KR100442294B1 - Image Sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 종래 공정의 복잡함이나, 환경 오염의 문제가 되었던 색 필터를 이용하지 않고, 프리즘을 이용하여 각각의 색을 감지하는 센서로 색신호를 투과시킴으로써 색 이미지를 구현할 수 있는 이미지 센서에 관한 것으로, 소정각을 갖는 사면이 외부로 노출되어 인가되는 가시광선을 받고 각각의 색 신호별 파장의 차이에 따라 분리하여 상기 색 신호를 투과시키는 마이크로 프리즘과, 상기 색 신호를 상기 마이크로 프리즘으로부터 투과되는 각을 그대로 유지하여 투과시키는 투명 절연막과, 색 센서를 통해 상기 색 신호를 색상별로 감지하는 센서부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The present invention relates to an image sensor capable of realizing a color image by transmitting a color signal to a sensor that senses each color using a prism, without using a color filter that has been a problem of environmental complexity or a conventional process. A micro-prism for receiving the visible light that is exposed to the outside by applying a predetermined angle and separating the wavelength according to the wavelength difference of each color signal, and transmitting the color signal, and an angle of transmitting the color signal from the micro-prism. It is characterized in that it comprises a transparent insulating film for maintaining and transmitting as it is, and a sensor unit for detecting the color signal for each color through a color sensor.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 종래 공정의 복잡함이나, 환경 오염의 문제가 되었던 색 필터를 이용하지 않고, 프리즘을 이용하여 각각의 색을 감지하는 센서로 색신호를 투과시킴으로써 색 이미지를 구현할 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device. In particular, a color image can be implemented by transmitting a color signal to a sensor that detects each color using a prism, without using a color filter which has been a problem of a conventional process or environmental pollution. To an image sensor.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a conventional image sensor will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 일반적인 색 필터 제조 공정을 나타낸 순서도이다.1A is a flowchart illustrating a general color filter manufacturing process.
도 1a와 같이, 일반적으로 색 필터 제조 공정은 각각의 색에 대해 코팅, 패터닝, 형상 및 보정의 순으로 진행한다.As shown in FIG. 1A, the color filter manufacturing process generally proceeds in the order of coating, patterning, shape and correction for each color.
도 1a의 예에서, 가장 먼저 증착되는 것이 청색 필터이며, 그 다음 녹색, 적색 필터 순이다.In the example of FIG. 1A, the first to be deposited is the blue filter, followed by the green and then the red filters.
도 1b는 도 1a의 색 필터를 이용한 종래의 이미지 센서를 도시한 개략도이다.1B is a schematic diagram illustrating a conventional image sensor using the color filter of FIG. 1A.
도 1b와 같이, 종래의 이미지 센서는 청, 녹, 적의 색신호를 받아 각 색상별 센서로 투과시키는 컬러 필터(11)와, 상기 컬러 필터로부터 투과되는 색신호를 경로 변화없이 진행시키는 투명 절연막(12)과, 상기 색신호를 색상별 분리를 취하는 색분리막(13)과, 상기 색신호를 받아들여 색 이미지 판단을 하는 센서부(13)로 이루어진다.As shown in FIG. 1B, the conventional image sensor includes a color filter 11 that receives blue, green, and red color signals, and transmits the color signals to the sensors for each color, and a transparent insulating layer 12 that advances the color signals transmitted from the color filters without changing a path. And a color separation film 13 which separates the color signal by color, and a sensor unit 13 which receives the color signal and makes color image determination.
상기 투명 절연막(12)의 소정 영역은 제거되어 패키지 본딩 영역(15)으로 이용된다.The predetermined region of the transparent insulating layer 12 is removed and used as the package bonding region 15.
상기에서 기술한 이미지 센서는 일반적인 CMOS 또는 CCD의 이미지 센서이다.The image sensor described above is an image sensor of a general CMOS or CCD.
이는 컬러를 구현하기 위해 기판 하부에 각 센서 위치에 색상별 투과도 특성을 갖는 컬러 필터를 형성하는 것이다. 이러한 컬러 필터 형성 공정은 여러 가지가 있으나 그 중 염료를 포함한 감광막을 이용한 방법이 보편적이고 용이한 것으로 알려져 있다. 도 1a의 제시된 방법은 이를 예로 들어 설명한 것이다.This is to form a color filter having a transmittance characteristic for each color at each sensor position under the substrate to realize color. There are many such color filter formation processes, but a method using a photosensitive film including dyes is known to be universal and easy. The method shown in FIG. 1A has been described taking this as an example.
그러나, 상기와 같은 종래의 이미지 센서는 다음과 같은 문제점이 있다.However, the conventional image sensor as described above has the following problems.
첫째, 종래 색 필터를 제조하는 방법은 청색, 녹색, 적색별로 노광 공정을 진행하여 차례로 패턴을 형성하고 있어, 공정이 매우 복잡한 단점이 있다.First, the method of manufacturing a conventional color filter is to form a pattern in turn by performing the exposure process for each blue, green, red, there is a disadvantage that the process is very complicated.
둘째, 이러한 색 필터의 코팅(coating)시, 두 번째(녹색 필터) 이후의 색상 패턴은 하부 색(청색) 패턴이 형성된 영역의 단차에 의해, 부위별 두께의 높이 차가 발생하고 세 번째 색상 패턴(적색)은 평탄화 현상이 발생하여 심한 두께 차까지 유발할 수 있어, 색상별로 균일한 색 투과도를 얻기가 용이하지 않다.Secondly, in the coating of such a color filter, the color pattern after the second (green filter) is caused by the height difference of the region where the lower color (blue) pattern is formed, and the height difference of the thickness of each part occurs and the third color pattern ( Red) is a flattening phenomenon may cause a significant thickness difference, it is not easy to obtain a uniform color transmittance for each color.
셋째, 패키지 본딩 영역(15)에 부분적으로 노출된 금속막에 현상액이 3회 접촉됨으로써, 부식현상이 발생하여, 색 필터를 만들기 위해 포함된 중금속 성분(16)으로 인한 환경 문제가 야기된다.Third, the developer is brought into contact with the metal film partially exposed to the package bonding region 15 three times, causing corrosion, thereby causing environmental problems due to the heavy metal component 16 included to make the color filter.
넷째, 상기 색 필터는 열에 약하기 때문에 100℃이상의 열공정을 진행하는 데 제약이 발생하였다.Fourth, since the color filter is weak to heat, a limitation occurs in proceeding the thermal process of 100 ℃ or more.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 종래 공정의 복잡함이나, 환경 오염의 문제가 되었던 색 필터를 이용하지 않고, 프리즘을 이용하여 각각의 색을 감지하는 센서로 색신호를 투과시킴으로써 색 이미지를 구현할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 데, 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, without using a color filter that has been a problem of the conventional process or environmental pollution, by transmitting a color signal to the sensor for detecting each color using a prism color It is an object of the present invention to provide an image sensor capable of realizing an image.
도 1a는 일반적인 색 필터 제조 공정을 나타낸 순서도1A is a flow chart showing a general color filter manufacturing process
도 1b는 도 1a의 색 필터를 이용한 종래의 이미지 센서를 도시한 개략도1B is a schematic diagram showing a conventional image sensor using the color filter of FIG. 1A
도 2a는 스넬의 법칙을 도시한 도면2A illustrates Snell's Law
도 2b는 가시광선을 프리즘에 통과시킬 경우 발생하는 굴절 현상을 나타낸 도면FIG. 2B is a view illustrating refraction occurring when visible light passes through a prism
도 3은 본 발명의 이미지 센서를 나타낸 개략도3 is a schematic view showing an image sensor of the present invention
도 4a 내지 도 4g는 도 3에 이용된 마이크로 프리즘 형성 방법을 나타낸 공정 단면도4A to 4G are cross-sectional views illustrating a method of forming a micro prism used in FIG. 3.
도면의 주요 부분에 대한 부호 설명Explanation of symbols for the main parts of drawings
31 : 프리즘 32 : 차광막31: prism 32: shading film
33 : 투명 절연막 34 : 센서부33: transparent insulating film 34: sensor
41 : 기판 42 : 제 1 프리즘층41 substrate 42 first prism layer
43 : 제 1 감광막 패턴 44 : 제 2 프리즘층43: first photosensitive film pattern 44: second prism layer
45 : 차광막 46 : 제 2 감광막 패턴45: light shielding film 46: second photosensitive film pattern
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는 기판과, 상기 기판 상에 상기 기판을 규칙적으로 노출시키도록 소정의 제거된 영역을 가지며 형성된 제 1 프리즘층과, 상기 제 1 프리즘층을 포함한 기판 표면에 상기 제 1 프리즘층이 갖는 요철을 따라 고밀도 플라즈마 방식으로 형성되어 규칙적인 사면을 갖는 제 2 프리즘층과, 상기 제 2 프리즘층의 규칙적인 사면을 부분 노출시키며 상기 제 2 프리즘층 상에 평탄하게 형성된 차광막을 포함하여 이루어져, 상기 제 2 프리즘층의 소정각을 갖는 사면에 가시광선을 인가받아 각각의 색 신호별 파장의 차이에 따라 분리하여 상기 색 신호를 투과시키는 마이크로 프리즘과, 상기 색 신호를 상기 마이크로 프리즘으로부터 투과되는 각을 그대로 유지하여 투과시키는 투명 절연막과, 색 센서를 통해 상기 색 신호를 색상별로 감지하는 센서부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.An image sensor of the present invention for achieving the above object comprises a first prism layer and a first prism layer formed having a substrate, a predetermined removed region to regularly expose the substrate on the substrate; On the surface of the second prism layer, a second prism layer having a regular slope and a regular slope of the second prism layer are partially exposed on the substrate surface by a high density plasma method along the unevenness of the first prism layer. A micro-prism including a light shielding film formed flat and receiving visible light on a slope having a predetermined angle of the second prism layer to separate the light according to the wavelength difference of each color signal, and to transmit the color signal; Through the transparent insulating film and the color sensor to transmit the signal while maintaining the angle transmitted from the micro-prism as it is It characterized in that it comprises a sensor unit for detecting the color signal for each color.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이미지 센서를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an image sensor of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2a는 스넬의 법칙(Snell's law)을 도시한 도면이다.FIG. 2A shows Snell's law. FIG.
스넬의 법칙에 의하면, 굴절률이 n(R.I. : Refractive Index)인 매질에서 굴절률이 n'인 매질을 투과할 경우 빛의 굴절각 θ'는 입사각 θ과의 관계에서 다음과 같은 관계를 갖는다.According to Snell's law, when a medium having a refractive index of n (R.I.: Refractive Index) is transmitted through a medium having a refractive index of n ', the angle of refraction θ' of light has the following relationship with the incident angle θ.
n sinθ= n sinθ'n sinθ = n sinθ '
굴절률 값은 물질의 고유 성질이며, 투과광의 파장에 대한 함수이고 파장이 짧을수록 증가하여 결국 짧은 파장의 빛은 굴절각이 커져, 상대적으로 많이 꺽이게 된다.The refractive index value is an intrinsic property of the material, and is a function of the wavelength of transmitted light and increases with shorter wavelengths, so that light with shorter wavelengths has a larger refractive angle, which is relatively large.
도 2b는 가시광선을 프리즘에 통과시킬 경우 발생하는 굴절 현상을 나타낸도면이다.FIG. 2B is a diagram illustrating a refraction phenomenon that occurs when visible light passes through a prism.
빛의 3원색인 적색, 녹색, 청색은 각각의 파장 값으로 600 내지 650nm, 500 내지 550nm, 400 내지 450nm을 가진다.The three primary colors of light, red, green, and blue, have 600 to 650 nm, 500 to 550 nm, and 400 to 450 nm as respective wavelength values.
도 2b와 같이, 가시광선이 프리즘을 통과할 때, 각각의 색상별로 굴절각을 가지며, 파장이 긴 적색 광선이 가장 굴절각이 적고, 그 다음은 녹색, 청색 순이다. 이는 앞서 설명한 스넬의 법칙에 따른 것으로, 파장이 짧은 청색 광선이 가장 큰 굴절각을 갖는다.As shown in FIG. 2B, when the visible light passes through the prism, the red light having the longest wavelength has the smallest refractive angle, followed by green and blue in order. This is in accordance with Snell's law described above, and the short wavelength blue light has the largest angle of refraction.
도 3은 본 발명의 이미지 센서를 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating an image sensor of the present invention.
도 3과 같이, 본 발명의 이미지 센서는 소정각을 갖는 사면이 외부로 노출되어 인가되는 가시광선을 받고 각각의 색 신호별 파장의 차이에 따라 분리하여 상기 색 신호를 투과시키는 마이크로 프리즘(31, 32)과, 상기 색 신호를 상기 마이크로 프리즘으로부터 투과되는 각을 그대로 유지하여 투과시키는 투명 절연막(33)과, 색 센서를 통해 상기 색 신호를 색상별로 감지하는 센서부(34)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.As shown in FIG. 3, the image sensor of the present invention receives a visible ray that is exposed to an outside of a slope having a predetermined angle and separates it according to a difference in wavelength of each color signal to transmit the color signal. 32), a transparent insulating film 33 for transmitting the color signal while maintaining the angle transmitted from the micro-prism as it is, and a sensor unit 34 for detecting the color signal by color through a color sensor. It features.
본 발명과 같이, 스넬의 법칙을 이용하여 센서부(34)의 상단 프리즘층(31)에 일정한 각을 만들어주면, 청색, 녹색, 적색 광선을 특정의 색 필터 패턴 없이도 감지가 가능하다.As in the present invention, by using Snell's law to make a constant angle on the upper prism layer 31 of the sensor unit 34, it is possible to detect blue, green, and red rays without a specific color filter pattern.
본 발명은 상기 마이크로 프리즘은 하부에는 사면 형상의 투명한 프리즘층(31)과 상기 프리즘층(31) 상부에는 상기 소정 사면을 노출시켜 가시광선 투과영역을 만드는 차광막(32)으로 구성된다. 여기서의, 상기 차광막(32)은 프리즘의 슬릿 역할을 하고 있다.According to the present invention, the micro prism is composed of a transparent prism layer 31 having a slope shape at a lower portion thereof and a light shielding film 32 exposing the predetermined slope at an upper portion of the prism layer 31 to form a visible light transmitting region. Here, the light shielding film 32 serves as a slit of the prism.
도 4a 내지 도 4g는 도 3에 이용된 마이크로 프리즘 형성 방법을 나타낸 공정 단면도이다.4A to 4G are cross-sectional views illustrating a method of forming a micro prism used in FIG. 3.
도 4a와 같이, 기판(41)상에 제 1 프리즘층(42)을 소정 두께 증착한다. 상기 제 1 프리즘층(42)의 성분은 SiO2, Si3N4, SiOxNy 등의 가시광선을 투과시킬 수 있는 재료로 한다. 또한, 굴절률이 큰 값의 재료를 사용하여, 상기 프리즘을 통과한 광선의 굴절각 크기를 관측하기에 용이하도록 조정한다.As shown in FIG. 4A, the first prism layer 42 is deposited on the substrate 41 by a predetermined thickness. The component of the first prism layer 42 is made of a material capable of transmitting visible light such as SiO 2 , Si 3 N 4 , and SiO x N y. In addition, using a material having a large refractive index, adjustment is made so that the angle of refraction of the light ray passing through the prism is easily observed.
도 4b와 같이, 상기 제 1 프리즘층상에 감광막을 전면 코팅하고, 노광 및 현상 공정을 통해 제 1 감광막 패턴(43)을 형성한다.As shown in FIG. 4B, the photoresist layer is completely coated on the first prism layer, and the first photoresist layer pattern 43 is formed through an exposure and development process.
도 4c와 같이, 상기 제 1 감광막 패턴(43)에 따라 제 1 프리즘층(42)을 선택적으로 제거하여 기판(41)의 소정 영역을 노출시킨다.As shown in FIG. 4C, the first prism layer 42 is selectively removed according to the first photoresist layer pattern 43 to expose a predetermined region of the substrate 41.
도 4d와 같이, 상기 제 1 프리즘층(42)을 포함한 기판(41) 전면에 고밀도 플라즈마 (HDP : High Density Plasma) 방식으로 제 2 프리즘층(44)을 증착한다. 이러한 제 2 프리즘층(44)은 상기 제 1 프리즘층(42)이 제거된 영역을 채우며, 제거되지 않은 영역의 제 1 프리즘층(42a) 상부에 일정한 굴곡을 갖는 형상으로 증착된다.As shown in FIG. 4D, the second prism layer 44 is deposited on the entire surface of the substrate 41 including the first prism layer 42 by a high density plasma (HDP) method. The second prism layer 44 fills the region from which the first prism layer 42 has been removed, and is deposited in a shape having a constant curvature on the first prism layer 42a of the region not removed.
상기 제 1, 제 2 프리즘층(42a, 44)은 동일한 재료로 구성하여, 이후의 마이크로 프리즘 형성 공정이 완료된 후, 제 1, 제 2 프리즘층(44)은 모두 프리즘으로 기능하도록 한다.The first and second prism layers 42a and 44 are made of the same material so that the first and second prism layers 44 all function as prisms after the subsequent microprism forming process is completed.
예를 들어, 제 2 프리즘층(44)으로 HDP(High Density Plasma) SiO2를 증착하면, 증착 특성 상 제 1 프리즘층(42a) 위에 약 45°정도의 사면 패턴이 얻어진다. 이러한 제 2 프리즘층(44)의 사면의 경사는 패턴 크기와 패턴 위치에 따라 달라질수 있으므로, 조절 가능하다.For example, when HDP (High Density Plasma) SiO 2 is deposited on the second prism layer 44, a slope pattern of about 45 ° is obtained on the first prism layer 42a due to deposition characteristics. Since the inclination of the slope of the second prism layer 44 may vary depending on the pattern size and the pattern position, it is adjustable.
상기 HDP 방식을 사용하여 제 2 프리즘층(44)을 증착할 때는 이온화비가 0.005를 넘도록 한다.When the second prism layer 44 is deposited using the HDP method, the ionization ratio is more than 0.005.
도 4e와 같이, 상기 제 2 프리즘층(44)상에 차광막(45)을 증착한다. 이 때, 상기 차광막(44)은 암영 물질(black material)로서, 충분히 증착되어 상부에서는 평탄면을 갖도록 한다.As shown in FIG. 4E, a light shielding film 45 is deposited on the second prism layer 44. In this case, the light shielding film 44 is a black material, and is sufficiently deposited to have a flat surface on the top.
도 4f와 같이, 상기 차광막(45)상에 감광막을 전면 코팅하고, 이를 노광 및 현상하여 제 2 감광막 패턴(46)을 현상한다.As shown in FIG. 4F, the photoresist film is completely coated on the light shielding film 45, and the second photoresist film pattern 46 is developed by exposing and developing the photoresist film.
도 4g와 같이, 상기 제 2 감광막 패턴(46)에 따라 상기 차광막(45)을 제거하여 사면을 갖는 소정 영역의 제 2 프리즘층(44)을 노출시킨다. 이 때, 남아있는 차광막(45a)은 마이크로 프리즘의 슬릿(slit) 역할을 한다.As shown in FIG. 4G, the light blocking film 45 is removed according to the second photosensitive film pattern 46 to expose the second prism layer 44 in a predetermined region having a slope. At this time, the remaining light shielding film 45a serves as a slit of the micro prism.
이 때, 상기 1개의 슬릿 폭은 500㎛이하가 되도록 조정한다.At this time, the said one slit width is adjusted so that it may be 500 micrometers or less.
이 때, 상기 차광막(45) 제거는 O2가 함유된 건식 식각법을 이용하여 비등방성 식각(anisotropic dry etch)과 같은 방법으로 진행한다.At this time, the removal of the light shielding film 45 is performed by an anisotropic dry etch (anisotropic dry etch) method using a dry etching method containing O 2 .
이 후, 상기와 같이 제조된 마이크로 프리즘의 실제 빛을 조사하는 노광 공정에서는, 프리즘층을 형성시키는 기판을 제거하여, 상기 투명한 제 1, 제 2 프리즘층을 가시광선에 노출시키도록 한다.Thereafter, in the exposure step of irradiating the actual light of the micro-prism manufactured as described above, the substrate forming the prism layer is removed to expose the transparent first and second prism layers to visible light.
본 발명의 이미지 센서는, 색을 분리하기 위한 방법으로 색 필터 형성 공정 대신 프리즘을 이용한 분광법을 사용하여 원하는 색을 센서부로 분리시킴으로써 색 이미지를 구현한다.The image sensor of the present invention implements a color image by separating a desired color into a sensor unit using spectroscopy using a prism instead of a color filter forming process as a method for separating colors.
본 발명의 마이크로 프리즘을 씨모스(CMOS) 혹은 고체 촬상 소자(CCD) 상에 장착하여 이미지 센서를 구현할 수 있다.The image sensor may be implemented by mounting the microprism of the present invention on a CMOS or a solid-state image sensor.
본 발명의 이미지 센서는 이미지 센서는 파장에 따라 광선이 분리되는 분광법이므로, 상기 제 2 프리즘층의 사면의 각과 상기 프리즘층의 재료를 조절함으로써, 청, 녹, 적 외에 더욱 상세한 파장별 분리가 가능하다.In the image sensor of the present invention, the image sensor is a spectroscopic method in which light rays are separated according to the wavelength, and thus, by adjusting the angle of the slope of the second prism layer and the material of the prism layer, it is possible to separate blue, green, and red in more detail. Do.
상기와 같은 본 발명의 이미지 센서는 다음과 같은 효과가 있다.The image sensor of the present invention as described above has the following effects.
첫째, 픽셀에는 한 가지 색 광선이 입사되므로, 색 분리막(Light Shield)이 공정이 불필요하다.First, since one color ray is incident on the pixel, a color shielding process is unnecessary.
둘째, 색 필터를 증착시 발생하는 두께차 혹은 불균일 막으로 인한 색 변화차가 없고, 투과되는 색 신호에 대한 균일한 색 이미지를 구현할 수 있다.Second, there is no color difference due to thickness difference or non-uniform film generated when the color filter is deposited, and a uniform color image of the transmitted color signal can be realized.
셋째, 이미지 센서 상에 색 필터 공정 단계가 없으므로, 색 필터 공정시 발생하는 패키징 본딩 형성용 패드 지역의 부식을 방지할 수 있다.Third, since there is no color filter process step on the image sensor, it is possible to prevent corrosion of the pad region for packaging bonding formation that occurs during the color filter process.
넷째, 이미지 센서 상에 열에 약한 색 필터 패턴이 없으므로, 패키지 공정시 필요한 열공정(100℃이상)의 제약이 없다.Fourth, since there is no color filter pattern that is weak in heat on the image sensor, there is no restriction in the heat process (100 ° C. or more) necessary for the packaging process.
궁극적으로, 색 필터를 사용하지 않고, 프리즘을 이용한 분광법으로 색 이미지를 구현하기 때문에, 종래 발생한 색 필터의 문제점을 예방할 수 있고, 또한 제조 코스트를 감소시킬 수 있다.Ultimately, since color images are implemented by spectroscopy using a prism without using a color filter, problems of a conventionally generated color filter can be prevented and manufacturing cost can be reduced.
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