KR100928113B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예의 이미지 센서는, 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 컬러필터층; 상기 컬러필터층 상에 형성된 평탄화층; 상기 평탄화층 상에 형성된 하드 마스크층; 및 상기 하드 마스크층 상에 형성된 마이크로 렌즈가 포함된다.
이미지 센서, 씨모스 이미지 센서, 평탄화층
Description
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 도면이다.
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상((optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시키는 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 영역이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 영역을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 영역 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 영역으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지 센서는 컬러필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
종래기술에 의하면, 이미지센서의 제조과정 중 마이크로렌즈를 형성하는 방법은 화소가 형성된 픽셀 어레이 기판 상에 컬러필터와 마이크로렌즈 형성 공정을 진행한다.
상기와 같은 마이크로렌즈는 감광성 유기물 물질을 노광(expose), 현상(development), 리플로우(reflow)의 순서로 진행하여 반구형의 모양을 최종 형성시킨다.
그러나, 상기 감광성 유기물 물질은 물성 자체가 약하여 패키지 및 범프 등의 후공정에서 마이크로렌즈가 물리적인 충격인 크랙 등에 의한 손상을 입기 쉽고 감광성 유기물은 상대적인 점성이 강하여 파티클이 흡착될 경우 렌즈의 불량을 유발시키게 된다.
이를 방지하기 위해 경도가 높은 산화막이나 질화막 등의 물질을 보호막으로 사용하는 방법 또는 무기물 자체를 이용하여 하드 마이크로렌즈를 구현하기 위한 노력들이 시도되고 있다.
그러나, 무기물을 이용하여 마이크로렌즈를 형성하면 내부에 다량의 핀홀이 존재할 수 있으며, 그로 인해 이후 세정공정에서 세정액이 핀홀을 통해 하부의 유 기물막들로 침투되어 상기 유기물막을 용해시키므로 이미지 센서의 불량을 초래할 수 있다.
실시예는 무기물로 형성된 마이크로 렌즈를 사용함으로써 파티클 및 크랙등의 손상을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 마이크로렌즈의 하부에 형성되는 유기물막의 표면 경도를 강화시켜 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예의 이미지 센서는, 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 컬러필터층; 상기 컬러필터층 상에 형성된 평탄화층; 상기 평탄화층 상에 형성된 하드 마스크층; 및 상기 하드 마스크층 상에 형성된 마이크로렌즈가 포함된다.
또한, 실시예의 이미지 센서의 제조방법은, 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계; 상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 평탄화층 상에 하드 마스크층을 형성하는 단계; 및 상기 하드 마스크층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계가 포함된다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(On/Over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 5는 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
본 실시예의 이미지 센서는, 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 컬러필터층(50); 상기 컬러필터층(50) 상에 형성된 평탄화층(60); 상기 평탄화층(60) 상에 형성된 하드 마스크층(65); 및 상기 하드 마스크층(65) 상에 형성된 마이크로 렌즈(75)가 포함된다.
상기 하드 마스크층(65)은 상기 평탄화층(60) 상부에 질소 이온을 주입하여 형성되어, 상기 하드 마스크층(65)은 상기 평탄화층(60)의 표면을 보호할 수 있게 된다.
상기 마이크로 렌즈(75)는 저온 산화막으로 형성되어, 물리적인 충격에 의한 크랙 등을 방지할 수 있다.
상기 금속배선층은 복수의 층간 절연막(30)과 상기 층간 절연막(30)에 형성된 복수의 금속배선(31)을 포함한다.
상기 금속배선층 상부에 패시베이션층(40)이 형성되어, 소자를 보호할 수 있다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 공정 단면도이다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10) 상에는 포토다이오드(미도시) 및 씨모스 회로(미도시)을 포함하는 광감지 소자(20)가 형성되어 있다.
상기 포토다이오드를 포함하는 광감지 소자(20)에 대하여 설명하면, 반도체 기판(10) 상에는 액티브 영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(미도시)이 형성되어 있으며, 각각의 단위화소에는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드가 형성되어 있으며, 상기 포토다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로(미도시)가 형성되어 있다.
상기 소자분리막과 광감지 소자(20)를 포함하는 관련 소자들이 형성된 이후에, 금속배선층이 반도체 기판(10) 상에 형성된다.
상기 금속배선층은 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 층간 절연막(30)과 상기 층간 절연막(30)을 관통하여 형성된 복수의 금속배선(M1, M2)(31)을 포함한다.
상기 금속배선(31)을 포함하는 상기 층간 절연막(30)은 복수의 층으로 형성될 수도 있다.
상기 금속배선(31)은 포토다이오드로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다. 상기 금속배선(31) 중 최상부에 위치한 금속배선(M2)(31)이 형성될 때 패드(미도시)도 형성될 수 있다.
그리고, 상기 최상부의 금속배선(31)을 포함한 층간 절연막(60) 상에 패시베이션층(40)이 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(40)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 절연막으로 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(40)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중의 어느 하나로 형성될 수도 있으며 또는 하나 이상의 층이 적층된 구조일 수도 있다.
한편, 상기 패시베이션층(40)의 형성을 생략하고 상기 층간 절연막(30) 상에 후속공정으로 컬러필터층(50)이 형성될 수 있다.
이는 이미지 센서의 전체적인 높이에 영향을 주게되어 보다 박형의 이미지 센서를 제공할 수도 있으며, 또한 공정 단계의 감소에 따른 비용 절감의 효과를 제공할 수 있다.
그리고, 상기 패시베이션층(40) 상에 컬러필터층(50)이 형성된다.
상기 컬러필터층(50)은 컬러 이미지 구현을 위해 3색의 컬러필터로 형성되며, 상기 컬러필터를 구성하는 물질로는 염색된 포토레지스트를 사용하며 각각의 단위화소마다 하나의 컬러필터가 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 이러한 컬러필터는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 색으로 이루어져 인접한 컬러필터들은 서로 약간씩 오버랩되어 단차를 가지게 된다.
이를 보완하기 위한 평탄화층(60)이 상기 컬러필터층(50) 상에 형성된다.
후속공정으로 형성될 마이크로렌즈는 평탄화된 표면 상에 형성되어야 하며, 이를 위해서는 상기 컬러필터층(50)으로 인한 단차를 없애야 하므로, 상기 컬러필터층(50) 상에 평탄화층(60)이 형성된다.
상기 평탄화층(60)은 평탄화 물질을 상기 컬러필터층(50)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 코팅함으로써 형성된다. 예를 들어, 상기 평탄화층(60)은 유기물 물질(Organic)을 코팅하여 약 4,000~8,000Å의 두께로 형성될 수 있다. 상기 평탄화층(60)은 포토레지스트인 오버코팅 레이어일 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 평탄화층(60)이 형성된 반도체 기판(10) 상으로 질소(Nitrogen) 이온이 주입된다.
상기 질소 이온은 이온주입공정(ion implant)을 통해 상기 평탄화층(60)으로 주입된다. 예를 들어, 질소 이온의 이온주입 시 사용된 에너지는 20~250KeV이고, 상기 평탄화층 상부에 주입된 도즈량은 2×1013~2×1014 atoms/㎠ 으로 주입될 수 있다.
상기와 같은 에너지와 도즈량으로 질소 이온이 상기 평탄화층(60) 상에 주입되면 상기 질소 이온은 평탄화층(60)의 내부 중 상부 영역에 주입된 상태가 된다.
도 3을 참조하여, 상기 평탄화층(60) 상에 하드 마스크층(65)이 형성된다.
상기 하드 마스크층(65)은 상기 평탄화층(60) 상으로 주입된 질소 이온에 의해 형성된다.
즉, 상기 하드 마스크층(65)은 상기 질소 이온이 상기 평탄화층(60)의 상부 영역에 주입됨으로써 상기 평탄화층(60)의 내부 중 상부 표면 영역에 형성된 상태가 된다. 예를 들어, 상기 하드 마스크층(65)은 10~500Å의 두께로 상기 평탄화층(60)의 상부의 표면 영역에 형성될 수 있다.
상기 평탄화층(60)으로 질소가 도핑되어 형성된 하드 마스크층(65)은 질소이온에 의하여 그 표면이 견고한 성질로 변형되어 세정액에 의해 용해되지 않는 내화성을 가지게 된다. 따라서, 상기 하드 마스크층(65)의 하부에 유기물 물질로 형성된 상기 평탄화층(60) 및 컬러필터층(50)을 보호할 수 있게 된다.
도 4를 참조하여, 상기 하드 마스크층(65) 상에 무기물층(70)이 형성된다.
상기 무기물층(70)은 산화막, 질화막 및 산질화막과 같은 무기물 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 무기물층(70)은 산화막을 약 50~250℃의 저온에서 CVD, PVD 및 PECVD 공정으로 형성될 수 있으며 약 2,000~20,000Å의 두께로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 무기물층(70) 상부에 마이크로렌즈 패턴(80)이 형성된다.
상기 마이크로렌즈 패턴(80)은 상기 무기물층(70) 상으로 유기물 포토레지스트막을 도포하고 노광 및 현상한 후, 리플로우 공정에 의하여 돔 형태로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 하드 마스크층(65) 상에 마이크로 렌즈(75)가 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(75)는 상기 마이크로렌즈 패턴(80)를 식각 마스크로 사용하여 상기 무기물층(70)을 전면 식각함으로써 형성된다.
상기 무기물층(70)의 전면식각은 상기 무기물층(70)과 상기 마이크로렌즈 패턴(80)의 식각비는 1:1로 적용될 수 있다. 상기 식각비는 한정되는 것은 아니며 식각비를 조절하여 상기 무기물층(80)이 과식각되도록 하는 것도 가능하다.
따라서, 상기 마이크로 렌즈(75) 형성을 위한 상기 무기물층(70)의 식각은 상기 유기물 포토레지스트막이 모두 식각될때까지 수행되도록 하여, 상기 마이크로 렌즈(75)는 이웃하는 마이크로렌즈와 갭 리스(gap-less) 형태로 형성될 수 있다.
상기와 같이 하드 마스크층(65) 상에 저온 산화막으로 이루어진 돔 형태의 마이크로 렌즈(75)가 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 마이크로 렌즈(75)는 이웃하는 마이크로렌즈와 상호 이격된 상태로 형성되면, 세정 공정 후 얇은 무기물 박막 상기 마이크로 렌즈 상에 증착시켜 이중층 구조의 마이크로 렌즈를 형성할 수도 있다.
도 6을 참조하여, 상기 마이크로 렌즈(75)에 대한 표면 세정공정이 진행된다.
상기 마이크로 렌즈(75)의 표면 세정공정은 상기 마이크로 렌즈(75)가 형성될 때 유기물 포토레지스트 잔유물 등의 파티클이 상기 마이크로 렌즈(75) 상에 남아있을 수 있기 때문이다.
상기 포토레지스트 잔유물은 이미지 센서에 흑점 등을 유발시켜 이미지 결함원인(Defect source)으로 작용할 수 있는 소지가 있다.
상기 마이크로 렌즈(75)에 대한 표면 세정공정은 일반적인 세정액(Chemical)을 사용하여 진행된다. 예를 들어, 상기 마이크로 렌즈(75)에 대한 세정공정은 H2SO4, HF 및 HNO3와 같은 세정액이 사용될 수 있다.
한편, 상기 마이크로 렌즈(75)는 저온에서 산화막을 증착시켜 형성되는 것이므로 막질이 촘촘하게 형성되지 않게 되어 상기 마이크로 렌즈(75)의 내부에는 핀홀(pin hole)이 존재할 수 있다.
이러한 상태에서 상기 마이크로 렌즈(75)에 대한 세정공정을 진행하면 상기 마이크로 렌즈(75)의 핀홀을 통해 세정액이 하부에 위치한 층으로 침투된다.
종래의 경우, 상기 세정액이 마이크로 렌즈(75)의 핀홀을 통해 하부의 유기 물층인 평탄화층(60) 또는 컬러필터층(50)으로 침투되면 상기 유기물층을 용해시키게 되므로 상기 유기물층과 마이크로 렌즈(75)가 분리되어 이미지 센서의 불량을 초래하였다.
본 실시예에서는, 상기 마이크로 렌즈(75)의 하부에 하드 마스크층(65)이 형성되어 있으므로 상기 마이크로 렌즈(75)의 핀홀을 통해 세정액이 침투된다 하더라도 상기 하드 마스크층(65)이 상기 평탄화층(60)을 보호하고 있기 때문에, 상기 평탄화층(60)의 용해를 사전에 방지할 수 있다.
상기 하드 마스크층(65)은 유기물 물질 상에 질소가 도핑되어 상기 유기물막의 표면에 단단한 막 형태로 형성된 상태이고 상기 막은 세정액에 의해 용해되지 않는 내화성을 가지고 있기 때문이다.
따라서, 상기 마이크로 렌즈(75)의 핀홀을 통해 세정액이 침투된다 하더라도 상기 하드 마스크층(65)에 의해 유기물 물질로 형성된 평탄화층(60)의 용해를 사전에 방지할 수 있으므로 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(75)를 형성한 후 표면 세정공정이 진행되므로 이미지 불량을 방지할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(75)는 무기물 물질로 형성되어 물리적인 충격에 의한 크랙 등을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가 진 자에게 있어 명백할 것이다.
실시예의 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 무기물로 형성된 마이크로 렌즈를 사용함으로써 파티클 및 크랙 등의 손상을 방지하여 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈의 하부에 형성되는 평탄화층의 표면 경도를 강화시켜 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (12)
- 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층;상기 금속배선층 상에 형성된 컬러필터층;상기 컬러필터층 상에 형성된 평탄화층;상기 평탄화층 상에 형성된 하드 마스크층; 및상기 하드 마스크층 상에 저온 산화막으로 형성된 마이크로 렌즈를 포함하며,상기 하드 마스크층은 질소 이온이 주입된 유기물막인 것을 포함하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 하드 마스크층은 10~500Å의 두께로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 금속배선층 상부에 패시베이션층이 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
- 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계;상기 금속배선층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계;상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 단계;상기 평탄화층 상에 하드 마스크층을 형성하는 단계; 및상기 하드 마스크층 상에 저온 산화막으로 형성된 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하고,상기 하드 마스크층을 형성하는 단계는,유기물 물질로 형성된 상기 평탄화층 상에 질소를 공급하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서,상기 질소는 이온주입방법에 의해 상기 평탄화층 상부 영역에 주입되는 이미지 센서의 제조방법,
- 제8항에 있어서,상기 질소의 이온주입시 에너지는 20~250KeV이고, 도즈는 2×1013~2×1014 atoms/㎠ 으로 주입되는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서,상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,상기 하드 마스크층이 형성된 반도체 기판 상에 무기물층으로 형성하는 단계;상기 무기물층 상에 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계; 및상기 마이크로렌즈 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 무기물층을 식각하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 마이크로 렌즈를 형성한 후 세정공정을 진행하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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