KR100672697B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로렌즈의 형성 과정 중 마이크로렌즈 크기의 균일도를 향상시켜 이미지 센서의 성능을 향상하도록 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 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층상에 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상하여 마이크로렌즈영역을 둘러싸는 격자를 형성하는 단계와, 상기 격자가 형성된 전면에 마이크로렌즈용 광감액을 도포하고 노광 및 현상하여 상기 마이크로렌즈영역을 제외한 부분의 레지스트층 및 포토레지스트를 제거하여 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우하여 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.

CMOS 이미지 센서, 마이크로렌즈, MUV 포토레지스트, 격자

Description

씨모스 이미지 센서의 제조방법{Method for fabricating of CMOS Image sensor}

도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈를 나타낸 단면도

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도

도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조에서 MUV 포토레지스트로 이루어진 마이크로렌즈 주위의 격자를 나타낸 평면도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 포토 다이오드 32 : 층간 절연층

33 : 보호막 34 : 칼라 필터층

35 : 평탄화층 36 : MUV 포토레지스트

37 : 레티클 38 : 마이크로렌즈

39 : 포토 마스크

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈 크기의 균일도를 향상시켜 이미지 센서의 성능을 향상하도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 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.

특히, 다수의 마이크로렌즈를 형성할 때 각 마이크로렌즈 사이를 결정하는 노광 조건 및 현상조건을 안정적으로 제어하는 것이 매우 중요하다.

이하에서 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서 및 그의 마이크로 렌즈 형성에 관하여 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)을 포함한 전면에 형성되는 평탄화층(15)과, 상기 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(11) 영역으로 빛을 집속하는 마이크로 렌즈(16)로 구성된다.

그리고 도면에 도시하지 않았지만, 층간 절연층내에는 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 마이크로렌즈(16)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려 하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 마이크로렌즈용 레지스트층을 도포한 후, 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(16)는 이미지 센서의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다.

상기 마이크로렌즈(16)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터층(14)을 통하여 포토 다이오드(11) 영역에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.

이미지 센서로 입사된 빛은 마이크로렌즈(16)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 광이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.

그러나 이와 같은 종래 기술의 CMOS 이미지 센서에 있어서 볼록 형태의 마이크로 렌즈의 경우에는 다음과 같은 문제가 있다.

즉, 마이크로렌즈는 노광 조건에 따라 패턴 프로파일(profile)의 모양이 변화하여 현실적으로 패턴 형성 조건이 매우 불안정한 경향이 있으며 결과적으로 광의 집속 효율이 떨어진다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 마이크로렌즈의 형성 과정 중 마이크로렌즈 크기의 균일도를 향상시켜 이미지 센서의 성능을 향상하도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 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 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층상에 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상하여 마이크로렌즈영역을 둘러싸는 격자를 형성하는 단계와, 상기 격자가 형성된 전면에 마이크로렌즈용 광감액을 도포하고 노광 및 현상하여 상기 마이크로렌즈영역을 제외한 부분의 레지스트층 및 포토레지스트를 제거하여 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우하여 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법의 바람직한 실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조에서 MUV 포토레지스트로 이루어진 마이크로렌즈 주위의 격자를 나타낸 평면도이다.

본 발명은 마이크로렌즈 형성단계에서 마이크로렌즈와 마이크로렌즈 사이에 형성되는 스페이스(space) 영역을 노광 및 현상함으로써 최종 마이크로렌즈를 형성하는 대신 마이크로렌즈와 마이크로렌즈 사이의 스페이스 영역에 기존의 MUV 포토레지스트를 이용하여 격자를 형성하고 마이크로렌즈용 물질층을 코팅, 노광, 현상함으로써 마이크로렌즈간 스페이스의 임계치수(CD)가 균일한 마이크로렌즈를 형성한다.

도 2a에 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 절연층 형성후에 포토 다이오드(31) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.

이어, 상기 층간 절연층(32)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 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 평탄화층(35)을 형성한다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)상에 MUV 포토레지스트(36)를 도포한다.

여기서, 상기 MUV 포토레지스트(36)는 I-라인(I-line)에 반응하는 포토레지스트이다.

이어, 상기 MUV 포토레지스트(36)의 상부에 마이크로렌즈 형성을 위한 레티클(reticle)(37)을 정렬하고, 상기 레티클(37)을 마스크로 이용하여 상기 MUV 포토레지스트(36)를 선택적으로 노광한다.

도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 MUV 포토레지스트(36) 중 노광된 부분을 현상하여 제거한다. 이때 도 3에서와 같이, 현상된 상기 MUV 포토레지스트(36)는 마이크로렌즈 형성영역(A)과 그 주위를 둘러싸는 격자(B) 구조를 가지고 있다.

도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 MUV 포토레지스트(36)를 포함한 전면에 마이크로렌즈용 광감액(38a)을 도포한다.

여기서, 상기 마이크로렌즈용 광감액으로, 레지스트 또는 TEOS 산화막을 사용할 수도 있다.

이어, 상기 마이크로렌즈용 광감액(38a)의 상부에 마이크로렌즈 영역이 정의된 레티클(39)을 정렬하고, 상기 레티클(39)을 마스크로 이용하여 상기 마이크로렌 즈용 광감액(38a)을 선택적으로 노광한다.

여기서, 상기 레티클(39)은 마이크로렌즈가 형성될 부분은 빛이 차단될 수 있도록 크롬막 등으로 이루어진 차단부로 되어 있고, 그 이외의 부분은 빛이 투과될 수 있도록 투과부를 갖는 구조로 되어 있다.

도 2e에 도시한 바와 같이, 상기 노광된 마이크로렌즈용 광감액(38a)을 현상하여 노광된 부분을 제거함으로써 마이크로렌즈 패턴을 형성하고, 상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우시키어 반구형의 마이크로렌즈(38)를 형성한다.

이때 상기 MUV 포토레지스트(36)는 상기 마이크로렌즈 패턴을 형성하기 위한 노광 및 현상 공정시에 함께 제거된다.

여기서, 상기 리플로우 공정은 핫 플레이트(hot plate)를 이용하거나 퍼니스(furnace)를 이용할 수 있다. 이때 수축 가열하는 방법에 따라 마이크로렌즈(38)의 곡률이 달라지는데 이 곡률에 따라서 집속 효율도 달라지게 된다.

이어, 상기 마이크로렌즈(38)에 자외선을 조사하여 경화한다. 여기서, 상기 마이크로렌즈(38)에 자외선을 조사하여 경화함으로써 상기 마이크로렌즈(38)는 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있다.

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, 마이크로렌즈 형성시 문제로 대두되고 있는 렌즈 사이즈의 균일성(uniformity)을 향상시키어 색의 감도를 향상시킬 수 있다.

둘째, 마이크로렌즈 형성을 위한 노광 조건이 안정화되어 마이크로렌즈의 리워크 레이트(rework rate)를 줄일 수 있다.

셋째, 종래에는 하부막의 상태에 따라 노광 조건의 변화가 심하지만 본 발명에서는 노광 에너지에 따른 마이크로렌즈의 임계치수 변화를 줄일 수 있다

Claims (4)

1. 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;

   상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계;

   상기 칼라 필터층들상에 평탄화층을 형성하는 단계;

   상기 평탄화층상에 MUV 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상하여 마이크로렌즈영역을 둘러싸는 격자를 형성하는 단계;

   상기 격자가 형성된 전면에 마이크로렌즈용 광감액을 도포하고 노광 및 현상하여 상기 마이크로렌즈영역을 제외한 부분의 마이크로렌즈용 광감액 및 MUV 포토레지스트를 제거하여 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계;

   상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우하여 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈에 자외선을 조사하여 경화하는 단계를 더 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 MUV 포토레지스트는 I-라인에 반응하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈용 감광액은 레지스트 또는 TEOS 산화막을 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.

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