KR100875174B1 - 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법에 관한 것으로, 특히 리플로우(reflow) 공정으로 마이크로 렌즈를 형성하는 방법에 있어서, 반도체 기판 위로 형성된 소정의 하부층 상에 친수성 막을 형성하는 단계와, 상기 친수성 막 상에 소수성 막을 형성하는 단계와, 상기 소수성 막을 상기 친수성 막이 드러나도록 선택적으로 식각하여 소정 깊이의 트랜치를 형성하는 단계와, 상기 트랜치의 인접하는 쌍들의 사이에 마이크로 렌즈용 포토레지스트를 형성하는 단계와, 열적 리플로우 공정을 이용하여 상기 마이크로 렌즈용 포토레지스트로 부터 마이크로 렌즈를 완성하는 단계를 포함하여 이루어짐으로써, 섬 모양으로 그물망처럼 배치된 마이크로 렌즈 간의 브리지를 억제하면서도 마이크로 렌즈 사이의 갭을 줄인다.
이미지 센서, 마이크로 렌즈, 리플로우, 트랜치
Description
본 발명은 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 렌즈 형성을 위한 리플로우(reflow) 공정 시에 섬 모양의 그물망처럼 배치된 마이크로 렌즈 간의 브리지(bridge)를 억제하면서도 마이크로 렌즈 사이의 갭(gap)을 최대한 줄일 수 있는 방법에 관한 것이다.
화상인식 소자로 사용되는 이미지 센서는 입사하는 빛을 손실 없이 전자로 바꾸는 능력이 중요하다. 입사하는 빛을 전자로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자가 포토 다이오드인데, 통상 이미지 센서의 단위픽셀에는 포토 다이오드뿐만 아니라 단위픽셀 내부의 신호처리를 위한 회로가 복합적으로 구성되기 때문에 포토 다이오드의 면적에 제한이 따르게 된다.
이를 극복하기 위하여 단위픽셀 상부에 마이크로렌즈를 형성하여 단위픽셀로 입사하는 빛 중에서 포토 다이오드 영역 이외의 지역으로 입사하는 빛을 포토 다이오드로 모아준다. 이와 같이 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 통하여 이미지 센서의 광집속도를 향상시킬 수 있다. 즉, 광소자에서 마이크로 렌즈의 역할은 광다이 오드 영역에 많은 광량이 집속될 수 있도록 하는 것이다.
이미지 센서의 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 대표적인 방법에는 열에 의해 리플로우(reflow)가 가능한 포토레지스트를 사용하여 섬 모양의 패턴(pattern)을 형성한 후 열을 가해 리플로우 시키는 방법이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 열을 가하고 리플로우하여 형성된 마이크로 렌즈의 모습과 문제점을 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 이러한 방법으로 제작된 마이크로 렌즈는 단위 픽셀의 가로 방향 곡률과 대각 방향 곡률이 거의 같게 형성되는데, 이는 리플로우 되는 체적이 가로 또는 세로 방향에 비해 작은 대각 방향으로 리플로우가 더 약하게 일어나, 최종 형성된 마이크로 렌즈의 형태가 정사각형보다는 곡선의 갭(gap)을 가진 섬 모양이 되기 때문이다.
이러한 형태의 마이크로 렌즈는 갭(gap)이 100nm 이하로 최소가 되어도 여전히 라운딩(rounding)에 의한 코너 갭(corner gap) 및 스페이스 밴디드 갭(space bended gap) 등이 발생하게 되어 근본적으로 완전한 제로 갭(zero-gap)의 구현이 불가능하게 된다.
도 1b는 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 마이크로 렌즈의 갭 사이에 보조 패턴을 삽입하여 개선하는 방법을 도시하고 있다. 여기서 각 사각형의 섬 모양 마이크로 렌즈는 4개의 모서리에 보조 패턴을 구비한다.
그러나, 도 1c를 참조하면, 이러한 보조 패턴으로 갭을 너무 좁히려 할 경우 인접하는 마이크로 렌즈끼리의 코너의 가까움으로 인해 리플로우 시 코너 브리지(corner bridge)가 발생한 것을 볼 수가 있고, 이는 코너의 리플로우 마진(reflow margin)이 없다는 것을 의미한다.
도 2는 상기한 마이크로 렌즈 형성시의 리플로우 마진을 크게 하기 위한 시도로서, 마이크로 렌즈 사이에 트랜치를 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 마이크로 렌즈(204)는 질화막(SiN)과 같은 패시베이션층(202) 상에 형성된 트랜치들 사이에 위치하며, 리플로우 시 상기 트랜치들에 매립되는 리플로우 물질(reflow material)의 양만큼 리플로우 마진이 커지게 된다.
그러나, 트랜치 내부와 트랜치 외부는 리플로우 레이트(reflow rate)의 차이가 없고, 동일한 속도로 리플로우가 일어나므로 여전히 마진 문제가 발생할 수 있는 여지가 크다.
따라서 본 발명의 목적은 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법에 있어서, 마이크로 렌즈 형성을 위한 리플로우(reflow) 공정 시에 섬 모양의 마이크로 렌즈 간의 브리지(bridge)를 억제하면서도 마이크로 렌즈 사이의 갭(gap)을 최대한 줄일 수 있는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법의 일 특징은 반도체 기판 위로 형성된 소정의 하부층 상에 친수성 막을 형성하는 단계; 상기 친수성 막 상에 소수성 막을 형성하는 단계; 상기 소수성 막을 상기 친수성 막이 드러나도록 선택적으로 식각하여 소정 깊이의 트랜치를 형성하는 단계; 상기 소수성 막 상에 마이크로 렌즈용 포토레지스트를 형성하는 단계; 및 열적 리플로우(reflow) 공정을 이용하여 상기 마이크로 렌즈용 포토레지스트로 부터 마이크로 렌즈를 완성하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법은 친수성 막과 소수성 막의 리플로우 레이트 차이를 이용하여 리플로우 마 진을 높일 수 있어, 섬 모양이며 그물망처럼 배치된 마이크로 렌즈 간의 브리지(bridge)를 억제하면서도 마이크로 렌즈 사이의 갭(gap)을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
그리고 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법을 나타내는 단면도로서, 공정 순서를 차례로 도시하고 있다.
우선, 도 3a를 참조하면, 패시베이션층(302 ; passivation layer) 위에 d-TEOS 등과 같은 친수성 막(304)을 증착하고, 그 위에 SiN 등과 같은 소수성 막(306)을 형성한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 패시베이션층(302) 위에 친수성 막(304)을 형성하지만, 상기 패시베이션층(302) 대신에 평탄화층 또는 칼라 필터층 위에 친수성 막(304)을 형성할 수 있다.
여기서 페시베이션층(302) 하부에는 반도체 기판상에 이미지 센서를 위한 하부구조가 자리 잡고 있을 것이다.
이어, 도 3b를 참조하면, 추후 트랜치를 형성하기 위해 제 1 포토레지스트(308)를 도포하고 패터닝하는 과정을 거친다.
이어, 도 3c를 참조하면, 상기 소수성 막(306)을 상기 친수성 막(304)이 드러나도록 선택적으로 식각하여 소정 깊이의 트랜치를 형성한다. 여기서, 상기 식각은 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching ; RIE) 방법을 이용할 수 있다.
여기서, 상기 트랜치의 깊이는 추후 형성될 마이크로 렌즈 두께의 1/50 내지 1/30일 수 있다. 상기 트랜치와 트랜치의 사이에는 추후 마이크로 렌즈가 생성될 것이다. 예를 들어, 통상의 마이크로 렌즈의 두께가 300nm 내지 500nm라면 소수성 막(306)의 두께 및 트랜치의 깊이는 10nm 수준이 될 수 있다.
이어, 도 3d를 참조하면, 상기 소수성 막(306) 상에 마이크로 렌즈용 포토레지스트인 제 2 포토레지스트(310)를 형성한다. 상기 제 2 포토레지스트(310)와 상기 트랜치와 트랜치 사이의 공간이 겹치는 정도(overlay)는 스텝퍼로 조절할 수 있다.
이어, 도 3e를 참조하면, 기존의 열적 리플로우 방법(thermal reflow method)을 이용하여, 상기 제 2 포토레지스트(310)의 리플로우를 수행하게 되는데, 이로 인하여 목적하는 마이크로 렌즈(310a)가 완성되게 된다.
이때 기존 기술과 다른 점은 그물망 형태로 배치된 트랜치들 내부 중 하부는 친수성 막(304)이 노출되어 있으므로 친수성을 띠고, 섬 모양의 마이크로 렌즈(310a)가 형성된 트랜치 바깥 상부는 소수성 막(306)이므로 소수성을 띤다는 점이다.
리플로우되는 마이크로 렌즈용 제 2 포토레지스트(310)는 소수성이고, 리플로우 레이트(reflow rate)는 소수성 표면 위에서 친수성 표면에서보다 훨씬 빠르다. 리플로우가 진행됨에 따라 제 2 포토레지스트(310)가 트랜치 사이로 흘러내리게 되면 트랜치 내부 중 하부는 친수성이므로 이 부근에서 리플로우 레이트가 급감하게 되고, 도 2에서 설명한 동일 물질로 트랜치를 형성하는 경우보다, 브리지(bridge) 발생을 훨씬 강하게 억제한다.
즉, 본 발명은 TEOS과 같은 친수성 물질 위에 SiN과 같은 소수성 물질을 10nm 정도로 얇게 증착한 후 소수성 물질 두께만큼의 깊이로 트랜치를 형성함으로써, 마이크로 렌즈용 포토레지스트의 리플로우 시 친수성/소수성 리플로우 레이트의 차이를 이용하여 브리지 현상을 억제하고 마이크로 렌즈 사이의 갭을 효과적으로 줄이면서도 리플로우 마진을 대폭 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 열을 가하고 리플로우하여 형성된 마이크로 렌즈의 모습과 문제점을 나타낸 도면
도 2는 상기한 마이크로 렌즈 형성시의 리플로우 마진을 크게 하기 위한 시도로서, 마이크로 렌즈 사이에 트랜치를 형성하는 방법을 나타내는 도면
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법을 나타내는 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
302 : 패시베이션층 304 : 친수성 막
306 : 소수성 막 308 : 제 1 포토레지스트
310 : 제 2 포토레지스트 310a : 마이크로 렌즈
Claims (5)
- 반도체 기판 위로 형성된 소정의 하부층 상에 친수성 막을 형성하는 단계;상기 친수성 막 상에 소수성 막을 형성하는 단계;상기 소수성 막을 상기 친수성 막이 드러나도록 선택적으로 식각하여 소정 깊이의 트랜치를 형성하는 단계;상기 소수성 막 상에 마이크로 렌즈용 포토레지스트를 형성하는 단계; 및열적 리플로우(reflow) 공정을 이용하여 상기 마이크로 렌즈용 포토레지스트로 부터 마이크로 렌즈를 완성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 트랜치의 깊이는 상기 마이크로 렌즈의 두께의 1/50 내지 1/30인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부층은 평탄화층, 칼라 필터층 및 패시베이션층 중 하나인 것을 특징으로하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소수성 막을 선택적으로 식각하는 방법은 반응성 이온 식각(RIE) 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈용 포토레지스트는 소수성인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법.
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