KR100595329B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 특성 및 수율을 향상시키기 위한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상에 금속막 및 질화막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 질화막 및 금속막을 선택적으로 패터닝하여 상기 패드 영역상에 금속 패드를 형성하는 단계와, 상기 금속 패드를 포함한 상기 기판의 전면에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 질화막의 표면이 노출될 때까지 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계와, 상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 평탄화층상에 칼라필터층을 순차 형성하는 단계와, 상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 패드 오픈부에 노출된 질화막을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이미지 센서, 금속 패드, 평탄화층, 질화막, 패드 오픈부
Description
도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서의 1 화소의 등가회로도
도 2는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 1 화소의 레이아웃도
도 3a 내지 도 3e는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요 부분에 대한 설명
200 : 반도체 기판 201 : 절연막
202 : 금속 패드 203 : 질화막
204 : 보호막 205 : 감광막
206 : 패드 오픈부 207 : 제 1 평탄화층
208 : 칼라필터층 209 : 제 2 평탄화층
210 : 마이크로렌즈
본 발명은 CMOS 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 이미지 센서의 특성 및 수율을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변 환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으 로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 NMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 NMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 NMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 NMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 NMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다.
또한, 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 NMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다.
따라서, 상기 제 1 NMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 NMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개의 트랜지스터의 게이트 전극(120, 130, 140)이 형성된다.
즉, 상기 게이트 전극(120)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(130)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(140)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다.
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(120, 130, 140) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다.
따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.
상기에서 설명한 각 게이트 전극(120, 130, 140)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
이와 같이 패드를 구비한 각 신호 라인과 이 후에 진행되는 공정들에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3e는 종래의 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 액티브 영역과 패드 영역으로 정의된 반도 체 기판(100)에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(101)(예를 들면 산화막)을 형성하고, 상기 절연막(101)위의 패드 영역에 각 신호 라인의 금속 패드(102)를 형성한다.
이 때, 상기 금속 패드(102)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다.
한편, 이후 공정에서 상기 알루미늄으로 이루어진 금속 패드(102)의 부식 저항을 높이기 위해 상기 금속 패드(102)의 표면에 UV 오존(ozone)처리 또는 용액을 합성하여 표면처리를 실시한다.
그리고, 상기 금속 패드(102)를 포함한 상기 반도체 기판(100)의 전면에 보호막(103)을 형성한다. 여기서 상기 보호막(103)은 산화막 또는 질화막 등으로 형성한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(103)위에 감광막(104)을 도포하고, 노광 및 현상하여 상기 금속 패드(102) 상측 부분이 노출되도록 패터닝한다.
그리고, 상기 패터닝된 감광막(104)을 마스크로 이용하여 상기 보호막(103)을 선택적으로 식각하여 상기 금속 패드(102)에 패드 오픈부(105)를 형성한다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 감광막(104)을 제거하고, 상기 패드 오픈부(105)를 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막을 증착하여 제 1 평탄화층(106)을 형성하고, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 액티브 영역에만 남도록 상기 제 1 평탄화층(106)을 선택적으로 식각한다.
그리고, 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하는 상기 제 1 평탄화층(106)위에 칼라 필터층(107)을 형성한다.
여기서, 상기 각 칼라 필터층 형성 방법은, 해당 칼라 레지스트를 도포하고 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 각 칼라 필터층을 형성한다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라 필터층(107)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 제 2 평탄화층(108)을 형성하고, 포토 및 식각 공정으로 상기 액티브 영역에만 남도록 상기 제 2 평탄화층(108)을 선택적으로 식각한다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 평탄화층(108)상에 상기 각 칼라 필터층(107)에 대응하도록 반구형의 마이크로렌즈(109)를 형성한다.
그리고, 이와 같이 제조된 CMOS 이미지 센서의 각 금속 패드(102)의 프로브 테스트(probe test)하여 접촉저항을 체크한 후, 이상이 없으면 외부 구동회로와 상기 금속 패드를 전기적으로 연결시킨다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 금속 패드에 패드 오픈부를 형성한 후, 제 1 평탄화층 형성, 각 칼라 필터층 형성, 제 2 평탄화층 형성 및 마이크로 렌즈 형성 등의 공정이 진행된다.
따라서, 상기 금속 패드가 노출된 상태에서 상기 각 후속 공정이 진행되므로, 상기 후속 공정으로 인해 상기 금속 패드가 TMAH 계열의 알칼리(alkali) 현상액에 반응하여 상당한 두께의 산화막이 형성되어 프로브 테스트시 가해지는 물리적 인 힘으로 인하여 물리적 강도가 낮은 알루미늄이 떨어지게 된다.
이러한 알루미늄의 파티클(particle)은 금속으로서 수광지역에 증착될 때 빛을 반사시키는 역할을 하게 되어 씨모스 이미지 센서의 특성과 수율을 저하시키는 원인으로 작용한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 알칼리 현상액이 금속 패드와 접촉하는 것을 방지하여 이미지 센서의 특성과 수율을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법은 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상에 금속막 및 질화막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 질화막 및 금속막을 선택적으로 패터닝하여 상기 패드 영역상에 금속 패드를 형성하는 단계와, 상기 금속 패드를 포함한 상기 기판의 전면에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 질화막의 표면이 노출될 때까지 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계와, 상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 평탄화층상에 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 패드 오픈부에 노출된 질화막을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방 법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 액티브 영역과 패드 영역으로 정의된 반도체 기판(200)에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(201)(예를 들면 산화막)을 형성한다.
이어, 상기 절연막(201)상에 금속 패드용 금속막(202a)을 증착하고, 상기 금속막(202a)상에 질화막(203)을 100 ~ 1000Å의 두께로 형성한다.
여기서, 상기 질화막(203)의 두께는 너무 적게하면 식각선택비의 한계로 인해 질화막이 패드 오픈시 제거될 염려가 있고, 두껍게 하면 과도한 식각이 필요하여 마이크로렌즈 모양에 영향을 줄 수 있으므로 이를 감안하여 질화막의 두께를 적절하게 정할 수 있다.
여기서, 상기 금속막(202a)은 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)용 금속으로 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 금속으로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 금속재료로 형성된다.
그러나 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 알루미늄만을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 질화막(203) 및 금속막(202a)을 선택적으로 패터닝하여 상기 반도체 기판(200)의 패드 영역에 금속 패드(202)를 형성한다.
여기서, 상기 금속 패드(202)의 상부에는 질화막(203)이 잔류하고 있다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 금속 패드(202)를 포함한 상기 반도체 기판(200)의 전면에 보호막(204)을 형성한다. 여기서 상기 보호막(204)은 산화막 또는 질화막 등으로 형성한다.
이어, 상기 보호막(204)위에 감광막(205)을 도포하고, 노광 및 현상하여 상기 금속 패드(202) 상측 부분이 노출되도록 패터닝한다.
그리고, 상기 패터닝된 감광막(205)을 마스크로 이용하여 상기 보호막(204)을 선택적으로 식각하여 상기 금속 패드(202)에 패드 오픈부(206)를 형성한다.
여기서, 상기 패드 오픈부(206)는 질화막(203)의 표면이 노출되도록 형성되어 있다.
도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 감광막(205)을 제거하고, 상기 패드 오픈부(206)를 포함한 반도체 기판(200)의 전면에 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막을 증착하여 제 1 평탄화층(207)을 형성한다.
이어, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 반도체 기판(200)의 액티브 영역에만 남도록 상기 제 1 평탄화층(207)을 선택적으로 식각한다.
그리고, 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하는 상기 제 1 평탄화층(207)위에 칼라 필터층(208)을 형성한다.
여기서, 상기 각 칼라 필터층 형성 방법은, 해당 칼라(R,G,B) 레지스트를 도포하고 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 각 칼라 필터층을 형성한다.
도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라 필터층(208)을 포함한 기판 전면에 제 2 평탄화층(209)을 형성한다.
이어, 포토 및 식각 공정으로 상기 반도체 기판(200)의 액티브 영역에만 남도록 상기 제 2 평탄화층(209)을 선택적으로 식각한다.
그리고 상기 제 2 평탄화층(209)상에 마이크로렌즈용 레지스트층을 도포하고, 노광 및 현상하여 마이크로렌즈 패턴을 형성하고, 상기 마이크로렌즈 패턴을 소정온도에 리플로우하여 상기 각 칼라 필터층(208)에 대응하도록 반구형의 마이크로렌즈(210)를 형성한다.
도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 패드 오픈부(206)에 노출된 질화막(203)을 블랭킷 에치(blanket etch)를 통해 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드(202)를 노출시킨다.
그리고, 이와 같이 제조된 CMOS 이미지 센서의 각 금속 패드(202)의 프로브 테스트(probe test)하여 접촉저항을 체크한 후, 이상이 없으면 외부 구동회로와 상기 금속 패드를 전기적으로 연결시킨다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로 제 2 평탄화층(209)을 형성한 후 마이크로렌즈를 형성하기 전에 상기 패드 오픈부(206)에 노출된 질화막(203)을 블랭킷 에치를 통해 제거하고, 마이크로렌즈(210)를 형성할 수도 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 금속 패드용 금속막의 상부에 질화막을 미리 증착하여, 패드 오픈시 산화막과 식각 선택비를 이용하여 식각 멈춤이 일어나게 하여 완전히 금속 패드가 오픈되지 않도록 하여 이후 진행되는 칼라필터 공정, 평탄화 공정, 마이크로 렌즈 공정을 진행시 알칼리 현상액이 금속 패드와 접촉하는 것을 방지함으로써 이미지 센서의 특성과 수율을 향상시킬 수 있다.
Claims (4)
- 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상에 금속막 및 질화막을 차례로 형성하는 단계;상기 질화막 및 금속막을 선택적으로 패터닝하여 상기 패드 영역상에 금속 패드를 형성하는 단계;상기 금속 패드를 포함한 상기 기판의 전면에 보호막을 형성하는 단계;상기 질화막의 표면이 노출될 때까지 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계;상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계;상기 제 1 평탄화층상에 칼라필터층을 순차 형성하는 단계;상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 2 평탄화층을 형성하는 단계;상기 제 2 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;상기 패드 오픈부에 노출된 질화막을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 질화막은 100 ~ 1000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 패드 오픈부에 노출된 상기 질화막은 블랭킷 에치로 제거하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상에 금속막 및 질화막을 차례로 형성하는 단계;상기 질화막 및 금속막을 선택적으로 패터닝하여 상기 패드 영역상에 금속 패드를 형성하는 단계;상기 금속 패드를 포함한 상기 기판의 전면에 보호막을 형성하는 단계;상기 질화막의 표면이 노출될 때까지 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계;상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계;상기 제 1 평탄화층상에 칼라필터층을 형성하는 단계;상기 기판의 상기 액티브 영역에 제 2 평탄화층을 형성하는 단계;상기 패드 오픈부에 노출된 질화막을 선택적으로 제거하는 단계;상기 제 2 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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