KR20060136105A - 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 광 감지부들이 형성된 반도체 기판 상에 보호층을 형성하는 단계와, 보호층의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와, 칼라 필터 어레이의 상부에 평탄화층을 형성하는 단계와, 평탄화층을 식각하여 제거하면서 칼라 필터 어레이까지 두께를 균일하게 만드는 단계와, 칼라 필터 어레이의 상부에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하며, 광집속을 용이하게 하기 위해 초점 길이를 짧게 하여 집광 마이크로 렌즈 공정을 쉽게 또 마진을 크게 가져 갈 수 있도록 하며, 광감도 및 균일성의 향상으로 색재현성이 향상되어 궁극적으로는 이미지 센서의 품질이 향상되는 이점이 있다.
이미지 센서, 마이크로 렌즈, 평탄화, 산소 플라즈마, 드라이 에치 백
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보인 공정 흐름도,
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보인 흐름도.
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 렌즈의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층을 형성한 후에 제거하면서 그 하부의 칼라 필터 어레이의 두께를 균일하게 만들어서 평탄도를 향상시켜 다이렉트로 마이크로 렌즈를 형성하도록 한 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
주지와 같이 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 씨씨디(CCD: Charged Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 있다.
이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광감도(photo sensitivity) 를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광 기술이다.
예컨대, 씨모스 이미지 센서는 빛을 감지하는 광 감지 부분과, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 회로 부분으로 구성되어 있다. 여기에서, 광 감지 부분에는 통상 포토다이오드가 사용된다.
이러한 구성의 씨모스 이미지 센서를 제조함에 있어서, 광감도를 증가시키기 위해 전체 이미지 센서 면적에서 광 감지 부분의 면적이 차지하는 비율을 증가시켜야 한다.
그러나, 로직 회로 부분을 제외한 부분에만 광 감지 부분을 형성할 수 있으므로, 광 감지 부분의 면적을 증가시키는 데에는 한계가 있다.
따라서, 광 감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지 부분으로 모아주는 집광 기술이 많이 연구되고 있는 바, 그 중 하나가 이미지 센서의 칼라 필터 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 기술이다.
이러한 마이크로 렌즈가 적용된 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 도 1a 내지 도 1d의 공정 흐름도를 참조하여 살펴보기로 한다.
이미지 센서는 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 포토다이오드(11)를 포함하는 광 감지부(13)들이 제공되는 반도체 기판(10)과, 광 감지부(13)들이 형성된 구조 상부에 형성되는 보호층(21)과, 칼라 필터 어레이(23)와, 평탄화 층(25)과, 다수의 렌즈들로 이루어진 마이크로 렌즈(27)를 포함한다.
이러한 구성의 이미지 센서는 포토다이오드(11)를 포함하는 광 감지부(13)들 및 배선 본딩 패드(도시 생략됨)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(21)을 형성하며(도 1a 참조), 배선 본딩 패드(도시 생략됨) 상부의 보호층(21) 일부를 제거하는 포토 공정을 수행하여 배선 본딩 패드(도시 생략됨)를 오픈한다. 이때, 오픈 공정은 포토레지스트를 도포 및 패터닝 후에 보호층(21)의 일부를 식각하여 제거하고, 남아 있는 포토레지스트는 반응성 이온 식각을 통해 제거한다.
이후, 보호층(21) 상부에 칼라 필터 어레이(23)를 형성한다. 여기에서, 칼라 필터 어레이(23)는 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함하는 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 형성한 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 조합으로 이루어질 수 있다. 이때 칼라 필터 어레이(23)는 적층순서에 따라 하부의 토폴로지(topology) 영향으로 0.2um∼1.0um까지 다양한 단차가 발생된다(도 1b 참조).
계속하여, 칼라 필터 어레이(23)의 단차 극복, 마이크로 렌즈(27)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층(25)을 칼라 필터 어레이(23)의 상부에 형성한다. 이때, 평탄화층(25)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막으로 형성할 수 있다(도 1c 참조).
그리고, 평탄화층(25) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈(27)를 형성하고, 계속하여 마이크로 렌즈(27)를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시킨다(도 1d 참조).
전술한 바와 같이, 칼라 필터 어레이(23)의 단차 극복, 마이크로 렌즈(27)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위해서는 평탄화층(25)은 필수 불가결한 부분이나, 이는 1.5um 정도의 두께가 요구되어 마이크로 렌즈(27)의 포커스 길이는 그 만큼 길어지며, 이로써 집속도의 저하 및 마이크로 렌즈의 형상(Shape) 구현이 어려워지고, 사이즈 조절이 힘들어지는 방향이기 때문에 공정 마진 부족 및 품질(Quality)의 저하를 초래하게 된다.
특히, 씨모스 이미지 센서의 경우 3-TR 또는 4_TR 구조로 형성을 하고, 원 칩 형태로 디지털 시그널 프로세서까지 형성을 하기 때문에 공정상 4-Metal 또는 5-Metal 구조로 되다 보니 집광 마이크로 렌즈의 포토 다이오드로의 입사광을 집속함에 있어서 초점 길이(Focal Length)가 길어져서 마이크로 렌즈의 두께가 매우 얇아져야 하기 때문에 공정이 매우 어려워지며, 이와 더불어 정확한 집속이 어렵기 때문에 인접화소로 빛이 스며들어가는 현상이 발생하여 크로스 토크(Cross-talk) 현상으로 선명도가 낮아지고 색재현 능력이 저하되는 불량이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 마이크로 렌즈의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층을 형성한 후에 제거하면서 그 하부의 칼라 필터 어레이의 두께를 균일하게 만들어서 평탄도를 향상시켜 다이렉트로 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 초점 길이를 줄여서 집광 마이크로 렌즈 공정을 쉽게 또 마진을 크게 가져갈 수 있도록 하며, 집속효율을 높여 광감도 향상 및 인접화소로의 위(僞) 입사를 막아서 선명도 향상 및 색재현성을 높이 는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 광 감지부들이 형성된 반도체 기판 상에 보호층을 형성하는 단계와, 보호층의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와, 칼라 필터 어레이의 상부에 평탄화층을 형성하는 단계와, 평탄화층을 식각하여 제거하면서 칼라 필터 어레이까지 두께를 균일하게 만드는 단계와, 칼라 필터 어레이의 상부에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다. 그러나 본 발명은 이러한 실시 예로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 도 2a 내지 도 2f의 공정 흐름도를 참조하여 살펴보기로 한다.
먼저, 포토다이오드(101)를 포함하는 광 감지부(103)들과 도시 생략된 배선 본딩 패드와 금속 배선이 형성된 반도체 기판(100) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(201)을 형성한다(도 2a 참조).
이후, 보호층(201)의 상부에 박막 레지스트(202)를 형성한다. 예컨대, 박막 레지스트(202)는 유기물층을 50㎚ 이하의 두께로 도포한 후에 하드 큐어링(Hard Curing)을 실시하여 형성한다. 하드 큐어링은 박막으로 사용하는 유기물층의 고착을 의미하는 것으로 스핀 코팅(Spin Coating)에 의해 도포 후 포함되어 있는 솔벤 트(Solvent) 성분을 제거하고, 열경화성수지(Thermosetting Resin)이기 때문에 열적으로 큐어(Cure)를 함에 의해 경화가 되어 변형이 일어나지 않도록 한다. 즉, 열경화성수지는 열에 의해 경화가 일어나면 열적인 응력에 의해 플라스틱 효과가 나타나지 않는 특성을 갖는 물질이다. 여기서, 하드 큐어링은 온도조건이 200∼230℃인 핫 플레이트(Hot Plate)에서 2∼5분간 처리한다. 이러한 박막 레지스트(202)는 이후 형성될 칼라 필터 어레이(203)의 프로파일 및 균일도 향상을 위한 평탄층 역할을 하며, 유기물질 계열로 형성하는 이유는 가시파장 영역에서 투명성이 좋기 때문이다. 여기서 박막 레지스트(202)는 생략 가능하다(도 2b 참조).
다음으로, 박막 레지스트(202)의 상부에 칼라 필터 어레이(203)를 형성한다. 여기에서, 칼라 필터 어레이(203)는 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함하는 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 형성한 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 조합으로 이루어질 수 있다. 즉 3번의 포토리소그래피 공정을 통해 칼라 필터 어레이(203)를 형성한다(도 2c 참조).
계속하여, 칼라 필터 어레이(203)의 단차 극복, 마이크로 렌즈(207)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층(205)을 칼라 필터 어레이(203)의 상부에 형성한다. 예컨대, 평탄화층(205)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막을 0.5um∼1.5um의 두께로 형성한다(도 2d 참조).
그리고, 평탄화층(205)을 산소 플라즈마(O2 PLASMA)로 드라이 에치 백(Dry Etch Back) 공정(301)을 적용하여 제거하면서 그 하부의 칼라 필터 어레이(203)까지 두께를 균일하게 만들어 평탄도를 향상시킨다. 예컨대, 표면 평탄도는 90% 이상 을 유지하게 만든다. 표면 평탄도는 칼라층 및 평탄층의 두께를 합한 높이 중에서 가장 낮은 부분과 높은 부분의 차이를 일컫는다. 예컨대, 가장 높은 두께가 1.0um이고 가장 낮은 부분의 두께가 0.9um일 경우에 평탄도는 90%라고 표현한다. 여기서, 표면 평탄도 조건은 상부에 형성될 마이크로 렌즈의 균일도 향상을 위한 것으로 각각의 칼라층의 높이가 다르며 각각의 칼라층의 경계면은 서로간의 오버랩(Overlap)으로 단차가 심한 상태로 존재하기 때문에 직접 마이크로 렌즈를 형성하면 마이크로 렌즈의 두께, 모양, 크기가 달라져 빛을 집광함에 있어서 균일도가 낮아지기 때문이다. 따라서 칼라층 상부를 평탄화시키며 이때의 평탄도는 상부의 마이크로 렌즈 유니포미티(Uniformity) 감안하여 90% 이상의 조건이 되어야만 이미지 퀄리티(Quality)에 영향이 없는 수준의 마이크로 렌즈 형성이 가능해진다.
아울러, 칼라 필터 어레이(203)의 형성 시에 인접화소로의 칼라 잔유물(Residue)이 발생되는 데, 드라이 에치 백 공정에서 이 칼라 잔유물도 함께 제거된다. 여기서, 드라이 에치 백된 표면의 불균일(roughness) 및 표면장력의 불안정을 보상하기 위하여 50nm 이하 두께의 열경화성 수지로 커버링(Covering)할 수도 있다(도 2e 참조).
다음으로, 평탄화층(205)이 제거된 칼라 필터 어레이(203)의 상부(또는 커버링의 상부) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈(207)를 형성하고, 계속하여 마이크로 렌즈(207)를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시킨다.
이때, 마이크로 렌즈(207)는 이미지 센서의 화소수 만큼 형성을 하게 되며, 광감도 향상을 위해 가능한 크게 하여 되도록 많은 입사광을 집속하도록 하는 데, 마이크로 렌즈(207)의 형성을 위한 하부층의 표면장력이 균일하기 때문에 마이크로 렌즈(207)를 키워도 국부적으로 브리지(bridge) 등이 없이 마이크로 렌즈(207)가 균일하게 형성된다.(도 2f 참조).
지금까지의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시 예에 국한하여 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있음이 자명하다.
전술한 바와 같이 본 발명은 마이크로 렌즈의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층을 형성한 후에 제거하면서 그 하부의 칼라 필터 어레이의 두께를 균일하게 만들어서 평탄도를 향상시켜 다이렉트로 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 광집속을 용이하게 하기 위해 초점 길이를 짧게 하여 집광 마이크로 렌즈 공정을 쉽게 또 마진을 크게 가져 갈 수 있도록 하며, 광감도 및 균일성의 향상으로 색재현성이 향상되어 궁극적으로는 이미지 센서의 품질이 향상되는 효과가 있다.
Claims (5)
- (a) 광 감지부들이 형성된 반도체 기판 상에 보호층을 형성하는 단계와,(b) 상기 보호층의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와,(c) 상기 칼라 필터 어레이의 상부에 평탄화층을 형성하는 단계와,(d) 상기 평탄화층을 식각하여 제거하면서 상기 칼라 필터 어레이까지 두께를 균일하게 만드는 단계와,(e) 상기 칼라 필터 어레이의 상부에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (b) 단계는,(b-1) 상기 보호층의 상부에 박막 레지스트를 형성하는 단계와,(b-2) 상기 박막 레지스트의 상부에 상기 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 박막 레지스트는 유기물질 계열로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (d) 단계는,상기 평탄화층을 드라이 에치 백 공정으로 제거하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 (d) 단계는,상기 평탄화층 및 칼라 필터 어레이의 식각 후에 상기 칼라 필터 어레이의 상부를 열경화성 수지로 커버링하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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