KR100467978B1 - 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법 - Google Patents

3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직사각형 돔 형태의 ML를 통한 빛의 입사 시뮬레이션을 3차원적인 모양의 ML, 즉 ML의 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분으로 적용하면서 시뮬레이션을 진행하여 이미지 센서를 제조하는 것으로, 이를 위한 작용은 ML를 평면으로 보면 직사각형이고, 단면으로 보면 구의 일부인 직사각형 돔(Rectangular Dome) 형태로 적용하며, 직사각형 돔 형태의 ML의 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분으로 적용시킨 3차원 시뮬레이션을 통해 빛을 집적시켜 PD의 크기를 결정한다. 따라서, ML가 사용되는 이미지 센서와 같은 제품을 설계, 제조하면 최적공정을 정확히 예측할 수 있게 되고 그 결과를 제조나 설계에 반영하여 집적도 향상 및 제품 특성 향상 등을 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING OPTIMUM IN IMAGE SENSOR BY USING 3 DIMENSION SIMULATION}
본 발명은 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 3차원 시뮬레이션(Simulation)을 통하여 이미지 센서의 동작을 보다 정확하게 예측하는 광 입사 경로에 있어서, 직사각형 돔(Rectangular Dome) 형태의 마이크로 렌즈(Micro Lens, ML) 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분을 적용하여 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 이미지 센서는 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자로서, CMOS형과 CCD(Charge Coupled Device)형으로 구분된다. 그중 CMOS형 이미지 센서는 CCD형 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라 호환성이 좋은 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단자를 낮출 수 있으며, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있어 현재 제조업체 대다수가 CMOS형 이미지 센서를 채용하고 있는 실정이다.
상술한 CMOS형 이미지 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(Pixel Array, PA) 구조로 이루어져 있으며, 이러한 PA 구조의 평면도에서 유닛 픽셀(Unit Pixel, UP)은 내부적으로 포트 다이오드 및 픽셀을 구성하기 위한 트랜지스터를 배치하고 실제의 칩(chip)에는 상술한 UP를 배열시켜 원하는 크기의 PA를 얻게 된다.
그리고, CMOS형 이미지 센서의 픽셀 종류는 3개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 3-T(3-transistor) 구조의 픽셀과, 4개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 4-T(4-transistor) 구조의 픽셀로 구분된다.
즉, UP 내에 3-T, 혹은 4-T 구조의 픽셀이 형성함으로 인하여 UP의 면적 상당부분이 트랜지스터를 형성하도록 결국 UP의 면적 모두가 빛을 받아서 전자 홀(e-h) 쌍을 형성하여 전기적 신호로 바꾸어주는 포트 다이오드(Photo Diode, PD)의 역할을 하지 못하게 된다. 다시 말해서, 이러한 픽셀 구조의 소자나 연결 도선 등의 영역을 제하게 되어 UP에서 차지하는 UP 부분은 작아지게 되는 것이다.
이로 인하여 이미지 센서의 특성이 하락하게 되어 3T 구조나 4T, 혹은 다른 형태의 픽셀 구조에 따라 다르긴 하나 통상적인 필 펙터(fill factor)((PD 영역/UP 영역)×100)는 20∼40％로 필 펙터가 클수록 더욱 많은 빛을 전기적으로 신호로 바꿀 수 있어 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있으므로, 픽셀 설계에서 필 펙터를 크게 하기 위하여 설계를 최적화시키거나 특별한 구조 등을 적용시킨다.
또한, PD의 영역을 광학적으로 넓히기 위해 도입된 기술이 ML를 이용한 기술로서, 이 기술은 각각의 UP 위에 볼록렌즈를 형성하여 PD 이외의 지역으로 입사되는 빛을 PD 지역으로 모을 수 있도록 설계하여 ML가 적용된 이미지 센서의 경우, 그렇지 않은 경우에 비해 필 펙터를 두 배 이상 증대시킬 수 있다.
도 2a는 도 1의 UP 단면도를 도시한 도면으로서, 도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(1) 상에 소자분리 절연막(2)이 형성되어 있으며, 형성된 소자분리 절연막(2)에 PD가 위치하며, PD 상에 층간 절연막(3)이 형성되고, 이 층간 절연막(3) 상에 ML가 형성되어 있다.
그리고, 도 2b는 ML를 통해 입사되는 빛이 PD에 최적 조건으로 결정되는 모습을 도시한 도면으로, 결정 요인은 ML의 폭(Wml), ML의 높이(Hml), 입사되는 빛의 입사각, 층간 절연막 및 ML의 파장에 따른 반사율 등에 의해 PD의 초점폭(Wf)이 결정된다. 기존의 경우 최적조건으로 예측되고 웨이퍼(wafer)위에 공정되는 조건은 초점폭(Wf)이 최소로 되는 조건이다.
도 2c는 ML를 통하는 빛의 굴절 법칙(Snell's Law)을 나타낸 도면으로서, 굴절률이 n1인 매질1에 입사각 1로 입사된 빛은, 굴절률이 n2로 다른 매질2에서 굴절각 2로 진행하게 될 때, 다음과 같은 굴절 법칙에 의해 초점폭(Wf)이 결정된다.
즉, 굴절 법칙(Snell's Law) : n1*sin1 = n2*sin2 을 사용하여 입사된 빛이 ML 및 층간 절연막을 통하여 PD에 입사되는 위치를 2차원으로 시뮬레이션(Simulation) 하게 되고 그에 따라 초점폭(Wf)이 결정되게 된다.
상술한 바와 같이, 2차원 시뮬레이션(Simulation)에서는 ML가 구의 일부(2차원적으로는 원의 일부)로 가정하고 진행하게 되고, ML의 폭, ML의 높이의 조절에 따라 곡률이 바뀌게 되고, 이로 인하여 PD에서의 초점폭(Wf)이 변하게 된다.
여기서, ML를 구의 일부로 가정하는 것은 구의 형태로 ML를 형성하여야 초점이 한곳에 모으는 것이 가능해지고 공정 또한 ML를 구의 일부 모양이 되도록 조건을 결정하므로 2차원 시뮬레이션 결과와 유사하게 공정을 진행한다.
다시 말해서, 기존의 방법으로는 필 펙터를 최대가 되게 픽셀을 설계한 후, 그에 따라 설계된 PD에 빛이 입사되어 초점이 잡히도록 ML 모양을 2차원적으로 고려하여 시뮬레이션을 통해 최소의 초점폭(Wf)이 되도록 공정조건을 찾아 이미지 센서를 제조하는데 이 조건은 광 입사 최적조건을 픽셀에 반영할 수 없게 되는 문제점이 있다. 이는 공정조건 설정 시뮬레이션시 ML의 모양을 2차원적인 것으로 제한하여 진행하고 그에 따른 최소의 초점폭조건을 최적조건으로 한다는 가정에서 실제의 조건과 차이를 가져오게 되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 직사각형 돔 형태의 ML를 통한 빛의 입사 시뮬레이션을 3차원적인 모양의 ML, 즉 ML의 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분으로 적용하면서 시뮬레이션을 진행하여 이미지 센서를 제조할 수 있는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법은 ML를 평면으로 보면 직사각형이고, 단면으로 보면 구의 일부인 직사각형 돔(Rectangular Dome) 형태로 적용하며, 직사각형 돔 형태의 ML의 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분으로 적용시킨 3차원 시뮬레이션을 통해 빛을 집적시켜 PD의 크기를 결정하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 이미지 센서의 평면도를 도시한 도면이고,
도 2a는 도 1의 유닛 픽셀(UP) 단면도를 상세하게 도시한 도면이며,
도 2b는 도 2a의 ML를 통해 입사되는 빛이 PD에 최적 조건으로 결정되는 모습을 도시한 도면이며,
도 2c는 도 2a의 ML를 통하는 빛의 굴절 법칙(Snell's Law)을 나타낸 도면이며,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 3차원적인 모양의 직사각형 돔 형태의 마이크로 렌즈를 사용한 포토 다이오드 지역에서의 광 입사 시뮬레이션 도면이며,
도 4는 본 발명에 따른 직사각형 돔 형태의 마이크로 렌즈를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope)으로 촬상한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 실리콘 기판 2 : 소자 분리 절연막
3 : 층간 절연막
UP : Unit pixel PD : Photo Diode
ML : Micro Lens Wml : 마이크로 렌즈의 폭
Hml : 마이크로 렌즈의 높이 Wf : 초점폭
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 직사각형 돔 형태의 ML를 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 촬상한 도면으로서, ML의 단면은 구의 일부인 볼록한 렌즈 형태이고, ML의 평면은 직사각형 형태이며, 또한 ML은 꼭지점이 존재하는 사각렌즈 형태로 이루어져 있는 직사각형 돔 형태의 ML이다.이러한 직사각형 돔 형태의 ML를 도 2a에 적용시켜 3차원 시뮬레이션을 통해 빛을 집적시키면 도 3a,b,c에 도시된 바와 같이 PD 지역에서의 광 입사 시뮬레이션이 각각 나타남을 알 수 있다. 즉, 빛이 직사각형 돔 형태의 ML를 통과할 경우, 도 2c에 도시된 각각의 매질에 따른 빛의 굴절 법칙(Snell's Law)을 사용하여 매질 각 층에서 빛이 어떤 형태로 굴절되는지를 계산하여 초점폭(Wf)을 알 수 있는 것이다. 여기서, 도 3b와 같이, 초점폭(Wf)이 가장 작은 공정 조건을 ML의 최적조건임을 알 수 있다.다시 말해서, 2차원적인 단면에서만 빛의 경로를 계산하는 것이 아니라, 본 발명에서와 같이, 3차원적인 입체면에서 빛의 경로를 계산하는 것이다. 즉, 3차원적인 입체면에서 빛의 경로를 계산할 경우, 3차원적이란 통상의 지식으로 보면, X-축, Y-축, Z-축을 의미하는 것으로, 도 4의 직사각형 돔 형태의 ML를 X-축, Y-축, Z-축을 통해 빛의 궤적을 추적하는 것이다. 그리고, 3차원 시뮬레이션을 통해 적용되는 ML를 형성할 경우, 온도 및 시간의 공정조건을 조절하여 가장 안정된 반구 모양으로 완성할 수 있다.또한, 도 3a,b,c에 도시된 바와 같이 PD 지역에서의 광 입사 시뮬레이션이 각각 나타날 수 있도록 사용하는 공정조건은 일반적으로 사용되는 0.35㎛ CMOS 이미지 센서의 공정조건을 사용한다.
즉, 직사각형 돔 형태의 ML 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분으로 적용시킨 3차원 시뮬레이션을 통해 빛을 집적시킨다. 그러면, 도 3b에 도시된 바와 같이 PD에서의 빛의 경로를 보면, 모든 빛을 PD지역에 입사하기 위해서 2 × 2 ㎛2 이하의 PD 크기(보충 설명하면, X축으로 -1∼1㎛, Y축으로 -1∼1㎛)에서도 가능하여 입사되는 모든 빛을 손실없이 사용할 수 있는 것을 보여주고 있다. 이는 도 3a의 최적조건에 비해 입사 된 빛을 모두 모으는데 사용하는 PD 면적이 60%(도 3a는 2.6 ×2.6 ㎛2)에 지나지 않는다.
이에, 도 3a를 설명하면, 도 3a는 3차원 시뮬레이션 방법을 통하여 본 PD에서의 광 입사 흔적을 도시한 도면이다. 즉, 도면에서 표시가 된 부분들은 빛이 직사각형 돔 형태의 ML을 통하여 입사되었을 때, PD 지역에 입사되는 것을 보여준다. 다시 말해서, X-, Y-축에서 입사되는 빛의 폭이 가장 작게 공정을 설정하는 것으로, 2차원적인 ML에 의한 시뮬레이션을 통하는 경우의 조건에서 초점폭(Wf)을 최소로 한 최적조건을 설정한 상태이지만, 이를 3차원 시뮬레이션을 통하게 되는 경우, ML를 통하여 포커스 된 모든 빛을 사용하는데 필요한 최소한의 PD영역은 2.6 ×2.6 ㎛2(보충 설명하면, X축으로 -1.3∼1.3㎛, Y축으로 -1.3∼1.3㎛) 이 되어야 하며, 또한 도 3a에 도시된 바와 같이, 대각선 방향 이외의 지역은 빛이 입사되어 초점이 맺히는데 불필요한 영역이 되므로 PD지역에서 입사된 빛이 없는 사각지대 즉 X-, Y-축 공간의 낭비가 생기게 된다. 즉, 기존의 2차원적인 시뮬레이션을 통한 공정조건 설정이 최적조건이 아닌것을 알 수 있다.
다음으로, 도 3c를 설명하면, 도 3c는 기존의 방법인 2차원 시뮬레이션 방법에 의하면 최악의 공정조건으로 판단되어 이미지 센서 제조업체에서 공정진행을 꺼려하는 조건이다. 즉 2차원 시뮬레이션을 통하여 초점폭(Wf)이 최대(도 3c와 같이 X-, Y-축에서 빛의 경로가 최대 폭을 갖는 경우) 조건이 된다. 이러한 초점폭이 최대되는 조건을 본 발명에 따른 3차원 시뮬레이션을 통하여 PD에 맺히는 빛의 집적을 보면, 상술한 도 3a의 경우와 비교하여 동일한 PD의 영역, 즉 2.6 × 2.6 ㎛2(보충 설명하면, X축으로 -1.3∼1.3㎛, Y축으로 -1.3∼1.3㎛)의 PD 영역을 효율적으로 사용하고 있음을 알 수 있으며, 이 경우가 실제로는 도 3a의 경우보다 PD의 모든 면적을 광 흡수에 사용하게 되므로 안정적인 소자의 특성을 보여주고 있지만, 이 또한 도 3a와 동일하게 공정조건 설정이 최적조건이 아닌것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예로서, 상술한 바와 같이, 3차원 시뮬레이션을 통하여 작은 영역의 PD에 빛을 모으는 것을 최적조건으로 고려하고 이 최적조건을 획득하는 점에 주안을 두어 설명한다.
그렇지만, 본 발명에서와 같이, 빛이 PD지역에 어떤 형태로 입사되고 이를효율적으로 사용할 수 있다면 적절한 ML 및 픽셀의 구조 등에 대하여 정보를 얻을 수가 있게 되고 픽셀 설계 단계에 이를 반영할 수 있게 된다.
그 예로서, 상술한 도 3a와 같이, ML의 설계의 경우에는 PD지역을 빛이 모이는 대각선 영역만 사용하고 사용되지 않는 부분은 트랜지스터 형성이나 연결도선 등의 형성에 사용할 수 있다. 즉 PD의 모양을 전통적으로 사용하는 사각형의 형태로 할 필요가 없다는 것이다. 이런 경우 픽셀의 디자인에 여유공간이 생겨 충분한 공정여유를 줄 수 있게 된다. 결과적으로 집적도를 증대시키게 되는 것이다.
또한, 빛의 입사를 방지하기 위하여 반사율이 좋은 메탈(Metal) 등을 사용하여 장벽으로 사용하는 경우, 3차원 시뮬레이션을 통하는 경우 빛의 입사경로를 정확히 예측할 수 있게 되어 빛의 장벽을 원하는 위치에 배치시킬 수 있으므로 소자의 특성 및 효율을 증대시킬 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 직사각형 돔 형태의 ML를 통한 빛의 입사 시뮬레이션을 3차원적인 모양의 ML, 즉 ML의 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분으로 적용하면서 시뮬레이션을 진행하여 제조함으로서, ML가 사용되는 이미지 센서와 같은 제품을 설계, 제조하면 최적공정을 정확히 예측할 수 있게 되고 그 결과를 제조나 설계에 반영하여 집적도 향상 및 제품 특성 향상 등을 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. ML를 통해 PD에 빛을 집적시켜 이미지 센서를 제조하는 방법으로서,
    상기 ML를 평면으로 보면 직사각형이고, 단면으로 보면 구의 일부인 직사각형 돔(Rectangular Dome) 형태로 적용하며, 상기 직사각형 돔 형태의 ML의 단면을 자르는 방향에 따라 다른 반경을 갖는 구의 일부분으로 적용시킨 3차원 시뮬레이션(Simulation)을 통해 빛을 집적시켜 상기 PD의 크기를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 시뮬레이션을 통해 빛을 집적시켜 상기 PD의 형태를 결정하는 것을 특징으로 하는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직사각형 돔 형태의 ML은, 꼭지점이 존재하는 사각렌즈 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 빛을 집적시키는 과정에서, 상기 빛의 입사를 방지하기 위한 메탈(Metal)을 장벽으로 사용하여 상기 빛의 입사경로를 예측하는 것을 특징으로 하는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 직사각형 돔 형태의 ML의 꼭지점을 한점으로 하고, 상기 한점을 지나는 모든 단면을 구의 일부로 제한하여 빛의 경로를 단순화하는 것을 특징으로 하는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 시뮬레이션을 통해 적용되는 ML은, 온도 및 시간의 공정조건을 조절하여 반구 모양으로 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 시뮬레이션은, 상기 직사각형 돔 형태의 ML 이외의 다른 형태를 갖는 ML에도 적용 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 시뮬레이션을 이용한 이미지 센서의 최적화 제조방법.
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