KR100972055B1 - 반도체 다이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 주입 공정에서 경화된 포토레지스트가 에싱 공정 중에 팝핑(popping)되어 발생한 파티클을 제거할 수 있는 반도체 다이의 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위해 웨이퍼의 상면에 포토레지스트 패턴을 형성하는 포토레지스트 패턴 형성 단계, 포토레지스트 패턴을 장벽층으로 이용하여 웨이퍼에 이온 주입을 실시하는 이온 주입 단계, 에싱을 통해 포토레지스트 패턴을 제거하는 에싱 단계 및 웨이퍼의 상면을 화학적 기계적 연마 공정을 통해 연마하여 상기 포토레지스트 패턴의 파티클을 제거하는 화학적 기계적 연마 단계를 포함하는 반도체 다이의 제조 방법이 개시된다.

반도체 다이, 포토레지스트, 팝핑, 에싱, popping, ashing, CMP

Description

반도체 다이의 제조 방법{Fabricating Method of Semiconductor Die}

본 발명은 반도체 다이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온 주입 공정에서 경화된 포토레지스트가 에싱 공정 중에 팝핑(popping)되어 발생한 파티클을 제거할 수 있는 반도체 다이의 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로 반도체 다이를 만들기 위해서는 웨이퍼 상에 불순물을 주입하는 공정이 필수적으로 이용된다. 또한, 반도체 다이 제조 공정에서는 불순물을 주입하는 방법으로는 일반적으로 확산(diffusion) 또는 이온 주입법(Ion Implantation)이 많이 사용되고 있다.

특히, 그 중 이온 주입법은 고압가속기를 사용하여 불순물 원자를 실리콘 웨이퍼 표면 속으로 주입하는 방법으로, 확산에 의한 불순물 이동을 최소화할 수 있고, 장벽층(barrier)으로 다양한 재료를 이용할 수 있기 때문에 공정상의 유연성이 있다는 장점이 있다. 또한, 이온 주입법은 표면 근처의 매우 얇은 층에 불순물을 도입할 수 있기 때문에 비싼 설비 가격에 불구하고 점차 고집적화되고 있는 반도체 제조 공정에서 그 이용이 증대되고 있다.

한편, 최근 대부분 반도체에서 주입되는 불순물은 10¹⁵ 이상의 고농도인 것이 일반적이다. 그리고 많은 경우, 이온 주입의 장벽층으로 포토레지스트를 이용한다. 그런데 포토레지스트는 이온이 웨이퍼 내로 주입되는 것을 방지할 수 있지만, 계속해서 고농도의 이온 주입에 노출된 포토레지스트의 표면에서는 그 노출된 부분이 경화되는 현상이 진행된다. 그리고 이후 포토레지스트를 제거하기 위하여 에싱 공정을 이용하는 경우, 경화된 포토레지스트의 표면보다 포토레지스트 내부의 열팽창률이 더 크기 때문에 폭발(explosion)하게 되는 이른바 포토레지스트 팝핑(Photoresist popping) 현상이 발생하게 된다.

그리고 이러한 포토레지스트 팝핑 현상에 의해 경화된 포토레지스트 표면을 이루던 포토레지스트 파티클이 웨이퍼의 다른 영역으로 날아가 부착되는 경우가 발생한다. 그리고 이러한 포토레지스트 파티클은 웨이퍼의 상면에 부착되므로 이후 에칭 공정에서 장벽층으로 작용하여 그 하부의 웨이퍼가 에칭되는 것을 방해하게 된다. 따라서, 이로써 반도체 다이의 신뢰성 및 수율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다.

또한, 반도체 공정을 이용하여 CMOS 이미지 센서(CMOS Image Sense)를 제조하는 경우, 이러한 포토레지스트 파티클이 픽셀 영역에 부착되면, 이미지 특성에 악영향을 주게 되는 추가적인 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이온 주입 공정에서 경화된 포토레지스트가 에싱 공정 중에 팝핑(popping)되어 발생한 파티클을 제거할 수 있는 반도체 다이의 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체 다이의 제조 방법은 웨이퍼의 상면에 포토레지스트 패턴을 형성하는 포토레지스트 패턴 형성 단계, 포토레지스트 패턴을 장벽층으로 이용하여 웨이퍼에 이온 주입을 실시하는 이온 주입 단계, 에싱을 통해 포토레지스트 패턴을 제거하는 에싱 단계 및 웨이퍼의 상면을 화학적 기계적 연마 공정을 통해 연마하여 상기 포토레지스트 패턴의 파티클을 제거하는 화학적 기계적 연마 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 화학적 기계적 연마 단계는 마찰 계수가 스트리벡 선도(Stribeck Curve)의 유체 윤활 영역(Hydrodynamic lubrication)에 있는 슬러리를 이용하는 것일 수 있다.

그리고 화학적 기계적 연마 단계는 마찰 계수가 0.001 내지 0.02 인 슬러리를 이용하여 상기 웨이퍼의 상면을 연마하는 것일 수 있다.

또한, 화학적 기계적 연마 단계에 이용되는 슬러리의 재질은 암모니아기(NH3), 메탄기(CH3) 또는 에탄기(C2H5)를 갖는 물질 중에서 선택된 어느 하나 또 는 이들의 조합으로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 화학적 기계적 연마 단계는 2 sec 내지 1500 sec 동안 이루어질 수 있다.

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 반도체 다이의 제조 방법은 웨이퍼를 화학적 기계적 연마 장치를 이용하여 연마하되, 이 때 이용하는 슬러리가 유체 윤활 상태에 있도록 하여 포토레지스트 팝핑에 의해 상기 웨이퍼의 상면에 부착된 파티클을 웨이퍼 손상없이 제거함으로써 제품의 신뢰성 및 수율을 높일 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다. 도 2 내지 도 4, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법은 포토레지스트 패턴 형성 단계(S1), 이온 주입 단계(S2), 에싱 단계(S3), 화학적 기계적 연마 단계(S4)를 포함한다. 이하에서는 도 1의 각 단계들을 도 2 내지 도 4, 도 5a 및 도 5b를 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 웨이퍼(w)의 상면에 포토레지스트 패턴(10)을 형성하는 포토레지스트 패턴 형성 단계(S1)가 이루어진다. 상기 포토레지스트 패턴(10)은 상기 우선 상기 웨이퍼(w)의 상면에 포토레지스트를 전면적으로 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 통해 형성될 수 있다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 웨이퍼(w)의 상부에서 상기 웨이퍼(w)에 이온을 주입하는 이온 주입 단계(S2)가 이루어진다. 상기 이온 주입 단계(S2)는 이온 주입법(Ion Implantation)을 이용하여 이루어질 수 있다.

한편, 상기 이온 주입시에는 상기 포토레지스트 패턴(10)이 장벽층(barrier)으로 이용될 수 있다. 그리고 상기 이온 주입 단계(S2)에서 고농도의 이온이 주입됨에 따라 이온에 노출된 상기 포토레지스트 패턴(10)의 표면이 경화되는 현상이 발생할 수 있다. 즉, 상기 포토레지스트(10)의 표면을 따라 경화된 포토레지스트(20)가 발생하게 된다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 포토레지스트(10)를 에싱(ashing) 공정을 이 용하여 제거하는 에싱 단계(S3)가 이루어진다. 상기 에싱 공정은 액체 포토레지스트 스트리퍼를 이용하여, 상기 포토레지스트 패턴(10)을 웨이퍼(w)로부터 부풀어오르게 하여 접착력을 약화시킨 후, 산소 플라즈마 시스템 안에서 상기 포토레지스트 패턴(10)을 산화시켜서 제거하는 일련의 과정을 통해 이루어진다.

그런데 상기 포토레지스트 패턴(10)의 표면에는 경화된 포토레지스트(20)가 존재한다. 그리고 경화된 포토레지스트(20)보다는 그 내부의 포토레지스트 패턴(10)이 상대적으로 덜 경화되어 있기 때문에 더 큰 열팽창률을 갖는다. 따라서, 상기 에싱 공정에서 상기 포토레지스트 패턴(10)이 폭발(explosion)하는 포토레지스트 팝핑(Photoresist Popping) 현상이 발생한다.

그리고 그 결과, 도 4에서처럼 상기 경화된 포토레지스트 패턴(20)이 포토레지스트 파티클(21)의 형태로 튕겨나가서 상기 웨이퍼(w)의 상면에 부착되는 현상이 발생하게 된다.

도 1 및 도 5a를 참조하면, 상기 포토레지스트 파티클(21)을 제거하기 위해 상기 웨이퍼(w)의 상면을 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP)하는 화학적 기계적 연마 단계(S4)가 이루어진다.

도 5a는 화학적 기계적 연마 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 상기 화학적 기계적 연마 장치(100)는 플래튼(110), 폴리싱 패드(120), 폴리싱 헤드(130), 컨디셔너(140)를 포함한다.

상기 플래튼(110)은 그 하부에 연결된 회전 모터(도시되지 않음)에 의해 일정 방향으로 회전될 수 있는 구조를 갖는다.

상기 폴리싱 패드(120)는 상기 플래튼(110)의 상부에 부착되어 있다. 상기 폴리싱 패드(120)는 웨이퍼(w)와의 물리적 마찰력을 높이기 위해서 거친 표면을 가지고 있다. 다만, 하기할 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법에서 상기 웨이퍼(w)는 상기 폴리싱 패드(120)와 접촉하지 않으며, 결과적으로 기계적인 연마는 발생하지 않는다.

한편, 상기 폴리싱 패드(120)에는 상기 웨이퍼(w)와 화학적 반응을 일으킬 수 있는 슬러리(s)가 공급된다. 따라서, 상기 웨이퍼(w)의 상면은 상기 슬러리(s)와 화학적으로 반응하여 연마되며, 결과적으로 상기 웨이퍼(w)의 상면에 존재했던 포토레지스트 파티클(21)들이 제거될 수 있다.

상기 폴리싱 헤드(130)는 상기 폴리싱 패드(120)의 상부에 위치하여 상기 웨이퍼(w)를 회전시킨다. 또한, 상기 폴리싱 헤드(130)는 상기 웨이퍼(w)가 튀어나가는 것을 방지하며, 폴리싱 패드(120)의 폴리싱 표면을 가압하여 연마가 이루어질 수 있도록 하는 기능도 갖는다.

상기 컨디셔너(140)는 상기 폴리싱 패드(120)의 상면에 위치한다. 상기 폴리싱 패드(120)의 표면에는 슬러리(s)를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포 미공(도시되지 않음)들이 있는데, 상기 컨디셔너(140)는 상기 발포 미공들이 막히지 않도록 상기 폴리싱 패드(120)의 표면을 미소절삭하여 상기 폴리싱 패드(120)의 표면에 미공들을 형성하는 역할을 한다.

상기 화학적 기계적 연마 단계(S4)에서는 상기 웨이퍼(w)의 상면이 화학적 기계적 연마 장치(100)에 의해 상기 슬러리(s)와 화학적으로 반응함으로써 연마된다. 따라서, 상기 웨이퍼(w)의 상면에 존재하던 포토레지스트 파티클(21)이 제거될 수 있다.

한편, 도 5b를 참조하면, 스트리벡 선도(Stribeck Curve)가 도시되어 있다. 상기 스트리벡 선도는 유체가 개입된 상태에서 상대 운동을 하는 두 면의 접촉 상태를 나타낸다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법에 사용되는 상기 화학적 기계적 연마 장치(100)는 슬러리(s)를 사이에 두고 상기 웨이퍼(w)와 폴리싱 패드(120)를 각각 회전시켜 상기 웨이퍼(w)를 연마하므로 상기 스트리벡 선도에 따라 설명될 수 있다.

이 때, 상기 스트리벡 선도의 가로축을 나타내는 변수(μN/P)를 구성하는 파라미터는 각각 점도(μ), 회전수(N), 축의 단위면적당 압력(P)을 나타낸다. 또한, 상기 스트리벡 선도의 세로축은 마찰 계수(Coefficient of friction)를 나타낸다.

또한, 상기 스트리벡 선도는 표면의 거칠기와 최소 유막 두께에 따라 그 구간이 경계층 윤활 상태(Boundary lubrication), 혼합 윤활 상태(Mixed lubrication), 탄성 유체 윤활 상태(Elastohydrodynamic lubrication) 및 유체 윤활 상태(Hydrodynamic lubrication)으로 각각 나뉘어지며, 이는 일반적으로 알려져 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법에 사용되는 상기 슬러리(s)는 상기 스트리벡 선도의 네 가지 상태 중에서 유체 윤활 상태(Hydrodynamic lubrication) 조건을 이용하는 것일 수 있다. 상기 유체 윤활 상태는 표면 거칠기에 비해서 유막의 두께가 매우 두꺼운 경우를 의미한다.

즉, 상기 슬러리(s)가 상기 유체 윤활 상태에 있는 경우, 상기 웨이퍼(w)에 상기 폴리싱 패드(120)와의 물리적인 접촉이 없게 된다. 따라서, 상기 웨이퍼(w)에는 기계적인 연마가 발생하지 않는다. 또한, 이를 위해 상기 슬러리(s)의 마찰 계수는 0.001 내지 0.02 사이의 값일 수 있다. 또한, 상기 슬러리(s)의 마찰 계수는 상기 점도(μ), 회전수(N), 축의 단위면적당 압력(P)의 파라미터들을 이용하여 조절할 수 있다.

그리고 상기 슬러리(s)의 재질은 암모니아기(NH3), 메탄기(CH3) 또는 에탄기(C2H5)를 갖는 물질 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 슬러리(s)를 이용하여 상기 포토레지스트 파티클(21)을 제거하기 위해서는 상기 슬러리(s)가 용매로써 상기 포토레지스트 파티클(21)을 녹일 수 있어야 한다. 또한, 상기 포토레지스트 파티클(21)을 구성하는 포토레지스트는 고분자 물질로 이루어짐이 일반적이다. 따라서, 상기 슬러리(s)가 계면 활성 물질일 필요가 있기 때문에 상기 슬러리(s)의 재질은 암모니아기(NH3), 메탄기(CH3) 또는 에탄기(C2H5)를 갖는 물질 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.

따라서, 상기 화학적 기계적 연마 단계(S4)에서 상기 웨이퍼(w)의 상면에서 다른 영역이 손상을 받지 않고, 상기 포토레지스트 파티클(21)만이 상기 슬러리(s)와 화학적으로 반응하여 제거될 수 있다.

또한, 상기 슬러리(s)를 이용하여 상기 화학적 기계적 연마 단계(S4)를 수행하는 공정 시간은 연마 시간을 기준으로 2 sec 내지 1500 sec일 수 있다. 상기 공정 시간이 2 sec 미만인 경우, 상기 포토레지스트 파티클(21)이 상기 슬러리(s)에 완전히 녹기 어렵다. 또한, 상기 공정 시간이 1500 sec를 초과하는 경우 상기 웨이퍼(w)의 다른 영역에 손상이 발생할 수 있다.

별도로 도시하지는 않았지만, 이후에는 상기 웨이퍼(w)를 그라인딩하고, 컷팅함으로써 반도체 다이를 제조하는 일련의 공정이 더 이루어질 수 있다.

상기와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법은 포토레지스트 팝핑 현상에 의해 발생한 포토레지스트 파티클을 제거함으로써, 반도체 다이의 신뢰성 및 수율을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도 2 내지 도 4, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 다이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

w; 웨이퍼 10; 포토레지스트

20; 경화된 포토레지스트 21; 포토레지스트 파티클

100; 화학적 기계적 연마 장치

Claims (5)

1. 웨이퍼의 상면에 포토레지스트 패턴을 형성하는 포토레지스트 패턴 형성 단계;

   상기 포토레지스트 패턴을 장벽층으로 이용하여 상기 웨이퍼에 이온 주입을 실시하는 이온 주입 단계;

   에싱을 통해 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 에싱 단계; 및

   상기 웨이퍼의 상면을 화학적 기계적 연마 공정을 통해 연마하여 상기 포토레지스트 패턴의 파티클을 제거하되, 마찰 계수가 스트리벡 선도(Stribeck Curve)의 유체 윤활 영역(Hydrodynamic lubrication)에 있는 슬러리를 이용하는 화학적 기계적 연마 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 다이의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 화학적 기계적 연마 단계는 마찰 계수가 0.001 내지 0.02 인 슬러리를 이용하여 상기 웨이퍼의 상면을 연마하는 것을 특징으로 하는 반도체 다이의 제조 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 화학적 기계적 연마 단계에 이용되는 상기 슬러리의 재질은 암모니아기(NH3), 메탄기(CH3) 또는 에탄기(C2H5)를 갖는 물질 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 다이의 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 화학적 기계적 연마 단계는 2 sec 내지 1500 sec 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 다이의 제조 방법.

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