KR101778368B1 - 웨이퍼의 세정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 웨이퍼에 대한 세정 방법으로서, 상기 웨이퍼에 대해 SC-1 세정을 실시하는 단계, SC-1 세정이 완료된 웨이퍼를 초순수로 린스하고 SC-2 세정을 실시하는 단계를 포함하며, 상기 SC-2 세정에 사용되는 세정액은 염산수용액 또는 염산수용액을 포함하는 혼합물이고, 상기 염산수용액의 농도는 0.01 ~ 0.04 wt%이며, 염산수용액을 포함한 혼합액의 온도는 35~65도로 설정될 수 있다.
실시예에 의해 설정되는 세정액의 농도 및 온도는 금속불순물을 제거하는 SC-2 세정 공정에서 금속불순물의 제거력을 저하시키지 않으면서 웨이퍼 표면에 파티클이 재흡착되는 것을 방지할 수 있어 웨이퍼의 세정 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

웨이퍼의 세정 방법{Method for Cleaning Wafer}
본 발명은 웨이퍼의 세정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨이퍼의 파이널 세정 공정에서 웨이퍼 표면에 파티클의 부착을 최소화하면서 금속 불순물을 제거할 수 있는 웨이퍼의 세정 방법에 대한 것이다.
반도체 소자가 미세화됨에 따라 수율과 신뢰성의 측면에서 파티클과 금속입자와 같은 불순물 제거의 중요성이 부각되고 있으며, 이러한 파티클과 금속 불순물의 오염은 소자의 성능 저하와 수율을 좌우하는 중요한 요소가 되고 있다.
현재 반도체 소자의 제조 공정은 대략 400 단계의 제조 공정을 가지고 있으며, 이들 중 적어도 25~30% 이상의 공정이 웨이퍼의 오염을 막기 위한 세정 공정 및 표면 처리 공정으로 이루어진다. 파티클과 금속 불순물의 오염은 소자의 구조적인 형상의 왜곡과 전기적 특정을 저하시키며 반도체 소자의 성능 신뢰성 및 수율에 큰 영향을 미치기에 반드시 제거되어야할 필요가 있다.
웨이퍼의 세정 방법은 화학적 습식 방법이 주로 사용되고 있으며, 1970년대 KERN과 PUOTINEN에 의해 개발된 RCA 세정을 기본으로 하고 있다. RCA 세정법은 웨이퍼에 흡착된 파티클 및 금속불순물을 제거하는데 유효하게 사용되며, SC-1 공정과 SC-2 공정으로 이루어진다.
SC-1 세정 공정은 암모니아, 과산화수소 및 물을 1:1:5의 비율로 혼합하여 75~90도의 온도에서 10~20분 정도로 클리닝을 실시하며, H2O2가 H2O+O2로 분리되어 강한 산화작용으로 표면 유기 물질들이 물에 잘 용해되는 복합물질을 형성하게 된다. 즉, H2O2의 산화와 NH4 OH의 용해 및 식각으로 주로 파티클이 제거된다.
SC-2 세정 공정은 염산(HCl), 과산화수소(H2O2), 물(H2O)의 혼합액을 사용하며, 이를 1:1:5의 비율로 혼합하여 75~85도 정도의 온도에서 잔류 금속 불순물들을 제거한다. 금속불순물이 잔류하면 반도체 소자의 제조시 PN 접합 누설, 산화막 내압불량, 캐리어라이프타임 저하 등의 문제를 일으키게 되므로 SC-2 세정 공정을 통해 이에 대한 품질을 관리할 필요가 있다.
그러나, SC-2 세정 공정에 사용되는 세정액은 산성으로 이루어져 웨이퍼에 파티클이 재부착되는 현상이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 세정액인 염산 수용액의 농도를 저하시키면 실리콘 표면의 금속불순물에 대한 제거력이 저하되며, 세정액의 온도를 증가시키면 세정액의 반응성이 높아져 금속불순물의 제거력이 높아지나 파티클의 재흡착으로 오염현상이 발생된다. 즉, 파티클 제거와 금속불순물 제거는 트레이드 오프(Trade off) 관계에 있다.
따라서, SC-2 세정 공정시 웨이퍼 표면에 대한 금속 불순물을 제거하면서 파티클의 재흡착을 최소화할 수 있는 세정 방법이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 웨이퍼에 대한 Final 세정공정을 실시할 시 특히, SC-2 세정 공정에서 금속 불순물의 제거력은 동일하게 유지하면서 동시에 파티클의 재흡착을 최소화할 수 있는 웨이퍼의 세정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예는 웨이퍼에 대한 세정 방법으로서, 상기 웨이퍼에 대해 SC-1 세정을 실시하는 단계; SC-1 세정이 완료된 웨이퍼를 초순수로 린스하고 SC-2 세정을 실시하는 단계를 포함하며, 상기 SC-2 세정에 사용되는 세정액은 염산수용액 또는 염산수용액을 포함하는 혼합물이고, 상기 염산수용액의 농도는 0.01 ~ 0.04 wt%이며, 염산수용액을 포함한 혼합액의 온도는 35~65도의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 염산수용액의 농도는 0.02~0.03 wt%의 범위에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 웨이퍼의 세정 방법에 따르면, 금속불순물을 제거하는 SC-2 세정 공정에서 금속불순물의 제거력을 저하시키지 않으면서 웨이퍼 표면에 파티클이 재흡착되는 것을 방지할 수 있어 웨이퍼의 세정 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 웨이퍼의 세정을 실시하면 파티클 및 금속 불순물 오염을 동시에 감소시킬 수 있으므로, 생산되는 반도체 소자의 구조적인 형상의 왜곡 및 전기적 특성 저하와 같은 문제를 방지할 수 있으며 반도체 소자의 성능 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 세정액의 농도에 따른 파티클의 흡착력을 나타낸 그래프
도 2는 세정액의 농도에 따른 금속불순물의 제거력을 나타낸 그래프
도 3은 도 1 및 도 2를 합쳐서 나타낸 그래프
도 4는 실시예에 따른 세정 방법에 의해 웨이퍼에 흡착되는 파티클의 변화를 나타낸 그래프
도 5는 실시예에 따른 세정 방법에 의해 웨이퍼에 흡착되는 금속불순물의 변화를 나타낸 그래프
도 6은 실시예에 따른 세정 방법을 나타낸 흐름도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
본 발명은 웨이퍼의 표면에 흡착된 금속 오염 및 파티클을 제거하는 세정 공정인 파이널(Final) 세정 공정에 관한 것이다. Final 세정 공정(마무리 세정 공정)은 크게 웨이퍼 표면의 파티클을 제거하는 SC-1 세정 공정과 웨이퍼 표면의 금속 불순물을 제거하는 SC-2 세정 공정으로 이루어진다. 실시예에서는 특히 SC-2 세정 공정에서 금속불순물을 제거하는 도중에 파티클이 재흡착되는 것을 방지하기 위해 SC-2 세정 공정에 사용되는 세정액의 최적 온도 및 농도를 설정하는 것을 목적으로 한다.
SC-2 세정 공정에서 사용되는 세정액은 염산 수용액 또는 염산 수용액에 과산화수소수를 포함한 산성 용액으로 이루어질 수 있으며, 세정액의 농도를 감소시키는 경우 웨이퍼 표면의 금속 불순물 제거력이 약해지고, 금속 불순물 제거력을 위해 온도를 증가시키면 반응성이 높아져 파티클의 재흡착이 발생된다. 따라서, 세정액의 농도에 따른 파티클의 흡착력 및 금속 불순물의 제거력의 경향을 온도 변화에 따라 분석하여 최적화된 세정액의 농도 및 온도를 설정할 필요가 있다.
도 1은 세정액의 농도에 따른 파티클의 흡착력을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 가로축은 세정액에 포함된 염산 수용액의 농도(wt%)를 나타내며, 세로축은 파티클의 제타 포텐셜(zeta potential)을 나타낸다. 파티클은 수용액 내에 분포시 그 특성의 표면 charge를 가진다. 제타 포텐셜(제타 전위)은 파티클의 이동속도를 측정하여 표면 charge의 상태 및 표면 전하의 값을 측정하는데 사용되며, 제타 포텐셜이 크다는 것은 웨이퍼 표면에 파티클의 흡착이 상대적으로 많이 일어난다는 것을 의미한다.
도 1에서 아래쪽의 그래프는 염산 수용액의 온도가 상온(Room temp, R.T)으로 유지되는 조건에서 염산 수용액의 농도 변화에 따른 제타 포텐셜의 변화를 나타낸 그래프이며, 위쪽의 그래프는 염산 수용액의 온도가 상온보다 높게 설정되어 유지되는 조건에서 염산 수용액의 농도 변화에 따른 제타 포텐셜의 변화를 나타낸 것이다.
염산 수용액의 온도가 상온이며(R.T), 염산 수용액의 농도가 0.05 wt%인 지점을 기준값(Ref)으로 하였을 때, 상기 기준값과 농도는 동일하면서 온도가 높은 지점에서는 파티클의 전하값이 커져 제타 포텐셜값(Ez)이 더 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 그래프에서 상기 기준값보다 제타 포텐셜이 작은 영역(해칭 영역)에서 세정액의 온도 및 농도가 설정되어야 웨이퍼의 표면에 파티클의 흡착을 줄일 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 세정액의 농도에 따른 금속불순물의 제거력을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 가로축은 세정액에 포함된 염산 수용액의 농도(wt%)를 나타내며, 세로축은 금속불순물의 화학적 반응을 일으키기 위한 영향 인자인 활성화 에너지(activation energy, Ea)를 나타낸다. 활성화 에너지는 반응을 일으키기 위한 최소의 에너지이며, 활성화 에너지가 작을수록 화학적 반응이 빠르게 일어나게 된다.
도 2에서 위쪽의 그래프는 염산 수용액의 온도가 상온(Room temp, R.T)으로 유지되는 조건에서 염산 수용액의 농도 변화에 따른 활성화 에너지(Ea)의 변화를 나타낸 그래프이며, 아래쪽의 그래프는 염산 수용액의 온도가 상온보다 높게 설정된 상태로 유지되는 조건에서 염산 수용액의 농도 변화에 따른 활성화 에너지(Ea)의 변화를 나타낸 것이다.
염산 수용액의 온도가 상온이며(R.T), 염산 수용액의 농도가 0.05 wt%인 지점을 기준값(Ref)으로 하였을 때, 상기 기준값과 농도는 같으면서 온도가 높아진 지점에서 활성화 에너지는 감소하게 되므로, 금속 불순물의 제거력은 상대적으로 커진 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 기준값(염산 수용액의 온도는 상온이며, 농도는 0.05 wt%)에 해당하는 활성화 에너지보다 낮은 활성화 에너지를 갖도록 염산 수용액의 농도 및 온도가 설정된다면 금속 불순물의 제거력이 더 커짐을 알 수 있다.
즉, 그래프에서 기준값과 농도는 동일하지만 온도가 높아진 지점은 기준값에 해당하는 활성화 에너지보다 낮은 활성화 에너지를 갖는 영역(해칭 영역)에 포함되어 금속 불순물의 제거력이 커지므로, 이 영역에서 세정액의 농도 및 온도가 설정되어야 한다.
도 3은 도 1 및 도 2를 합쳐서 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 파티클의 흡착력과 금속 불순물의 제거력을 나타내는 제타 포텐셜 및 활성화 에너지를 한 그래프에 모델링 하였으며, 이를 통해 웨이퍼의 세정시 파티클 및 금속불순물의 흡착을 개선할 수 있는 세정액의 농도와 온도를 추정할 수 있다.
염산 수용액의 온도는 상온이며, 농도가 0.05 wt%일 경우를 기준값(Ref)으로 하였을 때, 기준값에 해당되는 제타 포텐셜(Ez)과 활성화 에너지(Ea)보다 작은 영역에서 세정액의 농도 및 온도의 최적화 포인트를 예측할 수 있다. 그래프에서 해칭 영역의 폭은 파티클의 흡착이 개선되는 레벨을 나타낸다. 즉, 해칭 영역의 폭이 커질수록 파티클의 흡착이 감소되는 것을 의미한다.
SC-2 공정에서 금속 불순물의 화학 반응을 빠르게 하기 위해 세정액의 온도를 소정의 값만큼 증가시킨 경우에, a 지점은 기준값과 제타 포텐셜이 같으므로 파티클의 흡착량은 기준값과 같이 유지되며, 금속 불순물의 흡착이 최소화되는 지점이다.
b 지점은 기준값보다 파티클 및 금속 불순물의 흡착량이 최대치는 아니지만 상대적으로 감소되는 지점을 나타내며, c 지점은 금속 불순물의 흡착량은 기준값과 동일하게 나타나면서 파티클의 흡착은 최소화되는 지점이다.
즉, 그래프에 나타난 바와 같이 금속 불순물의 흡착은 동일하게 유지하면서 파티클의 재흡착을 최대로 감소시킬 수 있는 c 지점에 해당하도록 세정액의 농도 및 온도를 설정하면 SC-2 세정 공정에서 웨이퍼 표면에 대한 파티클 및 금속 불순물 제거 효과를 동시에 높일 수 있다.
실시예의 웨이퍼 세정 방법은 SC-1 세정 공정에서 웨이퍼 표면의 파티클을 제거하고, SC-2 세정 공정에서 웨이퍼 표면의 금속 불순물을 제거한다. 따라서, SC-1 세정 공정에서는 세정액의 농도를 낮춰 파티클의 흡착을 최소화하며, SC-2 세정 공정에서는 세정액의 온도를 높여 금속 불순물의 흡착을 최소화한다. 실시예는 SC-2 세정 공정에서 사용되는 세정액의 온도에 의해 파티클의 재흡착이 발생하지 않는 세정액의 농도를 찾고자 하였다. 상술한 바와 같이 실시예는 최적화 지점인 c 지점을 찾기 위해 세정액의 농도와 온도를 변화시키면서 파티클 흡착 및 금속 불순물의 잔류에 관한 실험을 실시하였다.
도 4는 실시예에 따른 세정 방법에 의해 웨이퍼에 흡착되는 파티클의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 상온(room temperature, R.T)에서의 염산 수용액(세정액)의 농도가 0.05wt%일 때를 기준값으로 하여 SC-2 세정을 실시하였으며, 세정액의 온도와 농도를 달리하여 웨이퍼 표면에서 직경 29nm이상의 파티클이 검출되는 개수(ea/wafer)를 파악하였다.
그래프를 살펴보면, 염산 수용액의 농도가 0.05 wt%인 경우, 35도와 65도의 온도에서 모두 기준값보다 많은 파티클이 검출되었고, 염산 수용액의 농도가 0.002 wt%이며, 온도가 65도인 경우에도 기준값보다 많은 파티클이 검출되었다.
도 5는 실시예에 따른 세정 방법에 의해 웨이퍼에 흡착되는 금속불순물의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 상온(room temperature, R.T)에서의 염산 수용액(세정액)의 농도가 0.05wt%일 때를 기준값으로 하여 SC-2 세정을 실시하였으며, 세정액의 온도와 농도를 달리하여 웨이퍼 표면에서 금속 불순물(Al)의 함유율(atom/㎠)을 파악하였다.
그래프를 살펴보면, 염산 수용액의 농도가 0.01~0.02 wt% 이며, 온도가 35도와 65도인 경우에 웨이퍼 표면에서 기준값보다 금속 불순물의 함유량이 적게 나타났으며, 염산 수용액의 농도가 0.05 wt% 인 경우에도 웨이퍼 표면에서 기준값보다 금속 불순물의 함유량이 적게 나타났다.
도 4 및 도 5의 그래프를 통해 나타난 결과를 종합해보면, 염산 수용액의 농도가 0.01 wt% 이상 0.05 wt% 미만이며, 온도는 35도 내지 65도를 갖도록 세정액이 제조되었을 경우에는, SC-2 세정 공정을 실시하였을 때 파티클의 흡착량 및 금속 불순물의 함유량이 기준값보다 모두 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 실험 결과에 의해 본 실시예에서는 SC-2 세정 공정에 사용되는 세정액의 농도를 0.01 ~ 0.04 wt% 의 범위에서 선택함과 동시에, 세정액의 온도는 35~65도의 범위에서 선택함으로써 웨이퍼 표면에 대한 파티클 및 금속 불순물의 흡착을 최소화할 수 있는 세정액을 제조할 수 있었다.
도 6은 실시예에 따른 세정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 우선 웨이퍼를 세정하기 위한 전처리 공정을 수행한다. 그리고, 오존(O3)으로 웨이퍼 표면을 린스하여 웨이퍼 표면에 흡착되어 있는 각종 산화물들을 제거하고, 불산(HF)을 사용하여 웨이퍼 표면의 자연산화막을 제거한 후에, 다시 오존을 린스하여 웨이퍼 표면의 금속 물질을 제거하는 S10 단계가 수행된다. S10 단계는 웨이퍼 표면에 금속 오염 및 연마재와 같이 입자가 큰 파티클을 제거하는 단계이다.
이어서 웨이퍼 표면의 미세 파티클을 제거하는 S20 단계가 수행될 수 있다. S20 단계는 암모니아, 과산화수소 및 물을 일정 비율로 혼합한 세정액을 사용하여 웨이퍼 표면의 파티클을 제거하며, 초순수(DIW)로 웨이퍼를 다시 세정한다.
이어서 웨이퍼 표면의 금속 불순물을 제거하는 S30 단계가 수행될 수 있다.
S30 단계는 SC-2 세정 공정으로 금속 불순물을 제거하는 단계이다. 상기 SC-2 세정에 사용되는 세정액은 염산수용액 또는 염산수용액을 포함하는 혼합물일 수 있다.
SC-2 세정에서 파티클의 재흡착을 방지하기 위해 상기 염산수용액의 농도는 0.01 ~ 0.04 wt%의 범위에서 선택함과 동시에, 염산수용액을 포함한 혼합액의 온도는 35~65도의 범위에서 선택한 세정액을 사용하여 웨이퍼 표면에 대한 세정을 실시한다.
이어서, 웨이퍼 표면을 보호 및 안정화하는 S40 단계가 수행될 수 있다. S40 단계에서는 웨이퍼를 초순수로 세정한 후, 오존으로 린스한 후에 미온의 초순수를 이용하여 웨이퍼를 세정한 후 건조하는 과정을 포함할 수 있다.
추가적으로 건조가 끝난 웨이퍼에 대해 결함 또는 오염에 대한 측정 단계가 수행될 수 있으며, 측정 단계를 통과한 웨이퍼는 출하되어 패킹(packing)되는 단계가 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예는 금속불순물을 제거하는 SC-2 세정 공정에 있어서 금속불순물의 제거력을 저하시키지 않으면서 웨이퍼 표면에 파티클이 재흡착되는 것을 방지할 수 있는 세정액의 온도 및 농도를 성정함으로써 세정된 웨이퍼의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 웨이퍼의 세정을 실시하면 파티클 및 금속 불순물 오염을 동시에 감소시킬 수 있으므로, 생산되는 반도체 소자의 구조적인 형상의 왜곡 및 전기적 특성 저하와 같은 문제를 방지할 수 있으며 반도체 소자의 성능 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예는 웨이퍼에 대한 세정 공정 중에서 마무리(final) 세정 공정에 해당되는 것으로, 실시예와 같은 세정 방법을 통해 실리콘 단결정 웨이퍼가 제조될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 웨이퍼에 대한 세정 방법으로서,
    상기 웨이퍼에 대해 SC-1 세정을 실시하는 단계;
    SC-1 세정이 완료된 웨이퍼를 초순수로 린스하고 SC-2 세정을 실시하는 단계;를 포함하며,
    상기 SC-2 세정에 사용되는 세정액은 염산수용액 또는 염산수용액을 포함하는 혼합물이고, 상기 염산수용액의 농도는 0.01 ~ 0.04 wt%이며, 염산수용액을 포함한 혼합액의 온도는 35~65도로 이루어지는 웨이퍼의 세정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 염산수용액의 농도는 0.02~0.03 wt%로 이루어지는 웨이퍼의 세정 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 웨이퍼에 대한 SC-1 세정을 실시하기 전, 웨이퍼 표면에 오존을 린스하여 상기 웨이퍼 표면에 흡착된 연마재를 제거하는 웨이퍼의 세정 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 SC-1 세정은 암모니아, 과산화수소 및 물을 포함한 세정액을 사용하여 웨이퍼 표면에 흡착된 파티클을 제거하는 웨이퍼의 세정 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 SC-2 세정이 완료된 후에, 상기 웨이퍼를 초순수로 린스하고 오존으로 다시 린스하여 상기 웨이퍼의 표면을 보호하는 과정을 수행하는 웨이퍼의 세정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 오존으로 린스한 후에, 상기 웨이퍼를 미온의 초순수로 린스하여 표면을 안정화시키는 과정을 수행하는 웨이퍼의 세정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 표면을 안정화시키는 과정 이후에, 상기 웨이퍼를 건조시키는 과정이 수행되는 웨이퍼의 세정 방법.
  8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼에 대한 세정은 마무리(final) 세정 공정에 포함되는 웨이퍼의 세정 방법.
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