KR20080015643A - 내부 렌즈들을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내부 렌즈들을 구비하는 이미지 센서가 제공된다. 상기 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 광전변환 소자 및 상기 광전변환 소자를 덮는 하부 절연막을 구비한다. 상기 하부 절연막은 상기 광전변환 소자의 상부에 위치한 오목면을 갖는다. 상기 오목면에 의해 둘러싸여진 공간은 내부 렌즈로 채워지고, 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막은 상기 내부 렌즈로부터 연장된 메인 식각저지막으로 덮여진다. 상기 이미지 센서의 제조방법 또한 제공된다.
내부 렌즈, 이미지 센서

Description

내부 렌즈들을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조방법{Image sensor including inner lenses and method of fabricating the same}
도 1은 일반적인 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 등가회로도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법들 및 그에 의해 제조된 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법들 및 그에 의해 제조된 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 내부 렌즈들을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고체 이미지 센서(solid-state image sensor)는 카메라 등에 널리 사용된다. 상기 고체 이미지 센서는 2차원적으로 배열된 복수개의 화소들을 구비하고, 상기 화소들의 각각은 포토 다이오드(photo diode) 및 상기 포토 다이오드 상부에 배치된 마이크로 렌즈를 구비한다. 상기 마이크로 렌즈는 물체로부터 반사되는 외부의 빛(external light)을 집속시키고, 상기 마이크로 렌즈를 통하여 집속된 빛은 상기 포토 다이오드 상에 조사된다.
상기 이미지 센서의 집적도가 증가함에 따라, 상기 마이크로 렌즈 및 상기 포토 다이오드 사이의 층간절연막의 두께는 증가하고 있다. 이 경우에, 상기 포토 다이오드 상에 조사되는 빛의 수광효율(efficiency of accepting light)이 감소하여 상기 포토 다이오드의 광 감도를 저하시킬 수 있다. 이는 상기 마이크로 렌즈의 초점 거리의 변화 없이 상기 마이크로 렌즈 및 상기 포토 다이오드 사이의 거리만이 증가하기 때문이다. 상기 포토 다이오드의 광 감도를 개선하기 위해서는 상기 마이크로 렌즈의 초점 거리 역시 변화되어야 한다. 상기 마이크로 렌즈의 초점 거리는 상기 마이크로 렌즈의 곡률과 직접적으로 관련이 있고, 상기 마이크로 렌즈의 곡률은 상기 마이크로 렌즈의 물질 특성과 밀접한 관계가 있다. 결과적으로, 상기 마이크로 렌즈의 물질이 정해지면, 상기 마이크로 렌즈의 초점거리를 변화시키는 것은 어려울 수 있다.
최근에, 포토 다이오드의 광 감도를 개선시키기에 적합한 이미지 센서 및 그 제조방법이 대한민국 특허공개공보(Korean Patent Publication No.) 2002-42098호에 "이미지센서 및 그 제조방법(Image sensor and method of fabricating the same)"이라는 제목으로 변 등(Byun et al.)에 의해 개시된 바 있다. 변 등에 따른 이미지 센서는 다마신 기술의 적용 없이 통상의 금속배선 공정을 사용하여 제조되고, 포토 다이오드 및 마이크로 렌즈 사이의 층간절연막 내에 추가 렌즈가 제공된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구리배선과 같은 고신뢰성의 금속배선(high reliable metal interconnection)의 형성에 적합한 다마신 기술과 함께 포토 다이오드의 광 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 고신뢰성 금속배선의 적용 및 포토 다이오드의 광 감도 개선에 적합한 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 내부 렌즈를 갖는 이미지 센서가 제공된다. 상기 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 광전변환 소자를 포함한다. 상기 광전변환 소자 및 상기 반도체 기판은 하부 절연막으로 덮여지고, 상기 하부 절연막은 상기 광전변환 소자의 상부에 위치하는 오목면을 갖는다. 상기 오목면에 의해 둘러싸여진 공간은 내부 렌즈로 채워진다. 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막은 상기 내부 렌즈로부터 연장된 메인 식각저지막으로 덮여진다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광전변환 소자는 포토 다이오드일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 하부 절연막은 실리콘 산화막일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 하부 절연막은 상기 광전변환 소자 및 상기 반도체 기판을 덮는 제1 하부 층간절연막, 상기 제1 하부 층간절연막 상의 하부 식각저지막 및 상기 하부 식각저지막 상의 제2 하부 층간절연막을 포함할 수 있다. 상기 하부 식각저지막은 상기 광전변환 소자 상의 상기 제1 하부 층간절연막을 노출시키 는 개구부를 갖는다. 따라서, 상기 제2 하부 층간절연막은 상기 개구부를 통하여 상기 제1 하부 층간절연막과 접촉할 수 있다. 이 경우에, 상기 오목면은 상기 제2 하부 층간절연막의 표면의 일부일 수 있다. 상기 하부 식각저지막은 상기 제1 및 제2 하부 층간절연막들에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막일 수 있다. 상기 하부 식각저지막 및 상기 제2 하부 층간절연막 내에 하부 금속배선이 추가로 제공될 수 있다. 상기 하부 금속배선은 구리배선을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 내부 렌즈는 상기 하부 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 절연막을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 이미지 센서는 상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각저지막 상에 형성된 상부 절연막과, 상기 상부 절연막 상부에 배치된 패시베이션막과, 상기 패시베이션막 및 상기 상부 절연막을 관통하여 상기 내부 렌즈와 접촉하는 하부 평탄층과, 상기 내부 렌즈 상의 상기 하부 평탄층 상부에 배치된 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 절연막은 하나 또는 다수의 상부 층간절연막 및 하나 또는 다수의 상부 식각 저지막을 구비할 수 있고, 상기 상부 식각저지막은 상기 상부 층간절연막에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막일 수 있다. 상기 상부 절연막 내에 상부 금속배선이 추가로 제공될 수 있다. 상기 상부 금속배선은 구리배선을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 내부 렌즈를 갖는 이미지 센서의 제조방법이 제공된다. 상기 방법은 반도체 기판의 소정영역에 광전변환 소자(photoelectric conversion device)를 형성하는 것과, 상기 광전변환 소자를 갖는 기판 상에 하부 절연막을 형성하는 것을 포함한다. 상기 하부 절연막의 일 부분을 식각하여 오목면(concave surface)을 형성한다. 상기 오목면은 상기 광전변환 소자의 상부에 형성된다. 상기 오목면에 의해 둘러싸여진 공간 내에 그리고 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막 상에 각각 내부 렌즈 및 메인 식각 저지막을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 광전변환 소자는 포토 다이오드일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 하부 절연막은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 하부 절연막은 제1 하부 층간절연막, 하부 식각저지막 및 제2 하부 층간절연막을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 하부 식각저지막은 상기 제2 하부 층간절연막을 형성하기 전에 패터닝되어 상기 광전변환 소자 상의 상기 제1 하부 층간절연막을 노출시킬 수 있다. 따라서, 상기 제2 하부 층간절연막은 상기 광전변환 소자 상의 상기 제1 하부 층간절연막과 접촉하도록 형성될 수 있다. 상기 하부 식각 저지막은 상기 제1 및 제2 하부 층간절연막들에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성할 수 있다. 상기 오목면은 상기 제2 하부 층간절연막을 식각함으로써 형성될 수 있다. 상기 하부 식각 저지막 및 상기 제2 하부 층간절연막 내에 다마신 기술을 사용하여 하부 금속배선을 형성할 수 있다. 상기 하부 금속배선은 구리막을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 오목면을 형성하는 것은 상기 하부 절연막 상에 마스크 패턴을 형성하는 것과, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 광전변환 소자 상의 상기 하부 절연막을 등방성 식각하는 것과, 상기 마스크 패턴을 제거하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각 저지막을 형성하는 것은 상기 오목면을 갖는 상기 하부 절연막 상에 내부 렌즈막을 형성하는 것과, 상기 내부 렌즈막을 평탄화시키어 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막의 상부면 상에 상기 내부 렌즈막의 일부를 남기는 것을 포함할 수 있다. 상기 내부 렌즈막은 상기 하부 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 절연막으로 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각 저지막을 형성하는 것은 상기 오목면을 갖는 기판 상에 내부 렌즈막을 형성하는 것과, 상기 내부 렌즈막을 평탄화시키어 상기 오목면에 의해 둘러싸여진 공간 내에 평탄화된 내부 렌즈막을 형성함과 동시에 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막의 상부면을 노출시키는 것과, 상기 평탄화된 내부 렌즈막을 갖는 기판 상에 메인 식각 저지막을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 내부 렌즈막 및 상기 메인 식각 저지막은 상기 하부 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 절연막으로 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 이미지 센서를 제조하는 방법은 상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각 저지막 상에 상부 절연막을 형성하는 것과, 상기 상부 절연막 상에 패시베이션막을 형성하는 것과, 상기 패시베이션막 상에 하부 평탄층을 형성하는 것과, 상기 내부 렌즈 상의 상기 하부 평탄층 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 상부 절연막은 하나 또는 다수의 상부 식각 저지막 및 하나 또는 다수의 상부 층간절연막을 구비하도록 형성될 수 있고, 상기 하부 평탄층은 상기 패시베이션막 및 상기 상부 절연막을 관통하여 상기 내부 렌즈와 접촉하도록 형성될 수 있다. 상기 상부 식각저지막은 상기 상부 층간절연막에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성할 수 있다. 이에 더하여, 상기 이미지 센서를 제조하는 방법은 상기 상부 절연막 내에 다마신 기술을 사용하여 상부 금속배선을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 상부 금속배선은 구리막을 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 4개의 트랜지스터들을 갖는 일반적인 단위 화소(PX)의 등가회로도이다.
도 1을 참조하면, 상기 단위 화소(PX)는 광전변환 소자(photoelectric conversion device; PD)를 구비한다. 상기 광전변환 소자(PD)는 P형 불순물 영역 및 N형 불순물 영역을 갖는 포토 다이오드일 수 있다. 이에 더하여, 상기 단위 화소(PX)는 상기 포토 다이오드(PD)에 직렬 연결된 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스트(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함한다. 상기 전송 트랜지스터(TX) 및 상기 리셋 트랜지스터(RX) 사이의 제1 노드(N1)는 상기 드라이브 트랜지스터(DX)의 게이트 전극에 접속된다. 또한, 상기 리셋 트랜지스 터(RX) 및 상기 드라이브 트랜지스터(DX) 사이의 제2 노드(N2)는 전원(power source; VDD)에 전기적으로 접속된다. 상기 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)는 모두 NMOS 트랜지스터들일 수 있다. 이 경우에, 상기 포토 다이오드(PD)의 상기 N형 불순물 영역은 상기 전송 트랜지스터(TX)의 소오스 영역에 해당한다.
상기 전송 트랜지스터(TX)의 게이트 전극은 전송 라인(transfer line; TL)에 전기적으로 접속되고, 상기 선택 트랜지스터(SX)의 게이트 전극은 워드라인(WL)에 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 게이트 전극은 리셋 라인(RL)에 전기적으로 접속된다.
이제, 도 1에 보여진 단위 화소(PX)의 데이터를 출력시키는 방법을 설명하기로 한다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 리셋 라인(RL)에 논리 "1(하이 레벨)"에 해당하는 전압을 인가하여 상기 리셋 트랜지스터(RX)를 턴온시킨다. 그 결과, 상기 제1 노드(N1), 즉 플로팅 확산영역(floating diffusion region) 내에 잔존하는 전하들이 모두 제거된다. 따라서, 상기 단위 화소가 초기화된다. 이어서, 상기 리셋 트랜지스터(RX)를 턴오프시킨다. 상기 초기화된 화소의 상기 포토 다이오드(PD) 상에 입사광이 조사되면, 상기 포토 다이오드(PD)의 N형 불순물 영역 내에 전자들이 생성된다.
상기 입사광에 대응하는 출력신호를 생성(generation)시키기 위하여 상기 전 송 라인(TL) 및 상기 워드라인(WL)에 논리 "1(하이 레벨)"에 해당하는 전압을 인가한다. 그 결과, 상기 전송 트랜지스터(TX) 및 상기 선택 트랜지스터(SX)가 턴온되고, 상기 포토 다이오드(PD)의 N형 불순물 영역 내의 전자들은 상기 제1 노드(N1) 내로 주입된다. 상기 제1 노드(N1) 내로 주입된 전자들의 양에 따라 상기 드라이브 트랜지스터(DX)의 전류 구동능력(current drivability)이 결정되고 상기 선택 트랜지스터(SX)의 출력단에 출력 전압(Vout)이 유도된다. 결과적으로, 상기 화소(PX)의 출력전압(Vout)은 상기 포토 다이오드(PD)에 조사되는 입사광의 세기에 따라 결정된다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위하여 도 1에 보여진 단위 화소(PX)의 일 부분만을 도시한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(1)의 소정영역에 소자분리막(3)을 형성하여 활성영역을 한정한다. 상기 활성영역에 당업계에서 잘 알려진 통상의 방법을 사용하여 광전변환 소자(PD) 및 전송 트랜지스터(PX)를 형성한다. 상기 전송 트랜지스터(TX)는 상기 활성영역 내에 형성된 소오스 영역(11) 및 드레인 영역(13; 도 1의 제1 노드(N1))과 아울러서 상기 소오스/드레인 영역들(11, 13) 사이의 채널 영역 상에 배치된 게이트 패턴(8)을 구비하도록 형성될 수 있다. 상기 소오스/드레인 영역들(11, 13)은 N형 불순물 영역들일 수 있고, 상기 게이트 패턴(8)은 차례로 적층된 게이트 절연막(5) 및 게이트 전극(7)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광전변환 소자(PD)는 상기 전송 트랜지스터(TX)의 소오스 영역(11)을 N형 불순물 영역으로 채택하는 포토 다이오드일 수 있다. 이 경우에, 상기 포토 다이오드(PD)는 상기 N 형 불순물 영역(11)을 둘러싸는 P형 불순물 영역(9)을 포함하도록 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 광전변환 소자(PD) 및 상기 전송 트랜지스터(TX)를 갖는 기판 상에 하부 절연막(15)을 형성한다. 상기 하부 절연막(15)은 실리콘 산화막과 같은 절연막으로 형성할 수 있다. 상기 하부 절연막(15)을 패터닝하여 상기 드레인 영역(13)을 노출시키는 콘택홀을 형성하고, 상기 콘택홀을 채우는 콘택 플러그(17)를 형성한다. 상기 콘택 플러그(17)는 텅스텐막으로 형성할 수 있다. 이어서, 상기 하부 절연막(15) 상에 제1 마스크 패턴(19), 예를 들면 제1 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 제1 마스크 패턴(19)은 상기 광전변환 소자(PD) 상의 상기 하부 절연막(15)을 노출시키는 개구부(19a)를 갖도록 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 마스크 패턴(19)을 식각 마스크로 사용하여 상기 노출된 하부 절연막(15)을 식각하여 상기 광전변환 소자(PD)의 상부에 오목면(concave surface; 15s)을 형성한다. 상기 노출된 하부 절연막(15)은 습식 식각 공정과 같은 등방성 식각 기술(isotropic etching technique)을 사용하여 식각될 수 있다. 이에 따라, 상기 오목면(15s)은 일정 곡률(a specific curvature)을 갖도록 형성될 수 있고, 상기 오목면(15s)은 그에 의해 둘러싸여진 공간(15c)을 제공한다. 상기 오목면(15s)을 형성한 후에 상기 제1 마스크 패턴(19)을 제거한다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 마스크 패턴(19)이 제거된 기판 상에 상기 공간(도 4의 15c)을 채우는 내부 렌즈막(inner lens layer)을 형성한다. 상기 내부 렌즈막은 상기 하부 절연막(15) 보다 높은 굴절률을 갖는 절연막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 절연막(15)이 실리콘 산화막으로 형성된 경우에, 상기 내부 렌즈막은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 형성할 수 있다. 상기 내부 렌즈막을 평탄화시키어 상기 하부 절연막(15) 상에 상기 내부 렌즈막의 일 부를 남긴다. 그 결과, 상기 오목면(15s)에 의해 둘러싸여진 공간(15c)을 채우는 내부 렌즈(21a)가 형성되고, 상기 오목면(15s)에 인접한 상기 하부 절연막(15)의 상부면 상에 일정 두께를 갖는 메인 식각저지막(21b)이 형성된다.
다른 실시예에서, 상기 내부 렌즈(21a)는 상기 하부 절연막(15)의 상부면이 노출될 때까지 상기 내부 렌즈막을 평탄화시킴으로써 형성될 수 있고, 상기 메인 식각저지막(21b)은 상기 내부 렌즈(21a)를 갖는 기판 상에 상기 내부 렌즈막과 동일한 물질막을 형성함으로써 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 내부 렌즈(21a) 및 상기 메인 식각저지막(21b) 상에 제1 상부 절연막(23)을 형성한다. 상기 제1 상부 절연막(23)은 상기 메인 식각저지막(21b)에 대하여 식각 선택비를 갖고 상기 내부 렌즈(21a)보다 작은 굴절률을 갖는 절연막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 메인 식각저지막(21b)이 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 형성된 경우에, 상기 제1 상부 절연막(23)은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 제1 상부 절연막(23) 및 상기 메인 식각저지막(21b) 내에 당업계에서 잘 알려진 다마신 기술을 사용하여 제1 상부 금속배선들(28a, 28b)을 형성할 수 있다. 상기 메인 식각저지막(21b)은 상기 다마신 기술을 적용하기 위하여 요구되는 식각저지막의 역할을 할 수 있다.
상기 콘택 플러그(17)는 상기 제1 상부 금속배선들(28a, 28b)중 어느 하나와 전기적으로 접속될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 상부 금속배선(28b)은 도 7에 도 시된 바와 같이 상기 콘택 플러그(17)와 접촉하도록 형성될 수 있다. 결과적으로, 상기 제1 상부 금속배선(28b)은 상기 전송 트랜지스터(TX)의 드레인 영역(13)을 도 1에 보여진 드라이브 트랜지스터(DX)의 게이트 전극에 전기적으로 연결시키는 국부배선(local interconnection)에 해당할 수 있다.
상기 제1 상부 금속배선들(28a, 28b)의 각각은 구리배선과 같은 고신뢰성 금속배선(high reliable metal interconnection)을 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 상부 금속배선들(28a, 28b)의 각각은 장벽금속 패턴(25) 및 상기 장벽금속 패턴(25)에 의해 둘러싸여진 구리배선(27)을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 장벽금속 패턴들(25)은 상기 구리배선들(27) 내의 구리 원자들이 상기 제1 상부 층간절연막(23) 내로 확산되는 것을 방지하기 위하여 형성된다. 상기 장벽금속 패턴들(25)의 각각은 차례로 적층된 탄탈륨막 및 탄탈륨 질화막으로 형성될 수 있다.
상기 제1 상부 금속배선들(28a, 28b)을 갖는 기판 상에 제2 상부 절연막(36)을 형성한다. 상기 제2 상부 절연막(36)은 제1 상부 식각저지막(29), 제1 상부 층간절연막(31), 제2 상부 식각저지막(33) 및 제2 상부 층간절연막(35)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 상부 식각저지막들(29, 33)은 상기 제1 및 제2 상부 층간절연막들(31, 35)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 상부 층간절연막들(31, 35)이 실리콘 산화막으로 형성되는 경우에, 상기 제1 및 제2 상부 식각저지막들(29, 33)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 형성할 수 있다. 상기 제1 상부 절연막(23) 및 상기 제2 상부 절연막(36)은 상부 절연막(36a)을 구성한다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 상부 절연막(36) 내에 당업계에서 잘 알려진 이중 다마신 기술(dual damascene technique)을 사용하여 제2 상부 금속배선(40)을 형성할 수 있다. 상기 제2 상부 금속배선(40) 역시 상기 제1 상부 금속배선들(28a, 28b)처럼 장벽금속 패턴(37) 및 상기 장벽금속 패턴(37)에 의해 둘러싸여진 구리배선(39)을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 제2 상부 금속배선(40)을 형성하는 동안 상기 제1 및 제2 상부 식각저지막들(29, 33)은 상기 이중 다마신 기술을 적용하기 위하여 요구되는 식각 저지막들로서 사용될 수 있다.
상기 제2 상부 금속배선(40) 및 상기 제2 상부 절연막(36) 상에 패시베이션막(44)을 형성한다. 상기 패시베이션막(44)은 실리콘 산화막(41) 및 실리콘 질화막(43)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 이어서, 상기 패시베이션막(44) 상에 제2 마스크 패턴(45), 즉 제2 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 제2 마스크 패턴(45)은 상기 내부 렌즈(21a) 상부의 상기 패시베이션막(44)을 노출시키는 개구부(45a)를 갖도록 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 마스크 패턴(도 7의 45)을 식각 마스크로 사용하여 상기 패시베이션막(44), 상기 제2 상부 절연막(36a) 및 상기 제1 상부 절연막(23)을 식각하여 상기 내부 렌즈(21a) 상에 관통홀(through hole; 47)을 형성한다. 상기 관통홀(47)은 상기 내부 렌즈(21a)의 상부면이 노출되도록 형성될 수 있다. 상기 패시베이션막(44) 상에 상기 관통홀(47)을 채우는 하부 평탄층(49)을 형성하고, 상기 하부 평탄층(49) 상에 칼라 필터층(51) 및 상부 평탄층(53)을 차례로 형성한다. 상기 상부 평탄층(53) 상에 마이크로 렌즈(55)를 형성한다. 상기 마이크로 렌즈(55)는 상기 관통홀(47)의 상부에 형성되어 외부로부터의 빛(external light; LE)을 집속시킨다. 상기 상/하부 평탄층들(49, 53)은 상기 내부 렌즈(21a)보다 작은 굴절률을 갖는 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 상/하부 평탄층들(49, 53)은 수지막(resin layer)으로 형성할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(55)의 초점(FP)이 상기 관통홀(47) 내에 위치하고 상기 내부 렌즈(21a)가 형성되지 않는다면, 상기 마이크로 렌즈(55)를 통하여 굴절된 빛의 일부(LE')는 도 8의 점선으로 도시한 바와 같이 상기 광전변환 소자(PD)에 인접한 상기 소자 분리막(3) 또는 다른 광전변환 소자(도시하지 않음) 상에 조사될 수 있다. 이 경우에, 상기 광전변환 소자(PD)의 수광효율(the efficiency of accepting light irradiated onto the photoelectric conversion device)이 감소될 수 있고, 상기 광전변환 소자(PD)에 인접한 다른 광전변환 소자가 오동작할 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 상기 마이크로 렌즈(55)의 초점거리(FD)가 상기 마이크로 렌즈(55) 및 상기 내부 렌즈(21a) 사이의 거리보다 작을지라도, 상기 마이크로 렌즈(55)를 관통한 굴절광은 상기 상부 절연막(36a)을 관통하는 하부 평탄층(49) 및 상기 내부 렌즈(21a)의 존재에 기인하여 어떠한 손실 없이 상기 광전변환 소자(PD)의 표면 전체에 걸쳐서 균일하게 조사될 수 있다. 결과적으로, 본 실시예에 따르면, 다마신 공정을 사용하여 제작된 이미지 센서의 특성을 개선시킬 수 있다.
상술한 실시예에서, 상기 패시베이션막(44) 및 상기 메인 식각저지막(21b) 사이의 절연막은 도 7에 도시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 상부 절연막들(23, 36a)만을 포함하도록 형성된다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 여러 가지의 다른 변형된 실시예들에 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기 패시베이션막(44)을 형성하기 전에 상기 제2 상부 절연막(36a) 상부 또는 하부에 적어도 하나의 추가 절연막이 형성될 수 있고, 상기 추가 절연막 내에 상술한 다마신 기술을 사용하여 또 다른 금속배선들을 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 마이크로 렌즈(55)의 초점거리(FD)의 변화없이 상기 광전변환 소자(PD)의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위해서는, 상기 내부 렌즈(21a)의 위치가 변화되어야 한다.
도 9 내지 도 12는 상기 추가 절연막을 채택하는 이미지 센서의 제조에 적합한 또 다른 실시예를 설명하기 위하여 도 1에 보여진 단위 화소(PX)의 일 부분만을 도시한 단면도들이다.
도 9를 참조하면, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법을 사용하여 반도체 기판(1)에 전송 트랜지스터(TX) 및 광전변환 소자(PD)을 형성한다. 이어서, 상기 전송 트랜지스터(TX) 및 상기 광전변환 소자(PD)를 갖는 기판 상에 제1 하부 층간절연막(15')을 형성하고, 상기 제1 하부 층간절연막(15')을 관통하는 콘택 플러그(17')를 형성한다. 상기 제1 하부 층간절연막(15')은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있고, 상기 콘택 플러그(17')는 텅스텐막과 같은 금속막으로 형성할 수 있다.
상기 제1 하부 층간절연막(15') 및 상기 콘택 플러그(17') 상에 하부 식각저지막(61)을 형성한다. 상기 하부 식각저지막(61)은 상기 제1 하부 층간절연막(15') 에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 하부 층간절연막(15')이 실리콘 산화막으로 형성되는 경우에, 상기 하부 식각저지막(61)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 형성할 수 있다. 상기 하부 식각저지막(61)을 패터닝하여 상기 광전변환 소자(PD)의 상의 상기 제1 하부 층간절연막(15')을 노출시키는 개구부(61a)를 형성한다.
도 10을 참조하면, 상기 개구부(61a)가 형성된 기판 상에 제2 하부 층간절연막(63)을 형성한다. 상기 하부 식각저지막(61) 및 상기 제2 하부 층간절연막(63)은 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명된 실시예에 더하여 추가로 형성되는 절연막들에 해당한다. 상기 제2 하부 층간절연막(63)은 상기 하부 식각저지막(61)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 식각저지막(61)이 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 형성되는 경우에, 상기 제2 하부 층간절연막(63)은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 제1 하부 층간절연막(15'), 상기 하부 식각저지막(61) 및 상기 제2 하부 층간절연막(63)은 하부 절연막(64)을 구성한다.
상기 하부 식각저지막(61) 및 상기 제2 하부 층간절연막(63) 내에 통상의 다마신 기술을 사용하여 하부 금속배선들(68a, 68b)을 형성할 수 있다. 즉, 상기 하부 금속배선들(68a, 68b)의 각각은 장벽금속 패턴(65) 및 상기 장벽금속 패턴(65)에 의해 둘러싸여진 구리배선(67)을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 콘택 플러그(17')는 상기 하부 금속배선들(68a, 68b)중 어느 하나에 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 하부 금속배선들(68a, 68b) 및 상기 제2 하부 층간절연막(63) 상에 제1 마스크 패턴(69)을 형성한다. 상기 제1 마스크 패턴(69)은 상기 광전변환 소자(PD) 상부의 상기 제2 하부 층간절연막(63)을 노출시키는 개구부(69a)를 갖도록 형성된다.
도 11을 참조하면, 상기 제1 마스크 패턴(도 10의 69)을 식각 마스크로 사용하여 상기 제2 하부 층간절연막(63)을 식각하여 상기 광전변환 소자(PD)의 상부에 오목면(concave surface; 63s)을 형성한다. 상기 제2 하부 층간절연막(63)은 습식 식각 공정과 같은 등방성 식각 기술(isotropic etching technique)을 사용하여 식각될 수 있다. 결과적으로, 상기 오목면(63s)은 도 4에 도시된 상기 오목면(15s)과 동일한 형태를 갖도록 형성될 수 있고, 그에 의해 둘러싸여진 공간(63c)을 제공한다. 상기 오목면(63s)을 형성한 후에 상기 제1 마스크 패턴(69)을 제거한다.
도 12를 참조하면, 상기 제1 마스크 패턴(69)이 제거된 기판 상에 도 5를 참조하여 설명된 것과 동일한 방법을 사용하여 내부 렌즈(71a) 및 메인 식각저지막(71b)을 형성한다. 결과적으로, 상기 내부 렌즈(71a)는 상기 광전변환 소자(PD) 상부에 형성되고, 상기 메인 식각저지막(71b)은 상기 오목면(63s)에 인접한 상기 제2 하부 층간절연막(63)의 상부면을 덮도록 형성된다. 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 메인 식각저지막(71b) 상에 적용되는 공정들은 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법들을 사용하여 진행될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 반도체 기판(1) 및 마이크로 렌즈(55) 사이의 절연막들의 전체 두께가 증가할지라도, 상기 마이크로 렌즈(55) 및 내부 렌즈(71a) 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 상기 마이크로 렌즈(55)에 조사 되는 외부의 빛(LE)이 어떠한 손실 없이 상기 내부 렌즈(71a)를 통하여 상기 광전변환 소자(PD) 상에 균일하게 조사될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, 다마신 공정을 사용하여 형성되는 금속배선들을 채택하는 이미지 센서의 광 감도를 개선시킬 수 있다.

Claims (29)

  1. 반도체 기판의 소정영역에 광전변환 소자(photoelectric conversion device)를 형성하고,
    상기 광전변환 소자를 갖는 기판 상에 하부 절연막을 형성하고,
    상기 하부 절연막의 일 부분을 식각하여 오목면(concave surface)을 형성하되, 상기 오목면은 상기 광전변환 소자의 상부에 형성되고,
    상기 오목면에 의해 둘러싸여진 공간을 채우는 내부 렌즈 및 상기 내부 렌즈로부터 연장하여 상기 하부 절연막을 덮는 메인 식각 저지막을 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전변환 소자는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 절연막은 실리콘 산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 절연막을 형성하는 것은
    상기 광전변환 소자를 갖는 기판 상에 제1 하부 층간절연막을 형성하고,
    상기 제1 하부 층간절연막 상에 하부 식각 저지막을 형성하되, 상기 하부 식각 저지막은 상기 제1 하부 층간절연막에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성하고,
    상기 하부 식각 저지막을 패터닝하여 상기 광전변환 소자 상의 상기 제1 하부 층간절연막을 노출시키는 개구부를 형성하고,
    상기 패터닝된 하부 식각 저지막을 갖는 기판 상에 제2 하부 층간절연막을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 제2 하부 층간절연막은 상기 하부 식각 저지막에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성하고, 상기 오목면은 상기 제2 하부 층간절연막을 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 식각 저지막 및 상기 제2 하부 층간절연막 내에 다마신 기술을 사용하여 하부 금속배선을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부 금속배선은 구리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 오목면을 형성하는 것은
    상기 하부 절연막 상에 마스크 패턴을 형성하되, 상기 마스크 패턴은 상기 광전변환 소자 상의 상기 하부 절연막을 노출시키는 개구부를 갖도록 형성되고,
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 노출된 하부 절연막을 등방성 식각하고,
    상기 등방성 식각된 하부 절연막 상의 상기 마스크 패턴을 제거하는 것을 포함하는 것을 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각 저지막을 형성하는 것은
    상기 오목면을 갖는 상기 하부 절연막 상에 내부 렌즈막을 형성하고,
    상기 내부 렌즈막을 평탄화시키어 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막의 상부면 상에 상기 내부 렌즈막의 일부를 남기는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 내부 렌즈막은 상기 하부 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 절연막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각 저지막을 형성하는 것은
    상기 오목면을 갖는 기판 상에 내부 렌즈막을 형성하고,
    상기 내부 렌즈막을 평탄화시키어 상기 오목면에 의해 둘러싸여진 공간 내에 평탄화된 내부 렌즈막을 형성함과 동시에 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막의 상부면을 노출시키고,
    상기 평탄화된 내부 렌즈막을 갖는 기판 상에 메인 식각 저지막을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부 렌즈막 및 상기 메인 식각 저지막은 상기 하부 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 절연막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각 저지막 상에 상부 절연막을 형성하되, 상기 상부 절연막은 하나 또는 다수의 상부 식각 저지막 및 하나 또는 다수의 상부 층간절연막을 구비하도록 형성되고,
    상기 상부 절연막 상에 패시베이션막을 형성하고,
    상기 패시베이션막 및 상기 상부 절연막을 관통하여 상기 내부 렌즈와 접촉 하는 하부 평탄층을 형성하고,
    상기 내부 렌즈 상의 상기 하부 평탄층 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상부 절연막 내에 다마신 기술을 사용하여 상부 금속배선을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 상부 금속배선은 구리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 상부 식각저지막은 상기 상부 층간절연막에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 상부 층간절연막은 실리콘 산화막으로 형성하고, 상기 상부 식각저지막은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  17. 반도체 기판에 형성된 광전변환 소자;
    상기 광전변환 소자 및 상기 반도체 기판을 덮고 상기 광전변환 소자의 상부에 오목면을 갖는 하부 절연막;
    상기 오목면에 의해 둘러싸여진 공간을 채우는 내부 렌즈; 및
    상기 내부 렌즈로부터 연장하여 상기 오목면에 인접한 상기 하부 절연막을 덮는 메인 식각저지막을 포함하는 이미지 센서.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광전변환 소자는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 하부 절연막은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 하부 절연막은
    상기 광전변환 소자 및 상기 반도체 기판을 덮는 제1 하부 층간절연막;
    상기 제1 하부 층간절연막 상에 형성되고 상기 광전변환 소자 상의 상기 제1 하부 층간절연막을 노출시키는 개구부를 갖는 하부 식각저지막; 및
    상기 하부 식각저지막 및 상기 노출된 제1 하부 층간절연막을 덮는 제2 하부 층간절연막을 포함하되,
    상기 오목면은 상기 제2 하부 층간절연막의 표면의 일 부인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 하부 식각저지막은 상기 제1 및 제2 하부 층간절연막들에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 하부 식각저지막 및 상기 제2 하부 층간절연막 내에 배치된 하부 금속배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하부 금속배선은 구리배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 내부 렌즈는 상기 하부 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 내부 렌즈 및 상기 메인 식각저지막을 덮되, 하나 또는 다수의 상부 층간절연막 및 하나 또는 다수의 상부 식각 저지막을 구비하는 상부 절연막;
    상기 상부 절연막 상의 패시베이션막;
    상기 패시베이션막 및 상기 상부 절연막을 관통하여 상기 내부 렌즈의 상부면과 접촉하는 하부 평탄층; 및
    상기 내부 렌즈 상의 상기 하부 평탄층 상부에 배치된 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 상부 식각저지막은 상기 상부 층간절연막에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 상부 층간절연막은 실리콘 산화막이고, 상기 상부 식각저지막은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 상부 절연막 내에 배치된 상부 금속배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 상부 금속배선은 구리배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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