KR20070117725A - 픽셀 어레이 면적보다 넓은 마스크 패턴을 가지는 레티클 - Google Patents

픽셀 어레이 면적보다 넓은 마스크 패턴을 가지는 레티클 Download PDF

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KR20070117725A
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Abstract

본 발명은 픽셀 어레이 영역에 더미 영역을 추가시킨 마스크 패턴을 가지는 레티클에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 레티클은 마스크 패턴 면적을 픽셀 어레이보다 넓게 형성함으로써 노광 시의 빛의 파장에 따른 회절과 반사의 영향을 최소로 할 수 있는 특징을 가진다. 이를 위하여 본 발명의 레티클은, 이미지 센서 내 마이크로 렌즈의 집적화를 위한 마스크 패턴이 형성되는 픽셀 어레이 영역과, 상기 픽셀 어레이 영역의 외곽에 일정 두께로 둘러 싸여져 상기 픽셀 어레이 영역과 동일한 마스크 패턴이 형성되는 더미 영역을 포함한다. 또한, 상기 레티클은, 회로구동블록이 위치되는 영역으로서 아무런 마스크 패턴이 형성되지 않으며 상기 픽셀 어레이 영역과 더미 영역을 안쪽에 위치시키는 구동회로블록 영역을 더 포함한다.
이미지 센서, 마이크로 렌즈, 집광, 노광, 카메라, 레티클, 포토마스크, 패턴

Description

픽셀 어레이 면적보다 넓은 마스크 패턴을 가지는 레티클 {Reticle for mask pattern more extensive than pixel array area}
도 1은 일반적인 카메라 모듈을 도시한 그림이다.
도 2는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 단면도이다.
도 3은 이미지 센서의 픽셀 어레이의 평면도이다.
도 4는 이미지 센서의 블록도이다.
도 5는 이미지 센서의 단위픽셀의 집적회로 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 픽셀 어레이 면적보다 넒은 마스크 패턴을 가지는 레티클의 모습을 도시한 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 패턴을 형성하는 과정을 도시한 플로차트.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
202: 마이크로 렌즈 204: RGB 칼라필터
206: 포토다이오드 602: 픽셀 어레이 영역
604: 더미 영역 606: 구동회로블록 영역
본 발명은 픽셀 어레이 영역에 더미 영역을 추가시킨 마스크 패턴을 가지는 레티클에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 레티클은 마스크 패턴 면적을 픽셀 어레이보다 넓게 형성함으로써 노광 시의 빛의 파장에 따른 회절과 반사의 영향을 최소로 할 수 있는 특징을 가진다.
일반적으로 카메라 모듈은 도 1에 도시한 바와 같이 통상 PCB(108) 위에 CCD나 CMOS 등으로 된 이미지 센서(106)를 올리고, 상기 이미지 센서(106)와 PCB 단자(108)를 연결하고 홀더(104)를 부착하여 렌즈(102) 지지 및 외부로부터의 파티클로부터 이미지 센서(106)를 보호하고 적외선 필터(110;IR필터)를 그 안에 부착하여 적외선 파장을 차단하는 구조를 가진다.
상기 도 1과 같은 구조를 가지는 카메라 모듈이 이동통신단말기와 같은 소형 단말기에 적용될 경우, 이동통신단말기의 슬림화 경향에 따라 렌즈(102)와 이미지 센서(106)간의 거리가 짧아져야 한다. 그런데 상기와 같이 렌즈(102)와 이미지 센서(106)간의 거리가 짧아지는 경우, 이미지 센서(106)의 외곽으로 갈수록 렌즈(102)로부터 입사되는 빛의 입사각이 커져 이미지 센서(106)의 외곽 영역에 입사되는 빛의 양이 적어지게 되고 이는 화면에서 중심대비 주변 에지(edge) 부분이 현저히 어두워지는 현상이 발생하는 문제가 있었다. 따라서 이미지 센서(106)의 외곽 영역에 입사되는 빛의 집광이 원활히 이루어지도록 하는 이미지 센서의 제작 기술 이 요구된다.
상기 이미지 센서의 픽셀 어레이의 단면도를 도시한 도 2와, 이미지 센서의 픽셀 어레이의 평면도를 도시한 도 3을 참조하여 상기 이미지 센서(108)의 제작 과정을 살펴보면, 이미지 센서(108)는 포토다이오드(206)로 구성된 픽셀에 메탈 배선을 형성하고, 그 위에 RGB 칼라필터(204) 어레이를 형성하고, 그 위를 평탄화시키고 초점거리를 조절하기 위한 평탄층을 형성한다. 그 후, 포토다이오드(206)에 최적으로 광을 집광하기 위한 마이크로 렌즈(202)를 형성한다. 상기 마이크로 렌즈(202)는 픽셀 전체를 커버할 수 있도록 설계되는데 이는 포토다이오드(206)에 최대의 광량이 집광되도록 하기 위함이다.
상기 마이크로 렌즈(202)의 재질은 빛이 투과할 수 있는 투명재질의 포토레지스트로서, 마이크로 렌즈 제작은 포토레지스트를 웨이퍼에 도포하고 이에 마이크로 렌즈 패턴이 되어 있는 레티클(reticle;포토마스크)을 사용하여 노광장치로 패턴을 형성하고, 큐어링(curing)을 통해 반구 모양의 마이크로 렌즈를 형성한다. 이때 이미지 중앙은 조밀한 패턴으로 설계 모양 그대로의 패턴이 형성되나, 외곽은 반사 및 회절되는 빛의 영향으로 설계 모양 그대로의 모양보다 적은 크기의 마이크로 렌즈로 형성된다. 따라서 종래 이미지 센서의 외곽 영역에 위치하는 포토다이오드의 경우는 최적의 빛을 집광하지 못하는 비효율성의 문제가 있었다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 안출된 것으로서, 이미지 센서의 외곽 영역에 위치하는 포토다이오드가 최적의 빛을 집광할 수 있도록 레티클의 모양을 변경하여 설계하는 구조를 제시함을 목적으로 한다. 이미지 센서의 외곽 영역에도 중앙 영역과 같은 집광 효율 가질 수 있도록 하는 마이크로 렌즈를 형성할 수 있는 레티클을 제시함을 목적으로 한다.
상기 목적을 이루기 위하여 본 발명에 따른 레티클은, 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 형성이 되도록 마스크 패턴이 형성되는 픽셀 어레이 영역과, 상기 픽셀 어레이 영역의 외곽에 일정 두께로 둘러 싸여져 상기 픽셀 어레이 영역과 동일한 마스크 패턴이 형성되는 더미 영역을 포함한다. 또한, 상기 레티클은, 회로구동블록이 위치되는 영역으로서 아무런 마스크 패턴이 형성되지 않으며 상기 픽셀 어레이 영역과 더미 영역을 안쪽에 위치시키는 구동회로블록 영역을 더 포함한다. 또한, 상기 픽셀 어레이 영역과 더미 영역은, 동일한 마스크 패턴이 형성됨으로써 노광 시에 상기 픽셀 어레이 영역 및 더미 영역이 동일한 빛 반사, 회절이 이루어지는 특징을 가진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련 된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 4는 이미지 센서의 일반적인 내부 구성 블록을 상부에서 바라본 평면도를 도시한 도면이다.
이미지 센서의 내부 구성 블록을 설명하기에 앞서, 카메라 모듈에 사용되는 이미지 센서의 기능에 대하여 간략히 설명하면, 상기 이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
상기 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서는 화소수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용해서 스위칭(switching) 방식으로 차례차례 출력을 검출하는 방식이어서 간단한 구조를 가지는 장점이 있으나, 이미지 센서를 작게 하고 화소수를 증가시킬 경우 포토 신호(photo-signal)도 작아져서 노이즈(noise)가 많아지는 단점이 있다.
반면에 CCD(charge coupled device) 이미지 센서는 트랜지스터에 의한 스위칭(switching)보다는 전하 결합(Charge Coupling)에 의해서 스캐닝한다. 즉, 포토다이오드는 광전류를 즉시 추출하지 않고 일정시간 누적시킨 다음 추출하므로 신호전압을 누적시간 만큼 키울 수 있어 민감도(sensitivity)가 좋고 노이즈를 현저하 게 줄이는 장점이 있는 반면 구동 방식이 복잡하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 곤란하며 단일 칩 제작이 어려워 제품의 소형화가 어렵고 전력소모가 많은 단점이 있다.
상기 이미지 센서의 상세 블록도를 도 4에 도시하였는데, 도 4를 참조하면, 이미지 센서는 이미지 영역인 픽셀 어레이(400) 이외에도 상기 픽셀 어레이의 코드 기준값을 제공하는 어드레싱 블록(402), 노이즈를 제거하는 CDS 블록(406;Correlated double sampling), 이밖에 타임 제너레이션 블록(404;T/G), AMP블록(410), ADC블록(408) 등을 포함하고 있다. 이하에서는, 픽셀 어레이(400)를 제외한 나머지인 어드레싱 블록(402), CDS블록(406), T/G블록(404), AMP블록(410), ADC블록(408)들을 구동회로블록이라 통칭하여 부르기로 한다.
상기 픽셀 어레이(400;pixel array)내의 하나의 픽셀에 대한 단면도를 도 2에 도시하였고 픽셀 어레이의 일부분의 평면도를 도 3에 도시하였는데, 픽셀 어레이의 각각의 단위 픽셀(단위 화소)은 도 2에 도시한 바와 같이 포토다이오드(206)에 빛의 집광을 유도하는 마이크로 렌즈(202), RGB 칼라필터(204), 포토다이오드(206)로 구성된다. 상기 포토다이오드(206)는 광에너지를 전기 에너지로 변환하는 광센서의 일종으로서 그 구조는 반도체의 P-N 접합부에 광검출 수단을 추가한 것이다.
도 2의 픽셀 어레이의 단면도를 좀 더 상세히 살피기 위하여, 픽셀 어레이의 도 2의 단면도를 회로 집적한 상태로 표현하여 도 5에 다시 도시하였다. 상기 도 5를 참조하면, p형 반도체 기판(500) 상에 형성된 p형 에피택셜층(epitaxial layer, 501), 에피택셜층(501) 상에 형성된 게이트 절연막(503), 게이트 전극(504), 게이트 전극(504) 측벽에 형성된 절연막 스페이서(505), 게이트 전극(504) 일단의 에피택셜층(501) 내에 형성된 n형 불순물 영역(506)과 p형 불순물 영역(507)으로 이루어지는 포토다이오드, 게이트 전극(504) 타단의 에피택셜층(501) 내에 형성된 플로팅 확산영역(508;floating diffusion) 등을 포함한 하부구조를 덮는 BPSG(borophospho silicate glass) 등의 절연막(509), 금속배선(도시하지 않음) 및 그를 덮는 IMO(510;inter metal oxide), IMO(510) 상에 형성된 적어도 일색의 칼라필터(511), 칼라필터를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(512), 상기 칼라필터(511)와 중첩되는도록 OCM 평탄화층(512) 상에 형성되는 마이크로 렌즈(microlens, 513)를 형성한다.
상기 칼라필터와 중첩되는도록 OCM 평탄화층(512) 상에 형성되는 마이크로 렌즈(513;microlens)를 형성하는 과정은, 먼저 포토레지스트를 웨이퍼에 도포하고 이에 패턴이 되어 있는 레티클(포토 마스크)을 놓은 후 노광장치로 빛을 쪼아주어 패턴을 형성하고, 그 다음으로 노광된 포토레지스트를 제거하여 마스크 패턴을 남기고 식각을 하고 큐어링(curing)을 통해 반구 모양의 마이크로 렌즈를 형성할 수 있게 된다. 이 때 노광장치에서 사용되는 I-Line 파장은 수은등 레이저에서 나온 빛으로서 일반적으로 365nm의 파장을 가진다. 상기에서 레티클이라 함은 노광 작업을 위해 소정의 반도체 회로 패턴을 담고 있는 2-3 마이크론 패턴의 포토 마스크로서, x-ray mask, PSM (Phase Shift Mask), Quartz mask, Stencil mask, 레티클 정렬, 레티클 스테이지, 레티클 브라인더, 레티클 핸들링 시스템 (레티클 핸들러, 바코드), Pellicle 등의 패턴 기술을 포함한다.
그런데 종래에는, 포토마스크 역할을 하는 레티클을 픽셀 어레이 전체 영역에 위치시킨 후 I-Line 파장의 노광이 이루어지면, 픽셀 어레이의 중앙은 설계 모양 그대로 노광에 의해 마스크 패턴을 형성할 수 있으나, 픽셀 어레이의 외곽 영역은 노광되는 빛의 회절, 반사등의 영향으로 레티클에 의한 마스크 패턴이 제대로 형성되지 못하는 문제가 있었다. 이로 인해 픽셀 어레이의 외곽영역은 설계 모양보다 적은 크기의 마이크로 렌즈가 형성되어, 결과적으로 픽셀 어레이의 포토다이오드는 최적의 빛을 집광할 수 없었다.
본 발명은 상기와 같이 마이크로 렌즈 형성 시에 레티클의 마스크 패턴을 픽셀어레이의 면적으로 확대함으로서, 노광 시의 I-Line 파장에 따른 회절과 반사의 영향을 최소화하여 픽셀 어레이 중앙과 동일한, 또는 설계된 패턴과 동일한 크기의 마이크로 렌즈를 얻을 수 있다. 이하 도 6을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 형성 시 레티클의 마스크 패턴을 도시한 평면도이다.
레티클의 마스크 패턴을 도시한 도 6을 이미지 센서의 내부 블록도를 도시한 도 4와 대비하여 설명하면, 도 6의 구동회로블록 영역(606)은 도 4의 어드레싱 블록(402), CDS블록(406;Correlated double sampling) 블록, 타임 제너레이션 블록(404;T/G), AMP블록(410), ADC블록(408) 등이 형성되는 영역으로서 픽셀 어레이 밖의 영역이다, 따라서 도 6의 구동회로블록 영역(606)은 마이크로 렌즈 형성 시에 레티클에 별도의 마스크 패턴이 형성되지 않는 영역(402,404,406,408,410)이다.
본 발명에서 마이크로 렌즈 형성 시에 레티클의 마스크 패턴이 형성되는 영역은 픽셀 어레이 영역(602;pixel array area)과 더미 영역(604;dummy area)에 형성된다. 종래에는 마이크로 렌즈 형성 시 레티클의 마스크 패턴은 픽셀 어레이 영역(602)만 형성되었으나 본 발명에서는 픽셀 어레이 영역뿐 아니라 더미영역(604)까지 마스크 패턴이 형성되는 특징을 가진다.
이는 픽셀 어레이 외곽에 위치한 마이크로 렌즈도 최적의 빛을 발광할 수 있도록 레티클의 면적을 확장하여 외곽의 마이크로 렌즈의 집광 효율을 높이는 설계를 위한 것으로서, 외곽의 마이크로 렌즈의 패턴들로 픽셀 어레이 영역 중앙의 마이크로 렌즈의 패턴들이 받는 빛 집광이 되는 만큼 받도록 픽셀 어레이 영역(602) 주변에 더미 영역(604;dummy area)을 두어 픽셀 어레이의 마스크 패턴과 동일한 패턴을 상기 더미 영역에 형성하는 것이다. 결국, 상기 픽셀 어레이 영역과 더미 영역은 동일한 마스크 패턴을 가지는 레티클로 동일하나, 상기 픽셀 어레이 영역(602)에는 마이크로렌즈와 빛 수광하는 포토다이오드가 위치하게 되지만, 상기 더미 영역(604)은 포토다이오드가 위치하지 않은 채 픽셀 어레이 영역과 동일한 크기의 마이크로 렌즈가 형성될 뿐이다.
상기 더미 영역(604)의 면적은 특정한 한계가 있는 것이 아니고 I-Line 파장의 노광 시에 종래에 반사 및 회절되는 현상을 극복할 수 있는 정도의 면적을 더미 영역의 면적으로 설정할 수 있다. 실험 결과, 일반적으로 더미 영역(604)의 폭은 픽셀 어레이 영역(602)의 각 단위픽셀의 20배 이상의 길이를 가질 때 빛의 회절, 반사를 극복할 수 있다. 결국, 더미 영역의 폭은 단위픽셀의 한쪽 변의 길이에 비례함을 알 수 있다. 따라서 최근에는 단위픽셀의 면적이 작아지는 추세를 감안할 때, 단위픽셀의 면적이 작아질수록 더미 영역의 면적 역시 작아질 수 있음은 자명할 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 패턴을 형성하는 과정을 도시한 플로차트이다.
포토다이오드와 트랜지스터로 구성된 픽셀에 메탈 배선 형성된 후, RGB 칼라필터 어레이가 형성되고 나서 칼라필터를 덮는 OCM(over coating material) 평탕화층이 형성되는 과정이 완료된 후, 포토다이오드에 최적의 광이 집광되도록 하는 마이크로 렌즈를 형성시키는 과정이 이루어진다.
상기 마이크로 렌즈를 형성하는 과정을 도 7과 함께 설명하면, 우선, 웨이퍼에 포토레지스트를 도포(S702)하고 포토 마스크 역할을 하는 레티클을 웨이퍼 위에 배치(S704)시킨다. 이때 상기의 레티클은 종래의 레티클과 달리 픽셀 어레이 영역뿐만 아니라 더미영역까지 포함되는 구조를 가진다. 즉, 본 발명은 도 6에 도시한 바와 같이 픽셀 어레이 영역(602)뿐 아니라 더미 영역(604)을 추가로 하여 레티클을 배치시키는 특징을 가진다.
상기와 같이 더미 영역을 가지는 레티클을 배치(S704)시킨 후, 노광장치로 I-Line 파장의 빛을 쪼아 웨이퍼에 마이크로 렌즈의 패턴을 형성(S706)한다. 상기 노 광 있은 후에는, 노광된 포토레지스트를 제거하는 식각 및 반구모양의 큐어링(curing) 작업(S708)이 이루어져, 최종적으로 마이크로 렌즈가 형성된다. 따라서 상기와 같이 픽셀 어리에 영역 주변에 더미 영역을 충분히 배치시킴으로써, 노광시의 I-Line 파장에 따른 회절과 반사의 영향을 최소화하여 픽셀 어레이 영역의 중앙과 동일하게 설계되는 마이크로 렌즈를 얻을 수 있다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시 될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.
상기에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 마이크로 렌즈 형성 시에 레티클의 마스크 패턴 면적을 픽셀 어레이보다 크게 형성함으로서, 노광 시의 빛의 파장에 따른 회절과 반사의 영향을 최소로 할 수 있는 효과가 있다. 따라서 이미지 센서의 외곽 영역의 집광 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 이미지 센서 내 마이크로 렌즈의 집적화를 위한 마스크 패턴이 형성되는 픽셀 어레이 영역과,
    상기 픽셀 어레이 영역의 외곽에 일정 두께로 둘러 싸여져 상기 픽셀 어레이 영역과 동일한 마스크 패턴이 형성되는 더미 영역
    을 포함하는 레티클.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레티클은,
    회로구동블록이 위치되는 영역으로서 아무런 마스크 패턴이 형성되지 않으며 상기 픽셀 어레이 영역과 더미 영역을 안쪽에 위치시키는 구동회로블록 영역을 더 포함하는 레티클.
  3. 제1항에 있어서, 상기 픽셀 어레이 영역과 더미 영역은,
    동일한 마스크 패턴이 형성됨으로써 노광 시에 상기 픽셀 어레이 영역 및 더미 영역이 동일한 빛 반사, 회절이 이루어짐을 특징으로 하는 레티클.
  4. 제1항에 있어서, 상기 픽셀 어레이 영역에는 마이크로 렌즈와 포토다이오드가 집적 형성되는 레티클.
  5. 제1항에 있어서, 상기 더미 영역에는 포토다이오드 없이 마이크로 렌즈만이 형성되는 레티클.
  6. 제1항에 있어서, 상기 더미 영역은, 상기 픽셀 어레이 영역의 각 단위픽셀의 면적에 비례하여 형성되는 레티클.
  7. 제6항에 있어서, 상기 더미 영역은, 각 단위픽셀의 한쪽 변 길이의 20배 이상에 해당하는 더미 영역의 폭을 가짐을 특징으로 하는 레티클.
  8. 마이크로 렌즈가 형성될 웨이퍼 표면에 포토레지스트를 도포하는 과정과,
    픽셀 어레이 영역과 상기 픽셀 어레이 영역 주변의 더미 영역에 마이크로 렌즈 패턴이 형성되어 있는 레티클을 상기 웨이퍼 표면 상에 배치시키는 과정과,
    소정의 노광장치로 상기 웨이퍼 표면에 빛을 쏘아주는 과정과,
    노광된 상기 포토레지스트를 제거하여 마이크로 렌즈의 패턴을 형성하며, 반구모양을 갖도록 큐어링을 수행하는 과정
    을 포함하는 마이크로 렌즈의 패턴 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 더미 영역은, 상기 픽셀 어레이 영역의 각 단위픽셀의 면적에 비례하여 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 패턴 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 더미 영역은, 각 단위픽셀의 한쪽 변 길이의 20배 이상에 해당하는 더미 영역의 폭을 가짐을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 패턴 형성 방법.
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