KR100710209B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드로 입사된 빛 에너지를 극대화하여 이미지 센서의 감도를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층들과 대응하게 다수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드와 대응되는 부분의 상기 마이크로렌즈를 선택적으로 제거하여 오픈부를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이미지 센서, 마이크로렌즈, 포토다이오드, 오픈부
Description
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31,41 : 포토다이오드 32,42 : 층간 절연층
33,43 : 보호막 34,44 : 칼라 필터층
35,45 : 평탄화층 36,47 : 마이크로렌즈
37 : 감광막 46 : 절연막 패턴
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 포토다이오드로 입사된 빛 에너 지를 극대화하여 감도(sensitivity)를 향상시키도록 한 씨모스 이미지의 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.
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)을 포함한 반도체 기판의 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 마이크로렌즈(16)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 마이크로렌즈(16)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 마이크로렌즈(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.
종래의 씨모스 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.
한편, 상기 포토다이오드(11)로 입사되는 입사광(①②③④) 중 ①과 ②는 포토다이오드 영역내(A)에 존재하므로 상기 마이크로렌즈(16)에 의해 투과율이 감소되면서 포토다이오드(11)로 유도되고, ③과 ④는 포토다이오드 영역 밖에 있으나 마이크로렌즈(16)에 의해 포토다이오드 영역내로 유도되면서 입사된다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 대부분의 영역을 차지하는 포토다이오드 영역내(도 1의 A)의 빛 에너지(light energy)는 마이크로렌즈를 통과하면서 입사광이 마이크로렌즈에 흡수되어 포토다이오드로 입사하는 빛 에너지가 감소되기 때문에 이미지 센서의 감도가 떨어진다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 포토다이오드로 입사된 빛 에너지를 극대화하여 이미지 센서의 감도를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층과, 상기 층간 절연층상에 형성되는 보호막과, 상기 보호막상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층의 양측단상에 일정한 간격을 갖고 구성되어 상기 포토다이오드로 빛을 집속하기 위한 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층 을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층들과 대응하게 다수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드와 대응되는 부분의 상기 마이크로렌즈를 선택적으로 제거하여 오픈부를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
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)와, 상기 포토 다이오드(31)들을 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 평탄화층(35)과, 상기 평탄화층(35)상에 상기 포토다이오드(31)와 대응되는 부분이 오픈되도록 구성되어 대응하는 칼라 필터층(34)을 투과하여 포토다이오드(31)로 빛을 집속하기 위해 마이크로렌즈(36)를 포함하여 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.
또한, 상기 마이크로렌즈(36)는 상기 포토다이오드(31)와 대응되는 부분은 오픈(open)되어 상기 마이크로렌즈(36)에 의해 포토다이오드(31)로 입사되는 입사광의 손실을 최소화하고 있다.
또한, 상기 마이크로렌즈(36)는 상기 칼라 필터층(34)의 양측단에 일정한 간격을 갖고 구성되어 있다.
한편, 도 2에서와 같이 구성된 씨모스 이미지 센서에서 입사광(①②③) 중 ①은 마이크로렌즈(36)에 의해 투과율의 감소없이 포토다이오드(31)에 유도되고, ②와 ③은 마이크로렌즈(36)에 의해 포토다이오드(31)로 유도된다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 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 R, G, B의 칼라 필터 층(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 3b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)상에 마이크로렌즈용 물질층(예를 들면, 레지스트층 등)을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 물질층을 선택적으로 패터닝하여 상기 각 칼라 필터층(34)과 대응하게 마이크로렌즈 패턴(36a)을 형성한다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈 패턴(36a)을 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈(36)를 형성한다.
여기서, 상기 리플로우 공정은 핫 플레이트(hot plate)를 이용하거나 퍼니스(furnace)를 이용하여 150 ~ 200℃의 온도에서 진행된다. 이때 수축 가열하는 방법에 따라 마이크로렌즈(36)의 곡률이 달라지는데 이 곡률에 따라서 집속 효율도 달라지게 된다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈(36)를 포함한 전면에 감광막(37)을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 각 마이크로렌즈(36)의 중심 부분이 오픈되도록 상기 감광막(37)을 선택적으로 패터닝한다.
이어, 상기 패터닝된 감광막(37)을 마스크로 이용하여 상기 각 마이크로렌즈(36)의 중앙 부분을 선택적으로 식각한다.
여기서, 상기 마이크로렌즈(36)의 제거되는 폭은 마이크로렌즈(36)의 크기에 따라 달리할 수 있으나, 중앙을 중심으로 대략 1 ~ 2㎛만큼 제거한다.
또한, 상기 선택적으로 제거되지 전의 마이크로렌즈(36)는 상기 포토다이오드(31)와 대응되면서 더 넓은 폭을 갖고 있다.
도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 감광막(37)을 제거하고, 상기 잔류하는 마이크로렌즈(36)에 자외선을 조사하여 경화한다. 여기서, 상기 마이크로렌즈(36)에 자외선을 조사하여 경화함으로써 상기 마이크로렌즈(36)는 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(41)들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층(42)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연층(42)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 포토 다이오드(41) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층을 형성할 수도 있다.
이어, 상기 층간 절연층(42)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막(43)을 형성한다.
그리고 상기 보호막(43)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 R, G, B의 칼라 필터층(44)들을 형성한다.
이어, 상기 칼라 필터층(44)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화층(45)을 형성한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(45)상에 산화막 또는 질화막과 같은 절연막을 형성하고, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 각 칼라 필터층(44)의 중앙 부분과 대응하게 절연막 패턴(46)을 형성한다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 절연막 패턴(46)을 포함한 반도체 기판의 전면에 마이크로렌즈용 물질층(예를 들면, 레지스트층)을 형성하고, 전면에 에치백 공정을 실시하여 상기 절연막 패턴(46)의 양측면에 측벽 형태의 마이크로렌즈(47)를 형성한다.
도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 절연막 패턴(46)을 제거하고, 상기 마이크로렌즈(47)에 자외선을 조사하여 경화한다. 여기서, 상기 마이크로렌즈(47)에 자외선을 조사하여 경화함으로써 상기 마이크로렌즈(47)는 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 포토다이오드 영역 밖의 빛 에너지는 그대로 마이크로렌즈에 의해 포토다이오드로 유도되도록 유지하고, 포토다이오드 영역내의 마이크로렌즈는 제거하여 광투과율을 향상시킴으로써 전체적으로 입사되는 빛 에너지를 극대화하여 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간 절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 칼라 필터층들과 대응하게 다수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계;상기 포토다이오드와 대응되는 부분의 상기 마이크로렌즈를 선택적으로 제거하여 오픈부를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 오픈부는 1 ~ 2㎛의 폭을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈에 레이저를 조사하여 경화하는 단계를 더 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간 절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 칼라 필터층들상에 상기 포토다이오드와 대응하게 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 절연막 패턴의 양측면에 레지스트층인 마이크로 렌즈용 물질층으로 마이크로렌즈를 형성하는 단계;상기 절연막 패턴을 제거하는 단계;상기 마이크로렌즈를 경화하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 상기 절연막 패턴을 포함한 전면에 상기 마이크로렌즈용 물질층을 증착한 후 전면에 에치백하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 레이저가 조사되어 경화되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 오픈부를 형성하는 단계는반구형태의 상기 마이크로 렌즈를 포함한 반도체 기판의 전면에 감광막을 도포하는 단계와;상기 마이크로 렌즈의 중심 부분이 오픈되도록 상기 감광막을 선택적으로 패터닝하는 단계와;상기 패터닝된 감광막을 이용하여 상기 마이크로렌즈의 중앙 부분을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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