KR100672716B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)에 관한 것으로, 복수개의 광감지 소자들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 각각의 광감지 소자에 대응되도록 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 칼라 필터층들상에 평탄화층을 형성하고 열처리 공정으로 평탄화층의 에지 부분에서의 단차를 제거하는 단계;상기 평탄화층상에 일정 곡률을 갖고 빛을 집속하는 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 평탄화층의 에지 부분에서의 단차를 제거한 이후에 마이크로 렌즈 형성 공정을 진행하므로 마이크로 렌즈간의 이격 거리 및 형성 높이를 균일하게 형성하는 것이 가능하다.

CMOS 이미지 센서, 평탄층, 리플로우, 스텝커버리지, 마이크로 렌즈

Description

씨모스 이미지 센서의 제조 방법{Method for fabricating of CMOS Image Sensor}

도 1a와 도 1b는 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도

도 2는 종래 기술에서 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포시에 단차에 의해 발생되는 도포 불균일 현상을 나타낸 사진

도 3a내지 도 3c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30. 하부 소자층이 형성된 기판 31. 칼라 필터층

32. 평탄화층 33. 마이크로 렌즈 형성용 물질층

33a. 마이크로 렌즈

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이전의 공정 진행시에 발생하는 단차에 의해 마이크로 렌즈층의 형성이 불량하게 되는 것을 억제할 수 있도록한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 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 면적중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.

상기 집광 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 센서의 마이크로 렌즈층 형성에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a와 도 1b는 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도이고, 도 2는 종래 기술에서 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포시에 단차에 의해 발생되는 도포 불균일 현상을 나타낸 사진이다.

먼저, 도 1a에서와 같이, 반도체 기판(10)에 광감지 소자들 및 광감지 소자들로부터 출력되는 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 처리하는 CMOS 로직 회로부(도시하지 않음)를 형성하고 이와 같은 하부 소자층들을 보호하기 위한 층간 절연층(도시하지 않음)을 형성한다.

여기서, 층간 절연층은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한후에 다시 층간 절연층이 형성된다.

이어, 층간 절연층상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(11)들을 형성한다.

그리고 칼라 필터층(11)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화층(12)을 형성한다.

이어, 포토레지스트와 같은 렌즈 형성용 물질층(13)을 형성한다.

이때 칼라필터 어레이 형성 공정 및 평탄화층 공정 진행에서 발생하는 단차에 의해 도포 불량(Striation)이 발생된다.

렌즈 형성용 물질층(13)의 도포 불량은 도 1a의 (가)의 단차 발생 부분에서 주로 발생한다.

이는 후속되는 마이크로 렌즈 형성에서 균일한 렌즈간 간격을 유지할 수 없어서 칩의 신뢰성을 저하시키고 도포 불량이 발생한 칩은 이미지 왜곡을 나타내는 원인으로 작용한다.

도 2는 칼라필터 어레이 형성 및 평탄화층 형성에 의한 단차에 의해 마이크로 렌즈 형성 물질층의 도포시에 발생되는 도포 불균일을 나타낸 도면이다.

이어, 도 1b에서와 같이, 도포 불량이 발생한 상태에서 렌즈 형성용 물질층(13)의 패터닝 및 리플로우 공정을 진행하는데, 도 1b에서와 같이 도포 불량에 의해 각각의 마이크로 렌즈(13a)(13b)들의 이격 거리(나)(다)가 다르고 형성 높이 및 곡률 등이 다르게 형성된다.

이와 같은 씨모스 이미지 센서에서 마이크로 렌즈는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 폴리머 계열의 수지가 주로 사용되고 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.

특히, 마이크로 렌즈 제조 공정에 있어서 가장 중요한 공정은 렌즈 사이의 이격 거리 조정(Space CD Control)과 렌즈의 곡률이다.

이상에서 설명한 바와 같이, CMOS 이미지 센서 제조 공정에서, 마지막 공정에 속하는 칼라필터 어레이(color filter array)공정 및 마이크로 렌즈 공정은 CMOS 이미지 센서의 색 특성에 가장 직접적으로 연관되는 공정이다.

통상적으로 칼라필터 어레이 및 마이크로 렌즈를 형성하는 단계의 레티클 제작시에 픽셀 어레이(Pixel array)부분에만 패턴을 형성시킬 수 있도록 레티클을 제작한다.

따라서 칼라필터 어레이 공정이 진행 될수록 픽셀 어레이 부분과 픽셀 어레이 이외의 부분간에 단차가 커지게 되며 마이크로 렌즈 형성을 위해 포토레지스트를 도포시 칼라필터 공정에 의해 발생된 단차에 의해 도포 균일성이 저하되는 현상이 발생된다.

이로 인해 마이크로 렌즈 형성 시 균일한 렌즈간 간격을 유지할 수 없으며, 그로 인해 이미지센서의 신뢰성에 한계가 있었다.

이와 같이 마이크로 렌즈들 사이의 이격 거리가 정확하게 확보되지 못하면 화상 처리 작업에서 잡음이 많이 발생하거나 충분한 신호의 크기를 확보하지 못하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)의 제조 공정에서 이전의 공정 진행시에 발생하는 단차에 의해 마이크로 렌즈층의 형성이 불량하게 되는 것을 억제할 수 있도록한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수개의 광감지 소자들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 각각의 광감지 소자에 대응되 도록 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 칼라 필터층들상에 평탄화층을 형성하고 열처리 공정으로 평탄화층의 에지 부분에서의 단차를 제거하는 단계;상기 평탄화층상에 일정 곡률을 갖고 빛을 집속하는 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.

여기서, 열처리 공정은 평탄화층이 에지 부분에서 일정 곡률을 갖도록 진행하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 의하면, 평탄화층의 에지 부분에서의 단차를 제거한 이후에 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포가 이루어지므로 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포가 균일하게 이루어진다.

이와 같이 마이크로 렌즈 형성용 물질층이 균일하게 도포되므로 후속되는 공정에 의해 형성되는 마이크로 렌즈간의 이격 거리 및 형성 높이가 균일하게 형성되도록 하는 것이 가능하다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 3a내지 도 3c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도이다.

먼저, 도 3a에서와 같이, 반도체 기판에 광감지 소자들 및 광감지 소자들로부터 출력되는 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 처리하는 CMOS 로직 회로부(도시하지 않음)를 형성하고 이와 같은 하부 소자층들을 보호하기 위한 층간 절연층(도시하지 않음)을 형성한다.

여기서, 층간 절연층은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한후에 다시 층간 절연층이 형성된다.

이어, 층간 절연층상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(31)들을 형성한다.

그리고 칼라 필터층(31)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화층(32)을 형성한다.

이때 도포되는 평탄층 형성을 위한 포토레지스트는 리플로우(reflow) 특성이 향상된 포토레지스트이다.

이어, 도 3b에서와 같이, 평탄화층(31)상에 포토레지스트와 같은 마이크로 렌즈 형성용 물질층(33)을 형성한다.

그리고 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 공정을 진행 전에 열 공정(Thermal process)을 추가하여, 수직 형태를 갖는 평탄화층(31)의 에지(edge) 부분(라)의 패턴을 리플로우(reflow) 시켜서 곡률을 형성시킨다.

이와 같은 리플로우 공정에 의해 평탄화층(31)의 에지 부분에서의 단차를 제거하고 도 3c에서와 같이, 마이크로 렌즈 형성용 물질층(33)을 패터닝하고 리플로우시켜 각각의 광감지 소자에 대응하는 마이크로 렌즈(33a)들을 형성한다.

이와 같이 평탄화층(31)의 에지 부분에서의 단차를 제거한 이후에 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포 공정을 진행하면, 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포가 균일하게 이루어져 이미지 센서의 칩 신뢰성을 확보할 수 있다.

즉, 마이크로 렌즈간의 이격 거리가 (마)(바)에서와 같이 균일하게 되고 마이크로 렌즈들의 형성 높이(사) 역시 일정하게 형성된다.

본 발명을 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가지 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 평탄화층의 에지 부분에서의 단차를 제거한 이후에 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포가 이루어지므로 마이크로 렌즈 형성용 물질층의 도포가 균일하게 이루어진다.

둘째, 마이크로 렌즈 형성용 물질층이 균일하게 도포되므로 후속되는 공정에 의해 형성되는 마이크로 렌즈간의 이격 거리 및 형성 높이가 균일하게 형성된다.

이는 이미지 센서의 신뢰성을 높이고 소자의 집광 효율을 높이는 효과를 갖는다.

Claims (2)

1. 복수 개의 광감지 소자영역들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;

   상기 각각의 광감지 소자영역에 대응되도록 칼라 필터층들을 형성하는 단계;

   상기 칼라 필터층들상에 평탄화층을 형성하고 열처리 공정으로 광감지소자영역에 형성된 평탄화층의 에지 부분에서의 단차를 제거하는 단계;

   상기 평탄화층상에 일정 곡률을 갖고 빛을 집속하는 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 열처리 공정은 평탄화층이 에지 부분에서 일정 곡률을 갖도록 진행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.

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