KR100720496B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인접한 마이크로렌즈간의 굴곡을 최소화하여 전체 빛의 굴절율을 증가시켜 이미지 센서의 밝기를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 다수개의 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 칼라 필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층상에 포지티브 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 상기 포토다이오드와 대응되게 다수개의 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈를 포함한 전면에 UV 큐어링을 실시하는 단계와, 상기 인접한 마이크로렌즈간의 굴곡을 줄이기 위해 전면에 Ar 플라즈마 처리를 실시하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.

마이크로렌즈, 포토레지스트, UV 큐어링, 플라즈마

Description

씨모스 이미지 센서의 제조방법{method for manufacturing of CMOS image sensor}

도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도

도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도

도 3a 내지 도 3d는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도

도 4a 내지 도 4h는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

31 : 반도체 기판 32 : 포토 다이오드

33 : 층간 절연층 34 : 칼라 필터층

35 : 평탄화층 36 : 포토레지스트

37 : 마이크로렌즈 패턴 38 : 마이크로렌즈

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈의 특성을 향상시 키도록 한 씨모스 이미지 센서의 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.

상기 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.

이러한, 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드가 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.

한편, 이미지 센서용 소자를 제조함에 있어서, 이미지를 받아들이는 포토 다 이오드의 개수가 해상력(resolution)을 결정하기 때문에 고(高)화소화로의 진전 및 소형화에 따른 픽셀(pixel)의 미세화가 이루어지고 있다.

따라서 이렇게 소형화 및 고화소화로의 진전에 따라 외부 화상의 입력을 이미지 플랜(image plane)에 집속함에 있어서 마이크로렌즈를 통해 집속을 하게 된다.

칼라 필터(color filter)는 색분리를 위해서 원색형 또는 보색형으로 칼라 필터층을 형성하게 되는데 원색형의 경우 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 칼라를, 보색형의 경우 시안(Cyan), 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 칼라를 형성하여 색분리가 되도록 하여 색 재현을 할 수 있도록 온-칩(on-chip) 방식으로 형성을 하게 된다.

한편, 입사되는 광을 효율적으로 활용하기 위함과 아울러 최대한 활용하기 위하여 마이크로렌즈를 형성하여 집광효율을 높이게 되는데, 상기 마이크로렌즈는 포토 레지스트(photo resist)를 열 리플로우(thermal reflow) 시켜서 형성하고 있다.

그러나 마이크로렌즈의 사이즈를 최대한 크게 하여 보다 많은 광을 집속하기 위하여 리플로우하다 보면 이웃하는 마이크로렌즈간의 브릿지(bridge)가 생기기 때문에 어느 정도의 CD(Critical Dimension)을 유지하여 균일성(uniformity)을 향상하게 된다.

상기와 같은 특징을 갖는 이미지 센서 중 CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개 의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.

일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다.

그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다.

또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다.

따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.

일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개의 트랜지스터의 게이트 전극(30,40,50)이 형성된다.

즉, 상기 게이트 전극(30)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(40)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(50)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다.

여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(30,40,50) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다.

따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.

상기에서 설명한 각 게이트 전극(30,40,50)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 3a 내지 도 3d는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오 드(12)들이 형성된 반도체 기판(11)상에 층간 절연층(13)을 형성한다.

여기서, 상기 층간 절연층(13)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 포토 다이오드(12) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.

그리고 상기 층간 절연층(13)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(14)들을 형성한다.

이어, 상기 칼라 필터층(14)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화층(15)을 형성한다.

도 3b에 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 포함한 전면에 레이저 등의 빛을 조사하여 상기 레티클(17)의 개구부에 대응하는 상기 레지스트층(16a)을 선택적으로 노광한다.

도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 노광된 레지스트층(16a)을 현상하여 마이크로렌즈 패턴(16b)을 형성한다.

도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈 패턴(16b)을 150 ~ 200℃온도에서 리플로우하여 반구형 형태의 마이크로렌즈(16)를 형성한다.

따라서 종래의 기술은 마이크로렌즈의 형성시 마이크로렌즈 사이의 스페이스 를 0.2 ~ 0.5㎛로 유지 관리하여 마이크로렌즈의 균일도를 유지하며 이 마이크로렌즈 사이의 스페이스는 들어오는 입사광의 손실이며 인접화소로의 위(僞) 입사로 인하여 칼라 색상을 흐리게 하는 불량을 유발하게 된다.

상기 마이크로렌즈는 평탄화층 상부에 소자의 픽셀 사이즈와 길이에 맞도록 두께 설정 후 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상으로 패턴을 형성한 후 열 에너지(thermal energy)를 가하여 리플로우를 시켜서 마이크로렌즈를 형성한다.

상기 마이크로렌즈용 포토레지스트는 유동성(flow ability)이 좋은 g-Line 또는 I-Line 포토레지스트를 사용하며, 통상 g, h, I-Line 복합파장영역에서 광반응를 하는 물질을 사용한다.

I-Line에 의해 패턴 형성이 I-Line으로 디파인(define) 가능한 0.2 ~ 0.5㎛ 정도로 형성을 한 후, 경화 및 열 리플로우를 실시하게 되는데, 상기 열 리플로우시 패턴 공정에서의 미세한 CD(Critical Dimension)의 차이가 리플로우시 그대로 나타나면서 국부적으로 브릿지가 생기기도 하여 마이크로렌즈 사이즈의 불균일로 균일도가 차이 나게 되며 아울러 감도 및 칼라의 선명도를 저하시키는 불량이 유발된다.

즉, 마이크로렌즈는 포토레지스트에 열을 가해서 플로우(flow)시키는 방법으로 형성되는데, 인접한 마이크로렌즈가 만나는 영역은 플로우가 힘들게 되어 결국 마이크로렌즈의 형성은 인접 렌즈와 만나면 완료된다. 이때 인접 렌즈간의 굴곡을 크게 형성하면 전체 빛의 굴절률을 감소시켜 이미지 센서의 밝기를 저하시키는 원인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 인접한 마이크로렌즈간의 굴곡을 최소화하여 전체 빛의 굴절율을 증가시켜 이미지 센서의 밝기를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수개의 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 칼라 필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층상에 포지티브 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 상기 포토다이오드와 대응되게 다수개의 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈를 형성하는 단계와, 상기 마이크로렌즈를 포함한 전면에 UV 큐어링을 실시하는 단계와, 상기 인접한 마이크로렌즈간의 굴곡을 줄이기 위해 전면에 Ar 플라즈마 처리를 실시하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 4a 내지 도 4h는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오 드(32)들 및 각종 트랜지스터(도 1을 참조)가 형성된 반도체 기판(31)상에 층간 절연층(33)을 형성한다.

여기서, 상기 층간 절연층(33)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 포토 다이오드(32) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.

도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 층간 절연층(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(R, G, B)(34)들을 형성한다.

여기서, 상기 각 칼라 필터층(34)은 1 ~ 5㎛의 두께를 갖도록 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 사용한 사진 식각 공정으로 패터닝하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)을 단일층으로 형성한다.

도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 칼라 필터층(34)을 포함한 반도체 기판(31)의 전면에 신뢰성(reliability) 및 패키지(package)시 EMC, 외부로부터의 수분이나 중금속 침투를 방지하기 위하여 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)막을 증착하여 평탄화층(35)을 형성한다.

한편, 이미지 센서는 광학적인 투과가 매우 중요하기 때문에 상기 평탄화층(35)의 두께에 의한 박막들의 간섭 현상을 배제하기 위하여 1000 ~ 6000Å의 두께로 형성한다.

여기서, 상기 평탄화층(35)을 형성한 상태에서 배선을 위한 본딩 패드 (bonding PAD)를 포토레지스트를 마스크로 이용하여 상기 평탄화층(35)을 패드 및 스크라이브 라인(scribe line) 부분을 오픈(open) 시키고, 건식 또는 습식으로 식각하여 소정의 원하는 본딩 패드(도시되지 않음)를 형성할 수도 있다.

도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)을 포함한 반도체 기판(31)의 전면에 상기 포토 다이오드(32)에 광을 효율 좋게 집속하기 위하여 마이크로렌즈용 포토레지스트(36)를 도포한다.

도 4e에 도시한 바와 같이, 노광 및 현상 공정으로 상기 포토레지스트(36)를 선택적으로 패터닝하여 마이크로렌즈 패턴(37)을 형성한다.

여기서, 상기 포토레지스트(36)가 포지티브 레지스트(positive resist)인 경우 포토레지스트(36)의 흡수체인 기폭제(initiator)의 포토 액티브 컴파운드(photo active compound)를 분해하여야만 투과율이 향상되기 때문에 전면 노광(flood exposure)으로 상기 마이크로렌즈 패턴(37)내에 잔존하는 포토 액티브 컴파운드를 분해한다.

또한, 상기 마이크로렌즈 패턴(37)간의 스페이스는 종래보다 좁아지도록 패터닝한다.

한편, 상기와 같이 마이크로렌즈 패턴(37)에 전면 노광을 통해 이후 투과율을 높이고 포토 산(photo acid)을 발생시켜 마이크로렌즈의 유동성(flow ability)을 높인다.

도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈 패턴(37)이 형성된 반도체 기판(31)을 핫 플레이트(hot plate)(도시되지 않음) 상부에 올려놓은 상태에서 150℃ 이상의 열처리로 상부에 존재하는 마이크로렌즈 패턴(37)을 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈(38)를 형성한다.

이어, 상기 열처리로 리플로우된 마이크로렌즈(38)를 쿨링(cooling) 처리한다. 여기서, 상기 쿨링 처리는 쿨 플레이트에 반도체 기판(31)을 올려놓은 상태에서 행해진다.

여기서, 상기 마이크로렌즈(38)는 이웃하는 마이크로렌즈(38)간에 가장자리 부분이 오버랩(overlap)된다.

즉, 전술한 바와 같이 마이크로렌즈 패턴(37)간의 스페이스를 좁히고 리플로우 공정을 실시하게 되면 이웃하는 마이크로렌즈의 가장자리가 오버랩되게 된다.

도 4g에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈(38)가 형성된 반도체 기판(31)의 전면에 UV 큐어링(curing)을 실시하여 상기 마이크로렌즈(38)를 하드(hard)하게 바꾼다.

이 때, 사용되는 UV는 254nm 파장이며, N₂ 분위기에서 실시하여, 마이크로렌즈를 이루는 포토레지스트 내부에서 크로스링킹과 폴리머화를 유발하여 경화시키는 바, 100℃ ∼ 170℃ 온도에서 60초 ∼ 120초 동안 실시한다.

바람직하게는, 150℃ 온도에서 90초 동안 실시한다.

도 4h에 도시한 바와 같이, 상기 UV 큐어링을 통해 하드가 바뀐 마이크로렌즈(38)간의 굴곡을 제거하기 위하여 전면에 Ar+ 플라즈마 처리를 실시하여 굴곡이 제거될 때까지 식각한다.

여기서, 상기 Ar+ 플라즈마 처리는 Ar 가스를 40 ~ 100sccm, 압력을 30 ~ 100Mt, 파워(power)를 50 ~ 300W의 조건에서 실시한다.

이때 상기 마이크로렌즈(38)는 UV 큐어링을 통해 하드하게 바뀌었기 때문에 전체가 균일하게 제거되며 파티클(particle)의 형성없이 균일하게 제거된다.

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 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

즉, 인접한 마이크로렌즈 간의 굴곡을 최소한을 줄임으로써 굴절률을 증가시켜 마이크로렌즈의 효율을 극대화하여 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 다수개의 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계;

   상기 층간 절연막상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 칼라 필터층을 형성하는 단계;

   상기 칼라 필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계;

   상기 평탄화층상에 포지티브 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 상기 포토다이오드와 대응되게 다수개의 마이크로렌즈 패턴을 형성하는 단계;

   상기 마이크로렌즈 패턴을 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈를 형성하는 단계;

   상기 마이크로렌즈를 포함한 전면에 UV 큐어링을 실시하는 단계;

   상기 인접한 마이크로렌즈간의 굴곡을 줄이기 위해 전면에 Ar 플라즈마 처리를 실시하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 UV 큐어링은 254nm 파장의 UV를 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 UV 큐어링은 N₂ 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 UV 큐어링은 100℃ 내지 170℃ 온도에서 60초 내지 120초 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 평탄화층은 실리콘 나이트라이드를 1000 ~ 6000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 Ar 플라즈마 처리는 Ar 가스를 40 ~ 100sccm, 압력을 30 ~ 100mTorr, 파워를 50 ~ 300W의 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.

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