KR100521971B1 - 찌꺼기 발생 및 칼라필터 간의 겹침을 방지할 수 있는이미지 센서 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 칼라 필터 형성 과정에서 찌꺼기의 발생 및 이웃하는 칼라필터 사이의 겹침을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 칼라필터로서 굴절률과 두께가 각기 다른 산화막 및 질화막이 번갈아 적층되어 이루어진 광학 필터를 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 특징이 있다. 본 발명은 포토레지스트와 달리 찌꺼기의 발생을 유발하지 않는 광학필터를 이용하여 칼라필터를 형성함으로써 광전성 특성 저하 및 화이트 페일 발생을 억제할 수 있다.

Description

찌꺼기 발생 및 칼라필터 간의 겹침을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 제조 방법{Image sensor capable of preventing generation of scum and overlap between color filters and method for forming the same}

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 칼라필터 형성과정에서 찌꺼기의 발생 및 이웃하는 칼라필터 간의 겹침을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 시판되는 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.

CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 픽셀수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀을 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀을 보이고 있다. 4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 "Cf"는 플로팅 확산영역이 갖는 캐패시턴스를, "Cp"는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.

이와 같이 구성된 이미지센서 단위픽셀에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위픽셀을 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 캐패시턴스 Cp는 전하축적(carrier changing)이 발생하고, 플로팅 확산영역의 캐패시턴스 Cf는 공급전압 VDD 전압까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위픽셀 출력단(Out)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위픽셀에 대한 한 동작주기가 완료된다.

이미지 센서는 칼라 특성을 얻기 위하여 특정 파장대의 빛만을 통과시키는 칼라 필터(color filter)를 형성한다. 종래 이미지 센서 제조 공정에서는 블루(blue), 레드(red), 그린(Green) 또는 시안(cyan), 옐로우(yellow), 그린(green)의 3가지 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 칼라필터를 형성하는데, 도 2에 보이는 바와 같이 페시베이션층(passivation layer, 20) 상에 먼저 형성된 포토레지스트 패턴(B)의 영향으로 이후 진행되는 포토레지스트 패턴(G) 형성 과정에서 찌꺼기(S)가 발생할 뿐만 아니라 이웃하는 칼라 필터(B, G) 사이의 겹침이 발생한다.

이와 같은 찌꺼기의 발생 및 칼라필터의 겹침으로 인해 감도가 저하되고, 단파장 광의 강도가 감소하게 되어 원하는 색상의 화상을 얻을 수 없는 화이트 페일(white fail) 문제가 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 칼라 필터 형성 과정에서 찌꺼기의 발생 및 이웃하는 칼라필터 사이의 겹침을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 적어도 한번 번갈아 적층된 질화막 및 산화막으로 이루어지는 칼라필터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 적어도 한번 번갈아 적층된 제1 질화막 및 제1 산화막으로 이루어지는 제1 칼라필터; 상기 제1 칼라필터에 인접하여 형성된 포토레지스트 패턴으로 이루어지는 제2 칼라필터; 상기 제1 칼라필터 및 상기 제2 칼라필터를 덮는 제1 코팅층; 제1 코팅층 상에 적어도 한번 번갈아 적층된 제2 질화막 및 제2 산화막으로 이루어지며 상기 제1 칼라필터 및 상기 제2 칼라필터와 중첩되지 않는 제3 칼라필터; 및 상기 제3 칼라필터를 덮는 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판을 덮는 페시베이션층 상에 제1 질화막 및 제1 산화막을 적어도 한번 번갈아 적층하고 패터닝하여 제1 칼라필터를 형성하는 제1 단계; 상기 제1 단계가 완료된 전체 구조 상에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 상기 제1 칼라필터에 인접하는 제2 칼라필터를 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 제1 코팅층을 형성하는 제3 단계; 상기 제1 코팅층을 베이킹하는 제4 단계; 상기 제1 코팅층 상에 제2 질화막 및 제2 산화막을 적어도 한번 번갈아 적층하고 패터닝하여 상기 제1 칼라필터 및 상기 제2 칼라필터와 중첩되지 않는 제3 칼라필터를 형성하는 제5 단계; 상기 제5 단계가 완료된 전체 구조 상에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 제2 코팅층을 형성하는 제6 단계; 및 상기 제2 코팅층을 베이킹하는 제7 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 칼라필터로서 굴절률과 두께가 각기 다른 산화막 및 질화막이 번갈아 적층되어 이루어진 광학 필터(optical filter)를 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 특징이 있다.

본 발명은 포토레지스트와 달리 찌꺼기의 발생을 유발하지 않는 광학필터를 이용하여 칼라필터를 형성함으로써 광전성 특성 저하 및 화이트 페일 발생을 억제할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 칼라필터 형성 방법 및 그 특성을 설명한다.

도 3a 내지 도 3f 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 칼라필터 형성 공정 단면도이다.

먼저 도 3a에 도시한 바와 같이 일정한 두께의 페시베이션층(30) 위에 기준 파장이 0.65 ㎛인 레드광을 필터링 하기 위하여 플라즈마 화학기상증착법으로 굴절율이 2.1, 두께가 735 Å 내지 813Å 제1 질화막(N1)을 형성하고 그 상부에 굴절률 1.46, 두께가 1046 Å 내지 1166 Å인 제1 산화막(O1)을 적층하는 과정을 반복적으로 실시하여 제1 질화막(N1)과 제1 산화막(O1) 각각을 5개층 이상 적층한다.

다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이 적층된 제1 산화막(O1) 및 제1 질화막(N1)을 패터닝해서, 레드광만 필터링하여 시안광(블루광과 그린광의 합) 파장만 전송되는 시안 광학 필터(C)를 형성한다. 도 4는 이와 같이 형성된 시안 광학필터의 광전송 특성을 보이고 있다.

이어서 도 3c에 도시한 바와 같이 1 ㎛ 두께 정도의 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 시안광학 필터에 인접한 그린 필터(G)를 형성한다.

다음으로 도 3d에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 1.6 ㎛ 두께의 포토레지스트를 도포하여 제1 OCL(over coating layer, 31)을 형성하고, 이후 제1 OCL(31) 상에 광학필터를 형성하는 과정에서 포토레지스트가 버닝(burning)되는 것을 방지하기 위해 베이킹(baking) 공정을 실시한다.

이어서 도 3e에 도시한 바와 같이 베이킹된 제1 OCL(31) 상에 플라즈마 화학기상증착법으로 굴절률이 2.1 두께가 508 Å 내지 562 Å인 제2 질화막(N2)을 형성하고, 제1 질화막(N2) 상에 굴절률이 1.46, 두께가 732 Å 내지 809 Å인 제2 산화막(O2)을 적층하여 기준파장이 0.45 ㎛인 블루광만 필터링되도록 한다. 제2 질화막(N2)과 제2 산화막(O2)을 번갈아 증착해서 제2 질화막(N2)과 제2 산화막(O2) 각각을 5개층 이상 적층한다. 이후 패터닝 공정을 실시해서 시안광학필터(C)와 그린 필터(G)와 중첩되지 않는 옐로우 광학필터(Y)를 형성한다. 도 5는 이러한 과정에 따라 형성되어 옐로우광(레드광과 그린광의 합) 파장만 전송시키는 옐로우 광학 필터(Y)의 특성을 보이고 있다.

다음으로 도 3f에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 1.6 ㎛ 두께의 포토레지스트를 도포하여 제2 OCL(32)을 형성하고, 베이킹 공정을 실시한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 종래 안료인 포토레지스트로만 구성된 칼라필터 어레이 형성 과정에서와 같이 찌꺼기가 발생되거나 이웃하는 칼라필터가 중첩되는 것을 방지하여 광전송 특성 저하 및 화이트 페일 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 특성 및 제조 수율 향상을 기대할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀 구조를 개략적으로 보이는 단면도,

도 2는 종래 기술에 따른 칼라필터 형성시 찌꺼기의 발생을 보이는 공정 단면도,

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 칼라필터 형성 공정 단면도.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 칼라필터 특성을 보이는 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

N1, N2: 질화막 O1, O2: 산화막

30: 페시베이션층 31, 32: OCL

Claims (10)

1. 삭제
2. 기판상에 복수회 반복 적층된 제1 질화막 및 제1 산화막으로 이루어지는 제1 칼라필터;

   상기 기판 상에 상기 제1 칼라필터에 인접하여 형성된 염색된 포토레지스트 패턴으로 이루어지는 제2 칼라필터;

   상기 제1 칼라필터 및 상기 제2 칼라필터가 형성된 기판 상에 형성된 제1 오버코팅층;

   제1 오버코팅층 상에 복수회 반복 적층된 제2 질화막 및 제2 산화막으로 이루어지며 상기 제1 칼라필터 및 상기 제2 칼라필터와 중첩되지 않는 영역에 형성된 제3 칼라필터; 및

   상기 제3 칼라필터가 형성된 기판 상에 형성된 제2 오버코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 질화막 및 상기 제2 질화막 각각은 굴절율이 2.1이고,

   상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막 각각은 굴절율이 1.46인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제1 칼라필터는,

   735 Å 내지 813Å 두께의 상기 제1 질화막과, 1046 Å 내지 1166 Å 두께의 상기 제1 산화막이 복수회 반복 적층된 시안 칼라필터인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 제3 칼라필터는,

   508 Å 내지 562 Å 두께의 상기 제2 질화막과, 732 Å 내지 809 Å인 두께의 상기 제2 산화막이 복수회 반복 적층된 옐로우 칼라필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
6. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   제1 질화막 및 제1 산화막을 복수회 반복 적층하고 패터닝하여 제1 칼라필터를 형성하는 제1 단계;

   상기 제1 단계가 완료된 전체 구조 상에 염색된 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 상기 제1 칼라필터에 인접하는 제2 칼라필터를 형성하는 제2 단계;

   상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 제1 오버코팅층을 형성하는 제3 단계;

   상기 제1 오버코팅층을 베이킹하는 제4 단계;

   상기 제1 오버코팅층 상에 제2 질화막 및 제2 산화막을 복수회 반복 적층하고 패터닝하여 상기 제1 칼라필터 및 상기 제2 칼라필터와 중첩되지 않는 영역에 제3 칼라필터를 형성하는 제5 단계;

   상기 제5 단계가 완료된 전체 구조 상에 포토레지스트를 도포하고 패터닝하여 제2 오버코팅층을 형성하는 제6 단계; 및

   상기 제2 오버코팅층을 베이킹하는 제7 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제1 질화막 및 상기 제2 질화막 각각은 굴절율이 2.1이고,

   상기 산화막, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막 각각은 굴절율이 1.46인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제1 질화막의 두께는 735 Å 내지 813Å이고,

   상기 제1 산화막의 두께는 1046 Å 내지 1166 Å인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제2 질화막의 두께는 508 Å 내지 562 Å이고,

   상기 제2 산화막의 두께는 732 Å 내지 809 Å인 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제1 질화막 및 상기 제2 질화막을 플라즈마 화학기상증착법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.