KR100880529B1 - 시모스 이미지센서의 칼라필터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 칼라필터간 중첩에 의한 소자특성의 저하를 방지하고 소자의 광감지 특성을 향상시킨 발명이다. 이를 위한 본 발명은 페시베이션막의 일부를 식각하여 홈을 형성하고 상기 홈의 내부에 그린필터를 형성함으로써 필터간의 중첩을 방지하였다. 또한 그린필터와 페시베이션막 상에 제1 오버코팅레이어를 형성하여 그 상부에 형성될 블루필터와 레드필터의 접착력을 향상시킴으로써 필터가 벗겨지는 필링(peeling)현상을 방지하였다.

이미지센서, 칼라필터, 그린필터, 광감지특성

Description

시모스 이미지센서의 칼라필터 및 그 제조방법{Color filter in COMS image sensor and the method of fabricating thereof}

도1은 종래기술에 따라 형성된 이미지센서의 단면을 도시한 단면도,

도2a 내지 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20 : 기판

21 : 필드산화막

22 : 포토다이오드

23 : 층간절연막

24 : 금속배선

25 : 페시베이션막

26 : 그린필터

27 : 제1 오버코팅레이어

28 : 블루필터 또는 레드필터

29 ; 제2 오버코팅레이어

본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 특히, 광감지특성을 개선한 칼라필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라필터어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.

또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.

따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼리필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.

이러한 종래의 일반적인 이미지센서의 제조방법을 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(11)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트전극은 도1에 도시되어 있지않다.)

이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(12)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.

다음으로 포토다이오드(12)와 필드산화막(11)을 포함하는 전체 구조상에 층간절연막(13)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.

이후에 상기 층간절연막(13) 상에 금속배선(14)을 형성한다. 이때 형성되는 금속배선(14)은 포토다이오드(12)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다.

이후에 습기나 스크랫치로 부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 페시베이션막(15)을 금속배선(14) 상부에 형성하여 일반적인 시모스 공정을 마무리한다.

도1에는 한 층의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였지만 금속배선으로 여러 층이 사용될 경우에는, 금속배선들 사이에는 금속배선간 절연막을 형성하고 최종금속배선 상부에는 페시베이션막을 형성함으로써 시모스(CMOS) 로직(Logic) 공정을 마무리한다.

다음으로 페시베이션막(15) 상에 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(16, 17, 18)를 형성하는데, 먼저 블루필터(16)를 형성하고 이후에 레드필터(17), 그린필터(18)의 순으로 칼라필터 형성공정을 진행한다.

블루필터(16)는 광특성에 취약하기 때문에 가장 먼저 형성한다.

이와같은 3색의 칼라필터는 도1에 도시된 바와 같이 인접한 칼라필터와 서로 중첩되어 형성된다. 칼라필터를 형성한 이후에 칼라필터 상에 오버코팅레이어(19)를 증착하고 이를 평탄화시켜 마이크로렌즈가 평탄화된 오버코팅레이어(19) 상에 형성될 수 있도록 한다.

이와같이 구성된 칼라필터의 최종단면을 살펴보면 인접한 칼라필터는 서로 중첩되어 형성되어 있음을 알 수 있으며 또한, 동일한 코팅 두께로 칼라필터 형성공정을 진행하여도 블루필터(16) 보다는 레드필터(17)가 두껍게 형성되며, 레드필터(17) 보다는 그린필터(18)가 원래의 코팅두께에 대비하여 두껍게 형성된다.

따라서, 이와 같은 칼라필터간의 중첩으로 인하여 원하지 않은 광감지특성의 저하를 가져오게 되며 또한, 각 칼라필터의 최종두께에 대한 제어가 쉽지 않기 때문에 이미지센서의 광특성을 분석하는데 있어서, 소자의 설계와 실제 공정상의 매칭이 이루어지기 어려운 단점이 있었다.

그리고 페시베이션막 상에 바로 3색의 칼라필터가 형성되므로 칼라필터의 접착특성이 불안정하며, 이에따라 인접 칼라필터간의 중첩 정도에 따라서 칼라필터의 필링(peeling) 현상이 발생할 수도 있는 단점이 있었다.

또한, 중첩된 칼라필터에 의한 찌꺼기(residue)가 칼라필터 상에 남아있어 화이트 배드 픽셀 오류(white bad pixel fail)를 유발하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 칼라필터간의 중첩을 방지하고 필터두께의 제어가 용이한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,이미지센서에 있어서, 수광소자를 포함하는 이미지센서 관련소자들이 형성된 기판; 상기 기판 상부에 형성되는 금속배선; 상기 금속배선을 포함하는 기판상에 형성되되 상기 수광소자와 대응되는 영역중 일정영역에 홈을 갖는 페시베이션막; 상기 홈의 내부에 형성된 그린필터; 상기 페시베이션막과 그린필터 상에 형성된 제1 오버코팅레이어; 상기 제1 오버코팅 레이어 상의 형성된 블루필터와 레드필터; 및 상기 블루필터, 레드필터 및 제1 오버코팅레이어 상에 형성된 제2 오버코팅레이어를 포함하여 이루어진다. 또한 본 발명은 기판상에 수광소자를 포함하는 이미지센서 관련소자들을 형성하는 단계; 상기 기판 상부에 금속배선을 형성하는 단계; 상기 금속배선을 포함하는 기판상에 형성되되 상기 수광소자와 대응되는 영역중 일정영역에 홈을 갖는 페시베이션막을 형성하는 단계; 상기 홈의 내부에 그린필터를 형성하는 단계; 상기 페시베이션막과 그린필터 상에 제1 오버코팅레이어를 형성하는 단계; 상기 제1 오버코팅레이어 상에 블루필터와 레드필터를 형성하는 단계; 및 상기 블루필터, 레드필터 및 제1 오버코팅레이어 상에 제2 오버코팅레이어를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 기존의 칼라필터 형성공정의 문제점인 인접 필터간의 중첩을 방지할 뿐만 아니라 칼라필터의 두께 조절을 용이하게 한 칼라필터 및 그 형성방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도2a 내지 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 도시한 단면도로서 이를 참조하여 설명하면, 페시베이션막(25)을 형성하기까지의 공정은 종래기술과 동일하다.

즉, 도2a에 도시된 바와 같이 반도체 기판(20) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(21)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트전극은 도2a 도시되어 있지않다.)

이후, 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(22)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.

다음으로 포토다이오드(22)와 필드산화막(21)을 포함하는 전체 구조상에 층간절연막(23)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.

이후에 상기 층간절연막(23) 상에 금속배선(24)을 형성한다. 이때 형성되는 금속배선(24)은 포토다이오드(22)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다.

다음으로 습기나 스크랫치로부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 페시베이션막(25)을 금속배선(24) 상부에 형성하여 일반적인 시모스 공정을 마무리한다.

도2a에는 한 층의 금속배선(Metal 1)을 사용하는 경우를 도시하였지만 금속배선으로 여러 층이 사용될 경우에는, 금속배선들 사이에는 금속배선간 절연막을 형성하고 최종금속배선 상부에는 페시베이션막을 형성함으로써 시모스(CMOS) 로직(Logic) 공정을 마무리한다.

다음으로 도2b에 도시된 바와 같이 페시베이션막(25)을 일정깊이를 식각하여 그린필터(26)가 형성될 공간을 만든다. 즉, 마스크를 이용하여 페시베이션막(25)을 일부두께 식각함으로써 트렌치 구조를 만든 후, 그린필터(26)용 염색된 포토레지스트를 상기 트렌치 구조에 매립한다.

후속 공정으로 제1 오버코팅레이어(27)가 페시베이션막(25) 상에 형성되므로 그린필터(26)의 두께는 트렌치 구조의 깊이와 동일하지 않아도 되며, 페시베이션막의 표면보다 약간 솟아올라도 무방하다.

다만, 블루필터영역이나 레드필터영역에 남아있을 수도 있는 그린필터용 염색된 포토레지스트는 포토레지스트 제거공정을 통하여 제거한다. 여기서 상기 그린필터의 두께는 바람직하게는 0.6 ∼ 0.9㎛ 정도로 한다.

이후에, 그린필터(26)와 페시베이션막(25)을 포함하는 전체구조상에 제1 오버코팅레이어(27)를 도포한다. 상기 제1 오버코팅레이어(27)는 1500 ∼ 2500Å 정도의 얇은 두께를 갖으며 감광막 계열의 물질을 이용한다.

일반적으로 이미지센서에서는 그린필터의 갯수가 블루필터나 레드필터의 갯수보다 약 2배 정도 많으므로 그린필터에 의한 찌꺼기 발생도 많으며, 종래기술에서 설명한 바와 같이 그린필터가 가장 두껍게 형성된다.

따라서, 본 발명에서는 필터두께의 안정적인 제어와 찌꺼기 발생을 방지하기위하여 그린필터를 페시베이션막에 매립시켜 형성한다.

이와 같이 제1 오버코팅레이어(27)를 형성한 이후에, 상기 제1 오버코팅레이어(27) 상의 소정영역에 블루필터 혹은 레드필터(28)를 형성한다. 블루필터나 레드필터 역시 염색된 포토레지스트를 사용하여 형성되므로, 같은 감광막계열인 제1 오버코팅레이어(27)의 존재로 인하여, 블루필터(28) 혹은 레드필터(28)의 접착력이 향상되는 장점이 있다.

이후에 블루필터 혹은 레드필터(28) 및 제1 오버코팅레이어(27)를 포함하는 구조상에 제2 오버코팅레이어(29)를 형성하고, 이를 평탄화하여 후속 마이크로렌즈 형성이 용이하도록 한다.

본 발명에서는 필터 형성후의 토폴로지(topology)를 평탄화시킴으로써 필터 찌꺼기 발생으로 인한 문제를 해결하였으며, 또한 필터 두께의 정확한 제어도 가능하게 하였다. 그리고 제1 오버코팅레이어의 사용으로 필터의 접착력을 향상시켜 줌으로써 필터가 벗겨지는 필링(peeling) 현상도 방지하였다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 칼라필터를 제조하는데 있어서 필터설계와 공정상의 매칭을 용이하게 얻을 수 있을 뿐 아니라 찌꺼기 발생에 의한 white bad pixel에 따른 수율감소를 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면 칼라필터의 필링(peeling) 문제를 원천적으로 해결할 수 있어 제품의 생산성향상에 크게 기여할 수 있다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 이미지센서의 제조방법에 있어서,

   기판상에 수광소자를 포함하는 이미지센서 관련소자들을 형성하는 단계;

   상기 기판 상부에 금속배선을 형성하는 단계;

   상기 금속배선을 포함하는 기판상에 형성되되 일부 영역에서 홈을 갖는 페시베이션막을 형성하는 단계;

   상기 홈의 내부에 그린필터를 형성하는 단계;

   상기 페시베이션막과 그린필터 상에 제1 오버코팅레이어를 형성하는 단계;

   상기 그린필터와 중첩되지 않게 상기 제1 오버코팅레이어 상에 블루필터와 레드필터를 형성하는 단계; 및

   상기 블루필터, 레드필터 및 제1 오버코팅레이어 상에 제2 오버코팅레이어를 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지센서 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 그린필터, 블루필터 그리고 레드필터는 염색된 포토레지스트를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
5. 삭제
6. 제3항에 있어서,

   상기 그린필터는 0.6 ∼ 0.9㎛의 두께를 갖게 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
7. 제3항에 있어서,

   상기 제1 오버코팅레이어는 1500 ∼ 2500Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.

Images