KR100741911B1 - 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로렌즈들 사이의 갭을 통해 입사되는 스트레이 빔으로 인한 노이즈의 발생 및 이미지 신호의 질 저하를 미연에 방지할 수 있는 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 시모스 이미지 센서는, 반도체 기판에 형성되는 복수개의 포토다이오드; 상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 상에 형성되는 하부 소자층; 상기 포토다이오드에 대응하는 부분의 상기 하부 소자층 상에 형성되는 복수개의 마이크로렌즈; 및 상기 복수개의 마이크로렌즈들 사이 상기 하부 소자층 상에 볼록렌즈 모양으로 형성된 복수개의 차단막을 포함한다.
시모스 이미지 센서, 스트레이 빔(stray beam), 차단막 패턴
Description
도 1은 종래 기술에 따른 시모스 이미지 센서에 있어 빛의 경로를 나타내는 단면도
도 2a 내지 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 시모스 이미지 센서의 공정 단면도
도 3a 내지 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시모스 이미지 센서의 공정 단면도
도 4는 본 발명에 의한 시모스 이미지 센서에 있어 빛의 경로를 나타내는 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
200 : 반도체 기판 201 : 포토다이오드
202 : 하부 소자층 203 : 마이크로렌즈
204 : 포토레지스트 물질층 240a : 차단막 패턴
205 : 마스크
본 발명은 시모스 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로서, 특히 마이크로렌즈들 사이의 갭을 통해 입사되는 스트레이 빔으로 인한 노이즈의 발생 및 이미지 신호의 질 저하를 미연에 방지할 수 있는 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 시모스(시모스; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다. 또 한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 시모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 상기 시모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다. 즉, 상기 시모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 시모스 이미지 센서는 시모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한, 상기 시모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 시모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 상기 시모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
한편, CMOS 이미지 센서는 포토다이오드에 전달되는 빛의 양을 최대로 하기 위하여 볼록 렌즈 모양의 마이크로렌즈를 사용한다.
즉, 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 반도체 기판(100) 내에 포토다이오드(101)를 형성하고, 상기 포토다이오드(101)를 포함한 상기 반도체 기판(100) 상에 게이트 전극, 금속 배선 및 칼라 필터 어레이 등이 적층되는 하부 소자층(102)을 형성한다. 이어서, 상기 포토다이오드(101)에 대응하는 부분의 상기 하부 소자층(102) 상에 볼록렌즈 모양의 마이크로렌즈(103)를 형성한다.
볼록렌즈 모양의 마이크로렌즈(103)를 형성하기 위해서, 포토레지스트 물질층(미도시)을 상기 하부 소자층(102) 상에 도포하고, 포토리소그래피 공정을 통해 상기 포토다이오드(101)에 대응하는 부분만이 남도록 상기 포토레지스트 물질층을 패터닝한다. 이 때 노광 공정에서 초점을 흐리게 하는 디포커스(defocus) 현상을 이용에서 포토레지스트 패턴이 사다리꼴 모양의 단면을 갖도록 한다.
이어서, 상기 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 포토레지스트 패턴을 녹는점까지 가열함으로써 상기 패턴이 유동성을 가지고 흘러내리면서 반원 모양의 단면을 갖도록 하는 리플로우(reflow) 공정을 수행한다.
하지만, 이러한 리플로우 공정을 통해 형성된 마이크로렌즈들(103) 사이에는 갭이 발생하게 된다. 이러한 마이크로렌즈(103) 사이의 갭을 통해 입사되는 빛은 포토다이오드(101)에 정확하게 전달되지 못하거나, 전달되더라도 그 초점이 맞지 않아, 결과적으로 시모스 이미지 센서의 질 저하를 초래하게 된다.
즉, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 물체에서 나온 빛이 마이크로렌즈(103)를 통과하는 경우에는 포토다이오드(101)에 정확히 포커스되어 정확히 전달되지만, 마이크로렌즈 사이의 갭을 통과하는 경우에는 스트레이 빔(stray beam: SB) 이 되어 포토다이오드(101)에 전달되지 못하거나 이웃하는 포토다이오드(101)에 전달되어 이미지 신호에 노이즈를 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 복수 개의 마이크로렌즈 사이의 갭에 차단막 패턴을 형성하여 노이즈를 발생시키는 스트레이 빔을 흡수하도록 함으로써 스트레이 빔으로 인한 이미지 신호의 질 저하를 미연에 방지할 수 있는 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스(CMOS) 이미지 센서는, 반도체 기판에 형성되는 복수개의 포토다이오드; 상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 상에 형성되는 하부 소자층; 상기 포토다이오드에 대응하는 부분의 상기 하부 소자층 상에 형성되는 복수개의 마이크로렌즈; 및 상기 복수개의 마이크로렌즈들 사이 상기 하부 소자층 상에 볼록렌즈 모양으로 형성된 복수개의 차단막을 포함한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면으로서 본 발명의 시모스 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판에 복수개의 포토다이오드를 형성시키는 단계; 상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 상에 하부 소자층을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드에 대응하는 부분의 상기 하부 소자층 상에 복수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 복수개의 마이크로렌즈들 사이 상기 하부 소자층상에 볼록렌즈 모양으로 형성된 복수개의 차단막 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 차단막 패턴은 포토레지스트 물질로 이루어지되, 외부로부터의 빛을 모 두 흡수할 수 있을 정도의 흡수도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 차단막 패턴의 형성은, 상기 복수개의 마이크로렌즈를 포함하는 하부 소자층 상에 포토레지스트 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 복수개의 마이크로렌즈 사이의 갭 부분에만 포토레지스트 패턴이 남도록 상기 포토레지스트 물질층 전체에 대하여 노광 고정을 수행하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
선택적으로, 상기 차단막 패턴의 형성은, 상기 복수개의 마이크로렌즈를 포함하는 하부 소자층 상에 포토레지스트 물질층을 형성하는 단계; 상기 복수개의 마이크로렌즈에 대응하는 부분이 오픈된 마스크를 이용하여 노광 공정을 수행하는 단계; 및 상기 마스크를 제거하고 상기 노광된 포토레지스트 물질층에 대하여 현상 공정을 진행하는 단계를 포함할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(200) 내에 포토다이오드(201)를 형성하고, 상기 포토다이오드(201)를 포함한 상기 반도체 기판(200) 상에 게이트 전극, 금속 배선 및 칼라 필터 어레이 등이 적층되는 하부 소자층(202)을 형성한다. 이어서, 상기 포토다이오드(201)에 대응하는 부분의 상기 하부 소자층(202) 상에 볼록렌즈 모양의 마이크로렌즈(203)를 형성한다.
볼록렌즈 모양의 마이크로렌즈(203)를 형성하기 위해서, 포토레지스트 물질 층(미도시)을 상기 하부 소자층(202) 상에 도포하고, 포토리소그래피 공정을 통해 상기 포토다이오드(201)에 대응하는 부분만이 남도록 상기 포토레지스트 물질층을 패터닝한다. 이 때 노광 공정에서 초점을 흐리게 하는 디포커스(defocus) 현상을 이용에서 포토레지스트 패턴이 사다리꼴 모양의 단면을 갖도록 한다. 이어서, 상기 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 포토레지스트 패턴을 녹는점까지 가열함으로써 상기 패턴이 유동성을 가지고 흘러내리면서 반원 모양의 단면을 갖도록 하는 리플로우(reflow) 공정을 수행한다.
그리고, 상기 볼록렌즈 모양으로 형성된 마이크로렌즈(203)를 포함하는 하부 소자층(202) 상에 포토레지스트 물질층(204)을 도포한다. 이 때, 마이크로렌즈(203)의 상부에 도포된 포토레지스트 물질층(204)은 마이크로렌즈(203) 사이의 갭 상에 도포된 포토레지스트 물질층(204)에 비해 그 두께가 얇다. 한편, 상기 포토레지스트 물질층(204)은 외부로부터의 빛을 흡수할 수 있다.
도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 스테퍼(stepper) 또는 별도의 노광 장치를 이용하여 상기 포토레지스트 물질층(204)이 도포되어 있는 웨이퍼 전면에 대해 노광 공정을 수행한다. 이 때, 마이크로렌즈(203) 상부에 도포된 포토레지스트 물질층(204)은 그 두께가 상대적으로 얇기 때문에 충분히 노광되는데 반하여 상기 갭 상에 도포된 포토레지트 물질층은 그 두께가 상대적으로 두꺼워 그 하부까지 노광이 충분히 이루어지지 않는다.
따라서, 상기 노광 공정이 완료되고 현상을 하면 상기 마이크로렌즈(203) 상의 포토레지스트 물질층(204)은 제거되는데 반하여, 마이크로렌즈(203) 사이의 깊은 곳은 포토레지스트가 잔존한게 된다. 즉, 마이크로렌즈(203) 사이의 갭의 하부 소자층 상에 볼록렌즈 모양으로 차단막 패턴(204a)이 형성된다. 이때, 차단막 패턴(204a)은 포토레지스트 물질이 이용된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이, 마이크로렌즈(203)를 포함하는 하부 소자층(202) 상에 포토레지스트 물질층(204)을 도포한 후, 마이크로레즈(203)에 대응하는 부분이 오픈된 마스크(205)를 이용하여 포토리소그래피 공정을 실시할 수도 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로렌즈(203) 사이의 갭에 포토레지스트로 이루어진 차단막 패턴(204a)이 형성되는 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 시모스 이미지 센서에 있어 빛의 경로를 나타내는 단면도이다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 마이크로렌즈(203) 사이의 갭을 통해 입사되는 스트레이 빔(stray beam)이 상기 차단막 패턴(204a)에서 모두 흡수되기 때문에, 결과적으로 마이크로렌즈를 투과한 빛만이 포토다이오드에 입사하게 된다. 따라서, 스트레이 빔으로 인한 노이즈의 발생 및 이미지 신호의 질 저하를 방지할 수 있게 되는 것이다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 살펴보았으나, 본 발명의 기술적 범주를 벗어나지 않는 당업자에게 자명한 변형 내지 변화가 다양하게 존재할 것이기 때문에, 그러한 변형 내지 변화가 본 발명의 청구항 또는 그 균등물의 범위에 속한다면 본 발명의 기술적 범위에 해당하는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 마이크로렌즈 사이의 갭에 차단막 패턴을 형성하여 스트레이 빔을 모두 흡수하게 함으로써 마이크로렌즈를 투과한 빛만이 포토다이오드에 입사되도록 하고, 결과적으로, 스트레이 빔으로 인한 노이즈의 발생 및 이미지 신호의 질 저하를 방지할 수 있다.
Claims (8)
- 반도체 기판에 형성되는 복수개의 포토다이오드;상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 상에 형성되는 하부 소자층;상기 포토다이오드에 대응하는 부분의 상기 하부 소자층 상에 형성되는 복수개의 마이크로렌즈; 및상기 복수개의 마이크로렌즈들 사이 상기 하부 소자층 상에 볼록렌즈 모양으로 형성된 복수개의 차단막 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 차단막 패턴은 포토레지스트 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
- 삭제
- 반도체 기판에 복수개의 포토다이오드를 형성시키는 단계;상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 상에 하부 소자층을 형성하는 단계;상기 포토다이오드에 대응하는 부분의 상기 하부 소자층 상에 복수개의 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및상기 복수개의 마이크로렌즈들 사이 상기 하부 소자층 상에 볼록렌즈 모양으로 형성된 복수개의 차단막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 차단막 패턴은 포토레지스트 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 5 항에 있어서, 상기 차단막 패턴의 형성은,상기 복수개의 마이크로렌즈를 포함하는 하부 소자층 상에 포토레지스트 물질층을 형성하는 단계; 및상기 복수개의 마이크로렌즈 사이의 갭 부분에만 포토레지스트 패턴이 남도록 상기 포토레지스트 물질층 전체에 대하여 노광 고정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 차단막 패턴의 형성은,상기 복수개의 마이크로렌즈를 포함하는 하부 소자층 상에 포토레지스트 물질층을 형성하는 단계;상기 복수개의 마이크로렌즈에 대응하는 부분이 오픈된 마스크를 이용하여 노광 공정을 수행하는 단계; 및상기 마스크를 제거하고 상기 노광된 포토레지스트 물질층에 대하여 현상 공정을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
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2005
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