KR100399065B1 - 광감도 특성을 향상시킬 수 있는 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 마이크로 렌즈 중 적어도 어느 하나가 칼라필터(R, G, B)와 접하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하여, 칼라필터 형성이 완료된 전체 구조를 평탄화시키고, OCL 형성에 따른 광투과 효율 저하를 방지하고 그에 따라 광감도 특성을 향상시키는데 특징이 있다.

Description

광감도 특성을 향상시킬 수 있는 제조 방법{Method for forming image sensor capable of improving light sensitivity}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 광감도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 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 고체의 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, 픽셀수 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 단위 픽셀을 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위 픽셀을 보이고 있다. 4개의NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅 확산영역이 갖는 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위 픽셀에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위 픽셀을 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 캐패시턴스 Cp는 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 캐패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위 픽셀 출력단(Out)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 단위 픽셀에 대한 한 동작주기가 완료된다.

화상인식 소자로 사용되는 이미지 센서는 입사하는 빛을 손실없이 전자로 바꾸는 능력이 중요하다. 입사하는 빛을 전자로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자가 포토다이오드인데, 통상 이미지 센서의 단위 픽셀에는 도 1에 보이는 바와 같이 포토다이오드 뿐만 아니라 단위 픽셀 내부의 신호처리를 위한 회로가 복합적으로 구성되기 때문에 포토다이오드의 면적에 제한이 따르게 된다. 이를 극복하기 위하여 단위 픽셀 상부에 마이크로렌즈를 형성하여 단위 픽셀로 입사하는 빛 중에서 포토다이오드 영역 이외의 지역으로 입사하는 빛을 포토다이오드로 모아준다. 이와 같이 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 통하여 이미지 센서의 광집속도를 향상시킬 수 있다.

도 2는 종래 이미지 센서 단위 픽셀 내부의 포토다이오드, 칼라필터 및 마이크로 렌즈를 보이는 단면도로서, 필드산화막(21) 및 포토다이오드(22)를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(20) 상에 층간절연막(23)을 형성하고, 상기 층간절연막(23) 상에 칼라필터(R, G, B)를 형성하고, 평탄화를 위한 OCL(over coating layer, 24)을 투명감광막으로 형성한 다음, OCL(24) 상에 빛을 모으기 위한 마이크로 렌즈(28)를 형성한 것을 보이고 있다.

평탄화 목적으로 형성되는 상기 OCL(24)은 투명 감광막을 1.5 ㎛ 내지 2 ㎛ 정도로 비교적 두껍게 도포하여 형성하는데, 하드베이크(hard bake)에 의해 OCL이 견고(hardening)해지면서 광 투과율이 70 % 미만으로 낮아져 이미지 센서의 이미지 센서의 광감도 특성을 저하시키는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 OCL 형성에 따른 광감도 특성 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 구조를 개략적으로 보이는 단면도,

도 2는 종래 이미지 센서 단위픽셀 내부의 포토다이오드, 칼라필터 및 마이크로 렌즈를 보이는 단면도,

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

R, G, B: 칼라필터 33, 43: OCL

34, 44: 마이크로 렌즈

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상부에 형성되며 평탄화된 다수의 칼라필터; 및 상기 칼라필터와 직접 접하는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 상부에 형성된 다수의 칼라필터; 상기 칼라필터의 일부를 덮으며 상기 다수의 칼라필터 중 적어도 어느 하나와 같은 높이를 이루는 평탄화층; 및 상기 칼라필터 상에 형성되며 상기 다수의 칼라필터 중 적어도 어느 하나와 직접 접하는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 층간절연막 상에 감광막으로 다수의 칼라필터를 형성하고 하드베이크를 실시하는 제2 단계; 상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 평탄화용 감광막을 도포하고, 상기 제2 단계의 하드베이크보다 낮은 온도에서 상기 평탄화용 감광막을 하드베이크하는 제3 단계; 상기 다수의 칼라필터가 평탄화될 때까지 상기 평탄화용 감광막과 상기 다수의 칼라필터를 식각하는 제4 단계; 잔류하는 상기 평탄화용 감광막을 O₂플라즈마를 이용하여 제거하는 제5 단계; 및 상기 다수의 칼라필터와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제6 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 층간절연막 상에 감광막으로 다수의 칼라필터를 형성하고 하드베이크를 실시하는 제2 단계; 상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 평탄화용 감광막을 도포하고, 상기 제2 단계의 하드베이크보다 낮은 온도에서 상기 평탄화용 감광막을 하드베이크하는 제3 단계; 상기 다수의 칼라필터 중 적어도 어느 하나가 노출되어 상기 평탄화용 감광막과 평탄화를 이룰 때까지 상기 평탄화용 감광막을 식각하는 제4 단계; 잔류하는 상기 평탄화용 감광막을 O₂플라즈마를 이용하여 제거하는 제5 단계; 및 상기 다수의 칼라필터 중 적어도 어느 하나와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제6 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 다수의 마이크로 렌즈 중 적어도 어느 하나가 칼라필터와 접하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하여, 칼라필터 형성이 완료된 전체 구조를 평탄화시키고, OCL 형성에 따른 광투과 효율 저하를 방지하고 그에 따라 광감도 특성을 향상시키는데 그 특징이 있다.

이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, 필드산화막, 트랜스퍼 트랜지스터, 포토다이오드 및 센싱영역 등을 포함한 하부구조(31) 형성이 완료된 반도체 기판(30) 상에 층간절연을 위한 페시베이션 산화막(passivation oxide, 32)을 형성하고, 상기 페시베이션 산화막(32) 상에 제1 색 칼라필터의 예로서 블루 칼라필터(B)를 형성한 다음, 1차 하드베이크 공정을 실시한다.

다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 제2 색 칼라필터 예로서 레드 칼라필터(R)를 형성하고 2차 하드베이크 공정을 실시한 다음, 제3 색 칼라필터의 예로서 그린 칼라필터(G)를 형성하고 3차 하드베이크 공정을 실시하여, 칼라필터 어레이 형성 공정을 완료한다.

이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 칼라필터 어레이 형성이 완료된 전체 구조 상에 투명한 양성 감광막(33)을 도포하고, 핫 플레이트형(hot plate type) 오븐(oven)에서 상기 제1차 하드베이크 내지 상기 제3 하드베이크 보다 낮은 온도인 10 ℃ 내지 150 ℃로 1 분 내지 3분간 4차 베이크를 실시한다.

다음으로 도 3d에 도시한 바와 같이 제1 색 내지 제3 색 칼라필터(R,G,B)와 양성 감광막(33)이 동일한 비율로 식각되는 조건으로 제1 색 내지 제3 색 칼라필터(R,G,B)가 평탄화 될 때 까지 RIE(reactive ion etching) 공정을 실시하고, 칼라필터 어레이 영역 이외에 잔류하는 양성 감광막을 O₂플라즈마를 이용하여 제거한다. 전술한 바와 같이 양성 감광막(33)은 제1 색 내지 제3 색 칼라필터(R,G,B)보다 낮은 온도에서 베이크됨에 따라 제1 색 내지 제3 색 칼라필터(R,G,B) 보다 O₂플라즈마에 보다 빨리 제거되어 제1 색 내지 제3 색 칼라필터(R, G, B)는 크게 손상되지 않는다.

이어서 도 3e에 도시한 바와 같이, 평탄화된 제1 색 내지 제3 칼라필터(R, G, B) 각각과 접하는 마이크로 렌즈(34)를 감광막으로 형성하고 5차 하드베이크 공정을 실시한다.

전술한 본 발명의 실시예에서는 칼라필터 모두를 평탄화시켜 다수의 마이크로 렌즈 각각이 칼라필터와 접하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 설명하였지만, 다음에 보이는 본 발명의 다른 실시예와 같이 칼라필터 중 적어도 어느 하나의 칼라필터가 노출될 때까지 OCL층 일부를 식각하여 평탄화시킴으로써 OCL층의 두께를 감소시켜 광감도 특성을 향상시킬 수도 있다.

이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 4a에 도시한 바와 같이, 필드산화막, 트랜스퍼 트랜지스터, 포토다이오드 및 센싱영역 등을 포함한 하부구조(41)를 형성하고, 하부구조(41) 형성이 완료된 반도체 기판(40) 상에 층간절연을 위한 페시베이션 산화막(42)을 형성한다.

다음으로 도 4b에 보이는 바와 같이, 상기 페시베이션 산화막(42) 상에 제1 색 칼라필터의 예로서 블루 칼라필터(B)를 형성한 다음, 1차 하드베이크 공정을 실시한다.

이어서 도 4c에 도시한 바와 같이, 제2 색 칼라필터 예로서 레드 칼라필터(R)를 형성하고 2차 하드베이크 공정을 실시한다.

다음으로 도 4d에 보이는 바와 같이, 제3 색 칼라필터의 예로서 그린 칼라필터(G)를 형성하고 3차 하드베이크 공정을 실시하여, 칼라필터 어레이 형성 공정을 완료한 다음, 전체 구조 상에 양성 감광막(43)을 도포하고, 핫 플레이트형(hot plate type) 오븐(oven)에서 상기 제1차 하드베이크 내지 상기 제3 하드베이크 보다 낮은 온도인 10 ℃ 내지 150 ℃로 1 분 내지 3분간 4차 베이크를 실시한 다음, 제1 색 내지 제3 색 칼라필터(R,G,B)와 양성 감광막(43)이 동일한 비율로 식각되는 조건으로 제1 색 내지 제3 색 칼라필터(R,G,B) 중 적어도 어느 하나가 노출되어 OCL(43)과 평탄화될때 까지 RIE 공정을 실시하고, 칼라필터 어레이 영역 이외에 잔류하는 양성 감광막을 O₂플라즈마를 이용하여 제거한 후, 제1 색 내지 제3 칼라필터(R, G, B) 중 적어도 어느 하나와 접하는 다수의 마이크로 렌즈(44)를 감광막으로 형성하고 5차 하드베이크 공정을 실시한다.

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 CMOS 이미지 센서의 광 에너지 투과율을 향상시키고 제조 원가를 절감시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;

   상기 층간절연막 상에 감광막으로 다수의 칼라필터를 형성하고 하드베이크를 실시하는 제2 단계;

   상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 평탄화용 감광막을 도포하고, 상기 제2 단계의 하드베이크보다 낮은 온도에서 상기 평탄화용 감광막을 하드베이크하는 제3 단계;

   상기 다수의 칼라필터가 평탄화될 때까지 상기 평탄화용 감광막과 상기 다수의 칼라필터를 식각하는 제4 단계;

   잔류하는 상기 평탄화용 감광막을 O₂플라즈마를 이용하여 제거하는 제5 단계; 및

   상기 다수의 칼라필터와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제6 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
5. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;

   상기 층간절연막 상에 감광막으로 다수의 칼라필터를 형성하고 하드베이크를 실시하는 제2 단계;

   상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 평탄화용 감광막을 도포하고, 상기 제2 단계의 하드베이크보다 낮은 온도에서 상기 평탄화용 감광막을 하드베이크하는 제3 단계;

   상기 다수의 칼라필터 중 적어도 어느 하나가 노출되어 상기 평탄화용 감광막과 평탄화를 이룰 때까지 상기 평탄화용 감광막을 식각하는 제4 단계;

   잔류하는 상기 평탄화용 감광막을 O₂플라즈마를 이용하여 제거하는 제5 단계; 및

   상기 다수의 칼라필터 중 적어도 어느 하나와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제6 단계
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 제2 단계는,

   제1 색의 칼라필터를 형성하고 하드베이크를 실시하는 단계;

   제2 색의 칼라필터를 형성하고 하드베이크를 실시하는 단계; 및

   제3 색의 칼라필터를 형성하고 하드베이크를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
7. 삭제
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 제3 단계에서,

   10 ℃ 내지 150 ℃로 1 분 내지 3분간 하드 베이크를 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 제4 단계에서,

   상기 다수의 칼라필터와 상기 평탄화용 감광막이 동일한 비율로 식각되는 조건으로 식각공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.