KR100720458B1 - 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판을 준비하는 공정; 상기 반도체 기판 상에 층간절연층을 형성하는 공정; 상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 공정; 상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 공정; 및 열전달용 액체를 이용하여 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로서,

본 발명에 따르면, 열전달용 액체의 이용으로 마이크로 렌즈에 균일한 열이 가해질 수 있어, 마이크로 렌즈를 균일하게 형성하는 것이 가능하기 때문에, 감도 향상 및 색재현성이 향상된 고품위 이미지 센서의 제작이 가능하다.

열전달용 액체, 마이크로 렌즈

Description

이미지 센서의 제조방법{Method of manufacturing Image Sensor}

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형성공정을 개략적으로 도시한 공정단면도이다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 개략적으로 도시한 공정단면도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 형성공정을 개략적으로 도시한 공정단면도이다.

<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>

100 : 반도체 기판 200 : 층간절연층

250 : 평탄화층 300 : 컬러필터층

400 : 포토다이오드 500 : 마이크로 렌즈

700 : 열전달용 액체

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로 보다 구체적으로는 균일한 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 이미지 센서 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.

이러한 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.

이러한, 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체면적 중에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.

상기 집광 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로 렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.

이 경우 마이크로 렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로 렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어 진다.

한편, 일반적인 이미지 센서는 간단히 포토다이오드(Photo Diode), 층간절연층, 컬러필터(Color Filter), 마이크로 렌즈(Micro Lens) 등으로 구성된다.

복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판 상에 층간절연층이 형성되어 있고, 상기 층간절연층 상에 RGB 컬러필터층이 상기 복수개의 포토다이오드와 각각 대응되도록 형성되어 있다.

상기 컬러필터층 상에는 컬러필터층의 불균일한 표면층을 평탄화하기 위한 평탄화층이 형성되어 있고, 상기 평탄화층 상에는 마이크로 렌즈가 상기 복수개의 포토다이오드 및 컬러필터층과 각각 대응되도록 형성되어 있다.

상기 포토다이오드는 빛을 감지하여 전기적 신호로 바꾸어 주는 역할을 하고, 상기 층간절연층은 각 금속배선들 간에 절연을 시키는 역할을 하고, 상기 컬러필터는 RGB의 빛의 삼원색을 표현하며, 상기 마이크로 렌즈는 빛을 포토다이오드에 집광시켜주는 역할을 하게 된다.

이하에서, 도면을 참조로 종래의 마이크로 렌즈 형성공정을 설명하기로 한다.

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형성공정을 개략적으로 도시한 공정단면도이다.

우선, 도 1a에서 알 수 있듯이, 복수개의 포토다이오드(40)를 포함하고, 층간절연층(20), 컬러필터층(30), 평탄화층(25)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 마이크로 렌즈층(52)을 형성한다.

그 후, 도 1b에서 알 수 있듯이, 상기 마이크로 렌즈층(52)을 상기 복수개의 포토다이오드(40)와 각각 대응되도록 패터닝한다.

그 후, 도 1c에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(10)을 핫플레이트(60) 상 에 위치시킨 후, 열을 가해주어 마이크로 렌즈를 완성한다.

다만, 도 1d의 A, B에서 알 수 있듯이, 종래 기술에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈(50)는 불균일한 형태로 형성된다.

핫플레이트(60) 상에 마이크로 렌즈층(52)이 형성된 반도체 기판(10)을 위치시키고, 상기 반도체 기판(10)에 직접 열을 가할 경우, 마이크로 렌즈층(52) 하부의 열전달 경로에 따라, 열전달계수 또는 열용량이 국부적으로 다르거나, 단차에 의해 열전달량이 국부적으로 다르게 되어 균일하지 않은 열적유동이 발생하기 때문에, 불균일한 마이크로 렌즈(50)가 형성된다.

도 1d의 A에서와 같이 인접한 마이크로 렌즈(50)가 서로 붙거나, 도 1d의 B에서와 같이 마이크로 렌즈의 곡면이 찌그러질 경우 인접화소에 영향을 끼칠 수 있으며, 집광의 효율도 감퇴된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로,

본 발명의 목적은, 마이크로 렌즈의 곡면을 형성하는 공정을 열전달용 액체 속에서 수행함으로써, 균일한 마이크로 렌즈를 형성할 수 있는 이미지 센서 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판을 준비하는 공정(제1공정); 상기 반도체 기판 상에 층간절연층을 형성하는 공정(제2공정); 상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 공정(제 3공정); 상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 공정(제4공정); 및 열전달용 액체를 이용하여 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정(제5공정)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.

이 때, 상기 열전달용 액체를 이용하여 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정(제5공정)은 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈층을 형성하는 공정; 상기 도포된 마이크로 렌즈층을 패터닝하는 공정; 상기 패터닝된 마이크로 렌즈층을 포함하는 반도체 기판을 고온의 열전달용 액체 속에 넣어, 마이크로 렌즈의 표면이 곡면을 갖도록 하는 공정을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 열전달용 액체를 이용하여 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정(제5공정)은 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈층을 형성하는 공정; 상기 도포된 마이크로 렌즈층을 패터닝하는 공정; 상기 패터닝된 마이크로 렌즈층 상에 보호막을 형성하는 공정; 상기 보호막이 형성된 마이크로 렌즈층을 포함하는 반도체 기판을 고온의 열전달용 액체 속에 넣어, 마이크로 렌즈의 표면이 곡면을 갖도록 하는 공정을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 열전달용 액체를 이용하여 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정(제5공정)은 상기 열전달용 액체로 수은(Hg)을 이용할 수 있다.

이 때, 상기 수은을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성하는 공정은 200 ~ 250℃ 하에서 이루어질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 개략적으로 도시한 공정단면도이다.

우선, 도 2a에서 알 수 있듯이, 복수개의 포토다이오드(400)가 형성된 반도체 기판(100)을 준비한다.

그 후, 도 2b에서 알 수 있듯이, 상기 복수개의 포토다이오드(400)가 형성된 반도체 기판(100) 상에 층간절연층(200)을 형성한다.

상기 층간절연층은 SiN 또는 SiON으로 이루어져 있다.

그 후, 도 2c에서 알 수 있듯이, 상기 층간절연층(200) 상에 컬러필터층(300)을 형성한다.

상기 컬러필터층(300)은 상기 복수개의 포토다이오드(400)와 각각 대응되도록 형성된다.

그 후, 도 2d에서 알 수 있듯이, 상기 컬러필터층(300) 상에 평탄화층(250)을 형성한다.

상기 평탄화층(250)은 컬러필터층(300)의 보호, 평탄화층(250) 상부에 형성되는 마이크로 렌즈(도시하지 않음)의 원활한 형성 및 초점거리의 조절을 위해 가시광선 영역에서 투명성이 좋은 유기물질 계열로 0.5 ~ 1.5 μm 두께를 갖도록 형성된다.

그 후, 도 2e에서 알 수 있듯이, 상기 평탄화층(250) 상에 마이크로 렌즈(500)를 형성하여 이미지 센서를 완성한다.

이 때, 상기 마이크로 렌즈(500)는 상기 복수개의 포토다이오드(400) 및 컬 러필터층(300)과 각각 대응되도록 형성된다.

상기 마이크로 렌즈(500)는 포토레지스트 또는 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연물질로 이루어진다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 형성공정을 개략적으로 도시한 공정단면도이다.

우선, 도 3a에서 알 수 있듯이, 복수개의 포토다이오드(400)를 포함하고, 층간절연층(200), 컬러필터층(300), 평탄화층(250)이 형성된 반도체 기판(100) 상에 마이크로 렌즈층(520)을 형성한다.

그 후, 도 3b에서 알 수 있듯이, 상기 마이크로 렌즈층(520)을 상기 복수개의 포토다이오드(400)와 각각 대응되도록 패터닝한다.

이 때, 상기 패터닝된 마이크로 렌즈층(520) 상에 보호막을 형성할 수 있다.

보호막이 필요하지 않은 경우도 있으나, 후 공정에 이용되는 열전달용 액체가 상기 마이크로 렌즈층(520)과 반응할 우려가 있는 경우라면, 상기 마이크로 렌즈층(520) 상에 보호막을 형성하여 이를 보호해야 할 것이다.

그 후, 도 3c에서 알 수 있듯이, 상기 패터닝된 마이크로 렌즈층(520)을 포함하는 반도체 기판(100)을 고온의 열전달용 액체(700) 속에 넣어, 마이크로 렌즈의 표면이 곡면을 갖도록 하면, 도 3d와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서가 완성된다.

이 때, 마이크로 렌즈는, 상기 열전달용 액체(700)와 마이크로 렌즈층(520) 사이에 발생하는 계면장력으로 인해, 그 곡면이 찌그러지지 않고 균일하게 형성된 다.

또한, 상기 고온의 열전달용 액체(700) 속에 들어간 상기 마이크로 렌즈층(520)은 중력 및 액체의 압력에 의해 인접하는 마이크로 렌즈층(520)과도 서로 붙지 않아, 균일한 마이크로 렌즈가 형성된다.

이 때, 상기 열전달용 액체(700)로는 수은(Hg)이 이용된다.

통상적으로 마이크로 렌즈 형성공정은 200℃ 이상에서 행해지는데, 수은은 250 ~ 300℃의 높은 끓는점을 가지고 있어 200℃ 이상에서도 액체 상태로 존재하기 때문이다.

200℃ 이상에서 액체 상태로 존재하여야만, 계면장력에 의해 균일한 곡면이 만들어지기 때문에, 상기 열전달용 액체(700)는 200 ~ 250℃의 수은을 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 수은은 비열이 낮기 때문에, 상기 200 ~ 250℃의 온도를 유지하기 위해서는 중탕을 하는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의한 본 발명에 따르면,

고온의 열전달용 액체의 이용으로, 마이크로 렌즈에 균일한 열이 가해질 수 있어 인접한 마이크로 렌즈가 서로 붙는 것을 방지할 수 있고, 상기 고온의 열전달용 액체와 마이크로 렌즈 간의 계면장력으로 인해 그 표면 또한 균일하게 형성하는 것이 가능하기 때문에, 감도 향상 및 색재현성이 향상되어 고품위 이미지 센서의 제작이 가능하다.

Claims (5)

1. 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판을 준비하는 공정;

   상기 반도체 기판 상에 층간절연층을 형성하는 공정;

   상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 공정;

   상기 컬러필터층 상에 평탄화층을 형성하는 공정;

   상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈층을 도포하고 상기 마이크로 렌즈층을 패터닝 하는 공정; 및

   상기 패터닝 된 마이크로 렌즈층을 포함한 상기 반도체 기판을 수은(Hg) 속에 넣고 상기 수은을 200℃ ~ 250℃로 유지하여 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로 렌즈를 형성하는 공정은

   상기 수은을 중탕함으로써 200℃ ~ 250℃로 유지하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
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