KR100710200B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 평탄화층의 경화 공정시 평탄화층의 표면 장력의 상이함을 보정함으로써 마이크로렌즈의 균일도 향상 및 불량을 방지하여 이미지 센서의 수율 및 신뢰성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층이 형성된 반도체 기판에 열처리 공정을 실시하여 상기 평탄화층을 경화시키는 단계와, 상기 경화된 평탄화층의 전면에 UV를 조사하는 단계와, 상기 각 포토다이오드와 대응하도록 상기 UV가 조사된 평탄화층상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
마이크로렌즈, UV, 평탄화층, 노광
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31 : 포토다이오드 32 : 층간 절연층
33 : 보호막 34 : 칼라 필터층
35 : 평탄화층 36 : 레지스트층
37 : 레티클 38 : 마이크로렌즈
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈의 균일도를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전 기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용 하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
상기와 같은 특징을 갖는 CMOS 이미지 센서에 있어서 포토다이오드는 각 파장에 따라 입사되는 광을 전기적 신호로 변환해 주는 도입부로써 이상적인 경우는 모든 파장대에서 광전하생성율(quantum efficiency)이 1인 경우로 입사되는 광을 모두 집속하는 경우이기 때문에 이를 달성하기 위한 노력이 진행되고 있다.
한편, 이미지 센서의 소형화, 다(多)화소화로의 변화에 따라 단위 면적당 더 많은 화소를 만들고 있으며 화소 크기가 작아짐에 따라 상부에 온-칩(on-chip)으로 형성하는 칼라 필터 및 마이크로렌즈의 사이즈도 작아진다.
이와 같이 단위 화소의 크기가 작아짐에 따라 빛을 받아들이는 포토다이오드 영역의 축소에 따라 감도는 줄어들게 된다.
따라서 줄어드는 감도를 보상하기 위해서는 더 많은 빛을 받아들여야 하는데 그렇게 하기 위해선 개구부를 늘리는 방법과 상부에 집광 마이크로렌즈를 형성하는 방법 등이 있는데 개구부는 대부분 금속층(metal layer)으로 형성한다.
이 금속층은 배선 및 차단 영역을 하게 되어 단위 화소 입사하여 차광층 상부로 입사하는 입사광을 집광 렌즈로 빛을 굴절시켜 집속을 함에 있어서 집광 렌즈를 키움에 따라 이웃하는 렌즈가 서로 붙거나 떨어지는 정도가 조금씩 다르게 되어 화상의 균일도가 나빠진다.
또한, 하부의 색분리층의 영향을 받게 되어 인접 색분리층의 정보가 혼합되어 들어오기도 하여 색 재현성 및 콘트라스트(contrast)가 나빠지게 된다.
또한, 색분리층 형성시 안료의 혼합에 따른 포토 분해(photo resolution) 저하로 정렬 노광시 균일한 패턴 형성이 어려우며, 색분리층간의 중첩이나 공간 형성으로 상부 평탄화층이 반드시 필요하게 되는 추가 공정이 필요하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(11)들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층(12)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연층(12)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드(11) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.
이어, 상기 층간 절연층(12)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(13)을 형성한다.
그리고 상기 보호막(13)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(14)들을 형성한다.
여기서, 상기 칼라 필터층(14)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 칼라 레지스트층을 선택적으로 세 번에 걸쳐서 포토리소그래피(photo lithography) 공정을 행하여 색분리층을 형성하게 된다.
이어, 상기 칼라 필터층(14)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화층(15)을 형성한다.
그리고 상기 평탄화층(15)을 경화시키기 위해 200℃ 이상의 온도에서 열처리를 실시한다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(15)상에 마이크로렌즈용 레지스트층(16a)을 도포하고, 상기 레지스트층(16a)의 상부에 개구부를 갖는 레티클(17)을 정렬한다.
이어, 상기 레티클(17)을 마스크로 이용하여 전면에 레이저 등의 빛을 조사하여 상기 레티클(17)의 개구부에 대응되도록 상기 레지스트층(16a)을 선택적으로 노광한다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 노광된 레지스트층(16a)을 현상하여 마이크로렌즈 패턴을 형성하고, 상기 마이크로렌즈 패턴을 소정온도에서 리플로우하여 마이크로렌즈(16)를 형성한다.
여기서, 미설명한 A는 이웃하는 마이크로렌즈(16)간의 오버랩된 부분을 나타 낸 것으로서, 집광 능력을 향상시키기 위해 마이크로렌즈(16)의 크기를 크게 형성하게 되는데, 전술한 평탄화층(15)의 경화 공정시에 상기 평탄화층(15)의 표면 장력의 불균일에 의해 이웃하는 마이크로렌즈(16)간에 오버랩 현상이 발생한다.
그러나 상기와 같은 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 평탄화층의 경화를 위해 핫 플레이트(hot plate)에서 열처리를 실시하고 있는데, 이는 경화시 밀폐된 오븐(oven)에서 나오는 솔벤트(solvent) 성분에 의해 표면층의 물성이 달라지게 되어 상부에 형성되는 마이크로렌즈 유동성(flow ability)을 다르게 만들어 주는 역할을 하기 때문에 웨이퍼 전체에 균일한 형태의 집광 마이크로렌즈의 형성이 어렵게 되어 균일도(도 1d의 A)가 나쁘게 되며 아울러 불량 마이크로렌즈를 형성하게 되어 이미지 센서의 수율이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 평탄화층의 경화 공정시 평탄화층의 표면 장력의 상이함을 보정함으로써 마이크로렌즈의 균일도 향상 및 불량을 방지하여 이미지 센서의 수율 및 신뢰성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형 성하는 단계와, 상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층이 형성된 반도체 기판에 열처리 공정을 실시하여 상기 평탄화층을 경화시키는 단계와, 상기 경화된 평탄화층의 전면에 UV를 조사하는 단계와, 상기 각 포토다이오드와 대응하도록 상기 UV가 조사된 평탄화층상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층(32)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연층(32)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 상기 포토 다이오드(31) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성한 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 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 R, G, B의 칼라 필터층(34)들을 형성한다.
여기서, 상기 칼라 필터층(34)은 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 칼라 레지스트층을 선택적으로 세 번에 걸쳐서 포토리소그래피(photo lithography) 공정을 행하여 색분리층을 형성하게 된다.
이어, 상기 각 칼라 필터층(34)에 UV 노광을 실시하여 표면을 불안정한 상태를 개질한다.
이어, 상기 칼라 필터층(34)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 평탄화층(35)을 0.5 ~ 1.5㎛의 두께로 형성한다.
그리고 상기 평탄화층(35)을 경화시키기 위해 150 ~ 300℃의 온도에서 열처리를 실시한다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)의 전면에 UV를 조사한다.
여기서, 상기 평탄화층(35)의 경화시 평탄화층(35)의 상부 표면에 아웃 개싱(out gassing)에 의한 표면의 불안정한 현상이 발생한다.
본 발명에서는 상기 아웃 개싱에 의한 평탄화층(35) 표면 장력의 불안정을 보상하기 위해 상기 평탄화층(35)의 전면에 UV를 조사하고 있다.
따라서 상기 평탄화층(35)에 UV를 조사함으로써 국부적으로 다른 표면 특성을 갖는 평탄화층(35)의 표면 특성을 개선하여 동일한 표면 장력을 갖도록 유도하여 상부에 형성되는 마이크로렌즈의 유동성을 균등하게 할 수가 있다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)상에 마이크로 렌즈용 레지스 트층(36)을 도포하고, 상기 레지스트층(36)의 상부에 개구부를 갖는 레티클(37)을 정렬한다.
이어, 상기 레티클(37)을 마스크로 이용하여 전면에 레이저 등의 빛을 조사하여 상기 레티클(37)의 개구부에 대응되도록 상기 레지스트층(36)을 선택적으로 노광한다.
도 2d에 도시한 바와 같이, 상기 노광된 레지스트층(36)을 현상하여 마이크로렌즈 패턴을 형성한다.
이어, 상기 마이크로렌즈 패턴을 형성한 후 상기 마이크로렌즈 패턴내에 존재하는 PAC의 흡수율을 표백하기 위해 전면 노광(flood exposure) 처리를 실시한다.
그리고, 상기 마이크로렌즈 패턴을 소정온도에서 리플로우하여 다수개의 마이크로렌즈(38)를 형성한다.
여기서, 상기 마이크로렌즈(38)를 형성하기 위한 리플로우 온도는 약 300 ~ 700℃에서 진행한다.
한편, 상기 마이크로렌즈(38)는 이미지 센서의 화소 수 즉 포토다이오드(31)의 수만큼 이에 대응되게 형성하며, 더 많은 입사광을 집속하기 위해 마이크로렌즈(39)의 크기를 보다 크게 형성하고 있다.
본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조방법에서 마이크로렌즈(38)의 하부에 형성된 평탄화층(35)에 UV를 조사하여 표면 장력을 균일하게 한 후에 마이크로렌즈(38)를 형성함으로써 집광 능력을 향상시키기 위해 마이크로렌즈(38)의 사이즈를 키워도 국부적으로 이웃하는 마이크로렌즈(38)간의 브릿지(bridge)등이 없어 균일한 마이크로렌즈를 형성할 수가 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.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 평탄화층의 경화시 평탄화층의 상부 표면에 아웃 개싱(out gassing)에 의한 표면의 불안정한 분위기에서 평탄화층 표면 장력의 상이함을 보상하기 위해 평탄화층에 UV를 조사함으로써 국부적으로 다른 표면을 갖는 특성을 개선하여 동일한 표면 장력을 갖도록 유도하여 상부에 형성되는 마이크로렌즈의 유동성을 균등하게 할 수가 있다.
또한, 마이크로렌즈의 형성을 용이하게 하며 균일하게 형성함으로써 이미지 센서의 감도 향상 및 균일도 향상에 따른 색재현성이 향상되어 수율 및 제품의 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.
Claims (7)
- 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 각 칼라 필터층에 UV를 조사하는 단계;상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계;상기 평탄화층이 형성된 반도체 기판에 열처리 공정을 실시하여 상기 평탄화층을 경화시키는 단계;상기 경화된 평탄화층의 전면에 UV를 조사하는 단계;상기 각 포토다이오드와 대응하도록 상기 UV가 조사된 평탄화층상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 평탄화층은 0.5 ~ 1.5㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 상기 UV가 조사된 평탄화층상에 렌즈용 레지스트층을 도포한 후 노광 및 현상 공정으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 레지스트층을 소정온도에서 리플로우하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 리플로우는 300 ~ 700℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 3 항에 있어서, 상기 레지스트층을 패터닝한 후 전면 노광을 실시하는 단계를 더 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 평탄화층의 경화는 150 ~ 300℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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