KR100922925B1 - 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 포토 마스크, 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판상에 배치된 포토다이오드 구조물, 상기 반도체 기판 상에 매트릭스 형상으로 배치된 컬러필터들, 상기 반도체 기판 전면을 덮으며 상기 컬러필터들의 경계의 일부에 형성된 홈을 갖는 평탄화층 및 상기 평탄화층 상에 형성되며 상기 홈의 일부와 중첩되며 상기 컬러필터에 대응하여 배치된 마이크로 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 실시예는 이미지 센서에서 마이크로 렌즈의 코너 라운딩 현상을 방지할 수 있다.
평탄화층, 마이크로 렌즈, 이미지 센서
Description
실시예는 포토 마스크, 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 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 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
한편, 이미지센서에서는 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것이다.
종래기술에 의하면, 이미지센서의 제조과정 중 마이크로렌즈를 형성하는 방법은 일반적으로 마이크로렌즈용 특수 감광막(photo resist)를 이용하여 마이크로포토공정(micro photo) 진행 후 리플로우(reflowing) 방식을 이용하여 왔다.
그러나, 종래기술에 의하면 감광막의 리플로우시 소실되는 감광막의 양이 많아져 마이크로 렌즈 사이에 갭(G:gap)이 존재하게 되어 포토다이오드(photo diode)에 입사되는 빛의 양이 줄어들게 되어 이미지(image) 불량이 발생하는 단점이 있다.
또한, 마이크로 렌즈 코너 부분(렌즈 4개가 만나는 부분)은 다양한 원인에 의하여 라운딩이 생성되므로 인근하는 마이크로 렌즈 간에 갭이 형성된다.
도 1 및 도 2는 종래 마이크로 렌즈 형성용 감광막 패턴(50a)과, 상기 감광막 패턴(50a)을 열로서 리플로우하여 형성한 마이크로 렌즈(50b)들을 보여주는 사진이다.
상기 라운딩된 코너 부분으로 들어오는 빛이 소실되어 이미지 센서의 감도가 저하되며, 4 개의 마이크로 렌즈들이 매트릭스 형태로 배치될 경우 마이크로 렌즈(50b)들의 중앙부에 큰 개구가 형성되어 상기 개구를 통과한 광이 포토 다이오드에 입사되어 이미지의 품질을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
실시예는 이미지 센서에서 마이크로 렌즈의 코너라운딩 현상을 개선하여 감도를 향상시키는 포토 마스크, 이미지 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 포토 마스크는, 투명 기판 상에 매트릭스 형상으로 배치되며 웨이퍼 다이들과 대응하는 투광부들 및 상기 투광부들의 경계에 배치된 광차단부를 포함하며, 상기 투광부들 내에 일정 간격으로 배치된 광차단 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판상에 배치된 포토다이오드 구조물, 상기 반도체 기판 상에 매트릭스 형상으로 배치된 컬러필터들, 상기 반도체 기판 전면을 덮으며 상기 컬러필터들의 경계의 일부에 형성된 홈을 갖는 평탄화층 및 상기 평탄화층 상에 형성되며 상기 홈의 일부와 중첩되며 상기 컬러필터에 대응하여 배치된 마이크로 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판 상에 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 전면에 컬러필터들을 형성하는 단계, 상기 컬러필터들 상에 평탄화층을 형성하는 단계, 상기 평탄화층에 일정 간격으로 홈을 형성하는 단계, 상기 컬러필터들과 대응하며 상기 홈의 일부와 중첩되는 감광막 패턴을 형성하는 단계, 상기 감광막 패턴을 열처리하여 마이크로 렌즈를 형성하 는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예는 이미지 센서에서 마이크로 렌즈의 코너 라운딩 현상을 방지하여 광 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
실시예는 마이크로 렌즈 사이의 갭을 줄임으로써 광 효율이 뛰어나 포토 다이오드 사이즈를 작게 제작할 수 있으며 소자의 소형화 및 집적화에 유리한 효과가 있다.
실시예는 마이크로 렌즈의 코너 라운딩 감소로 인하여 포토다이오드의 필 팩터가 높아지고 포토 다이오드 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하여 노이즈가 감소되는 효과가 있다.
이하, 실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위"에 또는 "아래"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 그 의미는 각 층(막), 영역, 패드, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들에 접촉되어 형성되는 경우로 해석될 수도 있으며, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 그 사이에 추가적으로 형성되는 경우로 해석될 수도 있다. 따라서, 그 의미는 발명의 기 술적 사상에 의하여 판단되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서를 상세하고 구체적으로 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 포토 다이오드(111) 형성된 반도체 기판(110) 상부에 절연층(115)이 형성되고, 상기 절연층(115) 상에 금속 배선을 포함하는 다층으로 이루어진 금속배선층(120)이 형성되어 있고, 상기 금속배선층(120) 상에 보호층(130) 및 컬러필터 어레이층(140)이 형성되어 있으며, 상기 컬러필터 어레이층(140) 상에 평탄화층(150)이 형성된다.
상기 평탄화층(150)은 상기 컬러필터 사이의 경계에 홈(151)을 갖는다.
상기 홈(151)은 평면 형상이 다각형 또는 원형일 수 있다. 예를 들어, 상기 홈은 다이아몬드 형상일 수 있다.
상기 홈(151)이 형성된 상기 평탄화층(150) 상에 상기 단위화소와 대응하는 마이크로 렌즈(160)가 형성된다.
상기 마이크로 렌즈(160)는 상기 홈(151)의 일부를 덮으며 형성된다.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 4개의 마이크로 렌즈를 보여주는 평면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 매트릭스 형태로 배열된 4개의 마이크로 렌즈(160)들은 각 단위화소와 대응하여 평탄화층(150) 상에 형성된다.
상기 4개의 마이크로 렌즈(160)들의 중앙에는 상기 평탄화층(150)에 형성된 홈(151)이 배치된다.
상기 홈(151)은 상기 4개의 마이크로 렌즈(160)들이 모이는 각 모서리 일부와 중첩된다.
상기 홈(151)의 깊이(a)는 약 800~1200Å이며, 상기 평탄화층(150)의 두께(b)는 2000~6000Å일 수 있다.
상기 홈(151)은 인접한 4개의 마이크로 렌즈(160)들의 모서리 각각에 대응하여 4개의 변으로 이루어진 다이아몬드 형상일 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(160)들은 상기 홈(151) 내의 일부와 중첩되므로 감광막 패턴을 리플로우하여 마이크로 렌즈 형성시에 상기 마이크로 렌즈의 코너에서 라운딩이 발생되어 모서리 부분이 줄어드는 것을 방지할 수 있다.
즉, 상기 마이크로 렌즈(160)의 표면적이 리플로우시 줄어드는 것을 방지할 수 있으며, 상기 마이크로 렌즈(160)의 코너 라운딩 현상을 방지할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 평탄화층을 형성하기 위한 포토 마스크를 보여주는 평면도이고, 도 7은 도 6의 포토 마스크의 'A' 영역을 보여주는 확대도이다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 포토 마스크(190)는 투명 기판 상에 광을 투과시키는 투광부(191)와 광을 차단하는 차단부(192)를 포함하며, 상기 투광부(191)는 웨이퍼의 하나의 다이(die)와 대응할 수 있다.
상기 다이(A) 내에 복수의 단위 화소들이 배치되어 있으며, 4개의 단위 화소들의 중앙에 대응하여 평탄화층에 홈을 형성하기 위하여 상기 투광부내에 마스크 패턴(193)이 형성되어 있다.
상기 마스크 패턴(193)은 예를 들어, 크롬 패턴일 수 있으며, 사각형 또는 다이아몬드형으로 형성할 수 있다.
상기 마스크 패턴(193)은 네 개의 단위화소들의 중앙에 대응하며 형성된다.
상기 평탄화층(150)에 홈(151)을 형성하기 위하여, 상기 평탄화층(150) 상에 음성 감광막을 형성하고, 상기 포토 마스크를 이용하여 선택적으로 노광한 후 현상하여 상기 홈 부분에 대응하여 오픈된 감광막 패턴을 형성한다.
상기 감광막 패턴을 마스크로 상기 평탄화층(150)을 식각하여 홈(151)을 형성할 수 있다.
도 8 내지 도 11은 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 6 및 도 7에서 도시하여 설명한 포토마스크를 이용하여, 도 8에 도시한 바와 같이, 단위화소 사이의 평탄화층(150)에 소정 깊이(a)의 홈(151)을 형성한다.
상기 홈(151)은 4 개의 단위 화소의 중앙에 대응하여 형성될 수 있으며, 다이아몬드 형상으로 형성될 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 상기 홈(151)이 형성된 상기 평탄화층(150) 상에 마이크로 렌즈 형성용 감광막(160a)을 형성한다.
상기 감광막(160a)은 양성 감광막일 수 있으며, 빛을 받은 부분이 현상에 의해 제거되는 특성을 가지고 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 상기 감광막(160a)에 선택적으로 노광한 후 현상하여 각 단위 화소에 대응하는 감광막 패턴(160b)을 형성한다.
상기 감광막 패턴(160b)은 상기 홈(151)의 일부와 중첩한다.
상기 감광막 패턴(160b) 4개가 매트릭스 형태로 배열되어 있다고 하면, 감광막 패턴(160b)들 중앙에 형성된 홈(151)에 상기 감광막 패턴(160b)의 모서리의 일부가 중첩되어 형성된다.
도 11에 도시한 바와 같이, 상기 감광막 패턴(160b)을 열에 의해 리플로우하면 상기 감광막 패턴(160b)은 돔 형태의 마이크로 렌즈(160)가 형성된다.
상기 감광막 패턴(160b)은 상기 홈(151)의 일부에 형성되어 리플로우시에 코너 라운딩이 거의 일어나지 않으므로 4 개의 마이크로 렌즈(160)들이 매트릭스 형태로 배치될 경우 마이크로 렌즈(160)들의 중앙부에 갭이 거의 형성되지 않으므로 포토 다이오드에 입사되는 광량을 증가시킬 수 있으며 누선 전류의 발생을 차단하고 이미지 품질을 향상시킬 수 있다.
도 12 및 도 13은 실시예에 따른 이미지 센서의 감광막 패턴과 이를 리플로하여 형성된 마이크로 렌즈를 보여주는 사진이다.
도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 4개의 감광막 패턴(160b)의 중앙 부분에서 코너 라운딩 현상이 거의 일어나지 않은 것을 알 수 있으며, 마이크로 렌즈(160) 간 갭이 감소되고 표면적이 증가된 것을 알 수 있다.
따라서, 실시예는 이미지 센서에서 마이크로 렌즈의 코너 라운딩 현상을 방지하여 광 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
실시예는 마이크로 렌즈 사이의 갭을 줄임으로써 광 효율이 뛰어나 포토 다이오드 사이즈를 작게 제작할 수 있으며 소자의 소형화 및 집적화에 유리하다.
또한, 실시예는 마이크로 렌즈의 코너 라운딩 감소로 인하여 포토다이오드의 필 팩터가 높아지고 포토 다이오드 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하여 노이즈가 감소될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 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 및 도 2는 종래 마이크로 렌즈 형성용 감광막 패턴과, 상기 감광막 패턴을 리플로우하여 형성한 마이크로 렌즈들을 보여주는 사진이다.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 4개의 마이크로 렌즈를 보여주는 평면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 실시예에 따른 평탄화층을 형성하기 위한 포토 마스크를 보여주는 평면도이다.
도 7은 도 6의 포토 마스크의 'A' 영역을 보여주는 확대도이다.
도 8 내지 도 11은 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 12 및 도 13은 실시예에 따른 이미지 센서의 감광막 패턴과 이를 리플로하여 형성된 마이크로 렌즈를 보여주는 사진이다.
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- 반도체 기판 상에 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계;상기 반도체 기판 전면에 컬러필터들을 형성하는 단계;상기 컬러필터들 상에 평탄화층을 형성하는 단계;상기 평탄화층에 일정 간격으로 홈을 형성하는 단계;상기 홈이 형성된 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈 형성용 감광막을 형성하는 단계;상기 감광막을 선택적으로 노광한 후 현상하여 상기 컬러필터들과 대응하며 상기 홈의 일부와 코너 모서리의 일부가 중첩되는 감광막 패턴을 형성하는 단계;상기 감광막 패턴을 열처리하여 상기 홈과 일부가 중첩하는 돔 형태의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 홈은 네 개의 마이크로 렌즈들이 모이는 중앙 지점에 대응하여 형성되며, 상기 마이크로 렌즈의 일부는 상기 홈의 일부와 중첩된 것을 특징으로 하는 이 미지 센서의 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 홈을 형성하는 단계에 있어서,상기 평탄화층의 두께는 2000~6000Å이며, 상기 평탄화층을 선택적으로 식각하여 800~1200Å 깊이의 상기 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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