KR20080085385A - 포토마스크 및 그를 사용한 이미지센서의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

포토다이오드 상부의 절연막을 식각 할 때 식각 경계부의 경사를 매우 작게하여 후속 공정 마진을 향상시키는데 적합한 이미지센서 제조 방법과, 이에 사용되는 포토마스크가 개시되어 있는 바, 본 발명은 로직회로부와 픽셀부의 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 픽셀부와 상기 로직회로부의 경계부분에 대응하는 패턴으로서, 웨이퍼의 상기 픽셀부로부터 상기 로직회로부로 갈수록 전달되는 노광량을 점차 감소시키는 상기 패턴을 갖는 포토마스크를 준비하는 단계; 상기 포토마스크를 사용한 노광 공정에 의해 상기 픽셀부은 오픈되고 상기 로직회영역은 덮으며, 상기 픽셀부과 상기 로직회로부의 경계부분에서 낮은 두께차의 경사를 갖는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 및 상기 절연막을 에치백하는 단계를 포함하는 이지지센서의 제조 방법을 제공한다.
이미지센서, 포토다이오드, 포토마스크, 식각

Description

포토마스크 및 그를 사용한 이미지센서의 제조 방법{PHOTO MASK AND METHOD FOR FABRICATING IMAGE SENSOR}
도 1은 픽셀 영역과 로직회로 영역 사이의 경계부분에서의 식각된 절연막의 경사도를 보여주기 위한 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 것으로, 실제 실시예에 따라 제조된 시편의 사진들.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 포토마스크를 나타낸 평면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토마스크의 형상을 보여주는 평면도로서, 픽셀부와 로직회로부 사이의 경계부분에 대응하는 영역만을 도시한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
310 : 픽셀부에 대응되는 포토마스크의 제1영역
320 : 픽셀부와 로직회로부의 경계부분에 대응하는 포토마스크의 제2영역
330 : 로직회로부에 대응되는 포토마스크의 제3영역
본 발명은 이미지센서(Image sensor) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 CMOS 기술에 의해 제조되는 이미지센서(이하 간단히 "CMOS 이미지센서"라 칭함) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
통상 CMOS 이미지센서는 포토다이오드를 갖는 픽셀영역과 픽셀 신호 처리를 위한 로직회로영역으로 구분된다. 픽셀영역의 기판 구조를 살펴보면, 기판에 포토다이오드가 구성되고, 포토다이오드 상부에는 각종 층간 절연 및 소자 보호(passivation) 등을 위하여 복수의 절연층이 적층 된다. 그리고, 이러한 절연층 상부에 칼라 흡수를 위한 칼라 필터(color filter)와, 광 집속을 위한 마이크로렌즈(micro lens)가 형성된다.
통상적으로, 픽셀의 포토다이오드에 입사되는 수광량이 많을수록 이미지센서의 광감도 특성이 좋아진다. 따라서, 광감도 향상을 위해서는 포토다이오드의 면적이 크거나, 광을 최대한 포토다이오드에 집속시키도록 포커스 길이가 맞춰져야 한다. 아울러, 포토다이오드로부터 마이크로렌즈까지의 절연층 두께가 그 만큼 낮아져서 포토다이오드에 입사되는 광의 손실이 적어야 한다.
하지만, 이미지센서의 픽셀수가 증가함에 따라 포토다이오드의 면적은 적어지고 금속배선 역시 다층으로 구성됨에 따라, 포토다이오드 상부의 절연층 두께는 커지고 있다.
따라서, 종래에는 포토다이오드로부터 마이크로렌즈까지의 높이를 줄이려고 픽셀 영역 상의 절연막을 선택적으로 식각하는 방법을 지속적으로 시도해 왔다. 즉, 픽셀영역이 오픈되고 로직회로영역은 덮는 마스크패턴을 형성하고, 픽셀영역의 절연막만을 식각하는 방법을 시도하고 있다.
예컨대, 미국공개특허 제2006/0183265호에는 포토다이오드 상부의 불필요한 층간절연막을 줄여서 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지의 거리를 줄이는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 종래기술과 같이 단순한 선택적 식각을 통해 절연막의 제거하는 방법은 식각후 식각 경계부분(픽셀 영역과 로직회로 영역의 경계)에서 70°정도의 큰 경사를 갖게 된다.
도 1은 픽셀 영역과 로직회로 영역 사이의 경계부분에서의 식각된 절연막의 경사도를 보여준다. 포토레지스트 패턴(120)은 픽셀부를 오픈시키고 로직회로부는 덮고 있다. 절연막(110)은 픽셀부에서 일부 두께가 식각 된다. 이때 통상 경계부에서의 경사 식각(slop etch)을 실시한다 하더라도 경사도는 70°정도가 된다.
이와 같이 경사도가 크게 되면, 후속 칼라 필터용 막을 도포할 때 도포 균일도에 차이가 발생하게 된다. 또한, 칼라 필터 공정은 필터용 레지스트를 도포하고 노광 및 현상하는 방법을 사용하게 되는 데, 이 노광시 급격한 경사부에서 난반사가 매우 심하여 포토리소그라피 공정에도 악 영향을 미친다.
한편, 경사도를 줄이기 위하여, 절연막 식각시 폴리머를 다량 발생시키는 건식 식각 조건 등으로 경사 식각을 적용할 수 있으나, 후속 공정의 원할한 진행을 위한 낮은 경사도를 얻기 어렵고, 또한 다량의 폴리머는 후속 세정 공정에서 쉽게 제거되지 않아 불순물(particle)로서 작용하여 공정 수율 및 소자의 특성에 악영향을 미치는 어려움이 있다.
본 발명은 위 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 포토다이오드 상부의 절연막을 식각 할 때, 식각 경계부의 경사를 매우 작게하여 후속 공정 마진을 향상시키는데 적합한 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 다른 목적은 위 목적을 달성하기 위한 포토리소그라피 공정시 사용되는 포토마스크를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 로직회로부와 픽셀부의 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 픽셀부는 오픈되고 상기 로직회로부는 덮으며, 상기 픽셀부와 상기 로직회로부의 경계영역에서 낮은 두께차의 경사를 갖는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트패턴과 상기 절연막의 실각률을 실질적으로 동일하게 하여 상기 절연막을 에치백하는 단계를 포함하는 이지지센서의 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이미지센서의 픽셀부의 절연막을 선택적으로 식각하기 위한 포토리소그라피 공정용 포토마스크에 있어서, 픽셀 부에 대응되는 영역으로서, 웨이퍼 상의 포토레지스트를 모두 제거하기 위한 제1영역; 로직회로부에 대응되는 영역으로서, 웨이퍼 상에 포토레지스트를 잔류시키기 위한 제3영역; 상기 픽셀부와 상기 로직회로부의 경계부분에 대응하는 영역으로서, 상기 제1영역부터 상기 제3영역으로 갈수록 웨이퍼에 전달되는 노광량을 점차 감소시키는 패턴을 갖는 제2영역을 포함하는 포토마스크를 제공한다.
또한 본 발명은 로직회로부와 픽셀부의 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 픽셀부와 상기 로직회로부의 경계부분에 대응하는 패턴으로서, 웨이퍼의 상기 픽셀부로부터 상기 로직회로부로 갈수록 전달되는 노광량을 점차 감소시키는 상기 패턴을 갖는 포토마스크를 준비하는 단계; 상기 포토마스크를 사용한 노광 공정에 의해 상기 픽셀부은 오픈되고 상기 로직회영역은 덮으며, 상기 픽셀부과 상기 로직회로부의 경계부분에서 낮은 두께차의 경사를 갖는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 및 상기 절연막을 에치백하는 단계를 포함하는 이지지센서의 제조 방법을 제공한다.
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 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 보여주는 것으로, 실제 본 발명의 방법에 따라 제조된 시편의 사진들이다.
시편은 0.11㎛ 급 CMOS 이미지센서 제조 공정을 적용한 것이다. 사진들에는 픽셀부과 로직회로부의 경계부가 크게 확대된 것이고, 사진들을 통해서 경계부의 경사도가 매우 완만해졌음을 쉽게 이해할 수 있다.
도 2a는 절연막(210) 상에 i-Line용 포지티브 포토레지스트(220)를 약 27000Å 정도 도포한 다음, 본 발명에서 제안하는 포토마스크를 사용하여 노광 및 현상한 상태이다. 본 발명에서 제안하는 포토마스크의 평면도는 도 3에 도시되어 있는 바, 그 형상은 이후 상세히 설명될 것이다. 절연막(210)은 소자 구조물의 층간절연을 위한 산화물이다.
노광은 i-Line 스텝퍼(stepper)에서 조명 조건을 NA 0.55, σ 0.60로 하고, 노광 에너지를 3350J/m2로 하며, 포커스(Focus)는 0um로 설정한 것이다.
디바이스의 종류, 노광 장비 종류 등에 따라 포토레지스트의 두께와 노광 조건을 달라질 수 있지만, 바람직한 노광조건을 살피면, NA 0.4∼0.7, σ 0.4∼0.8, 에너지 2000∼5000 J/m2로 할 수 있고 포커스(Focus)는 무관하다.
도 2a를 참조하면, 본 발명에서 제안한 포토마스크를 작용하여 노광 및 현상을 하게 되면 픽셀부(A)의 포토레지스트는 제거되고, 로직회로부(C)에는 포토레지스트가 잔류하게 된다. 그리고, 경계부(B)에서의 포토레지스트 패턴의 형상을 살피면, 픽셀부(A)에서 로직회로부(C)으로 갈수록 점차 두꺼워 지는 패턴 두께를 가지되 매우 낮은 경사도를 갖고 있음을 알 수 있다. 그 경사도는 약 0.5°의 값을 갖게 된다. 바람직하게 경사도는 0.4°∼ 15° 값을 가질 수 있다.
도 2b는 패턴된 포토레지스트(220)와 절연막(210)의 식각률이 실질적으로 유 사한 조건에서 에치백을 실시하여 픽셀부(A)의 절연막(210)을 일부두께 식각하고, 이깨 경계부(B) 에서 절연막(210)의 경사가 매우 완만함을 보여주고 이다.
즉, 에치백에 의해 경계부(B)에 패턴된 포토레지스트(220)의 경사도가 절연막(210)으로 전사된다.
에치백 조건을 구체적으로 살피면, 고 압력 산화막 식각 장비(High Pressure Oxide Etcher)를 사용하였고, 1000 mT, 800 W, 30sccm CHF3, 30sccm O2, 1000sccm Ar을 사용하였다. 절연막은 전체두께중 15000Å이 식각되도록 하였다. 결국, 본 발명에 따르면 포토다이오드에서 마이크로렌즈 까지의 거리를 15000Å 정도 줄일 수 있다.
디바이스의 종류, 에치백 장비 종류 등에 따라 에치백의 조건이 달라질 수 있지만 바람직한 에치백 조건을 살피면, 압력 50∼1500 mT, 파워 300∼1000 W, 10∼50sccm CHF3, 10-50sccm O2, 300∼1500sccm Ar을 사용할 수 있다.
에치백 후 경계부(C)에서의 절연막(210) 경사도는 포토레지스트(220)의 경사도가 실질적으로 그대로 전사되어 매우 낮은 경사도를 갖는다. 그 경사도는 약 0.5°로서 칼라필터 공정과 같은 후속 공정에서 단차에 의한 공정 에러를 방지할 수 있다.
도 2c는 칼라 필터용 레지스트 도포 및 패턴 공정으로 칼라 필터(230)를 형성한 상태이다. 경계부(B)의 경사도가 매우 완만하여, 칼라 필터용 레지스트의 도포시 그 균일도가 매우 우수하며, 이에 의해 매우 양호한 프로파일의 칼라 필 터(230)가 형성됨을 보여준다.
한편, 본 발명의 실시예에서, 포토리소그라피 공정시 난반사를 좀 더 줄여주기 위하여 절연막과 포토레지스트패턴 사이에 반사방지막을 형성하는 공정을 추가할 수 있다.
또한, 절연막(210)은 산화물 또는/및 질화물일 수 있으며, 칼라필터 형성 이전에 식각된 절연막(210) 상부에 소자 보호막 형성 공정 등 당업자에게 알려진 일련의 공정이 공정이 추가될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 포토마스크를 나타낸 평면도이다.
도 3을 참조하면, 포토마스크는 제1영역(310)과 제2영역(320) 및 제3영역(330)으로 구분된다.
제1영역(310)은 픽셀부에 대응되는 영역으로서, 노광원이 모두 투과되어 웨이퍼 상에서 포토레지스트가 모두 제거된다.
제3영역(330)은 로직회로부에 대응되는 영역으로서, 노광원이 모두 차단되어 웨이퍼 상에서 포토레지스트가 노광되지 않는다.
제2영역(320)은 픽셀부와 로직회로부의 경계부분에 대응하는 영역으로서, 그 형상이 제1영역(310)에서 제3영역(330)으로 갈수록 웨이퍼 상에 전달되는 노광량이 적어지도록 톱니형으로 형성된다. 이때 톱니형 패턴은 자신의 형상이 웨이퍼 상에 전사되지 않고 단지 웨이퍼의 상에서 노광량의 차이만이 나타나도록 한다. 이를 위해 예컨대 i-Line 노광원을 사용하는 경우 패턴의 피치는 0.2㎛인 것이 바람직하다. 노광원의 종류에 따라 패턴의 피치는 달라질 것이나, 중요한 것은 제2영 역(320)의 패턴이 웨이퍼 상에 전사되어서는 안되고 노광량의 차이만이 나타나도록 피치가 결정되어야 한다. 또한, 포토마스크에서 제2영역(320)의 폭은 100㎛ 정도가 바람직하다. 한편, 제2영역(320)의 모서리부는 변과 같은 구조를 갖도록 하기 위해 45°로 모따기 접합된 패턴 구조를 갖는다.
따라서, 이러한 포토마스크를 사용하여 노광 및 현상을 실시하게 되면, 도 2a에 도시된 바와 같이 경계부(B)에서 낮은 두께차의 경사를 갖는 매우 완만한 포토레지스트패턴(220)을 형성할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토마스크의 형상을 보여준다. 픽셀부 및 로직회로부에 경계부분에 대응하는 영역만을 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 픽셀부에 대응하는 영역에서 로직회로부에 대응하는 영역으로 갈수록 노광량이 적어지도록 경계부에 대응하는 영역에서 투광패턴(42)의 밀도 또는/및 사이즈를 조절할 수 있다. 다만 앞서 설명한 바와 같이 투광패턴(42)의 사이즈(a, 2a, 4a)는 그 형상이 웨이퍼 상에 전사되지 않는 피치를 갖는다.
이와 같이 본 발명은 포토다이오드 상부의 불필요한 절연막 두께를 줄여서 수광 효율을 증대시키고, 절연막의 식각시 픽셀부와 로직회로부의 경계부분에서 그 경사도를 매우 완만하게 형성하여 후속 칼라필터 및 마이크로렌즈 공정시 박막의 증착 균일도를 증대시키는 등 공정 마진을 증대시킬 수 있다.
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 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 로직회로부와 픽셀부의 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 픽셀부는 오픈되고 상기 로직회로부는 덮으며, 상기 픽셀부와 상기 로직회로부의 경계영역에서 낮은 두께차의 경사를 갖는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트패턴과 상기 절연막의 실각률을 실질적으로 동일하게 하여 상기 절연막을 에치백하는 단계
    를 포함하는 이지지센서의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토레지트를 도포하는 단계 이전에 상기 절연막 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지센서의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 포토레지스트패턴의 상기 경사는 0.4°∼ 15°값을 갖는 이미지센서의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은 산화물이며,
    상기 에치백은 50∼1500 mT의 압력, 300∼1000W의 파워, 10∼50sccm의 CHF3, 10-50sccm의 O2, 300∼1500sccm 의 Ar을 사용하는 이미지센서의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에치백은 상기 절연막이 약 1500Å 제거되는 타겟으로 실시하는 이미지센서의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 픽셀부에서 상기 에치백된 절연막 상부에 칼라필터를 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지센서의 제조 방법.
  7. 이미지센서의 픽셀부의 절연막을 선택적으로 식각하기 위한 포토리소그라피 공정용 포토마스크에 있어서,
    픽셀부에 대응되는 영역으로서, 웨이퍼 상의 포토레지스트를 모두 제거하기 위한 제1영역;
    로직회로부에 대응되는 영역으로서, 웨이퍼 상에 포토레지스트를 잔류시키기 위한 제3영역;
    상기 픽셀부와 상기 로직회로부의 경계부분에 대응하는 영역으로서, 상기 제1영역부터 상기 제3영역으로 갈수록 웨이퍼에 전달되는 노광량을 점차 감소시키는 패턴을 갖는 제2영역
    을 포함하는 포토마스크.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1영역은 투광영역이고, 상기 제3영역은 차광영역인 포토마스크.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2영역의 상기 패턴은 웨이퍼 상이 전달되지 않는 피치를 갖는 톱니형 패턴인 포토마스크.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2영역의 모서리부는 변과 같은 구조를 갖도록 하기 위해 45°로 모따기 접합된 구조를 갖는 포토마스크.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제2영역은 웨이퍼 상에 전달되지 않는 피치를 갖는 복수의 투광패턴을 갖으며, 상기 제2영역 내에서 상기 투광패턴의 밀도 또는 사이즈가 점차 변화하는 형상을 갖는 포토마스크.
  12. 로직회로부와 픽셀부의 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 픽셀부와 상기 로직회로부의 경계부분에 대응하는 패턴으로서, 웨이퍼의 상기 픽셀부로부터 상기 로직회로부로 갈수록 전달되는 노광량을 점차 감소시키는 상기 패턴을 갖는 포토마스크를 준비하는 단계;
    상기 포토마스크를 사용한 노광 공정에 의해 상기 픽셀부은 오픈되고 상기 로직회영역은 덮으며, 상기 픽셀부과 상기 로직회로부의 경계부분에서 낮은 두께차의 경사를 갖는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 절연막을 에치백하는 단계
    를 포함하는 이지지센서의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 포토레지트를 도포하는 단계 이전에 상기 절연막 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지센서의 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 포토레지스트는 포지티브 포토레지스트인 이미지센서의 제조 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 픽셀부에서 상기 에치백된 절연막 상부에 칼라필터를 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지센서의 제조 방법.
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