KR100915759B1 - 씨모스 이미지 센서 소자의 형성 방법 - Google Patents
씨모스 이미지 센서 소자의 형성 방법Info
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Abstract
본 발명은 CIS 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 등방성 식각을 이용하여 MLA를 제조함으로써, 렌즈의 형상을 구면으로 유지하면서 'Fill Factor'를 최대로 높여 CIS의 감도를 극대화시킬 수 있다.
Description
본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor, 이하, CIS라 함) 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토 다이오드를 포함하는 로직 부분 상부에 등방성(Isotropic) 식각을 이용하여 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array, 이하, MLA라 함)를 제조함으로써, CIS의 감도를 향상시킬 수 있는 형성 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 이미지 센서는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기적 신호로 변환하는 장치로서, 크게 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 여기서, 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사하는 계측, 제어, 인식 등의 분야에서 널리 상용되면서 그 응용 기술이 발전된다.
그리고, 이미지 센서는 MOS(Metal Oxide Semiconductor, 이하, MOS라 함)형과 CCD(Charge Coupled Device, 이하 CCD라 함)형의 2종류가 있다. 이중 CMOS형 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, 픽셀 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 이용하여 순차적인 출력으로 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 즉 CMOS형 이미지 센서는 CCD형 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 여러 가지 장점을 지니고 있다.
이러한 CMOS형 이미지 센서, 즉 CIS의 감도를 높이기 위해 MLA가 사용되는데, 이 MLA를 제조함에 있어서 렌즈(Lens)의 수차와 면적비율(통상, 'Fill Factor'라 칭함)이 가장 중요한 것으로, MLA를 제조할 때 대부분 서멀 리플로우(thermal reflow)에 의한 방법을 사용하고, 감도를 향상시키기 위하여 'Fill Factor'를 높이는 방법이 제시되고 있다.
상기한 바와 같이 동작되는 배경 기술에서 MLA를 제조함에 있어서, 일 예로, 도 1a에 도시된 바와 같이 원형 마스크를 이용하여 구형 렌즈 어레이(Spherical Lens Array)를 제조한 모습으로, 이와 같이 제조할 경우 0.79의 'Fill Factor'를 갖게되어 CIS의 감도가 향상되기에는 역부족하다. 이러한 부족한 점을 보안하기 위해 도 1b에 도시된 바와 같이 사각 마스크를 이용하여 MLA를 제작하여 구형 렌즈 어레이 보다 'Fill Factor'를 다소 높일 수는 있었지만, 'Fill Factor'를 높이기 위해 렌즈의 외각 형태가 사각으로 되어 있어 렌즈 면에서 수차 발생 즉 초점이 맞지 않게 되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 등방성(Isotropic) 식각을 이용하여 MLA를 제조함으로써, 렌즈의 형상을 구면으로 유지하면서 'Fill Factor'를 최대로 높여 CIS의 감도를 향상시킬 수 있는 CIS 소자의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CIS 형성 방법은, 로직 부분이 형성된 반도체 기판 상에 제1PR과 블록킹 레이어를 순차적으로 형성하는 단계와, 형성된 블록킹 레이어 상부에 제2PR을 도포하고 패턴닝한 후 패터닝된 제2PR을 마스크로 블록킹 레이어를 식각하여 MLA 패턴을 형성하는 단계와, MLA 패턴을 마스크로 등방성식각하여 제1PR을 패터닝하는 단계와, 제1PR의 패터닝된 부분에 제1PR보다 높은 굴절률을 갖는 물질을 채워 MLA를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 등방성식각은, 습식 에칭 또는 CDE 방식으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 CDE 방식은, 진공 높이를 300mT∼500mT 범위로 설정하고, 4분∼6분 범위의 시간으로 PR에 대하여 MLA 패턴을 블록킹 레이어로 하여 CH2F2 계의 가스를 이용하여 에칭하는 것을 특징으로 한다.
상기 높은 굴절률을 갖는 물질은, 노블락(Novolac) PR인 것을 특징으로 한다.
상기 블록킹 레이어는, 산화막(oxide) 혹은 실리콘 질화막(Si3N4)인 것을 특징으로 한다.
상기 블록킹 레이어를 식각하는 방식은, PEP(Photo Etching Process)으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 CIS 소자는, 포토다이오드를 포함하는 로직부분과, 로직 부분 상부에 도포되고 그 상부측 일부분이 등방식각된 PR층과, PR층의 등방식각된 부분에 PR층보다 굴절률이 더 높은 물질을 충진하여 형성한 MLA를 포함한다.
상기 등방식각된 부분은, 아래로 볼록한 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 등방성 식각을 이용하여 MLA를 제조함으로써, 렌즈의 형상을 구면으로 유지하면서 'Fill Factor'를 최대로 높여 CIS의 감도를 극대화시킬 수 있어 반도체 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 원형 마스크를 이용하여 제작한 렌즈 어레이 도면,
도 1b는 사각 마스크를 이용하여 제작한 렌즈 어레이 도면,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자의 MLA 구조를 도시한 도면,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MLA를 위한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 각 공정별 수직 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 렌즈의 형상을 구면으로 유지하면서 제작한 렌즈 어레이 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
301 : CIS 303 : PR
303a : MLA PR 패턴 305 : 블록킹 레이어
305a : MLA 패턴 307 : PR 패턴
309 : 높은 굴절률을 갖는 물질
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 CIS 소자의 구조를 도시한 도면이다.
즉, 반도체 공정 과정에 통해 반도체 기판에 포토 다이오드를 포함하는 로직 부분(301) 상부에 포토 레지스트(Photo Resist, 이하, PR이라 함)이 전면 도포되어 있다.
이후, PR 상부 전면에 블록킹 레이어와 MLA 패턴을 형성하기 위한 PR 패턴을 순차적으로 형성하고, 형성된 PR 패턴을 마스크로 식각 공정을 실시하여 전면 증착된 블록킹 레이어를 선택적으로 제거하여 MLA 패턴을 형성한 다음에, MLA 패턴을 마스크로 등방성(isotropic) 식각을 실시하여 MLA PR 패턴(303a)을 형성할 수 있다.
다음에, MLA PR 패턴(303a) 상부 전면에 이 MLA PR 패턴(303a)의 굴절률(n1) 보다 높은 굴절률(n2)을 갖는 물질(309)을 채워 넣고 평탄화 과정을 실시하여 볼록 형태의 구조로 이루어진 MLA를 제작할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MLA를 위한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 각 공정별 수직 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 통상적인 반도체 공정 과정에 의해 반도체 기판에 포토 다이오드를 포함하는 로직 부분(301)을 형성하고, 이 로직 부분(301) 상부에 PR(303)을 전면 도포한다. 여기서, 로직 부분은 수광된 빛을 전기적 신호로 처리하는 부분이다.
다음으로, PR(303)이 전면 도포된 상태에서 도포된 PR(303) 상부 전면에 블록킹 레이어(305)를 일 예로, 도 3b에 도시된 바와 같이 형성한다. 여기서, 블록킹 레이어는 산화막(oxide) 혹은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성하는 것이 바람직하다.
이후, 목표로 하는 임의의 패턴으로 설계된 레티클을 이용하는 노광 공정과 현상 공정을 실시하여 블록킹 레이어(305) 상부에 전면 도포된 PR의 일부를 선택적으로 제거함으로써, 일 예로 도 3c에 도시된 바와 같이 MLA 패턴을 형성하기 위한 PR 패턴(307)을 형성한다.
상술한 바와 같이 형성된 PR 패턴(307)을 마스크로 식각 공정(예컨대, 포토 에칭 프로세스(Photo Etching Process, 이하, PEP라 함) 방식을 실시하여 전면 증착된 블록킹 레이어(305)를 선택적으로 제거하여 일 예로, 도 3d에 도시된 바와 같이 MLA 패턴(305a)을 형성한 다음에, 스트리핑(Striping) 공정을 실시하여 잔류하는 PR 패턴(307)을 제거한다.
다음에, MLA 패턴(305a)을 마스크로 등방성(isotropic) 식각을 실시하여 일 예로 도 3e에 도시된 바와 같이 MLA PR 패턴(303a)을 형성한다. 여기서, 등방성 식각은 습식 에칭(wet etching) 또는 화학적 다운스트림 에칭(Chemical downstream etching, 이하, CDE라 함) 방식을 사용하는 것이 바람직하고, CDE일 경우 진공을 상대적으로 높게 300mT∼500mT 범위로 설정하고, 4분∼6분 범위의 시간으로 PR(303)에 대하여 MLA 패턴(305a)을 블록킹 레이어로 하여 CH2F2 계의 가스를 이용하여 에칭하는 것이 바람직하다.
마지막으로, MLA 패턴(305a)을 제거한 다음에, 형성된 MLA PR 패턴(303a) 상부 전면에 이 MLA PR 패턴(303a)의 굴절률(n1) 보다 높은 굴절률(n2)을 갖는 물질(309)을 채워 넣고 평탄화 과정을 실시하여 일 예로, 도 3f에 도시된 바와 같이 볼록 형태의 MLA를 제작할 수 있다. 여기서, 높은 굴절률(n2)을 갖는 물질(309)은, 노블락(Novolac) PR을 사용하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 등방성 식각을 이용하여 MLA를 제조함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 렌즈의 형상을 구면으로 유지하면서 'Fill Factor'를 최대로 높여 CIS의 감도를 극대화시킬 수 있어 반도체 수율을 향상시킬 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (8)
- 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)를 형성하는 방법으로서,로직 부분이 형성된 반도체 기판 상에 제1포토 레지스트(photo resist)와 블록킹 레이어를 순차적으로 형성하는 단계;상기 형성된 블록킹 레이어 상부에 제2포토 레지스트를 도포하고 패턴닝한 후, 상기 패터닝된 제2포토 레지스트를 마스크로 상기 블록킹 레이어를 식각하여 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array) 패턴을 형성하는 단계;상기 마이크로 렌즈 어레이 패턴을 마스크로 습식 에칭(wet etching) 또는 화학적 다운스트림 에칭(chemical downstream etching) 방식으로 식각하여 상기 제1포토 레지스트를 패터닝하는 단계;상기 제1포토 레지스트의 패터닝된 부분에 노블락(Novolac) 포토 레지스트를 채워 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 씨모스 이미지 센서 형성 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 화학적 다운스트림 에칭 방식은, 진공 높이를 300mT∼500mT 범위로 설정하고, 4분∼6분 범위의 시간으로 상기 제1포토 레지스트에 대하여 마이크로 렌즈 어레이 패턴을 블록킹 레이어로 하여 CH2F2 계의 가스를 이용하여 에칭하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 형성 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 블록킹 레이어는, 산화막(oxide) 혹은 실리콘 질화막(Si3N4)인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 블록킹 레이어를 식각하는 방식은, 포토 에칭 프로세스(Photo Etching Process)로 수행하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 형성 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| B701 | Decision to grant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120726 Year of fee payment: 4 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |