KR20150021659A - 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

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황준
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Abstract

본 실시예의 이미지 센서의 제조 방법은, 픽셀 영역으로 사용할 기판 내에 포토 다이오드 영역과, 상기 기판 상에 층간 절연막과 메탈 배선을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 컬러필터층과 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 마이크로 렌즈를 덮기 위한 커버 글래스를 상기 층간 절연막 상에 부착하는 단계; 상기 기판의 두께를 감소시키기 위한 백그라인딩 공정을 수행하는 단계; 상기 기판 내에 비아홀을 형성하여 상기 층간 절연막 안에 형성된 메탈 배선과 전기적으로 연결되는 비아 패턴을 형성하는 단계; 상기 비아 패턴 상에 제 1 마이크로 범프를 형성하는 단계; 및 미리 준비된 로직 영역의 기판에 제 2 마이크로 범프를 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 마이크로 범프를 연결하여 상기 픽셀 영역과 로직 영역을 전기적으로 연결하는 단계;를 포함한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 이미지 센서의 제조 방법에 의해서, 종래의 후면조사 방식에 따라 이미지 센서를 제조할 필요가 없어지게 되고, 픽셀 영역의 기판 두께를 줄이기 위한 백그라인딩 공정시에도 마이크로 렌즈에 충격이 가해지는 등의 문제가 발생하지 않게 된다.

Description

이미지 센서의 제조 방법{Method for manufacturing image sensor}

본 발명은 이미지 센서에 대한 것으로서, 후면조사 방식의 공정을 사용하지 않더라도 픽셀의 광 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방법에 대한 것이다.

일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체장치로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel )수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

통상적인 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 하나의 포토다이오드(Photodiode;PD)와 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)로 구성되며, 네 개의 NMOS(Tx,Rx,Sx,Dx)는 포토다이오드(PD)에서 집속된 광전하(Photo-generated charge)를 플로팅 디퓨젼 영역으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer transistor; Tx), 원하는 값으로 노드의 전위를 세팅하고 전하(Cpd)를 배출하여 플로팅 디퓨젼 영역(FD)을 리셋(Reset)시키기 위한 리셋 트랜지스터(Reset transistor; Rx), 소스 팔로워-버퍼증폭기(Source Follower Buffer Amplif ier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(Drive transistor; Dx), 스위칭으로 어드레싱(Addressing)을 할 수 있도록 하는 셀렉트 트랜지스터(Select transistor; Sx)로 구성된다.

여기서 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)는 네이티브 트랜지스터(Native NMOS)를 이용하고 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 일반적인 트랜지스터(Normal NMOS)를 이용하며, 리셋 트랜지스터(Rx)는 CDS(Correlated Double Sampling)를 위한 트랜지스터이다.

상기와 같은 CMOS 이미지센서의 단위화소(Unit Pixel)는 네이티브 트랜지스터(Native Transistor)를 사용하여 포토 다이오드 영역(PD)에서 가시광선 파장 대역의 광을 감지한 후 감지된 광전하(Photogenerated charge)를 플로우팅 디퓨전 영역(FD)으로, 즉 드라이브트랜지스터(Dx)의 게이트로 전달한 양을 출력단(Vout)에서 전기적신호로 출력한다.

도 1는 종래의 후면조사 방식을 갖는 이미지 센서의 구조를 도시한 도면이다.

실리콘 기판(21)의 앞면 표면 아래에 픽셀(22)이 형성되고, 픽셀(22)의 포토다이오드 위에도 메탈배선(M1, M2, M3)이 존재하고, 빛이 실리콘기판(21)의 뒷면으로 입사한다.

도 1의 후면조사방식의 구조는 빛이 절연막을 통과하면서 발생하는 빛의 광량 손실을 방지하고, 메탈배선을 포토다이오드 위에도 형성할 수 있게 됨에 따라 픽셀의 면적이 증가하게 되어 이미지 센서의 특성이 향상된다.

이러한 구조의 이미지 센서 제조시에는, 실리콘기판(21)의 뒷면을 얇게 가공해야 한다.

그러나, 실리콘기판(21)의 뒷면을 10∼20㎛의 두께로 가공하기 위해서는 실리콘기판(21)의 앞면에 웨이퍼 또는 글래스(Glass)를 부착한 후에 뒷면을 그라인딩(Grinding)하며, 그라인딩후에 케미컬식각(Chemical etch)을 통해 웨이퍼의 뒷면을 얇게 만들어야 하는 등 공정이 매우 복잡한 문제가 있다.

또한, 패키지 제작을 위해 리드(Lead)를 연결하기 위해서 실리콘기판(21)의 뒷면으로 메탈 배선을 연결하기 위한 슈퍼 콘택공정(Super contact process, 23)이 필요하게 된다.

이러한 후면조사방식의 씨모스 이미지 센서는 여러 공정이 필요하게 되어 공정이 매우 복잡하고, 그라인딩 및 케미컬식각을 진행한다고 하더라도 웨이퍼의 뒷면 두께를 요구되는 두께만큼 얻기가 매우 어려워 이미지 구현에 한계가 있다.

본 발명은 후면조사 구조를 사용하지 않으면서도 픽셀의 광 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 제안하고자 한다.

본 실시예의 이미지 센서의 제조 방법은, 픽셀 영역으로 사용할 기판 내에 포토 다이오드 영역과, 상기 기판 상에 층간 절연막과 메탈 배선을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 컬러필터층과 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 마이크로 렌즈를 덮기 위한 커버 글래스를 상기 층간 절연막 상에 부착하는 단계; 상기 기판의 두께를 감소시키기 위한 백그라인딩 공정을 수행하는 단계; 상기 기판 내에 비아홀을 형성하여 상기 층간 절연막 안에 형성된 메탈 배선과 전기적으로 연결되는 비아 패턴을 형성하는 단계; 상기 비아 패턴 상에 제 1 마이크로 범프를 형성하는 단계; 및 미리 준비된 로직 영역의 기판에 제 2 마이크로 범프를 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 마이크로 범프를 연결하여 상기 픽셀 영역과 로직 영역을 전기적으로 연결하는 단계;를 포함한다.

제안되는 바와 같은 실시예의 이미지 센서의 제조 방법에 의해서, 종래의 후면조사 방식에 따라 이미지 센서를 제조할 필요가 없어지게 되고, 픽셀 영역의 기판 두께를 줄이기 위한 백그라인딩 공정시에도 마이크로 렌즈에 충격이 가해지는 등의 문제가 발생하지 않게 된다.

또한, 각각의 픽셀 단위마다 로직 영역과 전기적으로 연결되는 마이크로 범프를 조밀하게 구성시킬 수 있어, 보다 안정적인 신호의 전달이 가능해질 수 있다.

도 1는 종래의 후면조사 방식을 갖는 이미지 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 7은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 2 내지 도 7은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

본 실시예에서는 이미지 센서에서 픽셀 영역과 로직 영역을 별도의 웨이퍼로 분리하여 제조하고, 마이크로 범프 공정을 통하여 픽셀 영역과 로직 영역을 통합한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 픽셀 영역의 실리콘 기판(101) 내에 각 픽셀에 대응되는 포토 다이오드 영역(111)을 형성하고, 상기 기판(101) 상에 층간 절연막(121)과 메탈 배선(131)을 형성한다. 층간 절연막(121)은 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 층간 절연막(121) 내에 배치되는 메탈 배선(131) 역시 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 메탈 배선(131) 각각은 수광되는 빛의 손실을 줄이기 위하여 각각의 포토 다이오드 영역(111) 사이의 공간에 배치될 수 있다.

그리고, 상기 메탈 배선(131)이 형성되어 있는 층간 절연막(121) 상에 빛의 수광을 위한 컬러필터층(140)이 형성되고, 상기 컬러필터층(140) 상에 마이크로 렌즈(150)가 형성된다. 알려진 바와 같이, 컬러필터층은 각각의 포토 다이오드 영역(111)에 대응하여 형성되고, 각각의 칼러필터는 특정 색만을 통과시키고 나머지 색들은 차단한다. 그리고, 상기 마이크로 렌즈(150)는 광을 각각의 포토 다이오드 영역(111)으로 포커싱하여 전달하는 역할을 수행하고, 칼러필터층(140)을 구성하는 각각의 컬러필터들에 대응하여 반구 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 컬러필터층(140)과 마이크로 렌즈(150) 사이에는 평탄화층이 더 형성될 수 있으며, 각각의 칼러필터의 두께가 서로 상이한 경우에 단차를 완화시키거나 단차를 없애기 위한 역할을 수행한다.

한편, 이러한 구조를 갖는 픽셀 영역의 웨이퍼에 대해서, 추후에 이루어질 백 그라인딩 공정에 필요한 커버 글래스를 부착시키는 공정을 수행한다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 기판에 포토 다이오드와 칼러필터 등의 픽셀 영역의 공정이 수행된 다음에는, 상기 마이크로 렌즈(150) 상측에 커버 글래스(160)를 형성한다. 상기 커버 글래스(160)는 유리의 원료가 되는 석영 등의 투명 물질로 이루어지고, 상부 커버(162)와, 상기 상부 커버(162)가 마이크로 렌즈(150)로부터 소정 거리 떨어진 상태를 유지할 수 있도록 하는 사이드월(161)을 포함한다. 상기 사이드월(161)은 상기 컬러필터층(140) 아래에 일부 노출된 층간절연막(121)상에 위치할 수 있으며, 상기 사이드월(161)의 수직 길이에 의하여 상기 상부 커버(162)가 마이크로 렌즈(140)로부터 일정한 거리를 유지할 수 있다.

상기 커버 글래스(160)를 형성하는 것에 의하여, 후속되는 백그라인딩 공정시 웨이퍼 지지 및 고정을 위하여 층간절연막을 불필요하게 두껍게 형성할 필요가 없게 된다.

상기 커버 글래스(160)는 픽셀 영역의 웨이퍼와 로직 영역의 웨이퍼를 전기적으로 연결시키기 위한 비아홀을 형성하는 때에나, 도 4에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 영역이 형성된 에피층에 해당하는 기판(101)을 그라인딩하는 때에 웨이퍼 기판의 일측을 지지하기 위한 역할을 수행한다.

즉, 도 4를 참조하면, 상기 커버 글래스(160)가 형성된 웨이퍼 일측을 다른 고정 기구에 고정시키고, 포토 다이오드 영역(111)이 형성된 기판(101)을 후면의 두께를 줄이기 위한 백그라인딩 공정을 수행한다.

이때, 백그라인딩 공정은 남아있는 상기 기판(101)의 두께가 대략 20~30㎛ 범위를 갖도록 수행된다. 백그라인딩 공정 후 남게되는 기판(101)의 두께는 후속되는 비아홀 형성공정을 고려한 것으로서, 형성시키고자 하는 비아홀의 깊이에 따라 기판(101)의 두께를 결정할 수 있을 것이다.

그 다음, 픽셀 영역의 웨이퍼 기판(101)을 로직 영역의 웨이퍼 기판(201)에 전기적으로 연결시키기 위한 비아홀 형성 공정을 수행하며, 도 5에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역의 기판(101) 상에 형성된 메탈 배선(131)의 일부를 노출시키는 비아홀을 상기 기판(101) 내에 형성한다.

즉, 상기 기판(101)이 제 1 면(예를 들면, 상부면)과 제 2 면(예를 들면, 하부면)을 갖는 것으로 정의하여 본다면, 기판(101)의 제 1 면에는 컬러필터층과 커버 글래스 등이 형성되고, 상기 기판(101)의 제 2 면에는 백그라인딩 공정이 수행된다고 할 수 있다.

이러한 경우에, 상기 기판(101)의 제 2 면을 관통하면서 층간절연막(121) 내에 형성되어 있는 메탈 배선(131)의 일부를 노출시킬 수 있는 비아홀을 형성하고, 형성된 비아홀에 금속 물질을 증착하여, 상기 메탈 배선(131)과 전기적으로 연결되는 비아 패턴(170)을 형성한다.

그 다음, 도 6을 참조하면, 별도의 웨이퍼 기판으로 제조된 로직 영역 웨이퍼를 준비한다. 상기 로직 영역의 웨이퍼는, 기판(201)과, 상기 기판(201) 상에 형성된 절연막(211)과, 상기 절연막(211) 내에 형성된 복수의 메탈 배선(221,231)을 포함한다. 다만, 로직 영역의 웨이퍼 기판은 하나의 예를 도시한 것이며, 다양한 형태의 로직 영역의 웨이퍼 기판이 준비될 수 있을 것이다.

픽셀 영역의 웨이퍼 기판(101)에 비아 패턴(170)을 형성한 다음에는, 상기 비아 패턴(170)의 단부에 마이크로 범프(241)를 형성시키고, 상기 로직 영역의 웨이퍼 기판에도 상기 마이크로 범프(241)와 대응되는 마이크로 범프(251)를 형성한다. 혼동을 방지하기 위하여, 픽셀 영역의 기판에 형성되는 마이크로 범프를 제 1 마이크로 범프(241)라 하고, 로직 영역의 기판에 형성되는 마이크로 범프를 제 2 마이크로 범프(251)라 하여 둔다.

제 1 마이크로 범프(241)는 비아 패턴(170)과 전기적으로 연결되며, 층간절연막(121) 내에 형성된 메탈 배선(131)과도 전기적으로 연결된다. 또한, 로직 영역의 제 2 마이크로 범프(251) 역시 절연막(211) 내에 형성되어 있는 메탈 배선들(221,231)과 전기적으로 연결된다.

특히, 픽셀 영역의 기판(101)에 형성되는 마이크로 범프(241)들은 픽셀 단위로 형성된다. 로직 영역의 웨이퍼 기판과 연결시키기 위한 마이크로 범프가 픽셀 단위로 조밀하게 형성될 수 있기 때문에, 각 픽셀에 의하여 취득되는 영상 정보가 보다 정확하게 로직 영역으로 전달될 수 있다.

로직 영역의 기판(201)과 픽셀 영역의 기판(101)을 전기적으로 연결시키기 위하여, 각각의 기판 상에 형성되어 있는 마이크로 범프들(241,251)을 본딩하는 공정을 수행하여 도 7과 같이 로직 영역과 픽셀 영역의 웨이퍼 기판이 전기적으로 연결되도록 한다.

그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 이미지 센서가 형성되어 있는 기판을 패키징하기 위하여, 로직 영역의 메탈 배선들(221,231)과 전기적으로 연결되는 비아 패턴(260)을 로직 영역의 기판(201)에 형성한다. 즉, 상기 로직 영역의 기판(201)에 비아홀을 형성하고, 비아홀에 금속을 증착시킴으로써 절연막(211) 내의 메탈 배선들(221,231)과 연결되는 비아 패턴(260)을 형성한다. 또한, 외부의 칩과 전기적으로 연결시키기 위한 범프(261) 역시 상기 비아 패턴(260) 상에 형성한다. 로직 영역의 기판(201)에 형성된 범프(261)와 비아 패턴(260)에 의하여 로직 영역 및 픽셀 영역이 다른 회로의 패드 등에 전기적으로 연결될 수 있다.

전술한 바와 같은 실시예의 이미지 센서의 제조 방법에 의해서, 종래의 후면조사 방식에 따라 이미지 센서를 제조할 필요가 없어지게 되고, 픽셀 영역의 기판 두께를 줄이기 위한 백그라인딩 공정시에도 마이크로 렌즈에 충격이 가해지는 등의 문제가 발생하지 않게 된다.

또한, 각각의 픽셀 단위마다 로직 영역과 전기적으로 연결되는 마이크로 범프를 조밀하게 구성시킬 수 있어, 보다 안정적인 신호의 전달이 가능해질 수 있다.

Claims (7)

  1. 픽셀 영역으로 사용할 기판 내에 포토 다이오드 영역과, 상기 기판 상에 층간 절연막과 메탈 배선을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막 상에 컬러필터층과 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 렌즈를 덮기 위한 커버 글래스를 상기 층간 절연막 상에 부착하는 단계;
    상기 기판의 두께를 감소시키기 위한 백그라인딩 공정을 수행하는 단계;
    상기 기판 내에 비아홀을 형성하여 상기 층간 절연막 안에 형성된 메탈 배선과 전기적으로 연결되는 비아 패턴을 형성하는 단계;
    상기 비아 패턴 상에 제 1 마이크로 범프를 형성하는 단계; 및
    미리 준비된 로직 영역의 기판에 제 2 마이크로 범프를 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 마이크로 범프를 연결하여 상기 픽셀 영역과 로직 영역을 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 마이크로 범프는 상기 칼라필터층을 구성하는 각각의 칼라필터마다 대응하도록 형성되는 이미지 센서의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비아 패턴 및 제 1 마이크로 범프는 상기 포토 다이오드 영역 각각에 대응하는 픽셀마다 형성되는 이미지 센서의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 백그라인딩 공정은 상기 커버 글래스에 의하여 상기 픽셀 영역의 기판이 지지되면서 수행되는 이미지 센서의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버 글래스는 상기 층간 절연막 상에 형성되는 사이드월과, 상기 사이드월 상에 형성되어 상기 마이크로 렌즈와 소정의 간격을 두고 배치되는 상부 커버를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 커버 글래스는 석영의 물질로 이루어지는 이미지 센서의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 백그라인징 공정은 상기 픽셀 영역의 기판의 두께가 20~30㎛ 범위가 되는 때까지 수행되는 이미지 센서의 제조 방법.
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