KR100602367B1 - 광감도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
광감도 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 칼라필터 어레이를 형성한 후 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing) 또는 에치백 공정을 실시하여 칼라필터를 평탄화시킨 다음, OCL층 형성 공정을 생략하고 마이크로 렌즈를 칼라필터와 접하게 형성함으로써, OCL 형성에 따른 광투과율 특성 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 특징이 있다.
이미지 센서, OCL, 광감도, 칼라필터, 평탄화, CMP, 에치백
Description
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위픽셀 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2a 내지 도 2e는 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도,
도 3a 내지 도 3d는 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: 마이크로 렌즈
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 광감도 특성을 향상시킬 수 있는 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 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. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출 을 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 charging)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 구성 되기 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 2a 내지 도 2e를 참조하여 종래 기술에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
도 2a는 필드산화막, 트랜스퍼 트랜지스터, 포토다이오드 및 센싱영역 등을 포함한 하부구조(21) 형성이 완료된 반도체 기판(20) 상에 층간절연을 위한 페시베이션 산화막(passivation oxide, 22)을 형성한 상태를 보이고 있다.
도 2b는 상기 페시베이션 산화막(22) 상에 제1 색 칼라필터의 예로서 블루 칼라필터(B)를 형성한 것을 도시하고 있다. 블루 칼라필터(B) 형성 후에는 핫 플레이트 타입 오븐(hot plate type oven)을 이용하여 약 220 ℃ 온도에서 3분간 1차 하드베이크 공정을 실시한다.
도 2c는 상기 페시베이션 산화막(22) 상에 제2 색 칼라필터의 예로서 레드 칼라필터(R)를 형성한 것을 도시하고 있다. 레드 칼라필터(R) 형성 후에도 1차 하드베이크와 동일한 조건에서 2차 하드베이크 공정을 실시한다.
도 2d는 상기 페시베이션 산화막(22) 상에 제3 색 칼라필터의 예로서 그린 칼라필터(G)를 형성한 것을 보이고 있다. 그린 칼라필터(G) 형성 후에도 1차 하드베이크와 동일한 조건에서 3차 하드베이크 공정을 실시한다.
도 2e는 칼라필터 어레이(R, G, B) 상에 OCL(over coating layer, 23)을 형성하여 평탄화시키고 OCL(23) 상에 마이크로 렌즈(24)를 형성한 상태를 보이고 있다. OCL(23)과 마이크로 렌즈(24) 형성 후에는 각각 1차 하드베이크와 동일한 조건에서 4차 및 5차 하드베이크 공정을 실시한다.
전술한 바와 같이 이루어지는 종래 이미지 센서 제조 방법은 평탄화를 위해 OCL층을 형성하여야 하는데, 4차 및 5차 하드베이크 공정을 거치면서 OCL이 견고해져 광투과율이 크게 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 OCL 형성에 따른 광투과율 특성 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 층간절연막 상에 감광막으로 이루어지는 적어도 2색의 칼라필터를 각기 다른 온도에서 하드베이크하여 형성하는 제2 단계; 상기 칼라필터를 연마하여 평탄화시키는 제3 단계; 및 상기 다수의 칼라필터와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제4 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 이루어지는 적어도 2색의 칼라필터를 각기 다른 온도에서 하드베이크하여 형성하는 제2 단계; 상기 칼라필터를 전면식각하여 평탄화시키는 제3 단계; 및 상기 다수의 칼라필터와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제4 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 칼라필터 어레이를 형성한 후 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing) 또는 에치백 공정을 실시하여 칼라필터를 평탄화시킨 다음, OCL층 형성 공정을 생략하고 마이크로 렌즈를 칼라필터와 접하게 형성함으로써, OCL 형성에 따른 광투과율 특성 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 제조 방법을 제공하는데 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(32)을 형성하고, 상기 페시베이션 산화막(32) 상에 제1 색 칼라필터의 예로서 블루 칼라필터(B)를 형성한 다음, 1차 하드베이크 공정을 실시한다. 1차 하드베이크 공정은 핫 플레이트형 오븐을 이용하여 240 ℃ 내지 250 ℃ 온도에서 약 3분간 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(R, G, B) 형성 공정을 완료한다. 상기 2차 하드베이크 공정은 220 ℃ 내지 240 ℃ 온도에서, 상기 3차 하드베이크 공정은 200 ℃ 내지 220 ℃ 온도에서 각각 핫 플레이트형 오븐을 이용하여 약 3분간씩 실시한다. 이와 같이 칼라필터 어레이(R, G, B)를 이루는 각각의 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G)는 그 형성 순서 등에 의해 각기 다른 높이를 갖게 된다.
이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing)를 실시한다. 이전의 공정에서 각각의 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G) 각각은 그 순서대로 낮아지는 다른 온도에서 베이크 되었기 때문에 연마 속도가 차이가 나게 된다. 즉, 상대적으로 그 높이가 높으며 가장 낮은 온도에서 하드베이크된 레드 칼라필터(R)가 가장 빠른 속도로 연마되고, 그린 칼라필터(G) 및 블루 칼라필터(B)의 순으로 연마가 속도가 점점 느려져서, 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G)가 동일한 높이를 이루게 된다. 본 발명의 실시예에서는 화학기계적 연마 후의 칼라필터 어레이(R, G, B)가 0.9 ㎛ 내지 1.1 ㎛의 높이를 갖도록 연마를 진행한다.
다음으로 도 3d에 도시한 바와 같이, 평탄화된 칼라필터 어레이(R, G, B) 각각과 접하는 마이크로 렌즈(33)를 감광막으로 형성하고, 상기 3차 베이크 공정과 동일한 조건으로 4차 하드베이크 공정을 실시한다.
이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.
먼저 도 4a에 도시한 바와 같이, 필드산화막, 트랜스퍼 트랜지스터, 포토다이오드 및 센싱영역 등을 포함한 하부구조(41) 형성이 완료된 반도체 기판(40) 상에 층간절연을 위한 페시베이션 산화막(42)을 형성하고, 상기 페시베이션 산화막(42) 상에 제1 색 칼라필터의 예로서 블루 칼라필터(B)를 형성한 다음, 1차 하드베이크 공정을 실시한다. 1차 하드베이크 공정은 핫 플레이트형 오븐을 이용하여 240 ℃ 내지 250 ℃ 온도에서 약 3분간 실시한다.
다음으로 도 4b에 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(R, G, B) 형성 공정을 완료한다. 상기 2차 하드베이크 공정은 220 ℃ 내지 240 ℃ 온도에서, 상기 3차 하드베이크 공정은 200 ℃ 내지 220 ℃ 온도에서 각각 핫 플레이트형 오븐을 이용하여 약 3분간씩 실시한다. 이와 같이 칼라필터 어레이(R, G, B)를 이루는 각각의 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G)는 각기 다른 높이를 갖게 된다.
이어서 도 4c에 도시한 바와 같이, O2 플라즈마를 이용한 에치백 공정을 실시한다. 이전의 공정에서 각각의 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G) 각각은 그 순서대로 낮아지는 다른 온도에서 베이크 되었기 때문에 식각 속도가 차이가 나게 된다. 즉, 상대적으로 그 높이가 높으며 가장 낮은 온도에서 하드베이크된 레드 칼라필터(R)가 가장 빠른 속도로 식각되고, 그린 칼라필터(G) 및 블루 칼라필터(B)의 순으로 식각 속도가 점점 느려져서, 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G)가 동일한 높이를 이루게 된다. 본 발명의 실시예에서는 식각 후의 칼라필터 어레이(R, G, B)가 0.9 ㎛ 내지 1.1 ㎛의 높이를 갖도록 연마를 진행한다.
다음으로 도 4d에 도시한 바와 같이, 평탄화된 칼라필터 어레이(R, G, B) 각각과 접하는 마이크로 렌즈(43)를 감광막으로 형성하고, 상기 3차 베이크 공정과 동일한 조건으로 4차 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 (5)
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;상기 층간절연막 상에 감광막으로 이루어지는 적어도 2색의 칼라필터를 각기 다른 온도에서 하드베이크하여 형성하는 제2 단계;상기 칼라필터를 연마하여 평탄화시키는 제3 단계; 및상기 다수의 칼라필터와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제4 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 제1 단계;상기 층간절연막 상에 감광막으로 이루어지는 적어도 2색의 칼라필터를 각기 다른 온도에서 하드베이크하여 형성하는 제2 단계;상기 칼라필터를 전면식각하여 평탄화시키는 제3 단계; 및상기 다수의 칼라필터와 접하는 마이크로 렌즈를 형성하는 제4 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제3 단계는,O2 플라즈마를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2 단계는,제1 색의 칼라필터를 240 ℃ 내지 250 ℃ 온도에서 1차 하드베이크하여 형성하는 단계;제2 색의 칼라필터를 220 ℃ 내지 240 ℃ 온도에서 2차 하드베이크하여 형성하는 단계; 및제3 색의 칼라필터를 200 ℃ 내지 220 ℃ 온도에서 3차 하드베이크하여 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 1차 내지 상기 3차 하드베이크는 각각 핫 플레이트형 오븐을 이용하여 약 3분간씩 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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