KR20010055902A - 이미지센서의 결함 분석 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 칼라필터어레이 이후의 포토레지스트 재질의 층간에서 발생되는 결함을 용이하게 분석할 수 있는 이미지센서의 결함 분석 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것으로서, 이를 위한 본 발명은 소정 공정이 완료된 기판의 보호막 상에 포토레지스트 재질의 칼라필터어레이, OCL층 및 마이크로렌즈가 차례로 적층된 이미지센서의 샘플 웨이퍼를 준비하는 제1단계; 그 일면에 양면테이프가 접착된 더미웨이퍼를 준비하는 제2단계; 상기 양면테이프의 타면에 상기 샘플 웨이퍼의 마이크로렌즈가 형성된 면을 페이스트시키는 제3단계; 상기 샘플 웨이퍼를 불산 용액에 담궈 상기 보호막을 식각하여 상기 칼라필터어레이의 뒷면을 드러내는 제4단계; 결함이 존재하는 부위까지 상기 칼라필터어레이의 뒷면에서부터 반응성이온식각을 실시하는 제5단계; 및 결함을 관찰하는 제6단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 여기서 결함이 칼라필터어레이 뒷면에 바로 존재하지 않고 그 내부에 존재하는 경우 또는 OCL층과 마이크로렌즈간의 계면에 존재하는 경우 이를 드러내기 위해서는 상기 칼라필터어레이 뒷면에서부터 식각을 실시하여야 한다.

Description

이미지센서의 결함 분석 방법{Defect analysis technology in image sensor device}
본 발명은 이미지센서의 결함 분석 방법에 관한 것으로, 특히 보호막 상부의 다층 포토레지스트층들간에 발생되는 결함을 분석하기 위한 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이 이미지센서는 소자 제조후 보호막(passivation layer)을 형성하고 그 위에 칼라 이미지 구현을 위하여 칼라필터어레이(CFA : Color filter array)를 형성하고 전면에 평탄화 및 초점 조절을 위한 OCL(over coating layer)을 형성한 다음, 다시 그 위에 광집적을 위한 마이크로렌즈(micro-lens)를 형성하는 순서로 제조되게 된다. 여기서 칼라필터어레이, OCL 및 마이크로렌즈는 모두 포토레지스트(PR)를 그 재질로하고 있다.
한편, 반도체소자의 제조가 완료된 후 그의 불량 분석을 위한 결함 분석을 위해서는 시편을 제작하여야 하는데, 이때 통상 디프로세싱(Deprocessing) 기술을 적용하게 된다. 즉 최종적으로 증착된 층부터 차례로 벗겨내어 특정 부위의 결함을 분석하는 것이다.
그런데, 이미지센서에서 칼라필터어레이 이후의 불량 분석을 위해서는 상기한 바와 같은 디프로세싱 기술을 적용할 수 가 없다. 즉, 앞서 언급한 바와 같이 칼라필터어레이 상부층 역시 칼라필터와 동일한 재질(포토레지스트)이기 때문에 칼라필터어레이를 드러내면서 마이크로렌즈 및 OCL층을 일정한 두께로 식각하여 벗겨 낼수 가 없기 때문이다.
따라서, 종래에는 칼라필터어레이 이후의 결함을 분석하기 위해서는 할 수 없이 광학현미경으로 관찰을 하였다. 그런데, 마이크로렌즈는 그 상부가 불록한 기하학적인 구조를 가지고 있어 포토레지스트 층간에 발생하는 결함 관찰이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
또한 광학현미경으로 평면적 관찰에 의한 분석 방법은 광학현미경의 분해능(약 0.35um)이 떨어진다는 문제점 때문에 정확한 결함의 형상 관찰에 한계를 지니고있다.
상술한 바와 같이 이미지센서는 최상부층이 마이크로렌즈라는 기하학적인 구조로 이루어져 있고 광학현미경의 분해능에 한계가 있기 때문에 디프로세싱에 의한 시편 제작없이 광학현미경으로 결함을 관찰하는 것에 한계가 있고, 또한 칼라필터어레이부터 동일 재질의 다층 포토레지스트로 공정이 진행되어 있으므로 필터 이후의 공정에서 발생되는 결함을 분석하기 위해서 층간 디프로세싱(layer-by-layer delayering) 처리를 하여 결함 부위를 드러내고 이를 영상분석 및 성분분석을 통하여 소자페일 메카이즘 및 결함의 근원을 밝히는 작업은 불가능하다.
따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 극복하여 칼라필터어레이 이후의 포토레지스트 재질의 층간에서 발생되는 결함을 용이하게 분석할 수 있는 이미지센서의 결함 분석 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1 및 도2는 이미지센서의 다층 포토레지스트층(칼라필터, OCL층, 마이크로렌즈)에서 발생된 결함을 분석하기 위한 일련의 시편 제조 방법을 보여주는 개략적 도면.
도3은 상기 방법에 따라 제조된 시편을 사용하여 칼라필터어레이의 정면 및 뒷면을 각각 주사전자현미경으로 찍은 사진.
도4는 본 발명의 방법으로 관찰한 칼라필터어레이에서의 다양한 결함들을 보여주는 사진.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소정 공정이 완료된 기판의 보호막 상에 포토레지스트 재질의 칼라필터어레이, OCL층 및 마이크로렌즈가 차례로 적층된 이미지센서의 샘플 웨이퍼를 준비하는 단계; 상기 샘플 웨이퍼를 불산 용액에 담궈 상기 보호막을 식각하여 상기 칼라필터어레이의 뒷면(back-side)을 드러내는 단계; 및 상기 칼라필터어레이 뒷면에서 포토레지스트 재질에서 발생된 결함을 관찰하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 소정 공정이 완료된 기판의 보호막 상에 포토레지스트 재질의 칼라필터어레이, OCL층 및 마이크로렌즈가 차례로 적층된 이미지센서의 샘플 웨이퍼를 준비하는 제1단계; 그 일면에 양면테이프가 접착된 더미웨이퍼를 준비하는 제2단계; 상기 양면테이프의 타면에 상기 샘플 웨이퍼의 마이크로렌즈가 형성된 면을 페이스트시키는 제3단계; 상기 샘플 웨이퍼를 불산 용액에 담궈 상기 보호막을 식각하여 상기 칼라필터어레이의 뒷면을 드러내는 제4단계; 결함이 존재하는 부위까지 상기 칼라필터어레이의 뒷면에서부터 반응성이온식각을 실시하는 제5단계; 및 결함을 관찰하는 제6단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 여기서 결함이 칼라필터어레이 뒷면에 바로 존재하지 않고 그 내부에 존재하는 경우 또는 OCL층과 마이크로렌즈간의 계면에 존재하는 경우 이를 드러내기 위해서는 상기 칼라필터어레이 뒷면에서부터 식각을 실시하여야 한다.
그리고 상기 양면테이프는 카본테이프를 사용하는 것이 바림직한 바, 카본테이프는 전도성을 가지고 있어 주사전자현미경에 의한 관찰시 차징(charging)을 방지하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 마이크로렌즈의 구조적 한계를 극복하기 위하여 칼라필터어레이 뒷면에서 결함을 분석하는 기술로서, 식각처리를 통하여 균일하게 결함을 드러내고 주사전자현미경 등의 고분해능 영상분석장비에서 결함을 관찰할 수 있으며, 또한 픽셀 패턴이 정상적으로 정의 되었는 가를 최적의 조건에서 분석할 수 있으므로 신뢰성 향상에도 크게 기여하게 된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1 및 도2는 이미지센서의 다층 포토레지스트층(칼라필터, OCL층, 마이크로렌즈)에서 발생된 결함을 분석하기 위한 일련의 시편 제조 방법을 보여준다.
먼저, 도1에 도시된 바와 같이, 통상의 공정에 의해 마이크로렌즈까지 형성된 분석 대상인 샘플 웨이퍼(10)를 준비하고, 아울러 카본 테이프(25)를 붙인 더미(dummy) 웨이퍼(20)를 준비한 다음, 샘플 웨이퍼(10)의 마이크로렌즈가 형성된 면을 상기 카본테이프(25)에 얹어 놓는다. 이때 부착력을 우수하게 하기 위하여 힘을 가하게 되면 물리적인 접착력을 갖기 때문에 이후 화학적인 방법으로 분리가 되지 않음을 유의하여야 한다.
카본 테이프(25)는 양면 테이프로서 화학적인 반응에 의해 접착이 이루어지며, 본 발명에서 카본테이프를 사용하는 이유는 이후 단계에서 주사전자현미경으로 결함을 관찰을 할 때, 전자빔에 의한 시료 표면의 차지업(charge up) 현상을 방지하기 위함이다. 참고적으로, 광학현미경으로 칼라필터별로 관찰할시에는 더미 웨이퍼 위에 양면 테이프를 붙이고 시료를 제작하는 방법이 보다 효과적이나, 주사전자현미경으로 형태 관찰시에는 차징 방지를 위하여 반드시 전도성 물질의 코팅을 필요로 하는데 이때, 스퍼터링 코팅시 패턴 손상 발생 위험도가 크므로 카본 테이프가 가장 효과적이다.
이어서, 도2에 도시된 바와 같이, 칼라필터어레이(CFA) 이후 공정된 층들을소자로부터 분리시키는 작업에 들어 간다. 즉, 도1과 같은 방법으로 만들어진 시료를 고순도 불산(wt.49% HF) 용액에 담그면 산화물로 구성된 보호막(Passivation layer)은 HF와 반응을 하여 제거가 된다. 따라서 보호층이 제거됨과 동시에 칼라필터어레이 및 그 상부의 층들은 더미 웨이퍼 카본테이프에 페이스트(paste)된 상태로 화학적반응에 의하여 분리된다. 즉 칼라필터어레이의 뒷면(앞면은 OCL층이 형성되어 있음)이 노출되게 된다.
이어서, 아세톤(Acceton)으로 린스 처리를 하고 핫 플레이트(Hot plate) 등에서 적절한 열을 가하여 아세톤을 기화시켜 건조시킨다. 주의할 점은 초순수(D.I water)로 린스한 후 N2가스 등으로 건조시키는 통상의 방법을 사용할 경우 N2블로우-오프(blow-off) 압력으로 인하여 시료에 크랙(crack)이 발생되므로 유의하여야 한다.
이어서, 칼라필터어레이의 뒷면에는 약간의 산화막 등 절연막이 잔류하고 있으므로 반응성이온식각(RIE)을 진행하여 잔류 산화막을 제거한다. 이에 의해 깨끗한 칼라필터어레이의 뒷면을 얻는다.
이어서, 결함이 존재하는 부위가 드러나도록 포토레지스트를 반응성이온식각(RIE) 식각한다. 이때는 종래와는 다르게 칼라필터의 뒷면이 평탄하므로 반응성이온식각을 진행하여 일정한 두께로 포토레지스트를 제거하여 결함이 드러나도록 할 수 있다. 반응성이온식각은 O2및 CF4분위기에서 실시하며 바람직하게 파워는 50Watt, O2는 50sccm, CF4는 5sccm을 적용한다. 유의할 점은 RF 파워를가능한 낮추어 식각처리하여 플라즈마 데미지를 억제시켜야 한다. 이 후, 주사전자현미경 등으로 결함을 관찰한다. .
도3은 상기 방법에 따라 제조된 시편을 사용하여 칼라필터어레이의 정면 및 뒷면을 각각 주사전자현미경으로 찍은 사진이고, 도4는 본 발명의 방법으로 관찰한 다양한 결함들을 보여준다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 칼라필터어레이(CFA)를 구성하는 초기 공정 스텝을 소자로부터 분리시켜 이를 뒷면(Back-side)에서 관찰을 할 수 있으므로, 결함이 칼라필터어레이의 어느 패턴에서 발생지 알수 있고, 미시적인 결함 형태를 전자현미경으로 관찰 할 수 있다. 따라서 결함의 원인이 하부층에서 기인되었는지 또는 칼라필터어레이의 각 패턴에서 기인되었는지를 명확하게 추적해 낼 수 있다. 그리고 소자 페일의 발원을 정확하게 분석하여 문제를 조기에 제거시킬 수 있으므로 양질의 제품개발 측면에서부터 생산 기간 단축 그리고 신뢰성 증진에 큰 기여를 하게 된다.

Claims (7)

  1. 소정 공정이 완료된 기판의 보호막 상에 포토레지스트 재질의 칼라필터어레이, OCL층 및 마이크로렌즈가 차례로 적층된 이미지센서의 샘플 웨이퍼를 준비하는 단계;
    상기 샘플 웨이퍼를 불산 용액에 담궈 상기 보호막을 식각하여 상기 칼라필터어레이의 뒷면을 드러내는 단계; 및
    상기 칼라필터어레이 뒷면에서 포토레지스트 재질에서 발생된 결함을 관찰하는 단계
    를 포함하여 이루어진 이미지센서의 결함 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결함 관찰은 주사전자현미경으로 실시함을 특징으로 하는 이미지센서의 결함 분석 방법.
  3. 소정 공정이 완료된 기판의 보호막 상에 포토레지스트 재질의 칼라필터어레이, OCL층 및 마이크로렌즈가 차례로 적층된 이미지센서의 샘플 웨이퍼를 준비하는 제1단계;
    그 일면에 양면테이프가 접착된 더미웨이퍼를 준비하는 제2단계;
    상기 양면테이프의 타면에 상기 샘플 웨이퍼의 마이크로렌즈가 형성된 면을 페이스트시키는 제3단계;
    상기 샘플 웨이퍼를 불산 용액에 담궈 상기 보호막을 식각하여 상기 칼라필터어레이의 뒷면을 드러내는 제4단계;
    결함이 존재하는 부위까지 상기 칼라필터어레이의 뒷면에서부터 반응성이온식각을 실시하는 제5단계; 및
    결함을 관찰하는 제6단계
    를 포함하여 이루어진 이미지센서의 결함 분석 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제4단계와 상기 제5단계 사이에, 상기 칼라필터어레이 뒷면에 잔류하는 산화물을 제거하는 제7단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서의 결함 분석 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제4단계에서 상기 불산용액에 담근 후 아세톤 린스를 실시하고 열을 가하여 건조시키는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 결함 분석 방법.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 양면테이프는 카본테이프임을 특징으로 하는 이미지센서의 결함 분석 방법.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 결함 관찰은 주사전자현미경으로 실시함을 특징으로 하는 이미지센서의 결함 분석 방법.
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