KR100760140B1 - 시모스 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시모스 이미지센서에서 광손실을 줄인 마이크로렌즈 제조방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은, 수광소자가 형성된 반도체 기판상부에 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터상에 평탄화막을 형성하는 단계; 상기 평탄화막상에 제1 저온산화막을 형성하는 단계; 상기 제1 저온산화막상에 상기 수광소자와 대응되는 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴의 측벽에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.

시모스 이미지센서, 마이크로렌즈, 광손실

Description

시모스 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법{Method of fabricating microlense in CMOS image sensor}

도1은 종래의 시모스 이미지센서의 모습을 보인 단면도,

도2 내지 도5는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 기판

2 : 포토다이오드

3 : 필드산화막

4 : 층간절연막

5 : 칼라필터

6 : 평탄화막

7 : 마이크로렌즈

8 : 마이크로렌즈 보호 산화막

9 : 평탄화막 보호 산화막

10 : 감광막

11 : 저온산화막

본 발명은 시모스 이미지센서에서 광 손실을 줄인 마이크로렌즈 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(이 를 통상 "Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.

따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있다.

도1은 마이크로렌즈를 포함하여 구성된 종래의 이미지센서를 보인 도면으로 이를 참조하여 종래의 일반적인 이미지센서의 제조방법을 설명한다.

기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(3)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(도1에 게이트 전극은 도시되어 있지 않다.)

이후, 적절한 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드(2)로 구성된 수광영역을 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다. (트랜지스터는 미도시)

결과물상에 층간절연막(4)과 금속배선(미도시)을 차례로 형성한다. 금속배선을 여러 개 사용하는 경우에는 금속배선 사이에 금속층간 절연막을 형성하고 최종 금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하는데 금속배선과 페시베이션막은 도1에서는 도시하지 않았다.

최종금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하여 일반 시모스 로직 프로세스를 완료한 이후에, 칼라이미지 구현을 위한 세 가지 종류의 칼라필터(5) 형성공정을 진행하는데 칼라필터는 통상 염색된 포토레지스트를 이용하여 형성한다.

칼라필터(5)가 형성되면 도1에 도시된 바와 같이, 그 단차에 의해 평탄도가 불량해지므로 칼라필터(5) 상부에 형성될 마이크로렌즈(7)가 단위 픽셀마다 모양이 상이하게 형성되어 균일성 (uniformity)이 저하되게 된다.

이러한 점을 개선하기 위하여 평탄화막(6)을 형성한다. 평탄화막(6)은 일종의 감광막인 오버코팅레이어 (OCL:Over Coating Layer)를 이용하며, 이와 같은 평탄화 공정 이후에 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(7)를 형성하는데 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트를 이용하여 형성한다.

마이크로렌즈 형성용 감광제를 도포한 후, 마스크 공정을 통해 패턴을 형성하고, 열 공정을 통해 사각형 형태의 마이크로렌즈(7)를 플로우 시켜서 돔(dome)형태의 마이크로렌즈(7)를 형성한다.

이와 같은 방법으로 형성된 이미지센서의 마이크로렌즈의 경우에는 중앙부분으로 입사하는 빛은 굴절률이 높은 마이크로렌즈를 통과하게 되어 오히려 광투과율이 저하되며 광손실이 발생하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시모스 이미지센서에서 광손실을 줄인 마이크로렌즈 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광소자가 형성된 반도체 기판상 부에 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터상에 평탄화막을 형성하는 단계; 상기 평탄화막상에 제1 저온산화막을 형성하는 단계; 상기 제1 저온산화막상에 상기 수광소자와 대응되는 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴의 측벽에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 시모스 이미지센서 제조시, 광집적을 위해 제작하는 마이크로렌즈를 스페이서 형태로 제작하여 광손실을 최소화한 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도2 내지 도5는 본 발명에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 도면으로 이를 참조하여 설명한다.

칼라필터 상부에 평탄화막을 형성하기까지의 공정은 종래기술과 유사하다. 즉, 기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(3)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(도2에 게이트 전극은 도시되어 있지 않다.)

이후, 적절한 이온주입 공정을 진행하여 포토다이오드(2)로 구성된 수광영역을 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다. (트랜지스터는 미도시)

결과물상에 층간절연막(4)과 금속배선(미도시)을 차례로 형성한다. 금속배선을 여러 개 사용하는 경우에는 금속배선 사이에 금속층간 절연막을 형성하고 최종 금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하는데 금속배선과 페시베이션막은 도2에서는 도시하지 않았다.

최종금속배선 상부에 페시베이션막을 형성하여 일반 시모스 로직 프로세스를 완료한 이후에, 칼라이미지 구현을 위한 세 가지 종류의 칼라필터(5) 형성공정을 진행하는데 칼라필터는 통상 염색된 포토레지스트를 이용하여 형성한다.

칼라필터(5)가 형성되면 그 단차에 의해 평탄도가 불량해지므로 칼라필터 상부에 형성될 마이크로렌즈가 단위 픽셀마다 모양이 상이하게 형성되어 균일성 (uniformity)이 저하되게 된다.

이러한 점을 개선하기 위하여 평탄화 공정을 수행한다. 평탄화 공정은 일종의 감광막인 오버코팅레이어 (OCL:Over Coating Layer)(6)를 이용하여 평탄화 공정을 진행한다.

이와 같이 평탄화막(6)을 형성한 이후에 평탄화막(6) 상에 저온에서 증착이 가능한 저온산화막(9)을 수백 Å의 두께로 도포한다. 바람직하게는 100 ∼ 800Å의 두께를 갖도록 한다.

상기 저온산화막(9)은 후속 식각공정에서 평탄화막(6)이 손상되지 않도록 평탄화막을 보호하는 역할을 하며 이하, 평탄화막 보호산화막(9)이라 한다.

다음으로, 도2에 도시된 바와 같이 평탄화막 보호산화막(9) 상에 감광막(10)을 도포하고 패턴(10)을 형성하는데, 패턴(10)의 크기는 포토다이오드(2)의 크기보 다 다소 작게 설정한다. 그 이유는 공정상의 변화로 인하여 패턴(10)의 크기가 포토다이오드(2) 보다 크게 형성될 경우에는, 굴절없이 입사하게 되는 빛이 포토다이오드(2) 이외의 지역으로 입사하여 잡음성분으로 작용하게 되기 때문이다.

평탄화막 보호산화막(9) 상에 형성되는 감광막(10)은 고가의 마이크로렌즈 형성용 감광막이 아니라 저가의 일반 감광막을 이용한다.

다음으로, 도3에 도시된 바와 같이 평탄화막 보호산화막(9)과 감광막(10)을 포함하는 영역에 저온산화막(11)을 증착하는데, 이 저온산화막(11)을 이용하여 스페이서 형태의 마이크로렌즈를 형성하게 된다. 따라서, 증착되는 저온산화막(11)의 두께는 상기 감광막 패턴(10)의 크기와 후속으로 형성될 스페이서의 크기를 고려하여 설정한다.

다음으로, 도4에 도시된 스페이서 형태의 마이크로렌즈(11)를 얻기 위해 상기 저온 산화막(11)을 마스크 없이 식각하는 공정을 수행한다.

저온산화막(11)을 식각하는 공정에서 상기 감광막 패턴(10)이 노출될 정도로 식각공정을 수행하는데 이때, 너무 과도하게 식각공정을 진행할 경우에는 평탄화막 보호산화막(9)마저 식각될 수도 있으므로 평탄화막 보호산화막(9)은 식각되지 않도록 저온산화막(11) 식각공정을 진행한다.

저온산화막(11) 식각이 완료되면 도4에 도시된 바와 같은 형태를 얻을 수 있는데, 감광막 패턴(10)의 양 측면에 스페이서 형태의 저온산화막(11)이 형성된 형태를 얻을 수 있다.

다음으로, 상기 감광막 패턴(10)을 마스크 없이 식각하여 도5에 도시된 바와 같이 저온산화막으로 구성된 스페이서 형태의 마이크로렌즈(11)를 형성한다. 감광막 패턴(10)을 식각하는 공정에서 상기 평탄화막 보호산화막(9)은 식각공정중에 평탄화막(8)이 손상받지 않도록 하는 역할을 함은 전술한 바와 같다.

이와 같이 중앙부분을 제거하여 스페이서 형태의 마이크로렌즈를 형성하게 되면, 광손실을 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명을 이미지센서의 제조에 적용하게 되면, 종래와 같은 집광이 가능하면서도 마이크로렌즈의 중앙부분으로 입사하는 빛의 광에너지 손실을 없앨 수 있기 때문에 전체 이미지센서의 광감도를 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 수광소자가 형성된 반도체 기판상부에 칼라필터를 형성하는 단계;

   상기 칼라필터상에 평탄화막을 형성하는 단계;

   상기 평탄화막상에 제1 저온산화막을 형성하는 단계;

   상기 제1 저온산화막상에 상기 수광소자와 대응되는 감광막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 감광막 패턴의 측벽에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및

   상기 감광막 패턴을 제거하는 단계를 포함하고,

   상기 마이크로렌즈를 형성하는 단계는

   상기 감광막 패턴상에 제2 저온산화막을 형성하는 단계; 및

   상기 제2 저온산화막을 전면식각하여 상기 감광막 패턴의 측벽에 상기 제2 저온산화막으로 스페이서를 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 감광막 패턴은 상기 수광소자보다 적은 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.
4. 제2항에 있어서,

   상기 제2 저온산화막을 전면식각하여 상기 감광막 패턴의 측벽에 상기 제2 저온산화막으로 스페이서를 형성하는 단계에서

   상기 제1 저온산화막은 식각되지 않는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.

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