KR100521969B1 - 높은 광감도를 갖는 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 광감지소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 이웃하는 마이크로렌즈 간의 분리 지역에서 자신의 상단부에 오목렌즈 형상의 홈이 형성되며, 상기 마이크로렌즈와 유사한 굴절률을 갖는 버퍼층; 상기 버퍼층 보다 큰 굴절률을 갖는 물질로서 상기 홈 내부를 채워 형성되는 오목렌즈; 상기 버퍼층 상에 형성되되, 자신의 에지가 상기 오목렌즈의 에지와 오버랩되어 접하도록 형성된 상기 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진 이미지센서를 제공하는 바, 본 발명은 위로 볼록한 렌즈의 가장 자리 부근에 굴절률이 큰 물질로 아래로 볼록한 렌즈를 형성함으로써, 위로 볼록한 마이크로렌즈에서 굴절되어 광감지소자 외부로 굴절되는 빛의 경로를 변경하여 광감지소자에 도달하게 하는 것이다. 이에 의해 이미지센서의 광감도를 향상은 물론 서로 다른 칼러 간의 섞임과 산란을 방지한다.

Description

높은 광감도를 갖는 이미지센서 및 그 제조방법
본 발명은 이미지센서(Image sensor) 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 광감도를 갖는 이미지센서 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 "Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있으며, 그 중 하나가 칼라필터 상에 마이크로렌즈(micro lens)를 형성하는 방법이다.
도1은 종래기술에 의한 집광기술을 보여주는 종래의 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도1에는 집광에 관련된 이미지센서의 주요부분만이 개략적으로 도시되어 있다.
도1을 참조하면, 종래의 이미지센서는 광감지소자(101) 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위하여 층간절연막(102) 내에 광차폐층(light shield layer)(103)이 형성되어 있으며, 그 위로 보호막(104)이 형성되고, 보호막(104) 상에 칼라필터(105)가 어레이되어 있다. 그리고, 칼라필터(105) 위에는 마이크로렌즈의 균일한 제조와 포커스 길이(focal length) 조절을 목적으로 적용되는 OCM(Over Coating Material)층(106)이 형성되고, 그 상부에 마이크로렌즈(107)가 형성되어 있다. 통상적으로 광감지소자(101)는 포토게이트 또는 포토다이오드 등으로 형성되며 광차폐층(104)은 금속층으로 형성된다. 칼라필터(105)의 재료로는 염색된 포토레지스트와 같은 복합다중체(polymer)가 주로 이용되고 있으며, 마이크로렌즈(107) 역시 복합다중체가 주로 이용되고, 층간절연막(102)은 투명물질로서 통상 실리콘산화물계 박막이 적용된다.
그러나, 이와 같은 종래의 이미지센서는 고집적화로 인하여 픽셀(Pixel) 사이즈가 적어지면서 마이크로렌즈(107)의 곡률반경이 작아져, 픽셀 에지 부분으로 입사되는 빛의 굴절각이 큰 관계로 광감도 저하뿐만 아니라 다른 칼러 픽셀 간의 색섞임 및 산란을 일으키는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 종래에 비해 광감도가 증대된 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 광감지소자를 포함하는 이미지센서에 있어서, 상기 광감지소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 이웃하는 마이크로렌즈 간의 분리 지역에서 자신의 상단부에 오목렌즈 형상의 홈이 형성되며, 상기 마이크로렌즈와 유사한 굴절률을 갖는 버퍼층; 상기 버퍼층 보다 큰 굴절률을 갖는 물질로서 상기 홈 내부를 채워 형성되는 오목렌즈; 상기 버퍼층 상에 형성되되, 자신의 에지가 상기 오목렌즈의 에지와 오버랩되어 접하도록 형성된 상기 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.
상기한 바와 같은 특징적 구성을 갖는 본 발명은,
"굴절률이 작은 매질과 큰 매질의 경계면에서 입사면에 수직한 법선과의 입사각은 굴절률이 큰 매질에서 작아진다 (n1sinθ1=n2sinθ2). "
라는 원리를 이용한 것으로서, 위로 볼록한 렌즈의 가장 자리 부근에 굴절률이 큰 물질로 아래로 볼록한 렌즈를 형성함으로써, 위로 볼록한 마이크로렌즈에서 굴절되어 광감지소자 외부로 굴절되는 빛의 경로를 변경하여 광감지소자에 도달하게 한다. 이에 의해 이미지센서의 광감도를 향상은 물론 서로 다른 칼러간의 섞임과 산란을 방지한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서 제조방법은, 광감지소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판 상에 마이크로렌즈와 유사한 굴절률을 갖는 버퍼층을 형성하는 제2단계; 상기 버퍼층 상에 이웃하는 마이크로렌즈 간의 분리지역이 오픈된 식각마스크패턴을 형성하는 제3단계; 상기 오픈 부위의 버퍼층을 등방성 식각하여 오목렌즈 형상의 홈을 형성하고 상기 식각마스크패턴을 제거하는 제4단계; 상기 홈 내부에 상기 버퍼층보다 굴절률이 큰 물질을 채워 오목렌즈를 형성하는 제5단계; 및 자신의 에지가 상기 오목렌즈의 에지와 오버랩되어 접하도록 상기 버퍼층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.
도2는 본 발명에 따른 이미지센서의 기술적 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도2를 참조하면, 마이크로렌즈는 복합다중체(polymer) 물질을 사용하고 노광 및 현상과, 플로우를 위한 열공정에 의해 형성되는바, 플로우에 의해 이웃한 마이크로렌즈(107)들 간에 서로 붙어 버리는 것을 방지하기 위하여 이웃하는 마이크로렌즈 사이에 공간을 둘 수밖에 없다. 본 발명은 이러한 이웃하는 마이크로렌즈(107) 사이의 영역에 오목렌즈(211)가 형성되어 있고, 오목렌즈(211)는 마이크로렌즈(107) 보다 굴절률이 큰 물질로 이루어진다. 그리고, 오목렌즈(211)의 에지와 마이크로렌즈(107)의 에지는 서로 일정영역이 오버랩되어 접하고 있으며, 그 밖의 지역에서 오목렌즈(211)는 마이크로렌즈와 굴절률이 유사한 버퍼산화막(210)과 접해 있다. 그리고, 그 밖의 구성은 종래기술과 동일하다. 도2에서 보호막과 칼라필터는 도시되어 있지 않으나, 이후의 제조공정 설명에서는 추가 언급될 것이다.
이러한 구성에 의해 본 발명의 이미지센서는 집적화로 인하여 곡률반경이 작다 하더라도 마이크로렌즈(107) 에지부위로 입사되는 빛(200)을 광감지소자(101) 쪽으로 전달할 수 있는바, 도2에서 도면부호 "201" 은 마이크로렌즈(107) 에지부위로 입사되는 빛(200)이 오목렌즈(211)로 굴절되어 전달되는 경로를, 도면부호 "202"는 오목렌즈(211)가 없을 경우(종래기술)를 가정한 빛의 경로를 나타낸다. 이와 같이, 본 발명에서는, 마이크로렌즈(107)의 에지로 입사되는 빛(200)이 마이크로렌즈와 대기가 접하는 부분에서 1차 굴절된 다음, 다시 마이크로렌즈(107)와 오목렌즈(211)가 접하는 부분에서 2차 굴절되고, 또 다시 오목렌즈(211)와 버퍼산화막(210)이 접하는 부분에서 3차 굴절되어 광감지소자(101) 쪽으로 입사된다.
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도이다.
도3a를 참조하면, 통상의 방법으로 예컨대 포토다이오드와 같은 광감지소자(101)와, 층간절연막(102), 광차폐층(금속배선)(103), 및 보호막(104), 칼라필터(105)를 형성한다. 이어서, 평탄화된 버퍼산화막(210)을 형성한 다음 포토레지스트(301)를 도포한다. 버퍼산화막(210)은 SOG막을 적용할 수 있으며, 그 두께는 아래로 볼록한 렌즈를 형성할 수 있도록 그리고 포커스를 고려하여 1μm 내지 3μm 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 굴절률이 1.3 내지 1.8 정도로서 마이크로렌즈용 물질과 유사하게 형성한다. 아울러 SOG막은 그 자체가 평탄화 특성이 우수하지만 필요에 따라서는 평탄화를 위하여 에치백 또는 화학적기계적연마(CMP) 공정을 추가 할 수 있다.
이어서, 도3b를 참조하면 마이크로렌즈 형성시 사용할 레티클(포토마스크)과 동일한 레티클을 사용하여 포토레지스트를 선택적으로 노광 및 현상하므로써 포토레지스트패턴(301a)을 형성하고, 이를 식각마스크로하여 버퍼산화막(210)을 등방성 식각하여 아래로 볼록한 렌즈 형상의 홈(302)을 형성한다. 이때 식각의 정도에 따라 아래로 볼록한 홈(302)의 크기가 결정된다. 등방성식각은 습식식각에 의해 이루어지며, HF와 NH4F 등이 혼합된 BOE(buffered oxide etchant) 용액을 사용한다.
이어서, 도3c를 참조하면 전면에 버퍼산화막(210)보다 굴절률이 큰 물질인 질화막(303)을 도포한 다음, 도3d와 같이, 상기 홈(302) 내부에만 질화막(303)이 채워지도록 상기 버퍼산화막(210)이 드러날때까지 에치백 또는 CMP를 실시한다. 이에 의해 오목렌즈를 완성된다.
계속해서, 기판 전면에 복합다중체물질(107a)을 도포한 다음, 도3e에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈 형성용 레티클을 사용하여 선택적 노광 및 현상 공정을 통해 복합다중체물질 패턴(107b)을 형성한다.
그리고, 도3f와 같이 패턴(107b)을 열 공정을 통해 플로우시켜 위로 볼록한 형상의 마이크로렌즈(107)를 형성한다. 이때 마이크로렌즈(107)의 에지는 오목렌즈를 구성하는 질화막(303)의 에지에 오버랩되게 된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 고집적 이미지센서의 집광 능력을 크게 향상시켜 이미지센서의 광감도를 증대시키는 효과가 있다.
도1은 종래기술에 의한 집광기술을 보여주는 종래의 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도,
도2는 본 발명에 따른 이미지센서의 기술적 구성을 개략적으로 나타낸 단면도,
도3a 내지 도3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 광감지소자 102 : 층간절연막
103 : 광차폐층 107 : 마이크로렌즈
210 : 버퍼산화막 211 : 오목렌즈
200 : 외부로부터 입사되는 빛 201 : 본 발명에 의한 빛 경로
202 : 종래의 빛 경로

Claims (8)

  1. 광감지소자를 포함하는 이미지센서에 있어서,
    상기 광감지소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 기판;
    상기 기판 상에 형성되고, 이웃하는 마이크로렌즈 간의 분리 지역에서 자신의 상단부에 오목렌즈 형상의 홈이 형성되며, 상기 마이크로렌즈와 유사한 굴절률을 갖는 버퍼층;
    상기 버퍼층 보다 큰 굴절률을 갖는 물질로서 상기 홈 내부를 채워 형성되는 오목렌즈;
    상기 버퍼층 상에 형성되되, 자신의 에지가 상기 오목렌즈의 에지와 오버랩되어 접하도록 형성된 상기 마이크로렌즈
    를 포함하여 이루어진 이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 SOG막 임을 특징으로 하는 이미지센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 SOG막은 1μm 내지 3μm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 오목렌즈를 형성하기 위하여 상기 홈에 채워진 물질은 질화막 임을 특징으로 하는 이미지센서.
  5. 이미지센서 제조 방법에 있어서,
    광감지소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 기판을 준비하는 제1단계;
    상기 기판 상에 마이크로렌즈와 유사한 굴절률을 갖는 버퍼층을 형성하는 제2단계;
    상기 버퍼층 상에 이웃하는 마이크로렌즈 간의 분리지역이 오픈된 식각마스크패턴을 형성하는 제3단계;
    상기 오픈 부위의 버퍼층을 등방성 식각하여 오목렌즈 형상의 홈을 형성하고 상기 식각마스크패턴을 제거하는 제4단계;
    상기 홈 내부에 상기 버퍼층보다 굴절률이 큰 물질을 채워 오목렌즈를 형성하는 제5단계; 및
    자신의 에지가 상기 오목렌즈의 에지와 오버랩되어 접하도록 상기 버퍼층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 제6단계
    를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 버퍼층은 SOG막이고, 상기 오목렌즈 물질은 질화막임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 SOG막의 등방성 식각은 HF와 NH4F를 포함하는 BOE 용액에서 실시함을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2단계는, 상기 SOG막 상단부를 에치백하거나 화학적기계적연마하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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