KR100875160B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 다수의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 절연막을 형성하는 단계와, 절연막상에 컬러 필터층을 형성하는 단계와, 컬러 필터층상에 제1 평탄화층을 형성하는 단계와, 제1 평탄화층상에 마이크로 렌즈 물질층을 형성하는 단계와, 마이크로 렌즈 물질층의 전면에 제2 평탄화층을 형성하는 단계 및 포토레지스트 패턴을 이용하여, 제2 평탄화층 및 마이크로 렌즈 물질층을 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 균일성과 대칭성이 보다 향상된 마이크로 렌즈를 얻을 수 있어 기존보다 더욱 뛰어난 광 특성을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 수율을 높일 수 있는 효과를 갖는다.
씨모스 이미지 센서, 마이크로 렌즈, TEOS, LTO
Description
도 1a 및 도 1b는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 금속 배선 12 : 질화막
14 : 산화막 16 : 컬러 필터층
18 : 평탄화층 또는 제1 평탄화층 20 : 마이크로 렌즈 물질층
22, 42 : 포토 레지스트 패턴 30, 50 : 마이크로 렌즈
40 : 제2 평탄화층
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 씨모스 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, CCD(Charged Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 크게 나눌 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성된다. 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.
이하, 일반적인 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 알루미늄 금속 배선(10)의 상부에 질화막(12), TEOS(TetraEthyl OrthoSilicate) 층(14)을 적층한다. TEOS 층(14)의 상부에 적(R:Red), 녹(G:Green) 및 청(B:Blue)의 컬러 필터층(16) 및 평탄화층(18)을 형성한다. 평탄화층(18)과 TEOS 층(14)의 전면에 LTO(Low Temperature Oxide)층(20)을 증착하여 형성하고, 형성된 LTO 층(20) 상부에 포토 레지스터에 대응하는 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 포토 레지스트 패턴(22)을 형성한다. 이후, 포토 레지스트 패턴(22)을 마스크로 이용하여 도 1b에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(30)를 형성한다. 이 경우, 컬러 필터층(16)과 평탄화층(18)에 영향을 미치지 않도록, 낮은 온도에서 옥사이드(oxide)를 증착하여 LTO층(20)을 형성하므로, LTO층(20)의 표면은 매우 거칠(roughnes)어질 수 있다. LTO층(20)의 거칠음은 포토 레지스트 패턴(22) 프로파일의 변화를 야기시켜, 종국에는 마이크로 렌즈(30)의 변화를 발생시키는 문제점이 있다. 이러한 LTO층(20)의 거칠음이 클 경우 피트(pit)가 유발되어 난반사를 일으키며 이로 인해 이미지 센서의 광 특성을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 대칭성과 균일성이 향상된 마이크로 렌즈를 갖는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은, 다수의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막상에 컬러 필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터층상에 제1 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 제1 평탄화층상에 마이크로 렌즈 물질층을 형성하는 단계와, 상기 마이크로 렌즈 물질층의 전면에 제2 평탄화층을 형성하는 단계 및 포토레지스트 패턴을 이용하여, 상기 제2 평탄화층 및 상기 마이크로 렌즈 물질층을 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
알루미늄(Al) 같은 물질을 갖는 금속 배선(10)은 하부 구조(미도시)내에 형성된다. 하부 구조는 반도체 기판상에 형성된 포토 다이오드(미도시)와 트랜지스터들(미도시) 같은 이미지 센서를 구현하기 위한 다양한 인자들을 포함한다. 여기서, 포토 다이오드는 입사된 광량에 따른 전하를 생성하며, 광을 감지하기 위한 소자는 포토 다이오드 대신에 포토 게이트 형태를 취할 수도 있다.
다수의 포토 다이오드들(미도시)이 형성된 반도체 기판상에 절연막을 형성한다. 본 발명에 의하면, 절연막은 도 2a에 도시된 바와 같이 질화막(12) 및 산화막(14)의 다층으로 형성될 수도 있지만, 도 2a에 도시된 바와 달리 단일 층으로 형성될 수도 있다. 도 2a의 경우, 반도체 기판상에 질화물을 증착하고, 증착된 질화물을 패터닝에 의해 반응성 이온 식각(RIE:Reative Ion Etch)법으로 식각하여 금속 배선(10) 부분을 노출시키면서 질화막(12)을 형성한다.
금속 배선(10)의 노출된 부분과 질화막(12)의 전면에 산화막(14)을 형성한다. 예를 들어, 산화막(14)은 TEOS(TetraEthyl OrthoSilicate) 층이 될 수 있다. 절연막은 수분, 파티클(particles), 약간의 열 스트레스(slight thermal stress) 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 역할을 수행할 수 있다.
절연막인 산화막(14)의 상부에 특정 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B 컬러 필터층(16)을 형성한다. 즉, 절연막(14)의 상부에 가염성 레지스트를 사용하여 도포하고 이에 대해 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 R, G, B의 컬러 필터층(16)을 형성할 수 있다.
컬러 필터층(16)상에 초점 거리 조절 및 렌즈 층을 형성하고, 평탄도의 확보 등을 위해 평탄화된 제1 평탄화층(18)을 형성한다. 제1 평탄화층(18)상에 마이크로 렌즈 물질층(20)을 형성한다. 컬러 필터층(16)과 제1 평탄화층(18)에 영향을 미치지 않도록 하기 위해, 마이크로 렌즈 물질층(20)은 LTO(Low Temperature Oxide)를 약 10KÅ의 두께로 증착하여 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈 물질층(20)의 전면에 도 1a에 도시된 바와 같이 포토 레지스트 패턴(22)을 직접 형성하는 대신에 제2 평탄화층(40)을 증착하여 형성한다. 따라서, 도 1a에 도시된 일반적인 씨모스 이미지 제조 방법의 경우에서와 같은 LTO 층(20)에 의해 야기될 수 있는 표면의 거칠음이 평탄화될 수 있다. 제2 평탄화층(40)은 제1 평탄화층(18)과 동일한 물질을 사용할 수 있으며, LTO층(20)의 거칠음의 영향만을 없앨 정도로 마이크로 렌즈 물질층(20)의 상부에 얇게(thin) 형성될 수 있다.
이후, 포토 레지스트를 제2 평탄화층(40)상에 증착하고, 노광 및 현상 공정으로 포토 레지스트를 패터닝하며, 이 패턴에 대해 예를 들면 120 ~ 200℃의 온도에서 리플로우 공정을 실시하여 일정한 곡률을 갖는 볼록 형태의 포토 레지스트 패턴(42)을 각 포토 다이오드와 대응되게 형성한다. 한편, 포토 레지스트의 노광 조건(focus)에 따라 포토 레지스트 패턴(42)의 프로파일(pattern profile) 모양이 변한다. 여기서, 포토 레지스트 패턴(42)의 곡률 반경 및 높이는 단위 화소의 크기와 위치, 모양 및 광 감지 소자의 두께 등에 의해 최적의 값이 결정될 수 있다. 예를 들면, 포토 레지스트 패턴(42)은 볼록한 반구 형태로 형성될 수 있다.
포토 레지스트 패턴(42)을 식각 마스크로서 이용하여, 제2 평탄화층(40) 및 마이크로 렌즈 물질층(20)을 식각하여 도 2b에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(50)를 형성한다. 제2 평탄화층(40) 및 마이크로 렌즈 물질층(20)을 식각한 후에 클리닝(cleaning) 공정을 통해 남아 있는 제2 평탄화층(40)과 마이크로 렌즈 물질층(20)의 찌꺼기를 제거할 수 있다. 예를 들면, 포토 레지스트 패턴(42)과 LTO 층(20)의 선택비를 약 1:1로 하여 제2 평탄화층(40) 및 마이크로 렌즈 물질층(20)을 식각하면, 대칭성 및 균일성이 향상된 마이크로 렌즈(50)가 얻어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2 평탄화층(40) 및 마이크로 렌즈 물질층(20)은 Ar, CF4, O2의 혼합 가스 분위기에서 플라즈마 식각될 수 있다. 혼합 가스는 Ar, CF4, O2이 각각 450, 90 및 10의 비율로 혼합될 수 있으며, 100mTorr의 압력과, 1400와트(W)의 RF 전력 분위기에서 63초간 플라즈마 식각이 진행될 수 있다. 그리고, 마이크로 렌즈(50)를 포함한 전면에 자외선을 조사하여 경화함으로서, 마이크로 렌즈(50)가 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있도록 할 수도 있다.
결국, 도 2b에 도시된 바와 같이 볼록형 마이크로 렌즈(50)가 형성되므로서, 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛이 포토 다이오드 영역으로 조사될 수 있다. 이 경우, 마이크로 렌즈(50)의 광축과 수평한 빛이 마이크로 렌즈에 의해 굴절되므로, 광축 상의 일정 위치에 그 초점이 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 LTO 층(20)를 이용하여 마이크로 렌즈를 형성할 때, LTO 증착 공정 후에 LTO의 거칠음에 후속 공정에 미치 는 영향을 방지하기 위해, 제2 평탄화층(40)을 포토 레지스트 패턴(42)을 형성하기 이전에 마이크로 렌즈 물질층(20)에 상부에 형성시키므로, 균일성과 대칭성이 보다 향상된 마이크로 렌즈(50)를 얻을 수 있도록 하여, 기존보다 더욱 뛰어난 광 특성을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 수율(yield)을 높일 수도 있는 효과를 갖는다.
Claims (5)
- 다수의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막상에 컬러 필터층을 형성하는 단계;상기 컬러 필터층상에 제1 평탄화층을 형성하는 단계;상기 제1 평탄화층 상에 마이크로 렌즈 물질층으로 LTO층(Low Temperature Oxide layer)을 형성하는 단계;상기 LTO층의 전면에 제2 평탄화층을 형성하는 단계;상기 제2 평탄화층 상에 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여, 상기 제2 평탄화층 및 상기 LTO층을 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 절연막을 형성하는 단계는상기 반도체 기판상에 질화막을 형성하는 단계; 및상기 질화막상에 산화막을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제1 항에 있어서, 상기 제2 평탄화층 및 상기 LTO층은 Ar, CF4, O2의 혼합 가스 분위기에서 식각되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제2 항에 있어서, 상기 LTO층의 전면에 제2 평탄화층을 형성하는 단계는,상기 LTO층의 거칠음의 영향을 제거하기 위하여 상기 LTO층 상에 상기 제1 평탄화층과 동일한 물질로 상기 제2 평탄화층을 증착하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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