KR100410635B1 - 이미지센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 볼록한 형상의 마이크로 렌즈의 상부면을 유효 광감지영역의 폭과 오버랩되도록 절단함으로써, 직진으로 입사하는 빛의 투과율을 향상시킬 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계; 상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계; 상기 마이크로 렌즈의 표면을 따라 산화막을 형성하는 제3 단계; 및 상기 산화막 상에 포토레지스트를 코팅한 후 에치백 공정을 실시하여 상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖되, 상기 마이크로 렌즈의 하부면과 평행하도록 절단하는 제4 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.또한, 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계; 상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계; 및 상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖도록 상기 마이크로 렌즈를 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 연마하여 상기 마이크로 렌즈의 하부면과 평행하도록 하는 제3 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체소자에 관한 것으로 특히, 집광능력을 향상시킬 수 있는 마이크로 렌즈(Microlens)를 구비한 이미지센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이 중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이렇듯 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 포토다이오드 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 포토다이오드로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 포토다이오드를 포함하는 기판(1) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 Blue, Red, Green 등의 CFA(Color Filter Array, 2)가 배치되어 있으며, 그 상부에 층간 절연을 위한 OCM(Over-Coating Material, 3)이 형성되어 있고, CFA(2)와 오버랩되는 영역의 상부에 마이크로 볼록렌즈(Concave microlens, 4)가 형성되어 있다.
상기한 구성을 갖는 종래기술에 따른 이미지센서는 포토다이오드(도시하지 않음) 이외의 영역으로 입사하는 빛을 굴절시켜서 포토다이오드(도시하지 않음)로 모이도록 하고 있으며, OCM(3)은 CFA(2) 패턴 형성 후 마이크로 볼록렌즈(4)의 패턴 형성이 용이하도록 평탄화의 목적으로 이용된다.
한편, 이러한 각 단위 화소의 단면도를 도시한 도 2를 참조하면, 실리콘기판(22) 상의 소정 영역에 포토다이오드(23)가 배치되어 있으며, 그 상부에 절연막(24)이 형성되어 있고, 절연막(24) 상의 포토다이오드(23)와 오버랩되지 않는 영역에 게이트전극(25)과, 게이트전극(25)으로 빛이 입사되는 것을 차단하기 위한 광차단막(26)이 게이트전극(25) 상부에 오버랩되도록 배치되어 있으며, 게이트전극(25)과 광차단막(26) 사이에 층간절연막(27)이 형성되어 있다. 층간절연막(27) 상의 포토다이오드(23)와 오버랩되는 영역에 포토리소그라피(Photolithography) 공정에서 사용하는 포토레지스트와 유사한 수지(Resin) 등으로 이루어진 마이크로 볼록렌즈(28)가 배치되어 있다.
즉, 입사되는 빛 에너지를 증가시키기 위해 유효 광감지영역(A)을 마이크로 렌즈에 의한 집광영역(B)으로 확대한 형태를 취하도록 하고 있다.
이와 같이 종래에는 마이크로 렌즈를 볼록렌즈 모양으로 형성하는 것으로 하고 있으며, 특히 포토다이오드 상부에 오버랩되도록 마이크로 렌즈를 형성하는데 주안점을 두고 있다. 따라서, 'β'와 'γ' 같은 유효 광감지영역(A) 바같 영역에 입사되는 빛을 입사하여 집광효율을 높일 수 있는 장점이 있으나, 'α'와 같이 직진으로 입사하는 빛의 경우에는 오히려 마이크로 볼록렌즈(28)의 상대적으로 두꺼운 면적을 통과해야하므로, 빛 에너지의 투과율(Transmittance)이 크게 저하되어 광감도가 감소되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 포토다이오드와 오버랩되는 마이크로 렌즈의 중앙 부분의 수지를 얇게함으로써, 직진으로 입사하는 빛에 대한 투과율 저하를 방지할 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도,
도 2는 도 1의 단위 화소를 나타내는 단면도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 제조 공정을 나타내는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 기판
31 : 포토다이오드
32 : 절연막
33 : 로직부
34 : 광차단막
35 : 층간절연막
36 : 마이크로 렌즈
37 : 산화막
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계; 상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계; 상기 마이크로 렌즈의 표면을 따라 산화막을 형성하는 제3 단계; 및 상기 산화막 상에 포토레지스트를 코팅한 후 에치백 공정을 실시하여 상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖되, 상기 마이크로 렌즈의 하부면과 평행하도록 절단하는 제4 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계; 상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계; 및 상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖도록 상기 마이크로 렌즈를 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 연마하여 상기 마이크로 렌즈의 하부면과 평행하도록 하는 제3 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.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 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3d는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 단면도이다.
도 3d을 참조하면, 본 발명의 이미지센서는, 포토다이오드(31) 및 로직부(33)를 구성하는 회로가 형성된 기판(30)과, 로직부(33)의 상부에 형성되어 로직부(33)로 입사되는 빛을 차단하는 광차단막(34)과, 광차단막(34) 상부에 배치되되, 볼록한 형상의 상부면이 하부면과 평행하게 절단된 마이크로 렌즈(36)와, 마이크로 렌즈(36)의 아치형 옆면을 감싸도록 배치된 산화막(37)을 구비하여 구성된다.
구체적으로, 포토다이오드(31)와 로직부(33) 사이에는 절연막(32)이 형성되어 있고, 로직부(33)와 광차단막(34)은 층간절연막(35)에 의해 격리되어 있다.
따라서, 포토다이오드(31)의 유효 광감지영역(A) 이외의 영역으로 입사되는 빛 'β'와 'γ'는 그 곡률 반경 안쪽으로 굴절되어 포토다이오드(31)로 모이며, 'α'와 같이 유효 광감지영역(A)으로 직진하여 입사되는 빛은 비교적 얇은 마이크로 렌즈(36)를 통과하므로 높은 투과율을 갖고 포토다이오드(31)로 모인다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 도 3a에 도시된 바와 같이, 소정의 공정이 완료된 기판(30) 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈(36)를 형성한다.
여기서, 도시된 도면부호 '31'은 포토다이오드, '32'는 절연막, '33'은 로직부, '34'는 광차단막 그리고, '35'는 층간 절연 및 평탄화를 위한 층간절연막(35)을 나타낸다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(36)의 표면을 따라 산화막(37)을 코팅한다.
구체적으로, 산화막(37)은 LTO(Low Temperature Oxide)로서, 후속의 피알스트립(PR Strip) 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등의 공정에 의한 마이크로 렌즈(36)의 어택(Attack)을 방지하기 위한 역할을 하는 바, 저온의 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 4000Å ∼ 10000Å의 두께가 되도록 한다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 결과물 전면에 포토레지스트(38)를 코팅한다.
다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 에치백(Etch Back) 공정을 통하여 마이크로 렌즈(36)의 절단된 상부의 폭이 유효 광감지영역(A)과 오버랩되도록 한다.
구체적으로, 마이크로 렌즈(36)와 산화막(37) 및 포토레지스트(38)의 식각선택비를 각각 1:1:1로 하여 에치백을 실시하는 바, 유효 광감지영역(A)의 폭과 절단된 마이크로 렌즈(36)의 상부의 폭이 오버랩되도록 적절히 조절한다. 이어서, 이웃하는 마이크로 렌즈(36)와의 사이인 아치형 옆면에 잔류하는 포토레지스트(36)를 피알스트립을 통하여 제거하는 바, 산화막(37)은 이러한 피알스티립 시 하부 마이크로 렌즈(36)의 어택을 방지하도록 한다.
마이크로 렌즈의 상부를 절단하는 방법은, 상기한 바와 같이 포토레지스트를 이용한 에치백 공정을 통해 이루질 수도 있는 반면, 상기 도 3b의 포토레지스트(38) 코팅을 실시하지 않고, 산화막(37)과 마이크로 렌즈(36)를 CMP 공정을 통하여 절단할 수도 있다. 여기서, 상부면의 폭은 상술한 포토레지스트를 이용하는 방법과 동일하게 한다.
상술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 볼록한 형태의 마이크로 렌즈 상부면을 유효 광감지영역의 폭과 오버랩되도록 절단함으로써, 직진으로 입사하는 빛의 투과율을 높일 수 있으며, 렌즈의 아치형 옆면을 통한 유효 광감지 영역 이외의 빛도 받아들일 수 있으므로 집광효율을 높일 수 있을을 실시예를 통해 알아 보았다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은, 단위 화소의 빛 에너지 흡수율을 높임으로써, 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.
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- 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계;상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계;상기 마이크로 렌즈의 표면을 따라 산화막을 형성하는 제3 단계; 및상기 산화막 상에 포토레지스트를 코팅한 후 에치백 공정을 실시하여 상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖되, 상기 마이크로 렌즈의 하부면과 평행하도록 절단하는 제4 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법.
- 기판 상에 포토다이오드를 포함한 하부 구조를 형성하는 제1 단계;상기 하부 구조 상에 볼록한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 제2 단계; 및상기 마이크로 렌즈의 상부면이 상기 포토다이오드의 유효 광감지영역과 오버랩되는 폭을 갖도록 상기 마이크로 렌즈를 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 연마하여 상기 마이크로 렌즈의 하부면과 평행하도록 하는 제3 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제4 단계의 에치백 공정 시, 상기 마이크로 렌즈와 상기 산화막 및 상기 포토레지스트의 식각선택비를 각각 1:1:1로 하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 산화막은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 산화막은 LTO(Low Temperature Oxide)인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 산화막은 4000Å ∼ 10000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제4 단계 이후, 이웃하는 상기 마이크로 렌즈 사이의 상기 아치형 옆면 상의 상기 포토레지스트를 제거하는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20111129 Year of fee payment: 9 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |