KR100244295B1 - 고체 촬상 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
고체촬상소자의 이너 렌즈(INNER LENS)에 관한 것으로 특히, 이너 렌즈의 내부를 유전율이 1인 공기로 형성하여 빛의 흡수나 반사를 방지하여 집광 효율을 향상시킨 고체 촬상 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이와 같은 고체촬상소자는 반도체기판의 표면에 소정간격으로 형성된 광전 변환 영역, 상기 광전 변환 영역들 사이의 상기 반도체 기판내에 형성된 전하 전송 영역, 상기 광전 변환 영역들 및 전하 전송 영역들을 포함하는 전면에 형성된 제 1 보호막, 상기 제 1 보호막상에 형성되며, 상기 광전 변환 영역에 대응하는 볼록한 형상의 캐비티를 포함하는 제 2 보호막, 상기 제 2 보호막상에 형성되며, 상기 광전 변환 영역에 대응하는 칼라필터층을 포함하는 평탄화층, 상기 평탄층상에 상기 광전 변환 영역에 대응하도록 형성된 마이크로 렌즈층을 포함한다.
Description
본 발명은 고체 촬상 소자의 이너 렌즈(INNER LENS)에 관한 것으로 특히, 이너 렌즈의 내부를 유전율이 1인 공기로 형성하여 빛의 흡수나 반사를 방지하여 집광 효율을 향상시킨 고체 촬상 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고체 촬상 소자는 광전 변환 소자와 전하 결합 소자를 사용하여 피사체를 촬영하여 전기적인 신호로 출력하는 장치를 말한다.
전하 결합 소자는 광전 변환 소자(PD)에서 생성되어진 신호 전하를 기판내에서 전위의 변동을 이용하여 특정방향으로 전송하는데 사용된다.
고체 찰상 소자는 복수개의 광전 변환 영역(PD)과, 광전 변환 영역들의 사이에 구성되어 상기의 광전 변환 영역에서 생성되어진 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD)과, 상기 수직 전하 전송 영역에 의해 수직 방향으로 전송된 전하를 다시 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(HCCD) 그리고, 상기 수평 전송된 전하를 센싱하고 증폭하여 주변 회로로 출력하는 플로우팅 디퓨젼 영역으로 크게 구분된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술의 고체 촬상 소자에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 종래 고체 촬상 소자의 단면 구조도이다.
종래 고체 촬상 소자는 n형 반도체기판(1)상에 제 1 및 제 2 p- 형 웰(2)(3)이 형성되고, 상기 제 1 및 제 2 p- 형 웰(2)(3) 영역내에 n+ 형 포토다이오드인 PD-N 영역(4)과, n+ 형 VCCD인 전하 전송 영역(5)이 형성되며, 상기 PD-N 영역(4) 상면에는 p++ 형 표면 격리층인 PD-P 영역(6)이 형성된다. 그리고, 상기 반도체기판(1)의 전면에 게이트 절연막(7)이 형성되고, 포토다이오드 영역을 제외한 게이트 절연막(7)상에는 트랜스퍼 게이트(8), 층간 절연막(9) 및 금속 차광층(10)이 순차적으로 형성되며, 이들을 포함한 게이트 절연막(7)상에는 보호막(11)이 형성된다. 그다음, 상기 보호막(11) 전면 위에는 제 1 평탄화층(12)이 형성되고, 상기 제 1 평탄화층(12)상에는 상기 PD-N 영역(4)에 대응하도록 칼라필터층(13)이 부분적으로 형성되어 있으며, 상기 칼라필터층(13)을 포함한 제 1 평탄화층(12)상에는 제 2 평탄화층(14)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 제 2 평탄화층(14)상에는 상기 PD-N 영역(4)과 대응되도록 마이크로 렌즈층(15)이 형성되어 있다. 이때, 미설명 부호 16은 포토다이오드인 PD-N 영역(4)의 둘레에 부분적으로 형성되어 화소(PIXEL)와 화소간을 격리시켜주는 채널 스톱층이다.
상기와 같이 구성된 종래 고체 촬상 소자는 카메라 렌즈를 통해 입사되는 광이 마이크로 렌즈층(15)에 의해 집속되어 포토다이오드인 PD-N 영역(4)으로 입사된다. 그리고, 상기 PD-N 영역(4)으로 입사된 광은 영상 전하로 광전 변환된다. 상기의 PD-N 영역(4)에서 광전 변환된 영상 전하들은 트랜스퍼 게이트(8)의 클럭 신호에 의해 전하 전송 영역(5)으로 전송되고, 상기 전하 전송 영역(5)의 영상 전하는 수직 전송되어 HCCD(도시하지 않음)로 전송되고, HCCD에 의해 다시 수평 방향으로 전송되어 플로우팅 디퓨젼 영역에서 센싱 및 증폭되어 주변 회로로 출력된다.
종래 고체 촬상 소자에 있어서는 마이크로 렌즈 한 개에 의하여 빛을 집광시켰는데 그에 따라 초점거리를 정확히 계산하여 형성하여야 하며 비스듬히 입사하는 광이 전하 전송 영역으로 직접 입사하여 스미어 현상을 발생시키는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 고체 촬상 소자의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 마이크로 렌즈층과 광전 변환 영역사이에 이너 렌즈를 구성하여 스미어 현상 방지 및 집광 효율을 높인 고체 촬상 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다
도 1은 종래 고체 촬상 소자의 단면 구조도
도 2는 본 발명 고체 촬상 소자의 단면 구조도
도 3a 내지 도 3c는 본 발명 고체 촬상 소자의 제조공정 단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 ; 반도체기판 22 : 제 1 p- 형 웰
23 : 제 2 p- 형 웰 24 : PD-N 영역
25 : 전하 전송 영역 26 : PD-P 영역
27 : 게이트 절연막 28 : 트랜스퍼 게이트
29 : 층간 절연막 30 : 금속 차광층
31 : 제 1 보호막 32 : 캐비티
33 : 제 2 보호막 34 : 제 1 평탄화층
35 ; 칼라필터층 36 : 제 2 평탄화층
37 : 마이크로 렌즈층 38 : 채널 스톱층
39 : 절연막 40 : 홀
본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 반도체기판의 표면에 소정간격으로 형성된 광전 변환 영역, 상기 광전 변환 영역들 사이의 상기 반도체 기판내에 형성된 전하 전송 영역, 상기 광전 변환 영역들 및 전하 전송 영역들을 포함하는 전면에 형성된 제 1 보호막, 상기 제 1 보호막상에 형성되며, 상기 광전 변환 영역에 대응하는 볼록한 형상의 캐비티를 포함하는 제 2 보호막, 상기 제 2 보호막상에 형성되며, 상기 광전 변환 영역에 대응하는 칼라필터층을 포함하는 평탄화층, 상기 평탄층상에 상기 광전 변환 영역에 대응하도록 형성된 마이크로 렌즈층을 포함하여 구성된다. 그리고, 상기한 바와 같은 고체 촬상 소자의 제조방법은 반도체기판에 복수개의 광전 변환 영역과, 그들에서 생성된 영상 전하들을 일방향으로 전송하는 복수개의 전하 전송 영역들을 형성하는 단계, 상기 광전 변환 영역과 전하 전송 영역을 포함하는 반도체기판 전면에 제 1 보호막을 형성하는 단계, 상기 광전 변환 영역과 대응하는 상기 제 1 보호막상에 볼록 렌즈 형상의 절연막을 형성하는 단계,상기 볼록 렌즈 형상의 절연막상에 제 2 보호막을 형성하는 단계, 상기 절연막 상층의 상기 제 2 보호막을 선택적으로 제거하여 홀을 형성한후 상기 절연막을 제거하는 단계, 상기 제 2 보호막상에 상기 광전 변환 영역에 대응하는 칼라필터층을 포함하는 평탄층을 형성하는 단계, 상기 평탄층상에 상기 광전 변환 영역에 대응하는 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이와 같은 본 발명 고체 촬상 소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명 고체 촬상 소자의 단면 구조도이다
본 발명 고체 촬상 소자는 n형 반도체기판(21)상에 제 1 및 제 2 p- 형 웰(22)(23)이 형성되고, 상기 제 1 및 제 2 p- 형 웰(22)(23) 영역내에 광신호를 전기적인 신호로 변환시키는 n+ 형 포토다이오드인 PD-N 영역(24)과, n+ 형 VCCD인 전하 전송 영역(25)이 형성되며, 상기 PD-N 영역(24) 상면에는 p++ 형 표면 격리층인 PD-P 영역(26)이 형성된다. 그리고, 상기 반도체기판(21)의 전면에 게이트 절연막(27)이 형성되고, 포토다이오드 영역을 제외한 게이트 절연막(27)상에는 트랜스퍼 게이트(28), 층간 절연막(29) 및 금속 차광층(30)이 순차적으로 형성되며, 이들을 포함한 게이트 절연막(27)상에는 상기 PD-N 영역(24)에 대응되는 위치에 단차를 갖는 제 1 보호막(31)이 형성된다. 그다음, 상기 제 1 보호막(31)의 전면에 형성되고, 상기 PD-N 영역(24)에 대응되는 위치의 제 1 보호막(31) 상측에 볼록한 형상의 캐비티(cavity)(32)를 포함하는 제 2 보호막(33)이 형성되며, 상기 제 2 보호막(33) 전면에 제 1 평탄화층(34)이 형성되고, 상기 제 1 평탄화층(34)상에는 상기 PD-N 영역(24)에 대응하도록 칼라필터층(35)이 부분적으로 형성되어 있으며, 상기 칼라필터층(35)을 포함한 제 1 평탄화층(34)상에는 제 2 평탄화층(36)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 제 2 평탄화층(36)상에는 상기 PD-N 영역(24)과 대응되도록 마이크로 렌즈층(37)이 형성되어 있다. 이때, 미설명 부호 38은 포토다이오드인 PD-N 영역(24)의 둘레에 부분적으로 형성되어 화소(PIXEL)와 화소간을 격리시켜주는 채널 스톱층이다.
상기와 같이 구성된 본 발명 고체 촬상 소자는 카메라 렌즈를 통해 입사되는 광이 마이크로 렌즈층(37)에 의해 집속되어 포토다이오드인 PD-N 영역(24)으로 입사되기 전에 공동(空洞)인 캐비티(32)를 통과하며 다시 한 번 집광하여 PD-N 영역(24)으로 입사되게 된다. 특히, 비스듬히 입사되어 곧바로 전하 전송 영역(25)으로 입사될수 있는 광 또한 볼록 렌즈 형상의 캐비티(32)에서 PD-N 영역(24)으로의 입사가 가능한 것이다. 이때, 상기 캐비티(32)는 유전율이 1인 산소를 포함하게 된다. 이어서, 상기 PD-N 영역(24)으로 입사된 광은 영상 전하로 광전 변환된다. 상기의 PD-N 영역(24)에서 광전 변환된 영상 전하들은 트랜스퍼 게이트(28)의 클럭 신호에 의해 전하 전송 영역(25)으로 전송되고, 상기 전하 전송 영역(25)의 영상 전하는 수직 전송되어 HCCD(도시하지 않음)로 전송되고, HCCD에 의해 다시 수평 방향으로 전송되어 플로우팅 디퓨젼 영역에서 센싱 및 증폭되어 주변 회로로 출력된다.
도 3a 내지 도 3는 본 발명 고체 촬상 소자의 제조공정 단면도이다.
먼저, 도 3a에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(21)표면에 제 1 및 제 2 p- 형 웰(22)(23)을 형성한다음 각 화소들을 격리시킬 채널 스톱층(38)을 형성한다. 이어서, 상기 제 1 및 제 2 p- 형 웰(22)(23)영역내에 각각 광전 변환 영역으로 사용할 n+ 형 포토다이오드 영역인 PD-N 영역(24) 및 n+ VCCD 영역인 전하 전송 영역(25)을 형성한다. 그다음, 상기 PD-N 영역(24) 상측으로 PD-P 영역(26)을 형성하고, 상기 PD-P 영역(26) 및 전하 전송 영역(25)을 포함한 반도체기판(20) 전면에 게이트 절연막(27)을 형성한다. 이어서, 상기 포토다이오드 영역인 PD-N 영역(24) 및 PD-P 영역(26)을 제외한 게이트 절연막(27)상에 트랜스퍼 게이트(28), 층간 절연막(29) 및 금속 차광층(30)을 차례로 형성하며, 이들을 포함하는 게이트 절연막(27)상에 제 1 보호막(31)을 형성한다. 그다음, 상기 제 1 보호막(31) 전면에 절연막(39)을 형성한후 상기 PD-N 영역(24)에 대응되는 위치에만 남도록 상기 절연막(39)을 선택적으로 패터닝(포토리소그래피공정 + 식각공정)한다. 이때, 상기 절연막(39) 상기 제 1 및 제 2 보호막(31)(33)과 식각선택비가 다른 물질을 사용하여 형성하며, 유동성이 있는 절연막으로 보론(B : Boron) 또는 인(P : Phosphorus)이 포함된 물질이거나 또는 보론과 인이 함께 포함된 물질로써, 바람직하게는 BSG, PSG 및 BPSG(Boro-phospho Silicate Glass)중 어느 하나로 형성한다.
도 3b에 나타낸 바와 같이, 상기 절연막(39)을 고온에서 리플로우(reflow)하여 볼록 렌즈 형상으로 형성한다. 그다음, 상기 절연막(39)을 포함한 제 1 보호막(31) 전면에 제 2 보호막(33)을 형성한다. 이어서, 상기 절연막(39) 에지부분의 제 2 보호막(33)을 선택적으로 제거하여 절연막(39)이 부분적으로 노출되는 홀(40)을 형성한다. 이때, 상기 홀(40)은 이방성 건식각법을 사용하여 형성한다.
도 3c에 나타낸 바와 같이, 상기 홀(40)을 통하여 노출된 절연막(39)을 습식식각 용액을 사용하여 완전히 제거하면 볼록 렌즈 형상을 그대로 유지하여 이너 렌즈(INNER LENS)와 같은 효과를 갖는 캐비티(32)가 생긴다. 이어서, 상기 제 2 보호막(33)상에 제 1 평탄층(34)과 칼라필터층(35)을 형성한후 상기 PD-N 영역(24) 및 PD-N 영역(24)에 인접한 제 1 평탄층(34)의 상측에 남도록 상기 칼라필터층(35)을 선택적으로 패터닝한다. 그다음, 상기 칼라필터층(35)을 포함한 제 1 평탄층(34) 전면에 제 2 평탄층(36)을 형성한다. 이어서, 포토다이오드 영역인 PD-N 영역(24)에 대응하는 제 2 평탄층(36)상에 마이크로 렌즈층(37)을 형성한다.
본 발명에 따른 고체 촬상 소자 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이에 이너 렌즈를 형성하여 집광효율 및 감도를 향상할 수 있다.
둘째, 광이 비스듬히 입사하여도 이너 렌즈에 의해 포토다이오드로 집광시킬수 있기 때문에 스미어 현상을 방지할 수 있다.
Claims (11)
- 반도체기판의 표면에 소정간격으로 형성된 광전 변환 영역;상기 광전 변환 영역들 사이의 상기 반도체 기판내에 형성된 전하 전송 영역;상기 광전 변환 영역들 및 전하 전송 영역들을 포함하는 전면에 형성된 제 1 보호막;상기 제 1 보호막상에 형성되며, 상기 광전 변환 영역에 대응하는 볼록한 형상의 캐비티를 포함하는 제 2 보호막;상기 제 2 보호막상에 형성되며, 상기 광전 변환 영역에 대응하는 칼라필터층을 포함하는 평탄화층;상기 평탄층상에 상기 광전 변환 영역에 대응하도록 형성된 마이크로 렌즈층을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 캐비티는 유전율이 1인 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광전 변환 영역들 및 상기 전하 전송 영역이 형성된 상기 반도체기판과 상기 제 1 보호막 사이에, 게이트 절연막과, 상기 광전 변환 영역을 제외한 상기 게이트 절연막상에 트랜스퍼 게이트, 층간 절연막 및 금속 차광층이 더 형성됨을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 캐비티는 상기 마이크로 렌즈층과 상기 금속 차광층 사이에 위치함을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 반도체기판에 복수개의 광전 변환 영역과, 그들에서 생성된 영상 전하들을 일방향으로 전송하는 복수개의 전하 전송 영역들을 형성하는 단계;상기 광전 변환 영역과 전하 전송 영역을 포함하는 반도체기판 전면에 제 1 보호막을 형성하는 단계;상기 광전 변환 영역과 대응하는 상기 제 1 보호막상에 볼록 렌즈 형상의 절연막을 형성하는 단계;상기 볼록 렌즈 형상의 절연막상에 제 2 보호막을 형성하는 단계;상기 절연막 상층의 상기 제 2 보호막을 선택적으로 제거하여 홀을 형성한후 상기 절연막을 제거하는 단계;상기 제 2 보호막상에 상기 광전 변환 영역에 대응하는 칼라필터층을 포함하는 평탄층을 형성하는 단계;상기 평탄층상에 상기 광전 변환 영역에 대응하는 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 볼록 렌즈 형상의 절연막을 형성하는 단계는 상기 제 1 보호막 전면에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 광전 변환 영역에 대응하는 상기 제 1 보호막상에만 남도록 상기 절연막을 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 절연막을 고온에서 리플로우하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 절연막은 유동성이 있는 물질로 제 1 및 제 2 보호막과 식각선택비가 다른 물질을 사용하여 형성함을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 5 항 또는 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 절연막은 BSG, PSG 및 BPSG중 어느 하나로 형성함을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 보호막을 제거하여 형성하는 홀은 상기 절연막의 일측 에지부분 상측의 제 2 보호막을 제거하여 형성함을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 보호막을 제거하여 형성하는 홀은 이방성 건식각법을 사용하여 형성함을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 절연막을 제거할 때 상기 홀을 통해 습식각 용액을 주입하여 제거함을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
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Families Citing this family (1)
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| JPH06104414A (ja) * | 1992-09-18 | 1994-04-15 | Toshiba Corp | 固体撮像装置 |
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1997
- 1997-03-13 KR KR1019970008556A patent/KR100244295B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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