세정이 하는 일

입자 하나가 칩 하나를: 미세화와 세정

웨이퍼 위에는 수십 층의 막과 무늬가 차례로 쌓인다. 어느 층에서든 표면에 남은 오염은 다음 층 밑에 그대로 묻혀 결함이 된다. Kern의 1990년 리뷰는 그 모습을 이렇게 정리한다. 입자는 노광·식각·헹굼에서 빛과 약액을 가로막고, 전기가 통하는 입자가 배선 사이에 놓이면 단락을 만들며, 막을 기르거나 쌓을 때 끼어들면 핀홀·빈틈·균열이 된다. 눈에 보이지 않는 오염도 있다. 무거운 금속은 p–n 접합의 누설 전류를 늘리고 산화막의 절연 파괴 전압과 소수 캐리어 수명을 낮춘다. 나트륨 같은 알칼리 이온은 산화막 속을 움직이며 문턱 전압과 평탄대 전압을 옮긴다.

그래서 오염은 곧 수율 문제다. Kern은 집적회로 수율 손실의 절반이 넘는 몫을 미세 오염 탓으로 보는 것이 당시의 일반적인 견해라고 적었다. 1999년 Stanford의 공정 강의는 당시 VLSI 공장 수율 손실의 75%가 입자 오염에서 온다고 가르쳤고, 0.1~0.3 µm 입자가 가장 골치 아프다고 했다. 더 큰 입자는 쉽게 가라앉고 더 작은 입자는 서로 뭉쳐 커지기 때문이다. 두 숫자는 그 시대 공장의 어림이라 지금 공장에 그대로 옮길 수는 없다. 그래도 세정이 왜 공정 엔지니어의 오랜 관심사였는지는 보여 준다.

치명 입자는 얼마나 작아졌나

어떤 입자가 칩을 죽일까? 기준은 무늬와 함께 줄어 왔다. Kern은 1990년에 선폭의 1/10을 넘는 입자를 잠재적인 치명 결함(Killer defect)으로 보았다. 1997년 미국 반도체 로드맵(NTRS)의 표를 옮긴 Stanford 강의 자료에는 세대마다 최소 선폭과 '치명 결함 크기'가 나란히 적혀 있는데, 250 nm 세대의 125 nm부터 50 nm 세대의 25 nm까지 모든 칸이 정확히 선폭의 절반이다(계산). 2007년 ITRS는 첫 금속 배선 Half pitch의 절반, 그해 값으로 32.5 nm를 치명 입자의 지름으로 썼다. 2023년 IRDS는 기준을 로직 소자에서 가장 중요한 치수의 절반으로 두고, 초순수 속에서 전기적으로 활성인 입자의 치명 크기를 3.0 nm까지 낮춰 잡았다. 반도체 제조의 임계 입자 크기가 이제 5 nm 아래라는 것이다.

문제는 그 크기를 잴 수 없다는 데 있다. IRDS에 따르면 약액 속 입자 계수기는 30~40 nm까지만 재고, 초순수용 온라인 계수기 가운데 가장 예민한 것도 20 nm에서 검출 효율이 2~5%에 그친다. 그보다 작은 입자의 수는 크기 분포를 가정해 어림할 뿐이다. 그래서 IRDS는 웨이퍼에 닿기 전의 필터와 이온 교환 수지를 미리 관리하는 '선제적' 접근을 권한다. 웨이퍼 위도 마찬가지다. 2011년 ITRS는 웨이퍼 위의 28 nm 미만 입자를 잴 수 없어서, 많은 공장이 65 nm에서 센 개수를 크기의 제곱에 반비례하는 분포로 옮겨 규격을 정한다고 적었다. 세정은 볼 수 없는 것까지 관리해야 하는 공정이 되었다.

입자만이 아니다

미세화는 다른 방향에서도 세정을 조인다. 막이 얇아지면 같은 손실이 더 큰 비율이 된다. 2007년 ITRS는 로직 제품에서 세정 한 번이 실리콘과 산화막을 깎아도 되는 양을 0.5 Å으로 잡았다. 원자 한 층보다 얇은 두께다. 구조가 좁고 깊어지면 약액이 들고 나기 어렵다. 한 Applied Materials 특허는 습식 HF가 종횡비 4:1을 넘는 구멍, 특히 10:1을 넘는 구멍에서 약액이 들어가고 빠져나오기 어렵다고 적는다. 마를 때도 문제다. 무늬 사이에 남은 액체의 표면 장력이 선을 휘게 하는데, 선 뿌리에 걸리는 응력은 간격에 반비례하고 종횡비의 제곱에 비례한다. 재료도 예민해졌다. 플라즈마에 손상된 Low-k 절연막은 묽은 HF에 깎이고, 하드마스크로 쓰는 TiN은 SC-1에 얇아진다. 현장에서 먼저 볼 데이터와 함께 정리하면 다음과 같다.

아래 애니메이션은 크기가 같은 입자를 세 세대의 배선 무늬 위에 떨어뜨린다. 위에서 내려다본 그림이고, 세 칸은 모두 같은 600 nm × 600 nm 넓이다. 무늬가 줄어들면 같은 입자가 무해에서 치명으로 바뀐다.

근거: 세대별 선폭과 '치명 결함 크기 = 선폭의 ½', 크기 사이의 개수를 제곱에 반비례하게 옮기는 규칙. 결함이 떨어졌을 때 칩이 죽는 면적을 임계 면적이라 하며 IRDS의 수율 예측도 이 개념을 쓴다. 애니메이션의 기하 규칙과 입자 분포는 학습용 단순화다.

기하 규칙으로는 130 nm 세대에서 150 nm 입자의 대부분이 무해한데, 로드맵의 ½CD 기준으로는 치명이다. 기하 규칙은 '완전히 가로막거나 이을 때'만 센다. 선을 반쯤 덮어 가늘게 만들거나 콘택 구멍 하나를 막는 경우는 빠져 있으니, 로드맵의 기준이 더 보수적인 것은 자연스럽다(원리에서 나온 해석). 더 중요한 것은 분포 모드가 보여 주는 경향이다. ITRS는 입자 개수를 크기의 제곱에 반비례하게 옮겨 쓴다.

이 규칙을 따르면 치명 크기가 절반이 될 때 같은 오염 속의 치명 입자는 4배가 된다(계산). 공장의 오염 수준이 그대로라면 세대가 바뀔 때마다 수율이 떨어진다는 뜻이고, 세정이 세대마다 더 깨끗해져야 했던 까닭이다. 다음 절에서 이 관계를 수율로 계산한다.

결함 밀도와 수율

수율(Yield)은 웨이퍼 위의 칩 가운데 제대로 동작하는 칩의 비율이다. IRDS의 수율 향상 장은 수율을 집적회로의 기능과 신뢰성으로 나타내고, 그 가운데 설계와 상관없이 무작위로 생기는 결함을 주로 다룬다. 무작위 결함과 수율을 잇는 가장 단순한 모델은 결함이 서로 상관없이 고르게 떨어진다고 보는 Poisson 모델(Poisson yield model)이다. 칩 하나가 살려면 그 칩의 민감한 면적 안에 치명 결함이 하나도 없어야 하므로, 수율은 결함이 0개일 확률이 된다.

숫자로 보자. 1 cm² 칩에서 \(D_0\)가 0.1 cm⁻²면 수율은 90.5%, 0.5 cm⁻²면 60.7%, 1 cm⁻²면 36.8%다(계산). 결함이 cm²당 한 개 수준이면 칩 셋 가운데 둘이 죽는다. 공장의 규격은 이런 식에서 거꾸로 나온다. 2007년 ITRS는 수율 0.99 = exp(−\(D_p R_p A_{\text{eff}}\))에서 치명 결함 밀도를 구했고, 입자 다섯 개 가운데 하나꼴로 치명이라는 뜻의 치명 비율(Kill ratio) \(R_p\) = 0.2를 예로 썼다. 2011년판은 장비의 입자 규격에 가까운 숫자가 나오도록 이 수율 입력을 99.9%로 올렸다. 층 하나가 수율을 1%나 0.1%만 깎아도 수많은 층과 단계를 지나면 그것이 곱해져 쌓이기 때문이다(원리에서 나온 해석).

그럼 칩을 크게 만들면 어떻게 될까? 먼저 예측해 보자.

근거: Poisson 수율 식. 웨이퍼 크기, 가장자리, 칩 배열은 학습용 가정이다.

칩을 두 배로 키우면 그 칩은 1 cm²짜리 두 조각이 모두 살아야 산다. 그래서 수율은 \(e^{-2AD} = (e^{-AD})^2\)로 제곱이 된다. 웨이퍼에 놓이는 칩 수가 절반쯤으로 줄어드는 데다 그 가운데 살아남는 비율까지 줄어드니, 좋은 칩은 면적보다 훨씬 빠르게 줄어든다(계산). 큰 칩일수록 결함 밀도를 더 낮춰야 하는 까닭이다.

결함은 뭉친다

실제 웨이퍼에서 결함은 고르게 떨어지지 않는다. 장비에서 떨어진 입자 한 무더기나 약액 한 방울의 금속처럼 결함은 몇몇 칩에 몰린다. 그래서 Poisson 모델은 수율을 실제보다 낮게 예측하는 일이 잦다. Murphy는 1964년에 칩마다 결함 밀도가 다르다는 점을 고려한 수율–면적 관계로 최적의 칩 크기를 따졌다. 오늘날 흔히 쓰는 음이항 모델(Negative binomial yield model)은 뭉치는 정도를 \(C\) 하나로 나타낸다. \(D_0\) = 1 cm⁻², 1 cm² 칩에서 Poisson은 36.8%지만 \(C\) = 10이면 38.6%, \(C\) = 2면 44.4%다(계산). 평균 결함 밀도가 같아도 결함이 몇 칩에 몰리면 나머지 칩이 산다. Cunningham은 일곱 회사의 데이터로 수율 모델들을 비교해, 칩 크기에 따라 Poisson과 음이항이 가장 잘 맞고 큰 칩에서는 음이항이 더 정확하지만 그 뭉침 계수는 공정과 공장마다 칩 면적에 따라 재야 한다고 결론지었다. 아래에서 뭉침을 바꿔 보자.

근거: 음이항 수율 식과 뭉침 계수 C = 2, 10의 비교, 모델 선택과 뭉침 계수 측정. 감마 분포로 뭉침을 만드는 방식, 웨이퍼 크기와 가장자리는 학습용 가정이다.

수많은 세정이 나눠 쓰는 예산

칩 하나의 결함 예산은 공정 전체가 나눠 쓴다. 0.18 µm 세대 공정 400단계 가운데 80단계가 세정이었다는 특허의 설명대로라면, 세정 한 단계에 돌아가는 몫은 아주 작다. 아래 도전에서 목표 수율을 지키는 결함 예산을 직접 찾아보자.

근거: Poisson 수율 식, 0.18 µm 세대의 세정 80단계(400단계 중), 치명 비율 0.2.

세정의 세 가지 역할과 네 가지 질문

'세정'이라는 말은 씻기를 떠올리게 하지만 세정 장비가 하는 일은 셋으로 나눠 보는 것이 좋다. 첫째는 오염 제거다. 입자, 금속, 유기물, 공정 잔사처럼 있어서는 안 되는 것을 없앤다. 둘째는 막 제거, 곧 습식 식각(Wet etch)과 Strip(임시로 쓴 막 벗기기)이다. 자연 산화막이나 화학 산화막, 희생막, 하드마스크, PR처럼 일부러 만들었거나 생긴 막을 일부러 없앤다. Stanford 강의의 RCA 세정 표에서 SPM은 "유기물, 특히 PR을 벗기고" HF는 "화학 산화막을 벗긴다". 셋째는 표면 준비다. 다음 공정이 원하는 표면의 조성과 표면 종단(Surface termination, 표면 원자의 끝에 무엇이 붙어 있나)을 맞춘다. 산화성 약액으로 끝내면 물에 잘 젖는 친수성 산화막 표면이, HF로 끝내면 대부분 Si–H로 덮인 소수성 표면이 된다.

표면 상태는 물방울 하나로도 드러난다. 액체가 표면에 퍼지는 정도를 젖음성(Wettability)이라 하고, 물방울 가장자리가 표면과 이루는 각을 접촉각(Contact angle)이라 한다. 물방울이 둥글게 뭉치면 접촉각이 크고(소수성), 납작하게 퍼지면 작다(친수성). Morita 등의 측정에서 SPM이나 SC-1이 남긴 얇은 화학 산화막 위 물의 접촉각은 10° 미만이었고, 클린룸 공기에서 나흘 동안 자란 자연 산화막 위에서는 35.7°였다. 같은 '얇은 산화막'이라도 어디서 어떻게 생겼는지에 따라 표면이 다르다는 뜻이다. 접촉각과 표면 종단은 2장에서 자세히 본다.

지킬 것: 모든 역할에 붙는 조건

세 역할 모두 '무엇을 없앴나'만큼 '무엇을 남겼나'로 평가된다. 가장 잘 알려진 예가 SC-1이다. Itano 등은 SC-1이 입자를 떼는 방식을 이렇게 밝혔다. 약액이 웨이퍼 표면을 살짝 식각해 입자 밑을 파서 들어 올리고, 알칼리 용액에서는 입자와 웨이퍼가 모두 음전하를 띠어 서로 밀어낸다. 10분 세정에서 입자 제거율(Particle Removal Efficiency, PRE), 곧 세정 전 입자 가운데 없어진 비율은 식각 속도가 0.25 nm/min이 될 때까지 가파르게 오르다 그 뒤로 평평해졌다. 10분이면 2.5 nm 남짓을 깎는 셈이다(계산). 그런데 2007년 ITRS가 이 단계의 세정 한 번에 허용한 실리콘·산화막 손실은 로직 0.5 Å, DRAM 1.5 Å이었다. 0.25 nm/min이면 1.5 Å 예산을 36초 만에 다 쓴다(계산). 입자를 떼는 일과 막을 지키는 일은 처음부터 맞서 있다. 이 줄다리기를 푸는 방법은 3장, 4장, 8장에서 본다.

손실만이 아니다. SC-1의 NH₄OH 비율이 높으면 실리콘 표면이 거칠어지고, 거친 표면 위에 기른 8~10 nm 산화막은 절연 파괴 전계와 파괴까지 흘릴 수 있는 전하량이 크게 나빠지며 채널의 전자 이동도도 낮아진다. Ohmi 등은 이 거칠기가 주로 습식 세정, 특히 NH₄OH/H₂O₂ 단계에서 온다고 보았다. 표면 준비에는 유효 기간도 있다. HF로 끝낸 표면은 반응성이 커서 약액·초순수·공기 속의 입자와 유기물을 곧바로 끌어당기고, 산소와 수분이 함께 있으면 자연 산화막이 한 층씩 다시 자란다. 세정이 끝난 순간부터 다음 공정까지의 대기 시간(Queue time, Q-time)이 관리 대상이 되는 까닭이다(10장).

그래서 세정 조건을 정하기 전에 네 가지를 먼저 묻는다. 들어오는 웨이퍼에 무엇이 있는가, 무엇을 없애야 하는가, 무엇을 지켜야 하는가, 어떤 표면으로 끝내야 하는가. 약액의 순서도 여기서 나온다. Kern과 Puotinen은 1970년에, 물에 녹지 않는 유기물이 표면을 소수성으로 만들어 그 밑의 이온·금속 오염에 약액이 닿지 못하게 한다며 굵은 유기물 → 남은 유기물 → 이온과 원자 오염의 순서로 없애라고 했다. 들어오는 것이 순서를 정한 것이다.

오염의 종류와 첫 진단

오염을 나누는 방법은 시대마다 조금씩 달랐다. Kern과 Puotinen은 1970년에 표면 오염을 분자·이온·원자로 나눴다. 기름과 PR과 용제 잔류물 같은 분자 오염, HF나 알칼리 식각 뒤 헹궈도 남는 이온, 산성 실리콘 식각액에서 금속이 도금되듯 붙은 금·은·구리 같은 원자 오염이다. Stanford 강의는 입자, 유기막(PR), 무거운 금속, 알칼리 이온으로 나눴고, Ohmi 등은 초청정 표면을 입자, 유기물, 금속 불순물, 자연 산화막, 표면 미세 거칠기, 흡착 분자가 없는 표면이라고 정의했다. 이 책은 제거 원리와 확인 방법이 서로 다른 네 묶음, 곧 입자, 금속, 유기물, 자연 산화막과 잔사로 나눈다.

입자

입자는 장비, 약액, 사람, 공정에서 온다. Kern은 기계 장치, 작업자, 퍼니스 튜브, 막 증착 장비, 가스 배관, 액체 용기를 특히 큰 근원으로 꼽았고, 웨이퍼와 캐리어에 쌓인 정전기가 입자를 끌어당기는 강력한 경로인데도 자주 간과된다고 적었다. 입자는 작을수록 떼기 어렵다. 입자를 붙잡는 힘에 비해 그것을 떼어 내는 유체의 힘이 크기와 함께 더 빨리 줄기 때문이다. 떼는 원리와 다시 붙지 않게 하는 조건은 4장, 레이저 산란으로 입자를 세는 법은 9장에서 다룬다.

금속

금속은 원자나 이온 수준이라 결함 사진에는 잘 보이지 않지만 전기에는 뚜렷한 흔적을 남긴다. DRAM이 수 ms 동안 전하를 지키려면 생성 수명이 약 25 µs 이상이어야 하고, 그러려면 실리콘 속 금속 트랩이 10¹² cm⁻³, 곧 약 0.02 ppb 이하여야 한다. 산화막이 얇아질수록 더 엄격해진다. Henley 등은 산화막을 20 nm에서 10 nm로 줄이려면 철 오염을 100배 줄여야 한다고 결론지었다. 금속마다 붙는 방식도 다르다. 구리처럼 실리콘보다 전기 음성도가 큰 금속은 맨 실리콘에서 전자를 빼앗아 바로 붙고, 철처럼 실리콘보다 산화되기 쉬운 금속은 자연 산화막 속으로 들어간다. Ohmi 등은 표면 금속을 적어도 10¹⁰ atoms/cm² 아래로 눌러야 한다고 보았다. 초순수나 약액에 금속이 1 ppb만 있어도 표면에는 10¹²~10¹³ atoms/cm²가 남으므로, 마지막 단계의 초순수와 HF 속 금속은 약 1 ppt 아래여야 한다는 것이다. 10¹⁰ atoms/cm²가 얼마나 적은지 아래에서 눈금을 맞춰 보자.

근거: Si 격자 상수로 계산한 표면 원자 밀도, 표면 금속 목표와 건식 공정 뒤 수준, 1 ppb → 10¹²~10¹³ atoms/cm², 1997년 로드맵의 세정 뒤 임계 금속 5×10⁹ → 2009년 이후 10⁹ 미만 /cm², 2007년 ITRS의 GOI 임계 금속 0.5×10¹⁰ atoms/cm². 약액 속 금속과 표면 금속이 비례한다는 어림은 SC-1 약액 농도와 표면 농도가 선형으로 이어졌다는 측정에 기댄다.

알칼리 이온은 따로 볼 만하다. 나트륨 같은 이온은 전기장이나 열을 받으면 산화막 속을 움직여 문턱 전압과 평탄대 전압을 옮기고 표면 누설을 만든다. Kern과 Puotinen의 측정 기준으로 두께 1,000 Å 산화막에서 1 V 이동은 cm²당 2.1×10¹¹개의 이동 전하에 해당한다. 금속이 소자에 남기는 흔적은 2장, 금속을 녹여 내는 약액은 3장, TXRF와 VPD-ICP-MS로 재는 법은 9장에서 다룬다.

유기물

유기물은 PR, 연마·가공 기름, 손의 기름기, 클린룸 공기와 플라스틱 용기에서 옮겨 붙은 막, 용제 잔류물에서 온다. 물에 녹지 않는 유기막은 표면을 소수성으로 만들어 그 밑의 이온과 금속을 약액이 씻어 내지 못하게 하므로 가장 먼저 없앤다. 산소가 없는 뜨거운 분위기에서는 탄화되어 탄화규소가 되고, 그것이 Epi 막 속 다결정 영역의 씨앗이 된다. IRDS는 게이트 막을 올리기 전 표면의 유기물 한도를 탄소 원자 5×10¹¹ /cm²로 두고, 그 근원으로 HMDS 처리, 웨이퍼 상자 보관, 고분자의 기체 방출을 든다.

자연 산화막과 잔사

자연 산화막은 제거 대상이자 보호막이다. 실리콘을 공기나 물에 두면 1 nm 안팎의 얇은 자연 산화막(Native oxide)이 자란다. 이 막이 남으면 저온 Epi를 막고, 아주 얇은 게이트 산화막의 두께와 전기 특성을 흐트러뜨리며, 작은 비아 구멍의 접촉 저항을 올린다. 반대로 SC-2가 남긴 얇은 산화막처럼 일부러 남긴 막은 표면을 지킨다(3절 현업 노트). 그래서 "산화막이 적을수록 좋다"가 아니라 다음 공정이 원하는 표면인지가 기준이다. 잔사(Residue)는 앞 공정이 남긴 찌꺼기다. 불화탄소 식각 뒤에는 트렌치 옆벽에 불소가 많은 층과 Ti–F 같은 잔사가 남고, CMP 뒤에는 슬러리 입자가 수분과 시간 속에 화학 결합까지 하며 단단히 붙는다.

공정 흐름 속 세정의 자리

세정은 공정의 맨 끝에 한 번 하는 일이 아니다. Kern은 산화·확산·Epi처럼 높은 온도의 공정 앞에서는 불순물이 퍼져 실리콘 속으로 확산하므로 반드시 없애야 하고, CVD·이온 주입·플라즈마처럼 더 낮은 온도의 공정 앞뒤에도 세정이 필요하며, PR을 벗긴 뒤의 세정은 생산 공정 전체에서 마스크 층마다 필요하다고 적었다. 표면 상태가 바뀌는 고비마다 다음 공정이 원하는 표면을 다시 맞추는 것이다. Stanford 강의의 공정도도 앞단의 RCA 세정과 뒷단의 금속 뒤 세정을 따로 그린다.

그러니 세정은 횟수가 많다. 한 박사 논문은 Kern의 핸드북을 인용해 웨이퍼 세정을 집적회로 제조에서 가장 자주 하는 공정이라 불렀고, 국내 장비사 SEMES는 세정이 공정 전후마다 반복되어 다른 공정보다 진행 횟수가 2배 정도 많다고 설명한다. 전체에서 차지하는 비율을 말하는 공개 자료도 여럿이다. 다만 숫자가 서로 다르다.

단계 수를 셌는지 시간을 셌는지, 린스를 따로 셌는지, 어느 세대의 어떤 제품인지가 다르다. 그러니 "세정은 공정의 몇 %"라는 숫자 하나를 업계의 사실처럼 외우기보다 "공개 특허와 회사 자료는 대략 20~40%로 본다. 다만 같은 잣대로 잰 숫자가 아니다"라고 말하는 편이 정확하다. 분명한 것은 방향이다. Lam Research의 특허는 세정 단계의 비율이 디자인 룰마다 늘어난다고 적었고, ITRS는 이제 표면 준비의 요구를 게이트 산화 전 세정 하나로 정할 수 없다고 했다. 평면과 입체 구조, Si·SiGe·High-k·금속 게이트 같은 재료, Epi·게이트·LDD 같은 모듈마다 요구가 다르기 때문이다.

아래 탐색기는 학습용으로 크게 줄인 CMOS 흐름 위에 세정을 놓았다. 세정 상자를 누르면 그 자리에서 들어오는 것, 없앨 것, 지킬 것, 끝낼 표면이 나온다.

근거: 열공정 앞의 세정과 마스크 층마다의 세정, RCA 세정 순서, CMP 뒤 입자의 부착과 브러시, 구리 CMP 뒤 세정이 지울 슬러리와 Cu²⁺, 높은 Dose PR 제거·Strip 횟수·금속 게이트 뒤 세정·Epi 앞 대기 시간, 게이트 전 표면 금속·산소·거칠기, LDD 세정의 손실 예산, Epi·실리사이드 전 산소 한도, SC-1 거칠기, 자연 산화막과 Epi·접촉 저항, 습식 HF의 종횡비 한계와 건식 세정, 불활성 분위기가 먼저 필요한 공정, 배선 식각 뒤 잔사와 Low-k·TiN 손상.

탐색기의 세정들을 늘어놓으면 네 무리가 보인다. 뜨거운 공정 앞(산화 전, 게이트 산화 전)에서는 금속과 거칠기에 가장 엄격하다. 식각·이온 주입·CMP 뒤에서는 앞 공정의 잔사를 없애되 막을 지키는 일이 주제다. Epi와 콘택 앞에서는 산화막이 없는 표면이 목표라 대기 시간이 문제가 된다. 배선에서는 구리 부식과 Low-k 손상이 지킬 것의 맨 앞에 선다. IRDS가 산소가 적고 건조한 불활성 분위기를 가장 먼저 필요로 하는 공정으로 게이트 전 세정, 콘택 전 세정, 실리사이드화, 구리가 드러난 공정을 꼽은 것도 같은 맥락이다. 공정별 세정은 8장에서 자세히 본다.

씻는 방법과 장비: 습식과 건식, 배치와 매엽

오늘날 습식 세정의 뿌리는 RCA 세정(RCA clean)이다. RCA에서 개발해 1965년 생산에 들여왔고 1970년에 발표했다. Kern과 Puotinen의 원 논문은 휘발성 시약만 물에 섞은 두 과산화수소 용액을 썼다. 물:과산화수소:암모니아수 5:1:1~7:2:1의 첫째 용액(뒤에 SC-1이라 부름)은 유기물과 일부 금속을, 물:과산화수소:염산 6:1:1~8:2:1의 둘째 용액(SC-2)은 무거운 금속을 녹여 착이온으로 붙잡는다. 둘 다 75~85 °C에서 10~20분 담갔다. 1990년의 리뷰는 이 방법이 여전히 주된 세정법이라고 적으면서, 바뀐 것은 약액이 아니라 장비라고 정리했다. 담그는 방식에서 원심 분무, 메가소닉, 닫힌 계로 옮겨 갔고 IPA 증기 건조가 들어왔다. 1979년 RCA의 메가소닉은 850~900 kHz의 압전 소자로 수 µm에서 약 0.3 µm까지의 입자를 2~5 W/cm²에서 떼었다. 약액의 화학은 3장, 메가소닉의 물리는 4장에서 본다.

습식 배치

배치 세정(Batch cleaning)은 카세트에 든 여러 장의 웨이퍼를 SPM, SC-1, SC-2 같은 약액조에 차례로 담갔다가 헹구고 말린다. 이런 장비를 Wet Station(Wet bench)이라 부른다. Tokyo Electron은 EXPEDIUS-i가 여러 약액조로 한 번에 최대 50장을 처리하고 시간당 1,000장을 낸다고 소개한다(제조사 자료). 장점은 많은 웨이퍼를 한꺼번에 처리하고 약액을 순환·여과해 다시 쓴다는 것이다. 약점은 그 공유에서 나온다. Osaka와 Hattori는 거의 순수한 SC-1에 담가 세정해도 세정 뒤 표면 금속이 웨이퍼들이 스스로 들고 들어온 금속의 양에 좌우되며, 약액을 웨이퍼마다 버려도 그렇다는 것을 보였다. 그들은 더 엄격한 규격에는 새 약액을 계속 공급하는 매엽 스핀 세정을 권했다.

습식 매엽

매엽 세정(Single-wafer cleaning)은 회전하는 웨이퍼 한 장 위에 노즐로 약액을 뿌리고, 한 챔버 안에서 세정부터 건조까지 끝낸다. 웨이퍼마다 새 약액이 닿고 한 장의 흐름과 시간을 직접 다룰 수 있다. 대신 한 장씩이라 생산성이 숙제인데, 챔버를 여러 층으로 쌓아 푼다. SCREEN은 SU-3400이 챔버 24개로 시간당 최대 1,200장을 처리하고, 1983년부터 매엽 세정 장비를 개발해 왔다고 소개한다(제조사 자료). TEL의 CELLESTA-i는 세정 챔버를 20개까지 달고 약액을 회수해 다시 쓰는 기능을 넣었다(제조사 자료). SEMES는 미세 공정이 고도화되고 쓰는 물질이 바뀌면서 매엽(스프레이) 방식의 비중이 높아지고 있다고 설명한다.

그렇다고 배치가 사라진 것은 아니다. SCREEN의 투자자 자료에서 반도체 장비 매출 가운데 매엽 세정 장비는 2024~2026 회계연도에 70~80%, 배치 세정 장비는 15~20%였다(5% 단위로 반올림한 회사 자료). 오래 담가야 하는 공정이나 약액을 아껴야 하는 공정에서는 배치가 여전히 쓰인다. 둘을 고르는 기준은 6장에서 본다.

건식 세정

액체를 쓰지 않는 건식 세정(Dry clean)도 있다. 대표적인 예가 NH₃와 NF₃의 원격 플라즈마로 자연 산화막을 없애는 방법이다. Applied Materials 특허의 예에서는 웨이퍼를 식힌 채 산화막을 고체 염 (NH₄)₂SiF₆로 바꾸고, 웨이퍼를 데운 가스 분배판 가까이 들어 올려 100 °C 이상에서 염을 승화시킨다. 이 특허는 습식 HF가 깊은 구멍에 들고 나기 어렵고 엄격한 대기 시간 관리와 워터마크 문제를 남긴다는 점을 건식의 이유로 든다. 액체가 없으니 말릴 일도 없다. 플라즈마로 PR을 태워 없애는 Ashing도 넓게 보면 건식 세정에 든다. 건식 세정과 PR Strip은 7장에서 다룬다.

세정 장비를 만드는 회사들은 다음과 같다. 제품 이름은 각 회사의 공식 자료가 쓰는 그대로 적었고, 성능 숫자는 회사의 설명이다.

NPW: 제품이 아닌 웨이퍼의 막 제거와 재사용

공장에는 제품이 아닌 웨이퍼도 많이 돈다. 장비 상태를 확인하는 모니터 웨이퍼, 막 두께나 입자 수를 재는 평가용 웨이퍼, 장비를 길들이거나 빈자리를 채우는 더미 웨이퍼, 조건을 시험하는 엔지니어링 웨이퍼다. 이것들을 묶어 현장에서 흔히 NPW(Non-Product Wafer, 비제품 웨이퍼)라 부른다. 어디까지를 NPW로 부르는지는 회사마다 다르다.

NPW가 왜 필요한지는 공개 자료에서도 보인다. KLA는 패턴 없는 웨이퍼 검사기로 모든 공정 장비를 단계마다 적격 판정하고 가장 나쁜 장비부터 고쳐 나가는 프로그램을 소개한다. ITRS의 세정 손실 값은 패턴 없는 평평한 시험 웨이퍼에서 광학적으로 잰 값이고, 장비가 웨이퍼 뒷면에 더하는 입자는 웨이퍼를 뒤집어 처리한 뒤 잰다. 제품 웨이퍼로는 이런 측정을 할 수 없으니 깨끗하고 평평한 NPW가 필요하다. 앞 절의 도전에서 계산한 '세정 한 단계가 더해도 되는 입자 수'도 이런 웨이퍼로 잰다.

NPW는 한 번 쓰고 버리기에는 아깝다. 그래서 쌓인 막을 벗겨 다시 쓴다. KLA가 검사기의 Haze 허용치가 커서 시험 웨이퍼의 수명을 늘리고 비용을 줄인다고 광고하는 것도 시험 웨이퍼를 오래, 여러 번 쓰는 것이 공장의 관심사라는 뜻이다. NPW의 막을 벗기는 일에도 이 장의 네 질문이 그대로 들어맞는다. 무엇이 몇 겹, 얼마나 두껍게 쌓였는지(들어오는 것) 알아야 어떤 약액을 어떤 순서로 쓸지 정하고, 기판에서 멈춰야 하니 선택비를 따져야 하며(없앨 것과 지킬 것), 다음 쓰임이 원하는 수준까지 표면을 돌려놓아야 한다(끝낼 표면)(원리에서 나온 해석).

가장 조심할 것은 금속 이력이다. 웨이퍼가 들고 들어온 금속이 약액조의 결과를 정한다는 결과대로라면, 금속 막을 벗기는 NPW와 금속을 만난 적 없는 NPW를 같은 약액조에 넣을 때 금속이 약액을 거쳐 다른 웨이퍼로 옮겨 갈 수 있다. 약액 속 금속이 ppb 수준이기만 해도 표면에는 10¹²~10¹³ atoms/cm²가 남을 수 있다는 것을 떠올리면, 금속 경로와 비금속 경로를 나누는 까닭이 보인다. 반복 재생에도 대가가 있다. SC-1 같은 알칼리 세정은 맨 실리콘을 분당 0.3 nm 안팎으로 깎고, NH₄OH가 많으면 CZ 웨이퍼를 거칠게 한다. 재생을 거듭할수록 두께, 거칠기, 휨이 바뀌어 이송·척·초점에 문제를 만들 수 있으니, 재사용 전에는 남은 막과 입자와 금속에 더해 형상까지 확인한다(원리에서 나온 해석).

세정 엔지니어의 일과 이 책의 지도

세정을 맡는 엔지니어도 공정과 장비 두 갈래로 나눠 부르는 일이 많다. 회사마다 이름과 경계가 다르니 아래 표는 이 책이 쓰는 구분일 뿐이다. 공정 엔지니어는 "이 웨이퍼에 어떤 약액을 어떤 순서와 온도와 시간으로 써야 오염은 없애고 막은 지키나"를 묻고, 장비 엔지니어는 "레시피가 정한 농도·온도·유량·회전·건조가 약액조와 챔버에서 실제로 그대로 구현되나"를 묻는다. 두 질문은 결국 같은 웨이퍼 데이터에서 만난다.

세정은 공정 사이에 끼어 있어서 혼자 일하는 경우가 드물다. 앞 공정(식각, 이온 주입, CMP)이 무엇을 남겼는지 알아야 없앨 것을 정하고, 뒤 공정(산화, 증착, Epi, 콘택)이 무엇을 원하는지 알아야 끝낼 표면을 정한다. 계측 엔지니어와는 무엇으로 어떻게 잴지를, 생산 쪽과는 웨이퍼를 언제 멈추고 언제 흘려보낼지를 맞춘다. 갑자기 오염된 로트를 받았을 때도 '더 세게 씻어 보자'가 첫 수가 아니다. 먼저 영향을 받은 범위와 상태를 기록해 원인을 보존하고, 오염의 종류와 지켜야 할 막을 확인하고, 회복 세정의 위험을 시험 웨이퍼로 줄인 뒤에 다시 흘려보낸다. 이 순서는 공개 자료가 정해 둔 절차가 아니라 이 책이 쓰는 교육용 틀이며, 11장에서 사례와 함께 다룬다.

이 장에서 꺼낸 질문들은 다음 장들에서 하나씩 답을 찾는다. 2~5장은 오염과 약액과 입자와 건조라는 원리를, 6~7장은 장비를, 8~10장은 공정별 세정과 계측과 양산 관리를, 11장은 현업의 이상 분석을 다룬다. 카드마다 그 장이 답하는 질문과, 이 장에서 그 질문이 처음 나온 곳을 적었다.

처음 읽는다면 2~5장을 차례로 읽어 오염과 약액과 입자와 건조의 원리를 잡은 뒤, 관심 있는 장비나 공정으로 건너뛰어도 좋다. 세정과 맞닿은 다른 공정도 이 시리즈에 있다. 약액으로 막을 깎는 습식 식각은 ETCH 책 2장, 세정 뒤 곧바로 이어지는 열산화는 DIFF 책, 구리 배선과 CMP는 METAL 책, CMP 뒤 세정은 CMP 책에서 이어서 볼 수 있다.