KR100660323B1 - 시모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패드보호막을 두껍게 형성하고, 마이크로 렌즈 형성 전에 패드보호막을 제거하여 마이크로 렌즈의 불량도 방지 및 백색 균일성을 확보하여 제품의 품질과 수율을 개선한 시모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 활성영역과 패드 영역을 갖는 반도체 기판의 패드 영역상에 금속패드를 형성하는 단계와, 상기 금속패드를 포함하여 상기 반도체 기판의 전면에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 금속패드 영역의 상기 절연막을 식각하여 상기 금속 패드가 노출되도록 개구를 형성하는 단계와, 상기 개구를 포함하는 상기 절연막 상에 패드보호막을 형성하는 단계와, 상기 금속패드가 형성되지 않은 영역의 상기 패드보호막 상에 컬러필터층과 상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층을 마스크로 상기 패드보호막을 제거하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
시모스 이미지 센서, 패드보호막, 마이크로 렌즈

Description

시모스 이미지 센서의 제조방법{method for manufacturing of CMOS image sensor}
도 1 내지 도 4는 종래 기술의 시모스 이미지 센서 제조 방법의 공정 단면도
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조 방법의 공정 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 금속패드 102 : 산화막
104 : 질화막 106 : 패드보호막
108 : 컬러필터 배열층 200 : 평탄화층
202 : 마이크로 렌즈
본 발명은 시모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 패드보호막을 두껍게 형성하고, 마이크로 렌즈 형성 전에 패드보호막을 제거하여 마이크로 렌즈의 불량도 방지 및 백색 균일성을 확보하여 제품의 품질과 수율을 개선한 시모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS:metal-oxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD:charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 시모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 시모스(CMOS:complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그날 처리칩 들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지탈 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. 이중결합소자(CCD)가 전문공정을 통하여 제조하지만, 시모스 이미지 센서는 이중결합소자보다 가격이 저렴한 실리콘 웨이퍼(Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.
시모스 이미지 센서의 광감도(Light sensitivity)를 향상시키기 위해 이미지 센서에서 광감지 부분이 차지하는 필 팩터(Fill Factor)를 크게 하려고 시도하고 있지만, 신호 처리를 위한 로직 회로 부분으로 인해 면적이 제한되어 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 입사광의 감도를 높여주기 위하여 광감지 소자(Photo Diode) 이외의 영역으로 입사하는 광의 경로를 변경하여 광감지 소자 부분으로 집광하는 마이크로 렌즈 형성 기술이다.
시모스 이미지 센서는 디지털 카메라, 이동통신 단말기, 비디오폰, 컴퓨터 카메라 등에 광범위하게 쓰이고 있는 제품으로, 금속패드 및 소자보호막 공정 후에 컬러필터(color filter) 및 마이크로 렌즈(micro lens)공정을 진행하여 제조를 완료하는 데, 이 공정들이 제품의 수율 및 특성에 중요한 영향을 미친다.
이미지 센서의 금소 패드를 개구한 후에 컬러필터 및 평탄화층 형성 공정을 진행하는 데 이들은 모두 포토(photo) 공정이라 금속패드를 보호하는 공정이 적용되지 않는 다면 개구된 금속패드 상에 현상액이 접촉되면서 플루오린(Fluorine) 이온(ion)과 반응하여 금속을 부식하기도 하고, 금속 오염을 발생시켜 프로브 테스트(probe test)시 소프트 프로빙(soft probing)을 방해하게 된다. 결국 하드 프로빙(hard probing)으로 테스트를 실시하면 금속 입자(metal particle)를 많이 유발시키게 되어 딤3(Diminish3) 페일(fail) 및 기능불량(function fail)등을 발생시켜 웨이퍼 레벨의 수율저하는 물론 패키지에서도 와이어본딩(wire bonding)등과 관련한 패키지 레벨(package level)의 수율 저하도 야기시키게 된다.
이런 문제를 해결하기 위해 후속 포토공정으로부터 금속패드를 보호해 주는 공정들이 개발되어 적용 중인데 그 중 하나가 개구된 금소패드 상에 컬러필터 공정 전에 PE(Plasma Enhanced) TEOS층을 얇게 증착하여 컬러필터 및 마이크로 렌즈 공정진행 후 금속패드영역을 포함한 감광막이 도포되지 않은 영역의 PE TEOS층을 식각하는 방식이다. 이때 패드보호막으로 사용되는 PE TEOS를 증착하는 이유는 PE TEOS막을 식각하여 마이크로 렌즈에 가해지는 물리적인 플라즈마 손상을 최소화하여 렌즈형태의 불량을 최소화하기 위해서다.
이를 보다 자세히 설명하면, 금속패드가 개구된 이후에는 포토공정 진행을 가급적 진행하지 않기 위해 금속패드 상에 PE TEOS 제거를 마지막 포토공정인 마이크로 렌즈 공정 후에 진행하게 되어 마이크로 렌즈의 두께를 보다 두껍게 하여도 패드보호막의 물리적 손상으로 인해 렌즈변형 및 이미지 균일성에 안 좋은 영향을 미치게 되며, 패드보호막의 두께가 두꺼울수록 이 영향이 커진다.
그리고 패드보호막으로 사용되는 PE TEOS 두께가 얇을 경우에는 증착시 두께균일성이 나빠져서 이미지 센서의 광 테스트(optic test) 중의 하나인 백색 균일성치(white uniformity value)에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.
여기에 기술하는 종래 기술은 패드보호막으로서 약 500Å 이하의 얇은 PE TEOS 증착막을 사용하는 경우이다. 백색균일성(white uniformity)은 픽셀의 중앙 블럭과 주변 블럭간의 이미지차이 정도를 나타내는 용어이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 4는 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법의 공정단면도이다.
도 1과 같이, 반도체 기판(도시하지 않음) 상에 제 1 에피층(도시하지 않음)이 성장시키고, 제 1 에피층에 적색 광감지 소자(red photo diode)(도시하지 않음)를 형성한 후, 적색 광감지 소자를 포함하는 제 1 에피층 상에 제 2 에피층(도시하 지 않음)을 성장시키고, 제 2 에피층에 녹색 광감지 소자(도시하지 않음)를 형성한다. 그리고 녹색 광감지 소자를 포함하는 제 2 에피층 상에 제 3 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 3 에피층에 청색 광감지 소자(도시하지 않음)와 필드간의 절연을 위하여 트렌치를 형성하고 절연물질을 충진시킨 STI(shallow trench isolation)(도시하지 않음)를 형성한다.
그리고 제 3 에피층 상에 제 1 층간절연막(도시하지 않음)을 적층하고 제 1 층간절연막 상에 제 1 금속층(도시하지 않음)을 형성하고 패터닝하여 제 1 금속배선(도시하지 않음)을 형성한다. 제 1 층간절연막과 제 1 금속배선 공정은 수차례 반복하여 필요한 금속배선을 적층한다. 최종적으로 적층된 층간절연막 상에 제 2 층간절연막(도시하지 않음)을 적층하고, 제 2 층간절연막 상에 제 2 금속층(도시하지 않음)을 형성하고 패터닝하여 제 1 금속배선과 금속패드(10)를 형성한다.
금속패드(10)를 포함한 제 2 층간절연막 상에 소자보호막으로 사용하는 산화막(12)을 적층하고 평탄화를 위한 시엠피(CMP :chemical mechanical polishing) 공정을 진행한 후, 그 위에 다시 소자보호막으로 사용하는 질화막(14)을 증착한다. 질화막(14) 상에 감광막(도시하지 않음)을 도포하고 노광 및 현상하여 금속패드(10) 영역을 개구하는 감광막패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 감광막 패턴을 마스크로 산화막(12)과 질화막(14)을 식각하여 금속패드(10)를 노출시킨다.
도 2와 같이, 이 후에 진행되는 적색, 녹색, 그리고 적색의 컬러 필터 배열(color filter array), 평탄화(planarization), 그리고 마이크로 렌즈(microlens) 공정 중에 개구되어 있는 금속패드(10)를 오염(contamination)으로부터 보호하기 위해 PE TEOS막을 패드보호막(16)으로 증착한다. 패드보호막(16)의 두께는 약 500A를 넘지 않으며, 금속패드(10) 상의 플루오린(F)과 같은 이온(ion)을 제거할 목적으로 열처리(thermal curing) 공정을 진행한다.
도 3과 같이, 패드보호막(16) 상에 청색, 녹색, 적색의 컬러필터 배열층(color filter array)(18)을 형성하고, 컬러필터 배열층(18)을 포함하는 패드보호막(16) 상에 평탄화층(planarization layer)(20)을 형성한다. 그리고 평탄화층(20) 상에 마이크로 렌즈(microlens)(22)를 형성한다. 마이크로 렌즈(22)를 형성할 때 블리치(bleach)라고 하는 열 리플로우(thermal reflow)공정이 포함된다.
도 4와 같이, 플라즈마 건식식각(plasma dry etch) 공정으로 패드보호막(16)을 제거한다. 최종적으로 패드보호막(16)이 제거되면서 플라즈마 건식식각이 없을 때에 비해 상대적으로 불량한 형태의 마이크로 렌즈(22)가 형성된다.
이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서를 제조하면, 소자보호막 공정 후에 패드보호막(16)의 두께가 얇아서 상대적으로 소자의 증착 균일성이 저하되고 이미지 센서의 백색 균일성(white uniformity) 특성을 악화시키는 문제와 함께 마이크로 렌즈를 형성하고 식각되는 패드보호막(16)의 식각공정으로 인해 마이크로 렌즈(22a)의 형태가 불량해지면서 렌즈 쉐이딩(lens shading) 현상 등 이미지 특성에 좋지 않은 영향을 준다. 또한 백색 균일성도 열화(degradation)시켜 수율 및 품질저하가 유발되게 된다.
소자 내에서 중심 픽셀 블록(center pixel block)과 주변 픽셀 블록(edge pixel block) 간의 색신호(color signal)의 최소와 최대를 비교하는 백색 균일성은 마이크로 렌즈(22)나 마이크로 렌즈(22) 아래층의 변화에 민감하게 변하는 값으로 컬러필터 아래층인 패드보호막(16)의 상대적으로 좋지 않은 증착 균일성(uniformity)에 의해 특성이 저하될 수 있고, 마이크로 렌즈(22)를 형성한 후 패드보호막(16)의 제거하는 과정에서의 불량한 형태를 가지는 마이크로 렌즈(22)의해 백색 균일성 불량률(white uniformity fail rate)이 증가한다. 이로 인해 저수율 현상 및 각종 이미지 특성의 저하로 인한 품질 문제가 동시에 나타날 수 있게 된다.
이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.
즉, 소자보호막 공정 후에 패드보호막의 두께가 얇아서 상대적으로 소자의 증착 균일성이 저하되고 이미지 센서의 백색 균일성(white uniformity) 특성을 악화시키고, 마이크로 렌즈를 형성한 후에 패드보호막을 식각하여 마이크로 렌즈의 형태가 불량해지면서 역시 백색 균일성(white uniformity) 특성을 악화시키게 되며, 렌즈쉐이딩(lens shading) 현상 등 이미지 특성에 좋지 않은 영향을 주는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법의 문제를 해결하기 위한 것으로 패드보호막을 두껍게 형성하고, 마이크로 렌즈 형성 전에 패드보호막을 제거하여 마이크로 렌즈의 불량도 방지 및 백색 균일성을 확보하여 제품의 품질과 수율을 개선한 시모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 그 목적 이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법은 활성영역과 패드 영역을 갖는 반도체 기판의 패드 영역상에 금속패드를 형성하는 단계와, 상기 금속패드를 포함하여 상기 반도체 기판의 전면에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 금속패드 영역의 상기 절연막을 식각하여 상기 금속 패드가 노출되도록 개구를 형성하는 단계와, 상기 개구를 포함하는 상기 절연막 상에 패드보호막을 형성하는 단계와, 상기 금속패드가 형성되지 않은 영역의 상기 패드보호막 상에 컬러필터층과 상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층을 마스크로 상기 패드보호막을 제거하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 패드보호막은 약 800 ~ 1200Å 정도인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 절연막은 산화막과 산화막 상의 질화막으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5 내지는 도 9는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 5와 같이, 반도체 기판(도시하지 않음) 상에 제 1 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 1 에피층에 적색 광감지 소자(red photo diode)(도시하지 않음)를 형성한 후, 적색 광감지 소자를 포함하는 제 1 에피층 상에 제 2 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 2 에피층에 녹색 광감지 소자(도시하지 않음)를 형성한다. 그리고 녹색 광감지 소자를 포함하는 제 2 에피층 상에 제 3 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 3 에피층에 청색 광감지 소자(도시하지 않음)와 필드 간의 절연을 위하여 트렌치를 형성하고 절연물질을 충진시킨 STI(shallow trench isolation)(도시하지 않음)를 형성한다.
그리고 제 3 에피층 상에 제 1 층간절연막(도시하지 않음)을 적층하고 제 1 층간절연막 상에 제 1 금속층(도시하지 않음)을 형성하고 패터닝하여 제 1 금속배선(도시하지 않음)을 형성한다. 제 1 층간절연막과 제 1 금속배선 공정은 수차례 반복하여 필요한 금속배선을 적층한다. 최종적으로 적층된 층간절연막 상에 제 2 층간절연막(도시하지 않음)을 적층하고, 제 2 층간절연막 상에 제 2 금속층(도시하지 않음)을 형성하고 패터닝하여 제 1 금속배선과 금속패드(100)를 형성한다.
금속패드(100)를 포함한 제 2 층간절연막 상에 소자보호막으로 사용하는 산화막(102)을 적층하고 평탄화를 위한 시엠피(CMP :chemical mechanical polishing) 공정을 진행한 후, 그 위에 다시 소자보호막으로 사용하는 질화막(104)을 증착한다.
여기서, 상기 산화막(102)으로는 USG HDP(Undoped Silica Glass High Density Plasma)막 등을 사용하고, 상기 질화막(104)으로는 PECVD SiN 등을 사용한 다.
이어, 상기 질화막(104) 상에 감광막(도시하지 않음)을 도포하고 노광 및 현상하여 금속패드(100) 영역을 개구하는 감광막패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 감광막 패턴을 마스크로 산화막(102)과 질화막(104)을 식각하여 금속패드(100)를 노출시킨다.
도 6과 같이, 이 후에 진행되는 적색, 녹색, 그리고 적색의 컬러 필터 배열(color filter array), 평탄화(planarization), 그리고 마이크로 렌즈(microlens) 공정 중에 개구되어 있는 금속패드(100)를 오염(contamination)으로부터 보호하기 위해 PE TEOS막을 패드보호막(106)으로 증착한다.
패드보호막(106)의 두께는 종래 500A를 넘지 않았던 기술에 비해 약 2배 이상되는 두께(약 800 ~ 1200Å)로 증착한다. 이러한 증착 두께로 인해 균일성이 향상된다. 그리고 금속패드(100) 상의 플루오린(F)과 같은 이온(ion)을 제거할 목적으로 열처리(thermal curing) 공정을 진행한다.
도 7과 같이, 패드보호막(106) 상에 청색, 녹색, 적색의 컬러필터 배열층(color filter array)(108)을 형성하고, 컬러필터 배열층(108)을 포함하는 패드보호막(106) 상에 평탄화층(planarization layer)(200)을 형성한다. 평탄화층(200)의 공정은 평탄화층(200)으로 사용하는 감광막을 종래 기술보다 약 0.1㎛ ~ 0.2㎛ 증가시켜 도포한 상태에서 현상한다.
도 8과 같이, 평탄화층(200)을 마스크로 하여 플라즈마 건식식각(plasma dry etch) 공정에 의해 평탄화층(200)이 없는 영역의 패드보호막(106)을 제거한다. 패 드 보호막(106)을 제거할 때 평탄화층(200)에 약간의 손상(damage)이 가해지지만 평탄화층(200)은 두껍게 도포되고 평탄화된 감광막으로, 그 형태가 중용한 마이크로 렌즈를 형성하는 감광막에 가해지는 영향과는 비교할 바가 못된다. 즉 평탄화층 이때 패드보호막(106)이 제거되어 금속패드(100)가 노출된 상태에서 마이크로 렌즈(200)에 가해진 식각공정의 영향은 마이크로 렌즈위에서 가해진 식각공정의 영향과 비교해 볼 때 이미지 센서의 이미지 특성에 미치는 영향이 미약하다.
도 9와 같이, 평탄화층(200) 상에 마이크로 렌즈(202)를 형성한다. 이때 패드보호막(106)이 제거되어 금속패드(100)가 노출된 상태에서 마이크로 렌즈(202)를 형성하는 공정을 진행하지만 연속되는 노광공정이 아니기 때문에 금속패드의 오염은 발생하지 않는다.
이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 패드보호막을 두껍고 균일하게 형성함으로써 백색 균일성 특성을 개선하고, 수율저하를 방지하고, 마이크로 렌즈를 형성하기 전에 패드보호막을 식각하여 종래와 같이 마이크로 렌즈에 가해지는 손상을 방지하여 백색 균일성 특성을 포함한 이미지 품질을 개선함과 동시에 수율 저하를 방지할 수 있다.

Claims (9)

  1. 활성영역과 패드 영역을 갖는 반도체 기판의 패드 영역상에 금속패드를 형성하는 단계;
    상기 금속패드를 포함하여 상기 반도체 기판의 전면에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 금속패드 영역의 상기 절연막을 식각하여 상기 금속 패드가 노출되도록 개구를 형성하는 단계;
    상기 개구를 포함하는 상기 절연막 상에 약 800~1200A의 두께를 가진 패드보호막을 형성하는 단계;
    상기 패드보호막에 열처리를 하는 단계;
    상기 금속패드가 형성되지 않은 영역의 상기 패드보호막 상에 컬러필터층과 상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 평탄화층을 마스크로 상기 패드보호막을 제거하는 단계;
    상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연막은 산화막과 산화막 상의 질화막으로 구성되 는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 평탄화층을 형성하는 단계는 평탄화층으로 사용하는 감광막을 0.1 ~ 0.2㎛ 더 두껍게 도포한 상태에서 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 패드 보호막을 제거하는 단계는 상기 평탄화층을 마스크로 하여 플라즈마 건식 식각 공정에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 패드 보호막은 PE TEOS막을 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 산화막은 USG HDP막을 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 질화막은 PECVD SiN막을 포함하는 것을 특징으로 하 는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
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