KR100628238B1 - 시모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

시모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR100628238B1 KR20040116557A KR20040116557A KR100628238B1 KR 100628238 B1 KR100628238 B1 KR 100628238B1 KR 20040116557 A KR20040116557 A KR 20040116557A KR 20040116557 A KR20040116557 A KR 20040116557A KR 100628238 B1 KR100628238 B1 KR 100628238B1
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손현준
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동부일렉트로닉스 주식회사
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Abstract

본 발명은 광감지 소자를 컬러필터 하부에 형성하여 광감응도 개선 및 고집적화를 용이하게 하는 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판 상에 다수의 트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 다수의 트랜지스터를 연결하는 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 쓰루홀을 가지는 절연막을 형성하는 단계; 상기 쓰루홀을 통하여 상기 트랜지스터와 연결되며, 상기 절연막 상에 광감지 소자를 형성하는 단계; 상기 광감지 소자 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
시모스 이미지 센서, 광감지 소자, 반도체층

Description

시모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법{CMOS image sensor and method for manufacturing the same}

도 1 내지 도 6은 종래기술의 시모스 이미지 센서 제조방법의 공정단면도이다.

도 7은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 광감지부 및 게이트작동부의 레이아웃(layout)도이다.

도 8 내지 도 12는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 제조방법의 공정단면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

200 : 반도체 기판 205 : 게이트전극

208 : 저농도 N 형 LDD영역 210 : 고농도 N형 확산영역

231 : 컬러필터 236 : 플러그

237 : 반도체층 238 : 광감지소자

본 발명은 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 광감 지소자를 컬러필터 하부에 형성하여 광감응도 개선 및 고집적화를 용이하게 하는 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS:metal-oxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD:charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 시모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 시모스(CMOS:complementary MOS) 이미지 센서가 있다.

그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그날 처리칩 들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지탈 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. 이중결합소자(CCD)가 전문공정을 통하여 제조하지만, 시모스 이미지 센서는 이중결합소자보다 가격이 저렴한 실리콘 웨이퍼(Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.

시모스 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로(logic circuit)부분으로 구성되어 있다. 광 감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지 부분 상부에 칼라 필터가 배열되어 있다.

칼라필터 어레이(color filter array)는 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 3 가지 색으로 이루어지거나, 옐로우(yellow), 마젠타(magenta) 및 시안(cyan) 의 3가지 색으로 이루어진다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 6은 종래기술의 시모스 이미지 센서 제조방법의 공정단면도이다.

도 1과 같이, 반도체 기판(100)에 선택적으로 붕소(boron)와 같은 P 형 이온을 주입하여 P 웰(well)(101) 및 N 웰(도시하지 않음)을 형성하고, 소자분리를 위하여 반도체 기판(100)을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하고 절연막을 충진시킨 필드산화막(102)을 형성한다.

반도체 기판(100) 상에 게이트산화막(도시하지 않음)을 형성하고, 게이트절 연막 상에 폴리실리콘막(103)과 텅스텐실리사이드막(104)을 형성하고 선택적 식각하여 게이트전극(105)을 형성한다.

이어서 반도체 기판(100)의 광감지 소자영역에 선택적으로 저농도 N 형 확산영역(106)과 P 형 확산영역(107)을 형성하여 광감지 소자(photo diode)를 형성한다.

트랜지스터의 소스 및 드레인을 LDD(lightly doped drain)구조로 만들기 위하여 게이트전극(105) 양측의 반도체 기판(100)에 저농도 N 형의 LDD영역(108)을 형성하고, 저압화학증착(LPCVD) 방법 등을 이용하여 TEOS 산화막 또는 질화막을 증착한 후 이방성 식각하여 게이트 전극(105)의 측벽에 스페이서(spacer)(109)를 형성하고, 고농도 N 형 확산영역(110)을 형성한다.

도 2와 같이, 저압화학 증착방법으로 TEOS 산화막(도시하지 않음)을 1000 ??정도 증착하고, TEOS 산화막 상에 상압화학 증착방법으로 BPSG막(도시하지 않음)를 증착하한다.

그리고 BPSG막을 플로우(flow)시켜 제 1 금속배선 절연막(pre-metal dielectric)(111)을 형성하고, 제 1 금속배선 절연막(111)을 선택적으로 식각하여 고농도 N 형 확산영역(110)과 게이트 전극(105)이 노출되는 콘택홀(112)을 형성한 후, 티타늄(Ti)막으로 제 1 글루층(glue layer)(113)을 형성하고, 제 1 글루층(113) 상에 배선용으로 제 1 알루미늄(114)과 제 1 알루미늄(114) 상에 비반사 제 1 티타늄질화막(115)을 적층하고 선택적으로 식각하여 제 1 금속배선(116)을 형성한다. 여기서 콘택홀(112)은 플라즈마 식각 공정으로 진행하여 형성한다.

도 3과 같이, 플라즈마 화학증착(plasma enhanced chemical vapor deposition)방법을 이용하여 TEOS 산화막(117)과 TEOS 산화막(117) 상에 SOG(spin on glass) 산화막(118)을 코팅한 후 열처리를 하고 평탄화 공정을 진행한다.

그리고 제 1 TEOS 산화막(117)과 제 1 SOG 산화막(118) 상에 제 1 PECVD 산화막(119)을 형성한다. 제 1 TEOS 산화막(117), 제 2 SOG 산화막(118), 그리고 제 2 PECVD 산화막(119)은 제 2 금속배선 절연막을 구성한다.

도 4와 같이, 제 2 금속배선 절연막을 선택적으로 식각하여 비아홀 (121)을 형성하고, 티타늄(Ti)으로 제 2 글루층(122)을 형성하고, 제 2 글루층(122) 상에 제 2 알루미늄(123)과 제 2 알루미늄(123) 상에 비반사 제 2 티타늄질화막(124)을 적층한 후 플라즈마 식각 공정을 통하여 제 2 금속배선(125)을 형성한다.

이어서 제 2 금속배선 절연막과 동일하게 제 2 TEOS 산화막(126), 제 2 TEOS 산화막(126) 상에 제 2 SOG 산화막(127), 제 2 SOG 산화막(127) 상에 제 2 PECVD 산화막(128)을 적층한다.

여기서, 상기 제 2 TEOS 산화막(126), 제 2 SOG 산화막(127), 그리고 제 2 PECVD 산화막(128)으로 제 3 금속배선 절연막을 형성한다. 그리고 이와 같은 공정을 반복하여 필요한 금속배선층의 형성한다.

도 5와 같이, 제 3 금속배선 절연막 상에 PECVD 방법을 이용하여 8000 ?? 두께의 산화막으로 소자보호막(129)을 형성하고, 주변회로 영역의 소자보호막(129), 제 3 금속배선 절연막, 그리고 제 2 티타늄질화막(124)을 선택 식각하여 전극단자로 사용하기 위한 패드개구영역(130)을 형성한다.

도 6과 같이, 소자보호막(129) 상에 칼라필터 어레이(color filter array)(131)와 컬러필터 어레이(131) 상에 평탄화층(132)을 형성하고, 평탄화층(132) 상에 마이크로 렌즈(133)를 형성한다.

도 7은 종래기술의 시모스 이미지 센서의 광감지부 및 게이트작동부의 레이아웃(layout)도이다.

반도체 기판에 형성되는 광감지 소자는 광감지부(134)와 게이트 작동부(135)로 구분되고 광감지 소자는 컬러필터와 떨어져 있어 광손실이 발생하며, 고집적화에 어려움이 있다.

이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.

즉, 픽셀(pixel) 영역이나 주변회로 영역이 동일하게 두꺼운 막질의 절연막이 형성되어 있어 광감지소자로 입사되는 빛이 흡수, 굴절 및 반사되어 광감지소자의 입사광이 감소하고 이로 인해 광감도가 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 광감지소자를 컬러필터 하부에 형성하여 광감응도 개선 및 고집적화를 용이하게 하는 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 다수의 트랜지스터; 상기 다수의 트랜지스터를 연결하는 금속 배선; 상기 금속배선 상의 쓰루홀을 가지는 절연막; 상기 쓰루홀을 통하여 상기 트랜지스터와 연결되며, 상기 절연막 상에 형성되는 광감지 소자; 상기 광감지 소자 와 대응하여 형성되는 컬러필터; 상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서에 있어서, 상기 광감지 소자는 반도체층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 시모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판 상에 다수의 트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 다수의 트랜지스터를 연결하는 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 쓰루홀을 가지는 절연막을 형성하는 단계; 상기 쓰루홀을 통하여 상기 트랜지스터와 연결되며, 상기 절연막 상에 광감지 소자를 형성하는 단계; 상기 광감지 소자 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 광감지 소자는 반도체층에 형성되며, 상기 광감지 소자와 상기 광감지 소자사이에 격리영역이 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 8 내지 도 12는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 제조방법의 공정단면 도이다.

도 8과 같이, 반도체 기판(200)에 선택적으로 붕소(boron)와 같은 P 형 이온을 주입하여 P 웰(well)(201) 및 N 웰(도시하지 않음)을 형성하고, 상기 반도체 기판(200)을 소자분리를 위하여 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하고 절연막을 충진시킨 필드산화막(202)을 형성한다.
이어, 반도체 기판(200) 상에 게이트산화막(도시하지 않음)을 형성하고, 게이트절연막 상에 폴리실리콘막(203)과 텅스텐실리사이드막(204)을 형성하고 선택적 식각하여 게이트전극(205)을 형성한다.

트랜지스터의 소스 및 드레인을 LDD(lightly doped drain)구조로 만들기 위하여 게이트전극(205) 양측의 반도체 기판(200)에 저농도 N 형의 LDD영역(208)을 형성하고, 저압화학증착(LPCVD) 방법 등을 이용하여 TEOS 산화막 또는 질화막을 증착한 후 이방성 식각하여 게이트 전극(205)의 측벽에 스페이서(spacer)(209)를 형성하고, 고농도 N 형 확산영역(210)을 형성한다.

도 9와 같이, 저압화학 증착방법으로 TEOS 산화막(도시하지 않음)을 1000Å정도 증착하고, TEOS 산화막 상에 상압화학 증착방법으로 BPSG막(도시하지 않음)을 증착한다.

그리고 BPSG막을 플로우(flow)시켜 제 1 금속배선 절연막(pre-metal dielectric)(211)을 형성하고, 제 1 금속배선 절연막(211)을 선택적으로 식각하여 고농도 N 형 확산영역(210)과 게이트 전극(205)이 노출되는 콘택홀(212)을 형성한 후, 티타늄(Ti)막으로 제 1 글루층(glue layer)(213)을 형성하고, 제 1 글루층(213) 상에 배선용으로 제 1 알루미늄(214)과 제 1 알루미늄(214) 상에 비반사 제 1 티타늄질화막(215)을 적층하고 선택적으로 식각하여 제 1 금속배선(216)을 형성 한다. 여기서 콘택홀(212)은 플라즈마 식각 공정으로 진행하여 형성한다.

도 10과 같이, 플라즈마 화학증착(plasma enhanced chemical vapor deposition)방법을 이용하여 TEOS 산화막(217)과 TEOS 산화막(217) 상에 SOG(spin on glass) 산화막(218)을 코팅한 후 열처리를 하고 평탄화 공정을 진행한다.

그리고 제 1 TEOS 산화막(217)과 제 1 SOG 산화막(218) 상에 제 1 PECVD 산화막(219)을 형성한다. 여기서, 상기 제 1 TEOS 산화막(217), 제 2 SOG 산화막(218), 그리고 제 2 PECVD 산화막(219)은 제 2 금속배선 절연막을 구성한다.

도 11과 같이, 제 2 금속배선 절연막을 선택적으로 식각하여 비아홀 (221)을 형성하고, 티타늄(Ti)으로 제 2 글루층(222)을 형성하고, 제 2 글루층(222) 상에 제 2 알루미늄(223)과 제 2 알루미늄(223) 상에 비반사 제 2 티타늄질화막(224)을 적층한 후 플라즈마 식각 공정을 통하여 제 2 금속배선(225)을 형성한다.

그리고 이와 같은 공정을 반복하여 필요한 금속배선층의 형성한다.

제 2 금속배선(225)을 포함한 제 2 PECVD 산화막(219) 상에 제 2 TEOS 산화막(226), 제 2 TEOS 산화막(226) 상에 제 2 SOG 산화막(227)을 적층한다.

그리고 제 2 SOG 산화막(227) 상에 감광막(도시하지 않음)을 도포하고 노광 및 현상하여 게이트전극(205)과 대응되는 영역을 개구하는 감광막 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 감광막 패턴을 마스크로 게이트전극(205)의 표면이 노출될 때까지 식각하여 쓰루홀을 형성한다. 이후 형성되는 광감지 소자와 전기적으로 연결되기 위하여 쓰루홀 내에 도전물질을 충진하여 플러그(236)를 형성한다.

도 12와 같이, 플러그(236)를 포함한 제 2 SOG 산화막(227) 상에 반도체층 (237)을 형성하고, 플러그(236)와 대응되는 위치의 광감지 소자영역에 P 형 및 N 형 불순물을 주입하여 광감지 소자(238)를 형성한다. 이때 광감지 소자(238)를 격리하기 위한 격리영역(239)을 형성한다.

또한 주변회로 영역의 반도체층(237), 제 2 TEOS 산화막(226), 그리고 제 2 SOG 산화막(227)을 선택 식각하여 전극단자로 사용하기 위한 패드개구영역(235)을 형성한다. 그리고 광감지 소자(238) 상에 적색, 녹색, 그리고 청색의 컬러필터(231)을 형성하고, 컬러필터(231) 상에 평탄화층(232)을 형성하고, 평탄화층(232) 상에 마이크로 렌즈(도시하지 않음)를 형성한다.

이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 청색, 녹색, 그리고 적색 컬러필터의 하층에 광감지 소자가 형성되어 광손실을 원천적으로 방지하고 최소한의 광손실로 광감지 소자의 면적을 축소시킬 수 있고, 게이트전극 형성에 영향을 주지 않아 고집적화가 가능한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 기판 상에 형성된 다수의 트랜지스터;
    상기 다수의 트랜지스터를 연결하는 금속배선;
    상기 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 절연막;
    상기 절연막을 관통하여 상기 각 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되는 플러그;
    상기 플러그와 대응하여 상기 플러그 및 그에 인접한 절연막상에 형성되는 광감지 소자;
    상기 광감지 소자와 대응되어 형성되는 컬러필터;
    상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 반도체 기판 상에 다수의 트랜지스터를 형성하는 단계;
    상기 다수의 트랜지스터를 연결하는 금속배선을 형성하는 단계;
    상기 금속배선을 포함한 전면에 절연막을 형성하고 상기 각 트랜지스터의 게이트 전극이 노출되도록 상기 절연막을 선택적으로 제거하여 콘택홀을 형성하는 단계;
    상기 콘택홀의 내부에 플러그를 형성하는 단계;
    상기 플러그를 포함한 반도체 기판상에 반도체층을 형성하고 상기 반도체층에 선택적으로 불순물 이온을 주입하여 광감지 소자를 형성하는 단계;
    상기 광감지 소자 상에 컬러필터를 형성하는 단계;
    상기 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광감지 소자와 상기 광감지 소자 사이에 격리영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
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