KR100971207B1 - 마이크로렌즈 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 센서에 있어서, 특히 씨드막을 이용하여 제조되는 이미지 센서의 마이크로렌즈와 그의 제조 방법에 관한 것으로, 포토레지스트의 리플로우 공정없이 씨드막 상에 추가적으로 막을 증착하여 보다 우수한 거칠기를 갖도록 해주는 마이크로렌즈 제조 방법이 웨이퍼 상에 씨드 산화막을 증착하는 단계와, 씨드 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하고, 웨이퍼 전면에 대해 플라즈마를 이용하여 씨드 산화막 패턴의 코너를 라운딩하는 단계와, 잔류하는 포토레지스트를 제거하는 단계 및 씨드 산화막 패턴 상에 산화막을 재증착하는 단계로 이루어지는 것이 특징인 발명이다.

이미지 센서, 씨드 산화막 패턴, 코너 라운딩, 플라즈마, 마이크로렌즈

Description

마이크로렌즈 및 그 제조 방법{microlens, method of fabricating microlens thereof}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 씨드막을 이용하여 제조되는 이미지 센서의 마이크로렌즈와 그의 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보, 예컨데 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자이다.

이미지 센서는 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서와 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 분류될 수 있다.

CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비하여 광감도(Photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하나, 고집적화에 어려움이 있고, 전력 소모가 높다.

이에 반하여, CMOS 이미지 센서(CIS)는 CCD 이미지 센서에 비하여 공정들이 단순하고, 고집적화에 적합하며, 전력 소모가 낮다.

따라서, 최근에는 반도체 소자의 제조 기술이 고도로 발전함에 따라, CMOS 이미지 센서의 제조 기술 및 특성이 크게 향상되어 CMOS 이미지 센서에 대한 연구 가 활발히 진행되고 있다.

CIS 에서 해상도의 향상을 위해 일반적으로 마이크로렌즈(micro-lens: ML)를 이용하여 외부 빛을 집광하는 방식을 사용한다. 여기서, 포토레지스트(Photo-resist: PR)를 마이크로렌즈를 만드는데 사용하고 있는데, 포토레지스트의 경우에는 기계적 강도가 좋지 않다는 단점이 있다. 그러한 이유로 인해, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 시 발생하는 파티클(particle)에 의해 소자의 불량률(fail rate)이 증가한다.

상기한 문제를 해결하기 위해, 포토레지스트에 기계적 강도가 우수한 저온 산화물(low temperature oxide: LTO)를 적용하여 사용하고 있다. 그러나, 이 경우에도, 포토레지스트와 저온 산화물(LTO)의 계면에서 크랙(crack)이 발생하고 또한 전파되는 문제로 인해 소자의 사용 중 칩 전체의 손상을 발생시키는 문제가 발생되고 있다.

그에 따른 대안으로써, 마이크로렌즈 자체를 저온 산화물(LTO)로 제작하는 방법도 있는데, 이때는 리플로우(reflow)한 포토레지스트를 마스크로 사용하여 저온 산화물(LTO)를 식각하여 렌즈를 제작한다.

상세하게, 포토레지스트로 만들어진 마이크로렌즈와 같은 렌즈 형태를 제작하기 위해, 포토레지스트를 리플로우하여 굴곡이 있는 씨드막을 형성한다.

도 1a는 포토레지스트의 리플로우 이전의 상태를 나타낸 도면으로, 리플로우 이전에는 마이크로렌즈 간의 CD(critical dimension)와 웨이퍼 내의 균일성(uniformity)이 양호하다. 도 1b는 포토레지스트의 리플로우 이후의 상태를 나타 낸 도면으로, 리플로우 이후에는 인접한 마이크로렌즈 간의 CD와 웨이퍼 내의 균일성이 굉장히 나빠진다. 즉, 포토레지스트의 리플로우 이후에는 픽셀 간의 CD 차이가 심하게 발생한다.

도 1c는 포토레지스트의 리플로우 이후의 웨이퍼 단면을 나타낸 도면이고, 도 1d는 포토레지스트의 리플로우 이후의 상태를 나타낸 틸트 이미지(Tilt image)이다.

도 2a 내지 2c는 리플로우된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 식각한 후에 씨드막을 나타낸 평면도들과 단면도이다. 도 2a 내지 2c에서 알 수 있듯이, 식각 후 씨드막의 표면이 거칠어 양호하지 못하다. 특히, 픽셀의 엣지부분에서는 훨씬 심하며, 라인 엣지 거칠기(line edge roughness)도 좋지 않다. 이러한 원인 중에 하나는 식각에 사용되는 포토레지스트의 두께가 얇기 때문일 수 있다.

상기와 같이 씨드막의 표면 거칠기가 불량한 상태에서 그 씨드막 상에 저온산화물(LTO)을 추가로 증착하면 도 3a 내지 도 3c에 나타낸 것과 같이 표면 거칠기가 불량한 마이크로렌즈가 형성된다.

결국 종래 기술에서, 포토레지스트를 리플로우하는 공정은 통계적 공정 관리(statistical process control: SPC)가 어렵고, 리플로우 포토레지스트를 패터닝(Patterning)한 엣지부분(edge)이 굉장히 거칠다. 그래서, 리플로우한 포토레지스트를 마스크로 사용하여 저온산화물(LTO)을 식각함에 따라, 엣지 식각 프로파일이 불량하다는 문제가 여전히 남게 된다. 결국, 마이크로렌즈 어레이에서 픽셀 간 특성 차이를 유발할 수도 있으므로 소자 성능을 저하시키는 원인으로 작용한다.

본 발명의 목적은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로써, 표면의 거칠기가 우수한 마이크로렌즈와 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 포토레지스트의 리플로우 공정없이 씨드막 상에 추가적으로 막을 증착하여 보다 우수한 거칠기를 갖도록 해주는 마이크로렌즈 제조 방법과 그에 따라 제조되는 마이크로렌즈를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로렌즈 제조 방법의 특징은, 웨이퍼 상에 씨드 산화막을 증착하는 단계와, 씨드 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하고, 웨이퍼 전면에 대해 플라즈마를 이용하여 씨드 산화막 패턴의 코너를 라운딩하는 단계와, 잔류하는 포토레지스트를 제거하는 단계 및 씨드 산화막 패턴 상에 산화막을 재증착하는 단계로 이루어지는 것이다.
바람직하게, 상기 포토레지스트 패턴을 형성할 시에 상기 포토레지스트 패턴은, 상기 식각 후에 잔류하는 상기 포토레지스트의 두께가 1000Å 이상이 되도록 해주는 두께로 형성된다. 또한, 상기 씨드 산화막 패턴의 측면이 경사지도록 폴리머 생성 공정을 사용하여 상기 식각을 실시한다. 또한 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 습식 식각을 실시한다.

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바람직하게, 상기 코너를 라운딩하는 단계는, 상기 웨이퍼 전면에 대해 상기 플라즈마를 이용한 블랭킷 식각(blanket etch)을 실시하여 상기 코너를 노출시킨다.

바람직하게, 상기 코너를 라운딩하는 단계는, 상기 웨이퍼 전면에 대해 상기 플라즈마를 이용한 화학적 다운 스트림 식각(chemical down stream etch)을 실시하여 상기 코너를 노출시킨다.

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본 발명에 의하면, 막의 코너 라운딩을 위한 포토레지스트의 리플로우 공정 없이 씨드막 상에 추가적으로 막을 증착하여도 보다 우수한 거칠기의 렌즈를 구현할 수 있다. 물론, 포토레지스트를 리플로우하는 공정이 없기 때문에, 통계적 공정 관리(SPC)를 용이하게 할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 플라즈마를 이용하여 씨드 산화막의 코너를 라운딩시킴 으로써, 하부의 씨드 산화막과 상부에 추가로 증착되는 산화막 간에 거칠기는 물론 픽셀 간의 엣지 영역에서도 표면 거칠기가 현저히 우수해진다.

또한, 마이크로렌즈 간(즉, 픽셀 간)의 CD(critical dimension) 차이가 급격히 향상되며, 그에 따라 이미지 센서의 성능도 향상된다.

또한, 하부의 씨드 산화막의 두께 및 폭에 대비하여 그 상부에 추가 증착되는 산화막의 증착 두께를 조절하는 식으로, 전체 마이크로렌즈의 폭과 높이를 쉽게 조절할 수 있다. 이는 마이크로렌즈의 초점거리(focal length)를 조절하는데 유리하다. 정리하면, 씨드막의 크기에 따라 마이크로렌즈의 형태를 쉽게 제어할 수 있다.

또한 피치(pitch) 및 마이크로렌즈의 높이가 낮아야 하는 리딩 엣지 기술(leading edge technology)에 유용하게 이용될 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 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.

본 발명에서는 하부의 씨드 산화막 패턴을 형성할 때 사용되는 포토레지스트의 두께를 충분히 하여 식각 시 씨드 산화막이 노출되지 않도록 한다. 그에 따라, 포토레지스트의 충분한 두께로 인해 씨드 산화막이 보호되기 때문에, 식각에 의해 전혀 영향을 받지 않는다. 결국, 하부 씨드 산화막의 표면은 증착 당시의 거칠기를 유지할 수 있다.

또한 본 발명에서는 하부의 씨드 산화막 패턴의 상부에 추가로 막을 증착하기 이전에 플라즈마 노출에 의해 하부 씨드 산화막의 코너를 라운딩함으로써 렌즈의 표면 거칠기를 곱게 한다. 이는 씨드 산화막의 보정으로써 렌즈 표면을 곱게 한다는 것이다.

도 4a 내지 4e는 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 제조 절차와 그에 따른 마이크로렌즈를 나타낸 도면들이다.

도 4e는 본 발명에 따른 마이크로렌즈를 나타낸 것으로, 그 마이크로렌즈는 웨이퍼와, 그 웨이퍼 상에 코너 라운딩(10)되어 형성된 씨드 산화막 패턴과, 그 씨드 산화막 패턴 상에 재증착된 산화막으로 구성된다.

특히, 씨드 산화막 패턴은 웨이퍼 상에 증착된 산화막을 1차 식각하여 씨드 산화막 패턴을 형성한 후에 그 형성된 패턴에 대해 플라즈마 노출을 이용하는 2차 식각을 통해 코너를 라운딩함으로써 만들어진다.

상기에서 1차 식각은 씨드 산화막 패턴의 측면이 보다 경사지도록 폴리머 생성 공정을 사용하여 식각을 실시한다. 그 예로써, 습식 식각을 실시하는 것이 바람직하며, 또는 건식 식각도 이용할 수 있음은 당연하다.

또한 상기에서 2차 식각은 플라즈마를 이용한 식각으로써, 플라즈마를 이용한 블랭킷 식각(blanket etch)을 실시하여 코너를 노출시키는 방식을 사용한다. 또 는 플라즈마를 이용한 화학적 다운 스트림 식각(chemical down stream etch)을 실시하여 코너를 노출시키는 방식을 사용한다.

상기한 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 제조 절차에 대해 이하 상세한다.

도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴을 이용하여 웨이퍼 상에 마이크로렌즈를 형성하기 위한 씨드 산화막 패턴을 형성한다. 도 4c는 웨이퍼 상에 씨드 산화막 패턴이 형성된 것을 나타낸 것이다.

상기 씨드 산화막 패턴의 형성에 대해 상세하면, 먼저 웨이퍼 상에 씨드 산화막을 증착한다.

이후에, 도 4a에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈를 형성하기 위한 포토레지스트 패턴을 증착된 씨드 산화막 상에 형성시킨다.

이어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 씨드 산화막의 일부를 선택적으로 식각한다. 여기서, 식각 후 포토레지스트 패턴의 두께는 1000Å 이상이다. 즉, 식각 후 1000Å 이상의 두께를 갖는 포토레지스트 패턴이 씨드 산화막 패턴 상에 잔류한다. 결국 본 발명에서 식각 전의 포토레지스트 패턴은 식각 후에 잔류하는 포토레지스트의 두께가 1000Å 이상이 되도록 하는 두께로 형성된다.

그리고, 상기 포토레지스트 패턴을 이용한 식각은, 씨드 산화막 패턴의 측면이 경사지도록 폴리머 생성 공정을 사용한다. 예컨데, 폴리 생성 공정을 사용하는 습식 식각 또는 건식 식각을 실시할 수 있다.

다음에는 도 4c에 도시된 바와 같이, 식각 후 잔류하는 포토레지스트를 제거 하여 씨드 산화막 패턴을 형성한다.

특히, 도 4d에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 상기 형성된 씨드 산화막 패턴의 코너를 라운딩한다. 즉, 상기 씨드 산화막 패턴을 포함하는 웨이퍼 전면에 대해 플라즈마를 이용하여 상기 씨드 산화막 패턴의 코너를 라운딩한다.

상기한 코너 라운딩(10)을 위해 본 발명에서는 웨이퍼 전면에 대해 플라즈마를 이용한 블랭킷 식각(blanket etch)을 실시하거나, 웨이퍼 전면에 대해 상기 플라즈마를 이용한 화학적 다운 스트림 식각(chemical down stream etch)을 실시한다.

즉, 상기 블랭킷 식각(blanket etch)이나 화학적 다운 스트림 식각(chemical down stream etch)에 의해 씨드 산화막 패턴의 코너를 플라즈마에 노출시켜 라운딩한다.

마지막으로, 도 4e에 도시된 바와 같이, 코너 라운딩된 씨드 산화막 패턴 상에 산화막을 재증착하여 마이크로렌즈를 완성한다. 도 5a 내지 5b는 도 4a 내지 4e를 통해 제조된 마이크로렌즈의 형상을 나타낸 단면도와 평면도이다.

한편, 상기한 산화막 대신에 알루미늄 메탈막을 씨드막으로 사용한 테스트를 실시하고, 그에 따른 본 발명에 대한 성능 평가를 설명한다.

알루미늄 메탈막 즉, 씨드막의 높이는 360nm이고, 그 씨드막 상부에 렌즈를 형성하기 위한 산화막을 7750nm로 증착한다.

도 5a에는 290nm, 410nm 및 591nm의 씨드막 폭에 따른 산화막으로 제조된 렌즈의 폭 변화 및 렌즈의 프로파일 변화를 나타낸다.

도 5a에서 알 수 있듯이 산화막으로 제조된 렌즈의 높이는 씨드막의 높이와 거의 동일하다. 즉, 마이크로렌즈의 높이를 조절하려면 씨드막의 두께를 조절하면 되기 때문에 본 발명에서와 같이 마이크로렌즈의 높이 제어가 용이함을 알 수 있다.

도 5b는 측면을 보인 단면도로써, 우수한 표면 거칠기를 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 씨드 산화막의 폭에 따른 마이크로렌즈의 폭 변화를 나타낸 그래프로써, 씨드 산화막의 폭에 따른 마이크로렌즈의 폭 변화는 선형관계임을 알 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 씨드 산화막의 높이가 낮은 경우에 형성되는 마이크로렌즈를 나타낸 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 씨드 산화막의 폭과 그 씨드 산화막 상에 추가로 증착되는 막의 두께에 따라 예상되는 마이크로렌즈의 폭을 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 8에서 씨드 산화막의 폭과 그 씨드 산화막 상에 추가로 증착되는 막의 두께로써 마이크로렌즈의 폭을 예상할 수 있는 관계식은 다음의 식 1이다.

마이크로렌즈 폭 = A + 2C * tanθ

상기한 식 1에서 A는 씨드 산화막의 바닥면 폭, C는 추가로 증착되는 막의 두께, 그리고 θ는 추가 증착 공정의 콘포멀(Conformal) 각도이다. 예로써, PE-CVD의 경우에는 θ는 "20°≤ θ ≤ 30°"일 수 있다.

이상의 본 발명에서는 씨드 산화막 패턴이 코너 라운딩되기 때문에, 씨드 산 화막 패턴 상부에 산화막이 재증착된 후에는 씨드 산화막과 재증착된 산화막 사이의 경계선상에서 즉, 두 막 사이의 엣지(edge)의 거칠기가 우수해진다. 결국 재증착된 산화막에 의해 형성되는 렌즈의 표면이 곱게(fine) 형성된다.

그리고, 이상의 본 발명에서 사용된 씨드 산화막 및 추가 증착되는 산화막으로써, 저온산화물(LTO)을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.

도 1a는 포토레지스트의 리플로우 이전의 상태를 나타낸 도면이고, 도 1b는 포토레지스트의 리플로우 이후의 상태를 나타낸 도면이고, 도 1c는 포토레지스트의 리플로우 이후의 웨이퍼 단면을 나타낸 도면이고, 도 1d는 포토레지스트의 리플로우 이후의 상태를 나타낸 틸트 이미지(Tilt image)이다.

도 2a 내지 2c는 리플로우된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 식각한 후에 씨드막을 나타낸 평면도들과 단면도이다.

도 3a 내지 도 3c는 표면 거칠기가 불량한 마이크로렌즈를 나타낸 평면도들과 단면도이다.

도 4a 내지 4e는 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 제조 절차와 그에 따른 마이크로렌즈를 나타낸 도면들이다.

도 5a 내지 5b는 도 4a 내지 4e를 통해 제조된 마이크로렌즈의 형상을 나타낸 단면도와 평면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 씨드 산화막의 폭에 따른 마이크로렌즈의 폭 변화를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 씨드 산화막의 높이가 낮은 경우에 형성되는 마이크로렌즈를 나타낸 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 씨드 산화막의 폭과 그 씨드 산화막 상에 추가로 증착되는 막의 두께에 따라 예상되는 마이크로렌즈의 폭을 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (9)

1. 웨이퍼 상에 씨드 산화막을 증착하는 단계;

   상기 씨드 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하고, 상기 웨이퍼 전면에 대해 플라즈마를 이용하여 상기 씨드 산화막 패턴의 코너를 라운딩하는 단계;

   잔류하는 상기 포토레지스트를 제거하는 단계; 및

   상기 씨드 산화막 패턴 상에 산화막을 재증착하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴을 형성할 시에 상기 포토레지스트 패턴은, 상기 식각 후에 잔류하는 상기 포토레지스트의 두께가 1000Å 이상이 되도록 해주는 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 씨드 산화막 패턴의 측면이 경사지도록 폴리머 생성 공정을 사용하여 상기 식각을 실시하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 사용하여 습식 식각을 실시하는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 코너를 라운딩하는 단계는,

   상기 웨이퍼 전면에 대해 상기 플라즈마를 이용한 블랭킷 식각(blanket etch)을 실시하여 상기 코너를 노출시키는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 코너를 라운딩하는 단계는,

   상기 웨이퍼 전면에 대해 상기 플라즈마를 이용한 화학적 다운 스트림 식각(chemical down stream etch)을 실시하여 상기 코너를 노출시키는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 제조 방법.
8. 삭제
9. 삭제

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