KR100846271B1 - 실리콘 웨이퍼 세정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 세정 방법에 관한 것이다. 본 발명은, (S1) 실리콘 웨이퍼 표면을 표준세정1에 따른 SC-1 세정액으로 세정하는 제1단계; (S2) 상기 제1단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 표준세정2에 따른 SC-2 세정액으로 세정하는 제2단계; (S3) 상기 제2단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 불산(HF) 용액으로 세정하는 제3단계; 및 (S4) 상기 제3단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 오존수를 이용하여 세정하는 제4단계;를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 실리콘 웨이퍼 표면의 금속 불순물을 유효하게 제거함과 동시에 실리콘 웨이퍼의 표면 거칠기를 향상시키면서, 종래의 세정 방법에서 문제점으로 지적되고 있는 반복적인 공정 진행이나 과도한 세정액 사용에 따른 부작용을 해소 및 제거된 금속 불순물의 재부착에 의한 재오염의 문제를 해결할 수 있어서, 전기 소자를 형성함에 있어서, 물리적 특성이 현저하게 개선된 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있는 장점이 있다.
표준세정, 웨이퍼, 불순물, 표면거칠기, RCA, 표준세정
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따르는 실리콘 웨이퍼 세정 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼에 대한 세정 방법에 의한 금속불순물 제거 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼에 대한 세정 방법을 진행한 후의 표면 거칠기의 개선 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 세정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표준세정1 및 2를 이용한 세정 공정을 진행한 후, 불산과 오존수를 이용한 연속적인 세정 단계를 진행하는 실리콘 웨이퍼의 세정 방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼는 웨이퍼 제조 공정이나, 소자 집적을 위한 반도체 공정이 진행되는 과정에서 각종 오염물에 의해 표면이 오염된다. 대표적인 오염물로는 미세 파티클, 유기 오염물, 금속 오염물 등을 들 수 있다. 이러한 오염물은 반도체 소자의 생산 수율을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 베어(bare) 실리콘 웨이퍼의 제조 시에는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)를 이용한 경면 연마 공정 이후에, 그리고 반도체 소자의 제조 시에는 오염물이 많이 발생되는 단위 반도체 공정 이후에 세정공정을 실시하여 오염물의 농도를 적정한 레벨로 제어할 필요가 있다.
한편 최근에는 실리콘 웨이퍼의 대구경화와 디자인 룰(Design Rule)의 감소로 세정공정의 수가 증가하여 세정공정에 사용되는 화학물질의 량 또한 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라, 반도체 소자의 생산 원가가 증가하고 있고, 세정공정에서 방출되는 다량의 화학물질 처리에 막대한 비용이 소요되고 있다.
오늘날까지 광범위하게 사용되는 실리콘 웨이퍼 세정방법에는 습식 세정방법으로 구분되는 RCA 세정법을 들 수 있으며, 이의 단점을 보완하기 위한 다른 방법의 세정법이 제안되고 있다.
종래의 RCA 세정법은 고농도의 강산 및 강염기의 화학약품을 사용하는 고온 습식 공정으로, 보통 RCA 표준세정1(Standard Clean 1, 이하 'SC-1'이라 약하기로 함)과 표준세정2 (Standard Clean 2, 이하 'SC-2'라 약하기로 함)의 두 단계로 구성된다.
표준세정1인 SC-1 세정에 이용되는 세정액(이하 'SC-1 세정액'아라 약함)은, 암모니아수, 과산화수소 및 초순수(DI water)의 혼합액을 사용하여 75 ~ 90 도 정 도의 온도에서 진행하는 세정공정으로서, 과산화수소에 의한 웨이퍼 표면의 산화와 암모니아수에 의한 웨이퍼 표면의 미세 에칭을 동시 반복적으로 진행하여 웨이퍼 표면으로부터 유기 오염물과 금속 불순물(Au, Ag, Cu, Ni, Cd, Zn, Co, Cr 등)을 제거하는 세정공정이다. 그리고 표준세정2인 SC-2 세정에 이용되는 세정액(이하 'SC-2 세정액'아라 약함)은, 염산, 과산화수소 및 초순수의 혼합액을 사용하여 75 ~ 85도 정도의 온도에서 진행하는 세정공정으로서, 알칼리 이온(Al3 +, Fe3 +, Mg2+), Al(OH)3, Fe(OH)3, Mg(OH)2, Zn(OH)2 등의 수산화 물질, 그리고 SC-1 세정에서 제거되지 않은 잔존 오염물을 추가적으로 제거하는 세정공정이다.
그런데, 종래의 SC-1 세정액은 실리콘 기판 표면의 식각이나 금속 불순물의 제거시 발생되는 흠(metal induced pit, 이하 'MIP'라 약하기도 함) 등에 의해 실리콘 표면이 거칠어지며, 이는 실리콘 기판 위에 형성되는 절연막의 전기적 특성을 저해하는 원인을 제공하므로 실리콘 웨이퍼의 표면 거칠기 개선을 위한 노력이 요구되고 있다.
이와 관련하여 일본 특개평 제8-124889호에 따르면, 반도체 웨이퍼를 불산 수용액으로 세정하고 계속하여 오존을 함유한 순수한 물로 세정을 행한 후, 브러시 세정을 행하는 기술을 제시하고 있다. 이에 따르면 실리콘 웨이퍼 표면의 상태를 깨끗하게 할 수 있는 장점이 있으나, 실리콘 웨이퍼 표면의 금속 이온 등의 오염원이 많을 경우에는 전술한 바에 따르는 공정을 1회 진행하는 것으로는 오염원을 완전하게 제거하기 어렵고 1차 제거된 금속 불순물이 실리콘 웨이퍼에 다시 부착되기 때문에 반복적인 세정 공정을 진행해야 세정 효과를 향상시킬 수 있는 단점이 지적되고 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 종래의 실리콘 표면에 대한 RCA 세정법 및 이의 단점을 보완하기 위해 제시되고 있는 여러 보충 기술을 접목하는 경우에는 실리콘 웨이퍼 표면에 존재하는 오염물질의 제거나 표면 거칠기의 개선을 이루어낼 수는 있으나, 과도한 세정액의 사용으로 인하여 세정 공정 진행에 따라 발생되는 폐수 처리 시 탈과산화수소 공정을 적용해야 하므로 폐수 처리 비용이 많이 소요되고, 고온에서 세정공정이 진행되어야 하므로 에너지 소비량이 많고, 다량의 세정액 사용으로 인해 공정비용이 많이 소요되는 문제가 있으며, 세정 공정으로 일부 제거된 금속 불순물이 다시 실리콘 웨이퍼에 재부착되어 다시 오염원으로 작용하는 문제점도 지적되고 있다.
이러한 실리콘 웨이퍼에 대한 종래의 세정 방법이 갖고 있는 여러 문제점을 동시에 해결하기 위한 노력이 관련 업계에서 꾸준하게 진행되어 왔으며, 이러한 기술적 배경하에 안출된 것이다.
전술한 종래의 문제점에 기초하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 실리콘 웨이퍼 표면의 금속 불순물을 유효하게 제거함과 동시에 실리콘 웨이퍼의 표면 거칠기를 향상시키면서, 종래의 세정 방법에서 문제점으로 지적되고 있는 반복적인 공정 진행이나 과도한 세정액 사용에 따른 부작용을 해소 및 제거된 금속 불순물의 재부착에 의한 재오염의 문제를 해결하는 데에 있으며, 이러한 기술적 과 제를 달성할 수 있는 실리콘 웨이퍼 세정 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 제공되는 본 발명에 따르는 실리콘 웨이퍼 세정 방법에 있어서, (S1) 실리콘 웨이퍼 표면을 표준세정1에 따른 SC-1 세정액으로 세정하는 제1단계; (S2) 상기 제1단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 표준세정2에 따른 SC-2 세정액으로 세정하는 제2단계; (S3) 상기 제2단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 불산(HF) 용액으로 세정하는 제3단계; 및 (S4) 상기 제3단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 오존수를 이용하여 세정하는 제4단계;를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 실리콘 웨이퍼 세정 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도시된 바를 참조하면, 전체 세정 공정은 크게 4단계로 구분되며, 제1단계의 세정은 SC-1 세정액을 이용하여 진행하며(S11), 제2단계의 세정은 SC-2 세정액을 이용하여 진행하며(S12), 제3단계의 세정은 불산 용액을 이용하여 진행하며(S13), 제4단계의 세정은 오존수를 이용하여 진행하고(S14), 마지막으로 세정이 완료된 실리콘 웨이퍼를 건조시키는 단계(S15)를 진행한다.
상기 (S11) 내지 (S14)단계를 순차적으로 진행하면서, 각 단계를 마친 이후에 실리콘 표면에 대해 초순수(DI water)를 이용하여 직전 세정 공정에서 사용된 세정액이 실리콘 웨이퍼 표면에 잔류하는 것을 제거하는 공정을 공통적으로 수행한다.
상기 (S11)단계에서는 암모니아수와 과산화수소와의 혼합액인 SC-1 세정액을 이용하여 세정을 진행하고, 상기 (S12)단계에서는 염산과 과산화수소와의 혼합액인 SC-2 세정액을 이용하여 세정을 진행하여, 실리콘 웨이퍼 표면에 존재하는 구리, 금, 코발트, 아연, 칼슘 등의 금속 불순물의 일부를 제거할 수 있으나, 일부 금속 불순물이 여전히 실리콘 웨이퍼 표면에 잔류할 수 있으며, 이러한 잔류 금속 불순물을 그대로 잔류시키는 경우에는 실리콘 웨이퍼 표면 내로 확산될 수 있으므로, 이에 대한 보다 완전한 제거를 한 이후, 다시 제거된 금속 불순물이 실리콘 웨이퍼 표면에 재부착되면서 추가적인 오염을 발생시키는 문제를 해결하기 위한 후속 공정이 요구되고 있다.
상기 (S11) 및 (S12)단계의 세정 공정을 진행하더라도, 계속하여 실리콘 웨이퍼 표면에 잔류하는 금속 불순물을 효과적으로 완전하게 제거하고, 제거된 금속 불순물이 실리콘 웨이퍼에 재부착되는 것을 방지할 수 있어야 세정 효과가 극대화될 수 있다. 이를 위한 목적으로 상기 (S11) 및 (S12)단계 이후에 연속적으로 추가적인 세정 공정, 즉 (S13) 및 (S14) 단계의 공정을 진행할 필요가 있다.
상기 (S13)단계에서의 불산 용액에 의한 세정은, 불산 세정 용액은 실리콘 웨이퍼 표면의 산화막 내에 잔존하는 금속 불순물을 효과적으로 제거할 수 있다. 상기 (S3)단계에서 세정액으로 사용된 불산 용액은, 희석된 불산(Diluted HF)액을 사용하면 바람직하다. 이때, 상기 희석된 불산(Diluted HF)액은, 0.5 내지 1 %의 농도를 가지면 바람직하다. 상기 희석 불산의 농도에 대한 수치범위와 관련하여, 상기 하한에 미달하면 실리콘 산화막 에칭에 대한 유효한 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 못하며, 상기 상한을 초과하면, 불산 농도의 증가 대비 실리콘 산화막의 에칭 효과가 크지 않으므로 불산 농도를 증가시키는 실익이 크지 않아 바람직하지 못하다. 본 발명의 실시예에서는 희석된 불산액은 1 %의 농도인 것이 사용되었다.
상기 (S14)단계에서의 오존수를 이용한 세정은, 오존의 강한 산화력에 의해 금속 불순물의 제거가 촉진됨과 동시에, 일차로 제거된 금속 불순물이 실리콘 웨이퍼에 다시 부착되는 현상을 방지하기 위한 목적으로 진행된다. 즉, 상기 (S14)단계에서 이용된 오존수는 과산화수소보다 높은 산화 환원 전위를 나타내기 때문에 강산화력을 보유하고 있으며, 불순물 중 특히 금속 불순물을 강하게 이온화시키므로 실리콘 웨이퍼 표면에 금속 불순물이 부착되는 것을 방지할 수 있다. 상기 (S4)단계는, 상기 제3단계 세정이 완료된 실리콘 웨이퍼를 오존수에 1 내지 10 분 동안 침지시켜 진행하면 바람직하다. 상기 오존수의 침지 시간에 대한 수치범위와 관련하여, 상기 하한에 미달하면 충분한 세정 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 못하며, 상기 상한을 초과하면 원하는 정도의 세정이 거의 완료된 상태로서 과침지되어 스루풋(throughput)의 관점에서 바람직하지 못하다. 상기 (S14)단계에서 세정액으로 이용되는 오존수는, 오존 농도가 1 내지 20 ppm이고, 온도는 10 내지 30℃인 것이 사용되면 바람직하다. 상기 오존수의 오존 농도에 대한 수치범위와 관련하여, 상기 하한에 미달하면, 유기 오염물을 유효하게 제거할 수 없어 바람직하지 못하며, 상기 상한을 초과하면, 오존 농도 증가 대비 세정 효과의 증가가 크지 않아 바람직하지 못하다. 한편, 상기 오존수의 온도에 대한 수치범위와 관련하여, 상기 하한에 미달하는 경우에는 오존의 활성도가 저하되어 세정 효과가 떨어져 바람직하지 못하며, 상기 상한을 초과하면, 오존의 농도가 감소되어 세정 효과가 떨어져 바람직하지 못하다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼에 대한 세정 방법에 의한 금속불순물 제거 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 종래의 SC-1 및 SC-2 세정액만을 이용한 세정 공정을 진행한 경우(비교예)와 본 발명에 따르는 4단계의 세정 단계를 진행한 경우(실시예)로 구분하여 각 세정 공정 종료 후의 실리콘 웨이퍼의 금속 불순물에 대한 오염 농도를 확인할 수 있다. 즉, 도 2는, 실리콘 웨이퍼에 대한 대표적인 금속 불순물인 니켈(Ni)과 구리(Cu)의 오염농도의 차이를 비교한 것으로서, 실시예의 경우가 비교예의 경우에 비하여, 니켈의 경우에는 100(×102)배 정도의 낮은 오염농도를 갖게 되며, 구리의 경우에는 10(×101)배 정도의 낮은 오염농도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 웨이퍼에 대한 세정 방법을 진행한 후의 표면 거칠기의 개선 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 종래의 SC-1 및 SC-2 세정액만을 이용한 세정 공정을 진행한 경우(비교예)와 본 발명에 따르는 4단계의 세정 단계를 진행한 경우(실시예)로 구분하여, 실리콘 웨이퍼의 표면 거칠기의 정도를 확인할 수 있는 Rms(Root mean square roughness)의 편차도를 통해 확인할 수 있다. 즉, 도 3은, 실리콘 웨이퍼의 표면에서의 표면 거칠기의 정도를 실시예와 비교예로 구분하여 측정한 결과를 도시한 것으로서, 실시예의 경우에는 그 편차도가 0.04Å 정도에 불과하고 Rms 값이 0.7Å인 균일한 표면을 형성하고 있지만, 비교예의 경우에는 그 편차도가 0.25Å에 달하며 Rms값이 0.65 내지 0.9Å인 불균일한 표면을 형성하고 있음을 알 수 있다. 이는, 실시예가 비교예에 비하여 700% 이상의 표면 거칠기 개선이 이루어진 것을 알려주는 것으로서, 본 발명이 종래의 기술에 비하여 현저한 개선된 효과가 존재함을 자명하게 이해할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.
본 발명에 따르면, 실리콘 웨이퍼 표면의 금속 불순물을 유효하게 제거함과 동시에 실리콘 웨이퍼의 표면 거칠기를 향상시키면서, 종래의 세정 방법에서 문제점으로 지적되고 있는 반복적인 공정 진행이나 과도한 세정액 사용에 따른 부작용 을 해소 및 제거된 금속 불순물의 재부착에 의한 재오염의 문제를 해결할 수 있어서, 전기 소자를 형성함에 있어서, 물리적 특성이 현저하게 개선된 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있는 장점이 있다.
Claims (5)
- 실리콘 웨이퍼 세정 방법에 있어서,(S1) 실리콘 웨이퍼 표면을 표준세정1에 따른 SC-1 세정액으로 세정하는 제1단계;(S2) 상기 제1단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 표준세정2에 따른 SC-2 세정액으로 세정하는 제2단계;(S3) 상기 제2단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 0.5% 내지 1% 농도의 불산(HF) 용액으로 세정하는 제3단계; 및(S4) 상기 제3단계 세정된 실리콘 웨이퍼 표면을, 오존수를 이용하여 세정하는 제4단계;를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 세정 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 (S4)단계는, 상기 제3단계 세정이 완료된 실리콘 웨이퍼를 오존수에 1 내지 10 분 동안 침지시켜 진행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 세정 방법.
- 제4항에 있어서,상기 오존수는, 오존 농도가 1 내지 20 ppm이고, 온도는 10 내지 30℃인 것이 사용되는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 세정 방법.
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