KR20080062140A - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, (a) 다수의 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; (b) 상기 층간절연막 내에 다수의 금속 배선을 형성하는 단계; (c) 상기 다수의 금속 배선을 포함하는 상기 층간절연막 상에 산화막 및 보호막을 순차적으로 형성하는 단계; (d) 상기 보호막의 일측 영역에 TEOS 막 및 평탄화층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 마이크로 렌즈의 하부에 폴리머 계열의 평탄화층을 삽입한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공함으로써, TEOS 막과 하부 질화막 간의 식각선택비 차이에 의해 발생하는 계단 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라 수광부 상단의 평탄화를 이룰 수 있으며, 양질의 마이크로 렌즈를 제공하는 효과가 있다.
씨모스, 평탄화층, 폴리머, 마이크로 렌즈

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법{CMOS Image Sensor and Method for Manufacturing Having the Same}
도 1 및 도 2는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도,
도 4는 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조 공정에서 TEOS 막과 하부 질화막 간의 식각선택비 차이에 의해 발생한 계단 현상을 보여주는 도면,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
500: 반도체 기판 510: 제1 에피층
512: 적색 광감지 소자 520: 제2 에피층
522: 녹색 광감지 소자 530: 제3 에피층
532: 청색 광감지 소자 534: STI
540: 층간절연막 542: 금속 배선
550: 금속 패드 560: 산화막
570: 보호막 580: TEOS 막
590: 평탄화층 600: 마이크로 렌즈
본 발명은 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 씨모스 이미지 센서에서의 계단 현상을 방지하기 위한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서라 함은 광학 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing Circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
도 1 및 도 2는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 반도체 에피층에 열과 행으로 정렬되어 밀집된 다수의 화소로 구성되는 씨모스 이미지 센서는 외부로부터 빛을 감지하여 광전자를 생성하는 포토다이오드(110), 포토다이오드(110)에서 생성된 전하를 전달하는 플로팅 확산 영역(120) 및 포토다이오드(110)와 플로팅 확산 영역(120) 사이에서 포토다이오드(110)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(120)으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(122) 등을 포함한다.
도 2를 참조하면, 씨모스 이미지 센서의 동작 원리는 다음과 같다.
첫째, 리셋 트랜지스터(Reset TR)(124)가 온되면, 출력 플로팅 확산 노드(Output Floating Diffusion Node)의 포텐셜(Potential)이 VDD가 됨으로써, 기준값(Reference Value)을 감지하게 된다.
둘째, 이미지 센서 외부에서 수광부인 포토다이오드(110)에 빛이 입사하게 되면, 이에 비례하여 전자 홀 쌍(EHP: Electron Hole Pair)이 생성된다.
셋째, 포토다이오드(110)에서 생성된 신호 전하에 의하여 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer TR)(122)의 소스 노드(Source Node)의 포텐셜이 생성된 신호 전하의 양에 비례하여 변화한다.
넷째, 트랜스퍼 트랜지스터(122)가 온되면, 축적된 신호 전하는 플로팅 확산 영역으로 전달되고, 전달된 신호 전하량에 비례하여 출력 플로팅 확산 노드의 포텐셜이 변하며, 동시에 선택 트랜지스터(Select TR)(126)의 게이트 바이어스(Gate Bias)가 변화하게 된다. 이는 결국 선택 트랜지스터(126)의 소스 포텐셜의 변화를 초래하게 된다.
다섯째, 선택 트랜지스터(126)의 소스 포텐셜이 변화함에 따라 액세스 트랜지스터(Access TR)(128)가 온되면, 열(Column) 쪽으로 데이터가 리드아웃(Readout) 된다.
여섯째, 리셋 트랜지스터(124)가 온되면, 출력 플로팅 확산 노드의 포텐셜이 VDD가 되고, 이러한 과정을 반복하게 된다.
한편, 포토다이오드의 상부에는 적색, 녹색 및 청색 신호를 각각 나누어 받기 위해서 색깔별로 컬러 필터 어레이(Color Filter Array)가 형성되고, 보다 많은 빛을 받아들이기 위해서 마이크로 렌즈가 수광부의 최상단에 형성된다.
또한, 포토다이오드가 수직으로 배열된 구조에서는 실리콘에 흡수되는 적색, 녹색 및 청색의 흡수 파장별 깊이가 다르기 때문에 각각의 파장대별로 포토다이오드가 위치하게 되고, 이에 따라 컬러 필터 어레이가 필요하지 않으므로 페시베이션 질화막(Passivation Nitride) 상에 바로 마이크로 렌즈가 올라가게 된다. 이러한, 각 채널의 신호는 복수의 메탈 라인으로 수광부 외부에 만들어진 이미지 처리 회로와 연결되고, 신호 처리 과정을 거쳐서 하나의 상으로 재조합된다.
나아가, 최근에는 반도체 기술의 발전과 더불어 0.18 ㎛, 0.13 ㎛ 기술이 개발됨에 따라 픽셀의 크기가 더욱 감소하는 추세이다.
도 3은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(300)에 제1 에피층(Epitaxial Layer)(310)을 성장시키고, 제1 에피층(310)에 적색 광감지 소자(Red Photo Diode)(312)를 형성하며, 적색 광감지 소자(312)를 포함하는 제1 에피층(310) 상에 제2 에피층(320)을 성장시키고, 제2 에피층(320)에 녹색 광감지 소자(322)를 형성 한다. 그리고 녹색 광감지 소자(322)를 포함하는 제2 에피층(320) 상에 제3 에피층(330)을 성장시키고, 제3 에피층(330)에 청색 광감지 소자(332)와 필드 간의 절연을 위하여 트렌치를 형성하고 절연 물질을 충진시킨 STI(Shallow Trench Isolation)(334)를 형성한다.
그리고 제3 에피층(330) 상에 층간절연막(340)을 적층하고 선택식각하여 비아홀(342)을 형성한 후, 층간절연막(340) 상에 금속층(미도시)을 형성하고 패터닝하여 금속 배선(도시하지 않음)과 금속 패드(350)를 형성한다. 그리고 금속 패드(350) 및 층간절연막(340) 상에 수분이나 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위해, 산화막인 제1 절연막(360)과 제1 절연막(360) 상에 질화막인 제2 절연막(370)을 형성하고, 제1 절연막(360)과 제2 절연막(370)을 선택적으로 식각하여 금속 패드(350)를 개구하고 열처리를 실시한다. 그리고 제2 절연막(370) 상에 마이크로 렌즈(380)를 형성한다. 이때, 마이크로 렌즈(380)는 폴리머 계열의 포토레지스트로 형성되는데 마이크로 렌즈(380)의 패턴 이후, 현상 공정(Develop)에서 금속 패드(350)가 현상 용액에 의해 부식(Corrosion)될 수 있으므로, 마이크로 렌즈(380)를 만들기 전에 아주 얇은 TEOS 막을 금속 패드(350)를 포함하는 반도체 기판(300) 전면에 증착하고, 마이크로 렌즈(380) 형성 이후에 TEOS 막을 제거하게 된다.
하지만, 마이크로 렌즈(380)의 형성 이후에 TEOS 막을 제거할 때, 도 4와 같이 TEOS 막과 하부 질화막 간의 식각선택비 차이에 의해 계단 현상이 발생할 수 있고, 계단 현상에 의해 픽셀 수광부에서 빛의 난반사를 일으킬 수 있으며, 결과적으 로 이미지의 열화를 가져오게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, TEOS 막과 하부 질화막 간의 식각선택비 차이에 의해 발생하는 계단 현상을 방지하기 위한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 씨모스 이미지 센서에 있어서, 다수의 광감지 소자를 포함하는 상기 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 내에 형성된 다수의 금속 배선; 상기 층간절연막 상에 형성된 산화막; 상기 산화막 상에 형성된 보호막; 상기 보호막의 일측 영역에 형성된 TEOS 막; 상기 TEOS 막 상에 형성된 평탄화층(Planar Layer); 및 상기 평탄화층 상에 형성된 다수의 마이크로 렌즈를 포함한다.
본 발명은, 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 있어서, (a) 다수의 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; (b) 상기 층간절연막 내에 다수의 금속 배선을 형성하는 단계; (c) 상기 다수의 금속 배선을 포함하는 상기 층간절연막 상에 산화막 및 보호막을 순차적으로 형성하는 단계; (d) 상기 보호막의 일측 영역에 TEOS 막 및 평탄화층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적 인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(500)에 제1 에피층(Epitaxial Layer)(510)을 성장시키고, 제1 에피층(510)에 적색 광감지 소자(Red Photo Diode)(512)를 형성하며, 적색 광감지 소자(512)를 포함하는 제1 에피층(510) 상에 제2 에피층(520)을 성장시키고, 제2 에피층(520)에 녹색 광감지 소자(522)를 형성한다. 그리고 녹색 광감지 소자(522)를 포함하는 제2 에피층(520) 상에 제3 에피층(530)을 성장시키고, 제3 에피층(530)에 청색 광감지 소자(532)와 필드간의 절연을 위하여 트렌치를 형성하고 절연 물질을 충진시킨 STI(Shallow Trench Isolation)(534)를 형성한다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 제3 에피층(530) 상에 층간절연막(540)을 적층하고 층간절연막(540) 상에 제1 금속층(미도시)을 형성하고 패터닝하여 금속 배선(542)을 형성한다. 여기서, 층간절연막(540)과 금속 배선(542) 형성 공정은 수차례 반복하여 다수의 금속 배선(542)을 형성한다. 이어서, 층간절연막(540) 상에 제2 금속층(미도시)을 형성하고 패터닝하여 금속 패드(550)를 형성한다. 그리고 금속 패드(550)를 포함하는 반도체 기판(500) 전면에 수분이나 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위해, 산화막(560)과 보호막(570)을 순차적으로 증착하고 패터닝하여 금속 패드(550)의 표면을 노출시킨다. 여기서, 보호막(570)은 질화막을 사용 한다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 산화막(560)과 보호막(570)을 포함하는 반도체 기판(500) 전면에 TEOS 막(580) 및 평탄화층(Planar Layer)(590)을 순차적으로 증착하고, 마이크로 렌즈(600)가 형성될 영역을 제외한 나머지 영역의 평탄화층(590)을 제거한다. 여기서, 평탄화층은 폴리머(Polymer) 계열의 물질을 사용하고, 이에 따라 계단 현상을 방지할 수 있다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 평탄화층(590)을 포함하는 반도체 기판(500) 전면에 감광막(도시하지 않음)을 도포하고, 선택적으로 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈 패턴(미도시)을 형성하며, 열처리를 실시하여 곡면을 가진 마이크로 렌즈(600)를 형성한다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(600)가 형성된 영역을 제외한 나머지 영역의 TEOS 막(580)을 제거함으로써, 금속 패드(550)를 오픈시킨다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 마이크로 렌즈의 하부에 폴리머 계열의 평탄화층을 삽입한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공함으로써, TEOS 막과 하부 질화막 간의 식각선택비 차이에 의해 발생하는 계단 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라 수광부 상단의 평탄화를 이룰 수 있으며, 양질의 마이크로 렌즈를 제공하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 씨모스 이미지 센서에 있어서,
    다수의 광감지 소자를 포함하는 상기 반도체 기판 상에 형성된 층간절연막;
    상기 층간절연막 내에 형성된 다수의 금속 배선;
    상기 층간절연막 상에 형성된 산화막;
    상기 산화막 상에 형성된 보호막;
    상기 보호막의 일측 영역에 형성된 TEOS 막;
    상기 TEOS 막 상에 형성된 평탄화층(Planar Layer); 및
    상기 평탄화층 상에 형성된 다수의 마이크로 렌즈
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 평탄화층은 폴리머(Polymer) 계열의 물질인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  3. 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 있어서,
    (a) 다수의 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 층간절연막 내에 다수의 금속 배선을 형성하는 단계;
    (c) 상기 다수의 금속 배선을 포함하는 상기 층간절연막 상에 산화막 및 보호막을 순차적으로 형성하는 단계;
    (d) 상기 보호막의 일측 영역에 TEOS 막 및 평탄화층을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 평탄화층은 폴리머(Polymer) 계열의 물질인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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