KR20060136104A - 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 광 감지부들 및 배선 본딩 패드가 형성된 반도체 기판 상에 보호층을 형성하는 단계와, 배선 본딩 패드 상부의 보호층 일부를 제거하여 배선 본딩 패드를 오픈하는 단계와, 보호층과 오픈된 배선 본딩 패드의 상부 전면에 박막 레지스트를 형성하는 단계와, 박막 레지스트의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와, 칼라 필터 어레이의 상부에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 배선 본딩 패드를 보호하고 있는 박막 레지스트를 적어도 그 두께만큼 식각하여 박막 레지스트를 제거하는 단계를 포함하며, 배선 본딩 패드의 부식과 표면 물성변화를 방지하여 신뢰성이 향상되며, 칼라 필터 어레이의 필링을 방지하고, 마이크로 렌즈의 형상 및 균일성을 향상시켜 화면 전체의 균일한 색재현이 가능하며, 마이크로 렌즈의 사이즈를 극대화하여 광감도를 향상시켜서 어두운 환경에서도 노이즈가 없는 밝은 이미지를 획득할 수 있는 이점이 있다.
이미지 센서, 칼라 필터, 마이크로 렌즈, 평탄화, 점착력, 필링
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보인 공정 흐름도,
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보인 흐름도.
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 칼라 필터의 형성 전에 배선 본딩 패드를 박막 레지스트로 보호하고 마이크로 렌즈를 형성한 후에 제거하도록 한 이미지 센서의 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.
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 공정 흐름도를 참조하여 살펴보기로 한다.
이미지 센서는 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 포토다이오드(11)를 포함하는 광 감지부(13)들이 제공되는 반도체 기판(10)과, 광 감지부(13)들이 형성된 구조 상부에 형성되는 보호층(21)과, 칼라 필터 어레이(23)와, 평탄화 층(25)과, 다수의 렌즈들로 이루어진 마이크로 렌즈(27)를 포함한다.
이러한 구성의 이미지 센서는 포토다이오드(11)를 포함하는 광 감지부(13)들 및 배선 본딩 패드(15)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(21)을 형성하며(도 1a 참조), 배선 본딩 패드(15) 상부의 보호층(21) 일부를 제거하는 포토 공정을 수행하여 배선 본딩 패드(15)를 오픈한다. 이때, 오 픈 공정은 포토레지스트를 도포 및 패터닝 후에 보호층(21)의 일부를 식각하여 제거하고, 남아 있는 포토레지스트는 반응성 이온 식각을 통해 제거한다.
이후, 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 1b 참조).
계속하여, 칼라 필터 어레이(23)의 단차 극복, 마이크로 렌즈(27)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층(25)을 칼라 필터 어레이(23)의 상부에 형성한다. 이때, 평탄화층(25)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막으로 형성할 수 있다(도 1c 참조).
그리고, 평탄화층(25) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈(27)를 형성하고, 계속하여 마이크로 렌즈(27)를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시킨다(도 1d 참조).
그런데, 배선 본딩 패드(15)의 오픈 공정에서 포토레지스트를 제거하기 위한 반응성 이온 식각의 진행시 에싱(Ashing)될 때의 분위기와 조건에 따라 표면 물성이 국부적으로 다르게 형성되는 부분이 발생되어 그 상부에 형성하는 칼라 레지스트의 점착력(Adhesion)이 방해를 받아서 패턴이 붙지 않고 떨어져 나가는 불량이 발생하게 된다.
칼라 필터 어레이(23) 및 마이크로 렌즈(27)를 형성하다가 불량이 생기면 리 워크(rework)하여 재진행을 하게 되는 데, 배선 본딩 패드(15) 부분이 노출된 상태에서 칼라 필터 어레이(23), 평탄화층(25), 마이크로 렌즈(27) 등의 형성시 현상액이 TMAH(Tetramethylamoniahydro acid) 베이스이기 때문에 배선 본딩 패드(15)를 부식시키는 성질이 있기 때문에 리워크가 가능한 횟수가 한정되어 있으며, 노출된 배선 본딩 패드(15)의 오염으로 인하여 배선 불량이 인해 오픈 쇼트 불량이 발생되어 페일(fail)이 될 확률도 높다.
특히, 칼라 필터 어레이(23)는 통상 유기물로 형성하게 되는 데, 유기물층 내에 안료를 혼합한 안료분산형의 레지스트는 안료가 다량 함유되고 또 입자가 크기 때문에 하부의 보호층(21)과의 점착력이 약하여 패턴 형성시 보호층(21)과 붙지 않고 잘 떨어져 나가는 경우가 발생된다.
칼라 필터 어레이(25)의 점착력 및 하부의 토폴로지(topology)에 의한 두께 불균일로 인한 칼라 불균일을 줄이기 위해 화학기계적연마(CMP) 공정을 수행하거나 평탄화층을 형성하여 진행하기도 하나, CMP로 평탄화된 다바이스의 구조에서 평탄화층은 원가 절감 차원에서 대개 생략하는 경우가 많다.
이 경우에는 칼라 필링(peeling)이 발생되어 색분리를 하지 못하는 결함으로 작용하기 때문에 이는 반드시 해결하여야 하는 문제점이다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 칼라 필터의 형성 전에 배선 본딩 패드를 박막 레지스트로 보호하고 마이크로 렌즈를 형성한 후에 제거하도록 함으로써, 칼라 필터 어레이의 필링을 방지하고, 마이크로 렌즈의 형상 및 균일성을 향상시켜 높은 광감도를 가지도록 하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 광 감지부들 및 배선 본딩 패드가 형성된 반도체 기판 상에 보호층을 형성하는 단계와, 배선 본딩 패드 상부의 보호층 일부를 제거하여 배선 본딩 패드를 오픈하는 단계와, 보호층과 오픈된 배선 본딩 패드의 상부 전면에 박막 레지스트를 형성하는 단계와, 박막 레지스트의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와, 칼라 필터 어레이의 상부에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 배선 본딩 패드를 보호하고 있는 박막 레지스트를 적어도 그 두께만큼 식각하여 박막 레지스트를 제거하는 단계를 포함한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다. 그러나 본 발명은 이러한 실시 예로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 도 2a 내지 도 2f의 공정 흐름도를 참조하여 살펴보기로 한다.
먼저, 포토다이오드(101)를 포함하는 광 감지부(103)들 및 배선 본딩 패드(105)와 도시 생략된 금속 배선이 형성된 반도체 기판(100) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(201)을 형성하며(도 2a 참조), 배선 본딩 패드(105) 상부의 보호층(201) 일부를 제거하는 포토 공정을 수행하여 배선 본딩 패드(105)를 오픈한 다. 이때, 오픈 공정은 포토레지스트를 도포 및 패터닝 후에 보호층(201)의 일부를 식각하여 제거하고, 남아 있는 포토레지스트는 반응성 이온 식각을 통해 제거한다.
이후, 보호층(201)과 오픈된 배선 본딩 패드(105)의 상부 전면에 박막 레지스트(202)를 형성하여 배선 본딩 패드(105)를 보호한다. 예컨대, 박막 레지스트(202)는 유기물층을 50㎚ 이하의 두께로 도포한 후에 하드 큐링(Hard Curing)을 실시하여 형성한다. 이러한 박막 레지스트(202)는 배선 본딩 패드(105)를 보호하는 역할과 함께 이후 형성될 칼라 필터 어레이(203)의 프로파일 및 균일도 향상을 위한 평탄층 역할을 하며, 유기물질 계열로 형성하는 이유는 가시파장 영역에서 투명성이 좋기 때문이다. 또한 박막 레지스트(202)는 칼라 필터 어레이(203)와의 리액션(reaction)이 없는 아크릴 계열의 물질과 같은 열경화성 수지를 이용하여 형성하는 것도 바람직하다(도 2b 참조).
다음으로, 박막 레지스트(202)의 상부에 칼라 필터 어레이(203)를 형성한다. 여기에서, 칼라 필터 어레이(203)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(203)를 형성한다(도 2c 참조).
계속하여, 칼라 필터 어레이(203)의 단차 극복, 마이크로 렌즈(207)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층(205)을 칼라 필터 어레이(203)의 상부에 형성한다. 예컨대, 평탄화층(205)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막을 0.5um∼1.5um의 두께로 형성한다. 여기서, 평탄화층(205)은 생략 가능 하다(도 2d 참조).
그리고, 평탄화층(205) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈(207)를 형성하고, 계속하여 마이크로 렌즈(207)를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시킨다.
이때, 마이크로 렌즈(207)는 이미지 센서의 화소수 만큼 형성을 하게 되며, 광감도 향상을 위해 가능한 크게 하여 더 많은 입사광을 집속하도록 하여야 하나, 하부층의 영향 및 마이크로 렌즈 포토 영향으로 균일한 크기로 구현하는 데 어려움이 따른다. 따라서 적정 관리 가능한 수준의 마이크로 렌즈간의 갭을 유지하게 된다(도 2e 참조).
끝으로, 배선 본딩 패드(105)를 보호하고 있는 박막 레지스트(202) 및 마이크로 렌즈(207)를 예컨대, 그 두께만큼 산소 플라즈마 블랭크 식각(O2 Plasma Blank Etch)(301)을 하여 제거한다. 이때, 마이크로 렌즈(207)의 불균일한 테일(tail)들이 함께 제거되며, 마이크로 렌즈간의 갭이 셀로우 식각(Shallow Etch)된다. 따라서 오목 렌즈(Concave Lens) 형성이 가능하게 되어 마이크로 렌즈간의 제로 갭(Zero gap)(303)이 구현되어 마이크로 렌즈(207)의 사이즈가 극대화되며, 픽셀 면적을 100% 포토 다이오드로 집광할 수 있기 때문에 광감도 향상 및 인접화소로의 위(僞) 입사를 방지하여 깨끗한 이미지 구현이 가능하게 된다(도 2f 참조).
지금까지의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시 예에 국한하여 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있음이 자명하다.
전술한 바와 같은 본 발명은 칼라 필터의 형성 전에 배선 본딩 패드를 박막 레지스트로 보호하고 마이크로 렌즈를 형성한 후에 제거하도록 함으로써, 배선 본딩 패드의 부식과 표면 물성변화를 방지하여 신뢰성이 향상되며, 칼라 필터 어레이의 필링을 방지하고, 마이크로 렌즈의 형상 및 균일성을 향상시켜 화면 전체의 균일한 색재현이 가능하며, 마이크로 렌즈의 사이즈를 극대화하여 광감도를 향상시켜서 어두운 환경에서도 노이즈가 없는 밝은 이미지를 획득할 수 있는 효과가 있다.
Claims (8)
- (a) 광 감지부들 및 배선 본딩 패드가 형성된 반도체 기판 상에 보호층을 형성하는 단계와,(b) 상기 배선 본딩 패드 상부의 상기 보호층 일부를 제거하여 상기 배선 본딩 패드를 오픈하는 단계와,(c) 상기 보호층과 오픈된 상기 배선 본딩 패드의 상부 전면에 박막 레지스트를 형성하는 단계와,(d) 상기 박막 레지스트의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와,(e) 상기 칼라 필터 어레이의 상부에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와,(f) 상기 배선 본딩 패드를 보호하고 있는 상기 박막 레지스트를 적어도 그 두께만큼 식각하여 상기 박막 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 박막 레지스트는 유기물질 계열로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 박막 레지스트는 열경화성 수지로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 열경화성 수지는 아크릴 계열의 물질인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나에 있어서,상기 박막 레지스트는 50㎚ 이하의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (f) 단계는, 상기 박막 레지스트의 식각 시에 상기 마이크로 렌즈간의 갭을 셀로우 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 박막 레지스트는 산소 플라즈마 블랭크 식각으로 제거하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (e) 단계는,(e-1) 상기 칼라 필터 어레이의 상부에 평탄화층을 형성하는 단계와,(e-2) 상기 평탄화층의 상부에 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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