KR100663743B1 - 이미지 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 기존 반도체 공정을 이용하던 칼라 공정 및 광차단 기술을 패키지 기술로 대체하는 이미지 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이미지 센서의 제조 공정 중에서 칼라 공정 및 광차단 기술을 패키지 기술로 대체함으로써, 칼라 부분 형성으로 인해 적용하지 못했던 공정의 적용을 통해서 감도를 획기적으로 개선할 수 있다.
이미지 센서, 칼라 공정, 광차단 기술, 패키지

Description

이미지 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서{Method for manufacturing image sensor and image sensor employing it}
도 1은 종래 기술에 따른 시모스 이미지 센서의 구성을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 패키지 작업이 완료된 이미지 센서의 구성을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서 칩의 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산화막층 위에 칼라 부재의 형성이 완료된 상부 유리의 평면도.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상부 유리에 칼라 공정을 수행하는 과정 및 광차단막 형성 과정을 설명하기 위한 도면들.
도 11은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 칼라 공정 및 광차단막 형성 이 완료된 상부 유리의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201 : 상부 유리
203 : 산화막층
205 : 칼라 부재
207 : 이미지 센서 칩
213 : 하부 유리
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서에 관한 것으로 특히, 이미지 센서의 제조 공정 중 칼라 공정 및 광차단 기술을 패키지 기술로 대체하는 이미지 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자를 말한다. 이미지 센서의 소자 종류에는 CCD(Charge Coupled Device) 방식의 소자 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 방식의 소자가 있다. CCD 방식의 소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 방식의 소자는 제어회로 및 신호 처리 회로를 주변 회로로 사용하는 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력 소모가 많으며, 마스크 공정 스텝수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조 기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30~40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다.
칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지 부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다. 그리고 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직 회로 부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직 회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라 필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 방법을 사용하고 있다. 도 1을 참조하여 이와 같은 칼라 필터와 마이크로렌즈를 포함하여 구성된 시모스(CMOS) 이미지 센서의 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 시모스 이미지 센서의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 시모스 이미지 센서는 수광부(101), 절연막(103), 금속 배선1(105), 금속간 분리막(107), 금속 배선2(109), 보호 절연막(111), 칼라필터(113) 및 마이크로렌즈(115)를 포함한다. 이러한 구성을 가지는 시모스 이미지 센서는 먼저 반도체 기판위에 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드와 같은 수광부(101)가 형성된다. 이후 절연막(103)이 형성된 후, 절연막(103) 상부에 금속 배선1(105), 금속간 분리막(107) 및 금속 배선2(109)가 형성된다. 이후 보호 절연막(111)이 형성된 후, 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라의 칼라 필터(113) 및 마이크로 렌즈(115)가 사진 공정법 또는 염색법 등의 방법으로 형성된다.
이와 같은 칼라필터를 어레이하고 마이크로렌즈를 형성하는 과정을 칼라 공정이라 하는데, 기존에는 칼라 공정이 상기에서 보는 바와 같이 반도체 공정의 일부로 수행되어왔다. 따라서 칼라 공정 이후에 반도체 공정에 의한 이미지 센서의 특화 공정의 진행에 있어서 한계를 가지고 있다. 즉 마지막 층으로 포토 레지스터로 구성된 칼라 필터 및 마이크로 렌즈 층의 형성으로 인해 고온의 적용이 힘들고, 수분 침투와 같은 외부의 환경으로부터의 약점이 노출되어 왔다. 또한 수광 지역과 마이크로 렌즈 사이의 거리가 자연히 멀어짐에 따라 감도 개선에 있어 공정적인 기술에 한계를 가지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이미지 센서를 제조하는 공정 중에서 기존 반도체 공정을 이용하던 칼라 공정을 패키지 기술로 대체할 수 있는 이미지 센서 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이미지 센서 제조 공정 중에서 칼라 공정을 패키지 기술로 대체하고, 이미지 센서 칩의 수광부를 식각함으로써 마이크로 렌즈와 수광부 사이의 거리를 최대한 가깝게 하여 감도를 획기적으로 높일 수 있는 이미지 센서 제조 방법 및 이를 이용한 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.
상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 상면에 수납 프레임이 부착된 하부 유리; 상기 하부 유리의 수납 프레임에 수납되며, 수광부 상부가 식각되어 있는 이미지 센서 칩; 및 상기 이미지 센서 칩과 대향하는 내측 면에 산화막층 및 칼라 부재가 차례로 형성되어 있으며, 상기 이미지 센서 칩의 식각된 상기 수광부 상부에 상기 칼라 부재가 위치하도록 상기 이미지 센서 칩이 장착된 하부 유리 상부에 장착되는 상부 유리를 포함하는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
여기에서, 상기 이미지 센서 칩은 반도체 공정에 의하여 형성된 상기 수광부 및 금속 배선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화막층 위의 상기 칼라 부재 주변에는 얼라인 키가 더 형성되어 있으며, 패키지 공정시 상기 얼라인 키에 의하여 상기 칼라 부재의 위치가 조정될 수 있다.
또한, 상기 칼라 부재는 상기 상부 유리 내측 면에 형성되어 있는 상기 산화막층 위에 칼라 공정을 수행함으로써 형성할 수 있다.
또한, 상기 칼라 부재는 칼라 필터, 마이크로 렌즈 및 광 차단막을 포함할 수 있다.
또한, 상기 칼라 필터는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 필터 어레이로 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상부 유리에 산화막층을 형성하는 단계; 상기 산화막층 위에 칼라 공정을 수행하여 칼라 부재를 형성하는 단계; 수광부 및 금속 배선을 포함하며, 상기 수광부 상부가 식각된 이미지 센서 칩을 하부 유리의 상면에 부착된 수납 프레임에 장착하는 단계; 및 상기 상부 유리를 상기 하부 유리 상면에 장착하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공할 수 있다.
여기에서, 상기 상부 유리에 산화막층을 형성하는 단계 이후, 상기 산화막층 위에 얼라인 키를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 얼라인 키에 의하여 상기 칼라 부재의 위치가 조정될 수 있다.
또한, 상기 상부 유리를 상기 하부 유리 상면에 장착하는 단계는, 상기 칼라 부재가 상기 이미지 센서 칩의 식각된 상기 수광부 상부에 위치하도록 상기 상부 유리를 상기 하부 유리 상면에 장착할 수 있다.
또한, 상기 산화막층 위에 칼라 공정을 수행하여 칼라 부재를 형성하는 단계는, 칼라 필터를 어레이하는 단계; 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 광차단막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
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이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설 명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 패키지 작업이 완료된 이미지 센서의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서 패키지는 산화막층(203) 및 칼라 공정에 의하여 형성된 칼라 부재(205)를 포함하는 상부 유리(201), 이미지 센서 칩(207), 수납 프레임(211) 및 하부 유리(213)를 포함한다. 상부 유리(201) 및 하부 유리(213)는 이미지 센서 패키지에 사용될 유리 기판들이며, 수납 프레임(211)은 이미지 센서 칩(207)을 하부 유리(213)에 수납하기 위한 실리콘 다이(Silicon Die)를 말한다. 본 발명의 특징은 이미지 센서 칩(207)에서 수행되어 오던 칼라 공정을 패키지용 상부 유리(201)의 내측 면에 형성된 산화막층(203) 위에서 수행하여 칼라 부재(205)를 형성함과 아울러, 이미지 센서 칩(207)에서 수광부 상부를 식각함으로써 수광 지역(209)을 형성하고 상기 칼라 부재(205)가 상기 수광 지역(209)에 위치하도록 상기 하부 유리(213) 및 상기 상부 유리(201)를 패키지한다는 점에 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서를 패키지하기 위해서는 수광 지역(209)을 포함하는 이미지 센서 칩(207) 및 칼라 부재(205)를 포함하는 상부 유리(201)를 제조하는 과정이 선행되어야 한다. 본 발명에 따른 이미지 센서 칩(207)의 제조 방법은 도 3을 참조하여 자세히 설명될 것이며, 상부 유리(201)에 칼라 부재(205)가 형성된 모습은 도 4에 도시되어 있으며, 상부 유리(201)에 칼라 부재(205)를 형성하는 방법은 도 5 내지 도 10을 참조하여 자세히 설명될 것이다.
먼저, 반도체 공정을 통하여 반도체 기판에 수광부 및 금속 배선을 형성하고, 최종 금속 배선이 형성된 이후 상기 수광부 지역만을 부분적으로 식각하여 수광 지역(209)을 포함하는 이미지 센서 칩(207)을 완성한다. 그리고 완성된 이미지 센서 칩(207)을 하부 유리(213) 상면에 부착된 수납 프레임(211)에 장착한다. 이후 상부 유리(201)의 산화막층(203) 위에 있는 칼라 부재(205)가 상기 수광 지역(209)에 위치하도록 이미지 센서 칩(207)이 장착된 하부 유리(213) 상부에 상부 유리(201)를 장착한다. 여기서 상기 산화막층(203)은 상기 칼라 부재(205)를 상기 이미지 센서 칩(211)의 수광 지역(209)에 최대한 가까이 위치시키기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서 칩의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이미지 센서 칩은 종래의 이미지 센서와 비교하여 칼라 공정에 의한 칼라 필터 및 마이크로 렌즈를 포함하지 아니하며, 반도체 기판(301), 수광부(303), 절연막(305), 금속 배선1(307), 금속간 분리막(309), 금속 배선2(311), 보호 절연막(313) 및 수광 지역(209)을 포함한다.
본 발명에 따른 이미지 센서 칩을 제조하기 위해서는, 먼저 반도체 기판(301)위에 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드와 같은 수광부(303)를 형성한다. 이후 절연막(305)을 형성한 후, 절연막(305) 상부에 금속 배선1(307), 금속간 분리막(309) 및 금속 배선2(311)를 형성한다. 금속 배선2(311)가 최종 금속 배선인 경우, 금속 배선2(311) 위에 보호 절연막(313)을 형성한다. 보호 절연막(313) 증착이 완료되면, 수광부(301) 상부 지역만을 부분적으로 식각하여 수광 지역(209)인 트렌치를 형성한다. 이 수광 지역(209)은 상부 유리를 패키지 하는 과정에서 상부 유리에 포함되어 있는 칼라 필터 및 마이크로 렌즈를 포함하는 칼라 부재가 수광부(303)에 최대한 가까이 위치하게끔 칼라 부재를 삽입시키기 위한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산화막층 위에 칼라 부재의 형성이 완료된 상부 유리의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 상부 유리(201) 내측 면에 산화막층(203)을 형성한다. 내측 면이라 함은 이미지 센서 패키지를 완성하는 과정에서 이미지 센서 칩과 마주보는 면을 의미한다. 이후 칼라 부재(205)를 산화막층(203) 위에 형성한다. 여기서 칼라 부재(205)는 칼라 필터, 마이크로 렌즈 및 광차단막을 포함한다.
산화막층(203)은 이미지 센서 칩에서 식각된 부분인 수광 지역에 칼라 부재를 최대한 가까이 위치시키기 위한 것이다. 이와 같이 하는 수광 지역과 칼라 부재를 가깝게 하는 이유는 칼라 부재는 칼라 필터 및 마이크로 렌즈를 포함하고 있으며, 이 마이크로 렌즈가 수광부와 가까이 위치할수록 감도가 좋아지는 효과가 있기 때문이다
도 5 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상부 유리에 칼라 공정을 수행하는 과정 및 광차단막 형성 과정을 설명하기 위한 도면들이다. 상부 유리에 칼라 공정을 수행하는 과정은 기존 반도체 공정에서 적용되던 칼라 공정이 그대로 사용된다. 즉 칼라 패턴이 안착되어질 밑판이 실리콘 웨이퍼인가 유리인가 하는 차이일 뿐이다.
도 5를 참조하면, 먼저 이미지 센서 패키지에 사용될 유리 기판 즉, 상부 유리(201)의 내측 면에 산화막층(203)을 형성한다. 여기서 내측 면이라 함은 이미지 센서 패키지를 완성하는 과정에서 이미지 센서 칩과 마주보는 면을 의미한다. 이후 산화막층(203)에 칼라 공정을 수행하기 위해 하지 포토 레지스터(501)를 형성한다.
도 6을 참조하면, 산화막층(203) 위에 하지 포토 레지스터(501)를 주변으로 하여 얼라인 키(Align Key)를 형성할 수 있다. 얼라인 키를 형성하는 과정은 이미지 센서 칩의 수광 지역과의 위치 오차를 줄이기 위한 것이다. 즉 이미지 센서 칩의 수광 지역 주위에도 얼라인 키를 형성하여, 추후 패키지 공정시 상부의 칼라 부재가 수광 지역에 정확히 위치할 수 있도록 하기 위해 얼라인 키 형성 과정이 필요하다.
도 7을 참조하면, 하지 포토 레지스터(501) 상부에 칼라 이미지 구현을 위한 칼라 필터(701)를 형성한다. 여기서 칼라 필터(501)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라를 가지며, 통상 염색된 포토 레지스터가 사용된다.
도 8을 참조하면, 마이크로 렌즈는 평탄화 된 표면상에 형성되어야 하므로, 칼라 필터(701) 상부에 평탄화 포토 레지스터(801)를 형성한다. 여기서 평탄화 포토 레지스터(801)는 칼라 필러(701) 상부에 감광제를 도포하고 노광, 형상 및 베이킹 과정을 통해 형성된다.
도 9를 참조하면, 평탄화 포토 레지스터(801) 상부에 광집속도를 향상시키기 위한 마이크로 렌즈(901)를 형성한다. 마이크로 렌즈(901)의 형성 과정은 다음과 같다. 먼저 광 투과도가 높은 실리콘 산화막 계열의 감광성 포토 레지스터를 스핀온 코팅 장치(spin-on-coater)를 이용하여 도포한다. 이후 적절한 마스크를 사용한 패터닝 공정을 수행하여, 각각의 단위 화소에 대응하는 각진 형태의 마이크로 렌즈를 형성한다. 이후, 각진 형태의 마이크로 렌즈는 열 공정을 통해 돔 형태를 가지게 된다.
도 10을 참조하면, 마이크로 렌즈(901) 주변에 빛을 차단하기 위한 광차단막(1001)을 형성한다. 도 5 내지 도 10에서 설명된 과정에 의하여 기존 반도체 공정을 이용하던 칼라 공정 및 광차단 기술을 패키지 기술로 대체할 수 있다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 칼라 공정 및 광차단막 형성 이 완료된 상부 유리의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 상부 유리(201)의 상면(내측 면)에는 산화막층(203), 하지 포토 레지스터(501), 칼라 필터(701), 평탄화 포토 레지스터(801), 마이크로 렌즈(901) 및 광차단막(1001)이 차례로 형성되어 있다. 또한 상기 산화막층(203) 위의 하지 포토 레지스터(501) 주변에 이미지 센서 칩과의 위치를 조정하기 위한 얼라인 키(601)를 더 형성할 수 있다. 여기서 하지 포토 레지스터(501), 칼라 필터(701), 평탄화 포토 레지스터(801), 마이크로 렌즈(901) 및 광차단막(1001)은 도 2 및 도 4에서의 칼라 부재(205)에 해당하는 부분이다. 상부 유리(201)에 이와 같은 칼라 부재를 형성함으로써 이미지 센서의 제조 과정에서 반도체 공정을 이용하던 칼라 공정 및 광차단 기술의 패키지 기술로의 이전이 가능하게 된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
본 발명에 의하면 이미지 센서를 제조하는 공정 중에서 기존 반도체 공정을 이용하던 칼라 공정 및 광차단 기술을 패키지 기술로 대체할 수 있다.
본 발명에 의하면 이미지 센서 제조 공정 중에서 칼라 공정을 패키지 기술로 대체하고, 이미지 센서 칩의 수광부를 식각함으로써 마이크로 렌즈와 수광부 사이의 거리를 최대한 가깝게 하여 감도를 획기적으로 높일 수 있다.

Claims (10)

  1. 상면에 수납 프레임이 부착된 하부 유리;
    상기 하부 유리의 수납 프레임에 수납되며, 수광부 상부가 식각되어 있는 이미지 센서 칩; 및
    상기 이미지 센서 칩과 대향하는 내측 면에 산화막층 및 칼라 부재가 차례로 형성되어 있으며, 상기 이미지 센서 칩의 식각된 상기 수광부 상부에 상기 칼라 부재가 위치하도록 상기 이미지 센서 칩이 장착된 하부 유리 상부에 장착되는 상부 유리
    를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서 칩은 반도체 공정에 의하여 형성된 상기 수광부 및 금속 배선을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화막층 위의 상기 칼라 부재 주변에는 얼라인 키가 더 형성되어 있으며, 패키지 공정시 상기 얼라인 키에 의하여 상기 칼라 부재의 위치가 조정되는 것
    을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 칼라 부재는 상기 상부 유리 내측 면에 형성되어 있는 상기 산화막층 위에 칼라 공정을 수행함으로써 형성되는 것
    을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 칼라 부재는 칼라 필터, 마이크로 렌즈 및 광 차단막을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 칼라 필터는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 필터 어레이로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 상부 유리에 산화막층을 형성하는 단계;
    상기 산화막층 위에 칼라 공정을 수행하여 칼라 부재를 형성하는 단계;
    수광부 및 금속 배선을 포함하며, 상기 수광부 상부가 식각된 이미지 센서 칩을 하부 유리의 상면에 부착된 수납 프레임에 장착하는 단계; 및
    상기 상부 유리를 상기 하부 유리 상면에 장착하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상부 유리에 산화막층을 형성하는 단계 이후,
    상기 산화막층 위에 얼라인 키를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 얼라인 키에 의하여 상기 칼라 부재의 위치가 조정되는 것
    을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상부 유리를 상기 하부 유리 상면에 장착하는 단계는, 상기 칼라 부재가 상기 이미지 센서 칩의 식각된 상기 수광부 상부에 위치하도록 상기 상부 유리를 상기 하부 유리 상면에 장착하는 것
    을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 산화막층 위에 칼라 공정을 수행하여 칼라 부재를 형성하는 단계는,
    칼라 필터를 어레이하는 단계;
    마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및
    광차단막을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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