KR100917817B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 유실을 줄이고 감도를 개선할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층 상에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 제 1 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 칼라필터층의 양측에 메탈을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 제 2 및 제 3 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라필터층들 상에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 전면에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

칼라필터, 메탈

Description

씨모스 이미지 센서의 제조방법{Method for fabricating of CMOS Image sensor}

본 발명은 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 광 유실을 줄이고 감도를 개선할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.

전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평 방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기 적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.

그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.

또한, 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.

최근에는 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.

이러한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.

즉, 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.

상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나 타낸 공정단면도이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층(32)을 형성한다.

이어, 층간 절연층(32) 상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성한다. 그리고 보호막(33) 상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라필터층(34)들을 형성한다.

그리고, 칼라필터층(34) 상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 평탄화층(35)을 형성한다.

이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 평탄화층(35) 상에 마이크로 렌즈용 물질층으로 고분자 물질을 접착하여 형성한다. 그리고 고분자 물질 상에 감광막을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 감광막을 패터닝하여 마이크로렌즈 영역을 정의한다. 이후, 감광막을 이용하여 마이크로 렌즈용 물질층인 고분자 물질을 선택적으로 패터닝하여 포토다이오드(31)와 대응되면서 칼라필터층(34)과 거의 동일한 크기를 갖는 마이크로 렌즈 패턴(36a)을 형성한다.

다음으로, 도 1c에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈 패턴(36a)에 리플로우(Reflow) 공정으로 열처리하여 일정한 곡률을 갖는 마이크로렌즈(36)를 형성한다.

이러한 씨모스 이미지 센서에서 감도 개선은 중요한 요인이며 감도 개선을 위하여 존재하는 광을 유실없이 최대한 많이 흡수한 것이 중요하다. 하지만, 단위화소의 크기가 감소되는 최근에는 씨모스 이미지 센서의 감도 손실이 점점 열악해지고 있으며, 이를 극복하기 위한 방법이 요구되는 실정이지만 종래의 기술로는 한계가 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광 유실을 줄이고 감도를 개선할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층 상에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 제 1 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 칼라필터층의 양측벽에 전자빔 증착공정으로 메탈을 형성하는 단계와, 상기 메탈이 형성된 제 1 칼라필터층과 일정 간격으로 제 2 및 제 3 칼라필터층을 각각 형성하는 단계와, 상기 칼라필터층들 상에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 전면에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 최소한의 공정으로 칼라필터 사이에 메탈을 증착하여 절연시킴으로써 메탈의 전반사를 이용하여 광 손실을 최소화할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전자빔을 이용한 증착공정을 나타낸 도면이다.

먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이, 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(131)들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간절연층(142)을 형성한다.

여기서, 층간 절연층(142)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간 절연층(142)을 형성한 후에 포토 다이오드(131) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)을 형성한 후에 다시 층간 절연층(142)이 형성될 수 있다.

이어, 층간 절연층(142) 상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(133)을 형성한다. 그리고 보호막(133) 상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 블루 칼라필터층(134a)를 형성한다.

그리고나서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 블루 칼라필터층(134a)을 포함한 보호막(133) 전면에 메탈(144)을 증착한다. 여기서 메탈(144)은 Ni, Ag, Ti, Al 등을 이용하여 도 3에 도시된 바와 같이, 전자빔(electron beam)을 조사하는 증착공정으로 증착한다. 이러한, 전자빔을 이용한 증착공정으로 메탈(144)을 직접 증착할 때 블루 칼라필터층(134a)에 발생하는 데미지를 방지함으로써 낮은 온도에서 블루 칼라필터층(134a)에 데미지 없이 메탈(144)을 증착할 수 있다.

이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 블루 칼라필터층(134a)을 포함한 보호 막(133) 전면에 증착된 메탈(144)을 전면식각을 통해 블루 칼라필터층(134a)의 양측에만 남도록 식각한다.

이후, 도 2d에 도시된 바와 같이, 보호막(133) 상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 레드, 그린 칼라필터층(134b, 134c)를 순서대로 형성한다.

다음으로, 도 2e에 도시된 바와 같이, 칼라필터층(134a, 134b, 134c) 상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 평탄화층(135)을 형성한다. 그리고, 평탄화층(135) 상에 마이크로 렌즈용 물질층으로 고분자 물질을 접착하여 형성하고 고분자 물질 상에 감광막을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 감광막을 식각하여 마이크로렌즈 영역을 정의한다. 이후, 감광막을 이용하여 마이크로 렌즈용 물질층인 고분자 물질을 선택적으로 식각하여 포토다이오드(131)와 대응되면서 칼라필터층(134a, 134b, 134c)과 거의 동일한 크기를 갖는 마이크로 렌즈 패턴을 형성한다. 이후, 마이크로 렌즈 패턴에 리플로우(Reflow) 공정으로 열처리하여 일정한 곡률을 갖는 마이크로렌즈(140)를 형성한다.

따라서, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 도 2e에 도시된 바와 같이 들어온 빛이 전반사되어 모두 각 영역의 포토 다이오드(131)로 수집되므로 광 손실을 최소화하면서 감도를 개선할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 칼라필터층 형성 공정에서 블루 칼라필터층(134a)을 첫번째로 형성하고 블루 칼라필터층(134a)의 형성 후 메탈(144)을 증착하는 것을, 예를 들어 설명하였지만, 블루 칼라필터층(134a) 뿐만 아니라 레드, 그린 칼라필터층(134b, 134c) 중 하나를 첫번째로 형성하고 첫번째 칼라필터층의 형성 후 형성된 칼라필터층 상에 메탈(144)을 증착하는 것도 적용가능하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.

도 3은 본 발명에 따른 전자빔을 이용한 증착공정을 나타낸 도면.

Claims (5)

1. 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층을 형성하는 단계와,

   상기 층간 절연층 상에 보호막을 형성하는 단계와,

   상기 보호막 상에 제 1 칼라필터층을 형성하는 단계와,

   상기 제 1 칼라필터층의 양측벽에 전자빔 증착공정으로 메탈을 형성하는 단계와,

   상기 메탈이 형성된 제 1 칼라필터층과 일정 간격으로 제 2 및 제 3 칼라필터층을 각각 형성하는 단계와,

   상기 칼라필터층들 상에 평탄화층을 형성하는 단계와,

   상기 평탄화층 전면에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 칼라필터층의 양측벽에 전자빔 증착공정으로 메탈을 형성하는 단계는

   상기 제 1 칼라필터층을 포함한 상기 보호막 전면에 전자빔 증착공정으로 메탈을 증착하는 단계와;

   상기 메탈을 전면식각을 통해 상기 제 1 칼라필터층의 양측벽에만 남도록 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 메탈은 Ni, Ag, Ti, Al 중에서 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1, 2 및 3 칼라필터층은 블루, 레드 및 그린 색의 순서로 배열됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.

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