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KR100654041B1 - 소자의 보호막으로서 질화막을 구비하는 이미지 센서 제조방법 - Google Patents

소자의 보호막으로서 질화막을 구비하는 이미지 센서 제조방법 Download PDF

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KR100654041B1
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film
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Abstract

일반 반도체 소자에서 보호막으로 사용되는 질화막은 외부의 물리적, 화학적 충격에서 소자를 보호하는 역할을 하고 있다. 뿐만 아니라 질화막에 포함된 H+ 이온에 의한 실리콘 기판의 큐어링(curing)에 의해서 소자의 안정적인 동작과 누설전류의 감소 효과를 얻을 수 있다. 그러나 CMOS 이미지 센서에 있어서는 질화막의 낮은 광투과성 때문에 질화막을 사용하지 않고 있다. 본 발명은 상대적으로 두께가 얇고 수소 함유량이 높은 질화막을 사용하여 소자의 보호막으로 이용함으로써 질화막의 사용에 따른 광투과성 저하를 방지하고 소자의 누설전류를 효과적으로 억제하는데 그 특징이 있다.
이미지 센서, 질화막, 수소이온, 확산, 소자보호막

Description

소자의 보호막으로서 질화막을 구비하는 이미지 센서 제조 방법{Method for forming image sensor having nitride layer for protecting device}
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
32, 42: 금속배선 33, 44: IMO
34, 45: SOG 36, 43: 질화막
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 소자의 보호막으로서 질화막을 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이 브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도 2는 종래 이미지 센서 제조 공정 단면도로서, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(21) 형성이 완료된 반도체 기판(20) 상에 금속배선(22)을 형성하고, 제1 IMO(inter metal oxide, 23)를 증착하고, 제1 IMO(23) 상에 SOG(spin on glass, 24)를 코팅(coating)하고 큐어링(curing)하고, 금속배선(22) 상부를 덮고 있는 제1 IMO(22)가 노출될 때까지 SOG(24)를 에치백하여 평탄화시킨 다음, 제2 IMO(25)를 증착하고, 제2 IMO(25) 상에 칼라필터 어레이(26)를 형성하고, OCM(over coating material, 27)층을 형성한 것을 도시하고 있다.
이미지 센서는 외부로부터 소자에 조사된 빛을 전기적인 신호로 변환하는 장치이므로 소자의 성능은 외부에서 주입된 빛을 전기적인 신호로 변경하는 효율성에 의해 좌우된다. 또한 낮은 조도에서의 소자의 안정적인 동작을 위해서는 빛이 없거나 낮은 조도에서의 누설전류 성분이 작아야 하며, 이러한 특성은 암전류(dark current) 특성에 의해 표현된다.
일반 반도체 소자 제조 공정에서는 외부의 물리적, 화학적 충격에서 소자를 보호하고, 소자의 누설전류의 원천이 되고 있는 댕글링 본드(dangling bond)를 그 내부의 수소로 큐어링하기 위하여 질화막을 형성한다. 즉, 질화막에 포함된 H+ 이온에 의한 실리콘 기판의 큐어링(curing)에 의해서 소자의 안정적인 동작과 누설전류의 감소 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 그러나 질화막은 광투과성 특성이 낮아 CMOS 이미지 센서에 있어서는 적용되지 못하고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 소자의 보호막으로서 질화막을 구비하는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 금속배선을 형성하는 단계와, 상기 금속배선을 포함하는 전체 구조 상부에 제1 산화막을 형성하는 단계와, 상기 제1 산화막 상에 수소 이온을 포함하는 질화막을 형성하는 단계와, 열처리 공정을 실시하여 상기 질화막 내에 포함된 수소 이온을 상기 반도체 기판으로 확산시키는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 금속막 및 그 내부에 수소이온을 포함하는 질화막을 적층하는 단계와, 상기 질화막 및 상기 금속막을 동시에 패터닝하여 금속배선을 형성하면서, 상기 금속배선 상부 표면을 덮는 질화막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 질화막 패턴을 포함하는 전체 구조 상부에 산화막을 형성하는 단계와, 상기 산화막 상에 SOG막을 도포하고, 열처리하면서 상기 질화막 내의 수소이온을 상기 반도체 기판으로 확산시키는 단계와, 상기 금속배선 상부를 덮고 있는 상기 산화막이 노출될 때까지 상기 SOG막을 에치백하여 평탄화시키는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
일반 반도체 소자에서 보호막으로 사용되는 질화막은 외부의 물리적, 화학적 충격에서 소자를 보호하는 역할을 하고 있다. 뿐만 아니라 질화막에 포함된 H+ 이온에 의한 실리콘 기판의 큐어링(curing)에 의해서 소자의 안정적인 동작과 누설전류의 감소 효과를 얻을 수 있다. 그러나 CMOS 이미지 센서에 있어서는 질화막의 낮은 광투과성 때문에 질화막을 사용하지 않고 있다. 본 발명은 상대적으로 두께가 얇고 수소 함유량이 높은 질화막을 사용하여 소자의 보호막으로 이용함으로써 질화막의 사용에 따른 광투과성 저하를 방지하고 소자의 누설전류를 효과적으로 억제하는데 그 특징이 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(31) 형성이 완료된 반도체 기판(30) 상에 금속배선(32)을 형성하고, IMO(33)를 증착하고, IMO(33) 상에 SOG(34)를 코팅하고 큐어링을 실시한 다음, 금속배선(32) 상부를 덮고 있는 제1 IMO(33)가 노출될 때까지 SOG(34)를 에치백하여 평탄화시키고, 전체 구조 상에 산화막(35)을 형성하고, 산화막(35) 상에 100 Å 내지 3000 Å 두께를 가지며 그 내부에 수소이온을 포함하는 질화막(36)을 형성한 다음, 열처리 공정을 실시하여 질화막에 포함된 수소이온을 반도체 기판(30)으로 확산시켜 기판의 댕글링 본드와 수소이온을 결합시킨 다음, 질화막(36) 상에 칼라필터 어레이(37)를 형성하고, OCM(38)층을 형성한다. 전술한 본 발명의 일실시예에서 상기 산화막(35)은 질화막의 높은 스트레스(stress)를 완충시켜주는 역할을 한다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저, 포토다이오드 등을 포함한 소정의 하부구조(41) 형성이 완료된 반도체 기판(40) 상에 금속막 및 그 내부에 수소 이온을 포함하는 질화막을 적층하고 동시에 패터닝하여 금속배선(42)을 형성하면서 금속배선(42)을 질화막(43)으로 덮고, IMO(33)를 증착하고 IMO(33) 상에 SOG(44)를 코팅하고 큐어링을 실시한 다음, 금속 배선(42) 상부를 덮고 있는 IMO(33)가 노출될 때까지 SOG(44)를 에치백하여 평탄화시키고, 전체 구조 상에 산화막(46)을 형성하고, 산화막(46) 상에 칼라필터 어레이(47)를 형성하고, OCM(48)층을 형성한다. 이와 같이 본 발명의 다른 실시예에서는 금속배선 상에만 질화막(43)을 형성함으로써 수광영역인 포토다이오드 상부는 질화막으로 덮이지 않게 됨에 따라 질화막 형성에 따른 투과율 저하를 방지할 수 있다. 그리고, 상기 SOG(44)의 큐어링을 위한 열처리 과정에서 상기 질화막(43) 내의 수소를 반도체 기판(40)으로 확산시킬 수 있어, 수소 이온 확산을 위한 별도의 열처리 공정을 생략할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에서 상기 질화막(36, 43)은 각각 NH3와 SiH4를 소스로 이용하여 형성한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 소자보호막으로 고감도의 밀도가 높은 질화막을 사용함으로써 소자를 물리적 충격 및 외부에서 침투하는 불순물로부터 보호할 수 있다. 또한, 질화막에 포함된 수소이온에 의한 기판 큐어링 효과에 의해 암전류 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,
    소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 금속배선을 형성하는 단계;
    상기 금속배선을 포함하는 전체 구조 상부에 제1 산화막을 형성하는 단계;
    상기 제1 산화막 상에 수소 이온을 포함하는 질화막을 형성하는 단계; 및
    열처리 공정을 실시하여 상기 질화막 내에 포함된 수소 이온을 상기 반도체 기판으로 확산시키는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속배선을 형성하는 단계 후,
    상기 금속배선을 포함하는 전체 구조 상부의 단차면을 따라 제2 산화막을 형성하는 단계;
    상기 제2 산화막 상에 SOG막을 형성하는 단계; 및
    상기 금속배선의 상부에 형성된 상기 제2 산화막이 노출될 때까지 상기 SOG막을 에치백하여 평탄화하는 단계
    를 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질화막을 100 Å 내지 3000 Å 두께로 형성하는 이미지 센서 제조 방법.
  4. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,
    소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 금속막 및 그 내부에 수소이온을 포함하는 질화막을 적층하는 단계;
    상기 질화막 및 상기 금속막을 동시에 패터닝하여 금속배선을 형성하면서, 상기 금속배선 상부 표면을 덮는 질화막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 질화막 패턴을 포함하는 전체 구조 상부에 산화막을 형성하는 단계;
    상기 산화막 상에 SOG막을 도포하고, 열처리하면서 상기 질화막 내의 수소이온을 상기 반도체 기판으로 확산시키는 단계; 및
    상기 금속배선 상부를 덮고 있는 상기 산화막이 노출될 때까지 상기 SOG막을 에치백하여 평탄화시키는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 질화막을 NH3와 SiH4를 소스로 이용하여 형성하는 이미지 센서 제조 방법.
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