KR20030001059A - Method for fabricating Microlense - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법에 관한 것으로 특히, 필 펙터를 향상시킨 마이크로렌즈 제조방법에 관한것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a microlens of an image sensor, and more particularly, to a method of manufacturing a microlens with an improved fill factor.
일반적으로 이미지센서라 함은 광학영상을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로서 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 저장되고 이송되는 소자이며 CMOS 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 CMOS기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. A charge coupled device (CCD) is a charge carrier device in which individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors are in close proximity to each other. Is a device that stores and transfers a CMOS image sensor. The CMOS image sensor uses a CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits to make MOS transistors as many as the number of pixels, and employs a switching scheme that sequentially detects output using the same. to be
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있고 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 "Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있다.In manufacturing such various image sensors, efforts are being made to increase the photo sensitivity of the image sensor, and one of them is a light condensing technology. For example, the CMOS image sensor is composed of a light sensing portion for detecting light and a CMOS logic circuit portion for processing the detected light into an electrical signal to make data. In order to increase the light sensitivity, the area of the light sensing portion in the overall image sensor area is increased. Efforts have been made to increase the percentage of occupancy (commonly referred to as "Fill Factor"), but there is a limit to such efforts under a limited area since the logic circuit part cannot be removed. Therefore, a lot of researches have focused on condensing technology to change the path of light incident to the area other than the light sensing area to raise the light sensitivity.
마이크로렌즈도 이러한 집광기술의 하나로서 이를 적용한 종래의 일반적인 이미지 센서의 제조방법을 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.A microlens is also one of such condensing techniques. A conventional method for manufacturing a conventional image sensor using the same will be described with reference to FIG. 1 as follows.
기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(2)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트 전극은 도1에 도시되어 있지 않다.)After forming a field oxide film 2 on the substrate 1 for electrical insulation between devices, a gate electrode is formed by successively applying and patterning a polysilicon and tungsten silicide film. (The gate electrode is not shown in Fig. 1). not.)
이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(3)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시하고 금속층간절연막(4), 금속접속창(도시 않됨) 및 금속배선(5)들을 형성하고 패시베이션보호막(6)을 형성하면 일반 시모스 로직 프로세스가 완료된다.Afterwards, an appropriate ion implantation process is performed to form the photodiode 3, to perform ion implantation to form a source / drain and a sensing node of the transistor, and to form an interlayer insulating film 4, a metal connection window (not shown), and a metal wiring. Forming (5) and forming the passivation protective film 6 completes the general CMOS logic process.
이후 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(7) 형성공정을 진행하고 OCL(Over Coating Layer)막(8)을 이용한 평탄화 공정을 진행하여 칼라필터 어레이를 형성한다. 칼라필터의 물질은 통상 염색된 포토레지스트를 사용한다.Thereafter, three types of color filters 7 are formed to implement color images, and a planarization process using an over coating layer (OCL) layer 8 is performed to form a color filter array. The material of the color filter usually uses dyed photoresist.
OCL(8)은 일종의 감광막으로서 후속 마이크로렌즈 마스크 패터닝을 용이하게 하기 위한 평탄화 목적으로 쓰인다.The OCL 8 is a kind of photoresist and is used for the purpose of flattening to facilitate subsequent microlens mask patterning.
그 다음 광집속율을 증가시키기 위해 유기물 포토레지스트 패턴닝한 후 열공정을 진행하여 플로우 시킴으로써 마이크로렌즈(9)를 형성하고 마지막으로 패드를 오픈하면 모든 공정이 완료된다.Then, in order to increase the light focusing rate, the organic photoresist patterning is performed, followed by a thermal process to form a microlens 9, and finally, the pad is opened.
마이크로렌즈(9)를 형성하기 위해 유기물 포토레지스트를 패터닝할 때는 일정간격을 유지하여야 하며 그렇지 않을 경우는 유기물 포토레지스트를 플로우 시킬때 이웃하는 마이크로렌즈가 서로 붙어버리는 브리지 현상이 발생할 수 있다.When the organic photoresist is patterned to form the microlens 9, a certain interval must be maintained. Otherwise, a bridge phenomenon in which neighboring microlenses stick to each other may occur when the organic photoresist flows.
이렇게 되면 마이크로렌즈로서의 기능을 상실하기 때문에 유기물 포토레지스트로만 이루어진 마이크로렌즈는 서로 붙지 않게 하기 위하여 인접 마이크로렌즈 사이에 간격을 유지해야하기 때문에 광감지 영역을 100% 활용하지 못하였다.In this case, the microlenses made of only organic photoresist did not utilize 100% of the light sensing region because the microlenses composed of organic photoresist had to be spaced between adjacent microlenses in order to prevent them from sticking together.
또한 마이크로렌즈의 크기도 제한을 받기때문에 그 결과 광집속율이 저하 되어 이미지 센서의 광감도 향상에 한계가 있는 문제점이 있었다.In addition, since the size of the microlenses is also limited, as a result, the light focusing rate is lowered, and thus there is a limit in improving the light sensitivity of the image sensor.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 광감지영역을 100% 활용하여 광집속율을 개선하는데 적합한 이미지센서의 마이크로렌즈의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microlens of an image sensor suitable for improving the light focusing ratio by utilizing a light sensing area 100% to solve the above problems.
도1은 종래의 마이크로렌즈를 포함한 이미지센서의 모습.1 is a view of an image sensor including a conventional microlens.
도2a는 종래기술을 도시한 도면.Figure 2a shows a prior art.
도2b 내지 도2c는 본 발명의 기술적 사상을 도시한 도면.2b to 2c are views showing the technical idea of the present invention.
도3 내지 도4는 본 발명에 일실시예를 도시한 도면.3 to 4 show one embodiment of the present invention.
도5 내지 도9는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.5 to 9 show another embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1 : 기판2 : 필드산화막1: substrate 2: field oxide film
3 : 포토다이오드4 : 금속층간절연막3: photodiode 4: interlayer dielectric film
5 : 금속배선6 : 페시베이션보호막5: metal wiring 6: passivation protective film
7 : 칼라필터8 : 평탄화막7: color filter 8: flattening film
9 : 마이크로렌즈21: 칼라필터9: microlens 21: color filter
22: 평탄화막23a,23b : 제1마이크로렌즈22: planarization film 23a, 23b: first micro lens
24: 질화막25: 제2평탄화막24: nitride film 25: second planarization film
26a,26b : 마이zm로렌즈27: 저온산화막26a, 26b: myzm low lens 27: low temperature oxide film
31: 산화막32: 건식식각포토레지스트31: oxide film 32: dry etching photoresist
33: 산화막34: 마이크로렌즈 패터닝 포토레지스트33: oxide film 34: microlens patterned photoresist
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 소정공정이 완료된 기판상에 제 1 칼라필터에 대응하는 제 1 마이크로렌즈를 형성하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계의 결과물상에 평탄화막을 형성하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계의 결과물상에 제 1 칼라필터와 최인접한 제 2 칼라필터에 대응되는 제 2 마이크로렌즈를 형성하는 제 3 단계를 포함하여 이루어진다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention includes a first step of forming a first microlens corresponding to a first color filter on a substrate on which a predetermined process is completed; Forming a planarization film on the resultant of the first step; And a third step of forming a second microlens corresponding to the second color filter closest to the first color filter on the resultant of the second step.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention.
도2a 내지 도2c는 종래기술과 본 발명의 기술적 요지를 비교한 도면이다.2A to 2C are diagrams comparing the technical gist of the present invention with the prior art.
도2a에 도시된 바와 같이 종래의 마이크로렌즈는 동일층에 형성되었기 때문에 브리지 현상을 방지하기 위하여 마이크로렌즈 사이의 간격(d)이 필요하였다.As shown in FIG. 2A, since the conventional microlenses are formed on the same layer, a distance d between the microlenses is required to prevent the bridge phenomenon.
본 발명의 일실시예에서는 도2b에 도시된 바와 같이 이웃하는 마이크로렌즈를 층을 나누어 형성함으로써 플로우 공정시 서로 붙지않도록 하였으며 또한 마이크로렌즈 사이의 간격을 없앰으로써 이미지센서의 광감도를 높일 수 있다.In an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2B, neighboring microlenses are formed by dividing the layers so that they do not stick to each other during the flow process, and the light sensitivity of the image sensor may be increased by eliminating gaps between the microlenses.
본 발명에 따른 다른 실시예에서는 도2c에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈의 하지막을 단차를 두어 형성하고 그 상부에 마이크로렌즈를 형성함으로써 이웃하는 마이크로렌즈 사이의 간격을 없앴다.In another embodiment according to the present invention, as shown in FIG. 2C, the base film of the microlens is formed with a step and the microlens is formed on the upper portion thereof, thereby eliminating gaps between neighboring microlenses.
도3과 도4를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 설명한다.3 and 4, an embodiment according to the present invention will be described.
서로 이웃하는 칼라필터를 형성하기 까지의 공정은 종래의 이미지센서 제조 방법과 동일하다. 서로 이웃하는 칼라필터(21)를 형성한 후 평탄화막(22)을 형성한다. 평탄화막(22)은 후속으로 형성되는 제 1 마이크로렌즈의 마스크 패턴을 용이하게 하기 위한 목적으로 형성되는 평탄화층이다.The steps up to forming neighboring color filters are the same as in the conventional image sensor manufacturing method. After forming the color filters 21 adjacent to each other, the planarization film 22 is formed. The planarization film 22 is a planarization layer formed for the purpose of facilitating a mask pattern of a subsequently formed first microlens.
상기 평탄화막(22) 상부에 포토레지스트를 패터닝하여 형성한 후 플로우 시켜 돔 형태의 제 1 마이크로렌즈(23a,23b)를 형성한다. 상기 제 1 마이크로렌즈는 평탄화막상에 형성되며 제 1 마이크로렌즈(23a,23b)에 대응하는 칼라필터영역에 상기 제 1 마이크로렌즈(23a,23b)가 형성된다.The photoresist is patterned and formed on the planarization layer 22 and then flown to form first dome-shaped first microlenses 23a and 23b. The first microlens is formed on the planarization layer, and the first microlens 23a and 23b is formed in the color filter area corresponding to the first microlens 23a and 23b.
그 후 결과물 전면에 굴절율이 높은 질화막(24)을 증착한다.Thereafter, a nitride film 24 having a high refractive index is deposited on the entire surface of the resultant product.
이어서, 도4에 도시된 바와 같이 상기 질화막(24) 상부에 유기물 광감막으로 구성된 제 2 평탄화막(25)을 형성한다. 제 2 평탄화막(25)은 평탄화막(22)과 마찬가지로 후속 마이크로렌즈의 마스크 패턴을 용이하게 하기 위한 목적으로 형성되는 평탄화층이다.Next, as shown in FIG. 4, a second planarization film 25 including an organic photoresist film is formed on the nitride film 24. Similar to the planarization film 22, the second planarization film 25 is a planarization layer formed for the purpose of facilitating the mask pattern of subsequent microlenses.
마지막으로 제 2 평탄화막(25) 상에 제 2 마이크로렌즈(26a,26b)를 형성하는데 상기 제 2 마이크로렌즈(26a,26b)는 그에 대응하는 칼라필터 영역에 형성된다.Finally, second microlenses 26a and 26b are formed on the second planarization layer 25, and the second microlenses 26a and 26b are formed in corresponding color filter regions.
상기 결과물상에 일종의 보호막인 저온 산화막(27)을 형성하면 본 발명에 따른 일실시예의 마이크로렌즈 제조 공정이 끝나게 된다.Forming a low-temperature oxide film 27, which is a kind of protective film on the resultant, ends the microlens manufacturing process of the embodiment according to the present invention.
상기한 본 발명의 일실시예에서 제 2 마이크로렌즈(26a,26b)와 포토다이오드와의 거리는 제 1 마이크로렌즈(23a,23b)와 포토다이오드와의 거리보다 멀기 때문에 제 2 마이크로렌즈(26a,26b)을 통과한 빛이 포토다이오드상에 집광되도록 하기위해 제 1 마이크로렌즈(23a,23b)의 상부에 굴절율이 높은 질화막(24)을 증착하였다.In the above-described embodiment of the present invention, the distance between the second microlenses 26a and 26b and the photodiode is greater than the distance between the first microlenses 23a and 23b and the photodiode and thus the second microlenses 26a and 26b. In order to concentrate the light passing through the photodiode on the photodiode, a nitride film 24 having a high refractive index was deposited on the first microlenses 23a and 23b.
상기 질화막(24)의 두께와 제 1 마이크로렌즈(23a,23b)의 두께는 포토다이오드 와의 거리를 감안하여 설정된다. 소자의 스펙 또는 종류에 따라 상기의 질화막(24)을 형성하지 않아도 무방하다.The thickness of the nitride film 24 and the thickness of the first micro lenses 23a and 23b are set in consideration of the distance from the photodiode. The nitride film 24 described above may not be formed in accordance with the specification or type of the device.
이와 같은 방법으로 마이크로렌즈를 2층으로 형성하게 되면 도 4에 도시된 바와 같이 인접한 마이크로렌즈사이에 일정 간격을 유지하지 않아도 됨을 알 수 있다.When the microlenses are formed in two layers in this manner, it can be seen that it is not necessary to maintain a predetermined distance between adjacent microlenses as shown in FIG. 4.
본 발명에 따른 다른 실시예를 도5 내지 도9를 참조하여 설명한다.Another embodiment according to the present invention will be described with reference to Figs.
서로 이웃하는 칼라필터를 형성하기 까지의 공정은 종래의 이미지센서 제조 방법과 동일하며 도5에 도시된 바와 같이 서로 이웃하는 칼라필터(21)를 형성한 후 평탄화막(22)을 형성한다. 상기 평탄화막(22) 상부에 100 ~ 200℃의 증착온도로 산화막(31)을 증착한다. 이때 산화막(31)의 두께는 마이크로렌즈의 폭과 두께 및 도6의 단차(x)를 감안하여 설정된다.The steps up to forming neighboring color filters are the same as in the conventional image sensor manufacturing method, and as shown in FIG. 5, the neighboring color filters 21 are formed, and then the planarization film 22 is formed. An oxide film 31 is deposited on the planarization film 22 at a deposition temperature of 100 to 200 ° C. At this time, the thickness of the oxide film 31 is set in consideration of the width and thickness of the microlens and the step x of FIG.
산화막(31)에 단차를 만들기 위하여 감광막패턴(32)을 형성하고 상기 산화막을 일부 두께 식각한다. 건식식각을 수행하는 정도는 하지막인 평탄층(22)이 포토레지스터(32)제거시에 손상을 입지않도록 얇은 산화막이 남도록 한다.In order to form a step in the oxide film 31, a photosensitive film pattern 32 is formed and the oxide film is partially etched. The degree of dry etching is such that a thin oxide film remains so that the flat layer 22, which is the underlying film, is not damaged when the photoresist 32 is removed.
그리고 단차(x)는 마이크로렌즈의 폭과 두께를 감안하고 또한 마이크로렌즈 플로우시에 이웃하는 마이크로렌즈가 서로 붙지 않도록 단차를 설정한다.The step x sets the step so that the width and thickness of the microlens are taken into consideration and the neighboring microlenses do not stick together during the microlens flow.
도6에 도시된 바와 같이 오목한 홈을 갖는 산화막(31)이 평탄화막(22)상에형성되면 상기 산화막(32)위에 마이크로렌즈 형성용 유기물 포토레지스트(33)를 도포한다.As shown in FIG. 6, when an oxide film 31 having a concave groove is formed on the planarization film 22, an organic photoresist 33 for forming a microlens is applied on the oxide film 32. As shown in FIG.
마이크로렌즈가 플로우 되는 정도를 감안하여 유기물 포토레지스트를 패터닝하기 위한 감광막 패턴(34)을 형성한다. 이어서 도7 및 도8에 도시된 바와 같이 상기 유기물 포토레지스트(33)를 식각하고 플로우시킨 다음 감광막패턴(34)을 제거한다.In consideration of the degree to which the microlenses flow, a photosensitive film pattern 34 for patterning an organic photoresist is formed. Subsequently, as shown in FIGS. 7 and 8, the organic photoresist 33 is etched and flowed, and then the photoresist pattern 34 is removed.
이와같이 오목한 홈을 갖는 산화막상에 각각의 칼라필터에 대응되는 위치에 마이크로렌즈가 형성되며 도6에 도시된 공정을 통하여 형성된 마이크로렌즈는 이웃하는 마이크로렌즈의 두께가 서로 상이하도록 형성된다. 이는 단차(x)에 따라 마이크로렌즈와 포토다이오드사이의 거리가 달라지게 되므로 이러한 점을 감안하여 마이크로렌즈의 두께에 차이를 두어 형성하였다.In this way, the microlenses are formed at positions corresponding to the respective color filters on the oxide film having the concave grooves, and the microlenses formed through the process shown in FIG. Since the distance between the microlens and the photodiode varies according to the step (x), the thickness of the microlens was formed in consideration of this point.
마지막으로 도9에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈 상부에 100 ~ 200℃의 증착온도로 보호막인 산화막(34)을 500 ~ 1000Å두께로 증착하여 후속 공정에서의 파티클 (particle)제거를 용이하도록 한다.Finally, as shown in FIG. 9, an oxide film 34, which is a protective film, is deposited on the microlens at a deposition temperature of 100 to 200 ° C. to a thickness of 500 to 1000 μm to facilitate particle removal in a subsequent process.
이와 같은 방법으로 마이크로렌즈를 단차를 두어 형성하게 되면 도 8에 도시된 바와 같이 인접한 마이크로렌즈사이에 일정 간격을 유지하지 않아도 됨을 알 수 있다.When the microlenses are formed with a step in this manner, it can be seen that it is not necessary to maintain a predetermined interval between adjacent microlenses as shown in FIG. 8.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법에 본 발명을 적용하게 되면 이웃하는 마이크로렌즈가 서로 층을 달리하기 때문에 플로우 공정시 브리지 현상을 방지할 수 있어 광감도가 향상되며 또한 인접하는 마이크로렌즈 사이의 간격이 없어지므로 광감지 영역을 100% 사용할 수 있는 효과가 있다.When the present invention is applied to a method of manufacturing a microlens of an image sensor, since neighboring microlenses have different layers, a bridge phenomenon can be prevented during a flow process, so that light sensitivity is improved and a gap between adjacent microlenses is eliminated. There is an effect that 100% of the light sensing area can be used.
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