KR20110072518A - 후면수광 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

후면수광 이미지 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20110072518A
KR20110072518A KR1020090129489A KR20090129489A KR20110072518A KR 20110072518 A KR20110072518 A KR 20110072518A KR 1020090129489 A KR1020090129489 A KR 1020090129489A KR 20090129489 A KR20090129489 A KR 20090129489A KR 20110072518 A KR20110072518 A KR 20110072518A
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Abstract

실시예에 따른 후면수광 이미지 센서는, 반도체 기판에 정의된 픽셀 영역 및 스크라이브 레인; 상기 픽셀영역에 해당하는 반도체 기판의 전면(Front side)측에 형성된 광감지부; 상기 반도체 기판의 전면과 반대되는 후면(Back side)측에서 상기 스크라이브 레인에 형성되고 상기 반도체 기판의 후면측의 표면보다 돌출된 포토 키; 및 상기 광 감지부에 대응하도록 상기 패시베이션층 상에 형성된 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 포함한다.
이미지 센서, 후면수광 이미지 센서, 컬러필터

Description

후면수광 이미지 센서 및 그 제조방법{BACKSIDE ILLUMINATION IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
실시예는 후면수광 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지센서와 씨모스 이미지센서(Complementary Metal Oxide Silicon Sensor: CIS)로 구분된다.
일반적으로 이미지 센서에서 기판에 포토다이오드(Photodiode)를 이온주입 방식으로 형성시킨다. 칩사이즈(Chip Size) 증가 없이 픽셀(Pixel) 수 증가를 위한 목적으로 포토다이오드의 사이즈가 점점 감소함에 따라 수광부 면적 축소로 이미지 특성(Image Quality)이 감소하는 경향을 보이고 있다.
또한, 수광부 면적 축소만큼의 적층높이(Stack Height)의 감소가 이루어지지 못하여 에어리 디스크(Airy Disk)라 불리는 빛의 회절 현상으로 수광부에 입사되는 포톤(Photon)의 수 역시 감소하는 경향을 보이고 있다.
이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 웨이퍼 백사이드(Wafer Back Side)를 통 해 빛을 받아들여 수광부 상부의 단차를 최소화하고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 현상을 없애는 시도(후면 수광 이미지센서)가 이루어지고 있다.
후면 수광(Backside illumination) 이미지 센서는 기판의 전면에 수광소자외 배선공정을 진행한 후 기판의 후면을 일정한 두께로 제거하는 후면연마(back grinding) 공정을 진행한다.
그리고, 기판의 후면(backside) 상에 컬러필터 어레이(color filter array) 및 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성한다.
이러한 컬러필터 및 마이크로 렌즈는 단위픽셀의 포토다이오드에 얼라인이 필요하다.
후면 수광 기술의 경우 기판 후면 연마 시 금속으로 형성된 포토 얼라인먼트 키(photo alignment key)를 노출시킨 후 컬러필터 및 마이크로 렌즈 형성공정이 진행될 수 있다.
포토 얼라인먼트 키는 금속의 난반사가 주변의 실리콘보다 커서 단순히 얼라인먼트 키가 다른 부위보다 밝아 보이게 함으로서 식별하는 방식이다. 이 때문에 컬러필터와 같은 흡광율이 높은 막질을 얼라인먼트 키의 신호품질이 매우 떨어지는 문제가 있다.
후면수광 이미지 센서는 고화소 제품을 대상으로 개발되므로, 컬러필터 및 마이크로 렌즈의 정교한 얼라인이 요구된다.
실시예에서는 컬러필터 및 마이크로 렌즈의 얼라인 특성이 향상시킬 수 있는 후면수광 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 후면수광 이미지 센서는, 반도체 기판에 정의된 픽셀 영역 및 스크라이브 레인; 상기 픽셀영역에 해당하는 반도체 기판의 전면(Front side)측에 형성된 광감지부; 상기 반도체 기판의 전면과 반대되는 후면(Back side)측에서 상기 스크라이브 레인에 형성되고 상기 반도체 기판의 후면측의 표면보다 돌출된 포토 키; 및 상기 광 감지부에 대응하도록 상기 패시베이션층 상에 형성된 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 포함한다.
실시예에 따른 후면수광 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 픽셀 영역 및 스크라이브 레인을 정의하는 단계; 상기 픽셀영역에 해당하는 반도체 기판의 전면(Front side)측에 광감지부를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면과 반대되는 후면(Back side)측에서 상기 스크라이브 레인에 형성되고 상기 반도체 기판 후면측의 표면보다 돌출되도록 포토 키를 형성하는 단계; 상기 포토 키를 이용한 얼라인 공정을 통해 상기 픽셀 영역에 해당하는 상기 패시베이션층 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 및 상기 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 후면수광 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 기판의 제거에 의해 기판을 후면 노출 후 관통 비아 타입의 포토 키가 상기 기판의 후면보다 돌출될 수 있다.
이에 따라, 후속 공정으로 형성되는 컬러필터의 얼라인 시 돌출된 포토 키의 반사신호에 의하여 컬러필터 얼라인이 정교해질 수 있다.
또한, 컬러필터 형성을 위한 컬러 포토레지스트 코팅막은 상기 포토 키가 형성된 영역에서의 단차에 의한 두께 차이로 인한 반사 신호가 생기게 되므로 컬러필터 얼라인이 정교해질 수 있다.
이에 따라, 이미지 센서의 이미지 특성이 향상될 수 있다.
이하, 실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 8은 실시예에 따른 후면수광 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
실시예에 따른 후면수광 이미지 센서는, 반도체 기판(100)에 정의된 픽셀 영역 및 스크라이브 레인; 상기 픽셀영역에 해당하는 반도체 기판(100)의 전면(Front side)측에 형성된 광감지부(120); 상기 반도체 기판(100)의 전면과 반대되는 후면(Back side)측에서 상기 스크라이브 레인에 형성되고 상기 반도체 기판(100)의 후면 표면보다 돌출된 포토 키(150); 및 상기 광 감지부(120)에 대응하도록 상기 패시베이션층(170) 상에 형성된 컬러필터(190) 및 마이크로 렌즈(210)를 포함한다.
상기 포토 키(150)를 포함하는 상기 반도체 기판(100) 후면 표면 프로파일을 따라 라이너 산화막(160) 및 패시베이션층(170) 적층될 수 있다.
상기 반도체 기판(100)의 전면 상에 금속배선() 및 층간 절연막()을 포함하는 금속배선층(130)이 배치될 수 있다.
상기 포토 키(150)는 상기 반도체 기판(100)의 전면에서 연장된 관통 비아 타입의 포토 키(photo key)일 수 있다.
상기 포토 키(150)는 메탈(metal)로 형성되고, 상기 포토 키(150)는 적어도 하나 이상의 비아 키(151,152,153)를 포함할 수 있다.(도 6 참조)
실시예에 따르면, 상기 반도체 기판의 후면 상에 포토 키가 돌출된 형태로 형성되어 있으므로, 컬러필터의 얼라인먼트가 정교해질 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 후면수광 이미지 센서의 제조공정을 설명한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(100)의 전면(Front side)측에 단위화소 별로 광 감지부(120)가 형성된다.
상기 반도체 기판(100)은 고농도의 p형 기판(p++) 일 수 있다. 상기 반도체 기판(100)의 전면(Front Side)은 에피택셜(epitaxial) 공정을 실시하여 저농도의 p형 에피층(p-epi)을 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판(100)에는 소자분리막(110)이 형성되고 액티브 영역 및 필 드 영역이 정의될 수 있다.
상기 광 감지부(120)는 상기 반도체 기판(100)의 픽셀 영역에 형성될 수 있다.
상기 광 감지부(120)는 PNP 정션을 가지는 포토다이오드일 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 광 감지부(120)는 광전하를 신호처리하기 위한 리드아웃 서킷과 연결될 수 있다.
상기 반도체 기판(100)의 전면(Front side) 상에 배선 및 층간 절연층을 포함하는 금속배선층(130)이 형성된다.
상기 배선은 제1 메탈(M1) 및 제2 메탈(M2)을 포함한다. 도시되지는 않았지만, 상기 제1 메탈(M1) 및 제2 메탈(M2)은 각각의 비아 컨택(미도시)을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 배선은 단위픽셀 별로 형성되고, 각각의 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 픽셀 영역에서 배선형성 공정시 상기 픽셀 영역의 가장자리 영역인 스크라이브 레인에는 포토 키(150)가 형성될 수 있다.
상기 포토 키(150)는 상기 반도체 기판(100)의 전면측을 관통하고 상기 후면측의 깊은 영역까지 연장되도록 형성될 수 있다.
상기 포토 키(150)는 상기 배선 공정 중 비아홀 및 비아 컨택(미도시) 형성공정 진행 시 동시에 형성될 수 있다.
즉, 상기 포토 키(150)는 관통 비아 타입의 포토 키(through via type photo key)로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 포토 키(150)는 적어도 하나 이상의 비아키를 포함한다.
예를 들어, 상기 포토 키(150)는 제1 비아키(151), 제2 비아키(152) 및 제3 비아키(153)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 비아키(151,152,153)들은 배선 공정 중 최종 비아홀 형성시 상기 스크라이브 레인에 별도의 수퍼 비아홀(super via hole)을 형성한다. 그리고 상기 수퍼 비아홀에 알루미늄, 탄탈륨 및 텅스텐과 같은 금속물질의 갭필 공정을 통해 관통 비아 타입(Through silicon via type)으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 비아키 형성하기 위한 수퍼 비아홀 사이즈는 일반적인 배선 공정에 사용되는 비아홀 보다 적어도 2~50배 이상 큰 사이즈를 가질 수 있다.
상기 포토 키(150)는 상기 반도체 기판(100)의 후면 상에 형성되는 컬러필터(190) 및 마이크로 렌즈(210)를 형성할 때, 얼라인먼트(alignment) 역할을 할 수 있다.
따라서, 상기 포토 키(150)는 상기 반도체 기판(100)의 후면에 근접하도록 에피층까지 형성될 수도 있다.
도 2를 참조하여, 상기 반도체 기판(100) 전면(Front side)의 반대인 후면(Back side)의 일부를 제거한다.
예를 들어, 상기 반도체 기판(100)의 전면측의 반대측인 후면측에 대한 백 그라인딩(back grainding) 공정을 진행할 수 있다.
상기 반도체 기판(100)의 백그라인딩 공정을 통해 상기 반도체 기판(100)의 후면 일부가 일정깊이로 제거되고 상기 포토 키(150)가 노출될 수 있다.
또는, 상기 반도체 기판(100) 전면의 하부 영역에 형성된 이온주입층(미도시)을 기준으로 그 하측을 제거할 수 있다.
즉, 상기 이온주입층에 대한 열처리를 진행하여 수소이온을 기공화(bubble) 시킨 후 블레이드 등으로 컷팅하여 제거할 수 있다. 이후, 컷팅된 상기 반도체 기판(100)의 후면에 대한 평탄화 공정을 진행하고, 상기 포토 키(150)를 노출시킬 수도 있다.
따라서, 상기 반도체 기판(100)의 후면과 상기 포토 키(150)는 동일한 높이를 가질 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 반도체 기판(100)의 후면에 대한 리세스 공정(recess process)을 진행한다.
상기 리세스 공정을 통해 상기 반도체 기판(100)의 후면은 일정깊이로 제거되고, 상기 포토 키(150)의 일부는 상기 반도체 기판(100) 후면의 표면보다 돌출된 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체 기판(100)의 후면은 에치-백(etch back) 공정을 통해 제1 깊이로 식각될 수 있다.
이에 따라, 상기 포토 키(150)는 상기 반도체 기판(100) 후면의 제거된 높이만큼 돌출될 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 기판(100)의 노출된 후면 표면을 기준으로 상기 포토 키(150)는 제1 두께(D1)로 돌출될 수 있다.
상기 포토 키(150)를 이루는 제1 비아키(151), 제2 비아키(152) 및 제3 비아키(153)는 상기 반도체 기판(100)의 후면보다 제1 두께(D1)로 돌출될 수 있다.(도 6 참조)
도 4를 참조하여, 상기 포토 키(150)를 포함하는 상기 반도체 기판(100)의 후면 상에 라이너 산화막(160) 및 패시베이션층(170)을 형성한다.
상기 라이너 산화막(160)은 씬 산화막(thin SiO)으로 형성되고, 상기 반도체 기판(100) 후면의 단차를 따라 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(170)은 질화막(SiN)으로 형성되고, 상기 반도체 기판(100) 후면의 단차를 따라 형성될 수 있다.
따라서, 상기 라이너 산화막(160) 및 패시베이션층(170)은 상기 스크라이브 레인과 픽셀 영역에 대응하는 상기 반도체 기판(100)의 후면에서 단차를 가진 구조로 형성될 수 있다.
즉, 상기 포토 키(150)가 형성된 영역에서 상기 라이너 산화막(160) 및 패시베이션층(170)은 돌출될 수 있다.
실시예는 스크라이브 레인 단차가 있는 상기 포토 키(150)를 이용하여 컬러필터 및 마이크로 렌즈의 얼라인먼트 공정을 진행할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 상기 포토 키(150)에 의하여 단차가 형성된 패시베이션층(170) 상에 컬러필터 형성을 위한 컬러필터 감광막(180)을 코팅한다.
상기 컬러필터 감광막(180)은 상기 단차를 가지는 패시베이션층(170)의 단차를 따라 형성될 수 있다.
그리고, 얼라인 공정을 진행하여 단위픽셀에 대응하는 상기 패시베이션층(170) 상에 선택적으로 해당하는 컬러필터를 형성할 수 있다.
도 6은 도 5의 A영역을 확대한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 포토 키(150)의 제1, 제2 및 제3 비아키(151,152,153)의 단차가 상부의 라이너 산화막(160) 및 패시베이션층(170)의 상부에 전사되어 있는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 상기 얼라인 공정 시 상기 포토 키(150)가 돌출되어 있으므로, 금속 난반사에 의한 신호에 있어서 스크라이브 레인과 픽셀 영역은 차이가 발생하고, 컬러필터 얼라인이 효과적으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 포토 키(150)에 의하여 컬러필터 감광막(180) 코팅시 단차에 의한 상기 컬러필터 감광막의 두께 차이로 인한 반사 신호가 생기게 되므로 컬러필터 얼라인이 효과적으로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 단차가 있는 패시베이션층(170) 상에 컬러필터 감광막(color filter resist)를 덮으면 단차있는 패시베이션층(170)에 충분한 단차로 얼라인먼트 키(alignment key)가 형성되어 있으므로, 컬러필터 상부에도 얼라인먼트 키의 단차가 전사되어 얼라인먼트가 정교해질 수 있다.
실시예에 의하면, 반도체 기판(100)의 하측 제거에 의해 기판의 후면(back side) 노출 후 관통 비아 타입의 포토 키(through via type photo key)(150)가 상기 반도체 기판(100)의 후면 상으로 돌출될 수 있다.
이에 따라, 포토 키를 이용한 얼라인먼트하는 방법에 의해 얼라인먼트 일루 미네이션(alignment illumination)을 사용하는 장치에서 얼라인먼트가 정교해질 수 있다
도 7을 참조하여, 상기 단위화소에 대응하는 상기 패시베이션층(170) 상에 컬러필터(190)가 형성된다.
상기 컬러필터(190)는 상기 포토 키(150)에 의한 얼라인먼트를 통해 각각의 단위화소에 대응하도록 형성될 수 있다.
도 8을 참조하여, 상기 컬러필터(190) 상에 평탄화층(190)을 형성하고, 단위화소에 대응하도록 마이크로 렌즈(210)가 형성된다.
실시예에 따른 후면수광 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 기판의 제거에 의해 기판을 후면 노출 후 관통 비아 타입의 포토 키가 상기 기판의 후면보다 돌출될 수 있다.
이에 따라, 후속 공정으로 형성되는 컬러필터의 얼라인 시 돌출된 포토 키의 반사신호에 의하여 컬러필터 얼라인이 정교해질 수 있다.
또한, 컬러필터 형성을 위한 컬러 포토레지스트 코팅막은 상기 포토 키가 형성된 영역에서의 단차에 의한 두께 차이로 인한 반사 신호가 생기게 되므로 컬러필터 얼라인이 정교해질 수 있다.
이에 따라, 이미지 센서의 이미지 특성이 향상될 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 후면수광 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

Claims (10)

  1. 반도체 기판에 정의된 픽셀 영역 및 스크라이브 레인;
    상기 픽셀영역에 해당하는 반도체 기판의 전면(Front side)측에 형성된 광감지부;
    상기 반도체 기판의 전면과 반대되는 후면(Back side)측에서 상기 스크라이브 레인에 형성되고 상기 반도체 기판의 후면측의 표면보다 돌출된 포토 키; 및
    상기 광 감지부에 대응하도록 상기 패시베이션층 상에 형성된 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 포함하는 후면수광 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토 키를 포함하는 상기 반도체 기판 후면 표면 프로파일을 따라 형성된 라이너 산화막; 및
    상기 라이너 산화막의 표면 프로파일을 따라 형성된 패시베이션층을 더 포함하는 후면수광 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 전면 상에 형성된 금속배선층을 더 포함하고,
    상기 포토 키는 상기 금속배선층을 포함하는 반도체 기판의 전면에서 연장된 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포토 키는 메탈(metal)로 형성된 후면수광 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포토 키는 적어도 하나 이상의 비아 키를 포함하는 후면수광 이미지 센서.
  6. 반도체 기판에 픽셀 영역 및 스크라이브 레인을 정의하는 단계;
    상기 픽셀영역에 해당하는 반도체 기판의 전면(Front side)측에 광감지부를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판의 전면과 반대되는 후면(Back side)측에서 상기 스크라이브 레인에 형성되고 상기 반도체 기판 후면측의 표면보다 돌출되도록 포토 키를 형성하는 단계;
    상기 포토 키를 이용한 얼라인 공정을 통해 상기 픽셀 영역에 해당하는 상기 패시베이션층 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 및
    상기 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 얼라인 공정은,
    상기 스크라이브 레인에 해당하는 상기 반도체 기판의 포토 키가 노출되도록 상기 반도체 기판의 후면에 대한 백 그라인딩 공정을 진행하는 단계;
    상기 반도체 기판의 후면에 대한 에치-백 공정을 통해 상기 반도체 기판을 리세스(recess)시키고, 상기 포토 키가 상기 반도체 기판의 후면보다 돌출되는 단계;
    상기 포토 키를 포함하는 상기 반도체 기판의 후면 상에 라이너 산화막 및 패시베이션층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 픽셀영역과 스크라이브 레인에 해당하는 상기 라이너 산화막 및 패시베이션층은 단차가 형성되는 후면수광 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 포토 키는 적어도 하나 이상의 비아 키를 포함하는 후면수광 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 포토 키는 메탈로 형성되는 후면수광 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 전면 상에 금속배선 및 층간 절연막을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 포토 키를 형성하는 단계는,
    상기 금속배선 형성 시 상기 스크라이브 레인에 해당하는 상기 층간절연막 및 반도체 기판에 딥 비아홀을 적어도 하나 이상 형성하는 단계; 및
    상기 딥 비아홀에 금속층을 갭필하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지 센서의 제조방법.
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KR101495952B1 (ko) * 2011-11-28 2015-02-25 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 후면 조명 이미지 센서에 대한 암 전류 감소

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