KR100399937B1 - 광감도 개선을 위한 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

광감도 개선을 위한 이미지 센서의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공정 단순화를 적용하면서, 마이크로 렌즈 사이의 수광 사각지대에서 입사되는 빛의 반사를 낮추어 광감도를 개선할 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은 수광영역을 포함하는 화소가 형성되고, 상부에 층간절연막 및 금속배선이 형성되어 있는 반도체 기판을 준비하는 단계; 기판 상에 제 1 산화막 및 질화막으로 이루어진 패시배이션막을 형성하는 단계; 수광영역의 가장자리 부분 상의 질화막을 식각하여, 질화막 내에 제 1 산화막의 일부를 노출시키는 홀을 형성하는 단계; 홀이 충전되도록 질화막 상에 제 2 산화막을 형성하는 단계; 제 2 산화막 상에 제 3 산화막을 형성하는 단계; 및 제 3 산화막 및 제 2 산화막과 질화막을 전면식각하여 홀에 제 2 산화막 플러그를 형성함과 동시에 질화막의 표면을 평탄화하는 단계; 수광영역 상에 위치한 질화막 및 플러그 상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 및 칼라필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 제 2 산화막은 고밀도 플라즈마 산화막으로 형성하고, 제 3 산화막은 TEOS 산화막으로 형성한다.

Description

광감도 개선을 위한 이미지 센서의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING IMAGE SENSOR TO IMPROVE SENSITIVITY}
본 발명은 이미지 센서 제조 기술에 관한 것으로, 특히 광감도 (sensitivity) 개선을 위한 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있다. 또한, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(fill factor)을 크게 하려는 노력을 진행하고 있으나, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감도를 높이기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 변경하여 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼러필터가 어레이되어 있으며, 이러한 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 일반적으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라필터로 이루어진다.
도 1은 상술한 마이크로 렌즈 형성 기술이 적용된 종래의 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 포토다이오드로 이루어진 수광영역을 포함하는 화소(미도시)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 절연막(11)이 형성되고, 절연막(11) 상에 제 1 및 제 2 금속배선(12A, 12B)이 제 1 및 제 2 층간절연막(13A, 13B)의 개재하에 비아홀(15)을 통하여 서로 콘택되어 형성된다. 제 1 금속배선(12A) 상의 제 1 층간절연막(13A) 상에는 기판 표면을 평탄화하기 위한 평탄화막(14)이 형성되어 있고, 제 1 및 제 2 층간절연막(13A, 13B)은 각각 두 층의 절연막(13A-1, 13A-2, 13B-1, 13B-2)으로 이루어져 있다. 제 2 층간절연막(13B) 상에는 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막(SiO2; 16A)과 질화막(Si3N4; 16B)으로 이루어진 패시배이션막(16)이 형성된다. 상기 수광영역 상의 패시배이션막(16) 상에는 이후 이미지 센서의 칼라 이미지 구현을 위하여 칼러필터(17)가 형성되고, 그 상부에 마이크로 렌즈(18)가 형성된다.
상술한 CMOS 이미지 센서에서는 공정을 단순화하기 위하여, 제 2 금속배선(12B)을 형성한 후 별도의 평탄화 공정을 수행하지 않는다. 그러나, 이처럼 평탄화 공정을 수행하지 않는 경우에는, 패시배이션막(16) 상부에 형성되는 칼라필터(17)의 두께가 불균일하게 되어, 평탄화 공정을 수행하는 경우에 비해 약 10% 정도 광감도가 저하되는 단점이 있다.
또한, 마이크로 렌즈(18)를 형성한 후 이를 보호하기 위하여, 도 1에 도시되지는 않았지만, 마이크로 렌즈(18) 상부에 마이크로 렌즈 보호막을 형성하는데, 이러한 보호막을 형성하기 위해서는 렌즈 사이에 보호막의 증착두께 만큼의 공간이 필요하다. 그러나, 이러한 렌즈와 렌즈 사이의 공간은 수광 사각지대로 작용하여, 입사된 빛이 이미 형성된 렌즈에 의해 입사각의 제한을 받기 때문에 수광효율이 취약해진다. 즉, 입사되는 빛이 수직광인 경우에는 수광지역으로 조사될 수도 있으나 대부분이 그대로 반사될 확률이 높기 때문에, 결국 광감도가 열화되는 문제가야기되며, 이러한 문제는 평탄화 공정을 수행하는 경우에도 동일하게 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공정 단순화를 적용하면서, 마이크로 렌즈 사이의 수광 사각지대에서 입사되는 빛의 반사를 낮추어 광감도를 개선할 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 반도체 기판 21 : 절연막
22A, 22B : 금속배선 23A, 23B : 층간절연막
24 : 평탄화막 25 : 비아홀
26 : 패시배이션막 26A, 29, 30 : 산화막
26B : 질화막 27 : 포토레지스트막
28 : 홀 29A : 플러그
31 : 칼라필터 32 : 마이크로 렌즈
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은 수광영역을 포함하는 화소가 형성되고, 상부에 층간절연막 및 금속배선이 형성되어 있는 반도체 기판을 준비하는 단계; 기판 상에 제 1 산화막 및 질화막으로 이루어진 패시배이션막을 형성하는 단계; 수광영역의 가장자리 부분 상의 질화막을 식각하여, 질화막 내에 제 1 산화막의 일부를 노출시키는 홀을 형성하는 단계; 홀이 충전되도록 질화막 상에 제 2 산화막을 형성하는 단계; 제 2 산화막 상에 제 3 산화막을 형성하는 단계; 및 제 3 산화막 및 제 2 산화막과 질화막을 전면식각하여 홀에 제 2 산화막 플러그를 형성함과 동시에 질화막의 표면을 평탄화하는 단계; 수광영역 상에 위치한 질화막 및 플러그 상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 및 칼라필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 제 2 산화막은 고밀도 플라즈마 산화막으로 형성하고, 제 3 산화막은 TEOS 산화막으로 형성한다. 또한, 전면식각은 화학기계연마로 수행한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 포토다이오드로 이루어진 수광영역을 포함하는 화소(미도시)가 형성된 반도체 기판(20) 상에 절연막(21)을 형성하고, 절연막(21) 상에 제 1 금속배선(22A)을 형성하고, 두 층의 절연막(23A-1, 23A-2)으로 이루어진 제 1 층간절연막(23A)을 형성한다. 그 다음, 기판의 표면을 평탄화하기 위하여 기판 전면 상에 평탄화막(24)을 형성하고, 제 1 금속배선(22A)의 일부가 노출되도록 평탄화막(24) 및 제 1 층간절연막(23B-1)을 식각하여 비아홀(25)을 형성한다.
그리고 나서, 비아홀(25)이 충전되도록 평탄화막(24) 상에 금속층을 증착하고 패터닝하여 제 1 금속배선(22A)과 콘택하는 제 2 금속배선(22B)을 형성하고, 두 층의 절연막(23B-1, 23B-2)으로 이루어진 제 2 층간절연막(23B)을 형성한다. 그 후, 제 2 층간절연막(23B) 상에 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 제 1 산화막(SiO2; 26A)과 질화막(Si3N4; 26B)으로 이루어진 패시배이션막(26)을 형성한 다음, 상기 수광영역의 가장자리 부분 상의 질화막(26B)이 노출되도록 패시배이션막(26) 상부에 포토레지스트막(27)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 포토레지스트막(27)을 식각 마스크로하여 노출된 질화막(26B)을 식각하여, 질화막(26B) 하부의 제 1 산화막(26A)의 일부를 노출시키는 홀(28)을 형성한다. 그리고 나서, 공지된 방법으로 포토레지스트막(27)을 제거하고, 도 2c에 도시된 바와 같이, 홀(28)이 충전되도록 질화막(26B) 상에 질화막(26B)과 굴절률이 다른 제 2 산화막(29)을 형성하고, 그 상부에 제 3 산화막(30)을 형성한다. 바람직하게, 제 2 산화막(29)은 고밀도 플라즈마(HDP; high density plasma) 산화막(SiO2)으로 형성하고, 제 3 산화막은 TEOS 산화막(SiO2)으로 형성한다.
그 다음, 제 3 및 제 2 산화막(30, 29)과, 질화막(26B)의 표면을 전면식각하여, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 수광영역의 가장자리 부분의 질화막(26B) 내부, 즉 홀(28)에 제 2 산화막 플러그(29A)를 형성함과 동시에 질화막(26B)의 표면을 평탄화시킨다. 바람직하게, 전면식각은 화학기계연마(CMP; chemical mechanical polishing)로 수행하며, 이때 연마공정은 산화막과 질화막의 선택적 연마에 의해서 조절이 가능하므로, 공정 진행의 전체 균일도가 향상된다. 또한, 수광영역의 가장자리 부분 상의 패시배이션막(26)을 질화막(26B)과 굴절율이 다른 제 2 산화막으로 형성하기 때문에, 이후 형성되는 렌즈와 렌즈 사이의 공간인 수광 사각지대에서 입사되는 빛의 반사가 감소되어 수광영역에 입사되는 빛의 양이 증가된다.
그 후, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 수광영역 상에 위치한 질화막(26B) 및 제 2 산화막 플러그(29A0 상부에 칼라필터(31)를 형성하고, 칼라필터(31) 상에 마이크로 렌즈(32)를 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 수광영역의 가장자리 부분 상의 패시배이션막에 질화막과 굴절율이 다른 산화막을 플러그로 형성함으로써 렌즈와 렌즈 사이의 공간인 수광 사각지대에서 입사되는 빛의 반사가 감소되어 수광영역에 입사되는 빛의 양이 증가되므로 이미지 센서의 광감도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 산화막 플러그 형성을 위한 연마 공정시 패시배이션막의 표면을 평탄화하기 때문에, 제 2 금속배선의 형성 후 별도의 평탄화 공정을 수행하지 않는 공정 단순화를 적용할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
전술한 본 발명은 마이크로 렌즈 사이의 수광 사각지대에서 입사되는 빛의 반사를 낮추어 광감도를 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 수광영역을 포함하는 화소가 형성되고, 상부에 층간절연막 및 금속배선이 형성되어 있는 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 제 1 산화막 및 질화막으로 이루어진 패시배이션막을 형성하는 단계;
    상기 수광영역의 가장자리 부분 상의 상기 질화막을 식각하여, 상기 질화막 내에 상기 제 1 산화막의 일부를 노출시키는 홀을 형성하는 단계;
    상기 홀에만 상기 질화막과 굴절률이 다른 제 2 산화막을 충전시켜 제 2 산화막 플러그를 형성하는 단계;
    상기 수광영역 상에 위치한 상기 질화막 및 상기 플러그 상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 및
    상기 칼라필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플러그를 형성하는 단계는 상기 홀이 충전되도록 상기 질화막 상에 상기 제 2 산화막을 형성하는 단계;
    상기 제 2 산화막 상에 제 3 산화막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 3 산화막 및 제 2 산화막과 상기 질화막을 전면 식각하여 상기 홀에 제 2 산화막 플러그를 형성함과 동시에 상기 질화막의 표면을 평탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 산화막은 고밀도 플라즈마 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 산화막은 TEOS 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전면식각은 화학기계연마로 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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