KR100731101B1 - 시모스 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속간 절연막과 그 상부 절연막 사이의 접착력이 우수하고, 댕글링 본딩이 한층 강화된 시모스 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 반도체 기판에 트랜지스터 및 포토다이오드를 포함하는 하부 소자층을 형성하는 단계; 상기 하부 소자층 상에 하부 절연막을 형성하는 단계; 상기 하부 절연막 상에 상기 트랜지스터 및 포토다이오드의 전기적 연결을 위하여 금속 배선을 형성하는 단계; 상기 금속 배선을 포함하는 상기 하부 절연막 상에 금속간 절연막을 형성하는 단계; 상기 금속간 절연막에 대하여 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 방법을 통한 평탄화 공정을 수행하는 단계; 및 상기 CMP 공정 후, 상기 반도체 기판 전체에 대하여 수소(H2) 환경에서 어닐링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
시모스 이미지 센서, 금속간 절연막, 어닐링, 평탄화
Description
도 1a 내지 1b는 종래 기술에 따른 시모스 이미지 센서의 공정 단면도
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예에 따른 시모스 이미지 센서의 공정 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
200 : 하부 소자층 210 : 하부 절연막
220 : 금속 배선 230 : 층간 절연막
230a : 평탄화된 층간 절연막 240 : 상부 절연막
본 발명은 시모스 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로서, 특히 금속간 절연막과 그 상부 절연막 사이의 접착력이 우수하고, 댕글링 본딩이 한층 강화된 시모스 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 시모스(시모스; 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 시모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 상기 시모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 시모스 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 시모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 시모스 이미지 센서는 시모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한, 상기 시모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 시모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 상기 시모스 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 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 이들 포토다이오드와 각각의 트랜지스터들은 금속 배선을 통하여 전기적으로 연결되게 되는데, 근래에는 소자의 집적도를 향상시키기 위하여 금속 배선을 적층하여 형성하는 방법을 택하고 있다. 이러한 적층 배선은 필히 CMP 공정을 수반하게 된다.
도 1a 내지 도 1b는 종래의 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판에 포토다이오드 및 트랜지스 터 등을 포함하는 하부 소자층(100)을 형성한다. 이러한 하부 소자층과 이 후에 형성될 금속 배선과의 전기적 절연을 위하여 하부 절연막(110)을 상기 하부 소자층(100) 상에 형성한다. 이어서, 상기 포토다이오드 및 트랜지스터 등의 전기적 연결을 위하여 상기 하부 절연막(110) 상에 금속 배선(120)을 형성한다. 이 후 계속되어 적층될 다른 금속 배선들과의 전기적 절연을 위하여 상기 금속 배선(120)을 포함하는 상기 하부 절연막(110) 상에 금속간 절연막(130)을 형성한다. 이 때, 상기 금속 배선(120) 패턴들로 인하여 상기 금속간 절연막(130)에는 단차가 발생하게 된다.
따라서, 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 단차가 발생한 상기 금속간 절연막(130)에 대하여 CMP 방식을 통한 평탄화 공정을 수행하여 평탄화된 금속간 절연막(130a)을 형성한다. 이어서, 시모스 이미지 센서의 특성 향상을 위하여 수소가 많이 포함된 산화막(140)을 상기 평탄화된 금속간 절연막(130a) 상에 형성하고, 신터링(sintering) 공정을 통해 수소 열처리를 수행함으로써 실리콘 표면과의 댕글링 본딩을 유도한다.
상기 CMP 공정은 웨이퍼 표면을 탄성의 연마패드가 형성된 연마기와 접촉시킨 상태에서 이들 사이에 연마액인 슬러리를 공급하면서, 연마기와 웨이퍼를 서로 반대 방향으로 회전시킴으로써 웨이퍼의 표면의 요철 부분을 화학적 및 기계적으로 평탄화시킨다.
그러나, CMP 공정 후에 평탄화된 금속간 절연막(130a) 상에 잔존하는 CMP 잔류물로 인하여 상기 평탄화된 금속간 절연막(130a)과 상기 수소가 많이 포함된 산 화막(140) 사이의 접착 특성이 저하되어 불량을 유발하는 문제점이 있다.
또한, 실리콘 기판과의 댕글링 본딩을 향상시키기 위하여 상기 수소를 많이 포함한 산화막(140)을 형성한 후에 수행되는 신터링 공정은 그 온도가 너무 높아 소자의 전체적 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 챔버를 오염시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속간 절연막에 대한 CMP 평탄화 공정을 수행한 후 CMP 잔류물을 효과적으로 제거함으로써 이 후에 형성되는 상부 절연막과의 접착력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 CMP 잔류물 제거시 실리콘 기판과의 댕글링 본딩도 함께 향상시킬 수 있는 시모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판에 트랜지스터 및 포토다이오드를 포함하는 하부 소자층을 형성하는 단계; 상기 하부 소자층 상에 하부 절연막을 형성하는 단계; 상기 하부 절연막 상에 상기 트랜지스터 및 포토다이오드의 전기적 연결을 위하여 금속 배선을 형성하는 단계; 상기 금속 배선을 포함하는 상기 하부 절연막 상에 금속간 절연막을 형성하는 단계; 상기 금속간 절연막에 대하여 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 방법을 통한 평탄화 공정을 수행하는 단계; 및 상기 CMP 공정 후, 상기 반도체 기판 전체에 대하여 수소(H2) 환경에서 어닐링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판에 포토다이오드 및 트랜지스터 등을 포함하는 하부 소자층(200)을 형성한다. 이러한 하부 소자층과 이 후에 형성될 금속 배선과의 전기적 절연을 위하여 하부 절연막(210)을 상기 하부 소자층(200) 상에 형성한다. 이어서, 상기 포토다이오드 및 트랜지스터 등의 전기적 연결을 위하여 상기 하부 절연막(210) 상에 금속 배선(220)을 형성한다.
이어서, 상기 금속 배선(220)의 전기적 절연을 위하여 상기 금속 배선(220)을 포함하는 상기 하부 절연막(210) 상에 금속간 절연막(230)을 형성한다. 상기 금속간 절연막(230)은 FSG(Fluorosilicate Glass) 또는 USG(Undoped Silicate Glass) 또는 저유전(low-K) 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 금속 배선(120) 패턴들로 인하여 상기 금속간 절연막(230)에는 단차가 발생하게 된다.
따라서, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 단차가 발생한 상기 금속간 절연막(230)에 대하여 CMP 방식을 통한 평탄화 공정을 수행하여 평탄화된 금속간 절연막(230a)을 형성한다. 이 때, CMP에 의한 평탄화 공정이 완료되면 상기 평탄화된 금속간 절연막(230a)의 표면 상에는 산화막 찌꺼기 및 플루오르(F)와 같은 CMP 잔류물이 잔존하게 된다. 이와 같은 CMP 잔류물은 상기 평탄화된 금속간 절연막(230a)과 이 후에 형성될 상부 절연막 사이의 접착 특성을 저해하는 요인으로 작용 하기 때문에 반드시 제거되어야 한다.
따라서, 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 평탄화된 금속간 절연막(230a)을 포함하는 반도체 기판 전체에 대하여 수소(H2) 환경에서 어닐링 공정을 수행한다. 상기 어닐링 공정은 200 내지 500 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 이와 같은 어닐링 공정을 통해 H2가 상기 CMP 잔류물인 잔류 산화막 찌꺼기 및 플루오르(F)와 각각 반응하여 H2O 및 HF로 증발됨으로써 CMP 잔류물이 제거된다.
또한, H2가 어닐링 과정에서 하부의 실리콘 기판으로 전이되면서 기판과의 댕글링 본딩(dangling bonding)을 강화시켜 결과적으로 시모스 이미지 센서의 특성을 향상시킨다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 평탄화된 금속간 절연막(230a)을 포함하는 반도체 기판 전체에 대하여 수소(H2) 환경에서 어닐링 공정을 수행함으로써, CMP 잔류물을 제거 및 소자의 댕글링 본딩 강화를 하나의 공정을 통해 달성할 수 있게 되는 것이다.
이어서, 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 시모스 이미지 센서의 특성 향상을 위하여 수소가 많이 포함된 산화막, 즉 SiH4 또는 d-TEOS(d-Tetraethoxysilane)와 같은 실란계 화합물로 이루어진 상부 절연막(240)을 상기 평탄화된 금속간 절연막(230a) 상에 형성한다. 상술한 바와 같이 상기 평탄화된 금속간 절연막(230a)의 표면 상에 존재하던 CMP 잔류물이 어닐링 공정을 통해 이미 제거되었기 때문에 상기 상부 절연막(240)과 상기 평탄화된 금속간 절연막(230a) 사이의 우수한 접착 특성을 달성할 수 있게 된다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 살펴보았으나, 본 발명의 기술적 범주를 벗어나지 않는 당업자에게 자명한 변형 내지 변화가 다양하게 존재할 것이기 때문에, 그러한 변형 내지 변화가 본 발명의 청구항 또는 그 균등물의 범위에 속한다면 본 발명의 기술적 범위에 해당하는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 금속간 절연막에 대한 CMP 평탄화 공정을 수행한 후 CMP 잔류물을 효과적으로 제거함으로써 이 후에 형성되는 상부 절연막과의 접착력을 향상시킬 뿐만 아니라, 이와 같은 CMP 잔류물 제거시 실리콘 기판과의 댕글링 본딩도 동시에 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- 반도체 기판에 트랜지스터 및 포토다이오드를 포함하는 하부 소자층을 형성하는 단계;상기 하부 소자층 상에 하부 절연막을 형성하는 단계;상기 하부 절연막 상에 상기 트랜지스터 및 포토다이오드의 전기적 연결을 위하여 금속 배선을 형성하는 단계;상기 금속 배선을 포함하는 상기 하부 절연막 상에 금속간 절연막을 형성하는 단계;상기 금속간 절연막에 대하여 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 방법을 통한 평탄화 공정을 수행하는 단계; 및상기 CMP 공정 후, 상기 반도체 기판 전체에 대하여 수소(H2) 환경에서 어닐링 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 어닐링 공정 후에, 상기 평탄화된 금속간 절연막 상에 상부 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속간 절연막은 FSG(Fluorosilicate glass) 또는 USG(Undoped Silicate Glass) 인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속간 절연막은 저유전(low-K) 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 상부 절연막은 실란(Silane)계 화합물인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 상부 절연막은 d-TEOS(d-Tetraethoxysilane)로 이루어진 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 어닐링 공정은 200 내지 500 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR100731101B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100806777B1 (ko) | 2006-11-29 | 2008-02-27 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000008283A (ko) * | 1998-07-11 | 2000-02-07 | 김영환 | 고체 촬상 소자 및 그 제조방법 |
| KR20030039250A (ko) * | 2001-11-12 | 2003-05-17 | 주식회사 하이닉스반도체 | 씨모스 이미지 센서의 제조방법 |
| KR20060000900A (ko) * | 2004-06-30 | 2006-01-06 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 중수소 어닐링을 적용한 이미지센서 제조방법 |
| KR20060010907A (ko) * | 2004-07-29 | 2006-02-03 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 광 포커싱 능력을 높일 수 있는 이미지센서 |
-
2005
- 2005-12-28 KR KR1020050132785A patent/KR100731101B1/ko not_active IP Right Cessation
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