KR100869219B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예의 이미지 센서는, 단위 화소를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 무기물층; 상기 무기물층 상에 선택적으로 형성된 렌즈 시드 패턴; 및 상기 렌즈 시드 패턴 상에 형성된 마이크로 렌즈가 포함된다.
이미지 센서, 씨모스 이미지 센서, 마이크로 렌즈

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing thereof}
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 도면이다.
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상((optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시키는 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 영역이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 영역을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 영역 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 영역으로 모아주는 집광기술로서, 컬러필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 방법이 있다.
마이크로렌즈를 형성하는 방법은 화소가 형성된 픽셀 어레이 기판 상에 컬러필터와 마이크로렌즈 형성 공정을 진행한다.
상기와 같은 마이크로렌즈는 감광성 유기물 물질을 노광(expose), 현상(development), 리플로우(reflow)의 순서로 진행하여 반구형의 모양을 최종 형성시킨다.
상기 마이크로렌즈는 한번의 패터닝 공정에 의해 형성되어 리플로우 공정을 거치면 상기 마이크로렌즈와 이웃하는 마이크로렌즈 사이에 갭이 발생된다. 그러면, 상기 갭 사이로 집광되지 않은 빛이 통과하여 픽셀 어레이 기판에 배치된 포토다이오드에 감지됨으로써 노이즈 및 크로스 토크가 발생되는 문제가 있다.
상기 갭이 발생되는 이유는 상기 마이크로 렌즈의 패터닝 공정 시 렌즈와 렌즈 사이의 발생된 넓은 공간을 리플로우 공정에서 전부 줄이지 못하기 때문이다.
물론, 리플로우 과정에서 상기 갭을 줄일 수 있지만, 과도한 리플로우는 렌즈와 렌즈가 서로 붙게 되어 브리지(bridge) 및 머지(merge) 현상이 발생되어 이미지 센서의 불량을 야기시킨다.
실시예는 마이크로렌즈 사이에 갭 발생을 최소화 시키면서 리플로우 공정시 브리지가 발생되는 것을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예의 이미지 센서는, 단위 화소를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 무기물층; 상기 무기물층 상에 선택적으로 형성된 렌즈 시드 패턴; 및 상기 렌즈 시드 패턴 상에 형성된 마이크로 렌즈가 포함된다.
또한 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 단위 화소가 포함된 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상에 무기물층을 형성하는 단계; 상기 무기물층 상에 선택적으로 렌즈 시드층을 형성하는 단계; 및 상기 렌즈 시드 패턴 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계가 포함된다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(On/Over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
본 실시예에 따른 이미지 센서는, 단위 화소를 포함하는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 금속배선층(30); 상기 금속배선층(30) 상에 형성된 무기물층(50); 상기 무기물층(50) 상에 선택적으로 형성된 렌즈 시드 패턴(71); 및 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에 형성된 마이크로 렌즈(85)가 포함된다.
상기 렌즈 시드 패턴(71)은 열 경화성 수지(Thermal Resin)로 형성된 유기물질이고, 상기 마이크로 렌즈(85)도 유사한 유기물 물질로 형성되어 상기 마이크로렌즈(85)는 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에 형성될 수 있다.
상기 렌즈 시드 패턴(71)은 상기 단위 화소에 대응하도록 상기 무기물층(50) 상에 상호 이격되도록 형성되어, 상기 마이크로 렌즈(85)가 이웃하는 마이크로 렌즈(85)와 붙는 것을 방지할 수 있다.
상기 무기물층(50)은 친수성의 산화막으로 형성된다. 예를 들어, 상기 무기물층(50)은 d-TEOS 또는 저온 산화막으로 형성될 수 있다. 상기 무기물층(50)이 친수성의 산화막으로 형성되어 리플로우 공정시 상기 마이크로 렌즈(85)가 확장되는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 상기 마이크로 렌즈(85)는 이웃하는 마이크로 렌즈와 최소한의 갭을 유지하면서 브리지가 발생되는 것을 방지하여 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 금속배선층(30) 상에 패시베이션층(40)이 형성되어, 하부 소자를 보호할 수 잇다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 공정 단면도이다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10) 상에는 금속배선층(30)이 형성된다.
상기 반도체 기판(10)에는 광감지 소자(20)를 포함하는 화소 영역 및 주변 회로영역(미도시)이 형성되어 있다.
상기 광감지 소자(20)는 각 단위화소로 표현될 수 있으며, 상기 광감지 소자(20)는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드 및 상기 포토다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로(미도시)가 포함된다.
특히, 상기 광감지 소자(20)의 포토다이오드는 일반적인 p/n/p의 구조의 포토다이오드 일 수 있다.
또는, 상기 광감지 소자(20)의 포토다이오드는 적색 포토다이오드(red photo diode), 녹색 포토다이오드(green photo diode) 및 청색 포토다이오드(blue photo diode)를 포함하여 형성될 수 있다.
상기와 같이 3색으로 구성되는 포토다이오드가 사용되면, 하나의 화소에 3가지 색 모두가 수직으로 배열되어 고화질의 이미지를 구현할 수 있게 된다. 또한, 상기 3색의 포토다이오드에 의해 별도의 컬러필터 공정없이 다양한 색채를 표현할 수 있게 된다.
상기 광감지 소자(20)를 포함하는 관련 소자들이 형성된 이후에, 금속배선층(30)이 반도체 기판(10) 상에 형성된다.
상기 금속배선층(30)은 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 층간 절연막과 상기 층간 절연막을 관통하여 형성된 복수의 금속배선(M1, M2)이 포함된다. 예를 들어, 상기 층간 절연막은 산화막 물질로 형성될 수 있으며, 상기 금속배선은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질들로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(M1, M2)을 포함하는 상기 층간 절연막은 복수의 층으로 형성될 수도 있다.
상기 금속배선(M1, M2)은 포토다이오드로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다.
그리고, 상기 금속배선층(30) 상에 패시베이션층(40)이 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(40)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 절연막으로 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(40)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중의 어느 하나로 형성될 수도 있으며 또는 하나 이상의 층이 적층된 구조일 수도 있다. 물론 상기 패시베이션층(40)은 형성되지 않을 수도 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 패시베이션층(40) 상에 컬러필터층 및 평탄화층이 형성될 수 있다.
실시예에서는 컬러필터층 및 평탄화층이 형성되지 않을 것을 예로 하여 설명하도록 한다.
상기 패시배이션층(40), 컬러필터층 및 평탄화층의 형성이 생략되면 이미지 센서의 전체적인 높이에 영향을 주게되어 보다 박형의 이미지 센서를 제공할 수도 있으며, 또한 공정 단계의 감소에 따른 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 상기 패시베이션층(40) 상에 무기물층(50)이 형성된다.
상기 무기물층(50)은 CVD 방법에 의해 친수성의 무기물 물질(inorganic material)을 상기 패시베이션층(40) 상에 증착함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 무기물층(50)은 PECVD 방법에 의하여 d-TEOS 또는 저온 산화막(LTO)와 같은 친수성의 산화막을 50~1,000Å의 두께로 형성할 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 무기물층(50) 상에 갭 패턴(gap pattern)(61)이 형성된다.
상기 갭 패턴(61)은 마이크로렌즈의 갭 영역을 정의하기 위한 것으로, 마이크로렌즈 형성시 사용되는 마이크로렌즈용 마스크(미도시)와 반대되는 형태의 마스크(미도시)를 사용하여 형성될 수 있다.
즉, 상기 무기물층(50) 상에 포토레지스트막(미도시)을 스핀 공정 등을 통해 코팅한다. 그리고, 이후 형성되는 마이크로렌즈용 마스크와 반대 형태의 마스크를 사용하여 상기 포토레지스트막을 노광 및 현상하여 패터닝한다.
그러면 상기 무기물층(50) 상에는 마이크로렌즈의 갭 영역에 해당하는 위치에 갭 패턴(61)이 형성된다.
도 3을 참조하여, 상기 갭 패턴(61)이 형성된 무기물층(50) 상부로 렌즈 시드층(70)이 형성된다.
상기 렌즈 시드층(70)은 소수성의 유기물 물질(organic material)을 상기 무기물층(50) 상부에 코팅한 후, 열처리 공정에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈 시드층(70)은 열 경화성 수지(Thermal Resin:TR)로 형성될 수 있으며, 약 10~1,000nm의 두께로 코팅한 직후 현상액에 의해 현상함으로써 얇은 막 형태로 형성될 수 있다.
상기 렌즈 시드층(70)은 열처리 공정에 의하여 경화되므로, 상기 갭 패턴(61) 및 무기물층(50) 상부 표면에 얇은 막 형태로 형성된 상태가 된다.
도 4를 참조하여, 상기 무기물층(50) 상부에 선택적으로 렌즈 시드 패턴(71) 이 형성된다.
상기 렌즈 시드 패턴(71)은 상기 갭 패턴(61)과 상기 갭 패턴(61) 표면에 형성된 렌즈 시드층(70)을 동시에 제거함으로써 형성된다.
상기 갭 패턴(61)과 갭 패턴(61) 표면에 형성된 렌즈 시드층(70)의 제거는 상기 무기물층(50) 상부에 시너(thinner)를 도포한 후 세정함으로써 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈 시드층(70)이 형성된 무기물층(50) 상부에 도포되는 시너는 PGME(Propylene glycol monomethyl ether)와 PGMEA(Propylene glycol monomethyl ether acetate)의 혼합물이다.
상기 시너를 상기 무기물층(50)으로 도포하면 상기 시너가 포토레지스트로 형성된 상기 갭 패턴(61) 내부로 침투하여 포토레지스트 물질을 용해시킴으로써 상기 갭 패턴(61)이 제거되며 동시에 상기 갭 패턴(61)의 상부에 형성된 렌즈 시드층(70)도 제거된다.
이때, 상기 무기물층(50)의 상부 표면에 형성된 상기 렌즈 시드층(70)은 경화된 상태이므로 상기 시너에 의해 제거되지 않고 남아있게 된다.
따라서, 상기 무기물층(50)의 상부에는 선택적으로 렌즈 시드 패턴(71)이 형성되고, 상기 갭 패턴(61)에 해당하는 상기 무기물층(50)의 상부는 상기 갭 패턴(61)의 제거에 의해 표면이 노출된 상태가 된다.
상기 렌즈 시드 패턴(71)은 마이크로렌즈 형성 예정 영역 상에만 선택적으로 형성되고 상기 마이크로렌즈의 갭 예정 영역 상에는 상기 무기물층(50)이 노출된 상태가 되어, 이후 형성되는 마이크로 렌즈(85)의 브리지 및 머지 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한, 상기 렌즈 시드 패턴(71)은 얇은 박막 형태로 형성되어 이미지 센서의 전체적인 높이에 영향을 주지 않는다.
도 5를 참조하여, 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에만 마이크로렌즈 패턴(81)이 형성된다.
상기 마이크로렌즈 패턴(81)은 상기 렌즈 시드 패턴(71)이 형성된 무기물층(50) 상에 포토레지스트막(미도시)을 스핀 공정 등을 통해 코팅하고, 마이크로렌즈용 마스크(미도시)를 사용하여 노광 및 현상 공정을 통해 형성된다.
상기 마이크로렌즈 패턴(81)은 상기 갭 패턴(61)과 반대되는 형태의 마스크를 사용하여 형성되므로 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에만 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 무기물층(50) 상에 마이크로 렌즈(85)가 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(85)는 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에 형성된 마이크로렌즈 패턴(81)을 리플로우(reflow) 시킴으로써 돔 형태로 형성된다. 특히, 상기 마이크로 렌즈(85)는 이웃하는 마이크로 렌즈(85)와 최소한의 갭을 가진 형태로 형성시킬 수 있다.
이것은, 상기 마이크로렌즈 패턴(81) 및 상기 렌즈 시드 패턴(71)은 소수성 물질인 유기물 물질로 형성되고, 상기 렌즈 시드 패턴(71) 사이의 무기물층(50)은 친수성의 무기물 물질로 형성되었기 때문이다.
즉, 유기물로 형성된 상기 마이크로렌즈 패턴(81)이 유사한 유기물로 형성된 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에 형성되어 있으므로 상기 마이크로렌즈 패턴(81)에 대한 리플로우 공정시 상기 마이크로 렌즈(85)는 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에서는 쉽게 리플로우 되는 반면, 상기 무기물층(50) 상에서는 낮은 리플로우비를 가지기 때문에 리플로우가 잘 안되는 성질을 가지고 있기 때문이다.
따라서, 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에 형성된 상기 마이크로렌즈 패턴(81)에 대한 리플로우 공정이 진행되면 소수성의 상기 마이크로렌즈 패턴(81)은 상기 렌즈 시드 패턴(71) 상에서 리플로우되고 상기 렌즈 시드 패턴(71) 이외의 영역인 상기 무기물층(50) 표면으로는 확장되지 않게 된다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(85)와 상기 무기물층(50)의 낮은 리플로우비로 인하여 상기 마이크로렌즈 패턴(81)에 대하여 과도한 리플로우 공정을 진행 하더라도 상기 마이크로 렌즈(85)는 상기 무기물층(50) 상으로 약간 침범될 뿐 확장되어 이웃하는 마이크로 렌즈와 붙는 것을 방지할 수 있다.
이로 인해, 상기 마이크로 렌즈(85)는 이웃하는 마이크로 렌즈와의 갭을 최소화하면서 브리지 및 머지 현상은 방지되어 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
실시예의 이미지 센서 및 는 마이크로렌즈 사이에 갭 발생을 최소화 시키면서 리플로우 공정시 브리지가 발생되는 것을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 단위 화소를 포함하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층;
    상기 금속배선층 상에 형성된 무기물층;
    상기 무기물층 상에 선택적으로 형성되고 유기물 물질로 형성된 렌즈 시드 패턴; 및
    상기 렌즈 시드 패턴 상에 유기물 물질로 형성된 마이크로 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈 시드 패턴은 열 경화성 수지(Thermal Resin)로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈 시드 패턴은 상기 단위 화소에 대응하도록 상기 무기물층 상에 상호 이격되어 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 단위 화소가 포함된 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계;
    상기 금속배선층 상에 무기물층을 형성하는 단계;
    상기 무기물층 상에 유기물 물질로 형성된 렌즈 시드 패턴을 선택적으로 형성하는 단계; 및
    상기 렌즈 시드 패턴 상에 유기물 물질로 형성된 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 렌즈 시드 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 무기물층 상에 갭 패턴을 형성하는 단계;
    상기 갭 패턴이 형성된 무기물층 상에 렌즈 시드층을 코팅하는 단계;
    상기 렌즈 시드층이 코팅된 갭 패턴을 제거하여 상호 이격된 렌즈 시드 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 렌즈 시드 패턴은 열 경화성 수지(Thermal resin)로 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 렌즈 시드층을 코팅한 후, 현상하는 단계; 및
    상기 렌즈 시드층을 열처리하여 경화시키는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 렌즈 시드층이 코팅된 갭 패턴은 용해제에 의해 제거되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 삭제
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