KR100731135B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다수개의 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층을 형성하는 공정; 상기 층간 절연층 상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 컬러 필터층을 형성하는 공정; 상기 컬러 필터층 상에 평탄화층을 형성하는 공정; 상기 평탄화층 상에서 상기 컬러 필터층 간의 경계 부위에 차광층을 형성하는 공정; 및 상기 차광층 사이의 영역에서, 상기 각 포토다이오드와 대응되게 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법, 및 그에 의해 제조된 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로서,
본 발명에 따르면 마이크로 렌즈 사이에 차광층을 형성함으로써 마이크로 렌즈 사이로 포커싱 되지 않는 빛이 통과하지 못하도록 하여 씨모스 이미지 센서의 특성이 저하되지 않는다.
CMOS, 차광층
Description
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조공정을 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 차광층을 형성하는 공정을 나타낸 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 반도체 기판 120 : 포토 다이오드
130 : 층간 절연층 140 : 컬러 필터층
150 : 평탄화층 160 : 차광층
170 : 마이크로렌즈 패턴
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 수광 능력을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서에 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.
이와 같이 광 감도를 높이기 위해서는 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.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 씨모스 이미지 센서는, 반도체 기판(11), 포토 다이오드(12), 층간 절연층(13), 컬러 필터층(14), 평탄화층(15), 및 마이크로 렌즈(16)를 포함하여 이루어진다.
상기 포토 다이오드(12)는 상기 반도체 기판(11) 상에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 역할을 한다.
상기 층간 절연층(13)은 상기 포토 다이오드(12)를 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 형성되어 된다.
상기 컬러 필터층(14)은 상기 층간 절연층(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R, G, B로 이루어진다.
상기 평탄화층(15)은 상기 컬러 필터층(14)상에 형성되어 기판 전면을 평탄화시키는 역할을 한다.
상기 마이크로 렌즈(16)는 상기 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(12)로 빛을 집광하는 역할을 한다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(16)는 포토 레지스트(photo resist)를 열 리플로우(thermal reflow) 시켜서 형성하게 된다. 이때, 상기 마이크로 렌즈(16) 사이에는 마이크로 렌즈(16)간의 접촉을 방지하기 위해서 소정의 틈(도 1의 d 참조)이 형성되어 있다.
즉, 마이크로 렌즈(16)가 서로 접촉하게 되면 인접 컬러 필터의 색 정보가 혼합되어 들어와 색 재현성 및 콘트라스트(contrast)가 나빠지게 되므로 마이크로 렌즈(16) 사이에는 대략 0.2 ~ 0.5㎛로 틈을 형성하게 된다.
그러나, 이와 같이 마이크로 렌즈(16) 사이에 틈이 형성되기 때문에 상기 틈으로 포커싱 되지 않은 빛이 통과하고 그 빛이 하부의 포토 다이오드(12)에 센싱됨으로써 이미지 센서의 특성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 이와 같은 마이크로 렌즈(16) 사이에 형성되는 틈은 포토 레지스트의 열 리플로우를 통해 줄일 수 있으나 과도한 열 리플로우시에는 마이크로 렌즈(16)가 서로 붙게 되어 전술한 바와 같이 색 재현성 및 콘트라스트 특성이 저하되게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
본 발명의 제1목적은 마이크로 렌즈 사이의 틈으로 포커싱 되지 않는 빛이 통과하지 못하도록 하여 이미지 센서의 특성이 저하되지 않도록 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 마이크로 렌즈 사이의 틈으로 포커싱 되지 않는 빛이 통과하지 못하도록 하여 이미지 센서의 특성이 저하되지 않도록 하는 씨모스 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기 제1목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다수개의 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층을 형성하는 공정; 상기 층간 절연층 상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 컬러 필터층을 형성하는 공정; 상기 컬러 필터층 상에 평탄화층을 형성하는 공정; 상기 평탄화층 상에서 상기 컬러 필터층 간의 경계 부위에 차광층을 형성하는 공정; 및 상기 차광층 사이의 영역에서, 상기 각 포토다이오드와 대응되게 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 마이크로 렌즈 사이에 차광층을 형성함으로써 마이크로 렌즈 사이로 포커싱 되지 않는 빛이 통과하지 못하도록 한 것이다.
여기서, 상기 차광층을 형성하는 공정은 차광물질을 도포하는 공정; 상기 차광물질 상부에 소정의 마스크 패턴을 형성하는 공정; 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 차광물질을 식각하는 공정; 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 공정으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 공정은 상기 차광층을 포함한 전면에 포토 레지스트를 도포하는 공정; 마스크를 이용하여 상기 차광층 영역의 포토 레지스트에 광을 조사하는 공정; 상기 광 조사후 포토 레지스트를 현상하는 공정; 및 상기 포토 레지스트를 열 리플로우하는 공정으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 제2목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다수개의 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 전면에 형성된 층간 절연층; 상기 층간 절연층 상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 형성된 컬러 필터층; 상기 컬러 필터층 상에 형성된 평탄화층; 상기 평탄화층 상에서 상기 컬러 필터층 간의 경계 부위에 형성된 차광층; 및 상기 차광층 사이의 영역에서, 상기 각 포토다이오드와 대응되게 형성된 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어진 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
이하 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조공정을 나타낸 단면도이고, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 차광층을 형성하는 공정을 나타낸 단면도이고, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 나타낸 단면도이다.
우선, 도 2a와 같이, 다수개의 포토 다이오드(120)가 형성된 반도체 기판(110)의 전면에 층간 절연층(130)을 형성한다.
상기 층간 절연층(130)은 다층으로 형성할 수도 있다.
다음, 도 2b와 같이, 상기 층간 절연층(130) 상에 상기 각 포토 다이오드(120)와 대응되게 컬러 필터층(140)을 형성한다.
상기 컬러 필터층(140)은 가염성 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 통해 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 컬러 필터층으로 형성한다.
다음, 도 2c와 같이, 상기 컬러 필터층(140) 상에 평탄화층(150)을 형성한다.
상기 평탄화층(150)은 컬러 필터층(140)을 포함한 반도체 기판(110)의 전면에 형성되어 신뢰성(reliability) 및 패키지(package)시 EMC, 외부로부터의 수분이 나 중금속 침투를 방지하는 역할도 수행하며, 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)막으로 형성될 수 있다.
한편, 이미지 센서는 광학적인 투과가 매우 중요하기 때문에 상기 평탄화층(150)의 두께에 의한 박막들의 간섭 현상을 배제하기 위하여 상기 평탄화층(150)은 1000 ~ 6000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
다음, 도 2d와 같이, 상기 평탄화층(150) 상에서 상기 컬러 필터층(140) 간의 경계 부위에 차광층(160)을 형성한다.
상기 차광층(160)을 형성하는 구체적인 공정에 대해서는 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한다.
도 3a와 같이, 상기 평탄화층(150) 상에 차광물질(160)을 도포한다.
상기 차광물질(160)은 SiN을 CVD방법으로 증착하여 3000Å이하의 두께로 도포하는 것이 바람직하다.
도 3b와 같이, 상기 차광물질(160) 상부에 소정의 마스크 패턴(165)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(165)은 크롬 처리된 물질을 포토 및 식각 공정으로 패터닝하여 형성하는 것이 바람직하다.
도 3c와 같이, 상기 마스크 패턴(165)을 이용하여 상기 차광물질(160)을 식각한다.
상기 차광물질(160)을 식각하는 공정은 화학적 건식 식각법(Chemical Dry Etch: CDE)을 이용하여 수행한다. 화학적 건식 식각법을 이용할 경우 상기 차광물질(160)이 언더컷되어, 상기 마스크 패턴(165)의 폭보다 좁은 폭을 갖는 차광물질 패턴(160)이 형성된다.
상기 화학적 건식 식각법은 O2, CF4, N2 가스를 이용하여 수행하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 300 ~ 350 sccm의 O2, 390 ~ 420 sccm의 CF4, 80 ~ 100 sccm의 N2 가스를, 55 ~ 65초간, 600 ~ 800W의 파워로, 60 ~ 80Pa의 압력 및 20 ~ 30C(보다 바람직하게는 25C)의 온도하에서 수행하는 것이 바람직하다.
도 3d와 같이, 상기 마스크 패턴(165)을 제거하여 차광층(160)을 완성한다.
다음, 도 2e와 같이, 상기 차광층(160) 사이의 영역에서, 상기 각 포토다이오드(120)와 대응되게 마이크로 렌즈(170)를 형성한다.
상기 마이크로 렌즈(170)를 형성하는 구체적인 공정에 대해서는 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명한다.
도 4a와 같이, 상기 차광층(160)을 포함한 전면에 포토 레지스트(170)를 도포한다. 상기 포토 레지스트(170)는 5000Å정도의 두께로 도포하는 것이 바람직하다.
도 4b와 같이, 마스크(180)를 이용하여 상기 차광층(160) 영역의 포토 레지스트(170)에 광을 조사한다.
도 4c와 같이, 상기 광 조사후 포토 레지스트(170)를 현상한다.
현상공정에 의해 상기 포토 레지스트(170)가 소정 간격으로 이격되게 된다.
도 4d와 같이, 상기 포토 레지스트(170)를 열 리플로우 하여 마이크로 렌즈(170)를 완성한다.
상기 열 리플로우 공정은 핫 플레이트(hot plate)에서 150℃ 이상의 열처리공정으로 이루어지며, 열 리플로우 공정에 의해 반구형의 마이크로렌즈(170)가 완성된다.
상기 열 리플로우 공정을 수행하면 상기 마이크로 렌즈(170)의 두께가 3500Å정도로 수축되어 3000Å정도의 차광층(160)과 균형을 이루게 되며, 마이크로 렌즈(170)가 차광층(160)과 접하게 된다.
상기 리플로우 공정 이후에는 마이크로 렌즈(170)를 쿨링(cooling) 처리하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조에 대해서 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(110), 포토 다이오드(120), 층간 절연층(130), 컬러 필터층(140), 평탄화층(150), 차광층(160), 및 마이크로 렌즈(170)를 포함하여 이루어진다.
상기 포토 다이오드(120)는 상기 반도체 기판(110)에 다수개가 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 역할을 한다. 도면에는 3개만을 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 층간 절연층(130)은 상기 반도체 기판(110)의 전면에 형성되어 배선 층 등을 절연시키는 역할을 한다.
상기 컬러 필터층(140)은 상기 층간 절연층(130) 상에서 상기 포토 다이오드(120)와 대응되는 R, G, B의 컬러 필터로 형성된다.
상기 평탄화층(150)은 상기 컬러 필터층(140) 상에 형성되며, 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)막으로 형성될 수 있다.
상기 차광층(160)은 상기 평탄화층(150) 상에서 상기 컬러 필터층(140) 간의 경계 부위에 형성된다. 상기 차광층(160)은 SiN으로 형성될 수 있으며, 화학적 건식 식각법으로 형성될 경우 언더컷 구조로 이루어질 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(170)는 상기 차광층(160) 사이의 영역에서, 상기 각 포토다이오드(120)와 대응되게 형성된다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 마이크로 렌즈 사이에 차광층을 형성함으로써 마이크로 렌즈 사이로 포커싱 되지 않는 빛이 통과하지 못하도록 하여 씨모스 이미지 센서의 특성이 저하되지 않는다.
Claims (10)
- 다수개의 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층을 형성하는 공정;상기 층간 절연층 상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 컬러 필터층을 형성하는 공정;상기 컬러 필터층 상에 평탄화층을 형성하는 공정;상기 컬러 필터층 간의 경계 부위에 대응되도록 상기 평탄화층 상에 차광층을 언더컷 구조로 형성하는 단계;상기 차광층 사이의 영역에서, 상기 각 포토다이오드와 대응되게 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 차광층을 형성하는 공정은차광물질을 도포하는 공정;상기 차광물질 상부에 소정의 마스크 패턴을 형성하는 공정;상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 차광물질을 식각하는 공정; 및상기 마스크 패턴을 제거하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 차광물질을 식각하는 공정은 화학적 건식 식각법을 이용하여 수행함으로써 상기 차광물질을 언더컷 구조로 식각하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제3항에 있어서,상기 화학적 건식 식각법을 이용하는 공정은 O2, CF4, N2 가스를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제3항에 있어서,상기 화학적 건식 식각법을 이용하는 공정은 300 ~ 350 sccm의 O2, 390 ~ 420 sccm의 CF4, 80 ~ 100 sccm의 N2 가스를, 55 ~ 65초간, 600 ~ 800W의 파워로, 60 ~ 80Pa의 압력 및 20 ~ 30C의 온도하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 차광층은 SiN으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로 렌즈를 형성하는 공정은상기 차광층을 포함한 전면에 포토 레지스트를 도포하는 공정;마스크를 이용하여 상기 차광층 영역의 포토 레지스트에 광을 조사하는 공정;상기 광 조사후 포토 레지스트를 현상하는 공정; 및상기 포토 레지스트를 열 리플로우하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 다수개의 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판;상기 반도체 기판의 전면에 형성된 층간 절연층;상기 층간 절연층 상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 형성된 컬러 필터층;상기 컬러 필터층 상에 형성된 평탄화층;상기 컬러 필터층 간의 경계 부위에 대응되도록 상기 평탄화층 상에 언더컷 구조로 형성된 차광층;상기 차광층 사이의 영역에서, 상기 각 포토다이오드와 대응되게 형성된 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어진 씨모스 이미지 센서.
- 제8항에 있어서,상기 차광층은 SiN으로 형성된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,상기 차광층은 언더컷 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2016186222A1 (ko) * | 2015-05-15 | 2016-11-24 | 재단법인 다차원 스마트 아이티 융합시스템 연구단 | 이미지의 심도를 향상시키는 이미지 센서 및 그 동작 방법 |
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2005
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