KR20010004172A - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 이미지센서는 소자보호막으로서 USG(undoped silicon glass)막과 PSG(pospho silicon glass)막을 적층 사용하는 것에 그 특징이 있는 것으로서, PSG막은 질화막(Si3N4) 보다 광투과율이 좋으면서 습기나 알칼리 이온(Na+,K+)에 대해 게더링(gettering) 효과를 가지고 있어 모빌 이온을 차단하는 작용을 한다. 따라서, 광투과도 및 소자의 문턱전압 쉬프트를 방지를 동시에 만족할 수 있는 소자보호층을 제공하게 된다.
Description
본 발명은 이미지센서(Image sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 이미지센서의 소자보호막(Passivation layer) 및 그 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 광감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 "Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있으며, 그 중 하나가 칼라필터 상에 마이크로렌즈(micro lens)를 형성하는 방법이다. 그런데 이렇게, 집광기술에 의해서 광감도를 향상시키는 방법은, 이미지센서가 더욱더 고집적화되어감에 따라 광감도를 증대시키기에는 어느 정도 한계에 이르고 있다.
따라서, 광감지소자(포토다이오드) 상에 적층된 박막(절연막)들에 의해 광투과도가 저하되는 것을 방지하여 광감도를 향상시켜야 한다.
도1은 종래의 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 수광소자(포토다이오드) 상에 적층된 층들의 구조들을 보여주고 있다.
도1을 참조하면, 실리콘기판(101)에 포토다이오드와 같은 수광소자(102)가 형성되고, 그 상부에 PMD(pre-metal dielectrics)층(103)이 형성되며, 그 상부에 제1금속층(104)과 IMD(inter-metal dielectrics)층(105), 제2금속층(106) 및 제2IMD층이 차례로 형성된다. 제2IMD층 상에는 소자보호를 위한 보호막으로서 산화막(107)과 질화막(108)이 차례로 적층되며, 그 위로 칼라이미지센서의 경우에는 칼라필터어레이(CFA : color filter array)(109)가 형성된다. 그리고 그 위로 집광을 위한 마이크로렌즈(도시되지 않음)가 형성된다. 칼라필터어레이(109)의 재료로는 염색된 포토레지스트와 같은 복합다중체가 주로 이용된다. PMD층(103) 및 IMD층(105)은 통상 실리콘산화물계 박막이 적용된다.
이렇듯, 종래의 CMOS 이미지센서에서는 DLM(double level metalization) 또는 TLM(triple level metalization)을 기본으로 한 BEOL(back end of line) 공정기술을 바탕으로 제조되어 왔다. 그런데, 마이크로렌즈, 칼라필터어레이를 통과한 가시광선의 강도는 외부에서 입사되는 강도의 50%정도이며, 이 정도의 강도를 갖는 빛이 보호막, IMD층 및 PMD층을 통과하게 되는바, 이때 각 층의 굴절률, 흡광계수(extinction coefficient)나 계면에 의해 굴절, 반사, 투과 간섭이 일어나게 된다. 결국 수광소자에 입사되는 빛은 이상의 상호작용에 의해 칼라필터어레이를 통과한 빛 강도보다 상당히 감소된 강도를 가지게 된다.
따라서, 되도록 수광소자 상에 적층된 박막들을 광투과도가 뛰어난 박막으로 형성하여야 한다.
그런데, 소자보호막용 질화막(Si3N4)을 사용할 경우 광감도가 크게 떨어지는 문제가 발생하여 이를 실리콘-리치 산화막(Silicon rich oxide)으로 대체하여 사용하고 있다.
그러나 이 경우 광손실 문제는 해결할 수 있으나 실리콘 리치산화막이 Na+, K+등의 모빌 이온(mobile ion)에 의한 차단 효과가 없기 때문에 모빌 이온이 이미지센서 소자의 게이트산화막까지 침투하여 소자를 구성하는 트랜지스터들의 문턱전압(Vt)을 변화시켜 소자의 신뢰성 문제를 야기시킨다.
도2는 실리콘질화막과 실리콘 리치 산화막 및 TEOS 산화막에 대한 광투과도 관계를 나타내는 것이고, 도3a 및 도3b는 문턱전압 쉬프트(shift)를 BTS(bias temperature stress) 방법을 이용 실제 측정한 결과로서, 질화막(Si3N4)은 문턱전압 변화가 거의 없는 반면 광투과도가 매우 낮고, 실리콘 리치 산화막과 TEOS막(이 두층은 USG로 표현됨)은 광투과도가 좋은 대신 모빌이온을 차단하지 못하여 문턱전압이 변화하고 있음을 알 수 있다. 아래 표1은 위 실험 결과를 수치적으로 나타낸 것이다. USG인 경우 문턱전압이 0.015Volt 정도 변화하고 있다.
| 구분 | Vt+ | Vt- | ΔVt |
| USG | 0.639 | 0.654 | 0.015 |
| Si3N4 | 0.711 | 0.714 | 0.003 |
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광투과도 및 모빌 이온 차단을 동시에 만족하여 소자의 광감도 및 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 소자보호막을 갖는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
도1은 종래의 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,
도2는 실리콘질화막과 실리콘 리치 산화막 및 TEOS 산화막에 대한 광투과도 관계를 나타낸 도면,
도3a 및 도3b는 실리콘질화막과 USG 막에 대해 문턱전압 쉬프트(shift)를 BTS(bias temperature stress) 방법을 이용 실제 측정한 결과 도면,
도4a 및 도4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
401 : 실리콘기판 402 : 수광소자
403 : PMD층 404 : 제1금속층
405 : 제1IMD층 406 : 제2금속층
407 : 제2IMD층
본 발명의 이미지센서는 소자보호막으로서 USG(undoped silicon glass)막과 PSG(pospho silicon glass)막을 적층 사용하는 것에 그 특징이 있는 것으로서, PSG막은 질화막(Si3N4) 보다 광투과율이 좋으면서 습기나 알칼리 이온(Na+,K+)에 대해 게더링(gettering) 효과를 가지고 있어 모빌 이온을 차단하는 작용을 한다. 따라서, 광투과도 및 소자의 문턱전압 쉬프트를 방지를 동시에 만족할 수 있는 소자보호층을 제공하게 된다.
한편, PSG층 하부에 USG층을 두는 것은 PSG층 내의 인(P)이 하부 소자로 침투하는 것을 방지하기 위함이다. 또한, PSG는 게더링 효과는 가지고 있어 모빌 이온은 차단하지만 층덮힘(step coverage)이 나쁘기 때문에 통상적으로 고온에서 플로우를 시켜 평탄화하여야 하나, 하부에 고온 공정에 약한 메탈이 존재하므로 화학적기계적연마(CMP : chemical mechanvsl polishing)를 사용하여 평탄화를 시켜준다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도4a 내지 도4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 나타낸다.
도4a는 실리콘기판(401)에 수광소자(402) 등 이련의 이미지센서를 이루는 소자들을 형성하고, 그 상부에 PMD(pre-metal dielectrics)층(403), 제1금속층(404), 제1IMD(inter-metal dielectrics)층(405), 제2금속층(406) 및 제2IMD층(407)이 차례로 형성한다. 이어서, 본 발명에 따라 실리콘 리치 산화막 또는 TEOS막 등 USG층(408)을 약 2000∼4000Å 증착후 PSG층(409)를 그의 3배정도 두께인 6000∼12000Å 증착한다.
이어서, 도4b에 도시된 바와 같이, PSG층(409)의 층덮힘이 불량하기 때문에 증착된 PSG막(409)을 3000∼6000Å 정도 화학적기계적연마(CMP)하여 평탄화를 실시한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 광투과도가 높으면서 모빌 이온의 침투를 방지하는 보호막을 제공하므로써 이미지센서의 광감도 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (4)
- 이미지센서에 있어서,소자보호막으로서 USG층 및 PSG층을 적층된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 이미지센서 제조방법에 있어서,소정공정이 완료된 기판을 준비하는 단계;상기 기판 상에 제1소자보호층으로서 USG층을 증착하는 단계;상기 USG층 상에 제2소자보호층으로서 PSG층을 증착하는 단계;상기 PSG층을 화학적기계적연마하여 평탄화는 단계를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 USG층은 실리콘 리치 산화막 또는 TEOS 산화막임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 USG층은 2000∼4000Å 증착하고, 상기 PSG층은 그의 3배정도 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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