KR100995828B1 - 이미지 센서 제조방법 - Google Patents

Abstract

컬러별 코팅/노광/현상 공정 이후에 컬러간 오버레이가 틀어져 발생할 수 있는 문제를 보정하여 크로스토크에 의한 이미지 불량을 개선할 수 있는 오버레이 측정 과정을 정밀검사(micro inspection) 과정 이전에 포함시켜 이루어지는 이미지 센서 제조방법.

오버레이, 패턴

Description

이미지 센서 제조방법{A method of fabrication an image sensor}

본 발명은 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컬러 필터 어레이의 오버레이 측정을 통해 오버레이 오정렬에 의한 문제점을 해결할 수 있는 오버레이 공정을 포함하는 이미지 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상신호(Optical Image Signal)를 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 모스 커패시터를 이용하는 전하결합소자(Charge Coupled Device : CCD)와 모스 트랜지스터를 이용하는 씨모스 이미지 센서로 구분된다.

상기 전하결합소자는 화소수에 대응하는 모스 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 배치되어 광검출소자(Photo Detector)에 의해 검출된 전하 캐리어를 모스 커패시터에 저장하여 이송시키는 소자이며, 씨모스 이미지센서는 광검출소자에 의해 검출된 전하 캐리어를 씨모스 기술에 의해 구현되는 제어회로(Control Circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing Circuit)로 제어하여 순차적으로 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

상기 전하결합소자는 복잡한 구동방식과 높은 전력소모의 단점뿐만 아니라 제작에 요구되는 마스크가 30~40개 정도로 많아 공정이 복잡하고, 신호처리회로를 전하결합소자와 동시에 구현할 수 없기 때문에 단일 칩(One Chip)으로 제작하기 어려운 단점 등으로 인해 최근에는 씨모스 제조기술을 이용한 씨모스 이미지 센서가 집중적으로 연구 개발되고 있다.

상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소에 광검출소자와 모스 트랜지스터를 형성하여 광검출소자에 의해 검출된 전하 캐리어를 순차적인 스위칭 방식으로 검출함으로써, 이미지를 구현하게 되는데, 씨모스 제조기술을 적용함에 따라 전력소모도 낮고, 20개 정도의 마스크로 구현되어 공정이 매우 단순하며, 신호 처리회로와 단일칩으로 제작할 수 있어 차세대 이미지 센서로 각광받고 있다.

상기 씨모스 이미지 센서를 제조하기 위해서는 기판 상에 소정 재질의 레이어들을 형성하고, 원하는 형태로 패터닝하는 사진식각 공정이 수차례 내지 수십차례 반복 수행되는 씨모스 제조기술을 적용한다.

잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지소자 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.

또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지소자와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크 게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에, 광감지 면적은 제한될 수 밖에 없다. 따라서 광 감도를 높여주기 위하여 광 감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼리필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하여 종래기술에 따른 이미지센서의 컬러 필터 및 마이크로 렌즈 형성 방법을 설명한다.

도 1a는 하부구조(11) 형성이 완료된 반도체 기판(10) 상에 페시베이션(passivation) 산화막(12)을 형성하여 평탄화시키고, 컬러 필터 어레이를 구현하기 위해 페시베이션 산화막(12) 상에 먼저 블루 포토 레지스트 패턴(B)을 형성한 상태를 보이고 있다. 도 1b는 전체 구조 상에 레드 포토 레지스트를 도포하고 노광 및 현상해서 레드 포토 레지스트 패턴(R)을 형성한 상태를 도시하고, 도 1c는 전체 구조 상에 그린 포토 레지스트를 도포하고 노광 및 현상해서 그린 포토 레지스트 패턴(G)을 형성한 상태를 도시하고 있다.

도 1a 내지 도 1c에 도시한 바와 같은 종래의 방법은 컬러 필터 어레이 형성을 위해 블루, 레드, 그린 포토 레지스트 패턴(B, R, G) 형성 공정을 연속적으로 진행하는데, 노광 공정시의 마스크 오정렬(mask misalign) 또는 컬러 필터 어레이 패턴의 바이어스에 의해 마스크에 인접하여 정의된 대로 블루, 레드, 그린 포토 레지스트 패턴(B, R, G)이 구현되지않고, 도 1b 및 도 1c에 보이는 바와 같이 블루, 레드, 그린 포토 레지스트 패턴(B, R, G)이 0.1 ㎛ 내지 0.4 ㎛ 정도 중첩(A) 된 다. 따라서, 페시베이션 산화막(12) 형성으로 평탄화되었던 표면상태가 컬러 필터 형성으로 단차가 발생하게 되어, 컬러 필터 상부에 마이크로 렌즈 형성시 변형(deformation)을 일으킨다.

사진 식각 공정에서는 기판 상에 형성되는 복수의 레이어들 사이의 오버레이 관계가 정밀하게 정렬되지 않을 경우에 레이어들 사이의 오정렬이 발생하어 씨모스 이미지 센서의 불량을 발생시키는 중요한 원인이 된다. 따라서, 관련 분야의 종사자들이 기판 상에 형성되는 복수의 레이어들 사이의 오버레이 관계를 정밀하게 정렬시키기 위한 다양한 노력들을 시도하고 있다.

한편, 종래 방식에 따른 이미지 센서에서 컬러 필터 어레이(color filter array)를 구현할 때, 컬러 필터 어레이와 상부금속(top metal), 컬러 필터와 마이크로 렌즈 간의 오버레이를 측정하고 있다. 그러나, 컬러 간의 오버레이는 측정하고 있지 않아서 이미지 센서의 특성에 문제가 될 수 있다. 즉, 컬러 필터와 상부 금속 또는 컬러 필터와 마이크로 렌즈 사이의 오버레이가 서로 잘 정렬된(alignment) 상태라도 서로 간의 약간의 편차가 x축이나 y축으로 수 십nm정도 틀어졌을 경우에는 기존의 측정방식으로는 컬러 간의 오버레이 측정이 없다. 따라서, 그 간격이 얼마나 틀어졌는지를 확인하지 못한 상태에서 컬러 필터 공정이 진행될 수 있다. 이러한 경우 빛이 목적 포토 다이오드에 입사되지 못하고 인접한 포토 다이오드에 입사하는 크로스토크(crosstalk) 현상이 발생하게 된다. 따라서, 이미지 센서를 최종 확인한 후에 이미지 쉬프트의 발생을 알 수 있게 됨으로 인애 막대한 불이익이 발생할 수 있다.

도 2는 종래 측정 방식에 따라 상부금속과 컬러필터, 컬러필터와 마이크로 렌즈 간의 오버레이를 측정한 예시도이다. 아웃박스(out box)인 메탈 오버레이 박스(metal overlay box)와, 이너박스(inner box)인 컬러 필터와 마이크로 렌즈 사이의 오버레이가 이상이 없음을 알 수 있다.

그러나, 도 3에서 보는 바와 같이 레드 컬러가 y축으로 쉬프트 되어 보이는 현상이 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 도 4에서와 같이 모듈 이미지(module image)를 보았을 경우 이미지(image)가 중심에서 그 초점이 형성되지 못하고 아래 방향으로 쉬프트된 것을 확인할 수 있다. 도 5에서 보는 바와 같이 붉고 검은 색의 결함(defect)들이 보이는데, 이 또한 컬러 사이의 오버레이가 틀어져서 도 3과 같이 형성되었기 때문이다.

본 발명은 이미지 센서의 품질을 개선할 수 있는 이미지 센서 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 컬러 오버레이 측정을 통하여 크로스토크(crosstalk) 발생을 방지할 수 있는 이미지 센서 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 오버레이 오정렬로 발생할 수 있는 이미지 센서 불량을 방지할 수 있는 이미지 센서 제조방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은 컬러 필터 오버레이를 순차적으로 오버레이 박스 패턴을 중첩시킴으로써 컬러 필터 오버레이가 틀어져 발생할 수 있는 문제를 보정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

발명에 따른 이미지 센서 제조방법의 구체적 구성은 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 패시베이션층을 형성하여 평탄화하는 단계; 상기 패시베이션층 상에 제 1 컬러 필터 중 어느 하나를 상부금속과 오버레이 시키는 단계 및 상기 제 1 컬러 필터 위에 제 2 컬러 필터 또는 제 3 컬러 필터 오버레이 박스 패턴을 형성시켜 각 컬러 필터 사이의 오버레이를 확인하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

발명에 따른 이미지 센서 제조방법의 세부적 구성의 특징은 상기 오버레이 박스 패턴은 이미 형성된 M3 오버레이 박스에 제 1 컬러 필터를 코팅하고, 마스크에 패터닝된 오버레이 박스 위에 컬러를 커팅하는 방식으로 형성되는 점이다.

발명에 따른 이미지 센서 제조방법의 다른 구성의 특징은 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 패시베이션층을 형성하여 평탄화하는 단계; 각 컬러 필터의 코팅/노광/현상 이후에 각각 컬러 필터의 오버레이를 수행하는 단계; 각 컬러 필터의 오버레이를 정밀 검사하는 단계를 포함하여 이루어지는 점이다.

본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법에 의한 효과는 다음과 같다.

첫째, 컬러 간에 오버레이가 틀어지는 것을 사전에 보정할 수 있다.

둘째, 컬러 오버레이 측정을 통해 크로스토크를 방지함으로써 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하기로 한다.

하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 패시베이션층을 형성하여 평탄화하는 과정이 이루어지면 각 컬러 필터의 코팅/노광/현상(coating/exposure/develop) 이후에 각각 컬러 필터의 오버레이 공정을 수행하고 이어 정밀 검사(micro inspection)을 수행한다.

한편, 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법 중 오버레이 공정에 따른 오버레이 측정방법은 다음과 같이 수행된다. 도 6은 본 발명에 따른 오버레이 패턴의 예시도이다. 도 6에서의 (a)는 상부금속(top metal)과 블루 컬러 필터 어레이(Blue CFA)의 오버레이를 나타낸 것이다. 이후, 순차적으로 그린 컬러 필터 어레이(Green CFA)와 레드 컬러 필터 어레이(Red CFA)가 올라가게 된다. 도 6의 (b)와 (c)처럼 오버레이 박스 패턴(overlay box pattern)을 형성시켜 컬러 간의 오버레이를 모니터링(monitoring)할 수 있게 나타낸 것이다. 오버레이 박스 패턴은 이미 형성된 M3 오버레이 박스에 블루 컬러 필터 마스크가 패터닝된 오버레이 박스위에 컬러 코팅하여 형성한다. 이후, 순차적으로 (b), (c)와 같이 다음 레이어의 오버레이 박스 패턴을 각각 형성하여 오버레이 오정렬 여부를 측정하게 된다.
즉 상부 금속을 포함하는 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상의 패시베이션층 상에 제1 컬러 필터 어레이(예컨대, 블루 컬러 필터 어레이)에 대한 제1 오버레이 박스 패턴을 형성한다. 이때 제1 컬러 필터 어레이에 대한 제1 오버레이 박스 패턴은 일반적으로 칩과 칩 사이의 스크라이브 라인(scribe line) 상에 형성되는 오버레이 측정을 위한 패턴을 의미한다.
그리고 제1 오버레이 박스 패턴 상에 제2 컬러 필터(예컨대, 그린 컬러 필터 어레이)에 대한 제2 오버레이 패턴을 형성하고, 제2 오버레이 박스 패턴 상에 제3 컬러 필터 어레이(예컨대, 적색 컬러 필터 어레이)에 대한 제3 오버레이 박스 패턴을 형성하고, 제1 오버레이 박스 패턴과 제2 오버레이 박스 패턴의 오정렬 여부를 측정한다. 이처럼 컬러 필터 어레이들 사이의 오버레이 오정렬에 대한 측정이 가능하다.

도 7은 본 발명에 따른 오버레이 박스 패턴을 이용하여 오버레이 정렬을 보정하는 실시 예시도이다. 도 7a는 보전 전의 오버레이 값을 도 7b는 오버레이 보정 이후의 값을 표시한 것이다. 이와 같이 컬러 간 오버레이가 틀어져 발생할 수 있는 문제를 보정함으로써 크로스토크(crosstalk)에 의한 이미지 품질 저하를 개선할 수 있게 된다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 이미지센서의 컬러 필터 및 마이크로 렌즈 형성 방법을 설명한 예시도이다.

도 2 내지 도 5는 종래 기술에 따른 컬러 간 오버레이 오정렬에 의한 결과를 나타낸 예시도이다.

도 6은 본 발명에 따른 오버레이 박스 패턴의 예시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 오버레이 박스 패턴을 이용하여 오버레이 정렬을 보정하는 실시 예시도이다.

Claims (3)

1. 상부 금속을 포함하는 하부구조의 형성이 완료된 반도체 기판 상에 패시베이션층을 형성하여 평탄화하는 단계;

   상기 패시베이션층 상에 제1 컬러 필터에 대한 제1 오버레이 패턴(overlay pattern)을 형성하고, 상기 상부 금속과 상기 제1 오버레이 패턴의 오정렬 여부를 측정하는 단계; 및

   상기 제1 오버레이 패턴 상에 제2 컬러 필터에 대한 제2 오버레이 패턴을 형성하고, 상기 제1 오버레이 패턴과 상기 제2 오버레이 패턴의 오정렬 여부를 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지 센서의 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제

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