KR100760922B1 - 실리콘 산화막을 이용한 씨모스 이미지 센서의마이크로렌즈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 및 그 제조방법이 개시된다. 본 방법은, 포토다이오드 및 MOS 트랜지스터가 미리 형성된 반도체 기판 위에 복수의 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터 어레이 위에 각각의 컬러 필터들 사이의 단차를 보상하는 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막 위에 상기 각각의 컬러 필터에 대응하고 상호 이격된 복수의 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, C5F8, CH2F2, Ar 및 O2를 포함하는 공정가스를 이용하여 상기 복수의 포토레지스트 패턴 각각을 둘러싸도록 CxFy 계열의 폴리머를 형성하는 단계와, 상기 폴리머, 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 실리콘 산화막에 대한 식각 선택비가 동일한 식각 레시피를 이용하여 상기 폴리머, 상기 복수의 포토레지스트 패턴 및 상기 실리콘 산화막을 순차적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지 센서, 마이크로렌즈
Description
도 1a 내지 도 1c는 종래의 마이크로렌즈 제조방법을 설명하기 위한 씨모스 이미지 센서의 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 마이크로렌즈 제조방법을 설명하기 위한 씨모스 이미지 센서의 단면도들이다.
본 발명은 씨모스(CMOS) 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(Image Sensor)란 외부로부터의 영상신호를 포토다이오드 혹은 포토트랜지스터를 통해 받아들인 후, ADC(Analog Digital Convertor)를 이용하여 전기적인 디지털 영상신호로 변화시키는 소자를 말한다. 이미지 센서는 제조 공정에 따라 크게 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 소자와 CCD(Charge Coupled Device)로 나뉜다.
CMOS 소자는 개발초기에 공정기술의 부족으로 인해 그 품질, 회로구성의 단순성, 소자의 집적도, 제조 비용 등 여러 측면에서 CCD에 비해 열등하였으나, 공정기술의 비약적인 발전으로 인해 현재 저전력 및 소형의 카메라 제조에 널리 이용되고 있다.
CMOS 소자는 대기중에 노출된 마이크로렌즈를 통해 빛을 집광하며, 집광된 빛이 포토다이오드에 도달하면 전기적 신호로 바뀌게 되고, 이렇게 변환된 전기적 신호를 복수의 트랜지스터들에 의해 소정의 영상으로 디스플레이하게 된다. 일반적으로, CMOS 소자는, 반도체 기판 위에 형성된 포토다이오드 및 복수의 트랜지스터와, 각각의 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 적어도 일층 이상의 금속 배선층들과, 각각의 회로 소자들 및 금속 배선층들을 전기적으로 절연하는 복수의 층간 절연막을 포함한다. 또한, 최상층의 층간 절연막 위에는 예컨대 삼원색(즉, 적색, 청색 및 녹색) 중 특정 색에 해당하는 파장의 빛을 필터링하는 복수의 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이가 형성되며, 컬러 필터 어레이 위에는 각각의 필터들에 대응하는 복수의 마이크로렌즈가 형성된다. 여기서, 복수의 마이크로렌즈 및 컬러 필터 어레이 사이에는 각각의 컬러 필터들 사이의 단차를 해소하기 위하여 평탄화층이 개재될 수 있다.
한편, 마이크로렌즈는 컬러 필터 어레이의 효과를 극대화하기 위하여 형성되며, 빛의 투과도가 높은 감광성 포토레지스트를 이용하여 소정의 패턴을 형성하고, 이들 포토레지스트 패턴들을 열공정을 통해 렌즈 형상으로 형성한다. 도 1a 내지 도 1c에는 마이크로렌즈를 형성하기 위한 종래의 방법을 개략적으로 도시하였다.
도 1a를 참조하면, 포토다이오드 및 복수의 트랜지스터가 형성된 반도체 기판(미도시), 이 기판 위에 각각의 회로 소자들을 전기적으로 연결시키는 복수의 금속 배선층(미도시), 및 복수의 층간 절연막(미도시)이 형성되고, 최상층의 층간 절연막 위에 예컨대, 적색 필터(10a), 녹색 필터(10b) 및 청색 필터(10c)를 포함하는 컬러 필터 어레이(10)가 형성된다. 컬러 필터 어레이(10) 위에는 각각의 필터들 사이의 단차를 보상하기 위한 평탄화층(20)이 형성되고, 이 평탄화층(20) 위에 마이크로렌즈를 형성하기 위한 감광성 포토레지스트막(30)이 도포된다.
그 후, 포토레지스트막(30)은 소정의 마스크(50)를 통해 노광된다. 이때, 렌즈를 반구 형상으로 형성하기 위하여, 노광시 초점을 디포커스(defocus)하여 노광된 부분(30b)이 일측으로 경사지도록 한다. 이후, 노광되지 않은 포토레지스트의 일부(30a)를 현상을 통해 제거하면, 도 1b에서와 같이, 단면이 사다리꼴인 포토레지스트 패턴(30b)이 형성된다. 다음으로, 포토레지스트 패턴(30b)은 리플로우 및 경화 공정을 거쳐, 도 1c에서 보듯이, 대략 반구 형상의 마이크로렌즈(40)로 형성된다.
일반적으로, 씨모스 이미지 센서에서는, 마이크로렌즈의 초점 거리, 컬러필터의 크기 및 분포도, 층간절연막의 두께, 포토다이오드의 피치 사이즈 등의 인자들이 서로 연동하여 영향을 미치게 된다. 이들 인자들 중에서, 특히 마이크로렌즈의 초점 거리는 그 변동이 심하여 표준화하기 어려운데, 그 이유는 종래의 마이크로렌즈 형성 공정이 재현성 측면에서 매우 취약하기 때문이다. 상술한 종래의 마이크로렌즈 형성 방법에서는, 포토레지스트의 리플로우 공정을 수반하며, 이 리플 로우 공정은 표준화가 어렵다. 또한, 포토레지스트의 오버 플로우에 의한 브릿지 발생을 방지하기 위하여, 도 1b의 포토레지스트 패턴(30b)은 상당한 마진을 두고 형성되며, 따라서 최종적으로 형성되는 마이크로렌즈들(40)은 소정의 간격으로 상호 이격되며, 그로 인해 혼선 현상(Cross-talk)이 야기되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 공정 재현성이 보다 우수한 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 경도가 우수하고 렌즈간 간격이 거의 없어서 혼선 현상이 효과적으로 방지될 수 있는 씨모스 이미지 센서용 마이크로렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 제조방법은, 포토다이오드 및 MOS 트랜지스터가 미리 형성된 반도체 기판 위에 복수의 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터 어레이 위에 각각의 컬러 필터들 사이의 단차를 보상하는 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 산화막 위에 상기 각각의 컬러 필터에 대응하고 상호 이격된 복수의 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, C5F8, CH2F2, Ar 및 O2를 포함하는 공정가스를 이용하여 상기 복수의 포토레지스트 패턴 각각을 둘러싸도록 CxFy 계열의 폴리머를 형성하는 단계와, 상기 폴리머, 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 실리콘 산화막에 대한 식각 선택비가 동일한 식각 레시피를 이용하여 상기 폴리머, 상기 복수의 포토레지스트 패턴 및 상기 실리콘 산화막을 순차적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는, 포토다이오드, 복수의 MOS 트랜지스터, 적어도 일층의 금속배선 및 복수의 층간 절연막, 복수의 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이 및 복수의 마이크로렌즈를 포함하며, 특히 상기 복수의 마이크로렌즈는 가시광선에 투명한 실리콘 산화막으로 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서용 마이크로렌즈 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 컬러 필터 어레이(100) 및 평탄화층(200)이 미리 형성된 반도체 기판(미도시)의 전면에 실리콘 산화막(SiO2)(400)을 소정의 두께로 형성한다.
여기서, 컬러 필터 어레이(100) 및 평탄화층(200)은 종래의 방법과 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 포토다이오드 및 복수의 MOS 트랜지스터가 미리 형성된 반도체 기판(미도시) 위에 각각의 회로 소자들을 전기적으로 연결시키는 복수의 금속 배선층(미도시)이 형성되며, 아울러 각각의 회로 소자들 및 복수의 금속 배선층들을 전기적으로 절연하는 복수의 층간 절연막(미도시)이 형성된다. 그리고, 최상층의 층간 절연막 위에 예컨대, 적색 필터(100a), 녹색 필터(100b) 및 청색 필 터(100c)를 포함하는 컬러 필터 어레이(100)가 형성된다. 컬러 필터 어레이(100) 위에는 각각의 필터들 사이의 단차를 보상하기 위한 평탄화층(200)이 형성된다.
평탄화층(200) 위에는 후속하는 공정에서 마이크로렌즈로 형성될 실리콘 산화막(400)이 형성되는데, 여기서 실리콘 산화막(400)은 가시광선에 투명한 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 산화막(400)은 저온 CVD(Chemcial Vapor Deposition) 방식에 의해 증착될 수 있으며, 최종적으로 형성될 마이크로렌즈의 두께에 대응하는 두께로 증착되는 것이 바람직하다.
다음으로, 실리콘 산화막(400) 위에는 각각의 컬러 필터에 대응하는 복수의 포토레지스트 패턴(300)을 형성한다. 도 2a에서는, 포토레지스트 패턴(300)이 직사각형의 단면으로 패터닝된 상태를 도시하였으나, 노광시 디포커스하여 단면이 사다리꼴이 되도록 형성할 수 있다. 여기서, 디포커스 노광은 종래의 방법과 유사하게 진행될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
그 후, 도 2b에서 보듯이, 포토레지스트 패턴(300) 위에 CxFy 계열의 폴리머(320)를 형성한다. 여기서, 폴리머(320)는 복수의 포토레지스트 패턴들(300) 각각을 둘러싸되, 그 외면이 대략 반구 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 보다 자세하게는, 폴리머(320)는 C5F8, CH2F2, Ar 및 O2를 포함하는 공정가스를 건식 식각 쳄버 내에 주입하여 형성될 수 있다. 이들 공정가스를 건식 식각 쳄버 내에 주입하여 식각 공정을 진행하면, 포토레지스트 패턴(300) 또는 실리콘 산화막(400)에 대한 식각은 거의 일어나지 않으며, 대신 반응 부산물로서 CxFy 계열의 폴리머들이 다량으로 발생한다. 이렇게 발생한 폴리머들을 쳄버 내로 배출하지 않고 기판 위에 잔류시키면, 포토레지스트 패턴(300) 주위로 폴리머들이 들러붙게 된다. 이때, 폴리머(320)들의 잔류 시간 등 공정 조건을 적절하게 제어하면, 포토레지스트 패턴(300)에 대략 반구형상으로 도포된다. 특히, 디포커스 노광을 이용하여 단면이 사다리꼴이 되도록 포토레지스트 패턴(300)을 형성하면, 폴리머(320)가 반구 형상으로 도포하는데 보다 유리하다.
특히, CxFy 계열의 폴리머(320)는, 15 ~ 25sccm의 C5F8, 3 ~ 7sccm의 CH2F2, 100 ~ 140sccm의 Ar 및 4 ~ 8sccm의 O2를 이용하여 형성될 수 있으며, 이들 공정가스의 분압비에 대하여는, O2를 1로 할 때, C5F8은 2.5 ~ 4.2로 하고, CH2F2,는 0.5 ~ 1.2로 하고, Ar은 16 ~ 24로 하면, 폴리머(320)의 생성이 보다 안정적으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 2c에서 보듯이, 기판 전면에 대하여 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etch) 공정을 수행한다. 이때, 사용하는 식각 레시피는 포토레지스트 패턴(300), CxFy 계열의 폴리머(320) 및 실리콘 산화막(400)에 대하여 실질적으로 동일한 식각 선택비(즉, 1:1:1)를 갖도록 한다. 그리하여, 반구 형상으로 도포된 폴리머(320)의 프로파일이 폴리머(320), 포토레지스트 패턴(300) 및 실리콘 산화막(400)이 순차적으로 식각되는 동안에 그대로 유지될 수 있다. 그 결과, 포토레지스트 패턴(300) 및 폴리머(320)가 제거된 후에, 실리콘 산화막(400)은 반구 형상의 마이크로렌즈(400a)로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 마이크로렌즈의 재현성이 보다 향상될 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 제조방법에 의하면, 마이크로렌즈간 간격이 거의 없게 된다. 종래에는 포토레지스트의 리플로우 공정을 이용하기 때문에, 포토레지스트의 오버 플로우를 감안하여 충분한 마진을 확보해야 했다. 그러나, 본 발명에 따르면, 우수한 정밀도를 가진 건식 식각 공정을 이용하므로 렌즈간 간격을 보다 정밀하게 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 씨모스 이미지 센서에서 혼선 현상이 효과적으로 방지될 수 있다.
또한, 마이크로렌즈는 대기중에 노출되기 때문에 경도가 클수록 유리하다. 종래의 방법에서는 포토레지스트 계열의 물질을 마이크로렌즈 형성에 이용했기 때문에 단위 칩으로 스크라이빙(Scribing)할 때 파티클이 발생할 개연성이 매우 높았다. 그러나, 본 발명에 따르면 마이크로렌즈로서 경도가 보다 우수한 실리콘 산화물을 이용하므로, 상술한 종래 기술의 문제가 방지될 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (6)
- 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 제조방법으로서,포토다이오드 및 MOS 트랜지스터가 미리 형성된 반도체 기판 위에 복수의 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계와,상기 컬러 필터 어레이 위에 각각의 컬러 필터들 사이의 단차를 보상하는 평탄화층을 형성하는 단계와,상기 평탄화층 위에 실리콘 산화막을 형성하는 단계와,상기 실리콘 산화막 위에 상기 각각의 컬러 필터에 대응하고 상호 이격된 복수의 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,C5F8, CH2F2, Ar 및 O2를 포함하는 공정가스를 이용하여 상기 복수의 포토레지스트 패턴 각각을 둘러싸도록 CxFy 계열의 폴리머를 형성하는 단계와,상기 폴리머, 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 실리콘 산화막에 대한 식각 선택비가 동일한 식각 레시피를 이용하여 상기 폴리머, 상기 복수의 포토레지스트 패턴 및 상기 실리콘 산화막을 순차적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조방법.
- 제1항에서,상기 실리콘 산화막은 가시광선에 대하여 투명한 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조방법.
- 제1항에서,상기 CxFy 계열의 폴리머는 상기 복수의 포토레지스트 패턴 각각을 둘러싸되, 그 외면이 대략 반구 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조방법.
- 제1항에서,상기 CxFy 계열의 폴리머는, 15 ~ 25sccm의 C5F8, 3 ~ 7sccm의 CH2F2, 100 ~ 140sccm의 Ar 및 4 ~ 8sccm의 O2를 주입한 건식 식각 쳄버 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조방법.
- 제4항에서,상기 공정가스의 분압비는, O2를 1로 할 때, C5F8은 2.5 ~ 4.2이고, CH2F2,는 0.5 ~ 1.2이고, Ar은 16 ~ 24인 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조방법.
- 삭제
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