KR100533166B1 - 마이크로렌즈 보호용 저온산화막을 갖는 씨모스이미지센서및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패드 금속의 부식, 손상 오염을 방지하여 제품 수율 저하를 억제하는데 적합하며 마이크로렌즈 상의 불순물 제거 용이함 및 마이크로렌즈의 프로파일 변형을 억제하여 제품 수율 증대를 가져오는데 적합한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 CMOS 이미지센서 제조방법은, 소자 보호를 위한 보호막을 금속배선 공정이 완료된 기판 상에 형성하는 단계; 상기 보호막 상에 칼라필터어레이를 형성하는 단계; 상기 칼라필터어레이가 형성된 기판 상에 평탄화를 위한 포토레지스트를 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 마이크로렌즈상에 저온산화막을 형성하는 단계; 패드 부위가 오픈된 패드마스크를 형성하고 상기 저온산화막 및 상기 보호막을 식각하여 상기 금속배선의 일부가 드러나는 패드오프부를 형성하는 단계; 및 상기 패드마스크를 제거하고 세정한 후 패키지를 실시하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

마이크로렌즈 보호용 저온산화막을 갖는 씨모스이미지센서 및 그 제조방법{CMOS image sensor having low temperature oxide for protecting microlens and method for fabricating the same}

본 발명은 이미지센서(Image sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 씨모스(CMOS) 기술에 의해 제조되는 이미지센서(이하 간단히 "CMOS 이미지센서"라 칭함) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상 CMOS 이미지센서 제조 공정에서, 금속배선 형성을 완료한 후 소자를 외부의 수분 및 스크래치(scratch)로부터 보호하기 위하여 보호막(passivation layer)를 형성하고, 패드(pad) 오픈 공정 수행 후 상기 보호막 상에 칼라필터(color filter) 어레이를 형성하게 된다.

칼라필터 어레이를 위한 종래기술을 도1a 내지 도1d를 통해 살펴본다.

도1a는 이미지센서의 단위화소 부분(100)과 패드 오픈이 수행되는 부분(150)을 함께 도시한 상태로서, 제2금속배선(101)이 완료된 기판 상에 보호막으로서 산화막(103)과 질화막(104)이 적층되어 있다. 제2금속배선(101)은 잘 알려진 바와 같이 그 표면에 예컨대 티타늄질화막과 같은 비반사층(102)을 약 300Å의 두께로 구비할 수도 있다. 제2금속배선(101)의 하부 구조, 특히 베리드포토다이오드(BPD), 트랜스퍼게이트, 리셋게이트, 드라이버게이트, 및 셀렉트게이트 등으로 구성되는 단위화소의 구조를 제조하는 방법은 본 출원인에 의해 지난 1998년 2월 28일자에 출원된(출원번호 : 98-6687) 바 있다.

이어서, 도1b는 마스크 및 식각 공정을 수행하여, 이후 패키지 공정시 와이어 본딩이 이루어질 금속을 노출시키기 위한 패드오픈부(105)를 형성한 상태로서, 질화막(104), 산화막(103) 및 비반사층(102)이 식각되어 제2금속배선(101)의 일부영역이 노출되어 있다.

이어서, 단위화소의 광감지영역인 베리드포토다이오드의 상부지역에 3원색의 칼라필터어레이를 형성하여야 하는데, 종래에는 도1c에 도시된 바와 같이, 도1b 구조의 상부에 레드(Red)칼라필터물질(106)로써 염색된 포토레지스터(Dyed Photoresistor)를 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 광감지영역 상에만 레드칼라필터(106a)를 형성하게 된다. 이때 패드오픈부(105)를 매립하였던 레드칼라필터물질(106b)은 현상 공정시 제거된다. 이후 레드칼라필터(106a)가 이후 마스크 공정에서 모양 무너짐이 없도록 하기 위해 실리콘화 하기 위한 열처리를 145∼150℃에서 실시한다. 계속해서, 동일한 방법으로 다른 단위화소의 광감지영역에 블루(Blue)칼라필터를 패터닝하기 위하여, 앞서 설명한 동일한 방법으로 블루칼라필터(도면에 도시되지 않음)가 패터닝되고, 또한 이후 다시 동일한 방법으로 그린(Green)칼라필터(도면에 도시되지 않음)가 패터닝된다.

한편, 레드칼라필터, 블루칼라필터 및 그린칼라필터를 각각 패터닝할 때 다른점은 현상 용액에 담그는 횟수, 즉 현상시간이 레드 공정보다 블루 공정이 3배정도 길고 그린 공정은 7배정도 길다는 것이다. 따라서 점차 패드 금속 표면이 이 현상 용액에 의해 산화(부식)되는 시간은 길어지며 레드, 블루, 그린 포토레지스트와 반응하면서 부식이 점차 가속화 된다.

이로 인해 도1d와 같이 패드 금속 표면(107)은 저항이 높은 산화막(108)으로 덮히게 되고, 패키지 할 때 이 산화막(108)은 금속 볼(ball)의 콘택을 저해하는 요인이 된다. 실제 실험 결과 칼라필터 형성 과정을 거친 소자가 칼라필터를 형성하기 전의 소자 보다 전극 저항이 2배정도 높았다. 뿐만 아니라 패드 금속 표면의 분석 결과 패드 금속 표면에 칼라필터 형성 과정을 거친 소자가 산소 성분이 더 많이 검출되고 또한 패드 금속 내부로 산소 성분이 침투한 깊이도 3배정도 높은 것으로 나타났다. 이 원인은 패드 금속이 칼라필터 형성 과정에서 노출되어 포토레지스트와 현상 용액 속에 녹아 있는 산소와 반응하기 때문인 것이다.

한편, 칼라필터물질을 현상한 다음에 찌꺼기(Scum)가 종종 남게되는데, 이 경우 플라즈마 방법으로 제거하게 되면 패드오픈부의 금속표면의 결정 구조가 더욱 약해져 금속(예컨대 알루미늄)의 산화정도가 더 심화되는 역효과를 가져온다.

그리고, 금속표면에 형성된 산화막(108)은 금속이 알루미늄일 경우 산화알루미늄으로서 생성되는데 이 산화알루미늄은 제거하기가 매우 어렵다. 즉, 플라즈마에 선택식각비가 매우 커서 식각이 잘 안되기 때문에 어쩔 수 없이 남게되어 패키지시 전극 금속과 접촉을 불안정하게 한다.

본 출원인은 상기한 바와 같은 칼라필터어레이 공정시 금속 패드의 표면이 산화되거나 손상되는 문제점을 해결하기 위하여 캡(Cap) 산화막을 적용하는 기술을 제안(특허출원 98-25237)한 바 있다. 도2a 내지 도2d는 캡 산화막을 적용하는 개선된 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서 제조공정도로서, 설명의 이해를 돕기 위해 이미지센서의 단위화소 부분과 패드 오픈이 수행되는 부분이 함께 도시되어 있다.

먼저, 도2a는 제2금속배선(201) 공정까지 완료한 다음, 보호막으로서 산화막(203)과 질화막(204)을 적층하고, 질화막(204) 및 산화막(203)을 선택식각하여 패드오픈부(205)를 형성한 다음, 칼라필터물질를 도포하기 전에 PECVD 방법으로 TEOS 산화막(200)을 400∼1,000Å 정도 증착한 상태이다. 이 TEOS 산화막(200)이 칼라필터물질과 현상 용액으로부터 패드오픈부에 의해 노출된 금속표면을 보호하는 캡 산화막이 된다. 제2금속배선(201)은 그 표면에 예컨대 티타늄질화막과 같은 비반사층(202)을 구비하고 있다.

도2a에 이어서, 도2b에 도시된 바와 같이, 레드칼라필터물질(206)을 도포한 다음, 마스크를 사용한 선택적 노광(Exposure)을 하고 현상(Develop)을 실시하여 광감지영역 상에만 레드칼라필터(206a)를 형성한다. 이때 패드오픈부(205)를 매립하였던 레드칼라필터물질(206b)은 현상 공정시 제거된다. 여기서, 종래와는 다르게 패드오픈부(205)에는 금속표면을 덮은 TEOS 산화막(200)이 존재하기 때문에 칼라필터물질이나 현상용액에 있는 산소나 수소에 닿지 않게 되어, 패드오픈부(205)의 금속표면은 산화되지 않는다.

한편, 도2c에 도시된 바와 같이, 깨끗이 현상되지 않고 레드칼라필터물질이 잔류하는 경우가 종종 발생되는데, 이 경우 플라즈마를 이용한 전면 식각을 통해 레드칼라필터물질의 잔류물(207)을 제거한다. 역시 이때에도 패드오픈부 내의 금속표면은 TEOS 산화막(200)에 의해 보호되고 있으므로 패드오픈부의 금속은 손상받지 않는다. 이후 레드칼라필터(206a)가 이후 마스크 공정에서 모양 무너짐이 없도록 하기 위해 실리콘화하기 위한 열처리를 145∼150℃에서 실시한다.

계속해서, 동일한 방법으로 다른 단위화소의 광감지영역 상부에 블루(Blue)칼라필터를 패터닝하고, 또한 이후 다시 동일한 방법으로 또다른 광감지영역 상부에 그린(Green)칼라필터를 패터닝한다.

이어서, 도2d는 평탄화 포토레지스트(208)을 형성한 후 TEOS 산화막(200)을 식각하여 패드오픈부(205)의 금속표면을 노출시킨 상태로서, TEOS 산화막(200)의 식각은 어레이되어 있는 칼라필터와 TEOS 산화막의 선택식각비를 설정함에 있어 TEOS 산화막의 식각률이 최대한 크게끔 처방을 하여 실시한다.

이후, 도2e와 같이 각 칼라필터 상에 마이크로렌즈(209)를 형성하고 마이크로렌즈 표백 공정을 실시한다. 여기서, 마이크로렌즈(209)의 재질은 역시 포토레지스트로서 그를 형성하는 공정에서 노광 및 현상 공정 등이 수반된다.

이와 같이, 개선된 종래기술에서는 캡 산화막에 의해 칼라필터 및 평탄화 포토레지스트 공정시 현상액에 의한 패드 부식 및 손상을 방지하고 있다.

그러나, 마이크로렌즈 형성시 현상액에 의한 패드 손상은 막을 수 없고 마이크로렌즈 상의 포토레지스트 찌꺼기에 의해 패드 오염의 원인이 되어 프로브 테스트(probe test)시 제품의 수율 저하 원인이 된다. 한편, 패드 손상 및 오염을 완전히 방지하기 위해서는 캡 산화막 식각을 마이크로렌즈 공정 후에 진행하면 상기 문제점을 해결할 수 있는데, 이럴 경우에는 캡 산화막 식각 공정시 마이크로렌즈의 반구형 형상이 변형되어 그의 고유기능인 광집적기능을 제대로 수행할 수 없고 수율 또한 급격하게 저하되는 문제점이 있게된다. 따라서, 어쩔수 없이 캡산화막 식각후 마이크로렌즈 형성 공정을 진행하고 있으며 이에 따라 앞서 언급한 바와 같은 문제점을 나타내게 된다.

또한, 마이크로렌즈는 유기물이기 때문에 패키지(package)시 마이크로렌즈 위에 파티클(particle) 등의 불순물이 쉽게 형성되고, 이 불순물을 잘 제거되지 않아 이 또한 제품의 수율 저하에 큰 원인을 제공한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 패드 금속의 부식, 손상 오염을 방지하여 제품 수율 저하를 억제하는데 적합한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 패키지 공정에서 마이크로렌즈 상의 불순물 제거 용이함 및 마이크로렌즈의 프로파일 변형을 억제하여 제품 수율 증대를 가져오는데 적합한 CMOS 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 CMOS 이미지센서 제조방법에 있어서, 소자 보호를 위한 보호막을 금속배선 공정이 완료된 기판 상에 형성하는 단계; 상기 보호막 상에 칼라필터어레이를 형성하는 단계; 상기 칼라필터어레이가 형성된 기판 상에 평탄화를 위한 포토레지스트를 형성하는 단계; 상기 포토레지스트 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 마이크로렌즈상에 저온산화막을 형성하는 단계; 패드 부위가 오픈된 패드마스크를 형성하고 상기 저온산화막 및 상기 보호막을 식각하여 상기 금속배선의 일부가 드러나는 패드오프부를 형성하는 단계; 및 상기 패드마스크를 제거하고 세정한 후 패키지를 실시하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 칼라필터어레이 공정, 평탄화 포토레지스트 공정, 마이크로렌즈 공정 등 포토레지스트를 사용하는 일련의 공정이 완료된 후 패드 오픈 공정을 진행하되, 이때 마이크로렌즈 형성 후 그 상부에 유기물인 저온산화막을 도포한 다음 패드 오픈 공정을 실시하는 것에 그 특징이 있다.

즉, 본 발명은 마이크로렌즈 형성 공정까지 완료된 후 저온산화막을 형성하고, 이후 패드 오픈 공정을 진행하므로써, 저온산화막에 의해 마이크로렌즈의 변형을 방지하는 동시에 패드 부식 및 손상을 방지하고, 더불어 이후의 패키지 공정시 저온산화막에 의해 패키지시의 불순물 제거 용이함을 가져다주는 작용효과를 구현하게 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.

도3a 내지 도3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지센서 제조 공정을 나타내는 것으로, 설명의 이해를 돕기 위해 이미지센서의 단위화소 부분(300)과 패드 오픈이 수행되는 부분(350)이 함께 도시되어 있다.

도3a를 참조하면, 통상의 방법으로 소자를 이루는 포토다이오드(BPD) 및 모스트랜지스터들을 형성하고 제2금속배선(301) 공정까지 완료한 다음, 외부의 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막으로서 산화막(303)과 질화막(304)을 적층한다. 제2금속배선(301)은 그 표면에 예컨대 티타늄질화막과 같은 비반사층(302)을 구비하고 있다. 상기 비반사층은 금속배선의 재료 등에 따라 물론 생략 가능하다.

이어서, 도3b에 도시된 바와 같이, 패드 오픈 공정의 수행 없이 도3a의 상태에서 바로 칼라필터어레이 공정을 수행하여 레드, 블루 및 그린 칼라필터(305)를 각기 형성한다. (도면에서는 어느 하나의 칼라필터만이 도시되어 있다)

상기 칼라필터어레이 공정은 종래기술에서도 언급한 바와같이, 염색된 포토레지스터(Dyed Photoresistor)를 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 레드 화소 지역의 광감지영역 상에만 영색된 포토레지스트 패턴을 형성하고 후속 마스크 공정에서 모양 무너짐이 없도록 하기 위해 실리콘화 하기 위한 열처리 공정이 수반된다. 그리고 계속해서 동일 공정으로 블루 및 그린 등의 칼라필터들이 형성되게 된다.

이어서, 도3b에 도시된 바와 같이 칼라필터어레이의 단차를 제거하기 위하여 단위화소 어레이 영역(300) 상부에 평탄화 포토레지스트(306)를 형성한다.

이어서, 도3c에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈(307)를 형성하고 마이크로렌즈 표백 공정을 실시한다. 여기서, 마이크로렌즈(307) 공정은 지금까지 제안된 모든 공정들이 적용 가능하다.

이어서, 도3d와 같이 결과물 전면에 약 150∼200℃의 저온으로 3000∼10000Å 두께의 저온산화막(308)을 도포한다. 도면에 도시된 바와 같이 저온산화막(308)은 마이로로렌즈(307) 상에서 마이크로렌즈(307)의 굴곡을 따라 일정두께로 형성된다.

이어서, 도3e에 도시된 바와 같이 패드마스크, 즉 패드 부위가 오픈된 포토레지스트패턴(309)을 형성하고, 노출된 저온산화막(308) 및 그 하부의 산화막/질화막(보호막)(303, 304)을 식각하여 패드오픈부(310)를 형성한다.

이후, 패드마스크 제거 및 세정 공정을 거친 후 패키지를 실시하여 이미지센서 칩 제조를 완료한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 패드금속층 표면을 오염시키거나 손상시킬 수 있는 칼라필터어레이 공정, 평탄화 포토레지스트 공정, 마이크로렌즈 공정 등이 진행된 후 저온산화막으로 마이크로렌즈를 보호한 상태에서 패드 오픈 공정이 진행되므로 오염이나 손상 없는 깨끗한 패드 표면을 확보할 수 있고, 불량한 패드 표면으로 인한 프로브 테스트시의 수율 불안정을 해소하여 수율 향상에 기여할 수 있다.

또한 종래의 공정 조건으로는 최상부층이 유기물인 마이크로렌즈이기 때문에 패키지 공정 진행중 그 위에 앉게되는 파티클(paticle)을 포함한 불순물의 제거가 용이하지 않아 제품 수율에 큰 악 영향을 주었으나, 본 발명에서는 마이크로렌즈 위에 무기물인 저온산화막을 도포하게 되므로 불순물 제거가 용이하게되어 패키지 수율 향상에도 상당부분 기여할 수 있다.

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 양호한 패드오픈부를 얻을 수 있고, 패키지 공정에서 발생될 수 있는 불순물 제거가 용이하여 수율 향상에 큰 효과를 가져다 준다.

도1a 내지 도1d는 종래기술에 따른 이미지센서 제조 공정도.

도2a 내지 도2d는 개선된 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서 제조 공정도.

도3a 내지 도3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지센서 제조 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

300 : 이미지센서의 단위화소 부분 350 : 패드 오픈이 수행되는 부분

301 : 제2금속배선 303 : 산화막

304 : 질화막 305 : 칼라필터

306 : 평탄화 포토레지스트 307 : 마이크로렌즈

308 : 저온산화막 309 : 패드마스크(포토레지스트패턴)

310 : 패드오픈부

Claims (4)

1. CMOS 이미지센서 제조방법에 있어서,

   소자 보호를 위한 보호막을 금속배선 공정이 완료된 기판 상에 형성하는 단계;

   상기 보호막 상에 칼라필터어레이를 형성하는 단계;

   상기 칼라필터어레이가 형성된 기판 상에 평탄화를 위한 포토레지스트를 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;

   상기 마이크로렌즈상에 상기 마이크로렌즈의 굴곡을 따라 일정두께로 150∼200℃의 온도에서 저온산화막을 형성하는 단계;

   패드 부위가 오픈된 패드마스크를 형성하고 상기 저온산화막 및 상기 보호막을 식각하여 상기 금속배선의 일부가 드러나는 패드오픈부를 형성하는 단계; 및

   상기 패드마스크를 제거하고 세정한 후 패키지를 실시하는 단계

   를 포함하여 이루어진 CMOS 이미지센서 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저온산화막을 3000∼10000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서 제조방법.
3. CMOS 이미지센서에 있어서,

   소자 보호를 위한 보호막 상에 형성된 칼라필터어레이;

   상기 칼라필터어레이 상에 형성된 평탄화 포토레지스트;

   상기 평탄화 포토레지스트 상에 형성된 마이크로렌즈; 및

   상기 마이크로렌즈의 변형 및 불순물 제거 용이함을 위하여 상기 마이크로렌즈 상에 상기 마이크로렌즈의 굴곡을 따라 일정두께로 형성된 무기질의 저온산화막

   을 포함하여 이루어진 CMOS 이미지센서.
4. 제3항에 있어서,

   상기 저온산화막은 3000∼10000Å 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지센서 제조방법.