KR101012235B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상호 인접한 마이크로 렌즈가 서로 다른 표면 특성을 가지도록 하여 서로간의 반발력에 의해 브리지 마진을 넓게 확보하며, 제 1 형의 표면 특성을 가지는 마이크로 렌즈 그룹이 형성될 영역과 제 2 형의 표면 특성을 가지는 마이크로 렌즈 그룹이 형성될 영역의 하부에 형성하는 평탄화층에 두 영역간의 단차를 두어 브리지 마진을 보다 넓게 확보하고, 마이크로 렌즈들 사이에 갭이 존재하는 않는, 즉 제로 갭이 실현되어 마이크로 렌즈의 필팩터를 증가되고, 제로 갭의 구현으로 인해 간섭현상이 감소하여 노이즈가 감소하며, 필팩터의 증가로 인해 이미지 센서의 감도가 향상, 특히 녹색 감도가 향상되는 이점이 있다.
마이크로 렌즈, 브리지 마진, 제로 갭
Description
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상호 인접한 마이크로 렌즈가 서로 다른 표면 특성을 가지는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
주지와 같이 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 씨씨디(CCD: Charged Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 있다.
씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 씨모스 이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 씨씨디 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 씨모스 기술을 사 용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광 기술이다.
예컨대, 씨모스 이미지 센서는 빛을 감지하는 광 감지 부분과, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 회로 부분으로 구성되어 있다. 여기에서, 광 감지 부분에는 통상 포토다이오드가 사용된다.
이러한 구성의 씨모스 이미지 센서를 제조함에 있어서, 광감도를 증가시키기 위해 전체 이미지 센서 면적에서 광 감지 부분의 면적이 차지하는 비율을 증가시켜야 한다.
그러나, 로직 회로 부분을 제외한 부분에만 광 감지 부분을 형성할 수 있으므로, 광 감지 부분의 면적을 증가시키는 데에는 한계가 있다.
따라서, 광 감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지 부분으로 모아주는 집광 기술이 많이 연구되고 있는 바, 그 중 하나가 이미지 센서의 칼라 필터 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 기술이다.
이러한 마이크로 렌즈가 적용된 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 도 1a 내지 도 1d의 소자 단면도를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(11)를 포함하는 광 감지부(13)들 및 배선 본딩 패드(도시 생략됨)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(21)을 형성한다. 그리고, 배선 본딩 패드(도시 생략됨) 상부 의 보호층(21) 일부를 제거하는 포토 공정을 수행하여 배선 본딩 패드(도시 생략됨)를 오픈한다. 이때, 오픈 공정은 포토레지스트를 도포 및 패터닝 후에 보호층(21)의 일부를 식각하여 제거하고, 남아 있는 포토레지스트는 반응성 이온 식각을 통해 제거한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 보호층(21) 상부에 칼라 필터 어레이(23)를 형성한다. 여기에서, 칼라 필터 어레이(23)는 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함하는 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 형성한 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 칼라 필터 어레이(23)의 상부에 평탄화층(25)을 형성한다. 평탄화층(25)은 칼라 필터 어레이(23)의 단차 극복, 마이크로 렌즈(27)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 것이다. 이때, 평탄화층(25)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막으로 형성할 수 있다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 평탄화층(25) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하고, 계속하여 포토레지스트를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 리플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시켜 마이크로 렌즈(27)를 형성한다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(27) 위에 보호막(29)을 형성한다. 마이크로 렌즈(27)로 사용되는 포토레지스트는 경도가 매우 약해 웨이퍼 절단(wafer sawing)을 할 때에 발생한 파티클(particle)이 표면에 박혀 마이크로 렌즈(27)가 망가질 수 있으므로 이를 막기 위해 보호막(29)을 형성하는 것이다. 이때 보호막(209)은 주로 낮은 온도(약 180℃)에서 USG(Un-doped Silicate Glass)를 증착하며, 이를 LTO(Low Temperature Oxide)라고 일컫는다.
앞서 설명한 바와 같은 종래 기술에 따른 제조 방법에 의한 이미지 센서는 인접한 마이크로 렌즈들 사이의 브리지(bridge) 현상을 방지하기 위한 갭(r)이 존재하는데, 이러한 갭은 마이크로 렌즈의 필팩터(fill factor)를 감소시키고, 갭을 통해 들어온 빛이 간섭현상(crosstalk)을 유발하는 문제점이 있다. 특히 이러한 문제점은 소자가 소형화되면서 더 큰 이슈가 되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 상호 인접한 마이크로 렌즈가 서로 다른 표면 특성을 가지도록 하여 서로간의 반발력에 의해 브리지 마진(margin)을 넓게 확보할 수 있도록 한다.
또한, 제 1 형의 표면 특성을 가지는 마이크로 렌즈 그룹이 형성될 영역과 제 2 형의 표면 특성을 가지는 마이크로 렌즈 그룹이 형성될 영역의 하부에 형성하는 평탄화층에 두 영역간의 단차를 두어 브리지 마진을 보다 넓게 확보한다.
본 발명의 일 관점에 따른 이미지 센서는, 광 감지부 및 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 서로 이격되어 형성되어 제 1 형의 표면 특성을 가지는 제 1 그룹 마이크로 렌즈와, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈들 사이에 형성되어 제 2 형의 표면 특성을 가지는 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 포함한 다.
여기서, 상기 이미지 센서는, 상기 반도체 기판과 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈 및 제 2 그룹 마이크로 렌즈와의 사이에 형성되어 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈의 형성 영역과 상기 제 2 그룹 마이크로 렌즈의 형성 영역과의 사이에 단차를 가지는 평탄화층을 더 포함한다.
상기 제 1 형의 표면 특성은 친수성이며, 제 2 형의 표면 특성은 소수성인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 관점에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 광 감지부 및 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판 상에 서로 이격되어 제 2 형의 표면 특성을 가지는 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈에 대한 표면 처리를 통해 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈의 상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계와, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈들 사이에 상기 제 2 형의 표면 특성을 가지는 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계는, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 산소 플라즈마에 노출시킨다.
상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 광 감지부의 상부에 형성된 상기 칼라 필터 어레이의 상부에 평탄화층을 형성한 후 그 상부에 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 형성하며, 상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계는, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈의 표면 특성을 개질하면서 상기 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 형성할 영역에 대한 식각을 통해 상기 평탄화층에 단차를 형성한다.
상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계는, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈 및 상기 평탄화층에 대한 반응성 이온 식각을 수행한다.
상기 제 1 형의 표면 특성은 친수성이며, 제 2 형의 표면 특성은 소수성인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상호 인접한 마이크로 렌즈가 서로 다른 표면 특성을 가지도록 하여 서로간의 반발력에 의해 브리지 마진을 넓게 확보하며, 제 1 형의 표면 특성을 가지는 마이크로 렌즈 그룹이 형성될 영역과 제 2 형의 표면 특성을 가지는 마이크로 렌즈 그룹이 형성될 영역의 하부에 형성하는 평탄화층에 두 영역간의 단차를 두어 브리지 마진을 보다 넓게 확보한다.
이로써, 마이크로 렌즈들 사이에 갭이 존재하는 않는, 즉 제로 갭(zero gap)이 실현되어 마이크로 렌즈의 필팩터를 증가되고, 제로 갭의 구현으로 인해 간섭현상이 감소하여 노이즈(noise)가 감소한다. 필팩터의 증가로 인해 이미지 센서의 감도가 향상, 특히 녹색(green) 감도가 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체 적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 의해 제조된 이미지 센서의 단면도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 이미지 센서는, 광 감지부(104) 및 칼라 필터 어레이(108)가 형성된 반도체 기판(100)과, 반도체 기판(100) 상에 형성되어 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)의 형성 영역과 제 2 그룹 마이크로 렌즈(116)의 형성 영역과의 사이에 단차를 가지는 평탄화층(110)과, 평탄화층(110) 상에 서로 이격되어 형성되어 제 1 형의 표면 특성이라 할 수 있는 친수성을 가지는 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)와, 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)들 사이에 형성되어 제 2 형의 표면 특성이라 할 수 있는 소수성을 가지는 제 2 그룹 마이크로 렌즈(116)를 포함한다. 도면 중 미설명 부호인 102는 광 감지부(104)를 구성하는 포토다이오드이며, 106은 보호층이며, 118은 보호막이다.
이와 같은 본 발명에 따른 이미지 센서의 구성은 이하에서 설명될 제조 방법에 대한 설명으로부터 보다 깊이 이해할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들이다. 이 도면들을 참조하여 이미지 센서 제조 방법에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(102)를 포함하는 광 감지부(104)들 및 배선 본딩 패드(도시 생략됨)가 형성된 반도체 기판(100) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(106)을 형성한다. 그리고, 배선 본딩 패드(도시 생략됨) 상부의 보호층(106) 일부를 제거하는 포토 공정을 수행하여 배선 본딩 패드(도시 생략됨)를 오픈한다. 이때, 오픈 공정은 포토레지스트를 도포 및 패터닝 후에 보호층(106)의 일부를 식각하여 제거하고, 남아 있는 포토레지스트는 반응성 이온 식각을 통해 제거한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 보호층(106) 상부에 칼라 필터 어레이(108)를 형성한다. 여기에서, 칼라 필터 어레이(108)는 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함하는 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 형성한 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 조합으로 이루어질 수 있다. 즉 3번의 포토리소그래피 공정을 통해 칼라 필터 어레이(108)를 형성할 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 칼라 필터 어레이(108)의 상부에 평탄화층(110)을 형성한다. 평탄화층(110)은 칼라 필터 어레이(108)의 단차 극복 및 추후 형성할 마이크로 렌즈(도 3f의 도면부호 112 및 116)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 것으로 생략될 수도 있다. 이때, 평탄화층(110)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막으로 형성한다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 설계에 따라 평탄화층(110)의 표면에 형성하고자 하는 전체 마이크로 렌즈 중에서 일부를 격번으로 선택하여 모집한 마이크로 렌즈들을 제 1 그룹 마이크로 렌즈라 할 때에, 제 1 그룹 마이크로 렌 즈(112)를 형성하기 위해 평탄화층(110) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하고, 계속하여 포토레지스트를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 리플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시켜 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)를 형성한다. 이때, 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)의 표면 특성은 물과의 친화력이 적은 성질인 소수성을 가진다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)에 대한 표면 처리를 수행하여 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)의 표면 특성을 소수성에서 물과의 친화력이 높은 성질인 친수성을 변경시킨다. 이때, 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)를 산소 플라즈마에 노출시키면 그 표면 특성을 소수성에서 친수성으로 변경시킬 수 있다.
여기서, 이미지 센서의 설계에 따라 평탄화층(110)의 표면에 형성하고자 하는 전체 마이크로 렌즈 중에서 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)를 제외한 마이크로 렌즈들을 제 2 그룹 마이크로 렌즈라 할 때에, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)의 표면 특성을 개질하면서 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 형성할 영역에 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)가 형성된 영역과의 단차를 만들어서 마이크로 렌즈들 사이의 브리지 현상을 방지할 수 있는 마진을 넓게 확보한다.
이를 위해, 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112) 및 평탄화층(110)에 대한 반응성 이온 식각을 통해 제 1 그룹 마이크로 렌즈(112)의 표면 특성을 소수성에서 친수성으로 개질하면서 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 형성할 영역에 대한 식각을 통해 평탄 화층(110)에 단차(114)를 형성한다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 제 2 그룹 마이크로 렌즈(116)를 형성하기 위해 평탄화층(110) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하고, 계속하여 포토레지스트를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 리플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시켜 제 2 그룹 마이크로 렌즈(116)를 형성한다. 이때, 제 2 그룹 마이크로 렌즈(116)의 표면 특성은 개질된 제 1 그룹 마이크로 렌즈(116)와는 달리 소수성을 가지므로 마치 물과 기름 사이와 같이 서로 반발력을 가지며, 이는 인접한 마이크로 렌즈들 사이에 브리지 현상이 발생할 우려를 감소시킨다. 더욱이 단차(114)는 인접한 마이크로 렌즈들 사이의 브리지 현상을 방지할 수 있는 마진을 더 넓게 확보한다. 따라서 도 1e의 종래 기술과 도 3f의 본 발명의 비교를 통해 알 수 있듯이 종래 기술에 의하면 마이크로 렌즈들 사이에 갭(r)이 존재하나, 본 발명에 의하면 마이크로 렌즈들 사이에 갭이 존재하는 않는, 즉 제로 갭이 실현된다.
다음으로, 마이크로 렌즈(112, 116) 위에 보호막(118)을 형성한다. 마이크로 렌즈(112, 116)로 사용되는 포토레지스트는 경도가 매우 약해 웨이퍼 절단을 할 때에 발생한 파티클이 표면에 박혀 마이크로 렌즈(112, 116)가 망가질 우려가 있으므로 이를 막기 위해 보호막(118)을 형성하는 것이다. 예컨대, 보호막(118)은 낮은 온도에서 실리콘 다이옥사이드(SiO2)를 증착하여 형성할 수 있으며, 종래 기술과 마찬가지로 낮은 온도에서 산화막을 증착하였으므로 LTO라 부를 수 있다고 할 것이다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들,
도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 의해 제조된 이미지 센서의 단면도,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도들.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 기판 102 : 포토다이오드
104 : 광 감지부 106 : 보호층
108 : 칼라 필터 어레이 110 : 평탄화층
112 : 제 1 그룹 마이크로 렌즈 114 : 단차
116 : 제 2 그룹 마이크로 렌즈 116 : 제 2 그룹 마이크로 렌즈
Claims (8)
- 광 감지부 및 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판과,상기 반도체 기판 상에 서로 이격되어 형성되어 제 1 형의 표면 특성을 가지는 제 1 그룹 마이크로 렌즈와,상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈들 사이에 형성되어 제 2 형의 표면 특성을 가지는 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 이미지 센서는, 상기 반도체 기판과 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈 및 제 2 그룹 마이크로 렌즈와의 사이에 형성되어 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈의 형성 영역과 상기 제 2 그룹 마이크로 렌즈의 형성 영역과의 사이에 단차를 가지는 평탄화층을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 형의 표면 특성은 친수성이며, 제 2 형의 표면 특성은 소수성인 것을 특징으로 하는이미지 센서.
- 광 감지부 및 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판 상에 서로 이격되어 제 2 형의 표면 특성을 가지는 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와,상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈에 대한 표면 처리를 통해 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈의 상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계와,상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈들 사이에 상기 제 2 형의 표면 특성을 가지는 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계는, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 산소 플라즈마에 노출시키는이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 광 감지부의 상부에 형성된 상기 칼라 필터 어레이의 상부에 평탄화층을 형성한 후 그 상부에 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈를 형성하며,상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계는, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈의 표면 특성을 개질하면서 상기 제 2 그룹 마이크로 렌즈를 형성할 영역에 대한 식각을 통해 상기 평탄화층에 단차를 형성하는이미지 센서의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 표면 특성을 제 2 형에서 제 1 형으로 개질하는 단계는, 상기 제 1 그룹 마이크로 렌즈 및 상기 평탄화층에 대한 반응성 이온 식각을 수행하는이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항 내지 제 7 항 중에서 어느 한 항에 있어서,상기 제 1 형의 표면 특성은 친수성이며, 상기 제 2 형의 표면 특성은 소수성인 것을 특징으로 하는이미지 센서의 제조 방법.
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