KR100769126B1 - Ｃｍｏｓ 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 패드전극 상부에 반사방지막을 추가형성하여 후속 포토식각공정의 현상액에 의해 패드전극이 침식당하는 것을 방지함으로써 불량없이 외부구동회로와 패드전극이 본딩되게 하고자 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 픽셀 어레이부 및 로직회로부로 구분되는 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 반도체 기판에 배선을 형성하는 단계와, 상기 배선을 포함한 전면에 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간절연막 상에 금속물질 및 반사방지막을 증착하고 패터닝하여 패드전극을 형성하는 단계와, 상기 패드전극을 포함한 전면에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 패드전극 상부의 보호막을 선택적으로 제거하여 비아홀을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 컬러필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러필터층을 커버하는 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 상기 컬러필터층에 대응되는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 상기 비아홀 사이로 노출된 상기 패드전극 상의 반사방지막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
CMOS 이미지 센서, 패드전극
Description
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도.
도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도.
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.
도 4a 및 도 4b는 종래 기술에 의한 문제점을 설명하기 위한 사진도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명
110 : 평탄화층 140 : 컬러필터층
150 : 마이크로 렌즈 153 : 패드전극
154 : 반사방지막 161 : 층간절연막
165 : 보호막 172 : 비아홀
본 발명은 CMOS 이미지 센서(Image Sensor)의 제조방법에 관한 것으로, 특히 포토식각공정의 현상액에 의해 패드전극이 침식당하는 것을 방지함으로써 불량없이 외부구동회로와 패드전극이 본딩되게 하고자 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 신호를 전기 신호로 변환시키는 반도체소자이다. 그 중 CMOS 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 포토 다이오드를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있다.
예를 들면, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 포토다이오드가 구비된 픽셀 어레이부와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되며, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율을 크게 하려는 노력이나 빛이 들어오는 경로를 줄이고 상부에 마이크로 렌즈를 형성하여 빛을 더 많이 포토다이오드 영역으로 모으려는 기술들이 사용된다.
또한, 상기 CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다.
또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다.
따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개 의 트랜지스터의 게이트 전극(120, 130, 140)이 형성된다.
즉, 상기 게이트 전극(120)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(130)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(140)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다.
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(120, 130, 140) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소스/드레인 영역이 형성된다.
따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.
상기에서 설명한 각 게이트 전극(120, 130, 140)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 CMOS 이미지 센서의 제조방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 픽셀 어레이부(P)와 로직회로부(L)로 구분되는 반도체 기판(도시하지 않음)에 산화막을 증착하여 층간절연막(61)을 형성하고 화학적 기계적 연마(CMP, Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행하여 표면을 평 탄화한다.
이때, 상기 반도체 기판 상에는 각종 배선, 트랜지스터 및 포토 다이오드가 구비되어 있다.
이후, 상기 층간절연막(61) 상에 알루미늄 등의 금속물질을 스퍼터링 방법으로 증착하고 포토식각공정으로 패터닝하여 로직회로부(L)에 패드전극(53)을 형성한다.
이후, 상기 패드전극(53)을 포함한 전면에 산화막을 증착하고 CMP 공정으로 표면을 연마하여 보호막(65)을 형성한다.
계속해서, 상기 패드전극(65) 상부의 보호막(62)을 포토식각공정으로 선택 식각하여 상기 패드전극을 외부구동회로와 본딩시키기 위한 비아홀(72)을 형성한다.
다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 보호막(65)을 포함한 전면에 포토레지스트를 도포하고 마스크를 이용하는 포토식각공정을 적용하여 포토레지스트의 일부를 선택적으로 제거함으로써 픽셀 어레이부(P)에 임의의 패턴을 갖는 컬러필터층(40)을 형성한다.
이후, 상기 컬러필터층(40)을 포함한 전면에 포토레지스트를 도포하고 CMP공정으로 표면을 연마한 후 마스크를 이용한 포토식각공정을 적용하여 로직회로부의 포토레지스트를 선택적으로 제거함으로써, 상기 컬러필터층을 매립하는 형태의 평탄화층(10)을 형성한다.
다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 평탄화층(10) 상에 포토레지스트를 도포하고 CMP공정으로 표면을 연마한 후 마스크를 이용한 포토식각공정을 적용하여 사다리꼴 모양으로 패터닝한다. 이후, 상기 포토레지스트 패턴의 모서리가 라운드 처리되도록 리플로우(reflow) 시켜 마이크로 렌즈(50)를 완성한다.
그러나, 상기와 같은 CMOS 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 패드전극을 외부구동회로와 본딩시키기 위해서 패드전극을 외부로 오픈시키는데, 상기 패드전극 오픈공정 이후에 컬러필터층 형성공정, 평탄화층 형성공정, 마이크로 렌즈 형성공정을 수행하는바, 상기 공정시 적용되는 포토식각공정에서의 현상액에 의해 패드전극이 침식당하거나 부식되는 등의 문제점이 있었다.
도 4a 및 도 4b는 포토식각공정에 의해 패드전극이 침식당하거나 부식된 것을 촬영한 사진도로서, 'A'부분같이 패드전극(53)이 심하게 침식당하거나 부식되면 후속 패드전극 본딩에 문제가 발생하기 때문에 제품 자체의 사용을 불가하게 하는 중요 요인으로 작용 할 수 있다.
또한, 컬러필터층 형성공정이나 마이크로 렌즈 형성공정 진행시 리워크(Rework)를 수행할 수 있는데, 패드전극이 현상액에 침식될 우려 때문에 리워크 공정의 회수 등에 제한을 받게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 패드전극 상부에 반사방지막을 추가형성하여 후속 포토식각공정의 현상액에 의해 패드전극이 침식당하는 것을 방지함으로써 불량없이 외부구동회로와 패드전극이 본딩 되게 하고자 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지 센서의 제조방법은 픽셀 어레이부 및 로직회로부로 구분되는 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 반도체 기판에 배선을 형성하는 단계와, 상기 배선을 포함한 전면에 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간절연막 상에 금속물질 및 반사방지막을 증착하고 패터닝하여 패드전극을 형성하는 단계와, 상기 패드전극을 포함한 전면에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 패드전극 상부의 보호막을 선택적으로 제거하여 비아홀을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 컬러필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러필터층을 커버하는 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 상기 컬러필터층에 대응되는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 상기 비아홀 사이로 노출된 상기 패드전극 상의 반사방지막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 컬러필터층, 평탄화층, 및 마이크로 렌즈는 포토식각공정을 통해 패터닝하는 과정중, 상기 반사방지막에 의해 패드전극의 침식 또는 부식이 방지되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 반사방지막이 제거된 비아홀을 통해 외부구동회로를 상기 패드전극과 본딩시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 형성방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 픽셀 어레이부(P)와 로직회로부(L)로 구분되는 반도체 기판(도시하지 않음)에 산화막을 증착하여 층간절연막(161)을 형성하고 화학적 기계적 연마(CMP, Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행하여 표면을 평탄화한다.
이때, 상기 반도체 기판 상에는 멀티 구조로 형성되어 서로 콘택플러그를 통해 전기적으로 연결되는 배선, 신호의 온/오프를 제어하는 트랜지스터 및 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 신호를 센싱하는 R,G,B-포토 다이오드가 형성되어 있다.
이후, 상기 층간절연막(161) 상에 알루미늄 등의 금속물질을 스퍼터링 방법으로 증착하고 그 위에 실리콘 질화물질(SiN, SiON)을 PVD(Physical Vapor Deposition)나 CVD(Chemical Vapor Deposition)나 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법으로 증착한 뒤, 포토식각공정으로 동시에 패터닝하여 로직회로부(L)에 패드전극(153) 및 반사방지막(Anti-Reflection coating Layer)(154)을 형성한다.
참고로, 상기 패드전극(153)은 로직회로부(L)에 한정하여 형성하는데, 외부 구동회로로부터 신호를 인가받는 파워배선이므로 그 두께가 두껍다. 일예로, 층간절연막 사이에 구비되는 금속배선은 1500~4000Å으로 형성하는 반면, 로직회로부에 한정형성되는 패드전극은 3000~5000Å으로 형성한다.
그리고, 상기 반사방지막은 후속 포토식각공정에서 패드전극을 보호하는 역할을 해야 하므로, 50~1000Å의 두께로 형성한다. 이때, 반사방지막이 지나치게 얇 으면 식각방지막(Etch Stop Layer)으로서의 역할을 완전히 수행할 수 없게 되고, 지나치게 두꺼우면 이후 공정에서 제거하기가 어려우므로 적정한 두께로 형성한다.
또한, 상기 패드전극 하부에는 배리어층을 더 형성할 수 있는데, 상기 배리어층으로, TiN/Ti의 적층막, Ta, TaN, WN, TaC, WC, TiSiN, TaSiN을 사용할 수 있다.
이후, 상기 패드전극(153)을 포함한 전면에 산화막을 증착하고 CMP 공정으로 표면을 연마하여 보호막(165)을 형성한다. 이때, 상기 패드전극에 의한 픽셀 어레이부와 로직회로부의 단차 차이를 없애기 위해 두텁게 형성하며, 상기 패드전극(153)이 연마되는 것을 방지하기 위해 패드전극으로부터 3000~5000Å되는 위치에서 CMP 공정을 정지시킨다. 따라서, 층간절연막(161) 상에 형성되는 보호막(162)은 8000~14000Å의 두께가 된다.
계속해서, 상기 패드전극(165) 상부의 보호막(162)을 포토식각공정으로 선택 식각하여 상기 패드전극을 외부구동회로와 본딩시키기 위한 비아홀(172)을 형성한다. 이때, 상기 반사방지막(154)이 식각방지막으로서의 역할을 하므로 패드전극에 현상액이 침투할 수 없게 된다.
다음, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 보호막(165)을 포함한 전면에 포토레지스트를 도포하고 마스크를 이용하는 포토식각공정을 적용하여 포토레지스트의 일부를 선택적으로 제거함으로써 픽셀 어레이부(P)에 임의의 패턴을 갖는 컬러필터층(140)을 형성한다. 상기 컬러필터층은 포토레지스트에 색상을 나타내는 안료를 함유시켜 형성한 것으로, 보편적으로 R,G,B 색상의 안료를 함유시킨다. 따라서, 컬러 필터층이 R-컬러필터층, G-컬러필터층, B-컬러필터층으로 구성된다.
이후, 상기 컬러필터층(140)을 포함한 전면에 포토레지스트를 도포하고 CMP공정으로 표면을 연마한 후 마스크를 이용한 포토식각공정을 적용하여 로직회로부의 포토레지스트를 선택적으로 제거함으로써, 상기 컬러필터층을 매립하는 형태의 평탄화층(110)을 형성한다. 이때에도, 상기 반사방지막(154)에 의해 패드전극에 현상액이 침투하지 않게 된다.
다음, 상기 평탄화층(110) 상에 상기 컬러필터층(140)과 각각 대응되도록 복수개의 마이크로 렌즈(150)를 형성한다.
이때, 상기 마이크로 렌즈의 경우, 상기 포토 다이오드(photo diode)에 빛을 모아주기 위해서 볼록 렌즈와 같은 패턴으로 형성하여야 하는데, 이를 위해서 포토식각공정을 적용하여 패터닝한다.
구체적으로, 상기 평탄화층(125) 상에 마이크로 렌즈용 물질인 포토레지스트를 도포하고 마스크를 씌운 뒤, 디포커스(defocus) 현상을 이용해서 노광하여 상기 포토레지스트를 사다리꼴 모양으로 패터닝한다.
이후, 사다리꼴 모양의 포토레지스트 패턴을 녹는점(melting point)까지 가열하여 리플로우(reflow) 시킨다. 리플로우 공정을 거치면, 포토레지스트 패턴이 유동성을 가지면서 둥글어 지는데 이로써 마이크로 렌즈(150)가 완성된다.
이와같이, 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 포토식각공정에서도 반사방지막에 의해 패드전극이 보호된다.
마지막으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 비아홀(172) 사이로 노출된 반사방 지막(154)을 RIE(Reactive Ion Etch) 방식 또는 화학적 건식식각방식(chemical dry etching)으로 식각해서 패드전극(153)을 외부로 노출시킨다.
이후, 도시하지는 않았으나, 외부구동회로를 상기 비아홀을 통해 패드전극에 연결한다. 이때, 상기 패드전극이 부식되거나 침식되지 않았으므로 불량없이 본딩된다.
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 CMOS 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 패드전극 상부에 반사방지막을 추가형성하여 컬러필터층, 평탄화층, 및 마이크로 렌즈 형성시 적용되는 후속 포토식각공정의 현상액에 의해 패드전극이 침식 또는 부식되는 것을 방지한다.
따라서, 불량없이 외부구동회로와 패드전극을 본딩할 수 있게 된다.
Claims (9)
- 픽셀 어레이부 및 로직회로부로 구분되는 반도체 기판을 제공하는 단계와,상기 반도체 기판에 배선을 형성하는 단계와,상기 배선을 포함한 전면에 층간절연막을 형성하는 단계와,상기 층간절연막 상에 금속물질 및 반사방지막을 증착하고 패터닝하여 패드전극을 형성하는 단계와,상기 패드전극을 포함한 전면에 보호막을 형성하는 단계와,상기 패드전극 상부의 보호막을 선택적으로 제거하여 비아홀을 형성하는 단계와,상기 보호막 상에 컬러필터층을 형성하는 단계와,상기 컬러필터층을 커버하는 평탄화층을 형성하는 단계와,상기 평탄화층 상에 상기 컬러필터층에 대응되는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와,상기 비아홀 사이로 노출된 상기 패드전극 상의 반사방지막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지며,상기 반사방지막이 제거된 비아홀을 통해 외부구동회로를 상기 패드전극과 본딩시킴과 아울러상기 컬러필터층, 평탄화층, 및 마이크로 렌즈는 상기 픽셀 어레이부에 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 컬러필터층, 평탄화층, 및 마이크로 렌즈는 포토식각공정을 통해 패터닝하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 패드전극은 로직회로부에 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속물질은 알루미늄으로 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사방지막은 SiN 또는 SiON을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사방지막은 50~1000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 비아홀 사이로 노출된 상기 패드전극 상의 반사방지막을 제거하는 단계에서,RIE(Reactive Ion Etch) 방식 또는 화학적 건식식각방식(chemical dry etching)을 적용하여 상기 반사방지막을 제거하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
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