KR100672690B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드로 입사되는 빛의 강도를 높임과 동시에 주변 구동부에는 누설 전류 등의 문제를 방지하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 센서부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판에 형성되는 다수개의 포토다이오드 및 각종 트랜지스터와, 상기 반도체 기판의 전면에 형성되는 제 1 층간 절연막과, 상기 제 1 층간 절연막상의 센서부와 주변 구동부에 형성되는 제 1 금속배선과, 상기 제 1 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 제 2 층간 절연막과, 상기 제 2 층간 절연막상의 센서부와 주변 구동부에 형성되는 제 2 금속배선과, 상기 제 2 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 식각 스톱층과, 상기 질화막상의 주변 구동부에 형성되는 제 3 층간 절연막과, 상기 제 3 층간 절연막상에 형성되는 제 3 금속배선과, 상기 제 3 금속배선을 포함한 상기 반도체 기판의 주변 구동부에 형성되는 제 4 층간 절연막과, 상기 제 4 층간 절연막상에 형성되는 제 4 금속배선과, 상기 제 4 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 평탄화층의 센서부상에 차례로 형성되는 칼라 필터층 및 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이미지 센서, 포토다이오드, 마이크로렌즈, 층간 절연막
Description
도 1은 통상의 CMOS 이미지 센서의 단위 화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
100 : 반도체 기판 101 : 포토다이오드
102 : 트랜지스터 103 : 제 1 층간 절연막
104 : 제 2 층간 절연막 105 : 질화막
106 : 제 3 층간 절연막 107 : 제 4 층간 절연막
108 : 포토레지스트 109 : 평탄화층
110 : 컬러 필터층 111 : 마이크로렌즈
본 발명은 이미지 센서(Image sensor)에 관한 것으로 특히, 집광 특성을 향상시키기 위한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)라 함은 광학 영상(optic image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중에서 전하 결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Metal) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며 씨모스(Complementary MOS) 이미지 센서는 제어 회로(control circuit) 및 신호처리 회로(Signal Processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고, 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩 내에 구현할 수 없어 원-칩(One chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발이 많이 연구되고 있다.
CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Pixel)내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30~40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원-칩화가 가능하여 차세대 이미지 센서로 각광을 받고 있다.
도 1은 통상의 CMOS 이미지 센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터로 구성된 단위 화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(Photo Diode : PD)와, 포토다이오드(PD)에서 모아진 광전하를 플로팅 확산영역(Floating Diffusion : FD)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역(FD)의 전위를 셋팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(FD)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(Rx)와, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follow Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing)할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Sx)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터가 형성되어 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 단면도로서, 집광에 관련된 주요부분만 도시하였다.
종래 씨모스 이미지 센서는 도면에 도시하는 바와 같이, 센서부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판(11)상에 액티브 영역을 정의하기 위한 필드 산화막(도시되지 않음)이 형성되어 있고, 상기 액티브 영역의 반도체 기판(11)에는 다수개의 포토다이오드(PD)(12)와 트랜지스터(13)들이 형성되어 있다.
그리고, 상기 포토다이오드(12)와 트랜지스터(13)를 포함하는 전체 구조상에 제 1 층간 절연막(14)이 형성되어 있고, 상기 제 1 층간 절연막(14)상에는 단위 화소를 구성하는 다수개의 금속배선(M1,M2,M3,M4)들이 형성되어 있다.
여기서, 상기 금속배선(M1,M2,M3,M4)은 상기 포토다이오드(12)로 입사되는 빛을 막지 않도록 배치되어 있다.
이어, 상기 각층의 단위화소 구성용 금속배선(M1,M2,M3,M4)들 사이사이에는 전기적 절연을 위한 제 2 내지 제 4 층간 절연막(15,16,17)과 평탄화층(18)이 형성되어 있다.
또한, 상기 센서부의 평탄화층(18)상에는 컬러 이미지(Color Image) 구현을 위한 R, G B 컬러 필터층(19)이 형성되어 있고, 상기 컬러 필터층(19)상에 포토레지스트(Photo resist)를 재료로 하는 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈(micro-lens)(20)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(20)는 포토레지스트(photo resist)를 도포하고 상기 포토다이오드(12) 상부에 남도록 패터닝한 후에 베이킹(backing)을 통해 포토레지스트를 리플로우하여 원하는 곡률을 얻고 있다.
상기와 같은 마이크로렌즈(20)는 입사광을 포토다이오드(12)까지 집약시켜 보내주는 중요한 역할을 하고 있다.
그러나, 소자가 고집적화되면서 상기 금속 배선들을 서로 다른 층상에 구성해야 하고 이에 따라 다수개의 층간 절연막들의 높이도 증가되면서 상기 마이크로렌즈(20)와 포토다이오드(12)간의 거리가 멀어져 상기 마이크로렌즈(20)만으로는 포토다이오드(PD)까지 적절하게 빛을 모을 수가 없게 되었다.
즉, 센서부에는 금속배선(M1,M2)의 층수가 2층밖에 안됨에도 불구하고 제 2 내지 제 4 층간 절연막(15,16,17)이 적층되어 있으므로 마이크로렌즈(20)로부터 실제 빛을 받는 포토다이오드(12)까지 두꺼운 막이 존재하여 빛을 약하게 만들어 이 미지의 질이 떨어진다.
또한, 상기 마이크로렌즈(20)와 포토다이오드(12) 사이의 거리가 멀어 입사각이 벗어나면 빛이 인접 픽셀로 들어가 크로스토크라는 색깔 간섭이 잘 일어나 화질을 열화시킨다.
이에 따라 최근에는 포토다이오드(12)위의 각 층간 절연막의 두께를 줄이는 경향이 있다. 하지만 이렇게 하면 포토다이오드(12)가 받는 빛의 강도가 높아져 이미지의 질은 좋아지나 금속배선간의 정전 용량이 증대되어 누설 전류 등의 여러 가지 문제를 일으킬 가능성이 높아진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드로 입사되는 빛의 강도를 높임과 동시에 주변 구동부에는 누설 전류 등의 문제를 방지하도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 센서부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판에 다수개의 포토다이오드와 트랜지스터들을 형성하는 단계와, 상기 각 포토다이오드 및 트랜지스터를 포함한 반도체 기판의 전면에 제 1 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 층간 절연막상의 센서부와 주변 구동부에 제 1 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 제 1 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 2 층간 절연막상의 센서부와 주변 구동부에 제 2 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 제 2 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 식각 스톱층을 형성하는 단계와, 상기 식각 스톱층상에 제 3 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 3 층간 절연막상의 주변 구동부에 제 3 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 제 3 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 제 4 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 4 층간 절연막상의 주변 구동부에 제 4 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 센서부에 형성된 제 4 층간 절연막 및 제 3 층간 절연막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층의 센서부에 컬러 필터층 및 마이크로렌즈를 차례로 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
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이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 센서부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판(100)에 형성되는 다수개의 포토다이오드(101) 및 각종 트랜지스터(102)와, 상기 포토다이오드(101) 및 트랜지스터(102)를 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 형성되는 제 1 층간 절연막(103)과, 상기 제 1 층간 절연막(103)상의 센서부와 주변 구동부에 형성되는 제 1 금속배선(M1)과, 상기 제 1 금속배선(M1)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 형성되는 제 2 층간 절연막(104)과, 상기 제 2 층간 절연막(104)상의 센서부와 주변 구동부에 형성되는 제 2 금속배선(M2)과, 상기 제 2 금속배선(M2)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 형성되는 질화막(105)과, 상기 질화막(105)상의 주변 구동부에 형성되는 제 3 층간 절연막(106)과, 상기 제 3 층간 절연막(106)상에 형성되는 제 3 금속배선(M3)과, 상기 제 3 금속배선(M3)을 포함한 상기 반도체 기판(100)의 주변 구동부에 형성되는 제 4 층간 절연막(107)과, 상기 제 4 층간 절연막(107)상에 형성되는 제 4 금속배선(M4)과, 상기 제 4 금속배선(M4)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 형성되는 평탄화층(109)과, 상기 평탄화층(109)의 센서부상에 차례로 형성되는 칼라 필터층(110) 및 마이크로렌즈(111)를 포함하 여 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 센서부에는 제 1, 제 2 층간 절연막(103,104)이 형성되고 주변 구동부에 제 1 내지 제 4 층간 절연막(103,104,106,107)이 형성되게 함으로써 마이크로렌즈(111)와 포토다이오드(101) 사이의 간격을 줄이는데 있다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 센서부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판(100)에 액티브 영역을 정의하기 위한 필드 산화막(도시되지 않음)을 형성하고, 상기 반도체 기판(100)의 액티브 영역에 다수개의 포토다이오드(101)와 트랜지스터(102)들을 형성한다.
이어, 상기 각 포토다이오드(101) 및 트랜지스터(102)를 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 제 1 층간 절연막(103)을 형성하고, 상기 제 1 층간 절연막(103)상에 제 1 금속막을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 센서부와 주변 구동부에 제 1 금속배선(M1)을 형성한다.
그리고, 상기 제 1 금속배선(M1)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 제 2 층간 절연막(104)을 형성하고, 상기 제 2 층간 절연막(104)상에 제 2 금속막을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 센서부와 주변 구동부에 제 2 금속배선(M2)을 형성한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 금속배선(M2)을 포함한 반도체 기판 (100)의 전면에 식각 방지용 질화막(105)을 형성한다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 질화막(105)상에 제 3 층간 절연막(106)을 형성하고, 상기 제 3 층간 절연막(106)상에 제 3 금속막을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 주변 구동부에 제 3 금속배선(M3)을 형성한다.
이어, 상기 제 3 금속배선(M3)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 제 4 층간 절연막(107)을 형성하고, 상기 제 4 층간 절연막(107)상에 제 4 금속막을 증착한 후 선택적으로 패터닝하여 주변 구동부에 제 4 금속배선(M4)을 형성한다.
그리고 상기 제 4 금속배선(M4)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 포토레지스트(108)를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 주변 구동부에만 남도록 상기 포토레지스트(108)를 패터닝한다.
도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 포토레지스트(108)를 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판(100)의 센서부에 형성된 제 4 층간 절연막(107) 및 제 3 층간 절연막(106)을 선택적으로 제거한다.
이때 상기 제 2 층간 절연막(104)상에 형성된 질화막(105)은 상기 제 3 층간 절연막(106) 및 제 4 층간 절연막(107)을 선택적으로 제거할 때 식각 스톱층(etch stop layer)으로 사용된다.
또한, 상기 제 3 층간 절연막(106)과 제 4 층간 절연막(107)의 식각 공정은 습식이나 건식 또는 혼합 방식을 사용한다.
도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트(108)를 제거하고, 상기 반도체 기판(100)의 전면에 질화막 등을 증착하여 평탄화층(109)을 형성한다.
도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(109)상에 가염성 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 가염성 레지스트를 패터닝하여 센서부에 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(110)들을 일정한 간격을 갖도록 형성한다.
이어, 상기 칼라 필터층(110)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 마이크로렌즈 형성용 물질층을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 물질층을 패터닝하여 상기 칼라 필터층(110)상에 마이크로렌즈 패턴을 형성한다.
여기서, 상기 마이크로렌즈 형성용 물질층으로, 레지스트 또는 TEOS와 같은 산화막을 사용할 수도 있다.
한편, 상기 마이크로렌즈용 물질층을 도포하기 전에 상기 칼라 필터층(110)상에 평탄화층(도시되지 않음)을 형성할 수도 있다.
이어, 상기 마이크로렌즈 패턴을 150 ~ 200℃의 온도에서 리플로우시키어 마이크로렌즈(111)를 형성한다.
여기서, 상기 리플로우 공정은 핫 플레이트(hot plate)를 이용하거나 퍼니스(furnace)를 이용할 수 있다. 이때 수축 가열하는 방법에 따라 마이크로렌즈(111)의 곡률이 달라지는데 이 곡률에 따라서 집속 효율도 달라지게 된다.
이어, 상기 마이크로렌즈(111)에 자외선을 조사하여 경화한다. 여기서, 상기 마이크로렌즈(111)에 자외선을 조사하여 경화함으로써 상기 마이크로렌즈(111)는 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 센서부에서 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 층간 절연막이 두께가 얇아져서 빛의 손실을 줄여 광 감도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리가 짧아져서 입사 각도에 의한 크로스토크를 줄일 수 있다.
셋째, 광 감도의 향상 및 크로스토크의 방지로 인하여 어두운 곳에서의 화질 뿐만 아니라 밝은 곳에서도 화질을 개선할 수 있다.
넷째, 주변 구동부의 금속배선의 층수의 제한이 제거되어 더 많은 금속배선 층수를 사용하여 설계 효율을 높일 수 있다.
Claims (5)
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- 센서부와 주변 구동부로 정의된 반도체 기판에 다수개의 포토다이오드와 트랜지스터들을 형성하는 단계;상기 각 포토다이오드 및 트랜지스터를 포함한 반도체 기판의 전면에 제 1 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 제 1 층간 절연막상의 센서부와 주변 구동부에 제 1 금속배선을 형성하는 단계;상기 제 1 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 제 2 층간 절연막상의 센서부와 주변 구동부에 제 2 금속배선을 형성하는 단계;상기 제 2 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 식각 스톱층을 형성하는 단계;상기 식각 스톱층상에 제 3 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 제 3 층간 절연막상의 주변 구동부에 제 3 금속배선을 형성하는 단계;상기 제 3 금속배선을 포함한 반도체 기판의 전면에 제 4 층간 절연막을 형 성하는 단계;상기 제 4 층간 절연막상의 주변 구동부에 제 4 금속배선을 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 센서부에 형성된 제 4 층간 절연막 및 제 3 층간 절연막을 선택적으로 제거하는 단계;상기 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계;상기 평탄화층의 센서부에 컬러 필터층 및 마이크로렌즈를 차례로 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 식각 스톱층은 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 층간 절연막과 제 4 층간 절연막은 습식이나 건식 또는 혼합 방식을 이용하여 선택적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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