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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)



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



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



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



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.


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



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.


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.

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