KR100945866B1 - 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 상부 금속 배선을 형성한 후, SO4 2 - 성분을 포함하는 케미컬(chemical)을 이용한 세정 공정을 수행하고, 이 후 후면 연마 공정을 수행한 후에 IPA를 이용한 세정 공정을 수행하는 종래 방법과는 달리, 포토 다이오드를 포함하는 하부 이미지 센서 관련 소자가 형성된 반도체 기판 상에 상부 금속 배선을 형성한 후에 플루오린계 케미컬을 이용한 세정 공정을 수행하고, 칼라 필터 및 마이크로 렌즈를 포함하는 상부 이미지 센서 관련 소자가 형성된 상부에 대한 패드 오픈 및 테이핑 공정을 수행하며, 테이프를 제거한 후 IPA를 이용한 세정 공정을 수행함으로써, 스몰 핏 발생으로 인한 패드 부식 현상을 방지할 수 있는 것이다.
씨모스 이미지 센서(CIS : CMOS Image Sensor), 후면 연마 공정
Description
본 발명은 이미지 센서(Image Sensor)의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서(CIS : CMOS Image Sensor)의 제조 과정에서 웨이퍼 후면 연마 공정 후에 반도체 기판을 세정하는데 적합한 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하 결합 소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되어 이송되는 소자이며, 씨모스 이미지 센서(CIS : CMOS Image Sensor)는 제어 회로(control circuit) 및 신호 처리 회로(signal processing circuit)를 주변 회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀(pixel) 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식의 소자이다.
특히, 씨모스 이미지 센서는 외부의 빛 입자를 광 다이오드(photo diode)가 받아들이는 감도(sensitivity)에 특성이 좌우되는데, 이러한 감도는 마이크로 렌 즈(microlens)와 광 다이오드 사이의 거리 및 막질 특성에 기인한다.
이러한 씨모스 이미지 센서의 제조 과정에 대해 설명하면, 반도체 기판 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드산화막을 형성하고, 이온주입 마스크를 이용하여 p형 웰과 n형 웰을 형성한 후에, 게이트 전극을 기판 상의 소정영역에 패터닝하여 형성하며, 포토다이오드를 포함하여 구성된 단위화소를 수광 영역에 형성하고, LDD 영역을 구비한 트랜지스터의 소스/드레인에 해당하는 n형 이온주입 영역 및 p형 이온주입 영역을 형성한다.
그리고, 게이트 전극을 포함하는 기판 상에 층간절연막을 형성하고, 층간절연막 상에 제 1 금속배선을 패터닝한 후에, 제 2 금속 배선과 제 3 금속배선 및 제 1 층간 절연막과 제 2 층간 절연막을 순차 형성하는 방식으로 제 3 금속배선까지 형성한 이후에, 소자를 습기나 스크래치로부터 보호하기 위해 보호막을 상부 전면에 형성한다. 여기에서, 보호막으로 사용하고 있는 물질로 TR(Thermal Resin) 또는 얇은 TEOS 등과 같은 산화막(즉, PE-TEOS 등)을 사용하며, 이는 칼라 공정 진행 시 패드 핏(pit) 또는 패드 부식(corrosion)을 방지하기 위해서 사용된다.
또한, 보호막 상에 칼라필터 형성용 물질을 도포하고 이를 적절한 마스크를 이용하여 패턴닝하여 수광영역의 단위화소에 대응되는 영역에 칼라필터를 형성하고, 칼라필터로 인한 단차를 보상하기 위해 평탄화막을 형성하고, 평탄화막 상에 마이크로렌즈를 형성하며, 마이크로렌즈를 보호하기 위한 마이크로렌즈 보호막을 상부 전면에 증착한다.
다음에, 패드오픈용 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이에 따라 마이크로렌즈 보호막과 보호막을 차례로 식각하여 패드를 노출시키며, 패드오픈용 포토레지스트 패턴을 제거한 이후에 상부 전면에 테이프을 접착하는 테이핑 공정을 수행하고, 이미지센서의 웨이퍼 후면 연마 공정을 수행하는데, 이러한 후면 연마 공정은, 이미지센서 칩의 후면을 적정두께로 연마하여 외부 모듈과 광학렌즈와의 간격을 맞추기 위해 수행되는 공정이다.
이어서, 웨이퍼의 후면 연마 공정이 완료되면, 접착된 테이프를 제거한 후에, 세정(cleaning) 공정을 수행하여 씨모스 이미지 센서를 제조한다.
하지만, 종래에 씨모스 이미지 센서의 제조 과정에서 상부 금속 배선을 형성한 후, 그에 따라 발생하는 폴리머를 제거하기 위해 SO4 2- 성분을 포함하는 케미컬(chemical)을 이용한 세정 공정을 수행하여 패드에 스몰 핏(small pit)이 발생하게 되고, 이 후 후면 연마 공정을 수행한 후에 IPA(IsoPropyl Alcohol)를 이용한 세정 공정에서 도 1에 도시한 바와 같이 패드 라지 부식(PAD large corrosion) 형태로 적출되는 문제점이 있었다.
또한, IPA를 이용한 세정 공정은 IPA를 이용한 세정과, DI 워터를 이용한 세정과, IPA를 이용한 건조를 수행하게 되는데, 패드에 스몰 핏이 발생한 경우 DI 워터를 이용한 세정 시 수용액 내에서 알루미늄(Al)과 구리(Cu)의 전위차에 의한 갈바닉 부식(Galvanic Corrosion)이 확대되고 고온의 IPA 건조를 수행할 경우 이는 더욱 확대되어 패드 라지 부식 현상이 발생하여 도 2에 도시한 바와 같이 구리 시드(Cu seed)와 알루미늄(Al)이 적출되는 문제점이 있었다.
이에 따라, 본 발명은 씨모스 이미지 센서의 후면 연마 공정을 수행한 후에, 플루오르계의 케미컬을 사용하여 세정 공정을 수행함으로써, 스몰 핏을 발생을 방지하며, 패드 갈바닉 부식 현상을 방지할 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은, 포토 다이오드를 포함하는 하부 이미지 관련 소자가 형성된 반도체 기판 상에 상부 금속 배선을 형성하는 단계; 상기 상부 금속 배선의 형성 후에 플루오린계 케미컬을 이용하여 세정 공정을 수행하는 단계; 상기 상부 금속 배선의 상부에 보호막을 형성한 후, 상기 형성된 보호막 상부의 단위 화소에 대응되는 영역에 칼라 필터와 마이크로 렌즈를 포함하는 상부 이미지 관련 소자를 형성하는 단계; 상기 상부 금속 배선의 일부를 오픈시키는 패드 오픈 공정을 수행하는 단계; 상기 패드 오픈 공정 후 전체 구조물 상부에 테이핑 공정을 수행하고, 상기 반도체 기판의 후면 연마 공정을 수행하는 단계 및 상기 테이핑 공정에 사용된 테이프를 제거한 후 IPA(IsoPropyl Alcohol)를 이용한 세정 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 상부 금속 배선을 형성한 후, SO4 2 - 성분을 포함하는 케미컬(chemical)을 이용한 세정 공정을 수행하고, 이 후 후면 연마 공정을 수행한 후에 IPA를 이용한 세정 공정을 수행하는 종래 방법과는 달리, 플루오린계 케미컬을 이용하여 상부 금속 배선 형성 후 발생하는 폴리머를 제거하는 세정 공정을 수행하고, 이후 후면 연마 공정을 수행하고, IPA를 이용한 세정 공정을 수행함으로써, 패드에 발생하는 스몰 핏 현상을 방지하여 패드 부식 현상을 미연에 방지할 수 있어 이미지 센서 소자의 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술요지는, 포토 다이오드를 포함하는 하부 이미지 센서 관련 소 자가 형성된 반도체 기판 상에 상부 금속 배선을 형성한 후에 플루오린계 케미컬을 이용한 세정 공정을 수행하고, 칼라 필터 및 마이크로 렌즈를 포함하는 상부 이미지 센서 관련 소자가 형성된 상부에 대한 패드 오픈 및 테이핑 공정을 수행하며, 테이프를 제거한 후 IPA를 이용한 세정 공정을 수행한다는 것이며, 이러한 기술적 수단을 통해 종래 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따라 씨모스 이미지 소자를 제조하는 과정을 나타내는 공정 순서도로서, 이들 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저, 반도체 기판(10) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드산화막(Fox, 11)을 형성하고, 소정의 이온주입 마스크를 이용하여 p형 웰(P-well, 12)과 n형 웰(N-well, 13)을 형성하며, 게이트 전극(14)을 기판 상의 소정영역에 패터닝하여 형성한다. 이 때, 게이트 전극(14) 측면에는 게이트 스페이서(15)가 형성될 수 있다.
그리고, 포토 다이오드(Photo Diode)를 포함하여 구성된 단위 화소(16)를 수광 영역에 형성하며, LDD 영역을 구비한 트랜지스터의 소스/드레인에 해당하는 n형 이온주입 영역(17) 및 p형 이온주입 영역(18)을 형성한 후에, 게이트 전극(14)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 화학적 기상 증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition) 등을 이용하여 제 1 층간 절연막(19)을 형성하고, 제 1 층간 절연막 상에 제 1 금속배선(20)을 패터닝한다.
이어서, 제 2 층간 절연막(21), 제 2 금속 배선(22), 제 3 층간 절연막(23) 및 제 3 금속배선(24)을 순차 형성한 후에, 소자를 습기나 스크래치로부터 보호하기 위해 보호막(25)을 상부 전면에 형성한다. 여기에서, 상부 금속 배선인 제 3 금속 배선(24)을 형성한 후에, 플루오린계 케미컬(F)을 포함하는 예를 들면, C30-T02 케미컬을 이용한 세정 공정을 통해 폴리머(polymer)를 제거할 수 있으며, 본 발명의 일 실시 예에서는 3개의 금속 배선을 형성하는 것으로 설명하였으나, 이는 필요에 따라 다양한 다층 금속 배선 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
다음에 보호막(25) 상에 칼라 필터 형성용 물질을 도포하고 이를 소정의 마스크를 이용한 포토리소그리피 공정과 식각 공정을 통해 수광영역의 단위화소에 대응되는 영역에 칼라필터(26)를 형성한다.
그리고, 칼라필터(26)로 인한 단차를 보상하기 위해 평탄화막(27)을 형성하고, 평탄화막(27) 상에 마이크로 렌즈(28)를 형성하며, 마이크로 렌즈(28)를 보호하기 위한 마이크로렌즈 보호막(29)을 전체 구조상에 증착한다.
또한, 패드를 오픈하기 위한 패드 오픈용 포토레지스트를 상부 전면에 도포하고, 패드 오픈 영역이 노출되도록 포토리소그래피 공정을 통해 패드 오픈용 포토레지스트 패턴(30)을 형성하고, 이러한 패드 오픈용 포토레지스트 패턴(30)을 이용하여 마이크로 렌즈 보호막(29)과 보호막(25)을 차례로 식각하여 도 3a에 도시한 바와 같이 패드(24)를 노출시킨다.
이어서, 패드 오픈용 포토레지스트 패턴(30)을 제거하고, 도 2b에 도시한 바와 같이 전체 구조상에 테이프(31)를 테이핑(laminating)한 후에, 이미지 센서 칩과 외부 렌즈와의 촛점거리 등을 맞추기 위해 웨이퍼 후면 연마를 수행한다. 이러한 테이프(31)는 후면 연마 공정으로부터 웨이퍼 전면의 패턴을 보호하는 역할 이외에도, 후면 연마 공정의 물리적인 힘을 흡수하여 웨이퍼 깨짐(wafer broken)을 방지하는 역할을 하기 때문에, 이러한 테이프의 사용은 후면 연마공정을 진행하는데 필수적이다. 여기에서, 웨이퍼 후면 연마 공정은, 마이크로 렌즈(28) 형성 후에 웨이퍼의 두께가 대략 750 ㎛ - 780 ㎛를 유지하게 되는데, 후면 연마로 인해 이러한 웨이퍼의 두께는 대략 280 ㎛ - 320 ㎛의 두께 범위로 가공된다.
이후에, 도 3c에 도시한 바와 같이 테이핑된 테이프(31)를 제거한 후에, IPA를 이용한 세정 공정을 수행하여 씨모스 이미지 센서를 제조한다. 여기에서, IPA를 이용한 세정 공정은, IPA 세정, DI 워터 세정 및 IPA 건조의 과정으로 수행되는데, 그 공정 조건은, IPA 세정은 대략 280 초 - 320 초의 시간 조건으로, DI 워터 세정은 대략 150 초 - 250 초의 시간 조건으로, IPA 건조는 60 ℃ - 80 ℃의 온도 조건으로 수행될 수 있다.
일 예로서, 도 4는 본 발명에 따라 IPA를 이용한 세정 공정을 조건별로 수행한 결과를 나타낸 도면으로, 상부 금속 배선 형성 시 발생하는 폴리머를 제거하는 공정을 플루오린계(F) 케미컬인 C30-T02 케미컬을 사용한 세정을 수행하였으며, DI 워터를 이용한 세정 시간에 따른 패드 갈바닉 부식에 대한 마진 테스트를 실시한 결과, IPA 건조만을 수행하는 경우와 대략 160 초의 DI 워터를 이용한 세정 공정을 수행할 경우 스몰 핏(small pit)이 발생하지 않았으며, 대략 260 초의 DI 워터를 이용한 세정 공정과 IPA 건조를 수행하면서부터 DI 워터를 이용한 세정 공정을 대략 1640 초동안 수행할 경우 스몰 핏이 발생하기 시작하여 라지 핏(large pit)이 발생함을 알 수 있다.
따라서, 이미지 센서의 제조 과정에서 포토 다이오드를 포함하는 하부 이미지 센서 관련 소자가 형성된 반도체 기판 상에 상부 금속 배선을 형성한 후에 플루오린계 케미컬을 이용한 세정 공정을 수행하고, 칼라 필터 및 마이크로 렌즈를 포함하는 상부 이미지 센서 관련 소자가 형성된 상부에 대한 패드 오픈 및 테이핑 공정을 수행하며, 테이프를 제거한 후 IPA를 이용한 세정 공정을 수행하여 스몰 핏 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 종래에 따라 이미지 센서의 제조 과정에서 스몰 핏 발생 후 패드 갈바닉 부식 현상이 나타나는 것을 예시한 도면,
도 2는 종래에 따라 패드 부식 결함에 대한 AES 분석 결과를 나타낸 도면,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따라 씨모스 이미지 소자를 제조하는 과정을 나타내는 공정 순서도,
도 4는 본 발명에 따라 IPA를 이용한 세정 공정을 조건별로 수행한 결과를 나타낸 도면.
Claims (6)
- 포토 다이오드를 포함하는 하부 이미지 관련 소자가 형성된 반도체 기판 상에 상부 금속 배선을 형성하는 단계;상기 상부 금속 배선의 형성 후에 플루오린계 케미컬을 이용하여 세정 공정을 수행하는 단계;상기 상부 금속 배선의 상부에 보호막을 형성한 후, 상기 형성된 보호막 상부의 단위 화소에 대응되는 영역에 칼라 필터와 마이크로 렌즈를 포함하는 상부 이미지 관련 소자를 형성하는 단계;상기 상부 금속 배선의 일부를 오픈시키는 패드 오픈 공정을 수행하는 단계;상기 패드 오픈 공정 후 전체 구조물 상부에 테이핑 공정을 수행하고, 상기 반도체 기판의 후면 연마 공정을 수행하는 단계 및상기 테이핑 공정에 사용된 테이프를 제거한 후 IPA(IsoPropyl Alcohol)를 이용한 세정 공정을 수행하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 플루오린계 케미컬은, C30-T02 케미컬인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 IPA를 이용한 세정 공정은, IPA 세정, DI(deionized) 워터 세정 및 IPA 건조를 순차 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 IPA 세정은, 280 초 - 320 초의 시간 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 DI 워터 세정은, 150 초 - 250 초의 시간 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 IPA 건조는, 60 ℃ - 80 ℃의 온도 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법
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