KR100868653B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예의 이미지 센서는 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 하부배선이 형성된 층간 절연막; 상기 층간절연막에 상기 광감지 소자와 대응되는 위치에 형성된 마이크로렌즈; 및 상기 마이크로렌즈 사이의 갭 영역에 위치하며, 상기 층간절연막에 형성된 차단막을 포함한다.
실시예는 마이크로렌즈의 갭 영역으로 입사되는 광을 차단하여 크로스 토크 및 노이즈의 발생을 방지하여 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
씨모스 이미지 센서
Description
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 공정 단면도.
본 실시예는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
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)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
특히, 하나의 픽셀(화소)에 적색-녹색-청색(Red-Green-Blue) 중 1개의 색을 배열하던 기존의 방식에서 벗어나, 하나의 픽셀에 3가지 색 모두를 수직으로 배열 해 수평 구조의 이미지 센서보다 약 3배 수준의 고화질을 구현할 수 있는 버티칼(vertical) 이미지 센서가 개발된 바 있다.
상기 버티칼 이미지 센서는 별도의 컬러 필터 공정없이 다양한 색채를 표현할 수 있어 생산성을 높이고 생산 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
상기 버티칼 이미지 센서는 반도체 기판에 광 감지소자(photo diode)를 포함하는 단위화소와 상기 단위 화소로부터 신호를 처리하여 데이터화하는 로직회로 영역으로 구성되어 있다.
광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 영역이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 영역을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지 영역 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 영역으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 마이크로렌즈를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 상기 마이크로렌즈를 형성하더라도 굴절된 빛의 전부가 광감지 영역으로 모아지는 것은 아니다.
특히 마이크로렌즈에서 굴절된 빛이 광감지 영역 이외의 영역인 씨모스 회로 영역으로 입사되면 빛은 잡음 성분을 구성하게 되어 화질 저하를 발생시키므로 이미지 센서의 특성에 악영향을 주는 요소로 작용한다.
이를 위해, 단위 화소와 연결되는 금속배선이 형성된 금속배선층 및 보호층을 형성한 후, 상기 보호층 상부에 광 차단막이 부분적으로 형성되었으나, 공정순 서가 복잡하고 추가되는 공정으로 인하여 제조단가 증가 및 제품 수율 감소를 가져오게 된다.
실시예에서는 마이크로렌즈 형성시 단위픽셀의 씨모스 회로로 입사되는 광을 차단하여, 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
실시예의 이미지 센서는 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 하부배선이 형성된 층간 절연막; 상기 층간절연막에 상기 광감지 소자와 대응되는 위치에 형성된 마이크로렌즈; 및 상기 마이크로렌즈 사이의 갭 영역에 위치하며, 상기 층간절연막에 형성된 차단막을 포함한다.
또한 실시예의 이미지 센서 제조 방법은 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판 상에 하부배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 식각하고, 차단막을 형성하는 단계; 상기 차단막이 형성된 상기 층간절연막 상에 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 산화막을 식각하여 마이크로렌즈를 형성하는 것을 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 설명하도록 한다.
본 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 개재하 여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 도시하고 있다.
실시예의 이미지 센서는, 광감지 소자(20)를 포함하는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 하부배선이 형성된 층간 절연막(30); 상기 층간절연막(30)의 상단에 상기 광감지 소자(20)와 대응되는 위치에 형성된 마이크로렌즈(50); 상기 마이크로렌즈(50) 사이의 갭 영역에 위치하며, 상기 층간절연막(30)에 삽입되어 형성된 차단막(36) 및 상기 마이크로렌즈(50)가 형성된 영역 이외의 상기 층간절연막(30)상에 형성된 소자보호막(41)을 포함한다.
상기 광감지 소자(20)는 적색 광감지 소자(red photo diode), 녹색 광감지 소자(green photo diode) 및 청색 광감지 소자(blue photo diode)를 포함하여 형성된다.
상기 층간절연막(30)은 산화막으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 마이크로렌즈(50)는 상기 층간절연막(30)과 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 상기 마이크로렌즈(50)의 일부분은 상기 층간절연막(30)으로 형성될 수 있다.
상기 차단막(36)은 상기 마이크로렌즈(50)를 통과하지 않은 광은 차단함으로써 씨모스 회로 영역으로 광이 입사되는 것을 차단하여 크로스 토크 및 노이즈 발 생을 방지한다.
상기 차단막(36)은 Ti, TiN, W 중 어느 하나 또는 이들의 적층으로 형성될 수 있으며, 상기 차단막(36) 상에는 인접한 복수의 마이크로렌즈(50)가 접촉하여 형성될 수 있다.
상기 소자보호막(41)은 수분이나 외부의 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하며, 산화막으로 형성될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10)에 광감지 소자(20)를 포함하는 화소영역 및 주변 회로영역(미도시)이 형성되어 있다.
상기 화소영역은 광감지 소자(20) 및 상기 광감지 소자(20)에서 발생된 빛을 처리하는 씨모스 트랜지스터 구조물(미도시)이 포함된다.
상기 광감지 소자(20)는 적색 광감지 소자(red photo diode), 녹색 광감지 소자(green photo diode) 및 청색 광감지 소자(blue photo diode)를 포함하여 형성되므로, 하나의 화소에 3가지 색 모두가 수직으로 배열되어 고화질의 이미지를 구현할 수 있게 된다.
또한, 상기 광감지 소자(20)에 의해 별도의 컬러 필터 공정없이 다양한 색채를 표현할 수 있게 된다.
상기 화소 영역을 포함하는 반도체 기판(10) 상으로 금속배선(미도시)이 형성된 층간절연막(30)이 형성된다.
상기 금속배선은 전원라인, 신호라인 및 화소영역과 연결되는 것으로 상기 광감지 소자(20)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 추후 형성될 차단막 하부에 배치 될 수 있다.
상기 층간절연막(30)은 산화막으로 형성될 수 있으며, 이후 형성되는 마이크로렌즈와 같은 물질로 형성될 수 있다.
상기 금속배선이 형성된 층간절연막(30) 상에 제1산화막(40)을 증착한다.
이어서, 상기 제1산화막(40) 상에 제1포토레지스트 패턴(50)을 형성하고 상기 제1산화막을 식각하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 소자보호막(41)을 형성한다.
상기 소자보호막(41)은 수분이나 외부의 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위해 형성된다.
그리고, 애싱 공정을 실시하여 상기 제1포토레지스트 패턴(50)을 제거한다.
이어서, 상기 소자보호막(41)이 형성된 상기 층간절연막(30) 상에 제2포토레지스트 패턴(52)을 형성하고 상기 층간절연막(30)을 식각하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 층간절연막(30) 상부에 홈(34)을 형성한다.
그리고, 상기 홈(34) 내부에 차단막(36)을 증착한다.
상기 차단막(36)은 이후 형성되는 마이크로렌즈 사이의 갭 영역에 형성되는것이므로, 마이크로렌즈를 통과하지 않는 광을 차단할 수 있게 된다.
상기 차단막(36)은 스퍼터링(sputtering) 또는 CVD(chemical vapor deposition)의 공정으로 Ti, TiN, W 중 어느 하나 또는 이들의 적층으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 애싱 공정을 실시하여 상기 제2포토레지스트 패턴(52)을 제거한다.
이어서, 상기 소자보호막(41) 및 차단막(36)이 형성된 상기 층간절연막(30) 상에 HDP CVD(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) 공정을 진행하여 제2산화막(46)을 증착한다.
상기 제2산화막(46)은 상기 층간절연막(30)에 형성된 상기 홈(34)으로 인하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 굴곡을 가지고 형성된다.
그리고, 상기 제2산화막(46)의 모양을 유지하도록 등방성 식각을 진행하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈(50)를 형성한다.
따라서, 상기 마이크로렌즈(50)는 상기 층간절연막(30)의 일부분을 포함하여 형성된다.
상기 식각은 반응이온식각(reactive ion etch) 공정을 진행하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 마이크로렌즈(50)는 이웃하는 마이크로렌즈와의 브리지(bridge) 또는 머지(merge)현상을 방지하기 위하여 상기 마이크로렌즈(50) 사이에는 갭이 형성될 수 있다.
상기 마이크로렌즈(50)가 형성됨과 동시에 형성되는 상기 마이크로렌즈(50) 사이의 갭 영역에는 상기 차단막(36)이 위치하게 된다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 차단막(36) 상에는 인접한 복수의 마이크로렌즈(50)가 접촉하여 형성된다.
본 실시예에서는 상기 마이크로렌즈(50)의 갭 영역에 해당하는 위치에 상기 차단막(36)이 형성되어 있으므로, 광이 상기 마이크로렌즈(50)의 갭 영역으로 입사되면 상기 차단막(36)으로 도달하게 된다.
따라서, 상기 광감지 소자(20)로 입사되는 것이 방지되어, 상기 마이크로렌즈(50)를 경유하지 않은 광은 광감지 소자(20)로 입사되지 않게 되어 이미지 센서의 광감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로렌즈(50)의 갭 영역 사이로 입사되는 광을 상기 차단막(36)에 의해 차단하여, 반도체 기판(10)에 배치된 포토다이오드의 노이즈 및 크로스 토크의 발생을 사전에 차단하여 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래 마이크로렌즈 형성용 포토레지스트로 패턴을 형성하고 리플로우(reflow) 공정을 진행하여 마이크로렌즈를 형성하는 것과 달리, 식각 공정과 동시에 마이크로렌즈가 형성되어, 포토레지스트에 의한 오염에서 벗어날 수 있다.
또한, 상기 마이크로렌즈(50)와 광감지소자(20)와의 거리가 짧아짐에 따라, 이미지 센서의 크기 또한 작아질 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
실시예는 마이크로렌즈의 갭 영역으로 입사되는 광을 차단하여 크로스 토크 및 노이즈의 발생을 방지하여 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래 마이크로렌즈 형성용 포토레지스트로 패턴을 형성하고 리플로우(reflow) 공정을 진행하여 마이크로렌즈를 형성하는 것과 달리, 식각 공정과 동시에 마이크로렌즈가 형성되어, 포토레지스트에 의한 오염에서 벗어날 수 있다.
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- 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판 상에 하부배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 층간절연막 상의 상기 광감지 소자와 대응되는 영역에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 층간절연막에 제1식각공정을 진행하여 상기 층간절연막에 홈을 형성하는 단계;상기 홈의 바닥면에 차단막을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계;상기 홈의 바닥면에 상기 차단막이 형성된 상기 층간절연막 상에 산화막을 형성하는 단계; 및상기 산화막에 제2식각공정을 진행하여 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하며,상기 제2식각공정으로 상기 차단막의 일부가 드러나는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 차단막은 상기 마이크로렌즈 사이의 갭 영역에 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항 또는 제5항에 있어서,상기 차단막은 Ti, TiN, W 중 어느 하나 또는 이들의 적층으로 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 제2식각공정은 반응이온식각 공정을 통하여 등방성 식각으로 진행되는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 층간절연막과 상기 산화막은 동일한 물질로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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