KR20110072520A - 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 광 감지부를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상에 무기물층을 형성하는 단계; 상기 무기물층 상에 위치별로 단차를 가지도록 비구면(aspherical) 형태의 더미 렌즈를 형성하는 단계;및 상기 더미 렌즈를 사용한 식각공정에 의하여 상기 무기물층을 식각하고 구면형태의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이미지 센서, 마이크로 렌즈

Description

이미지 센서의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING IMAGE SENSOR}
실시예는 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지센서와 씨모스 이미지센서((Complementary Metal Oxide Silicon Sensor: CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
이러한 다양한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위하여 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하고 있다.
이미지 센서의 마이크로 렌즈는 프로파일 조절이 용이하고, 가시광선 파장 대역에서 투과율 및 굴절 계수 변화가 크지 않아야 하고, 하나의 렌즈는 하나의 구면반경을 가져야 하기 때문에 공정 및 물질의 제약이 따른다.
일반적으로 마이크로 렌즈는 감광성 유기물(photo resist)을 노광, 현상 및 리플로우 하여 반구형의 모양을 형성하고 있다.
포토레지스트로 형성된 렌즈의 경우 마이크로 렌즈가 하나의 구면 반경을 갖는 핀쿠션 타입(예를 들어, pin-cushion type은 이웃하는 렌즈가 만나는 갭 스페이스가 곡면인 경우를 일컫는다.)으로 형성하기가 매우 어렵다. 또한, 유기물로 형성되기 때문에 각종 솔벤트(solvent)에 대한 내화학성이 취약할 수 있다.
또는, 마이크로 렌즈를 산화실리콘과 같은 무기물로 형성한 후 그 표면에 다시 산화실리콘 박막을 추가로 증착하여 형성할 수도 있다. 하지만 일반적인 마이크로 렌즈 및 컬러필터 등이 유기물인 포토레지스트 및 폴리머이므로 고온 산화막 증착 공정 중 유실/변질되는 문제가 있을 수 있다.
또는, 포토레지스트를 이용하여 렌즈 형태를 형성하고, 그 표면에 140~200℃의 온도에서 저온산화막을 추가하여 마이크로 렌즈의 손상을 방지하는 동시에 렌즈 사이의 갭을 제거하여 핀쿠션 타입(pin-cushion type)의 마이크로 렌즈를 형성할 수 있다. 하지만, 저온 산화막을 이용한 방법 역시 산화막의 증착온도가 낮아질수록 하부 렌즈와의 접착성은 낮아지고, 크랙이 발생될 수 있는 문제가 있다.
실시예에서는 무기물 마이크로 렌즈의 구면을 최적화하고 필팩터를 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 광 감지부를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상에 무기물층을 형성하는 단계; 상기 무기물층 상에 위치별로 단차를 가지도록 비구면(aspherical) 형태의 더미 렌즈를 형성하는 단계;및 상기 더미 렌즈를 사용한 식각공정에 의하여 상기 무기물층을 식각하고 구면형태의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 그레이드 톤 마스크를 사용하여 상기 더미 렌즈의 형태를 단차를 가지는 비구면 형태로 형성하고, 이를 이용한 에치-백 공정을 마이크로 렌즈를 형성함으로써 마이크로 렌즈의 형태를 구면으로 형성하고, 마이크로 렌즈에 의한 집광율을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하 여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(100)에 단위화소 별로 광 감지 소자(120)가 형성된다.
상기 반도체 기판(100)은 액티브 영역 및 필드영역을 정의하는 소자분리막(110)이 형성되어 있다.
상기 액티브 영역에 해당하는 각각의 단위화소에는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드가 형성되어 있고, 상기 포토다이오드에 연결되어 광 전하를 전기신호로 변환하는 트래지스터 회로(미도시)가 형성되어 있다.
상기 광 감지 소자(120)의 포토다이오드는 pnp 정션을 가지는 포토다이오드일 수 있다.
또는, 상기 광 감지 소자(120)는 하나의 픽셀에 3개 색이 수직으로 배열된 버티컬 타입(vertical type)의 포토다이오드 일 수 있다.
예를 들어, 상기 광 감지 소자(120)는 적색 광감지 소자(red photo diode), 녹색 광감지 소자(green photo diode) 및 청색 광감지 소자(blue photo diode)를 포함하여 형성되므로, 하나의 화소에 3가지 색 모두를 수직으로 배열되어 고화질의 이미지를 구현할 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 광 감지 소자(120)에 의해 별도의 컬러 필터 공정없이 다양한 색채를 표현할 수 있게 된다.
또한 수평구조의 포토다이오드 구조보다 약 3배 수준의 고화질을 구현할 수 있다.
상기 소자분리막(110)과 광 감지 소자(120)를 포함하는 관련 소자들이 형성된 후, 금속배선층(130)이 상기 반도체 기판(100) 상에 형성된다.
상기 금속배선층(130)은 상기 반도체 기판(100) 상에 형성된 층간 절연막과 상기 층간 절연막을 관통하여 형성된 복수의 배선을 포함한다.
상기 배선은 제1 메탈(M1) 및 제2 메탈(M2)을 포함할 수 있다.
상기 배선은 전원라인, 신호라인 및 단위픽셀들과 연결되는 것으로, 상기 광 감지 소자(120)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃 될 수 있다.
상기 금속배선층(130) 상에 패시베이션층(140)이 형성된다.
상기 패시베이션층(140)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 절연막으로 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(140)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 어느 하나로 형성될 수도 있으며, 또는 하나 이상의 층이 적층된 구조일 수도 있다.
한편, 상기 패시베이션층(140)의 형성을 생략하고, 상기 금속배선층(130) 상에 렌즈 형성공정이 진행될 수도 있다. 이는 이미지 센서의 전체적인 높이에 영향을 주게 되어 보다 박형의 이미지 센서를 제공할 수도 있으며, 공정 수 감소에 다른 비용 절감의 효과를 제공할 수도 있다.
상기 패시베이션층(140) 상에 무기물층(150)이 형성된다.
상기 무기물층(150)은 산화막, 질화막 및 산질화막과 같은 무기물 물질로 형성될 수 있다.
상기 무기물층(150)은 고온 공정에서 증착되고, 고밀도의 내부막질을 가질 수 있다. 이는 상기 무기물층의 하부에 유기물인 컬러필터가 생략되어 있기 때문이다.
상기 무기물층(150) 상에 포토레지스트층(200)을 코팅한다. 상기 포토레지스트층(200)은 더미 렌즈를 형성하기 위하여 유기물의 포토레지스트층(200)을 스핀코팅하여 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 무기물층(150) 상에 위치별로 단차를 가지도록 비구면(aspherical) 형태의 더미 렌즈가 형성된다.
상기 더미 렌즈는 상기 광 감지 소자(120)에 대응하도록 단위픽셀 별로 형성될 수 있다.
상기 더미 렌즈는 상기 포토레지스트층에 대한 노광(expose), 현상(development) 및 리플로우(reflow) 공정을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 더미 렌즈는 반구형이고 제1 크기를 가지는 제1 더미 렌즈(210) 및 상기 제1 더미 렌즈(210) 상에 반구형이고 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기를 가지는 제2 더미 렌즈(220)를 포함한다.
상기 제1 더미 렌즈(210) 및 제2 더미 렌즈(220)는 하나의 패턴일 수 있다.
즉, 상기 제1 더미 렌즈(210)의 상부 중앙역역에 상기 제2 더미 렌즈(220)가 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 더미 렌즈(210) 및 제2 더미 렌즈(220)는 단차를 가진 구조로 형성되고, 중앙영역(C)이 주변영역(E)에 비하여 돌출된 형태를 가질 수 있다.
상기 더미 렌즈는 포토리소그라피 노광공정시 빛의 양이 위치에 달라지는 그레이드 톤 마스크(graded tone mask)(300)에 의하여 형성될 수 있다.
상기 제1 더미 렌즈(210) 및 제2 더미 렌즈(220)는 그레이드 톤 마스크(300)에 의한 한번의 포토공정을 통해 동시에 형성될 수 있다.
상기 그레이드 톤 마스크(300)는 크롬(Cr) 마스크일 수 있다.
도 3의 (a)는 그레이드 톤 마스크의 단면도이고, (b)는 그레이드 톤 마스크에 의하여 형성되는 패턴의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 상기 그레이드 톤 마스크(300)는 노광 파장으로 해상되지 않은 작은 모자이크 형태의 미세패턴들로 형성될 수 있다.
즉, 상기 그레이드 톤 마스크(300)는 포토리소그라피(photolithography) 노광 파장으로 해상되는 않는 작은 패턴을 모자이크 형태로 배치하여 패턴 형성은 되지 않고 노광 에너지만 균일하게 전달되도록 해준다.
이때, 해상도 이하의 미세패턴이 위치에 따라 서서히 패턴밀도가 달라지도록 형성함으로써 상기 그레이드 톤 마스크(300)로 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 그레이드 톤 마스크(300)는 제1 투과도를 가지는 제1 영역(310) 및 제1 투과도 보다 큰 제2 투과도를 가지는 제2 영역(320)으로 구분될 수 있다.
상기 제1 영역(310)은 하나의 패턴을 형성하기 위한 상기 그레이드 톤 마스크(300)에서 중앙영역을 지칭한다. 상기 제2 영역(320)은 하나의 패턴을 형성하기 위한 그레이드 톤 마스크(300)에서 중앙영역의 주위인 주변영역을 지칭한다.
또한, 상기 그레이드 톤 마스크(300)는 제1 패턴밀도를 가지는 제1 영역(310) 및 상기 제1 패턴밀도 보다 낮은 제2 패턴밀도를 가지는 제2 영역(320)으로 구분될 수 있다.
상기 그레이드 톤 마스크(300)의 제1 영역(310)은 제1 패턴밀도를 가짐으로써 낮은 투광도를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 영역(320)은 제2 패턴밀도를 가짐으로써 높은 투광도를 가질 수 있다.
상기와 같이 그레이드 톤 마스크(300)의 미세패턴들은 제1 영역(310)에서 제2 영역(320)으로 갈수록 패턴밀도가 점점 낮아지고, 상기 그레이드 톤 마스크(300)에 의한 포토 공정시 노광량은 위치에 따라 제어될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 영역(310)에서 크롬 미세패턴들은 80~95%의 패턴 밀도로 형성되고, 상기 제2 영역(320)에서 크롬 미세패턴들은 3~6%의 패턴 밀도로 형성될 수 있다.
도 3의 (b)는 상기 그레이트 톤 마스크의 미세패턴의 밀도에 따른 투광도를 나타내는 그래프이다. 도 3의 (b)에서 T는 투광도(transmittance)를 나타내는 것이고, D는 크롬 마스크의 패턴 밀도(Mask Cr pattern density)를 나타내는 것이다.
즉, 크롬 패턴 밀도가 높은 상기 제1 영역(310)에서 투광도는 낮아지고, 크롬 패턴의 밀도가 낮은 제2 영역(320)에서 투광도는 높아질 수 있다.
이에 따라, 상기 그레이드 톤 마스크(300)에 의하여 상기 포토레지스트층(200)에 대한 포토리소그라피 공정을 진행하면, 비구면 형태의 제1 및 제2 더미 렌즈(210,220)가 형성되는 것이다.
즉, 상기 그레이드 톤 마스크(300)의 제1 영역(310)이 위치되는 영역에서는 노광량이 작아지게 되어 그 하부의 포토레지스트층(200)에 대한 노광진행은 느리게 진행될 수 있다. 또한 상기 제2 영역(320ㄴ)이 위치되는 영역에서는 노광량이 커지게 되어 그 하부의 포토레지스트층(200)에 대한 노광진행은 상대적으로 빨리지게 된다.
이에 따라, 상기 그레이드 톤 마스크(300)의 제2 영역(320)에 의하여 상기 제1 더미 렌즈(210)가 형성되고, 상기 제1 영역(310)에 의하여 상기 제1 더미 렌즈(210) 상부 중심에 제2 더미 렌즈(220)가 형성될 수 있게 된다.
특히, 상기 제2 더미 렌즈(220)는 상기 제1 더미 렌즈(210)의 중심부분에서 볼록하게 돌출된 형태로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 패시베이션층(140) 상에 마이크로 렌즈(155)가 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(155)는 상기 제1 및 제2 더미 렌즈(210,220)를 식각마스크로 사용하여 상기 무기물층에 대한 에치-백(etch-back) 공정을 통해 형성될 수 있다. 즉, 상기 마이크로 렌즈(155)는 상기 제1 및 제2 더미 렌즈(210,220)를 상기 무기물층에 전사함으로써 구면 프로파일을 가지도록 형성할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(155)는 단위픽셀에 대응하도록 형성되고 상기 마이크로 렌즈(155)는 이웃하는 렌즈과 일정한 갭을 가지도록 형성할 수 있다.
상기와 같이 비구면 형태의 제1 및 제2 더미 렌즈(210,220)를 이용한 식각공정을 통해 상기 마이크로 렌즈(155)를 형성함으로써 상기 마이크로 렌즈(155)는 구면을 가질 수 있다.
일반적으로 구면 형태의 포토레지스트를 리플로우를 통해 형성하는 시드 패턴이 산화물층에 전사되는 동안 구면형태가 변형되어 최종적으로 형성되는 마이크로 렌즈는 그 표면이 편평한 형태로 형성될 수 있었다.
실시예에서는 그레이드 톤 마스크(300)를 사용하여 상기 더미 렌즈(155)의 형태를 단차를 가지는 비구면 형태로 형성하고, 이를 이용한 에치-백 공정을 마이크로 렌즈를 형성함으로써 마이크로 렌즈(155)의 형태를 구면으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 5를 참조하여, 상기 마이크로 렌즈(155) 상에 무기물 박막(160)을 형성하고 갭 리스(gap-less) 마이크로 렌즈(155)를 형성할 수 있다.
상기 무기물 박막(160)은 상기 마이크로 렌즈(155)와 동일한 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 무기물 박막(160)은 200~500℃의 고온에서 증착될 수 있다.
특히, 무기물로 형성된 마이크로 렌즈(155) 상에 무기물 박막(160)이 형성되므로 온도의 제약이 없게 되어, 접착특성이 향샹되고 우수한 품질의 마이크로 렌즈(155)를 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아 니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 5는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

Claims (11)

  1. 광 감지부를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계;
    상기 금속배선층 상에 무기물층을 형성하는 단계;
    상기 무기물층 상에 위치별로 단차를 가지도록 비구면(aspherical) 형태의 더미 렌즈를 형성하는 단계;및
    상기 더미 렌즈를 사용한 식각공정에 의하여 상기 무기물층을 식각하고 구면형태의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 더미 렌즈는 반구형이고 제1 크기를 가지는 제1 더미 렌즈 및 상기 제1 더미 렌즈의 상부 중앙에 반구형이고 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기를 가지는 제2 더미 렌즈를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 더미 렌즈 및 제2 더미 렌즈는 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 더미 렌즈를 형성하는 단계는,
    상기 무기물층 상에 포토레지스트층 코팅하는 단계; 및
    그레이드 톤 마스크(graded tone mask)를 사용하여 상기 포토레지스트층에 대한 노광공정을 진행하는 단계를 포함하고,
    상기 그레이드 톤 마스크는 노광 파장으로 해상되지 않은 작은 모자이크 형태의 패턴들로 형성되고, 상기 패턴들은 위치에 따라 서로 다른 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 그레이드 톤 마스크는 제1 투과도를 가지는 제1 영역 및 제1 투과도 보다 큰 제2 투과도를 가지는 제2 영역을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 그레이드 톤 마스크는 제1 밀도를 가지는 제1 영역 및 상기 제1 밀도 보다 낮은 제2 밀도를 가지는 제2 영역을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 그레이드 톤 마스크는 제1 영역에서 제2 영역으로 갈수록 패턴 밀도가 점차 낮아지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 영역은 80~95%의 패턴 밀도로 형성되고, 상기 제2 영역은 3~6의 패턴 밀도로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 그레이드 톤 마스크의 상기 제2 영역에 의하여 제1 더미 렌즈가 형성되고, 상기 제1 영역에 의하여 제2 더미 렌즈가 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 상에 무기물 박막을 증착하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 무기물 박막은 200~300℃의 온도에서 증착되는 이미지 센서의 제조방법.
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