KR100866675B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집광 마이크로 렌즈 공정 진행전에 해상도가 양호한 DUV 포토레지스트를 이용하여 집광 마이크로 렌즈 유도층을 형성함으로서, 상부 마이크로 렌즈의 해상도 및 CD 리너어리티를 극복하여 마이크로 렌즈의 갭을 50nm 이하로 균일하게 형성하여 포토반응성에 대한 비불균일성을 개선시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 칼라 필터층 형성 영역과 패드 영역으로 구분되는 반도체 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계; 상기 금속 패드를 포함한 반도체 기판 전면에 보호막을 형성하고 상기 금속 패드의 표면이 노출되도록 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 칼라 필터층 형성 영역에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 제 1 평탄화층상에 칼라 필터층을 형성하는 단계; 상기 칼라 필터층 상측에 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와; 상기 제 2 평탄화층 상측에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 마이크로 렌즈 형성단계 이전에 상기 제 2 평탄화층상에 제 1 물질층을 형성하고, 이 제 1 물질층상에 마이크로 렌즈용 제 2 물질층을 각각 연속하여 증착하고 노광한 후, 브리치 공정을 실행하는 것을 특징으로 한다.
이미지 센서, MUV PR, DUV PR, 마이크로렌즈, 플라즈마

Description

씨모스 이미지 센서의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A CMOS IMAGE SENSOR}
도 1a 내지 도 1e는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 공정 단면도이고,
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
200 : 반도체 기판 201 : 제 1 절연막
202 : 금속 패드 203 : 보호막
204 : 감광막 205 : 패드 오픈부
206 : 제 1 평탄화층 207, 208, 209 : R,G,B 칼라 필터층
210 : 제 2 평탄화층 211 : 제 1 물질층
212 : 제 2 물질층 213 : 마이크로렌즈
본 발명은 CMOS 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 집광 마이크 로 렌즈의 공정 진행전에, 마이크로 렌즈 갭(gap)을 50nm 이하로 균일하게 형성하여 상부 마이크로 렌즈의 해상도와, CD(critical dimension)의 리니어리티(linearity)를 극복함으로서 균일성을 향상할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 씨모스 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 전하 결합소자(Charge Coupled Device:CCD)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit) 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소(pixel)의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다.
따라서 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, 이러한 CMOS 이미지 센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분의 상부에 칼라 필터가 배열되어 있으며, 칼라필터어레이(Color Filter Array: CFA)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
또한 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감도를 높이기 이하여 광감지부분이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지 센서는 칼라필터상에 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
그런데 이러한 마이크로 렌즈 형성방법은 화소 크기의 감소에 따른 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)이 저하됨에 따라 입사하는 광량의 부족으로 인하여 광전변환이 되는 전하수가 작게되어서 감도가 낮아지게 되며, 결국 센서의 질 저하가 일어나게 된다. 이에 따라, 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)의 저하에 따른 감도를 보상하기 위하여, 집광 마이크로 렌즈를 보다 효율적으로 형성하여 감도를 높임으로써 화소 크기의 감소를 극복해야 하는 과제가 있었다.
도 1a 내지 도 1e는 이러한 과제를 고려한 종래의 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100)에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(101)(예를 들면 산화막)을 형성하고, 상기 절연막(101)위에 각 신호 라인의 금속 패드(102)를 형성한다.
이 때, 상기 금속 패드(102)는 각 게이트 전극과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다.
그리고, 상기 금속 패드(102)를 포함한 상기 절연막(101) 전면에 보호막(103)을 형성한다. 여기서 상기 보호막(103)은 산화막 또는 질화막 등으로 형성한다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(103)위에 감광막(104)을 도포하고, 노광 및 현상하여 상기 금속 패드(102) 상측 부분이 노출되도록 패터닝한다.
그리고 상기 패터닝된 감광막(104)을 마스크로 이용하여 상기 보호막(103)을 선택적으로 식각하여 상기 금속 패드(102)에 패드 오픈부(105)를 형성한다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 감광막(104)을 제거하고, 상기 반도체 기판(101)에 습식 세정(wet cleaning)을 실시한다.
이어, 상기 보호막(103) 전면에 제 1 평탄화층(106)을 증착하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정을 이용하여 상기 금속 패드 부분을 제외한 부분에만 남도록 한다.
그리고, 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하는 상기 제 1 평탄화층(106)위에 차례로 청색 칼라 필터층(107), 녹색 칼라 필터층(108) 및 적색 칼라 필터층(109)을 형성한다.
여기서, 상기 각 칼라 필터층 형성 방법은, 해당 칼라 레지스트를 도포하고 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 각 칼라 필터층을 형성한다.
도 1d에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라 필터층(107, 108, 109)을 포함한 기판 전면에 제 2 평탄화층(111)을 형성하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 상기 금속 패드 부분을 제외한 영역에만 남도록 한다.
도 1e에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 평탄화층(111) 상의 각 칼라 필터층(107, 108, 109)에 대응하여 마이크로렌즈(112)를 형성한다.
그리고, 이와 같이 제조된 CMOS 이미지 센서의 각 금속 패드(102)의 프로브 테스트(probe test)하여 접촉저항을 체크한 후, 이상이 없으면 외부 구동회로와 상기 금속 패드를 전기적으로 연결시킨다.
하지만, 이상과 같은 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 의해 형성된 마이크로렌즈(112)는 제 2 평탄화층(111)을 i-라인 또는 G-라인의 MUV(Mid Ultra Violet)용 포토레지스트를 이용하여 형성함에 따라 해상도가 저하되고, 마이크로 렌즈의 크기를 키우기 위한 방법으로서 균일성이 좋지 않은 MUV 패턴을 리플로우(Reflow)하여 크기를 키우기 때문에 CD 차이가 발생되어 줄무늬 형태의 불량이 발생하게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 집광 마이크로 렌즈 공정의 진행전에 마이크로 렌즈 갭(gap)을 50nm 이하로 균일하게 형성하여 상부 마이크로 렌즈의 해상도와, CD(critical dimension)의 리니어리티(linearity)를 극복함으로서 균일성을 향상할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법은 칼라 필터층 형성 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계; 상기 금속 패드를 포함한 기판 전면에 보호막을 형성하고 상기 금속 패드의 표면이 노출되도록 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 칼라 필터층 형성 영역에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 평탄화층상에 칼라 필터층을 형성하는 단계; 상기 칼라 필터층 상측에 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와; 상기 칼라 필터층 상측에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 마이크로 렌즈 형성단계 이전에 상기 제 2 평탄화층상부에 제 1 물질층을 형성하고, 이 제 1 물질층상에 마이크로 렌즈용 제 2 물질층을 각각 연속하여 증착하고 노광한 후, 브리치 공정을 실행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(200)상에 층간 절연막(201)을 형성하고, 상기 층간 절연막(201)위에 각 신호 라인의 금속 패드(202)를 형성한다.
이 때, 상기 금속 패드(202)는 각 게이트 전극과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다.
그리고 상기 금속 패드(202)를 포함한 상기 층간 절연막(201)의 전면에 보호막(203)을 형성한다. 여기서 상기 보호막(203)은 산화막 또는 질화막 등으로 형성한다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(203)위에 감광막(204)을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 금속 패드(202) 상측 부분이 오픈되도록 상기 감광막(204)을 선택적으로 패터닝한다.
그리고 상기 패터닝된 감광막(204)을 마스크로 이용하여 상기 보호막(203)을 선택적으로 식각하여 상기 금속 패드(202)에 패드 오픈부(205)를 형성한다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 감광막(204)을 제거하고, 상기 반도체 기판(200)에 습식 세정을 실시하여 패드 오픈부(205)를 형성할 때 발생한 이물질 및 감광막(204)의 폴리머 성분을 제거한다.
이어서, 상기 반도체 기판(200)의 전면에 제 1 평탄화층(206)을 증착하고, 마스크를 이용한 사진 식각 공정을 이용하여 상기 금속 패드 부분을 제외한 부분에만 남도록 한다.
그리고 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하는 상기 제 1 평탄화층(206)위에 차례로 청색 칼라 필터층(207), 녹색 칼라 필터층(208) 및 적색 칼라 필터층(209)을 형성한다.
여기서, 상기 각 칼라 필터층의 형성방법은 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 각 칼라 필터층을 형성한다.
도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라 필터층(207, 208, 209)을 포함한 반도체 기판(200)의 전면에 제 2 평탄화층(210)을 형성하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 상기 금속 패드 부분을 제외한 영역에만 남도록 한다.
이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 평탄화층(210)상에 해상도가 향호한 DUV(Deep Ultra Violet)를 이용하여 패터닝되는 포토레지스트의 물질층(211)(이하, DUV 물질층(211)이라 한다.)을 01.∼1.0um 정도 두께로 도포하고, 이 상부에 마이크로렌즈용 물질층(212), 즉 MUV(Mid Ultra Violet) 포토레지스트( MUV를 이용하여 패터닝되는 포토레지스트의 물질층)를 증착한다.
이후 도 2f에 도시된 바와 같이, 상부의 MUV를 이용하여 패터닝되는 포토레지스트의 물질층(212)을 노광 및 현상을 행하여 패터닝한 후, 도 2g에 도시된 바와 같이 동일한 마스크를 이용하여 사진식각 공정으로 하부의 DUV 물질층(211)에 대한 노광 및 현상을 행하여 패터닝하고, 이어서, 상기 포지티브 포토레지스트에 대한 포토 액티브 콤파운드를 분해하여 광투과율을 향상하고자 브리치(Bleach) 공정을 행한다. 이때, DUV를 이용하여 패터닝되는 때의 노출 에너지를 이용하여 MUV 포토레지스트의 CD를 DUV 포토레지스트의 CD보다 크게 가져가는 것이 바람직하다.
이와 달리, DUV 물질층(211)과 마이크로렌즈용 물질층(212)을 차례로 도포하고, 마이크로 렌즈용 물질층을 노광한 후 연속해서 DUV 물질층(211)을 노광하고 이어서 한번의 현상공정을 진행해도 무방함은 물론이다.
도 2h에 도시한 바와 같이, 150∼300℃의 온도에서 열에너지를 조사하여 리플로우 공정을 실시함에 따라 상기 각 칼라 필터층(207, 208, 209)에 대응하여 소정곡율을 가지는 반구형 형태의 마이크로렌즈(213)를 형성한다.
이어, 상기 반도체 기판(200)의 전면에 산소 플라즈마 처리를 실시하여 상기 마이크로렌즈(213)를 형성할 때 금속 패드(202)의 표면에 잔류하는 이물질을 제거한다.
여기서, 상기 산소 플라즈마 처리는 산소 14∼26sccm, 버퍼 Ar 가스 105∼195sccm, 압력 70∼130mT, 파워 105∼195W의 플라즈마를 형성하여 잔류물을 제거한다.
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.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 집광 마이크로 렌즈의 공정 진행전에 해상도가 양호한 DUV 포토 레지스트를 이용하여 집광 마이크로 렌즈 유도층을 형성함으로서, 상부 마이크로 렌즈의 해상도 및 CD 리너어리티를 극복하여 마이크로 렌즈의 갭을 50nm 이하로 균일하게 형성하여 포토반응성에 대한 비불균일성을 개선하는 효과를 가진다.

Claims (4)

  1. 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서,
    칼라 필터층 형성 영역과 패드 영역으로 구분되는 반도체 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 금속 패드를 포함한 반도체 기판 전면에 보호막을 형성하고 상기 금속 패드의 표면이 노출되도록 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판의 칼라 필터층 형성 영역에 제 1 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 평탄화층상에 칼라 필터층을 형성하는 단계;
    상기 칼라 필터층 상측에 제 2 평탄화층을 형성하는 단계와;
    상기 제 2 평탄화층 상측에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 마이크로 렌즈 형성단계 이전에 상기 제 2 평탄화층상에 DUV를 이용하여 패터닝되는 포토레지스트인 제 1 물질층을 형성하고, 이 제 1 물질층상에 마이크로 렌즈용으로 MUV를 이용하여 패터닝되는 포토레지스트인 제 2 물질층을 각각 연속하여 증착하고 노광한 후, 브리치 공정을 실행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 물질층은 함께 1회의 현상공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈의 형성단계는 상기 제 1 물질층의 패터닝시의 노출 에너지를 이용하여 MUV 포토레지스트의 CD가 DUV 포토레지스트의 CD보다 큰 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법
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