KR100683395B1 - 광감도 개선을 위한 이미지센서 제조방법 - Google Patents
광감도 개선을 위한 이미지센서 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 광감도를 향상시키기 위한, 그리고 칼라필터의 평탄도를 개선하고 마이크로렌즈의 프로파일이 일그러짐 없이 양호히 형성하여 소자의 신뢰성 및 공정 마진을 증대시키는 이미지센서 제조방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명은, 이미지센서 제조방법에 있어서, 기판상에 광감지소자를 포함하는 소자들을 형성하고 적어도 한층의 제1절연막과 적어도 한층의 금속배선 및 소자보호막을 형성하는 제1단계: 상기 광감지소자의 상부에 제1절연막이 일부 잔류하면서 홈이 형성되도록, 선택적으로 상기 소자보호막 및 상기 제1절연막을 식각하는 제2단계: 및 상기 홈 내에 제2절연막을 매립하는 제3단계를 포함하여 이루어진다. 또한 상기 본 발명에서 상기 제3단계는 상기 제2단계가 완료된 결과물의 전면에 상기 제2절연막을 형성하는 제4단계; 및 상기 제4단계의 결과물 상부를 화학적기계적연마하는 제5단계를 포함하여 이루어지며, 상기 제5단계가 완료된 결과물 상에 칼라필터 및 마이크로렌즈를 형성하는 제6단계를 더 포함하여 이루어진다.
이미지센서, 광감지소자, 평탄화, 광감도
Description
도1은 종래기술에 따라 제조된 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도,
도2는 더블 금속배선이 적용된 이미지센서의 특정 픽셀부를 나타낸 단면도,
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실리콘기판 2 : 필드산화막
3 : 광감지소자 4a, 4b : 층간절연막
5a, 5b : 금속배선 10 : 소자보호막
8 : 칼라필터 9 : 마이크로렌즈
33 : 절연막
본 발명은 이미지센서(image sensor) 제조방법에 관한 것으로, 특히 광감도 개선을 위한 CMOS 이미지센서 제조방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직회로 부분으로 구성 되어있다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 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 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루질 수 있다.
도1은 종래기술에 따라 제조된 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도1을 참조하여 종래기술에 따른 이미지센서 제조방법을 간단히 언급하면, 실리콘기판(1) 위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(2)을 형성하고 포토다이오드와 같은 수광소자(3)들을 포함하는 픽셀을 형성한 후 층간절연막(4)을 도포하고 금속배선(5)을 형성한다. 금속배선은 더블 금속배선으로 이루어지는 것이 통상적이다. 이어서, 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막(6) 및 질화막(7)을 연속적으로 도포하여 소자보호막(10)을 형성한다. 이후 이미지센서의 칼라 이미지 구현을 위하여 칼라필터(8)를 형성하고, 그 상부에 마이크로렌즈(9)를 형성한다.
도2는 CMOS 이미지 센서의 특정 픽셀부를 확대한 것으로, 더블 금속배선이 적용된 것이다.
도2를 참조하면, 광감지부(포토다이오드)로 사용되는 액티브영역의 수광소자(3)는 필드절연막(2)과 금속배선층(5a, 5b)의 타포로지(Topology)로 인하여 층간절연막(4a, 4b)의 증착(deposition) 공정에서 후속공정으로 진행될 수록 심하게 굴곡되는 현상이 발생된다. 소자보호막(10)도 마찬가지이다.
때문에, 굴곡진 부위에 형성되는 칼라필터(8)의 평탄도가 불량하므로 그 위에 형성되는 마이크로렌즈(9)가 단위픽셀마다 모양이 상이하게 되어 그 특성의 균일성(Uniformity)이 저하된다.
아울러, 층간절연막 및 소자보호막 들간의 굴절율(Refractive Index)차, 굴절각 차에 의한 빛의 산란, 반사 및 손실로 인하여 광감도, 색 분리도의 저하를 가져온다. 또한, 층간절연막의 각 계면에서 특히 단차진 부위에서 공정진행시 불투명하거나 반투명한 오염물질(도2의 도면부호 21 참조) 잔사로 광감도를 저하시킨다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광감도를 향상시키기 위한 이미지센서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 칼라필터의 평탄도를 개선하고 마이크로렌즈의 프로파일이 일그러짐 없이 양호히 소자의 신뢰성 및 공정 마진을 증대시키는 이미지센서 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이미지센서 제조방법에 있어서, 기판상에 광감지소자를 포함하는 소자들을 형성하고 적어도 한층의 제1절연막과 적어도 한층의 금속배선 및 소자보호막을 형성하는 제1단계: 상기 광감지소자의 상부에 제1절연막이 일부 잔류하면서 홈이 형성되도록, 선택적으로 상기 소자보호막 및 상기 제1절연막을 식각하는 제2단계: 및 상기 소자보호막 상에 상기 제1절연막과 동일한 재질의 물질을 상기 홈을 채우도록 증착하고 상기 소자보호막이 노출되도록 화학적기계적연마하여 상기 홈을 매립하는 광투과 제2절연막을 형성하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 본 발명에서 상기 제3단계가 완료된 결과물 상에 칼라필터 및 마이크로렌즈를 형성하는 제4단계를 더 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 나타내고 있다.
도3a는 단위픽셀 및 주변회로 등 이미지센서를 이루는 소자들을 제조하고 소자보호막 형성 공정을 완료한 상태의 단면도이다.
이를 좀더 구체적으로 살펴보면, 실리콘기판(1) 위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(2)을 형성하고 포토다이오드와 같은 수광소자(3)들을 포함하는 픽셀들을 형성한 후 광투과 층간절연막(4a, 4b)을 도포하고 금속배선(5a, 5b))을 형성한다. 금속배선은 더블 금속배선으로 실시되어 있으나, 단층 금속배선 또는 삼층 이상의 금속배선이어도 무방할 것이다. 이어서, 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 및 질화막을 연속적으로 도포하여 소자보호막(10)을 형성한다.
이어서, 도3b와 같이, 광감지소자 상부지역에 적층되어 있는 절연막들, 즉 소자보호막(10) 및 층간절연막(4a, 4b)을 선택적으로 식각하기 위하여 마스크패턴(31)을 형성한다. 상기 마스크패턴(31)은 포토레지스트패턴이 될수도 잇고 하드마스크 절연막이 될 수도 있다. 포토레지스트 패턴일 경우에는 그 두께를 1∼5㎛하며 광감지부 면적의 100∼1000% 크기의 오픈 영역이 형성되도록 형성한다.
이어서, 도3c와 같이 마스크패턴(31)을 식각베리어로하여 적층된 절연막들을 선택적으로 식각하여 홈(32)을 형성하되, 광감지소자(3)의 액티브영역이 노출되지 않도록 층간절연막(4a)는 일부두께는 잔류시킨다. 이때의 식각은 도면에 도시된 바 와 같이 경사진 건식식각을 사용할 수도 있고, 습식식각을 적용할 수도 있으며, 습식 및 건식 식각을 함께 적용할 수도 있다. 건식식각은 CF4, CHF3 등과 같은 플루오르카본(fluorocarbon) 계열 가스를 적어도 한종류 이상을 사용한다.
그리고, 상기 홈의 저부 폭(AB)을 광감지소자 영역 폭(AP)의 100∼300%로 형성하고, 상기 홈의 상부 폭(AT)을 상기 저부 폭(AB)의 100∼500%로 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 도3d와 같이 결과물 전면에 광투과 절연막(33)을 도포하고, 도3e와 같이 화학적기계적연마(CMP : chemical mechanical polishing)하여 기판 상부가 평탄화되면서 홈(32) 내부에 절연막(33)이 매립되도록 한다. 상기 절연막(33)은 광감지소자(3) 상부에 잔류하고 있는 층간절연막(4a)과 동일한 물질로 형성하는 것이 바람직한 바, 이는 빛이 투과하는 지역의 절연층이 동일한 종류의 절연막일때 굴절률 및 굴절각의 차에 의해 산란 및 반사되는 빛의 손실도를 감소시킬 수 있기 때문이다. 또한 공정의 제약상 200∼600℃의 증착온도에서 증착가능하고 가시광선파장 영역(400∼800nm)에서 투과율 80% 이상인 물질을 절연막(33)에 적용하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 CMP시 그 연마정지는 기판이 평탄화될때까지 실시하면 되기 때문에, 홈내에만 절연막(33)이 매립되는 것이 아니라 소자보호막 상에도 평탄화된 상태에서 절연막이 잔류할 수 있다.
이어서, 도3f와 같이 광감지소자(3)와 대향하는 위치의 절연막(33) 및 소자보호막(100 상에 칼라필터(8)를 형성하고, 그 상부에 마이크로렌즈(9)를 형성한다. 하부의 절연막(33) 및 소자보호막(10)들이 평탄화되어 있는 상태에서 칼라필터(8)와 마이크로렌즈(9)가 형성되기 때문에, 칼라필터는 그 평탄도가 우수하고 역시 마이크로렌즈는 그 프로파일(profile)이 균일하게 형성되게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 특징적 작용효과는 다음과 같다.
첫째, 종래에는 층간 절연의 특성 또는 기타 공정 상의 제약 때문에 서로 다른 종류의 박막을 적층할 수 밖에 없었는데, 본 발명은 빛이 투과되는 지역에서의 절연막 종류를 최소화하고 있어, 굴절률 및 굴절각의 차에 의해 빛의 산란 및 반사를 최소화하여 광감도를 증가시킬 수 있다.
둘째, 공정 상에서 절연막들간의 계면에 잔류하는 특히 굴곡진 부분에서 잔류하는 오염물들이 식각되어 제거되기 때문에 역시 빛의 산란 및 반사를 최소화하여 광감도를 증가시킬 수 있다.
세째, 평탄화를 이룰수 있어 균일한 두께의 칼라필터 및 양호한 프로파일의 마이크로렌즈 형성이 가능하여 광감도를 증가시킬 수 있다.
네째, 칼라필터(보통 염색된 네가티브 포토레지스트를 사용) 형성시 두께변화에 의한 국부적인 노광량 부족으로 발생하는 패턴 리프팅(Pattern Lifting)을 방지할 수 있는 등, 평탄화 달성으로 인해 칼라필터 형성시의 포토리소그래피 공정 마진 증대 등 여러 공정상의 마진을 얻을 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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 광감도를 향상, 양호한 칼라필터 및 마이크로렌즈 형성, 공정 마진 증대 등 여러 장점으로 인하여, 소자의 신뢰성 및 수율 증대를 얻을 수 있는 효과가 있다.
Claims (6)
- 이미지센서 제조방법에 있어서,기판상에 광감지소자를 포함하는 소자들을 형성하고 적어도 한층의 광투과 제1절연막과 적어도 한층의 금속배선 및 소자보호막을 형성하는 제1단계:상기 광감지소자의 상부에 제1절연막이 일부 잔류하면서 홈이 형성되도록, 선택적으로 상기 소자보호막 및 상기 제1절연막을 식각하는 제2단계: 및상기 소자보호막 상에 상기 제1절연막과 동일한 재질의 물질을 상기 홈을 채우도록 증착하고 상기 소자보호막이 노출되도록 화학적기계적연마하여 상기 홈을 매립하는 광투과 제2절연막을 형성하는 제3단계를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 제3단계가 완료된 결과물 상에 칼라필터 및 마이크로렌즈를 형성하는 제4단계를 더 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1 및 제2절연막은 가시광선대역의 파장에 대해 투과율이 80% 이상인 재질임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 홈의 저부 폭을 광감지소자 영역 폭의 100∼300%로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 홈의 상부 폭을 상기 저부 폭의 100∼500%로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20120131 Year of fee payment: 6 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |