KR20050059739A - 씨모스 이미지 센서 제조방법 - Google Patents

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류상욱
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매그나칩 반도체 유한회사
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    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627Microlenses

Abstract

본 발명은 씨모스(CMOS) 이미지 센서 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 씨모스 이미지 센서 제조방법은, 포토다이오드를 구비한 반도체 기판 상에 수 개의 금속배선과 층간절연막이 교대로 적층되는 다층 금속배선 구조를 형성하는 단계와, 상기 최상부의 금속배선을 덮도록 최상부 층간절연막 상에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 포토다이오드 상부 영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 감광막 패턴을 식각장벽으로 이용해서 노출된 보호막 부분을 식각부 가장자리의 식각률 보다 식각부 중앙의 식각률이 더 큰 식각특성을 나타내는 고압 플라즈마 식각 공정으로 식각하여 그 표면을 오목하게 만드는 단계와, 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계와, 상기 포토다이오드 상부의 오목한 표면을 갖는 보호막 부분 상에 오버코팅층과 컬러필터 및 마이크로렌즈로 구성되는 집광부를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

씨모스 이미지 센서 제조방법{Method for fabricating CMOS image sensor}
본 발명은 CMOS 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 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 포토다이오드(2)까지의 깊이를 깊게 만드는 원인이 되는 바, 이로 인해, 마이크로렌즈(10)로부터 전달되는 광의 초첨을 조절함에 어려움을 겪고 있다.
이에, 현재는 마이크로렌즈의 곡률을 감소시키는 방식으로 초점 조절의 어려움을 보완하고는 있지만, 실제적으로 초점 조절이 쉽지 않아 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 단계; 상기 최상부의 금속배선을 덮도록 최상부 층간절연막 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 보호막 상에 포토다이오드 상부 영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴을 식각장벽으로 이용해서 노출된 보호막 부분을 식각부 가장자리의 식각률 보다 식각부 중앙의 식각률이 더 큰 식각특성을 나타내는 고압 플라즈마 식각 공정으로 식각하여 그 표면을 오목하게 만드는 단계; 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계; 및 상기 포토다이오드 상부의 오목한 표면을 갖는 보호막 부분 상에 오버코팅층과 컬러필터 및 마이크로렌즈로 구성되는 집광부를 형성하는 단계를 포함하는 CMOS 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 보호막은 500∼5000Å 두께의 산화막과 2000∼20000Å 두께의 질화막의 적층막으로 구성한다.
상기 고압 플라즈마 식각에 의한 보호막의 식각은 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수) 계열의 식각가스와 Ar, He, O2 또는 N2의 불활성 기체 원자 또는 분자의 가스를 사용하여 질화막 표면의 50∼5000Å 두께를 식각한다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 기술적 원리를 설명하면 다음과 같다.
고압 플라즈마 식각(High Pressure Plasma Etching) 장치를 이용한 식각 공정의 경우, 일반적으로 식각부 가장자리에서의 식각률 보다 식각부 중앙에서의 식각률이 높은 식각 특성을 나타낸다.
본 발명은 이와 같은 식각 특성을 이용하여, 즉, 고압 플라즈마 식각을 진행하는 경우에 식각부 가장자리에서의 식각률 보다 식각부 중앙에서의 식각률이 큰 특성을 이용해서 광 경로에 있는 보호막을 식각하여 상기 식각된 보호막이 오목 렌즈의 역할을 하도록 만든다.
이렇게하면, 마이크로렌즈를 포함한 집광부로부터 포토다이오드로 전달되는 광이 상기 오목 렌즈의 역할을 하는 식각된 보호막에 의해 그 광 경로가 변하게 되는 바, 광의 초점이 포토다이오드 표면이 되도록 만들 수 있으며, 이에 따라, 상기 포토다이오드에의 광 전달율을 높일 수 있어서 CMOS 이미지 센서의 광 감도를 개선시킬 수 있게 된다.
자세하게, 도 3a 내지 도 3d는 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 공지의 공정에 따라 4층의 다층 금속배선 구조를 형성한다. 즉, 반도체 기판(31) 상에 제1층간절연막(32)을 형성한 후, 상기 제1층간절연막(32) 상에 기판(31)의 일부분과 콘택되는 제1금속배선(33)을 형성하고, 그런다음, 상기 제1금속배선(33)을 덮도록 제2층간절연막(34)을 형성한 후, 상기 제2층간절연막 (34) 상에 제1금속배선(33)과 콘택되는 제2금속배선(35)을 형성하며, 이어서, 상기 제2층간절연막(34) 상에 제2금속배선(35)을 덮도록 제3층간절연막(36)을 형성한 후, 상기 제3층간절연막(36) 상에 제3금속배선(37)을 형성하고, 그리고나서, 상기 제3층간절연막(36) 상에 제3금속배선(37)을 덮도록 제4층간절연막(38)을 형성한 후, 상기 제4층간절연막(38) 상에 제4금속배선(39)을 형성한다.
여기서, 상기 반도체 기판(30)과 제1금속배선(33)간의 콘택 및 상기 금속배선들(33, 35, 37, 39)간의 콘택은 도전 플러그, 예컨데, 텅스텐 플러그에 의해 이루어지며, 각 금속배선의 형성시 금속베리어막을 형성해줌이 바람직하다. 또한, 각 층간절연막(32, 34, 36, 38)의 형성후에는 그 표면을 평탄화시킴이 바람직하다.
도 3b를 참조하면, 제4금속배선(39)을 포함한 제4층간절연막(38)의 전면 상에 산화막(40a)과 질화막(40b)의 적층막으로 이루어진 보호막(40)을 형성한다. 이때, 상기 산화막(40a)은 500∼5000Å의 두께로 증착하며, 상기 질화막(40b)은 2000∼20000Å의 두께로 증착한다.
여기서, 상기 산화막(40a)으로서는 PE-TEOS 산화막을 이용할 수 있으며, 또한, HDP-산화막 및 O3-산화막 등도 이용 가능하다. 아울러, 상기 질화막(40b) 또는 다양한 증착 방식의 질화막이 이용 가능하다.
도 3c를 참조하면, 포토다이오드(31) 상부의 보호막 부분을 노출시키는 감광막 패턴(41)을 형성한다. 그런다음, 상기 감광막 패턴(41)을 식각장벽으로 이용해서 노출된 보호막(40)의 질화막 부분의 표면을 고압 플라즈마 식각 공정에 따라 소정 두께만큼, 예컨데, 50∼5000Å 두께만큼을 식각한다. 이때, 상기 고압 플라즈마 식각은 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수) 계열의 식각 가스와, Ar, He, O2 또는 N2 등의 불활성 기체 원자 또는 분자를 이용하여 수행한다.
여기서, 상기 고압 플라즈마 식각시, 식각부 가장자리의 식각률 보다 식각부 중앙의 식각률이 더 큰 특성을 나타내는 것과 관련해서, 식각된 질화막(40b)의 표면은 오목 형상을 갖게 되며, 이러한 오목 형상의 질화막(40b) 표면은, 이후에 설명되겠지만, 오목 렌즈로서 역할하게 된다.
도 3d를 참조하면, 감광막 패턴을 제거한 상태에서, 공지의 공정에 따라 오버코팅층(42)과 컬러필터(43) 및 볼록렌즈 형상의 마이크로렌즈(44)로 구성되는 집광부(50)를 형성한다.
여기서, 상기 오버코팅층(42)은 표면 평탄화를 이루기 위한 것으로, 컬러필터(43) 형성 전후에 형성해준다. 상기 컬러필터(43)는 컬러 이미지를 구현하기 위한 것으로 각 포토다이오드 상부에 R, G, B의 컬러필터 중 하나를 형성한다. 상기 마이크로렌즈(44)는 실질적인 집광 수단으로서, 유기물 포토레지스트의 도포, 노광 및 현상을 통해 상기 유기물 포토레지스트의 패터닝을 수행한 후, 이렇게 얻어진 유기물 포토레지스트 패턴을 플로우(flow)시켜 볼록렌즈의 형상으로 형성한다.
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, 오목 형상을 갖도록 식각된 보호막의 표면이 오목 렌즈의 역할을 하는 바, 도 3d에 도시된 바와 같이, 볼록렌즈의 형상을 갖는 마이크로렌즈(44)로부터 전달되는 광은 포토다이오드(31)로 진행하면서 오목 렌즈에 의해 그 경로가 변하게 되며, 이에 따라, 상기 광은 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.
이상에서와 같이, 본 발명은 고압 플라즈마 식각 특성을 이용해서 보호막의 표면에 오목 렌즈를 설치해 줌으로써 상기 마이크로렌즈로부터 포토다이오드로 전달되는 광의 전달율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라, 향상된 광 감도를 갖는 CMOS 이미지 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 다층 금속배선 구조에 기인하는 광 감도 감소를 방지할 수 있는 바, 센서 드라이버 IC를 비롯하여 이미지 프로세싱 블럭 등을 필요로 하는 CMOS 이미지 소자와 다층 금속배선 구조를 요구하는 고성능 로직 소자의 시스템 온 칩(System On Chip)이 가능하도록 만들 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 3d는 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 : 제3금속배선
38 : 제4층간절연막 39 : 제4금속배선
40 : 보호막 40a : PE-TEOS 산화막
40b : 질화막 41 : 감광막 패턴
42 : 오버코팅층 43 : 컬러필터
44 : 마이크로렌즈 50 : 집광부

Claims (5)

  1. 포토다이오드를 구비한 반도체 기판 상에 수 개의 금속배선과 층간절연막이 교대로 적층되는 다층 금속배선 구조를 형성하는 단계;
    상기 최상부의 금속배선을 덮도록 최상부 층간절연막 상에 보호막을 형성하는 단계;
    상기 보호막 상에 포토다이오드 상부 영역을 노출시키는 감광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 감광막 패턴을 식각장벽으로 이용해서 노출된 보호막 부분을 식각부 가장자리의 식각률 보다 식각부 중앙의 식각률이 더 큰 식각특성을 나타내는 고압 플라즈마 식각 공정으로 식각하여 그 표면을 오목하게 만드는 단계;
    상기 감광막 패턴을 제거하는 단계; 및
    상기 포토다이오드 상부의 오목한 표면을 갖는 보호막 부분 상에 오버코팅층과 컬러필터 및 마이크로렌즈로 구성되는 집광부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호막은 산화막과 질화막의 적층막으로 구성하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 산화막은 500∼5000Å의 두께로 증착하고, 상기 질화막은 2000∼20000Å의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 고압 플라즈마 식각에 의한 보호막의 식각은 질화막 표면의 50∼5000Å 두께를 식각하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 고압 플라즈마 식각에 의한 보호막의 식각은, CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수) 계열의 식각가스와 Ar, He, O2 또는 N2의 불활성 기체 원자 또는 분자의 가스를 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 제조방법.
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