KR100644018B1 - 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로렌즈 형성을 위한 플로윙 공정시 마이크로렌즈 간의 붙는 현상을 방지하면서 렌즈 간의 간극을 거의 "0"에 가깝게 할 수 있는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 순차적으로 배치되는 제1 내지 제3의 단위화소에 해당하는 이미지센서의 마이크로렌즈를 형성하는 방법에 있어서, 소정 공정이 완료된 기판 상에 제1 포토레지스트막을 도포하는 단계; 상기 제1 포토레지스트막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제1 및 제3 단위화소 영역에만 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 인접한 상기 제2 단위화소 영역과 접하는 부분까지 확장된 형태로 상기 제1 및 제3 단위화소 영역에 각각 제1 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 제1 마이크로렌즈가 형성된 전면에 제2 포토레지스트막을 도포하는 단계; 상기 제2 포토레지스트막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제2 단위화소 영역에만 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제2 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 인접한 상기 제1 및 제2 단위화소 영역의 제1 마이크로렌즈와 접하는 부분까지 확장된 형태로 상기 제2 단위화소 영역에 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계을 제공한다.
마이크로렌즈, 플로윙, 마스크 패턴, CMOS 이미지센서.
Description
도 1은 종래기술에 따른 이미지센서를 개력적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래기술에 따른 마이크로렌즈의 마스크 구조를 도시한 평면도.
도 3은 마이크로렌즈의 플로윙 중 붙는 현상을 도시한 SEM 사진.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일실시에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
도 5는 마이크로렌즈 형성용 마스크 패턴을 도시한 평면도.
도 6은 본 발명의 마스크 패턴을 이용하여 형성된 마이크로렌즈를 도시한 평면 SEM 사진.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
50 : 기판 51 : 포토다이오드
52 : 절연막 53 : 칼라필터 어레이
54 : 오버코팅 레이어 55c : 마이크로렌즈
56a : 포토레지스트 패턴
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 집광능력을 향상시킬 수 있는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법에 관한 것이다.
이미지센서는 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이 중에서 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서, 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
반면, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 화소의 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있으며, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로 부분으로 구성되어 있으며, 이미지센서의 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 하 에서 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 이미지센서를 개력적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 포토다이오드(10)가 형성된 기판(10) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 청색(Blue), 적색(Red), 녹색(Green) 등의 칼라필터 어레이(CFA; Color Filter Array, 13)가 배치되어 있으며, 그 상부에 오버코팅 레이어(OCM; Over-Coating Layer, 14)가 형성되어 있고, 칼라필터 어레이(13)와 오버랩되는 영역의 상부에 볼록 형상의 마이크로렌즈(Microlens, 15)가 형성되어 있다.
도면의 간략화를 위해 게이트전극 및 광차단막 등을 생략하였으며, 이는 절연막(12) 하부의 포토다이오드(11)와 오버랩되지 않는 영역에 배치된다.
상기한 구성을 갖는 종래의 이미지센서는 포토다이오드(11) 이외의 영역으로 입사하는 빛을 굴절시켜서 포토다이오드(11)로 모이도록 하고 있으며, 오버코팅 레이어(14)는 칼라필터 어레이(13) 형성 후 마이크로렌즈(15)의 패턴 형성이 용이하도록 하기 위한 평탄화층이다.
칼라필터 어레이(13)를 사용하게 되면 광의 사용 효율이 떨어지므로, 상대적으로 광감도가 감소한다. 이를 보상하기 위해 마이크로렌즈(15)를 사용하고 있으며, 마이크로렌즈(15)는 포토레지스트를 사용하여 사각형 형태로 패터닝한 다음, 열을 이용하여 패터닝된 포토레지스트를 녹임으로써 유동성을 발생시켜 표면 장력에 의한 구면체가 되도록 하는 원리를 이용한다.
도 1을 참조하면, 입사되는 빛 에너지를 증가시키기 위해 유효 광감지영역(가)을 마이크로 렌즈(15)에 의한 집광영역(나)으로 확대한 형태를 취하도록 하고 있다.
이와 같이 종래에는 마이크로렌즈(15)를 볼록 형상으로 형성하고 있으며, 특히 포토다이오드 상부에 오버랩되도록 마이크로렌즈(15)를 형성하는데 주안점을 두고 있다. 따라서, 'A'와 같이 마이크로렌즈(15) 영역 상으로 입사되는 빛을 유효 감광지영역(가)으로 집광하여 집광효율을 높일 수 있는 장점이 있으나, 마이크로렌즈(15) 상호 간의 밀착 특성 때문에 서로 간격(다)을 유지하여야 하며, 이는 'B'와 같이 마이크로렌즈(15) 사이(다)로 입사하는 빛(B)의 손실(Loss)을 유발하게 된다.
도 2는 종래기술에 따른 마이크로렌즈의 마스크 구조를 도시한 평면도이다.
마이크로렌즈를 패터닝할 때, 현재까지는 마이크로렌즈용 레지스트는 I-라인에서 밖에 사용할 수 없으며, 이는 도 2에 도시된 바와 같이 포토레지스트 패턴(PR) 간의 간극이 0.4㎛ 보다 작을 수 없음을 의미한다.
도 3은 마이크로렌즈의 플로윙 중 붙는 현상을 도시한 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이다.
포토레지스트 패턴(PR)에 열의 가해 유동성을 갖게 하면, 한 쪽으로 0.1㎛ 정도씩 늘어나며, 이는 마이크로렌즈 간의 간극이 0.2㎛ 남게 한다. 여러 실험 결과 이 보다 간극이 작으면 도 3의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 두개의 렌즈는 서로 붙게 되며, 이로 인해 렌즈로서의 역할을 할 수 없을 정도록 평평해진다.
한편, 마이크로렌즈 간의 간극이 0.2㎛ 정도 있게 되면, 도 1 및 도 2에 도 시된 바와 같이 이 간극으로 통과한 빛은 손실된다. 예컨대, 0.18㎛ 디자인룰이 적용되면 CMOS 이미지센서의 경우 마이크로렌즈용 마스크의 크기는 3.2㎛*3.2㎛ 정도이고 0.2㎛ 정도의 손실 공간이 있다면 (0.2*6.4)/(3.2*3.2) 즉, 12.5% 정도의 빛을 손실하게 되어 효율이 높은 제품을 기대하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 마이크로렌즈 형성을 위한 플로윙 공정시 마이크로렌즈 간의 붙는 현상을 방지하면서 렌즈 간의 간극을 거의 "0"에 가깝게 할 수 있는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 순차적으로 배치되는 제1 내지 제3의 단위화소에 해당하는 이미지센서의 마이크로렌즈를 형성하는 방법에 있어서, 소정 공정이 완료된 기판 상에 제1 포토레지스트막을 도포하는 단계; 상기 제1 포토레지스트막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제1 및 제3 단위화소 영역에만 제1 포토레지스트 패턴을 형성하되 상기 제1 포토레지스트 패턴을 상기 제1 및 제3 단위 화소 영역의 주변이 노출되게 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 인접한 상기 제2 단위화소 영역과 접하는 부분까지 확장된 형태로 상기 제1 및 제3 단위화소 영역에 각각 제1 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 제1 마이크로렌즈가 형성된 전면에 제2 포토레지스트막을 도포하는 단계; 상기 제2 포토레지스트막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제2 단위화소 영역에만 제2 포토레지스트 패턴을 형성하되 상기 제2 포토레지스트 패턴을 상기 제2 단위 화소 영역의 주변이 노출되게 형성하는 단계; 및 상기 제2 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 인접한 상기 제1 및 제2 단위화소 영역의 제1 마이크로렌즈와 접하는 부분까지 확장된 형태로 상기 제2 단위화소 영역에 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 복수의 단위화소로 이루어진 이미지세서의 마이크로렌즈를 형성함에 있어서, 바로 인접한 단위화소 영역을 건너 뛰어서 이웃하는 단위화소 영역들에만 선택적으로 제1 마이크로렌즈를 형성한 후, 상기 제1 마이크로렌즈가 형성되지 않는 단위화소 영역에 선택적으로 제1 마이크로렌즈를 형성하며, 상기 제1마이크로렌즈 및 상기 제2 마이크로렌즈 간의 간극이 실질적으로 "0"이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법을 제공한다.
종래기술의 문제점은 I-라인용 포토레지스트로 0.4㎛ 밖에 해상할 수 없다는 점과 마이크로렌즈 플로우 공정을 위해 열을 가할 때 늘어나는 정도가 불균일하기 때문에 마이크로렌즈 간에 일정한 간극을 가진 형태로 제조될 수 밖에 없었다는 점이다. 본 발명은 이를 해소하기 위한 방법으로 충분히 플로윙된 포토레지스트는 새로 도포된 포토레지스트와 전혀 섞이지 않는 성질을 이용한다.
즉, 한칸 컬러 하나씩 1차로 마이크로렌즈를 형성하고, 다시 이들의 빈 공간에 포토레지스트를 도포하고 마스크를 이용하여 패터닝하고 플로윙 등을 통해 마이크로렌즈를 형성한다.
따라서, 마이크로렌즈 간의 간극을 거의 "0"에 가깝게 할 수 있어 광효율을 줄이며, 마이크로렌즈 간의 간극을 줄이기 위한 마이크로렌즈 형성시 발생하는 동래의 문제점인 인접한 마이크로렌즈 간의 붙는 현상을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일실시에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 마이크로렌즈 형성 공정을 살펴 본다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이, 소정의 하부 구조가 형성된 결과물 상에 절연막(52)과 칼라필터 어레이(CGA, 23) 및 오버코팅 레이어(OCL, 54)을 차례로 형성한 후, 마이크로렌즈 형성용 포토레지스트막(55a)을 도포한다.
여기서, 도시된 도면부호 '51'은 포토다이오드를 나타내며, 각 포토다이오드(51)는 각각 다른 단위화소를 이룬다.
칼라필터 어레이(53)는 각 단위화소에 따라 각기 다른 색상을 갖도록 구분ㅈ된 복수의 칼라필터로 구성되는 바, 예컨대 각 단위화소의 칼라필터는 RBG 중 하나의 색상을 갖는다. 한편, 칼라 색상 구현의 목적이 없다면 칼라필터 및 칼라필터 어레이(53)의 생략이 가능할 것이다.
오버코팅 레이어(54)는 후속 마이크로렌즈 형성시 하지의 평탄화를 이루기 위한 것으로, 통상 산화막 계열을 사용한다.
이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이 포토레지스트막(55a)을 선택적으로 패터닝하여 하나의 단위화소인 'B' 영역을 경계로 한칸 건너서 서로 이웃하는 'A'영역에만 포토레지스트 패턴(55b)을 형성한다.
도 5는 마이크로렌즈 형성용 마스크 패턴을 도시한 평면도이다.
도 4b의 포토레지스트 패턴(55b) 형성 공정시 도 5의 (a)에 해당하는 마스크 패턴을 이용하여 포토레지스트막(55a)을 선택적으로 식각한다.
따라서, 도 5의 (a)에서 'A'영역은 마스크 패턴이 없으므로 포지티브 포토리소그라피 공정을 적용할 경우 도 4b에서와 같이 'A'영역에서는 포토레지스트 패턴(55b)이 남게되고 'B'영역에서는 포토레지스트 패턴(55b)이 남지 않는다.
이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 블리칭(Bleaching) 및 열을 이용한 플로윙 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(55b)으로부터 플로우되어 표면 장력에 의해 볼록한 형상을 갖는 마이크로렌즈(55c)를 형성한다.
이 때, 이웃하는 단위화소와 맞닿는 부분까지 마이크로렌즈(55c)가 형성되도록 마스크 패턴의 사이즈 및 플로우 시의 열처리 공정을 제어한다.
도 6은 본 발명의 마스크 패턴을 이용하여 형성된 마이크로렌즈를 도시한 평면 SEM 사진이다.
도 6의 (a)는 도 4c에 해당하는 평면 사진으로, 이를 참조하면 'B'영역을 건너 뛰어서 'A'영역에만 마이크로렌즈가 형성되어 있으며, 마이크로렌즈가 이웃하는 단위화소 영역(마이크로렌즈)에 인접하는 부분까지 확장되어 형성되어 있음을 알 수 있다.
이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 바로 인접하는 단위화소를 건너 뛰어 즉, 띄엄 띄엄 마이크로렌즈(55c)가 형성된 전면에 마이크로렌즈 형성을 위한 포토레지스트막을 도포한 다음, 포토레지스트막을 선택적으로 패터닝하여 하나의 단위화소인 'A' 영역을 경계로 한칸 건너서 서로 이웃하는 'B'영역에만 포토레지스트 패턴(56a)을 형성한다.
도 4d의 포토레지스트 패턴(56a) 형성 공정시 도 5의 (b)에 해당하는 마스크 패턴을 이용하여 포토레지스트막을 선택적으로 식각한다.
따라서, 도 5의 (b)에서 'B'영역은 마스크 패턴이 없으므로 포지티브 포토리소그라피 공정을 적용할 경우 도 4d에서와 같이 'B'영역에서는 포토레지스트 패턴(56a)이 남게되고 'A'영역에서는 포토레지스트 패턴(56a)이 남지 않는다.
이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 블리칭 및 열을 이용한 플로윙 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(56a)으로부터 플로우되어 표면 장력에 의해 볼록한 형상을 갖는 마이크로렌즈(56b)를 형성하며, 이웃하는 단위화소의 맞닿는 부분까지 즉, 'A'영역의 마이크로렌즈(55c)와 맛닿는 영역까지, 마이크로렌즈(56b)가 형성되도록 마스크 패턴의 사이즈 및 플로우 시의 열처리 공정을 제어한다.
이 때, 기형성된 'A'영역의 마이크로렌즈(55c)는 이미 경화가 되어 있으므로 'B'영역의 마이크로렌즈(56b) 형성시 서로 섞이지 않는다.
이러한 성질 때문에 'A'영역의 마이크로렌즈(55c)와의 간극이 거의 없이 'B'영역에 마이크로렌즈(56b)를 형성할 수 있다.
도 6의 (b)는 'A'영역을 건너 뛰어서 'B'영역에만 마이크로렌즈가 형성된 평면을 나타내고 있으며, 'B'영역의 마이크로렌즈가 이웃하는 단위화소 영역(마이크로렌즈)에 인접하는 부분까지 확장되어 형성되어 있음을 알 수 있다.
따라서, 처음의 마스크 패턴을 이용한 마이크로렌즈 형성 후 형성하는 두번째의 마스크 패턴을 이용한 마이크로렌즈는 빈칸에 거의 정확히 형성되며, 이 공정의 주 조정 항목은 일반적인 포토리소그라피 공정 능력과 동일하게 최대 0.05㎛ 내에서 관리가 가능하다.
또한, 전술한 방식으로 마이크로렌즈를 형성할 경우 변동 용인을 도려해 최소한으로 마이크로렌즈 끼리 중첩하는 것이 가능하므로 마이크로렌즈 간의 간극을 거의 "0"로 만들 수 있다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 종래의 마이크로 렌즈를 사용함으로 인하여 발생되는 렌즈간 간격에 의한 광 손실을 최소로 하여 광효율의 손실을 약 12.5% 정도 향상시킬 수 있으며, 마이크로렌즈 간의 간극을 줄이기 위한 마이크로렌즈 형성시 발생하는 동래의 문제점인 인접한 마이크로렌즈 간의 붙는 현상을 방지할 수 있음을 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 향상시키는 효과가 있다.
Claims (7)
- 순차적으로 배치되는 제1 내지 제3의 단위화소에 해당하는 이미지센서의 마이크로렌즈를 형성하는 방법에 있어서,소정 공정이 완료된 기판 상에 제1 포토레지스트막을 도포하는 단계;상기 제1 포토레지스트막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제1 및 제3 단위화소 영역에만 제1 포토레지스트 패턴을 형성하되 상기 제1 포토레지스트 패턴을 상기 제1 및 제3 단위 화소 영역의 주변이 노출되게 형성하는 단계;상기 제1 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 인접한 상기 제2 단위화소 영역과 접하는 부분까지 확장된 형태로 상기 제1 및 제3 단위화소 영역에 각각 제1 마이크로렌즈를 형성하는 단계;상기 제1 마이크로렌즈가 형성된 전면에 제2 포토레지스트막을 도포하는 단계;상기 제2 포토레지스트막을 선택적으로 패터닝하여 상기 제2 단위화소 영역에만 제2 포토레지스트 패턴을 형성하되 상기 제2 포토레지스트 패턴을 상기 제2 단위 화소 영역의 주변이 노출되게 형성하는 단계; 및상기 제2 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 인접한 상기 제1 및 제3 단위화소 영역의 제1 마이크로렌즈와 접하는 부분까지 확장된 형태로 상기 제2 단위화소 영역에 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계에서,상기 제2 단위화소 영역에서의 상기 제1 포토레지스트막을 노출시키고 상기 제1 및 제3 단위화소 영역에서의 상기 제1 포토레지스트막을 덮는 마스크 패턴을 이용하여 패터닝하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계에서,상기 제1 및 제3 단위화소 영역에서의 상기 제2 포토레지스트막을 노출시키고 상기 제2 단위화소 영역에서의 상기 제2 포토레지스트막을 덮는 마스크 패턴을 이용하여 패터닝하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 및 제2 마이크로렌즈를 형성하는 단계에서,상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴을 각각 플로윙시키기 위해 열처리 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1 및 제2 마이크로렌즈는 볼록 형상인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 형성 방법.
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