KR100791011B1 - 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

광투과율을 향상시키고 실제 공정에 용이하게 적용할 수 있는 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자 그 제조방법을 제공한다. 그 소자 및 방법의 일례는 수광소자의 상부에 캐비티를 갖는 층간절연막 구조물을 포함하며, 캐비티에는 층간절연막 구조물의 상부면과 동일한 레벨을 갖는 투명절연막이 매립된다. 내부렌즈는 투명절연막을 접하면서 투명절연막의 상부면을 덮는 투명절연막보다 굴절율이 큰 렌즈타입의 내부렌즈 및 내부렌즈의 상부에 형성된 컬러필터를 포함한다

광투과율, 캐비티, 투명절연막, 내부렌즈, 질소

Description

내부렌즈를 포함하는 이미지 소자 및 그 제조방법{Image device including the inner lens and method of fabrication the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 소자를 나타내는 단면도이다.

도 2a 내지 도 2m은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도들이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도들이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100; 기판 102; 필드산화막

110; 수광소자 120; 트랜지스터

A; 층간절연막 구조물

270; 보호막 300; 캐비티

310, 700; 투명절연막 312, 712; 내부렌즈

500; 평탄화막 550; 컬러필터

600; 마이크로 렌즈

본 발명은 이미지 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부렌즈(inner-lens)를 포함하는 씨모스(CMOS) 이미지 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

CMOS 이미지 소자는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 이루어진다. 광감도를 높이기 위해 전체 이미지 소자에서 광감지 부분이 차지하는 면적을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.

또한, 로직소자의 고속화, 고집적화가 급속하게 진행되어, 배선이 미세화되고 있으며, 이에 따른 배선 지연의 문제가 심각해지고 있다. 상기 문제를 해결하기 위하여, 저항이 작고 EM(Electro-migration)에 대한 내성이 큰 구리(Cu)를 이용한 배선이 개발되고 있다. 그런데, 구리는 식각이 용이하지 않고 공정 중에 산화되기 때문에, 다마신(Damascene) 공정을 이용하여 배선을 형성한다.

그런데, 구리 다마신 공정을 이용하여 CMOS 이미지 소자를 제조할 경우, 광감지 소자인 포토 다이오드(photo diode)의 광투과율이 감소하는 문제가 발생한다. 상기 광투과율의 감소는 다마신 공정에 의한 것으로, 빛의 반사도와 굴절율이 서로 다른 층간절연층과 질화막 등이 반복적으로 형성된 계면에서 난반사와 굴절이 반사되기 때문에 일어난다. 광투과율의 증가시키기 위하여, 광감지 소자의 상부에 캐비티를 형성하고, 상기 캐비티에 상부가 렌즈 타입으로 형성된 투명절연막을 매립한다.

하지만, 종래의 투명절연막을 이용하는 방법은 광투과율을 향상시키기에는 미흡한 점이 있다. 또한, 상기 투명절연막에 대한 구체적인 특성이 제시되지 않아서 실제 공정에 적용하기 위해서는 많은 어려움이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광투과율을 향상시키고 실제 공정에 용이하게 적용할 수 있는 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 이미지 소자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지 소자의 일례는 수광소자가 형성된 기판과 상기 기판 상에 배치되며, 상기 수광소자의 상부에 캐비티를 갖는 층간절연막 구조물을 포함한다. 또한, 상기 캐비티에 매립되며, 상기 층간절연막 구조물의 상부면과 동일한 레벨을 갖는 투명절연막을 포함한다. 상기 투명절연막을 접하면서, 상기 투명절연막의 상부면을 덮는 상기 투명절연막보다 굴절율이 큰 렌즈타입의 내부렌즈 및 상기 내부렌즈의 상부에 형성된 컬러필터를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명절연막은 저온산화막(low temperature oxide)로 이루어지고, 상기 내부렌즈는 상기 저온산화막에 질소가 함 유된 것일 수 있으며, 이때 상기 내부렌즈는 SiO_xN_1-x(x= 0.01~0.99)일 수 있다. 또한, 상기 투명절연막은 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 유기물로 이루어지고, 상기 내부렌즈는 상기 유기물보다 굴절율이 크도록 첨가물이 첨가된 유기물일 수 있다.

한편, 상기 투명절연막은 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 유기물로 이루어지고, 상기 내부렌즈는 상기 유기물보다 굴절율이 크도록 질소를 함유하는 저온산화막일 수 있고, 상기 투명절연막은 저온산화막이고, 상기 내부렌즈는 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 유기물에 질소가 첨가된 것일 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지 소자의 다른 예는 수광소자가 형성된 기판과, 상기 기판 상에 배치되며, 상기 수광소자의 상부에 캐비티를 갖는 층간절연막 구조물을 포함한다. 또한, 상기 캐비티에 매립되며, 상기 층간절연막 구조물의 상부면과 동일한 레벨을 갖는 투명절연막을 포함한다. 상기 투명절연막과 동일한 물질로 이루어지고, 상기 투명절연막의 상부면을 덮으며, 굴절율이 1.6보다 크고 2.5보다 작은 렌즈타입의 내부렌즈 및 상기 내부렌즈의 상부에 형성된 컬러필터를 포함한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지 소자의 제조방법의 일례는 먼저 기판의 상부에 수광소자를 형성한다. 그후, 상기 기판 상에 수광소자를 구동하는 트랜지스터와 상기 트랜지스터와 전기적으로 연결되는 금속콘택 및 금속배선이 구성된 층간절연막 구조물을 형성한다. 상기 증간절연막 구조물에서 상기 수광소자의 상부에 위치하는 부분을 제거하여 캐비티를 형성한다. 상기 캐비티를 채우고 상기 캐비티와 상기 층간절연막 구조물 균일한 두께로 덮는 투명물질층을 형성한다. 상기 투명물질층에서 상기 층간절연막 구조물보다 상부에 위치하는 부분에 질소를 첨가하여 내부렌즈용 물질층을 형성한다. 상기 내부렌즈용 물질층을 렌즈 타입으로 형성시켜 내부렌즈를 형성한다. 상기 내부렌즈 상부에 컬러필터를 형성한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지 소자의 제조방법의 다른 예는 먼저 기판의 상부에 수광소자를 형성한다. 그후, 상기 기판 상에 수광소자를 구동하는 트랜지스터와 상기 트랜지스터와 전기적으로 연결되는 금속콘택 및 금속배선이 구성된 층간절연막 구조물을 형성한다. 상기 증간절연막 구조물에서 상기 수광소자의 상부에 위치하는 부분을 제거하여 캐비티를 형성한다. 상기 층간절연막 구조물의 상부면과 동일한 레벨을 이루도록 상기 캐비티를 채워 투명절연막을 형성한다. 상기 투명절연막과 상기 층간절연막 구조물보다 상에 위치하는 부분에 질소를 첨가하여 내부렌즈용 물질층을 형성한다. 상기 내부렌즈용 물질층을 렌즈 타입으로 형성시켜 내부렌즈를 형성한다. 상기 내부렌즈 상부에 컬러필터를 형성한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 실시예 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 구성요 소를 나타낸다.

본 발명의 실시예들은 캐비티에 매립된 투명절연막과 투명절연막의 상부에 형성된 렌즈 타입의 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자를 제공할 것이다. 구체적으로, 상기 투명절연막과 내부렌즈의 재질, 특성 등을 중점적으로 설명할 것이다. 또한, 본 발명이 실시예들은 투명절연막과 내부렌즈를 형성하는 방법에 따라 구분되어 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 소자를 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 이미지 소자는 반도체 기판(100)에 필드 산화막(102)에 의해 한정된 활성영역의 표면 부위에 포토 다이오드와 같은 수광소자(110)를 포함한다. 수광소자(110) 일측의 반도체 기판(100) 상에는 스위칭 소자인 트랜지스터들(120)이 배치되어 있다. 각각의 트랜지스터(120)는 기판(100) 상에 게이트 절연막(112)을 개재한 게이트 전극(114) 및 게이트 전극(114) 사이의 소오스/드레인 영역(122)을 포함한다. 게이트 전극(114)의 양측벽에는 스페이서(116)가 형성될 수 있다.

트랜지스터(120)가 형성된 반도체 기판(100 상에는 산화실리콘과 같은 투명한 재질로 이루어진 하부절연막(130)이 위치한다. 하부절연막(130)에는 소오스/드레인 영역(122) 및 게이트 전극(114)과 전기적으로 연결하는 하부콘택(140)이 배치된다. 하부콘택(140)은 구리, 티타늄 또는 텅스텐과 같은 금속물질로 이루어질 수 있다. 하부콘택(140)과 하부절연막(130) 사이에는 하부콘택(140)을 구성하는 금속물질이 하부절연막(130)으로 확산되는 것을 방지하는 제1 배리어 금속막(401)이 형성되어 있다.

수광소자(110) 상부의 하부절연막(130) 상에는 캐비티(300)가 위치하며, 캐비티(300)를 제외한 하부절연막(130) 상에는 다층의 식각정지막(150, 180, 210)과 다층의 층간절연막(160, 190, 220) 및 다층의 금속배선(170, 200, 230)을 포함하는 층간절연막 구조물(A)이 놓인다. 층간절연막 구조물(A)은 내부에 확산방지 및 식각정지의 기능을 하는 식각정지막(150, 180, 210)과 유동성이 좋은 층간절연막(160, 190, 220) 등 광특성이 서로 다른 물질이 적층되어 있다. 캐비티(300)는 외부의 광이 수광소자(110)에 도달할 수 있도록 식각정지막(150, 180, 210) 및 층간절연막(160, 190, 220)이 제거된 것이다.

층간절연막 구조물(A)은 하부콘택(140)을 포함하는 하부절연막(130) 상의 일부 영역을 노출시키는 제1 식각정지막(150)을 포함한다. 제1 식각정지막(150)은 하부 구리배선(170)을 형성하기 위한 트렌치를 형성할 때, 하부절연막(130)이 식각되는 것을 방지한다. 제1 식각정지막(150)은 하부절연막(130)에 대하여 식각선택비가 큰 물질, 예컨대 SiC, SiN계열의 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 및 제3 식각정지막(180, 210)도 같은 물질로 이루어질 수 있다.

제1 식각정지막(150) 상에는 제1 층간절연막(160)이 위치한다. 제1 층간절연막(160)은 입사광에 대하여 투명한 절연물질인 것이 바람직하다. 제1 층간절연막(160)은 예를 들어, USG(Undoped Silicate Glass), PSG(Phospho Silicate Glass), BPSG(BoroPhpspho Silicate Glass), HSQ(Hydrogen SilsesQuioxane), FSG(Fluoro Silicate Glass) 및 저유전막의 산화막으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 층간절연막 및 상부절연막(190, 220)도 같은 물질로 이루어질 수 있다.

제1 층간절연막(160)에는 하부콘택(140)과 전기적으로 접속되고, 도전성 라인인 구리로 이루어진 하부 구리배선(170)이 놓인다. 하부 구리배선(170)의 측벽 및 저면에는 하부 구리배선(170)의 구리가 제1 층간절연막(160)으로 확산하는 것을 방지하기 위한 제2 배리어 금속막(410)이 형성되어 있다.

하부 구리배선(170)을 포함하는 제1 층간절연막(160) 상에 제2 식각정지막(180)이 배치되어 있으며, 제2 식각정지막(180) 상에 제2 층간절연막(190)이 위치한다. 제2 층간절연막(190)에는 하부 구리배선(170)과 접속하는 제1 구리 콘택(200a) 및 제1 구리콘택(200a)들을 서로 연결시키고 신호를 전달하기 위한 도전성 라인인 제1 구리배선(200b)을 포함하는 제1 배선(200)이 배치된다. 제1 배선(200)과 제2 층간절연막(190) 사이에는 제1 배선(200)을 구성하는 구리가 제2 층간절연막(190)으로 확산되는 것을 방지하기 위한 제3 배리어 금속막(421)이 형성되어 있다.

제2 층간절연막(190) 상에는 제3 식각정지막(210) 및 상부절연막(220)이 위치한다. 상부절연막(220) 내에는 제1 배선(200)과 전기적으로 접속하는 제2 구리콘택(230a) 및 제2 구리콘택(230a)들을 서로 연결시키고 신호를 전달하기 위한 도전성 라인인 제2 구리배선(230b)들을 포함하는 제2 배선(230)이 배치된다. 제2 배선(230)과 상부절연막(220) 사이에는 제2 배선(230)을 구성하는 물질이 상부절연막(220)으로 확산되는 것을 방지하기 위한 제4 배리어 금속막(431)이 형성되어 있다.

수광소자(110) 상에 위치하는 하부절연막(130) 상에는 제1 식각정지막(150), 제1 층간절연막(160), 제2 식각정지막(180), 제2 층간절연막(190), 제3 식각정지막(210), 상부절연막(220)을 관통한 캐비티(300)를 포함한다. 상부절연막(220) 상에는 캐비티(300)를 노출하면서, 다층의 배선(170, 200, 230)들을 보호하는 보호막(270)이 놓여질 수 있다.

캐비티(300)에는 층간절연막 구조물(A) 또는 보호막(270)의 상부면과 동일한 레벨을 가지면서 매립된 투명절연막(310)을 포함한다. 투명절연막(310) 상에는 투명절연막(310)과 접하면서, 투명절연막(310)의 상부면을 덮는 투명절연막보다 굴절율이 큰 렌즈타입의 내부렌즈(312)를 포함한다. 필요에 따라, 투명절연막(310)과 내부렌즈(312)는 굴절율이 1.6보다 큰 동일한 물질일 수도 있다.

즉, 본 발명의 투명절연막(310)과 내부렌즈(312)는 내부렌즈(312)의 굴절율이 큰 경우와 투명절연막(310)과 내부렌즈(312)의 굴절율이 동일한 경우로 나눌 수 있다. 내부렌즈(312)의 굴절율이 크면, 외부로 입사된 광을 효율적으로 투명절연막(310)으로 향하게 하여, 이미지 소자의 광투과율을 향상시킬 수 있다. 굴절율이 동일하면서 1.6보다 크면, 입사되는 광의 파장을 작게 변환할 수 있으므로, 이미지 소자의 크기를 줄일 수 있다.

내부렌즈(312)의 굴절율을 크게 하기 위하여, 본 발명의 실시예의 내부렌즈(312)는 질소(N)를 함유한다. 예를 들어, 실리콘산화막 및 유기물에 질소를 첨가할 수 있다. 상기 실리콘산화막은 공정의 온도를 낮추기 위하여 저온산화막(low temperature oxide)이 바람직하며, 저온산화막의 굴절율은 1.4-1.6이다. 실리콘산 화막에 질소를 첨가하면 내부렌즈(312)는 SiO_xN_1-x(x=0.01-0.99)가 되며, 이때 굴절율은 1.9보다 크다. 본 발명의 특징을 고려하면, 내부렌즈(312)의 굴절율이 클수록 좋다. 하지만, 실질적으로 이미지 소자에 적용되는 것을 고려할 때, 내부렌즈(312)의 굴절율은 1.9-2.5가 바람직하다. 내부렌즈(312)의 굴절율은 첨가되는 질소의 양이 클수록 커지며, 막질의 특성에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 막질이 치밀하면, 내부렌즈(312)의 굴절율은 더 커질 수 있다.

실리콘산화막의 경우와 마찬가지로, 내부렌즈(312)는 유기물에 질소를 함유시켜 굴절율을 조절할 수 있다. 구체적으로, 투명절연막(310)은 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)로 이루어진 유기물이고, 내부렌즈(312)는 투명절연막(310)보다 굴절율이 크도록 질소를 상기 유기물에 첨가하여 제조된 것이다. 유기물을 투명절연막(310)과 내부렌즈(312)에 사용하면, 이미지 소자를 제조하는 공정온도를 예컨대, 200℃ 이하로 공정온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 실리콘산화막으로 내부렌즈(312)를 제조하면, 400℃ 정도의 열처리 온도를 필요로 하지만, 유기물으로 내부렌즈(312)로 제조하면 그 온도를 낮출 수 있다.

한편, 본 발명의 투명절연막(310)과 내부렌즈(312)의 굴절율이 1.6보다 크고 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 투명절연막(310)과 내부렌즈(312) 모두 굴절율이 1.6보다 큰 물질, 예를 들어 굴절율이 1.9보다 큰 실리콘질화막, 즉 SiO_xN_1-x(x=0.01-0.99)일 수 있다. 투명절연막(310)과 내부렌즈(312)의 굴절율이 1.6보다 크면, 투명절연막(310)을 지나는 광의 파장을 줄일 수 있으므로, 이미지 소자의 크기를 줄일 수 있다.

내부렌즈(312)의 상부는 볼록한 렌즈 타입의 프로파일을 가질 수 있으나, 경우에 따라 오목한 프로파일을 가질 수 있다. 내부렌즈(312)는 빛이 수광소자(110)의 표면으로 포커싱(focusing)되도록 하여 빛의 산란과 난반사를 방지한다.

내부렌즈(312) 상부에는 평탄하게 형성된 평탄화막(500)을 더 포함한다. 평탄화막(500)은 투명한 재질로 이루어진다. 평탄화막(500) 상에는 평탄한 컬러필터(550)가 위치하고, 컬러필터(550)의 상부에는 볼록한 렌즈형의 마이크로 렌즈(600)가 배치된다. 마이크로 렌즈(600)는 내부렌즈(312)의 포커싱을 더욱 향상시킬 수 있으며, 내부렌즈(312)만으로도 포커싱이 충분하면, 마이크로 렌즈(600)를 형성하지 않을 수도 있다.

도 2a 내지 도 2m은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도들이다.

도 2a를 참조하면, 반도체 기판(100)의 상부에 필드산화막(102)을 형성하여 활성영역을 정의한다. 상기 활성영역의 상부에 포토다이오드와 같은 수광소자(110)를 형성하고, 수광소자(110)와 접속하도록 반도체 기판(100) 상에 수광소자(110)의 스위칭 소자인 트랜지스터(120)를 형성한다.

각각의 트랜지스터(120)는 기판(100) 상에 게이트절연막(112)을 개재하여 형성된 게이트전극(114)과 게이트전극들(114) 사이의 반도체 기판(100) 아래로 불순물 영역인 소오스/드레인 영역(122)을 포함한다. 게이트전극(114)의 양측벽에는 스페이서(116)를 형성한다. 트랜지스터(120)가 형성된 기판(100)을 덮도록 하부절연막(130)을 형성한다. 하부절연막(130)은 투명한 재질인 산화실리콘계 물질 등으 로 이루어질 수 있다.

이어서, 사진식각공정으로 하부절연막(130)에 트랜지스터(120)의 소오스/드레인 영역(122)의 표면부위와 게이트전극(114)의 상부 표면을 노출시키는 콘택홀(132)을 형성한다. 콘택홀(132)의 측면과 저면 및 하부절연막(130) 상부면의 단차를 따라 제1 배리어 금속막(400)을 형성한다. 제1 배리어 금속막(400)은 예컨대, 타이타늄막 또는 타이타늄막 상에 질화 타이타늄막이 증착된 복합막일 수 있다.

도 2b를 참조하면, 콘택홀(132)을 매립하도록 제1 배리어 금속막(400) 상에 티타늄이나 텅스텐을 증착하여 하부금속층(138)을 형성한다. 상기 티타늄이나 텅스텐은 화학기상증착법이나 스퍼터링법을 이용한다. 하부금속층(138)을 구리로 만들 수도 있으나, 구리는 하부에 존재하는 실리콘 기판으로 확산되기 쉬우므로 이를 방지하기 위하여 티나늄이나 텅스텐을 이용할 수 있다.

도 2c를 참조하면, 하부금속층(138) 및 제1 배리어 금속막(400)을 하부절연막(130)의 표면이 노출될 때까지 CMP(Chemical Mechanical Polishing)법으로 연마하여 콘택홀(132)을 매립하는 하부콘택(140)을 형성한다. 이때, 제1 배리어 금속막(400)은 하부콘택(140)의 측벽 및 저면 상에 제1 배리어 금속막(401)로 잔류한다.

하부콘택(140)을 갖는 하부절연막(130) 상에 제1 식각정지막(150)을 형성한다. 제1 식각정지막(150)은 이후에 수행되는 열처리 공정에서 구리의 확산을 방지하고, 이후의 식각공정에서 하부절연막(130)의 식각을 방지한다. 제1 식각정지막(150)의 하부에는 구리의 확산에 민감한 트랜지스터가 있으므로, 제1 식각정지 막(150)을 사용하는 것이 바람직하다. 제1 식각정지막(150)은 하부절연막(130)에 대하여 식각선택비가 큰 물질, 예컨대 SiC 또는 SiN계열의 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 후술하겠지만, 제1 식각정지막(150)은 상, 하부절연막(130, 160)과의 광특성이 다르므로, 외부로부터 광이 입사되었을 때 빛의 산란과 난반사가 발생하게 된다. 그러므로, 외부로부터 광이 수광소자(110)에 도달하기 위하여는 수광소자(110) 상부에 존재하는 제1 식각정지막(150)은 제거하는 것이 바람직하다.

이어서, 제1 식각정지막(150) 상에 제1 층간절연막(160)을 형성한다. 제1 층간절연막(160)은 실리콘산화물과 같은 투명한 재질로 형성할 수 있다. 그렇지만, 수광소자(110)의 상부에 존재하는 제1 층간절연막(160)은 나중에 제거될 수 있으므로, 불투명한 물질로 형성할 수 있다.

도 2d를 참조하면, 사진식각공정으로 제1 층간절연막(160) 및 제1 식각정지막(150)을 부분적으로 제거하여 하부콘택(140)을 노출하는 제1 트렌치(162)를 형성한다. 그후, 제1 트렌치(162)의 측면과 저면 및 제1 층간절연막(160) 상부면의 단차를 따라 제2 배리어 금속막(410)을 형성한다. 제2 배리어 금속막(410)은 이후에 구리 증착공정시 구리 성분이 하부절연막(130) 및 제1 층간절연막(160) 내로 확산되는 것을 방지한다. 제2 배리어 금속막(410)은 예들 들면, 탄탄륨막 또는 질화 탄탈률막 또는 탄탈륨막이 증착된 복합일 수 있다.

이어서, 제1 트렌치(162)를 매립하도록 제2 배리어 금속막(410) 상에 구리를 증착하여 제2 구리층(159)을 형성한다. 제2 구리층(159)은 먼저 구리 시드(seed)를 스퍼터링법에 의해 증착한 후, 전해도금법에 의해 형성한다.

도 2e를 참조하면, 제1 층간절연막(160)의 상부면이 노출되도록 제2 구리층(159) 및 제1 층간절연막(160)의 상부 표면 상에 존재하는 제2 배리어 금속막(410)을 CMP로 연마하여 제1 트렌치(162) 내에 하부콘택(140)과 연결되고 구리로 이루어진 하부 구리배선(170)을 형성한다. 이때, 제2 배리어 금속막(410)은 하부 구리배선(170)을 구성하는 금속물질이 제1 층간절연막(160)으로 확산되는 것을 방지한다.

도 2f를 참조하면, 하부 구리배선(170)이 형성된 제1 층간절연막(160) 상에 제2 식각정지막(180)을 형성하고, 제2 식각정지막(180) 상에 제2 층간절연막(190)을 형성한다. 그후, 하부 구리배선(170)을 형성하는 방법과 유사하게 제1 배선(200)을 형성한다. 제1 배선(200)은 제1 구리콘택(200a) 및 제1 구리배선(200b)을 포함하며, 제1 구리콘택(200a) 및 제1 구리배선(200b)을 동시에 형성하는 듀얼 다마신(dual damascene) 공정으로 제조한다. 듀얼 다마신 공정은 한번의 전해도금을 실시하여 배선과 비아를 동시에 형성하는 것이다. 하부 구리배선(170)은 배리어 금속막 및 시드층을 형성하고 전해도금하여 하나의 구리배선을 형성하는 통상적인 싱글 다마신(single damascene) 공정으로 제조한 것이다.

도 2g를 참조하면, 제1 배선(200)이 형성된 제2 층간절연막(190) 상에 제3 식각정지막(210) 상에 상부절연막(220)을 형성한다. 다음에, 제1 배선(200)의 형성방법과 동일하게 듀얼 다마신 공정을 적용하여 제2 구리콘택(230a) 및 제2 구리배선(230b)을 포함하는 제2 배선(230)을 형성하여 다층 배선구조를 얻는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 트랜지스터(120)의 소오스 및 드레인과 전기적으로 연결되는 구리배선을 다층으로 구성할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예는 구리배선이 3층 구조로 형성되는 것을 예를 들어 설명하였으나, 그 이상의 다층구조나 단층구조로도 형성될 수 있다.

도 2h를 참조하면, 제2 배선(230)을 포함하는 상부 층간절연막(220) 상에 보호막(270)을 형성한다. 보호막(270)은 실리콘산화막이나 실리콘질화막 또는 실리콘탄화막으로 형성할 수 있다. 보호막(270)은 상기 다층으로 형성되는 배선들 상에 형성한다.

도 2j를 참조하면, 보호막(270) 상부에 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝하여 수광소자(110) 상의 보호막(270)의 상면을 제1 폭(W1)만큼 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴(PR1)을 형성한다. 그후, 제1 포토레지스트 패턴(PR1)을 식각마스크로 하여, 보호막(270), 상부절연막(220), 제1 및 제2 층간절연막(160, 190) 및 제1 내지 제3 식각정지막(150, 180, 210)을 식각한다. 이때, 상기 식각 하부절연막(130)이 노출될 때까지 진행한다. 이에 따라, 수광소자(110) 상부의 층간절연막들(160, 190, 220) 및 식각정지막들(150, 180, 210)이 제거되어 캐비티(cavity; 300)가 형성된다. 이어서, 제1 포토레지스터 패턴(PR1)을 제거한다.

도 2j를 참조하면, 캐비티(300)를 매립하면서, 보호막(270)을 균일한 두께로 덮는 투명물질층(305)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서의 투명물질층(305)은 저온산화막과 유기물을 이용하였다. 이때, 도시되지는 않았지만, 보호막(270 상에 알루미늄 패드를 형성한 후, 투명물질층(305)을 형성한다. 구체적으로, 투명물질층(305)이 저온산화막인 경우, 통상의 CVD 방법을 이용하여 캐비티(300)를 매립 하고, 보호막(270)을 덮도록 형성한다. 그후, 투명물질층(305)의 상부면을 에치백 등을 이용하여 평탄화한다. 투명물질층(305)이 포토레지스트와 같은 유기물인 경우, 스핀코팅 또는 유기CVD 등을 이용하여 상술한 바와 같이 캐비티(300)를 매립하고 보호막(270)을 포함하여 기판(100)의 전면을 균일한 두께로 덮는다.

이어서, 보호막(207)보다 상부에 존재하는 투명물질층(305)에 질소를 첨가시켜 굴절율을 높인 내부렌즈용 물질층(312a)을 도시된 바와 같이 형성한다. 이를 위해, 내부렌즈용 물질층(312a)은 투명물질층(305)인 저온산화막이나 유기물에 질소 이온을 주입하거나 질소 분위기에서 질소를 침투시킬 수 있다. 이에 따라, 투명물질층(305)는 캐비티(300)에 한정된 투명절연막(310)과 투명절연막(310)과 보호막(270) 상에 형성된 내부렌즈용 물질층(312a)로 분리된다.

도면을 통하여 설명하지는 않았지만, 투명물질층(305)의 굴절율이 1.6 이상인 동일한 물질인 경우, 저온산화막이나 유기물에 인-라인 방식으로 투명물질층(305) 전체에 질소를 첨가하여 형성할 수 있다. 즉, 앞에서 설명한 내부렌즈용 물질층(312a)는 투명물질층(305)의 일부에 질소를 첨가하여 형성되나, 이 경우에는 투명물질층(312a)의 전체에 질소가 첨가된다.

도 2k를 참조하면, 내부렌즈용 물질층(312a) 상에 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝하여 수광소자(110) 상의 내부렌즈용 물질층(312a)의 상면을 제2 폭(W2)만큼 덮고, 제2 폭(W2)을 제외한 다른 부분은 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴(PR2)을 형성한다. 그후, 제2 포토레지스트 패턴(PR2)을 식각마스크로 하여 내부렌즈용 물질층(312a)을 식각한다. 이때, 제2 폭(W2)은 도 2i에서의 제1 폭(W1)보 다 약간 넓은 것이 바람직하며, 제1 폭(W1)과 제2 폭(W2)은 같은 너비일 수도 있다. 이에 따라, 캐비티(도 2i의 300) 내에는 도 1에서 설명한 투명절연막(310)이 형성되고, 투명절연막(310) 상에는 패터닝된 내부렌즈용 물질층(312a)이 형성된다.

도 2l을 참조하면, 보호막(270) 상으로 돌출된 내부렌즈용 물질층(312a)의 상부를 에치백(etch-back) 또는 리플로우 공정을 통하여 볼록한 형태의 내부렌즈(312)를 형성한다. 여기서, 에치백 공정은 약한 에지부분부터 식각되는 원리를 이용하는 것으로, 식각시간을 조절하면 볼록한 형태의 내부렌즈(312)를 제조할 수 있다. 리플로우(reflow) 공정은 내부렌즈용 물질층(312a) 상부에 열을 가하여 상기 물질층(312a)을 리플로우하여 볼록렌즈 형태의 내부렌즈(312)를 형성하는 것이다. 이에 따라, 내부렌즈(312)는 빛이 수광소자(110)의 표면으로 포커싱되도록 하여 빛의 산란과 난반사를 방지할 수 있다.

도 2m을 참조하면, 내부렌즈(312) 및 보호막(270) 상부를 평탄하게 덮는 투명한 재질로 이루어진 평탄화막(500)을 형성한다. 평탄화막(500) 상에는 블루, 그린 및 레드 컬러의 어레이 구조를 갖는 균일한 두께의 컬러필터(550)를 형성한다. 본 실시예에서는 하나의 수광소자(110)가 도시되어 있으므로, 상부에 블루, 그린 및 레드 컬러 중에 하나의 컬러필터(550)가 형성된다. 이어서, 컬러필터(550) 상에 마이크로 렌즈(600)을 형성하여 CMOS 이미지 소자를 완성한다. 마이크로 렌즈(600)는 내부렌즈(312)의 포커싱을 더욱 향상시킬 수 있으며, 내부렌즈(312)만으로도 포커싱이 충분하면, 마이크로 렌즈(600)를 형성하지 않을 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 이미지 소자의 제조방법은 내부렌즈를 질소를 함유하여 굴절율을 높여 투명절연막으로 향하는 광의 투과율을 높일 수 있다. 또한, 첨가되는 질소의 양 또는 막의 치밀도를 조절하여 상기 굴절율에 따른 투과율을 조절할 수 있다. 나아가, 투명절연막과 내부렌즈를 굴절율이 1.6 이상의 동일한 물질로 형성하여, 투명절연막을 관통하는 광의 파장을 줄여, 이미지 소자의 크기를 줄이는 데 기여할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도들이다. 이때, 투명절연막(700)과 내부렌즈(710)를 형성하는 방법 및 그 구조를 제외한 나머지 부분은 앞에서 도 2a 내지 도 2m를 참조하여 설명한 것과 동일하다.

도 3a를 참조하면, 캐비티(도 2i의 300)를 채워 보호막(270)의 상부면에 대하여 평탄화된 투명절연막(700)을 형성한다. 도시되지는 않았지만, 투명절연막(700)의 평탄화는 알루미늄 패드를 형성하기 전에 실시할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 투명절연막(700)과 보호막(270)을 균일한 두께로 덮는 내부렌즈용 물질층(712a)을 형성한다. 이때, 투명절연막(700)과 내부렌즈용 물질층(712a)은 다양한 조합으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 투명절연막(700)이 실리콘산화막이라면, 내부렌즈용 물질층(712a)는 질소를 포함하는 유기물로 할 수 있고, 투명절연막(700)이 유기물이라면 및 내부렌즈용 물질층(712a)는 질소를 포함하는 실리콘산화막, 특히 저온산화막일 수 있다. 나아가, 투명절연막(700)이 저온산화막인 경우, 내부렌즈용 물질층(712a)은 SiO과 SiN을 동시에 증착하여 형성할 수도 있다.

도 3c를 참조하면, 내부렌즈용 물질층(712a)을 도 2k 및 도 2l과 동일한 방법으로 볼록한 상부 프로파일을 갖는 내부렌즈(712)를 형성한다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 의한 이미지 소자의 제조방법은 투명절연막과 내부렌즈를 별도로 형성함으로써, 원하는 형태의 투명절연막과 내부렌즈를 형성할 수 있다. 예를 들어, 공정온도가 200℃ 이하를 구현하고자 하는 경우, 투명절연막과 내부렌즈를 각각 유기물과 저온산화막으로 할 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 예컨대, 본 발명의 실시예서 내부렌즈의 상부가 볼록한 형태로 설명하였으나, 경우에 따라 오목한 형태에도 적용될 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 이미지 소자 및 그 제조방법에 의하면, 질소를 첨가하여 굴절율을 내부렌즈를 구비함으로써, 광투과율을 향상시키고 실제 공정에 용이하게 적용할 수 있다.

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13. 기판의 상부에 수광소자를 형성하는 단계;

    상기 기판 상에 수광소자를 구동하는 트랜지스터와 상기 트랜지스터와 전기적으로 연결되는 금속콘택 및 금속배선이 구성된 층간절연막 구조물을 형성하는 단계;

    상기 증간절연막 구조물에서 상기 수광소자의 상부에 위치하는 부분을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계;

    상기 캐비티를 채우고 상기 캐비티와 상기 층간절연막 구조물 균일한 두께로 덮는 투명물질층을 형성하는 단계;

    상기 투명물질층에서 상기 층간절연막 구조물보다 상부에 위치하는 부분에 질소를 첨가하여 내부렌즈용 물질층을 형성하는 단계;

    상기 내부렌즈용 물질층을 렌즈 타입으로 형성시켜 내부렌즈를 형성하는 단계; 및

    상기 내부렌즈 상부에 컬러필터를 형성하는 단계를 포함하는 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자의 제조방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 투명물질층은 저온산화막(low temperature oxide)로 이루어지고, 상기 내부렌즈는 상기 저온산화막에 질소가 함유된 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자의 제조방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 내부렌즈는 SiO_xN_1-x(x= 0.01~0.99)인 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자의 제조방법.
16. 제13항에 있어서, 상기 투명물질층은 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 유기물로 이루어지고, 상기 내부렌즈는 상기 유기물보다 굴절율이 크도록 첨가물이 첨가된 유기물인 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자의 제조방법.
17. 기판의 상부에 수광소자를 형성하는 단계;

    상기 기판 상에 수광소자를 구동하는 트랜지스터와 상기 트랜지스터와 전기적으로 연결되는 금속콘택 및 금속배선이 구성된 층간절연막 구조물을 형성하는 단계;

    상기 증간절연막 구조물에서 상기 수광소자의 상부에 위치하는 부분을 제거하여 캐비티를 형성하는 단계;

    상기 층간절연막 구조물의 상부면과 동일한 레벨을 이루도록 상기 캐비티를 채워 투명절연막을 형성하는 단계;

    상기 투명절연막과 상기 층간절연막 구조물보다 상에 위치하는 부분에 질소를 첨가하여 내부렌즈용 물질층을 형성하는 단계;

    상기 내부렌즈용 물질층을 렌즈 타입으로 형성시켜 내부렌즈를 형성하는 단계; 및

    상기 내부렌즈 상부에 컬러필터를 형성하는 단계를 포함하는 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자의 제조방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 투명절연막 및 내부렌즈는 저온산화막(low temperature oxide)에 질소가 함유된 SiO_xN_1-x(x= 0.01~0.99)인 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자의 제조방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 투명절연막 및 내부렌즈는 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 유기물에 질소가 함유한 내부렌즈를 포함하는 이미지 소자의 제조방법.

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