KR100731134B1 - Cmos 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

Cmos 이미지 센서의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 기판에 패드(pad)를 형성한 이후에, 산화막(passivation oxide)과 질화막(passivation nitride)을 도포하는 공정과; 상기 산화막과 상기 질화막을 식각하여 상기 패드를 오픈(open)하는 공정 및 세정 공정과; 패드 보호막을 도포하는 공정과; 수소 어닐(Hydrogen anneal, sinter) 공정과; 컬러 필터 어레이(color filter array) 공정, 평탄화(planarization) 공정, 마이크로렌즈(microlens) 공정과; 패드 영역의 상기 패드 보호막을 제거하는 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법에 의하여 질화막의 필링(peeling) 현상과 써클 디펙트(circle defect)를 방지하는 효과가 있다.
CMOS, 패드, 수소 어닐, 써클 디펙트

Description

CMOS 이미지 센서의 제조 방법 {Method of Fabricating Complementary Metal Oxide Silicon Image Sensor}
도 1a 내지 도 1i는 종래기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이며 특히, 금속 배선층으로부터 패드(pad)를 형성한 이후의 공정에 관한 것이다.
일반적으로 CMOS 이미지 센서의 경우에는 저조도의 특성을 향상시키기 위한 수소 어닐(Hydrogen anneal, sinter)을 일반적인 반도체 제조공정과 달리 산화막(passivation oxide)의 적층 이후에 하지 않고, 질화막(passivation nitride)의 적층 이후에 한다. 이는 층간 스트레스(stress)에 약한 질화막과 관련하여 웨이퍼 엣지 영역에서 여러 가지 문제를 야기한다.
이하, 도 1a 내지 도 1i를 참조하여 종래 기술의 문제점을 설명한다. 먼저 도 1a는 패드(110)가 형성된 후, 산화막(120)과 질화막(130)이 도포된 상태이다. 한편, 웨이퍼의 엣지 영역에는 웨이퍼 안쪽의 실제 메인 칩(main chip) 영역과 달리 여러 사진 공정을 거치면서 사진 공정상 웨이퍼 엣지 처리로 인해 불규칙한 상태의 웨이퍼 엣지 잔존막(100)이 존재하게 된다. 불규칙하게 형성되어 있는 웨이퍼 엣지 잔존막(100)으로 인하여 웨이퍼의 엣지 영역은 접착력이 좋지 않게 된다. CMOS 이미지 센서의 경우에는 이 상태에서 질소와 산소 가스가 적당 비율 포함된 열처리 공정인 수소 어닐을 진행한다. 이러한 열처리 과정에서 웨이퍼 엣지에 남아 있던 질화막(130)의 층간 스트레스가 심화 또는 웨이퍼 엣지 잔존막(100) 중 FSG(fluorinated silicate glass)에 포함된 플루오린 이온(Fluorine ion)이 올라와서 웨이퍼 엣지에 남아 있던 질화막(130)이 써클(circle) 형태로 들뜨는 웨이퍼 엣지 필링(wafer edge peeling, 140)을 유발하게 된다. 또한, 열처리 과정에서 웨이퍼 엣지에서 필링된 디펙트(defect)가 튀면서 웨이퍼 안쪽의 픽셀 영역으로 전이되는 문제점이 발생한다.
도 1b는 수소 어닐 공정 이후 발생하는 웨이퍼 엣지 필링(140)과 웨이퍼 안쪽의 메인 칩내 픽셀 영역(pixel block)으로 전이된 입자를 나타는데, 전이된 입자의 모양이 원형이어서 써클 디펙트(circle defect, 145)라고 한다.
도 1c에서는 이러한 써클 디펙트(145)를 제거하기 위해 스크러빙(scrubbing)을 진행한 후, 사진 및 식각 공정을 통해 패드(110) 영역을 오픈한다. 이후 패드(110) 애싱(ashing) 단계, 솔벤트 클레닝(solvent cleaning) 단계, 경화 단계 (final cure) 단계로 구성되는 세정 및 패드(110) 처리 공정을 한다. 앞서 써클 디펙트(145) 제거를 위해 스크러빙 세정 공정을 하였더라도, 여전히 제거되지 않는 써클 디펙트(145)는 존재하게 된다. 한편, 세정 공정에서는 애싱 단계와 솔벤트 클리닝 단계를 거치므로 패드의 외관이 상대적으로 거칠어 지고 깨끗하지 못할 수 있다.
도 1d는 패드 보호막(150)을 도포한 상태이다. 도 1e는 컬러 필터 어레이 층(color filter array layer, 160)을 도포한 상태를 보여준다. 도 1f는 컬러 사진 공정에 의해 컬러 필터 어레이(165)를 형성한 상태를 나타낸다. 한편 도 1g는 평탄화 층 사진 공정에 의해 평탄화 층(170)이 형성된 상태를 나타내며, 도 1h는 마이크로렌즈 공정으로서, 열 공정(thermal reflow)에 의해서 볼록하게 마이크로렌즈(180)를 형성한 상태를 나타낸다. 마지막으로 도 1i에서 패드 보호막(150)을 식각하여 패드(110)를 오픈시킨 상태로서, 이후 프로빙 테스트(probing test)가 가능하다. 한편, 세정 공정에서는 애싱 단계와 솔벤트 클리닝 단계를 거친 후, 경화(final cure) 단계를 거치게 되는데, 솔벤트 클리닝에 의해 패드가 노출된 상태에서 열처리 단계인 경화 단계를 거치므로 패드의 외관에 결함을 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 웨이퍼 엣지의 필링(peeling) 현상과 픽셀 영역의 써클 디펙트를 제거하고 패드 외관의 결함을 줄여, 제조 공정을 개선하고 생산성을 증대시키는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 제공함에 있다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판에 패드를 형성한 이후에, 상기 패드를 포함한 기판상에 산화막과 질화막을 순차적으로 도포하는 공정과; 상기 산화막과 상기 질화막을 식각하여 상기 패드를 오픈하고 세정하는 공정과; 패드 보호막을 상기 오픈된 패드를 포함한 기판상에 도포하는 공정과; 상기 패드 보호막을 구비한 기판에 대해 수소 어닐을 수행하는 공정과; 상기 패드의 영역으로부터 이격된 영역에 컬러 필터 어레이를 형성하는 공정과; 상기 패드 영역으로부터 이격된 영역에 대해 상기 컬러 필터 어레이를 덮는 평탄화 층을 형성하는 공정과; 상기 컬러 필터 어레이에 대응하여 상기 평탄화 층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 공정과; 상기 패드 영역의 상기 패드 보호막을 제거하는 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다. 한편, 상기 세정 공정은 제 1 애싱 단계, 솔벤트 클리닝 단계 및 제 2 애싱 단계로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제 2 애싱의 애싱 시간(ashing time)이 상기 제 1 애싱의 애싱 시간의 0% 보다 크고 50% 이하인 것이 바람직하다. 아울러, 상기 패드 보호막은 PE TEOS(plasma enhanced tetra ethyl ortho silicate) 막인 것이 바람직하다. 또한, 상기 패드 보호막의 두께는 300 내지 500 옹스트롬(Å)인 것이 바람직하다.
이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 2a 내지 도 2d는 패드(210)를 형성한 이후의 공정을 나타낸 단면도이다.
도 2a에서는 패드(210)를 형성한 후, 산화막(220)과 질화막(230)을 차례로 도포한 상태이다. 산화막(220)을 도포한 후에는 평탄화(chemical mechanical planarization) 공정을 거친 후, 질화막(230)을 도포한다. 한편, 웨이퍼의 엣지에는 여러 사진 공정상의 웨이퍼 엣지 처리에 의해 불규칙한 상태로 웨이퍼 엣지 잔 존막(200)이 남아있게 된다.
도 2b에서는 사진 및 식각 공정을 통해 패드(210)를 오픈한 상태로서, 이때 웨이퍼 엣지의 산화막(220)과 질화막(230)이 식각되어 제거된다. 그리고, 세정 공정을 거치는데, 세정 공정은 종래기술과 달리 제 1 애싱 단계, 솔벤트 클리닝 단계, 제 2 애싱 단계의 순서로 이루어진다. 종래와 달리 마지막 경화 단계가 애싱 단계로 대체되어 있다. 이는 진행 온도가 낮아 외관상 보다 깨끗한 표면(surface)을 갖는 패드(210) 형성을 위해 애싱(ashig)으로 대체한 것으로서, 종래의 경화 공정에 비해 진행 시간도 단축된다. 본 발명의 애싱 공정은 플라즈마를 이용한 일반적인 애싱 공정이다. 종래의 경화 단계는 온도가 350 ℃ 이상에서 진행되며, 패드 표면을 거칠게 하거나, 힐록(hillock)을 유발하기 쉬운 반면, 애싱에 의할 경우엔 온도가 250 ℃ 정도로 낮은 상태에서 진행되어 패드 표면의 불량이나 힐록의 유발이 적어진다. 아울러, 제 2 애싱 단계는 제 1 애싱 단계를 거친 상태이므로, 애싱 시간이 제 1 애싱 단계의 애싱 시간보다 절반 이하여도 족하다.
도 2c는 패드 보호막(240)을 도포한 상태이다. 패드 보호막(240)은 PE TEOS 막인 것이 바람직하다. 패드 보호막(240)은 그 두께가 300 내지 500 옹스트롬(Å) 정도로 얇게 하여, 이후 패드를 오픈하는 공정이 용이하도록 한다. 패드 보호막(240)을 도포한 후에는, 수소 어닐 공정을 거친다. 종래기술에서는 산화막(220)과 질화막(230)의 도포 직후에 수소 어닐을 하였으나, 본 발명에서는 패드 보호막(240)의 도포 후에 수소 어닐을 하여, 웨이퍼 엣지 영역에서의 필링 현상이 방지되는 효과가 있다. 이는 웨이퍼 엣지의 산화막(220)과 질화막(230)이 도 2의 (b)에 서 패드(210)를 사진 및 식각 공정을 통해 오픈시 제거된 이후에 수소 어닐을 함에 따라 웨이퍼 엣지에서 나타나는 질화막(230) 필링 현상의 소스(source)를 원천적으로 차단하는 효과가 있기 때문이다.
수소 어닐은 수소(H2) 및 질소(N2) 가스가 10 대 1 또는 10대 2 정도로 배합된 퍼니스(furnace) 열처리 공정이며, 400℃ 이상의 온도에서 20분 내지 30분 동안 진행된다. 실리콘 표면은 식각 공정 등에 의해 손상된 격자 구조(dangling bond)를 가지는데, 이러한 수소 어닐에 의해 손상된 격자 구조에 수소 이온이 주입되어 메꿔지게 된다. 일반적인 경우 질화막이 두껍게 도포되어 있으면 막질의 특성상 상대적으로 수소가 많이 차단 당하지만, 여기서는 패드 오픈에 의해 패드 영역의 질화막(230)이 제거된 상태이므로 좀 더 효율적으로 실리콘 표면이 복구된다. 따라서, 손상된 격자 구조에서 발생하는 자유 전자(free electron)에 의한 암신호(dark signal)를 억제하여 저조도 특성이 향상되는 효과가 있다. 한편, 필링 현상이 방지되는 효과로 인해 종래기술에서 사용되던 스크러빙 공정 및 디펙트 모니터링(defect monitoring) 공정이 생략된다.
도 2d에서는 컬러 필터 어레이 층(250)을 전체적으로 도포한 상태를 나타내고, 도 2e에서는 컬러 필터 사진 공정에 의해 컬러 필터 어레이(255)를 형성한 상태를 나타낸다. 그리고, 도 2f에서는 평탄화 층 사진 공정에 의해 평탄화 층(260)을 형성한 상태이다. 또한, 도 2g에서는 열 공정(thermal reflow)에 의해 마이크로렌즈(270)를 볼록하게 형성한 상태이다. 마지막으로 도 2h에서는 식각에 의하여 패드(210)를 오픈한 상태를 나타내며, 프로브 테스트(probe test)가 가능한 상태이다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따르면, CMOS 이미지 센서의 제조 방법에 있어서 수소 어닐 공정을 패드 보호막 형성 후 하는 구성에 의하여 웨이퍼 엣지 질화막의 필링 현상을 방지하여 웨이퍼 메인 칩 내로 전이되는 써클 디펙트를 방지하는 효과가 있다. 또한, 패드 영역의 질화막이 제거된 상태에서 수소 어닐을 하여 수소 이온이 좀 더 효과적으로 손상된 실리콘 표면을 복구함으로써 저조도 특성이 향상되는 효과가 있다. 아울러, 써클 디펙트가 방지됨에 따라 수소 어닐 공정 이후에 진행하던 스크러빙 공정과 디펙트 모니터링 공정을 생략할 수 있으며, 종래의 세정 공정과 달리 제 1 애싱 단계, 솔벤트 클리닝, 제 2 애싱 단계로 구성되는 세정 공정에 의하여 패드 외관의 보호와 힐록의 발생을 억제하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. CMOS 이미지 센서의 제조 방법으로서,
    기판에 패드를 형성한 이후에, 상기 패드를 포함한 기판상에 산화막과 질화막을 순차적으로 도포하는 공정과;
    상기 산화막과 상기 질화막을 식각하여 상기 패드를 오픈하고 세정하는 공정과;
    패드 보호막을 상기 오픈된 패드를 포함한 기판상에 도포하는 공정과;
    상기 패드 보호막을 구비한 기판에 대해 수소 어닐을 수행하는 공정과;
    상기 패드의 영역으로부터 이격된 영역에 컬러 필터 어레이를 형성하는 공정과;
    상기 패드 영역으로부터 이격된 영역에 대해 상기 컬러 필터 어레이를 덮는 평탄화 층을 형성하는 공정과;
    상기 컬러 필터 어레이에 대응하여 상기 평탄화 층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 공정과;
    상기 패드 영역의 상기 패드 보호막을 제거하는 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법.
  2. 제 1 항에서,
    상기 세정 공정은 제 1 애싱 단계, 솔벤트 클리닝 단계 및 제 2 애싱 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법.
  3. 제 2 항에서,
    상기 제 2 애싱의 애싱 시간이 상기 제 1 애싱의 애싱 시간의 0% 보다 크고 50% 이하인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제 1 항에서,
    상기 패드 보호막은 PE TEOS(plasma enhanced tetra ethyl ortho silicate) 막인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법.
  5. 제 4 항에서,
    상기 패드 보호막의 두께는 300 내지 500 옹스트롬(Å)인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조 방법.
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