KR100359768B1 - 고체 촬상 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈의 장축 또는 단축의 굴절율을 부분적으로 조절하여 마이크로 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리를 일치시키어 CCD의 감도를 향상시키도록 한 고체 촬상 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 입사되는 빛에 의해 영상 전하를 생성하는 포토 다이오드 영역들과, 상기 포토 다이오드 영역들 사이에 구성되어 영상 전하를 일방향으로 전송하는 전하 전송 영역들을 포함하고 상기 포토 다이오드 영역들 상측에 그들에 각각 대응하여 형성되는 마이크로 렌즈들의 일부분에 빛의 굴절율을 변화시키는 물질층을 구성함을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 특히 CCD(Charge Coupled Device)의 감도향상과 스미어(Smear) 현상을 감소시키는데 적당한 고체 촬상 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고체 촬상 소자는 광전 변환 소자와 전하 결합 소자를 사용하여 피사체를 촬상하여 전기적인 신호로 출력하는 장치를 말한다.
전하 결합 소자는 마이크로렌즈를 통하여 칼라필터층을 거처 광전 변화 소자(포토 다이오드)에서 생성되어진 신호 전하를 기판내에서 전위의 변동을 이용하여 특정 방향으로 전송하는데 사용된다.
고체 촬상 소자는 복수개의 광전 변환 영역과, 그 광전 변환 영역들의 사이에 구성되어 상기의 광전 변환 영역에서 생성되어진 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD : Vertical CCD)과, 상기 수직 전하 전송 영역에 의해 수직 방향으로 전송된 전하를 다시 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(HCCD : Horizontal CCD)과, 그리고 상기 수평 전송된 전하를 센싱하고 증폭하여 주변 회로로 출력하는 플로우팅 디퓨전 영역으로 크게 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 고체 촬상 소자의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 빛에 관한 영상 신호를 전기적인 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드 영역(PD)(12)들과 상기 포토 다이오드 영역(12)들에서 생성된 영상 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD)(13)들 그리고 수직 방향으로 전송된 영상 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(도면에 도시되지 않음) 등을 구비한 흑백 고체 촬상 소자(11)상에 제 1 평탄층(14)을 형성한다.
이어, 도 1b에 도시한 바와 같이, 각각의 포토 다이오드 영역(12)들의 상측 제 1 평탄층(14)상에 선택적으로 대응되어 형성되는 각각의 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(15)(16)(17)들을 차례로 형성한다.
이때, 칼라필터층들은 가염성 레지스트를 도포 및 패터닝하고 패터닝되어진 가염성 레지스트층을 염색 및 고착하는 공정으로 형성한다.
그리고 도 1c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1, 제 2, 제 3칼라필터층(15)(16)(17)을 포함하는 전면에 제 2 평탄층(18)을 형성한다.
이어, 도 1d에 도시한 바와 같이, 각각의 포토 다이오드 영역(12)에 일대일 대응하여 제 2 평탄층(18)상에 마이크로 렌즈(19)를 형성한다.
상기와 같은 공정을 포함하여 형성되는 종래 기술의 고체 촬상 소자의 동작은 다음과 같다.
고체 촬상 소자에 촬상되는 빛은 마이크로 렌즈(19)에 의해 집속되어 특정 파장의 빛만을 투과하는 각각의 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(15)(16)(17)들을 통과하여 대응되는 포토 다이오드 영역(12)으로 입사된다.
상기 입사되어진 빛은 포토 다이오드 영역(12)에서 전기적인 신호로 변환되어 고체 촬상 소자의 수평, 수직 전하 전송 영역상에 구성되는 게이트들에 인가되는 클럭신호에 의해 수직 방향, 수평 방향으로 전송되어 수평 전하 전송 영역의 끝단의 플로우팅 디퓨전 영역(도면에 도시되지 않음)에서 센싱 및 증폭되어 주변회로로 전송된다.
도 2는 종래의 마이크로 렌즈의 장축 및 단축 방향에 따른 빛의 초점거리를 나타낸 도면이다.
도 2에서와 같이, 전하 전송 소자내의 픽셀이 직사각형이므로 마이크로 렌즈도 직사각형 형태로 형성되어 마이크로 렌즈(19)의 장축과 단축의 곡률 반경의 차이로 인하여 마이크로 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리가 달라진다.
즉, 초점거리는 공기 및 렌즈의 굴절율에 의해 달라지는데, 동일한 장소에서공기의 굴절율은 정해져 있기 때문에 마이크로 렌즈의 단축과 장축의 곡률 반경의 차이로 인하여 굴절율이 달라져 마이크로 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리는 장축의 초점거리가 단축의 초점거리 보다 긴 것을 볼 수 있다.
그러나 상기와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자의 제조방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 전하 전송 소자내의 픽셀이 직사각형이므로 마이크로 렌즈의 형태도 직사각 형태로 만들어지기 때문에 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리가 서로 달라 그 만큼 CCD의 감도가 손실된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 마이크로 렌즈의 장축 또는 단축의 굴절율을 부분적으로 조절하여 마이크로 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리를 일치시키어 CCD의 감도를 향상시키도록 한 고체 촬상 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도 2는 종래의 마이크로 렌즈의 장축 및 단축 방향에 따른 빛의 초점거리를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 고체 촬상 소자를 나타낸 구조단면도
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도 5는 도 4e의 마이크로 렌즈의 중앙부를 제외한 장축 방향의 양단에 불순물 이온을 주입하는 레이아웃도
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 고체 촬상 소자를 나타낸 구조단면도
도 7a는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 레이아웃도
도 7b는 도 7a의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도 8은 본 발명에 의한 마이크로 렌즈의 장축 및 단축 방향에 따른 빛의 초점거리를 나타낸 도면
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 흑백 고체 촬상 소자 22 : 포토 다이오드 영역
23 : 수직 전하 전송 영역 24 : 제 1 평탄층
25 : 제 1 칼라필터층 26 : 제 2 칼라필터층
27 : 제 3 칼라필터층 28 : 제 2 평탄층
29 : 마이크로 렌즈 30 : 포토레지스트
31 : 물질층
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고체 촬상 소자는 입사되는 빛에 의해 영상 전하를 생성하는 포토 다이오드 영역들과, 상기 포토 다이오드 영역들 사이에 구성되어 영상 전하를 일방향으로 전송하는 전하 전송 영역들을 포함하고 상기 포토 다이오드 영역들 상측에 그들에 각각 대응하여 형성되는 마이크로 렌즈들과, 상기 마이크로 렌즈들상의 일부에 형성되어 빛의 굴절율을 변화시키는 물질층이 형성되는 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 제조방법은 입사되는 빛에 의해 영상 전하를 생성하는 포토 다이오드 영역들을 형성하는 단계와, 상기 포토 다이오드 영역들 사이에 영상 전하를 일방향으로 전송하는 전하 전송 영역들을 형성하는 단계와, 상기 포토 다이오드 영역들 및 전하 전송 영역들의 전면에 제 1 평탄층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 평탄층상에 상기 포토 다이오드들과 대응하게 칼라필터층들을 형성하는 단계와, 상기 칼라필터층들을 포함한 전면에 제 2 평탄층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 평탄층상에 상기 포토 다이오드 영역들과 대응하게 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계와, 상기 마이크로 렌즈상의 일부분에 굴절율을 변화시키는 물질층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 고체 촬상 소자 및 그 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 고체 촬상 소자를 나타낸 구조단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 빛에 관한 영상 신호를 전기적인 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드 영역(22)들과 상기 포토 다이오드 영역(22)들에서 생성된 영상 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(23)들 그리고 수직 방향으로 전송된 영상 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(도면에 도시되지 않음) 등을 구비한 흑백 고체 촬상 소자(21)상에 제 1 평탄층(24)이 형성되어 있고, 상기 제 1 평탄층(24)상에 상기 각 포토 다이오드 영역(22)과 대응하여 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(25)(26)(27)이 형성되어 있으며, 상기 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(25)(26)(27)을 포함한 전면에 제 2 평탄층(28)이 형성되어 있다.
이어, 상기 제 2 평탄층(28)상에 상기 각 포토 다이오드 영역(22)과 대응하여 장축 방향 또는 단축 방향의 일부분에 불순물 이온이 주입되어 빛의 굴절율을 변화시키면서 빛을 집속하는 마이크로 렌즈(29)가 형성되어 있다.
여기서 상기 불순물 이온이 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향의 양단에 주입되어 있을 때는 빛의 굴절율을 크게 하며, 단축 방향의 양단에 주입되어 있을 때는 빛의 굴절율을 작게 한다.
한편, 미설명한 A부분이 불순물 이온이 주입된 부분이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 빛에 관한 영상 신호를 전기적인 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드 영역(PD)(22)들과 상기 포토 다이오드 영역(22)들에서 생성된 영상 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD)(23)들 그리고 수직 방향으로 전송된 영상 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(도면에 도시되지 않음) 등을 구비한 흑백 고체 촬상 소자(21)상에 제 1 평탄층(21)을 형성한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 각각의 포토 다이오드 영역(22)들의 상측 제 1 평탄층(24)상에 선택적으로 대응되어 형성되는 각각의 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(25)(26)(27)들을 차례로 형성한다.
이때, 칼라필터층들은 가염성 레지스트를 도포 및 패터닝하고 패터닝되어진 가염성 레지스트층을 염색 및 고착하는 공정으로 형성한다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(25)(26)(27)을 포함하는 전면에 제 2 평탄층(28)을 형성한다.
여기서 상기 제 2 평탄층(28)은 BPSG(Boron Phosphors Silicate Glass)로 형성한다.
도 4d에 도시한 바와 같이, 각각의 포토 다이오드 영역(22)에 일대일 대응하게 제 2 평탄층(28)상에 마이크로 렌즈(29)를 형성한다.
도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈(29)를 포함한 전면에 포토레지스트(30)를 도포한 후, 노광 및 현상으로 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향 또는 단축 방향의 양단이 노출되도록 패터닝한다.
이어, 패터닝된 포토레지스트(30)를 마스크로 이용하여 노출된 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향 또는 단축 방향의 양단에 불순물 이온을 주입한다.
한편, 도 5는 도 4e의 마이크로 렌즈의 중앙부를 제외한 장축 방향의 양단에 불순물 이온을 주입하는 레이아웃도이다.
즉, 도 4e는 도 5의 Ⅰ-Ⅰ선에 따른 고체 촬상 소자의 단면도이다.
여기서 상기 포토레지스트(30) 이외에도 마스크로 사용될 수 있는 다른 물질을 사용할 수도 있다.
한편, 상기 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 단축 방향의 양단에 불순물 이온을 주입하여 굴절율을 작게 하거나, 장축 방향의 양단에 불순물 이온을 주입하여 굴절율을 크게 한다.
이후 공정은 도면에 도시하지 않았지만, 상기 포토레지스트(30)를 제거하고, 상기 불순물 이온이 주입된 마이크로 렌즈(29)를 180~200℃의 온도에서 경화시킨다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 고체 촬상 소자를 나타낸 구조단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 빛에 관한 영상 신호를 전기적인 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드 영역(PD)(22)들과 상기 포토 다이오드 영역(22)들에서 생성된 영상 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송 영역(VCCD)(23)들 그리고 수직 방향으로 전송된 영상 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 전하 전송 영역(도면에 도시되지 않음) 등을 구비한 흑백 고체 촬상 소자(21)상에 제 1 평탄층(24)이 형성되어 있고, 상기 제 1 평탄층(24)상에 상기 각 포토 다이오드 영역(22)과 대응하여 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(25)(26)(27)이 형성되어 있으며, 상기 제 1, 제 2, 제 3 칼라필터층(25)(26)(27)을 포함한 전면에 제 2 평탄층(28)이 형성되어 있다.
이어, 상기 제 2 평탄층(28)상에 상기 각 포토 다이오드 영역(22)과 대응하여 빛을 집속하는 마이크로 렌즈(29)가 형성되어 있고, 상기 마이크로 렌즈(29)상의 중앙부를 제외한 장축 방향 또는 단축 방향의 양단에 빛의 굴절율을 변화시키는물질층(31)이 형성되어 있다.
여기서 상기 물질층(31)이 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향의 양단에 형성되어 있을 때는 빛의 굴절율을 크게 하며, 단축 방향의 양단에 형성되어 있을 때는 빛의 굴절율을 작게 한다.
한편, 상기 물질층(31)은 산화막, 질화막 등의 빛의 굴절율을 변화시키는 물질이다.
도 7a는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 레이아웃도이고, 도 7b는 도 7a의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 고체 촬상 소자의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
본 발명의 제 2 실시 예는 제 1 실시예의 4a 내지 도 4d의 공정을 통해 마이크로 렌즈(29)를 형성하는 공정은 동일하고, 이후, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈(29)를 포함한 전면에 물질층(31)을 형성한다.
이어, 상기 물질층(31)이 상기 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향 또는 단축 방향의 양단에만 남도록 포토공정을 실시하여 선택적으로 제거한다.
여기서 상기 물질층(31)은 상기 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향의 양단에만 남길 때는 빛의 굴절율이 큰 물질을 사용하고, 단축 방향의 양단에만 남길 때는 빛의 굴절율이 작은 물질을 사용한다.
즉, 마이크로 렌즈(29)의 장축 및 단축 양단에 굴절율을 변화시키는 물질층(31)(예를 들면 산화막, 질화막, 산화 질화막 등)을 1000Å정도로 증착한후, 포토공정을 실시하여 선택적으로 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향 또는 단축 방향의 양단에 남도록 식각하고, 이후 마이크로 렌즈(29)를 180~200℃의 온도에서 경화시킨다.
도 8은 본 발명에 의한 마이크로 렌즈의 장축 및 단축에 따른 빛의 초점거리를 나타낸 도면이다.
즉, 본 발명의 제 1, 제 2 실시 예에 의한 마이크로 렌즈의 장축 방향의 양단에 불순물 이온주입이나 물질층을 형성한 후, 마이크로 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리를 나타낸 도면이다.
도 8에서 A는 이온주입이 된 영역(또는 물질층이 형성된 영역)이고, B는 이온주입이 되지 않는 영역(물질층이 형성되지 않는 영역)이다.
여기서 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 장축 방향의 양단에 이온주입된 A영역에서는 굴절율이 크기 때문에 빛이 많이 꺾이고, B영역에서는 굴절율이 작기 때문에 빛이 적게 꺾인다.
반대로 도면에는 도시하지 않았지만 마이크로 렌즈(29)의 중앙부를 제외한 단축 방향의 양단에 이온주입된 A영역에서는 굴절율이 작기 때문에 빛이 적게 꺾이고, B영역에서는 굴절율이 크기 때문에 빛이 많이 꺾인다.
따라서, 마이크로 렌즈(29)의 장축과 단축의 곡률 반경의 차이에 의해 발생되는 초점거리의 차를 마이크로 렌즈의 중앙부를 제외한 장축 방향이나 단축 방향의 양단의 마이크로 렌즈에 굴절율의 변화를 주어 마이크로 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리를 일치시켜 준다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 고체 촬상 소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 마이크로 렌즈의 장축 방향이나 단축 방향의 양단에 빛의 굴절율을 변화시키는 물질이나 불순물 이온을 주입하여 마이크로 렌즈의 장축 방향 또는 단축 방향의 굴절율을 변화시키어 마이크로 렌즈를 통해 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점거리를 일치시킴으로써 CCD의 감도 및 특성을 향상시킬 수 있다.
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- 입사되는 빛에 의해 영상 전하를 생성하는 포토 다이오드 영역들과,상기 포토 다이오드 영역들 사이에 구성되어 영상 전하를 일방향으로 전송하는 전하 전송 영역들을 포함하고 상기 포토 다이오드 영역들 상측에 그들에 각각 대응하여 형성되는 마이크로 렌즈들과,상기 마이크로 렌즈들상의 일부에 형성되어 빛의 굴절율을 변화시키는 물질층이 형성되는 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
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- 입사되는 빛에 의해 영상 전하를 생성하는 포토 다이오드 영역들을 형성하는 단계;상기 포토 다이오드 영역들 사이에 영상 전하를 일방향으로 전송하는 전하 전송 영역들을 형성하는 단계;상기 포토 다이오드 영역들 및 전하 전송 영역들의 전면에 제 1 평탄층을 형성하는 단계;상기 제 1 평탄층상에 상기 포토 다이오드들과 대응하게 칼라필터층들을 형성하는 단계;상기 칼라필터층들을 포함한 전면에 제 2 평탄층을 형성하는 단계;상기 제 2 평탄층상에 상기 포토 다이오드 영역들과 대응하게 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계;상기 마이크로 렌즈상의 일부분에 굴절율을 변화시키는 물질층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈상의 중앙부를 제외한 장축 방향의 양단 일부분에 물질층을 형성하여 굴절율을 크게 하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈상의 중앙부를 제외한 단축 방향의 양단 일부분에 물질층을 형성하여 굴절율을 작게 하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조방법.
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