KR20080097713A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는, 단위 화소를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상에 형성된 제1 보호막; 상기 제1 보호막 상에 형성된 제2 보호막; 및 상기 제2 보호막 상에 형성된 마이크로 렌즈가 포함된다.
이미지 센서, 씨모스 이미지 센서, 보호막
Description
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
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.
전하결합소자(CCD:Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxidee-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서, 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
씨모스(Complementay MOS) 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용 하여 화소(pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 화소를 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
최근에, 씨모스 이미지 센서의 픽셀수가 메가급으로 증가하면서 상대적으로 픽셀은 작은 크기로 형성되고 있다. 픽셀 크기의 감소는 픽셀 위에 형성되는 마이크로 렌즈의 크기에 제한을 일으켜 픽셀과 마이크로 렌즈의 포커스 길이(Focus length)도 제한을 받게 되었다.
특히, 이미지 센서의 제조 공정 중 BEOL(Back End Of Line) 공정에서 픽셀 상부에 형성되는 금속배선층 및 패시베이션층 등에 의해 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지 거리가 멀어져 입사광의 손실이 발생되는 문제가 있다.
따라서, 픽셀 상부의 회로를 구성하는 금속배선층 및 패시베이션층에 대한 제한이 요구된다.
실시예에서는 마이크로렌즈와 포토다이오드의 초점길이(Focal length)를 감소시켜 입사광이 손실을 줄임으로써 이미지 센서의 감도 및 수율을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예의 이미지 센서는, 단위 화소를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선을 포함하는 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상에 형성된 제1 보호막; 상기 제1 보호막 상에 형성된 제2 보호막; 상기 제2 보호막 상에 형성된 마이크로 렌즈가 포함된다.
또한, 실시예의 이미지 센서의 제조방법은, 단위 화소가 형성된 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 제1 보호막을 형성하는 단계; 상게 제1 보호막 상에 제2 보호막을 형성하는 단계; 및 상기 제2 보호막 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계가 포함된다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
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 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
실시예의 이미지 센서는, 단위 화소(20)를 포함하는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 금속배선(40)을 포함하는 층간 절연막(50); 상기 층간 절연막(50) 상에 형성된 제1 보호막(61); 상기 제1 보호막(61) 상에 형성된 제2 보호막(70); 상기 제2 보호막(70) 상에 형성된 마이크로 렌즈(90)가 포함된다.
상기 제1 보호막(61)은 1,000~5,000Å 두께의 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 제2 보호막(70)은 10~150Å 두께의 산질화막으로 형성될 수 있다.
상기 제2 보호막(70) 상에 컬러필터층(80) 및 평탄화층(미도시)이 형성될 수 있다.
상기 제1 보호막(61)과 제2 보호막(70)이 얇은 두께로 형성되어, 상기 단위화소(20)와 마이크로 렌즈(90) 사이의 초점거리가 감소되어 이미지 센서의 광 감도 를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 보호막(61) 상에 산질화막으로 형성된 제2 보호막(70)이 형성됨으로써 상기 제1 보호막(61)의 수분을 제거하여 마이크로 렌즈(90)를 통해 입사되는 광이 굴절되는 것을 방지하여 크로스 토크 및 노이즈를 개선할 수 있다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 공정 단면도이다.
도 1을 참조하여, 픽셀부 및 주변부가 형성된 반도체 기판(10) 상에는 금속배선(40)을 포함하는 층간 절연막(50)이 형성되어 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(10)에는 액티브 영역 및 필드 영역을 정의하는 소자분리막(미도시)이 형성되어 있다.
상기 반도체 기판(10)의 액티브 영역 상에 단위화소(20)가 형성되며, 상기 단위화소(20)는 입사된 빛을 감지하는 포토다이오드(미도시) 및 포토다이오드에서 발생된 전하를 처리하는 씨모스 회로(미도시)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단위화소(20)가 형성되는 영역은 픽셀부라 하고, 그외의 신호처리회로가 형성된 영역을 주변부라고 지칭한다.
상기 픽셀부 및 주변부가 형성된 반도체 기판(10) 상에 금속배선전 절연막(Pre-Metal Dielectric)(30)이 형성된다. 예를 들어, 상기 금속배선전 절연막(30)은 TEOS막 또는 BPSG막이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 금속배선전 절연막(30) 상에 금속배선층이 형성된다. 상기 금속배선층은 층간 절연막(50)과 상기 층간 절연막(50)을 관통하여 형성된 금속배 선(M1, M2)(40)으로 구성된다.
상기 금속배선층은 전원라인 및 신호라인과 단위화소(20) 및 주변 회로를 접속시키기 위한 것으로 복수의 층으로 형성될 수 있다. 즉, 층간 절연막(50)은 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 상기 층간 절연막(50)을 관통하는 상기 금속배선(40)도 복수개로 형성되어 전기적으로 접촉된 상태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 층간 절연막(50)은 SOG막 또는 산화막 물질로 형성될 수 있으며, 상기 금속배선(40)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함한 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐 등으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속배선(40)은 포토다이오드로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다.
그리고, 상기 금속배선(40) 중 최종 금속배선(M2)(40)의 형성시 패드(45)도 형성될 수 있다.
이어서, 상기 층간 절연막(50) 상에 보호막(60)이 형성된다.
상기 보호막(60)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 상기 최종 금속배선(40) 및 패드(45)를 포함한 층간 절연막(50) 상에 보호막(60)이 형성된다.
상기 보호막(60)은 산화막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 보호막(60)은 USG 또는 TEOS와 같은 산화막을 5,000~10,000Å의 두께로 증착하여 형성할 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 보호막(60)을 일정 두께로 제거함으로써 제1 보호 막(61)이 형성된다.
상기 제1 보호막(61)은 상기 보호막(60)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)방법에 의해 평탄화시키면서 식각한다. 예를 들어, 상기 보호막(60)에 평탄화 공정을 실시함으로써 상기 제1 보호막(61)은 1,000~5,000Å의 두께로 형성될 수 있다.
이는 상기 제1 보호막(61)의 두께가 얇을수록 상기 픽셀부의 포토다이오드와 후속의 공정으로 형성되는 마이크로렌즈 사이의 초점거리(focal length)가 감소되어 상기 포토다이오드의 수광율 및 광 감도가 개선되기 때문이다.
따라서, 상기 보호막(60)을 식각하여 약 3,000Å 두께를 갖는 제1 보호막(61)을 형성하는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 상기 제1 보호막(61) 상으로 질소가스(N2 gas)가 공급되어 제2 보호막(70)이 형성된다.
상기 제1 보호막(61)은 산화막으로 형성되어 수분이 존재할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 상기 제1 보호막(61) 상에 질소가스(N2 gas)를 공급하는 것이다. 즉, 상기 제1 보호막(61)인 산화막과 후속공정으로 형성되는 마이크로 렌즈 사이에 수분이 존재하면 굴절률(refractive index)이 달라져 입사되는 광이 포토다이오드 영역 이외의 영역으로 입사되어 크로스 토크 및 노이즈를 유발시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 상기 제1 보호막(61) 상에 플라즈마 증착 방법에 의하여 질소가스를 공급함으로써 상기 제1 보호막(61) 상에 제2 보호막(70)이 형성된다.
구체적으로, 플라즈마 증착용 챔버에 상기 제1 보호막(61)이 형성된 반도체 기판(10)을 장착시킨 후 10~500mtorr의 압력과 10~500sccm의 질소가스를 주입함으로써 상기 제1 보호막(61) 상에 산질화막으로 형성된 제2 보호막(70)이 형성된다.
상기와 같이 플라즈마 증착 공정에 의해 상기 제1 보호막(61) 상에는 제2 보호막(70)이 10~150Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기와 같이 질소가스에 의한 플라즈마 증착 공정에 의해 제1 보호막(61) 상에 산질화막으로 형성된 제2 보호막(70)이 형성됨으로써, 이후 형성되는 마이크로렌즈를 통해 입사되는 빛은 상기 제1 보호막(61)의 수분에 의한 굴절률 차이가 발생되지 않게 된다.
또한, 상기 제1 보호막(61)은 약 3,000Å의 두께로 형성되고 상기 제2 보호막(70)은 10~100Å의 두께로 형성되어 기존에 사용되는 보호막보다 그 두께가 감소되어, 이후 형성되는 마이크로렌즈와 포토다이오드와의 초점거리를 감소시켜 이미지 센서의 광감지율 및 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 보호막(70)은 제1 보호막(61) 형성시 사용했던 공정 챔버를 동일하게 사용함으로써 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 5를 참조하여, 상기 제2 보호막을 포함하는 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 패드 마스크(100)를 이용하여 상기 패드(45)의 상부 표면을 노출시킨다.
상기 패드 마스크(100)는 상기 제2 보호막(70)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 포토레지스트를 도포하고 패터닝한다. 그러면, 상기 패드 마스크(100)의 패드홀 에 의해 상기 패드 영역에 대응하는 부분의 상기 제2 보호막(70)의 상부 표면은 노출되고 나머지 영역은 상기 패드 마스크(100)에 의해 모두 덮힌 상태가 된다.
그리고, 상기 패드 마스크(100)를 식각 마스크로 사용하여 상기 패드(45) 상부의 제1 보호막(61) 및 제2 보호막(70)을 식각하여 패드 오픈홀(75)을 형성함으로써 상기 패드(45)를 노출시킬 수 있게 된다.
그리고, 상기 패드 마스크(100)를 제거하여 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 상기 패드(45)를 노출시킨다.
도 6을 참조하여, 상기 제2 보호막(70) 상에 컬러필터층(80) 및 마이크로 렌즈(90)가 형성된다.
상기 컬러필터층(80)은 컬러 이미지 구현을 위해 3색의 컬러필터로 형성되며, 상기 컬러필터를 구성하는 물질로는 염색된 포토레지스트를 사용하며 각각의 단위화소마다 하나의 컬러필터가 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 이러한 컬러필터는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 색으로 이루어져 인접한 컬러필터들은 서로 약간씩 오버랩되어 단차를 가질 수도 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 컬러필터층(80) 상에 평탄화층이 형성될 수 있다. 후속공정으로 형성될 마이크로렌즈는 평탄화된 표면 상에 형성되어야 하며, 이를 위해서는 컬러필터층(80)으로 인한 단차를 없애야 하므로, 상기 컬러필터층(80) 상에 평탄화층이 형성될 수 있다.
그리고 상기 컬러필터층(80) 상부로 돔 형태의 마이크로렌즈(90)가 단위화 소(20) 마다 형성된다.
상기와 같이 형성된 마이크로 렌즈(90)는 얇은 두께의 산화막으로 형성된 제1 보호막(61)과 상기 제1 보호막(61) 상부에 플라즈마 증착에 의하여 산질화막으로 형성된 제2 보호막(70) 상에 형성됨으로써, 상기 마이크로렌즈(90)의 굴절률의 변화없이 상기 단위화소(20)와의 초점거리는 감소되어 이미지 센서의 집광률 및 광 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
실시예의 이미지 센서 및 그 제조방법은, 보호막의 두께감소로 인하여 마이크로렌즈와 포토다이오드의 초점길이(Focal length)를 감소시켜 입사광이 손실을 줄임으로써 이미지 센서의 감도 및 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 제1 보호막 상부에 형성되는 제2 보호막은 플라즈마 증착에 의해 형성됨으로써 상기 제1 보호막의 수분을 제거하여 입사광의 굴절률을 감소시키면서 그 두께는 얇게 형성되어 광 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (10)
- 단위 화소를 포함하는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선을 포함하는 층간 절연막;상기 층간 절연막 상에 형성된 제1 보호막;상기 제1 보호막 상에 형성된 제2 보호막; 및상기 제2 보호막 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 보호막은 산화막으로 형성되고, 1,000~5,000Å의 두께로 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제2 보호막은 산질화막으로 형성되고, 10~150Å의 두께로 형성된 이미지 센서.
- 단위 화소가 형성된 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 층간 절연막 상에 제1 보호막을 형성하는 단계;상기 제1 보호막 상에 제2 보호막을 형성하는 단계; 및상기 제2 보호막 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 제1 및 제2 보호막을 형성하는 단계는,상기 층간 절연막 상에 산화막을 형성하는 단계;상기 산화막을 식각하여 제1 보호막을 형성하는 단계; 및상기 제1 보호막 상에 산질화막을 증착하여 제2 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 보호막은 CMP방법에 의해 식각되어 상기 제1 보호막은 1,000~5,000Å의 두께로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 제2 보호막은 플라즈마 공정에 의해 상기 제1 보호막 상부에 10~150Å의 두께로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 제2 보호막은 100~500sccm의 질소가스와, 10~500 mtorr의 압력에서 플 라즈마 공정에 의해 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 제1 보호막과 제2 보호막은 동일한 공정 챔버에서 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 제1 보호막은 USG막 또는 TEOS막으로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
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