KR100719341B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 광전변환소자(photoelectic conversion element)와, 상기 광전변환소자 상부에 형성된 복수층의 층간절연막을 포함한다. 층간절연막 내에 다층 배선층(multilevel interconnections)이 형성되어 있다. 복수층의 층간절연막을 관통하여 광전변환소자 상부에 칼라필터층이 형성되고, 칼라필터층 및 층간절연막들 사이에 패시베이션층이 개재된다. 칼라필터층은 층간절연막을 패터닝하여 광전변환소자 상부에 형성된 홈을 채워 형성된다.
이미지센서, 칼라필터, 홈

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{IMAGE SENSOR AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
도 1a는 종래기술에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 I-I'를 따라 취해진 이미지 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 3a는 도 2의 II-II'를 따라 취해진 단면도이다.
도 3b 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 내지 6e는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 광감도가 개선된 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이미지 센서는 외부에서 전달되는 빛을 받아 이미지를 재현하는 장치이다. 이미지 센서의 픽셀 어레이는 광다이오드와 같이 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환소자가 일정하게 배열되어 구성된다. 상기 픽셀 어레이의 상부에는 외부에서 입사되는 자연광을 특정파장을 가지는 빛으로 분해하는 칼라필터층이 형성되어 있다. 상기 칼라필터는 자연광을 빛의 3원색으로 분해는 RGB(red-green-blue)형 칼라필터 및 자연광을 CYGM(cyan, yellow, green, magenta)의 4색으로 분리하는 보색형 칼라필터 등이 있다. 상기 칼라필터층은 복수개의 칼라필터들로 구성되는데 각각의 칼라필터는 특정파장의 빛을 투과시켜 상기 광전변환소자에 전달되도록 한다.
도 1은 종래의 이미지 센서의 픽셀 어레이 일부분을 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이미지 센서의 픽셀 어레이는 반도체 기판(10)에 소자분리막(14)에 의해 한정되어 이차원적으로 배열된 다수의 픽셀들로 구성된다. 각 픽셀은 반도체 기판(10)에 형성된 광전변환소자(14)를 포함하여 수광된 빛이 전기신호로 변환된다. 상기 반도체 기판(10) 상에 광전변환소자(14)를 덮는 보호막(15)가 형성되어 있고, 상기 보호막(15) 상에는 복수층의 층간절연막(16)들이 덮여져 있다. 도시하지는 않았지만, 각 픽셀은 광전변환소자(14) 뿐만 아니라 변환된 전기신호를 출력하기 위한 회로들을 구비하고 있다. 따라서, 픽셀 어레이 내에는 각 픽셀의 구동 및 신호의 전송을 위한 배선(18)들이 형성되어 있다. 상기 배선들(18, 18t)은 다층배선기술을 적용하여 복수층의 절연층들(16) 사이에 신장되어 있다. 다층 배선층의 최상층(18t)은 유효입사광 이외의 빛이 광전변환소자(14)로 입사되는 것을 방지하기 위한 차광층이 될 수 있도록 상기 광전변환소자 주변의 영역들 상부를 덮는 격자 구조를 가지도록 형성된다.
상기 층간절연막들(16) 상에 칼라필터층(20)이 형성되어 있다. 상기 칼라필터층(20)은 각 픽셀의 광전변환소자(14) 상부에 위치하여 특정 파장대역의 빛이 선택적으로 광전변환소자(14)에 전달되도록 한다. 상기 칼라필터층(20) 상에는 제조공정에서 칼라필터층이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막(22)이 형성되어 있고, 각각의 칼라필터층(20) 상에는 마이크로 렌즈(24)가 형성되어 있다.
고화질의 이미지를 얻기 위해서는 광전변환소자에 입사되는 유효광의 광감도가 개선되어야 한다. 도시된 것과 같이, 종래의 이미지 센서는 칼라필터층(20)을 투과한 빛이 광전변환소자(14)까지 도달하는 동안 복수층의 층간절연막(16)을 통과하여야한다. 상기 층간절연막(16)들은 굴절률이 다른 물질들을 포함하기 때문에 층간절연막들의 계면에서 빛의 간섭에 의한 손실이 발생될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 층간절연막들(16)은 고유의 흡수계수를 가지기 때문에 간섭에 의한 손실 뿐만 아니라 광흡수에 의해 광전변환소자(14)에 도달하는 빛의 세기가 감소될 수 밖에 없다. 더 나아가서, 상기 마이크로 렌즈(24)를 통과한 빛이 굴절에 의해 광전변환소자(14)로 도달하는 경로를 벗어나 다층배선층(18, 18t)에 의해 차단되거나, 인접한 다른 픽셀의 광전변환소자로 향하는 문제가 발생될 수도 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광전변환소자에 입사되는 빛의 손실이 적은 이미지 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 광전변환소자에 입사되는 빛의 양이 증가된 이미지 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 칼라필터층과 광전변환소자 사이의 절연층을 감소시킨 이미지 센서를 제공한다. 본 발명의 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 광전변환소자(photoelectic conversion element)와, 상기 광전변환소자 상부에 형성된 복수층의 층간절연막을 포함한다. 상기 층간절연막 내에 다층 배선층(multilevel interconnections)이 형성되어 있다. 상기 복수층의 층간절연막을 관통하여 상기 광전변환소자 상부에 칼라필터층이 형성되고, 상기 칼라필터층 및 상기 층간절연막들 사이에 패시베이션층이 개재된다. 상기 칼라필터층 상부에 마이크로 렌즈가 형성된다.
본 발명에서, 상기 패시베이션층은 상기 칼라필터층의 측벽을 둘러싸며 광도파관(optical waveguide)을 형성하는 것이 특징이다. 따라서, 상기 패시베이션층은 상기 칼라필터층보다 굴절률이 낮은 물질인 것이 바람직하다. 또한, 상기 패시베이션층은 상기 층간절연막들의 최상층 상부와, 상기 칼라필터층 및 상기 층간절연막들 사이에 콘포말하게 형성될 수 있다.
상기 다층 배선층은 상기 광전변환소자 주변 영역 상부를 덮는 차광층을 포함한다. 본 발명에서 상기 칼라필터층은 상기 차광층의 측벽에 정렬된 측벽을 가질 수 있다. 이 때, 상기 패시베이션층은 상기 다층 배선층 및 상기 층간절연막들 사이의 경계를 덮을 수 있다.
상기 복수층의 층간절연막들 사이에는 식각정지층이 더 개재되어 있을 수 있다. 이 경우에도 상기 칼라필터층은 상기 층간절연막들 및 상기 식각정지층을 관통하여 형성된다. 또한, 상기 칼라필터층과 상기 광전변환소자 사이에 쉴드 절연막이 더 개재되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 픽셀 어레이 영역 및 주변회로 영역으로 구비된 이미지 센서를 개시한다. 구체적으로, 이미지 센서는 반도체 기판에 픽셀 어레이 영역 및 주변회로 영역이 정의되고, 상기 픽셀 어레이 영역에 형성된 복수개의 광전변환소자를 포함한다. 상기 반도체 기판 상부에 복수층의 층간절연막이 형성된다. 상기 층간절연막은 상기 픽셀 어레이 영역에서 일부분이 제거되어 상기 픽셀 어레이 영역에 상기 주변회로 영역에 비해 낮은 공동(cavity)이 형성된다. 상기 층간절연막들 내에 다층 배선층이 형성된다. 칼라필터층은 상기 복수층의 층간절연막을 관통하여 상기 광전변환소자들 상부에 각각 형성된다. 상기 칼라필터층들 및 상기 층간절연막들 사이에 패시베이션층이 개재되고, 상기 칼라필터층들 상부에 마이크로 렌즈가 각각 형성된다.
상기 패시베이션층은 상기 칼라필터층보다 굴절률이 낮은 물질인 것이 바람직하다. 상기 패시베이션층은 상기 층간절연막들 가운데 상기 픽셀 어레이 영역의 최상부 층간절연막과, 상기 칼라필터층 및 상기 층간절연막들 사이에 콘포말될 수 있다.
상기 다층 배선층은 상기 광전변환소자들 사이의 영역들 상부를 덮는 차광층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 칼라필터층은 상기 픽셀 어레이 영역에서 상기 차광층의 측벽에 정렬된 측벽을 가진다. 또한, 상기 패시베이션층은 상기 다층 배선층 및 상기 층간절연막들 사이의 경계를 덮는다.
상기 복수층의 층간절연막들 사이에는 식각정지층이 더 개재되어 있을 수 있다. 이 경우에도 상기 칼라필터층은 상기 층간절연막들 및 상기 식각정지층을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 칼라필터층과 상기 광전변환소자 사이는 쉴드 절연막이 더 개재되어 있을 수 있다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 칼라필터층과 광전변환소자 사이의 절연층을 감소시킨 이미지 센서의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판에 광전변환소자을 형성하고, 상기 광전변환소자을 가지는 반도체 기판 상에 복수층의 층간절연막, 및 상기 층간절연막 내에 신장되고 상기 광전변환소자의 주변영역 상부에 형성된 차광층을 포함하는 다층 배선을 형성하는 것을 포함한다. 상기 차광층에 자기정렬되도록 상기 층간절연막들을 패터닝하여 상기 광전변환소자 상부에 홈을 형성하고, 상기 홈이 형성된 기판의 전면에 패시베이션층을 콘포말하게 형성한다. 상기 홈 내에 칼라필터층을 채우고, 상기 칼라필터층 상에 마이크로 렌즈를 형성한다.
상기 복수층의 층간절연막을 형성하기 전에 상기 광전변환소자을 덮는 쉴드 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 패시베이션층은 상기 칼라필터층보다 굴절률이 낮은 물질로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 홈을 형성하기 전에 상기 다층 배선층들 상부의 층간절연막을 제거하는 공동 형성공정을 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 3a 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 2 및 도 3a를 참조하면, 반도체 기판(50)에 소자분리막(52)이 형성되어 픽셀 어레이를 구성하는 픽셀을 한정한다. 각각의 픽셀에 광전변환소자(54)가 형성된다. 상기 광전변환소자(54)는 빛을 전기신호로 변환하는 소자로서, 광다이오드가 이에 해당한다. 도시하지 않았지만, 각 픽셀은 선택신호에 따라 변환된 전기신호를 출력할 수 있는 로컬 회로를 포함한다. 또한, 픽셀 어레이는 입 출력 신호를 각 픽셀에 전달하는 다층 배선층(58, 58t)을 포함한다. 상기 광전변환소자(54)가 형성된 기판의 전면에 복수층의 층간절연막(56)이 형성되고, 상기 층간절연막들(56) 사이 에 다층 배선층(58, 58t)이 형성되어 있다. 상기 다층 배선층은 차광층(58t)을 포함한다. 일반적으로 다층 배선층의 최상층은 유효 입사광이 광전변환소자에 도달할 수 있도록 광전변환소자(54) 주변 영역의 상부를 덮는 격자 구조의 차광층(58t)을 형성한다. 격자 구조는 도 1의 평면도에서도 보여진다. 물론 상기 차광층(58t)도 배선층의 일부를 구성하여 전기적인 신호를 전송할 수 있다.
상기 광전변환소자(54) 상부에 복수의 칼라필터(64)로 구성된 칼라필터층이 형성된다. 상기 칼라필터(64)는 상기 차광층(58t)의 측벽에 정렬된 측벽을 가지면서 복수층의 상기 층간절연막들(56)을 관통하여 형성된다. 즉, 격자 구조의 차광층(58t)이 픽셀 어레이 상에 형성되어 있고, 차광층(58t)가 형성하는 오프닝에 칼라필터(64)가 채워져 있는 구조가 된다.
상기 칼라필터(64)와 상기 층간절연막(56) 및 상기 칼라필터(64)와 상기 다층 배선층(58, 58t) 사이에 패시베이션막(62)이 콘포말하게 형성될 수도 있다. 상기 패시베이션막(62)은 상기 층간절연막(56)과 상기 다층 배선층(58, 58t)의 경계를 덮어 불순물 또는 수분의 침투를 방지할 수 있다. 상기 패시베이션막(62)은 상기 칼라필터(64)의 측벽을 둘러싸며 광도파관을 형성할 수 있다. 칼라필터를 통과하는 빛은 경로에 따라 상기 광전변환소자(54)로 입사되지 않고 칼라필터의 측벽으로 향할 수도 있다. 이 때, 상기 패시베이션막(62)과 상기 칼라필터(64)의 계면에서 빛이 전반사되어 상기 광전변환소자(54)에 도달할 수 있다. 이에 따라 광전변환소자(54)에 전달되는 빛의 강도가 강해질 수 있다. 상기 칼라필터(64)와 상기 패시베이션막(62)의 계면에서 작은 입사각에도 전반사가 일어날 수 있도록 상기 패시베이션막(62)은 상기 칼라필터(64)에 비해 굴절률이 낮은 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 패시베이션막(62)을 형성하지 않는 경우에도 칼라필터(64)의 측벽면에서 전반사가 일어나도록 상기 칼라필터(64)를 상기 층간절연막들(56)보다 굴절률이 높은 물질로 형성할 수도 있을 것이다.
상기 칼라필터(64)와 상기 광전변환소자(54) 사이에 쉴드 절연막(55)가 형성될 수도 있다. 상기 쉴드 절연막(55)는 제조공정에서 상기 광전변환소자(54)의 손상을 방지하여 암전류 및 노이즈의 발생을 억제하는데 기여한다. 상기 칼라필터(64)의 상부에 마이크로 렌즈(70)가 각각 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(70)는 폴리이미드 계열의 수지로 형성되거나, 실리콘산화막으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 마이크로 렌즈(70)와 상기 칼라필터(64) 사이에 평탄화된 보호막(68)이 더 개재될 수도 있다. 상기 마이크로 렌즈(70)는 상기 칼라필터(64)보다 넓은 면적으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 마이크로 렌즈(70)의 경계는 상기 차광층(58t)의 상부에 위치하여 마이크로 렌즈(70)를 투과하는 빛 가운데서 상기 칼라필터(64)를 투과하는 유효 입사광만 상기 광전변환소자(54)에 도달될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 3b 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3b를 참조하면, 반도체 기판(50)에 소자분리막(52)을 형성하여 픽셀 어레이를 구성하는 픽셀 영역을 한정한다. 상기 픽셀 영역 내에 광전변환소자(54)를 형성한다. 상기 광전변환소자(54)는 광다이오드일 수 있다. 상기 광전변환소자(54)가 형성된 기판의 전면에 복수층의 층간절연막(56)을 형성한다. 상기 층간절연막(56)을 형성하기 전에 상기 광전변환소자(54)를 덮는 쉴드 절연막(55)를 더 형성할 수 있다. 본 실시예에서 상기 쉴드 절연막(55)과 상기 층간절연막(56)을 구분하였으나, 상기 쉴드 절연막(55) 또한 층간절연막(56)의 기능을 할 수도 있다.
상기 층간절연막(56) 내에 다층 배선층(58)을 형성한다. 상기 층간절연막(56) 및 상기 다층 배선층(58)은 통상의 배선 형성공정에 따라 형성된다. 각각의 픽셀은 광전변환소자(54) 뿐만 아니라 로컬 회로를 구성하는 수동소자 및 능동소자를 더 포함한다. 따라서, 상기 수동소자 및 능동소자에 신호를 입출력하고, 픽셀 어레이를 구동하기 위하여 층간절연막 형성 및 배선 형성 공정을 반복적으로 수행하여 복수층의 층간 절연층(56) 및 다층 배선층(58)을 형성할 수 있다.
상기 다층 배선층의 최상층은 차광층(58t)이 될 수 있다. 즉, 상기 차광층(58t)은 상기 광전변환소자(54)의 주변영역 상부에 형성되어 격자구조를 이룰 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 층간절연막들(56)을 패터닝하여 상기 광전변환소자(54) 상에 각각 홈(60)을 형성한다. 이 때, 상기 쉴드 절연막(55)이 상기 광전변환소자(54) 상에 잔존하도록 상기 홈(60)을 형성하여 광전변환소자(54)가 손상을 입는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 홈(60)은 상기 차광층(58t)을 식각마스크로 사용하여 상기 층간절연막들(56)을 자기정렬 식각하여 형성할 수 있다. 이 때, 상기 차광층(58t) 상부에 포토 레지스트를 형성하여 층간절연막들(56)을 식각하거나, 픽셀 어레이 영역을 노출시키는 포토레지스트를 형성하여 상기 차광층(58t)을 식각마스크로 사용하여 상기 층간절연막들(56)을 식각할 수도 있다. 상기 차광층(58t)의 상부에 포토레지스트를 형성하여 식각할 때, 포토레지스트와 차광층이 오정렬되더라도 상기 차광층이 식각마스크로 사용될 수 있기 때문에 상기 홈은 상기 차광층(58t)의 측벽에 정렬된 측벽을 가지도록 자기정렬 식각될 수 있다. 픽셀 어레이 영역을 완전 노출시켜 상기 차광층(58t)을 식각마스크로 사용하여 상기 층간절연막들(56)을 식각하는 경우, 상기 차광층(58t) 상의 층간절연막(56)도 식각될 수 있음은 물론이다. 결과적으로, 상기 차광층(56t)의 격자 구조에 의해 정의되는 오프닝에 정렬된 홈(60)이 상기 광전변환소자(54) 상부에 형성되게 된다.
도 3d를 참조하면, 상기 홈(60)이 형성된 기판의 전면에 패시베이션막(62)을 콘포말하게 형성한다. 상기 패시베이션막(62)은 상기 홈(60)의 내벽에 형성되어 상기 층간절연막들(56)과 상기 다층배선층(58, 58t)의 경계를 덮는다. 상기 패시베이션막(62)은 광 흡수계수가 낮으며, 후속공정에서 형성될 칼라필터층보다 굴절률이 낮은 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
도 3e를 참조하면, 상기 홈(60) 내에 각각 특정 파장 대역의 빛이 선택적으로 투과하는 칼라필터(64)를 채운다. 상기 칼라필터(64)는 상기 패시베이션막(62)보다 굴절률이 높은 물질로 형성되어 칼라필터(64)와 패시베이션막(62)의 계면에서 전반사가 일어날 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 패시베이션막(62)을 형성하지 않는 경우에도, 상기 칼라필터(64)를 투과하는 빛이 상기 칼라필터(64)과 상기 층간절연막들(56)의 계면에서 전반사 될 수 있도록 상기 칼라필터(64)는 상기 층간절연막들(56)보다 굴절률이 높은 물질일 수 있다.
계속해서 상기 칼라필터(64) 상에 각각 마이크로 렌즈(도 3a의 70)을 형성하여 도 3a의 구조를 얻을 수 있다. 이 때, 상기 마이크로 렌즈(도 3a의 70)을 형성하기 전에 상기 칼라필터(64) 상에 평탄화된 보호막(도 3a의 68)을 더 형성할 수도 있다.
이미지 센서에서 획득된 이미지에 특정 색상을 보강하거나 파장에 따른 광감도의 차이를 보정하기 위하여 칼라필터가 채워지는 홈을 형성하는 단계에서 홈의 깊이를 조절할 수 있다. 본 발명의 제 2 실시예는 파장 대역에 따라 광감도를 조절할 수 있는 구조를 가지는 이미지 센서 및 그 제조방법을 개시한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 칼라필터가 채워지는 홈을 형성하는 단계에서 투과되는 빛에 따라 층간절연막(56)의 식각된 깊이가 다른 홈들(60a, 60b, 60c)을 형성한다. 이 경우에도, 가장 깊은 홈(60a)에서 광전변환소자(54) 상에 쉴드 절연막(55)이 잔존하도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 4b를 참조하면, 상기 홈들(60a, 60b, 60c)이 형성된 기판의 전면에 패시베이션막(62a)을 콘포말하게 형성한다. 상기 패시베이션막(62a)은 칼라필터에 비해 굴절률이 낮은 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
도 4c를 참조하면, 상기 패시베이션막(62a)이 형성된 홈들(60a, 60b, 60c) 내에 칼라필터(64a, 64b, 64c)를 채운다. 이 때, 보강하고자 하는 색상을 위한 칼라필터를 가장 깊은 홈(60a)에 형성하고, 감쇄하고자 하는 색상을 위한 칼라필터를 가장 얕은 홈(60c)에 형성할 수 있다. 색상의 보강과 감쇄는 이미지의 색감에 대한 요구 또는 파장에 따른 광감도의 균일화를 고려하여 선택할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 상기 칼라필터들(64a, 64b, 64c)이 형성된 기판 상에 평탄화된 보호막(68) 및 마이크로 렌즈(70)을 형성한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
일반적으로 이미지 센서의 마이크로 렌즈(70)는 폴리이미드 계열의 수지 또는 저온 산화막(LTO;Low Temperature Oxide)의 패터닝 및 리플로우 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 본 발명의 제 3 실시예는 마이크로 렌즈(70)을 형성하는 다른 방법을 개시한다.
도 5a를 참조하면, 상술한 제 1 및 제 2 실시에에 따른 이미지 센서의 제조방법에서 칼라필터층을 형성한 이후 상기 칼라필터층이 형성된 기판의 전면에 평탄화된 보호막(68a)을 형성한다. 상기 보호막(68a)은 폴리이미드 계열의 수지 또는 저온 산화막에 비해 물리적 특성이 우수한 물질로서, 빛의 투과율이 높고 산란이 적으며 외부 환경에 대한 내성이 우수한 물질을 선택하여 형성할 수 있다. 상기 보호막(68a) 상에 통상의 방법으로 마이크로 렌즈(70a)를 형성한다.
도 5b를 참조하면, 상기 마이크로 렌즈(70a)와 상기 보호막(68a)에 대하여 동일한 식각속도를 가지는 식각방법을 적용하여 상기 마이크로 렌즈(70a) 및 상기 보호막(68a)을 이방성 에치백한다. 그 결과, 상기 마이크로 렌즈(70a)의 곡률이 상기 보호막(68a)에 전사되어 상기 보호막으로 이루어진 최종적인 마이크로 렌즈 (70b)가 형성된다. 도 5b에서는 최종적인 마이크로 렌즈(70b)의 에지가 패시베이션막(62)에 접할 때까지 보호막을 식각하였으나, 일정두께의 보호막이 잔존되도록 하여 보호막(68b) 상부에 최종적인 마이크로 렌즈(70b)가 형성된 구조를 가질 수도 있다.
도 6a 내지 6e는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예는 광 투과율이 낮은 물질층이 광전변환 소자 상부에 형성될 때 광감도 개선을 위해 유용하게 적용될 수 있다.
도 6a를 참조하면, 픽셀 어레이 영역(CE) 및 주변회로 영역(PE)가 정의된 반도체 기판(100)에 소자분리막(102)을 형성하여 픽셀 영역을 한정하고, 상기 픽셀 영역에 포토다이오드와 같은 광전변환소자(104)를 형성한다. 상기 반도체 기판(100) 상에 복수층의 층간절연막(106)을 형성하고, 상기 층간절연막들(106) 내에 다층배선층(108, 108p)을 형성한다. 픽셀 어레이 영역의 다층배선층(108)은 픽셀 어레이 내의 트랜지스터들에 연결하고, 주변회로 영역의 다층배선층(108p)은 픽셀 어레이 영역의 다층배선층(108) 또는 주변회로 영역의 트랜지스터들(103)에 연결될 수 있다. 픽셀 어레이 영역(CE)에는 각 픽셀을 선택하기 위한 회로가 구성되는 것에 비해, 주변회로 영역(PE)에는 픽셀 어레이를 포함한 이미지 센서의 전반을 구동하기 위한 회로가 구성된다. 따라서, 픽셀 어레이 영역(CE)에 비해 주변회로 영역(PE)에 더 많은 층의 배선층이 형성된다. 픽셀 어레이 영역(CE)의 최상층 배선층(58t)은 차광층으로 사용될 수 있다.
상기 다층배선층(108, 108p)은 다마신 공정을 적용하여 형성될 수 있다. 다 층배선층(108)을 형성하기 위하여 층간절연막(106)을 패터닝할 때 하부의 층간절연막(106)의 식각을 방지하기 위한 식각정지층(107)이 층간절연막들(106) 사이에 개재될 수 있다. 일반적으로 실리콘 산화막의 식각정지층으로 실리콘 질화막이 주로 사용된다. 실리콘 질화막은 실리콘 산화막에 비해 투과율이 낮은 물질로서, 다층배선층(108)을 형성하기 위하여 층간절연막들(106) 사이에 다수의 식각정지층(107)이 개재되면 층간절연막들(106) 및 식각정지층들(107)을 투과하는 빛의 세기가 약해져 이미지 센서의 광감도가 저하될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상기 픽셀 어레이 영역(CE)에서 상기 차광층(58t) 상부의 층간절연막들(106) 및 식각정지층들(107)을 제거한다. 그 결과, 상기 픽셀 어레이 영역(CE)에 상기 주변회로 영역(PE)보다 낮은 공동(cavity; 109)이 형성되어 상기 광전변환층(104) 상에 덮이는 절연막의 두께를 줄일 수 있다. 도시하지는 않았지만, 공동(109) 형성공정은 주변회로 영역에 본딩 패드를 형성한 이후에 실시할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 상기 차광층(58t)에 정렬되도록 상기 픽셀 어레이 영역(CE)의 층간절연막들(106) 및 식각정지층들(107)을 제거하여 홈(110)을 형성하다. 앞선 실시예에서도 언급한 바와 같이, 상기 차광층은 광전변환소자(104)의 상부에 오프닝을 가지는 격자구조로 형성할 수 있다. 따라서, 상기 차광층(58t)을 식각마스크로 사용하여 층간절연막들(106) 및 식각정지층들(107)을 제거하거나, 상기 차광층(58t)와 동일한 형태의 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 층간절연막들(106) 및 상기 식각정지층들(107)을 제거할 수 있다. 물론, 두 방법 모두 주변회로 영역은 포토레지스트막에 의해 식각으로부터 보호된다. 상기 층간절연막들(106)을 형성하기 전에 상기 광전변환소자(104)를 보호하는 쉴드 절연막(105)을 형성할 수 있다. 상기 광전변환소자(104) 상의 쉴드 절연막(105)의 일부분이 잔존되도록 상기 홈(110)을 형성하여 광전변환소자(104)가 식각손상 입는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
도 6d를 참조하면, 상기 홈(110) 내에 칼라필터(114)를 각각 형성한다. 제 2 실시예에서와 같이, 상기 홈(110)은 칼라필터층의 종류에 따라 그 깊이를 다르게 형성할 수도 있다. 상기 칼라필터(114)를 형성하기 전에 상기 홈(110)이 형성된 기판의 전면에 콘포말한 패시베이션층(112)을 형성할 수 있다. 상기 패시베이션층(112)은 상기 칼라필터(114)의 측벽을 둘러싸 광도파관을 형성할 수 있다. 상기 패시베이션층은 상술한 다른 실시예와 마찬가지로 칼라필터(114)에 비해 굴절률이 낮은 물질을 사용하여 칼라필터(114)를 투과하는 빛이 칼라필터(114)와 패시베이션층(112)의 계면에서 전반사될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 6e를 참조하면, 상기 칼라필터(114)이 형성된 픽셀 어레이 영역(CE) 상에 평탄화된 보호막(118)을 형성하고, 마이크로 렌즈(120)을 상기 칼라필터(114) 상에 각각 형성한다. 상기 마이크로 렌즈(120)을 형성하는 공정은 상술한 제 3 실시예를 적용할 수도 있다.
제 4 실시예에 따르면, 픽셀 어레이 영역(CE)에 공동(109)을 형성하여 광전변환층(104) 상에 적층되는 절연층들의 수를 줄일 수 있고, 투과율이 낮은 절연층들도 제거할 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광감도를 높일 수 있고, 공동(109)이 형성된 픽셀 어레이 영역(CE)에 차광층(58t)의 측벽에 정렬된 측벽을 가지는 칼라필터(114)을 형성할 뿐만 아니라, 칼라필터(114)의 둘레에 광도파관을 형성함으로써 광감도를 더욱 더 높일 수 있다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 광전변환소자 상부에 형성되어 빛의 손실을 유발하는 물질층들을 현저히 줄일 수 있고, 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 투과하는 칼라필터층의 층간절연막과 대체함으로써 파장 선택성을 향상시킬 수 있다. 또한, 패시베이션층을 이용하여 칼라필터층 둘레에 광도파관을 형성하여 상기 칼라필터층을 투과하는 빛의 손실 또한 줄일 수 있다.
더 나아가서, 물리적 특성이 우수한 물질막 상에 마이크로 렌즈를 형성한 후 상기 마이크로 렌즈를 하부의 물질막에 전사함으로써 투과율이 높고 외부 환경에 대해 내성이 우수한 물질로서 마이크로 렌즈를 형성할 수 있다.

Claims (22)

  1. 반도체 기판에 형성된 광전변환소자(photoelectic conversion element);
    상기 광전변환소자 상부에 형성된 복수층의 층간절연막;
    상기 층간절연막 내에 형성된 다층 배선층(multilevel interconnections);
    상기 복수층의 층간절연막을 관통하여 상기 광전변환소자 상부에 형성된 복수개의 칼라필터;
    상기 칼라필터 및 상기 층간절연막들 사이에 개재되어 상기 칼라필터의 측벽을 둘러싸 광투과를 억제하는 패시베이션층; 및
    상기 칼라필터층 상부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 칼라필터의 측벽을 둘러싸는 광도파관(optical waveguide)을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 칼라필터보다 굴절률이 낮은 물질인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 층간절연막들의 최상층 상부와, 상기 칼라필터 및 상기 층간절연막들 사이에 콘포말하게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층 배선층은 상기 광전변환소자 주변 영역 상부를 덮는 차광층을 포함하되, 상기 칼라필터는 상기 차광층의 측벽에 정렬된 측벽을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 다층 배선층 및 상기 층간절연막들 사이의 경계를 덮는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수층의 층간절연막들 사이에 개재된 식각정지층을 더 포함하되, 상기 칼라필터는 상기 층간절연막들 및 상기 식각정지층을 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼라필터와 상기 광전변환소자 사이에 개재된 쉴드 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 반도체 기판에 정의된 픽셀 어레이 영역 및 주변회로 영역;
    상기 픽셀 어레이 영역에 형성된 복수개의 광전변환소자;
    상기 반도체 기판 상부에 형성되되 상기 주변회로 영역에 비해 상기 픽셀 어레이 영역에서 낮은 공동(cavity)을 형성하는 복수층의 층간절연막;
    상기 층간절연막들 내에 형성된 다층 배선층;
    상기 복수층의 층간절연막을 관통하여 상기 광전변환소자들 상부에 각각 형성된 칼라필터;
    상기 칼라필터들 및 상기 층간절연막들 사이에 개재되어 상기 칼라필터의 측벽을 둘러싸 광투과를 억제하는 패시베이션층;및
    상기 칼라필터들 상부에 각각 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수층의 층간절연막 가운데 소정의 상부층이 상기 픽셀 어레이 영역에서 제거되어 주변회로 영역보다 낮은 상기 공동이 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 칼라필터보다 굴절률이 낮은 물질인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 층간절연막들 가운데 상기 픽셀 어레이 영역의 최상부 층간절연막과, 상기 칼라필터 및 상기 층간절연막들 사이에 콘포말하게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 다층 배선층은 상기 광전변환소자들 사이의 영역들 상부를 덮는 차광층을 포함하되, 상기 칼라필터는 상기 픽셀 어레이 영역에서 상기 차광층의 측벽에 정렬된 측벽을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 다층 배선층 및 상기 층간절연막들 사이의 경계를 덮는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수층의 층간절연막들 사이에 개재된 식각정지층을 더 포함하되, 상기 칼라필터는 상기 층간절연막들 및 상기 식각정지층을 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 칼라필터와 상기 광전변환소자 사이에 개재된 쉴드 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 반도체 기판에 광전변환소자을 형성하는 단계;
    상기 광전변환소자을 가지는 반도체 기판 상에 복수층의 층간절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간절연막 내에 신장되고 상기 광전변환소자의 주변영역 상부에 형성된 차광층을 포함하는 다층 배선을 형성하는 단계;
    상기 차광층에 자기정렬되도록 상기 층간절연막들을 패터닝하여 상기 광전변환소자 상부에 홈을 형성하는 단계;
    상기 홈이 형성된 기판의 전면에 광투과 억제를 위한 패시베이션층을 콘포말하게 형성하는 단계;
    상기 홈 내에 칼라필터를 채우는 단계;및
    상기 칼라필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수층의 층간절연막을 형성하기 전에 상기 광전변환소자을 덮는 쉴드 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 칼라필터보다 굴절률이 낮은 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 홈을 형성하기 전에 상기 다층 배선층들 상부의 층간절연막을 제거하는 공동 형성공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 층간절연막에 형성된 홈을 더 포함하되,
    상기 칼라필터는 상기 홈 내에 채워지고, 상기 홈은 칼라필터를 투과하는 빛에 따라 깊이가 다른 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  22. 제 21 항에 있어서,
    보강하고자 하는 색상을 투과하는 칼라필터는 감쇄하고자 하는 색상을 투과하는 칼라필터보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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