KR100504563B1 - 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패드 프로빙(Pad probing) 시 발생하는 금속 패드 입자(metal pad particle) 발생을 감소시켜 수광 특성을 향상시킨 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계와, 상기 금속 패드를 포함한 기판 전면에 보호막을 형성하고 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드에 패드 오픈부를 형성하는 단계와, 상기 패드 오픈부를 포함하여 상기 기판 전면에 베리어층을 소정의 두께로 형성하는 단계와, 상기 액티브 영역의 상기 베리어층위에 R,G,B 칼라 필터층을 형성하는 단계와, 상기 각 칼라 필터층 상측에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 그리고 상기 패드 영역의 베리어층을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 패드 영역의 베리어층의 제거는 상기 마이크로 렌즈 형성과 동일한 공정으로 이루어지는 것이다.

Description

이미지 센서 제조 방법{Method for fabricating an image sensor}
본 발명은 CMOS 이미지 센서와 같은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 패드 프로빙(Pad probing) 시 발생하는 금속 패드 입자(metal pad particle) 발생을 감소시켜 수광 특성을 향상시킨 양호한 품질의 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다. 또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다. 즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 비교적 적은 전력 소모, 비교적 적은 포토공정 스텝 수에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다. 또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다. 따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이,액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개의 트랜지스터의 게이트 전극(120, 130, 140)이 형성된다. 즉 상기 게이트 전극(120)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(130)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(140)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다. 여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(120, 130, 140) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다. 따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.
상기에서 설명한 각 게이트 전극(120, 130, 140)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
이와 같이 패드를 구비한 각 신호 라인과 이 후에 진행되는 공정들에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 3e는 종래의 CMOS 이미지 센서의 각 신호라인 및 그 이후의 공정 단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100)에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(101)(예를 들면 산화막)을 형성하고, 상기 절연막(101)위에 각 신호 라인의 금속 패드(102)를 형성한다. 이 때, 상기 금속 패드(102)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다. 그리고, 상기 금속 패드(102)를 포함한 상기 절연막(101) 전면에 보호막(103)을 형성한다. 여기서 상기 보호막은 산화막 또는 질화막 등으로 형성한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(103)위에 감광막(104)을 형성하고, 사진석판술을 이용한 노광 및 현상하여 상기 금속 패드(102) 상측 부분을 노출시킨다. 그리고, 상기 감광막(104)을 마스크로 이용하여 상기 보호막(103)을 선택적으로 식각하여 상기 금속 패드(102)에 오픈부(105)를 형성한 후, 상기 감광막(104)을 제거한다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(103) 전면에 제 1 평탄화층(106)을 증착하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정을 이용하여 상기 금속 패드 부분을 제외한 부분에만 남도록 한다. 그리고, 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하는 상기 제 1 평탄화층(106)위에 차례로 청색 칼라 필터층(107), 녹색 칼라 필터층(108) 및 적색 칼라 필터층(109)을 형성한다. 여기서, 상기 각 칼라 필터층 형성 방법은, 해당 칼라 레지스트를 도포하고 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 각 칼라 필터층을 형성한다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라 필터층(107, 108, 109)을 포함한 기판 전면에 제 2 평탄화층(111)을 형성하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 상기 금속 패드 부분을 제외한 영역에만 남도록 한다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 평탄화층(111) 상의 각 칼라 필터층(107, 108, 109)에 대응하여 마이크로 렌즈(112)를 형성한다.
그리고, 이와 같이 제조된 CMOS 이미지 센서의 각 금속 패드(102)의 프로브 테스트(probe test)하여 접촉저항을 체크한 후, 이상이 없으면 외부 구동회로와 상기 금속 패드를 전기적으로 연결시킨다.
그러나, 상기와 같은 종래의 CMOS 이미지 센서 및 제조 방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 상기 금속 패드에 오픈부를 형성한 후, 상기 제 1 평탄화층 형성, 각 칼라 필터층 형성, 제 2 평탄화층 형성 및 마이크로 렌즈 형성 등의 공정이 진행된다. 따라서, 상기 금속 패드가 노출된 상태에서 상기 각 후속 공정이 진행되므로, 상기 후속 공정으로 인해 상기 금속 패드가 TMAH 계열의 알카리(alkali) 용액에 의해 데미지를 받아 경질(hard)의 알루미늄으로 변행되어 접촉 저항이 커지게 되고, 이로 인해 프로브 테스트 시 불량(fail) 발생률이 증가하게 된다.
또한, 프로브 테스트 시, 접촉 저항을 줄이기 위해 금속 패드 표면을 깍아내는 딥 프로빙(deep probing)을 실시하기도 하는데, 이 경우 상기 금속 패드 입자(particle)가 다량 발생하여 상기 입자들이 포토다이오드 기능을 마비시켜 수율을 저하시키게 된다.
종래에서, 상기 마이크로 렌즈까지 형성한 후, 상기 금속 패드 오픈부를 형성할 수도 있으나, 상기 칼라 필터층이 감광성 물질로 형성되기 때문에 마이크로 렌즈를 형성한 후 사진식각 공정을 이용하여 상기 금속 패드 오픈부를 형성하면 상기 칼라 필터층에 손상을 주기 때문에 상기 마이크로 렌즈까지 형성한 후 상기 금속 패드 오픈부 형성이 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 패드 오픈부를 형성한 후, 후 공정으로부터 상기 금속 패드를 보호하기 위해 상기 금속 패드 콘택 홀에 베리어층을 형성하여 금속 패드를 보호함으로써 접촉 저항을 감소시키고 나아가 수율을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지 센서와 같은 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계와, 상기 금속 패드를 포함한 기판 전면에 보호막을 형성하고 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드에 패드 오픈부를 형성하는 단계와, 상기 패드 오픈부를 포함하여 상기 기판 전면에 베리어층을 소정의 두께로 형성하는 단계와, 상기 액티브 영역의 상기 베리어층위에 R,G,B 칼라 필터층을 형성하는 단계와, 상기 각 칼라 필터층 상측에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 그리고 상기 패드 영역의 베리어층을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 패드 영역의 베리어층의 제거는 상기 마이크로 렌즈 형성과 동일한 공정으로 이루어짐에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 기판과 상기 금속 패드 사이에 절연막을 더 형성함에 특징이 있다.
상기 베리어층과 상기 칼라 필터층들 사이 및 상기 칼라 필터층들과 상기 마이크로 렌즈 사이에 각각 제 1, 제 2 평탄화층을 더 형성함에 특징이 있다.
삭제
상기 베리어층은 PE 산화막, PE TEOS 또는 PE 질화막으로 형성함에 특징이 있다.
상기 베리어층은 약 200Å 내지 600Å정도의 두께로 형성함에 특징이 있다.
상기 금속 패드는 알루미늄으로 형성함을 형성함에 특징이 있다.
삭제
상기 패드 영역의 베리어층을 제거한 후, N2 가스를 이용한 RIE 열처리(curing)을 실시하여 상기 금속 패드 표면에 잔존할 수 있는 부식성 물질을 제거하는 단계를 더 포함함에 특징이 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 공정 단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100)에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(101)을 형성하고, 상기 절연막(101)위에 각 신호 라인의 금속 패드(102)를 형성한다. 이 때, 상기 금속 패드(102)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다. 그리고, 상기 금속 패드(102)를 포함한 상기 절연막(101) 전면에 보호막(103)을 형성한다. 여기서 상기 보호막은 산화막 또는 질화막 등으로 형성한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(103)위에 감광막(104)을 형성하고, 사진석판술을 이용한 노광 및 현상하여 상기 금속 패드(102) 상측 부분을 노출시킨다. 그리고, 상기 감광막(104)을 마스크로 이용하여 상기 보호막(103)을 선택적으로 식각하여 상기 금속 패드(102)에 오픈부(105)를 형성한 후, 상기 감광막(104)을 제거한다.
그 후, 상기 보호막(103) 식각 시, 상기 노출된 금속 패드(102) 표면을 부식시킬 수 있는 물질(예컨대, 불소 이온(Fluorine))이 남아 있을 수 있으므로 이를 제거하기 위하여 1차 열처리(Curing)한다 (예컨대, 아웃 개싱(outgasing)).
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 금속 패드 오픈부(105)가 형성된 기판 전면에 베리어층(113)을 침착시킨다. 상기 베리어층(113)은 PE(plasma emhancement) 산화막, PE TEOS 또는 PE 질화막으로 형성하며, 두께는 약 200Å 내지 600Å정도로 한다.
도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 베리어층(113) 전면에 제 1 평탄화층(106)을 증착하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정을 이용하여 상기 금속 패드 부분을 제외한 부분에만 남도록 한다. 그리고, 각 포토다이오드 영역(도면에는 도시되지 않음)에 상응하는 상기 제 1 평탄화층(106)위에 차례로 청색 칼라 필터층(107), 녹색 칼라 필터층(108) 및 적색 칼라 필터층(109)을 형성한다. 여기서, 상기 각 칼라 필터층 형성 방법은, 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 각 칼라 필터층을 형성한다.
도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라 필터층(107, 108, 109)을 포함한 기판 전면에 제 2 평탄화층(111)을 형성하고 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 상기 금속 패드 부분을 제외한 영역에만 남도록 한다.
도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 평탄화층(111)상에 유전체 물질을 증착하고 사진 식각 공정으로 상기 유전체 물질을 선택적으로 제거하여 상의 각 칼라 필터층(107, 108, 109)에 대응하여 마이크로 렌즈(112)를 형성한다. 이 때, 별도의 마스크를 추가하지 않고, 상기 금속 패드(102) 상측부의 상기 베리어층(113)을 블랭킷 식각 등에 의해 동시에 제거한다.
그리고, 상기 베리어층(113)을 제거할 때, 상기 금속 패드(102) 표면에 상기 금속 패드를 부식 시킬 수 있는 불소 이온(Fluorine)과 같은 물질이 존재할 수 있기 때문에 N2 가스를 이용한 RIE 열처리(curing)을 실시하여 상기 금속 패드(102) 표면에 잔존하는 Fluorine 이온을 제거한다.
이와 같이 제조된 CMOS 이미지 센서의 각 금속 패드(102)의 프로브 테스트(probe test)하여 접촉저항을 체크한 후, 이상이 없으면 외부 구동회로와 상기 금속 패드를 전기적으로 연결시킨다.
또한, 위에서는 씨모스 이미지 센서를 예로 들어 본 발명의 이미지 센서의 제조 방법에 대해 설명하였지만, 이에 국한되지 않고 CCD 이미지 센서, CMOS 이미지 센서, 또는 CMOS 유사형(CMOS-like) 이미지 센서의 제조에 응용될 수 있음은 당업자에게 명백하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 금속 패드 오픈부를 형성하고, 이후 공정에서 현상액 또는 식각액으로부터 상기 금속 패드를 보호하기 위하여 상기 베리어층을 형성한 후, 나머지 공정을 수행하므로 상기 금속 패드가 부식되는 것을 방지하여 금속 패드의 접촉저항을 감소시킬 수 있다.
둘째, 상기와 같이 금속 패드의 접촉 저항이 감소되기 때문에 프로브 테스트 시, 금속 패드 표면을 깍아내는 딥 프로빙(deep probing)을 실시할 필요가 없으므로 금속 패드 입자(particle)에 의한 포토다이오드 기능이 마비됨을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서의 1 화소의 등가회로도
도 2는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 1 화소의 레이아웃도
도 3a 내지 3e는 종래의 CMOS 이미지 센서의 각 신호라인 및 그 이후의 공정 에 대한 단면도
도 4a 내지 4f는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 신호라인 및 그 이후의 공정에 대한 단면도
도면의 주요 부분에 대한 설명
100 : 반도체 기판 101 : 절연막
102 : 금속 패드 103 : 보호막
104 : 감광막 105 : 오픈부
106, 111 : 평탄화층 107, 108, 109 : 칼라 필터층
112 : 마이크로 렌즈 113 : 베리어층

Claims (9)

  1. 액티브 영역과 패드 영역으로 구분되는 기판상의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 금속 패드를 포함한 기판 전면에 보호막을 형성하고 상기 보호막을 선택적으로 제거하여 상기 금속 패드에 패드 오픈부를 형성하는 단계;
    상기 패드 오픈부를 포함하여 상기 기판 전면에 베리어층을 소정의 두께로 형성하는 단계;
    상기 액티브 영역의 상기 베리어층위에 R,G,B 칼라 필터층을 형성하는 단계;
    상기 각 칼라 필터층 상측에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 그리고
    상기 패드 영역의 베리어층을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 패드 영역의 베리어층의 제거는 상기 마이크로 렌즈 형성과 동일한 공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 금속 패드 사이에 절연막을 더 형성함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베리어층과 상기 칼라 필터층들 사이 및 상기 칼라 필터층들과 상기 마이크로 렌즈 사이에 각각 제 1, 제 2 평탄화층을 더 형성함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 패드를 오픈하고 상기 베리어층을 형성하기 전에 상기 금속 패드 표면을 부식시킬 수 있는 물질을 제거하기 위해 1차 열처리하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베리어층은 PE 산화막, PE TEOS 또는 PE 질화막으로 형성함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베리어층은 약 200Å 내지 600Å정도의 두께로 형성함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 패드는 알루미늄으로 형성함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 패드 영역의 베리어층을 제거한 후, N2 가스를 이용한 RIE 열처리(curing)를 실시하여 상기 금속 패드 표면에 잔존할 수 있는 부식성 물질을 제거하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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