KR100649018B1 - 이미지 센서의 금속패드 산화 방지 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 컬러 필터 어레이 공정 중에 발생 가능한 금속 패드의 부식, 손상, 오염을 방지하는 이미지 센서의 금속 패드 산화 방지 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나 이상의 광감지 소자와 논리 회로를 포함하는 이미지 센서를 제조하는 방법에 있어서, 상기 논리 회로 형성 영역에 제 1 베리어막, 금속 패드, 제 2 베리어막을 적층하여 패터닝하는 단계와, 상기 결과물 전면에 소자 보호막을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 제 2 베리어막을 노출시키는 단계와, 상기 광감지 소자 영역의 소자 보호막 상에 제 1 평탄화층, 컬러 필터 어레이 및 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 노출된 제 2 베리어막을 제거하여 상기 금속 패드를 노출시키는 단계와, 상기 제 2 평탄화층 상에 상기 컬러 필터에 대향되는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐으로써, 새로운 공정의 추가 없이 프로세스 조건을 변경하여 금속 패드 표면의 노출을 막아 상기 금속 패드 표면의 부식, 손상, 오염을 방지하는 효과가 있다.
이미지 센서, 반도체, TV 식각, 티타늄 질화막
Description
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
101 : 반도체 기판 102 : 절연막
103 : 제 1 베리어막 104 : 금속 패드
105 : 제 2 베리어막 106 : 소자 보호막
107 : 제 1 평탄화층 108 : 컬러 필터 어레이
109 : 제 2 평탄화층 110 : 마이크로 렌즈
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 컬러 필터 어레이 공정 중에 발생 가능한 금속 패드의 부식, 손상, 오염을 방지하는 이미지 센서의 금속 패드 산화 방지 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(image sensor)는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하 결합 소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이, CMOS(Complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 상기 이미지 센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광 기술이다. 예컨데, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 소자 부분과, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 논리 회로 부분으로 구성되어 있다. 상기 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 광감지 소자 부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 'Filter Factor'라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 논리 회로부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
한편, 종래 CMOS 이미지 센서 제조 공정에서는 상기 논리 회로 영역에 금속 패드를 형성하고, 그 결과물에 외부의 수분 및 스크래치(scratch)로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막을 증착하고, 이를 식각하여 금속 패드의 오픈 공정을 수행한 후에 광감지 소자 영역에 컬러 필터 어레이(color filter array)를 형성하게 된다.
이러한 종래 기술에 따른 이미지 센서의 금속 패드 오픈 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 금속 패드 오픈 방법을 설명하기 위해 나타낸 공정도이다.
먼저, 도 1a와 같이, 이미지 센서의 단위 화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(미도시)과, 상기 필드 절연막 사이에 적어도 하나 이상의 광감지 소자(미도시) 및 논리회로(미도시)가 형성된 반도체 기판(1) 상에 절연막(2)을 형성한다.
상기 형성된 절연막(2) 상에는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 이루어진 금속 패드(4)를 형성하게 되는데, 이때, 상기 금속 패드(4)의 상,하부에는 티타늄(Ti) 또는 티타늄 질화막(TiN)과 같은 물질을 증착하여 접점부의 전도성을 높이는 베리어(Barrier)로 사용하기 위한 베리어막 (3,5)을 형성한다.
상기와 같이 증착된 결과물 상의 소정 영역(논리회로 영역이 될 부분의 금속 패드 영역)에 감광막(PR : PhotoResist)을 이용, 금속 패드외 부분을 식각 (Etch)하여 제거한다.
이후, 도 1b와 같이, 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막(6)을 증착한다. 상기 소자 보호막(6)은 USG막과 SiN막이 적층된 구조일 수 있다. 이때, 도 1b의 도면 부호 A는 광감지 소자 영역, B는 논리 회로 영 역을 나타낸 것이다.
이후, 도 1c와 같이, 상기 소자 보호막(6)이 증착되어 막혀버린 금속 패드부(3,4,5)를 오픈시키기 위해 TV(Terminal Via) 식각을 실시한다. 이를 위해, 상기 소자 보호막(6) 상 일정 영역에 감광막(PR)을 도포하고, CHF3, CH4, N2 가스를 이용하여 식각한다. 이때, USG : TiN = 10 : 1의 식각 비율을 갖고 식각된다.
따라서, 이와 같은 TV 식각 공정 이후에는 도 1d와 같이, 소자 보호막(6) 및 금속 패드부(3,4,5)의 상부 티타늄 질화막(TiN)(5) 일부가 식각되어 금속 패드(4)가 노출되게 된다. 상기 노출된 금속 패드부(C)는 이후 이미지 센서의 패키지 공정시 와이어 본딩이 이루어질 영역이다.
이후, 도 1e와 같이, 토폴로지(topology)의 단차 극복 및 접착(adhesion)을 좋게 하기 위하여 광감지 소자 영역(A)의 소자 보호막(6) 상에 감광막을 도포하고 이를 노광 및 현상으로 패터닝하여 제 1 평탄화층(7)을 얇게 형성한다.
그리고, 도 1f와 같이, 광감지 소자 영역(A)의 제 1 평탄화층(7) 상에 염색된 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 적색, 녹색, 청색의 컬러 필터(8)를 어레이 형태로 형성한다. 그 다음, 상기 컬러 필터(8)를 둘러싼 형태로 제 2 평탄화층(9)을 두껍게 형성한다.
이후, 상기 광감지 소자 영역(A)의 제 2 평탄화층(9) 상부에 감광막을 도포하고 이를 노광 및 현상으로 패터닝하여 상기 컬러 필터(8)에 대향되는 위치에 감광막 패턴이 남아있도록 한다. 그리고 열처리 공정을 실시하여 상기 감광막 패턴을 플로우(flow)시켜 제 2 평탄화층(9) 상부에 광을 집약시켜주는 반구형 마이크로렌 즈(10)를 형성함으로써 이미지 센서의 제조 공정을 완료한다.
이러한 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 공정에 따르면, 논리 회로 영역(B) 상에 금속 패드(4)의 오픈 영역(C)을 형성한 후에, 포토 마스크(Photo Mask) 공정(광감지 소자 영역(A)의 컬러 필터(8), 제 2 평탄화층(9) 및 마이크로 렌즈(10) 형성 공정)을 실시하게 된다.
이러한 포토 마스크 공정에 있어서 특히, 상기 컬러 필터(8) 및 제 2 평탄화층(9) 형성 단계에 있어, 컬러 필터(8) 재료인 염색된 감광막 및 평탄화용 감광막의 잔여물(현상액 등)이 노출된 금속 패드(C) 표면에 남게 되는 경우가 발생하고, 상기 잔여물의 알카리(Alkali) 성질에 의해 상기 노출된 금속 패드(C) 표면의 부식, 손상, 오염등이 발생하는 문제가 있었다.
또한, 이후 금속 패드(4)에 대한 와이어 본딩시 상기 금속 패드(4) 표면에 남아있는 잔여물은 와이어와 금속 패드(4) 사이의 접촉을 불안정하게 하여 제품의 결함 원인으로 작용되며, 수율(yield)을 저하시키는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 이미지 센서의 제조 공정 중 TV 식각 단계에서 금속 패드 상부 베리어막을 잔류시킴으로써 금속 패드 표면의 노출을 막아 상기 금속 패드 표면의 부식, 손상, 오염을 방지하는 이미지 센서의 금속 패드 산화 방지 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 산화 방지 방법은, 적어도 하나 이상의 광감지 소자와 논리 회로를 포함하는 이미지 센서를 제조하는 방법에 있어서, 상기 논리 회로 형성 영역에 제 1 베리어막, 금속 패드, 제 2 베리어막을 적층하여 패터닝하는 단계와, 상기 결과물 전면에 소자 보호막을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 제 2 베리어막을 노출시키는 단계와, 상기 광감지 소자 영역의 소자 보호막 상에 제 1 평탄화층, 컬러 필터 어레이 및 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 노출된 제 2 베리어막을 제거하여 상기 금속 패드를 노출시키는 단계와, 상기 제 2 평탄화층 상에 상기 컬러 필터에 대향되는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 제 2 베리어막은 티타늄 질화막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 렌즈를 형성한 이후에 상기 제 2 베리어막을 식각하여 상기 금속 패드를 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 공정도이다. 이들 도면에서 도면 부호 A는 광감지 소자 영역을, B는 논리 회로 영역을 나타낸 것이다.
먼저, 도 2a와 같이, 이미지 센서의 단위 화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(미도시)과, 상기 필드 절연막 사이에 적어도 하나 이상의 광감지 소자(미도시) 및 논리회로(미도시)가 형성된 반도체 기판(101) 상에 절연막(102)을 형성하고, 상기 형성된 절연막(102)상 논리 회로 영역(B)에 알루미늄(Al), 알루미늄 합금 또는 구리(Cu)로 이루어진 금속 패드(104)를 형성한다. 이때, 상기 금속 패드(104)의 상, 하부에는 티타늄(Ti) 또는 티타늄 질화막(TiN)과 같은 물질을 베리어 막(103,105)으로 형성한다. 설명의 편의상 상기 금속 패드(104) 하부의 베리어막(103)을 제 1 베리어막(103)이라 하며, 상기 금속 패드(104) 상부의 베리어막(105)을 제 2 베리어막(105)이라 한다.
이후, 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막(106)을 증착한다. 상기 소자 보호막(106)은 USG막과 SiN막이 적층된 구조일 수 있다. 이와 같은 공정은 전술한 바 있다.
이후, 도 2b와 같이, 논리 회로 영역(B)의 금속 패드(104)상 소정 영역(C)이 노출되도록 상기 적층된 소자 보호막(106)을 TV(Terminal Via) 식각하여 제거한다.
이때, 본 발명에 따르면 USG : TiN의 식각 속도 차이를 식각에 필요한 질소(N2) 가스등 공정 조건을 변경하여 상기 금속 패드(104)상의 제 2 베리어막(105)인 티타늄 질화막(TiN)이 식각되지 않도록 한다. 상기 티타늄 질화막(TiN)은 부식에 매우 강한 물질 특성을 가지며, 특히, 알카리(Alkali)에 대해서는 우수한 베리어(barrier) 특성을 갖고 있다.
이후, 도 2c와 같이, 토폴로지(topology)의 단차 극복 및 접착(adhesion)을 좋게 하기 위하여 광감지 소자 영역(A)의 소자 보호막(106) 상에 감광막을 도포하고 이를 노광 및 현상으로 패터닝하여 제 1 평탄화층(107)을 얇게 형성한다.
그리고, 도 2d와 같이, 광감지 소자 영역(A)의 제 1 평탄화층(107) 상에 염 색된 감광막을 도포하고 노광 및 현상으로 패터닝하여 적색, 녹색, 청색의 컬러 필터(108)를 어레이 형태로 형성한다. 그 다음, 상기 컬러 필터(108)를 둘러싼 형태로 제 2 평탄화층(109)을 두껍게 형성한다.
이러한 포토 마스크 공정에 있어 정착 용액으로 사용되는 현상(develop)액 등은 금속 패드(103)에 영향을 줄 수 있으나, 상기 금속 패드(103)상의 제 2 베리어막(105)인 티타늄 질화막(TiN)에 의해 금속 패드(103)에 악영향을 미칠 수 없게 된다.
이후, 도 2d와 같이, 금속 패드(104)의 노출될 표면(C)에 대한 TV 식각을 실시하여 남아있던 금속 패드(104)상 소정 영역의 제 2 베리어막(105)을 제거한다. 이와 같이 남아있던 제 2 베리어막(105)을 제거함으로써 상기 막이 소자의 전기적 특성에 영향을 미치지 않도록 한다.
이후, 도 2e와 같이, 광감지 소자 영역(A)의 제 2 평탄화층(109) 상부에 감광막을 도포하고 이를 노광 및 현상으로 패터닝하여 상기 컬러 필터(108)에 대향되는 위치에 감광막 패턴이 남아있도록 한다. 그리고 열처리 공정을 실시하여 상기 감광막 패턴을 플로우(flow)시켜 제 2 평탄화층(109) 상부에 광을 집약시켜주는 반구형 마이크로 렌즈(110)를 형성함으로써 이미지 센서의 제조 공정을 완료한다.
한편, 공정의 안정성을 더욱 확보하기 위해 상기 마이크로 렌즈(110) 형성 공정 이후에 본 발명에 따라 TV 식각을 실시하여 금속 패드(104) 상의 제 2 베리어막(105)으로 사용되는 티타늄 질화막(TiN)을 제거함으로써 이미지 센서의 제조 공정을 완료할 수 있음은 본 발명의 기술 사상에 비추어 볼때 자명하다 할 것이다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서의 금속패드 산화 방지 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 새로운 공정의 추가 없이 프로세스 조건을 변경하여 금속 패드 표면의 노출을 막아 상기 금속 패드 표면의 부식, 손상, 오염을 방지하는 효과가 있다.
둘째, 금속 패드에 대한 부식, 손상, 오염을 방지하여, 이후 상기 금속 패드에 대한 와이어 본딩시 금속 패드와 와이어 사이의 접촉을 향상시킬 수 있어 이미지 센서의 제품 수율을 증가시키는 효과가 있다.
셋째, PROBE TEST(wafer test)에서 발생하는 파티클(particle)에 의한 제품 수율 저하를 방지하는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.
Claims (3)
- 적어도 하나 이상의 광감지 소자와 논리 회로를 갖는 포함하는 이미지 센서의 제조를 제조하는 방법에 있어서,상기 광감지 소자가 형성될 광감지 영역과, 상기 논리 회로가 형성될 논리 회로 영역을 갖는 기판을 준비하는 단계와,상기 기판의 논리 회로 영역 상에 차례로 제 1 베리어막, 금속 패드, 제 2 베리어막을 적층하고 패터닝하는 단계와,상기 결과물을 포함한 기판의 전면에 소자 보호막을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 제 2 베리어막을 노출시키는 단계와,상기 기판의 광감지 소자 영역에 위치한 소자 보호막 상에 차례로 제 1 평탄화층, 컬러 필터 어레이 및 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와,상기 노출된 제 2 베리어막을 제거하여 상기 금속 패드를 노출시키는 단계와,상기 제 2 평탄화층 상에 상기 컬러 필터에 대향되는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와,상기 제 2 베리어막을 식각하여 상기 금속 패드를 노출시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지 센서의 금속 패드 산화 방지 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 베리어막은 티타늄 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 금속 패드 산화 방지 방법.
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