[반도체 특강] 반도체를 세탁하다, 세정공정

세정공정은 약 400~500개의 반도체 메인 공정 중 15% 정도를 차지하는 중요한 공정입니다. 웨이퍼에 외형변화를 일으키기 위해 Fab 공정을 진행하면 웨이퍼 표면에 화학적/물리적 잔류물이 남게 되는데, 이러한 잔류물을 제거하는 공정이 바로 세정(Cleaning)입니다. 웨이퍼 세정을 제대로 하지 않으면 제품의 성능과 신뢰성에 치명적인 악영향을 끼치게 됩니다. 그 결과 수율이 떨어져 다음 공정으로 진행시켜야 할 양품 개수가 적어지고, 제품 품질이 나빠져 고객 불만이 높아지는 등 경영상의 문제로 직결되기도 하죠. 특히 회로 선폭이 마이크로미터에서 나노미터 단위로 작아짐에 따라 커패시터/Via hole/STI 등을 만들기 위한 참호가 좁고 깊어지게 되는데요. 이에 따라 참호 속 찌꺼기들을 파내기가 점점 어려워져 테크놀로지가 세밀화될수록 세정의 중요성이 커지고 있습니다.

세정의 3가지 종류

세정은 크게 3가지 방식으로 나눌 수 있습니다. 화학용액을 이용하는 습식세정, 용액 이외의 매체를 이용하는 건식세정, 습식세정과 건식세정의 중간 형태인 증기를 이용하는 증기세정입니다. 세정공정에서는 특히 잔류물이 어떤 성질을 갖고 있는지에 대해 우선적으로 확인해야 하는데요. 웨이퍼 표면의 잔류물은 포토공정 후 남은 PR(감광액) 찌꺼기, 식각공정 시 제거되지 않은 산화막, 공중의 부유물이 내려앉은 파티클, 앞 공정에서 사용된 유기물과 금속성 잔류물 혹은 세정공정 시 2차적으로 반응하여 붙어 있는 화학물질 등 매우 다양합니다. 그러므로 웨이퍼를 세정할 때는 한 가지 방식만을 적용할 수 없지요. 사전에 습식과 건식을 복합적인 매트릭스로 맞추어 설정해놓고, 이를 검토하여 해당 잔류물이 웨이퍼 표면에서 완벽하게 제거된다고 판단될 경우에 진행합니다.

습식세정

<그림 2> 습식세정 Flow

습식세정은 반도체 세정공정에서 가장 빈번하게 사용되는 기본적인 방식입니다. 하지만 습식세정 후에는 린스(Rins)와 건조(Dry)를 시켜야 하는 부담이 있고, 습식세정으로 제거가 되지 않는 부분이 많아지면서 점점 건식세정이 늘어나고 있지요. 그러나 비용이 적게 들고 공정 방식이 간단하다는 장점이 있어 아직까지는 습식세정이 주류를 이루고 있습니다. 건식세정을 하더라도 주로 습식으로 마무리 세정을 하기 때문이기도 하죠. 습식세정은 주로 과산화수소(H2O2) 계열의 세정으로 발전해왔으나, 그 이후에는 과산화수소 대신 오존(O3) 등 다른 요소를 적용하는 비과산화수소 계열의 습식세정도 등장했습니다. 오존세정은 습식세정의 단점을 보완하는 측면으로써, 과산화수소 계열의 액체 세정량을 과감히 줄이는 방향입니다.

습식세정 방식의 다양화

<그림 3> 습식세정의 종류

미국의 전자회사 RCA의 한 엔지니어가 1970년경 새로운 반도체 세정 방식을 개발, 이를 RCA세정이라고 칭했습니다. 이후 RCA세정 방식은 반도체 습식세정의 대명사가 되었는데요. 이는 산화반응을 하는 과산화수소를 주축으로 다른 여러 세정 물질을 섞어, 식각을 추가로 진행한다거나, 다른 세정 항목을 더하여 결과적으로 전체적인 세정 효율을 높이는 방식으로 다양화되었습니다. 과산화수소에 더하여 Mix하는 세정용 물질은 암모니아, 염산, 황산 등으로 발전하였고 그 외에 인산, 불산 등 강산성들이 반도체 세정용 물질로 사용돼 오고 있습니다.

미세화에 따른 세정 방식의 변천 (습식 → 건식)

미세화 패턴에 따라 세정 방식에도 획기적인 변화가 일어납니다. 회로 선폭 100nm 이후로는 Aspect Ratio(높이/밑변) 값이 상승하여 세정용액이 트랜치(DRAM의 Capacitor나 STI라는 Tr과 Tr의 절연벽) 혹은 Via hole(메탈층을 밑에서 위로 연결하는 기둥)의 밑바닥까지 내려가지 못하는 치명적인 결함이 발생됩니다. 더 이상 고(高) Aspect Ratio에서는 습식방식이 불가하므로 다른 세정방식을 찾아야 했지요. 어떤 구조물, 혹은 외형 변화이든 식각을 한 영역은 모두 세정이 되어야 했습니다. 다행히 대안으로 등장한 건식세정은 여러 가지 방식으로 분화할 수 있어 미세화에 따라 발전에 발전을 거듭하고 있습니다.

건식세정

<그림 5> 건식세정의 종류

습식은 여러 가지 장점을 가졌음에도 불구하고, 구조의 미세화가 심화되고 세정액이 과다하게 사용되는 등의 문제점이 있었습니다. 따라서 액체보다는 기체를 사용하는 건식세정이 점점 부각되어 왔는데요. 건식은 습식에 비해 투자비용이 많이 들고 장비 다루기가 복잡하며 세정 방식 또한 까다롭지만, 표면에 남아있는 PR, 산화막 등을 제거하는 데 탁월하답니다. 세정 방식은 과산화수소 계열의 습식에서 다변화하여 비과산화수소의 습식세정으로 발전하였고, 이를 더욱 다양화하여 초음파(습식+비습식 : 세정액 상태에서 초음파 공급)를 사용하거나 레이저, 드라이아이스, 자외선 혹은 최근에는 플라스마를 사용하는 강력한 건식세정 방식으로 진화를 거듭하고 있습니다.

세정의 주요 요소

<그림 6> 세정의 4대 요소

앞으로 반도체 세정은 효율성을 높이는 것은 물론, 세정 후 폐기물질을 최소화하는 방향으로 발전되어야 할 것입니다. 또한 세정공정으로 인해 다른 2차 피해(추가 오염물질, 인접 막 파손 등)가 발생되지 않아야 하고, 공정 자체가 되도록 단순화되어야 합니다. 물론 환경적 측면도 고려해야 하기 때문에, 그에 따라 세정 매체도 액체에서 기체로 변화하고 있습니다. 그 중 화학적 인자, 세정 매체의 혼합비율, 세정 시의 온도 및 세정 순서는 세정 시 가장 주요한 4가지 요소로 볼 수 있습니다. 이런 인자들을 바탕으로 세정 포트폴리오를 다양화하여 잔류물(오염) 종류-세정매체-세정장치-세정방식의 매트릭스를 알맞게 매칭시켜 세정 효율을 극대화해야 합니다.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.