KR100818525B1 - 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 포토다이오드가 형성된 기판 상에 다층의 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 사이에 층간 절연막을 관통하는 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 전도성 배리어막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막과 금속배선 상으로 칼라필터 어레이를 형성하는 단계; 상기 칼라필터 어레이 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서, 구리배선

Description

이미지 센서 및 그의 제조방법{Image Senser and Method Mamufacturing of the Same}
도 1은 본 발명의 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 이미지 센서의 금속배선의 공정을 도시한 단면도,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 이미지 센서의 구리범프를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
본 발명은 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구리 금속배선 공정을 이용한 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다.
이 중에서 전하결합소자(CCD:Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxidee-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서, 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
반면, CMOS(Complementay MOS) 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 화소를 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
최근에, 씨모스 이미지 센서의 픽셀수가 메가급으로 증가하면서 상대적으로 픽셀은 작은 크기로 형성되어 지고 있다. 픽셀 크기의 감소는 픽셀 위에 올려지는 마이크로 렌즈의 크기에 제한을 일으켜 마이크로 렌즈의 포커스 길이(Focus length)도 짧아졌다. 따라서, 픽셀 주변의 로직회로를 구성하는 메탈배선층도 제한되고 있는 추세이다.
현재 씨모스 이미지 센서의 경우 배선공정으로 알루미늄을 이용하였는데, 상기와 같이 씨모스 이미지 센서의 픽셀수가 증가함에 따라 픽셀 영역을 높이기 위해 미세배선공정을 필요로 하며 이에 따라 알루미늄 배선공정 대신에 구리 배선공정을 도입하게 되었다.
이와 같은 구리배선 공정을 이용할 경우, 구리배선과 절연층 사이에 구리의 확산방지막 역할을 하는 절연성 배리어막으로 SiN, SiC가 사용되고 있다. 이러한 절연성 배리어막은 상기 절연막보다 큰 굴절률을 가지고 있는데, 빛이 서로 다른 굴절율을 갖는 물질을 통과할 경우 일부 반사가 일어나며, 굴절률 차이가 클수록 반사되는 양은 더욱 커지게 된다.
이로 인해, 상기 구리배선과 절연층 사이에 형성되는 절연성 배리어막은 불필요한 빛의 굴절 및 반사를 가져와 씨모스 이미지 센서의 광투과도를 떨어뜨리는 문제점이 있다.
또한, 씨모스 이미지 센서에 구리배선의 적용시 기존의 골드범핑(gold bumping) 기술을 이용한 COF 패키지를 적용할 경우 구리배선 위에 알루미늄 패드를 증착하고 이후 UBM(Under bump Metalalizing) 으로서 TiW를 증착하고 골드 스퍼터(Au sputter) 증착 후 골드 범프(Au bump)를 형성하게 되는데, 이 경우 제조단가가 상승되고 공정이 까다로운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 구리 금속배선 위에만 선택적으로 전도성 절연막으로 구리 배리어 메탈을 증착하므로써, 포토다이오드 영역에서의 절연막 층의 개수를 감소시켜서 불필요한 빛의 반사를 줄여 빛의 투과율을 높일 수 있는 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 이미지 센서에 범프를 형성함에 있어서, 구리패드 위에 알루미늄 패드의 증착없이 바로 구리범프를 형성하여 제조공정이 단순화 되었고 제조비용도 낮출 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조방법은, 포토다이오드가 형성된 기판 상에 다층의 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 사이에 층간 절연막을 관통하는 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선 상에 전도성 배리어막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막과 금속배선 상으로 칼라필터 어레이를 형성하는 단 계; 상기 칼라필터 어레이 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 포토다이오드가 형성된 기판; 상기 기판 상에 형성된 다층의 층간 절연막; 상기 층간 절연막 사이에 형성된 금속배선; 상기 금속배선 상에만 형성된 전도성 배리어막: 상기 층간 절연막 상에 형성된 칼라필터 어레이 및 마이크로 렌즈를 포함한다.
또한, 본 발명은 포토다이오드가 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 사이에 금속배선을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막과 금속배선 상에 칼라필터 어레이 및 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 마이크로 렌즈 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 보호막 및 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 범프를 형성할 패드 오픈부를 형성하는 단계; 상기 패드오픈부에 구리를 증착하여 구리범프를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 보다 명확히 전달하기 위함이다.
한편, 어떤 층이나 다른 층 또는 반도체 기판의 '상' 또는 '위'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 층은 다른 층 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제3의 층이 개재되어 질 수도 있다. 또한 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 씨모스 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 상기 포토다이오드(11)가 형성된 기판(10) 상부에 단위 화소(pixel)를 이루는 청색(blue), 적색(red), 녹색(green) 등의 칼라필터 어레이(60)(CFA: Color Filter Array)가 배치되어 있으며, 그 상부 오버코팅 레이어(OCL: Over Coating Layer)가 형성되어 있고, 상기 칼라필터 어레이(60)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로 렌즈(70)가 형성되어 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(70) 상에는 스크래치 등으로 부터 마이크로 렌즈(70)를 보호하기 위한 보호막(미도시)이 형성되어 있다.
상기 포토다이오드(11)를 포함하는 수광영역과 상기 마이크로 렌즈(70) 사이에는 전기적 연결을 위하여 구리를 이용한 다층 구조의 금속배선(30)이 형성되어 있으며, 상기 금속배선(30)은 층간 절연막(20)에 의해 분리되어 있고, 각 금속배선(30)은 층간 절연막(20)을 관통하는 비아를 통해 콘택되어 있다.
여기서, 상기 금속배선(30)과 비아는 구리로 채워져 있으며, 상기 층간 절연막(20)과 접하는 금속배선(30)의 표면에는 구리 배리어막 역할을 하는 전도성 배리어막(50)이 형성되어 있다. 상기 전도성 배리어막(50)은 상기 금속배선(30)과 층간 절연막(20)을 접촉을 방지하여 상기 금속배선(30)을 이루고 있는 구리도금막(40)이 상기 층간 절연막(20)으로 확산되는 것을 방지하게 된다.
이것은, 상기 금속배선(30)을 형성하고 있는 구리도금막(40)이 주지된 바와 같이 낮은 저항과 우수한 전자이동(Electromigration) 저항 특성을 가지고 있기 때문에 고밀도의 전류를 감당할 수 있으나, 산화막과 같은 절연막과 접촉될 경우 구리 도금막과 절연막 사이로 구리원자가 확산 이동하는 특징이 있기 때문에 이를 방지하기 하기 위하여 구리도금막(40) 상부에 전도성 배리어막(50)을 형성하는 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 금속배선의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하부배선(15)이 형성된 절연층 상에 층간 절연막(20)을 형성하고 싱글 또는 듀얼 다마신(Single, Dual Damascene) 공정을 통해 트랜치를 형성한다.
그 다음 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치에 금속배선(30) 형성을 위한 구리를 도금하여 구리도금막(40)을 형성한 후 상기 구리도금막(40)을 평탄화 시키기 위해 CMP 공정을 진행한다.
이때 도시하지는 않았지만 구리도금막(40) 증착 전에 상기 트랜치 내부에는 구리의 확산을 방지하기 위한 장벽금속막과 구리도금막(40)의 증착이 용이하게 이루어지도록 구리 시드막을 형성한다.
상기 CMP 공정은 식각정지막으로 층간 절연막(20)을 사용하여 진행되는데 이때, CMP 공정의 컨트롤을 통해 상기 트랜치에 형성된 구리도금막(40)이 상기 층간 절연막(20)보다 과도하게 연마되어 층간 절연막(20)과 단차를 가지도록 상기 CMP공정을 진행한다.
따라서, 상기 구리도금막(40)은 상기 층간 절연막(20)의 높이보다 낮게 형성되고, 특히 상기 구리도금막(40)에는 디싱(dishing) 효과가 나타나게 되어 이후 무전해 도금 방식을 이용한 전도성 배리어막(50) 증착시 인접한 금속배선(30) 사이의 합선(short) 또는 누설전류(leakage current)가 증가하는 현상을 방지할 수 있다.
이때, 상기 트랜치에 형성된 구리도금막(40)과 층간 절연막(20) 사이의 단차는 10~500Å 으로 형성된다.
이후, 도 4에 도시된 바와 같이, 무전해 도금 공정을 이용해 상기 트렌치에 형성된 구리도금막(40) 상으로 전도성 배리어막(50)을 증착한다. 여기서, 상기 전도성 배리어막(50)은 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)의 합금을 사용하여 10~1000Å의 두께로 형성된다.
상기의 무전해 도금을 통해 상기 구리도금막(40) 상에만 선택적으로 전도성 배리어막(50)이 형성되고, 상기 층간 절연막(20)에는 상기 전도성 배리어막(50)이 형성되지 않아서 빛의 반사나 굴절이 이루어지지 않게 되므로 포토다이오드(11) 영역에서의 광투과율을 높일 수 있다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예로서, 씨모스 이미지 센서의 금속패드 상에 구리범프가 형성되는 것을 도시한 공정 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(70)가 형성된 기판(10) 상부에 마스크 및 식각공정을 수행하여 상기 마이크로 렌즈(70) 하부의 오버코팅 레이어 및 층간 절연막(25)을 식각하므로써 구리범프(100)가 형성될 영역의 금속패드(45)을 노출시켜서 패드오픈부(110)를 형성한다. 여기서, 상기 금속패드(45)의 구리도금막 상에는 전도성 절연막(55)이 형성되어 있으므로 상기 패드오픈부(110)를 형성시 전도성 배리어막(50)의 표면이 노출되어 지는 것이다.
이후, 상기 패드오픈부(110) 상부로 구리의 증착 시 확산을 방지하기 위한 장벽금속막(80)과 구리시드막(90)을 형성한다.
여기서, 상기 장벽금속막(80)은 PVD, CVD 또는 ALD 방법을 이용하여 Ta, TaN, TaSiN 및 TiSiN 중 어느 하나를 사용한다.
또한, 상기 구리시드막(90)은 PVD, CVD 또는 ALD 방법을 이용하여 Cu를 사용하며, 상기 구리시드막(90)은 10~50000Å의 두께로 형성된다.
그 다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 구리시드막(90) 상에 포토레지스트막을 도포한 후 상기 패드오픈부(110)가 노출되도록 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(200)을 형성한다. 이때 상기 포토레지스트 패턴(200)의 형태는 상기 패드오픈부(110)보다 넓게 형성된다.
그 다음, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(200)이 형성된 기판(10) 상의 패드오픈부(110)의 갭필을 위하여 전해도금법으로 구리도금층이 일정높이까지 형성되도록 증착시킨 후 평탄화 시켜 구리범프(100)를 형성한다. 이때 상기 구리범프(100)의 높이는 0.5~500㎛ 정도이다.
그 다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(200)을 제거하고 상기 구리범프(100)를 식각마스크로 사용하여 상기 구리시드막(90)과 장벽금속 막(80)을 제거하면, 최종적으로 금속패드(45) 상에 구리범프(100)가 형성된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법은 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법은, 금속배선을 구리도금막을 이용하여 구현함으로써 금속배선과 절연막과의 두께를 낮추는 효과가 있다.
또한, 상기 금속배선과 층간 절연막과의 분리를 위해 전도성 배리어막으로 구리 배리어 메탈을 구리도금막 위에만 선택적으로 형성함으로써 수광영역에서의 광효율을 극대화 시키는 효과가 있다.
또한, 상기 금속배선의 구리도금막 위에만 전도성 배리어막이 형성되어 층간 절연막으로 구리가 확산되는 것을 방지하여 일렉트로마이그레이션 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 금속배선의 구리도금막 증착 시 CMP 컨트롤을 통해 구리도금막의 표면 높이를 층간 절연막의 높이보다 낮게 조절함으로써 전도성 배리어막의 증착시 구리도금막 위에 선택적 증착 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 금속패드 상에 범프 형성시 상기 금속패드의 전도성 배리어막 위에 구리범프를 형성하므로써 기존의 알루미늄 패드가 필요하지 않으므로 공정 단순 화 및 제조단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 금속패드 상에 범프 형성 시 상기 금속패드의 전도성 배리어막에 구리범프를 형성하므로써 기존의 골드범프를 사용하지 않아도 되므로 제조단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 포토다이오드가 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막에 트랜치를 형성하는 단계;
    상기 트랜치 내부에 장벽금속막 및 구리시드막을 형성하는 단계;
    상기 구리시드막 상에 구리도금막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막 보다 낮은 단차를 가지도록 상기 구리도금막을 평탄화시키는 단계;
    상기 구리도금막을 포함하는 트랜치 상에 전도성 배리어막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막과 금속배선 상으로 칼라필터 어레이를 형성하는 단계; 및
    상기 칼라필터 어레이 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하고
    상기 구리도금막은 CMP 공정에 의해 평탄화되며, 상기 구리도금막의 높이는 상기 CMP 공정에 의하여 상기 층간절연막과 단차를 가지도록 낮게 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈를 형성한 후 상기 마이크로 렌즈를 포함하는 기판 상에 보호막을 형성하는 단계;
    상기 보호막 및 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 금속배선을 노출시키는 패드 오픈부를 형성하는 단계; 및
    상기 패드 오픈부에 구리를 증착하여 범프를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구리도금막과 층간 절연막의 단차는 10~500Å인 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구리도금막 상에 형성되는 전도성 배리어막은 무전해 도금 방법으로 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 배리어막은 Co 또는 Ni 합금인 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 배리어막의 두께는 10~1000Å인 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 범프를 형성하는 단계는,
    상기 패드오픈부에 장벽금속막 및 구리시드막을 형성하는 단계;
    상기 구리시드막 상에 상기 패드오픈부가 노출되도록 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 패드오픈부에 구리도금층을 형성하는 단계;
    상기 구리도금층을 평탄화시킨 후 포토레지스트 패턴을 제거하여 구리범프를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 장벽금속막은 Ta, TaN, TaSiN 및 TiSiN 중 적어도 어느 하나인 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 구리 시드막은 10~50000Å의 두께로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 범프의 높이는 0.5~500㎛으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  11. 포토다이오드를 포함하는 기판 상에 형성된 층간 절연막;
    상기 층간 절연막에 형성된 트랜치;
    상기 트랜치 내부에 형성되고 상기 층간 절연막 표면보다 낮은 높이로 형성된 장벽금속막, 구리시드막 및 구리도금막을 포함하는 금속배선;
    상기 금속배선을 포함하는 트랜치 상에 형성된 전도성 배리어막;
    상기 금속배선을 포함하는 상기 층간 절연막 상에 형성된 칼라필터 어레이; 및
    상기 칼라필터 어레이 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈를 포함하는 기판 상에 형성된 보호막;
    상기 금속배선이 노출되도록 상기 보호막 및 층간 절연막에 형성된 패드 오픈부; 및
    상기 패드 오픈부에 형성된 범프를 포함하는 이미지 센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 구리도금막은 층간절연막보다 10~500Å 낮게 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전도성 배리어막은 Co 또는 Ni 합금인 것을 포함하는 이미지 센서.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 전도성 배리어막은 10~1000Å의 두께로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 범프는 상기 패드 오픈부 내부에 형성된 장벽금속막, 구리시드막 및 구리 도금막을 포함하는 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 장벽금속막은 Ta, TaN, TaSiN 및 TiSiN 중 적어도 어느 하나인 것을 포함하는 이미지 센서.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 구리 시드막은 10~50000Å의 두께로 형성된 이미지 센서.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 범프의 높이는 0.5~500㎛으로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
  20. 삭제
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