Nano Particle Removal in Single Wafer Megasonic Cleaner

Abstract

Since Kern, W proposed RCA cleaning in 1970s, Standard Cleaning #1 (SC1) has been used for wet bench system widely, especially, for Si wafer cleaning in semiconductor fabrication process. No matter whatever may be the cleaning efficiency, it might have come to a limitation of a process with wet bench system. According to IC device’s increasing density and reducing dimension, semiconductor device requires controlling to reduce etching amount (i.e. below single angstrom) of cleaning and remove smaller particles (i.e. several tens nanometer size) on wafer. If it will be matched IC’s requirement, firstly cleaning process need to use more dilution chemical, secondly it has to complement in order to increase particle removal efficiency by some technology. In order to meet its needs, currently single wafer cleaning tools have been proposed. These tools use may techniques like pencil megasonic, brush scrubber, jet spray pressured by N2, bar type megasonic, hot degassed ionized water (DIW) vapor spray, single panel megasonic, and so on. Among these, bar type megasonic is one of the possible solutions for IC’s needs because of its good cleaning efficiency with the use of highly diluted chemicals for low etching by utilizing megasonic. It can clean up particles on front-side and backside surface concurrently. In this work, the characteristics of bar type megasonic system in single wafer cleaning were studied. Primarily on aerating DIW and chemicals for increasing megasonic cleaning efficiency megasonic performance and its energy density, and also to elevate particle removal efficiency on several kind of layers. When DIW was used consisting of N2 & O2 < 1ppm, megasonic cleaning showed very low Particle Removal Efficiency (PRE) of below 10% over 65nm particle size. However, Increasing N2 to over 25ppm in DIW using Aerator with N2 at a pressure 7psi, particle removal efficiency was jumped up to 40% dramatically. The optimum parameter for this megasonic system was maintained a gap (wafer to rod) of 2.2mm and wafer spin of 18 ~ 24 rpm. 65nm Silicon Nitride particle removal efficiency on Silicon wafer was over 95% upon SC1 (65℃ 30sec ≥30Watt power). Treating with diluted hydro-fluoride (DHF) with megasonic before SC1 on Silicon Nitride surface, PRE was acquired about 95%. Below 100nm size particle removal portion among PRE was about 15%, but it was increased to 35% PRE portion by supplementing alkali chemicals. However, it wasn’t changed significantly by megasonic power and megasonic frequency. When etching layer amount evaluated, it was found to be 0.5Å for chemical solutions (NC2 and SC1 for 30 sec) by applying megasonic of 70 watt, but it was raised to 1Å when treated with dilute HF.; 1970년대 W. Kern이 RCA 세정 방법을 발표한 이후로, SC1은 반도체 Fab. 공정에서 Si Wafer 세정을 위하여 Wet Bench 설비를 이용하여 넓고 유용하게 사용되고 있다. SC1의 세정력이 아무리 좋다 하더라도 Wet Bench 설비에서는 공정의 한계에 다다르고 있다. IC 디바이드의 조밀도 증가와 면적 축소화 경향은 반도체 디바이스에 있어서 세정 공정의 식각량 (수 옹스트롱 이내) 감소와 수십 나노 마이크로의 Particle 제거를 요구하고 있다. 전통적인 RCA 세정은 자체 한계에 다다르고 있다. IC 디바이스의 요구 조건에 만족하려고 하면, 첫 번째로 세정공정은 초 희석 세정액을 사용하여야 하고, 두 번째로 Particle 제거 효율을 향상시키기 위하여 어떤 새로운 기술이 개발되어야 한다. 이러한 요구에 만족하기 위하여, 최근에 싱글 Wafer 세정 설비가 발표되고 있다. 이것들에는 여러 가지 기술이 있는데, Pencil Megasonic, Brush Scrubber, N₂ 가압 Jet Spray, Rod형 Megasonic, Hot-DIW Vapor Spray, 싱글 Panel Megasonic 등이다. 이것들 중에서 Bar Type Megasonic은 IC 디바이스의 요구에 만족할 수 있는 공정 능력을 갖추고 있다. 이것은 초 희석 세정액을 사용함에도 세정효율이 매우 높으며, 이에 따른 식각량도 매우 낮다. 약한 Energy의 Megasonic가 세정액과 함께 사용된다. 또한 이것은 Wafer의 경면과 이면의 Particle 동시에 제거할 수 있다. 이 논문에서는 싱글 Wafer세정설비인 Bar Type Megasonic의 특성에 대하여 연구하고, Megasonic 세정 능력 향상을 위하여 DIW와 세정액에 공기를 어떻게 넣을 것인지, Megasonic 세정 효율은 어떠한지, Megasonic Energy 밀도는 어떠한지, 어떻게 하면 여러 막질의 PRE를 향상시킬 수 있는지를 연구하였다. DIW (N₂ & O₂ < 1ppm) Megasonic 세정은 65nm이상의 Particle에서 10%미만의 매우 낮은 PRE를 보여주고 있지만, Aerator를 이용하여 N₂ 압력을 7psi로 높여 DIW의 N₂ 농도를 25ppm까지 올린 결과, PRE는 급격한 상승을 하여 40%에 다다랐다. 이 Megasonic 설비의 최적 조건은 Wafer와 Rod의 Gap이 2.2mm, Wafer 회전수 18 ~ 24 rpm 이다. Silicon Wafer와 산화막질 Wafer에서 65nm Silicon Nitride particle 제거력은 SC1(65℃ 30sec ≥30Watt power) 조건에서 95%였다. 하지만, 질화막질 위에서 PRE가 65% 였지만, 희석 HF 5초 처리를 SC1 Megasonic전에 한 결과, PRE는 95% 향상 되었다. 100 나노 이하의 Particle 제거력은 순수 DIW만을 사용한 경우에는 매우 낮은 15%의 제거력 분포를 보이지만, 알카리계 세정액을 사용함에 따라 35%로 비율이 높아진다. 하지만, Megasonic Power와 Frequency 변동에 의해서는 100 나노 이하 Particle 제거력에 큰 변화가 없었다. 실험된 NC2와 SC1 용액에서 모든 막질의 식각량은 Megasonic 70W가 부여된 것과 관계없이 0.5Å미만의 결과를 보여주었고, HF를 추가 적용한 경우에는 1Å 내외의 식각량을 나타내었다. 따라서 식각량에 민감한 Device Step은 선택적으로 HF를 사용할 필요성이 있다