KR101005698B1 - 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 산화막을 사용하는 마이크로렌즈의 박리 현상을 방지할 수 있는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위하여, 본 발명은, 반도체 기판에 형성된 적어도 하나이상의 광감지 소자와, 기판 상부에 순차적으로 형성된 층간 절연막 및 보호막과, 보호막 상부에 순차적으로 형성된 칼라 필터층 및 평탄화막과, 평탄화막 상부에 형성된 캡핑막과, 캡핑막 상부에 형성되며 산화막으로 이루어진 마이크로렌즈를 포함하여 구성함으로써, 후속 습식 공정에 사용되는 케미컬 등의 용액이 마이크로렌즈의 핀홀을 통해 하부로 흐르더라도 단단한 폴리머 형태의 캡핑막에서 용액이 하부 평탄화막으로 흐르는 것을 차단하기 때문에 평탄화막의 용해를 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지를 촬영하는 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스(CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor) 반도체 구조를 가진 이미지 센서에서 산화막 마이크로렌즈의 박리 현상을 미연에 방지하는데 적합한 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 이미지 센서는 광학 이미지(optical image)를 촬영하여 이를 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 수광 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 회로 부분으로 구성된다. 이러한 이미지 센서 중에서도 씨모스(CMOS) 이미지 센서는 저소비 전력형의 CCD(Charge Coupled Device) 소자에 비해 낮은 전력의 주변 회로와 일체화할 수 있는 특징을 갖고 있어 웹 카메라, 디지털 카메라, 카메라 폰 등에 널리 사용되고 있다.
현재, 씨모스 이미지 센서 기술들 중에서 노이즈 없는 이미지 신호를 획득하기 위하여 마이크로렌즈의 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 빛을 수광하여 이를 광감지 소자인 포토다이오드로 보내주는 역할을 하는 마이크로렌즈는 폴리머(polymer) 등의 유기 물질을 사용하고 있으나, 폴리머로 제작된 마이크로렌즈의 경우 후속 공정의 패키징 작업 중 절단(sawing) 공정시 발생하는 파티클에 의해 렌즈 오염을 발생시킨다.
한편, 씨모스 이미지 센서에서는 집광 효율을 높이기 위해 마이크로렌즈 사이의 갭(gap) 크기가 중요한 역할을 한다. 그러나, 렌즈 사이의 갭을 통해 들어오는 빛은 간섭 현상을 유발하기 때문에 포토다이오드까지 정확하게 포커싱되지 않는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 폴리머 대신에 산화막으로 마이크로렌즈를 제작하여 렌즈 사이의 갭(gap)을 제로(zero)화하는 기술이 연구, 개발되고 있다.
종래 대한민국 특허등록 제 731123호의 "씨모스 이미지센서의 제조 방법"에서는 다음과 같이 산화막을 이용하여 렌즈 갭을 제로화하는 마이크로렌즈 제작 기술을 공개하고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 수직 단면도로서, 이를 참조하여 산화막을 이용한 마이크로렌즈 제조 공정의 일실시 예에 대해 설명한다.
먼저, 반도체 기판(30)에 적어도 하나 이상 형성되며 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 광감지 소자로서 포토다이오드(31)들을 형성하고, 반도체 기판(30) 전면에 층간 절연막(32)을 형성한다. 여기에서, 층간 절연막(32)은 다층으로 형성될 수 있는데, 비록 도시는 생략하였으나, 하나의 층간 절연막을 형성하고 포토다이오드(31) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광막 패턴을 형성한 후에 다시 층간 절연막을 추가 형성할 수 있다.
다음에, 층간 절연막(32)의 상부에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성하고, 그 위에 칼라 레지스트를 사용한 사진 공정을 진행하여 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 각 파장 대역별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)들을 형성한다.
이어서, 칼라 필터층(34)의 상부에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위해 평탄화된 평탄화막(35)을 형성한다.
그 다음, 평탄화막(35)의 상부에 PE-TEOS(Plasma enhanced -tetraethoxysilane) 등의 산화막을 형성하고, 산화막 상부에 포토레지스트막을 도포하며, 포토레지스트 상부에 소정의 패턴이 형성된 포토 마스크를 정렬한 후, 노광 장비를 이용하여 레지스트를 노광 및 현상함으로써 레지스트 패턴을 형성한다.
그리고 레지스트 패턴을 마스크로 하는 건식 식각 공정 등을 통해 산화막의 소정두께를 패터닝한다. 이후, 낮아진 레지스트 패턴을 마스크로 하여 계속 식각 공정을 진행하면, 레지스트 패턴이 모두 제거되면서 동시에 패터닝된 산화막의 모서리 부분이 라운딩되어 산화막으로 이루어진 반구형의 마이크로렌즈(36)가 형성된다.
따라서, 산화막으로 형성된 마이크로렌즈는 폴리머 마이크로렌즈보다 후속 패키징 작업시 발생하는 파티클에 의해 오염이 덜 발생되면서 렌즈 사이의 갭을 제로화할 수 있어 센서의 집광 효율을 높일 수 있다.
전술한 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 방법은, 산화막 자체 갖는 다공성(porous) 특성으로 인해 후속 습식 식각 등의 제조 공정에서 사용되는 케미컬 등의 용액이 다공성 산화막으로 침투하기가 용이하다는 단점을 가지고 있었다.
도 2는 산화막 마이크로렌즈의 핀홀을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 200℃ 이하의 저온에서 증착되는 산화막은 막질이 치밀(dense)하지 않고 막 내부에 핀홀(pin hole)(10)이 많이 존재하게 된다.
도 3a 및 도 3b는 종래 기술에서 산화막을 통해 침투한 용액에 의해 발생하는 마이크로렌즈의 박리 현상을 나타낸 도면들이다.
도 3a 및 도 3b와 같이, 후속 습식 공정시 사용되는 케미컬 등의 용액이 마이크로렌즈인 산화막 내부의 핀홀로 침투할 경우 산화막 내부의 케미컬 용액이 하부의 평탄화막까지 흘러 평탄화막을 용해시키고, 결국, 렌즈 계면에서 평탄화막과의 접착력을 약화시킴으로써, 참조부호 A로 표시한 바와 같이, 기판으로부터 마이크로렌즈가 박리되는 문제점이 야기되는 것을 분명하게 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 평탄화막과 산화막 마이크로렌즈 사이에 플라즈마 가스를 이용하여 형성한 캡핑막을 추가함으로써 산화막을 통해 침투한 케미컬 등의 용액이 하부의 평탄화막으로 흘러 발생하는 마이크로렌즈의 박리 현상을 방지할 수 있는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 평탄화막을 형성하고 플라즈마 가스를 이용하여 캡핑막을 형성한 후에 산화막 마이크로렌즈를 형성함으로써 산화막의 핀홀을 통해 침투한 케미컬 용액이 평탄화막으로 흐르는 것을 캡핑막에서 차단함으로써, 산화막 마이크로렌즈와 하부 평탄화막의 접착을 향상시킬 수 있는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 일 관점에 따라, 씨모스(CMOS) 이미지 센서로서, 반도체 기판에 형성된 적어도 하나이상의 광감지 소자와, 상기 광감지 소자가 형성된 상기 반도체 기판 상부에 순차적으로 형성된 층간 절연막 및 보호막과, 상기 보호막 상부에 순차적으로 형성된 칼라 필터층 및 평탄화막과, 상기 평탄화막 상부에 폴리머로 형성된 캡핑막과, 상기 캡핑막 상부에 산화막으로 형성되는 반구형의 마이크로렌즈를 포함하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
본 발명은, 다른 관점에 따라, 씨모스(CMOS) 이미지 센서를 제조하는 방법으로서, 반도체 기판에 적어도 하나이상의 광감지 소자를 형성하며 그 위에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막 상부에 보호막, 칼라 필터층 및 평탄화막을 순차적으로 형성하는 단계와, 플라즈마 처리 공정을 통해 상기 평탄화막 상부에 폴리머로 이루어진 캡핑막을 형성하는 단계와, 상기 캡핑막 상부에 산화막의 반구형의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 산화막 마이크로렌즈와 평탄화막 사이에 플라즈마 처리 공정에 의해 형성한 캡핑막을 추가함으로써 후속 습식 공정에 사용되는 케미컬 등의 용액이 마이크로렌즈의 핀홀을 통해 하부로 흐르더라도 단단한 폴리머 형태의 캡핑막에서 용액이 하부 평탄화막으로 흐르는 것을 차단할 수 있다.
또한, 본 발명은 산화막 마이크로렌즈에 침투된 케미컬에 의해 하부 평탄화막이 용해되어 산화막 마이크로렌즈와 하부 평탄화막의 접착이 약해지는 것을 방지할 수 있어 마이크로렌즈의 박리 현상을 미연에 차단할 수 있다.
본 발명의 기술요지는, 반도체 기판에 형성된 적어도 하나이상의 광감지 소자와, 기판 상부에 순차적으로 형성된 층간 절연막 및 보호막과, 보호막 상부에 순차적으로 형성된 칼라 필터층 및 평탄화막과, 평탄화막 상부에 플라즈마 처리 공정에 의해 형성된 캡핑막과, 캡핑막 상부에 형성되며 산화막으로 이루어진 마이크로렌즈를 포함하는 것으로, 본 발명은 이러한 기술적 수단을 통해 캡핑막에 의해 산화막의 핀홀을 통해 흐르는 케미컬 등의 용액이 하부 평탄화막으로 흐르는 것을 차단하여 마이크로렌즈가 평탄화막으로부터 분리되는 박리 현상을 개선할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서를 나타낸 수직 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 실리콘(Si) 등의 반도체 기판(100)에 형성된 적어도 하나이상의 광감지 소자로서 포토다이오드(102)들과, 트랜지스터(도시 생략)를 포함한다. 이러한 기판 상부 전면에 하나의 단층 혹은 하나 이상의 다층 구조로 이루어진 층간 절연막(104)이 형성되며, 비록 도면에서의 도시는 생략하였으나, 층간 절연막(104)을 다층 구조로 할 경우 절연막들 사이에 포토다이오드(102) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광막 패턴을 추가 형성할 수도 있다.
또한, 층간 절연막(104)의 상부 전면에는 수분 또는 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화 보호막(106)이 형성되어 있으며, 평탄화 보호막(106)의 상부 전면에는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 각 파장 대역별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(108)들이 형성되어 있고, 이러한 칼라 필터층(108)의 상부 전면에는 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위해 평탄화된 평탄화막(110)이 형성되어 있다.
다음에, 평탄화막(110)의 상부 전면에는 산화막인 마이크로렌즈의 핀홀을 통해 침투된 케미컬 등의 용액이 하부 평탄화막(110)으로 흐르는 것을 차단하기 위한 캡핑막(112)이 형성되어 있으며, 이러한 캡핑막(112)은 탄소(C) 함유 가스를 이용한 플라즈마 처리 공정에 의해 발생된 폴리머로 이루어지고, 그 두께는, 예컨대 500Å∼1000Å 범위로 형성할 수 있다.
그리고, 캡핑막(112)의 상부 전면에는 PE-TEOS 등의 산화막으로 이루어진 반구형의 마이크로렌즈(114)가 형성되어 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서에서는 산화막인 마이크로렌즈(114)와 평탄화막(110) 사이에 캡핑막(112)이 형성되는 것으로 하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 마이크로렌즈(114) 하부 또는 평탄화막(110) 상부에 형성되고 이들 막 사이에 부가적인 막이 추가 형성될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는, 산화막을 사용하는 마이크로렌즈(114)와 평탄화막(110) 사이에 캡핑막(112)을 추가함으로써 습식 식각 공정에 사용되는 케미컬 등의 용액이 평탄화막(110)까지 흐르는 것을 캡핑막(112)에서 효과적으로 차단한다. 즉, 본 발명은 캡핑막(112)을 통해 마이크로렌즈(114)인 산화막의 핀홀에 침투된 케미컬 등의 용액이 평탄화막(110)까지 흐르는 것을 차단하기 때문에 평탄화막(110)이 케미컬에 의해 용해되면서 렌즈(114)와 평탄화막(110) 사이의 접착력이 떨어져 마이크로렌즈(114)가 평탄화막(110)으로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다.
다음은 상술한 바와 같은 구성을 갖는 씨모스 이미지 센서를 본 발명의 일실시 예에 따라 제조하는 일련의 공정에 대하여 설명한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타낸 공정 순서도이다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 실리콘(Si) 등의 반도체 기판(100)에 적어 도 하나 이상의 광감지 소자로서 포토다이오드(102)들과 트랜지스터(도시 생략)를 형성한다.
다음에, 포토다이오드(102)와 트랜지스터가 있는 반도체 기판(100)의 상부 전면에 하나의 단층 혹은 하나 이상의 다층 구조로 된 층간 절연막(104)을 형성하는데, 비록 도면에서의 도시는 생략하였으나, 층간 절연막을 다층 구조로 할 경우 층간 절연막들 사이에 포토다이오드(102) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위하여 차광막 패턴을 추가 형성할 수도 있다.
그리고, 층간 절연막(104)의 상부 전면에 수분 또는 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화 보호막(106)을 형성한다.
다시, 평탄화 보호막(106)의 상부 전면에 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 각 파장 대역별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(108)들을 형성하는데, 여기에서 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 칼라 필터층(108)은, 예컨대 약 1㎛ ~ 5㎛의 두께를 갖도록 각 레지스트 물질을 도포하고, 별도의 포토 마스크를 사용한 사진 및 식각 공정으로 패터닝하는 방식으로 형성할 수 있다.
이어서, 칼라 필터층(108)의 상부 전면에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위해 평탄화된 평탄화막(110)을 형성하는데, 이러한 평탄화막(110)은 실리콘 질화막(SiN) 등의 물질을 화학기상증착(CVD) 등의 공정으로 증착하여 형성하며, 그 두께는 광학적 투과를 고려할 때 1000Å ~ 6000Å의 범위 정도로 형성한다.
다음에, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 평탄화막(110)의 상부 전면에 캡핑막을 형성하기 위하여 플라즈마 처리 공정을 진행한다.
이러한 플라즈마 처리 공정에 의해 산화막인 마이크로렌즈(114)의 핀홀을 통해 침투된 케미컬 등의 용액이 하부 평탄화막(110)으로 흐르는 것을 차단하기 위한 캡핑막(112)이 형성되는데, 이러한 캡핑막(112)은, 예컨대 500Å∼1000Å의 두께 범위로 형성할 수 있다.
그리고, 캡핑막(112)의 형성하기 위한 플라즈마 처리 공정은, 예컨대 CH2F2, CF4, CH4, C5F8 가스들 중에서 어느 하나와 Ar 가스 및 N2 가스를 사용할 수 있으며, 이때, CH2F2, CF4, CH4, C5F8 등의 탄소(C) 함유 가스 10sccm∼20sccm, Ar 가스 500sccm∼1000sccm, N2 가스 15sccm∼25sccm를 챔버 내에 공급하는 조건으로 진행할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 공정은, 공정이 진행되는 챔버의 상부 전원을 1500W∼2000W, 하부 전원을 1200W∼1700W, 압력을 20mTorr∼30mTorr, 시간을 25초∼50초로 하는 조건으로 진행될 수 있다.
이러한 플라즈마 처리 공정을 통해 평탄화막(110)의 상부면에 탄소 함유 부산물(by product)인 폴리머가 생성된다.
그리고 나서 도 5d에 도시된 바와 같이, 캡핑막(112)의 상부 전면에 PE-TEOS 등의 산화막으로 이루어진 반구형의 마이크로렌즈(114)를 형성한다.
예컨대, 캡핑막(112)의 상부면에 PE-TEOS 등의 산화막을 증착하고, 그 위에 포토레지스트를 도포하며, 포토레지스트막 상부에 소정의 패턴이 형성된 포토 마스크를 정렬한 후, 노광 장비를 이용하여 레지스트를 노광 및 현상 공정을 실시함으 로써 레지스트 패턴을 형성한다.
그리고, 레지스트 패턴을 마스크로 하는 건식 식각 공정 등을 통해 산화막의 소정두께를 패터닝하고, 레지스트 패턴을 마스크로 삼아 계속 식각 공정을 진행하여 레지스트 패턴을 모두 제거하면서 동시에 패터닝된 산화막의 모서리 부분을 라운딩하게 식각함으로써, 반구형의 마이크로렌즈(114)를 형성한다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 씨모스 이미지 센서의 캡핑막 계면 상태를 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 산화막인 마이크로렌즈(114)와 평탄화막(110) 사이에 플라즈마 처리 공정에 의해 형성되는 캡핑막(112)이 추가되는데, 이러한 캡핑막(112)이 후속 습식 식각 공정에 의해 산화막의 핀홀에 침투된 케미컬 등의 용액이 평탄화막(110)까지 흐르는 것을 차단하기 때문에 평탄화막(110)을 케미컬 용액으로부터 보호할 수 있게 된다.
이에 따라, 캡핑막(112)에 의해 평탄화막(110)이 케미컬 용액에 의해 용해되지 않고 그대로 존재되기 때문에 마이크로렌즈(114)와 평탄화막(110) 계면 사이가 균일한 상태로 접착된다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 수직 단면도,
도 2는 산화막 마이크로렌즈의 핀홀을 나타낸 도면,
도 3a 및 도 3b는 종래 기술에서 산화막을 통해 침투한 용액에 의해 발생하는 마이크로렌즈의 박리 현상을 나타낸 도면들,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서를 나타낸 수직 단면도,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타낸 공정 순서도,
도 6은 본 발명에 따라 제조된 씨모스 이미지 센서의 캡핑막 계면 상태를 나타낸 도면.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 반도체 기판 102 : 포토다이오드
104 : 층간 절연막 106 : 보호막
108 : 칼라 필터층 110 : 평탄화막
112 : 캡핑막 114 : 마이크로렌즈
Claims (9)
- 씨모스(CMOS) 이미지 센서로서,반도체 기판에 형성된 적어도 하나이상의 광감지 소자와,상기 광감지 소자가 형성된 상기 반도체 기판 상부에 순차적으로 형성된 층간 절연막 및 보호막과,상기 보호막 상부에 순차적으로 형성된 칼라 필터층 및 평탄화막과,상기 평탄화막 상부에 폴리머로 형성된 캡핑막과,상기 캡핑막 상부에 산화막으로 형성되는 반구형의 마이크로렌즈를 포함하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 캡핑막은, 500Å∼1000Å 두께 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서.
- 씨모스(CMOS) 이미지 센서를 제조하는 방법으로서,반도체 기판에 적어도 하나이상의 광감지 소자를 형성하며 그 위에 층간 절연막을 형성하는 단계와,상기 층간 절연막 상부에 보호막, 칼라 필터층 및 평탄화막을 순차적으로 형성하는 단계와,플라즈마 처리 공정을 통해 상기 평탄화막 상부에 폴리머로 이루어진 캡핑막을 형성하는 단계와,상기 캡핑막 상부에 산화막의 반구형의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 캡핑막은, 500Å∼1000Å 두께 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서,상기 플라즈마 처리 공정은, CH2F2, CF4, CH4, C5F8 가스들 중에서 어느 하나와 Ar 가스 및 N2 가스를 사용하는 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 플라즈마 처리 공정은, CH2F2, CF4, CH4, C5F8 가스 10sccm∼20sccm, Ar 가스 500sccm∼1000sccm, N2 가스 15sccm∼25sccm를 사용하는 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 플라즈마 처리 공정은,챔버의 상부 전원 1500W∼2000W, 하부 전원 1200W∼1700W, 압력 20mTorr∼30mTorr의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 캡핑막을 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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