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KR20080101190A - 이미지센서의 제조방법 - Google Patents

이미지센서의 제조방법 Download PDF

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KR20080101190A
KR20080101190A KR1020070047598A KR20070047598A KR20080101190A KR 20080101190 A KR20080101190 A KR 20080101190A KR 1020070047598 A KR1020070047598 A KR 1020070047598A KR 20070047598 A KR20070047598 A KR 20070047598A KR 20080101190 A KR20080101190 A KR 20080101190A
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KR
South Korea
Prior art keywords
oxide film
forming
nitrogen gas
image sensor
pattern
Prior art date
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Application number
KR1020070047598A
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English (en)
Inventor
정충경
Original Assignee
주식회사 동부하이텍
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Publication date
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Priority to JP2008125702A priority patent/JP2008288586A/ja
Priority to DE102008023460A priority patent/DE102008023460A1/de
Priority to TW097118266A priority patent/TW200847417A/zh
Priority to CN2008100992980A priority patent/CN101308818B/zh
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Abstract

본 발명에 따른 이미지센서의 제조방법은 포토다이오드를 포함하는 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계; 상기 컬러필터층 상에 질소가스를 도펀트로 하여 산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막 상에 소정의 간격을 가지는 복수의 감광막패턴을 형성하는 단계; 및 상기 감광막패턴을 마스크로 하여 상기 산화막을 식각하여 일정한 곡률을 가지는 산화막 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 씨모스 이미지센서, 포토다이오드

Description

이미지센서의 제조방법{Method for Manufacturing Image Sensor}
도 1, 도 2와 도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정도.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 효과를 나타내는 사진.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정도.
본 발명의 실시예는 이미지센서의 제조방법에 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 마이크로렌즈 사이에 갭(G:gap)이 존재하게 되어 포토다이오드(photo diode)에 입사되는 빛의 양이 줄어들게 되어 이미지(image) 불량이 발생하는 단점이 있다.
또한, 종래기술에 의한 경우 유기(Organic)물질의 마이크로렌즈를 적용하는 경우, 패키지(Package)나 반도체 칩 실장공정의 범프(Bump) 등의 후공정에서 기판절단(Wafer Sawing)시 유발되는 파티클(Particle)이 마이크로렌즈를 손상시키거나, 마이크로렌즈에 부착되어 이미지결함을 유발하게 된다.
또한, 종래기술에 의한 경우 기존의 마아크로 렌즈는 마이크로렌즈 형성시 횡축과 대각선축으로의 초점거리(Focal Length)의 차이가 발생하게 되고, 결국 인접 픽셀(Pixel)로의 크로스토크(Crosstalk) 현상 등을 유발하게 된다.
본 발명의 실시예는 산화막을 이용한 마이크로렌즈를 채용한 이미지센서의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 산화막을 이용한 마이크로렌즈를 구현함에 있어서 산화막 마이크로렌즈의 성질을 개선할 수 있는 이미지센서의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 마이크로렌즈 사이의 갭(Gap)을 최소화할 수 있는 이미지센서의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 포토다이오드를 포함하는 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계; 상기 컬러필터층 상에 질소가스를 도펀트로 하여 산화막을 형성하는 단계; 상기 산화막 상에 소정의 간격을 가지는 복수의 감광막패턴을 형성하는 단계; 및 상기 감광막패턴을 마스크로 하여 상기 산화막을 식각하여 일정한 곡률을 가지는 산화막 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 산화막을 이용한 마이크로렌즈를 채용한 이미지센서의 제조방법을 제공할 수 있고, 또한, 본 발명의 실시예에 의하면 산화막을 이용한 마이크로렌즈를 구현함에 있어서 산화막 형성시 질소가스 처리에 의해 마이크로 렌즈용 산화막의 굴절률(refractive index) 및 투과율(transmittance)의 변화없이 보이드(void) 및 옥사이드 피트(oxide pit)가 발생하지 않는 공정을 개발함으로써 소자특성을 향상시킬 수 있으며, 또한, 본 발명의 실시예는 마이크로 렌즈 사이의 갭(Gap)을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
(제1 실시예)
도 1, 도 2와 도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 우선, 도 1과 같이 포토다이오드(120)를 포함하는 기판(110)상에 층간절연층(130)을 형성한다.
상기 층간절연층(110)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간절연층을 형성한 후에 포토다이오드(120) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)을 형성한 후에 다시 층간절연층을 형성할 수도 있다.
이후, 상기 층간절연층(130)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막(미도시)을 더 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 층간절연층(130) 상에 가염성레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 R, G, B의 컬러필터층(140)들을 형성한다.
다음으로, 상기 컬러필터층(140)상에 초점거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도확보 등을 위하여 평탄화층(PL:planarization layer)(150)을 더 형성할 수 있다.
다음으로, 도 2와 같이 상기 평탄화층(150) 상에 질소가스(G)를 도펀트로 하여 산화막(160)을 형성한다.
상기 산화막(160)은 약 200℃ 이하에서 산화막(oxide film)을 증착할 수 있다. 상기 산화막(160)은 SiO2 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 산화막(160)은 CVD, PVD, PECVD 등으로 형성될 수 있다.
한편, 제1 실시예에서 상기 산화막(160)은 200℃이하로 증착하기 때문에 밀(dense)한 막을 얻기 어렵다. 이러한 상황에서 산화막(160)에는 보이드(void) 및 피트(pit)를 형성하게 되어 막질에 심각한 영향을 미치게 된다.
이를 해결하기 위해 본 발명의 제1 실시예는 질소가스(G)를 도펀트로 하여 산화막(160) 표면에서 발생하는 보이드 및 피트 형성을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서 질소(N2)함량이 증가하게 되면 굴절률(Refractive index)이 저하될 있기 때문에 원자(atomic) %를 3%이하로 제어하면 보이드 및 피트의 형성을 제어하며 산화막 마이크로렌즈의 특성을 우수하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서 상기 산화막(160)을 형성하는 단계는 상기 산화막(160)을 형성하기 위한 원료와 함께 질소가스(G)를 도펀트로 하여 동시에 산화막(160)을 형성함으로써 산화막(160) 표면에서 발생하는 보이드 및 피트 형성을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서 상기 산화막(160)을 형성하는 단계는, 상기 산화막(160)을 형성하기 위한 원료로 산화막(160)을 형성하는 단계 및 상기 산화막(160) 상에 질소가스(G)를 도펀트로 질소가스처리하는 단계를 진행할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서 상기 산화막(160)을 형성하는 단계는, 상기 산화막(160)을 형성하기 위한 원료와 함께 1차 질소가스(G)를 도펀트로 하여 동시에 산화막을 형성하는 단계와 상기 산화막(160) 상에 2차 질소가스(미도시)를 도펀트로 질소가스처리하는 단계를 포함함으로써 산화막(160) 표면에서 발생하는 보이드 및 피트 형성을 더욱 효과적을 제거할 수 있다.
예들 들어, 본 발명의 제1 실시예에서 0 초과 내지 30 sccm 미만의 질소가스(G)를 도펀트로 하여 산화막(160)을 형성할 수 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 효과를 나타내는 사진이다.
즉, 도 3a는 산화막(160)을 형성할 때 질소가스(G)의 유량을 0sccm을 추가하여 진행을 한 후 얻은 SEM 이미지이다.
도 3b는 산화막(160)을 형성할 때 질소가스(G)의 유량을 20sccm을 추가하여 진행을 한 후 얻은 SEM 이미지이다.
도 3c는 산화막(160)을 형성할 때 질소가스(G)의 유량을 30sccm을 추가하여 진행을 한 후 얻은 SEM 이미지이다.
도 3a의 경우 보이드(Void) 및 옥사이드 피트(Pit)가 발생한 결과를 얻을 수 있었으나, 도 3b 및 도 3c의 경우는 보이드 및 옥사이드 피트가 발생하지 않는 이미지를 얻을 수 있었다.
한편, 도 3c의 경우 굴절률(refractive index)값이 증가하는 경향을 관찰할 수 있었고 또한, 투과율(transmittance)이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
이를 통해 새로운 산화막 마이크로렌즈의 공정을 최적화하기 위한 공정조건을 개발할 수 있었다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 산화막(160) 상에 소정의 간격을 가지는 복수의 감광막패턴(170)을 형성한다.
예를 들어, 상기 산화막(160) 상에 마이크로렌즈용 감광막(미도시)를 도포하고, 마이크로렌즈용 마스크(미도시)를 이용하여 노광 및 현상 공정으로 상기 감광막을 선택적으로 패터닝하여 감광막 패턴(170)을 형성한다.
또한, 상기 감광막패턴(170)은 상기 산화막(160) 보다 더 두껍게 형성될 수 있다. 이는, 감광막패턴(170)의 식각 저지성이 상기 산화막(160) 보다는 떨어지기 때문이다.
한편, 본 발명의 실시예는 상기 감광막패턴(170)을 식각마스크로 하여 상기 산화막(160)을 식각할 수도 있으며, 상기 감광막패턴(170)을 리플로우하여 마이크로렌즈패턴(170a)을 형성하고 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 식각마스크로 하여 상기 산화막(160)을 식각할 수도 있다.
예들 들어, 도 5와 같이, 상기 감광막패턴(170)이 형성된 반도체 기판(110)을 핫 플레이트(hot plate)(미도시) 상부에 올려놓은 상태에서 150℃ 이상의 열처 리로 상부에 존재하는 감광막패턴(170)을 리플로우하여 반구형의 마이크로렌즈패턴(170a)을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 6과 같이 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 마스크로 하여 상기 산화막(160)을 식각하여 일정한 곡률을 가지는 산화막 마이크로렌즈(165)를 형성한다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면 산화막을 이용한 마이크로렌즈를 구현함에 있어서 산화막 형성시 질소가스 처리에 의해 마이크로 렌즈용 산화막의 굴절률(refractive index) 및 투과율(transmittance)의 변화없이 보이드(void) 및 옥사이드 피트(oxide pit)가 발생하지 않는 공정을 개발함으로써 소자특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
(제2 실시예)
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정도이다.
본 발명의 제2 실시예는 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 제2 실시예는 상기 감광막패턴(170)을 식각마스크로 하여 상기 산화막(160)을 식각할 수도 있으며, 상기 감광막패턴(170)을 리플로우하여 마이크로렌즈패턴(170a)을 형성하고 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 식각마스크로 하여 상기 산화막(160)을 식각할 수도 있다.
다만, 제2 실시예가 제1 실시예와 차별되는 점은 상기 감광막패턴(170) 또는 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 마스크로 하여 상기 산화막(160)을 식각할 때 플라즈마 처리에 의해 상기 감광막패턴(170) 또는 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 다시 리플로우해주는 점에 있다.
예를 들어, 도 7과 같이 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 마스크로 하여 상기 산화막(160)을 1차 식각한다.
이후, 상기 마이크로렌즈패턴(170a)에 플라즈마 처리를 하고, 상기 플라즈마 처리된 마이크로렌즈패턴(170b)을 마스크로 이용하여 상기 1차 식각된 산화막(160)을 2차 식각하는 단계를 진행할 수 있다.
이때, 본 발명의 제2 실시예는 상기 마이크로렌즈패턴(170a)에 플라즈마 처리하는 단계는, 상기 1차 식각에서 바이어스 파워(bias power) 대 소스 파워(souce power) 비율에 비해 소스 파워를 1.5 배 이상 증가시킴으로써 플라즈마 온도를 높여 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 확장시켜 플라즈마 처리된 마이크로렌즈패턴(170b)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 1차 식각에서 바이어스 파워(bias power) 대 소스 파워(souce power) 비율이 약 5:1인 경우, 1차 식각에서 소스 파워를 1.5 배로 증가시킴으로써 플라즈마 온도를 높여 상기 마이크로렌즈패턴(170a)을 확장시켜 플라즈마 처리된 마이크로렌즈패턴(170b)을 형성할 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 마이크로렌즈패턴(170a)에 플라즈마 처리하는 단계는, 상기 바이어스 파워는 200 내지 400 W 이며, 상기 소스 파워는 1200 내지 1400 W일 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예서 상기 산화막 마이크로렌즈(165)를 형성하는 단계에서, 상기 감광막패턴(170) 또는 마이크로렌즈패턴(170a)에 플라즈마 처리하는 단계를 3회 이상 실시하고 각 플라즈마 처리된 감광막 패턴을 식각마스크로 하여 산화막(160)을 식각할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 의해 상기 감광막패턴(170) 또는 마이크로렌즈패턴(170a) 사이의 간격을 줄임으로써 결국 산화막 마이크로렌즈(165) 사이의 갭을 효과적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 하기 된 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
예들 들어, 본 발명은 씨모스 이미지센서 외에 CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 대해 적용이 가능할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에 의하면 산화막을 이용한 마이크로렌즈를 채용한 이미지센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면 산화막을 이용한 마이크로렌즈를 구현함에 있어서 산화막 형성시 질소가스 처리에 의해 마이크로 렌즈용 산화막의 굴절률(refractive index) 및 투과율(transmittance)의 변화없이 보이드(void) 및 옥사이드 피트(oxide pit)가 발생하지 않는 공정을 개발함으로써 소자특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 마이크로렌즈 사이의 갭(Gap)을 최소화할 수 있다.

Claims (12)

  1. 포토다이오드를 포함하는 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계;
    상기 컬러필터층 상에 질소가스를 도펀트로 하여 산화막을 형성하는 단계;
    상기 산화막 상에 소정의 간격을 가지는 복수의 감광막패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 감광막패턴을 마스크로 하여 상기 산화막을 식각하여 일정한 곡률을 가지는 산화막 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 산화막을 형성하는 단계는,
    상기 산화막을 형성하기 위한 원료와 함께 질소가스를 도펀트로 하여 동시에 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 산화막을 형성하는 단계는,
    상기 산화막을 형성하기 위한 원료로 산화막을 형성하는 단계; 및
    상기 산화막 상에 질소가스를 도펀트로 질소가스처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 산화막을 형성하는 단계는,
    상기 산화막을 형성하기 위한 원료와 함께 1차 질소가스를 도펀트로 하여 동시에 산화막을 형성하는 단계;
    상기 산화막 상에 2차 질소가스를 도펀트로 질소가스처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  5. 제1 항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 질소가스를 도펀트로 하여 산화막을 형성하는 단계는,
    질소의 함량이 0 초과 내지 3 원자 % 이하인 질소가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  6. 제1 항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 질소가스를 도펀트로 하여 산화막을 형성하는 단계에서,
    상기 질소가스가 0 초과 내지 30 sccm 미만인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  7. 제1 항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 감광막의 패턴은 상기 산화막 보다 더 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  8. 제1 항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 컬러필터층을 형성단계 후에,
    상기 컬러필터층 상에 평탄화층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  9. 제1 항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 산화막 마이크로렌즈를 형성하는 단계는,
    상기 감광막패턴을 마스크로 하여 상기 산화막을 1차 식각하는 단계;
    상기 감광막패턴에 플라즈마 처리하는 단계; 및
    상기 플라즈마 처리된 감광막 패턴을 이용하여 상기 1차 식각된 산화막을 2차 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 감광막패턴에 플라즈마 처리하는 단계는,
    상기 1차 식각에서 바이어스 파워(bias power) 대 소스 파워(souce power) 비율에 비해 소스 파워를 1.5 배 이상 증가시킴으로써 플라즈마 온도를 높여 상기 감광막 패턴을 확장시키는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 감광막패턴에 플라즈마 처리하는 단계는,
    상기 바이어스 파워는 200 내지 400 W 이며, 상기 소스 파워는 1200 내지 1400 W 인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 산화막 마이크로렌즈를 형성하는 단계에서,
    상기 감광막패턴에 플라즈마 처리하는 단계를 3회 이상 실시하고, 각 플라즈마 처리된 감광막 패턴을 식각마스크로 하여 산화막을 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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