KR100399971B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공정이 복잡해지는 것 없이 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은 수광소자를 포함하는 화소가 형성되고, 그 상부에 제 1 층간절연막이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 제 1 층간절연막 상에 수광소자를 둘러싸도록 금속배선을 형성함과 동시에 금속배선과 소정간격 이격되도록 더미 금속패턴을 형성하는 단계; 금속배선 및 더미 금속패턴의 토폴로지를 유지하여 수광소자 상부에서 소정의 홈이 생성되도록 기판 상에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계; 홈에 매립되도록 제 2 층간절연막 상에 SOG막을 형성하는 단계; SOG막을 제 2 층간절연막의 표면이 노출되도록 마스크 없이 전면 식각하여 홈에 매립된 SOG막의 표면에 오목부를 형성하는 단계; 오목부의 형태가 유지되도록 기판 전면 상에 제 3 층간절연막 및 패시배이션막을 순차적으로 형성하는 단계; 패시배이션막 상부에 평탄화막을 형성하여 기판의 표면을 평탄화하는 단계; 및 평탄화막 상부에 볼록형 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 패시배이션막은 평탄화막보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 형성한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 기술에 관한 것으로, 특히 오목형 마이크로 렌즈를 적용하여 광감도를 향상시킬 수 있는 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.
도 1은 상술한 마이크로 렌즈 기술을 적용한 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도로서, 도 1을 참조하여 그 제조방법을 설명한다.
먼저, 실리콘과 같은 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(11)을 형성하고, 포토다이오드와 같은 수광소자(12)를 포함하는 화소를 형성한다. 그 다음, 층간절연막(13)을 형성하고, 층간 절연막(13) 상에 금속배선(14)을 형성한다. 그 후, 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 패시배이션막(15)을 형성하고, 패시배이션막(15) 상부에 평탄화막(16)을 형성하여 표면을 평탄화한 다음, 광집속을 위하여 수광소자(12) 상의 평탄화막(16) 상부에 볼록형 마이크로 렌즈(17)를 형성한다.
그러나, 상술한 종래의 이미지 센서에 있어서는, 볼록형 마이크로 렌즈(17)에서 굴절되어 비스듬히 입사하는 빛 중에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수광소자(12)를 벗어나는 빛이 발생하여 광감도가 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 미국특허 제 5,593,913호에서 Aoki가 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(17) 하부의 패시배이션막(15)과 평탄화막(16) 사이에 상부층인 평탄화막(16) 보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 오목형 마이크로 렌즈(100)를 형성하여 빛의 일탈을 방지하는 기술을 제안하였다.
그러나, 상기 Aoki가 제안한 오목형 마이크로 렌즈 형성 기술은, 빛의 일탈을 방지하여 광감도를 향상시킬 수는 있으나, 평탄화막(16) 보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 소정의 막을 형성한 후, 오목부를 형성하기 위하여 별도의 마스크 공정을 부가해야 하므로 공정이 복잡해지는 단점을 갖는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 볼록형 마이크로 렌즈 하부에 새로운 오목형 마이크로 렌즈를 적용하여 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 이미지 센서를 공정이 복잡해지는 것 없이 제조할 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 볼록형 마이크로 렌즈가 적용된 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2는 오목형 마이크로 렌즈가 적용된 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속배선 및 더미 금속패턴을 나타낸 평면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 반도체 기판 31 : 필드 절연막
32 : 수광소자 33, 35, 37 : 층간절연막
34 : 금속배선 34A : 더미 금속패턴
36 : SOG막 38 : 패시배이션막
39 : 평탄화막 40 : 볼록형 마이크로 렌즈
200 : 오목부
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서는 수광소자를 포함하는 화소가 형성된 반도체 기판; 기판 상에 형성된 제 1 층간절연막; 제 1 층간절연막 상에 형성된 금속배선 및 더미 금속패턴; 금속배선 및 더미 금속패턴의 토폴로지를 유지하면서 제 1 층간절연막, 금속배선 및 더미 금속패턴 상부에 형성되고, 수광소자 상부에서 소정의 홈을 구비하는 제 2 층간절연막; 홈 내에만 매립되고 그 표면에 오목부가 형성된 SOG막; 오목부 형태를 유지하면서 제 2 층간절연막 및 SOG막 상부에 순차적으로 형성된 제 3 층간절연막 및 패시배이션막; 패시배이션막 상부에 형성된 평탄화막; 및 평탄화막 상부에 형성된 볼록형 마이크로 렌즈를 포함한다.
바람직하게, 금속배선 및 더미 금속패턴은 제 1 층간절연막 상부에서 수광소자를 둘러싸도록 배치되고, 패시배이션막은 평탄화막보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 이루어진다.
또한, 상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은 수광소자를 포함하는 화소가 형성되고, 그 상부에 제 1 층간절연막이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계; 제 1 층간절연막 상에 금속배선을 형성함과 동시에 금속배선과 소정간격 이격되도록 더미 금속패턴을 형성하는 단계; 금속배선 및 더미 금속패턴의 토폴로지를 유지하여 수광소자 상부에서 소정의 홈이 생성되도록 기판 상에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계; 홈에 매립되도록 제 2 층간절연막 상에 SOG막을 형성하는 단계; SOG막을 제 2 층간절연막의 표면이 노출되도록 마스크 없이 전면 식각하여 홈에 매립된 SOG막의 표면에 오목부를 형성하는 단계; 오목부의 형태가 유지되도록 기판 전면 상에 제 3 층간절연막 및 패시배이션막을 순차적으로 형성하는 단계; 패시배이션막 상부에 평탄화막을 형성하여 기판의 표면을 평탄화하는 단계; 및 평탄화막 상부에 볼록형 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 금속배선 및 상기 더미 금속패턴은 제 1 층간절연막 상에서 수광소자를 둘러싸도록 형성하고, SOG막의 전면식각은 에치백 공정을 이용하여 과도식각으로 수행하며, 패시배이션막은 평탄화막보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 형성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속배선과 더미 금속패턴을 나타낸 평면도이다.
도 3a를 참조하면, 실리콘과 같은 반도체 기판(30) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(31)을 형성하고, 포토다이오드와 같은 수광소자(32)를 포함하는 화소를 형성한다. 그 다음, 기판 전면 상에 제 1 층간절연막(33)을 형성하고, 제 1 층간절연막(33) 상에 금속배선(34)을 형성함과 동시에, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속배선(34)을 제외한 영역에 금속배선(34)과 소정간격 이격되도록 더미 금속패턴(34A)을 형성한다. 이에 따라, 수광소자(32)가 제 1 층간절연막(33) 상부에서 금속배선(34) 및 더미 금속패턴(34A)에 의해 둘러싸이는 형태가 된다.
도 3b를 참조하면, 도 3a의 구조 상에 금속배선(34) 및 더미 금속패턴(34B; 도 4 참조)의 토폴로지가 유지되도록 제 2 층간절연막(35)을 형성하여, 수광소자(32) 상부의 제 2 층간절연막(35)에 소정의 홈이 생성되도록 한다. 그 다음, 상기 홈에 매립되도록 제 2 층간절연막(35) 상에 SOG막(36)을 도포하고, 큐어링(curing)을 수행하여 SOG막을 플로우(flow)시켜 SOG막(36)의 표면을 평탄화한다. 이때, 도시되지는 않았지만, 표면 평탄화에 의해, SOG막(36)은 금속배선(34B)의 상부보다 상기 홈 상부에서 더 두꺼운 두께를 갖는다. 그 다음, 이 평탄화된 SOG막(36)을 마스크 없이 전면 식각하여 제 2 층간절연막(35)의 표면을 노출시킴과 동시에 상기 홈 내에만 SOG막(36)이 남도록 한다. 이때, 전면식각을 과도식각(over-etching)으로 수행함에 따라, 제 2 층간절연막(35)의 표면 일부가 제거되고, 도 3b에 도시된 바와 같이, SOG막(36)의 표면에는 소정의 오목부(200)가 형성된다. 바람직하게, 전면식각은 에치백(etch-back) 공정으로 수행한다.
그리고 나서, 기판 전면 상에 상기 오목부(200)의 형태가 유지되도록 제 3 층간절연막(37) 및 패시배이션막(38)을 순차적으로 형성한다. 여기서, 패시배이션막(38)은 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하는 보호막으로서 작용할 뿐만 아니라, 이후 상부에 형성되는 평탄화막보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 이루어져서,표면에 유지된 오목부(200)에 의해 소정의 오목형 마이크로 렌즈로서 작용함으로써, 이후 형성되는 볼록형 마이크로 렌즈에서 굴절되는 빛을 집광하여 수광소자(32)로 입사되도록 한다.
그 후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 패시배이션막(38) 상부에 평탄화막(39)을 형성하여 표면을 평탄화한 다음, 광집속을 위하여 수광소자(32) 상의 평탄화막(39) 상부에 볼록형 마이크로 렌즈(40)을 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, SOG막의 식각특성을 이용하여 별도의 마스크 공정 없이 수광소자 상부의 볼록형 마이크로 렌즈 하부에 오목형 마이크로 렌즈를 용이하게 적용함으로써, 공정이 복잡해지는 것 없이 광감도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
전술한 본 발명은 공정을 복잡화하지 않으면서 이미지 센서의 광감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (8)
- 수광소자를 포함하는 화소가 형성된 반도체 기판;상기 기판 상에 형성된 제 1 층간절연막;상기 제 1 층간절연막 상에 형성된 금속배선 및 더미 금속패턴;상기 금속배선 및 상기 더미 금속패턴의 토폴로지를 유지하면서 상기 제 1 층간절연막, 상기 금속배선 및 더미 금속패턴 상부에 형성되고, 상기 수광소자 상부에서 소정의 홈을 구비하는 제 2 층간절연막;상기 홈 내에만 매립되고 그 표면에 오목부가 형성된 SOG막;상기 오목부 형태를 유지하면서 상기 제 2 층간절연막 및 상기 SOG막 상부에 순차적으로 형성된 제 3 층간절연막 및 패시배이션막;상기 패시배이션막 상부에 형성된 평탄화막; 및상기 평탄화막 상부에 형성된 볼록형 마이크로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속배선 및 상기 더미 금속패턴은 상기 제 1 층간절연막 상부에서 상기 수광소자를 둘러싸도록 배치된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 패시배이션막은 상기 평탄화막보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 수광소자를 포함하는 화소가 형성되고, 그 상부에 제 1 층간절연막이 형성된 반도체 기판을 준비하는 단계;상기 제 1 층간절연막 상에 금속배선을 형성함과 동시에 상기 금속배선과 소정간격 이격되도록 더미 금속패턴을 형성하는 단계;상기 금속배선 및 상기 더미 금속패턴의 토폴로지를 유지하여 상기 수광소자 상부에서 소정의 홈이 생성되도록 상기 기판 상에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계;상기 홈에 매립되도록 상기 제 2 층간절연막 상에 SOG막을 형성하는 단계;상기 SOG막을 상기 제 2 층간절연막의 표면이 노출되도록 마스크 없이 전면 식각하여 상기 홈에 매립된 상기 SOG막의 표면에 오목부를 형성하는 단계;상기 오목부의 형태가 유지되도록 상기 기판 전면 상에 제 3 층간절연막 및 패시배이션막을 순차적으로 형성하는 단계;상기 패시배이션막 상부에 평탄화막을 형성하여 상기 기판의 표면을 평탄화하는 단계; 및상기 평탄화막 상부에 볼록형 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 금속배선 및 상기 더미 금속패턴은 상기 제 1 층간절연막 상에서 상기 수광소자를 둘러싸도록 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 SOG막의 전면식각은 과도식각으로 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 전면식각은 에치백 공정으로 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 패시배이션막은 상기 평탄화막보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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