KR100937656B1 - 반도체 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 소자 및 그의 제조 방법이 개시된다. 이 방법은, 웨이퍼 상에 각자가 마이크로 렌즈를 갖는 다수의 이미지 센싱 소자들을 형성하는 단계와, 마이크로 렌즈들의 상부에 감광막을 도포하는 단계 및 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 감광막을 다중 노광하여 원하는 비구면을 갖는 비구면 렌즈 어레이를 생성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 감광막을 다중 노광하는 반도체 공정을 이용하여 웨이퍼 상에 비구면 렌즈 어레이를 만들 수 있고, Zernike Polynomial에 해당하는 그레이 스케일 마스크 세트를 설정하고, 설정된 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 다양한 크기와 모양의 비구면을 웨이퍼 레벨에서 만들 수 있는 효과를 갖는다.
반도체 소자, 이미지 센서, 마이크로 렌즈, 비구면 렌즈, 그레이 스케일 마스크

Description

반도체 소자 및 그의 제조 방법{Semiconductor device and method for manufacturing the device}
본 발명은 이미지 센서와 같은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 이미지 센서에 비구면 렌즈를 형성하는 반도체 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
모바일 전화기(mobile phone)나 개인 휴대용 정보 단말기(PDA:Personal Digital Assistant) 등의 소형 전자 기기에 씨모스(CMOS:Complementary Metal-Oxide Ssemiconductor) 이미지 센서를 이용한 카메라가 많이 사용되고 있다. 이러한 카메라가 보다 고화질의 이미지를 제공할 수 있도록 하기 위해, 이미지 센서와 함께 이미징(imaging) 렌즈의 발달이 불가피하게 되었다. 이로 인해, 2매 이상의 이미징 렌즈를 정밀하게 제작하여 정확하게 정렬하는 기술이 특히 중요하게 되었다. 최근에 이미징 렌즈를 웨이퍼 행태로 제작하여 이를 이미지 센서와 웨이퍼 레벨에서 결합하여 다이싱함으로써 이미징 렌즈를 정밀하게 제작하고 정렬하는 방법이 도입되고 있다. 특히, 이미지 센서의 앞단에 존재하게 되는 이미징 렌즈는 비구면으로 형성되는 경우가 많기 때문에, 반도체 공정을 이용하여 비구면을 형성하는 방법의 개발이 무엇보다도 절실하게 요구된다. 왜냐하면, 종래의 경우 이미징 렌즈는 플라스틱을 이용한 압출 성형을 이용하여 제작된다. 따라서, 한 번의 공정으로 제작되는 이미징 렌즈의 개수는 10개 미만으로서 그 수가 적을 뿐만 아니라, 이러한 이미징 렌즈는 열을 가하여 제작되므로 열 수축 등의 문제를 야기시킬 수 있기 때문이다. 즉, 열적 리플로우(thermal reflow)를 이용하여 제작되는 이미징 렌즈의 경우 그의 계면 형상은 구면 등으로 한정되며, 표면 장력을 이용하여 표면을 형성하는 데 있어서 렌즈 크기에 대한 한계를 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이미지 센싱 소자의 상부에, 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 원하는 다양한 형태의 비구면 렌즈들을 웨이퍼 레벨에서 형성할 수 있는 반도체 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자 형성 방법은, 웨이퍼 상에 마이크로 렌즈를 포함하는 다수의 이미지 센싱 소자들을 형성하는 단계; 상기 마이크로 렌즈들의 상부에 감광막을 도포하는 단계; 및 다수의 그레이 스케일 마스크를 포함하는 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 상기 감광막을 다중 노광하여 상기 마이크로 렌즈들 상에 원하는 비구면을 갖는 비구면 렌즈 어레이를 생성하는 단계를 구비하며, 상기 그레이 스케일 마스크들을 아래의 Zernike 다항식 전개에 의해 조합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112009063233987-pat00014

(여기서, W(ρ,θ)는 상기 비구면 렌즈의 면 정보를 나타내고, wn은 Zernike 계수를 나타내고, Z(ρ,θ)n는 Zernike 다항식을 나타낸다.)
또는, 상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자는, 웨이퍼 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 다수의 이미지 센싱 소자들; 및 상기 다수의 마이크로 렌즈들 상부에 도포된 감광막에 다수의 그레이 스케일 마스크를 포함하는 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 다중 노광으로 원하는 비구면으로 형성된 비구면 렌즈 어레이를 구비하며, 상기 그레이 스케일 마스크들을 아래의 Zernike 다항식 전개에 의해 조합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112009063233987-pat00015

(여기서, W(ρ,θ)는 상기 비구면 렌즈의 면 정보를 나타내고, wn은 Zernike 계수를 나타내고, Z(ρ,θ)n는 Zernike 다항식을 나타낸다.)
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체 소자 및 그의 제조 방법은 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 감광막을 다중 노광하는 반도체 공정을 이용하여 웨이퍼 상에 비구면 렌즈 어레이를 만들 수 있고, Zernike Polynomial에 해당하는 그레이 스케일 마스크 세트를 설정하고, 설정된 그레이 스케일 마스크 세 트를 이용하여 다양한 크기와 모양의 비구면을 웨이퍼 레벨에서 만들 수 있는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 도 2a 내지 도 2d들은 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 반도체 소자의 외부 공정도들이다. 도 3a 내지 도 3d들은 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법에 의한 반도체 소자의 공정 단면도들이다.
본 발명에 의하면, 도 2a에 도시된 바와 같이 예를 들면 석영(quartz)등으로 이루어진 웨이퍼(100) 상에 다수의 이미지 센싱 소자들(110)을 형성한다(제50 단계). 여기서, 다수의 이미지 센싱 소자들(110) 각각은 마이크로 렌즈(미도시)를 갖는다. 부연하면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 다수의 이미지 센싱 소자들(120 및 122)을 형성한다.
여기서, 마이크로 렌즈를 갖는 이미지 센싱 소자 예를 들면, CMOS 이미지 센서(미도시)를 제조하는 방법은 일반적인 사항이므로, 상세한 설명을 생략한다. 예를 들어, CMOS 이미지 센서를 제조하는 일반적인 방법은 대한민국 공개 특허 번호 10-2007-0069950에 개시되어 있다.
제50 단계 후에, 도 2b에 도시된 바와 같이 이미지 센싱 소자들(110)의 마이크로 렌즈들의 상부에 감광막(photoresist)(112)을 도포한다(제52 단계). 부연하면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 이미지 센싱 소자들(120 및 122)의 상부 예를 들면, 이미지 센싱 소자들(120 및 122)의 마이크로 렌즈들(미도시)의 상부에 감광막(124)을 도포한다.
제52 단계 후에, 도 2c에 도시된 바와 같이 그레이 스케일 마스크(GSM:Gray Scale Mask) 세트(set)를 이용하여 노광량을 조절하여 감광막(112)을 다중 노광하므로써, 원하는 다양한 형태의 비구면을 갖는 비구면 렌즈 어레이(114)를 생성한다(제54 단계). 부연하면, 도 3c에 도시된 바와 같이, GSM 세트를 마스크로서 이용하여 감광막(124)을 노광(123)하여, 비구면 렌즈의 원하는 다양한 형태와 크기를 갖는 비구면(124A)을 형성한다. 이 때, 본 발명에 의하면, 그레이 스케일 마스크를 하나씩 순차적으로 사용하여 감광막(124)을 노광(123)할 수 있다. 비구면을 표현하는 방법들 중에서 대표적인 방법이 제니크 다항식 전개(Zernike polynomial expansion)이다. 원하는 다양한 형태와 크기의 비구면 렌즈를 형성하는 노광 공정에서, 그레이 스케일 마스크(GSM)들은 다음 수학식 1과 같은 Zernike 다항식 전개에 의해 조합되어 이용될 수 있다.
Figure 112007084826245-pat00001
여기서, W(ρ,θ)는 비구면 렌즈의 면 정보를 나타내고, wn은 Zernike 계수를 나타내고, Z(ρ,θ)n는 Zernike 다항식을 나타낸다. 예를 들어, Zernike 다항식 및 그 계수(coefficient)에 대한 일 례가 미국 특허 번호 7,122,774에 개시되어 있다. 수학식 1로부터 알 수 있듯이, 비구면 렌즈의 곡면은 제니크 다항식(Zernike polynomials)과 계수로서 표현될 수 있다.
한편, 감광막(124)에 대해 노광된 에너지로 인한 식각 깊이는 선형적인 것이 바람직하다.
도 4는 GSM 세트의 일 례를 나타내는 도면으로서, Z0 내지 Z8에 해당하는 그레이 스케일 마스크를 각각 나타낸다. 도 5는 원하는 비구면 렌즈(200)의 제니크 다항식(Zernike Polynomial)의 표현식과 이에 따른 다중 노광의 일 모습을 나타낸다.
GSM 세트의 각 그레이 스케일 마스크는 도 4에 도시된 바와 같이 다양한 형태를 취할 수 있으며, 일반적으로 하나의 그레이 스케일 마스크를 이용하여 임의의 형상의 표면을 만드는데 유용하다. 즉, 그레이 스케일 마스크(210)를 이용하여 감광막(124)을 노광하면 모양(230)으로 감광막(124)이 변하고, 감광막(124)을 그레이 스케일 마스크(212)를 이용하여 노광하면 모양(232)로 감광막(124)이 변한다. 또한, 그레이 스케일 마스크(214)를 이용하여 감광막(124)을 노광하면 모양(234)으로 감광막(124)이 변하고, 감광막(124)을 그레이 스케일 마스크(216)를 이용하여 노광하면 모양(236)으로 감광막(124)이 변하고, 감광막(124)을 그레이 스케일 마스크(218)를 이용하여 노광하면 모양(238)으로 감광막(124)이 변한다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은 비구면 렌즈(200)를 얻고자 하는 경우, 본 발명에 의하면, Zernike 다항식(Z4, Z9, Z16, Z25 및 Z36) 각각에 Zernike 계수들(0.1, 0.5, -0.3, 0.2 및 -0.4)을 각각 승산하고, 승산된 결과들을 합산한다. 여기서, 도 5에 도시된 GSM들(210, 212, 214, 216 및 218)은 Zernike 다항식들(Z4, Z9, Z16, Z25 및 Z36)에 각각 해당한다. 부연하면, 그레이 스케일 마스크들(210, 212, 214, 216 및 218)을 순차적으로 순서에 무관하게 사용하여 감광막(124)을 노광하면, 도 5에 도시된 바와 같은 비구면 렌즈(200)를 얻을 수 있다. 도 5에서 각 계수의 값은 가변이며, 임의의 값으로 변경되거나 설정될 수 있다.
제54 단계 후에, 도 2d에 도시된 바와 같이 웨이퍼(100)를 절단(dicing)하여, 비구면 렌즈들(114)이 형성된 이미지 센싱 소자들을 분할하여 각각의 이미지 센싱 소자(114a)를 획득한다(제56 단계). 부연하면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(100)를 다이싱하여, 원하는 비구면을 갖는 비구면 렌즈들을 갖는 이미지 센싱 소자들(120A 및 122A)을 획득한다.
이하, 본 발명에 의한 반도체 소자를 다음과 같이 설명한다.
도 3d를 참조하면, 본 발명에 의한 반도체 소자는 다수의 이미지 센싱 소자들(120A 및 122A)과 비구면 렌즈 어레이(124A 및 124B)를 갖는다. 여기서, 다수의 이미지 센싱 소자들(120A 및 122A)은 웨이퍼(100) 상에 형성되며, 각각 마이크로 렌즈를 갖는다. 비구면 렌즈(124A 및 124B)는 마이크로 렌즈들의 상부에 도포된 후, 그레이 스케일 마스크(GSM) 세트를 이용하여 다중 노광되므로써 원하는 다양한 형태와 크기를 갖는 비구면을 갖도록 형성된다.
일반적으로, 이미지 센싱 소자(120 및 122)의 마이크로 렌즈의 상부에 비구면 렌즈(120A 및 122A)를 더 얹은 형태로 형성하므로써, 이미지 센싱 소자의 포토 다이오드에 더 많은 광이 포커싱될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 의하면, GSM 세트를 이용하여 웨이퍼 레벨에서 다수의 이미지 센싱 소자들의 상부에 비구면 렌즈들을 형성하고, 다양한 형태와 크기를 갖는 비구면 렌즈를 포함하는 이미지 센싱 소자들을 다이싱한다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 2a 내지 도 2d들은 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 반도체 소자의 외부 공정도들이다.
도 3a 내지 도 3d들은 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조 방법에 의한 반도체 소자의 공정 단면도들이다.
도 4는 GSM 세트의 일 례를 나타내는 도면이다.
도 5는 원하는 비구면 렌즈의 제니크 다항식의 표현식과 이에 따른 다중 노광의 일 모습을 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 웨이퍼
110, 120, 122 : 비구면 렌즈를 갖지 않은 이미지 센싱 소자들
112, 124, 124A : 감광막 114, 124A, 124B : 비구면 렌즈
114a, 120A, 122A : 비구면 렌즈를 갖는 이미지 센싱 소자

Claims (6)

  1. 웨이퍼 상에 마이크로 렌즈를 포함하는 다수의 이미지 센싱 소자들을 형성하는 단계;
    상기 마이크로 렌즈들의 상부에 감광막을 도포하는 단계; 및
    다수의 그레이 스케일 마스크를 포함하는 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 상기 감광막을 다중 노광하여 상기 마이크로 렌즈들 상에 원하는 비구면을 갖는 비구면 렌즈 어레이를 생성하는 단계를 구비하며,
    상기 그레이 스케일 마스크들을 아래의 Zernike 다항식 전개에 의해 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 형성 방법.
    Figure 112009063233987-pat00016
    (여기서, W(ρ,θ)는 상기 비구면 렌즈의 면 정보를 나타내고, wn은 Zernike 계수를 나타내고, Z(ρ,θ)n는 Zernike 다항식을 나타낸다.)
  2. 제1 항에 있어서, 상기 그레이 스케일 마스크를 각각 사용하여 상기 감광막을 노광하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서, 상기 감광막에 대해 노광된 에너지에 대한 식각 깊이는 선형적인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 형성 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 반도체 소자 형성 방법은
    상기 웨이퍼를 절단하여, 상기 비구면 렌즈들이 형성된 상기 이미지 센싱 소자들을 분할하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 형성 방법.
  6. 웨이퍼 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 다수의 이미지 센싱 소자들; 및
    상기 다수의 마이크로 렌즈들 상부에 도포된 감광막에 다수의 그레이 스케일 마스크를 포함하는 그레이 스케일 마스크 세트를 이용하여 다중 노광으로 원하는 비구면으로 형성된 비구면 렌즈 어레이를 구비하며,
    상기 그레이 스케일 마스크들을 아래의 Zernike 다항식 전개에 의해 조합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
    Figure 112009063233987-pat00017
    (여기서, W(ρ,θ)는 상기 비구면 렌즈의 면 정보를 나타내고, wn은 Zernike 계수를 나타내고, Z(ρ,θ)n는 Zernike 다항식을 나타낸다.)
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