KR20100033641A - 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법 - Google Patents

반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법은, 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판에 배선 및 층간절연층을 형성하는 단계; 결정형 실리콘으로 형성된 도너 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 도너 웨이퍼의 내부에 수소층을 형성하는 단계; 상기 수소층을 기준으로 상부영역에 해당하는 상기 도너 웨이퍼의 내부에 제1 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 수소층을 기준으로 상기 제1 포토다이오드와 상기 도너 웨이퍼를 분리시키는 단계; 상기 제1 포토다이오드와 상기 배선이 연결되도록 상기 제1 포토다이오드와 상기 반도체 기판을 본딩하는 단계; 및 분리된 상기 도너 웨이퍼에 대한 어닐링 공정을 진행하여 상기 도너 웨이퍼의 표면을 평탄화시키는 단계를 포함한다.
반도체소자, 웨이퍼 본딩, 본딩공정

Description

반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법{Method for Wafer Recycling of Semiconductor Device}
실시예는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법에 관한 것으로, 이미지 센서에서 웨이퍼 본딩 후 남겨진 SOI 웨이퍼의 재활용 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 기술에 있어서 복잡한 회로구성을 재현하기 위하여 반도체 공정의 미세회로 제조 기술 뿐만 아니라, 여러 반도체 칩들의 적층을 통한 반도체 소자의 제조방법 또한 활발히 개발 중이다.
반도체 소자 중 이미지 센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(charge coupled device:CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon:CMOS) 이미지 센서(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 빛 신호를 받아서 전기신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo diode) 영역과 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역이 수평으로 배치되는 구조이다.
상기와 같은 수평형 이미지 센서는 포토다이오드 영역과 트랜지스터 영역이 반도체 기판에 수평으로 배치되어 제한된 면적 하에서 광감지 부분(이를 통상 "Fill Factor"라고 한다)을 확장시키는데에 한계가 있다.
이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩(Wafer-to-Wafer Bonding) 등의 방법으로 회로영역(Circuitry)은 실리콘 기판(Si Substrate)에 형성시키고, 포토다이오드는 회로영역 상부에 형성시키는 시도(이하 "3차원 이미지센서"라고 칭함)가 이루어지고 있다. 포토다이오드와 회로영역은 배선(Metal line)을 통해 연결된다.
웨이퍼 대 웨이퍼 본딩은 SOI(Silicon on injector) 웨이퍼를 이용한 도너(Donor) 웨이퍼에 포토다이오드를 형성한다. 그리고 상기 포토다이오드를 제외한 나머지 영역의 도너 웨이퍼는 제거한 후 상기 포토다이오드를 상기 실리콘 기판 상에 본딩시키는 것이다.
한편 상기 포토다이오드를 제외한 나머지 영역의 도너 웨이퍼는 어닐링 공정등에 의하여 분리되어 불균일한 표면에 가지기 때문에 다시 사용되지 않게 되는 문제점이 있다.
실시예에서는 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩에 의하여 형성되는 이미지센서의 제조시 포토다이오드를 제외한 나머지 영역의 도너 웨이퍼에 대한 수소 열처리 공정을통하여 상기 도너 웨이퍼의 표면을 평탄화시킬 수 있는 반도체소자의 웨이퍼 재활용 방법을 제공한다.
실시예에 따른 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법은, 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판에 배선 및 층간절연층을 형성하는 단계; 결정형 실리콘으로 형성된 도너 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 도너 웨이퍼의 내부에 수소층을 형성하는 단계; 상기 수소층을 기준으로 상부영역에 해당하는 상기 도너 웨이퍼의 내부에 제1 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 수소층을 기준으로 상기 제1 포토다이오드와 상기 도너 웨이퍼를 분리시키는 단계; 상기 제1 포토다이오드와 상기 배선이 연결되도록 상기 제1 포토다이오드와 상기 반도체 기판을 본딩하는 단계; 및 분리된 상기 도너 웨이퍼에 대한 어닐링 공정을 진행하여 상기 도너 웨이퍼의 표면을 평탄화시키는 단계를 포함한다.
실시예에 의한 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법은, 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩 후 커팅된 웨이퍼에 대한 수소 어닐링 공정에 의하여 손상된 웨이퍼의 표면 디펙트를 복구함으로써 상기 웨이퍼의 재사용이 가능해짐으로써 생산비용이 절감될 수 있 다.
실시예에 따른 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
실시예의 반도체 소자는 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 포토다이오드가 필요한 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
또한 이미지 센서 뿐만 아니라 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩을 하는 모든 반도체 소자에 적용이 가능하다. 예를 들어, 시스템 인 패키지(System In Package) 기술에서 여러 칩들을 수직으로 적층할 때 사용되는 웨이퍼 본딩에도 적용가능하다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 실시예에 따른 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법에 대하여 상세하게 설명한다. 실시예에 따른 반도체 소자는 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩에 의하여 형성되는 이미지 센서를 예로 하여 설명한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(100) 상에 층간절연층(160) 및 배선(150)이 형성된다.
상기 반도체 기판(100)은 단결정의 실리콘 기판이며, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(100)에는 액티브 영역 및 필드 영역을 정의하는 소자 분리막(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 액티브 영역 상에는 후술되는 포토다이오드와 연결되어 수광된 광전하를 전기신호로 변환하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터등을 포함하는 회로부가 단위픽셀 별로 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판(100)의 상부에는 전원라인 또는 신호라인과 회로를 접속시키기 위하여 복수의 배선(150) 및 층간절연층(160)이 형성되어 있다.
상기 반도체 기판(100)에 형성된 배선(150)은 단위픽셀 별로 형성되어 후술되는 포토다이오드와 상기 회로를 연결하여 포토다이오드의 광전하를 전송하는 역할을 할 수 있다.
상기 배선(150)은 금속배선(M1, M2, M3) 및 콘택 플러그를 포함한다. 상기 배선(150)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 배선(150)은 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐으로 형성될 수 있다. 실시예에서, 상기 최종 금속배선(M3)에 연결된 콘택 플러그가 상기 층간절연층(160)의 표면으로 노출될 수 있다.
그리고, 상기 층간절연층(160)의 표면에는 포토다이오드와의 본딩을 위한 제1 접합층(170)이 형성된다. 상기 제1 접합층(170)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 또는 상기 제1 접합층(170)은 N형 비정질 실리콘(N-doped amorphous) 을 증착하여 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 포토다이오드 형성을 위한 도너 웨이퍼(donor wafer)(20)가 준비된다. 상기 도너 웨이퍼(20)는 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 도너 웨이퍼(20)는 2.5~4.0㎛의 두께를 가질 수 있다.
다음으로 상기 도너 웨이퍼(20)의 내부에 수소층(250)이 형성된다. 상기 수소층(250)은 상기 도너 웨이퍼(20)의 전체면에 대하여 동일한 프로젝트 레인지(Project range)에 의하여 일정 영역에 수소이온을 이온주입하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 수소층(250)의 도즈량은 1×1015 ~1 ×1017 이며 100~120KeV의 에너지로 주입될 수 있다. 따라서, 상기 수소층(250)을 기준으로 상기 도너 웨이퍼(20)는 상부 도너 웨이퍼(200) 및 하부 하부 도너 웨이퍼(300)로 구분될 수 있다. 그리고, 상기 상부 도너 웨이퍼(200) 또는 하부 도너 웨이퍼(300)에 포토다이오드를 형성할 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 수소층(250)을 기준으로 상기 도너 웨이퍼(20) 중 상부 도너 웨이퍼(200)에 제1 포토다이오드(210)가 형성된다. 상기 제1 포토다이오드(210)는 상기 수소층(250)의 상부영역(200)에 해당하는 상기 상부 도너 웨이퍼(200)의 깊은 영역에 형성된 p형 불순물 영역(p+)과 상기 p형 불순물 영역과 접하도록 상기 도너 웨이퍼(20)에 형성된 n형 불순물 영역(n-)을 포함할 수 있다. 상기 n형 불순물 영역(n-) 및 p형 불순물 영역(p+)은 이온주입 공정에 의하여 형성되며 상기 n형 불순물 영역(n-)이 상기 p형 불순물 영역(p+)보다 넓은 영역을 가지도 록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 포토다이오드(210)는 0.8~1.2㎛의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 상기 제1 포토다이오드(210)의 표면에 상기 반도체 기판(100)과의 본딩을 위한 제2 접합층(220)이 형성된다. 상기 제2 접합층(220)은 상기 제1 접합층(170)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
한편, 실시예에서 상기 수소층(250) 형성 후 제1 포토다이오드(210)가 형성되는 것을 예로 하였으나 상기 제1 포토다이오드(210) 형성 후 수소층(250)이 형성될 수도 있다.
도 4를 참조하여, 상기 수소층(250)을 기준으로 상기 제1 포토다이오드(210)가 형성된 상부 도너 웨이퍼(200)와 하부 도너 웨이퍼(300)를 분리한다.
상기 상부 및 하부 도너 웨이퍼(200, 300)는 상기 수소층(250)에 대한 1차 어닐링 공정을 진행하여 분리될 수 있다.
구체적으로 상기 수소층(250)에 대한 1차 어닐링 공정은 500~800℃에서 진행될 수 있다. 상기 1차 어닐링 공정에 의하여 상기 수소층(250)은 수소기체층으로 변하게 되어 상기 수소층(250)을 기준으로 상기 제1 포토다이오드(210)를 제외한 상기 하부 하부 도너 웨이퍼(300)는 커팅되어 상기 제1 포토다이오드(210)에서 분리될 수 있다.
상기 하부 도너 웨이퍼(300)를 상기 반도체 기판(100)에 본딩하기 전에 커팅하는 이유는 상기 반도체 기판(100)에 형성된 배선(150) 및 소자를 보호하기 위해서이다. 만일 상기 반도체 기판(100)과 상기 제1 포토다이오드(210)가 형성된 도너 웨이퍼(20)를 본딩한 후에 상기 하부 도너 웨이퍼(300)를 분리하기 위하여 어닐링 공정을 진행하면 고온에서의 열처리 공정에 의하여 상기 배선(150) 및 소자에 악영향을 끼치기 때문이다.
따라서, 실시예에서는 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩전에 상기 수소층(250)에 대한 1차 어닐링 공정을 진행하여 상기 제1 포토다이오드(210)가 형성된 상부 도너 웨이퍼(200)와 하부 도너 웨이퍼(300)를 분리시켜 소자를 보호할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 제1 포토다이오드(210)가 상기 배선(150)에 대응하도록 상기 도너 웨이퍼(20)와 상기 반도체 기판(100)을 본딩(bonding)한다. 즉, 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩을 진행하여 상기 반도체 기판(100) 상에 제1 포토다이오드(210)를 형성할 수 있다.
구체적으로 상기 제1 포토다이오드(210)의 n형 불순물 영역(n-)과 상기 반도체 기판(100)의 층간절연층(160) 표면을 마주하도록 위치시킨 후 본딩공정을 진행한다. 특히, 상기 제1 포토다이오드(210)는 제2 접합층(220)이 형성되어 있고 상기 층간절연층(160)의 표면에는 제1 접합층(170)이 형성되어 상기 본딩공정의 접합특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 접합층(170,220)이 본딩시 완충작용을 하여 상기 제1 포토다이오드(210)의 표면 손상을 방지하여 할 수 있다.
상기 반도체 기판(100)과 상기 제1 포토다이오드(210)가 형성된 상부 도너 웨이퍼(200)의 본딩한 후 상기 배선(150)과 상기 제1 포토다이오드(210)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
따라서, 상기 반도체 기판(100) 상에 상기 제1 포토다이오드(210)가 형성되 어 이미지센서는 수직형 집적을 이루어 필팩터를 향상시킬 수 있다. 도시되지는 않았지만, 추가적으로 상부 배선, 컬러필터 및 렌즈 공정이 진행될 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 수소층(250)에 대한 어닐링 공정을 통하여 커팅된 상기 하부 도너 웨이퍼(300)는 거친 표면을 가지게 된다. 즉, 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 표면은 러프네스(roughness)가 발생되어 표면 결정방향이 균일하지 않은 상태가 된다. 상기 하부 도너 웨이퍼(300)가 거친 표면을 가지면 재사용이 불가능하기 때문에 실시예에서는 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 거친 표면을 평탄화시켜서 재사용할 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 하부 도너 웨이퍼(300)에 대한 2차 어닐링 공정을 진행한다. 상기 하부 도너 웨이퍼(300)에 대한 2차 어닐링 공정을 진행하면 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 표면이 평탄화될 수 있다. 특히 상기 2차 어닐링 공정은 수소분위기에서 진행될 수 있다.
예를 들어, 상기 하부 도너 웨이퍼(300)에 대한 2차 어닐링 공정은 수소 분위기에서 800~1150℃온도에서 진행되며 약 60~200초 동안 진행될 수 있다.
상기와 같이 고온의 수소분위기에서 상기 하부 도너 웨이퍼(300)에 대한 열처리 공정을 진행하면 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 표면 거칠기(roughness)가 개선될 수 있다. 이것은 고온의 수소분위기에 의하여 상기 하부 도너 웨이퍼(300)를 열처리하게 되면 실리콘 원자가 이동하여 실리콘 결정구조가 재배열됨으로써 격자구조가 안정적으로 변하게 될 수 있게 되기 때문이다. 즉, 고온에서의 2차 어닐링 공정에 의하여 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 실리콘 격자구조가 큐어링(curing)되 므로 표면 데미지를 복구할 수 있게 된다.
따라서, 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 표면 러프네스(roughness)가 개선되어 평탄화되므로 상기 하부 도너 웨이퍼(300)는 재사용될 수 있게 된다.
예를 들어, 상기 제1 포토다이오드(210)에 대한 본딩공정 후 커팅된 상기 하부 도너 웨이퍼(300)는 약 1.7~2.8㎛의 두께를 가지므로 충분히 재사용할 수 있다.
상기와 같이 하부 도너 웨이퍼(300)에 대한 2차 어닐링 공정을 진행하여 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 표면을 평탄화시킬 수 있다. 그리고 도 7에 도시된 바와 같이 상기 하부 도너 웨이퍼(300)의 내부로 수소층(350)을 형성한 후 일부 영역에 n형(n-) 및 p형(p+) 불순물을 주입하여 제2 포토다이오드(310)를 형성한다.
도시되지는 않았지만, 상기 제2 포토다이오드(310)을 포함하는 상기 하부 도너 웨이퍼(300)를 다른 회로가 형성된 반도체 기판(미도시)에 본딩함으로써 이미지센서를 제조할 수 있다.
상기와 같이 도너 웨이퍼에 대한 어닐링 공정에 의하여 표면을 평탄화시킴으로써 상기 도너 웨이퍼를 재사용할 수 있으므로 원가절감을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩 전에 상기 포토다이오드와 하부 도너 웨이퍼를 분리시킴으로써, 상기 하부 도너 웨이퍼를 분리시키기 위한 열처리 공정에 의하여 소자가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변 형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 공정을 나타내는 단면도이다.

Claims (10)

  1. 트랜지스터를 포함하는 반도체 기판에 배선 및 층간절연층을 형성하는 단계;
    결정형 실리콘으로 형성된 도너 웨이퍼를 준비하는 단계;
    상기 도너 웨이퍼의 내부에 수소층을 형성하는 단계;
    상기 수소층을 기준으로 상부영역에 해당하는 상기 도너 웨이퍼의 내부에 제1 포토다이오드를 형성하는 단계;
    상기 수소층을 기준으로 상기 제1 포토다이오드와 상기 도너 웨이퍼를 분리시키는 단계;
    상기 제1 포토다이오드와 상기 배선이 연결되도록 상기 제1 포토다이오드와 상기 반도체 기판을 본딩하는 단계; 및
    분리된 상기 도너 웨이퍼에 대한 어닐링 공정을 진행하여 상기 도너 웨이퍼의 표면을 평탄화시키는 단계를 포함하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    분리된 상기 도너 웨이퍼에 대한 평탄화 공정 후 상기 도너 웨이퍼에 제2 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 층간절연층 상에 제1 접합층이 형성되고, 상기 제1 포토다이오드의 표 면에는 제2 접합층이 형성되어, 상기 제1 포토다이오드와 상기 반도체 기판의 본딩시 상기 제1 접합층과 제2 접합층을 본딩시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드와 상기 도너 웨이퍼를 분리하는 단계는,
    상기 수소층에 대한 1차 어닐링 공정을 진행하여 상기 제1 포토다이오드를 제외한 나머지 영역의 도너 웨이퍼를 커팅하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 1차 어닐링 공정은 500~800℃에서 진행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도너 웨이퍼의 표면을 평탄화시키는 단계는 수소분위기에서 2차 어닐링 공정에 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 2차 어닐링 공정은 800~1150℃ 온도의 수소분위기에서 진행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 도너 웨이퍼에 제2 포토다이오드를 형성한 후 상기 도너 웨이퍼를 다른 반도체 기판에 본딩하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 포토다이오드는 0.8~1.3㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 접합층은 절연막 또는 비정질 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 웨이퍼 재활용 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111183513A (zh) * 2019-04-19 2020-05-19 福建晶安光电有限公司 一种用于制作光电半导体芯片的方法及其所使用的键合晶圆

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