KR20090060513A - 이미지 센서 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판에 포토다이오드를 포함하는 화소를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 패드를 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 보호층을 형성하는 단계; 상기 단위화소에 대응하는 상기 보호층 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 시드 렌즈를 형성하는 단계; 상기 시드 렌즈 상에 무기물층을 증착하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 패드 상부의 산화막 및 보호층을 제거하여 패드홀을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 마이크로 렌즈의 형태가 불량일 경우 상기 시드 렌즈 및 마이크로 렌즈를 제거하는 단계를 포함한다.
이미지 센서, 마이크로 렌즈, 저온 산화막(LTO)

Description

이미지 센서 제조방법{Method for Manufacturing of Image Sensor}
실시예에서는 이미지 센서의 제조방법이 개시된다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상((optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)를 포함한다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시키는 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 영역이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다. 광감도를 높여주기 위하여 광감지 영역 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 영역으로 모아주기 위하여 컬러필터 상에 마이크로렌즈를 형성할 수 있다.
이미지 센서를 형성하는 방법은 화소를 포함하는 픽셀 어레이 기판 상에 컬러필터, 평탄화층 및 마이크로렌즈 형성 공정을 진행한다.
상기와 같은 마이크로렌즈는 감광성 유기물 물질을 노광(expose), 현상(development), 리플로우(reflow)의 순서로 진행하여 반구형의 모양을 최종 형성시킨다.
상기 감광성 유기물을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성할 경우 인접하는 마이크로 렌즈와의 머지(merge) 현상이 발생되어 갭 리스의 마이크로 렌즈 구현이 어려운 문제가 있다. 또한, 감광성 유기물 물질은 물성 자체가 약하여 패키지 및 범프 등의 후공정에서 마이크로렌즈가 물리적인 충격인 크랙 등에 의한 손상을 입기 쉽고 감광성 유기물은 상대적인 점성이 강하여 파티클이 흡착될 경우 렌즈의 불량을 유발시킬 수 있다.
이를 개선하기 위하여 저온 산화막(LTO)을 이용하여 시드 렌즈 형성 후 다시 저온 산화막(LTO)을 재증착하여 갭 리스의 마이크로 렌즈를 형성하였다. 그러나 상기 마이크로 렌즈 형성을 위한 재증착 공정 시 렌즈의 형태가 원하는 규격을 벗어나게 될 수 있다. 그러면, 상기 마이크로 렌즈를 포함하는 반도체 기판을 폐기해야 하므로 제품의 수율이 감소될 수 있다.
실시예에서는 마이크로 렌즈의 형태가 불량일 경우 폐기하지 않고 재사용하여 제품의 수율을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판에 포토다이오드를 포함하는 화소를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 패드를 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 보호층을 형성하는 단계; 상기 단위화소에 대응하는 상기 보호층 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 시드 렌즈를 형성하는 단계; 상기 시드 렌즈 상에 무기물층을 증착하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 패드 상부의 산화막 및 보호층을 제거하여 패드홀을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 마이크로 렌즈의 형태가 불량일 경우 상기 시드 렌즈 및 마이크로 렌즈를 제거하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 보호층인 USG막과 마이크로 렌즈인 저온산화막의 식각 선택비를 이용한 습식 식각 공정에 의하여 웨이퍼에 불량이 발생했을 경우 재사용 가능하므로 소자의 수율을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(On/Over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 공정 단면도이다.
도 1을 참조하여, 단위화소(20)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막(30)이 형성된다.
상기 반도체 기판(10)에는 액티브 영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(미도시)이 형성되어 있다. 상기 반도체 기판(10)의 액티브 영역에는 단위화소(20)가 형성되어 있다. 상기 단위화소(20)는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드 및 상기 포토다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로를 포함한다.
상기 단위화소(20)를 포함하는 관련 소자들이 형성된 이후에, 층간 절연막(30) 및 금속배선(미도시)이 반도체 기판(10) 상에 형성된다. 상기 층간 절연막(30)은 복수의 층으로 형성될 수 있다. 상기 금속배선은 상기 층간 절연막(30)을 관통하여 복수개 형성될 수 있다. 상기 금속배선은 포토다이오드로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다. 예를 들어, 상기 층간 절연막(30)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있고, 상기 금속배선은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질 예를 들어, 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐으로 형성될 수 있다. 상기 금속배선 중 최상부 금속배선이 형성될 때 패드(40)가 형성된다.
상기 최종 금속배선 및 패드(40)를 형성한 이후에 배리어층(미도시) 및 보호층(50)이 형성된다. 상기 배리어층은 상기 패드 오픈을 위한 상기 보호층(50) 식각시 식각 정지막으로 사용될 수 있다. 상기 배리어층은 질화막을 형성한 후 신터공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 보호층(50)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것이다. 상기 보호층(50)은 USG(Undoped Silicate Glass)막으로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 보호층(50)은 Si-O의 기본 구조에 불소, 수소 및 탄소 중 어느 하나가 결합된 구조의 막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 보호층(50)은 FSG 및 BPSG막과 같은 USG막으로 형성되며 CVD 공정에서 400~700℃의 고온에서 형성될 수 있다. 또한, 상기 보호층(50)은 6000~10000Å의 두께로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 보호층(50)은 단단하고 밀도가 높은 막질로 형성될 수 있다.
추가적으로 상기 보호층(50)을 선택적으로 제거하여 상기 패드(40)를 오픈하는 1차 패드 오픈 공정을 수행할 수도 있다. 상기 1차 패드 오픈 공정은 상기 보호층(50) 상에 상기 패드에 해당하는 홀을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성한 후 이를 마스크로 하여 상기 보호층(50) 및 배리어층을 식각함으로써 상기 패드(40)를 오픈시킬 수 있다. 상기 1차 패드 오픈 공정을 수행한 후 마이크로 렌즈를 형성하고 다시 2차 패드 오픈 공정을 진행할 수도 있다. 이러한 상기 1차 패드 오픈 공정은 생략가능한 것이며 이하의 설명에서는 상기 1차 패드 오픈 공정은 생략하는 것을 예로 하여 설명하도록 한다.
상기 보호층(50) 상에 컬러필터(60)가 형성된다. 상기 컬러필터(60)는 컬러 이미지 구현을 위해 3색의 컬러필터로 형성된다. 상기 컬러필터(60)를 구성하는 물질로는 염색된 포토레지스트를 사용하며 각각의 단위화소(20)마다 하나의 컬러필터(60)가 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 이러한 컬러필터(60)는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 색으로 이루어진다.
상기 컬러필터(60) 상에 상기 컬러필터(60)의 단차를 보완하기 위하여 평탄화층(70)이 형성될 수 있다.
상기 컬러필터(60)를 포함하는 보호층(50) 상에 제1 무기물층(80)이 형성된다. 상기 제1 무기물층(80)은 50~200℃의 온도에서 형성되는 저온 산화막(LTO)일 수 있다. 또한, 상기 제1 무기물층(80)은 4000~6000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 무기물층(80) 상에 렌즈 패턴(90)이 형성된다. 상기 렌즈 패턴(150)은 상기 제1 무기물층(80) 상으로 포토레지스트막을 도포한 다음 패터닝하고 리플로우 공정을 통하여 돔 형태로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 평탄화층(70) 상에 단위화소 별로 시드 렌즈(85)가 형성된다. 상기 시드 렌즈(85)는 상기 렌즈 패턴(150)을 식각마스크로 사용하여 상기 제1 무기물층(80)에 대한 식각공정을 진행하여 형성할 수 있다. 그러면 상기 시드 렌즈(85)는 단위화소 별로 돔형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 무기물층(80)이 과식각되도록 하여 상기 시드 렌즈(85)는 이웃하는 시드 렌즈(85)와 이격된 상태로 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 무기물층(81)은 얇은 두께로 남아있을 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 시드 렌즈(85)를 포함하는 제1 무기물층(81) 상에 갭 리스의 마이크로 렌즈(95)가 형성된다. 상기 마이크로 렌즈(95)는 상기 시드 렌즈(85)를 포함하는 제1 무기물층(81) 상에 제2 무기물층(90)을 증착하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 마이크로 렌즈(95)는 상기 시드 렌즈(85) 상으로 저온 산화막(LTO)을 500~9000Å의 두께로 증착하여 형성할 수 있다. 그러면 상기 마이크로 렌즈(95)는 이웃하는 마이크로 렌즈의 가장자리와 인접하도록 갭 리스 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 패드(40) 상부에는 제1 무기물층(81) 및 제2 무기물층(90)이 증착된 상태이다. 따라서, 상기 제1 및 제2 무기물층(81,90)을 선택적으로 제거하여 패드(40)를 오픈해야한다.
상기 마이크로 렌즈(95)를 포함하는 제2 무기물층(90) 상에 상기 패드(40)에 해당하는 상기 제2 무기물층(90)을 노출시키는 포토레지스트 패턴(200)을 형성한다. 그리고, 상기 포토레지스트 패턴(20))을 식각마스크로 사용하여 상기 제2 무기물층(90), 제1 무기물층(81) 및 보호층(50)을 식각하여 상기 패드(40)를 노출시키는 패드홀(45)을 형성한다.
이후, 상기 포토레지스트 패턴(200)은 애싱공정에 의하여 제거할 수 있다.
상기와 같이 저온 산화막(LTO)을 이용한 이중막 구조의 마이크로 렌즈(95)는 도5에 도시된 바와 같이 시드 렌즈(85)에 불량이 발생하거나 오정렬에 의하여 마이크로 렌즈(95)의 구면이 균일하지 못하고 또한 상기 마이크로 렌즈가 각각 다른 형 태로 형성될 수 있다. 그러면 상기 마이크로 렌즈(95)를 제거하여 다시 마이크로 렌즈 형성공정을 진행해야 한다. 그러나 상기 마이크로 렌즈(95) 제거 공정시 상기 패드(40)가 노출되어 있어서 패드(40) 및 금속배선이 오염 또는 부식이 일어나 전체 기판을 폐기해야하는 문제가 발생될 수 있다.
실시에에서는 이를 방지하기 위하여, 상기 패드를 포함하는 반도체 기판(10) 상에서 마이크로 렌즈만을 제거할 수 있는 공정을 적용한다. 이하, 실시예에 따른 마이크로 렌즈 제거공정을 설명한다.
도 5를 참조하여, 상기 반도체 기판(10) 상의 마이크로 렌즈(95)는 각각 다른 형태로 형성되어 불량이 발생되어 있다. 그리고, 상기 패드(40)는 패드홀(45)에 의하여 노출되어 있다.
도 5를 참조하여, 상기 패드홀(45)에 블록킹 패턴(100)이 형성된다. 상기 블록킹 패턴(100)은 감광막과 같은 유기물로 형성할 수 있다. 즉, 상기 블록킹 패턴(100)은 상기 패드홀(45)를 포함하는 제2 무기물층(90) 상으로 포토레지스트막을 도포한 후 포토리소그라피 공정에 의하여 상기 패드홀(45)에만 형성될 수 있다. 그러면 상기 패드(40)는 상기 블록킹 패턴(100)에 의하여 보호될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 상기 보호층(50) 상의 마이크로 렌즈(95)가 제거된다. 상기 보호층(50) 상에 형성된 마이크로 렌즈(95)를 포함하는 제2 무기물층(90) 및 시드 렌즈(85)를 포함하는 제1 무기물층(81)을 식각공정에 의하여 제거한다. 그러면 상기 층간 절연막(30) 상에 상기 보호층(50) 및 컬러필터(60)만 남아 있게 된다.
상기 제1 무기물층(81) 및 제2 무기물층(90)은 상기 보호층(50)과의 식각 선택비를 이용한 습식식각 공정에 의하여 제거될 수 있다. 상기 습식식각 공정은 불소가 함유된 식각 용액을 사용함으로써 상기 제1 무기물층(10) 및 제2 무기물층(90)을 선택적으로 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 불소가 함유된 식각용액은 HF, DHF(Dilute HF), BOE(Buffered Oxide Etchant) 중 어느 하나일 일 수 있다. 또한, 상기 습식식각 용액에 대한 상기 제1 및 제2 무기물층(81,90)과 상기 보호층(50)과의 식각 선택비는 2:1 내지 5:1 일 수 있다.
상기와 같이 불소가 함유된 식각 용액을 사용하여 식각 공정을 진행하면 상기 제1 및 제2 무기물층(81,90)은 제거되고 상기 보호층(50)은 상기 층간 절연막(30) 상에 남아있게 된다. 상기 제1 및 제2 무기물층(90)은 저온에서 증착된 저온 산화막(LTO)으로 형성되어 포러스(porous)하고 밀도가 낮은 반면 상기 보호층(50)은 고온에서 증착된 USG막으로 형성되어 밀도가 높고 단단한 막질로 형성되어 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 무기물층(81,90)을 포함하는 저온 산화막(LTO)과 상기 보호층(50)인 USG막의 식각비를 이용하여 식각 공정을 진행하면 상대적으로 치밀하지 못한 막질을 가지는 상기 저온 산화막(LTO)이 상기 USG막보다 빨리 제거될 수 있게 되는 것이다.
도 8 및 도 9는 저온 산화막(LTO)과 USG막에 대한 식각비를 그래프로 나타낸 것이다.
도 8은 HF 식각 용액을 사용하여 습식식각 공정 진행시 저온 산화막(LTO)과 USG막의 식각비가 2:1 일때 식각률을 나타내는 그래프이다. 도 9는 HF 식각 용액을 사용하여 습식식각 공정 진행시 저온 산화막(LTO)과 USG막의 식각비가 5:1일 때의 식각률을 타나내고 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 2:1의 HF 식각액에서 60초간 식각 공정을 진행하면 USG막은 5000Å 제거되고 저온 산화막(LTO)은 25000Å정도 제거된다.
도 9에 도시된 바와 같이 5:1의 HF 식각액에서 60초간 식각 공정을 진행하면 USG막은 2000Å 제거되고 저온 산화막(LTO)은 8000Å정도 제거된다.
만일, USG막은 약 10000Å의 두께로 증착하고, 저온 산화막(LTO)은 약 6500Å의 두께로 증착했을 경우, 5:1 HF를 이용하여 1분간 식각공정을 진행하게 되면 저온 산화막(LTO)은 완전히 제거되고 USG막은 약 1800Å이 감소하게 된다. 즉, 상기 저온 산화막(LTO)을 이용한 마이크로 렌즈 형성 공정 시 USG막이 8000Å 이상이면 패드의 손상 없이 식각 공정을 진행할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 저온 산화막(LTO)과 USG막과의 식각 선택비를 이용한 습식식각 공정을 이용하면 상기 보호층(50) 상에 제1 및 제2 무기물층(81,90)을 선택적으로 제거될 수 있다. 이때, 상기 패드(40)는 블록킹 패턴(100)에 의하여 보호되어 있으므로 오염 또는 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 제1 및 제2 무기물층(81,90)이 제거되어 상기 보호층(50) 상에는 컬러필터(60), 평탄화층(70) 및 블록킹 패턴(100)이 남아있게 된다. 이후, 상기 블록킹 패턴(100)은 O2 또는 Ar 가스를 사용하여 제거될 수 있다. 또한, 상기 컬러필터(60) 및 평탄화층(70)도 제거할 수 있다.
그러면 상기 반도체 기판(10) 상에는 금속배선 및 패드(40)를 포함하는 층 간 절연막(30)과 보호층(50)이 남아 있게 되므로 상기 반도체 기판(10) 상에 컬러필터, 마이크로 렌즈 형성공정을 재진행할 수 있게 된다.
상기와 같이 저온 산화막(LTO)으로 형성된 마이크로 렌즈에 불량이 발생했을 경우, 저온 산화막(LTO)과 USG막과의 식각비 차이를 이용하여 상기 저온 산화막(LTO)을 제거하는데 있어서, 상기 USG막과의 선택비가 가장 좋은 조건에서 습식식각 공정을 진행한다. 그러면 상기 USG막을 제외한 상기 저온 산화막(LTO)만이 제거되므로 반도체 기판d을 재사용할 수 있게 된다. 따라서, 이미지 센서의 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 반도체 기판의 재사용에 의하여 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 반도체 기판의 재사용공정을 적용하면 제품의 불량을 줄일 수 있게 되어 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 8 및 도 9는 HF 식각 용액을 이용한 습식식각 공정시 저온 산화막(LTO)과 USG막과의 식각비를 나타내는 그래프이다.

Claims (6)

  1. 반도체 기판에 포토다이오드를 포함하는 화소를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 패드를 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막 상에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 단위화소에 대응하는 상기 보호층 상에 컬러필터를 형성하는 단계;
    상기 컬러필터 상에 시드 렌즈를 형성하는 단계;
    상기 시드 렌즈 상에 무기물층을 증착하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;
    상기 패드 상부의 산화막 및 보호층을 제거하여 패드홀을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 마이크로 렌즈의 형태가 불량일 경우 상기 시드 렌즈 및 마이크로 렌즈를 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 USG막으로 형성되고, 상기 시드 렌즈 및 마이크로 렌즈는 저온 산화막(LTO)으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 Si-O의 기본 결합 구조에 불소, 탄소 중 어느 하나가 결합되 는 막으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시드 렌즈 및 마이크로 렌즈를 제거하기 전에 상기 패드홀에 블록킹 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시드 렌즈 및 마이크로 렌즈는 상기 보호층과 상기 무기물층의 식각비를 이용한 습식식각 방법에 의하여 제거되는 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시드 렌즈 및 마이크로 렌즈는 불소 함유 습식식각 용액에 의하여 제거되는 이미지 센서의 제조방법.
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