KR100932132B1 - 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서의 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 순차적으로 적층된 다수의 포토 다이오드들, 금속 배선, 및 층간 절연막을 포함하는 이미지 센서에 있어서 상기 층간 절연막을 화학적 기계적 평탄화 공정을 수행하여 상기 다수의 포토 다이오들 각각에 대응하는 홈들을 형성하는 단계, 상기 홈들이 형성된 층간 절연막 상에 산화물을 증착한 후 플래너 타입의 포토 레지스트를 코팅하는 단계, 상기 플래너 타입의 포토 레지스트 및 산화물을 식각하는 단계, 및 상기 산화물 식각 후 상기 다수의 포토 다이오들 각각에 대응하는 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함한다.
image sensor, 마이크로 렌즈, CMP(chemical mechanical polishing).
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 디지털 카메라는 인터넷을 이용한 영상 통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세이다. 특히 카메라가 장착된 PDA(personal digital assistant), IMT(International Mobile Telecommunication) 2000, CDMA(code division miltiple access) 단말기 등과 같은 이동통신 단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈에는 이미지 센서가 기본적인 구성 요소가 된다. 이러한 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서가 있다.
이미지 센서는 일반적으로 빛을 감지하는 포토 다이오드를 포함하는 이미지 센서의 화소를 이루는 화소 영역과 이러한 화소 영역의 데이터를 제어하기 위한 주변 소자가 형성된 주변 영역으로 나뉠 수 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서(1)를 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시 된 일반적인 CMOS 이미지 센서(1)는 전체 이미지 센서 중에서 주변 영역은 제외하고, 포토 다이오드(20a, 20b, 20c)를 포함한 화소 영역(금속 배선층 미도시)만을 도시하였다.
도 1을 참조하면, 일반적인 이미지 센서(1)는 다수의 포토 다이오드들(20a, 20b, 20c), 상기 다수의 포토 다이오드들(20a, 20b, 20c) 각각을 분리시키기 위한 소자 격리막(Shallow Trench Isolation, 12), 반도체 기판(10) 전면 상에 형성된 제1 절연층(30)과 제2 절연층(34), 제2 절연층(34)에 형성되어 도시되지 않은 로직 영역과 전기적으로 접속되는 금속 라인(32), 상기 금속 라인(32)과 타 영역을 전기적으로 접속시키는 컨택(36), 제 2 절연층(34) 상에 상기 다수의 포토 다이오드들(20a, 20b, 20c)과 대응되게 형성되는 적색(R), 청색(B), 녹색(G)의 컬러 필터층(42)과, 상기 컬러 필터층(42) 상에 형성되는 평탄화 층(44)과, 상기 평탄화 층(44) 상에 상기 적색(R), 청색(B), 녹색(G) 컬러 필터와 대응되도록 형성된 마이크로 렌즈(46)를 포함한다.
수광되는 빛을 상기 이미지 센서(1)의 포토 다이오드들로 집광하여 상기 이미지 센서(1)의 광 감도를 높이기 위한 노력이 진행되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광 감도를 높일 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 상에 순차적으로 적층된 다수의 포토 다이오드들, 금속 배선, 및 층간 절연막을 포함하는 이미지 센서에 있어서 상기 층간 절연막을 화학적 기계적 평탄화 공정을 수행하여 상기 다수의 포토 다이오들 각각에 대응하는 홈들을 형성하는 단계, 상기 홈들이 형성된 층간 절연막 상에 산화물을 증착한 후 플래너 타입의 포토 레지스트를 코팅하는 단계, 상기 플래너 타입의 포토 레지스트 및 산화물을 식각하는 단계, 및 상기 산화물 식각 후 상기 다수의 포토 다이오들 각각에 대응하는 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 층간 절연막 내부에 굴절률이 큰 옥사이드 내부 렌즈를 형성하여, 수광된 빛을 포토 다이오드로 포커싱하여 이미지 센서의 감도를 향상시킴은 물론 평탄화층으로의 역할도 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.
먼저 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10) 상에 다수의 포토 다이오드 들(15), 및 다층 구조의 금속 배선(예컨대, 35, 45, 및 54) 및 층간 절연막(Inter Metal Dielectrics, IMD; 20, 30, 40 및 50)을 순차적으로 형성한다.
그리고 최상부의 층간 절연막(50)에 대하여 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical polishing, CMP)공정을 실시한다.
상기 CMP 공정을 실시하게 되면, 다층 구조의 금속 배선(예컨대, 35, 45, 및 54)이 있는 영역과 금속 배선이 없는 영역(즉, 포토 다이오드 상부 영역) 사이의 패턴 밀도 또는 단차의 차이에 의한 디싱(dishing) 현상 때문에 둥그렇게 움푹 패인 부분인 홈들이 형성된다.
이러한 둥그렇게 움푹 패인 홈들은 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 다수의 포토 다이오들들(15) 각각의 상부에 대응하여 형성된다.
다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 디싱에 의한 홈들이 형성된 후 상기 층간 절연막(50)을 식각하여 상기 디싱에 의한 홈들을 좀더 깊게 형성한다.
예컨대, 상기 층간 절연막(50)을 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etch, RIE)에 의하여 등방성 식각하여 상기 홈들의 깊이가 100~1000 옴스트롱(angstrom)이 되도록 할 수 있다.
다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 홈들이 형성된 층간 절연막(50) 상에 산화물(Oxide, 60)을 증착한다. 상기 산화물(60)은 SiO와 N(질소, nitrogen)의 화합물 또는 SiO와 Cl(염소, chlorine)의 화합물일 수 있다
예컨대, 상기 산화물(60)은 SiO2일 수 있으며, SiOxNx, 또는 SiOxClx의 화학 식을 갖는 산화물일 수 있다. 여기서 x는 SiO와 N, 및 SiO와 Cl 사이의 반응비를 나타낸다. 상기 산화물(60)은 500~5000 옴스트롱의 두께를 갖도록 증착될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이 상기 산화물(60)은 상기 층간 절연막(50)에 형성된 홈들의 단차에 따라 증착된다. 따라서 증착된 상기 산화물(60)도 마찬가지로 홈들을 형성한다.
다음으로 상기 증착된 산화물(60) 위에 플래너 타입(planar type)의 포토 레지스트(photo resist, 62)를 코팅하여 상기 증착된 산화물(60)의 홈들을 평탄화시킨다. 즉 플래너 타입의 포토 레지스트(62)는 상기 증착된 산화물(60)의 홈들에만 매립되고, 상기 증착된 산화물(60)의 평탄한 부분에는 코팅되지 않는다.
상기 플래너 타입의 포토 레지스트는 플래너 타입의 BARC(Bottom AntiReflect Coating)막 또는 SOC(spin on coating) 산화막일 수 있다.
다음으로 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 플래너 타입의 포토 레지스트(62)와 상기 증착된 산화물(60)을 식각 선택비가 1:1인 식각 조건으로 식각한다. 이 때 상기 증착된 산화물(60)의 홈들에 매립되었던 플래너 타입의 포토 레지스트(62)가 모두 식각될 때까지 식각한다.
예컨대, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etch, RIE)에 의하여 상기 플래너 타입의 포토 레지스트(62)와 상기 증착된 산화물(60)을 식각 선택비가 1:1인 식각 조건으로 등방성 식각할 수 있다.
따라서 도 2e에 도시된 바와 같이 상기 등방성 식각 후 상기 층간 절연막(50)에 형성된 홈들의 내부에 상기 산화물(60')이 매립되어 평탄화된다. 이 때 상기 홈들 내부에 매립되어 형성된 상기 산화물(60')을 옥사이드 내부 렌즈(oxide inner lens)라 한다.
식각 후 잔류하는 잔류물을 에셔(asher) 또는 세정 등을 통하여 제거하는 클리닝 공정을 수행한다.
다음으로 도 2e에 도시된 바와 같이 상기 옥사이드 내부 렌즈들(60')이 형성된 층간 절연막(50) 상부에 평탄화층(70)을 형성한다. 상기 평탄화층(70) 위에 다수의 컬러 필터들을 포함하는 컬러 필터층(75)을 형성한다. 상기 다수의 컬퍼 필터들 각각은 상기 다수의 포토 다이오들(15) 각각에 대응하여 형성된다.
상기 평탄화층(70)은 상기 층간 절연막(50) 상부의 평탄화 정도에 따라 형성되지 않을 수 있다. 즉 상기 등방성 식각 후 평탄화된 상기 옥사이드 내부 렌즈(60')를 포함하는 상기 층간 절연막(50) 위에 바로 상기 컬러 필터층(70)을 형성할 수도 있다.
마지막으로 상기 컬러 필터층(70) 위에 마이크로 렌즈들(80)을 형성한다. 상기 마이크로 렌즈들(80) 각각은 상기 컬러 필터들 각각에 대응하여 형성된다.
외부로부터 수광되는 빛은 상기 마이크로 렌즈(80)를 통하여 집광되고, 집광된 빛은 컬러 필터층(75)를 통하여 포토 다이오드(15)로 포커싱(focusing)된다.
상기 옥사이드 내부 렌즈(60')는 상기 층간 절연막(50)보다 굴절율이 큰 물질인 SiO2, SiOxNx, 또는 SiOxClx의 화학식을 갖는 산화물로 형성되므로, 상기 마이크로 렌즈(80)를 통하여 집광되는 빛을 이에 대응하는 포토 다이오드(15)로 더 포 커싱하여 이미지 센서의 감도를 높일 수 있다.
또한 상기 평탄화층없이 상기 컬러 필터층(75) 및 상기 마이크로 렌즈들(80)을 상기 옥사이드 내부 렌즈(60') 상에 형성하는 경우에는 마이크로 렌즈(80)와 포토 다이오드(15) 사이의 거리가 짧아지므로 집광되는 빛의 손실을 줄일 수 있어 이미지 센서의 감도를 높일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 반도체 기판 15: 포토 다이오드
20, 40, 50: 층간 절연막 35, 45, 54: 다층 금속 배선
60: 산화물 62: 플래너 타입의 포토 레지스트
60': 옥사이드 내부 렌즈 70: 평탄화층
75: 컬러 필터층 80: 마이크로 렌즈
Claims (5)
- 반도체 기판 상에 순차적으로 적층된 다수의 포토 다이오드들, 금속 배선, 및 층간 절연막을 포함하는 이미지 센서에 있어서,상기 층간 절연막을 화학적 기계적 평탄화 공정을 수행하여 금속 배선이 있는 영역과 금속 배선이 없는 영역 사이의 패턴 밀도 또는 단차의 차이에 의한 디싱 (dishing)을 이용하여 상기 다수의 포토 다이오드들 각각에 대응하는 홈들을 형성하는 단계;상기 홈들이 형성된 층간 절연막 상에 산화물을 증착한 후 플래너 타입의 포토 레지스트를 코팅하는 단계;상기 플래너 타입의 포토 레지스트가 제거될 때까지 상기 플래너 타입의 포토 레지스트 및 산화물을 식각하는 단계; 및상기 산화물 식각 후 상기 다수의 포토 다이오들 각각에 대응하는 컬러 필터층 및 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서 제조 방법은,상기 홈들을 형성하는 단계 이후에 상기 층간 절연막을 더 식각하여 상기 디싱에 의한 홈들을 더 깊게 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 산화물은 SiO와 N의 화합물 또는 SiO와 Cl의 화합물이고, 500 옴스트롱 내지 5000 옴스트롱의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플래너 타입의 포토 레지스트 및 산화물을 식각하는 단계는,상기 플래너 타입의 포토 레지스트와 상기 산화물 사이의 식각 선택비가 1:1인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 층간 절연막을 식각하는 단계는,상기 디싱에 의한 홈들의 깊이가 100 옴스트롱 내지 1000 옴스트롱이 되도록 상기 층간 절연막을 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |