KR100897816B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 발명으로, 회로부와 화소부가 정의된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 서로 다른 깊이로 형성된 다수의 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드를 포함하는 상기 반도체 기판 상에 상기 화소부가 상기 회로부에 비해 상대적으로 낮은 높이로 형성된 층간 절연막과, 상기 화소부의 층간 절연막 표면에 굴곡을 갖도록 형성된 마이크로 렌즈와, 상기 회로부의 층간 절연막 상에 형성된 차광막을 포함하며, 상기 마이크로 렌즈는 산화막 계열 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
마이크로 렌즈, 포토 다이오드, 이미지 센서
Description
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도
도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 레이아웃도
도 3은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면도
도 5a 내지 도 5c 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 반도체 기판 115 : 포토 다이오드
116 : 층간 절연막 118 : 보호막
120 : 질화막 패턴 140b : 마이크로 렌즈
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서, 후속 공정에서 발생하는 이물 등에 의한 오염을 감소시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 발명이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image Sensor)는 광학적 영상(Optical Image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서로 구분된다.
전하 결합 소자는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo Diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical Charge Coupled Device; VCCD)과, 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal Charge Coupled Device; HCCD) 및 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 전하 결합 소자는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서 로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 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 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(Digital Still Camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토 다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토 다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(Lay Out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적 인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 나타낸 레이아웃도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는 도 1에 도시된 바와 같이 1개의 포토 다이오드(PD)와 3개의 NMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 포토 다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 NMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 NMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다.
그리고, 제 1 및 제 2 NMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 NMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다.
또한, 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 제 2 NMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도시되지 않음)에 접속되고, 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다.
따라서, 제 1 NMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 NMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 NMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 도 2에 도시한 바와 같이 액티브 영역(11)이 정의되어 액티브 영역(11) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토 다이오드(24)가 형성되고, 나머지 부분의 액티브 영역(11)에 각각 오버랩되는 제 1 내지 제 3 트랜지스터의 게이트 전극(22, 33, 44)이 형성된다.
즉, 제 1 게이트 전극(22)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 제 2 게 이트 전극(33)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 제 3 게이트 전극(44)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다.
여기서, 각 트랜지스터의 액티브 영역(11)에는 각 게이트 전극(22, 33, 44) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다.
따라서, 리셋 트랜지스터(Rx)와 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도시되지 않음)에 접속된다.
이러한, 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 포토 다이오드(PD)의 포토 다이오드 영역에 역바이어스가 인가되면, 공핍층이 생기고 여기서 빛을 수광하여 생기는 전자가 리셋 트랜지스터(Rx)이 턴-오프될 때 드라이브 트랜지스터(Dx)에 포텐셀을 낮추게 된다. 이에 따라, 리셋 트랜지스터(Rx)가 턴-온되었다가 턴-오프될 때부터 계속 상기 포텐셜을 낮추게 되어 전압차이가 발생하게 됨으로써 이를 신호처리로 이용하여 동작하게 된다.
이와 같은, 씨모스 이미지 센서는 빛을 감지하는 포토 다이오드와, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 회로부(Logic Circuit)로 구성되며, 광감도를 높이기 위해 전체 이미지 센서 면적에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율을 크게 하거나, 마이크로 렌즈와 포토 다이오드 간의 거리를 줄이기 위한 기술을 사용하고 있다.
하지만, 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율을 크게하는 것은 한계가 있 고 특히, 하이 테크놀로지 소자를 구현하기 위해서는 금속 배선의 수가 필수적으로 늘어나게 되고 이로 인하여 상대적으로 BEOL(Back End Of Line)막 두께가 두꺼워지기 때문에 마이크로 렌즈와 포토 다이오드 간의 거리를 줄이는 방법이 많이 이용되고 있다.
도 3은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 씨모스 이미지 센서는 마이크로 렌즈(14)와 포토 다이오드(15) 간의 거리를 줄이기 위해 포토리쏘그래피 공정 및 식각 공정으로 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 신호를 센싱하는 포토 다이오드(50)를 포함하는 화소부(Pixel Area)는 로직 회로부(Logic Circuit)과 단차가 생기도록 낮게 형성한다. 그 다음, 화소부를 포함한 반도체 기판(10) 전면에 마이크로 렌즈용 레지스트층(도시되지 않음)을 도포한 후 패터닝하여 마이크로 렌즈 패턴(도시되지 않음)을 형성한다. 마이크로 렌즈 패턴을 리플로우 공정에 의하여 화소부에 마이크로 렌즈(14)를 형성한다.
이때, 각각의 마이크로 렌즈(14)의 두께가 서로 다르게 형성되거나(20), 화소부의 양측벽에 마이크로 렌즈용 레지스트층의 잔여물이 남게된다(30). 또한, 디포커싱(defocusing) 영역인 로직 회로부 상부에 오버레이(Overlay) 확인을 위한 오버레이 키(Overlay-Key)(40)가 비정상적으로 형성되어 인라인(In-line) 측정이 어렵고, 이에 따라, 이미지 센서 내로 들어오는 빛의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
한편, 이와 같이 제작된 씨모스 이미지 센서는 IC화된 패키지별로 소 잉(Sawing)공정에 의해 원하는 크기로 절단되는데, 이와 같이 반도체 기판을 원하는 크기로 절단하는 경우 절단 중에 많은 이물이 발생된다. 이때, 점성이 강한 유기 물질인 포토 레지스트로 마이크로 렌즈를 형성할 경우 많은 이물이 마이크로 렌즈에 흡착하게 되고, 이에 따라 수율이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 후속 공정에서 발생하는 이물 등에 의한 오염을 감소시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적에 따른 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 회로부와 화소부로 정의된 반도체 기판을 마련하는 단계와, 상기 반도체 기판에 서로 다른 깊이를 갖도록 다수의 포토 다이오드를 형성하는 단계와, 상기 포토 다이오드를 포함하는 반도체 기판 상에 다수의 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 회로부의 층간 절연막상에 차광막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막 상에 굴곡을 갖도록 제 1 마이크로 렌즈 패턴을 형성하는 단계와, 상기 제 1 마이크로 렌즈 패턴을 마스크로 하여, 상기 화소부가 상기 회로부보다 낮은 제 1 깊이로 식각하여 상기 제 1 마이크로 렌즈의 표면과 형상과 동일한 제 2 마이크로 렌즈 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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또한, 상기 제 2 마이크로 렌즈 패턴을 마스크로 하여, 상기 화소부의 층간 절연막을 상기 제 1 깊이보다 낮은 제 2 깊이로 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(100)의 다수의 금속 배선(도시되지 않음)을 포함하는 로직 회로부(Logic Circuit)와, 빛을 수광하여 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 신호를 센싱하는 다수의 포토 다이오드(115) 및 포토 다이오드(115)와 대응되도록 형성된 산화막 계열 물질로 형성된 마이크로 렌즈(140b)를 포함하는 화소부(Pixel Area)로 구성된다. 포토 다이오드(115)는 반도체 기판(100) 내에 선택적으로 불순물 이온을 주입하여 서로 다른 깊이를 갖도록 수직하게 배열된다.
화소부는 로직 회로부와 단차가 생기도록 로직 회로부보다 600∼1400㎚ 낮은 두께로 형성된다. 즉, 다수의 포토 다이오드(115) 중 최상부에 형성된 포토 다이오드(R)와 가까운 층간 절연막(116)에 마이크로 렌즈(140b)가 형성된다.
또한, 로직 회로부의 상부에 불필요한 부분에 빛이 투과되는 것을 방지하는 질화막 패턴(120)을 더 구비한다.
마이크로 렌즈(140b)는 산화막 계열 물질인 HDP(High Density Plasma) 산화막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organic Silicate Glass)막 등으로 형성된다.
씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(100) 상에 활성 영역과 필드 영역을 정의하는 소자분리막(도시되지 않음)이 형성되어 있으며, 소자분리막과 포토 다이오드들(115)이 형성된 이후에, 반도체 기판(100) 상에 산화막 계열 물질로 다수의 층간 절연막(116)이 형성되고, 다수의 층간 절연막(116) 사이에는 다수의 금속배선들(도시되지 않음)이 형성된다. 층간 절연막(116) 상에 습기 또는 긁힘(Scratch)으로부터 소자를 보호하기 위한 보호막(118) 등이 형성된다.
도 5a 내지 도 5c 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 반도체 기판(100) 내에 선택적으로 불순물 이온을 주입하여 서로 다른 깊이를 갖도록 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 신호를 센싱하는 다수의 포토 다이오드들(115)을 형성한다. 이어, 포토 다이오드들(115)이 형성된 반도체 기판(100)에 신호 처리를 위한 소자(도시되지 않음)를 형성하고 각 부분들을 연결 하는 다층의 금속 배선(도시되지 않음)을 형성한다.
그리고, 포토 다이오드들(115)을 포함한 반도체 기판(100) 전면에 산화막 물질로 이루어진 다수의 층간 절연막(116) 및 보호막(118)을 순차적으로 형성한 후, 보호막(118)을 포함하는 반도체 기판(100) 전면에 질화막을 증착한다. 이어서, 질화막 상에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하여 화소부의 보호막(118)이 노출되도록 선택적으로 제거하여 로직 회로부 상부에 질화막 패턴(120)을 형성한다. 로직 회로부 상부의 질화막 패턴(120)은 나이트 라이드(Nitride) 계열의 물질로써, 불필요한 부분에 빛이 투과되어 잡음이 유발되는 것을 방지한다.
이어, 로직 회로부 상부의 질화막 패턴(120)을 포함한 보호막(118) 상에 마이크로 렌즈용 레지스트층(도시되지 않음)을 증착한다. 반도체 기판(100) 상의 포토 다이오드(115)와 대응되게 일정한 간격을 갖도록 마이크로 렌즈용 레지스트층(도시되지 않음)을 선택적으로 패터닝하여 굴곡을 갖는 제 1 마이크로 렌즈 패턴(130)을 형성한다. 화소부의 제 1 마이크로 렌즈 패턴(130)을 150 ∼ 200 ℃의 온도에서 리플로우 공정을 실시하여 반구형으로 형성한다.
도 5b를 참조하면, 제 1 마이크로 렌즈 패턴(130)을 포함하는 반도체 기판(100) 상에 제 1 마이크로 렌즈 패턴(130)을 마스크로 에치백(Etch Back) 공정을 수행하여 화소부에 반구형의 제 1 마이크로 렌즈 패턴(130)과 동일 형태로 굴곡을 갖는 제 2 마이크로 렌즈 패턴(140a)이 형성된다. 이때, 제 2 마이크로 렌즈 패턴(140a)이 형성된 화소부는 에치백 공정(Etch Back)으로 제 2 마이크로 렌즈(140a)의 두께인 300∼700㎚만큼 로직 회로부보다 낮게 형성된다.
여기서, 유기 물질인 포토 레지스트로 형성된 제 1 마이크로 렌즈 패턴(130)과 산화막 계열 물질로 형성된 층간 절연막(116) 및 보호막(118)의 식각 선택비는 1:1인 것을 특징으로 한다.
도 5c를 참조하면, 제 2 마이크로 렌즈 패턴(140a)이 형성된 반도체 기판(100) 상에 계속적으로 에치백(Etch Back) 공정을 수행하여 화소부에 제 2 마이크로 렌즈 패턴(140a)과 동일 형태로 마이크로 렌즈(140b)가 형성된다. 즉, 로직 회로부는 질화막 패턴(120)으로 인해 식각되지 않고, 마이크로 렌즈(140b)를 포함한 화소부는 마이크로 렌즈(140b)의 두께만큼 낮게 형성된 형성된다. 다시 말해, 마이크로 렌즈(140b)를 포함한 화소부는 로직 회로부보다 약 600∼1400㎚ 낮은 두께를 갖으며 이에 따라, 마이크로 렌즈(140b)와 포토 다이오드(115) 간의 거리가 가까워짐으로써 이미지 센서의 광감도를 높이는 효과를 가진다.
여기서, 질화막은 나이트 라이드(Nitride) 계열의 물질로써 산화막보다 식각비가 상대적으로 낮기 때문에 산화막 상에서 마스크 역할을 한다.
마이크로 렌즈(115)는 유동성이 좋은 산화막으로 형성되며, 유기 물질인 포토 레지스트 패턴으로 마이크로 렌즈(115)를 형성할 경우와 같은 소잉(Sawing)공정시 발생하는 이물들이 마이크로 렌즈 상에 부착되는 문제점을 방지할 수 있다.
마이크로 렌즈(115)는 산화막 계열 물질인 HDP(High Density Plasma) 산화막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organic Silicate Glass)막 등으로 형성된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법에서는 마이크로 렌즈를 먼저 형성한 후, 에치백 공정으로 마이크로 렌즈와 포토 다이오드 간의 거리를 줄임으로써 픽셀 영역부에 포토 레지스트 잔여물이 남게 되는 문제점을 해결할 수 있고, 이에 따라 공정 마진을 향상시킬 수 있다.
또한, 유동성 및 내성이 좋은 산화막 계열 물질로 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 소잉(Sawing)공정시 발생하는 이물질로부터 마이크로 렌즈를 보호하여 광집속 효율을 높일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 마이크로 렌즈를 먼저 형성한 후, 마이크로 렌즈와 포토 다이오드 간의 거리를 줄이기 위한 에치백 공정을 수행함으로써, 픽셀 영역부의 잔여물에 대한 문제점을 해결할 수 있고, 이에 따른 공정 마진을 향상시킬 수 있다.
둘째, 산화막 계열 물질로 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 소자 제조 후 각 미세 소자를 분리하는 소잉(Sawing)공정시 발생하는 이물질로부터 마이크로 렌즈를 보호하여 광집속 효율을 높일 수 있다.
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- 회로부와 화소부로 정의된 반도체 기판을 마련하는 단계와,상기 반도체 기판에 서로 다른 깊이를 갖도록 다수의 포토 다이오드를 형성하는 단계와,상기 포토 다이오드를 포함하는 반도체 기판 상에 다수의 층간 절연막을 형성하는 단계와,상기 회로부의 층간 절연막상에 차광막을 형성하는 단계와,상기 층간 절연막 상에 굴곡을 갖도록 제 1 마이크로 렌즈 패턴을 형성하는 단계와,상기 제 1 마이크로 렌즈 패턴을 마스크로 하여, 상기 화소부가 상기 회로부보다 낮은 제 1 깊이로 식각하여 상기 제 1 마이크로 렌즈의 표면과 형상과 동일한 제 2 마이크로 렌즈 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 2 마이크로 렌즈 패턴을 마스크로 하여, 상기 화소부의 층간 절연막을 상기 제 1 깊이보다 낮은 제 2 깊이로 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 층간 절연막은 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 다수의 포토 다이오드 중 가장 상부의 포토 다이오드와 인접한 층간 절연막에 상기 마이크로 렌즈가 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 산화막 계열 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 화소부는 상기 회로부보다 600∼1400㎚ 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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