KR20100021228A - 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
종래의 이미지 센서 제조 방법에서는, 각각의 컬러 필터들이 서로 상이한 두께로 형성되기 때문에, 마이크로 렌즈 공정을 진행하기 전에 이러한 두께 차를 보상하기 위해 평탄화층을 반드시 형성하여야 하며, 이로 인해 빛이 포토 다이오드에 도달하기까지 투과해야 하는 층(layer)의 수가 증가하게 되어 빛의 손실을 가져온다는 문제가 있다. 이에 본 발명은, 빛이 포토 다이오드에 도달하기까지 거쳐야 하는 층의 수를 줄여 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있으며, CMOS 이미지 센서 제조에 필요한 층의 개수를 줄임으로써 전체 공정 기간을 단축시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방안을 마련코자 한다.
CMOS, 컬러 필터, 마이크로 렌즈
Description
본 발명은 반도체 소자의 이미지 센서 제조 기술에 관한 것으로, 특히 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서의 감도를 개선하고 공정 과정을 줄이는데 적합한 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이, CMOS(Complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광 기술이다. 예컨대, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 소자부분과, 감지된 빛을 전기적신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 논리 회로부분으로 구성되어 있는데, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 광감지 소자부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 'Fill Factor'라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 논리 회로부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
한편, 종래 CMOS 이미지 센서 제조 공정에서는 논리 회로 영역에 금속 패드를 형성하고 그 결과물에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막을 증착하고 이를 식각하여 금속 패드의 오픈 공정을 수행한 후에 광감지 소자 영역에 컬러 필터 어레이(Color Filter Array)를 형성하게 된다.
이하에서는, 도 1a 내지 도 1g를 참조하여, 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서 제조 과정을 간략히 설명하기로 한다.
도면에서 도면 부호 A는 광감지 소자 영역, B는 논리 회로 영역을 나타낸 것이다.
먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 단위화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(미도시함)과, 필드 절연막 사이에 적어도 하나이상의 광감지 소자(미도시함) 및 논리 회로(미도시함)가 형성된 반도체 기판(1) 상부에 절연막(10)을 형성한다.
결과물 전면에 금속 물질을 증착하고 이를 패터닝하여 기판(1)의 논리 회로 영역(B)의 절연막(10) 상부에 금속 패드(102)를 형성한다. 이때 금속 패드(102) 상/하부에는 티타늄질화막(TiN)과 같은 반사방지막(101)이 증착될 수도 있다.
그 다음 금속 패드(102)가 형성된 결과물 전면에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막(104, 106)을 증착한다. 이때, 소자 보호막은, 예를 들어 TEOS(Tetraethylorthosilicate)박막(104)과 USG(Undoped Silicate Glass)막(106)이 적층된 구조일 수 있다.
이어서 도 1b에 도시된 바와 같이, 광감지 소자 영역(A)을 마스킹하고 식각 공정을 진행하여 소자 보호막(106, 104) 및 반사방지막(101)이 식각되어 금속 패드(102) 표면 일부가 드러나는 오픈 영역(108)을 형성한다. 이때 오픈 영역(108)은 이후 패키지 공정시 와이어 본딩이 이루어질 금속 패드(102) 표면을 노출시키기 위한 것이다.
그 다음 도 1c에 도시된 바와 같이, 단차 극복 및 접착(adhesion)을 좋게 하기 위하여 광감지 소자 영역(A)의 소자 보호막(106) 상부에 제 1 평탄화층(110)을 얇게 형성한다. 이러한 제 1 평탄화층(110)의 목적은, 후속되는 컬러 필터의 코팅을 원활하게 하고 이미지 센서의 구동 및 응답력을 최대화하기 위함이다.
계속해서 도 1d에 도시된 바와 같이, 광감지 소자 영역(A)의 제 1 평탄화층(110) 상부에 컬러 필터 어레이를 형성한다. 이때 컬러 필터 어레이 제조 공정은 제 1 평탄화층(110) 상부에 염색된 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상하여 광감지 소자 영역(A)의 일부에 청색, 녹색, 적색의 컬러 필터(112a, 112b, 112c)를 어레이 형태로 형성한다.
그런 다음, 도 1e에서는, 컬러 필터(112a, 112b, 112c)가 형성된 광감지 소자 영역(A) 전면에 포토레지스트(도시 생략)를 도포하고 노광 및 현상으로 이를 패터닝하여 컬러 필터(112a, 112b, 112c)를 둘러싼 형태로 제 2 평탄화층(114)을 두껍게 형성한 후, 컬러 필터(112a, 112b, 112c)의 코팅을 원활하게 하기 위해 사용된 제 1 평탄화층(110)중 금속 패드(102) 영역의 제 1 평탄화층을 제거하는 O2 애싱(ashing)을 실시한다. 이때, 제 2 평탄화층(114)의 코팅 목적은, 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 보호하기 위함이다.
이후 도 1f에서는, 마이크로 렌즈 형성을 위한 포토레지스트(도시 생략)를 도포하고 노광 및 현상으로 이를 패터닝하여 마이크로 렌즈 포토레지스트 패턴(116)을 형성한다.
끝으로 도 1g에서는, 열처리 공정을 실시하여 상기 마이크로 렌즈 포토레지스트 패턴(116)을 리플로우(reflow)시켜 제 2 평탄화층(114) 상부에 광을 집약시켜주는 반구형 마이크로렌즈(118)를 형성함으로써 CMOS 이미지 센서의 제조 공정을 완료한다.
그런데 종래의 이미지 센서 제조 방법은, 도 1d에 도시한 바와 같이, 각각의 컬러 필터, 즉 청색, 녹색, 적색의 컬러 필터들이 서로 상이한 두께로 형성되기 때문에, 마이크로 렌즈 공정을 진행하기 전에 이러한 두께 차를 보상하기 위해 평탄화층을 반드시 형성하여야 하며, 이로 인해 빛이 포토 다이오드에 도달하기까지 투과해야 하는 층(layer)의 수가 증가하게 되어 빛의 손실을 가져온다는 문제가 있다.
결과적으로, 종래의 공정 기술에서는 CMOS 이미지 센서의 감도가 저하될 수밖에 없다.
이에 본 발명은, 빛이 포토 다이오드에 도달하기까지 거쳐야 하는 층의 수를 줄여 CMOS 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방안을 마련코자 한다.
또한 본 발명은, CMOS 이미지 센서 제조에 필요한 층의 개수를 줄임으로써 전체 공정 기간을 단축시킬 수 있는 이미지 센서 제조 방안을 마련코자 한다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 반도체 기판의 논리 회로 영역에 금속 패드를 형성하는 과정과, 상기 금속 패드가 형성된 결과물 전면에 소자 보호막을 증착하는 과정과, 상기 소자 보호막을 식각하여 상기 금속 패드의 표면 일부가 드러나는 오픈 영역을 형성하는 과정과, 상기 반도체 기판의 광감지 소자 영역에 컬러 필터를 형성하는 과정과, 리플로우 공정을 적용하여 상기 컬러 필터를 반구형 마이크로 렌즈로 형성하는 과정을 포함하는 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 빛이 포토 다이오드에 도달하기까지 거쳐야 하는 층의 개수를 줄임으로써, CMOS 이미지 센서의 이미지 감도를 개선하고 공정의 단순화를 꾀할 수 있다.
본 발명의 기술 요지는, 반도체 기판의 광감지 소자 영역에 컬러 필터를 형성하고, 컬러 필터 자체에 리플로우(reflow) 공정을 적용하여 광 집약을 위한 각각의 반구형 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 빛이 포토 다이오드에 도달하기까지 거쳐야 하는 층의 개수를 줄여 CMOS 이미지 센서의 이미지 감도를 개선하고 공정의 단순화를 구현한다는 것으로, 이러한 기술 사상으로부터 본 발명의 목적으로 하는 바를 용이하게 달성할 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 이미 지 센서 제조 과정을 예시한 공정 단면도로서, 도면에서 도면 부호 A는 광감지 소자 영역, B는 논리 회로 영역을 나타낸다.
이하, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서, 예컨대 CMOS 이미지 센서 제조 과정을 구체적으로 살펴보기로 한다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 단위화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(미도시함)과, 필드 절연막 사이에 적어도 하나이상의 광감지 소자(미도시함) 및 논리 회로(미도시함)가 형성된 반도체 기판(2) 상부에 절연막(20)을 형성한다.
결과물 전면에 금속 물질을 증착하고 이를 패터닝하여 기판(2)의 논리 회로 영역(B)의 절연막(20) 상부에 금속 패드(202)를 형성한다. 이때 금속 패드(202) 상/하부에는 티타늄질화막(TiN)과 같은 반사방지막(201)이 증착될 수도 있다.
그 다음 금속 패드(202)가 형성된 결과물 전면에 외부의 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 소자 보호막(204, 206)을 증착한다. 이때, 소자 보호막은, 예를 들어 TEOS(Tetraethylorthosilicate)박막(204)과 USG(Undoped Silicate Glass)막(206)이 적층된 구조일 수 있다.
이어서 도 2b에 도시된 바와 같이, 광감지 소자 영역(A)을 마스킹하고 식각 공정을 진행하여 소자 보호막(206, 204) 및 반사방지막(201)이 식각되어 금속 패드(202) 표면 일부가 드러나는 오픈 영역(208)을 형성한다. 이때 오픈 영역(208)은 이후 패키지 공정시 와이어 본딩이 이루어질 금속 패드(202) 표면을 노출시키기 위한 것이다.
그 다음 도 2c에 도시된 바와 같이, 단차 극복 및 접착(adhesion)을 좋게 하기 위하여 광감지 소자 영역(A)의 소자 보호막(206) 상부에 제 1 평탄화층(210)을 얇게 형성한다. 이러한 제 1 평탄화층(210)의 목적은, 후속되는 컬러 필터의 코팅을 원활하게 하고 이미지 센서의 구동 및 응답력을 최대화하기 위함이다.
계속해서 도 2d에 도시된 바와 같이, 광감지 소자 영역(A)의 제 1 평탄화층(210) 상부에 컬러 필터 어레이를 형성한다. 이때, 컬러 필터 어레이 제조 공정은, 제 1 평탄화층(210) 상부에 염색된 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상하여 광감지 소자 영역(A)의 일부에 청색, 녹색, 적색의 컬러 필터(212a, 212b, 212c)를 어레이 형태로 형성하는 과정을 포함한다. 도 2에서 알 수 있듯이, 각각의 컬러 필터(212a, 212b, 212c)는 서로 상이한 두께, 예컨대 청색 컬러 필터(212a)보다 녹색 컬러 필터(212b)가 두껍게 형성되며, 녹색 컬러 필터(212b)보다 적색 컬러 필터(212c)가 더 두껍게 형성됨을 알 수 있다.
그런 다음, 도 2e에서는, 종래와 같이 평탄화층을 형성하는 공정 과정 없이, 컬러 필터(212a, 212b, 212c) 자체에 리플로우(reflow) 공정을 적용하여 광 집약을 위한 각각의 반구형 마이크로 렌즈(218a, 218b, 218c)를 형성한다.
도 2e에서 알 수 있듯이, 각각의 컬러 필터(212a, 212b, 212c)에 대해 직접 리플로우 공정을 적용하기 때문에, 각각의 반구형 마이크로 렌즈(218a, 218b, 218c)는, 각각의 청색, 녹색 적색의 컬러 필터(212a, 212b, 212c)의 두께 차이에 비례하여 각기 상이한 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 2e는 본 실시예의 가장 큰 특징으로서, 컬러 필터(212a, 212b, 212c) 를 형성한 후 각각의 컬러 필터에 대해 리플로우 공정을 바로 적용하여, 평탄화층이나 추가적인 마스크 패턴을 사용하지 않고 마이크로 렌즈를 형성하도록 구현하였다.
이로 인해 본 발명은, 종래와 같은 평탄화층, 포토레지스트 패턴 등이 필요치 않기 때문에 공정 과정이 대폭 줄어들게 되며, 빛이 투과해야 하는 전체 층의 개수가 크게 줄어들어 빛의 손실을 최소화할 수 있는 이미지 센서를 구현할 수 있을 것이다.
한편, 지금까지 본 발명의 실시예에 대해 상세히 기술하였으나 본 발명은 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주 내에서 당업자로부터 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
도 1a 내지 도 1g는 종래의 반도체 소자의 이미지 센서 제조 과정을 나타낸 공정 단면도,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 이미지 센서 제조 과정을 예시한 공정 단면도.
Claims (4)
- 반도체 기판의 논리 회로 영역에 금속 패드를 형성하는 과정과,상기 금속 패드가 형성된 결과물 전면에 소자 보호막을 증착하는 과정과,상기 소자 보호막을 식각하여 상기 금속 패드의 표면 일부가 드러나는 오픈 영역을 형성하는 과정과,상기 반도체 기판의 광감지 소자 영역에 컬러 필터를 형성하는 과정과,리플로우 공정을 적용하여 상기 컬러 필터를 반구형 마이크로 렌즈로 형성하는 과정을 포함하는 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 컬러 필터를 형성하는 과정은,상기 반도체 기판의 광감지 소자 영역에 염색된 포토레지스트를 도포하는 과정과,상기 포토레지스트를 노광 및 현상하여 상기 광감지 소자 영역의 일부에 각각 청색, 녹색, 적색의 컬러 필터를 어레이(array) 형태로 형성하는 과정을 포함하는 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 각각의 청색, 녹색, 적색의 컬러 필터는, 서로 상이한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 반구형 마이크로 렌즈는, 상기 각각의 청색, 녹색 적색의 컬러 필터의 두께 차이에 비례하여 각기 상이한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 이미지 센서 제조 방법.
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| KR20190128877A (ko) * | 2018-05-09 | 2019-11-19 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 및 전자 장치 |
| US11683599B2 (en) | 2018-05-09 | 2023-06-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors and electronic devices |
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