KR20060076396A - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로렌즈의 프로파일이 바뀌더라도 이미지 특성에 영향을 미치는 것을 방지함으로써 소자의 신뢰성을 확보하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 형성되는 금속 패드와, 상기 금속 패드의 표면이 소정부분 노출되도록 패드 오픈부를 갖게 형성되는 보호막과, 상기 보호막상의 액티브 영역에 형성되는 캡 산화막과, 상기 캡 산화막상에 형성되는 칼라필터층과, 상기 칼라필터층상에 형성되는 평탄화층과, 상기 평탄화층상에 상기 평탄화층과 동일한 재질로 상기 칼라필터층과 대응되게 형성되는 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이미지 센서, 금속 패드, 마이크로렌즈, 보호막

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS image sensor and method for manufacturing the same}
도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서의 1 화소의 등가회로도
도 2는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 1 화소의 레이아웃도
도 3a 내지 도 3d는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도 4는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요 부분에 대한 설명
200 : 반도체 기판 201 : 절연막
202 : 금속 패드 203 : 보호막
204 : 캡 산화막 205 : 칼라필터층
206 : 평탄화층 207 : 마이크로렌즈
208 : 패드 오픈부
본 발명은 CMOS 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 소자의 신뢰성을 확보하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소 형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다.
또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다.
따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이 오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개의 트랜지스터의 게이트 전극(120, 130, 140)이 형성된다.
즉, 상기 게이트 전극(120)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(130)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(140)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다.
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(120, 130, 140) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다.
따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.
상기에서 설명한 각 게이트 전극(120, 130, 140)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
이와 같이 패드를 구비한 각 신호 라인과 이 후에 진행되는 공정들에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3d는 종래의 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100)에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(101)(예를 들면 산화막)을 형성하고, 상기 절연막(101)위 에 각 신호 라인의 금속 패드(102)를 형성한다.
이 때, 상기 금속 패드(102)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다.
한편, 이후 공정에서 상기 알루미늄으로 이루어진 금속 패드(102)의 부식 저항을 높이기 위해 상기 금속 패드(102)의 표면에 UV 오존(ozone)처리 또는 용액을 합성하여 표면처리를 실시한다.
그리고, 상기 금속 패드(102)를 포함한 상기 절연막(101) 전면에 보호막(103)을 형성한다. 여기서 상기 보호막(103)은 산화막 또는 질화막 등으로 형성한다.
이어, 상기 금속 패드(102)의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 보호막(103)을 제거하고, 상기 반도체 기판(100)의 전면에 캡 산화막(104)을 형성한다.
여기서, 상기 캡 산화막(104)은 이후 칼라필터층을 형성할 때 노광 및 현상 공정시에 현상액 등에 의한 상기 금속 패드(102)의 부식을 방지하기 위해 형성한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 캡 산화막(104)상에, 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하도록 칼라 필터층(105)을 형성한다.
여기서, 상기 각 칼라 필터층(105)의 형성방법은, 청색의 칼라 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 패터닝하여 청색 칼라필터를 형성하고, 계속해서 동일한 공정으로 녹색 및 적색 칼라필터를 각각 형성한다.
이어, 상기 각 칼라 필터층(105)을 포함한 반도체 기판 (100)의 전면에 절연막과 같은 평탄화층(106)을 형성하고, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 평탄화층(106)을 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드 부분을 제외한 영역에만 남도록 한다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라필터층(105)과 대응되게 상기 평탄화층(106)상에 마이크로렌즈(107)를 형성한다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 금속 패드(102)의 표면이 노출되도록 전면에 블랭킷 에치(blanket etch)를 실시하여 상기 캡 산화막(104)을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부(108)를 형성한다.
이때 상기 캡 산화막(104)의 블랭킷 에치시에 상기 마이크로렌즈(107)에 데미지(damage)가 가해져 "A"에서와 같이 마이크로렌즈(107)의 프로파일(profile)이 바뀌게 된다.
따라서 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 마이크로렌즈의 프로파일이 바뀌게 됨으로써 이미지 센서의 특성에 영향을 미치어 소자의 신뢰성을 저하시킨다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이크로렌즈의 프로파일이 바뀌더라도 이미지 특성에 영향을 미치는 것을 방지함으로써 소자의 신뢰성을 확보하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서는 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 형성되는 금속 패드와, 상기 금속 패드의 표면이 소정부분 노출되도록 패드 오픈부를 갖게 형성되는 보호막과, 상기 보호막상의 액티브 영역에 형성되는 캡 산화막과, 상기 캡 산화막상에 형성되는 칼라필터층과, 상기 칼라필터층상에 형성되는 평탄화층과, 상기 평탄화층상에 상기 평탄화층과 동일한 재질로 상기 칼라필터층과 대응되게 형성되는 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계와, 상기 금속 패드를 포함한 기판의 전면에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 금속 패드의 표면이 노출되도록 상기 보호막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 금속 패드를 포함한 기판의 전면에 캡 산화막을 형성하는 단계와, 상기 캡 산화막상의 액티브 영역에 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라필터층상에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층상에 상기 칼라필터층과 대응되게 상기 평탄화층과 동일한 물질로 이루어진 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 패드 영역의 캡 산화막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 반도체 기판(200)상에 형성되는 절연막(201)과, 상기 절연막(201)상의 패드 영역에 형성되는 금속 패드(202)와, 상기 금속 패드(202)의 표면이 소정부분 노출되도록 패드 오픈부(208)를 갖게 형성되는 보호막(203)과, 상기 보호막(203)상의 액티브 영역에 형성되는 캡 산화막(204)과, 상기 캡 산화막(204)상에 형성되는 칼라필터층(205)과, 상기 칼라필터층(205)상에 형성되는 평탄화층(206)과, 상기 평탄화층(206)상에 상기 평탄화층(206)과 동일한 재질로 상기 칼라필터층(205)과 대응되게 형성되는 마이크로렌즈(207)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 평탄화층(206) 및 마이크로렌즈(207)는 감광성 레지스트층 또는 TEOS 산화막으로 이루어져 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(200)에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(201)을 형성하고, 상기 절연막(201)위에 각 신호 라인의 금속 패드(202)를 형성한다.
이 때, 상기 금속 패드(202)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다.
그리고, 상기 금속 패드(202)를 포함한 반도체 기판(200) 전면에 보호막 (203)을 형성하고, 상기 금속 패드(202)의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 보호막(203)을 선택적으로 제거한다.
이어, 상기 보호막(203)을 포함한 반도체 기판(200)의 전면에 캡 산화막(204)을 형성한다.
여기서, 상기 캡 산화막(204)은 약 300 ~ 800Å의 두께를 갖도록 형성하고, 상기 캡 산화막(204)은 이후 진행되는 칼라필터를 형성하는 여러 단계의 노광 및 현상 공정에서 현상액에 노출됨으로써 발생하는 금속 패드(202)의 부식을 방지하기 위한 것이다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 캡 산화막(204)위에, 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하도록 칼라 필터층(205)을 형성한다.
여기서, 상기 각 칼라 필터층(205)의 형성방법은, 청색의 칼라 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 패터닝하여 청색 칼라필터를 형성하고, 계속해서 동일한 공정으로 녹색 및 적색 칼라필터를 각각 형성한다.
도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 칼라필터층(205)을 포함한 반도체 기판(200)의 전면에 이후에 형성되는 마이크로렌즈와 동일한 물질층으로 평탄화층(206)을 형성한다.
즉, 상기 평탄화층(206)은 감광성 레지스트 또는 TEOS 산화막과 같은 재질로 이루어져 있다.
이어, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 평탄화층(206)을 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드 부분을 제외한 영역에만 남도록 한다.
한편, 상기 평탄화층(206)에 UV 베이킹(baking) 공정을 추가로 실시할 수 있다.
도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(206)을 포함한 반도체 기판(200)의 전면에 상기 평탄화층(206)과 동일한 물질을 도포하고, 노광 및 현상 공정을 실시하여 마이크로렌즈 패턴을 형성한다.
이어, 상기 마이크로렌즈 패턴을 소정온도에 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈(207)를 형성한다.
도 5e에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(200)의 전면에 블랭킷 에치를 실시하여 상기 패드 영역상의 캡 산화막(204)을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부(208)를 형성한다.
이때, 상기 캡 산화막(204)의 블랭킷 식각시에 상기 마이크로렌즈(207)에도 식각 데미지가 가해지면서 마이크로렌즈(207)의 두께가 얇아지는 프로파일 변형이 이루어지지만, 상기 평탄화층(206)이 상기 마이크로렌즈(207)와 동일한 재질로 이루어져 있기 때문에 상기 마이크로렌즈(207) 사이의 평탄화층(206)이 동시에 선택적으로 식각되어 일정한 깊이의 홈(V)을 형성하게 된다.
따라서, 상기 마이크로렌즈(207)의 프로파일 변경을 상기 평탄화층(206)에 형성된 홈(V)을 통해 보상할 수가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 캡 산화막의 블랭킷 식각시에 마이크로렌즈의 얇아지는 부분을 그 사이의 평탄화층이 함께 제거되면서 보상할 수 있기 때문에 소자의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.
둘째, 마이크로렌즈와 동일한 물질로 평탄화층을 형성함으로써 마이크로렌즈의 스페이스가 커지는 현상을 보완할 수 있다.

Claims (7)

  1. 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 형성되는 금속 패드와,
    상기 금속 패드의 표면이 소정부분 노출되도록 패드 오픈부를 갖게 형성되는 보호막과,
    상기 보호막상의 액티브 영역에 형성되는 캡 산화막과,
    상기 캡 산화막상에 형성되는 칼라필터층과,
    상기 칼라필터층상에 형성되는 평탄화층과,
    상기 평탄화층상에 상기 평탄화층과 동일한 재질로 상기 칼라필터층과 대응되게 형성되는 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 및 평탄화층은 감광성 레지스트 또는 TEOS 산화막으로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  3. 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 금속 패드를 포함한 기판의 전면에 보호막을 형성하는 단계;
    상기 금속 패드의 표면이 노출되도록 상기 보호막을 선택적으로 제거하는 단 계;
    상기 금속 패드를 포함한 기판의 전면에 캡 산화막을 형성하는 단계;
    상기 캡 산화막상의 액티브 영역에 칼라필터층을 형성하는 단계;
    상기 칼라필터층상에 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 평탄화층상에 상기 칼라필터층과 대응되게 상기 평탄화층과 동일한 물질로 이루어진 마이크로렌즈를 형성하는 단계;
    상기 패드 영역의 캡 산화막을 선택적으로 제거하여 패드 오픈부를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기판과 상기 금속 패드 사이에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 패드는 알루미늄으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 캡 산화막은 300 ~ 500Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 캡 산화막은 블랭킷 식각으로 제거하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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