는 형태로, 웨이퍼는 세정완 료까지 모든 대기에 접촉되지 않는다. Fig.1(b)
7
Embed
Closed system과 Vapor방식에 의한 웨 이퍼 세정 · 직접관측가능하기 때문에 산화막 불량의 양상 ... 으로서 산화막의 경시절연파괴특성 ... 한
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
.com ㈜울텍 삼성SDI벤처
초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com
Closed system과 Vapor방식에 의한 웨
이퍼 세정
1. 배경과 목적
LSI의 미세화가 진행됨과 동시에 웨이퍼의
세정기술이 점점 중요하게 되고 있다. 웨이퍼
세정기술의 중요한 특성의 하나는 어떻게 전
공정까지 파티클이나 중금속을 제거하냐 하는
것과, 이 세정공정자체에서 파티클의 제거 및
결함의 발생을 억제하냐 하는 것이다.
웨이퍼의 세정기술로서는 현재도 수조식세정
이 사용되고 있고 세정에 사용하는 약품은 종
래로부터 RCA세정1)이 주류를 이루고 있다.
RCA세정의 각각의 단계와 목적을 이하에 표
시한다.
[1] SPM (H2SO4+H2O2+H2O): 웨이퍼 표면에
부착한 유기물을 유산과 과산화수소의 강력한
산화력에 의해 제거한다.
[2] DHF (HF+H2O): 실리콘 표면의 불필요한
자연 산화막을 제거한다.
[3] SC-1 (NH4OH+H2O2+H2O): 표면의 파티
클을 과산화수소로 산화시키고, 산화막을 암모
니아로 제거하는 것에 의해 lift off하여 제거한
다.
[4] SC-2 (HCI+H2O2+H2O): 표면에 부착된
중금속(Fe, Ni, Cr, Cu etc)를 HCI로 용해하여
제거한다.
또한 이 단계의 사이에는 초 준수에 의한 린
스가 행하여지고 각 약액(藥液)을 웨이퍼 표면
으로부터 완전히 제거한다. 더욱이 최종 린스
후에 건조 단계가 있고, 웨이퍼를 회전시켜 수
분을 제거하는 스핀 드라이 및 IPA Vapor에
물을 치환하는 방법이 채용되고 있다.
최근에 half um 및 이 이하의 LSI에 있어서
는 트랜지스터의 특성에 큰 영향을 끼치는
gate산화막의 두께가 10mm정도로 얇고, 산화
공정의 전 세정이 매우 중요시 되고 있다. 많
은 장비제조회사는 상기의 RCA세정 후에 부
착된 chemical의 산화막을 HF로 제거하고 다
음의 산화공정으로 이동시킨다. 이 것은
chemical의 산화막 내에 Fe 및 Al등의 금속이
포함되기 쉽고, 포함된 금속이 트랜지스터특성
의 신뢰성을 저하시키는 것으로 알려져 있기
때문이다. 그러나 최종공정을 HF클리닝으로
마무리 하는 경우, 마지막의 건조공정이 큰 문
제로, 친수성(親水性)의 산화막과 달리 소수성
(疎水性)의 실리콘 표면에 건조의 얼룩이 생기
기 쉽고, 건조 후에 water-mark라는 물때가
발생한다. 이는 최종 린스 후부터 건조까지의
웨이퍼의 이송 중에 웨이퍼 표면이 대기에 노
출되는 것이 원인이라고 생각된다.
웨이퍼가 대기에 노출되지 않게 세정부터 건
조까지 완료되는 방법인 closed system과 IPA
Vapor에 의한 건조방식을 사용하고, 이 gate
산화 전의 세정에 대해서 유용성을 확인함과
동시에 시스템의 웨이퍼세정으로서의 성능을
평가한다.
2. 기술
2-1. closed system의 개요
Fig.1에 평가된 closed system의 단면도를
표시한다4)5). 웨이퍼의 모든 약액의 처리는 1
개의 조(Vessel)로 완전히 밀폐된 상태로 행하
여 진다. Fig.1(a)는 약액처리 및 순수에 의한
린스일 때의 상태로 약액은 조의 하부에서 투
입되어 상부로 배출된다. 약액처리 중에는 조
의 상하에 설치된 밸브가 교차 하여 이 상태로
일정시간 유지된다. 약액의 치환은 하부에서부
터 순수로 밀어내는 형태로, 웨이퍼는 세정완
료까지 모든 대기에 접촉되지 않는다. Fig.1(b)
.com ㈜울텍 삼성SDI벤처
초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com
는 건조시의 상태로, 45°C로 가열된 IPA의
Vapor가 조 상부로부터 공급됨과 동시에 순수
의 배수(drain)가 조의 하부부터 시작되어, 순
수와 IPA 증발(vapor)의 계면에는 IPA의 층이
폭이 약1.5cm로 형성된다. 이 IPA층이 웨이퍼
표면을 통과함에 따라 웨이퍼 표면의 순수가
IPA로 치환된다. 마지막으로 조 내부가 질소
파지되고 웨이퍼 표면은 완전히 건조된다. 이
와 같이 웨이퍼가 세정의 개시로부터 건조종료
까지 대기에 노출되지 않고 처리되는 이점이
지금까지는 없었던 신기술이다.
Fig. 1(a) Fig. 1(b)
Fig.1 Cross section view of Closed system. (a)
Cleaning step (b) Drying step
2-2. 세정능력
2-2-1. 산화막 절연내압(絶緣耐壓)
완전 closed system과 종래의 웨이트벤치와
스핀드라이에 의한 건조방식으로 세정능력을
비교하였다. 세정은 gate산화막 형성전의 HF
라스트의 조건으로 실험을 하였다. 세정
parameter를 Table1에 표시한다. 샘플은
Table1의 조건으로 세정 후 920°C의 희석웨
이트산화로 11nm산화 하였다. gate전극에는 P
도프(dope)의 폴리실리콘을 350mm의 두께로
사용하고 200um로 산화막 내압을 측정하였다.
측정 패턴은 N웰 상으로 gate에 바이어스
(bias)를 인가하고 1uA/cm2이상의 전류가 흐
를 때에 인가된 전압을 산화막의 절연 내압으
로 한다. Fig.2에 각각의 세정방법에 있어서 내
압분포를 표시한다.
Table1 Cleaning condition
Closed System Conventional System
SC-1
NH4OH:H2O2=1:1:10
50℃ 150sec
NH4OH:H2O2=1:2:10
70℃ 150sec SC-2
HCL:H2O2:H2O=1:1:10
40℃ 30sec
HCL:H2O2:H2O=1:2:10
70℃ 30sec
DHFHF:H2O=1:100 40℃
280sec
HF:H2O=1:10 25℃
30sec
DRY IPA Vapor 45℃ 420sec Spin Dry 420sec
Fig.2(a) Fig.2(b)
Fig.2 Breakdown Voltage distribution (a) Closed
System (b) Conventional System
Fig.3(a) Fig.3(b)
Fig.3 Water-marks distribution (a) Closed
System (b) Conventional System
.com ㈜울텍 삼성SDI벤처
초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com
이와 같이 명백히 종래의 세정방법에서는 내
압이 매우 낮고 일반적으로 A모드불량이라고
불리는 것이 다수 발생하고 있으나 Closed방
식에서는 A모드불량이 개선되었다.
종래의 스핀드라이어에 의한 Si표면의 건조
는 건조부족으로부터 발생되는 water-mark가
발견된다. Water-mark의 발생상황을 조사하기
위해 세정/건조직후에 Si표면의 결함을 패턴비
교검사장치 KLA-2029로 관찰한 결과를 Fig.3
에 표시한다. 종래의 방법에서는 다수의
water-mark가 관찰되었으나 closed방식에서
는 전혀 관찰이 되지를 않았다. 이 water-
mark의 현미경사진을 Fig.4에 표시한다. 직경
10um정도의 것이 많이 관찰되고 실리콘 표면
에 위로 향하여 부착도어 있는 것으로 보인다.
Fig.4 The water Mark on Silicon Surface
다음으로 양호한 상태의 샘플과 불량품의 샘
플로의 leak의 장소를 electron발광분석에 의
해 조사하였다. 이 분석수단은 전류가 대량으
로 흐르고 있는 곳의 hot electron의 발광을
직접관측가능하기 때문에 산화막 불량의 양상
을 잘 알 수가 있다. 양호한 상태의 샘플에서
는 gate에 15.5V를 인가하는 것에 의해 전면
에서 빛이 관찰된다. 이것은 FN전류라고 불리
는 산화막 내를 tunneling하여 흐르는 전류이
다. 이 FN전류가 전면에 균일하게 흐름으로서
균일한 절연막이 형성된 것을 알 수가 있다.
불량 샘플에서는 2.2V의 저 전압에서 국소적
으로 leak된다. 이것은 이 부분이 주위의 산화
막에 비해 막질이 나쁘고 절연성이 매우 작게
되는 것을 표시한다.
Fig.5(a) Fig.5(b)
C Mode 15.3V A Mode 2.2V
Fig.5 Hot Carrier Photo Irradiation Spectra
(a): Good Sample (C-Mode) irradiates at all
region
(b): Bad Sample (A-Mode) irradiates at one spot.
Fig.6 TEM Sample Making
이 leak의 원인을 찾기 위해 leak의 장소를
Fig.6의 순서로 수속(收束)이온빔장치(FIB)로
단면을 노출시킨다. 상기의 hot electron발광
분석으로 관찰된 발광장소의 위치를 기록하여
.com ㈜울텍 삼성SDI벤처
초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com
두고, 다음으로 FIB가공장치로 발광장소로 생
각되는 장소의 주변에 Ga이온을 놓고 그림과
같이 마크를 하여 둔다. 이 샘플을 한번 더
hot electron발광장치에 걸어 마크의 위치와
발광장소의 위치를 맞추고 정확히 측정한다.
이 위치를 중심으로 하여 샘플을 잘라낸다. 잘
라낸 샘플을 재 FIB가공장치에 걸고 이번에는
불량품을 Ga이온으로 etching하여 0.1um이하
의 두께까지 절삭한다. 이 샘플링을 투과전자
현미경(TEM)으로 관찰하여 Fig.7과 같이 gate
전극과 산화막의 계면에 순수한 산화막 이외의
것이 관찰되었다. 이것을 water-mark에 의해
발생한 것으로 추정하고 있다. 즉 산화막절연
내압불량을 일으키는 원인은 건조부족으로 인
하여 발생하는 water-mark이라고 말할 수 있
다. 이 water-mark에 의해 종래의 세정방식에
서는 내압보유가 악화되고 있다.
Fig.7(a) Cross Section TEM
Fig.7(b) Cross Section Sketch
Fig.7 Cross Section TEM Photograph of A Mode
Pun Spot region(a) and Sketch of this
photograph(b)
2-2-2. TDDB특성
산화막의 절연성의 신뢰성을 판단하는 기준
으로서 산화막의 경시절연파괴특성(經時絶緣破
壞特性)(TDDB특성)이 많이 사용된다. 세정방
법의 차이에 의한 산화막의 TDDB특성의 차이
를 Fig.8에 표시하였다. 직선은 정전류
10mA/cm2로 실온으로 인가하고 면적은
200um이다. 누적고장률 50%로 본 파괴까지
필요한 총주입전하량(Qbd)는 종래의 세정법으
로 1.75cm2, closed 세정법으로는 34.2C/cm2
이 된다. 또한 진성파괴영역(眞性破壞領域)의
경사도 종래의 세정법은 작게 되어 있다. 이에
의해 산화막의 진성(眞性)내압의 양품의 샘플
에서도 water-mark가 발생하는 세정법이라고
하면 산화막 내의 무언가의 특성열화를 발생시
키는 요인이 남게 되고 TDDB특성에 악영향을
주는 것을 알 수가 있다. 즉 water-mark는
LSI제품을 저하시키는 것뿐만 아니라 신뢰성
에도 악영향을 주는 것을 알 수가 있다.
Fig. 8 Constant Current TDDB data. Qbd of 50%
Cumulative Failure is 1.75C/cm2 for Conventional
method and 342C/cm2 for Closed method.
2-2-3. 파티클제거능력
그림 9에 closed 방식으로의 SC-1의 약액
비율을 변화시킬 때의 파티클제거능력을 표시
한다. 샘플은 페아실리콘웨이퍼에 에어브로로
파티클을 부착시켜 0.2umΦ이상의 것을 카운
트 하였다. 종래의 이러한 평가는 파티클 원으
로서 라틱스입자가 많이 사용되었으나 이 입자
는 세정으로 제거가 용이하고 세정능력의 평가
.com ㈜울텍 삼성SDI벤처
초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com
에는 부적합하다. 이번에 실시한 에어브로법은
실제로 디바이스에 부착된 파티클과 매우 유사
하고 세정능력의 평가에 적합하다. 이 샘플을
세정 전/후로 패턴비교결함검사장치KLA2029
로 파티클 수의 변화를 관측하였다. 파티클의
초기치는 400~500개/웨이퍼 정도이다. 이 결
과에 의해 SC1의 약액비교율은
NH4OH:H2O2:H2O=1:1:10로 NH4OH의 농도가
높으면 파티클제거능력이 90%이상으로 안정되
는 것을 알 수가 있다. 최근 보고된 저농도
(0.1:2:10정도)에 의한 세정6)에서는 파티클의
제거능력은 60~70%정도까지 저하한다. 이에
의해 세정방법에 의해 최적농도가 상이하다고
할 수가 있다.
Fig. 9 SC-1 mixing ratio dependence of the
particle removability.
2-2-4. 표면 micro roughness
SC-1세정의 파티클제거방법에서 알 수 있는
것처럼 NH4OH에 의해 Si기판을 etching하는
프로세스로 되어 있다. 이 etching에 의해 Si
기판표면에는 미세한 요철(표면 마이크로 라피
네스)이 발생한다. 이 표면 라피네스가 어느
정도로 크게 되면 산화막의 절연내압을 현저하
게 열화 시키는 것으로 보고되어 있다7)8). 또
한 표면 마이크로 라피네스는 SC-1의 NH4OH
농도가 높을수록 크게 되는 것으로 알려져 있
다. 여기서 closed방식에 의한 SC-1의
NH4OH농도와 표면 마이크로 라피네스의 관계
를 조사하였다. 그림 10에 이 결과를 표시하였
다. 표면 마이크로 라피네스의 측정에는 원자
간력현미경(原子間力顯微鏡)(AFM SPI3700)을
사용하여 표면의 요철의 평균치(Ra)로 평가하
였다. 이 결과로부터도 알 수 있는 것처럼 약
액비율 NH4OH:H25O2:H2O=1.5:1:10까지 Ra의
증가는 없고 표면 마이크로 라피네스에 관계는
매우 소프트 한 세정이라고 말할 수 있다.
Fig. 10 SC-1 mixing ratio dependence of the
surface micro roughness.
2-2-5. 중금속제거능력
다음으로 중금속오염이 된 웨이퍼의 SC-2세
정의 약액비율에 의한 중금속제거능력을 조사
한 결과를 그림 11에 표시한다. 오염원자는
Fe, Ni, Cu로 웨이퍼면 위에
1E12~1E13atoms/cm2부착시켜 세정 전/후로
오염도를 전반사형광X선측정기TREX610T로
측정하였다. 그 결과 SC-2세정의 약액비율은
HCI:H2O2:H2O=0.25:1:10~1.5:1:10의 범위에
서는 중금속제거능력이 차이가 없고 세정 후는
1E10atoms/cm2대까지 저하하는 양호한 결과
.com ㈜울텍 삼성SDI벤처
초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com
를 얻었다. 중금속오염은 웨이퍼면 위에
1E10automs/cm2으로, 소수 케리어라이프타임
이 저하하고9)10) 1E12automs/cm2으로 산화막
내압 및 접합leak특성을 열화 시키는 것으로
알려져 있다11). Closed system으로는
1E10automs/cm2대까지 감소하는 것에 의해
매우 양호한 세정이라고 말할 수 있다.
Fig. 11 SC-2 mixing ratio dependence of the
heavy metal concentration.
2-3. 약액사용량
다음으로 closed방식과 스프레이방식 및 종
래의 팻치침적방식의 약액사용량을 비교 하였
다.
표준적인 COMS프로세스로 6인치 웨이퍼를
월 10000매 처리를 한 경우의 약액사용량을
표2에 표시한다. 이 결과로부터 Closed방식은
종래의 웨이트벤치방식에 비해 20%정도로 약
액사용량은 적으나 스프레이방식과 비교하면
1행(0) 정도의 사용량이 많은 것을 알 수가 있
다. 이것은 파브의 러닝코스트의 점으로 본 경
우 큰 문제가 된다. 이후 어떻게 약액사용량을
감소시켜 안정된 웨이퍼세정 프로세스를 확립
하여 가는가 하는 것이 큰 문제도 대두되고 있
다.
Table 2 The amount of chemicals consumption
(Liter/month)
Cleaning
Method NH4OH HCL HF H2O2 IPA
Closed
System 3122 3360 284 6428 144
Spray System 213 360 130 1210 0
Wet Bath
System 4420 4680 1300 9100 876
3. 성과
새로운 세정방법인 closed방식 및
IPAVapor건조방법에 대해서 회사의 입장으로
평가를 행하였다.
HF마무리처리에 의한 산화막내압의 평가에
서는 종래의 세정방법으로 문제가 된 건조부족
에 의해 발생하는 water-mark가 거의 발생하
지 않았다. 또한 이 water-mark는 TDDB특성
에도 영향을 미치는 것을 알 수가 있었다.
SC-1의 약액비율은 종래의 세정과 상이하고
NH4OH:H2O2:H2O=1:1:10정도가 최적이며,
SC-2세정을 제거 가능한 가능성을 제시하였다.
또한 약액사용량은 스프레이방식과 비교한 결
과 1행(0) 많고 많은 개선이 필요하다고 생각
한다.
Closed방식은 아직 새로운 세정방법이기 때
문에 하드웨어적으로도 문제가 있으나, 이후
매우 유망한 세정방식이 되리라 생각한다.
참고문헌
1. W.Kern, D.A.uotinen: RCA Rev., 31,
(1970) p.187
.com ㈜울텍 삼성SDI벤처
초음파를 통하여 보다 나은 생활을 위한 제품 개발 http://www.UL-Tech.com