KR100896876B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 제1마이크로렌즈; 상기 제1렌즈 상에 형성된 컬러필터 어레이; 및 상기 컬러필터 어레이 상에 형성된 제2마이크로렌즈를 포함한다.
실시에에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상에 제1마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 제1마이크로렌즈 상에 제1평탄화층을 형성하는 단계; 상기 제1평탄화층 상에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계; 및 상기 컬러필터 어레이 상에 제2마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이미지 센서
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
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 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
실시예는 이미지 센서의 광특성을 향상시켜, 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 제1마이크로렌즈; 상기 제1렌즈 상에 형성된 컬러필터 어레이; 및 상기 컬러필터 어레이 상에 형성된 제2마이크로렌즈를 포함한다.
실시에에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상에 제1마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 제1마이크로렌즈 상에 제1평탄화층을 형성하는 단계; 상기 제1평탄화층 상에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계; 및 상기 컬러필터 어레이 상에 제2마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 2개의 마이크로 렌즈를 형성하여, 입사광을 수광소자에 더욱 집중시킬 수 있어, 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈의 사이에 차단막을 형성하여, 금속배선으로 입사되는 광을 차단하여, 크로스 토크(cross talk)를 방지할 수 있기 때문에, 이미지 센서의 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 금속배선층; 상기 금속배선층 상에 형성된 제1마이크로렌즈; 상기 제1렌즈 상에 형성된 컬러필터 어레이; 및 상기 컬러필터 어레이 상에 형성된 제2마이크로렌즈를 포함한다.
실시에에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상에 제1마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 제1마이크로렌즈 상에 제1평탄화층을 형성하는 단계; 상기 제1평탄화층 상에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계; 및 상기 컬러필터 어레이 상에 제2마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법을 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.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예의 설명에 있어서 씨모스 이미지 센서(CIS)에 대한 구조의 도면 을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스 이미지 센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지 센서 등 모든 이미지 센서에 적용이 가능하다.
도 1 내지 도 9는 실시예에 따른 이미지 센서가 형성되는 것을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소자분리막(5) 및 수광소자가 형성된 반도체 기판(10)에 금속배선층(20)을 형성한다.
반도체 기판(10)은 고농도의 p++형 실리콘 기판 상에 저농도의 p형 에피층(미도시)이 형성될 수 있다.
이는, 저농도의 p에피층이 존재하므로 포토다이오드의 공핍영역(Depletion region)을 크고, 깊게 증가시킬 수 있어 광전하를 모으기 위한 포토다이오드의 능력(ability)을 증가시킬 수 있다.
또한, p형 에피층의 하부에 고농도의 p++형 기판을 갖게 되면, 이웃하는 단위화소(pixel)로 전하가 확산되기 전에 상기 전하가 재결합(Recombination)되기 때문에 광전하의 불규칙 확산(Random Diffusion)을 감소시켜 광전하의 전달 기능 변화를 감소시킬 수 있기 때문이다.
상기 소자 분리막(5)은 상기 반도체 기판(10)에 트렌치를 형성한 후, 절연물질을 매립하여 형성할 수 있다.
상기 수광소자(15)는 포토 다이오드가 될 수 있다.
그리고, 상기 금속배선층(20)은 금속배선(25)을 포함하여 형성된다.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 금속배선층(20) 상에 산화막 패턴(30)을 형성한다.
상기 산화막 패턴(30)은 상기 금속배선층(20) 상에 제1산화막을 형성한 후 제1식각 공정을 진행하여, 상기 제1산화막에 트렌치(32)을 형성함으로써 형성할 수 있다.
상기 산화막 패턴(30) 사이에 형성된 상기 트렌치(32)는 상기 금속배선(25)과 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 트렌치(32)에 차단막(35)을 형성한다.
상기 차단막(35)은 상기 트렌치(32)를 포함하는 상기 산화막 패턴(30) 상에 금속막을 형성한 후, 평탄화 공정을 진행하여 형성된다.
상기 차단막(35)은 TiN으로 형성될 수 있으며, 금속배선(25)으로 입사되는 광을 차단하여, 크로스 토크(cross talk)를 방지할 수 있기 때문에, 이미지 센서의 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 차단막(35)을 포함하는 산화막 패턴(30) 상에 제2산화막(42) 및 제1포토레지스트 패턴(44)을 형성한다.
상기 제1포토레지스트 패턴(44)은 하부에 형성된 상기 산화막 패턴(30)보다 폭이 작게 형성될 수 있다.
상기 제1포토레지스트 패턴(44)은 제1포토레지스트막을 형성한 후, 노광 및 현상공정을 진행하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1포토레지스트 패턴(44)이 형성된 상기 제2산화막(42) 상에 제2식각 공정을 진행하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1마이크로 렌즈(40)를 형성한다.
상기 제2식각 공정은 화학 건식 식각(chemical dry etch)으로 진행될 수 있다.
상기 제2식각 공정 진행시, 상기 제1포토레지스트 패턴(44)의 가장자리 영역과 상기 제1포토레지스트 패턴(44) 사이로 노출된 상기 제2산화막(42)의 식각은 더 급속하게 진행된다.
즉, 상기 제1포토레지스트 패턴(44)의 가장자리 영역은 상면 및 측면에서 식각이 이루어져 상기 제1포토레지스트 패턴(44)의 가운데 영역보다 식각이 더 빨리 진행된다.
이로 인해 상기 제1포토레지스트 패턴(44)의 가운데 영역으로 갈수록 식각이 덜 되는 모양이 되어, 상기 제1마이크로 렌즈(40)가 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1포토레지스트 패턴(44)의 두께를 얇게 형성하여, 상기 제2식각 공정으로 상기 제1포토레지스트 패턴(44)도 모두 식각될 수 있다.
상기 제2식각 공정은 5~100 파스칼(pascal)의 압력에서 10~2000 W의 파워(power)로 10~500 sccm의 O2 가스, 10~200 sccm의 N2 가스 및 10~500 sccm의 CF4 가스 분위기에서 진행될 수 있다.
그리고, 상기 제1마이크로 렌즈(40)가 형성된 후, 잔여 포토레지스트 및 불순물을 제거하는 세정 공정이 진행될 수 있다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1마이크로 렌즈(40) 상에 제1평탄화층(50)을 형성한다.
상기 제1평탄화층(50)은 제2포토레지스트막으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1평탄화층(50) 상에 컬러 필터 어레이(color filter array, 70) 및 제2평탄화층(80)을 형성한다.
상기 제2평탄화층(80)은 제3포토레지스트막으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제2평탄화층(80) 상에 제2포토레지스트 패턴(85)을 형성한다.
상기 제2포토레지스트 패턴(85)은 상기 제2평탄화층(80) 상에 제4포토레지스트막을 형성한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2포토레지스트 패턴(85)은 마이크로 렌즈 형성용 포토레지스트로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제2포토레지스트 패턴(85)에 리플로우(reflow) 공정을 진행하여, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2마이크로 렌즈(90)를 형성한다.
상기 리플로우 공정은 200~300 mJ/cm2의 노광에너지와 180~220 의 온도에서 진행될 수 있으며, 상기 리플로우 공정으로 제2마이크로 렌즈(90)가 형성된다.
상기 제2마이크로 렌즈(90)는 상기 리플로우 공정으로 상기 제1마이크로 렌즈(40)보다 곡률이 작게 형성된다.
도 9는 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 수광소자(15)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 금속배선층(20), 차단막(35)을 포함하는 산화막 패턴(30), 제1마이크로렌즈(40), 제1평탄화층(50), 컬러필터 어레이(70), 제2평탄화층(80) 및 제2마이크로 렌즈(90)를 포함한다.
상기 수광소자(15)는 포토다이오드가 될 수 있으며, 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 상기 금속배선층(20)은 금속배선(25)을 포함한다.
상기 차단막(35)은 상기 금속배선층(20) 상에 형성되며, 상기 제1마이크로렌즈(40)들의 사이에 형성될 수 있다.
상기 제1마이크로렌즈(40)는 상기 차단막(35)이 형성된 상기 산화막 패턴(30) 상에 형성되며, 상기 수광소자(15)와 대응되는 영역에 형성된다.
또한, 상기 제1마이크로렌즈(40)는 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 제1평탄화층(50)은 상기 제1마이크로렌즈(40) 상에 형성되며, 상기 제1마이크로렌즈(40) 상에는 컬러필터 어레이(70) 및 제2평탄화층(80)이 형성된다.
상기 제2평탄화층(80) 상에는 제2마이크로렌즈(90)가 형성되며, 상기 제2마이크로렌즈(90)는 상기 제1마이크로렌즈(40)보다 곡률이 작게 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1마이크로렌즈(40)는 상기 제2마이크로렌즈(90)의 곡률보다 크게 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 2개의 마이크로 렌즈를 형성하여, 입사광을 수광소자에 더욱 집중시킬 수 있어, 이미 지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈의 사이에 차단막을 형성하여, 금속배선으로 입사되는 광을 차단하여, 크로스 토크(cross talk)를 방지할 수 있기 때문에, 이미지 센서의 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 9는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 공정단면도이다.
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- 수광소자를 포함하는 반도체 기판 상에 금속배선을 포함하는 층간절연층으로이루어진 금속배선층을 형성하는 단계;상기 금속배선층 상에 제2산화막을 형성하는 단계;상기 제2산화막 상에 포토레지스트막을 형성하고, 상기 포토레지스트막에 노광 및 현상 공정을 진행하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴이 형성된 상기 제2산화막 상에 화학 건식 식각(chemical dry etch) 공정을 진행하여, 상기 금속배선층 상에 제1마이크로렌즈를 형성하는 단계;상기 제1마이크로렌즈 상에 제1평탄화층을 형성하는 단계;상기 제1평탄화층 상에 컬러필터 어레이를 형성하는 단계; 및상기 컬러필터 어레이 상에 제2마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하며,상기 화학 건식 식각 공정으로 상기 포토레지스트 패턴의 가장자리 영역과 상기 포토레지스트 패턴 사이로 노출된 상기 제2산화막이 상기 포토레지스트 패턴의 가운데 영역보다 식각이 빨리 진행되며,상기 화학 건식 식각 공정 후 상기 포토레지스트 패턴은 모두 제거되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 제2마이크로 렌즈를 형성하기 전,상기 컬러필터 어레이 상에 제2평탄화층을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 제1마이크로렌즈는 상기 제2마이크로렌즈보다 곡률이 큰 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 제1마이크로렌즈를 형성하기 전,상기 금속배선층 상에 제1산화막을 형성하는 단계;상기 제1산화막에 비아홀을 형성하여, 상기 금속배선층 상에 제1산화막 패턴을 형성하는 단계;상기 비아홀에 금속물질을 매립하는 단계를 더 포함하며,상기 비아홀은 이후 형성될 상기 제1마이크로렌즈들의 사이에 형성되는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 10항에 있어서,상기 포토레지스트 패턴은 상기 제1산화막 패턴보다 폭이 작게 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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