KR101176545B1 - 마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한이미지 센서 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 개시된 본 발명의 마이크로 렌즈의 형성방법은 하부 구조물이 구비된 반도체 기판 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 기판 상에 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 및 상기 캡핑막이 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 상기 기판 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 이미지 센서는 상기 방법 또는 그와 유사한 방법으로 형성된 마이크로 렌즈를 포함하고, 마이크로 렌즈의 중앙 하부에 폴리실리콘으로 이루어진 지주(pole) 형상의 포토 다이오드 부분을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한 이미지 센서 및 그의 제조방법{Method for forming micro-lens and image sensor comprising micro-lens and method for manufacturing the same}
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 3 및 도 4는 종래 기술의 문제점을 보여주는 이미지 센서의 평면사진 및 단면사진이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 부분 단면도이 다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 부분 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 부분 단면도이다.
도 12a 내지 도 12g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 13은 본 발명에서 엑시머 레이저 어닐링(ELA)를 수행하기 이전의 비정질의 실리콘 패턴을 보여주는 평면사진이다.
도 14는 도 13에 도시된 비정질의 실리콘 패턴을 950mJ/㎠의 강도로 ELA하여 형성한 폴리실리콘 패턴을 보여주는 평면사진이다.
도 15는 본 발명의 방법으로 형성한 폴리실리콘 패턴 및 마이크로 렌즈용 껍질부를 보여주는 단면도이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 부분 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
SUB : 반도체 기판 PD1 : 포토다이오드의 제1 부분
PD2 : 포토 다이오드의 제2 부분 PD : 포토다이오드
ILD : 층간절연막 M : 금속 배선
S : 마이크로 렌즈의 껍질부 F : 렌즈 물질
MLa : 마이크로 렌즈 CF : 컬러 필터층
본 발명은 마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광학적 효율을 개선할 수 있는 마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 렌즈(micro-lens)는 현재 이미지 센서(image sensor), 액정표시장치 및 광통신 시스템과 같이 다양한 분야에 적용되어 사용되고 있으며, 장래에 CD나 DVD와 같은 광 디스크 드라이브(ODD)에서 정보를 기록하거나 재생하는 데 사용되는 대물렌즈로서 적용될 가능성도 있다.
마이크로 렌즈를 포함한 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 대표적으로 전하 결합 소자(charge coupled device : 이하, CCD라 함)와 씨모스 이미지 센서(complimentary metal oxide semiconductor image sensor : 이하, CMOS 이미지 센서라 함)가 있다.
CCD는 서로 근접한 위치에 배치되는 다수의 MOS 캐패시터를 포함하며, 빛에 의해 생성되는 전하(캐리어)가 MOS 캐패시터에 저장되거나 MOS 캐패시터 간을 이동함으로써 동작된다. 한편, CMOS 이미지 센서는 제어 회로(control curcuit) 및 신호 처리 회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술이 이용되는 소자로서, 다수의 단위 화소(pixel) 및 단위 화소의 출력신호를 제어하는 CMOS 회로를 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 CMOS 이미지 센서는 반도체 기판(SUB) 내에 활성영역을 한정하는 소자분리막(미도시)과, 소자분리막(미도시) 사이의 포토 다이오드(PD)를 구비한다. 여기서, 포토 다이오드(PD)는 입사광을 받아 전하를 축적하는 역할을 한다.
상기 소자분리막(미도시)과 포토 다이오드(PD)가 형성된 반도체 기판(SUB)의 전면 상에는 제1 층간절연막(ILD1)이 형성된다. 도시하지는 않았지만, 상기 제1 층간절연막(ILD1)은 다층 구조로 형성될 수 있고, 상기 제1 층간절연막(ILD1) 내에는 단위 화소를 구성하는 금속 배선(M)이 구비된다. 여기서, 상기 금속 배선(M)은 포토 다이오드(PD)로 입사되는 광을 막지 않도록 배치된다. 상기 금속 배선(M) 역시 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 층간절연막(ILD1) 상에는 각 포토 다이오드(PD) 형성영역과 대응하도록 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)으로 염색된 부분을 갖는 컬러 필터층(CF)이 형성되고, 상기 컬러 필터층(CF) 상에는 제2 층간절연막(ILD2이 형성된 다. 이때, 상기 제2 층간절연막(ILD2)은 단차 극복 및 마이크로 렌즈의 초점 길이 조절을 위한 오버코팅층으로 기능한다.
그리고 상기 제2 층간절연막(ILD2) 상에는 각 포토 다이오드(PD) 형성영역과 대응하도록 라운드(round)형 마이크로 렌즈(ML)가 형성된다. 여기서, 마이크로 렌즈(ML)는 입사광을 포토 다이오드(PD)로 집약시켜 주는 역할을 한다.
도시하지는 않았지만, 상기 제1 층간절연막(ILD1) 상에 포토 다이오드(PD) 및 금속 배선(M)을 외부의 수분 침투에 의한 열화로부터 보호하기 위한 보호막이 더 구비될 수 있고, 상기 보호막 상에는 단차 극복 및 접착성 개선을 위한 평탄화층이 더 구비될 수 있다.
그러나, 전술한 종래의 이미지 센서는 다음과 같은 문제가 있다.
첫째, 전술한 종래의 이미지 센서에서는 마이크로 렌즈(ML)들 사이에 빛을 집약시킬 수 없는 영역, 즉 데드존(dead zone)이 존재하여, 이로 인해, 광학적 효율(optical efficiency)이 낮아지는 문제가 있다.
상기 데드존(dead zone)이 발생하는 이유는 마이크로 렌즈(ML)의 형성방법과 관련되는데, 이에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 소정의 하부 구조물(미도시)을 구비한 반도체 기판(미도시) 상에 오버코팅층으로 기능하는 층간절연막(ILD)을 형성한 후, 상기 층간절연막(ILD) 상에 감광막(PR)을 도포한다.
도 2b를 참조하면, 상기 감광막의 소정 영역, 예컨대 마이크로 렌즈 형성 영역 이외의 영역을 노광한 후, 현상액으로 현상하여 감광막패턴(PRP)을 형성한다.
도 2c를 참조하면, 상기 감광막패턴을 유리 전이 온도(glass transition temperature : Tg) 이상의 온도, 예컨대 120～200℃ 정도의 온도에서 리플로우(reflow) 시켜 라운드형 마이크로 렌즈(ML)를 형성한다.
이와 같이 마이크로 렌즈(ML)는 일반적으로 감광제(photo resist)의 리플로우(reflow) 공정으로 형성되는데, 노광 장비의 해상도 한계 때문에 감광막패턴(PRP)의 간격을 소정 간격 이하로 낮춰주 어렵다. 이에 따라, 인접하는 마이크로 렌즈(ML)간 간격이 벌어지게 되고, 데드존(dead zone)이 발생된다.
도 3 및 도 4는 각각 종래 이미지 센서의 평면사진 및 단면사진으로서, 이를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 데드존(dead zone)이 발생된 것을 확인할 수 있다.
둘째, 전술한 종래의 이미지 센서에서는 입사광이 비스듬한 경우 마이크로 렌즈(ML)의 집광도가 떨어지게 된다. 즉, 입사광이 비스듬한 경우 마이크로 렌즈(ML)를 통과한 입사광의 일부가 대응하는 포토 다이오드(PD)에 도달하지 못할 수 있고, 이로 인해, 이미지 센서의 오작동이 유발될 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 이미지 센서에서 데드존(dead zone)으로 인한 광학적 효율 저하 문제를 개선함과 아울러 집광도를 개선할 수 있는 마이크로 렌즈의 형성방법을 제공함에 그 목 적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 데드존(dead zone)으로 인한 광학적 효율 저하 문제를 개선함과 아울러 집광도를 개선할 수 있도록 한 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하부 구조물이 구비된 반도체 기판 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 기판 상에 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴 및 상기 캡핑막을 어닐링(Annealing)하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 및 상기 캡핑막이 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 기판 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법을 제공한다.
또한, 상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 하부 구조물이 구비된 반도체 기판 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 기판 상에 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계; 및 상기 제1 껍질부을 덮도록 마이크로 렌즈용 제2 껍질부을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법을 제공한다.
또한, 상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 콘택홀을 갖는 층간절연막이 형성된 반도체 기판을 마련하는 단계; 상기 콘택홀 내에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주위의 층간절연막 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 및 상기 캡핑막이 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 기판 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법을 제공한다.
또한, 상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 콘택홀을 갖는 층간절연막이 형성된 반도체 기판을 마련하는 단계; 상기 콘택홀 내에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주위의 층간절연막 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 엑시머 레이저로 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계; 및 상기 제1 껍질부을 덮도록 상기 층간절연막 상에 마이크로 렌즈용 제2 껍질부을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법을 제공한다.
여기서, 상기 실리콘 패턴 및 실리콘 플러그는 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 실리콘 패턴은 10～50000Å의 폭 및 10～50000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 캡핑막은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 어닐링은 엑시머 레이저(Excimer Laser)에 의해 수행될 수 있고, 이때, 상기 엑시머 레이저 어닐링(Excimer Laser Annealing)은 100～3000mJ/㎠의 강도로 수행될 수 있다.
상기 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴은 상기 실리콘 패턴 보다 폭이 좁고 높이가 높다.
상기 껍질부 내에 채우는 렌즈 물질은 실리콘 산화막 또는 감광막일 수 있다.
상기 제2 껍질부은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다.
한편, 상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 기판; 상기 기판 표면 내의 불순물 도핑에 의해 형성된 포토 다이오드의 제1 부분; 상기 기판 상에 형성되고, 상기 제1 부분의 일부를 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막; 상기 콘택홀 부분에 상기 층간절연막 보다 높은 높이로 형성되고, 도핑된 폴리실리콘으로 이루어진 포토 다이오드의 제2 부분; 상기 제2 부분을 덮도록 층간 절연막 상에 형성된 라운드형 마이크로 렌즈; 및 상기 마이크로 렌즈 상부에 형성된 컬러 필터층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈는 껍질부와 내부로 구분되고, 그 내부가 렌즈 물질로 채워져 있거나 또는 비어 있는 구조일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 마이크로 렌즈는 다음과 같은 두 가지 구조일 수 있다.
첫째, 상기 마이크로 렌즈는 상기 포토 다이오드의 제2 부분의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 층간절연막으로부터 이격되어 있는 라운드형 껍질부; 및 상기 껍질부 내에 채워진 충전물;로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 충전물은 실리콘 산화막 또는 감광막으로 이루어질 수 있다.
둘째, 상기 마이크로 렌즈는 상기 포토 다이오드의 제2 부분의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 층간절연막으로부터 이격되어 있는 라운드형 제1 껍질부; 및 상기 제1 껍질부 및 그 주위의 층간절연막 부분 상에 형성된 제2 껍질부;로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 제2 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 컬러 필터층은 상기 마이크로 렌즈의 표면을 따라 형성되거나, 또는, 다른 층간절연막의 개재하에 상기 마이크로 렌즈와 이격하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 이미지 센서는 상기 컬러 필터층 상에 절연막의 개재하에 형성된 제2 마이크로 렌즈를 더 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 이미지 센서는 상기 컬러 필터층을 덮도록 층간절연막 상에 형성된 절연막; 상기 절연막의 상기 제2 부분 형성 영역과 대응하는 부분 상에 형성된 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴; 및 상기 폴리실리콘 패턴을 덮도록 절연막 상에 형성된 라운드형 제2 마이크로 렌즈;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 마이크로 렌즈는 전술한 마이크로 렌즈와 같이 껍질부와 내부로 구분되고, 그 내부가 렌즈 물질로 채워져 있거나 또는 비어 있는 구조일 수 있다. 그 구체적인 구조와 재질은 전술한 마이크로 렌즈의 그것과 동일하다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판 표면 내에 불순물을 도핑하여 포토 다이오드의 제1 부분을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 상기 제1 부분의 일부를 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 내부에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주위의 층간절연막 부분 상에 콘택홀 보다 큰 폭을 갖는 제1높이의 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴과 상기 실리콘 플러그로부터 상기 제1높이 보다 큰 제2높이를 갖고 포토 다이오드의 제2 부분으로 기능하는 폴리실리콘 패턴을 형성하고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 상기 캡핑막이 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 상기 층간절연막 사 이의 개구부를 통해 상기 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계; 및 상기 껍질부 상부에 컬러 필터층을 형성하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판 표면 내에 불순물을 도핑하여 포토 다이오드의 제1 부분을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 상기 제1 부분의 일부를 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 콘택홀 내부에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주위의 층간절연막 부분 상에 콘택홀 보다 큰 폭을 갖는 제1높이의 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 실리콘 패턴과 실리콘 플러그로부터 상기 제1높이 보다 큰 제2높이를 갖고 포토 다이오드의 제2 부분으로 기능하는 폴리실리콘 패턴을 형성하고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계; 상기 제1 껍질부 및 그 주위의 층간절연막 상에 마이크로 렌즈용 제2 껍질부를 형성하는 단계; 및 상기 제2 껍질부 상부에 컬러 필터층을 형성하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 실리콘 플러그는 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 실리콘 패턴은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 실리콘 패턴은 10～50000Å의 폭 및 10～50000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 캡핑막은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 어닐링은 엑시머 레이저에 의해 수행될 수 있고, 이때, 상기 엑시머 레이저 어닐링은 100～3000mJ/㎠의 강도로 수행될 수 있다.
상기 껍질부 내부에 채워지는 렌즈 물질은 실리콘 산화막 또는 감광막일 수 있다.
상기 제2 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 본 발명의 이미지 센서의 제조방법은 상기 껍질부 내부에 렌즈 물질을 채우는 단계 후, 그리고, 상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 전, 상기 껍질부를 덮도록 상기 층간절연막 상에 다른 층간절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 이미지 센서의 제조방법은 상기 제2 껍질부를 형성하는 단계 후, 그리고, 상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 전, 상기 제2 껍질부를 덮도록 상기 층간절연막 상에 다른 층간절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 이미지 센서의 제조방법은 상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 후, 상기 컬러 필터층 상에 절연막의 개재하에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 이미지 센서의 제조방법은 상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 후, 상기 컬러 필터층을 덮도록 상기 층간절연막 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막의 상기 실리콘 패턴 형성 영역에 대응하는 부분 상에 제2 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 실리콘 패턴을 덮도록 제2 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 제2 실리콘 패턴 및 상기 제2 캡핑막을 어닐링하여 상기 제2 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 제2 캡핑막을 라운드형 제2 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 및 상기 제2 캡핑막이 제2 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 상기 절연막 사이의 개구부를 통해 상기 제2 마이크로 렌즈용 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 실리콘 패턴은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 제2 실리콘 패턴은 10～50000Å의 폭 및 10～50000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제2 캡핑막은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 어닐링은 엑시머 레이저로 수행될 수 있고, 이때, 상기 엑시머 레이저 어닐링은 100～3000mJ/㎠의 강도로 수행될 수 있다.
상기 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴은 상기 제2 실리콘 패턴 보다 폭이 좁고 높이가 높다.
상기 제2 마이크로 렌즈용 껍질부 내에 채우는 렌즈 물질은 실리콘 산화막 또는 감광막일 수 있다.
상기 본 발명의 이미지 센서의 제조방법은 상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 후, 상기 컬러 필터층을 덮도록 상기 층간절연막 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막의 상기 실리콘 패턴 형성 영역에 대응하는 부분 상에 제2 실리콘 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 실리콘 패턴을 덮도록 제2 캡핑막을 형성하는 단계; 상기 제2 실리콘 패턴 및 상기 제2 캡핑막을 어닐링하여 상기 제2 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 제2 캡핑막을 라운드형 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계; 및 상기 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부 및 그 주위의 절연막 상에 제2 마이크로 렌즈용 제2 껍질부를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 실리콘 패턴은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 제2 실리콘 패턴은 10～50000Å의 폭 및 10～50000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제2 캡핑막은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 어닐링은 엑시머 레이저로 수행될 수 있고, 이때, 상기 엑시머 레이저 어닐링은 100～3000mJ/㎠의 강도로 수행될 수 있다.
상기 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴은 상기 제2 실리콘 패턴 보다 폭이 좁고 높이가 높다.
상기 제2 마이크로 렌즈용 제2 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한 이미지 센서 및 그의 제조방법을 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 반도체 기판(SUB) 상에 층간절연막(ILD)을 형성하고, 상기 층간절연막(ILD) 상에 실리콘 패턴(SP)을 형성한다. 여기서, 상기 실리콘 패턴(SP)은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있고, 10～50000Å의 폭 및 10～50000Å의 두께로 형성될 수 있다.
그런 다음, 상기 실리콘 패턴(SP)을 덮도록 층간절연막(ILD) 상에 캡핑막(C)을 형성한다. 상기 캡핑막(C)은 투과성이 높은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있고, 실리콘 패턴(SP) 및 층간절연막(ILD)의 표면을 따라 컨포멀(conformal)하게 형성됨이 바람직하다.
그런 후, 상기 실리콘 패턴(SP) 및 상기 캡핑막(C)을 어닐링(Annealing)한다. 이때, 상기 어닐링은 엑시머 레이저(Excimer Laser)로 수행되는 엑시머 레이저 어닐링(Excimer Laser Annealing : 이하, ELA) 일 수 있고, 상기 ELA의 강도는 100～3000mJ/㎠ 정도일 수 있다.
엑시머 레이저가 조사되면 투명한 캡핑막(C)을 통해 그 하부층으로 레이저가 들어하는데, 실리콘 산화막 재질의 층간절연막(ILD) 보다 실리콘 패턴(SP) 부분으 로 레이저가 집중된다. 이에, 실리콘 패턴(SP)의 온도가 급격히 상승하고, 실리콘 패턴(SP)이 부분 용융 또는 완전 용융된다. 용융되는 정도는 엑시머 레이저의 강도에 따라 조절될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 엑시머 레이저에 의해 용융된 실리콘 패턴은 표면 장력(surface tension) 등에 의해, 반구형과 유사한 모양을 가지려는 경향을 나타낸다. 한편, 용융된 실리콘 패턴이 점차 냉각되면서 그 중앙 하부에서 결정화를 위한 씨드(seed)들이 발생된다. 용융된 실리콘의 중앙 하부에서 씨드가 발생하는 것은 그 부분에서의 유체 흐름이 가장 적기 때문이다. 이러한 중앙 하부 씨드들로부터 상방향으로 다결정화가 진행된다. 도면부호 SP'는 다결정화 과정 중에 있는 실리콘 패턴을 나타낸다.
한편, 상기 다결정화가 진행되는 동안 캡핑막(C)도 어느 정도의 유연성을 갖게되고, 그 모양이 라운드형, 즉, 둥근 지붕 형태로 변형된다. 이때, 둥근 지붕 형태로 변형된 캡핑막의 가장자리 부분이 층간절연막(ILD)으로부터 분리되어 개구부가 발생된다. 도면부호 C'는 변형 과정 중에 있는 캡핑막을 나타낸다.
도 5c를 참조하면, ELA에 의한 다결정화를 통해 실리콘 플러그으로부터 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(P)을 형성함과, 아울러 캡핑막으로부터 변형된 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부(S)를 형성한다. 이때, 상기 폴리실리콘 패턴(P)의 폭은 상기 실리콘 패턴(SP) 보다 작고, 높이는 상기 실리콘 패턴(SP) 보다 높다. 그리고, 도시하지는 않았지만, 층간절연막(ILD) 상에는 캡핑막의 일부가 잔류될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 상기 캡핑막이 껍질부(S)로 변형되면서 유발된 껍질부 가장자리와 층간절연막(ILD) 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부(S) 내에 렌즈 물질(F)을 채워준다. 이로써, 껍질부(S) 및 껍질부(S) 내에 충전된 렌즈 물질(F)로 구성된 라운드형 마이크로 렌즈(MLa)가 형성된다. 여기서, 상기 껍질부(S) 내부에 채워지는 렌즈 물질(F)은 실리콘 산화막 또는 감광막일 수 있다. 실리콘 산화막을 LPCVD(Low Pressure Chemical Vaporation Deposition)로 형성하는 경우 개구부를 통해 껍질부(S) 내부를 채울 수 있고, 감광막을 이용하는 경우도 그 유동성으로 인해 껍질부(S) 내부를 채울 수 있다. 예컨대, 감광막을 이용하는 경우 유동성이 있는 감광막을 껍질부(S) 보다 높은 높이로 도포하여 껍질부(S) 내부를 감광막으로 채워지도록 한 후, 껍질부(S)를 식각 마스크로 이용해서 껍질부(S) 외부의 감광막 부분을 제거하면 껍질부(S) 내부에만 감광막이 잔류된다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시예는 상기 제1 실시예를 일부 개량한 방법으로서, 상기 제1 실시예의 도 5c의 공정까지는 동일하며 그 이후의 공정만이 상이하다. 이에, 중복 설명을 배제하기 위하여, 도 5c 공정 이후의 공정에 대해서만 설명하도록 한다. 그리고 설명의 편의상, 도 6에서는 도 5c의 껍질부(S)를 제1 껍질부(S1)라 한다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 껍질부(S1)을 덮도록 층간절연막(ILD) 상에 마이크로 렌즈용 제2 껍질부(S2)을 형성한다. 상기 제2 껍질부(S2)는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다. 이로써, 제1 및 제2 껍질부(S1, S2)로 구 성되고 내부가 비어 있는 마이크로 렌즈(MLb)가 형성된다.
한편, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 본 실시예는 전술한 제1 실시예와 기본적 원리는 동일하나 기판 상에 형성되는 하부구조물에 있어서 차이가 있다. 즉, 제1 실시예에서 기판 상에 형성되는 하부구조물은 층간절연막 이지만, 제3 실시예에서 기판 상에 형성되는 하부구조물은 실리콘 플러그를 포함하는 층간절연막이다. 상기 하부구조물을 제외한 구성요소들은 모두 동일하며 그에 대한 설명은 반복하지 않는다.
도 7a를 참조하면, 반도체 기판(SUB) 상에 층간절연막(ILD)을 형성한 후, 상기 층간절연막(ILD)의 소정 부분을 식각하여 기판(SUB)을 노출시키는 콘택홀(H)을 형성한다.
그런 다음, 상기 콘택홀(H) 내에 실리콘 플러그(SH)를 형성함과 아울러 상기 콘택홀(H) 및 그 주위의 층간절연막(ILD) 상에 실리콘 패턴(SP)을 형성한다. 여기서, 상기 실리콘 플러그(SH)는 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다. 계속해서, 상기 실리콘 패턴(SP)을 덮도록 층간절연막(ILD) 상에 캡핑막(C)을 형성한다.
그런 후, 상기 실리콘 패턴(SP), 실리콘 플러그(SH) 및 캡핑막(C)을 엑시머 레이저(Excimer Laser)로 어닐링(Annealing)한다. 여기서, 엑시머 레이저의 강도는 제1 실시예에서의 그것과 동일한 100～3000mJ/㎠ 정도일 수 있다.
엑시머 레이저가 조사되면 캡핑막(C)을 통해 그 하부층으로 레이저가 들어하 고, 실리콘 패턴(SP) 및 실리콘 플러그(SH)의 온도가 급격히 상승하여 그것들이 부분 용융 또는 완전 용융된다.
도 7b를 참조하면, 엑시머 레이저에 의해 용융된 실리콘 패턴은 표면 장력(surface tension) 등에 의해, 반구형과 유사한 모양을 가지려는 경향을 나타낸다. 한편, 용융된 실리콘 플러그 및 실리콘 패턴이 점차 냉각되면서 그들의 경계부 또는 실리콘 플러그의 하단부에서 결정화를 위한 씨드(seed)들이 발생된다. 이러한 씨드들로부터 상방향으로 다결정화가 진행된다. 그러므로, 용융된 실리콘 패턴은 냉각되면서 점차 지주(pole) 형상으로 변형된다.
한편, 상기 다결정화가 진행되는 동안 캡핑막(C)도 어느 정도의 유연성을 갖게되고, 그 모양이 라운드형, 즉, 둥근 지붕 형태로 변형된다. 이때, 둥근 지붕 형태로 변형된 캡핑막의 가장자리 부분이 층간절연막(ILD)으로부터 분리되어 개구부가 발생된다.
결과적으로 상기와 같은 ELA에 의해 실리콘 플러그 및 실리콘 패턴으로부터 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(P)이 형성됨과, 아울러 캡핑막으로부터 변형된 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부(S)이 형성된다.
도 7c를 참조하면, 상기 캡핑막이 껍질부(S)로 변형되면서 유발된 껍질부 가장자리와 층간절연막(ILD) 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부(S) 내에 렌즈 물질(F)을 채워준다. 이로써, 껍질부(S) 및 껍질부(S) 내에 충전된 렌즈 물질(F)로 구성된 라운드형 마이크로 렌즈(MLa)가 형성된다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다. 본 실시예는 상기 제3 실시예를 일부 개량한 방법으로서, 상기 제3 실시예의 도 7b의 공정까지는 동일하며 그 이후의 공정만이 상이하다. 중복 설명을 배제하기 위하여, 도 7b 공정 이후의 공정에 대해서만 설명하도록 한다. 그리고 설명의 편의상, 도 8에서는 도 7b의 껍질부(S)를 제1 껍질부(S1)라 한다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 껍질부(S1)을 덮도록 층간절연막(ILD) 상에 마이크로 렌즈용 제2 껍질부(S2)을 형성한다. 제2 껍질부(S2)의 재질은 제2 실시예에서의 그것과 동일하다. 이로써, 제1 및 제2 껍질부(S1, S2)로 구성되고 내부가 비어 있는 마이크로 렌즈(MLb)가 형성된다.
이후, 보다 자세히 설명하겠지만, 본 발명은 마이크로 렌즈를 종래의 포토 리소그라피(photo lithography) 및 리플로우(reflow) 공정이 아닌 ELA에 의한 캡핑막의 부풀어오름(swelling) 현상을 이용해서 형성하기 때문에, 마이크로 렌즈들 간의 이격 거리인 데드존(dead zone)을 감소시킬 수 있다. 특히, 캡핑막으로부터 변형된 제1 껍질부(S1) 외곽에 제2 껍질부(S2)를 부가하여 마이크로 렌즈를 형성하는 경우 데드존(dead zone)을 더욱 용이하게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 방법으로 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서를 제안한다. 본 발명의 이미지 센서에서는 상기 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 의한 마이크로 렌즈의 형성방법에서의 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(P)이 포토 다이오드의 일부로 이용될 수 있다.
도 9 및 도 10은 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 부분 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판(SUB) 표면 내에 불순물 도핑에 의해 형성된 포토 다이오드의 제1 부분(PD1)을 포함한다. 이때, 상기 제1 부분(PD1)은 제1 불순물 영역과 제2 불순물 영역이 차례로 적층된 구조이거나, 또는 어느 한 불순물 영역으로만 이루어진 구조일 수 있다.
상기 기판(SUB) 상에 상기 제1 부분(PD1)의 일부, 바람직하게는 중앙부를 노출시키는 콘택홀(H)을 갖는 층간절연막(ILD)이 형성된다. 상기 층간절연막(ILD)은 다층 구조일 수 있고, 층간절연막(ILD) 내에는 단위 화소를 구성하는 금속 배선(M)이 구비될 수 있다. 상기 금속 배선(M)은 입사광을 차단하지 않는 위치에 구비되고, 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 콘택홀(H) 부분에는 상기 층간절연막(ILD) 보다 높은 높이를 갖고, 도핑된 폴리실리콘으로 이루어진 포토 다이오드의 제2 부분(PD2)이 형성된다. 상기 포토 다이오드의 제2 부분(PD2)은 어느 한 불순물 영역으로만 이루어지는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는, 제1 불순물 영역과 제2 불순물 영역이 차례로 적층된 구조일 수도 있다. 상기 제2 부분(PD2)은 제1 부분(PD1)과 더불어 하나의 포토 다이오드(PD)로 기능한다.
상기 제2 부분(PD2)을 덮도록 층간절연막(ILD) 상에 라운드형 마이크로 렌즈(MLa, MLb)가 형성된다. 상기 마이크로 렌즈(MLa, MLb) 상에는 그 표면을 따라 컬러 필트층(CF)이 형성된다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(MLa, MLb)는 껍질부와 내부로 구분될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 그 내부가 렌즈 물질로 채워져 있거나 또는 도 6에 도시된 바와 같이 그 내부가 비어 있는 구조일 수 있다. 이와 같은 본 발명의 마이크로 렌즈 구조에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명의 마이크로 렌즈는, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 포토 다이오드의 제2 부분(PD2)의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 층간절연막(ILD)으로부터 이격되어 있는 라운드형 껍질부(S) 및 상기 껍질부(S) 내에 채워진 충전물(F)로 이루어질 수 있다. 이하에서는 이와 같은 마이크로 렌즈의 구조를 제1 타입이라 한다.
여기서, 상기 제1 타입 마이크로 렌즈(MLa)의 껍질부(S)는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어질 수 있고, 상기 충전물(F)은 실리콘 산화막 또는 감광막으로 이루어질 수 있다.
둘째, 본 발명의 마이크로 렌즈는, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 포토 다이오드의 제2 부분(PD2)의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 층간절연막(ILD)으로부터 이격되어 있는 라운드형 제1 껍질부(S1) 및 상기 제1 껍질부(S1) 및 그 주위의 층간절연막(ILD) 부분 상에 형성된 제2 껍질부(S2)로 이루어질 수 있다. 이하에서는 이와 같은 마이크로 렌즈의 구조를 제2 타입이라 한다.
여기서, 상기 제2 타입 마이크로 렌즈(MLb)의 제1 및 제2 껍질부(S1, S2)는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 이미지 센서에서 상기 마이크로 렌즈(MLa, MLb)들은 종래의 포토 리소그라피(photo lithography) 및 리플로우(reflow) 공정이 아닌 다른 방법, 즉, 전술한 본 발명의 마이크로 렌즈의 형성방법으로 형성되기 때문에, 마이크로 렌즈들 간의 이격 거리인 데드존(dead zone)을 감소시킬 수 있다. 특히, 상기 제2 타입은 제1 껍질부(S1) 외곽에 제2 껍질부(S2)를 부가적으로 형성한 구조이기 때문에 데드존(dead zone)을 더욱 용이하게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 이미지 센서에서는 포토 다이오드(PD)가 기판(SUB) 내의 제1 부분(PD1)과 그 중앙부에 세워진 지주(pole) 형상의 제2 부분(PD2)으로 구성되기 때문에, 포토 다이오드(PD)의 집광도가 개선된다. 즉, 입사광이 경사진 경우에도 제2 부분(PD2)이 빛의 손실을 방지해 주는 역할을 하기 때문에, 빛의 손실에 따른 센서의 오작동을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 이미지 센서는 상기 컬러 필터층(CF) 상에 절연막의 개재하에 형성된 제2 마이크로 렌즈를 더 포함할 수도 있는데, 이 경우, 컬러 필터층(CF)은 다른 층간절연막의 개재하에 상기 마이크로 렌즈(MLa, MLb)와 이격하여 형성될 수 있다. 상기 제2 마이크로 렌즈를 더 포함하는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 일례가 도 11에 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서는 도 9에 도시된 이미지 센서의 기판(SUB)부터 마이크로 렌즈(MLa)까지의 구조와 동일한 구조를 포함한다. 편의상, 도 11에서는 도 9의 마이크로 렌즈(MLa)를 제1 마이크로 렌즈(MLa-1)라 하고, 도 9의 층간절연막(ILD)을 제1 층간절연막(ILD2)이라 하고, 도 9의 금속 배선(M)을 제1 금속 배선(M1)이라 한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서에서는 제1 마이크로 렌즈(MLa-1) 상에 제2 층간절연막(ILD2)의 개재하에 컬러 필터층(CF)이 형성되고, 컬러 필터층(CF) 상에 제3 층간절연막(ILD3)이 형성된다. 상기 제3 층간절연막(ILD3) 내에는 제1 금속 배선(M1)과 유사한 형태의 제2 금속 배선(M2)이 구비될 수 있다.
상기 제3 층간절연막(ILD3)의 제2 부분(PD2) 형성 영역과 대응하는 부분 상에는 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(P)이 형성되고, 상기 폴리실리콘 패턴(P)을 덮도록 제3 층간절연막(ILD3) 상에 제2 마이크로 렌즈(ML-2)가 형성된다. 도시된 바와 같이, 상기 제2 마이크로 렌즈(ML-2)는 상기 폴리실리콘 패턴(P)의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 제3 층간절연막(ILD3)으로부터 이격된 라운드형 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부(S2-1)와, 상기 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부(S2-1) 및 그 주위의 제3 층간절연막(ILD3) 상에 형성된 제2 마이크로 렌즈용 제2 껍질부(S2-2)로 이루어질 수 있다.
도 11에서 제2 마이크로 렌즈(ML-2)는 내부가 비어 있는 제2 타입으로 표현되었지만, 경우에 따라서는 상기 제2 마이크로 렌즈는 내부가 렌즈 물질로 충전된 제1 타입일 수도 있다. 즉, 상기 제2 마이크로 렌즈(ML2)는 도 9에 도시된 마이크로 렌즈(MLa)와 동일한 구조 및 재질로 형성되거나, 도 10에 도시된 마이크로 렌즈(MLb)와 동일한 구조 및 재질로 형성될 수 있다.
도 11과 같은 이중 마이크로 렌즈를 갖는 이미지 센서 구조에서는 상부 마이크로 렌즈의 폭이 하부 마이크로 렌즈의 폭 보다 큰 것이 바람직하다. 그러므로, 하부 마이크로 렌즈는 제1 타입으로 형성하고, 상부 마이크로 렌즈는 제2 타입으로 형성함이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하도록 한다.
도 12a 내지 도 12g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도 12a를 참조하면, 반도체 기판(SUB) 표면 내에 불순물을 도핑하여 포토 다이오드의 제1 부분(PD1)을 형성한다. 그런 다음, 상기 기판(SUB) 상에 상기 제1 부분(PD1)의 일부를 노출시키는 콘택홀(H)을 갖는 층간절연막(ILD)을 형성한다. 여기서, 상기 층간절연막(ILD)는 다층 구조일 수 있고, 층간절연막(ILD) 내에는 단위 화소를 구성하는 금속 배선(M)이 구비될 수 있다. 금속 배선(M) 또한 다층 구조일 수 있다.
도 12b를 참조하면, 상기 콘택홀(H) 내부에 실리콘 플러그(SH)를 형성함과 아울러 상기 콘택홀(H) 및 그 주위의 층간절연막(ILD) 부분 상에 콘택홀(H) 보다 큰 폭을 갖는 제1높이의 실리콘 패턴(SP)을 형성한다. 이때, 상기 실리콘 플러그(SH)와 실리콘 패턴(SP)은 동시에 형성될 수도 있고, 따로 형성될 수도 있다. 상기 실리콘 플러그(SH) 및 실리콘 패턴(SP)은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있으나, 실리콘 패턴(SP)은 비정질 실리콘으로 형성됨이 바람직하다. 상기 실리콘 패턴(SP)은 원형 또는 사각형 등 다양한 모양으로 형성될 수 있고, 10～50000Å의 폭 및 10～50000Å의 두께로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 실리콘 플러그(SH)와 실리콘 패턴(SP)은 불순물이 도핑되어 있는 물질일 수 있고, 불순물이 도핑되지 않은 물질일 수도 있다. 만약 이 단계에서 실리콘 패턴(SP) 내에 불순물이 도핑되어 있지 않다면, 포토 다이오드로서의 기능을 위해 이후 공정에서 불순물을 도핑시켜야 한다.
도 12c를 참조하면, 상기 실리콘 패턴(SP)을 덮도록 층간절연막(ILD) 상에 캡핑막(C)을 형성한다. 상기 캡핑막(C)은 투과율이 높은 막 예컨대, 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있고, 균일한 두께로 컨포멀(comformal)하게 형성됨이 바람직하다.
그런 다음, 상기 실리콘 패턴(SP), 실리콘 플러그(SH) 및 캡핑막(C)에 대한 어닐링, 예컨대, ELA를 수행한다. 여기서, 엑시머 레이저의 강도는 100～3000mJ/㎠ 정도일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 엑시머 레이저가 조사되면 투명한 캡핑막(C)을 통해 그 하부층으로 레이저가 들어하고, 실리콘 산화막 재질의 층간절연막(ILD) 보다 실리콘 패턴(SP) 및 실리콘 플러그(SH) 부분으로 레이저가 집중된다. 이에, 실리콘 패턴(SP) 및 실리콘 플러그(SH)의 온도가 급격히 상승하고, 실리콘 패턴(SP) 및 실리콘 플러그(SH)가 부분 용융 또는 완전 용융된다. 용융되는 정도는 엑시머 레이저의 강도에 따라 조절될 수 있다.
도 12d를 참조하면, 엑시머 레이저에 의해 용융된 실리콘 패턴은 표면 장력(surface tension) 등에 의해, 반구형과 유사한 모양을 가지려는 경향을 나타낸다. 한편, 용융된 실리콘 플러그 및 실리콘 패턴이 점차 냉각되면서 그 중앙 하부에서 결정화를 위한 씨드(seed)들이 발생된다. 용융된 실리콘의 중앙 하부에서 씨드가 발생하는 것은 그 부분에서의 유체 흐름이 가장 적기 때문이다. 이러한 중앙 하부 씨드들로부터 상방향으로 다결정화가 진행된다. 도면부호 SP'는 다결정화 과정 중에 있는 실리콘 패턴 및 실리콘 플러그를 나타낸다.
한편, 상기 다결정화가 진행되는 동안 캡핑막(C)도 어느 정도의 유연성을 갖게되고, 그 모양이 둥근 지붕 형태로 변형된다. 이때, 둥근 지붕 형태로 변형된 캡핑막의 가장자리는 나머지 영역과 분리되어 층간절연막(ILD)으로부터 이격된다. 도면부호 C'는 변형 과정 중에 있는 캡핑막을 나타낸다.
도 12e를 참조하면, ELA에 의한 다결정화를 통해 실리콘 플러그 및 실리콘 패턴으로부터 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(포토 다이오드의 제2 부분임, PD2라 함)을 형성함과, 아울러 캡핑막으로부터 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부(S)를 형성한다. 이때, 상기 폴리실리콘 패턴은 상기 실리콘 패턴(SP)의 높이 보다 큰 높이를 가지는 지주(pole) 형상의 패턴으로서, 제1 부분(PD1)과 더불어 하나의 포토 다이오드(PD)를 구성하는 포토 다이오드의 제2 부분(PD2)이다. 만약 상기 실리콘 패턴(SP)이 미도핑 물질이었다면 다결정화 후 폴리실리콘 패턴 내에 도핑 공정을 수행할 수도 있다.
도 12f를 참조하면, 상기 껍질부(S) 형성시 발생된 상기 껍질부(S) 가장자리와 상기 층간절연막(ILD) 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부(S) 내부에 렌즈 물질(F)을 채워준다. 여기서, 상기 껍질부(S) 내부에 채워지는 렌즈 물질(F)은 실리콘 산화막 또는 감광막일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 실리콘 산화막을 LPCVD로 형성하는 경우 개구부를 통해 껍질부(S) 내부를 채울 수 있고, 감광막을 이용하는 경우도 그 유동성으로 인해 껍질부(S) 내부를 채울 수 있다. 이로써, 껍질부(S) 및 껍질부(S) 내부에 채워진 렌즈 물질(F)로 이루어진 마이크로 렌즈(MLa)가 형성된다.
도 12g를 참조하면, 상기 껍질부(S) 및 그 내부의 렌즈 물질(F)로 이루어진 마이크로 렌즈(MLa)의 표면 상에 컬러 필터층(CF)을 형성한다.
이후, 도시하지는 않았지만, 공지된 후속 공정을 차례로 수행하여 본 발명의 이미지 센서를 제조한다.
도 13은 본 발명에서 ELA를 수행하기 이전의 비정질의 실리콘 패턴(a-Si)을 보여주는 평면사진이고, 도 14는 도 13에 도시된 비정질의 실리콘 패턴(a-Si)을 950mJ/㎠의 강도로 ELA하여 형성한 폴리실리콘 패턴(poly-Si)을 보여주는 평면사진이다. 한편, 도 15는 본 발명의 방법으로 형성한 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(poly-Si) 및 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부(S)를 보여주는 단면도이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 본 실시예는 상기 제1 실시예(이미지 센서 제조방법)를 일부 개량한 방법으로서, 상기 제1 실시예의 도 12e의 공정까지는 동일하며 그 이후의 공정만이 상이하다. 이에, 중복 설명을 배제하기 위하여, 도 12e 공정 이후의 공정에 대해서만 설명하도록 한다. 그리고 설명의 편의상, 도 16a 및 도 16b에서는 도 12e의 껍질부(S)를 제1 껍질부(S1)라 한다.
도 16a를 참조하면, 상기 제1 껍질부(S1) 및 그 주위의 층간절연막(ILD) 상에 마이크로 렌즈용 제2 껍질부(S2)를 형성한다. 여기서, 상기 제2 껍질부(S2)는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성될 수 있다. 이로써, 제1 및 제2 껍 질부(S1, S2)로 구성된 마이크로 렌즈(MLb)가 형성된다.
도 16b를 참조하면, 상기 제2 껍질부(S2) 상에 그 표면을 따라 컬러 필터층(CF)을 형성한다.
이후, 도시하지는 않았지만, 공지된 후속 공정을 차례로 수행하여 본 발명의 이미지 센서를 제조한다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다. 본 실시예 역시 상기 제1 실시예(이미지 센서 제조방법)를 일부 개량한 방법으로서, 상기 제1 실시예의 도 12f의 공정까지는 동일하며 그 이후의 공정만이 상이하다. 중복 설명을 배제하기 위하여, 도 12f 공정 이후의 공정에 대해서만 설명하도록 한다. 그리고 설명의 편의상, 도 17a 내지 도 17d에서는 도 12f의 마이크로 렌즈(MLa)를 제1 마이크로 렌즈(MLa-1)라 하고, 도 12f의 껍질부(S)를 제1 껍질부(S1)라 하고, 도 12f의 층간절연막(ILD)을 제1 층간절연막(ILD1)이라 하고, 도 12f의 금속 배선(M)을 제1 금속 배선(M1)이라 한다.
도 17a를 참조하면, 상기 제1 마이크로 렌즈(MLa-1)를 덮도록 제1 층간절연막(ILD1) 상에 제2 층간절연막(ILD2)을 형성하고, 그 표면을 평탄화한다. 그런 다음, 상기 제2 층간절연막(ILD2)의 제1 마이크로 렌즈(MLa-1) 형성 영역과 대응하는 부분 상에 컬러 필터층(CF)을 형성하고, 상기 컬러 필터층(CF)을 덮도록 제3 층간절연막(ILD3)을 형성한다. 이때, 상기 제3 층간절연막(ILD3) 내에는 제2 금속 배선(M2)이 형성될 수 있다. 제2 금속 배선(M2)은 제1 금속 배선(M1)과 마찬가지로 입사광을 차단하지 않도록 배치된다. 상기 제3 층간절연막(ILD3) 및 제2 금속 배 선(M)은 다층 구조로 형성될 수도 있다.
도 17b를 참조하면, 상기 제3 층간절연막(ILD3)의 상기 실리콘 패턴(SP) 형성 영역과 대응하는 부분 상에 제2 실리콘 패턴(SP2)을 형성하고, 상기 제2 실리콘 패턴(SP2)을 덮도록 제3 층간절연막(ILD3) 상에 제2 캡핑막(C2)을 형성한다. 여기서, 상기 제2 실리콘 패턴(SP2) 및 제2 캡핑막(C2)의 재질, 폭 및 두께는 상기 실리콘 패턴(SP) 및 캡핑막(C)의 그것들과 동일하다.
그런 다음, 상기 기판 결과물에 엑시머 레이저를 조사함으로써 상기 실리콘 패턴(SP)을 다결정화한 방법과 마찬가지 방법으로 상기 제2 실리콘 패턴(SP2)에 대한 다결정화를 수행한다. 이때, 제2 캡핑막(C2)의 형태도 변형된다.
도 17c를 참조하면, ELA에 의한 다결정화를 통해 제2 실리콘 패턴으로부터 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(P)을 형성함과, 아울러 제2 캡핑막으로부터 라운드형 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부(S2-1)를 형성한다.
도 17d를 참조하면, 상기 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부(S2-1) 및 그 주위의 제3 층간절연막(ILD3) 상에 제2 마이크로 렌즈용 제2 껍질부(S2-2)를 형성한다. 이로써, 두 개의 껍질부로 이루어지고 내부가 빈 제2 타입의 제2 마이크로 렌즈(ML-2)가 형성된다.
이후, 도시하지는 않았지만, 공지된 후속 공정을 차례로 수행하여 본 발명의 이미지 센서를 제조한다.
상기 본 발명의 제3 실시예(이미지 센서 제조방법)에서는 상부의 제2 마이크로 렌즈를 제2 타입으로 형성하였지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 제2 마이크로 렌즈를 내부가 채워진 제1 타입으로 형성할 수도 있다.
그리고, 도 16a와 같은 구조로부터 출발하여 상기 제3 실시예(이미지 센서 제조방법)와 동일한 방법으로 이중 마이크로 렌즈를 구비한 이미지 센서를 제조할 수도 있는데, 이 경우 하부의 제1 마이크로 렌즈는 제2 타입이고, 상부의 제2 마이크로 렌즈는 제1 타입 또는 제2 타입이 될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 실리콘 패턴을 투명한 캡핑막으로 덮은 후 ELA로 다결정화하면, 실리콘 패턴은 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴이 되고, 캡핑막은 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부가 되는 원리를 이용하여 새로운 구조의 이미지 센서를 제조한다.
이 경우, 앞서 언급한 바와 같이, 종래의 포토 리소그라피 및 리플로우 공정이 아닌 캡핑막의 부풀어오름(swelling)에 의해 마이크로 렌즈의 기본 구조가 형성되므로, 종래 보다 마이크로 렌즈간 간격인 데드존(dead zone)을 감소시킬 수 있다. 특히, 캡핑막으로부터 형성된 제1 껍질부에 제2 껍질부을 부가하는 방식으로 마이크로 렌즈를 구성하는 경우에는 데드존(dead zone)을 감소시키기에 더욱 유리하다.
또한, 본 발명에서는 마이크로 렌즈 중앙부 아래에 지주(pole) 형상을 갖는 포토 다이오드의 제2 부분(PD2)이 존재하므로, 입사광이 경사진 경우라도 상기 제2 부분(PD2)에 의해 광누설이 방지된다. 그러므로, 본 발명은 이미지 센서의 광학적 효율을 높여줄 수 있고, 광누설에 따른 센서의 오동작을 억제할 수 있다.
덧붙여서, 본 발명은 렌즈 물질로서 종래의 감광막 보다 굴절율이 큰 실리콘 산화막과 같은 물질을 적용하기에 적합하므로, 렌즈의 효율을 높이는데 유리하다.
게다가, 본 발명은 비정질의 실리콘 패턴에 레이저를 집중시키는 ELA 공정을 사용하므로 고온 공정이 요구되지 않아 고온 공정에 따른 비용 증가 및 특성 열화 문제가 유발되지 않는다.
한편, 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 부분 단면도이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(SUB) 표면 내의 불순물 도핑에 의한 포토 다이오드(PD)를 구비한다. 상기 포토 다이오드(PD)를 포함한 기판(SUB) 상에는 제1 층간절연막(ILD1)이 형성된다. 상기 제1 층간절연막(ILD1) 내에는 금속 배선(M)이 구비될 수 있다. 상기 제1 층간절연막(ILD)의 포토 다이오드(PD) 형성 영역과 대응하는 영역 상에 컬러 필터층(CF)이 형성되고, 상기 컬러 필터층(CF)을 덮도록 제1 층간절연막(ILD1) 상에 제2 층간절연막(ILD2)이 형성된다. 상기 제2 층간절연막(ILD2)의 소정 부분, 바람직하게는 상기 포토 다이오드(PD) 형성 영역의 중앙부와 대응하는 영역 상에 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴(P)이 형성된다. 상기 폴리실리콘 패턴(P)은 도 17c의 폴리실리콘 패턴(P)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 상기 폴리실리콘 패턴(P)의 상부 표면 및 그 주위에 가장자리가 제2 층간절연막(ILD2)으로부터 이격된 라운드형 마이크로 렌즈용 제1 껍질부(S1)가 형성되고, 상기 제1 껍질부(S1) 및 그 주위의 제2 층간절연막(ILD2) 상에는 제2 껍질부(S2)가 형성된다. 상기 제1 및 제2 껍질부(S1, S2)는 제2 타입의 마이크로 렌즈(MLb)이다. 상기 제1 및 제2 껍질부(S1, S2)는 앞 서 설명한 제3 실시예(이미지 센서 제조방법)에서의 제1 및 제2 껍질부(S2-1, S2-2)와 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이미지 센서에서는 데드존(dead zone)이 감소되는 효과를 얻을 수 있기는 하지만, 수직한 포토 다이오드 부분이 없다. 그리고, 폴리실리콘 패턴(P)이 입사광을 차단하는 역할을 하므로 광효율 개선 효과가 다소 떨어진다는 문제가 있다. 이러한 폴리실리콘 패턴(P)에 의한 입사광 차단 문제는 전술한 본 발명의 제3 실시예에서도 동일하다. 그러나, 폴리실리콘 패턴(P)의 폭은 엑시머 레이저의 강도에 의해 조절될 수 있고, 폴리실리콘 패턴(P)의 폭을 마이크로 렌즈의 폭에 비하여 매우 작게 형성하는 경우 폴리실리콘 패턴(P)에 의한 광차단 효과는 거의 무시될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에서 제안한 이미지 센서의 구조 및 그 제조방법은 CMOS 이미지 센서뿐만 아니라 여러 이미지 센서에 활용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 아울러, 경우에 따라서는 본 발명에서의 층간절연막은 단차 극복 및 마이크로 렌즈의 초점 길이 조절을 위한 오버 코팅층으로 기능하는 막일 수 있고, 층간절연막 외에 별도의 오버 코팅층, 보호층 또는 평탄화층이 부가되어 구성 요소가 보다 다양화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 실리콘 패턴을 투명한 캡핑막으로 덮은 후 ELA로 다결정화함으로써, 실리콘 패턴으로부터 지주(pole) 형상의 포토 다이오드용 폴리실리콘 패턴을 형성함과 아울러 캡핑막으로부터 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부를 형성한다. 이에 따라, 다음과 같은 효과들을 얻을 수 있다.
첫째, 본 발명은 종래의 포토 리소그라피 및 감광막의 리플로우 공정이 아닌 ELA에 의한 캡핑막의 부풀어오름(swelling)에 의해 마이크로 렌즈의 기본 구조를 형성하므로, 마이크로 렌즈간 간격인 데드존(dead zone)을 감소시킬 수 있다. 특히, 캡핑막으로부터 형성된 제1 껍질부에 제2 껍질부을 부가하는 방식으로 마이크로 렌즈를 구성하는 경우에는 데드존(dead zone)을 더욱 감소시킬 수 있다.
둘째, 본 발명은 마이크로 렌즈의 중앙 하단에 수직한 포토 다이오드를 구비키므로, 입사광이 경사진 경우라도 광누설을 억제할 수 있다.
이와 같은 두 가지 이유 때문에, 본 발명은 이미지 센서의 광학적 효율을 높여줄 수 있고, 광누설에 따른 센서의 오동작을 억제할 수 있다.
셋째, 본 발명은 렌즈 물질로서 종래의 감광막 보다 굴절율이 큰 실리콘 산화막과 같은 물질을 적용하기에 적합하므로, 렌즈의 효율을 높이는데 유리하다.
넷째, 본 발명은 비정질의 실리콘 패턴에 레이저를 집중시키는 ELA 공정을 사용하므로 고온 공정이 요구되지 않아 고온 공정에 따른 비용 증가 및 특성 열화 문제가 유발되지 않는다.

Claims (64)

  1. 하부 구조물이 구비된 반도체 기판 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 기판 상에 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 및
    상기 캡핑막이 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 기판 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  2. 하부 구조물이 구비된 반도체 기판 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 기판 상에 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계; 및
    상기 제1 껍질부을 덮도록 마이크로 렌즈용 제2 껍질부을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  3. 콘택홀을 갖는 층간절연막이 형성된 반도체 기판을 마련하는 단계;
    상기 콘택홀 내에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주위의 층간절연막 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 및
    상기 캡핑막이 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 기판 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  4. 콘택홀을 갖는 층간절연막이 형성된 반도체 기판을 마련하는 단계;
    상기 콘택홀 내에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주위의 층간절연막 상에 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 엑시머 레이저로 어닐링하여 상기 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계; 및
    상기 제1 껍질부을 덮도록 상기 층간절연막 상에 마이크로 렌즈용 제2 껍질부을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  5. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  6. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 10～50000Å의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 10～50000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 캡핑막은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  9. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 어닐링은 엑시머 레이저 어닐링인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 엑시머 레이저 어닐링은 100～3000mJ/㎠의 강도로 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  11. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴은 상기 실리콘 패턴 보다 폭이 작고 높이가 높은 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  12. 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 플러그는 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  13. 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 껍질부 내에 채우는 렌즈 물질은 실리콘 산화막 또는 감광막인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  14. 제 2 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 껍질부은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 형성방법.
  15. 반도체 기판;
    상기 기판 표면 내의 불순물 도핑에 의해 형성된 포토 다이오드의 제1 부분;
    상기 기판 상에 형성되고, 상기 제1 부분의 일부를 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막;
    상기 콘택홀 부분에 상기 층간절연막 보다 높은 높이로 형성되고, 도핑된 폴리실리콘으로 이루어진 포토 다이오드의 제2 부분;
    상기 제2 부분을 덮도록 층간절연막 상에 형성된 라운드형 마이크로 렌즈; 및
    상기 마이크로 렌즈 상부에 형성된 컬러 필터층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 껍질부와 내부로 구분되고, 그 내부가 렌즈 물질로 채워져 있거나 또는 비어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는
    상기 포토 다이오드의 제2 부분의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 층간절연막으로부터 이격되어 있는 라운드형 껍질부; 및
    상기 껍질부 내에 채워진 충전물;로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센 서.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전물은 실리콘 산화막 또는 감광막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는
    상기 포토 다이오드의 제2 부분의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 층간절연막으로부터 이격되어 있는 라운드형 제1 껍질부; 및
    상기 제1 껍질부 및 그 주위의 층간절연막 부분 상에 형성된 제2 껍질부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제1 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제2 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층은 상기 마이크로 렌즈의 표면을 따라 형성되거나, 또는, 다른 층간절연막의 개재하에 상기 마이크로 렌즈와 이격하여 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층 상에 절연막의 개재하에 형성된 제2 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층을 덮도록 층간절연막 상에 형성된 절연막;
    상기 절연막의 상기 제2 부분 형성 영역과 대응하는 부분 상에 형성된 지주(pole) 형상의 폴리실리콘 패턴; 및
    상기 폴리실리콘 패턴을 덮도록 절연막 상에 형성된 라운드형 제2 마이크로 렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈는 껍질부와 내부로 구분되고, 그 내부가 렌즈 물질로 채워져 있거나 또는 비어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈는
    상기 폴리실리콘 패턴의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 절연막으로부터 이격되어 있는 라운드형 껍질부; 및
    상기 껍질부 내에 채워진 충전물;로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 충전물은 실리콘 산화막 또는 감광막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  30. 제 25 항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈는
    상기 폴리실리콘 패턴의 상부 표면 및 그 주위에 형성되고, 그 가장자리가 상기 절연막으로부터 이격되어 있는 라운드형 제1 껍질부; 및
    상기 제1 껍질부 및 그 주위의 절연막 부분 상에 형성된 제2 껍질부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제1 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 제2 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  33. 반도체 기판 표면 내에 불순물을 도핑하여 포토 다이오드의 제1 부분을 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 상기 제1 부분의 일부를 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막을 형성하는 단계;
    상기 콘택홀 내부에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주 위의 층간절연막 부분 상에 콘택홀 보다 큰 폭을 갖는 제1높이의 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 상기 실리콘 패턴과 상기 실리콘 플러그로부터 상기 제1높이 보다 큰 제2높이를 갖고 포토 다이오드의 제2 부분으로 기능하는 폴리실리콘 패턴을 형성하고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계;
    상기 캡핑막이 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 상기 층간절연막 사이의 개구부를 통해 상기 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계; 및
    상기 껍질부 상부에 컬러 필터층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  34. 반도체 기판 표면 내에 불순물을 도핑하여 포토 다이오드의 제1 부분을 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 상기 제1 부분의 일부를 노출시키는 콘택홀을 갖는 층간절연막을 형성하는 단계;
    상기 콘택홀 내부에 실리콘 플러그를 형성함과 아울러 상기 콘택홀 및 그 주위의 층간절연막 부분 상에 콘택홀 보다 큰 폭을 갖는 제1높이의 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴을 덮도록 상기 층간절연막 상에 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 패턴, 상기 실리콘 플러그 및 상기 캡핑막을 어닐링하여 실리콘 패턴과 실리콘 플러그로부터 상기 제1높이 보다 큰 제2높이를 갖고 포토 다이오드의 제2 부분으로 기능하는 폴리실리콘 패턴을 형성하고 상기 캡핑막을 라운드형 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계;
    상기 제1 껍질부 및 그 주위의 층간절연막 상에 마이크로 렌즈용 제2 껍질부를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 껍질부 상부에 컬러 필터층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  35. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 플러그는 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  36. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  37. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 10～50000Å의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  38. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 패턴은 10～50000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  39. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡핑막은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  40. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어닐링은 엑시머 레이저로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 엑시머 레이저 어닐링은 100～3000mJ/㎠의 강도로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  42. 제 33 항에 있어서,
    상기 껍질부 내부에 채워지는 렌즈 물질은 실리콘 산화막 또는 감광막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  43. 제 33 항에 있어서,
    상기 껍질부 내부에 렌즈 물질을 채우는 단계 후, 그리고, 상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 전, 상기 껍질부를 덮도록 상기 층간절연막 상에 다른 층간절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  44. 제 34 항에 있어서,
    상기 제2 껍질부는 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  45. 제 34 항에 있어서,
    상기 제2 껍질부를 형성하는 단계 후, 그리고, 상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 전, 상기 제2 껍질부를 덮도록 상기 층간절연막 상에 다른 층간절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  46. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 후, 상기 컬러 필터층 상에 절연막의 개재하에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  47. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 후,
    상기 컬러 필터층을 덮도록 층간절연막 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막의 상기 실리콘 패턴 형성 영역에 대응하는 부분 상에 제2 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 실리콘 패턴을 덮도록 제2 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 제2 실리콘 패턴 및 상기 제2 캡핑막을 어닐링하여 상기 제2 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 제2 캡핑막을 라운드형 제2 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형시키는 단계; 및
    상기 제2 캡핑막이 제2 마이크로 렌즈용 껍질부로 변형되면서 유발된 상기 껍질부 가장자리와 상기 절연막 사이의 개구부를 통해 상기 제2 마이크로 렌즈용 껍질부 내에 렌즈 물질을 채우는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 제2 실리콘 패턴은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  49. 제 47 항에 있어서,
    상기 제2 실리콘 패턴은 10～50000Å의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  50. 제 47 항에 있어서,
    상기 제2 실리콘 패턴은 10～50000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  51. 제 47 항에 있어서,
    상기 제2 캡핑막은 실리콘 산화막 또는 지르코늄 산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  52. 제 47 항에 있어서,
    상기 어닐링은 엑시머 레이저로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 엑시머 레이저 어닐링은 100～3000mJ/㎠의 강도로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  54. 제 47 항에 있어서,
    상기 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴은 상기 제2 실리콘 패턴 보다 폭이 좁고 높이가 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  55. 제 47 항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈용 껍질부 내에 채우는 렌즈 물질은 실리콘 산화막 또는 감광막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  56. 제 33 항 또는 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층을 형성하는 단계 후,
    상기 컬러 필터층을 덮도록 층간절연막 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막의 상기 실리콘 패턴 형성 영역에 대응하는 부분 상에 제2 실리콘 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 실리콘 패턴을 덮도록 제2 캡핑막을 형성하는 단계;
    상기 제2 실리콘 패턴 및 상기 제2 캡핑막을 어닐링하여 상기 제2 실리콘 패턴을 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴으로 변형시키고 상기 제2 캡핑막을 라운드형 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부로 변형시키는 단계; 및
    상기 제2 마이크로 렌즈용 제1 껍질부 및 그 주위의 절연막 상에 제2 마이크로 렌즈용 제2 껍질부를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 제2 실리콘 패턴은 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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    상기 지주(pole) 형상의 제2 폴리실리콘 패턴은 상기 제2 실리콘 패턴 보다 폭이 좁고 높이가 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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