KR100596751B1 - 칩스케일 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

칩스케일 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 이 이미지 센서는 주변회로가 형성된 제 1 기판과 이미지 센서의 픽셀 어레이가 형성된 제 2 기판을 포함한다. 상기 제 2 기판은 상기 제 1 기판 상에 적층되는 것이 바람직하다. 상기 필셀 어레이와 상기 주변회로는 광역 배선에 의해 전기적으로 연결된다.

Description

칩스케일 이미지 센서 및 그 제조방법{CHIP SCALE IMAGE SENSOR AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1은 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 주변회로를 형성하는 방법을 나타낸 공정단면도이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 형성하는 방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 4은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 모듈 형성방법을 설명하는 단면도이다.

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로써, 더 구체적으로 3차원 적층구조를 가지는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

CMOS이미지 센서는 기존의 CCD 이미지 센서에 비해 구동방식이 간단하며, 신호 처리회로를 하나의 칩에 집적할 수 있어 모듈의 소형화가 가능하고, 통상의 CMOS제조공정을 적용하여 형성할 수 있기 때문에 제조단가를 낮출 수 있는 등 많은 장점을 지니고 있다. CMOS이미지 센서의 제조 공정은 반도체 소자의 제조 공정과 매우 유사하다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 CMOS이미지 센서는 영상이 입력되는 픽셀 영역(a)의 주변에 신호처리회로 또는 로직회로 등이 형성되는 주변회로 영역(b)으로 구성될 수 있고, 상기 픽셀 영역(a)에 포토 다이오드(12)가 형성된다. 종래의 CMOS이미지 센서는 다층 배선을 형성하기 위하여 복수층의 층간절연막(14)과 배선들(16)이 적층되어 있고, 상기 포토 다이오드(12) 상에 칼라 필터(18)와 마이크로 렌즈(20)가 형성되어 있다.

이 같은 종래의 구조에서는 적층된 층간절연막들 사이의 계면에서 빛의 난반사가 발생될 수 있고, 굴절율이 서로 다른 물질막들 사이의 계면에서 빛의 굴절에 의한 감도가 저하될 수 있다. 또한, 제조공정을 진행하는 동안 증착, 식각 및 사진공정이 반복되기 때문에 마이크로 렌즈(20)와 포토 다이오드(12) 사이의 광투과를 방해하는 결함들이 존재하여 결함 픽셀을 발생시키는 문제를 가지고 있다.

종래와 같이 픽셀 영역(a)과 주변회로 영역(b)이 평면적으로 배치되는 구조에서는 다양한 모듈들을 하나의 칩에 탑재하기 위하여 칩의 사이즈를 증가시켜야 하기 때문에 시스템 온 칩을 구현이 어려운 점도 있다.

본 발명의 기술적 과제는 적층막들 사이의 계면에서 빛의 난반사 및 굴절을 감소시키는 것에 의해 포토 다이오드에 전달되는 빛의 감도를 증가시켜 이미지 센서의 감도를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 칩 사이즈를 증가시키지 않고 시스템 온 칩을 구현할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여 본 발명은 픽셀 어레이와 회로 영역을 독립적으로 형성하여 결합된 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 이 이미지 센서는 주변회로가 형성된 제 1 기판과 이미지 센서의 픽셀 어레이가 형성된 제 2 기판을 포함한다. 상기 제 2 기판은 상기 제 1 기판 상에 적층되는 것이 바람직하다. 상기 필셀 어레이와 상기 주변회로는 광역 배선에 의해 전기적으로 연결된다.

구체적으로, 상기 픽셀 어레이는 구동 트랜지스터 및 광 다이오드를 포함하고 매트릭스 상으로 배열된 복수개의 픽셀을 포함한다. 상기 픽셀 상에 상기 광다이오드를 노출시키는 개구부를 가지는 차광막이 형성되고, 상기 광 다이오드 상부에 칼라 필터 및 마이크로 렌즈가 형성된다. 상기 주변회로는 복수층의 다층 금속 배선을 포함하되, 상기 다층 금속 배선은 상기 광역 배선과 전기적으로 연결되어 상기 픽셀 어레이에 연결된다.

본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은 제 1 기판 상에 복수개의 수동 소자 및 능동 소자를 형성하고, 상기 제 1 기판 상에 소정의 수동 소자 및 능동 소자에 전기적으로 연결된 다층 금속 배선을 형성하는 것을 포함한다. 제 2 기판 상에 광다이오드 및 구동 트랜지스터를 포함하는 복수의 픽셀들이 메트릭스 상으로 배열된 픽셀 어레이를 형성한다. 상기 광다이오드 상부에 칼라필터 및 마이크로 렌즈를 형성한다.

제 1 기판 및 제 2 기판은 실장(package)단계에서 결합될 수 있다. 즉, 상기 제1 기판 및 상기 제 2 기판을 적층하여 상기 주변회로와 상기 픽셀 어레이를 전기적으로 연결할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 사상은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이와 주변회로를 각기 다른 기판에 형성하여 결합한다.

도 2a 내지 도 2c는 주변회로를 형성하는 방법을 나타낸 공정단면도들이다.

도 2a를 참조하면, 제 1 기판(100)에 소자분리막(102)을 형성하여 활성영역을 한정하고 상기 활성영역에 트랜지스터(Ta)를 형성한다. 도시하지는 않았지만, 제 1 기판(100)에는 트랜지스터 뿐만 아니라 다이오드, 저항, 커패시터 및 인덕터 등 다양종류의 수동 소자 및 능동 소자를 형성함으로써 로직 회로 및 신호 처리회로를 구현할 수 있다.

도 2b를 참조하면, 상기 수동소자 및 능동 소자가 형성된 기파의 전면에 제 1 층간절연막(104)을 형성하고, 상기 수동소자 및 능동 소자(도면에서는 트랜지스터 Ta)에 접속되는 제 1 배선(106)을 형성한다.

도 2c를 참조하면, 상기 제 1 배선(106)이 형성된 기판의 전면에 제 2 층간절연막(108)을 형성하고, 상기 제 2 층간 절연막(108) 상에 제 2 배선(110)을 형성한다. 상기 제 2 배선(110)은 상기 제 2 층간 절연막(108)을 관통하여 소정의 제 1 배선(106)에 접속된다. 계속해서, 제 3 층간절연막(112), 제 3 배선(114) 및 패시베이션막(116)을 형성한다. 상기 배선들은 제 1 기판에 형성되는 회로에 따라 복수층이 적층되어 다층 금속 배선으로 이루어질 수 있다. 도시 하지는 않았지만, 통상의 마이크로 칩과 같이 상기 다층 금속 배선에 외부 신호를 입출력하거나 전원을 연결하기 위한 패드가 형성될 수 있고, 상기 기판을 관통하여 픽셀 어레이와 전기적으로 연결될 수 있는 광역 배선(global interconnections)이 형성될 수도 있다.

도 3a 내지 도 3c는 픽셀 어레이를 형성하는 방법을 나타낸 공정단면도들이다.

도 3a를 참조하면, 제 2 기판(200)에 소자분리막(204)을 형성하여 다이오드 영역 및 활성영역을 한정한다. 상기 다이오드 영역에 광다이오드(206)를 형성하고, 상기 활성영역에 픽셀을 구동하기 위한 구동 트랜지스터(Tx)가 형성된다. 기판 레벨의 픽셀 어레이는 통상적인 이미지 센서의 픽셀 어레이와 동일하게 형성할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 상기 광다이오드(206) 및 상기 구동 트랜지스터(Tx)가 형성된 기판의 전면에 가시광선의 투과성이 우수한 제 1 투광막(208)을 형성한다. 상기 투광막은 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있는 물질들로 부터 선택하여 형성할 수 있다. 즉, 종래의 이미지 센서와는 달리 주변회로들의 특성 향상을 고려할 필요 없이 이미지 센서의 감도 개선 측면을 고려함으로써 물질막의 선택 폭이 확대될 수 있다. 상기 제 1 투광막(208) 상에 칼라 필터(210)을 형성한다.

도 3c를 참조하면, 칼라필터(210)가 형성된 기판의 전면에 제 2 투광막(212) 을 형성하고, 상기 제 2 투광막(212) 상에 마이크로 렌즈(214)를 형성한다. 본 발명에 따르면 광다이오드의 구동 트랜지스터를 억세스 하기 위한 배선층만이 요구되기 때문에 광다이오드(206)과 칼라 필터(210) 및 마이크로 렌즈(214) 사이의 물질막을 최소화할 수 있고, 광 감도 개선을 고려할 때 물질막의 선택 폭도 넓은 이점이 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 모듈 형성방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 주변회로 및 픽셀 어레이가 각각 형성된 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)은 칩 스케일 패키징 방법을 적용하여 결합할 수 있다. 이 때 기판의 결합 방법은 공지된 칩스케일 패키징 방법 가운데 선택할 수 있다. 예컨대, 도시된 것과 같이, 픽셀 어레이 및 주변회로를 본딩 범퍼를 이용하여 결합할 수도 있고, 와이어 본딩에 의한 방법으로 결합할 수도 있다. 픽셀 어레이가 형성된 제 2 기판의 구동 트랜지스터는 기판을 관통하여 형성된 광역 배선에 연결되고, 상기 광역 배선과 주변회로가 본딩범퍼에 의해서 되거나 본딩 와이어에 의해서 연결될 수 있다. 본 발명에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이가 독립적으로 형성되기 때문에 도시된 것과 같이 복수의 마이크로 칩을 적층함으로써 멀티칩 패키지를 구현할 수도 있다.

상술한 것과 같이 본 발명에 따르면 이미지 센서의 픽셀 어레이와 주변회로를 각기 다른 기판에 형성한 후 패키징 단계에서 결합함으로써 주변회로의 다층 금 속 배선을 형성하기 위한 반복적인 제조공정을 픽셀 어레이에는 적용하지 않기 대문에 픽셀 어레이의 광 감도를 저하시키않고, 광 다이오드와 칼라필터 및 마이크로 렌즈 사이의 거리를 최소화할 수 있고, 이들 사이의 투광막의 선택 폭을 확대할 수 있기 때문에 이미지 센서의 감도를 더욱 더 향상시킬 수 있다.

또한, 픽셀 어레이와 주변회로를 칩 스케일 패키징 기술을 적용하여 적층결합할 수 있기 때문에 다양한 회로들이 결합된 멀티칩 패키징을 구현할 수 있고, 디바이스의 크기를 증가시키지 않고 다기능을 가지는 이미지 센서를 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 주변회로가 형성된 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상에 적층되어 입사되는 광신호를 전기신호로 변환하는 이미지 센서의 픽셀 어레이가 형성된 제 2 기판; 및
    상기 제 1 기판 상의 상기 픽셀 어레이와 상기 제 2 기판 상의 상기 주변회로를 전기적으로 연결하는 광역 배선을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이는,
    구동 트랜지스터 및 광 다이오드를 포함하고 매트릭스 상으로 배열된 복수개의 픽셀;
    상기 광 다이오드 상부에 형성된 칼라 필터; 및
    상기 칼라 필터 상부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 주변회로는 복수층의 다층 금속 배선을 포함하되,
    상기 다층 금속 배선은 상기 광역 배선과 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제 1 기판 상에 복수개의 수동 소자 및 능동 소자를 형성하는 단계;
    상기 제 1 기판 상에 상기 수동 소자 및 능동 소자를 덮는 절연층 상에 관통홀을 통해 상기 수동 소자 및 능동 소자를 선택적으로 전기적으로 연결하는 다층 금속 배선을 형성하는 단계;
    제 2 기판 상에 광다이오드 및 구동 트랜지스터를 포함하는 복수개의 픽셀들이 메트릭스 상으로 배열된 픽셀 어레이를 형성하는 단계;
    상기 복수개의 픽셀을 구성하는 상기 광다이오드와 대응되게 상기 광다이오드의 상부에 제 1 투광막을 개재시켜 칼라필터를 형성하는 단계;
    상기 칼라필터와 대응되게 상기 칼라필터의 상부에 제 2 투광막을 개재시켜 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 기판 및 상기 제 2 기판을 적층하고 상기 주변회로와 상기 픽셀 어레이를 광역 배선으로 전기적으로 연결하는 실장 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
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