KR0158008B1 - 산 수용액을 사용한 반도체 기판 세척법 - Google Patents

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세끼모또 타다히로
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Abstract

본 발명은 기판의 표면으로부터 금속성 불순물과 천연산화막을 제거할 수 있는 반도체 기판 세척 방법에 관한 것이다. 세척액으로서, 수소산 암모늄의 양을 변환하는 것을 근거로한 암모니아의 0.0001 내지 0.001 중량%나 혹은 EDTA의 0.0005 내지 0.01 중량%를 함유한 산 수용액이 사용된다. 세척액은 바람직하게는 플루오르화 산소의 1 내지 10 중량%를 포함한다. 기판의 표면으로부터 세척액속으로 제거된 금속성 불순물은 암모니아 분자 또는 EDTA 분자와 복합체나 키일레이트를 형성함으로써 금속성 불순물을 차단한다.

Description

산 수용액을 사용한 반도체 기판 세척법
제1a, 1b, 1c, 1d도는 희플루오르화 수소산 세척액이 사용될때 금속성 불순물이 반도체 기판 표면위에 피착되는 과정을 예시한 개략도.
제2a, 2b, 2c, 2d도는 금속성 불순물을 함유한 세척액이 사용될 때 금속성 불순물이 반도체 기판 표면위에 피착되는 과정을 예시한 개략도.
제3도는 암모니아의 농도와 기판 표면위에 있는 불순물의 양사이의 관계를 도시한 그래프.
제4a, 4b, 4c, 4d도는 실시예 1에 의한 세척과정을 도시한 개략도.
제5도는 실시예 1과 비교예에서 반도체 기판의 표면위에 잔류하는 여러가지 금속성 불순물의 농도를 도시하는 그래프.
제6a, 6b, 6c, 6d도는 실시예 2에 의한 세척과정을 도시하는 도면.
제7a, 7b, 7c, 7d도는 실시예 3에 의한 세척과정을 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
91 : 반도체 기판 92 : 금속성 불순물
93 : 세척액 11 : 반도체기판
12 : 금속성 불순물 13, 13A : 세척액
14 : 암모니아분자 15 : 금속 착물(complex)
15A : 킬레이트(chelate)
본 발명은 습식 반도체 기판 세척법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에 있어서 반도체 소자의 수율은 습식 반도체 기판 세척 공정에 의해 크게 영향을 받는다고 알려져 있다. 기판 표면으로부터 금속성 불순물을 제거하는 습식 반도체 기판 세척법에 있어서, 금속성 불순물이 기판 표면에 다시 달라붙는 것을 방지하는 것과 아울러 세척액에 포함된 미량의 금속성 불순물이 반도체 기판 표면으로 달라 붙지 않도록 하는 것이 중요하다. 만약 금속성 불순물이 반도체 기판의 표면위에 남게 되면, 산화규소막의 절연내력이 매우 저하되고 PN 접합에서의 누설전류가 증가하게 되어, 제조된 반도체 소자의 특성을 저하시키게 된다. 최근의 반도체 소자의 설계 방식이 더욱 미세해짐에 따라 반도체 기판위에 잔류하는 금속성 불순물은 반도체 소자의 특성과 수율에 대해 더욱 역효과를 미치게 된다.
오랫동안 알려진 반도체 기판 세척법중의 한 공정은 반도체 기판 표면으로부터 불순물 입자, 천연산화막과 금속성 불순물을 제거하는 RCA 세척공정이다. RCA 세척공정은 많이 수정되었으며 그 중의 하나는 일본 특허공개 제2-2130호(JP, A, 2-2130)에 개시되어 있다. 이 RCA 세척 공정에 의하면, 반도체 기판은 처음에는 암모니아수(29%), 과산화수소수(30%)와 물(1:1:5)로 구성된 암모니아 과산화수소 세척액으로 세척된 후 희플루오르화 수소산(50%)과 물(3:100)이 포함된 플루오르화 수소산 세척액에서 세척되어 반도체 기판으로부터 천연 산화막이 제거된다. 그 후 반도체 기판은 염산(36%), 과산화수소수(30%)와 물(1:1:5)로 구성된 염산-과산화 수소 세척액속에서 끓여진다. RCA 세척 공정에서, 암모니아-과산화수소 세척액은 암모니아로 산화 규소막을 분해하여 제거하는 반응을 촉진시키며 과산화수소로 산화규소막을 형성하는 반응을 촉진시키는 역할을 함으로써, 이러한 경쟁 반응들을 사용하여 미세한 불순물 입자를 제거한다. 희플루오르화 수소산 세척액은 반도체 기판의 표면위에 있는 천연 산화막을 분해하여 제거함으로써 반도체 기판 표면으로부터 금속성 불순물을 제거한다. 반도체 기판을 염산-과산화수소 세척액에서 끓일 때, 반도체 기판의 표면위에 있는 금속성 불순물은 산화제 역할을 하는 과산화 수소에 의해 분해되어 제거되는 가용성 염화물로 바뀌게 된다.
상기 종래의 세척공정은 다음과 같은 단점이 있다.
세척액이 알칼리성이기 때문에 암모니아-과산화수소 세척액은 기판표면으로 부터 미세 입자를 제거하는 데는 매우 효과적인 반면에, 세척액은 금속성 불순물의 농도가 매우 낮음에도 불구하고(예를 들어, 1g의 세척액 당 10-12g), 1 X 1012내지 1 X 1013(atoms/㎠) 범위의 표면 밀도로 반도체 기판의 표면에 그러한 금속성 불순물을 달라붙게 한다. 따라서 반도체 기판의 표면에 피착된 금속성 불순물의 일부는 희플루오르화산 세척액과 염산-과산화수소 세척액으로도 제거되지 않을 것이다. 반도체 소자에서 상호 연결 재료로 쓰이는 귀금속 원소(통상적으로는 구리)는 반도체기판 표면에 부착되기 쉽다. 반도체 기판의 표면위의 천연 산화막을 희플루오르화수소산 세척액을 사용하여 제거하였을 때, 그러한 귀금속 원소는 반도체 기판으로 다시 달라붙으려는 경향이 있다. 염산-과산화수소 세척액이 철이나 알루미늄과 같은 금속성 불순물을 포함하고 있다면, 그것들은 반도체 기판위에 형성된 천연 산화막에 산화물로 남아 있기가 쉽다. 또한 염산-과산화수소 세척액은 금속성 불순물이 제거됨과 동시에 불필요한 천연 산화막이 형성되는 문제점도 있다.
제1a, 1b, 1c, 1d도는 희플루오르화 수소산 세척액이 사용되었을 때 금속성 불순물이 반도체 기판 표면에 달라붙는 과정을 도시한 도면이다. 제 1a도에 도시된 바와 같이 금속성 불순물(92)에 의해서 이미 표면이 오염된 반도체 기판(91)이 세척될 때, 반도체 기판(91)은 세척액(93) 속에 담궈지고 금속성 불순물(92)는 제1b도에 도시된 바와 같이 반도체 기판(91)로부터 세척액(93) 속으로 분리된다. 그러나 천연 산화막이 반도체 기판(91)의 표면으로부터 제거되었기 때문에, 세척액(93) 속에서 어떤 종류의 금속성 불순물은 제1c도에 도시된 바와 같이 반도체 기판(93)의 표면에 다시 달라붙는다. 결과적으로, 제1d도에 도시된 바와 같이, 금속성 불순물(92)는 반도체 기판(91)의 표면에 잔류하게 된다.
제2a, 2b, 2c, 2d도는, 금속성 불순물이 함유된 세척액을 사용하였을 때, 금속성 불순물이 반도체 기판 표면에 달라붙는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다. 제2a도에 도시된 바와 같이, 단지 약간의 금속성 불순물(92)만이 반도체 기판(91)의 표면에 남게 된다. 반도체 기판(91)이, 제2b도에 도시된 바와 같이, 금속성 불순물(92)를 함유한 세척액(93) 속에 담궈질 때, 금속성 불순물(92)는 반도체 기판(91)의 표면으로부터 제거된다. 그러나, 제2c도에 도시된 바와 같이, 금속성 불순물(92)는 세척액(93)으로부터 이송되어 반도체 기판(91)에 달라붙게 된다. 결과적으로, 제2d도에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(91)이 세척되기 전보다 더 많은 금속성 불순물(92)가 세척된 반도체 기판(91)위에 존재하게 된다.
1992년 7월호 IEICE Trans, Electron의 Vol E75-C, No.7의 812 내지 815페이지에서, 쓰지오 시모노와 미끼오 쓰지는 실리콘 웨이퍼로부터 금속성 불순물을 제거하는데 적합하며 식각제로도 쓰일 수 있는 세척액으로 플루오르화수소산, 과산화수소와 물로 구성된 세척액을 보고하였다. 실리콘 웨이퍼 표면이 이 세척액으로 세척될 때, 세척된 실리콘 웨이퍼 상의 금속성 불순물의 표면 밀도는 상기 종래의 세척액으로 세척되었을 때 보다 작은 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 목적은, 세척액속의 금속성 불순물이 반도체 기판의 표면에 달라 붙지 않게 하며 반도체 기판의 표면으로부터 제거된 금속성 불순물이 반도체 기판의 표면에 다시 달라 붙지 않게 함으로써, 반도체 기판의 표면으로부터 금속성 불순물을 확실하게 제거하고 반도체 기판의 표면위에 바람직하지 않은 천연 산화막의 형성을 억제하면서 세척액으로 반도체 기판을 세척하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 발명의 목적은 반도체 기판으로부터 제거되는 금속 원자와 배위(coordinate)할 수 있는 성분을 함유한 산 수용액을 포함하는 세척액속에 반도체 기판을 담구는 단계를 포함하는 반도체 기판 세척법에 의해 달성될 수 있다.
상기 발명의 목적은 수산화 암모늄의 환산량을 기준으로 0.0001-0.001 중량%의 암모니아를 함유한 산 수용액을 포함하는 세척액속에 반도체 기판을 담구는 단계를 포함하는 반도체 기판 세척 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
상기 발명의 목적은 0.0005 내지 0.01 중량%의 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)을 함유한 산 수용액을 포함하는 세척액속에 반도체 기판을 담구는 단계를 포함하는 반도체 기판 세척 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 의한 세척법에서는 소량의 리건드 성분(예를 들면 0.0001 내지 0.01 중량%)을 함유한 산 수용액을 포함하는 세척액을 사용한다. 반도체 기판이 세척액 속에 담궈질 때, 반도체 기판 위의 금속성 불순물은 착물이나 킬레이트를 형성하여 반도체 기판으로부터 세척액 내로 용이하게 분리된다. 이로써, 착물이나 킬레이트의 형성에 의해 금속성 불순물이 마스크되므로, 반도체 기판에 금속성 불순물이 다시 달라 붙는 것이 방지된다. 세척액속에 이미 함유된 금속성 불순물은 착물로서 제공되며, 세척액속의 반도체 기판에 달라붙는 것이 방지된다. 본 발명에 의한 세척법은 특히 실리콘 기판의 세척에 적합하다.
본 발명에 의한 세척법은 반도체 기판으로부터 천연 산화막을 제거하는 것도 목표로 하고 있기 때문에, 세척액은 1 내지 10 중량%의 플루오르화수소를 함유하여 페하 1을 갖는 것이 바람직하다. 페하 1은 종래의 플루오르화암모늄의 페하값과 완전히 상이한 것이다. 종래의 플루오르화 암모늄 세척액과는 달리, 본 발명에 의한 세척액은 천연 산화막을 제거하면서 금속성 불순물도 제거하며 매우 효과적으로 금속성 불순물을 제거할 수 있다.
리건드 성분은 바람직하게는 암모니아 혹은 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)이어야 한다. 암모니아가 사용된다면 그 농도는 0.0001 내지 0.001 중량%의 범위이며, EDTA가 사용된다면 그 농도는 0.0005 내지 0.01 중량%의 범위이다.
암모니아와 EDTA의 상기 농도범위에 대한 이유는 아래에 기술될 것이다.
첫째로, 암모니아의 농도 범위와 관련하여, 반도체 웨이퍼가 세척되기 전에는 표면 상의 금속성 불순물의 농도는 금속 원소 당 5 X 1011내지 5 X 1012(원자/㎠) 범위이며, 각각 직경 15cm인 25개의 실리콘 웨이퍼가 5리터의 세척액 속에서 세척되며, 원주율은 π로 그리고 아보가드로수는 N(=6.02 x 1023/mol)으로 나타낸다고 가정한다. 실리콘웨이퍼의 전체 표면적이 7.5 x 7.5 x 2 x π(㎠)이므로, 웨이퍼 표면위의 모든 금속성 불순물이 세척액 속으로 이송되면, 세척액 속에서의 금속성 불순물의 농도는 원소 당 1.5 x 10-9내지 1.5 x 10-8(mol/l)가 될 것이다. 만일 이러한 금속성 불순물에 여섯가지 원소가 있으면, 암모니아와 금속이 착물을 형성할 때, 네개 혹은 여섯개의 암모니아 분자들이 일반적으로 하나의 금속 원자와 배위되므로, 모든 금속성 불순물에 화학양론적으로 대응하는 암모니아의 농도는 최대의 경우 [즉, 원소당 금속성 불순물의 표면 밀도가 5 x 1012(원자/㎠)이며 배위수가 6일 때] 5.4 x 10-7(mol/l)이다. 암모니아의 농도는 최소의 경우 3.6 x 10-8(mol/l)이다.
착물을 형성함으로써 금속성 불순물을 완전하게 마스크하기 위해서는 암모니아가 해당량의 다섯배가 필요하다면, 암모니아의 농도는 최대의 경우 2.7 x 10-6(mol/l)이며 최소의 경우 1.8 x 10-7(mol/l)이다. 이 농도들은, 수산화암모늄(NH4OH : 분자량 35.05)으로 변화되어 중량 농도에 의해 표현될 때, 각각 약 0.001 중량%와 약 0.0001 중량%가 된다.
제3도는 질산 수용액에서 여러가지 농도의 암모니아를 함유한 산용액에 실리콘 웨이퍼를 담근 후 웨이퍼 표면에 잔류하는 불순물의 양을 도시한 그래프이다. 산용액은 일정 페하값을 가지고 있다. 제3도로부터 암모니아 농도가 증가함에 따라 잔류하는 금속성 불순물의 양은 감소하지만 웨이퍼 표면에 남아 있는 암모니아의 양은 증가한다는 것을 알 수 있다. 플루오르화 수소산 수용액이 사용되고 암모니아 농도가 증가하게 되면, 페하값은 증가하고 금속원소를 용해하는 세척액의 능력이 저하되어 결과적으로 세척력이 감소하게 된다. 잔류 암모니아는 화학 감지 레지스트의 해상도에 나쁜 영향을 미치므로, 반도체 기판의 표면에 잔류하는 암모니아를 최소화시켜야 한다. 상기 고찰로부터, 수산화 암모늄의 환산량을 기준으로, 세척액 내의 암모니아의 농도는 0.001 중량% 또는 그 미만이 되어야 한다는 것을 알 수 있다.
EDTA의 농도범위에 대해서는, EDTA의 분자 중량은 292.25이며 일반적으로 한개의 EDTA 분자는 한개의 금속 원자와 배위한다. 암모니아와 같이 EDTA가 해당량의 5배가 필요하다면 EDTA의 농도는 최대의 경우 0.0013 중량%이며 최소의 경우는 0.00013 중량%이다. EDTA의 분해상수가 작다는 사실의 관점에서 볼 때, 본 발명에 의하면 EDTA의 농도는 0.0005 중량% 내지 0.01 중량%의 범위에 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징, 장점등은 실시예에 의해서 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부된 도면과 함께 고려될때 다음에 기술된 내용으로 부터 명확하게 밝혀질 것이다.
[실시예 1]
이 실시예에서는, 반도체 기판의 표면에 고의로 금속성 불순물이 피착된 반도체 기판을 세척했다.
1리터당 약 500(㎍)의 철(Fe)과 1리터당 약 500(㎍)의 구리(Cu)를 함유한 질산 수용액을 준비하여 깨끗한 실리콘 반도체 기판(11) 위에 떨어드렸다(제4a도 내지 4d도 참조). 반도체 기판(11)을 몇십초동안 그대로 방치한 후 반도체 기판(11)의 표면 위에 있는 방울들을 원심력 공정에 의해서 제거하였다. 그리고 나서 반도체 기판(11)을 건조하였다. 이 방법으로, 반도체 기판의 표면에 존재하는 금속성 불순물(12)가 있는 반도체 기판(11)을 제4a도에 도시된 바와 같이 준비하였다.
수산화암모늄의 환산량을 기준으로 0.0001 내지 0.001 중량%의 암모니아(NH3)와 1 내지 10 중량%의 희플루오르화수소산을 함유한 세척액(13)(제4b도 참조)을 준비하여 반도체 기판(11)을 이 세척액(13)속에 담궈서 세척하였다. 결과적으로, 제4b도에 도시된 바와 같이, 천연 산화막이 실리콘 반도체 기판(11)의 표면에서 제거됨과 동시에 금속성 불순물(12)이 반도체 기판(11)의 표면에서 제거되었다. 반도체 기판(11)으로부터 세척액(13) 내로 이송된 금속성 불순물(12)는 제4c도에 도시된 바와 같이 암모니아 분자(14)와 금속 착물(15)을 생성한다. 금속성 불순물(12)의 한 개의 금속원소와 배위하는 암모니아 분자(14)의 수는 금속성 불순물(12)의 종류에 따라서 보통 4 내지 6개의 범위에 있다. 금속 착물(15)이 형성되기 때문에, 금속성 불순물(12)가 다시 반도체 기판(11)의 표면에 달라붙지 않는다. 따라서, 제4d도에 도시된 바와 같이, 세척액(13)으로부터 제거된 반도체 기판(11)의 표면은 금속성 불순물에 의해 오염되지 않는다.
[비교 실시예]
1 내지 10 중량%의 희플루오르화수소산으로 구성된 종래의 세척액이 사용된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실리콘 반도체 기판이 세척되었다. 세척액에 담궈질 때, 천연 산화막과 금속성 불순물은 반도체 기판 표면으로부터 제거되었다. 그러나, 세척액 내로 이송된 금속성 불순물은 금속 착물의 형성에 의해 마스크되지 않기 때문에, 금속성 불순물은 다시 실리콘 기판의 표면에 달라붙게 된다. 특히, 실리콘보다 이온화 경향이 더 작은 구리와 같이 원자번호가 큰 금속원소는 실리콘 기판의 표면에 다시 달라 붙는다.
제5도는 실시예 1과 비교 실시예에서의 반도체 기판의 표면에 잔류하는 여러 가지 금속성 불순물의 농도를 도시한다. 실시예 1에서, 플루오르화 수소산 기상분해(VPD)-원자 흡수 분광분석법(AAA)이 기판 표면의 금속성 불순물을 분석하기 위해서 사용되었다. 플루오르화 수소산 기체로 금속 원소를 용해하고 이 용해된 금속 원소를 원자 흡수 분광분석법에 의해 측정함으로써 농도가 결정된다. 제5도에 도시된 그래프는 실시예 1에 의한 세척액으로 세척한 실리콘 반도체 기판의 표면에는 금속성 불순물이 거의 남아 있지 않았으나 비교실시예에 의한 세척액으로 세척한 실리콘 기판의 표면에는 상당히 많은 양의 금속성 불순물이 남아 있음을 보여준다. 제5도에 도시된 결과는 본 발명에 의한 세척 공정이 효과적이라는 것을 입증한다.
[실시예 2]
본 발명의 원리는 약간의 금속성 불순물이 세척액 자체 내에 혼합될 때에도 효과적이다.
실시예 1과는 달리, 실리콘 반도체 기판(11)은 고의로 금속원소로 오염시키지 않았다. 제6a도에 도시된 바와 같이, 단지 소량의 금속성 불순물(12)가 반도체 기판(11)의 표면위에 존재하였다. 소량의 금속성 불순물(12)가 함유된 것을 제외하고는 실시예 1에서의 세척액(13)과 동일한 조성을 가지고 있는 세척액(13A)가 준비되었고, 반도체 기판(11)이 세척액(13A) 속에 담궈졌다. 제6b도에 도시된 바와 같이, 금속성 불순물(12)는 반도체 기판(11)의 표면으로부터 제거되었다. 그리고 나서 세척액(13) 속의 금속성 불순물은 제6c도에 도시된 바와 같이 암모니아 분자(14)와 금속 착물(15)을 생성한다. 금속 착물(15)이 형성되기 때문에, 반도체 기판(11)의 표면에 금속성 불순물이 달라 붙지 않는다. 따라서 제6d도에 도시된 바와 같이 세척액(13)으로부터 제거된 반도체 기판(11)의 표면은 금속성 불순물로 오염되지 않는다.
[실시예 3]
1 내지 10 중량%의 희플루오르화 수소산과 0.0005 내지 0.01 중량%의 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)이 준비되었다.
실시예 1과 같이, 실리콘 반도체 기판위에 금속 분자(12)가 존재하는 실리콘 반도체 기판(11)을 제7a도에 도시된 바와 같이 준비하여 제7b도에 도시된 바와 같이 세척액(13)속에 담구었다. 그 결과, 제7b도에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(11)의 표면으로부터 천연 산화막이 제거됨과 동시에 반도체 기판(11)의 표면으로부터 금속성 불순물(12)이 제거되었다. 금속성 불순물(12)는 반도체 기판(11)의 표면으로 부터 세척액(13B) 내로 이송되었고 제7c도에 도시된 바와 같이 EDTA 분자(16)와 킬레이트(15A)를 즉시 생성하였다. 금속 분자(12)는 킬레이트(15A)로서 마스크되기 때문에 금속성 불순물(12)은 다시 반도체 기판(11)의 표면에 달라 붙지 않는다. 따라서, 제7d도에 도시된 바와 같이, 세척액(13B)로부터 제거된 실리콘 기판의 표면은 금속성 불순물로 오염되지 않는다.
본 발명의 소정의 바람직한 실시예가 도시되고 상세히 설명되었지만, 본 발명은 첨부된 청구범위로 부터 벗어나지 않고서 여러가지로 다양하게 변화와 수정을 할 수 있다는 것을 알아야 한다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판을 세척하는 방법에 있어서, 수산화 암모늄의 환산량을 기준으로 0.0001 내지 0.001 중량%의 암모니아 및 1 내지 10 중량%의 플루오르화수소를 함유한 산 수용액을 포함하는 세척액을 제공하는 단계, 및 상기 세척액 속에 반도체 기판을 담구는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판은 실리콘을 포함하는 방법.
  3. 반도체 기판을 세척하는 방법에 있어서, 0.0005 내지 0.01 중량%의 에틸렌디아민테트라아세트산 및 1 내지 10 중량%의 플루오르화수소를 함유하는 산 수용액을 포함하는 세척액을 제공하는 단계, 및 상기 세척액 속에 반도체 기판을 담구는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반도체 기판은 실리콘을 포함하는 방법.
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