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KR100720464B1 - Manufacturing Method of CMOS Image Sensor - Google Patents

Manufacturing Method of CMOS Image Sensor Download PDF

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KR100720464B1
KR100720464B1 KR1020050132255A KR20050132255A KR100720464B1 KR 100720464 B1 KR100720464 B1 KR 100720464B1 KR 1020050132255 A KR1020050132255 A KR 1020050132255A KR 20050132255 A KR20050132255 A KR 20050132255A KR 100720464 B1 KR100720464 B1 KR 100720464B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
semiconductor substrate
image sensor
forming
mold
microlens
Prior art date
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Application number
KR1020050132255A
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Korean (ko)
Inventor
이관율
Original Assignee
동부일렉트로닉스 주식회사
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80Constructional details of image sensors
    • H10F39/806Optical elements or arrangements associated with the image sensors
    • H10F39/8063Microlenses
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
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    • H10F39/024Manufacture or treatment of image sensors covered by group H10F39/12 of coatings or optical elements

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Abstract

본 발명은 임프린트(imprint) 방식을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함으로써 마이크로렌즈를 균일하게 형성함과 동시에 이미지 센서의 특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 다수개의 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 칼라 필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층을 포함한 전면에 실리콘 나이트라이드 물질로 1000 ~ 6000Å의 두께를 가지는 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 감광액을 도포하는 단계와, 상기 감광액이 도포된 반도체 기판상에 소망의 렌즈 모양이 패턴화된 PDMS 재질의 몰드를 정렬하는 단계와, 상기 몰드를 감광액이 도포된 반도체 기판과 겹쳐 30㎫ 내지 50㎫ 압력을 가함과 동시에 300℃ 내지 500℃의 열을 가하여 상기 몰드에 패턴화된 렌즈 모양을 상기 감광액에 전사하는 단계와, 상기 반도체 기판에서 몰드를 제거하여 상기 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.The present invention relates to a method of manufacturing a CMOS image sensor to form a microlens using an imprint method to uniformly form the microlens and to improve the characteristics of the image sensor. Forming an interlayer insulating film on an entire surface of the semiconductor substrate on which various transistors are formed; forming a color filter layer on the interlayer insulating film to correspond to each photodiode; and forming a 1000 nm silicon nitride material on the entire surface including the color filter layer. Forming a planarization layer having a thickness of ˜6000 와, applying a photoresist on the planarization layer, and arranging a mold of a PDMS material patterned with a desired lens shape on the semiconductor substrate to which the photoresist is applied And overlapping the mold with the semiconductor substrate to which the photoresist is applied. Transferring a patterned lens shape to the photosensitive liquid by applying heat of 300 ° C. to 500 ° C. while applying MPa pressure, and forming a microlens on the planarization layer by removing the mold from the semiconductor substrate. It characterized in that it comprises a.

마이크로렌즈, 감광액, 임프린트 방식, 이미지 센서 Micro Lens, Photoresist, Imprint Method, Image Sensor

Description

씨모스 이미지 센서의 제조방법{method for manufacturing of CMOS image sensor}Method for manufacturing of CMOS image sensor

도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도1 is an equivalent circuit diagram of a typical 3T CMOS image sensor

도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도2 is a layout diagram showing unit pixels of a general 3T CMOS image sensor;

도 3a 내지 도 3d는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the prior art.

도 4a 내지 도 4d는 임프린트 리소그라피 방법을 이용하여 원하는 형상을 갖는 패턴을 형성하는 방법을 나타낸 공정 단면도4A to 4D are cross-sectional views illustrating a method of forming a pattern having a desired shape by using an imprint lithography method.

도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도5A to 5G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

101 : 반도체 기판 102 : 포토다이오드101 semiconductor substrate 102 photodiode

103 : 층간 절연층 104 : 칼라필터층103: interlayer insulation layer 104: color filter layer

105 : 평탄화층 106 : 감광액105: planarization layer 106: photosensitive liquid

107 : 몰드 108 : 마이크로렌즈 107 mold 108 microlens

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈의 균일도를 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly to a method for manufacturing a CMOS image sensor to improve the uniformity of the microlens.

일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로써, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 소자로 크게 나눌 수 있다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and may be broadly classified into a charge coupled device (CCD) image sensor device and a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor device.

상기 CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.The CMOS image sensor includes a photodiode unit for detecting irradiated light and a CMOS logic circuit unit for converting the detected light into an electrical signal and converting the data into electrical signals. As the amount of light received by the photodiode increases, the photosensitivity of the image sensor is increased. ) The characteristics become good.

이러한, 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드가 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.In order to increase the light sensitivity, a technique in which the fill factor of the photodiode in the total area of the image sensor is increased or the path of light incident to a region other than the photodiode is changed to focus the photodiode is used. .

상기 집광 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.A representative example of the condensing technique is to form a microlens, which is a method of irradiating a larger amount of light to a photodiode by refracting the path of incident light by making a convex microlens with a material having a high light transmittance on the photodiode. to be.

이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되 어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.In this case, light parallel to the optical axis of the microlens is refracted by the microlens to form a focal point at a predetermined position on the optical axis.

한편, 이미지 센서용 소자를 제조함에 있어서, 이미지를 받아들이는 포토 다이오드의 개수가 해상력(resolution)을 결정하기 때문에 고(高)화소화로의 진전 및 소형화에 따른 픽셀(pixel)의 미세화가 이루어지고 있다. On the other hand, in manufacturing an element for an image sensor, since the number of photodiodes that accept an image determines the resolution, the pixels are miniaturized due to the progress and miniaturization of high pixels. .

따라서 이렇게 소형화 및 고화소화로의 진전에 따라 외부 화상의 입력을 이미지 플랜(image plane)에 집속함에 있어서 마이크로렌즈를 통해 집속을 하게 된다. Accordingly, as the miniaturization and the high pixel development progress, the focus of the external image is focused through the microlens in the image plane.

칼라 필터(color filter)는 색분리를 위해서 원색형 또는 보색형으로 칼라 필터층을 형성하게 되는데 원색형의 경우 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 칼라를, 보색형의 경우 시안(Cyan), 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 칼라를 형성하여 색분리가 되도록 하여 색 재현을 할 수 있도록 온-칩(on-chip) 방식으로 형성을 하게 된다. The color filter forms a color filter layer in primary or complementary colors for color separation. In the primary colors, red, green, and blue colors are used, and in the complementary colors, cyan ( Cyan, Yellow, and Magenta colors are formed to be separated in color so that they can be formed on-chip to reproduce colors.

한편, 입사되는 광을 효율적으로 활용하기 위함과 아울러 최대한 활용하기 위하여 마이크로렌즈를 형성하여 집광효율을 높이게 되는데, 상기 마이크로렌즈는 포토 레지스트(photo resist)를 열 리플로우(thermal reflow) 시켜서 형성하고 있다.On the other hand, in order to efficiently utilize the incident light, and to maximize the utilization of the microlens is formed to increase the light collection efficiency, the microlens is formed by thermal reflow of the photo resist (photo resist) .

그러나 마이크로렌즈의 사이즈를 최대한 크게 하여 보다 많은 광을 집속하기 위하여 리플로우하다 보면 이웃하는 마이크로렌즈간의 브릿지(bridge)가 생기기 때문에 어느 정도의 CD(Critical Dimension)을 유지하여 균일성(uniformity)을 향상하게 된다. However, when reflowing to focus more light by making the microlens size as large as possible, a bridge is formed between neighboring microlenses, which maintains a certain degree of CD and improves uniformity. Done.

상기와 같은 특징을 갖는 이미지 센서 중 CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다. Among the image sensors having the above characteristics, CMOS image sensors are classified into 3T type, 4T type, and 5T type according to the number of transistors. The 3T type consists of one photodiode and three transistors, and the 4T type consists of one photodiode and four transistors. An equivalent circuit and layout of the unit pixels of the 3T-type CMOS image sensor will be described as follows.

도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a general 3T CMOS image sensor, and FIG. 2 is a layout diagram illustrating unit pixels of a general 3T CMOS image sensor.

일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다. As shown in FIG. 1, a unit pixel of a general 3T CMOS image sensor includes one photodiode (PD) and three nMOS transistors T1, T2, and T3. The cathode of the photodiode PD is connected to the drain of the first nMOS transistor T1 and the gate of the second nMOS transistor T2.

그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다. The sources of the first and second nMOS transistors T1 and T2 are all connected to a power supply line supplied with a reference voltage VR, and the gate of the first nMOS transistor T1 has a reset signal RST. It is connected to the reset line supplied.

또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있다. Further, the source of the third nMOS transistor T3 is connected to the drain of the second nMOS transistor, the drain of the third nMOS transistor T3 is connected to a read circuit (not shown in the drawing) via a signal line, The gate of the third nMOS transistor T3 is connected to a column select line to which a selection signal SLCT is supplied.

따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3) 는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.Accordingly, the first nMOS transistor T1 is referred to as a reset transistor Rx, the second nMOS transistor T2 is referred to as a drive transistor Dx, and the third nMOS transistor T3 is referred to as a selection transistor Sx.

일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개의 트랜지스터의 게이트 전극(30,40,50)이 형성된다. As shown in FIG. 2, in the unit pixel of a general 3T CMOS image sensor, an active region 10 is defined so that one photodiode 20 is formed in a wide portion of the active region 10. Gate electrodes 30, 40, and 50 of three transistors are formed in the active region 10 of the remaining portion, respectively.

즉, 상기 게이트 전극(30)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(40)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(50)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다. That is, the reset transistor Rx is formed by the gate electrode 30, the drive transistor Dx is formed by the gate electrode 40, and the selection transistor Sx is formed by the gate electrode 50. Is formed.

여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(30,40,50) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다. 따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.Here, impurity ions are implanted into the active region 10 of each transistor except for lower portions of the gate electrodes 30, 40, and 50 to form source / drain regions of each transistor. Therefore, a power supply voltage Vdd is applied to a source / drain region between the reset transistor Rx and the drive transistor Dx, and a source / drain region on one side of the select transistor Sx is shown in a read circuit (not shown). Not used).

상기에서 설명한 각 게이트 전극(30,40,50)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.Although not illustrated in the drawings, the gate electrodes 30, 40, and 50 described above are connected to respective signal lines, and each of the signal lines has a pad at one end thereof and is connected to an external driving circuit.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3a 내지 도 3d는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 제조방법을 나타 낸 공정 단면도이다.3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to the prior art.

도 3a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(12)들이 형성된 반도체 기판(11)상에 층간 절연층(13)을 형성한다.As shown in FIG. 3A, an interlayer insulating layer 13 is formed on a semiconductor substrate 11 on which a plurality of photosensitive devices, for example, photodiodes 12 are formed.

여기서, 상기 층간 절연층(13)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드(12) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.Here, the interlayer insulating layer 13 may be formed in multiple layers, and although not shown, a light shielding layer is formed to prevent light from being incident on portions other than the photodiode 12 region after the formation of one interlayer insulating layer. Later, an interlayer insulating layer is formed again.

그리고 상기 층간 절연층(13)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(14)들을 형성한다.After coating using a salting resist on the interlayer insulating layer 13, exposure and development processes are performed to form color filter layers 14 for filtering light for each wavelength band.

이어, 상기 칼라 필터층(14)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화층(15)을 형성한다.Subsequently, the planarization layer 15 is formed on the color filter layer 14 to adjust the focal length and to secure the flatness for forming the lens layer.

도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(15)상에 마이크로렌즈용 레지스트층(16a)을 도포하고, 상기 레지스트층(16a)의 상부에 개구부를 갖는 레티클(17)을 정렬한다.As shown in FIG. 3B, a microlens resist layer 16a is applied onto the planarization layer 15, and the reticle 17 having an opening on the resist layer 16a is aligned.

이어, 상기 레티클(17)을 포함한 전면에 레이저 등의 빛을 조사하여 상기 레티클(17)의 개구부에 대응되도록 상기 레지스트층(16a)을 선택적으로 노광한다.Subsequently, the resist layer 16a is selectively exposed to the opening of the reticle 17 by irradiating light such as a laser on the entire surface including the reticle 17.

도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 노광된 레지스트층(16a)을 현상하여 마이크로렌즈 패턴(16b)을 형성한다.As shown in FIG. 3C, the exposed resist layer 16a is developed to form a microlens pattern 16b.

도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈 패턴(16b)을 소정온도에서 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈(16)를 형성한다.As shown in FIG. 3D, the microlens pattern 16b is reflowed at a predetermined temperature to form a hemispherical microlens 16.

그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서는 리플로우(reflow) 방식을 통해 마이크로렌즈를 형성함으로써 다음과 같은 몇 가지 문제점을 가지고 있다.However, the CMOS image sensor according to the related art has some problems as follows by forming a microlens through a reflow method.

첫째, 마이크로 렌즈용 감광액 자체가 가지는 민감성(sensitivity)으로 인해 노광 및 현상 공정 이후 표백(bleach)과 리플로우 공정에서 공정을 콘트롤(control) 하기가 매우 어렵다. First, due to the sensitivity of the microlens photoresist itself, it is very difficult to control the process in the bleach and reflow processes after the exposure and development processes.

즉, 도 3d의 A 및 B와 같이 마이크로렌즈간의 간격이 균일하지 않게 형성된다.That is, as shown in A and B of FIG. 3D, the spacing between the microlenses is not uniform.

둘째, 열공정에 매우 민감하여 미세한 온도 조절이 가능한 고가의 장비가 필요하여, 온도조절이 제대로 되지 않을 경우 완전한 구면 렌즈를 형성하기가 어렵다.Second, it is very sensitive to the thermal process requires expensive equipment capable of fine temperature control, it is difficult to form a complete spherical lens if the temperature control is not properly.

즉, 온도조절이 제대로 이루어지지 않을 경우 렌즈와 렌즈가 서로 연결되거나, 또는 너무 멀리 떨어지게 됨으로써 정확한 이미지를 얻을 수 없게 되며, 이러한 구면 렌즈를 정확하게 형성하는 것이 무엇보다도 상보성 산화물반도체 이미지 센서의 품질을 결정하는 중요한 요소가 되고 있는 실정이다.In other words, if the temperature is not properly adjusted, the lens and the lens are connected to each other or too far apart to obtain an accurate image. Accurately forming such spherical lens determines the quality of the complementary oxide semiconductor image sensor. This is becoming an important factor.

최근의 기술동향을 볼 때 이미지 센서의 품질을 향상하기 위해 빛의 경로를 단축하기 위한 기술들이 나타나고 있으며, 이러한 기술 중 상보성 금속산화물 반도체 공정을 모두 진행한 후 형성되는 마이크로렌즈를 보다 아래쪽에 형성하기 위한 기술이 소개되고 있다. In recent years, technologies for shortening the light path to improve the quality of the image sensor have been shown. Among these technologies, the microlens formed after the completion of the complementary metal oxide semiconductor process is formed. The technology for this is introduced.

마지막에 이미지 센서의 렌즈를 형성하기 전 반도체 보호(passivation) 두께 를 낮춘 후 마이크로렌즈를 형성하는 공정을 적용하는 경우가 있는 데, 이러한 경우 기존 반도체 공정을 이용할 경우 감광액의 도포 균일도가 단차에 의해 나빠지게 되고 렌즈 형성시 단차에 인접해 있는 렌즈의 경우 렌즈 구경이나, 모양이 나빠지는 단점이 있을 수 있다.Finally, before forming the lens of the image sensor, the process of forming the microlens after reducing the passivation thickness of the image sensor is sometimes applied. In the case of the lens being formed and the lens adjacent to the step when forming the lens may have a disadvantage that the lens aperture, the shape is bad.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 임프린트(imprint) 방식을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함으로써 마이크로렌즈를 균일하게 형성함과 동시에 이미지 센서의 특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by forming a microlens using an imprint method to form a microlens uniformly and at the same time to improve the characteristics of the image sensor of the CMOS image sensor The purpose is to provide a manufacturing method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수개의 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 칼라 필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라 필터층을 포함한 전면에 실리콘 나이트라이드 물질로 1000 ~ 6000Å의 두께를 가지는 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 감광액을 도포하는 단계와, 상기 감광액이 도포된 반도체 기판상에 소망의 렌즈 모양이 패턴화된 PDMS 재질의 몰드를 정렬하는 단계와, 상기 몰드를 감광액이 도포된 반도체 기판과 겹쳐 30㎫ 내지 50㎫ 압력을 가함과 동시에 300℃ 내지 500℃의 열을 가하여 상기 몰드에 패턴화된 렌즈 모양을 상기 감광액에 전사하는 단계와, 상기 반도체 기판에서 몰드를 제거하여 상기 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.The method for manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming an interlayer insulating film on the front surface of the semiconductor substrate on which a plurality of photodiodes and various transistors are formed; Forming a color filter layer corresponding to the diode, forming a planarization layer having a thickness of 1000 to 6000 로 with a silicon nitride material on the front surface including the color filter layer, and applying a photoresist on the planarization layer; And arranging a mold made of PDMS material having a pattern of a desired lens shape on the semiconductor substrate to which the photoresist is applied, and applying the pressure to 30 MPa to 50 MPa while overlapping the mold with the semiconductor substrate to which the photoresist is applied. Transferring a patterned lens shape to the mold to the photosensitive liquid by applying a heat of 500 ° C to 500 ° C; And removing a mold from the semiconductor substrate to form a microlens on the planarization layer.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 종래 포토리소그라피 방법의 한계를 극복할 수 있는 새로운 패턴 형성 방법(비전통적 방법에 의한 리소그라피 방법)들에 대한 연구 개발이 도처에서 활발하게 진행되고 있는데, 이러한 비전통적 방법에 의한 리소그라피 방법 중의 하나로서 임프린트 리소그라피(imprint lithography) 방법을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함에 그 특징이 있다.In the present invention, research and development on new pattern forming methods (lithographic methods by non-traditional methods) that can overcome the limitations of the conventional photolithography method are actively conducted everywhere, and among such non-traditional lithography methods One feature is the formation of microlenses using imprint lithography.

도 4a 내지 도 4d는 임프린트 리소그라피 방법을 이용하여 원하는 형상을 갖는 패턴을 형성하는 방법을 나타낸 공정 단면도이다.4A to 4D are cross-sectional views illustrating a method of forming a pattern having a desired shape by using an imprint lithography method.

도 4a에 도시한 바와 같이, 원하는 패턴이 형성된 규소(Si) 등의 단단한 몰드(mold)(31)를 준비한다.As shown in Fig. 4A, a rigid mold 31, such as silicon (Si), on which a desired pattern is formed is prepared.

이어, 반도체 기판(32)상에 열가소성의 고분자 박막(33)을 코딩하여 형성한다.Subsequently, the thermoplastic polymer thin film 33 is coded and formed on the semiconductor substrate 32.

그리고 상기 패턴이 형성된 몰드(31)를 상기 고분자 박막(33)이 코팅된 반도체 기판(32) 상부에 정렬시킨다.The mold 31 on which the pattern is formed is aligned on the semiconductor substrate 32 coated with the polymer thin film 33.

도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 고분자 박막(33)이 형성된 반도체 기판(32)과 패턴이 형성된 몰드(31)를 대향시킨다.As shown in FIG. 4B, the semiconductor substrate 32 on which the polymer thin film 33 is formed is opposed to the mold 31 on which the pattern is formed.

도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(32)과 몰드(31)가 대향된 상태에서 프레스 판 사이에 넣어 고온, 고압으로 처리한다,As shown in FIG. 4C, the semiconductor substrate 32 and the mold 31 are placed between the press plates in a state in which the semiconductor substrate 32 and the mold 31 face each other to be treated at high temperature and high pressure.

도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(32)과 몰드(31)를 분리하여 상 기 반도체 기판(32)상에 형성된 고분자 박막(33)에 몰드(31)에 형성된 패턴을 전사시키어 고분자 박막 패턴(33a)을 형성한다.As shown in FIG. 4D, the semiconductor substrate 32 and the mold 31 are separated to transfer the pattern formed in the mold 31 to the polymer thin film 33 formed on the semiconductor substrate 32. The pattern 33a is formed.

상기한 임프린트 리소그라피 방법은 규소 등의 단단한 몰드를 사용하기 때문에 약 6㎚까지 패턴을 쉽게 구현할 수 있다는 장점을 갖는다.Since the imprint lithography method uses a rigid mold such as silicon, the imprint lithography method has an advantage of easily implementing a pattern up to about 6 nm.

도 5a 내지 도 5g는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.5A to 5G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention.

도 5a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(102)들 및 각종 트랜지스터(도 1을 참조)가 형성된 반도체 기판(101)상에 층간 절연층(103)을 형성한다.As shown in FIG. 5A, an interlayer insulating layer 103 is formed on a semiconductor substrate 101 on which a plurality of photosensitive devices, for example, photodiodes 102 and various transistors (see FIG. 1), are formed. do.

여기서, 상기 층간 절연층(103)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 포토 다이오드(102) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.Here, the interlayer insulating layer 103 may be formed in a multi-layer, and although not shown, after forming one interlayer insulating layer, a light shielding layer for preventing light from being incident to a portion other than the photodiode 102 region. After formation, an interlayer insulating layer is formed again.

도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 층간 절연층(103)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(R, G, B)(104)들을 형성한다.As illustrated in FIG. 5B, color filter layers R, G, and B are applied to the interlayer insulating layer 103 using a salty resist and then subjected to an exposure and development process to filter light for each wavelength band. 104).

여기서, 상기 각 칼라 필터층(104)은 1 ~ 5㎛의 두께를 갖도록 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 사용한 사진 식각 공정으로 패터닝하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(104)을 단일층으로 형성한다.Here, each color filter layer 104 is applied to the photosensitive material to have a thickness of 1 ~ 5㎛ and patterned by a photolithography process using a separate mask to filter the light for each wavelength band single unit Form into layers.

도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 칼라 필터층(104)을 포함한 반도체 기판 (101)의 전면에 신뢰성(reliability) 및 패키지(package)시 EMC, 외부로부터의 수분이나 중금속 침투를 방지하기 위하여 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)막을 증착하여 평탄화층(105)을 형성한다.As shown in FIG. 5C, in order to prevent the penetration of moisture or heavy metals from the EMC and the outside during reliability and packaging on the front surface of the semiconductor substrate 101 including the color filter layer 104. (silicon nitride) film is deposited to form a planarization layer 105.

한편, 이미지 센서는 광학적인 투과가 매우 중요하기 때문에 상기 평탄화층(105)의 두께에 의한 박막들의 간섭 현상을 배제하기 위하여 1000 ~ 6000Å의 두께로 형성한다.On the other hand, since the optical transmission is very important, the image sensor is formed to a thickness of 1000 ~ 6000Å in order to exclude the interference phenomenon of the thin film due to the thickness of the planarization layer 105.

여기서, 상기 평탄화층(105)을 형성한 상태에서 배선을 위한 본딩 패드(bonding PAD)를 포토레지스트를 마스크로 이용하여 상기 평탄화층(105)을 패드 및 스크라이브 라인(scribe line) 부분을 오픈(open) 시키고, 건식 또는 습식으로 식각하여 소정의 원하는 본딩 패드(도시되지 않음)를 형성할 수도 있다.Here, in the state in which the planarization layer 105 is formed, the pad and the scribe line portion of the planarization layer 105 are opened by using a bonding pad for wiring as a mask. ) And dry or wet etching to form any desired bonding pads (not shown).

도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(105)을 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 상기 포토 다이오드(102)에 광을 효율 좋게 집속하기 위하여 마이크로렌즈용 감광액(106)을 도포한다.As shown in FIG. 5D, a photoresist 106 for microlenses is applied to the photodiode 102 in order to focus light efficiently on the entire surface of the semiconductor substrate 101 including the planarization layer 105.

도 5e에 도시한 바와 같이, 상기 감광액(106)이 도포된 반도체 기판(101) 상부에 원하는 렌즈 모양(예를 들면, 반구형)으로 패턴이 형성된 몰드(107)를 정렬시킨다.As shown in FIG. 5E, the mold 107 having the pattern formed in a desired lens shape (for example, hemispherical shape) is aligned on the semiconductor substrate 101 to which the photosensitive liquid 106 is applied.

여기서, 상기 몰드(107)의 재질은 PDMS(poly dimethylsiloxane)을 사용한다.Here, the material of the mold 107 uses poly dimethylsiloxane (PDMS).

도 5f에 도시한 바와 같이, 상기 몰드(107)와 감광액(106)이 도포된 반도체 기판(101)을 겹친 후 30㎫ 내지 50㎫의 압력을 가하는 상태에서 300℃ 내지 500℃의 열을 가하는 공정을 실시하여 몰드(107)에 패턴화된 렌즈 모양을 상기 감광액(106)에 전사한다.
여기서, 상기 300℃ 내지 500℃의 열을 가하는 공정은 상기 감광액(106)이 도포된 반도체 기판(101)에 몰드를 겹친 후 상기 감광액(106)이 정확한 형상을 유지할 수 있도록 하기 위해서 실시한다.
As shown in FIG. 5F, a process of applying heat of 300 ° C. to 500 ° C. in a state in which a pressure of 30 MPa to 50 MPa is applied after overlapping the mold 107 and the semiconductor substrate 101 to which the photosensitive liquid 106 is applied. The lens pattern patterned on the mold 107 is transferred to the photosensitive liquid 106.
Here, the step of applying the heat of 300 ° C to 500 ° C is carried out in order to maintain the correct shape of the photosensitive liquid 106 after the mold is overlapped with the semiconductor substrate 101 to which the photosensitive liquid 106 is applied.

삭제delete

도 5g에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)에서 상기 몰드(107)를 분리하여 상기 평탄화층(105)상에 상기 몰드(107)에 형성된 패턴과 동일한 모양을 갖는 마이크로렌즈(108)를 형성한다.As shown in FIG. 5G, the mold 107 is separated from the semiconductor substrate 101, and the microlens 108 having the same shape as the pattern formed on the mold 107 is formed on the planarization layer 105. Form.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the method for manufacturing the CMOS image sensor according to the present invention has the following effects.

즉, 본 발명은 임프린트 방식을 이용하여 원하는 형상을 갖는 마이크로렌즈를 형성함으로써 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다 That is, the present invention can expect the following effects by forming a microlens having a desired shape using the imprint method.

첫째, 종래의 열 공정과 과 노광 공정을 통한 렌즈의 형성 방법은 공정 조건에 따라 렌즈의 모양이 정확하게 형성되지 않을 수 있는 어려움이 있었으나, 본 발명을 통해 마이크로렌즈의 모양이 흐트러지지 않은 채 정확한 렌즈 모양을 형성할 수 있다.First, the conventional method of forming a lens through a thermal process and an overexposure process has a difficulty in that the shape of the lens may not be accurately formed according to the processing conditions, but through the present invention the correct lens without the shape of the microlens undisturbed It can form a shape.

둘째, 종래의 렌즈 형성방법은 열공정과 과노광공정의 조건에 따라 렌즈 모양이 변하는 단점이 있었으나, 본 발명은 정확하게 설계된 몰드를 겹친 후 고정함 으로써 렌즈 모양이 변하는 요인을 줄일 수 있다.Second, the conventional lens forming method has a disadvantage in that the shape of the lens changes depending on the conditions of the thermal process and overexposure process, the present invention can reduce the factor of the lens shape change by fixing after overlapping the mold accurately designed.

셋째. 종래의 렌즈 형성방법은 일반적인 사진공정 후 다시 열공정과 과노광공정을 진행해야하나, 본 발명은 이러한 공정을 단축함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.third. In the conventional lens forming method, a thermal process and an overexposure process must be performed again after a general photographic process, but the present invention can improve productivity by shortening such a process.

Claims (5)

다수개의 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계;Forming an interlayer insulating film on an entire surface of the semiconductor substrate on which a plurality of photodiodes and various transistors are formed; 상기 층간 절연막상에 상기 각 포토 다이오드와 대응되게 칼라 필터층을 형성하는 단계;Forming a color filter layer on the interlayer insulating layer so as to correspond to each photodiode; 상기 칼라 필터층을 포함한 전면에 실리콘 나이트라이드 물질로 1000 ~ 6000Å의 두께를 가지는 평탄화층을 형성하는 단계;Forming a planarization layer having a thickness of 1000 to 6000 microns on a front surface including the color filter layer; 상기 평탄화층 상에 감광액을 도포하는 단계;Applying a photoresist on the planarization layer; 상기 감광액이 도포된 반도체 기판상에 소망의 렌즈 모양이 패턴화된 PDMS 재질의 몰드를 정렬하는 단계;Arranging a mold of a PDMS material patterned with a desired lens shape on the semiconductor substrate to which the photoresist is applied; 상기 몰드를 감광액이 도포된 반도체 기판과 겹쳐 30㎫ 내지 50㎫ 압력을 가함과 동시에 300℃ 내지 500℃의 열을 가하여 상기 몰드에 패턴화된 렌즈 모양을 상기 감광액에 전사하는 단계;Transferring the patterned lens shape to the photosensitive liquid by applying a heat of 300 ° C. to 500 ° C. while applying a pressure of 30 MPa to 50 MPa while overlapping the mold with a semiconductor substrate coated with a photoresist; 상기 반도체 기판에서 몰드를 제거하여 상기 평탄화층상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.And removing the mold from the semiconductor substrate to form a microlens on the planarization layer. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 몰드는 반구형의 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.The method of claim 1, wherein the mold has a hemispherical pattern formed thereon.
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