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KR100648994B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

씨모스 이미지 센서의 제조방법 Download PDF

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KR100648994B1
KR100648994B1 KR1020040105955A KR20040105955A KR100648994B1 KR 100648994 B1 KR100648994 B1 KR 100648994B1 KR 1020040105955 A KR1020040105955 A KR 1020040105955A KR 20040105955 A KR20040105955 A KR 20040105955A KR 100648994 B1 KR100648994 B1 KR 100648994B1
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Abstract

본 발명은 이미지 센서의 신뢰성을 향상시키도록 한 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 칼라필터어레이의 재작업시에 칼라필터어레이를 제거하고, OCM 패턴을 형성한 포토 마스크와 반대의 포토 마스크를 사용하여 상기 금속 패드의 상부에 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 마스크층을 마스크로 이용하여 상기 노출된 캡 산화막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 마스크층을 제거하고 반도체 기판의 전면에 새로운 캡 산화막을 형성하고 칼라필터어레이, OCM 패턴, 패드 오픈부, 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
칼라필터, 마이크로렌즈, OCM, 캡 산화막, TEOS

Description

씨모스 이미지 센서의 제조방법{Method for fabricating an CMOS image sensor}
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도
도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도
도 3a 내지 도 3f는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
201 : 반도체 기판 202 : 절연막
203 : 금속 패드 204 : 보호막
205 : TEOS 산화막 206 : 칼라필터 어레이
207 : OCM 패턴 209 : 마이크로렌즈
210 : 패드 오픈부
본 발명은 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 소자의 신뢰성을 향상하도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 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 씨모스(CMOS; 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 뿐만 아니라, 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 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 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 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다.
따라서, 상기 씨모스 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. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서 의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다.
또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다.
따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개 의 트랜지스터의 게이트 전극(120, 130, 140)이 형성된다.
즉, 상기 게이트 전극(120)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(130)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(140)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다.
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(120, 130, 140) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다.
따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.
상기에서 설명한 각 게이트 전극(120, 130, 140)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
통상 CMOS 이미지센서 제조 공정에서, 금속배선 형성을 완료한 후 소자를 외부의 수분 및 스크레치로부터 보호하기 위하여 보호막을 형성하고, 패드오픈 공정을 수행후 상기 보호막 상에 칼라필터어레이를 형성하게 된다.
그러나, 상기 칼라필터어레이 공정시 패드 금속의 표면이 부식 또는 손상되는 문제가 발생되는 바, 이러한 문제를 해결하기 위하여 캡(Cap)산화막을 적용하는 기술이 제안된 바 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방 법을 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3f는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
여기서, 설명의 이해를 돕기 위해 이미지 센서의 단위화소 어레이부분(100)과 패드 오픈이 수행되는 부분(150)을 함께 설명한다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 포토다이오드 및 모스트랜지스터 등 CMOS이미지 센서를 이루는 소자들을 일련의 공정을 통해 형성한 반도체 기판(101)을 준비한다.
이어, 상기 반도체 기판(101)의 전면에 절연막(102)을 형성하고, 상기 절연막(102)상에 각 신호 라인의 금속 패드(103)를 형성한다.
이 때, 상기 금속 패드(103)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다.
그리고 상기 금속 패드(103)를 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 보호막(104)을 형성한다.
여기서, 상기 보호막(104)은 산화막 또는 산화막/질화막 등을 사용할 수 있다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(104)을 선택적으로 식각하여 상기 금속 패드(103)를 오픈(open)한다.
이어, 상기 오픈된 금속 패드(103)를 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 캡 산화막(105)을 증착한다.
여기서, 상기 캡 산화막(105)이 칼라필터물질과 현상 용액으로부터 금속패드 표면을 보호하는 역할을 한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 캡 산화막(105)상에 청색(blue) 칼라물질을 도포한 다음, 포토 마스크를 사용하여 선택적으로 노광(Exposure) 및 현상(Develop)을 실시하여 광감지영역상에만 청색칼라필터(B)를 형성하고, 동일한 방법으로 녹색 및 적색 칼라필터(G,R)를 형성하는 등 일련의 칼라어레이 공정을 통해 칼라필터 어레이(106)를 형성한다.
이때 상기 금속 패드(103)의 표면은 캡 산화막(105)이 덮고 있기 때문에 칼라필터 물질이나 현상용액에 있는 산소나 수소와 닿지 않게 되어, 상기 금속 패드(103)의 표면이 산화나 손상으로부터 보호되게 된다.
이어서, 도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 칼라필터 어레이(106)에 의한 단차를 극복하기 위하여, 단위화소 어레이 부분(100)에만 OCM(over coating material) 패턴(107)을 형성한다.
여기서 OCM은 보통 포토레지스트를 적용하는 바, 전면에 OCM을 형성한 후 노광 및 현상에 의해 단위화소 어레이 부분(100)에만 OCM 패턴(107)을 형성한다.
이어서, 상기 금속 패드(103)의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 노출된 캡 산화막(105)을 선택적으로 식각하여 상기 패드 오픈부(108)를 형성한다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)의 전면에 마이크로렌즈용 레지스트층을 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 실시하여 마이크로렌즈 패턴을 형성 한다.
이어, 상기 마이크로렌즈 패턴을 소정온도에서 리플로우(reflow)시켜 반구형의 마이크로렌즈(109)를 형성한다.
한편, 도 3f는 상기 칼라필터 어레이(106)의 공정이 잘못되어 재작업(rework)이 필요할 때, 마이크로렌즈(109), OCM 패턴(107), 칼라필터 어레이(106)부분을 한꺼번에 제거한 상태를 나타내고 있다.
이때 남아있는 캡 산화막(105)위에 다시 캡 산화막을 적층하여 재작업을 할 경우, 마이크로렌즈를 통과한 빛의 포커스가 맞지 않아서, 이미지 특성이 나빠질 수 있다.
또한, 남아있는 캡 산화막(105)을 제거할 경우, 이때 노출된 금속 패드(103)의 표면에 손상이 발생될 수 있고, 본딩패드(Bonding Pad)에서 핏(Pit)이 발생할 수 있는 문제가 있어서 수율 감소를 감수해야 한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 패드 금속의 부식, 손상 오염을 방지하는 동시에 제품의 신뢰성을 높여 제조 수율을 향상시키도록 한 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 단위화소어레이부분과 패드부분으로 구분되는 반도체 기판의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계와, 상기 금속 패드를 포함한 반도체 기판의 전면에 보호막을 형성하고 상기 금속 패드의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 보호막을 선택적으로 식각하는 단계와, 상기 반도체 기판의 전면에 제 1 캡 산화막을 형성하는 단계와, 상기 단위화소어레이부분의 제 1 캡 산화막상에 칼라필터어레이를 형성하는 단계와, 상기 칼라필터어레이상에 OCM 패턴을 형성하고 노출된 상기 제 1 캡 산화막을 선택적으로 식각하여 패드 오픈부를 형성하는 단계와, 상기 칼라필터어레이상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 칼라필터어레이의 재작업시에 상기 칼라필터어레이를 제거하고, 상기 OCM 패턴을 형성한 포토 마스크와 반대의 포토 마스크를 사용하여 상기 금속 패드의 상부에 마스크층을 형성하는 단계와, 상기 마스크층을 마스크로 이용하여 상기 노출된 제 1 캡 산화막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 마스크층을 제거하고 반도체 기판의 전면에 제 2 캡 산화막을 형성하고 칼라필터어레이, OCM 패턴, 패드 오픈부, 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 의한 씨모스(CMOS) 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
여기서, 본 발명에 대한 설명의 이해를 돕기 위해 이미지센서의 단위화소 어레이 부분(200)과 패드 오픈이 수행되는 부분(250)이 함께 도시되어 있다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 통상적인 방법으로 소자를 이루는 포토다이오드 및 모스트랜지스터가 형성된 반도체 기판(201)상에 게이트 절연막 또는 층간 절연막 등의 절연막(202)을 형성하고, 상기 절연막(202)위에 각 신호 라인의 금속 패드(203)를 형성한다.
이 때, 상기 금속 패드(203)는 상기 도 2에서 설명한 바와 같은 각 게이트 전극(120, 130, 140)과 동일 물질로 동일 층에 형성될 수 있고, 별도의 콘택을 통해 다른 물질로 형성될 수 있으며, 대부분 알루미늄(Al)으로 형성된다.
이어, 상기 금속 패드(203)를 포함한 반도체 기판(201)의 전면에 외부의 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 실리콘나이트라이드막을 7000 ~ 9000Å의 두께로 형성하여 보호막(204)을 형성한다.
한편, 상기 금속 패드(203) 등의 금속배선은 단층으로만 도시되어 있으나, 더블 금속배선으로 이루어질 수 있고, 도시되어 있지 않으나 통상 베리어 메탈 및 비반사층 등을 포함하게 된다.
또한, 상기 보호막(204)은 산화막 및 질화막이 적층된 상태로도 사용할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 금속 패드(203)의 표면에 소정부분 노출되도록 패드마스크 및 식각공정으로 상기 보호막(204)을 선택적으로 식각하고, 상기반도체 기판(201)의 전면에 PECVD법으로 TEOS 산화막(205)을 400 ~ 1000Å의 두께로 증착한다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 TEOS 산화막(205)상에 청색(blue) 칼라물질을 도포한 다음, 포토 마스크를 사용하여 선택적으로 노광(Exposure) 및 현상 (Develop)을 실시하여 단위화소 어레이부분(200)에만 청색칼라필터(B)를 형성하고, 동일한 방법으로 녹색 및 적색 칼라필터(G,R)를 형성하는 등 일련의 칼라어레이 공정을 통해 칼라필터 어레이(206)를 형성한다.
이때 상기 금속 패드(203)의 표면은 TEOS 산화막(205)이 덮고 있기 때문에 칼라필터 물질이나 현상용액에 있는 산소나 수소와 닿지 않게 되어, 상기 금속 패드(203)의 표면이 산화나 손상으로부터 보호되게 된다.
여기서 칼라필터물질은 염색된 포토레지스트를 사용하게 된다.
도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 칼라필터어레이(206)에 의한 단차완화 및 광투과도 향상 등을 목적으로 단위화소 어레이부분(200)에만 OCM 패턴(207)을 형성한다.
여기서, 상기 OCM은 보통 포토레지스트를 적용하는 바, 노광 및 현상에 의해 상기 단위화소 어레이 부분(200)에만 OCM 패턴(207)을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 금속 패드(203)의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 노출된 TEOS 산화막(205)을 선택적으로 식각하여 패드 오픈부(210)를 형성한다.
도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(201)의 전면에 마이크로렌즈용 레지스트층을 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 실시하여 마이크로렌즈 패턴을 형성한다.
이어, 상기 마이크로렌즈 패턴을 약 150 ~ 200℃의 영역에서 리플로우(reflow)시켜 반구형의 마이크로렌즈(209)를 형성한다.
한편, 도 4f는 칼라필터 어레이(206)의 재작업시에 모든 칼라필터를 제거한 후, OCM 패턴(207)을 형성한 포토 마스크와 반대의 포토 마스크를 사용하여 패드 오픈이 수행되는 부분(250)상에 포토레지스트(211)로 마스크층을 형성하고, 상기 마스크층을 마스크로 이용하여 상기 노출된 TEOS 산화막(205)을 선택적으로 제거한다.
즉, 상기 금속 패드(203)의 오염을 방지하기 위해 포토레지스트(211)로 덮은 상태에서 선택적으로 상기 TEOS 산화막(205)을 제거하고, 남아있는 TEOS 산화막위에 새로운 TEOS 산화막을 적층함으로써 포커스가 나빠져서 이미지 특성이 저하되는 것을 막을 수 있고, 전면적으로 TEOS 산화막을 제거할 때, 금속 패드(203)가 노출됨으로써 금속 패드(203)의 부식 및 손상되는 것을 막을 수 있다.
한편, 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 금속 패드의 부식 및 손상을 방지함으로써 이미지 센서의 신뢰성 향상시킴과 동시에 수율 등을 증대시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 단위화소어레이부분과 패드부분으로 구분되는 반도체 기판의 패드 영역에 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 금속 패드를 포함한 반도체 기판의 전면에 보호막을 형성하고 상기 금속 패드의 표면이 소정부분 노출되도록 상기 보호막을 선택적으로 식각하는 단계;
    상기 반도체 기판의 전면에 제 1 캡 산화막을 형성하는 단계;
    상기 단위화소어레이부분의 제 1 캡 산화막상에 칼라필터어레이를 형성하는 단계;
    상기 칼라필터어레이상에 OCM 패턴을 형성하고 노출된 상기 제 1 캡 산화막을 선택적으로 식각하여 패드 오픈부를 형성하는 단계;
    상기 칼라필터어레이상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;
    상기 칼라필터어레이의 재작업시에 상기 칼라필터어레이를 제거하고, 상기 OCM 패턴을 형성한 포토 마스크와 반대의 포토 마스크를 사용하여 상기 금속 패드의 상부에 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 마스크층을 마스크로 이용하여 상기 노출된 제 1 캡 산화막을 선택적으로 제거하는 단계;
    상기 마스크층을 제거하고 반도체 기판의 전면에 제 2 캡 산화막을 형성하고 칼라필터어레이, OCM 패턴, 패드 오픈부, 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호막은 실리콘나이트라이드막, 산화막과 질화막이 적층된 막 중에서 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보호막은 7000 ~ 9000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 캡 산화막은 TEOS 산화막을 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 캡 산화막은 400 ~ 1000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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