KR20080109605A - 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리를 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 웨이퍼를 세척하고, 건조하며, 친수화 처리를 하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 이하의 단계들을 열거한 순서대로 포함한다.
a) 중심축을 중심으로 하여 적어도 때때로 회전하는 반도체 웨이퍼를 불화 수소를 함유한 액상 수용액으로 처리하는 단계와,
b) 오존 함유 분위기 속에서 중심축을 중심으로 하여 반도체 웨이퍼를 1000 내지 5000 rpm의 회전 속도로 회전시켜 반도체 웨이퍼를 건조하는 단계로서, 이러한 회전에 의해 발생되는 원심력으로 인하여 상기 불화 수소를 함유한 액상 수용액이 반도체 웨이퍼로부터 흘러나가고, 반도체 웨이퍼의 표면은 오존에 의해 친수화 처리되는 것인 단계.
Description
본 발명은 반도체 웨이퍼를 세척하고, 건조하는 동시에 친수화 처리를 하며, 반도체 웨이퍼를 회전시키면서 건조를 행하는 방법에 관한 것이다.
예컨대 마이크로 전자 부품(대개, 실리콘 웨이퍼)의 생산을 위한 기재의 역할을 하는 반도체 웨이퍼는, 연마, (예컨대 에피택셜 증착에 의한) 코팅 혹은 열처리 단계("어닐링") 이후에, 또는 고온의 공정 단계 이전에 습식 화학 공정에 의해 세척된다. 이러한 세척은 반도체 웨이퍼의 오염물을, 예컨대 웨이퍼 표면에 부착된 구리 등과 같은 금속이나 유기 물질뿐만 아니라 입자를 가능한 완벽하게 제거하는 것을 목표로 하는데, 이는 상기 오염물이 이후의 부품 생산 단계 동안에 문제를, 예컨대 게이트 산화물의 불균일한 성장이나 폴리실리콘 게이트의 불균일한 증착을 야기하기 때문이다.
반도체 웨이퍼를 세척하고 건조하기 위한 많은 공정이 종래 기술에 공지되어 있다.
미국 특허 제5,714,203호에는 불화 수소 용액(불화 수소산)을 포함하는 욕조 에 완전히 침지된 반도체 웨이퍼를 욕조에서 오존 함유 분위기 속으로 천천히 끌어내는 공정이 개시되어 있다. 오존 함유 분위기의 오존은 용액의 표면에서 용해되어 용액의 표면 장력을 낮추며, 그 결과 용액이 웨이퍼 표면으로부터 흘러나가기가 더 쉬워진다. 이와 동시에, 웨이퍼 표면은 오존 함유 분위기에 의해 산화된다. 따라서, 웨이퍼는 건조 이후에 친수성을 띤다. 실제로 건조한 반도체 표면을 확보하기 위해서는, 반도체 웨이퍼를 불화 수소산으로부터 0.01 내지 15 ㎜/초, 바람직하게는 0.01 내지 0.5 ㎜/초의 속도로 끌어낼 수 있어야 한다는 것이, 미국 특허 제6,451,124호에서 입증되었다. 웨이퍼의 직경이 300 ㎜이고 상기 속도가 0.5 ㎜/초라고 가정하면, 상기 절차에만 10분이 필요하다. 웨이퍼가 완전히 건조되지 않는다면 웨이퍼 표면에서 불균일한 부분, 예컨대 소위 "워터 마크"가 관찰되기 때문에, 웨이퍼는 반드시 완전 건조되어야 한다.
또한, 몇 년 동안 개별 웨이퍼 세척 공정의 채용이 점점 늘어가고 있는데, 이러한 공정에서는 반도체 웨이퍼를 그 중심축을 중심으로 빠르게 회전시키고, 먼저 하나 이상의 액체로 세척한 후에, 탈이온수로 헹구고 건조한다. 상기 액체는 회전하는 반도체 웨이퍼에 도포되고 원심력에 의해서 웨이퍼의 가장자리를 향한 이동이 가속되며, 그 결과 액체가 바깥쪽으로 흘러나가고 웨이퍼 표면 상의 거의 전체 영역에 박막을 형성한다. 이후에 반도체 웨이퍼를 건조하는 동안에, 반도체 웨이퍼를 더 회전시키고, 예컨대 액막의 표면 장력을 감소시키는 증기(예컨대, 이소프로판올)를 가하면, 상기 건조 이후에 액막이 완전히 흘러나간다. 이러한 타입의 공정은 US 2004/0103915 A1호와 EP 0905747 A1호에 기술되어 있다. 이러한 타입의 개별 웨이퍼 세척 공정은 화학 물질의 소모가 적은 것을 특징으로 한다.
이러한 타입의 장치에서는 불화 수소산을 세척액으로 사용하는 것도 또한 알려져 있다. 이와 같이, US 6,869,487 B1호에서는 반도체 웨이퍼가 빠르게 회전하면서 용존 오존을 함유한 액체에 의해 세척되는 공정이 기술되어 있는데, 오존은 상기 액체에 미리 용해시켜 놓은 것이거나 오존 함유 공정 분위기에서 발원한 것이다. 상기 액체의 공급이 이미 중단된 이후에는, 상기 공정 분위기에 더 추가되는 오존을 통해 친수성 표면이 확보될 수 있다. 그러나, 폐쇄된 액막이 오존과 접촉하고 있는 동안 이 액막이 웨이퍼 표면에 항상 존재한다는 것을 보장하려면 세심한 주의를 기울여야 한다. 그 후에, 반도체 웨이퍼를 탈이온수로 헹구고 건조한다. 건조는 예컨대 이소프로판올 증기를 가하면서 원심 건조하는 것을 통해 수행된다.
그러나, 이러한 식으로 처리된 반도체 웨이퍼의 표면에 있어서 입자, 금속 및 유기 오염물의 농도는 여전히 개선할 필요가 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 본 발명의 목적은 전술한 단점을 극복하는 세척 및 건조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 반도체 웨이퍼를 세척하고, 건조하며, 친수화 처리를 하기 위한 방법으로서, 이하의 단계들을 열거한 순서대로 포함하는 방법에 의해 달성된다.
a) 중심축을 중심으로 하여 적어도 때때로 회전하는 반도체 웨이퍼를 불화 수소를 함유한 액상 수용액으로 처리하는 단계와,
b) 오존 함유 분위기 속에서 중심축을 중심으로 하여 반도체 웨이퍼를 1000 내지 5000 rpm의 회전 속도로 회전시켜 반도체 웨이퍼를 건조하는 단계로서, 이러한 회전에 의해 발생되는 원심력으로 인하여 상기 불화 수소를 함유한 액상 수용액이 반도체 웨이퍼로부터 흘러나가고, 반도체 웨이퍼의 표면은 오존에 의해 친수화 처리되는 것인 단계.
본 발명에 따르면, 탈이온수 및 이소프로판올 등의 공정 화학 물질의 사용이 배제되어 이들 물질이 절약되고, 워터 마크의 형성이 방지되며, 공정 기간이 상당히 단축된다. 또한, 반도체 웨이퍼 표면에 있어서 오염물의 농도가 개선된다.
본 발명에서는 HF 함유 세척 용액으로 덮인 반도체 웨이퍼를 오존 함유 가스 분위기 속에서 회전시키면서 건조한다. 건조와 표면 친수화 처리가 단일 공정 단계에서 일어난다. 이러한 공정은 예컨대 US 2004/0103915 A1호에 공지된 것과 같은 개별 웨이퍼 세척 장치에 적용하기에 특히 적합하다. 공지의 스핀 건조 공정과는 대조적으로, 별도의 헹굼 수단(예컨대, 탈이온수)과 (이소프로판올 등과 같은) 유기 용제를 사용하지 않는다. US 6,869,487 B1호에 따른 공정에서 요구되는 탈이온수를 이용한 헹굼은 웨이퍼 표면에 있어서 입자 및 금속 오염물의 농도를 배가시키고, 더 나아가 소위 "워터 마크"의 형성을 초래하는 것으로 나타났다. 헹굼물이 완전히 그리고 균일하게 제거되는 것이 아니라 오히려 반도체 웨이퍼 상의 몇몇 위치에 잔류한다면, 워터 마크가 생긴다. 그 후에, 이러한 잔류물은 제어되지 않는 방식으로 건조된다. 이 경우에, 헹굼물 속에 존재하는 모든 오염물이 반도체 웨이퍼 상에 침착하여 "워터 마크"를 형성한다. 특히 이산화규소의 경우에는, 미량의 이산화규소가 헹굼물에 용해되어, 까다로운 오염물로서 침착된다. 따라서, 종래 기술에서는 물로 헹구는 단계가 필요한 것으로 기술되어 있지만, 본 발명에서는 이러한 단계가 배제된다. 이와 동시에, 본 발명에 따른 방법을 이용하면, 세척 이후에 유기물의 오염을 재차 초래하는 이소프로판올 등과 같은 유기 화합물의 사용을 배제할 수 있게 된다.
다른 이점은 탈이온수 및 이소프로판올 등의 공정 화학 물질이 절약되는 것이다. 특히, 유기 폐기물의 환경 친화적 폐기 비용이 들지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 친수화 처리, 헹굼 및 건조 단계를 포함하는 통상적인 3단계 공 정에 비해 공정 기간의 상당한 단축을 수반한다.
US 5,714,203호에 공지되어 있는 HF-오존 건조기와는 달리, 본 발명에 따른 방법은 회분식 공정이 아니라, 회전하는 반도체 웨이퍼 상에 공정 화학 물질이 적어도 하나의 노즐에 의해 살포되는 개별 웨이퍼 공정이다. 이러한 타입의 공정을 수행하는 것이 매우 유익한데, 이는 건조 공정이 취급 경비를 최소화한 다단계 개별 웨이퍼 세척 절차에 통합될 수 있기 때문이다.
단계 a)
본 발명에 따른 방법의 단계 a)에서, 웨이퍼 표면은 불화 수소(불화 수소산)를 함유하는 액상 수용액으로 처리된다. 반도체 웨이퍼가 유지 장치를 매개로 하여 회전하게 되는 동안에, 상기 액상 수용액을 하나 이상의 노즐을 통해 반도체 웨이퍼 상에 도포, 예컨대 분무하는 것이 바람직하다. 원심력으로 인하여, 상기 수용액은 바깥쪽으로 흘러나가며, 이 경우에는 반도체 웨이퍼의 표면에 박막을 형성한다. 반도체 웨이퍼는 수직축을 중심으로 회전 가능하도록 거의 수평하게 장착된다. 상기 수용액은 대개 위로부터 공급되며, 적합하다면 아래로부터도 동시에 공급된다.
상기 액상 수용액에 있어서 불화 수소의 농도는 바람직하게는 0.001 내지 50 중량%이고, 매우 바람직하게는 0.01 내지 2 중량%이다. HF 농도가 0.001 중량% 미만인 경우에는, 반도체 웨이퍼 상에 있어서 산화물층의 완전 분해가 더 이상 보장되지 않는다. 고농도 불화 수소산은 부식성이 매우 크기 때문에, 본 발명에 따르면 50 중량% 이하의 농도, 바람직하게는 2 중량% 이하의 농도가 사용된다. 선택적 으로, 염화 수소 등과 같은 다른 세척용 화학 물질도 또한 상기 액상 수용액 내에 존재할 수 있다. 염화 수소는 금속 양이온과 함께 가용성 착화합물을 쉽게 형성하는데, 이러한 가용성 착화합물은 불화 수소 용액과 함께 제거된다.
또한, 상기 용액이 반도체 웨이퍼에 공급되기 이전에, 이 용액에 오존을 추가하는 것도 가능하다. 오존의 농도는 적어도 0.1 ㎎/ℓ이다. 그 결과, 상기 용액의 세척 효과가 증대되고, 액막의 표면 장력이 줄어든다.
단계 a)는 예컨대 청정실 분위기 속에서 또는 질소 등과 같은 불활성 분위기 하에서 수행될 수 있다. 그러나, 단계 a)에서 이미 오존이 이러한 분위기에 추가되었을 수도 있다. 오존은 연속적인 가스 흐름에 03/O2 혼합물로서 공급되는 것이 바람직하다. 단계 a)에서 가스 흐름은 오존을 1 내지 35 중량%의 범위로 함유하는 것이 바람직하고, 5 내지 20 중량%의 범위로 함유하는 것이 특히 바람직하다. 분위기가 오존을 함유하고 있다면, 오존은 액막에 용해되고, 확산 현상에 의해 반도체 웨이퍼의 표면으로 옮겨가며, 이로써 반도체 웨이퍼의 표면이 산화된다. 오존 함유 분위기는 오존 함유 용액의 대체물로서 사용되거나 또는 오존 함유 용액과 더불어 사용될 수 있다. 오존 및 HF를 함유하는 용액은 오랜 시간에 걸쳐 산화물층을 용해하고 개질하는 것을 통해 반도체 웨이퍼를 에칭할 수 있다. 이는 입자의 제거를 용이하게 하며, 제거되어야 할 표면의 층이 두꺼운 경우에 유익하다. 이와 동시에, 오존 등과 같은 강한 산화제의 존재 하에서는 금속이 반도체 표면에 환원하여 침착하는 것이 방지된다. 불화 수소만을 함유하고 산화제를 함유하지 않는 세척 용액은 웨이퍼 표면에 있는 얇은 산화물층 만을 선택적으로 제거하고 기본적인 실리콘에 대해서는 에칭 효과를 갖지 않는다. 이는 표면 거칠기에 관하여 엄격한 요건을 갖는 반도체 웨이퍼에 있어서 유익하다.
단계 b)
단계 a)가 끝나면, 반도체 웨이퍼의 표면은 불화 수소, 적절하게는 예컨대 염화 수소 또는 오존 등의 추가 성분을 함유한 수용성 액체의 박막으로 덮인다. 본 발명에 따르면, 단계 a) 이후에 반도체 웨이퍼의 표면에 놓이는 액상 수용액에 있어서 불화 수소의 농도는 단계 b) 이전에 변경되지 않으며, 구체적으로 건조하기 전에는 반도체 웨이퍼를 물 또는 다른 액체로 헹구지 않는다.
오존 함유 가스 혼합물은 단계 b)에서 반도체 웨이퍼 위에 있는 가스 공간을 통과한다. 예컨대, 오존은 산소(O2) 또는 공기와의 혼합물로 사용된다. 오존은 연속적인 가스 흐름에 03/O2 혼합물로서 공급되는 것이 바람직하다. 단계 b)에서 상기 가스 흐름에 있어서의 오존 농도는 5 내지 35 중량%의 범위인 것이 바람직하고, 5 내지 20 중량%인 것이 특히 바람직하다. 오존 농도가 이와 같으면, 한편으로는 웨이퍼 표면의 완전한 친수화 처리가 보장되고, 다른 한편으로는 액막의 표면 장력이 용존 오존에 의해 충분히 줄어들어 매우 만족스러운 건조가 확보된다.
상기 분위기로부터의 오존은 부분적으로 액막에서 용해되어, 액막의 표면 장력을 감소시킨다. 반도체 웨이퍼는 빠르게 회전되고, 이를 통해 액막은 원심력의 작용을 받아 흘러나간다. 액막이 원심력의 작용을 받아 웨이퍼 표면으로부터 완전 히 사라지도록, 회전 속도는 충분히 높게 선택되어야 한다. 액막의 완전 제거는 1000 내지 5000 rpm, 바람직하게는 2000 내지 3000 rpm의 회전 속도에 의해 달성될 수 있다. 이러한 회전 속도를 따르는 경우에만, 종래 기술에서 필요로 하는 물을 이용한 헹굼이 배제될 수 있다.
단계 a)에 있어서의 액체 공급이 끝나고 이와 동시에 반도체 웨이퍼의 회전 속도를 증가시킨 상태에서, 가스 공간에 오존을 추가하기 시작하는 것이 바람직하다. 또한, 액막의 두께가 회전 운동에 의해 이미 줄어든 경우에는, 오존을 나중에 추가하는 것도 가능하다. 그러나, 액체를 완전히 그리고 균일하게 제거하기 위해서는, 폐쇄된 액막이 웨이퍼 상에 여전히 존재하는 한, 오존을 가스 공간에 가할 필요가 있다. 이러한 완전 세척 및 건조 공정은 30초 미만으로 수행될 수 있다.
반도체 웨이퍼를 건조하는 동안에, 오존 함유 가스 분위기는 웨이퍼 표면과 접촉하게 되고 친수성 산화물층을 형성하며, 그 결과 단계 b)가 끝났을 때 반도체 웨이퍼는 친수성을 띠고 건조해진다. 이렇게 건조된 웨이퍼에는 워터 마크가 없다. 본 발명에 따른 방법은 웨이퍼 표면에 있어서 금속 및 입자의 농도를 증가시키지 않으므로, 본 발명에 따라 처리된 반도체 웨이퍼는 금속 및 입자의 농도가 낮은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법은 모든 반도체 웨이퍼, 바람직하게는 단결정 실리콘 웨이퍼에 적용될 수 있다. 지금까지는 임의의 소자 구조를 갖지 않는 반도체 웨이퍼에 대한 적용도 또한 바람직하다.
Claims (10)
- 반도체 웨이퍼를 세척하고, 건조하며, 친수화 처리를 하기 위한 방법으로서,a) 중심축을 중심으로 하여 적어도 때때로 회전하는 반도체 웨이퍼를 불화 수소를 함유한 액상 수용액으로 처리하는 단계와,b) 오존 함유 분위기 속에서 중심축을 중심으로 하여 반도체 웨이퍼를 1000 내지 5000 rpm의 회전 속도로 회전시켜 반도체 웨이퍼를 건조하는 단계로서, 이러한 회전에 의해 발생되는 원심력으로 인하여 상기 불화 수소를 함유한 액상 수용액이 반도체 웨이퍼로부터 흘러나가고, 반도체 웨이퍼의 표면은 오존에 의해 친수화 처리되는 것인 단계를 기재 순으로 포함하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 b)에서 회전 속도는 2000 내지 3000 rpm인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 a) 및 단계 b)에서 액상 수용액에 있어서의 불화 수소의 농도는 0.01 내지 2 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제3항에 있어서, 단계 a) 이후에 반도체 웨이퍼의 표면에 놓이는 액상 수용 액에 있어서 불화 수소의 농도는 단계 b) 이전에 변경되지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 b)에서 상기 오존 함유 분위기에 있어서의 오존의 농도는 5 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 a)는 오존 함유 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제6항에 있어서, 단계 a)에서 상기 오존 함유 분위기에 있어서의 오존의 농도는 5 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액상 수용액은 오존을 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 개별 웨이퍼 세척 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 반도체 웨이퍼가 연속적인 액막으로 아직 덮여 있는 시점에서 시작되는 오존 함유 분위기에 반도체 웨이퍼가 노출되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 세척, 건조 및 친수화 처리 방법.
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