KR20050059738A

KR20050059738A - 씨모스 이미지 센서 제조방법

Info

Publication number: KR20050059738A
Application number: KR1020030091453A
Authority: KR
Inventors: 류상욱
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-21

Abstract

본 발명은 씨모스(CMOS) 이미지 센서 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 제조방법은, 포토다이오드를 구비한 반도체 기판 상에 수 개의 금속배선과 층간절연막이 교대로 적층되는 다층 금속배선 구조를 형성하는 단계와, 상기 다층 금속배선 구조의 최상부 금속배선 및 층간절연막 상에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 볼록렌즈 형상의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서 제조방법에 있어서, 상기 마이크로렌즈로부터 포토다이오드에 이르는 광 경로 상에, 층간절연막의 건식식각을 통해 저면이 볼록한 홈을 형성한 후, 상기 홈 내에 절연막을 매립시켜, 마이크로렌즈로부터 전달되는 광의 초점이 포토다이오드에 맺힐 수 있도록 적어도 하나 이상의 오목 렌즈를 설치하는 것을 특징으로 한다.

Description

씨모스 이미지 센서 제조방법{Method for fabricating CMOS image sensor}

본 발명은 CMOS 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지의 깊이에 기인하는 광감도 저하를 방지할 수 있는 CMOS 이미지 센서 제조방법에 관한 것이다.

이미지 센서(Image Sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기적 신호로 변환하는 장치로서, 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)형과 CCD(Charge Coupled Device)형의 2종류로 분류될 수 있다.

이 중, CMOS 이미지 센서는 CMOS를 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 픽셀(pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고, 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 특히, 상기 CMOS 이미지 센서는 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지 센서에 비해 구동 방식이 간편하고, 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어서 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 가지고 있으므로, 그 이용이 점점 증대되고 있다.

한편, 0.18㎛급 CMOS 이미지 센서는 4층 배선 구조의 센서 드라이버(sensor driver), 즉, 로직 소자(Logic device)를 필요로 한다. 다시말해, 상기 로직 소자는 4층의 금속배선은 물론 3층의 금속배선간 층간절연막(Inter Metal Dielectric)을 필요로 하며, 아울러, 1층의 절연막(Inter Layer Dielectric)을 필요로 한다.

그런데, 이와 같은 4층 배선 구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 집광부인 마이크로렌즈(10)로부터 수광부인 포토다이오드(2)까지의 깊이를 깊게 만드는 원인이 되며, 이로 인해, 초첨 조절에 어려움을 겪고 있다.

이에, 현재는 마이크로렌즈의 곡률을 감소시켜 초점 조절의 어려움을 보완하고는 있지만, 초점 조절이 쉽지 않아 여전히 초점 조절에 어려움을 겪고 있으며, 그래서, 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지의 광 전달율이 저하되고, 아울러, 초점이 포토다이오드 상부에 맺히게 되는 바, 종래의 CMOS 이미지 센서는 광 감도가 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지의 깊이 증가에 기인하는 광 감도 저하를 방지할 수 있는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 포토다이오드를 구비한 반도체 기판 상에 수 개의 금속배선과 층간절연막이 교대로 적층되는 다층 금속배선 구조를 형성하는 단계와, 상기 다층 금속배선 구조의 최상부 금속배선 및 층간절연막 상에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 볼록렌즈 형상의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지 센서 제조방법에 있어서, 상기 마이크로렌즈로부터 포토다이오드에 이르는 광 경로 상에, 층간절연막의 건식식각을 통해 저면이 볼록한 홈을 형성한 후, 상기 홈 내에 절연막을 매립시켜, 마이크로렌즈로부터 전달되는 광의 초점이 포토다이오드에 맺힐 수 있도록 적어도 하나 이상의 오목 렌즈를 설치하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 저면이 볼록한 홈을 형성하기 위한 층간절연막의 건식식각은 가장자리에서의 식각속도가 중심부에서의 식각속도 보다 빠르도록 압력을 1mTorr∼ 1.5Torr로 하고, 소오스 파워를 300∼3000W로 하며, 바이어스 파워를 30∼3000W로 하고, 그리고, 식각가스로서 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수) 계열의 가스와 Ar, He, O2 또는 N2 등의 불활성 기체 원자 또는 분자의 가스를 사용하는 조건으로 수행한다. 아울러, 상기 건식식각은 상기 층간절연막의 표면을 50∼5000Å 두께만큼 식각한다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 본 발명의 기술적 원리를 설명하면 다음과 같다.

감광막을 식각장벽으로 하여 건식식각을 수행할 경우, 식각면의 측벽과 감광막의 측벽을 따라 유기되는 전자 그림자 효과(Electron shading effect)에 의해 패턴 가장자리 부분에서 식각속도 증가 현상이 일어나며, 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 패턴 가장자리가 패턴 중앙부 보다 식각률이 높게 된다.

본 발명은 이와 같은 전자 그림자 효과, 즉, 건식식각을 진행하는 경우에 패턴 가장자리에서의 식각속도가 중앙부에서의 그것 보다 상대적으로 증가하는 현상을 이용하여, 마이크로렌즈를 포함한 집광부로부터 입사되는 광의 경로상에 있는 층간절연막을 건식식각한 후, 질화막 등을 증착하고, 이어서, 평탄화 공정을 진행하는 방식으로 적어도 하나 이상의 오목 렌즈를 삽입시켜 준다.

이렇게 하면, 오목 렌즈에 의해 집광부로부터 전달되는 광의 초점이 포토다이오드 표면이 되도록 할 수 있으며, 이에 따라, 상기 포토다이오드에의 광 전달율을 높일 수 있으며, 결국, CMOS 이미지 센서의 광 감도를 개선시킬 수 있다.

자세하게, 도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 3a를 참조하면, 포토 액티브 영역, 즉, 포토다이오드(31)를 구비한 반도체 기판(30) 상에 제1층간절연막(32)을 형성한 후, 상기 제1층간절연막(32) 상에 기판(31)의 일부분과 콘택되는 제1금속배선(33)을 형성한다. 그런다음, 상기 제1금속배선(33)을 덮도록 제2층간절연막(34)을 형성한 후, 상기 제2층간절연막(34) 상에 제1금속배선(33)과 콘택되는 제2금속배선(35)을 형성한다. 이어서, 상기 제2층간절연막(34) 상에 제2금속배선(35)을 덮도록 제3층간절연막(36)을 형성한 후, 그 표면을 평탄화시킨다.

도 3b를 참조하면, 상기 제3층간절연막(36) 상에 포토다이오드(31)의 상부 부분을 노출시키는 감광막 패턴(37)을 형성한다. 그런다음, 상기 감광막 패턴(37)을 식각장벽으로 하여 제3층간절연막(36)의 표면을 건식식각한다.

여기서, 상기 건식식각은 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수) 계열의 식각 가스와, Ar, He, O2 또는 N2 등의 불활성 기체 원자 또는 분자를 이용하여 수행하며, 예컨데, 제3층간절연막(36)의 표면을 50∼5000Å 두께만큼 식각한다.

아울러, 상기 건식식각은 가장자리에서의 식각속도가 중심부에서의 식각속도 보다 빠르도록 압력을 1mTorr∼ 1.5Torr로 하고, 플라즈마 생성 및 유지를 위한 소오스 파워를 300∼3000W로 하며, 생성된 플라즈마내의 이온을 끌어당기는 역할을 하는 바이어스 파워를 30∼3000W로 하여 수행한다.

상기 건식식각의 결과, 전술한 전자 그림자 효과로 인해 가장자리에서의 식각속도가 중앙부의 식각속도 보다 빠르게 되며, 그래서, 식각된 제3층간절연막(36)의 표면에 저면이 볼록한 홈(H)이 형성된다.

도 3c를 참조하면, 감광막 패턴을 제거한 상태에서, 홈을 포함한 제3층간절연막(36) 상에 100∼10000Å의 두께로 질화막을 증착한다. 그런다음, 상기 제3층간절연막(36)이 노출되도록 질화막을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)하고, 이를 통해, 질화막으로 이루어진 오목 렌즈(38)를 형성한다.

여기서, 상기 오목 렌즈(38)를 형성하기 위한 홈 매립 물질로서 질화막 대신에 질산화막 또는 산화막을 이용하는 것도 가능하며, 또한, 질화막, 질산화막, 산화막 등의 적층막을 이용하는 것도 가능하다.

도 3d를 참조하면, 오목 렌즈(38) 외측의 제3층간절연막 부분 상에 상기 제2금속배선(35)과 콘택되는 제3금속배선(39)을 형성한다. 그런다음, 상기 제3금속배선(39)을 덮도록 상기 오목 렌즈(38)를 포함한 제3층간절연막(36) 상에 제4층간절연막(40)을 형성한 후, 그 표면을 평탄화시킨다.

도 3e를 참조하면, 제4층간절연막(40) 상에 제3금속배선(39)과 콘택되는 제4금속배선(41)을 형성한 후, 상기 제4금속배선(41)을 포함한 제4층간절연막(40) 상에, 예컨데, 산화막, 질화막, 질산화막 등의 단일막 또는 2중 이상의 다중막으로 이루어진 보호막(42)을 형성한다. 그런다음, 상기 포토다이오드(31) 상부의 보호막 부분 상에 컬러필터, 오버코팅층 및 마이크로렌즈(43)를 포함하는 집광부(A)를 형성한다. 여기서, 상기 마이크로렌즈(43)는 유기물 포토레지스트 패턴의 형성 후, 이에 대한 플로우(Flow) 공정을 행하여 볼록 렌즈의 형상을 갖도록 만든다.

이후, 도시하지는 않았으나, 공지된 일련의 후속을 공정을 진행하여 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조를 완성한다.

전술한 바와 같이 제조된 본 발명의 CMOS 이미지 센서에 따르면, 볼록렌즈의 형상을 갖는 마이크로렌즈(43)로부터 전달되는 광이 포토다이오드(31)로 진행하면서 광 경로 상에 있는 오목 렌즈(38)에 의해 그 광 경로가 변하게 되며, 결국, 상기 포토다이오드(31)의 표면에 맺히게 된다.

따라서, 본 발명의 CMOS 이미지 센서는 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지의 광 전달율이 개선되며, 특히, 초점이 포토다이오드 표면에 맺히게 되는 바, 종래의 그것에 비해 광 감도를 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 전술한 본 발명의 실시예에 있어서, 오목 렌즈는 하나를 형성하는 것을 예로 들었지만, 필요에 따라 하나 이상을 형성할 수 있다.

또한, 설명하지 않았지만, 전술한 본 발명의 실시예에 있어서의 상하부 금속배선들간의 콘택은 도전 플러그, 예컨데, 텅스텐 플러그에 의해 이루어진다.

이상에서와 같이, 본 발명은 식각면의 측벽와 감광막의 측벽을 따라 유기되는 전자 그림자 효과를 이용하여 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 광 경로 상에 오목 렌즈를 형성해 줌으로써, 상기 마이크로렌즈로부터 집광된 광이 포토다이오드에 맺히도록 할 수 있으며, 이에 따라, 광 전달율 향상을 통해 향상된 광 감도를 갖는 CMOS 이미지 센서를 제공할 수 있다.

이상, 여기에서는 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하, 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

도 1은 종래 CMOS 이미지 센서의 문제점을 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 기술적 원리를 설명하기 위한 사진.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 반도체 기판 31 : 포토다이오드

32 : 제1층간절연막 33 : 제1금속배선

34 : 제2층간절연막 35 : 제2금속배선

36 : 제3층간절연막 37 : 감광막 패턴

38 : 오목 렌즈 39 : 제3금속배선

40 : 제4층간절연막 41 : 제4금속배선

42 : 보호막 43 : 마이크로렌즈

H : 홈 A : 집광부

Claims

포토다이오드를 구비한 반도체 기판 상에 수 개의 금속배선과 층간절연막이 교대로 적층되는 다층 금속배선 구조를 형성하는 단계와, 상기 다층 금속배선 구조의 최상부 금속배선 및 층간절연막 상에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 볼록렌즈 형상의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지 센서 제조방법에 있어서,

상기 마이크로렌즈로부터 포토다이오드에 이르는 광 경로 상에, 층간절연막의 건식식각을 통해 저면이 볼록한 홈을 형성한 후, 상기 홈 내에 절연막을 매립시켜, 상기 마이크로렌즈로부터 전달되는 광의 초점이 상기 포토다이오드에 맺힐 수 있도록 적어도 하나 이상의 오목 렌즈를 설치하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 저면이 볼록한 홈을 형성하기 위한 층간절연막의 건식식각은,

가장자리에서의 식각속도가 중심부에서의 식각속도 보다 빠르도록 압력을 1mTorr∼1.5Torr로 하고, 소오스 파워를 300∼3000W로 하며, 바이어스 파워를 30∼3000W로 하고, 그리고, 식각 가스로서 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수) 계열의 가스와 Ar, He, O2 또는 N2의 불활성 기체 원자 또는 분자의 가스를 사용하는 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저면이 볼록한 홈을 형성하기 위한 층간절연막의 건식식각은, 상기 층간절연막의 표면을 50∼5000Å 두께만큼 식각하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.