KR100658928B1 - 시모스 이미지센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조 과정에서 이종의 절연막이 표면에 노출되어 생길 수 있는 결함을 해결할 수 있는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 소정공정이 완료된 기판상에 배선을 형성하는 단계; 상기 배선을 덮을 수 있도록 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막상에 제2 절연막을 형성하는 단계; 화학적기계적 연마공정을 진행하여 상기 배선으로 인한 단차를 제거하는 단계; 및 상기 화학적기계적 연마공정에 의해 노출된 상기 제1 및 제2 절연막의 접합면을 덮기 위해 캡핑레이어를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.
시모스 이미지센서, 배선, 화학적기계적 연마공정, 절연막, 경계면.
Description
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 블럭구성도.
도2는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도.
도3은 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도4a 와 도4b는 종래기술에 의한 이미지센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도.
도5는 종래기술에 의해 제조된 이미지센서의 문제점을 보여주는 전자현미경사진.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도.
도7은 본 발명에 의해 제조된 이미지센서를 보여주는 전자현미경사진.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
21,23 : 절연막 22 : 금속배선
24 : 캡핑레이어
일반적으로 반도체 장치중 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
시모스 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있으며, 그 중 하나가 집광기술이다. 시모스 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로 부분으로 구성되어 있으며, 이미지센서의 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 포토다이오드 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 포토다이오드로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 마이크로 렌즈 형성 기술이다.
그러나 마이크로 렌즈를 통해 빛을 집광시킨다고 하여도 집적되는 화소수가 점점 더 증가하면서 마이크로 렌즈와 그 하단에 배치된 포토다이오드의 거리가 점점 더 증가되어 포토다이오드에 촛점이 생기지 못해서 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 포토다이오드에 효과적으로 전달되는 것이 점점 더 어려워지고 있다.
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 블럭구성도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 통상적인 시모스 이미지센서는 다수의 단위화소가 어레이된 화소 어레이와, 상기 화소어레이에서 출력되는 아날로그신호를 디지털 신호로 전환하는 ADC 블럭과, ADC 블럭에서 출력되는 디지털값을 저장하는 라인버퍼와, 입력된 어드레스를 디코딩하여 화소어레이의 단위화소를 선택하기 위한 디코더/화소 드라이버와, 디코더/화소드라이버를 제어하기 위한 제어 레지스터 및 로직을 구비한다.
도2는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도이다.
도2는 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되 어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 하는 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
도3은 종래기술에 따른 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도3을 참조하여 살펴보면, 포토다이오드(11, PD)가 형성된 기판(10) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 청색(Blue), 적색(Red), 녹색(Green) 등의 칼라필터 어레이(CFA; Color Filter Array, 14)가 배치되어 있으며, 그 상부에 소위 오버코팅 레이어(OCL; Over-Coating Layer, 15)라고 하는 평탄화막이 형성되어 있고, 칼라필터 어레이(14)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로렌즈(Microlens, 16)가 형성되어 있다.
다층의 절연막(12) 사이에는 다층의 배선(13)이 형성되어 있으며, 배선(13)은 포토다이오드(11)와 오버랩되지 않는 영역에 배치되는데, 금속으로 형성되는 배선은 광차단막의 역할을 겸하게 된다.
또한, 포토다이오드(11)에 인접한 기판(10) 상에는 복수의 모스트랜지스터(18영역)가 형성되어 있는 바, 이는 4 Tr 구조의 단위 화소의 경우 트랜스퍼 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터를 포함한다.
마이크로렌즈(16) 상에는 스크래치(Scratch) 등으로부터 마이크로렌즈(16)를 보호하기 위해 보호막(17)이 형성되어 있다. 또한 도면부호 9는 소자분리막을 나타내는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 시모스 이미지센서는 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛의 상을 포토다이오드에서 집광하여 전압신호로 변환시키게 된다. 이 때 포토다이오드로 입사한 빛의 강도에 비례하여 전하가 생성되고, 생성된 전하는 내부회로로 전달되는 것이다.
그러므로 최대한 많은 빛이 마이크로 렌즈를 통과하여 그 하단에 배치된 포토다이오드에 접속되어야 실물에 근접하는 이미지를 제공할 수 있다.
도4a 와 도4b는 종래기술에 의한 이미지센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서 특히 포토다이오드와 마이크로 렌즈의 사이에 배치되는 절연막을 형성하는 공정을 보여주고 있다.
도4a에 도시된 반와 같이 소정공정이 완료된 기판상에 배선(13a)을 형성하고, 배선(13a)을 덮을 수 있도록 절연막(12a)을 형성한다. 이 때 형성되는 배선(13a)은 포토다이오드와 마이크로 렌즈의 사이에 있는 공간의 주변영역에 형성되는데, 이는 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 포토다이오드에 전달되는 과정에서 광차단막 역할을 하기 위해서이다.
절연막(12a)은 갭필능력이 좋은 막으로 형성하고, 그상부에 이종의 절연막(12b)를 형성한다. 따라서 배선이 있는 부분의 상부는 다른 영역보다 상대적으로 높은 패턴이 형성된다.
이어서 도4b에 도시된 바와 같이, 평탄화를 위해 화학적기계적연마공정을 수행한다. 이 공정에서 하단의 절연막(12a)가 노출되어 2종류의 절연막이 접한 면(X)이 표면에 노출이 된다.
이종의 절연막이 표면에 들어나면 후속공정인 포토 및 사진식각공정 진행시 이종의 절연막 경계면에 손상을 입을 수 있다. 이렇게 손상을 입은 경계면은 디펙트(defect)를 유발할 뿐만 아니라, 스트레스에도 취약하기 때문에 수율감소에도 영향을 미친다.
전술한 바와 같이 시모스 이미지센서는 광특성이 마이크로 렌즈와 포토다이오드의 사이에 배치된 절연막의 두께가 얇을수록 마이크로 렌즈로부터 투과되는 빛의 빛의 양이 손실없이 하단의 포토다이오드에 잘 전달된다.
도3에 도시된 바와 같이 다층의 절연막이 포토다이오드와 마이크로 렌즈사이에 배치되는데, 이들 막의 두께를 얇게 하고 평탄화를 이루기 위해 화학적기계적 연마 공정을 진행하여 절연막의 평탄화를 이루는데, 이 과정에서 이종의 절연막이 표면에 노출된 경우, 노출된 부분이 후속공정에서 손상을 입고 그로 인해 불량을 일으키게 된다.
도5는 종래기술에 의해 제조된 이미지센서의 문제점을 보여주는 전자현미경사진이다. 도5를 참조하면 전술한 바와 같이 이종의 절연막이 노출되어 후속공정에서 노출된 부분이 데미지를 받는 것을 알 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로 시모스 이미지센서의 제조 과정에서 이종의 절연막이 표면에 노출되어 생길 수 있는 결함을 해결할 수 있는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법은 반도체기판의 내부에 포토다이오드를 형성하고, 상기 반도체기판 상부의 상기 포토다이오드와 인접한 부분에 트랜지스터들을 형성하며, 상기 반도체기판상에 상기 포토다이오드와 상기 트랜지스터들을 덮는 절연물질층을 형성하는 단계; 상기 절연물질층의 상기 포토다이오드와 중첩되지 않는 부분 상에 배선을 형성하는 단계; 상기 절연물질층 상에 상기 배선을 덮는 제1 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 절연막상에 제2 절연막을 형성하는 단계; 제2절연막의 상기 배선 상에 돌출된 단차 부분을 상기 제1절연막이 노출되도록 화학적기계적 연마공정으로 제거하는 단계; 및 상기 화학적기계적 연마공정에 의해 노출된 상기 제1 및 제2 절연막 상에 캡핑레이어를 형성하는 단계를 포함한다.
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 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
도6a에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법은 먼저 소정공정이 완료된 기판상에 배선을 형성하고, 배선을 덮을 수 있도록 절연막(21)을 형성한다. 이 때 배선은 알루미늄막으로 형성한다.
절연막(21)은 O3를 이용하여 형성한 USG(Undoped-Silicate Glass)막, HDP(high densigy plasma)를 이용한 산화막 또는 HSQ(Hydrogen Silses Quioxane)막 중 선택된 하나를 이용하여형성한다.
이어서 절연막(21)상에 절연막(23)을 형성한다. 절연막(23)은 O3를 이용하여 형성한 USG막, HSQ막, HDP를 이용한 USG막, TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)막, SiN막, SiC막등을 사용한 막등을 사용하여 형성한다.
이 때 하단의 배선때문에 그상부영역에 형성된 절연막(23)은 다른 영역보다 높은 패턴이 생기게 된다.
이어서 도6b에 도시된 바와 같이 화학적기계적 연마공정을 진행하여 평탄화시킨다. 여기서 사용하는 슬러리는 Fumed silica, colloidal silica 또는 alumina, ceria 슬러리를 사용한다.
이 때 하단에 형성된 절연막(21)이 표면에 노출이 되고, 그로 인해 서로 다른 두종류의 절연막(21,23)이 접하는 면이 표면에 노출된다.
이어서 도6c에 도시된 바와 같이, 캡핑레이어(24)를 형성한다. 캡핑레이어(24)는 TEOS, SiN 또는 SiC막등을 사용한다.
전술한 화학적기계적연마 공정으로 인해 노출된 서로 다른 종류의 절연막이 접하는 면(X) 때문에 후속 공정에서 여러 결함이 발생하였는데, 여기서 형성한 캡핑레이어(24)로 인해 서로 다른 종류의 절연막이 접하는 면(X)이 노출되지 않아서 후속 포토 및 식각 공정에서 손상이 방지된다.
포토다이오드와 마이크로 렌즈의 사이는 가까울수록 보다 많은 빛이 포토다이오드로 집속될 수 있다. 따라서 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이를 줄이기 위해 그 사이에 배치되는 절연막의 두께를 줄이기 위해서 여러가지 방법을 사용하고 있다.
포토다이오드의 상부영역의 주변에 광차단막으로 금속배선을 형성하는데, 이 배선을 형성하는 과정에서 필연적으로 단차가 발생한다. 이 때 발생한 단차를 제거하기위한 평탄화공정으로는 화학적기계적연마 공정을 진행하고 있다. 화학적기계적연마 공정을 진행하면 절연막의 두께를 줄이면서 평탄화시킬 수 있기 때문이다.
이 과정에서 이종의 절연막이 접합된 면이 노출되기 때문에 후속 공정에서 여러 문제를 발생시켰다.
그러나, 본 발명에서 화학적기계적 연마 공정을 진행하고 나서 캡핑레이어를 형성시킴으로서 후속 공정에서 이종의 절연막이 접합된 면 때문에 발생되는 문제는 제거할 수 있게 되었다. 또한 본 발명에 의해서 갭필을 목적으로 사용하는 모든 절연막을 화학,기계적 연마를 통하여 단차를 제거할 수 있다.
도7은 본 발명에 의해 제조된 이미지센서를 보여주는 전자현미경사진이다.
도7을 참조하면, 캡핑레이어를 형성한 이후에 후속공정을 진행했을 때, 이종의 절연막이 접합된 면 때문에 데미지를 받지 않는 것을 알 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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의해서 다층의 절연막을 적층하는 공정에서 이종의 절연막이 노출되더라도, 캡핑레이어를 형성함으로서 결국 후속공정은 표면이 하나의 절연막으로 된 상태에서 공정을 진행함으로서, 후속 포토 및 식각공정에서 이종의 절연막 경계면이 보호된다. 따라서 그로 인한 결함을 줄일 수 있어, 시모스 이미지센서의 광특성을 향상시킬 수 있으며, 공정이 안정화되고 수율이 향상된다.
Claims (6)
- 반도체기판의 내부에 포토다이오드를 형성하고, 상기 반도체기판 상부의 상기 포토다이오드와 인접한 부분에 트랜지스터들을 형성하며, 상기 반도체기판상에 상기 포토다이오드와 상기 트랜지스터들을 덮는 절연물질층을 형성하는 단계;상기 절연물질층의 상기 포토다이오드와 중첩되지 않는 부분 상에 배선을 형성하는 단계;상기 절연물질층 상에 상기 배선을 덮는 제1 절연막을 형성하는 단계;상기 제1 절연막상에 제2 절연막을 형성하는 단계;상기 제2 절연막의 상기 배선 상에 돌출된 단차 부분의 상기 제1 절연막이 노출되도록 화학적기계적 연마공정으로 제거하는 단계; 및상기 화학적기계적 연마공정에 의해 노출된 상기 제1 및 제2 절연막 상에 캡핑레이어를 형성하는 단계를포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 캡핑레이어 상에 상기 포토다이오드과 중첩되게 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 절연막은 O3를 이용한 USG막, HSQ막 또는 HDP를 이용한 USG 막중 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제2 절연막은 O3를 이용한 USG막, HSQ막, HDP를 이용한 USG 막, TEOS막, SiN막 또는 SiC막중 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 캡핑레이어는TEOS막, SiN막 또는 SiC막 중에서 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 화학적기계적연마 공정에서의 슬러리는 Fumed silica, colloidal silica 또는 alumina, ceria 슬러리중 적어도 하나를 선택하는 것을 특징으로 하 는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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| KR1020040115953A KR100658928B1 (ko) | 2004-12-30 | 2004-12-30 | 시모스 이미지센서의 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020040115953A KR100658928B1 (ko) | 2004-12-30 | 2004-12-30 | 시모스 이미지센서의 제조방법 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR101005698B1 (ko) * | 2007-12-12 | 2011-01-05 | 주식회사 동부하이텍 | 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
-
2004
- 2004-12-30 KR KR1020040115953A patent/KR100658928B1/ko not_active IP Right Cessation
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