KR100995826B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빛의 손실을 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드와 트랜지스터가 형성된 반도체 기판 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 층간절연막 상에 제 1 질화막을 증착하는 단계와, 상기 제 1 질화막 상에 다수의 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 다수의 금속배선을 포함한 상기 제 1 질화막 전면에 제 2 질화막을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 영역 상에 제 2 질화막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 제 2 질화막을 포함한 상기 반도체 기판 전면에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 영역 상의 제 1 및 제 2 층간절연막 내에 이온주입을 하여 GIWG층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
배리어막, 질화물, GIWG
Description
본 발명은 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 빛의 손실을 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
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 센서(Image Sensor)로 구분된다.
전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 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 수평 방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기 적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 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 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
이러한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
하지만, 종래의 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드 상부에 절연층, 보호층, 컬러필터층, 평탄화층 및 마이크로렌즈의 다층 구조이므로 일반적으로 CCD에 비해 두꺼운 금속배선층을 갖는다. 이러한 차이점으로 인해 씨모스 이미지 센서는 픽셀 피치(pixel pitch)가 작아짐에 따라 최적 형태의 마이크로렌즈를 형성하여도 포토다이오드 층에 포커스가 맺히지 않는 문제가 CCD에 비해 심각한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하고 최적의 포커스를 얻기 위해서는 픽셀의 크기가 작아질수록 금속배선층의 두께가 얇아져야 하는데 종래의 씨모스 이미지 센서는 금속 배선층의 최소 필요 두께 이하로 얇게 설계하는 것에 한계가 있으므로 픽셀의 크기를 더이상 줄일 수 없는 한계 픽셀 피치가 생기게 된다.
이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 방법 중에 하나가 이온 주입된 층간절연막의 굴절 계수가 증가함을 이용하여 층간절연막에 도 1과 같이 이온주입지역에서 멀어짐에 따라 서서히 굴절계수가 감소하는 GIWG(graded index wave guide)가 연구되고 있다. 이러한 GIWG구조는 포토다이오드(11)와 트랜지스터(미도시)가 형성된 반도체 기판(10)과, 포토다이오드(11)와 트랜지스터를 포함하는 전체구조 상에 형성된 층간절연막(12)과, 층간절연막(12) 상에 형성된 다수의 금속배선들(13,14,15)과, 포토다이오드(11) 상의 층간절연막(12)에 이온주입하여 형성된 GIWG층(17)과, 도면에는 도시하지 않았지만, 최종 층간절연막(12) 상부에 차례대로 형성된 보호막, 컬러필터층 및 오버코팅층과, 오버코팅층 상에 형성된 마이크로렌즈(18)을 포함하여 구성된다.
하지만, 이러한 GIWG는 층간절연막에 이온을 주입하는 경우이므로 주입된 이온이 금속배선까지 확산될 경우 소자의 전기적 특성을 열화시킬 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 빛의 손실을 최소화할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드와 트랜지스터가 형성된 반도체 기판 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 층간절연막 상에 제 1 질화막을 증착하는 단계와, 상기 제 1 질화막 상에 다수의 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 다수의 금속배선을 포함한 상기 제 1 질화막 전면에 제 2 질화막을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 영역 상에 제 2 질화막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 제 2 질화막을 포함한 상기 반도체 기판 전면에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 영역 상의 제 1 및 제 2 층간절연막 내에 이온주입을 하여 GIWG층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 금속배선을 디퓨전 배리어(diffusion barrier) 역할을 하는 질화물질로 감싸는 구조로 형성함으로써 GIWG의 이온이 금속배선이 확산되는 것을 막을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방 법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 2f는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100) 상에 액티브 영역을 정의하기 위한 소자분리막(미도시)이 형성되어 있고, 액티브 영역의 반도체 기판(100)에는 포토다이오드(PD)(110)과 트랜지스터들(미도시)이 형성되어 있다. 이어서, 포토다이오드(110)와 트랜지스터들을 포함하는 반도체 기판(100)의 전면에 층간절연막(160)을 형성한 후, 층간절연막(160) 상에 질화막(120)을 증착한다.
이후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 질화막(120) 상에 다수의 금속배선(130)을 형성한다. 이때, 금속배선(130)은 포토다이오드(110)로 입사되는 빛을 막지 않도록 배치된다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 다수의 금속배선(130)을 포함한 반도체 기판(100) 전면에 재차 질화막(120)을 증착하여 금속배선(130)을 질화막(120)으로 감싸는 구조를 형성한다.
그리고나서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 다수의 금속배선(130)을 가리고 이외의 질화막(120) 부분을 노출시키는 포토레지스트 패턴(180)을 리소그래피 공정을 통해 형성한 후, RIE(reactive ion etching) 식각 공정을 통해 노출된 질화막(120)을 선택적으로 제거한다.
이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(180)을 제거한 후, 다수의 금속배선(130) 및 질화막(120)을 포함한 반도체 기판(100) 전면에 층간절연 막(160)을 형성한다. 여기서, 층간절연막(160)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간절연막(160)을 형성한 후에 층간절연막(160) 상에 상술한 바와 같은 질화막(120)으로 감싸는 구조로 다수의 금속배선(140,150)을 형성할 수 있다. 또한, 픽셀(pixel) 사이의 층간절연막(160) 상에 도시되어있지는 않지만 포토다이오드(110) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위해 차광층(미도시)를 형성한 후에 다시 층간절연막(160)이 형성될 수 있다.
다음으로, 도 2f에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(110)로 입사되는 빛의 경로에 배치되도록 포토다이오드(110) 상의 층간절연막(160)에 이온주입을 하여 GIWG(graded index wave guide)층(200)을 형성한다. 이때, GIWG(200)층을 형성할 때의 이온주입시 금속배선들(130,140,150)까지 확산되는 것을 금속배선들(130,140,150)을 감싸주는 질화막(120)이 막아준다.
이후, 도시되지는 않았지만 층간절연막(160) 상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막이 형성되고, 보호막 상에 가염성 레지스트를 사용한 포토리소그래피 공정으로 컬러 이미지 구현을 위해 컬러필터층이 형성되고, 컬러필터층 상에 오버코트층을 형성하고, 오버코트층 상에는 포토레지스트 형태의 유기 물질로 패턴을 형성하고 열을 가해 리플로우(reflow)시킴으로써 곡면 형태의 마이크로렌즈(micro-lens)(220)가 형성된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 2f는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 반도체기판 110: 포토다이오드
120: 질화막 130, 140, 150: 금속배선
160: 층간절연막 180: 포토레지스트 패턴
200: GIWG 220: 마이크로렌즈
Claims (4)
- 포토다이오드와 트랜지스터가 형성된 반도체 기판 전면에 제 1 층간절연막을 형성하는 단계와;상기 제 1 층간절연막 상에 제 1 질화막을 증착하는 단계와,상기 제 1 질화막 상에 다수의 금속배선을 형성하는 단계와,상기 다수의 금속배선을 포함한 상기 제 1 질화막 전면에 제 2 질화막을 형성하는 단계와,상기 포토다이오드 영역 상의 제 2 질화막을 선택적으로 제거하는 단계와,상기 제 2 질화막을 포함한 상기 반도체 기판 전면에 제 2 층간절연막을 형성하는 단계와,상기 포토다이오드 영역 상의 제 1 및 제 2 층간절연막 내에 이온주입을 하여 GIWG층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2 층간절연층 상에 보호막, 컬러필터층, 오버코트층 및 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 질화막과 제 2 질화막은 상기 다수의 금속배선을 감싸는 형태인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,GIWG층을 형성할 때, 제1 및 제2 층간 절연막 내에 주입되는 이온들은 질화막에 의하여 상기 다수의 금속 배선으로 확산되지 않는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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