KR100399897B1 - 이미지센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로 굴절률이 마이크로렌즈보다 크고 플로우 특성이 없는 막을 마이크로렌즈 상부에 형성함으로써 집광효율을 높이고 인접한 마이크로렌즈간에 브리지 현상이 발생하는 것을 억제하여 이미지센서의 특성을 향상시킨 발명이다. 이를 위한 본 발명은 관련소자들이 형성된 기판에 복수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 인접한 상기 마이크로렌즈들 사이를 메우며, 상기 마이크로렌즈보다 큰 굴절율을 갖는 비유동성막을 상기 마이크로렌즈상에 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 이미지센서(Image Sensor)의 제조방법에 관한 것으로 특히, 굴절률이 마이크로렌즈 보다 크고 플로우 특성이 없는 막을 이용하여 집광효율과 브리지 현상 억제등의 특성을 개선한 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 (CMOS:Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라필터어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
종래의 일반적인 이미지센서의 제조방법을 도1을 참조하여 설명한다.
기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(2)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(도1에 게이트 전극은 도시되어 있지 않다.)
이후 적절한 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드(3)로 구성된 수광영역을 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드(미도시)를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.
결과물상에 층간절연막(4)과 금속배선(5)을 차례로 형성한다. 금속배선을 여러 개 사용하는 경우에는 금속배선 사이에 금속층간절연막을 형성하고 최종 금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하는데 도1에서는 하나의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였다. 따라서 도1에서는 금속배선(5)을 형성한 후, 금속배선(5) 상부에 곧바로 페시베이션막(6)을 형성하여 일반 시모스 로직 프로세스를 완료하였다.
이후에 칼라 이미지 구현을 위한 세 가지 종류의 칼라필터(7) 형성공정을 진행하는데 칼라필터는 통상 염색된 포토레지스터를 이용하여 형성한다.
칼라필터(7)가 형성되면 그 단차에 의해 평탄도가 불량해지므로 칼라필터 상부에 형성될 마이크로렌즈(9)가 단위 픽셀마다 모양이 상이하게 형성되어 균일성(uniformity)이 저하되게 된다.
이러한 점을 개선하기 위하여 일종의 감광막인 오버코팅레이어(OCL:Over Coating Layer) (8)를 이용하여 평탄화 공정을 진행한다. 이와 같은 평탄화공정 이후에 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(9)를 형성하는데, 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트 물질을 이용하여 형성한다.
마이크로렌즈 형성용 유기물 포토레지스트를 도포한 후 마스크 공정을 통해 패턴을 형성한다. 이후 열 공정을 통해 마이크로렌즈(9)를 플로우 시켜서 돔 형태의 마이크로렌즈를 형성하게 된다.
그리고나서 마지막으로 외부와의 전기적인 연결을 위해 패드를 오픈하는 공정을 수행한다.
마이크로렌즈는 그 크기가 클수록 집광효율이 높기 때문에, 크면 클수록 이미지센서의 특성이 향상되지만 그렇게 되면 인접한 마이크로렌즈간의 간격이 좁아지게 된다. 따라서, 종래와 같은 방법을 이용하여 마이크로렌즈를 형성하게 되면 플로우 공정시에 인접한 포토레지스트가 서로 붙어버리는 브리지 현상이 발생할 수 있었다.
종래에는 이러한 브리지 현상을 방지하기 위해서 인접한 마이크로렌즈간의 공간을 일정한 간격으로 유지하여야 했으며 또한, 도1의A에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈와 마이크로렌즈 사이에 위치한 일정 공간으로 입사하는 빛은 수광영역으로 집광하지 못하게 되어 집광효율이 떨어지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 브리지현상을 없애고 집광효율을 높인 이미지센서의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도1은 종래의 이미지센서를 보인 도면
도2는 본 발명에 따른 이미지센서를 보인 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 필드산화막
3 : 포토다이오드 4 : 층간절연막
5 : 금속배선 6 : 페시베이션막
7 : 칼라필터 8 : 오버코팅레이어
9 : 마이크로렌즈 10 : 무기질 산화질화막
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 관련소자들이 형성된 기판에 복수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 인접한 상기 마이크로렌즈들 사이를 메우며, 상기 마이크로렌즈보다 큰 굴절율을 갖는 비유동성막을 상기 마이크로렌즈상에 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 마이크로렌즈를 형성한 후에 상기 마이크로렌즈상에 굴절률이 마이크로렌즈보다 크며 또한, 플로우 특성이 없어서 서로 붙을 염려가 없는 비유동성막을 인접한 마이크로렌즈간의 틈새가 메워질 정도로 두껍게 도포하여 브리지 발생을 억제하고 집광효율을 높인 이미지센서의 제조방법이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 도면으로 이를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 설명한다.
마이크로렌즈(9)를 형성하기까지의 공정은 종래기술과 동일하다. 즉, 기판(1)위에 소자들간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(2)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.( 도2에 게이트 전극은 도시되어 있지 않다. )
이후 적절한 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드(3)로 구성된 수광영역을 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.
다음으로 층간절연막(4)과 금속배선(5)을 차례로 형성한다. 금속배선을 여러개 사용하는 경우에는 금속배선들 사이에 금속층간절연막을 형성하고 최종 금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하는데 도2에서는 하나의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였다.
따라서, 도2에서는 하나의 금속배선(5)을 형성한 후, 금속배선(5) 상부에 페시베이션막(6)을 형성하여 일반 시모스 로직 프로세스를 완료하였다.
이와 같이 시모스 로직 프로세스가 완료된 이후에 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터 형성공정을 진행하는데 칼라필터는 통상 염색된 포토레지스터를 이용하여 형성한다.
칼라필터가 형성되면 그 단차에 의해 평탄도가 불량해지므로 칼라필터 상부에 형성될 마이크로렌즈가 단위픽셀마다 모양이 상이하게 형성되어 균일성 (uniformity)이 저하된다.
이러한 점을 개선하기 위하여 일종의 감광막인 오버코팅레이어 (OCL:OverCoating Layer)를 이용하여 평탄화 공정을 진행한다. 이와 같은 평탄화공정 이후에 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(9)를 형성하는데 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트 물질을 이용하여 형성한다.
마이크로렌즈는 마이크로렌즈 형성용 포토레지스트를 도포한 후 마스크 공정을 통해 패턴을 형성하는데, 본 발명에선 패터닝시에 인접한 마이크로렌즈간의 간격을 0.5 ∼ 1.0㎛ 정도로 유지하였다. 이 정도의 간격을 유지하여야 후속 플로우 공정시에 서로 붙지 않는 안정적인 공정조건을 확보할 수 있다. 그리고 나서 플로우 공정을 수행하여 돔 형태의 마이크로렌즈를 형성한다.
이와 같이 마이크로렌즈가 형성된 이후에 그 상부에 굴절률이 마이크로렌즈보다 크고 플로우 특성이 없는 비유동성막을 형성하는데 이러한 비유동성막으로 무기질 산화질화막(10), 무기질 산화막 또는 무기질 질화막을 이용한다.
형성되는 무기질 산화질화막(10), 무기질 산화막 또는 무기질 질화막의 두께는 5000 ∼ 20000Å 정도로 하며 이 정도 두께로 형성하여야만 도2의B에 도시된 바와 같이 인접한 마이크로렌즈간의 틈새가 충분히 메워지도록 도포할 수 있다.
이와 같이 형성된 무기질 산화질화막(10)의 굴절률은 포토레지스트로 구성된 마이크로렌즈(9)의 굴절률보다 큰 값을 갖게 설정하는데 이는 무기질 산화질화막의 구성물질인 산화물과 질화물의 조성에 따라 굴절률이 달라지며 산화막의 굴절률인 1.46과 질화막의 굴절률인 2.1사이의 값을 갖도록 설정한다.
무기질 산화질화막 대신에 무기질 산화막을 사용하는 경우에는 1.46정도의 굴절률을 갖게 하는 것이 바람직하며 무기질 질화막을 사용하는 경우에는 2.1정도의 굴절률을 갖게 하는 것이 바람직하다.
또한 무기질 산화질화막, 무기질 산화막 또는 무기질 질화막의 도포온도는 그 하부층이 모두 열에 약한 유기물 포토레지스터임을 감안하여 상온 내지 200℃ 이하의 저온에서 도포하는 것이 바람직하다.
마지막으로 패드를 오픈할 경우에도 페시베이션막(6)과 더불어 두꺼운 무기질 산화질화막(10), 무기질 질화막 또는 무기질 산화막을 함께 식각하여야 하므로 패드식각용 마스크의 두께도 5㎛ 이상으로 증가시켜야 하며, 패드식각 시간도 일반적인 시모스 로직 프로세스에서 보다 2배이상으로 증가시켜야 할 필요가 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 일 실시예는 시모스 이미지센서 이외에도 전하결합소자(CCD:Charge Coulped Device), 액티브 픽셀 센서(Active Pixel Sensor)를 탑재한 시모스 이미지센서를 포함하여 광감도가 문제가 될 수 있는 모든 종류의 이미지센서에 적용가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 이미지센서의 제조에 적용하게 되면 이미지센서의 광집속율을 향상시킬 수 있고 브리지 현상도 억제되므로 이미지센서 제품에서 가장 중요한 특성인 광감도를 향상시키는 효과가 있다.
Claims (6)
- 이미지센서의 제조방법에 있어서,관련소자들이 형성된 기판에 복수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계;인접한 상기 마이크로렌즈들 사이를 메우며, 상기 마이크로렌즈보다 큰 굴절율을 갖는 비유동성막을 상기 마이크로렌즈상에 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로렌즈보다 큰 굴절률을 갖는 비유동성막은 무기질 산화질화막, 무기질 산화막 또는 무기질 질화막인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 복수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계에서인접한 마이크로렌즈간의 간격은 0.5 ∼ 1.0 ㎛의 간격을 갖게 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 무기질 산화질화막, 무기질 산화막 또는 무기질 질화막은 5000 ∼ 20000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 무기질 산화질화막, 무기질 산화막 또는 무기질 질화막은 상온 내지 200℃ 이하의 저온에서 도포하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 무기질 산화질화막은 1.46 ∼ 2.1의 굴절률을 가지며 상기 무기질 산화막은 1.46의 굴절률을 가지고 상기 무기질 질화막은 2.1의 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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