KR100850143B1 - 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 제조 방법에 관한 것으로, 광감지 소자와 논리 회로를 포함하는 반도체 기판의 상부 전면에 절연막을 형성하고, 논리 회로 영역의 절연막의 상부에 금속 패드를 형성하며, 금속 패드가 형성된 결과물 전면에 소자 보호막을 형성하고, 소자 보호막의 일부를 선택적으로 제거하여 금속 패드의 상부를 노출시키는 오픈 영역을 형성하며, 광감지 소자 영역의 소자 보호막과 오픈 영역이 형성된 논리 회로 영역의 소자 보호막에 제 1 평탄화층을 형성하고, 광감지 소자 영역의 제 1 평탄화층 상부에 컬러 필터 어레이를 형성하며, 컬러 필터 어레이 상측면에 제 2 평탄화층을 형성하고, O2/N2 애싱 공정을 실시하여 제 1 평탄화층중 금속 패드 영역의 제 1 평탄화층을 제거하며, 제 2 평탄화층 상부에 컬러 필터에 대향되는 마이크로렌즈를 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, O2 애싱 후의 평탄화층의 표면 상태를 개선할 수 있는 바, 높은 이미지 감도를 가능하게 하며 마이크로 렌즈 사이의 불규칙한 표면 상태에 의한 노이즈 유발을 최소화할 수 있다.
이미지 센서, CMOS
Description
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타낸 공정 순서도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 반도체 기판 10 : 절연막
102 : 금속 패드 104, 106 : 소자 보호막
108 : 오픈 영역 110 : 제 1 평탄화층
112a, 112b, 112c : 컬러 필터
114 : 제 2 평탄화층 패턴 116 : 마이크로렌즈
A : 광감지 소자 영역 B : 논리 회로 영역
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 평탄화층의 표면 거침 정도를 개선하는데 적합한 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이, 씨모스(Complementary MOS; 이하 CMOS라 함) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 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 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 소자부분과, 감지된 빛을 전기적신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 논리 회로부분으로 구성되어 있다. 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 광감지 소자부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 'Fill Factor'라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 논리 회로부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
한편, 종래 CMOS 이미지 센서 제조 공정에서는 논리 회로 영역에 금속 패드를 형성하고 그 결과물에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막을 증착하고 이를 식각하여 금속 패드의 오픈 공정을 수행한 후에 광감지 소자 영역에 컬러 필터 어레이를 형성하게 된다.
이하에서는, 이와 같은 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서 제조 과정을 간략히 설명하기로 한다.
먼저, 이미지센서의 단위화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막과, 필드 절연막 사이에 적어도 하나이상의 광감지 소자 및 논리 회로가 형성된 반도체 기판 상부에 절연막을 형성한다. 결과물 전면에 금속 물질을 증착하고 이를 패터닝하여 기판의 논리 회로 영역의 절연막 상부에 금속 패드를 형성한다. 이때 금속 패드 상/하부에는 티타늄질화막(TiN)과 같은 반사방지막이 증착될 수도 있다.
그 다음 금속 패드가 형성된 결과물 전면에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막을 증착한다. 이때, 소자 보호막은 예를 들어 TEOS박막과 USG막이 적층된 구조일 수 있다.
이어서, 광감지 소자 영역을 마스킹하고 식각 공정을 진행하여 소자 보호막 및 반사방지막이 식각되어 금속 패드 표면 일부가 드러나는 오픈 영역을 형성한다. 이때 오픈 영역은 이후 패키지 공정시 와이어 본딩이 이루어질 금속 패드 표면을 노출시키기 위한 것이다.
그 다음, 토포로즈(topology)의 단차 극복 및 접착(adhesion)을 좋게 하기 위하여 광감지 소자 영역의 소자 보호막 상부에 포토레지스트를 도포하고 이를 노광 및 현상으로 패터닝하여 제 1 평탄화층을 얇게 형성한다. 이러한 제 1 평탄화층의 목적은, 후속되는 컬러 필터의 코팅을 원활하게 하고 이미지 센서의 구동 및 응답력을 최대화하기 위함이다.
계속해서, 광감지 소자 영역의 제 1 평탄화층 상부에 컬러 필터 어레이를 형성한다. 이때 컬러 필터 어레이 제조 공정은 제 1 평탄화층 상부에 염색된 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상하여 광감지 소자 영역의 일부에 적색, 녹색, 청색 의 컬러 필터를 어레이 형태로 형성한다.
그런 다음, 컬러 필터가 형성된 광감지 소자 영역 전면에 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상으로 이를 패터닝하여 컬러 필터를 둘러싼 형태로 제 2 평탄화층을 두껍게 형성한다. 이때, 제 2 평탄화층의 코팅 목적은, 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 보호하기 위함이다.
그리고 컬러 필터의 코팅을 원활하게 하기 위해 사용된 제 1 평탄화층중 금속 패드 영역의 제 1 평탄화층을 제거하는 O2 애싱을 실시한다. 금속 패드부는 이후 전극의 역할을 하는 부분으로서, 이와 같은 패드 영역의 제 1 평탄화층을 제거하는 공정이 미진한 경우에는 패키징시 본딩 오류를 유발하게 되기 때문에, 금속 패드 영역의 평탄화층 제거는 반드시 이루어져야 하는 공정이다.
이후, 열처리 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴을 플로우(flow)시켜 포토레지스트 패턴 상부에 광을 집약시켜주는 반구형 마이크로렌즈를 형성함으로써 CMOS 이미지 센서의 제조 공정을 완료한다.
그런데, 이와 같은 종래의 이미지 센서 제조 공정에서는, 패드부의 제 1 평탄화층을 제거하는 O2 애싱 공정시, 제 2 평탄화층의 표면 상태에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 이러한 현상은 결국 마이크로 렌즈의 형성에 직접적인 영향을 끼쳐 CMOS 이미지 센서의 감도를 떨어뜨리는 결과를 낳게 된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 금속 패드 영 역 상의 제 1 평탄화층을 제거함에 있어 O2/N2 혼합가스를 이용한 애싱 공정을 적용함으로써, 마이크로 렌즈가 형성될 제 2 평탄화층의 표면 상태를 부드럽게 유지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나 이상의 광감지 소자 영역과 논리 회로 영역을 포함하는 이미지 센서를 제조하는 방법으로서, 상기 광감지 소자 영역과 논리 회로 영역을 포함하는 반도체 기판의 상부 전면에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 논리 회로 영역의 절연막의 상부에 금속 패드를 형성하는 단계와, 상기 금속 패드 전면에 제 1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 보호막의 일부를 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드의 상부를 노출시키는 오픈 영역을 형성하는 단계와, 상기 광감지 소자 영역의 제 1 보호막과 상기 오픈 영역이 형성된 논리 회로 영역의 제 1 보호막에 제 2 보호막을 형성하는 단계와, 상기 광감지 소자 영역의 제 2 보호막 상부에 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터 어레이 상에 제 3 보호막을 형성하는 단계와, O2/N2 애싱 공정을 실시하여 상기 제 2 보호막중 상기 금속 패드에 해당하는 부분을 제거하는 단계와, 상기 제 3 보호막 상부에 상기 컬러 필터에 대향되는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 금속 패드 오픈 방법을 설명하기 위한 공정 순서도로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 방법에 대해 설명한다. 이들 도면에서 도면 부호 A는 광감지 소자 영역, B는 논리 회로 영역을 나타낸 것이다.
먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 이미지센서의 단위화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(미도시함)과, 필드 절연막 사이에 적어도 하나이상의 광감지 소자(미도시함) 및 논리 회로(미도시함)가 형성된 반도체 기판(1) 상부에 절연막(10)을 형성한다. 결과물 전면에 금속 물질을 증착하고 이를 패터닝하여 기판(1)의 논리 회로 영역(B)의 절연막(10) 상부에 금속 패드(102)를 형성한다. 이때 금속 패드(102) 상/하부에는 티타늄질화막(TiN)과 같은 반사방지막(101)이 증착될 수도 있다.
그 다음 금속 패드(102)가 형성된 결과물 전면에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 제 1 및 제 2 보호막(104, 106)을 증착한다. 이때, 제 1 및 제 2 보호막(104, 106)은, 예를 들어 TEOS박막과 USG막이 적층된 구조일 수 있다.
이어서 도 1b에 도시된 바와 같이, 광감지 소자 영역(A)을 마스킹하고 식각 공정을 진행하여 제 1 및 제 2 보호막(104, 106) 및 반사방지막(101)이 식각되어 금속 패드(102) 표면 일부가 드러나는 오픈 영역(108)을 형성한다. 이때 오픈 영역(108)은 이후 패키지 공정시 와이어 본딩이 이루어질 금속 패드(102) 표면을 노출시키기 위한 것이다.
그 다음 도 1c에 도시된 바와 같이, 토포로즈(topology)의 단차 극복 및 접착(adhesion)을 좋게 하기 위하여 광감지 소자 영역(A)의 제 1 및 제 2 보호막(104, 106) 상부에 포토레지스트를 도포하고 이를 노광 및 현상으로 패터닝하여 제 3 보호막(110)을 얇게 형성한다. 이러한 제 3 보호막(110)의 목적은, 후속되는 컬러 필터의 코팅을 원활하게 하고 이미지 센서의 구동 및 응답력을 최대화하기 위함이다.
계속해서 도 1d에 도시된 바와 같이, 광감지 소자 영역(A)의 제 3 보호막(110) 상부에 컬러 필터 어레이를 형성한다. 이때 컬러 필터 어레이 제조 공정은 제 3 보호막(110) 상부에 염색된 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상하여 광감지 소자 영역(A)의 일부에 적색, 녹색, 청색의 컬러 필터(112a, 112b, 112c)를 어레이 형태로 형성한다.
그런 다음, 컬러 필터(112a, 112b, 112c)가 형성된 광감지 소자 영역(A) 전면에 포토레지스트(도시 생략)를 도포하고 노광 및 현상으로 이를 패터닝하여 컬러 필터(112a, 112b, 112c)를 둘러싼 형태로 제 4 보호막(114)을 두껍게 형성한다. 이때, 제 4 보호막(114)의 코팅 목적은, 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 보호하기 위함이다.
도 1e에서는, 상기 컬러 필터(112a, 112b, 112c)의 코팅을 원활하게 하기 위해 사용된 제 3 보호막(110)중 금속 패드(102)에 해당하는 부분을 제거하는 O2/N2 애싱(ashing)을 실시한다. 이러한 O2/N2 애싱 공정은 본 발명의 가장 큰 특징으로서, 제 4 보호막(114)의 표면에서 O와 C의 낮은 화학반응을 유발하게 하여 제 3 보호막(110)을 제거할 때 제 4 보호막(114) 표면이 종래와는 다르게 부드러운 표면상태를 유지하면서 애싱이 진행된다.
즉, 종래와 같이 O2 애싱 공정만을 적용할 경우에는 제 4 보호막(114)의 표면이 거친 상태를 유지할 수 있으나, 본 발명의 공정 기법을 적용한 경우에는 제 4 보호막(114)의 표면이 부드러운 상태를 유지하게 된다.
이때, 본 실시예에서는 상기 애싱 공정 조건으로, 바람직하게는 30∼60mTorr(압력)/100∼300W(전압)/30∼80sccm(Ar가스농도)/10∼40sccm(O2가스농도)/2∼10sccm(N2가스농도)의 공정 조건, 보다 바람직하게는 50mTorr(압력)/200W(전압)/60sccm(Ar가스농도)/30sccm(O2가스농도)/5sccm(N2가스농도)의 공정 조건이 적용될 수 있다.
또한, N2의 최적화 조건은, 바람직하게는 O2의 1:7∼1:10이 적용될 수 있다.
이후 도 1f에서는, 열처리 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴을 플로우(flow)시켜 제 4 보호막(114) 상부에 광을 집약시켜주는 반구형 마이크로 렌즈(116)를 형성함으로써 CMOS 이미지 센서의 제조 공정을 완료한다.
이상과 같이, 본 발명은, 새로운 O2/N2 애싱 기법을 통해 평탄화층표면을 부드럽게 유지하면서 이미지 센서를 제조하도록 구현한 것이다.
또한, N2의 최적화 조건은, 바람직하게는 O2의 1:7∼1:10이 적용될 수 있다.
이후 도 1f에서는, 열처리 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴을 플로우(flow)시켜 제 4 보호막(114) 상부에 광을 집약시켜주는 반구형 마이크로 렌즈(116)를 형성함으로써 CMOS 이미지 센서의 제조 공정을 완료한다.
이상과 같이, 본 발명은, 새로운 O2/N2 애싱 기법을 통해 평탄화층표면을 부드럽게 유지하면서 이미지 센서를 제조하도록 구현한 것이다.
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본 발명에 의하면, O2 애싱 후의 평탄화층의 표면 상태를 개선할 수 있는 바, 높은 이미지 감도를 가능하게 하며 마이크로 렌즈 사이의 불규칙한 표면 상태에 의한 노이즈 유발을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위 에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.
Claims (3)
- 적어도 하나 이상의 광감지 소자 영역과 논리 회로 영역을 포함하는 이미지 센서를 제조하는 방법으로서,상기 광감지 소자 영역과 논리 회로 영역을 포함하는 반도체 기판의 상부 전면에 절연막을 형성하는 단계와,상기 논리 회로 영역의 절연막의 상부에 금속 패드를 형성하는 단계와,상기 금속 패드 전면에 제 1 보호막을 형성하는 단계와,상기 제 1 보호막의 일부를 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드의 상부를 노출시키는 오픈 영역을 형성하는 단계와,상기 광감지 소자 영역의 제 1 보호막과 상기 오픈 영역이 형성된 논리 회로 영역의 제 1 보호막에 제 2 보호막을 형성하는 단계와,상기 광감지 소자 영역의 제 2 보호막 상부에 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계와,상기 컬러 필터 어레이 상에 제 3 보호막을 형성하는 단계와,O2/N2 애싱 공정을 실시하여 상기 제 2 보호막중 상기 금속 패드에 해당하는 부분을 제거하는 단계와,상기 제 3 보호막 상부에 상기 컬러 필터에 대향되는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 애싱 공정은, 30∼60mTorr(압력)/100∼300W(전압)/30∼80sccm(Ar가스농도)/10∼40sccm(O2가스농도)/2∼10sccm(N2가스농도)의 공정 조건인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 N2의 최적화 조건은, 상기 O2의 1:7 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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