KR100824628B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기판상에서 메인 화소 영역과 더미 화소 영역에 대해 다수의 포토다이오드를 구비한 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층 상에 제 1 산화막을 증착하고 평탄화하여 소자보호막을 형성하는 단계; 상기 소자보호막 상에서 제 2 산화막을 증착하고 평탄화하는 단계; 상기 메인 화소 영역의 제 2 산화막에 대해 포토레지스트 패턴을 이용한 패터닝 공정을 수행하여 상기 포토다이오드에 대응하는 영역 사이에 다크 매트릭스(Dark matrix) 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 메인 화소 영역과 더미 화소 영역 상에 상기 포토다이오드에 대응하여 마이크로렌즈를 구비하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
씨모스 이미지 센서, 다크 매트릭스(Dark matrix) 패턴, 핫 픽셀(hot pixel) 현상
Description
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 의해 제조된 더미 화소 영역의 단면을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 각 영역을 도시한 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 에피층 110: 소자보호막
120: 산화막 패턴 121: 실리콘 산화막
130: Ti/TiN 막 140: 금속막
150: 마이크로렌즈
본 발명은 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 외부에서 들어오는 불필요한 빛을 완벽히 차단할 수 있는 다크 매트릭스를 구비하고 핫 픽셀 현상의 발생을 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 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.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 제조 방법은 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 기판상에 에피택셜 공정에 의해 형성되어 다수의 포토다이오드가 구비되는 에피층(1)을 형성한 후, 신호처리를 위한 소자(도시하지 않음)를 형성시키고 각 소자를 연결하는 여러 층의 금속배선(도시하지 않음)을 형성한 후 수분이나 외부로부터 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막을 도포하여 소자보호막(2)을 형성한다.
그 위에 필요없는 빛을 차단하기 위한 다크 매트릭스(Dark matrix)를 형성하는데, 현재는 녹색 파장을 가진 빛만을 통과시키도록 포지티브 포토레지스트(Positive Photoresist)로 이루어진 칼라 필터(3)를 사용한다.
이어서, 후속 공정인 마이크로렌즈(5)를 형성하기 위해 표면이 평탄한 평탄화(Planarization) 층(4)을 형성시킨다. 이러한 CMOS 이미지 센서의 제조 방법에서 다크 매트릭스로 사용되고 있는 녹색 광 칼라 필터는 적색과 청색에 해당하는 빛은 차단하지만, 녹색에 해당하는 빛은 통과시켜 CMOS 이미지 센서에 원하지 않는 신호를 발생시킨다.
반면에, 모든 빛을 차단하기 위해 적색 광 칼라 필터, 청색 광 칼라 필터 및 녹색 광 칼라 필터를 연속적으로 구비하여 사용할 경우에는 완벽히 빛을 차단하기 위해 3㎛ 이상의 두께를 가져야 하는 단점이 있다. 또한, 종래의 CMOS 이미지 센서에서 주변 온도에 의해 원하지 않는 신호를 발생시키는 핫 픽셀(hot pixel)의 현상을 개선하는 것이 과제로 남아 있다.
본 발명은 외부에서 들어오는 불필요한 빛을 완벽히 차단할 수 있는 다크 매 트릭스를 형성하고 핫 픽셀(hot pixel) 현상의 발생을 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 외부에서 들어오는 불필요한 빛을 완벽히 차단할 수 있는 다크 매트릭스를 구비하고 핫 픽셀 현상의 발생을 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판상에서 메인 화소 영역과 더미 화소 영역에 대해 다수의 포토다이오드를 구비한 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층 상에 제 1 산화막을 증착하고 평탄화하여 소자보호막을 형성하는 단계; 상기 소자보호막 상에서 제 2 산화막을 증착하고 평탄화하는 단계; 상기 메인 화소 영역의 제 2 산화막에 대해 포토레지스트 패턴을 이용한 패터닝 공정을 수행하여 상기 포토다이오드에 대응하는 영역 사이에 다크 매트릭스(Dark matrix) 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 메인 화소 영역과 더미 화소 영역 상에 상기 포토다이오드에 대응하여 마이크로렌즈를 구비하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 반도체 기판상에서 메인 화소 영역과 더미 화소 영역에 대해 다수의 포토다이오드를 구비한 에피층; 상기 에피층 상에 신호처리를 위한 소자와 상기 소자를 연결하는 다수의 금속배선을 내포하고 평탄화되어 구비된 소자보호막; 상기 메인 화소 영역의 소자보호막 상에서 상기 포토다이오드에 대응하는 영역 사이에 다수의 다크 매트릭스(Dark matrix) 패턴을 구비한 산화막; 상기 더미 화소 영역의 산화막 상에 순차적으로 구비된 Ti/TiN 막과 고 반사율의 금속막; 및 상기 다수의 포토다이오드 각각에 대응하여 상기 메인 화소 영역의 산화막과 상기 더미 화소 영역의 금속막 상에 구비된 다수의 마이크로렌즈를 포함하여 구성된 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 다크 매트릭스(Dark matrix) 패턴을 형성하는 단계는 상기 메인 화소 영역의 제 2 산화막을 상기 포토다이오드에 대응하는 영역이 돌출된 다수의 요철 패턴으로 형성하는 단계; 상기 다수의 요철 패턴에 대해 Ti/TiN 막을 증착하는 단계; 상기 Ti/TiN 막 상의 요홈에 고 반사율의 금속막을 충진하는 단계; 및 상기 메인 화소 영역의 제 2 산화막 요철 패턴이 노출될 때까지 평탄화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제 2 산화막을 증착하고 평탄화하는 단계는 상기 더미 화소 영역의 상기 제 2 산화막을 상기 다크 매트릭스 패턴의 제 2 산화막 두께로 평탄화하는 단계; 상기 평탄화된 더미 화소 영역의 제 2 산화막 상에 Ti/TiN 막을 증착하는 단계; 상기 Ti/TiN 막 상에 고 반사율의 금속막을 증착하는 단계; 및 상기 더미 화소 영역의 금속막에 대해 상기 메인 화소 영역의 다크 매트릭스 패턴과 동일한 높이로 평탄화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 고 반사율의 금속막은 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 다수의 요철 패턴으로 형성하는 단계에서 상기 요철 패턴은 각각 400 ~ 1000Å의 단차를 가지는 패턴인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 마이크로렌즈를 구비하는 단계에서 상기 메인 화소 영역의 마이크로렌즈는 각각 상기 다크 매트릭스 패턴 사이에 구비되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 의해 제조된 더미 화소 영역의 단면을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 각 영역을 도시한 평면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판상에 에피택셜 공정에 의해 에피층(100)을 형성하고 포토다이오드용 도펀트를 에피층(100)으로 주입하여 다수의 포토다이오드를 구비한 에피층(100)을 형성한다.
다수의 포토다이오드를 구비한 에피층(100)을 형성한 후, 에피층(100) 상에 신호처리를 위한 소자(도시하지 않음)와 각 소자를 연결하는 다수의 금속배선(도시하지 않음)을 형성한 후 수분이나 외부로부터 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막을 증착하고 평탄화하여 소자보호막(110)을 형성한다.
이와 같은 소자보호막(110) 상에서 메인 화소 영역과 더미 화소 영역 모두에 추가적인 실리콘 산화막을 증착하고 평탄화한 후, 이와 같은 추가적인 실리콘 산화막 중 메인 화소 영역의 추가적인 실리콘 산화막에 대해 포토레지스트 패턴을 이용한 패터닝 공정을 수행하여 다크 매트릭스(Dark matrix)를 구비할 다수의 패턴, 예를 들어 포토다이오드 영역은 돌출되고 그 이외의 영역은 홈이 패인 패턴 구조로서 각 영역별로 400 ~ 1000Å의 단차를 가지는 산화막 패턴(120)으로 형성한다.
반면에, 더미 화소 영역은 도 3에 도시된 바와 같이 추가적인 실리콘 산화막(121)이 소자보호막(110) 상에 그대로 평탄하게 구비되되, 메인 화소 영역의 산화막 패턴(120)의 최소 두께 즉, 산화막 패턴(120)의 요(凹)홈이 구비된 부분의 두께와 동일한 두께로 구비된다.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이 메인 화소 영역의 산화막 패턴(120)과 더미 화소 영역의 실리콘 산화막(121) 상에 외부로부터의 빛을 완벽히 차단하고 이후 형성되는 고 반사율의 금속막(140)에 대한 접착력을 향상시키기 위해 Ti/TiN 막(130)을 증착한다. 여기서, Ti/TiN의 이중막으로 구비하는 또 하나의 이유는 TiN막이 빛의 반사를 막아 주고 하부의 Ti막이 빛의 투과를 막는 역할을 하게 된다는 점이다.
이와 같이 Ti/TiN 막(130)을 형성하기 위해서, 먼저 CVD 또는 PVD 방법으로서 예를 들어 SIP(self-ionized plasma sputtering) 방법 또는 HCM(hollow cathode magnetron) 스퍼터링 방법을 이용하여 Ti를 타겟으로 사용하여 Ti막을 100 ~ 300Å의 두께로 형성할 수 있고, 이러한 Ti막 상에 형성되는 TiN막은 Ti막과 동일한 방법으로 PVD 방법으로서 SIP 방법 또는 HCM 스퍼터링 방법을 통해 Ti를 타겟으로 사 용하여 Ti 막을 형성한 후 챔버(도시하지 않음) 내에 질소 가스를 공급하여 약 100Å ~ 300Å의 두께로 형성할 수 있다.
Ti/TiN 막(130)을 형성한 후, Ti/TiN 막(130) 상에 고 반사율의 금속막(140)을 PVD 방법으로 증착하여 형성한다. 여기서, 본 발명의 실시예에서는 고 반사율의 금속막(140)으로 텅스텐(W)을 이용하여 Ti/TiN 막(130) 상에 PVD 방법을 통해 증착한다.
고 반사율의 금속막(140)으로 텅스텐(W)을 증착한 후, 도 2c에 도시된 바와 같이 CMP와 같은 평탄화 공정을 메인 화소 영역의 산화막 패턴(120)이 노출될 때까지 수행하여, Ti/TiN 막(130) 패턴과 텅스텐(W)의 금속막(140) 패턴으로 이루어진 다크 매트릭스 패턴을 구비한다.
여기서, 텅스텐(W)의 금속막(140)을 포함한 모든 영역을 평탄화하여 동시에 메인 화소 영역과 더미 화소 영역 모두가 동일한 높이로 평탄화될 수 있다.
이후, 도 2d에 도시된 바와 같이 동일한 높이로 평탄화된 메인 화소 영역과 더미 화소 영역 모두에 다수의 마이크로렌즈(150)를 포토다이오드에 각각 대응하여 형성되어, 도 3에 도시된 바와 같이 더미 화소 영역에 대해서도 마이크로렌즈(150)를 다수 구비하게 된다.
따라서, 도 2d에 도시된 바와 같이 메인 화소 영역은 마이크로렌즈(150) 사이에 Ti/TiN 막(130) 패턴과 텅스텐(W)의 금속막(140) 패턴으로 이루어진 다크 매트릭스 패턴을 구비하고, 더미 화소 영역은 Ti/TiN 막(130)과 텅스텐(W)의 금속막(140)을 이용하여 외부의 빛을 완전히 차단할 수 있게 된다.
구체적으로, 텅스텐(W)의 금속막(140)은 400Å 정도의 두께를 구비하고서도 가시광선 영역 대의 파장에 대해 투과율(transmittance)이 0.05% 이하로 거의 모든 빛을 차단하는 장점을 가진다.
이와 같이 Ti/TiN 막(130)과 텅스텐(W)의 금속막(140)을 이용하여 외부의 빛을 완전히 차단한 더미 화소 영역, 즉 도 4에 도시된 더미 화소 영역(30)의 역할은 ISP(Image signal processing)을 통하여 이미지 특성을 향상시키는 역할을 한다. 즉, 상온에서 반응하는 더미 화소 영역(30)과 메인 화소 영역(20) 사이의 시그널(signal) 차이를 계산하고, 후속으로 고온에서도 반응하는 시그널의 차이와 비교한다.
이때, 메인 화소 영역(20)에서 온도의 영향으로 핫 픽셀(hot pixel) 현상이 나타날 경우, 더미 화소 영역(30)과 메인 화소 영역(20) 사이의 시그널 차이가 크기 때문에 이를 ISP를 통해 제거할 수 있도록 처리하면 실제 출력되는 이미지에서는 핫 픽셀 현상을 억제하는 역할을 할 수 있고, 이를 위해서는 더미 화소 영역(30)이 빛으로부터 완전히 차단이 되어야 한다.
그러므로, 본 발명의 실시예에 따라 더미 화소 영역(30)에 Ti/TiN 막(130)과 텅스텐(W)의 금속막(140)을 구비하여 외부의 빛을 완전히 차단하기 때문에, 핫 픽셀 현상을 억제하여 핫 픽셀 현상에 의해 발생하는 노이즈(noise)를 제거함으로써 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의 하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 메인 화소 영역은 마이크로렌즈 사이에 Ti/TiN 막 패턴과 텅스텐(W)의 금속막 패턴으로 이루어진 다크 매트릭스 패턴을 구비하고, 더미 화소 영역은 Ti/TiN 막과 텅스텐(W)의 금속막을 이용하여 외부에서 들어오는 불필요한 빛을 완벽히 차단하고 핫 픽셀 현상의 발생을 방지할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하여, 핫 픽셀 현상에 의해 발생하는 노이즈(noise)를 제거함으로써 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (12)
- 반도체 기판상에서 메인 화소 영역과 더미 화소 영역에 대해 다수의 포토다이오드를 구비한 에피층을 형성하는 단계;상기 에피층 전면에 제1 산화막을 증착하고 평탄화하여 소자보호막을 형성하는 단계;상기 메인 화소 영역 및 상기 더미 화소의 소자보호막 상에 제 2 산화막을 증착하고 평탄화하는 단계;상기 메인 화소 영역의 제2 산화막에 대해 포토레지스트 패턴을 이용한 패터닝 공정을 수행하여 상기 포토다이오드에 대응하는 영역은 돌출되고, 상기 메인 화소 영역의 나머지 부분은 홈이 패인 구조를 갖는 요철 패턴의 제2 산화막을 형성하는 단계;상기 요철 패턴의 제2 산화막 및 상기 더미 화소 영역의 제2 산화막 상에 금속막을 증착하고 평탄화하는 단계; 및상기 메인 화소 영역과 더미 화소 영역 상에 상기 포토다이오드에 대응하여 마이크로렌즈를 구비하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 요철 패턴의 제2 산화막 및 상기 더미 화소 영역의 제2 산화막 상에 금속막을 증착하고 평탄화하는 단계는,상기 요철 패턴의 제2 산화막 및 상기 더미 화소 영역의 제2 산화막 상에 Ti/TiN 막을 증착하고, 상기 금속막을 증착하는 단계; 및상기 요철 패턴의 제2 산화막이 노출될 때까지 상기 증착된 금속막에 대해 평탄화 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 금속막은 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 요철 패턴의 제2 산화막을 형성하는 단계는,400 ~ 1000Å의 단차를 가지는 요철 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 마이크로렌즈를 구비하는 단계는,평탄화 공정을 수행하여 노출된 상기 요철 패턴의 제2 산화막 상에 상기 메인 화소 영역의 마이크로 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 반도체 기판상에서 메인 화소 영역과 더미 화소 영역에 대해 다수의 포토다이오드를 구비한 에피층;상기 에피층 상에 신호처리를 위한 소자와 상기 소자를 연결하는 다수의 금속배선을 내포하고 평탄화되어 형성된 소자보호막;상기 소자 보호막 상에 형성되고, 상기 메인 화소 영역의 포토다이오드에 대응하는 영역들 사이에서 돌출 부분을 갖는 요철 패턴을 구비한 산화막;상기 요철 패턴의 요홈 표면에 형성되고, 상기 더미 화소 영역의 소자 보호막 상의 산화막 상에 형성된 Ti/TiN 막;상기 Ti/TiN 막의 요홈에 매립되며, 상기 더미 화소 영역의 Ti/TiN 막 상에 형성된 금속막; 및상기 다수의 포토다이오드 각각에 대응하여 상기 메인 화소 영역의 산화막과 상기 더미 화소 영역의 금속막 상에 구비된 다수의 마이크로렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 7 항에 있어서,상기 메인 화소 영역의 소자 보호막 상에 형성된 상기 요철 패턴의 산화막과 상기 더미 화소 영역의 산화막 상에 형성된 금속막은 동일한 높이로 구비되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 삭제
- 제8항에 있어서,상기 요철 패턴의 산화막은 400 ~ 1000Å의 단차를 가지는 패턴인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,상기 금속막은 텅스텐인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,상기 메인 화소 영역의 마이크로렌즈는 각각 상기 요철 패턴을 구비한 산화막의 돌출된 부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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