KR20070030455A - 이미지 센서 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로렌즈 보호막의 들뜸 현상 및 균열 현상을 방지할 수 있는 이미지 센서 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 패드 영역인 제1 영역과 수광 영역인 제2 영역으로 정의된 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 단계와, 상기 제1 영역의 상기 하부 구조 상에 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 금속배선이 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 제1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 제1 보호막의 표면 에너지가 증가되도록 불순물 이온주입 공정을 통해 상기 제1 보호막 내에 격자결함을 유발하는 단계와, 상기 제2 영역의 상기 제1 보호막 상에 칼라필터 어레이, 제1 오버코팅 레이어 및 마이크로렌즈가 순차적으로 적층된 수광부를 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈를 포함한 상기 제1 보호막 상부의 단차를 따라 제2 보호막을 증착하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
이미지센서, LTO막, 마이크로 렌즈, 보호막, 격자결함.

Description

이미지 센서 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING IMAGE SENSOR}
도 1은 종래기술에 따른 이미지 센서에 있어서 마이크로렌즈 보호막의 들뜸현상을 도시한 SEM 사진.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 도시한 공정단면도.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
A : 패드 영역 B : 수광 영역
110 : 금속배선 111 : 식각정지막
112 : 산화막 113 : 질화막
115 : 포토레지스트 패턴 116 : 불순물 이온주입공정
117 : 제1 오버코팅 레이어 118 : 칼라필터 어레이
119 : 제2 오버코팅 레이어 120 : 마이크로렌즈
121 : LTO막
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로 특히, 마이크로렌즈의 보호막으로써 LTO(Low Temperature Oxide)막을 이용하는 이미지 센서 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다. 이미지 센서는 칼라 이미지를 구현하기 위하여 외부로부터 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부 상부에 칼라필터가 정렬되어 있다. 칼라필터 어레이는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
이러한 이미지 센서는 일반적으로 빛을 감지하는 광감지부와, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로부로 구성된다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지부의 면적이 차지하는 비율(fill factor)을 크게 하려는 노력이 진행됨에 따라 광감지부 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부로 모아 주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지 센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
한편, 최근에는 이미지 센서의 고집적화에 따라 동일한 픽셀(pixel) 갯수를 가지면서 제품의 사용 전압이 낮고 칩의 크기가 작은 제품을 생산하기 위해 1~2년 사이에 0.5㎛급 테크놀로지(technology)에서 0.18㎛급, 그리고 0.13㎛급 테크놀로지가 필요한 상황으로 변해가고 있다. 점차적으로 이미지 센서가 고집적화되어 감에 따라 광감지부를 구성하는 포토 다이오드(photo diode)의 크기에 따라 마이크로렌즈의 크기 또한 감소하게 되었다. 특히, 하이 테크놀로지 소자를 구현하기 위해서는 금속배선의 수가 필수적으로 늘어나게 되고, 이로 인하여 상대적으로 BEOL(Back End Of Line)막 두께가 두꺼워지면서 마이크로렌즈의 두께는 반대로 감소하게 되었다.
이처럼 마이크로렌즈의 크기와 두께 감소는 마이크로렌즈를 형성한 후 표면을 형성하기 위해 LTO(Low Temperature Oxide) 공정이 사용되고 있다. LTO 공정은 소정의 하부층 상에 마이크로렌즈를 형성한 후 마이크로렌즈의 상부 표면을 감싸도록 LTO막을 증착하는 과정으로 이루어진다.
그러나, LTO 공정은 낮은 증착 온도로 인하여 산화막 자체의 기계적 특성이 매우 열악하다는 특성이 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, LTO막의 들뜸 현상및 균열 현상('D' 부위 참조)이 쉽게 나타나게 되며, 이는 마이크로렌즈를 포함 한 수광부의 결함으로 작용하여 이미제 센서에 치명적인 손상을 입히게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 마이크로렌즈 보호막의 들뜸 현상 및 균열 현상을 방지할 수 있는 이미지 센서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 패드 영역인 제1 영역과 수광 영역인 제2 영역으로 정의된 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 단계와, 상기 제1 영역의 상기 하부 구조 상에 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 금속배선이 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 제1 보호막을 형성하는 단계와, 상기 제1 보호막의 표면 에너지가 증가되도록 불순물 이온주입 공정을 통해 상기 제1 보호막 내에 격자결함을 유발하는 단계와, 상기 제2 영역의 상기 제1 보호막 상에 칼라필터 어레이, 제1 오버코팅 레이어 및 마이크로렌즈가 순차적으로 적층된 수광부를 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈를 포함한 상기 제1 보호막 상부의 단차를 따라 제2 보호막을 증착하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1 보호막 내에 격자결함을 유발하는 단계는, 상기 제1 보호막 상에 상기 제1 영역을 오픈시키는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 통해 상기 제1 영역에 상기 불순물 이온을 주입시켜 상기 제1 영역의 상기 제1 보호막 내에 상기 격자결함을 유발하는 단계를 포함하여 이루어진다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호는 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 도시한 공정단면도이다. 여기서, 'A' 영역은 패드 형성을 위한 패드 영역을 나타내고, 'B' 영역은 수광부 형성을 위한 수광 영역을 나타낸다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 포토다이오드 및 트랜지스터 등 이미지 센서를 이루기 위한 여러 구성요소가 형성된 하부 구조(도시하지 않음) 상에 금속배선(110)을 형성한다.
여기서, 금속배선(110)은 최종 금속배선으로 패드와 접속되며, 주로 Al 등의 금속을 이용한다. 금속배선(110) 형성시 그 상부에 식각정지막(111)도 같이 패터닝하며, 식각정지막(111)은 패드 접속을 위한 식각공정에서 식각 정지를 위한 것으로, 질화막을 사용한다.
이어서, 금속배선(110)이 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 보호막을 이루는 산화막(112)과 질화막(113)을 차례로 형성한다.
여기서, 보호막을 이루는 하부의 산화막(112)은 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; 이하, PECVD라 함) 방식을 이용한 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)막(이하, PE-TEOS막이라 함), USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorine doped silicate Glass)막 등을 포함하며, 질화막(113)은 Si3N4 또는 SiON 등을 포함한다. 바람직하게는, 산화막(112)은 500 내지 6000Å의 두께로 형성하고, 질화막(113)은 2000 내지 15000Å의 두께로 증착한다.
보호막은 이처럼 산화막(112)과 질화막(113)이 적층된 구조 또는 둘 중 하나의 단일막 구조로 형성될 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 보호막이 형성된 전체 구조 상부에 포토레지스트(미도시)를 도포한 후, 포토마스크(미도시)를 이용한 노광 및 현상공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(115)을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(115)은 패드 영역(A)이 오픈(open)된 구조로 형성한다.
이어서, 포토레지스트 패턴(115)을 이온주입 마스크로 이용한 불순물 이온주입공정(116)을 실시함으로써, 질화막(113) 내에 격자결함('V')이 발생된다. 이때, 불순물 이온주입공정(116)은 원자상태반경이 0.4~5Å인 불순물 이온을 1KeV~200KeV의 이온주입 에너지로 주입한다. 바람직하게는, 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr) 등의 불황성 기체를 1E5~20/㎤의 도즈(dose)량만큼 주입한다.
여기서, 불순물 이온주입공정(116)은 별도의 포토레지스트 패턴(115)을 형성하지 않고 보호막 전체에 진행할 수 있다. 이를 통해, 보호막을 이루는 산화막 전체를 기계적으로 강화시킬 수 있다.
이어서, 불순물 이온주입공정(116)을 실시한 후, 격자결함(V)이 보호막 전체에 고르게 분포되도록 열처리를 실시한다. 이때, 열처리는 100~500℃의 온도 범위에서 실시한다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도 3에서와 같이 불순물 이온주입공정을 통해 금속배선(110)을 포함한 하부 구조를 보호하기 위한 보호막(112, 113)에 격자결함을 유발시킴으로써, 보호막(112, 113)의 표면에너지를 증가시킨다. 이에 따라, 활성화 에너지가 감소하여 보호막(112, 113)과 보호막(112, 113) 상부에 형성되는 막(여기서는, 후속 공정을 통해 형성될 LTO막(121)이 해당됨) 간의 결합력이 향상된다. 이를 통해, 패키지(Package) 공정에서 볼 본딩(Ball Bonding) 및 슬라이싱(Slicing) 등에 의해 가해지는 기계적 응력이 발생하거나, 웨이퍼(wafer) 제조 및 칩(chip) 제조와 이미지 센서가 장착된 전기 부품 및 제품의 취급시 가해지는 기계적 응력이 발생하더라도, 균열 및 들뜸 현상이 발생되지 않도록 할 수 있다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, O2 또는 N2 등의 플라즈마 가스를 이용하는 애싱(Ashing) 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(116; 도 3 참조)을 제거한다. 그런 다음, 세정공정을 실시하여 잔류물을 제거한다.
이어서, 수광 영역(B)의 질화막(113) 상에 제1 오버코팅 레이어(117, Over Coating Layer; 이하, OCL1이라 함)를 형성한다. 그런 다음, OCL1(117) 상에 각 단위 화소 별로 RGB 색상 구현을 위한 칼라필터 어레이(118; 이하, CFA라 함)를 형성한다. 통상, CFA(118)는 빛의 3원색인 R(Red)G(Green)B(Blue)를 사용하나, 이외에도 보색인 옐로우(Y; Yellow), 마젠타(Magenta; Mg), 시안(Cyan; Cy)을 사용할 수 있다.
이어서, CFA(118)를 덮는 제2 오버코팅 레이어(119; 이하, OCL2라 함)를 형성한다. 그런 다음, OCL2(119) 상에 CFA(118)와 대응되는 마이크로렌즈(120)를 형성한다.
상기한 OCL1(117) 및 OCL2(119)는 각각 CFA(118)와 마이크로렌즈(120) 형성시 하지의 평탄도를 높히기 위한 것이다.
이어서, 마이크로렌즈(120)를 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 마이크로렌즈(120) 보호를 위한 또 다른 보호막으로서 LTO막(121)을 증착한다. 바람직하게는, LTO막(121)은 200 내지 10000Å의 두께로 증착한다.
이어서, LTO막(121)을 증착한 후, 보호막과 LTO막(121) 간의 접착력이 향상되도록 열처리를 실시한다. 이때, 열처리는 50~500℃의 온도 범위에서 실시한다.
이미지 센서 소자를 구현하기 위해서는 외부에서의 빛을 포토다이오드까지 집속하여 모아주는 수광(또는, 집광)부의 역할이 매우 중요하다. 수광부는 CAF(118)와 마이크로렌즈(120) 등으로 구성되어 있어서, 이들의 상부로부터 물리적 또는 화학적으로 보호해줄 수 있는 보호막이 필요하다.
즉, 일반적인 CMOS 이미지 센서의 CFA(118)와 마이크로렌즈(120)를 형성한 후, 습기나 파티클(Particle) 및 약간의 열적 스트레스(Thermal stress) 등와 같은 외부의 어택(Attack)으로부터 CFA(118)와 마이크로렌즈(120)를 보호하기 위해 저온(Low tehrmal) 증착에 의해 마이크로렌즈의 변형을 방지할 수 있는 LTO막(121)을 사용하는 것이다.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 상기한 본 발명의 실시예에서는 CMOS 이미지 센서를 그 예로 하였으나, 이외에도 수광부와 마이크로렌즈를 갖는 모든 이미지 센서에도 적용이 가능하다.
상술한 본 발명은, 불순물 이온주입공정을 통해 금속배선을 포함한 하부 구조를 보호하기 위한 보호막에 격자결함을 유발시킴으로써, 보호막의 표면에너지를 증가시킨다. 이에 따라, 활성화 에너지가 감소하여 보호막과 그 상부에 형성되는 막(여기서는, 후속 공정을 통해 형성될 LTO막이 해당됨) 간의 결합력이 향상된다. 이를 통해, 패키지(Package) 공정에서 볼 본딩(Ball Bonding) 및 슬라이싱(Slicing) 등에 의해 가해지는 기계적 응력이 발생하거나, 웨이퍼(wafer) 제조 및 칩(chip) 제조와 이미지 센서가 장착된 전기 부품 및 제품의 취급시 가해지는 기계적 응력이 발생하더라도, 균열 및 들뜸 현상이 발생되지 않도록 할 수 있다.
따라서, 이미지 센서의 불량 발생을 줄이고 수광 효율을 높여, 수율 및 성능을 높이는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 패드 영역인 제1 영역과 수광 영역인 제2 영역으로 정의된 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 단계;
    상기 제1 영역의 상기 하부 구조 상에 금속배선을 형성하는 단계;
    상기 금속배선이 형성된 전체 구조 상부의 단차를 따라 제1 보호막을 형성하는 단계;
    상기 제1 보호막의 표면 에너지가 증가되도록 불순물 이온주입 공정을 통해 상기 제1 보호막 내에 격자결함을 유발하는 단계;
    상기 제2 영역의 상기 제1 보호막 상에 칼라필터 어레이, 제1 오버코팅 레이어 및 마이크로렌즈가 순차적으로 적층된 수광부를 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로렌즈를 포함한 상기 제1 보호막 상부의 단차를 따라 제2 보호막을 증착하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물 이온주입 공정은 1KeV 내지 200KeV의 이온주입 에너지로 실시하는 이미지 센서 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 불순물 이온주입 공정은 원자상태 반경이 0.4~5Å인 불순물 이온을 사용하는 이미지 센서 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 불순물 이온주입 공정은 Ar 또는 Kr을 1E15~20/㎤의 도즈량으로 주입하는 이미지 센서 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제1 보호막 내에 격자결함을 유발하는 단계는,
    상기 제1 보호막 상에 상기 제1 영역을 오픈시키는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴을 통해 상기 제1 영역에 상기 불순물 이온을 주입시켜 상기 제1 영역의 상기 제1 보호막 내에 상기 격자결함을 유발하는 단계
    를 포함하여 이루어지는 이미지 센서 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 보호막은 산화막 또는 질화막으로 형성하거나 이들의 적층구조로 형성하는 이미지 센서 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제2 보호막은 LTO막으로 형성하는 이미지 센서 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제2 보호막을 증착한 후,
    상기 제2 보호막과 상기 제1 보호막 간의 결합력이 향상되도록 열처리를 실시하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열처리를 실시하는 단계는 50~500℃의 온도 범위에서 이루어지는 이미지 센서 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 불순물 이온주입 공정을 실시한 후,
    상기 격자결함이 고르게 분포되도록 열처리를 실시하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열처리를 실시하는 단계는 100~500℃의 온도 범위에서 이루어지는 이미지 센서 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수광부를 형성하는 단계는 상기 칼라필터 어레이 하부에 제2 오버코팅 레이어를 더 형성하는 이미지 센서 제조방법.
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