KR20230043015A - 반도체장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

반도체기판에 패턴을 형성한 뒤 기판을 중력 방향을 기준으로 거꾸로 뒤집어 거치한 상태에서 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체장치 제조방법이 개시된다. 이때, 기판이 뒤집힌 상태로 이루어지는 공정은 습식 공정 후 건조 공정, 어닐링, 베이킹, 디퓨젼 공정 등 열 공정이 될 수 있고, 패턴을 기계적으로 강화시키는 화학기상 증착도 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 고어스펙트 패턴을 형성한 뒤 후속 공정을 진행하는 과정에서 형태적 불안정성과 같은 내부적 요인이나 외력에 의한 흔들림이나 변형과 같은 외부적 요인에서 오는 패턴의 붕괴나 패턴 기울어짐에 의한 패턴 사이의 부착 등의 형태적 기능적 불량을 방지, 경감할 수 있으므로 고집적화된 반도체장치의 공정 수율을 높일 수 있다.

Description

반도체장치 및 그 제조방법 {SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체장치 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고어스펙트비 구조를 가지는 반도체장치의 제조에서 고어스펙트비를 가진 패턴이 공정 중에 기울어져 인접 패턴과 단락을 이루거나 패턴 자체가 붕괴되는 문제를 경감할 수 있는 반도체장치 제조방법에 관한 것이다.
반도체장치의 제조에서 소자 고집적화는 소비전력의 감소와 제조비용의 감축을 위해 상시적으로 이루어져 왔다.
소자 고집적화를 위해서는 소자를 형성하는 구조물을 위한 패턴이 폭에 비해 높이가 높아지는 고어스펙트비(high aspect ratio)를 가지게 된다.
그런데, 패턴의 어스펙트비가 높아질수록 패턴 붕괴나 기울어짐과 같은 패턴 형태 이상 및 그에 따른 패턴 사이의 전기적 단락 등 기능이상의 위험성은 커지게 된다.
즉, 고집적화에 따른 패턴의 배치 밀도 증가가 극도로 진행되면 제조 공정에서 기판(wafer) 상에 형성되는 고어스펙트비(high aspect ratio)의 돌출형 패턴들, 가령, 어스펙트비 50 이상인 패턴들은 기계적 강도의 한계로 자체 형태를 유지하기 어려울 정도가 되고, 조그마한 충격에도 변형되고 붕괴될 수 있으며, 그 결과, 인접 패턴들 사이에 물리적, 전기적 접촉 상태가 되어 향후 소자 사이의 단락의 문제나 소자 기능 상실의 문제를 일으킬 수 있다.
도1은 웨이퍼(10) 표면에 패턴이 형성된 상태에서의 이러한 종래의 패턴 붕괴(20b) 및 패턴간 부착(20a)을 설명하기 위한 개략적 개념도이다.
고집적화된 반도체장치를 제조하는 공정에서는 이런 문제를 해결하기 위한 방법이 항시적으로 요구되고 있다.
고어스펙트비를 가진 패턴이 공정 과정에서 형태 이상을 가져오는 이유는 매우 많지만 기본적으로 중력하에서 패턴이 기판에 의해 지지되는 하부의 폭이 작으면 이런 구조를 이루는 막 재료가 무엇이건 간에 지지력은 작아지고, 반대로 패턴 무게중심으로부터 패턴이 지지되는 하부까지의 거리는 증가하여, 패턴이 조금만 기울어도 중력에 의해 쓰러지려는 힘이 크게 작용하게 된다. 패턴이 기울어지는 것은 패턴 형성 과정 중에 식각이 불균일하여 패턴 자체가 안정적 대칭을 이루지 못하고 한쪽으로 기울어져 편향 형성됨에 의한 것일 수 있다.
또한, 정상적이고 대칭적인 패턴이 형성된 경우에도 후속 공정에서 공기의 흐름이나 물의 흐름, 충격이나 진동에 의해 패턴이 흔들리거나 기울어질 수 있고, 진동이나 기울어짐의 정도가 커져 하부의 강체 지지력의 한계를 넘으면 마찬가지로 붕괴나 인접 패턴과의 부착 등의 문제가 생길 수 있다.
이런 여러 가지 문제들 가운데 패턴을 기층과 연결하는 중간이 끊어지는 경우보다는 패턴이 기울어져 인접 패턴과 부착되는 경우가 더 많이 문제가 될 수 있다. 이는 패턴의 어스펙트비가 높아지면 패턴이 기울어 붕괴되기 전에 인접 패턴과 접촉하고, 상황에 따라 탄성에 의해 원래 패턴 위치로 복귀하기보다는 인접 패턴과 접촉된 상태에서 유지될 가능성이 더 높기 때문이다.
좀 더 구체적인 예로서, 임계치수(CD: critical dimension) 30nm 이하 수준의 디자인룰이 적용되는 디램에서 게이트라인이나 스토리지 노드 패턴을 포토리소그래피의 에칭 공정을 통해 형성하고, 다음 공정을 위해 이 에칭 공정에서 기판에 잔류된 마스크막이나 공정 부산물막, 파티클과 같은 다양한 불순물을 제거하기 위해 스트리핑, 세정, 건조 공정이 통상 행해지는 경우를 살펴볼 수 있다.
세정 공정은 약액(chemical)으로 기판상에 오염물질을 제거하는 약액 처리 공정, 순수(pure water)로 기판 상에 잔류하는 약액을 제거하는 세척 공정(wet cleaning process), 그리고 건조용 유체를 공급하여 기판 표면에 잔류하는 순수를 건조하기 위한 건조 공정(drying process)을 포함한다.
과거에는 건조용 유체 공급이 없이 순수가 남아 있는 기판 상으로 직접 가열된 질소가스를 공급하여 건조 공정을 수행하였다. 그러나 기판 상에 형성된 패턴의 선폭이 좁아지고 어스펙트비가 커짐에 따라 패턴 사이에 순수의 제거가 잘 이루어지지 않는다. 이런 문제를 해결하기 위해 근래에는 순수에 비해 휘발성이 크고 표면장력이 낮은 이소프로필 알코올(IPA: isopropyl alcohol)과 같은 유기용제를 건조용 유체로 하여 기판 상에서 순수를 치환하고, 이후에 가열된 질소 가스를 공급하여 기판을 건조하는 방법을 사용하고 있다.
그러나 이런 방법도 비극성인 유기용제와 극성인 순수가 혼합이 잘 이루어지지 않으므로, 순수를 액상의 유기용제로 치환하기 위해서는 장시간 동안 많은 양의 액상의 유기용제를 공급해야하는 문제가 있다.
또한, 이러한 유기용제를 이용한 건조방식에서도, 선폭 30nm 이하의 미세한 회로패턴을 가지는 반도체소자에 대해서는, 유기용제가 건조되면서 표면장력이 급격히 증가하고, 건조 과정에서 IPA의 대략 20dyne/cm의 표면장력에 의해 패턴이 변형되거나 붕괴되고, 인접 패턴들이 서로 접촉된 상태가 될 수 있다.
더욱이, 기판을 회전척으로 파지하고 회전시키면서 건조를 실시할 경우, 표면장력에 더하여 기판의 운동과정에서 패턴의 흔들림, 움직임으로 인접한 패턴들이 서로 붙는 현상이 더 많이 일어나게 된다.
다시 이런 문제를 해결하기 위한 종래의 기술을 보면, 먼저 계면활성제를 이용하여 IPA 건조시 표면장력을 줄이고 표면장력에 의해 패턴이 변형, 붕괴되는 것을 막는 방법이 사용되었다. 이런 방법은 기존의 IPA 건조 설비의 기본 구성을 바꾸지 않고도 채택하여 사용할 수 있다는 이점을 가지지만, 한편으로 표면장력을 10dyne/cm 이하 수준으로 낮추기 어렵다는 한계를 가진다.
따라서, 이런 계면활성제를 이용한 경우에도 표면장력 감소는 한계가 있어서 표면장력을 필요한 만큼 충분히 줄이는 것이 어렵고, 패턴의 고집적화가 진행되면 공정에 사용된 IPA 등 유기용제의, 계면활성제에 의해 해결되지 않고 남아있는, 표면장력으로 인해 패턴의 변형 붕괴가 다시 발생하게 된다.
이런 계면활성제 사용 기술의 한계를 극복하기 위한 하나의 방법으로 대한민국 특허공개번호 제10-2008-0023854호, 대한민국 특허공개번호 제10-2014-0047643호 등에는 초임계 유체를 이용한 기판 건조 방법으로서, 건조 공정에서 사용되는 용제를 초임계유체상태로 만들어 사용하는 방법이 제시되었다. 이런 방법은 매우 높은 압력 및 온도 환경에서 액상과 기상 구분이 명확하지 않은 초임계유체가 만들어지고, 이 초임계유체를 사용하면 표면장력을 기존 액상물질에 비해 획기적으로 낮출 수 있다는 아이디어에 근거한 것이다.
그러나, 이런 초임계유체는 매우 높은 압력조건에서 만들어지는 것이므로, 압력을 견디고, 조절하기 위해 내압 설비를 만들고 유지하는 데 비용이 많이 들고, 파티클 발생 확률도 높아지는 등의 기술적 어려움이 있으며, 공정상의 위험성도 높아지는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 10-2015-0101951의 "기판 처리 장치 및 기판 처리 방법"에는 웨이퍼를 수평자세에서 경사자세로 바꾸어가면서 기판을 가열하여 패턴 사이의 유체를 완전히 제거하면서 패턴 사이에 표면장력으로 인한 패턴 접촉을 방지하는 선행기술이 개시되어 있다.
도2는 종래의 일반적인 웨이퍼 프로세스에서 웨이퍼(S)가 놓이는 방식을 나타내는 도면이다. 이런 도면에 따르면, 웨이퍼(S)는 웨이퍼 보트(560') 내에서 반도체 장치가 형성되는 공정면, 즉 표면이 위를 향하고 있다.
물론, 웨이퍼가 웨이퍼 카세트에 복수 개가 적재된 상태로 순수로 클리닝되는 경우 등에서는 웨이퍼가 카세트 홈에 끼워져 수직에 가깝게 세워진 채로 클리닝되어 기판 표면은 측방을 향하는 경우도 있다.
기존의 웨이퍼 프로세스에서 웨이퍼가 옮겨지는 것은 로봇 아암을 통해 혹은 카세트를 이용하여 이루어지는데, 이런 이송 수단은 대개 웨이퍼의 이면을 받치거나, 웨이퍼 주변부 일부 폭을 파지하는 형태를 가지게 된다. 카세트나 웨이퍼 보트에 담기는 경우에도 웨이퍼는 주변부 일부 폭이 이들의 웨이퍼 설치 홈에 약간의 여유를 가지고 끼워지는 형태를 가진다.
따라서, 웨이퍼를 거꾸로 장착하여 이송하거나 거꾸로 혹은 뒤집힌 위치에서 공정이 이루어지는 경우는 생각하기 어렵다고 할 수 있다.
그러나, 정상적 웨이퍼 자세에서는 고어스펙트 비를 가진 패턴에 작용하는 중력의 영향으로 패턴 상부가 기울어지면 기울어진 부분에 중력이 작용하여 기울어진 부분을 더 기울어뜨리고, 이런 중력의 힘이 그 패턴 내의 복원력보다 커지면 패턴은 붕괴되거나 변화된 상태로 남을 수 있다. 또한, 패턴에 물기가 있거나 기타 이유로 기울어진 패턴이 인접 패턴과 접촉하고 무언가 부착력이 작용하여 복원력보다 커지면 기울어지고 인접 패턴끼리 부착된 그 상태로 패턴이 고착될 수 있다.
이런 경우, 변형된 고어스펙트비의 패턴 상부에 작용하는 중력의 영향은 그 변형을 심화, 고착화시키는 방향으로 작용하게 된다.
대한민국 공개특허 10-2015-0101951에 개시된 선행기술도 도3에 개시되듯이 공정 중 기판(W)의 자세 변화를 언급하고 있지만 이는 유체의 배출을 쉽게 하기 위해 기판을 수평에서 경사진 자세로 바꾼다는 것이지 기판을 뒤집어 공정을 진행하는 것을 의미하는 것은 아니므로 중력이 패턴에 작용할 때 패턴이 기울어진 것을 바로잡기보다는 기울어짐을 심화하는 방향으로 작용하는 것에는 차이가 없다고 할 수 있다.
따라서, 공정에서 장비 비용이나 안전상의 부담이 없이 고 어스펙트비를 가진 패턴이 노출된 기판을 패턴 변형, 붕괴, 단락의 문제 없이 처리하는 좀 더 효과적인 방법이 제시되면 매우 바람직할 것이다.
대한민국 특허공개 제10-2008-0023854호 일본국 공개특허공보 평8-250464호 대한민국 등록특허 제10-1536712호 대한민국 공개특허 제10-2015-0101951호
본 발명은 고집적화된 반도체장치를 만드는 과정에서 반도체장치 내의 고어스페트비를 가지는 구조체가 그 형성 이후의 공정 과정에서 기울어지고 인접 패턴과 접촉, 부착되는 등의 형태적 기능적 불량을 야기하는 문제를 방지, 경감하기 위한 반도체장치 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체장치 제조방법은
반도체기판에 패턴을 형성한 뒤 기판을 중력 방향을 기준으로 거꾸로 뒤집어 거치한 상태에서 공정을 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법에서 기판이 뒤집힌 상태로 이루어지는 공정은 건조, 어닐링, 베이킹, 디퓨젼 공정 등 여러 공정이 될 수 있고, 특히, 습식 공정 진행 후 건조나 열 공정을 진행하는 것일 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 기판이 뒤집힌 상태로 이루어지는 일차 공정이 이루어지고 난 뒤에 기판이 뒤집힌 상태에서 정상 상태로 복귀하기 전에 패턴 표면에 기계적 강도를 증가시키는 코팅 박막을 증착하는 단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명에서 패턴은 반도체장치 구성에 있어서 도전체로 기능하는 도전성 패턴으로 어스펙트비가 50 이상인 고어스펙트비를 가진 패턴일 수 있고, 반도체장치는 임계치수(CD: critical dimension) 30nm 이하 수준의 디자인룰이 적용되는 디램일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고어스펙트 패턴을 형성한 뒤 후속 공정을 진행하는 과정에서 형태적 불안정성과 같은 내부적 요인이나 외력에 의한 흔들림이나 변형과 같은 외부적 요인에서 오는 패턴의 붕괴나 패턴 기울어짐에 의한 패턴 사이의 부착 등의 형태적 기능적 불량을 방지, 경감할 수 있으므로 고집적화된 반도체장치의 공정 수율을 높일 수 있다.
도1은 반도체장치의 패턴 붕괴 및 패턴간 접촉 불량을 나타내는 개략적 개념도,
도2는 반도체장치 제조시 기판이 제조설비에서 수평하게 놓인 상태로 공정이 이루어짐을 나타내는 설명도,
도3은 종래에 기판이 공정 중에 자세를 바꾸면서 공정이 이루어졌던 예를 나타내는 개념도,
도4는 본 발명에서 초기 패턴 변형이 있을 때 중력이 패턴의 기울어짐 변형과 반대 방향으로 작용하는 것을 설명하기 위한 개념도,
도5는 본 발명을 실시하기 위해 웨이퍼가 배치식으로 놓이는 보트를 기판의 탈락을 방지하면서 반전시킨다는 개념을 나타내는 개념적 설명도,
도6은 본 발명을 적용하기 위한 장치의 일 예를 나타내는 개략적 구성도,
도7은 도6에서 도시되지 않지만 웨이퍼를 뒤집어주는 파지 장치를 개략적으로 나타내는 개념적 평면도,
도8은 도7의 AA선을 따라 절단한 단면을 나타내는 정단면도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명 방법에서는 고어스펙트비의 패턴이 일시적으로 변형되는 경우, 그 변형에 대해 원래의 형태나 위치로 복원되는 방향으로 중력이 작용하도록 하고, 그 상태에서 반도체장치 제조를 위한 후속 공정이 이루어지도록 한다.
그리고, 패턴의 형태나 위치가 복원되는 방향으로 중력이 작용하기 위해 본 발명 방법에서는 반도체장치가 형성되는 기판 표면이 아래를 향하는 상태에서, 즉, 기판이 뒤집힌 상태에서 공정 진행이 이루어지도록 한다.
물론, 모든 공정을 이렇게 기판이 뒤집힌 형태로 진행할 필요는 없다. 이런 뒤집힌 자세로 이루어지는 공정은 고어스펙트비를 가진 패턴을 기판에 형성한 뒤 이루어지는 공정으로서, 패턴 사이의 접촉과 변형 상태의 고착이나 붕괴가 많이 이루어지는 공정이 될 수 있다.
가령, 건조, 어닐링, 베이킹, 디퓨젼 공정 등이 기판이 뒤집힌 상태에서 이루어지도록 할 수 있고, 특히, 습식 공정 진행 후 진행되는 건조나 열 공정이 기판이 뒤집힌 상태에서 이루어지는 공정이 될 수 있다. 또한, 퍼니스내에서 증착막 형성을 위한 공정 기체의 흐름이 있는 화학기상증착 공정이 기판이 뒤집힌 상태로 이루어지는 공정이 될 수 있다.
이와 관련하여 좀 더 언급하면, 가령, 습식 공정 이후 공정에서는 앞서 언급하듯이 유체의 표면장력으로 인하여 건조를 통해 유체를 제거하는 과정에서 패턴 사이의 변형, 접촉이 일어나기 쉽다.
또한, 건조과정에서 패턴에 잔류 유체나 습기가 묻어있는 경우, 이런 습기로 인하여 패턴 자체의 무게가 좀 더 무거워져 자유단이 기울어지기 쉽고, 재질에 따라 다르지만 습기를 가지면 경성보다 연성이 커져 패턴 중간이 부스러져 붕괴되기 보다는 휘거나 구부러지는 성질이 더 커질 수 있다.
이런 상태에서 내부 요인이나 외력에 의해 패턴 변형이 생기면 패턴 사이의 접촉이 이루어지고 접촉된 상태로 유지될 수 있다. 이런 상태에서 건조나 열 공정이 후속적으로 이루어지면 이런 패턴 변형, 인접 패턴 사이의 접촉 부착 상태가 고착화되어 반도체장치의 불량을 발생시킬 확률이 높아진다. 따라서, 이런 불량 확률이 높은 공정에서 본 발명 방법의 적용이 더 요청된다고 할 수 있다.
기판이 뒤집힌 상태로 공정을 진행하기 위해 반도체장치 제조용 공정 장비에서는 기존과 같이 표면이 위를 향하게 하는 정상적인 위치로 로봇 등 이송장치에 의해 기판이 거치대에 장착된 후 거치대 자체를 상하 뒤집힌 상태에서 공정 챔버 등 공정 공간에서 공정이 이루어지도록 할 수 있다.
이런 구성은 웨이퍼 보트와 같은 배치식 처리 장치를 이용하는 것일 수 있다. 이런 경우, 정상적인 배치와 같이 웨이퍼 보트에 웨이퍼를 장착한 뒤 웨이퍼 트 자체를 반전시켜 공정을 진행하는 방식을 사용할 수 있으므로 개개 웨이퍼를 공정 거치대에 장착한 뒤 개개의 거치대를 번번히 뒤집는 수고를 덜 수 있다.
한편으로, 가령, 습식 공정이 매엽식으로 이루어지는 장비에서 인시튜 방식으로 스피닝, 건조 과정이 이루어질 때에도 본 발명이 적용될 수 있으며, 기판의 대구경화에 따라 매엽식 설비가 중요하게 되면서 본 발명은 매엽식 장비에서도 중요하게 이루어질 수 있다.
다른 방식으로서, 웨이퍼 이송 로봇과 같은 이송 수단이 웨이퍼를 이송하는 가운데 자세를 반전시켜 뒤집어진 상태로 웨이퍼를 공정 거치대에 놓고 그대로 공정을 진행하는 방법도 채택할 수 있다. 이런 경우, 이송 수단이 웨이퍼를 파지할 때에는 웨이퍼 표면에 이송 수단의 파지부가 바로 닿을 경우, 웨이퍼 표면의 형성막과의 접촉에 의해 파티클이 발생하거나 표면의 기존 막이나 패턴이 훼손되는 문제가 생길 수 있으므로, 파지부가 웨이퍼 주변부만 닿게 파지하는 방법을 사용할 수 있고, 웨이퍼 주변부는 미리 폴리싱 등의 작업을 통해 이 부분에서 파티클이 발생하는 것을 미리 방지할 수도 있다.
이런 경우, 웨이퍼 이송 로봇과 같은 이송 수단이 웨이퍼와 닿는 부분의 구성도 종래와 달라질 수 있다. 특히, 웨이퍼의 두께 부분에 해당하는 측부면과 닿아 웨이퍼를 안정적으로 파지하기 위해 이송 수단이 웨이퍼와 닿는 부분의 길이 혹은 면적을 늘리도록 하고, 이를 위해 웨이퍼 원주의 매우 많은 부분을 둘러가면서 이송 수단이 직접 닿아 웨이퍼 주변부를 파지하는 방식, 웨이퍼 주변부의 에지 커팅 부분을 상하로 감싸면서 웨이퍼를 파지하도록 하는 방식 등이 될 수 있다.
공정이 이루어지는 온도나 진공도에 따라 웨이퍼를 파지하는 방법은 다양하게 이루어질 수 있다. 온도가 낮은 경우, 합성수지로 이루어진 연질 완충력을 가진 소재가 이송 수단의 웨이퍼와 닿는 부분에 배치될 수 있고, 진공척이 기판의 이면을 잡아 웨이퍼를 상하면이 반전된 상태로 장비의 기판 장착부에 놓을 수 있다.
단 이러한 구성의 구체적인 형태는 주로 기계적 구성 영역에 관련되는 것이며 기존의 로봇 등 기계장치에서 매우 다양한 형태로 이루어질 수 있는 것이므로 그 구체적인 구성예에 대해서는 한정하지 않으며, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이런 구성에 따르면 종래와 달리 패턴 사이의 접촉 및 변형, 고작화가 줄어들 수 있기 때문에 종래에 공정 과정에서 요구되지만 불량 위험 때문에 하지 못했던 공정 구성이나 장치 구성이 더 이루어지는 것도 가능하며, 이런 경우, 다른 불량 원인들을 제거하는 데 이용될 수 있다.
가령, 건조 과정에서 기판 스핀 동작에 더하여 기판 표면에 불활성기체를 불어주면서 건조를 돕는 구성이 더 포함될 수 있고, 기계적 동작에서 진동을 최소화하기 위해 느리고 매우 정교하게 움직이던 것을 다소 빠르고 덜 정교하게 실시하는 것도 가능하므로 기계적 설비의 비용도 더 줄일 여지가 생기게 된다.
도4는 본 발명과 같이 공정 웨이퍼(10)를 뒤집힌 상태로 공정을 진행하는 경우의 패턴(20) 변형이 있을 때 중력(g)의 하나의 분력(Fr)이 패턴의 기울어짐 변형과 반대 방향 즉, 복원력 방향으로 작용하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
이 도면에 따르면 패턴의 고정되지 않은 단부가 외력에 의해 제 위치에서 벗어나 패턴 전체가 기울어진 형태를 가지는 경우, 중력이 작용하여 패턴의 무게 중심을 아래로 당기고, 그에 따라 패턴의 단부가 아래로 당겨지며, 이런 중력의 회전방향 분력에 의해 패턴이 가장 포텐셜 에너지가 낮은 원래의 위치로 돌아가게 됨을 개시하고 있다.
물론, 이런 경우, 패턴의 기판과 연결되는 부분에는 패턴의 무게 전체가 걸리게 되고, 이런 패턴의 무게가 강체를 유지하는 기계적 강도보다 큰 경우, 패턴은 기판에서 떨어져나갈 수 있으나, 통상 패턴과 기판 사이의 강체 결합부의 부착력 혹은 강체의 인장강도가 패턴의 무게를 견딜 수 있으므로 그로 인한 불량의 확률은 매우 적게 된다.
도5는 본 발명을 실시하기 위해 웨이퍼가 배치식으로 놓이는 보트를 기판의 탈락을 방지하면서 반전시킨다는 개념을 나타내는 개념적 설명도,
이런 실시예의 경우, 기판이 뒤집힌 상태로 공정을 진행하기 위해 반도체장치 제조용 공정 장비에서는 기존과 같이 표면이 위를 향하게 하는 정상적인 위치로 이송 로봇 등 이송장치에 의해 기판이 거치대에 장착된다. 이송 로봇의 기판 접촉부는 기판의 이면과 직접 닿는 판재의 형태를 취할 수 있다.
이송 로봇에 의해 웨이퍼 보트의 홈들에 1 배치에 해당하는 복수의 웨이퍼가 장착되면, 로드록 챔버 등의 공간에서 거치대 자체를 도5와 같이 상하 뒤집힌 상태로 하여 공정 챔버로 옮기고, 공정 챔버 등 공정 공간에서 어닐링, 확산, 베이크 같은 열공정이나 화학기상증착 등의 공정이 이루어지도록 할 수 있다.
웨이퍼 보트를 뒤집을 때에는 홈에 장착된 웨이퍼가 흘러나오지 않도록 보트 반전 중에 보트가 수직 자세에서 수평 자세가 될 때에는 보트살이 웨이퍼의 탈락을 막는 아래 위치에 있도록 하고, 웨이퍼가 보트의 홈에 진압하는 입구는 위로 가도록 하면서 보트의 상하 반전을 실시한다.
이런 배치식 처리의 경우, 정상적인 배치와 같이 웨이퍼 보트에 웨이퍼를 장착한 뒤 웨이퍼 보트 자체를 반전시켜 복수 개의 웨이퍼를 한꺼번에 뒤집는 효과를 가지므로 개개 웨이퍼를 공정 거치대에 장착한 뒤 개개의 거치대를 번번히 뒤집는 수고를 덜 수 있다.
도6은 본 발명의 스핀 건조장치와 기판 표면이 이 건조장치에서 표면이 아래를 향하는 상태로 회전하는 것을 개념적으로 나타내는 구성적 설명도이다.
여기서 스핀 건조장치는 세정 설비와 결합되어 있다. 통상 세정설비는 외부로부터 기판을 전달받아 공정 모듈로 이송하는 인덱스 모듈과, 전달받은 기판에 대해 세정 공정을 직접 수행하는 공정 모듈을 구비하고, 공정 모듈은 버퍼 챔버, 이송 챔버, 공정 챔버를 구비하여 이루어지며, 공정 챔버에서는 세정 공정의 케미컬 공정, 세척 공정(린스 공정) 및 유기용제 치환 공정이 수행된다.
본 실시예 장치에서 공정 챔버 내에는 회전척과 같은 지지 부재(110)는 기판(S)을 지지하고, 지지된 기판(S)을 회전시킬 수 있다. 지지 부재(110)는 지지 플레이트(111), 지지핀(미도시), 정전 발생기(117, 119)를 포함한다.
노즐 부재(120)는 기판(S)에 약제를 분사한다. 노즐 부재(120)는 노즐(121), 노즐 바(124), 노즐 축(125) 및 노즐 축 구동기(127)를 포함한다.
노즐(121)은 지지 플레이트(111)에 안착된 기판(S)에 약제를 분사한다. 약제는 세정제, 린스제 또는 유기용제일 수 있다. 여기서, 세정제로는 과산화수소, 황산, 불산 등 용액이 필요에 따라 조합되어 사용될 수 있다. 또, 린스제로는 순수가 사용될 수 있다. 또, 유기용제 혹은 건조용 유체로는 여러 종류의 액상이나 가스가 사용될 수 있지만 이소프로필알코올(IPA)가 많이 사용된다.
이러한 노즐(121)은 노즐 바(124)의 일단 저면에 형성된다. 노즐 바(124)는노즐 축(125)에 결합되며, 노즐 축(125)은 승강 또는 회전할 수 있도록 제공된다.노즐 축 구동기(127)는 노즐 축(125)을 승강 또는 회전시켜 노즐(121)의 위치를 조절할 수 있다.
회수 부재(130)는 기판(S)에 공급된 약제를 회수한다. 즉, 노즐에 의해 기판(S)에 약제가 공급되면, 지지 부재가 기판(S)을 회전시켜 기판(S)에 약제가 균일하게 공급되도록 하고, 기판(S)으로부터 주변으로 비산되는 약제는 회수 부재(130)에 의해 회수된다.
지지 부재(110)를 좀 더 살펴보면, 지지 플레이트(111)는 기판(S)과 동일 또는 유사한 형상의 상면을 가져 기판이 안착될 수 있도록 이루어지며, 지지 플레이트(111)의 상면에는 실제로 기판과 닿아 지지하면서 기판의 탈착을 편리하게 하는 역할을 하는 지지 핀과 정전력을 이용하여 기판을 지지부재에 고정시키는 역할을 하는 척킹핀이 구비된다. 지지 플레이트(111)의 하부는 회전축(112)과 연결된다. 회전축(112)은 전기모터와 같은 회전 구동기(114)로부터 회전력을 전달받아 지지 플레이트(111)를 회전시킨다. 이에 따라 지지 플레이트(111)에 안착된기판(S)이 회전할 수 있다. 이때, 척킹핀은 기판(S)이 정위치를 이탈하는 것을 방지하게 된다.
한편, 기판과 접촉하는 척킹핀에 정전력을 인가하기 위해 정전 발생기(117, 119)가 접속되어 있다. 편의상 이런 정전 발생기는 회전 구동기(114)와 함께 설치될 수 있다.
이상과 같은 습식 공정용 장치부분에 더하여 본 실시예에서는 건조용 장치 부분과 반전파지부가 더 구비되어 있다. 이 건조용 장치 부분은 상부파지부(141)와 상부구동부(143)를 포함하는 건조 부재(140)로 이루어지고, 반전파지부는 도6에는 도시되지 않지만 도7 및 도8에 도시된다.
건조 부재는 건조부 바(144)와 건조부 축(145), 건조부 축 구동기(147)를 구비한다. 건조부 바(144)의 일단에는 모터와 같은 상부구동(143)가 설치되고, 상부구동부(143) 아래쪽에는 상부파지부(141)가 설치된다. 상부파지부는 일종의 진공척으로 상부파지부(141)에는 진공인가공 및 진공인가튜브가 설치되어 진공압력으로 웨이퍼를 파지할 수 있도록 구성된다.
노즐 부재(120)에서와 비슷하게 건조부 축(145)은 승강 또는 회전할 수 있도록 제공되고, 건조부 축 구동기(147)는 건조부 축(145)을 승강 또는 회전시켜 상부파지부(141)의 위치를 조절할 수 있다.
반전파지부(150)는 웨이퍼(10)의 측방에서 웨이퍼와 직접 닿아 웨이퍼를 잡아주는 한 쌍의 파지부(151)와 이들 파지부에 회전관절(155)을 통해 결합되는 반전부(153)을 구비하여 이루어진다. 한 쌍의 파지부(151)는 회전관절(155)에서 회전구동하여 서로 접근하면 웨이퍼와 닿아 웨이퍼(10)를 파지할 수 있고, 서로 멀어지면 웨이퍼(10)를 놓게 된다.
반전부(153)는 파지부와 연결되지 않는 별도 일단이 모터를 통해 180도 회전할 수 있어 웨이퍼를 상하 반전시키는 데 이용된다. 이런 반전파지부(150)도 노즐 부재(120)나 건조 부재(140)와 같이 회수 부재(130) 주변에 설치될 수 있다.
본 실시예에서 기판 처리가 이루어지는 한 과정을 살펴보면, 기본적으로 종래의 습식처리 및 건조장치에서와 같아서, 기판이 공정 챔버의 지지 부재(110: 회전척)에 안착되면 기판 표면에 화학약액(chemicals: 약제)이 먼저 노즐 부재(120)를 통해 공급되고, 일정 처리 시간 후에 화학약액을 제거하기 위한 린스액으로 순수가 공급되며, 순수로 세척된 기판을 건조하기 위하여 IPA 등의 건조용 유체가 공급되어 순수를 치환하게 된다. 이런 과정에서 회전척은 필요에 따라 공급 단계에서 유체를 기판에 퍼트리기 위해 혹은 유체를 기판 표면에서 제거하기 위해 가동될 수 있다.
IPA가 웨이퍼 표면에 공급되어 순수를 치환한 상태에서 노즐 부재(120)의 노즐 축(125)이 회전하여 노즐(121)은 웨이퍼 상부에서 다른 대기 장소로 이동하고, 반전파지부(150)가 웨이퍼 측방에서 접근하여 도5 및 도6에 도시된 것과 같이 웨이퍼 측부를 파지하게 된다.
파지부(151)가 웨이퍼(10)를 파지할 때에는 웨이퍼 표면에 파지부가 바로 닿을 경우, 웨이퍼 표면의 형성막과의 접촉에 의해 파티클이 발생하거나 표면의 기존 막이나 패턴이 훼손되는 문제가 생길 수 있으므로, 파지부(151)는 웨이퍼(10) 주변부에만 닿게 되며, 웨이퍼 주변부(10a)는 미리 폴리싱 등의 작업을 통해 이 부분에서 공정막을 제거하여 파티클이 발생하는 것을 방지하고 있다.
또한, 웨이퍼를 안정적으로 파지하기 위해 파지부(151)는 웨이퍼와 원주의 매우 많은 부분을 둘러가면서 직접 닿아 웨이퍼 주변부를 파지하게 되며, 웨이퍼 주변부(10a)의 에지 커팅 부분을 상하로 감싸면서 웨이퍼를 파지하게 된다.
여기서 도시되지 않지만 파지부(151) 내면에는 합성수지로 이루어진 신축성을 가진 완충성 소재가 웨이퍼와 닿는 부분에 설치되어 웨이퍼를 잡을 때 약간의 유격이 있어도 안정적으로 웨이퍼를 잡을 수 있고, 파지시 웨이퍼에 전달되는 충격을 완화하도록 할 수 있다.
반전파지부(150)에서는 한 쌍의 파지부(151)가 약간 벌어진 상태에서 회전관절(155) 중심으로 회전하여 서로 접근하면서 웨이퍼의 주변부에 닿아 약간의 압력으로 웨이퍼를 파지하게 된다.
반전파지부(150)가 웨이퍼를 파지한 상태에서 지지 부재(10)는 웨이퍼와 이격되어 아래로 이동하여 웨이퍼가 반전할 공간을 형성하고, 이 상태에서 반전파지부의 반전부(153)가 구동되어 웨이퍼의 상하 반전이 이루어진다.
이로써 웨이퍼 표면은 아래를 향하게 된다.
건조 부재(150)의 건조부 축 구동기(147)가 건조부 축(145)을 상승 및 회전시켜 상부파지부(141)가 현재 위를 향하는 웨이퍼 이면에 접근하게 된다. 상부파지부(141)에 진공이 인가되어 진공척의 역할을 하면서 상부파지부하면은 웨이퍼 이면에 밀착하게 된다.
이 상태에서 반전파지부는 웨이퍼를 파지할 때와 반대 과정을 통해 웨이퍼를 놓고, 자신의 대기 장소로 이동하게 된다. 그리고, 건조 부재(150)의 상부구동부(143)이 상부파지부(141)를 회전시켜 웨이퍼가 회전하면서 스핀 건조가 이루어지도록 한다. 도시되지 않지만 건조용 유체를 증발시키기 위한 고온 질소 공급장치 혹은 가열장치가 동작하여 기판 표면의 건조용 유체를 제거를 돕게 할 수 있다.
스핀 건조시 웨이퍼에 형성된 고어스펙트 비를 가진 패턴들은 기판에 매달려 있는 형태가 되며, 공정 과정에서 다소 경사진 상태로 일시적으로 변형되어도 중력과 고체 탄성에 의해 원래의 수직한 형태 및 위치로 복원되고 유지될 수 있다.
일단 건조가 이루어지면 별도의 이송장치가 상부파지부로부터 웨이퍼를 받아 후속 공정을 위해 인출하거나, 반전파지부(150)가 웨이퍼를 파지하여 후속 공정을 위해 반출하는 동작이 이루어질 수 있고, 기존 웨이퍼의 동작을 거꾸로 하여 지지 플레이트(111) 위에 웨이퍼를 놓은 후, 기존에 외부로부터 지지 플레이트 위로 웨이퍼를 이송해왔던 이송 장치를 통해 웨이퍼를 외부로 반출하는 것도 가능하다.
그리고, 이때 웨이퍼는 뒤집힌 상태 그대로 외부에 반출되어 베이킹, 어닐링, 확산과 같은 열을 수반하는 공정 혹은 화학기상증착과 같은 후속 공정도 뒤집힌 상태로 진행할 수 있고, 혹은 정상적으로 기판 표면이 위를 향하는 상태가 되어 후속공정으로 옮겨져 정위로 후속 공정이 진행되도록 할 수도 있다.
기판을 뒤집힌 상태에서 공정 처리한 뒤 다시 뒤집어 표면이 위를 향하는 정상 상태로 옮겨올 때에는 다시 뒤집기 전에 고어스펙트비 패턴이 드러난 상태에서 패턴 위로 기계적 강도 보강을 위한 박막 코팅작업이 더 진행된 뒤 뒤집는 작업을 하여 후속 공정을 진행하도록 할 수 있다.
코팅되는 박막은 패턴과 같은 도전성 재료나 혹은 유전막이 될 수 있고, 바람직하게는 패턴 굴곡에 따라 그대로 패턴 사이의 빈 공간을 채울 수 있는 막을 그러한 성격을 가지는 박막 형성 공정을 통해 진행하는 것이 바람직하다.
이런 구성에 따르면 종래와 달리 패턴 사이의 접촉 및 변형, 고착화가 줄어들 수 있기 때문에 종래에 공정 과정에서 요구되지만 불량 위험 때문에 하지 못했던 공정 구성이나 장치 구성이 더 이루어지는 것도 가능하며, 이런 경우, 다른 불량 원인들을 제거하는 데 이용될 수 있다.
가령, 건조 과정에서 기판 스핀 동작에 더하여 기판 표면에 불활성기체를 불어주면서 건조를 돕는 구성이 더 포함될 수 있고, 기계적 동작에서 진동을 최소화하기 위해 느리고 매우 정교하게 움직이던 것을 다소 빠르고 덜 정교하게 실시하는 것도 가능하므로 기계적 설비의 비용도 더 줄일 여지가 생기게 된다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10, W, S: 웨이퍼 20: 패턴
110: 지지 부재 111: 지지 플레이트
112: 회전축 114: 회전 구동기
117, 119: 정전 발생기 120: 노즐 부재
121: 노즐 124: 노즐 바
125: 노즐 축 127: 노즐 축 구동기
130: 회수 부재 140: 건조 부재
141: 상부파지부 143: 상부구동부
145: 건조부 바 147: 건조부 축 구동기
150: 반전파지부 151: 파지부
153: 반전부 155: 회전관절

Claims (6)

  1. 반도체기판에 패턴을 형성하는 단계와,
    반도체기판을 중력 방향을 기준으로 거꾸로 뒤집어 거치한 상태에서 후속 공정을 진행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체장치 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    반도체 기판에 패턴을 형성하는 단계 뒤에는 습식 공정 단계가 이루어지고,
    상기 후속 공정은 상기 습식 공정에 이은 건조 공정이나 기판에 열을 전달하면서 이루어지는 열 공정인 것을 특징으로 하는 반도체장치 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 공정은 어닐링공정, 베이킹공정, 디퓨젼공정 가운데 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 후속 공정은 상기 패턴 표면에 기계적 강도를 증가시키는 코팅 박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴은 반도체장치 구성에 있어서 도전체로 기능하는 도전성 패턴으로 어스펙트비가 50 이상인 고어스펙트비를 가진 패턴임을 특징으로 하는 반도체장치 제조방법
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴은 반도체장치 구성에 있어서 도전체로 기능하는 도전성 패턴이며,
    상기 반도체장치는 임계치수(CD: critical dimension) 30nm 이하 수준의 디자인룰이 적용되는 디램인 것을 특징으로 하는 반도체장치 제조방법.
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