KR20100070542A - 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그의 제조 방법이 개시된다. 웨이퍼의 후면에 위치한 수광부로 빛을 수광하는 후면 조사 방식(BSI)의 이 방법은, 수광부를 오버 폴리싱하여 매립된 슈퍼 비아의 상부 일부분을 돌출시키는 단계와, 돌출된 슈퍼 비아 및 수광부의 전면에 제1 절연막을 형성하는 단계와, 제1 절연막의 상부에 패드 영역을 노출시키는 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 제1 절연막을 식각하여, 돌출된 슈퍼 비아의 측면에 스페이서를 형성하는 단계와, 인접하는 스페이서들에 의해 수광부의 상부 표면이 모두 덮히도록, 스페이서와 슈퍼 비아 및 수광부의 전면에 제2 절연막을 형성한 후 제2 절연막을 전면 식각하는 공정을 반복적으로 수행하여 스페이서들의 넓이를 증가시키는 단계 및 패드 영역에 슈퍼 비아와 접촉하는 금속 패드를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 금속 패드와 실리콘 수광부 사이의 단락 현상을 방지할 수 있고, 일반적인 경우에서의 CMP 도중에 절연막이 깨지는 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
3D 이미지 센서, CMP
Description
본 발명은 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이미지 센서 중에서 전하 결합소자(CCD:charge coupled device)는 개개의 모스(MOS:metal-oxide-silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어(carrier)가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 씨모스(CMOS:complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭(switching) 방식을 채용하는 소자이다.
예컨대, CMOS 이미지 센서에서, 입사된 빛은 마이크로 렌즈(미도시)와 컬러 필터(미도시)를 경유하여 포토 다이오드(미도시)에 도달하게 된다. 따라서, 빛 에너지가 실리콘 내부에 전자와 홀을 생성시키고 이때 발생되는 전자를 전압으로 변환하여 읽어내고 이것이 영상으로 구현된다.
한편, 소자의 크기가 작아짐에 따라 픽셀(pixel)의 크기가 작아져서 빛을 받는 면적이 줄어 감도가 열화되는 현상이 발생할 수 있다. 이에 수광부 영역을 패시베이션(passivatioin) 영역의 상부에 형성시키는 3D(Dimension) 이미지 센서의 개발이 진행되고 있다.
이하, 3D 이미지 센서 중 BSI(bask-side Illumination)에 대한 대략적인 구조에 대해 다음과 같이 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
도 1은 일반적인 3D 이미지 센서의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 1에 도시된 이미지 센서(10)는 패시베이션층(30), 층간 절연막들(32, 34 및 36), 게이트 전극(40), 콘텍들(50), 금속층들(52), 슈퍼 비아(super via)(60), 컬러 필터(80) 및 금속 패드(pad)(90)로 구성된다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서용 웨이퍼(22)를 완성한 후, 뒤집어서 다른 웨이퍼(20)에 본딩한다. 이와 같이 본딩된 상태에서, 웨이퍼(22)의 후면(back-side)을 화학적 기계적 연마(CMP:Chemical Mechanical Polishing)하여 실리콘(Si) 수광부(70)의 두께를 수 ㎛ 수준으로 남긴다. 이 수광부(70)를 통해 픽셀에서 데이터가 읽혀지고, 슈퍼 비아(60)쪽으로 데이터가 독출된다.
전술한 이미지 센서의 경우, 슈퍼 비아(60)의 상부에 금속 패드(90)를 형성할 때 실리콘 기판(70)에 직접 형성하므로, 금속 패드(90)인 알루미늄(Al)과 실리콘 수광부(70) 사이가 전기적으로 단락(short)되는 문제가 발생한다.
도 2는 일반적인 다른 3D 이미지 센서에서 슈퍼 비아와 금속 패드간의 연결을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 전술한 도 1에 도시된 전술한 BSI 방식의 이미지 센서에서 야기되는 전기적 단락 현상을 막기 위해 슈퍼 비아인 플러그(plug)(62)를 수광부(72)의 상부로 돌출시킨다. 이후, 돌출된 수광부(72)의 상부에 절연막(100)을 증착하고 CMP를 통해 플러그(62)의 상부면이 절연막(100)의 상부로 노출되도록 한다. 이후, 노출된 플러그(62)의 상부 및 절연막(100)의 상부에 금속 패드(92)를 형성한다. 도 2에 도시된 수광부(72), 슈퍼 비아(62) 및 금속 패드(92)는 도 1에 도시된 수광부(70), 슈퍼 비아(60) 및 금속 패드(90)와 각각 동일한 역할을 수행한다.
그러나, 도 2에 도시된 이미지 센서에서 절연막(100)을 플러그(62)의 상부가 노출될때까지 CMP하는 도중에 웨이퍼(22)가 깨질(broken) 위험성이 존재하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 슈퍼 비아의 상부에 형성된 금속 패드와 슈퍼 비아가 매립된 실리콘 수광부 사이에 단락을 방지하면서 수광부가 형성된 웨이퍼의 깨짐 현상을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위해, 웨이퍼의 후면에 위치한 수광부로 빛을 수광하는 후면 조사 방식(BSI)의 본 발명에 의한 이미지 센서의 제조 방법은, 상기 수광부를 오버 폴리싱하여 매립된 슈퍼 비아의 상부 일부분을 돌출시키는 단계와, 상기 돌출된 슈퍼 비아 및 상기 수광부의 전면에 제1 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 절연막의 상부에 패드 영역을 노출시키는 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 제1 절연막을 식각하여, 상기 돌출된 슈퍼 비아의 측면에 스페이서를 형성하는 단계와, 인접하는 상기 스페이서들에 의해 상기 수광부의 상부 표면이 모두 덮히도록, 상기 스페이서와 상기 슈퍼 비아 및 상기 수광부의 전면에 제2 절연막을 형성한 후 상기 제2 절연막을 전면 식각하는 공정을 반복적으로 수행하여 상기 스페이서들의 넓이를 증가시키는 단계 및 상기 패드 영역에 상기 슈퍼 비아와 접촉하는 금속 패드를 형성하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 이루기 위해, 웨이퍼의 후면에 위치한 수광부로 빛을 수광 하는 후면 조사 방식(BSI)의 본 발명에 의한 이미지 센서는, 상기 수광부로부터 돌출된 형태로 패드 영역에 형성된 슈퍼 비아들과, 상기 슈퍼 비아들의 측부에 서로 인접하여 상기 수광부의 상부 표면을 모두 덮도록 형성된 스페이서들 및 상기 패드 영역에 상기 슈퍼 비아와 접촉하도록 형성된 금속 패드로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 이미지 센서 및 그의 제조 방법은 슈퍼 비아와 금속 패드 사이에 절연막을 개재하여 형성하므로 슈퍼 비아의 상부에 금속 패드를 형성하더라도 금속 패드와 실리콘 수광부 사이를 분리(isolation)시킬 수 있어 단락 현상을 방지할 수 있고, 절연막을 증착 및 식각하여 스페이서를 슈퍼 비아의 측부에 형성한 후, 절연막을 재차 형성하고 식각하는 공정을 복수 번 반복하여 스페이서 형태로 절연막을 CMP 공정에 의존하지 않고 형성할 수 있으므로 일반적인 경우에서의 CMP 도중에 절연막이 깨지는 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서를 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
본 발명의 설명에서 편의상 슈퍼 비아와 수광부만을 확대 도시하지만, 이들을 제외한 이미지 센서의 나머지 부분들은 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같은 단면도를 가짐은 물론이다. 또한, 본 발명에 의한 이미지 센서는 웨이퍼의 후면에 위 치한 수광부로 빛을 수광하는 후면 조사 방식(BSI)을 채택한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 이미지 센서의 수광부(210)는 실리콘으로 구현될 수 있으며 도 1에 도시된 수광부(70)와 동일한 기능을 수행한다. 슈퍼 비아(220)는 도 1에 도시된 슈퍼 비아(60)와 동일한 기능을 수행한다.
본 발명에 의한 슈퍼 비아들(220)은 수광부(210)로부터 돌출된 형태로 패드 영역(200 및 202)에 형성되어 있다. 수광부(210)로부터 돌출된 슈퍼 비아(220)의 높이(h)는 0.5㎛ 내지 1㎛일 수 있다. 여기서, 패드 영역(200 및 202)은 금속 패드(240)가 형성되는 영역을 의미한다.
스페이서들(230)은 슈퍼 비아들(220)의 측부에서 서로 인접하여 형성되어 있으며, 수광부(210)의 상부 표면을 모두 덮도록 형성되어 있다. 여기서, 스페이서(230)는 산화막일 수 있다. 금속 패드들(240)은 패드 영역(200 및 202)에서 노출된 슈퍼 비아(220)의 상부면과 접촉하도록 형성된다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 도 3에 도시된 이미지 센서의 제조 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 도 1에 도시된 웨이퍼(22)의 후면 시닝(back-side thinning) 과정에서, 수광부(210)를 오버 폴리싱(over polishing)하여 매립된 슈퍼 비아(220)의 상부 일부분을 돌출시킨다. 예를 들어, 슈퍼 비아(210)의 돌출된 상부 일부분의 높이(h)는 0.5㎛ 내지 1㎛일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 돌출된 슈퍼 비아(220) 및 수광부(210)의 상부 전면에 제1 절연막(230A)을 형성한다. 예를 들어, 제1 절연막(230A)의 높이는 1.5㎛일 수 있다. 증착되는 제1 절연막(230A)의 토폴로지(topology)는 도 4a에 도시된 돌출된 슈퍼 비아(220)의 토폴로지를 따라가게 된다.
도 4c를 참조하면, 제1 절연막(230A)의 상부에 패드 영역(200 및 202)을 노출시키는 포토 레지스트 패턴(250)을 형성한다. 예를 들어, 제1 절연막(230A)의 상부에 포토 레지스트(미도시)를 도포한 후, 사진 및 식각 공정에 의해 패드 영역(200 및 202)을 노출시키는 포토 레지스트 패턴(250)을 형성할 수 있다. 이후, 포토 레지스트 패턴(250)을 식각 마스크로 이용하여 제1 절연막(230A)을 식각하여, 돌출된 슈퍼 비아(220)의 측면에 스페이서(230B)를 형성한다. 스페이서(230B)의 넓이는 w1이다. 이후, 포토 레지스트 패턴(250)을 애슁(ashing) 및 스트립(strip) 공정에 의해 제거한다.
도 4d 내지 도 4f에 도시된 바와 같이, 인접하는 스페이서들(230)에 의해 수광부(210)의 상부 표면이 모두 덮히도록, 스페이서(230B)와 슈퍼 비아(220) 및 수광부(210)의 전면에 제2 절연막(230C)을 형성한 후 제2 절연막(230C)을 전면 식각하는 공정을 반복적으로 수행하여 스페이서들(230B)의 넓이(w1)를 증가시킨다. 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 스페이서(230B)와 슈퍼 비아(220) 및 수광부(210)의 전면에 제2 절연막(230C)을 증착하여 형성한다. 예를 들어, 제2 절연막(230C)의 높이는 0.5㎛ 내지 2㎛일 수 있다.
이후, 도 4e에 도시된 바와 같이, 제2 절연막(230C)을 전면 식각(blanket etching)한다. 이때, 전면 식각은 슈퍼 비아(220)의 상부면이 노출될 때까지 수행된다. 따라서, 도 4c에 도시된 스페이서(230B)의 넓이(w1)가 도 4e에 도시된 바와 같이 더 넓은 넓이(w2)로 증가하게 된다. 이후, 도 4f에 도시된 바와 같이 스페이서들(230)에 의해 수광부(210)의 모든 상부 면이 덮힐 때까지 도 4d 및 도 4e에 도시된 공정들을 반복적으로 수행한다. 예를 들면, 이러한 공정을 2회 내지 3회 정도 반복적으로 수행하면 도 4f에 도시된 바와 같이, 수광부(210)의 상부 전면이 스페이서들(230)에 의해 모두 덮힐 수 있다.
전술한 제1 및 제2 절연막들(230A 및 230C) 각각은 산화막일 수 있다.
이후, 도 3에 도시된 바와 같이 패드 영역(200 및 202)에서 스페이서들(230)의 상부면에 슈퍼 비아(220)와 접촉하는 금속 패드(240)를 형성한다. 여기서, 금속 패드(240)는 알루미늄(Al)일 수 있다. 예를 들어, 알루미늄(미도시) 금속을 슈퍼 비아(220) 및 스페이서(230)의 상부면에 증착하여 형성한 후, 패드 영역(200 및 202)을 제외한 부분을 노출시키고 패드 영역(200 및 202)을 덮는 포토 레지스트 패턴(미도시)을 스페이서(230) 및 슈퍼 비아(220)의 상부면에 형성한다. 이때, 포토 레지스트 패턴을 이용하여 알루미늄을 식각하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 슈퍼 비아(220)와 접촉하는 금속 패드(240)가 완성된다.
도 2에 도시된 일반적인 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 의할 경우, 수광부(72)의 상부 전면에 절연막(100)을 형성한 후, 슈퍼 비아(62)가 노출될때까지 절연막(100)을 CMP 공정에 의해 연마하기 때문에 웨이퍼가 깨질 염려가 있었다. 그러 나, 전술한 본 발명에 의한 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 의하면, 슈퍼 비아(220)를 돌출시킨 후, 절연막(230A) 증착 후 식각 공정을 수행하여 초기의 스페이서(230B)를 형성한 후, 도 4d 및 도 4e에 도시된 공정을 반복적으로 수행하여 도 4f에 도시된 바와 같이 슈퍼 비아들(220) 사이를 스페이서(230) 형태의 절연막으로 모두 채운다. 그러므로, CMP 공정의 필요성을 제거하여 웨이퍼가 깨질 염려를 미연에 방지할 수 있다. 아울러, 슈퍼 비아(220)의 상부에 금속 패드(240)를 형성하더라도, 실리콘 수광부(210)와 금속 패드(240)의 사이를 스페이서(230) 형태의 절연막으로 서로 분리(isolation)시키므로, 금속 패드(240)와 실리콘 수광부(210) 사이의 단락 현상을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 일반적인 3D 이미지 센서의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 2는 일반적인 다른 3D 이미지 센서에서 슈퍼 비아와 금속 패드간의 연결을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
210 : 수광부 220 : 슈퍼 비아
230 : 스페이서 240 : 금속 패드
Claims (8)
- 웨이퍼의 후면에 위치한 수광부로 빛을 수광하는 후면 조사 방식(BSI)의 이미지 센서의 제조 방법에 있어서,상기 수광부를 오버 폴리싱하여 매립된 슈퍼 비아의 상부 일부분을 돌출시키는 단계;상기 돌출된 슈퍼 비아 및 상기 수광부의 전면에 제1 절연막을 형성하는 단계;상기 제1 절연막의 상부에 패드 영역을 노출시키는 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 제1 절연막을 식각하여, 상기 돌출된 슈퍼 비아의 측면에 스페이서를 형성하는 단계;인접하는 상기 스페이서들에 의해 상기 수광부의 상부 표면이 모두 덮히도록, 상기 스페이서와 상기 슈퍼 비아 및 상기 수광부의 전면에 제2 절연막을 형성한 후 상기 제2 절연막을 전면 식각하는 공정을 반복적으로 수행하여 상기 스페이서들의 넓이를 증가시키는 단계; 및상기 패드 영역에 상기 슈퍼 비아와 접촉하는 금속 패드를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 절연막은 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 슈퍼 비아의 돌출된 상기 상부 일부분의 높이는 0.5㎛ 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 형성되는 제1 절연막의 높이는 1.5㎛인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 형성되는 제2 절연막의 높이는 0.5㎛ 내지 2㎛인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 웨이퍼의 후면에 위치한 수광부로 빛을 수광하는 후면 조사 방식(BSI)의 이미지 센서에 있어서,상기 수광부로부터 돌출된 형태로 패드 영역에 형성된 슈퍼 비아들;상기 슈퍼 비아들의 측부에 서로 인접하여 상기 수광부의 상부 표면을 모두 덮도록 형성된 스페이서들; 및상기 패드 영역에 상기 슈퍼 비아와 접촉하도록 형성된 금속 패드를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제6 항에 있어서, 상기 스페이서는 산화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센 서.
- 제6 항에 있어서, 상기 수광부로부터 돌출된 상기 슈퍼 비아의 높이는 0.5㎛ 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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