KR100720494B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 노광공정시 반투광 레티클을 사용함으로써 마이크로 렌즈의 제조공정을 단순화시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 적어도 한개의 포토 다이오드들과, 상기 각 포토 다이오드를 포함한 상기 기판의 전면에 형성되는 절연층과, 상기 절연층상에 상기 각 포토 다이오드와 대응하도록 형성된 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층을 포함한 상기 기판의 전면에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층상에 마이크로 렌즈를 형성하기 위해 사용되는 반투광 레티클과, 그리고, 상기 반투광 레티클을 사용하여 상기 평탄화층상에 형성된 적어도 한개의 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되는 것이다.

씨모스 이미지 센서, 마이크로 렌즈, 반투광 레티클

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS Image sensor and Method for fabricating of the same}

도 1a 내지 도 1d는 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도

도 2는 도 1b에 도시된 레티클을 설명하기 위한 도면

도 3은 도 1c에 도시된 마이크로 렌즈의 명암도를 나타내기 위한 그래프

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 나타낸 단면도

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도

도 6은 도 5c에 도시된 반투광 레티클을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 도 5d에 도시된 마이크로 렌즈의 명암도를 나타내기 위한 그래프

＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

501 : 기판 502 : 포토 다이오드

503 : 절연층 504 : 칼라 필터층

505 : 평탄화층 506 : 마이크로 렌즈

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 다수의 반투광부가 형성된 반투광 레티클을 사용하여 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 마이크로 렌즈의 제조공정을 단순화할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서는 1차원 또는 2차원 이상의 광학정보를 전기적인 신호로 전환하는 장치로써, 크게 촬상관과 고체촬상소자로 분류될 수 있다.

상기 촬상관은 화상처리 기술을 구사하는 계측, 제어, 인식 등의 응용기술에서 주로 사용되고 있다.

그리고, 상기 고체촬상소자로는 씨씨디(CCD : charge coupled device) 이미지 센서 소자와 씨모스(CMOS : complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서 소자형의 두 종류 분류된다.

여기서, 상기 씨모스 이미지 센서는 조사되는 광을 감지하는 광 감지부분과 감지된 광을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직 회로부로 구성된다.

상기 광 감지 부분에는 포토 다이오드가 주로 사용되고 있으며, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도 특성이 양호해진다.

이러한 광 감도를 높이기 위해서는 상기 이미지 센서의 전체 면적 중에서 상기 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(fill factor)을 크게 하는 방법이 있다.

또한, 상기 포토 다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주는 집광기술로 마이크로 렌즈를 사용하는 방법이 있다.

상기 마이크로 렌즈를 사용하는 방법은 포토 다이오드의 상부에 광 투과율이 좋은 물질로 볼록형 마이크로 렌즈를 만들어서 입사광의 경로를 굴절시키는 방법이다.

따라서, 보다 많은 양의 광을 상기 포토 다이오드 영역으로 조사할 수 있다.

이 경우 상기 마이크로 렌즈의 광축과 수평한 광이 상기 마이크로 렌즈에 의해 굴절되서 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 다수개의 포토 다이오드(102)가 형성된 기판(101)상에 절연층(103)을 형성한다.

그리고, 상기 절연층(103)상에 가염성 포토 레지스트를 도포하고, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(104)을 형성한다.

다음으로, 상기 칼라 필터층(104)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄화층(105)을 형성한다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 평탄화층(105)상에 마이크로 렌즈용 레지스트층(106a)을 형성하고, 상기 레지스트층(106a)의 상부에 다수의 차광부(108)와 다 수의 투광부(109)를 갖는 레티클(107)을 정렬한다.

그리고, 상기 레티클(107)을 포함한 전면에 레이저 등의 빛을 조사하여 상기 레티클(107)의 투광부(109)에 대응하는 상기 레지스트층(106a)을 선택적으로 노광한다.

도 1c에 도시된 바와 같이, 노광된 상기 레지스트층(106a)을 현상하여 마이크로 렌즈 패턴(106b)을 형성한다.

도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈 패턴(106b)을 150 ~ 200℃온도에서 베이킹(baking)에 의해 리플로우(reflow)시킴으로써, 반구형 형태의 마이크로 렌즈(106)를 형성한다.

상기 마이크로 렌즈(106)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터층(104)를 통하여 포토 다이오드(102)에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.

여기서, 상기 레티클(107)의 구조를 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 도 1b에 도시된 레티클을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레티클(107)은 다수의 차광부(108) 및 투광부(109)로 구성되어있다.

상기 각 차광부(108)는 노광공정시 빛이 차광되는 부분으로써 상기 마이크로 렌즈(106)가 형성되는 영역에 빛을 차단한다.

또한, 상기 각 투광부(109)는 노광공정시 빛이 통과되는 부분으로써 현상공정시 이에 대응된 레지스트층이 현상되는 영역이다.

따라서, 상기 각 투광부(109)로 인해 상기 각 마이크로 렌즈(106)는 일정한 간격으로 형성된다.

도 3은 도 1c에 도시된 마이크로 렌즈의 명암도를 나타내기 위한 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 노광공정시 상기 레티클(107)의 차광부(108)에 대응된 영역에는 빛이 도달하지 못하기 때문에 명암도가 0에 가깝게 나타난다.

한편, 상기 레티클(107)의 투광부(109)에 대응된 영역은 명암도가 1에 가깝게 나타난다.

여기서, 상기 명암도가 0.25 이상 나타나는 부분은 현상공정시 모두 제거되는 부분이다.

상기 각 차광부(108)와 상기 각 투광부(109)의 명암도 차이가 크기 때문에 렌즈가 형성되는 부분의 경사면이 거의 수직에 가깝다는 걸 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 종래에는 상기 마이크로 렌즈(106)가 반구형 형태를 갖기 때문에 이를 형성하기 위해서는 리플로우 공정이 수행되어야 한다.

상기 리플로우 공정은 상기 마이크로 렌즈 패턴을 150 ~ 200℃온도까지 가열하면 유동성을 가지면서 둥글어지는 현상인 리플로우 현상을 이용한 공정과정이다.

따라서, 리플로우 현상을 이용하기 위해서는 상기 마이크로 렌즈 간에 일정한 간격을 형성하는 과정과 리플로우 공정을 수행하는 과정을 감안해야 하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 다수의 반투광부를 갖는 반투광 레티클을 사용하여 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 마이크로 렌즈 간에 간격을 최소화하며, 마이크로 렌즈의 제조공정을 단순화할 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토 다이오드와; 상기 각 포토 다이오드를 포함한 상기 기판의 전면에 형성되는 절연층과; 상기 절연층상에 상기 각 포토 다이오드와 대응하도록 형성된 칼라 필터층과; 상기 칼라 필터층을 포함한 상기 기판의 전면에 형성된 평탄화층과; 상기 평탄화층상에 마이크로 렌즈를 형성하기 위해 사용되는 반투광 레티클과; 그리고, 상기 반투광 레티클을 사용하여 상기 평탄화층상에 형성된 다수의 마이크로 렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수의 포토 다이오드가 형성된 기판상에 절연층을 형성하는 단계와; 상기 절연층상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되도록 칼라 필터층을 형성하는 단계와; 상기 칼라 필터층을 포함한 상기 기판상의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와; 상기 평탄화층상에 포토 레지스트층을 형성하는 단계와; 상기 포토 레지스트층에 반투광 레티클을 이용한 노광공정을 수행하는 단계와; 상기 노광공정으로 형성된 포토 레지스트 패턴에 현상공정을 수행하는 함으로써 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 기판(501)상에 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 다수의 포토 다이오드(502)와, 상기 각 포토 다이오드(502)를 포함한 상기 기판(501)의 전면에 형성되는 절연층(503)과, 상기 각 포토 다이오드(502)와 대응되게 상기 절연층(503)상에 형성되어 상기 각 포토 다이오드(502)에 특정 파장대의 광을 필터링 하여 조사하는 칼라 필터층(204)과, 상기 칼라 필터층(504)을 포함한 상기 기판(501)의 전면에 형성된 평탄화층(505)과, 그리고, 상기 각 포토 다이오드(502)에 대응하여 상기 평탄화층(505)에 형성되며 상기 각 포토 다이오드(502)로 광을 집속하는 다수의 마이크로 렌즈(506)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 각 마이크로 렌즈(506)는 노광공정시 반투광 레티클을 사용하여 형성된 것으로써, 상기 각 마이크로 렌즈(506)간에 최소한의 간격으로 구성되며, 리플로우(reflow) 공정없이 노광 및 현상공정만으로 형성된 것이다.

즉, 상기 각 마이크로 렌즈(506)를 형성하기 위한 레지스트 패턴형성시 수행되는 노광공정에서 반투광 레티클을 사용함으로써, 상기 각 마이크로 렌즈(506)는 서로 접촉되지 않을 만큼의 최소한의 간격으로 형성된다.

또한, 상기 각 마이크로 렌즈(506)가 현상공정만으로도 반구형으로 형성되기 때문에 리플로우 공정은 수행하지 않는다.

다음으로, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 다수의 포토 다이오드(502)가 형성된 기판(501)에 절연층(503)을 형성한다.

여기서, 상기 절연층(503)은 다층으로 형성된 것으로써, 도시되지 않았지만, 상기 포토 다이오드(502)영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 질화막과 외부의 수분이나 충격으로부터 보호하기 위한 산화막이 적층되어 형성된다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(503)의 전면에 가염성 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(504)을 형성한다.

여기서, 상기 칼라 필터층(504)은 1 ~ 5㎛의 두께를 갖도록 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 사용한 사진 식각 공정으로 패터닝하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(504)을 단일층으로 형성한다.

다음으로, 상기 칼라 필터층(504)을 포함한 상기 기판(501)의 전면에 초점 거리 조절과 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보를 위해 평탄화층(505)을 형성한다.

여기서, 이미지 센서는 광학적인 투과가 매우 중요하기 때문에 상기 평탄화 층(505)의 두께에 의한 박막들의 간섭 현상을 배제하기 위하여 1000 ~ 6000Å의 두께로 형성한다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 평탄화층(505) 상의 전면에 상기 각 포토 다이오드(502)에 광 집속력을 높이기 위하여 마이크로 렌즈용 포토 레지스트(506a)를 도포한다.

이후, 상기 포토 레지스트층(506a)의 상부에 다수의 차광부(508) 및 반투광부(509)를 갖는 반투광 레티클(507)을 정렬한다.

그리고, 상기 반투광 레티클(507)을 포함한 전면에 레이저 등의 빛을 조사하여 상기 레티클(507)의 투광부(509)에 대응하는 상기 레지스트층(506a)을 선택적으로 노광한다. 이때, 상기 포토 레지스트 패턴(506b)형성시 사용되는 노광장치에서 투영되는 패턴의 상을 흐리게 함으로써 디포커스(defocus)현상이 일어나도록 한다.

삭제

도 5d 및 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 포토 래지스트 패턴(506b)을 현상하여 다수의 마이크로 렌즈(506)를 형성한다. 이때, 현상되는 정도는 상기 투영되는 패턴의 상을 흐리게 노광했기 때문에 노광량 다시 말하여, 빛의 투과 정도에 따라 차이가 생긴다. 즉, 반투광 부분에 대응되어 노광된 상기 포토 래지스트 패턴(506b)의 각 모서리부분에는 경사면이 형성되고, 경사면을 비롯한 경사면의 인접영역 간의 노광량 즉 빛의 투광량에 따라 굴곡이 생기게 된다. 빛의 투광량에 대한 설명은 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.

삭제

여기서, 상기 반투광 레티클(507)에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 도 5c에 도시된 반투광 레티클을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 반투광 레티클(507)은 다수개의 차광부(508) 및 반투광부(509)로 구성되어있다.

상기 각 차광부(508)는 노광공정시 빛이 차광되는 부분으로써 상기 마이크로 렌즈(506)가 형성되는 영역의 빛을 차단한다.

한편, 상기 각 반투광부(509)는 노광공정시 빛의 일부가 통과되는 부분으로써 현상공정시 대응된 레지스트층이 현상되는 영역이다.

즉, 상기 각 반투광부(509)는 반투과성 물질로 형성되며, 밝기 조절이 가능하기 때문에 빛의 투과량을 조절할 수 있다.

따라서, 상기 각 마이크로 렌즈(506)의 사이 간격에 빛의 일부를 투과함으로써 차광된 부분과 반투광된 부분의 명암도 차이를 줄일 수 있다.

도 7은 도 5c에 도시된 마이크로 렌즈의 명암도를 나타내기 위한 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 노광공정시 상기 레티클(507)의 차광부(508)에 대응된 영역에는 빛이 도달하지 못하기 때문에 명암도가 0에 가깝게 나타난다.

한편, 상기 레티클(507)의 반투광부(509)에 대응된 영역은 명암도가 0.4에 가깝게 나타난다.

여기서, 명암도가 0.25 이상 나타나는 부분은 현상공정시 모두 현상되기 때문에 상기 각 마이트로 렌즈(506)간에 일정한 간격이 형성된다.

상기 반투광 레티클(507)사용시 상기 각 마이크로 렌즈(506)의 사이 간격이 좁아지고, 렌즈가 형성되는 경사부분이 반구형으로 형성될 수 있는 명암도를 갖는다. 다시 말하여, 반투광부(509)의 빛 투과도는 도 7의 명암도와 비례한다.

상술한 바와 같이, 반투광부(509)는 빛의 투과율을 조절할 수 있는 물질로 형성되기 때문에 도 7을 참조하여 빛의 투과도를 조절할 수 있다. 또한, 상기 마이크로 렌즈(506)가 형성되는 경사부분의 명암도 즉, 경사부분의 빛 투과량은 현상공정시 제거되는 포토 레지스트양과 비례하여 적용되기 때문에, 렌즈간의 간격이 최소화된 반구형의 마이크로 렌즈(506)가 형성된다.

따라서, 반투광부(509)의 빛 투과량을 상기 도 7의 명암도에 비례하도록 조절하여 노광하고 현상공정을 진행시키면 리플로우 공정을 수행하지 않아도 반구형 형태의 마이크로 렌즈(506)를 제조할 수 있다.

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.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 마이크로 렌즈 형성시 반투광 레티클을 사용하여 노광 및 현상공정을 수행한 것이다.

따라서, 마이크로 렌즈간의 간격을 최소화할 수 있으며, 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 단순화할 수 있다.

Claims (4)

1. 적어도 한개의 포토 다이오드들, 상기 각 포토 다이오드를 포함한 상기 기판의 전면에 형성되는 절연층, 상기 절연층상에 상기 각 포토 다이오드와 대응하도록 형성된 칼라 필터층, 상기 칼라 필터층을 포함한 상기 기판의 전면에 형성된 평탄화층 및 상기 평탄화층 상에 형성된 적어도 한개의 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서에 있어서,

   상기 적어도 한개의 마이크로 렌즈는 반투광부의 빛의 투과도가 부분별로 다르게 형성된 반투광 레티클을 사용하여 형성된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반투광부는

   부분별로 0 내지 1.0의 명암도를 갖도록 빛 투과율이 조절된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
3. 적어도 한개의 포토 다이오드가 형성된 기판상에 절연층을 형성하는 단계와;

   상기 절연층상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되도록 칼라필터층을 형성하는 단계와;

   상기 칼라필터층을 포함한 상기 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와;

   상기 평탄화층상에 포토 레지스트층을 형성하는 단계와;

   상기 포토 레지스트층에 반투광부의 빛의 투과도가 부분별로 다르게 형성된 반투광 레티클을 사용하여 노광공정을 수행하는 단계와; 그리고

   상기 포토 레지스트 패턴에 현상공정을 수행하는 함으로써 적어도 한개의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 반투광부는

   부분별로 0 내지 1.0의 명암도를 갖도록 빛 투과율이 조절된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서의 제조방법.

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