KR20060020387A - 광 집적도를 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법 - Google Patents

광 집적도를 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 특히, 금속배선과 비아(via) 및 쉴드 포토레지스트를 이용하여 단위화소로 입사하는 빛의 손실을 막고 또한, 빛이 인접한 단위화소로 전달되어 노이즈 성분이 되는 현상도 감소시킴으로써 광 성능을 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 반도체 기판에 각각의 단위화소에 대응하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 반도체 기판 상에 복수층의 금속배선과 상기 복수층의 금속배선을 연결하는 비아를 형성하되, 상기 복수층의 금속배선은 상기 단위화소를 가드링하도록 형성되며, 상기 비아는 일정간격을 두고 이격되어 상기 단위화소를 가드링하도록 형성하는 단계; 상기 금속배선 상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터 상에 상기 단위화소를 가드링하는 쉴드 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 상기 쉴드 포토레지스트를 포함하는 칼라필터 상에 오버코팅레이어를 형성하는 단계; 및 상기 오버코팅레이어 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
시모스 이미지센서, 금속배선, 비아, 쉴드 포토레지스트, 광 손실

Description

광 집적도를 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법{FABRICATING METHOD OF CMOS IMAGE SENSOR WITH IMPROVED LIGHT CONCENTRATION}
도1a는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소를 도시한 회로도,
도1b 내지 도1e는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서 제조공정을 도시한 공정단면도,
도2a 내지 도2g는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 제조공정을 도시한 공정단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
30 : 기판 31 : 포토다이오드
32 : 층간절연막 33 : 제 1 금속배선
34 : 제 2 금속배선 35 : 제 3 금속배선
36 : 칼라필터 37 : 쉴드 포토레지스트
38 : 오버코팅레이어 39 : 마이크로렌즈
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 특히, 금속배선과 비아(via) 및 쉴드 포토레지스트를 이용하여 단위화소로 입사하는 빛의 손실을 막고 또한 인접한 단위화소로 전달되어 노이즈 성분이 되는 빛 성분도 감소시킴으로써 광 성능을 향상시킨 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
도1a는 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)를 리셋 시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성된 모습을 도시하고 있다.
이러한 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
칼라필터는 각각의 포토다이오드에 대응하여 형성되며, 이러한 칼라필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
도1b 내지 도1e는 이와같이 각각의 포토다이오드에 대응하는 칼라필터와 마 이크로렌즈를 포함하는 종래의 시모스 이미지센서 제조공정을 도시한 공정 단면도로서 이를 참조하여 종래기술을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판(11) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(미도시)을 형성하고, 기판 상에 트랜지스터의 게이트 전극(미도시)을 형성한다. 여기서 소자분리막과 게이트 전극은 설명의 편의를 위하여 도시하지 않았다.
이후에 빛을 수광하여 전기적인 신호로 변환시키는 포토다이오드(12)를 각각의 단위화소에 대응되게 각각 형성한다. 통상적으로 이러한 포토다이오드는 p/n/p 접합으로 이루어져 있지만 단순히 포토다이오드로 표기하기로 한다.
이어서, 반도체 기판 상에는 게이트 전극을 절연시키기 위한 층간절연막이 형성되며, 그 상부에 복수층의 금속배선 및 복수층의 금속층간절연막이 차례로 형성된다.
도1b에는 각종 층간절연막과 복수층의 금속층간절연막을 하나의 층간절연막(13)으로 표기하였다.
통상적으로 시모스 이미지센서에서는 제 4 금속배선(Metal 4) 까지 사용되며 도1b에는 제 1 금속배선(14)(M1) 및 제 2 금속배선(15)(M2)이 도시되어 있다.
금속배선 공정이 마무리되면 그 상부에 습기나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 페시베이션막(16)이 형성되며, 페시베이션막(16) 상부에 칼라필터(17)가 형성된다.
칼라필터는 각각의 단위화소에 대응하여 하나씩 형성되며, 전술한 바와같이 염색된 포토레지스트가 주 재료로 사용되는 것이 일반적이다. 이러한 칼라필터는 인접한 칼라필터와 서로 접하여 있기 때문에 그로 인한 단차가 발생하는 것이 필연적이며, 이러한 단차를 보완해 주기 위해 칼라필터 상부에는 오버코팅레이어(18)가 형성된다.
이후에 도1c 내지 도1d에 도시된 바와같이 평탄화된 오버코팅레이어(18) 상에 마이크로렌즈용 포토레지스트(19)가 도포된 후 패터닝된다. 마이크로렌즈용 포토레지스트는 투과성이 우수하며 품질이 우수한 포토레지스트로서, 각각의 단위화소에 대응하여 사각형 형태로 먼저 패터닝되었다가 열공정을 이용한 플로우(flow) 공정을 통해 돔(dome) 형태를 갖는 마이크로렌즈(19)가 완성된다.
이러한 구조의 화상소자인 시모스 이미지센서에서는 빛을 얼마나 효율적으로 받아들여 이를 이미지재현에 사용할 수 있는 가가 성능에 있어 가장 관건이 된다.
여기서 가장 우선시 되어야 할 것이 빛을 얼마나 효율적으로 받아들일 수 있는가 라는 문제인데, 이를 해결하기 위하여 마이크로렌즈 구조를 채택하였음은 전술한 바와같다.
하지만, 종래기술의 시모스 이미지센서에서 마이크로렌즈를 통과하여 입사한 빛은 포토다이오드에 도달하기 전까지 많은 손실을 수반하게 된다.
이를 도1e를 참조하여 설명한다.
먼저, 종래기술에서는 비록 금속배선(M1, M2)이 포토다이오드로 입사하는 빛의 진로를 막고 있지는 않도록 레이아웃 되었으나, 단순히 빛의 진로만 막지 않을 뿐, 금속배선과 비아를 적극적으로 이용하여 빛의 수광효율을 높이고 있지는 못하였다.
또한, 칼라필터의 단차를 제거하기 위한 오버코팅레이어는 단순히 평탄화 역할만 수행하고 있을 뿐, 빛의 집광에는 전혀 도움을 주고 있지 못하였다. 이러한 결과, 종래기술에서는 상당수의 광 전자를 손실하게 되어 색 재현성이 저하되거나 또는 수율이 저하되는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속배선, 비아 및 쉴드 포토레지스트를 이용하여 빛의 수광효율을 향상시킨 시모스 이미지센서 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 반도체 기판에 각각의 단위화소에 대응하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 반도체 기판 상에 복수층의 금속배선과 상기 복수층의 금속배선을 연결하는 비아를 형성하되, 상기 복수층의 금속배선은 상기 단위화소를 가드링하도록 형성되며, 상기 비아는 일정간격을 두고 이격되어 상기 단위화소를 가드링하도록 형성하는 단계; 상기 금속배선 상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터 상에 상기 단위화소를 가드링하는 쉴드 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 상기 쉴드 포토레지스트를 포함하는 칼라필터 상에 오버코팅레이어를 형성하는 단계; 및 상기 오버코팅레이어 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 금속배선과 비아를 이용하여 각각의 단위화소 주위에 빛의 집광을 도울 수 있는 구조를 형성하였으며 또한, 오버코팅 레이어 상에 빛의 집광을 도울 수 있는 쉴드 포토레지스트를 채용하여 수광율을 향상시켰다.
또한, 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서에서는 IMD 또는 ILD에서 부딛혀서 산란된 광전자 들이 인접한 단위화소로 입사되어 노이즈 성분으로 작용하는 현상도 감소시킬 수 있어 칩의 수율향상에도 도움을 줄 수 있다.
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 설명한다.
도2a 내지 도2g는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도면으로 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
먼저, 반도체 기판(30) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(미도시)을 형성한다. 이후에 도2a에 도시된 바와같이 반도체 기판(30)에 포토다이오드(31)를 형성한다. 여기서, 포토다이오드(31)는 각각의 단위화소에 대응하여 형성되며, 도2a에는 설명의 편의를 위하여 각종 트랜지스터들은 도시하지 않았다.
다음으로, 층간절연막, 복수층의 금속배선, 복수층의 금속배선간 절연막, 복수층의 비아(VIA)가 형성된다.
도2a에서는 층간절연막, 복수층의 금속배선, 복수층의 금속배선간 절연막을 하나의 층간절연막(32)으로 표현하였다.
여기까지의 공정을 일견하면 종래기술과 유사해 보이지만, 종래기술과는 다음과 같은 차이점이 있다.
먼저, 복수층의 금속배선(M1, M2, M3)을 패터닝함에 있어, 복수층의 금속배선이 각각의 단위화소를 둘러싸면서 형성된다. 또한, 금속배선과 금속배선을 연결하는 비아(VIA)도 각각의 단위화소의 주위에 배치되도록 설정하였다.
즉, 도2a를 참조하면 제 1 금속배선(33), 제 2 금속배선(34) 및 제 3 금속배선(35)은 모두 단위화소를 둘러싸면서 레이아웃 되며, 제 1 비아(VIA 1) 및 제 2 비아(VIA 2) 도 각각의 단위화소 둘레에 배치된다.
여기서, 제 1 비아(VIA 1)는 제 1 금속배선(33)과 제 2 금속배선(34)을 연결하고 있으며, 제 2 비아(VIA 2)는 제 2 금속배선(34)과 제 3 금속배선(35)을 연결하고 있다.
이와같은 금속배선과 비아의 레이아웃을 위에서 본 모습이 도2b 및 도2c에 잘 나와있다.
먼저, 도2b를 살펴보면, 단위화소를 둘러싸고 제 2 금속배선(M2)이 레이아웃 되어 있음을 알 수 있으며, 제 1 금속배선(미도시)과 제 2 금속배선을 연결하는 제 1 비아(VIA 1) 역시 일정한 간격을 두고 이격되어 단위화소 둘레에 배치되어 있음을 알 수 있다. 도2c를 참조하면 제 3 금속배선(M3) 및 제 2 비아(VIA 2) 역시 같은 방식으로 배치되어 있음을 알 수 있다.
이와같이 복수층의 금속배선과 복수층의 비아가 형성된 다음, 도2d에 도시된 공정이 진행된다. 즉, 금속배선 상부에는 페시베이션막(미도시)이 형성되며, 그 상부에는 각각의 단위화소에 대응하는 칼라필터(36)가 형성된다. 칼라필터에 관한 사항은 종래기술과 동일하다.
이후에 본 발명의 일실시예에 따른 쉴드 포토레지스트(37)가 형성된다. 즉, 칼라필터(36) 상에 쉴드 포토레지스트(37)가 형성되되, 단위화소를 가드링(guard ring)하는 형태로 쉴드 포토레지스트(37)가 형성된다.
여기서, 쉴드 포토레지스트(37)는 흑색재질(black material)을 갖고 있으며, 단위화소로 입사하는 빛을 최대한 집적시키기 위하여, 단위화소 둘레를 감싸도록 패터닝된다.
이후에 쉴드 포토레지스트(37)를 포함하는 칼라필터 상에 평탄화를 위한 오버코팅레이어(38)가 형성된다.
도2e는 오버코팅레이어(38)와 쉴드 포토레지스트(37)가 형성된 모습을 위쪽에서 바라본 모습으로, 광 투과성이 우수한 오버코팅레이어와 단위화소 둘레에 형성된 검은색의 쉴드 포토레지스트(37)를 보이고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 쉴드 포토레지스트(37)의 도입으로, 빛이 칼라필터로 입사하기 전에 더욱 집적시켜 줌으로써 집광효율을 높일 수 있다. 또한, 인접한 단위화소로 입사하는 경로를 갖는 빛 역시 쉴드 포토레지스트(37)와 금속배선, 비아 등에 의해 반사되어 원래의 단위화소로 입사하게 되므로, 다크 배드 픽셀(dark bad pixel) 등의 불량도 방지할 수 있게 된다.
도2f는 오버코팅레이어(38) 상에 돔 형태의 마이크로렌즈(39)까지 형성된 모 습을 보인 도면이며, 도2g는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단면과 입사광의 경로를 함께 도시한 도면이다.
도2g를 참조하면, 마이크로렌즈를 통과하는 빛은 쉴드 포토레지스트(37)와 복수층의 금속배선 및 복수층의 비아에서 반사되어 포토다이오드로 모두 집광되고 있음을 알 수 있으며, 포토다이오드로 최대한 많은 양의 빛이 입사되므로, 이미지 재현의 saturation 특성이 우수해진다.
또한, 하나의 단위화소로 입사한 빛이 인접한 단위화소로 침투하는 현상 역시 효과적으로 방지할 수 있어 이미지상의 노이즈 역시 현격하게 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하게 되면, 포토다이오드로 입사하는 빛의 양을 늘릴 수 있어 이미지센서의 감도를 향상시킬 수 있으며, 또한 입사광이 인접한 단위화소로 침투하여 잡음을 유발하는 현상도 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서,
    반도체 기판에 각각의 단위화소에 대응하는 포토다이오드를 형성하는 단계;
    반도체 기판 상에 복수층의 금속배선과 상기 복수층의 금속배선을 연결하는 비아를 형성하되, 상기 복수층의 금속배선은 상기 단위화소를 가드링하도록 형성되며, 상기 비아는 일정간격을 두고 이격되어 상기 단위화소를 가드링하도록 형성하는 단계;
    상기 금속배선 상부에 칼라필터를 형성하는 단계;
    상기 칼라필터 상에 상기 단위화소를 가드링하는 쉴드 포토레지스트를 패터닝하는 단계;
    상기 쉴드 포토레지스트를 포함하는 칼라필터 상에 오버코팅레이어를 형성하는 단계; 및
    상기 오버코팅레이어 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    쉴드 포토레지스트를 패터닝하는 단계는,
    상기 칼라필터 상에 흑색 포토레지스트를 도포하는 단계; 및
    단위화소를 가드링 하도록 상기 흑색 포토레지스트를 패터닝하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수층의 금속배선과 비아를 형성하는 단계에서,
    상기 복수층의 금속배선으로 제 1 내지 제 3 금속배선을 사용하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수층의 금속배선과 비아를 형성하는 단계에서,
    상기 복수층의 금속배선으로 제 1 내지 제 3 금속배선을 사용하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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