KR100540557B1 - 광전송률 개선을 위한 이미지센서 제조 방법 - Google Patents
광전송률 개선을 위한 이미지센서 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
포토다이오드 및 마이크로렌즈로 입사되는 입사광의 반사율을 감소시켜 광전송률을 증가시키기 위한 이미지센서 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 포토다이오드를 포함한 소정공정이 완료된 반도체 기판상에 단일층 구조의 제1무반사코팅층을 형성하는 제 1 단계, 상기 제1무반사코팅층 상부에 층간절연막을 형성하는 제 2 단계, 상기 층간절연막 상에 컬러필터배열 및 마이크로렌즈를 형성하는 제 3 단계, 상기 마이크로렌즈 상에 이중층 구조의 제2무반사코팅층을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진다.
이미지센서, 포토다이오드, 마이크로렌즈, 무반사코팅층, 굴절율, 광전송율
Description
도 1 은 종래기술에 따른 이미지센서를 나타낸 도면,
도 2 는 종래기술의 다른 예에 따른 이미지센서를 나타낸 도면,
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 나탄낸 도면,
도 4 는 종래기술과 본 발명의 실시예에 따른 광전송률 특성을 모의 실험한 결과를 비교한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
31 : 실리콘기판 32 : 필드절연막
33 : 포토다이오드 34 : 제1옥시나이트라이드
35 : PMD층 36 : 제1층간절연막
37 : 제2층간절연막 38 : 소자보호막
39 : 컬러필터배열 40 : OCM층
41 : 마이크로렌즈 42 : 제2옥시나이트라이드
43 : SiO2 막
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 광전송률(Light transmittance)을 개선시킨 CMOS이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로 CMOS 이미지센서(Image sensor)는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있다. 광감도(Sensitivity)를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill factor)을 크게하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한 , 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 컬러필터(Color filter)가 배열(array)되어 있다.
상기의 컬러필터배열(Color Filter Array;CFA)은 적색(Red), 초록색(Green) 및 청색(Blue)의 3가지 컬러로 이루어지거나, 황색(Yellow), 자황색 (Magenta) 및 청록색(Cyan)의 3가지 컬러로 이루어질 수 있다.
첨부도면 도 1 은 종래기술에 따라 제조된 이미지센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
먼저 실리콘기판(11) 상부에 이미지센서의 단위화소간의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(12)을 형성하고 수광영역인 포토다이오드(Photodiode; PD)(13)를 형성한 후 상기 포토다이오드 상부에 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 및 BPSG (Boro Phophorous Silicate Glass)로 이루어진 PMD층(Pre-Metal Dielectric)(14)을 형성한다. 이어 상기 PMD층(14) 상에 제1SOG막(Spin On Glass)(15a)을 포함한 제1층간절연막(15) 및 제2SOG막(16a)을 포함한 제2층간절연막(Inter Metal Dielectric; IMD)(16)을 형성하고, 상기 층간절연막(15,16) 상에 수분이나 스크래치(Scratch)로부터 소자를 보호하기 위하여 소자보호막(17)을 형성한다.
이어 상기 소자보호막(17) 상에 이미지센서의 컬러이미지 구현을 위하여 컬러감광막을 도포하고 현상공정으로 컬러필터배열(CFA)(18)을 형성하고 그 상부에 평탄화를 위한 OCM(Over Coating Material)층(19)을 형성한 후, 상기 OCM층(19) 상부에 상기 컬러필터배열(18)에 대향하는 마이크로렌즈(20)를 형성한다.
상기의 공정이 모두 완료된 후 광감지영역인 포토다이오드(13) 상부에는 제1 및 제2SOG막(15a,16a)를 포함하는 제1,2층간절연막(15,16), 소자보호막(17), 컬러필터배열(18) 및 마이크로렌즈(20)만이 위치하게 된다
이와 같이 종래기술의 이미지센서는 포토다이오드(13) 상부에 형성된 제1,2층간절연막(15,16) 및 소자보호막(17)들간의 굴절율차, 굴절각차에 의한 빛의 산란, 반사 및 손실로 인하여 광감도의 저하를 가져온다. 또한 입사하는 광의 마이크로렌즈면(20)으로의 입사각이 크면 클수록 즉, 마이크로렌즈(20)의 축에서 벗어날수록 그 반사손실은 증가하는데, 이는 마이크로렌즈(20)의 입사각의 차이에 따른 광전송률을 저하시켜 포토다이오드(13)에 입사하는 광전력을 감소시킨다.
이러한 특성을 향상시키기 위해 종래기술의 이미지센서는 동일한 가시광선파장대역(450~635nm)에서 4.72∼3.48의 굴절율(Refractive index)을 갖는 실리콘기판 (11)을 이용하고, 포토다이오드(13) 표면에 최초로 증착되는 물질로서 가시광선파장대역에서 1.46∼1.48의 굴절율을 갖는 PMD(14)을 이용한다. 그러나, 상기 PMD (14)은 포토다이오드(13)로 입사되는 광의 반사율이 비교적 큰 값을 가짐으로써 많은 광손실을 초래하게 되며, 가시광선파장대역의 광의 포토다이오드(13)로의 전송률이 컬러필터배열(18)을 제외하였을 때 평균 약 78%의 값을 가진다. 더욱이 청색 (Blue) 파장대역에서는 상대적으로 작은 전송률을 가질 뿐 아니라, 포토다이오드 (13)의 스펙트럴응답(Spectral response)에서도 낮은 광감도특성을 나타냄으로써 이미지센서의 성능을 저하시킨다.
상기의 문제 해결을 위하여 도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 포토다이오드 (13) 상부에 옥시나이트라이드(Oxynitride)(X)를 형성하는 방법에 제안되었으나, 공기 중에서 마이크로렌즈(20)로 입사하는 광의 반사에 의한 광손실은 여전히 5% 정도의 광전송률 상실을 초래하게 된다.
이러한 문제점으로 인하여 실제 포토다이오드(13)에서 흡수되는 광자량 (Photon flux)은 현저하게 줄어들게 되고 이는 이미지센서의 광감도특성을 감소시키고 저조도특성에 영향을 미치게 된다. 특히 종래 이미지센서에서 청색파장대역에서의 광투과특성은 상대적으로 작고 포토다이오드(13)의 스펙트럴응답은 청색파장대역에서 낮은 감도를 가지고 있기 때문에 이미지센서의 광전송률 특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 포토다이오드 상부에 굴절율이 큰 절연층을 형성하고 마이크로렌즈 표면에 굴절율이 작은 이중층구조의 절연층을 형성하여 광전송률을 증가시키는데 적합한 이미지센서를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드를 포함한 소정공정이 완료된 반도체 기판상에 단일층 구조의 제1무반사코팅층을 형성하는 제 1 단계, 상기 제1무반사코팅층 상부에 층간절연막을 형성하는 제 2 단계, 상기 층간절연막 상에 컬러필터배열 및 마이크로렌즈를 형성하는 제 3 단계, 상기 마이크로렌즈 상에 이중층 구조의 제2무반사코팅층을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(31) 상부에 이미지센서의 단위화소간 의 전기적인 절연을 위하여 필드절연막(32)을 형성하고 수광영역인 포토다이오드 (PD)(33)를 형성한다. 이어 상기 포토다이오드(33) 표면에 굴절율이 2.4∼2.6인 실리콘나이트라이드(Si3N4)를 포함하는 제1옥시나이트라이드(Oxynitride)(34)를 형성한다. 여기서 종래기술 도 2의 구조와 같이 포토다이오드(33)에서의 광반사율을 최소화하기 위하여 0.45㎛ 기준파장으로 설계된 제1옥시나이트라이드(34)의 무반사코팅층(Anti Reflective Coatind)을 형성하여 특히 청색파장대역에서의 반사율을 최소로 한다. 이와 같은 제1옥시나이트라이드(34)는 NH3의 함량이 0.1∼0.3%에서 2.4∼2.6의 굴절율이 얻어진다.
이어 상기 제1옥시나이트라이드(34) 상부에 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 및 BPSG(Boron Phophorous Silicate Glass)로 이루어진 PMD(Pre-Metal Dielectric)층(35)을 형성한다.
이어 상기 PMD층(35) 상에 금속배선간의 절연을 위해 제1SOG(Spin On Glass)막(36a)을 포함한 제1층간절연막(Inter Metal Dielectric; IMD)(36)을 형성한 다음, 상기 제1층간절연막(36) 상부에 제2SOG막(37a)을 포함한 제2층간절연막(37)을 형성한다. 이 때 도면에 나타내지 않았지만, 상기 제1,2층간절연막(36,37) 상에 금속배선들이 형성될 수 있다.
이어 상기 제2층간절연막(37) 상에 수분이나 스크래치(Scratch)로부터 소자를 보호하기 위하여 소자보호막(38)을 형성한다. 이어 상기 소자보호막(38) 상에 이미지센서의 컬러이미지 구현을 위하여 컬러감광막(Color PhotResist)을 도포하고 현상공정으로 컬러필터배열(Color Filter Array; CFA)(39)을 형성하고 그 상부에 평탄화를 위한 OCM(Over Coating Material)층(40)을 형성한 후, 상기 OCM층(40) 상부에 상기 컬러필터배열(39)에 대향하는 마이크로렌즈(41)를 형성한다. 이어 마이크로렌즈(41)에서의 반사에 의한 광손실을 최소화하기 위한 방법으로써 낮은 굴절율을 갖는 물질의 무반사코팅 방법을 이용한다.
상세히 설명하면, 상기 마이크로렌즈(41) 표면에 1.85의 굴절율을 가진 제2옥시나이트라이드(42)를 55∼60nm의 두께로 형성한 다음, 67.5∼82.5nm 두께와 1.46의 굴절율을 가진 SiO2막(43)을 형성한다. 이 때, 상기 제2옥시나이트라이드 (42)로는 실리콘옥시나이트라이드(Silicon oxynitride; SiOxNy)를 이용하고 산화막의 조성비를 변화시켜 1.85의 굴절율을 구할 수 있다.
여기서 마이크로렌즈(41)의 굴절율(Nml), 제2옥시나이트라이드(42)의 굴절율 (Nox), SiO2막(42)의 굴절율(Ns), 공기(Air)의 굴절율(Na)이라 하면, 다음과 같은 수학식([1],[2])을 이용하여 상기 제2옥시나이트라이드(41)의 두께(δ1) 및 SiO2(42)의 두께(δ2)를 산출할 수 있다.
여기서, 최적화된 제2옥시나이트라이드(42)의 두께는 (δ1/2π)λ0이고, 상기 SiO2(43)의 두께는 (δ2/2π)λ0 의 값으로 산출할 수 있으며, λ0 는 각 층(42,43)에서의 광파장(Wave length)을 나타낸다.
도 4 는 종래기술과 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 광전송 특성의 모의 실험 결과를 나타낸 도면으로서, 해석의 편의를 위하여 컬러필터배열을 제외시켰으며 광이 마이크로렌즈 표면에 수직으로 입사되는 조건을 가정하였다.
도 4 에 도시된 것처럼, 광전송특성의 모의실험 결과에 의하면, 도 3의 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서는 도 1 과 도 2의 구조를 가진 종래기술의 이미지센서에 비하여 포토다이오드의 광흡수에 관여하는 광전송률이 현저하게 증가됨을 확인할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에서는 포토다이오드(33) 표면에 무반사코팅층으로서 제1옥시나이트라이드(34)를 형성하고 마이크로렌즈(41) 상에 이중층구조의 저굴절율 무반사코팅층으로 제2옥시나이트라이드(42) 및 SiO2(43)을 형성하므로써 입사광의 반사율을 감소시켜 광전송률을 증가시키므로써, 저조도에서 광전하 발생량을 증가시켜 이미지센서의 저조도 특성을 향상시킨다.
또한 반사율이 최소가 되는 기준파장을 0.45㎛로 지정하므로써 통상의 이미지센서의 문제점인 상대적으로 작은 스펙트럴응답(Spectral response)을 가지는 청색파장대역에서의 감도(Sensitivity)를 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 저조도 특성을 개선한다.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 포토다이오드 표면에 옥시나이트라이드의 무반사코팅층과 마이크로렌즈 표면에 옥시나이트라이드와 SiO2의 이중층구조의 저굴절율 무반사코팅층을 형성하므로써 마이크로렌즈로 입사되는 광손실을 감소시켜 이미지센서의 광전송률을 개선시키는 효과가 있다.
또한 최소 반사율을 보장하는 기준파장을 청색파장대역에 지정하므로써 청색광의 감도를 향상시켜주고 낮은 광전력하에서도 높은 광전하 생성률을 보장하여 이미지센서의 저조도 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (6)
- 이미지센서의 마이크로렌즈 제조 방법에 있어서,포토다이오드를 포함한 소정공정이 완료된 반도체 기판상에 단일층 구조의 제1무반사코팅층을 형성하는 제 1 단계;상기 제1무반사코팅층 상부에 층간절연막을 형성하는 제 2 단계;상기 층간절연막 상에 컬러필터배열 및 마이크로렌즈를 형성하는 제 3 단계; 및상기 마이크로렌즈 상에 이중층 구조의 제2무반사코팅층을 형성하는 제 4 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2무반사코팅층은 1.85의 굴절율을 갖는 실리콘옥시나이트라이드 및 1.46의 굴절율을 갖는 산화막의 이중층으로 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 산화막은 SiO2 막을 이용함을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1무반사코팅층으로 굴절율이 2.6 인 실리콘나이트라이드를 이용함을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2무반사코팅층은 청색파장대역의 광감도를 향상시키기 위해 0.45㎛파장대역에서 입사광의 반사손실이 최소가 되도록 이중층으로 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1무반사코팅층은 상기 마이크로렌즈로 입사되는 입사광파장의 0.25배 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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