KR100851752B1 - 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판 상에 단위픽셀을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 렌즈갭 홀이 형성된 시드 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 시드 마이크로 렌즈를 전면 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이미지 센서, 씨모스 이미지 센서, 마이크로 렌즈
Description
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 도면이다.
실시예에서는 이미지 센서의 제조방법이 개시된다.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상((optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시키는 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 영역이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 영역을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 영역 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 영역으로 모아주는 집광기술로서 마이크로렌즈를 형성하는 방법이 있다.
이미지센서의 제조과정 중 마이크로렌즈를 형성하는 방법은 화소가 형성된 픽셀 어레이 기판 상에 컬러필터와 마이크로렌즈 형성 공정을 진행한다.
상기 마이크로렌즈는 감광성 유기물 물질을 노광(expose), 현상(development), 리플로우(reflow)의 순서로 진행하여 반구형의 모양을 최종 형성시킨다.
그러나, 상기 감광성 유기물 물질은 물성 자체가 약하여 패키지 및 범프 등의 후공정에서 마이크로렌즈가 물리적인 충격인 크랙 등에 의한 손상을 입기 쉽고 감광성 유기물은 상대적인 점성이 강하여 파티클이 흡착될 경우 렌즈의 불량을 유발시키게 된다.
실시예는 무기물로 형성된 마이크로 렌즈를 사용함으로써 파티클 및 크랙등의 손상을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 반도체 기판 상에 단위픽셀을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 컬러필터 상에 렌즈갭 홀이 형성된 시드 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 시드 마이크로 렌즈 를 전면 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(On/Over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 나타내는 공정 단면도이다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10) 상에는 포토다이오드(미도시) 및 씨모스회로(미도시)을 포함하는 단위화소(11)가 형성되어 있다.
상기 반도체 기판(10) 상에는 액티브 영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(미도시)이 형성되어 있다. 또한 각각의 단위화소(11)에는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드(미도시)가 형성되어 있으며, 상기 포토다이오드에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로(미도시)가 형성되어 있다.
상기 단위화소(11)를 포함하는 관련 소자들이 형성된 이후에, 층간 절연막(20) 및 금속배선(21)이 반도체 기판(10) 상에 형성된다.
상기 층간 절연막(20)은 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 상기 금속배선(21)도 복수개 형성될 수 있다.
상기 금속배선(21)은 포토다이오드로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다.
도시되지는 않았지만, 상기 금속배선(21)을 포함한 층간 절연막(20) 상에 패시베이션층이 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 절연막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 패시베이션층은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중의 어느 하나로 형성될 수도 있으며 또는 하나 이상의 층이 적층된 구조일 수도 있다.
한편, 상기 패시베이션층의 형성을 생략하고 상기 층간 절연막(20) 상에 후속공정으로 컬러필터(30)가 형성될 수 있다.
이는 이미지 센서의 전체적인 높이에 영향을 주게되어 보다 박형의 이미지 센서를 제공할 수도 있으며, 또한 공정 단계의 감소에 따른 비용 절감의 효과를 제공할 수 있다.
상기 컬러필터(30)는 컬러 이미지 구현을 위해 3색의 컬러필터로 형성된다.
상기 컬러필터(30)를 구성하는 물질로는 염색된 포토레지스트를 사용하며 각각의 단위화소마다 하나의 컬러필터(30)가 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 이러한 컬러필터는 각각 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 색으로 이루어져 인접한 컬러필터들은 서로 약간씩 오버랩되어 단차를 가지게 된다.
도시되지는 않았지만, 상기 컬러필터(30)의 단차를 보완하기 위하여 평탄화층이 상기 컬러필터(30) 상에 형성될 수 있다.
후속공정으로 형성될 마이크로렌즈는 평탄화된 표면 상에 형성되어야 하며, 이를 위해서는 상기 컬러필터(30)로 인한 단차를 없애야 하므로, 상기 컬러필터(30) 상에 평탄화층이 형성될 수 있다.
상기 컬러필터(30) 상에 마이크로 렌즈로 사용되는 무기물층(40)이 형성된다.
상기 무기물층(40)은 산화막, 질화막 및 산질화막과 같은 무기물 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 무기물층(40)은 산화막을 약 50~250℃의 저온에서 CVD, PVD 및 PECVD 공정으로 형성될 수 있으며 약 2,000~20,000Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 무기물층(40) 상에 제1 홀(110)을 가지는 제1 포토레지스트 패턴(100)이 형성된다.
상기 제1 포토레지스트 패턴(100)은 상기 무기물층(40) 상으로 포토레지스트막을 코팅한 후 노광 및 현상하여 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 포토레지스트 패턴(100)은 1000~2000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 포토레지스트 패턴(100)의 제1 홀(110)은 후속공정으로 형성되는 마이크로 렌즈를 단위화소 별로 분리하기 위한 것으로, 상기 단위화소(11)의 사이 영역에 대응되는 상기 무기물층(40)을 노출시킨다.
도 3을 참조하여, 상기 제1 포토레지스트 패턴(100) 상에 제2 홀(210)을 가지는 제2 포토레지스트 패턴(200)이 형성된다.
상기 제2 포토레지스트 패턴(200)은 상기 무기물층(40) 상으로 포토레지스트막을 코팅한 후 노광 및 현상하여 형성된다. 예를 들어, 상기 제2 포토레지스트 패 턴(200)은 5000~10000Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제2 포토레지스트 패턴(200)의 제2 홀(210)은 상기 제1 포토레지스트 패턴(100)의 제1 홀(110)보다 넓은 직경으로 형성되어 상기 제1 홀(110)을 통해 노출된 상기 무기물층(40)을 노출시키며 상기 제1 포토레지스트 패턴(100)의 가장자리 영역도 동시에 노출시킨다.
도 4를 참조하여, 상기 무기물층(40) 상에 선택적으로 이온주입부(50)가 형성된다.
상기 이온주입부(50)는 상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(100,200)을 포함하는 무기물층(40) 상으로 이온주입공정을 진행하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 무기물층(40)으로 주입되는 이온은 질소이온일 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(100,200)을 마스크로 하여 이온주입공정에 의하여 질소이온을 이온주입하면 상기 제1 및 제2 홀(110,210)을 통해 노출된 상기 무기물층(40) 상으로 질소이온이 도핑된다.
이때, 상기 이온주입부(50)는 상기 제1 및 제2 홀(110,210)을 통해 완전히 노출된 무기물층(40)으로는 질소이온이 깊게 주입된다. 또한, 상기 제2 포토레지스트 패턴(200)에 의하여 노출된 상기 제1 포토레지스트 패턴(100) 하부의 무기물층(40)으로는 질소이온이 얕게 주입된다. 또한, 상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(100,200)의 하부의 무기물층(40)으로는 질소이온이 주입되지 않는다.
따라서, 상기 이온주입부(50)는 상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(100,200)의 두께에 의하여 단차를 가지도록 형성된다.
도 5를 참조하여, 상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴(100,200)을 제거하면 무기물층(40) 상에 이온주입부(50)가 형성된다. 예를 들어, 상기 이온주입부(50)는 실리콘 산질화막으로 형성될 수 있다.
상기 이온주입부(50)는 상기 무기물층(40)의 단위화소의 사이에 대응하는 영역에 형성될 수 있다. 또한, 상기 이온주입부(50)는 상기 무기물층(40)의 상부에는 얕고 넓은 형태로 형성되며 그 중앙 영역은 상기 무기물층(40)으로 깊숙히 함몰된 형태로 형성되어 단차를 가지게 된다.
도 6을 참조하여, 상기 이온주입부(50)를 제거하여 렌즈갭 홀(55)을 가지는 시드 마이크로 렌즈(41)가 형성된다.
상기 이온주입부(50)은 습식식각 공정을 통해 제거될 수 있다. 상기 이온주입부(50)는 실리콘 산질화막으로 형성되고 상기 무기물층(40)은 산화막으로 형성되었기 때문에 상기 이온주입부(50)은 습식식각 공정에 의해 용이하게 제거될 수 있다.
상기 무기물층(40)에 형성된 이온주입부(50)가 제거되면 단위화소(11)의 사이에 대응하는 영역에 렌즈갭 홀(55)을 가지는 시드 마이크로 렌즈(41)가 형성된다.
상기 렌즈갭 홀(55)은 상기 이온주입부(50)의 형태에 따라 상부 영역은 얕고 넓은 형태로 형성되며 그 중앙에는 깊게 파인 형태로 형성된다.
따라서, 상기 시드 마이크로 렌즈(41)는 상기 렌즈갭 홀(55)에 의하여 단위화소 별로 패터닝된 상태가 된다.
도 7을 참조하여, 상기 렌즈갭 홀(55)이 형성된 시드 마이크로 렌즈(41)에 대하여 전면식각 공정을 진행한다. 예를 들어, 상기 시드 마이크로 렌즈(41)에 대한 식각공정은 블랭크(Blank)로 건식식각이 진행될 수 있다,
그러면 플라즈마를 이용한 건식식각의 특성에 의하여 상기 시드 마이크로 렌즈(41)의 모서리 영역에 플라즈마가 집중되어 식각공정이 진행된다.
이에 따라, 상기 시드 마이크로 렌즈(41)의 렌즈갭 홀(55)이 형성된 부분에 플라즈마가 집중되어 식각되므로 상기 시드 마이크로 렌즈(41)는 볼록한 돔 형태로 형성될 수 있다.
도 8을 참조하여, 상기 시드 마이크로 렌즈(41)의 전면식각 공정에 의하여 돔 형태의 마이크로 렌즈(45)가 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(45)는 단위화소 별로 각각 형성되어 입사하는 빛을 상기 단위화소로 집광시키게 된다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(45)는 무기물 물질로 형성되어 물리적인 충격에 의한 크랙 등을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 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.
실시예의 이미지 센서의 제조방법에 의하면, 무기물로 형성된 마이크로 렌즈 를 사용함으로써 파티클 및 크랙 등의 손상을 방지하여 이미지 센서의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 무기물로 형성된 마이크로 렌즈가 돔 형태로 형성되어 빛의 포토다이오드의 집광율을 높일 수 있다.
Claims (12)
- 반도체 기판 상에 포토다이오드 및 씨모스 회로를 포함하는 복수개의 단위화소를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 상기 단위화소와 전기적으로 연결되도록 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 층간 절연막 상에 무기물층을 형성하는 단계;상기 단위화소와 이웃하는 단위화소 사이에 해당하는 상기 무기물층에 선택적으로 이온주입부를 형성하는 단계;상기 이온주입부를 제거하여 상기 무기물층에 상부 영역은 얕고 넓은 트랜치 형태로 형성되고 그 중앙은 깊고 좁은 비아형태를 가지는 렌즈갭 홀을 형성하는 단계;상기 렌즈갭 홀에 의하여 표면이 단차를 가지는 시드 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 시드 마이크로 렌즈를 전면 식각하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 이온주입부는 실리콘 산질화막으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 이온주입부를 형성하는 단계는,상기 단위화소와 이웃하는 단위화소 사이에 대응하는 상기 무기물층 상에 제1 홀을 가지는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 제1 포토레지스트 패턴 상에 상기 제1홀을 노출시키도록 제2 홀을 가지는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 제1 및 제2 포토레지스트 패턴를 마스크로 하여 상기 무기물층으로 질소이온을 이온주입하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 무기물층은 저온 산화막으로 형성되는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 이온주입부의 제거는 습식식각 공정으로 진행되는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 포토레지스트 패턴은 1000~2000Å의 두께로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2 포토레지스트 패턴은 5000~10000Å의 두께로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제5항에 있어서,상기 제2 포토레지스트 패턴의 제2홀은 상기 제1 포토레지스트 패턴의 제1 홀의 직경보다 넓게 형성된 이미지 센서의 제조방법.
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