KR20100028363A - 컬러 필터 어레이 두께 측정 장치와 이를 위한 테스트 패턴및 그 형성 방법 - Google Patents

컬러 필터 어레이 두께 측정 장치와 이를 위한 테스트 패턴및 그 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 반사층의 상부에 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 입사광을 발생시킨 후 광 발생기에서 발생된 입사광에 따라 컬러 필터 어레이에서 반사되는 반사광과 반사층에 의해 반사되어 상기 컬러 필터 어레이를 거쳐 반사되는 반사광의 광량을 검출하며, 광 검출부에서 검출된 광량을 토대로 컬러 필터 어레이의 두께를 산출함으로써, 컬러 필터 어레이가 형성된 상태에서 광의 간섭 현상을 이용하여 직접 그 두께를 측정할 수 있기 때문에 웨이퍼의 손상을 막을 수 있을 뿐만 아니라 웨이퍼 상에 형성된 다수의 컬러 필터 어레이의 균일도를 정확하게 측정할 수 있다.
컬러 필터 어레이, 두께, CIS, 광, 간섭

Description

컬러 필터 어레이 두께 측정 장치와 이를 위한 테스트 패턴 및 그 형성 방법{APPARATUS FOR MEASURING COLOR FILTER ARRAY THICKNESS, TEST PATTERN AND METHOD FOR FABRICATING TEST PATTERN}
본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컬러 필터 어레이를 형성한 후 광량 검출을 통해 컬러 필터 어레이의 두께를 측정할 수 있는 컬러 필터 어레이 측정 장치와 이를 위한 테스트 패턴 및 그 형성 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, 광 감도를 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.
또한, 이러한 이미지 센서와 같은 광학부품이나 웨이퍼, 유리 제품, 박막 등의 설계와 제조에 있어서 매우 중요한 요소인 두께와 표면 거칠기를 측정하기 위하여, 간섭의 원리에 기초한 등색 무늬 차수 및 피조 간섭계 등이 적용된다. 특히, 각 픽셀의 컬러를 정의하기 위해 컬러 필터 어레이를 사용하는 씨모스 이미지 센서에서 컬러 필터는 그 두께에 의해 투과율이 결정되기 때문에 웨이퍼 상에 균일하게 도포되는 것이 중요하다. 이러한 컬러 필터 어레이는 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함한 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 형성된 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 조합으로 이루어질 수 있다.
컬러 필터 어레이의 두께를 측정하는 종래 기술로는 포토레지스트를 도포한 후 이를 노광 및 현상하기 이전에 포토레지스트 막의 두께를 측정하는 방법과 컬러 필터 어레이를 형성한 후 절단하여 두께를 측정하는 방법이 있다.
종래의 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하는 방법은 포토레지스트의 두께하거나 컬러 필터 어레이의 일부분을 절단하여 측정하기 때문에 컬러 필터 어레이를 제작한 후에 변형이 가해질 뿐만 아니라 그 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 컬러 필터 어레이가 형성된 상태에서 컬러 필터 어레이의 손상 없이 웨이퍼 상태에서 광의 간섭 현상을 이용하여 직접 그 두께를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 컬러 필터 어레이의 두께 측정 장치는, 반사층의 상부에 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 입사광을 발생시키는 광 발생기와, 상기 광 발생기에서 발생된 입사광에 따라 상기 컬러 필터 어레이에서 반사되는 반사광과 상기 반사층에 의해 반사되어 상기 컬러 필터 어레이를 거쳐 반사되는 반사광의 광량을 검출하는 광 검출부와, 상기 광 검출부에서 검출된 광량을 토대로 상기 컬러 필터 어레이의 두께를 산출하는 두께 산출부를 포함한다.
또한, 본 발명은, 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 테스트 패턴으로서, 반도체 기판 상에 배선 공정을 통해 형성된 하부 구조와, 상기 하부 구조의 상부에 형성된 반사층과, 상기 반사층의 상부에 형성된 컬러 필터 어레이를 포함하며, 상기 테스트 패턴은, 상기 반도체 기판의 소정 영역에 형성되며, 소정의 파장을 갖는 입사광이 입사됨에 따라 상기 컬러 필터 어레이에 의해 반사되는 반사광과 상기 반사층에 의해 반사되어 상기 컬러 필터 어레이를 거쳐 나오는 반사광을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 테스트 패턴을 형성하는 방법으로서, 상기 컬러 필터 어레이가 형성될 반도체 기판 상에 배선 공정을 통해 하부 구조를 형성하는 단계와, 상기 하부 구조의 상부 중 상기 테스트 패턴이 형성될 영역에 반사층을 형성하는 단계와, 상기 반사층이 형성된 영역을 포함하는 상기 하부 구조의 상부에 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 컬러 필터 어레이가 형성된 상태에서 컬러 필터 어레이의 손상 없이 웨이퍼 상태에서 광의 간섭 현상을 이용하여 직접 그 두께를 측정할 수 있기 때문에 웨이퍼의 손상을 막을 수 있을 뿐만 아니라 웨이퍼 상에 형성된 다수의 컬러 필터 어레이의 균일도를 정확하게 측정할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시 예에서는 컬러 필터 어레이를 형성한 후 광량 검출을 통해 컬러 필터 어레이의 두께를 측정할 수 있는 컬러 필터 어레이 측정 장치와 이를 위 한 테스트 패턴 및 그 형성 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 씨모스 이미지 센서가 어레이 형태로 형성된 반도체 기판을 도시한 도면이며, 도 2는 도 1에서 A 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 씨모스 이미지 센서는 배선 공정(BEOL : Back End Of Line)으로 형성된 배선층을 포함하는 하부구조(200)와 하부 구조(200)의 상부에 형성된 컬러 필터 어레이(210)들로 구성된다. 배선 공정은 구리 또는 알루미늄을 이용하여 실시될 수 있으며, 배선 패턴 형성(베리어층, 메탈층, 반사 방지막), 층간 절연막 형성, 평탄화 공정, 비아홀 형성, 비아 플러그 형성, 배선 패턴 형성 공정(베리어층, 메탈층, 반사 방지막) 순으로 진행된다.
한편, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같은 반도체 기판 상에 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 적어도 하나 이상의 테스트 패턴(100) 삽입되는데, 테스트 패턴(100)은 씨모스 이미지 센서의 컬러 필터 어레이를 형성할 때 동시에 형성된다.
테스트 패턴(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(300) 상에 배선 공정을 통해 형성된 하부 구조(200)와, 컬러 필터 어레이(210)를 통해 입사되는 광을 반사시키기 위한 반사층(310)으로 구성된다.
즉, 반도체 기판(300) 상에 배선 공정을 통해 씨모스 이미지 센서의 하부 구 조(200)를 형성한 후 하부 구조(200)의 상부에 반사층(310)을 형성한다. 그런 다음, 반사층(310)의 상부에 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함한 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 적색 필터(R)(210a), 녹색 필터(G)(210b) 및 청색 필터(B)(210c)의 조합으로 이루어진 컬러 필터 어레이(210)를 형성한다.
이때, 반사층(310)은 컬러 필터 어레이(210)의 두께를 측정하기 위해 컬러 필터 어레이(210)를 투과한 광을 반사시키기 수단으로서, 광의 반사도가 뛰어난 금속 물질, 예컨대 구리, 알루미늄 등을 이용하여 형성될 수 있다. 반사층(310)은 CVD(Chemical Vaporized Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vaporized Deposition) 및 스퍼터링 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성된다.
상기와 같은 구성을 갖는 테스트 패턴(100)은 컬러 필터 어레이(210)가 형성된 반도체 기판 영역에서 소정 영역, 예컨대 에지 영역에 형성될 수 있는데, 그 형성 과정에 대해 설명하면 아래와 같다.
먼저, 컬러 필터 어레이(210)가 형성될 반도체 기판(300)의 전체 영역 상에 배선 공정을 실시하여 씨모스 이미지 센서의 하부 구조(200)를 형성한다.
그런 다음, 하부 구조(200)가 형성된 영역 중 테스트 패턴(100)이 형성될 영역에 반사층(310)을 형성하는데, 즉 하부 구조(200)가 형성된 영역에 반사층(310) 형성을 위한 물질을 증착한 후 상기 물질의 상부에 테스트 패턴(100)이 형성될 영역을 제외한 부분을 오픈시키는 마스크 패턴, 예컨대 포토레지스트 패턴을 형성하며, 마스크 패턴에 의해 오픈된 부분의 물질을 제거함으로써, 테스트 패턴(100)이 형성될 영역에만 반사층(310)을 형성한다.
이후, 반사층(310)이 형성된 영역을 포함하는 하부 구조(200)의 상부에 컬러 필터 어레이(210)를 형성한다.
상기와 같은 과정을 통해 형성된 테스트 패턴(100)을 이용하여 컬러 필터 어레이(210)의 두께를 측정하는 과정에 대해서는 도 4 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 컬러 필터 어레이의 두께 측정 장치를 도시한 도면이며, 도 5는 도 4의 장치에 의해 측정된 측정값과 이론값을 도시한 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 컬러 필터 어레이의 두께 측정 장치는 파장(λ)을 변경시켜 광을 발진하여 출력하는 광 발생기(400) 및 광 발생기(400)에서 발생된 광이 컬러 필터 어레이(210)를 투과하여 반사층(310)에서 반사되는 제 1 반사광과 컬러 필터 어레이(210)를 투과하지 못하고 반사되는 제 2 반사광을 검출하는 광 검출부(410) 및 광 검출부(410)에서 검출된 광량을 토대로 컬러 필터 어레이(210)의 두께를 산출하는 두께 산출부(420)를 포함한다.
광 발생기(400)는 테스트 패턴(100)의 컬러 필터 어레이(210) 중 어느 하나의 필터, 예컨대 적색 필터(210a)에 파장(λ)을 변경시켜 광을 입사시키면, 적색 필터(210a)는 두께에 따라 소정 파장(λ)을 보강 또는 소멸시키게 된다. 즉, 적색 필터(210a)는 그 두께에 따라 소정 파장(λ)대의 광을 소멸시키거나 보강시키기 때문에 반사층(310)에서 반사되는 제 1 반사광과 컬러 필터 어레이(210)의 적색 필 터(210a)를 투과하지 못하고 반사되는 제 2 반사광의 광량이 다르게 된다. 제 1, 2 반사광의 광량은 광 검출부(410)에 의해 검출되어 두께 산출부(420)에 제공된다.
두께 산출부(420)는 광 검출부(410)에 의해 검출된 광량을 이용하여 컬러 필터 어레이(210)의 적색 필터(210a) 두께를 산출할 수 있는데, 즉 아래의 수학식 1을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112008063057373-PAT00001
상기의 수학식 1에서 I는 광 검출기(410)에서 검출되는 광량이며, I0는 임계값을 의미하며, n은 컬러 필터 어레이(210)의 굴절 계수를 의미하며, T는 컬러 필터 어레이(210)의 두께를 의미한다.
즉, 두께 산출부(420)는 상기의 수학식1을 이용하여 컬러 필터 어레이(210)의 두께(T)를 측정할 수 있는데, 즉 광 검출기(410)에서 검출되는 광량(I)과 파장(λ), 굴절 계수(n)를 이용하여 컬러 필터 어레이(210)의 두께(T)를 산출할 수 있다.
한편, 위의 수학식1에 의거하여 광 발생기(400)에서 발생되는 광의 파장(λ)에 따른 광 검출기(410)에서 검출되는 광량(I)은 도 5의 제 1 그래프(P1)와 같은 광량 분포를 가지며, 제 1 그래프(P1)는 파장에 따른 이론값 광량 분포인 제 2 그래프(P2)와 차이점이 있는 것을 알 수 있다.
두께 산출부(420)는 도 5에 도시된 바와 같은 파장(λ)별로 광 검출부(410)에서 검출된 광량 분포(제 1 그래프(P1))와 이론값 광량 분포인 제 2 그래프(P2)간의 비교를 통해 실제 이론적으로 정의될 컬러 필터 어레이(210)의 두께를 산출할 수 있는데, 즉 제 1 그래프(P1)와 제 2 그래프(P2)에서 각 파장(λ)별 광량의 차이를 이용하여 이론적으로 정의될 컬러 필터 어레이(210)의 두께를 산출 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 반도체 기판, 즉 웨이퍼의 소정 영역에 테스트 패턴을 형성하여 컬러 필터 어레이를 형성함으로서, 웨이퍼 상에서 컬러 필터 어레이의 손상 없이 컬러 필터 어레이의 두께를 측정할 수 있다.
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 본 발명에 적용되는 씨모스 이미지 센서가 어레이 형태로 형성된 반도체 기판을 도시한 도면이며,
도 2는 도 1에서 A 부분을 확대하여 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 테스트 패턴의 구조를 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 두께 측정 장치를 도시한 도면이며,
도 5는 도 4에 측정된 파장별 광량과 이론 광량값을 표현한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 테스트 패턴 200 : 하부 구조
210 : 컬러 필터 어레이 300 : 반도체 기판
310 : 반사층 400 : 광 발생기
410 : 광 검출기 420 : 두께 산출부

Claims (7)

  1. 반사층의 상부에 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 입사광을 발생시키는 광 발생기와,
    상기 광 발생기에서 발생된 입사광에 따라 상기 컬러 필터 어레이에서 반사되는 반사광과 상기 반사층에 의해 반사되어 상기 컬러 필터 어레이를 거쳐 반사되는 반사광의 광량을 검출하는 광 검출부와,
    상기 광 검출부에서 검출된 광량을 토대로 상기 컬러 필터 어레이의 두께를 산출하는 두께 산출부
    를 포함하는 컬러 필터 어레이의 두께 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 발생기는, 상기 입사광의 파장을 변경시키면서 상기 컬러 필터 어레이에 제공하는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이의 두께 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 두께 산출부는, 수학식(
    Figure 112008063057373-PAT00002
    , I는 광량이며, I0는 임계값, n은 컬러 필터 어레이의 굴절 계수, T는 컬러 필터 어레이의 두께, λ는 입사광의 파장)을 토대로 상기 두께(T)를 산출하는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레 이의 두께 측정 장치.
  4. 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 테스트 패턴으로서,
    반도체 기판 상에 배선 공정을 통해 형성된 하부 구조와,
    상기 하부 구조의 상부에 형성된 반사층과,
    상기 반사층의 상부에 형성된 컬러 필터 어레이를 포함하며,
    상기 테스트 패턴은, 상기 반도체 기판의 소정 영역에 형성되며, 소정의 파장을 갖는 입사광이 입사됨에 따라 상기 컬러 필터 어레이에 의해 반사되는 반사광과 상기 반사층에 의해 반사되어 상기 컬러 필터 어레이를 거쳐 나오는 반사광을 제공하는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이 두께 측정용 테스트 패턴.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사층은, 구리 또는 알루미늄을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이 두께 측정용 테스트 패턴.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사층은, CVD, LPCVD 및 스퍼터링 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이 두께 측정용 테스트 패턴.
  7. 컬러 필터 어레이의 두께를 측정하기 위한 테스트 패턴을 형성하는 방법으로 서,
    상기 컬러 필터 어레이가 형성될 반도체 기판 상에 배선 공정을 통해 하부 구조를 형성하는 단계와,
    상기 하부 구조의 상부 중 상기 테스트 패턴이 형성될 영역에 반사층을 형성하는 단계와,
    상기 반사층이 형성된 영역을 포함하는 상기 하부 구조의 상부에 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계
    를 포함하는 컬러 필터 어레이 두께 측정용 테스트 패턴 형성 방법.
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