KR100789578B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 이미지 센서는, 픽셀부와 주변부가 정의되고 픽셀부에 형성된 픽셀 어레이가 구비된 반도체 기판과, 반도체 기판 위에 형성된 PMD층과, PMD층 위에 적어도 하나의 층으로 형성되며 픽셀 어레이 상부에 위치된 영역이 소정 깊이로 식각된 IMD층과, 식각된 IMD층에 형성된 컬러필터 어레이와, 컬러필터 어레이 위에 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 포함하며, 마이크로 렌즈 어레이는 이웃하는 렌즈 간에 간격이 존재하지 않고 서로 연속적인 굴곡을 갖도록 형성된다.
또한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은, 픽셀부와 주변부가 정의된 반도체 기판을 제공하는 단계와, 픽셀부에 픽셀 어레이를 형성하는 단계와, 결과물 위에 PMD층을 형성하는 단계와, PMD층 위에 적어도 하나의 IMD층을 형성하는 단계와, 픽셀 어레이 상부에 위치된 IMD층을 소정 깊이 식각하는 단계와, 식각된 IMD층에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계와, 컬러필터 어레이 위에 포토레지스트를 도포하여 표면이 평탄한 포토레지스트층을 형성하고 경화시키는 단계와, 포토레지스트층 위에 더미 마이크로 렌즈 어레이 형성을 위한 포토레지스트를 도포하고 노광하여 더미 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계와, 더미 마이크로 렌즈 어레이 및 포토레지스트층에 대하여 식각을 수행하고 컬러필터 어레이 위에 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함한다.
Description
도 1은 종래 이미지 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법에 따른 제조 공정을 순차적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 110... 픽셀 어레이 20, 120... PMD층
30, 130... 제 1 IMD층 40, 140... 제 2 IMD층
50, 150... 제 3 IMD층 60, 160... 컬러필터 어레이
70... 마이크로 렌즈 어레이 80, 200... 보호막
170... 포토레지스트층 180... 더미 마이크로 렌즈 어레이
190... 마이크로 렌즈 어레이
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오늘날, 이미지 센서의 소형화, 다화소화로의 변화에 따라 단위 면적당 더 많은 화소를 만들고 있으며, 화소 크기가 작아짐에 따라 상부에 온칩(on-chip)으로 형성하는 컬러필터 및 마이크로 렌즈층의 크기 또한 작아진다.
단위화소 크기가 작아짐에 따라 빛을 받아 들이는 포토 다이오드 영역의 축소되고, 이에 따라 감도는 줄어들게 된다. 따라서 줄어드는 감도를 보상하기 위해서는 더 많은 빛을 받아 들여야 한다. 그러한 방안으로서, 개구부를 늘리는 방법과 상부에 집광 마이크로 렌즈를 형성하는 방법 등이 있다.
개구부는 대부분 메탈 레이어로 형성을 하게 되며, 이 메탈 레이어는 배선 및 옵티컬 실드(optical shield) 역할을 하게 된다. 단위화소로 입사하여 실드 레이어 상부로 입사하는 입사광을 집광 렌즈를 통하여 개구부로 빛을 굴절시켜 집속을 함에 있어서, 집광 렌즈를 키움에 따라 렌즈가 서로 붙거나 떨어지는 정도가 조금씩 다르게 되어 화상의 균일도가 나빠지게 되는 문제점이 있다.
또한 하부의 색 분리층의 영향을 받게 되어, 인접 색분리층의 정보가 혼합되어 들어오기도 하여 색 재현성 및 콘트라스트(contrast)가 나빠지게 된다. 또한 색분리층 형성시 안료의 혼합에 따른 포토 레졸루션(photo resolution) 저하로 정렬노광시 미세 패턴(fine pattern) 형성이 어려우며, 색분리층 간의 중첩이나 공간 형성으로 상부 평탄층이 반드시 필요하게 되어 추가공정이 수반되어야 한다.
도 1은 종래 이미지 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
종래 이미지 센서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 픽셀부와 주변부가 정의되어 있다. 상기 픽셀부 영역에는 픽셀 어레이(10)와 컬러필터 어레이(60)가 형성되어 있다. 상기 픽셀 어레이(10) 위에는 PMD(Pre Metal Dielectric)층(20)이 형성되어 있으며, 상기 PMD층(20) 위에는 제 1, 제 2, 제 3 IMD(InterMetal Dielectric)층(30)(40)(50)이 형성되어 있다.
종래 이미지 센서 제조방법에 의하면, 보호막(80)이 형성된 후 어레이 식각을 수행하고, 컬러필터 어레이(60)를 형성한다. 그리고 상기 컬러필터 어레이(60) 위에 마이크로 렌즈(70)를 형성함으로써 촛점 길이(focal length)를 줄일 수 있는 이미지 센서를 제공하고 있다.
그런데 종래 이미지 센서 제조방법에 의하면, 마이크로 렌즈(70)를 형성하기 위하여 포토 레지스트를 스핀코팅 방식으로 도포하고 노광을 수행한다. 이때 픽셀부와 주변부 간에 단차가 발생되므로, 노광에 의한 촛점 길이 차이에 의하여 디포커싱(defocusing)이 발생되는 문제점이 있다. 또한, 픽셀부와 주변부의 경계면에 일정 더미 패턴(dummy pattern)을 설계하여 삽입하여야 하는 등의 어려움이 발생된다.
본 발명은 균일한 마이크로 렌즈를 형성하고 소자의 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서는, 픽셀부와 주변부가 정의되고, 상기 픽셀부에 형성된 픽셀 어레이가 구비된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성된 PMD층; 상기 PMD층 위에 적어도 하나의 층으로 형성되며, 상기 픽셀 어레이 상부에 위치된 영역이 소정 깊이로 식각된 IMD층; 상기 식각된 IMD층에 형성된 컬러필터 어레이; 상기 컬러필터 어레이 위에 형성된 마이크로 렌즈 어레이; 를 포함하며, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 이웃하는 렌즈 간에 간격이 존재하지 않고 서로 연속적인 굴곡을 갖도록 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 컬러필터 어레이의 표면에 형성된다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은, 픽셀부와 주변부가 정의된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 픽셀부에 픽셀 어레이를 형성하는 단계; 상기 결과물 위에 PMD층을 형성하는 단계; 상기 PMD층 위에 적어도 하나의 IMD층을 형성하는 단계; 상기 픽셀 어레이 상부에 위치된 상기 IMD층을 소정 깊이 식각하는 단계; 상기 식각된 IMD층에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 어레이 위에 포토레지스트를 도포하여 표면이 평탄한 포토레지스트층을 형성하고 경화시키는 단계; 상기 포토레지스트층 위에 더미 마이크로 렌즈 어레이 형성을 위한 포토레지스트를 도포하고 노광하여 더미 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계; 상기 더미 마이크로 렌즈 어레이 및 상기 포토레지스트층에 대하여 식각을 수행하고, 상기 컬러필터 어레이 위에 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계; 를 포함한다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 컬러필터 어레이의 표면에 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 IMD층을 식각하는 단계에 있어, 반응성 이온 식각(RIE) 방법으로 상기 IMD층에 대한 식각이 수행된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 더미 마이크로 렌즈 어레이 및 상기 포토레지스트층에 대하여 식각을 수행함에 있어, 등방성 건식 식각 방법으로 식각이 수행된 다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 포토레지스트층에 대한 경화는 열처리에 의하여 수행된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 균일한 마이크로 렌즈를 형성하고 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on/above/over/upper)"에 또는 "아래(down/below/under/lower)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 그 의미는 각 층(막), 영역, 패드, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들에 접촉되어 형성되는 경우로 해석될 수도 있으며, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패드, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 그 사이에 추가적으로 형성되는 경우로 해석될 수도 있다. 따라서, 그 의미는 발명의 기술적 사상에 의하여 판단되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법에 따른 제조 공정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 픽셀부와 주변부가 정의된 반도체 기판을 제공한다. 그리고, 상기 픽셀부에 픽셀 어레이(110)를 형성한다.
상기 픽셀 어레이(110)는 미세 픽셀을 형성하는 다수의 포토 다이오드를 포 함한다. 포토 다이오드의 갯수가 영상의 해상도(resolution)를 결정하기 때문에, 고화소로의 진전 및 소형화에 따른 단위 픽셀의 미세화가 수행된다.
상기 결과물 위에 PMD(Pre Metal Dielectric)층(120)을 형성하는 단계가 수행되고, 상기 PMD층(120) 위에 적어도 하나의 IMD(InterMetal Dielectric)층을 형성하는 단계가 수행된다. 도 2에서는 제 1, 제 2, 제 3 IMD층(130)(140)(150)이 형성된 경우을 예로서 나타내었다. 그러나 상기 IMD층의 숫자는 설계에 따라 더 증가될 수 있으며, 또한 더 감소될 수도 있다.
상기 제 3 IMD층(150) 위에는 보호막(200)이 더 형성될 수 있다.
이어서, 상기 픽셀 어레이(110) 상부에 위치된 상기 제 3 IMD층(150)을 소정 깊이 식각하는 단계가 수행된다. 이때, 상기 제 3 IMD층(150) 위에 형성된 보호막(200)에 대한 식각이 함께 수행된다.
본 발명에 의하면, 상기 제 3 IMD층(150)을 식각하는 단계에 있어, 반응성 이온 식각(RIE) 방법으로 상기 제 3 IMD층(150)에 대한 식각이 수행되도록 할 수 있다.
소정 깊이로 식각된 상기 제 3 IMD층(150)에 컬러필터 어레이(160)를 형성하는 단계가 수행된다.
상기 컬러필터 어레이(160)는 색분리를 위하여 형성되는 것이다. 상기 컬러필터 어레이(160)는 원색형 또는 보색형으로 형성될 수 있다. 원색형으로 형성되는 컬러필터 어레이(160)의 경우 Red, Green, Blue의 색으로 형성될 수 있다. 또한 보색형으로 형성되는 컬러필터 어레이(160)의 경우 Cyan, Yellow, Magenta의 색으로 형성될 수 있다. 상기 컬러필터 어레이(160)는 유기물로 형성될 수 있다.
이후, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 컬러필터 어레이(160) 위에 포토레지스트를 도포하여 표면이 평탄한 포토레지스트층(170)을 형성한다. 여기서 상기 컬러필터 어레이(160) 위에는 도포 방식에 의하여 포토레지스트층(170)이 형성되므로, 상기 포토레지스트층(170)은 위치에 따른 단차 없이 평탄한 상태로 형성될 수 있게 된다.
이와 같이 평탄화된 상기 포토레지스트층(170)을 경화시킨다. 하나의 예로서 열처리에 의하여 상기 포토레지스트층(170)이 경화될 수 있다.
이어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 포토레지스트층(170) 위에 더미 마이크로 렌즈 어레이 형성을 위한 포토레지스트를 도포하고 노광하여 더미 마이크로 렌즈 어레이(180)를 형성한다.
이때, 상기 더미 마이크로 렌즈 어레이(180)을 형성함에 있어, 노광 공정을 통하여 패턴이 형성된 후, 결과물에 대한 리플로우(reflow) 공정이 더 수행될 수 있다.
그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 더미 마이크로 렌즈 어레이(180) 및 상기 포토레지스트층(170)에 대하여 식각을 수행하고, 상기 컬러필터 어레이(160) 위에 마이크로 렌즈 어레이(190)를 형성하는 단계를 수행한다.
여기서, 상기 더미 마이크로 렌즈 어레이(180) 및 상기 포토레지스트층(170)에 대하여 식각을 수행함에 있어, 등방성 건식 식각 방법으로 식각이 수행될 수 있다.
이와 같은 등방성 건식 식각에 의하여, 상기 더미 마이크로 렌즈 어레 이(180)의 형상에 맞추어 하부에 위치된 상기 포토레지스트층(170)에 대한 식각이 수행될 수 있게 된다.
이와 같은 식각 공정을 통하여 상기 마이크로 렌즈 어레이(190)가 형성될 수 있게 된다. 상기 마이크로 렌즈 어레이(190)는 경화된 포토레지스트층(170)의 식각에 의하여 형성되는 것이므로 소정의 경도를 확보할 수 있게 된다.
또한 상기 마이크로 렌즈 어레이(190)는 상기 컬러필터 어레이(160)의 표면에 형성되도록 할 수 있다. 이와 같이 상기 마이크로 렌즈 어레이(190)가 상기 픽셀 어레이(110) 영역에 가깝게 형성될 수 있으므로 촛점 길이(focal length)를 줄일 수 있게 된다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서는 픽셀부와 주변부가 정의되고 상기 픽셀부에 형성된 픽셀 어레이(110)가 구비된 반도체 기판과, 상기 픽셀 어레이(110) 위에 형성된 컬러필터 어레이(160)와, 상기 컬러필터 어레이(160) 위에 형성된 마이크로 렌즈 어레이(190)를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 이미지 센서는 상기 반도체 기판 위에 형성된 PMD층(120)과, 상기 PMD층(120) 위에 형성된 제 1, 제 2, 제 3 IMD층(130)(140)(150)을 포함한다. 상기 제 3 IMD층(150)은 상기 픽셀 어레이(110) 상부에 위치된 영역이 소정 깊이로 식각되어 형성된다.
또한 본 발명에 따른 이미지 센서는 경도가 강화된 마이크로 렌즈 어레이(190)를 포함하는데, 상기 마이크로 렌즈 어레이(190)는 이웃하는 렌즈 간에 간격이 존재하지 않고 서로 연속적인 굴곡을 갖도록 형성된다. 이에 따라, 본 발명에 의하면 상기 마이크로 렌즈 어레이(190)에 있어서 이웃하는 렌즈 간에 'zero gap'을 구현할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 종래 기술에서 문제점으로 지적되던, 픽셀부와 주변부의 경계면의 단차에서 기인되는 디포커싱(defocusing)을 해결할 수 있게 된다. 또한 본 발명에 의하면 종래 기술에서와 같은 더미 패턴을 설계할 필요가 없어지게 되며, 셀 크기를 더욱 작게 형성할 수 있게 된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 균일한 마이크로 렌즈를 형성하고 소자의 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
Claims (7)
- 픽셀부와 주변부가 정의되고, 상기 픽셀부에 형성된 픽셀 어레이가 구비된 반도체 기판;상기 반도체 기판 위에 형성된 PMD(PreMetal Dielectric)층;상기 PMD층 위에 적어도 하나의 층으로 형성되며, 상기 픽셀 어레이 상부에 위치된 영역이 상기 주변부의 상부면에 대비하여 제1 깊이로 식각된 IMD(InterMetal Dielectric)층;상기 식각된 IMD층에 형성된 컬러필터 어레이;상기 컬러필터 어레이 위에 형성된 마이크로 렌즈 어레이;를 포함하며,상기 마이크로 렌즈 어레이는 이웃하는 렌즈 간에 간격이 존재하지 않고 서로 연속적인 굴곡을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 컬러필터 어레이의 표면에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 픽셀부와 주변부가 정의된 반도체 기판을 제공하는 단계;상기 픽셀부에 픽셀 어레이를 형성하는 단계;상기 픽셀 어레이 위에 PMD(PreMetal Dielectric)층을 형성하는 단계;상기 PMD층 위에 적어도 하나의 IMD(InterMetal Dielectric)층을 형성하는 단계;상기 픽셀 어레이 상부에 위치된 상기 IMD층을 상기 주변부의 상부면에 대비하여 제1 깊이 식각하는 단계;상기 식각된 IMD층에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계;상기 컬러필터 어레이 위에 포토레지스트를 도포하여 표면이 평탄한 포토레지스트층을 형성하고 경화시키는 단계;상기 포토레지스트층 위에 더미 마이크로 렌즈 어레이 형성을 위한 포토레지스트를 도포하고 노광하여 더미 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계;상기 더미 마이크로 렌즈 어레이 및 상기 포토레지스트층에 대하여 식각을 수행하고, 상기 컬러필터 어레이 위에 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 컬러필터 어레이의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 IMD층을 식각하는 단계에 있어, 반응성 이온 식각(RIE) 방법으로 상기 IMD층에 대한 식각이 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 더미 마이크로 렌즈 어레이 및 상기 포토레지스트층에 대하여 식각을 수행함에 있어, 등방성 건식 식각 방법으로 식각이 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 포토레지스트층에 대한 경화는 열처리에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
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