KR100649030B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

씨모스 이미지 센서의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절연물을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성함으로써 이미지 센서 제품의 품질을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층들상에 질화막을 형성하는 단계와, 상기 질화막상에 제 1 산화막을 형성하고 전면에 평탄화 공정을 실시하는 단계와, 상기 제 1 산화막을 선택적으로 제거하여 상기 각 칼라필터층에 대응되는 제 1 산화막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 제 1 산화막 패턴의 양측면에 제 2 산화막 측벽을 형성하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
CMOS 이미지 센서, 마이크로 렌즈, 절연막

Description

씨모스 이미지 센서의 제조방법{method for manufacturing of CMOS image sensor}
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 : 포토 다이오드 32 : 층간 절연층
33 : 보호막 34 : 칼라 필터층
35 : 질화막 36 : 제 1 산화막
37 : 감광막 38 : 제 2 산화막
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 절연막을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성하도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변 환시키는 반도체 장치로써, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 소자로 크게 나눌 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.
광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.
이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.
이하에서 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
종래 기술의 씨모스 이미지 센서는 도 1에서와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(11) 영역들과, 상기 포토 다이오드(11) 영역들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(12)과, 상기 층간 절연층(12)상에 형성되는 보호막(13)과, 상기 보호막(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 상기 칼라 필터층(14)상에 차례로 형성되는 질화막(15) 및 산화막(16)과, 상기 산화막(16)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(11) 영역으로 빛을 집속하는 마이크로 렌즈(17)로 구성된다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 상기 층간 절연층(12)내에는 포토 다이오드(11) 영역의 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광층(Optical Shielding Layer)이 구성된다.
그리고 광을 감지하기 위한 소자로 포토 다이오드 형태가 아니고, 포토 게이트 형태로 구성되는 것도 가능하다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(17)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 폴리머 계열의 수지가 주로 사용되고, 증착, 노광 및 현상에 의한 패터닝 그리고 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
즉, 단위 화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 광감지 소자의 두께, 그리고 차광층의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반경으로 형성되어야 한다.
이때 노광 조건에 따라 패턴 프로파일(profile)의 모양이 변화한다. 예를 들면 반도체 기판의 박막 조건에 따라 프로세스 진행 조건이 변화한다. 따라서 마이크로렌즈도 변화한다. 현실적으로 패턴 형성 조건이 매우 불안정한 경향이 있으며 결과적으로 광의 집속 효율이 떨어진다.
이와 같이 종래 기술의 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)를 제조하기 위한 공정에서 광의 집속 효율을 높이기 위하여 형성되는 마이크로 렌즈(17)는 이미지 센서의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다.
상기 마이크로 렌즈(17)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터층(14)을 통하여 포토 다이오드(11) 영역에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.
종래의 씨모스 이미지 센서로 입사된 빛은 마이크로 렌즈(17)에 의해 집속되어 칼라 필터층(14)을 통해 필터링된 광은 칼라 필터층(14)의 하단에 대응되어 구성되는 포토 다이오드(11)에 입사된다.
이때, 차광층은 입사된 빛이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.
상기와 같은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서에서 마이크로 렌즈를 형성할 때 산화막(16)상에 형성하고 있다.
여기서, 상기 질화막(15)과 산화막(16)이 적층되어 평탄화층을 구성하게 되는데, 먼저, 질화막(15)을 1차로 증착하고, 상기 질화막(15)상에 산화막(16)을 증착한 후 전면에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 실시하여 평탄화하고 있다.
이어, 상기 평탄화층상에 레지스트를 도포한 후 노광 및 현상 공정으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 레지스트를 150 ~ 200℃에서 리플로우시켜 마이크로 렌즈(17)를 형성한다.
따라서 상기 마이크로 렌즈(17)의 형성 공정은 온도와 레지스트의 두께에 민감하게 작용한다. 그리고 마이크로 렌즈(17)를 이루고 있는 물질이 레지스트인데 에너지 빔(E-beam)을 이용한 CD 측정기를 이용하여 마이크로 렌즈간의 간격을 측정할 때 E-beam의 차지 업(charge up)으로 인해 효과적인 측정이 어렵다.
상기와 같은 종래의 마이크로 렌즈를 형성할 때 발생하는 문제로 인하여 이미지 센서 제품의 품질에 영향을 미치고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 절연물을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성함으로써 이미지 센서 제품의 품질을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층들상에 질화막을 형성하는 단계와, 상기 질화막상에 제 1 산화막을 형성하고 전면에 평탄화 공정을 실시하는 단계와, 상기 제 1 산화막을 선택적으로 제거하여 상기 각 칼라필터층에 대응되는 제 1 산화막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 제 1 산화막 패턴의 양측면에 제 2 산화막 측벽을 형성하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
삭제
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31) 영역들과, 상기 포토 다이오드(31) 영역들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(32)과, 상기 층간 절연층(32)상에 형성되는 보호막(33)과, 상기 보호막(33)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(34)과, 상기 칼라 필터층(34)을 포함한 전면에 형성되는 질화막(35)과, 상기 질화막(35)상에 일 정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(34)을 투과하여 포토 다이오드(31) 영역으로 빛을 집속하기 위해 제 1 산화막 패턴(36a)과 제 2 산화막 측벽(38a)으로 이루어진 마이크로 렌즈로 구성된다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 상기 층간 절연층(32)내에는 포토 다이오드(31) 영역의 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광층(Optical Shielding Layer)이 구성된다.
한편, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서에서 마이크로 렌즈가 제 1 산화막 패턴(36a)과 제 2 산화막 패턴(38a)으로 이루어진 것을 실시예로 설명하고 있지만, 상기 질화막(35)상에 상기 포토 다이오드(31) 영역과 대응되게 일정 곡률을 갖는 산화막으로 마이크로 렌즈를 형성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층(32)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연층(32)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 포토 다이오드(31) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층을 형성할 수도 있다.
이어, 상기 층간 절연층(32)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막(33)을 형성한다.
그리고 상기 보호막(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)들을 형성한다.
이어, 상기 칼라 필터층(34)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 질화막(35)을 형성하고, 상기 질화막(35)상에 제 1 산화막(36)을 형성한다.
그리고 상기 제 1 산화막(36)의 전면에 CMP 공정을 실시하여 표면을 평탄화한다.
이어, 상기 평탄화된 제 1 산화막(36)상에 감광막(37)을 도포한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 감광막(37)에 노광 및 현상 공정을 실시하여 감광막 패턴(37a)을 형성한다.
이어, 상기 감광막 패턴(37a)을 마스크로 이용하여 상기 제 1 산화막(36)을 선택적으로 제거하여 제 1 산화막 패턴(36a)을 형성한다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 감광막 패턴(37a)을 제거하고, 상기 제 1 산화막 패턴(36a)을 포함한 전면에 제 2 산화막(38)을 형성한다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 산화막(38)의 전면에 에치백 공정을 실시하여 상기 제 1 산화막 패턴(36a)의 양측면에 제 2 산화막 측벽(38a)을 형성한다.
여기서, 상기 제 1 산화막 패턴(36a)과 제 2 산화막 측벽(38a)은 상기 포토 다이오드(31) 영역과 대응되어 마이크로 렌즈를 이루게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 절연물을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성함으로써 레지스트를 리플로우할 때 발생하는 마이크로 렌즈의 겹침 현상을 E-beam을 이용하여 쉽게 관찰 가능하여 제품의 품질에 대한 모니터링을 할 수 있다.
둘째, 절연물을 마이크로 렌즈로 이용하기 때문에 레지스트를 마이크로 렌즈로 인용한 종래에 비해 전, 후의 공정 제약을 덜 받게 됨으로써 파티클이나 기타 디펙트의 제거를 용이하게 할 수 있어 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

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  2. 삭제
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  5. 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계;
    상기 칼라 필터층들상에 질화막을 형성하는 단계;
    상기 질화막상에 제 1 산화막을 형성하고 전면에 평탄화 공정을 실시하는 단계;
    상기 제 1 산화막을 선택적으로 제거하여 상기 각 칼라필터층에 대응되는 제 1 산화막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제 1 산화막 패턴의 양측면에 제 2 산화막 측벽을 형성하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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