KR100788375B1 - 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다수의 포토 다이오드를 구비한 반도체 기판 위에 실리콘 산화물로 이루어진 제 1 IMD층을 형성하는 단계; 상기 제 1 IMD층 상에 USG 또는 TEOS로 이루어진 제 2 IMD층을 형성하는 단계; 상기 제 2 IMD층 위에 USG로 이루어진 제 1 패시베이션 층을 형성하는 단계; 상기 제 1 패시베이션 층 위에 화소 영역의 낮은 부분을 매립하여 평탄화하는 SOG(Spin On Glass)를 도포하여 SOG층을 형성하는 단계; 상기 SOG층 위에 실리콘 질화막으로 이루어진 제 2 패시베이션 층을 형성하는 단계; 상기 제 2 IMD층의 소정 깊이까지 에칭하여 다수의 마이크로 렌즈를 구비할 요홈 형태의 공간을 형성하는 어레이 에칭 단계; 상기 요홈 형태의 공간을 포함한 반도체 기판상에 질화물층을 형성하는 단계; 및 상기 요홈 형태의 공간 바닥에 형성된 질화물층 상에 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서, 토폴로지, USG(Undoped Silcate Glass)
Description
도 1은 종래에 다수의 이미지 센서가 형성되는 반도체 기판의 중심 부분과 에지 부분에 발생하는 토폴로지의 문제점을 나타내는 예시도.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 따른 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 실리콘 에피층 2: 적색광 감지 포토 다이오드
3: 녹색광 감지 포토 다이오드 4: 청색광 감지 포토 다이오드
5: 제 1 금속층 6: 절연막
7: MIM(metal insulator metal)층 8: 제 1 IMD층
9: 제 2 IMD층 10: 콘택 비아
11: 제 2 금속층 12: 제 1 패시베이션 층
13: SOG층 14: 제 2 패시베이션 층
15: 질화물층 16: 마이크로 렌즈
본 발명은 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 특히 화소 영역과 주변 영역이 모두 평탄한 토폴로지를 이루어 마이크로 렌즈의 형성과정에서 마이크로 렌즈 두께 및 곡률 반경을 조절하여 형성할 수 있는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자로서, 이미지 센서는 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서와 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비하여 광감도(Photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하나, 고집적화에 어려움이 있고, 전력 소모가 높다. 이에 반하여, CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비하여 공정들이 단순하고, 고집적화에 적합하며, 전력 소모가 낮다.
따라서, 최근에는 반도체 소자의 제조 기술이 고도로 발전함에 따라, CMOS 이미지 센서의 제조 기술 및 특성이 크게 향상되어 CMOS 이미지 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 통상적으로, CMOS 이미지 센서의 화소(pixel)는 빛을 받아들이는 포토 다이오드들과 포토 다이오드들로부터 입력된 영상신호들을 제어하는 CMOS 소자들을 구비한다. 포토 다이오드들에서는 칼라 필터를 통해 입사되는 적색(Red)광, 녹색(Green)광 및 청색(Blue)광의 파장과 세기에 따라 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 발생하고, 발생한 전자들의 양에 따라 출력신호가 변화됨으로써 이미지를 감지할 수 있다.
CMOS 이미지 센서와 같은 이미지 센서는 포토다이오드와 같은 광전변환부가 형성되는 화소 영역과 화소 영역에서 검출되는 신호들을 검출하기 위한 주변회로 영역을 구비하고, 주변회로 영역은 화소 영역을 둘러싸도록 위치한다.
이와 같은 CMOS 이미지 센서는 이후 마이크로 렌즈를 형성하기 위해 포토레지스트를 도포할 때 반도체 기판 전면에 포토레지스트를 고르게 도포하기 위해서는 바닥 면의 경사를 줄여 평탄화를 이루는 것이 중요하다. 이의 종래 기술의 경우 화소 영역이 주변 영역보다 오버 CMP(over CMP)가 되어 USG 두께가 낮게 도포가 되어, 이후 도 1에 도시된 바와 같이 어레이 식각 후 반도체 기판상에 중심 부분(B)과 에지(edge) 부분(A)에 두께의 차이를 보이는 문제점이 발생한다. 이때, 발생한 토폴로지(toplogy)의 차이에 의해 어레이 에치 이후 마이크로 렌즈의 형성과정에서 마이크로 렌즈 두께 및 곡률 반경을 조절하기가 어려운 문제점을 보여주고 있다. 이러한 문제점은 공정의 영향으로 이미지의 영상 질에 영향을 미치고 있다.
본 발명은 화소 영역과 주변 영역이 모두 평탄한 토폴로지를 이루어 마이크로 렌즈의 형성과정에서 마이크로 렌즈 두께 및 곡률 반경을 조절하여 형성할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 포토 다이오드를 구비한 반도체 기판 위에 실리콘 산화물로 이루어진 제 1 IMD층을 형성하는 단계; 상기 제 1 IMD층 상에 USG 또는 TEOS로 이루어진 제 2 IMD층을 형성하는 단계; 상기 제 2 IMD층 위에 USG로 이루어진 제 1 패시베이션 층을 형성하는 단계; 상기 제 1 패시베이션 층 위에 화소 영역의 낮은 부분을 매립하여 평탄화하는 SOG(Spin On Glass)를 도포하여 SOG층을 형성하는 단계; 상기 SOG층 위에 실리콘 질화막으로 이루어진 제 2 패시베이션 층을 형성하는 단계; 상기 제 2 IMD층의 소정 깊이까지 에칭하여 다수의 마이크로 렌즈를 구비할 요홈 형태의 공간을 형성하는 어레이 에칭 단계; 상기 요홈 형태의 공간을 포함한 반도체 기판상에 질화물층을 형성하는 단계; 및 상기 요홈 형태의 공간 바닥에 형성된 질화물층 상에 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 따른 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 반도체 기판상에 적층된 실리콘 에피층(1) 사이에 각각 적색(Red)광 감지 포토 다이오드(2), 녹색(Green)광 감지 포토 다이오드(3) 및 청색(Blue)광 감지 포토 다이오드(4)로 구성된 화소 영역 위에 Cu 또는 Al 등의 배리어 금속으로 형성된 제 1 금속층(5), 불순물 도프 폴리실리콘의 하부 전극의 표면에 열 질화에 의해 형성된 실리콘 질화물로 이루어진 절연막(6), 소정의 구조물이 형성된 기판의 하부 금속층과 그 위에 유전체층 및 상부 금속층을 증착하여 형성하는 MIM(Metal Insulator Metal)층(7), 실리콘 산화물로 형성된 제 1 IMD층(8), USG 또는 TEOS로 이루어진 제 2 IMD층(9), 최상부 금속층과 전기적 연결을 위해 중간 절연층을 식각하고 배리어 금속을 증착하여 형성된 콘택 비아(10), 신호 처리를 위해 전기적으로 연결하며 콘택비아(10)가 매립되도록 구리로 형성된 제 2 금속층(11), USG로 이루어진 제 1 패시베이션 층(12)을 형성한다.
제 1 패시베이션 층(12)은 수분이나 외부로부터 물리적인 충격으로부터 이미지 센서를 보호하기 위하여 USG(Undoped Silcate Glass)를 도포하여 소자 보호막으로 형성하면, 이때 화소 영역의 제 1 패시베이션 층(12)은 주변 영역에 비해 낮은 두께의 USG로 형성되기 때문에 이를 방지하기 위하여, 도 2b에 도시된 바와 같이 액체 물질로 구성된 SOG(Spin On Glass)를 도포하여 SOG층(13)을 형성한다.
이와 같이 SOG층(13)을 형성하여 화소 영역의 낮은 부분을 매립함으로써 화소 영역과 주변 영역이 모두 평탄하게 한 후, 어닐링 공정을 추가하여 SOG(13)를 경화시켜 단단하게 만들어 준다.
이후 CMP 공정을 통하여, 도 2c에 도시된 바와 같이 반도체 기판 전반에 걸쳐 평탄화시키며, 이를 조절하여 이후 어레이 에치를 통하여 중앙과 모서리 부분의 두께차이를 줄이는 효과를 획득할 수 있다.
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이 SOG(13)상에 SiN과 같은 실리콘 질화막으로 이루어진 제 2 패시베이션 층(14)을 형성한다.
이런 과정을 통해 전체적인 두께의 균일성을 획득함으로써, 도 2e에 도시된 바와 같이 이후 다수의 마이크로 렌즈(16)를 포토 다이오드(2,3,4) 위에 구비할 공간을 형성하기 위한 어레이 에칭 과정에서 발생하는 기판 전체 두께의 균일성, 마이크로 렌즈 두께와 곡률 반경을 조절하기에 어려운 문제점을 해소할 수 있다.
이 후 외부의 빛을 받아 신호를 형성하는 포토 다이오드(2,3,4)와 생성될 마이크로 렌즈(16)의 간격을 줄이기 위한 어레이 에칭 과정을 통해 제 2 IMD층(9)의 소정 깊이까지 에칭하여 다수의 마이크로 렌즈(16)를 포토 다이오드(2,3,4) 위에 구비할 요홈 형태의 공간을 형성한 후, 실리콘 질화물을 이용한 질화물층(15)이 요홈 형태의 공간을 포함한 기판상에 형성된다.
질화물층(15)이 형성된 후, 도 2f에 도시된 바와 같이 포토 다이오드(2,3,4) 위에 구비된 질화물층(15) 상에 다수의 마이크로 렌즈(16)를 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 의해 CMOS 이미지 센서의 이미지 형성 부분인 화소 영역과 그 이외의 로직 부분의 주변 영역 간의 오버 CMP에 의한 제 1 패시베이션 층(12)의 두께 변화로 인해 후속 공정에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있고, 반도체 기판 전반의 두께 균일성(uniformity)을 조절할 수 있으며, 화소 영역의 마이크로 렌즈 크기, 두께와 곡률 반경을 조절하기 편리할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 이미지 센서의 화소 영역과 주변 영역 간의 오버 CMP에 의한 두께 변화로 인해 후속 공정에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있고, 반도체 기판 전반의 두께 균일성(uniformity)을 조절하여, 화소 영역의 마이크로 렌즈 크기, 두께와 곡률 반경을 조절할 수 있다.
Claims (2)
- 다수의 포토 다이오드를 구비한 반도체 기판 위에 실리콘 산화물로 이루어진 제 1 IMD층을 형성하는 단계;상기 제 1 IMD층 상에 USG 또는 TEOS로 이루어진 제 2 IMD층을 형성하는 단계;상기 제 2 IMD층 위에 USG로 이루어진 제 1 패시베이션 층을 형성하는 단계;상기 제 1 패시베이션 층 위에 화소 영역의 낮은 부분을 매립하여 평탄화하는 SOG(Spin On Glass)를 도포하여 SOG층을 형성하는 단계;상기 SOG층 위에 실리콘 질화막으로 이루어진 제 2 패시베이션 층을 형성하는 단계;상기 제 2 IMD층의 소정 깊이까지 에칭하여 다수의 마이크로 렌즈를 구비할 요홈 형태의 공간을 형성하는 어레이 에칭 단계;상기 요홈 형태의 공간을 포함한 반도체 기판상에 질화물층을 형성하는 단계; 및상기 요홈 형태의 공간 바닥에 형성된 질화물층 상에 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 SOG층을 형성하는 단계는상기 SOG층을 어닐링하여 상기 SOG층을 경화시키는 단계; 및상기 SOG층을 평탄화하는 CMP 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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