KR100617065B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소자 집적도를 향상시키기 위한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이러한 목적을 달성하기 위한 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되는 패드 절연막과, 상기 패드 절연막상에 요철(凹凸) 형태로 형성되는 제 1 절연막과 제 1 절연막 철(凸)부의 상면 및 측면을 감싸면서 돔 형태로 형성되는 제 2 절연막으로 구성되는 마이크로렌즈와, 상기 마이크로렌즈상에 형성되는 평탄화막과, 상기 평탄화막상에 형성되는 컬러 필터를 포함하여 구성된다.
이미지 센서, 마이크로렌즈
Description
도 1은 일반적인 4-T CMOS 이미지센서의 단위 픽셀(unit pixel)을 나타낸 회로도
도 2a 내지 도 2b는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조공정 단면도
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 나타낸 도면
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조공정 단면도
**도면의 주요 부분에 대한 부호 설명**
20 : 하부층 21 : 패드 절연막
22 : 제 1 절연막 23 : 제 2 절연막
24 : 마이크로렌즈 25 : 평탄화막
26 : 컬러 필터
본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)에 관한 것으로 특히, 소자 집적도를 향상시키기에 적합한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학적 영상(Optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device : 이하, CCD라 약칭한다), 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor) 등이 있다.
전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS: 이하 CMOS라 한다) 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호 처리 회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
상기 CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력 소모가 많으며, 마스크 공정 수가 많아서 공정이 복잡하고, 신호 처리(signal processing) 회로를 CCD 칩(chip) 내에 구현할 수 없어 원 칩(one chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 이러한 단점을 극복하기 위하여 서브마이크론(submicron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발에 많은 연구가 집중되고 있다.
CMOS 이미지 센서에 사용되는 픽셀(Pixel)은 여러 종류가 있으나, 그 중 대표적으로 상용화된 픽셀의 종류로는 3개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 3-T(3-Transistor) 구조의 픽셀과, 4개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 4-T(4-Transistor) 구조의 픽셀들이 있다.
도 1은 일반적인 4-T CMOS 이미지센서의 단위 픽셀을 나타낸 회로도이다.
도면에 도시하는 바와 같이, 4-T CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀은 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와, 4개의 NMOS 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)로 이루어진다.
4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node : FSN)로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 센싱 노드(FSN)에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스 팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.
그리고, DC gate는 트랜지스터의 게이트 전위를 항상 일정한 전압으로 인가하여 일정 전류만 흐르도록 하는 부하 트랜지스터이고, VDD는 구동 전원전압, VSS는 그라운드 전압, output는 단위 픽셀의 출력 전압이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2b는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조공정 단면도로, 마이크로렌즈를 제작하는 단계를 중심으로 도시한 도면이다.
먼저, 도 2a에 도시하는 바와 같이 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 구성하는 포토다이오드와 트랜지스터들이 형성된 하부층(10)상에 패드 절연막(11)을 형 성한다.
이어, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 트랜지스터들을 외부 소자와 연결하기 위한 상기 하부층(10)내의 금속 배선이 노출되도록 상기 패드 절연막(11)을 선택적으로 제거한다.
그리고, 컬러물질(Dyed Photoresist : 이하, 감광 컬러막)을 도포하고 노광 및 현상 공정으로 컬러 필터(12)를 형성한다.
그 다음 마이크로렌즈의 균일한 형성을 위하여 마이크로렌즈 평탄층(13)을 형성한 후, 상기 마이크로렌즈 평탄층(13)상에 포토레지스트(PR)를 도포하고, 노광 및 현상 공정으로 상기 포토레지스트(PR)를 패터닝한다.
이어, 도 2b에 도시하는 바와 같이 열처리 공정으로 상기 패터닝된 포토레지스트(PR)를 리플로우(reflow)시키어 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈(14)를 형성한다.
이상으로 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 완성한다.
그러나, 상기한 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 포토레지스트를 리플로우시키어 마이크로렌즈를 형성하고 있는데 리플로우 공정의 특성상 제어가 어려워 돔(dome) 형태로 마이크로렌즈를 제작하기가 어렵다.
둘째, 소자가 집적화됨에 따라서 마이크로렌즈의 곡률 반경도 작아져야 하므 로 포토레지스트를 얇게 형성하여야 한다. 그러나, 포토레지스트는 일정 두께 이하로 형성하기 어려우므로 마이크로렌즈 곡률 반경 축소에 한계를 갖아 소자 집적화가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 마이크로 렌즈의 구조 형성에 용이한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 렌즈의 곡률 반경을 축소시킴으로써 소자 집적도를 향상시키는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되는 패드 절연막과, 상기 패드 절연막상에 요철(凹凸) 형태로 형성되는 제 1 절연막과 제 1 절연막 철(凸)부의 상면 및 측면을 감싸면서 돔 형태로 형성되는 제 2 절연막으로 구성되는 마이크로렌즈와, 상기 마이크로렌즈상에 형성되는 평탄화막과, 상기 평탄화막상에 형성되는 컬러 필터를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이와 같은 구조를 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 하부층상에 패드 절연막을 형성하는 단계와, 상기 패드 절연막상에 요철(凹凸) 구조의 제 1 절연막을 형성하는 단계와, 고밀도 플라즈마 증착 공정을 이용하여 상기 제 1 절연막상에 제 2 절연막을 증착하는 단계와, 상기 제 2 절연막을 추가 증착하여 제 1 절연막 철(凸)부상의 제 2 절연막이 돔 형태를 이루도록 하는 단계와, 전면을 에치백하여 제 2 절연막이 제 1 절연막의 철(凸)부의 상면 및 측면을 감싸는 돔 형태가 되도록 하여 제 1 절연막의 철(凸)부와 이를 감싸는 제 2 절연막으로 구성되는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 나타낸 도면으로, 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 하부층(20)상에 패드 절연막(21)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 패드 절연막(21) 위에는 요철(凹凸) 형태로 형성된 제 1 절연막(22)과 상기 제 1 절연막(22) 철(凸)부의 상면 및 측면을 감싸면서 돔((dome) 형태를 이루는 제 2 절연막(23)으로 구성되는 마이크로렌즈(24)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 제 1 절연막(22)은 질화막으로, 상기 제 2 절연막(23)은 산화막으로 구성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 마이크로렌즈(24) 위에는 칼라 필터의 균일한 형성을 위하여 평탄화막(25)이 형성되어 있고, 상기 평탄화막(25)상에 컬러 필터(26)가 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조공정 단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시하는 바와 같이 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 구성하는 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 하부층(20)상에 패드 절연막(21)을 형성한다.
이어, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 트랜지스터들을 외부 소자와 연결하기 위한 상기 하부층(20)내의 금속 배선이 노출되도록 상기 패드 절연막(21)을 선택적으로 제거한다.
그리고, 상기 패드 절연막(21)상에 제 1 절연막(22)을 형성한 다음에 상기 제 1 절연막(22)상에 포토레지스트(PR)를 도포하고 노광 및 현상 공정으로 상기 포토레지스트(PR)를 패터닝한다.
이때, 상기 제 1 절연막(22)으로는 실리콘 질화막(SiN)등의 질화막을 사용하는 것이 바람직하다.
이어, 도 4b에 도시하는 바와 같이 상기 패터닝된 포토레지스트(PR)를 마스크로 상기 제 1 절연막(22)을 식각하되 완전히 식각하지 않고 일정두께 잔류되도록 상기 식각 공정을 제어하여 상기 제 1 절연막(22)을 요철(凹凸) 구조로 형성한다.
이때, 상기 제 1 절연막(22)이 완전히 제거되지 않으므로 하부의 패드 절연막(21) 및 금속 배선은 노출되지 않게 된다.
이어서, 상기 포토레지스트(PR)를 제거한 다음에 도 4c에 도시하는 바와 같이 고밀도 플라즈마 (High Deposition Plasma : 이하, HDP) 공정으로 전면에 상기 제 1 질화막(22)과 상이한 굴절율을 갖는 제 2 절연막(23)을 증착한다.
이때, 제 2 절연막(23)으로는 산화막을 사용하는 것이 바람직하다.
HDP 공정의 특성상 좁은 면적의 구조물 상에는 산 형태로 증착물이 형성되므로, 상기 제 1 절연막(22) 철(凸)부 상에 형성되는 제 2 절연막(23)은 산 형태를 갖게 된다.
이어서, 도 4d에 도시하는 바와 같이 제 2 절연막(23)을 추가 증착하여 제 1 절연막(22)의 요(凹)부 위에서는 평탄한 표면을 갖고 제 1 절연막(22)의 철(凸)부 위에서는 돔(dome) 형태를 갖는 2 절연막(23)을 형성한다.
이때, 상기 제 2 절연막(23)이 산화막일 경우에는 상기 추가 증착 공정으로 O3 증착 공정을 이용한다.
이어, 에치백 공정으로 상기 제 2 절연막(23)을 식각하여 도 4e에 도시하는 바와 같이 제 2 절연막(23)이 제 1 절연막(22) 철(凸)부의 상면 및 측면을 감싸는 돔(dome) 형태를 이루도록 한다.
이때, 상기 에치백 공정은 20~200sccm의 Ar과, 5~20sccm의 C4F8과, 30~50sccm의 CH3F, 20~50sccm의 O2의 혼합 가스 분위기에서 상부 바이어스 300W, 하부 바이어스 50~150W, 압력은 100~200mTorr인 조건으로 실시한다.
이로써, 상기 제 1, 제 2 절연막(22)(23)으로 구성되는 마이크로렌즈(24)가 형성된다.
그리고, 도 4f에 도시하는 바와 같이 상기 마이크로렌즈(24)를 포함하는 전면에 평탄화막(25)을 형성하고, 상기 평탄화막(25) 위에 컬러물질(Dyed photoresistor : 이하, 감광 컬러막)을 도포한 다음 노광 및 현상 공정으로 컬러 필터(26)를 형성한다.
이상으로 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 완성한다.
상기와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 마이크로렌즈를 포토레지스트가 아닌 절연막을 이용하여 형성하므로 곡률 반경 및 사이즈가 작은 마이크로렌즈 제조가 가능하다. 따라서, 소자 집적도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 마이크로렌즈를 컬러 필터 하부에 구성하므로써 마이크로렌즈와 포토다이오드간 거리를 줄일 수 있다. 따라서, 마이크로렌즈를 통과한 광이 포토다이오드까지 원활하게 전달될 수 있으므로 집광 효율이 향상되게 된다.
셋째, 마이크로렌즈를 서로 굴절율이 다른 산화막과 질화막으로 구성하므로 마이크로렌즈를 통과한 광의 굴절각이 커지게 된다. 따라서, 마이크로렌즈를 통과한 광이 포토다이오드까지 원활하게 전달되게 되어 집광 효율이 향상되게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.
Claims (9)
- 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 하부층과,상기 하부층 상에 형성되는 패드 절연막과,상기 패드 절연막상에 요철(凹凸) 형태로 형성되는 제 1 절연막과 제 1 절연막 철(凸)부의 상면 및 측면을 감싸면서 돔 형태로 형성되는 제 2 절연막으로 구성되는 마이크로렌즈와,상기 마이크로렌즈상에 형성되는 평탄화막과, 상기 평탄화막상에 형성되는 컬러 필터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 절연막과 제 2 절연막은 서로 다른 굴절율을 갖는 절연막인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1 절연막은 질화막이고, 제 2 절연막은 산화막인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 하부층상에 패드 절연막을 형성하는 단계와,상기 패드 절연막상에 요철(凹凸) 구조의 제 1 절연막을 형성하는 단계와,고밀도 플라즈마 증착 공정을 이용하여 상기 제 1 절연막상에 제 2 절연막을 증착하는 단계와,상기 제 2 절연막을 추가 증착하여 제 1 절연막 철(凸)부상의 제 2 절연막이 돔 형태를 이루도록 하는 단계와,전면을 에치백하여 제 2 절연막이 제 1 절연막의 철(凸)부의 상면 및 측면을 감싸는 돔 형태가 되도록 하여 제 1 절연막의 철(凸)부와 이를 감싸는 제 2 절연막으로 구성되는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 에치백 공정은20~200sccm의 Ar, 5~20sccm의 C4F8, 30~50sccm의 CH3F, 20~50sccm의 O 2의 혼합 가스 분위기에서 상부 바이어스 300W, 하부 바이어스 50~150W, 압력은 100~200mTorr가 되는 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 패드 절연막상에 요철(凹凸) 구조의 제 1 절연막을 형성하는 단계는패드 절연막상에 제 1 절연막을 증착하는 단계와,상기 제 1 절연막 위에 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상 공정으로 패터닝하는 단계와,상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 제 1 절연막을 식각하되 완전히 식각하지 않고 하부의 패드 절연막이 노출되지 않도록 일정 두께 잔류시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법,
- 제 4항에 있어서,상기 제 1 절연막은 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제 2 절연막은 산화막으로 형성하고 상기 제 2 절연막 추가 증착 공정으로 O3 증착 공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 마이크로렌즈를 형성한 이후에 전면에 평탄화막을 형성하는 단계와,상기 평탄화막상에 컬러 필터를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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