KR100587141B1 - 시모스 이미지센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 포토다이오드에 대부분 전달될 수 있는 이미지 센서와 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상에 구비되는 마이크로 렌즈; 및 상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈 사이에 구비되어, 상기 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 상기 포토다이오드로 집광시키기 위한 이중슬릿을 구비하는 시모스 이미지 센서를 제공한다.

이미지센서, 칼라필터, 이중슬릿, 포토다이오드, 마이크로 렌즈

Description

시모스 이미지센서 및 그의 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

도1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 블럭구성도.

도2는 통상적인 CMOS 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도,

도3은 종래기술에 의한 CMOS 이미지센서의 단위화소의 단면도.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소의 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

30 : 기판 31 : 포토다이오드

32a,32b : 층간절연막 33,36,39,42 : 콘택

34,37,43 : 금속배선 44 : 페시베이션막

45 : 칼라필터 46 : 마이크로 렌즈

본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 특히 효율적으로 빛을 모을 수 있는 시모스 이미지센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.

그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

도1은 통상적인 CMOS 이미지센서의 블럭구성도이다.

도1을 참조하여 살펴보면 CMOS 이미지센서는 다수의 단위화소가 어레이된 픽셀 어레이와, 상기 픽셀어레이에서 출력되는 아날로그신호를 디지털 신호로 전환하는 ADC 블럭과, ADC 블럭에서 출력되는 디지털값을 저장하는 라인버퍼와, 입력된 어드레스를 디코딩하여 픽셀어레이의 단위화소를 선택하기 위한 디코더/픽셀 드라이버와, 디코더/픽셀드라이버를 제어하기 위한 제어 레지스터 및 로직을 구비한다.

도2는 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로 팅확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)을 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.

도3은 종래기술에 의한 CMOS 이미지센서의 단위화소 단면도이다.

도3을 참조하여 살펴보면, 반도체 기판(11)에는 입사광을 이용하여 광전하를 생성하는 포토다이오드(13)가 도시되어 있으며, 이러한 포토다이오드(13)는 개개의 단위화소에 대응하여 구비되어 있다.

참고로, 도3에는 단위화소를 구성하는 각종 트랜지스터들은 도시되어 있지 않다. 그리고, 포토다이오드(13)가 구비된 반도체 기판(11)상에는 층간절연막(17)이 형성되어 있으며, 층간절연막(17)상에는 페시베이션막(23)이 구비되어 있다.

통상적으로 시모스 이미지센서에서는 3개 층 이상의 금속배선과 복수층의 금속층간 절연막이 사용되고 있는데, 도3에서는 이를 두개의 금속배선(15,21)과, 금속배선을 연결하는 콘택(19)으로 표시하였다.

시모스 이미지 센서는 렌즈를 통해 입사되는 빛이 포토다이오드(13) 부분에 많이 도달해야 이미지센서의 감도가 증가한다. 따라서 포토다이오드(13)의 면적은 넓어야 하고, 마이크로 렌즈의 포커스 길이는 포토다이오드(13)의 빛이 잘 모이도 록 맞춰야 한다.

그러나, 이미지센서의 픽셀수가 증가함에 따라 포토다이오드의 영역은 감소하고 금속배선수가 증가함에 따라 마이크로 렌즈의 포커스 길이가 충분하지 못하여 포토다이오드에 도달하는 빛의 감도가 감소하는 문제점이 발생하게 되었다.

또한, 포토다이오드 면적 감소에 따라 마이크로 렌즈의 크기도 작아지게 되어 오히려 포커스 길이가 포토다이오드가 위치 곳으로 정확하게 맞추기도 매우 어려워지고 있다.

도3에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈의 초점이 X라고 가정하면, 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 포토다이오드까지 도달하지 못하여, 이미지센서의 감도가 떨어지는 문제점이 생기고 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 포토다이오드에 대부분 전달될 수 있는 이미지 센서와 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상에 구비되는 마이크로 렌즈; 및 상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈 사이에 구비되어, 상기 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 상기 포토다이오드로 집광시키 기 위한 이중슬릿을 구비하는 시모스 이미지 센서를 제공한다.

또한 본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상에 구비되는 마이크로 렌즈; 상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈 사이에 구비되며, 상기 포토다이오드로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치된 N층의 금속배선; 및 상기 N개층 금속배선중에서 선택된 하나의 층에 상기 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 상기 포토다이오드로 집광시키기 위해 구비된 이중슬릿을 구비하는 시모스 이미지 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 기판상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치된 N-2층의 금속배선을 형성하는 단계; 상기 N-1층에 상기 포토다이오드로 빛을 집광시키기 위한 이중 슬릿을 형성하는 단계; 상기 이중 슬릿상에 N번째 금속배선을 형성하는 단계; 및 상기 칼라필터상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 130nm 노드(node)이하 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 작은 포토다이오드에 광원이 집속될 수 있도록 다이오드와 마이크로 렌즈사이에 이중슬릿을 형성시켜, 빛을 회절시켜 포토다이오드에 집속시킬 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소의 단면도이다.

도4를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 마이크로 렌즈가 형성되는 영역의 하단에 n-1층 즉, 마이크로 렌즈가 형성된 하단의 두번째 층에 이중 슬릿을 형성시킨 것이 가장 큰 특징이다. 이중슬릿에 의해 마이크로 렌즈를 통과한 빛은 회절현상을 일으켜 포토다이오드(31)에 모아지게 되며, 금속배선수가 높아질수록 빛의 집속효과는 더 증가된다.

이중슬릿을 통과한 빛은 회절되며, 보강, 상쇄 간섭되어 이중슬릿의 정가운데 위치 하단에 구비된 포토다이오드에 모이게 된다.

이 때 이중 슬릿에 의한 2,3,..차 보강 간섭된 빛은 슬릿과 슬릿중앙에 위치한 포토다이오드(31)에 모이게 된다. 이를 곱하고 슬릿간격을 곱한 값의 정수배만큼 떨어져 빛이 모이게 된다.

따라서 도4에 도시된 바와 같이 슬릿사이에 위치한 포토다이오드에 형성된 빛을 제외한 2,3,...차 회절되어 형성된 빛을 제거하기 위하여 n-1층의 금속배선 아래에는 빛을 흡수하여 통과시키지 않은 흡수막(A ~ D)을 설치하여야 한다.

흡수막으로는 유전상수값이 큰 산화막을 증착하게 되며, 보통 SiN, SiC등을 사용하며, TzO₂, ZrO, AlO등을 사용할 수도 있다.

이하에서는 도4를 참조하여 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 살 펴본다.

먼저 도4에 도시된 바와 같이, 기판상에 포토 다이오드(31)를 형성한다.

이어서 흡수막(A)를 기판상에 형성한 다음, 포토다이오드(31)의 상단 영역을 선택적으로 제거한다. 이는 포토다이오드(31)이 있는 영역을 제외한 모든 영역에 빛이 흡수되는 것을 막기 위함이다.

이어서 층간절연막(32a)을 형성하고, 흡수막(A)이 형성된 영역의 층간절연막(32a)상에 흡수막(B)을 흡수막(A)와 같이 형성한다. 층간절연막(32a)을 선택적으로 제거한 후 제거된 곳에 콘택(33)을 형성한다.

이어서 층간절연막(32b)을 형성하고, 층간절연막(32b)을 선택적으로 제거한 다음 금속배선(34)을 형성한다.

이어서 흡수막(B)이 형성된 곳과 같은 영역의 층간절연막(32b)상에 흡수막(C)을 형성하고, 그 상부에 층간절연막(35)을 형성한다. 이어서 층간절연막(35)을 선택적으로 제거하여 콘택(36)과 금속배선(37)을 형성한다.

이어서 흡수막(D)을 형성하고, 그 상부에 층간절연막(38)을 형성하고, 선택적으로 층간절연막(38)을 제거한 다음, 금속배선(37)과 연결되는 콘택(39)을 형성한다.

이어서 층간절연막(38)을 선택적으로 일정부분 제거한 다음, 이중슬릿(40)을 형성한다. 이중슬릿(40)은 도시된 바와 같이 빛이 통과하는 촛점을 2군데 만들어진 3조각의 금속배선으로 형성된다.

이 때 형성되는 이중슬릿(40)은 N개의 금속배선이 있는 층 어디에나 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 N-1개의 층에 형성시켰다.

이어서 층간절연막(41)을 형성하고, 이중슬릿(40)의 양쪽 금속조각이 노출되도록 선택적으로 제거한 후, 제거된 곳에 콘택(42)과 금속배선(43)을 형성한다.

이어서 페시베이션 막(44)을 형성하고, 페시베이션 막(44)상에 레드(R), 블루(B), 그린(G)의 칼라필터(45)를 형성한다. 이어서 그 상부에 마이크로 렌즈(46)를 형성한다.

본 실시예에서 콘택(33,36,39,42)은 텅스텐등을 이용하고, 층간절연막(32a,32b,35,38,41)은 산화막계열로 형성하며, 금속배선(34,37,43)은 TaN, Ta, Cu등을 이용하여 형성한다.

이때 형성되는 금속배선(34, 37, 43)는 포토다이오드(31)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치된다. 층간절연막(32a,32b,35,38,41)은 금속배선(34, 37, 43)간의 절연을 위해 형성된 것이다.

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

본 발명에 의해서 시모스이미지 센서에 있어서, 마이크로 렌즈 아랫부분에 이중슬릿을 형성함으로서 빛을 포토 다이오드에 집속하는 효과가 뛰어나며, 이에 따라 포토 다이오드의 면적을 크게 줄일 수 있어 픽셀의 집적도를 높일 수 있다.

Claims (16)

1. 포토다이오드;

   상기 포토다이오드 상에 구비되는 마이크로 렌즈; 및

   상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈 사이에 구비되어, 상기 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 상기 포토다이오드로 집광시키기 위한 이중슬릿

   을 구비하는 시모스 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중슬릿과 상기 포토다이오드 사이에, 상기 포토다이오드로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되며, 상기 이중 슬릿을 통해 회절된 빛을 흡수하기 위한 흡수막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 흡수막은

   SiN, SiC, TzO₂, ZrO 또는 AlO중에서 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중 슬릿과 상기 마이크로 렌즈 사이에 칼라필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중슬릿은

   상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈사이에 구비되는 금속배선으로 형성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
6. 포토다이오드;

   상기 포토다이오드 상에 구비되는 마이크로 렌즈;

   상기 포토다이오드와 상기 마이크로 렌즈 사이에 구비되며, 상기 포토다이오드로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치된 N층의 금속배선; 및

   상기 N개층 금속배선중에서 선택된 하나의 층에 상기 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 상기 포토다이오드로 집광시키기 위해 구비된 이중슬릿

   을 구비하는 시모스 이미지 센서.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 이중슬릿과 상기 포토다이오드 사이에, 상기 포토다이오드로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되며, 상기 이중 슬릿을 통해 회절된 빛을 흡수하기 위한 흡수막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 흡수막은

   SiN, SiC, TzO₂, ZrO 또는 AlO중에서 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 이중 슬릿과 상기 마이크로 렌즈 사이에 칼라필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 N층의 금속배선을 각각 절연시키기 위한 층간절연막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 이중슬릿은 N-1층의 금속배선층에 형성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
12. 기판상에 포토다이오드를 형성하는 단계;

    상기 포토다이오드로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치된 N-2층의 금속배선을 형성하는 단계;

    상기 N-1층에 상기 포토다이오드로 빛을 집광시키기 위한 이중 슬릿을 형성하는 단계;

    상기 이중 슬릿상에 N번째 금속배선을 형성하는 단계; 및

    상기 칼라필터상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계

    를 포함하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 N번째 금속배선상에 칼라필터를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 이중 슬릿을 통해 회절되어 나오는 빛을 막기 위한 흡수막을 상기 포토다이오드로 입사하는 빛을 막지 않도록 상기 이중 슬릿과 상기 포토다이오드 사이에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 흡수막은

    상기 N-2개의 금속배선층에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 흡수막은 SiC, SiN, TaO₂, ZrO 또는 AlO 막중에서 적어도 하나를 이용 하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.

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