KR100628230B1 - 경사진 계면의 컬러필터를 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

경사진 계면의 컬러필터를 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경사진 계면의 컬러필터를 갖는 이미지 센서에 관한 것으로, 이웃하는 다른 색상부와의 계면이 경사진 컬러필터부를 포함하는 구조로, 집광 렌즈의 면적을 최대한 키울 수 있으며 또 집속하지 못하는 빛의 위신호를 흡수하여 광전변환 되지 않도록 하여 선명하고 감도가 좋은 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지센서, 컬러필터층

Description

경사진 계면의 컬러필터를 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법{Image Sensor comprising a color filter having slop-interface and Method of manufacturing the same}
도 1은 B/W 센서 단면도,
도 2는 평탄층 형성상태의 센서 단면도,
도 3은 컬러필터층 형성상태의 센서 단면도,
도 4는 컬러필터층 형성상태의 센서 단면도,
도 5는 컬러필터층 형성상태의 센서 단면도,
도 6은 종래의 첫째 컬러필터층 프로파일,
도 7은 종래의 컬러필터층 상부 두번째 컬러필터층 도포상태 프로파일,
도 8은 종래의 컬러필터층간의 프로파일,
도 9는 종래의 컬러필터층 상부의 오버코트층 형성상태,
도 10은 본 발명의 마스크 사이즈,
도 11은 본 발명의 첫번째 컬러 패턴,
도 12는 본 발명의 두번째 컬러 패턴,
도 13은 본 발명의 두번째 컬러 패턴의 상세도,
도 14는 통상의 프라이머리 컬러 스펙트럴,
도 15는 오버레이 G/R 컬러 스펙트럴,
도 16은 집광렌즈 형성상태의 센서 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
30, 60, 70: 컬러필터층
본 발명은 경사진 계면의 컬러필터를 갖는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 집광 렌즈의 면적을 최대한 키울 수 있으며 또 집속하지 못하는 빛의 위신호를 흡수하여 광전변환 되지 않도록 하여 선명하고 감도가 좋은 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서용 기구를 제조함에 있어서, 이미지를 받아들이는 이미지 평면에 존재하는 포토다이오드의 갯수가 해상도를 결정하기 때문에 고화소화로의 진전 및 소형화에 따른 단위 화소의 미세화가 이루어지고 있다. 따라서 이렇게 소형화 및 고화소화로의 진전에 따라 외부 화상의 입력을 이미지 평면에 집속함에 있어서 단위화소의 크기가 작아지고, 빛을 받아들이는 수광부의 면적이 줄어들게 됨에 따라 빛의 감응정도를 높이기 위하여 집광용 렌즈를 형성하게 된다.
이 집광 렌즈는 컬러필터층 하부 또는 상부에 형성을 하게 된다. 이 집광 렌즈의 단면적에 따라 입사하는 빛의 집속량이 달라지기 때문에 집광용 렌즈를 최대한 키우는 방향으로 하여 보다 많은 빛을 집속하고 또 집속하지 못하는 빛의 양을 줄여 위신호를 줄여 보다 선명한 화상을 얻을 수 있는 방향으로 기술이 개발되고 있다.
앞서 언급한 대로 이미지 센서의 소형화, 다화소화로의 변화에 따라 단위면적당 더 많은 화소를 만들고 있으며 화소 크기가 작아짐에 따라 상부에 온칩으로 형성하는 컬러필터 및 마이크로렌즈층의 사이즈 또한 작아진다. 단위화소 크기가 작아짐에 따라 빛을 받아들이는 포토다이오드 영역의 축소에 따라 감도는 줄어들게 된다. 따라서 줄어드는 감도를 보상하기 위해서 추가적으로 이너 렌즈를 형성하여 F-수(F-number)에 따른 집속각도의 변화에 맞도록 입사유도 및 포토다이오드와의 거리가 길어짐에 따라 빛의 벗어남을 보정하거나, 마이크로렌즈의 사이즈를 최대한 키우는 방향으로 진행이 일어나고 있다.
또한 이러한 방법 이외에도 줄어드는 감도를 보상하기 위해서는 더 많은 빛을 받아들여야 하는데 그렇게 하기 위해선 개구부를 늘리는 방법과 상부에 집광 마이크로렌즈를 형성하는 방법 등이 있는데 개구부는 대부분 금속층으로 형성을 하게 되며 이 금속층은 배선 및 차광 역할을 하게 되며, 단위화소로 입사하여 차광막 상부로 입사하는 입사광을 집광 렌즈를 통해 개구부로 빛을 굴절시켜 집속을 함에 있어서 집광 렌즈를 키움에 따라 렌즈가 서로 붙거나 떨어지는 정도가 조금씩 다르게 되어 화상의 균일도가 나빠지며, 또 마이크로렌즈 하부의 컬러필터층의 영향을 받게 되어, 인접 컬러필터층의 정보가 혼합되어 들어오기도 하여 색 재현성 및 콘트라스트가 나빠지게 된다. 또한, 컬러필터층 형성시 안료의 혼합에 따른 광 해상도 저하로 정렬노광시 정밀한 패턴 형성이 어려우며, 컬러필터층 간의 중첩이나 공간 형성으로 상부 평탄층이 반드시 필요하게 되는 추가공정이 필요하게 된다.
따라서 본 발명은 집광 렌즈의 면적을 최대한 키울 수 있으며 또 집속하지 못하는 빛의 위신호를 흡수하여 광전변환 되지 않도록 하여 선명하고 감도가 좋은 이미지 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 이와 같은 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 본 발명의 또다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는, 이웃하는 다른 색상부와의 계면이 경사진 컬러필터부를 포함하는 것이다.
여기서 상기 다른 색상부와의 사이에 불투명한 쐐기상의 경계부를 가질 수 있으며, 또한, 경사면의 크기는 상기 계면의 경사면 밑면 길이로 한정하여 설명할 수 있는데 집광렌즈의 데드 스페이스의 길이로부터 2배 이내로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 목적을 달서하기 위한 본 발명의 이미지 센서 제조방법은, 이웃하는 다른 색상부와의 계면이 경사진 컬러필터부를 갖는 이미지 센서를 제조하기 위하여, 먼저 형성하는 색상부의 위치할 면적보다 소정 면적 줄어든 마스크를 준비하여 사진식각 방법으로 색상부를 형성하는 단계; 상기 색상부를 과잉 노광시켜 색상부의 측면이 소정 기울기를 갖도록 계면에 경사면을 부여하는 단계; 이후 순차적으로 이웃하는 다른 색상부를 사진식각 방법으로 형성하여 이를 노광시키는 단계;로 계면이 경사진 컬러필터부를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 다른 색상부를 형성하는 단계가 그 설계면적보다 줄어든 마스크로 이 색상부를 형성하고, 이를 과잉 노광시켜 소정 기울기를 갖게 하여 이웃과의 계면에 쐐기상의 공간을 형성한 후, 이 공간에 불투명한 유기물질을 채워 경계부를 형성하는 것도 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법의 또 다른 예가 될 수 있다.
그리고, 상기 컬러필터부를 형성한 이후 오버코트층의 형성없이 집광렌즈를 형성하는 단계로 이루어질 경우 보다 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 B/W 센서 단면도로서 기판(10)상에 포토다이오드(12)가 형성되어 있고 메탈(14)로 구획된 구조를 보여준다.
이 컬러필터층을 형성하기 위해 다음과 같은 방법을 따른다.
본 발명의 이미지 센서는 먼저 통상의 CMOS 또는 CCD 공정을 통해서 실리콘 기판에 이미지 센서를 형성한다. 이렇게 형성된 이미지 센서에 컬러 필터링이 가능하도록 컬러필터를 형성하여 색차분리가 가능하게 컬러필터층을 형성하여 색상 인식이 가능한 이미지 센서 형성이 이루어진다.
보다 상세하게 실리콘 기판에 통상의 방법으로 CCD 또는 CMOS 형태로 이미지 센서를 형성하고, 상부에 패시베이션이 된 상태에서 상부에 형성될 컬러필터층 프로파일 및 균일도 향상을 위하여 평탄층을 가시파장 영역에서 투명성이 좋은 유기물질계열로 형성을 한다. 도 2는 평탄층 형성상태의 센서 단면도로서 평탄층(20) 이 형성된 구조를 보여준다.
상기 평탄층(20) 상부에 선택적으로 필터링이 일어나도록 각 화소에 컬라필터층을 통상의 포토리소그래피 방법으로 형성을 하게 된다. 즉, R/G/B 색상을 선택적으로 세 번에 걸쳐 포토리소그래피 공정을 행하여 컬러필터층을 형성하게 된다. 도 3, 도 4 및 도 5는 컬러필터층(30) 형성을 순차적으로 보여준다.
컬러필터층을 위의 순서대로 3번에 걸쳐 형성을 함에 있어서 본 발명은 기존의 컬러필터층의 중첩이나 빈 공간이 발생되는 문제점을 다음과 같이 해결한다. 기존의 컬러필터층의 문제점을 설명하기 위해 도 6 내지 도 9를 이용하여 설명하면, 도 6은 종래의 첫째 컬러필터층(60) 프로파일을 보여주며, 도 7은 종래의 컬러필터층(60) 상부 두번째 컬러필터층(70) 도포상태 프로파일, 도 8은 종래의 컬러필터층간의 프로파일로 좌측은 빈공간(80)이 형성되어 있고 우측은 오버랩 형태를 나타낸다. 도 9는 종래의 컬러필터층(70) 상부에 오버코트층(90)이 형성된 상태를 보여준다.
여기서 3번에 걸쳐 컬러필터층을 통상의 포토리소그래피 공정으로 이루어짐에 있어서, 처음으로 형성하는 컬러필터층의 프로파일이 중요하게 되는데 색분리 패턴의 측면의 모양이 평탄층면에서 90도 또는 그 이상의 음의 모양 형태로 패턴이 형성되게 된다. 이렇게 형성된 첫째 패턴의 프로파일에 의해 두 번째 컬러필터층 도포시 표면 토폴로지에 의해 상기 첫째 패턴의 에지 부분의 단차에 의해 오버랩 되는 부분의 두 번째 컬러필터층 포토레지스트의 도포 두께가 두꺼워지며 또한 정렬노광시 마스크 디자인 및 웨이퍼 정렬, 현상 등등 여러 가지 공정 팩터에 의해 도 8과 같은 패턴 프로파일을 얻게 된다.
따라서 본 발명에서는 컬러필터층을 초록색을 형성할 경우에 첫째 색상 마스크를 다른 색상 마스크에 비해 작게 디자인하여 노광시 노광 에너지를 상대적으로 많이 가져갈 수 있도록 마진을 부여하여 노광 및 현상 후에 양의 경사면을 갖도록 한다. 이를 보여주는 것이 도 10과 도 11으로서, 도 10은 컬러필터층 첫째 색상 마스크(100)를 다른 색상 마스크(102)보다 작게 디자인 하여 마진(104)을 부여하여 노광하여 첫째 컬러필터층(110)의 측면에 경사면(112)을 갖는 구조이다.
그리고 두 번째 색상 형성을 위한 도포 공정에서 있어서, 종래와는 다르게 첫 번째 색상 패턴의 에지 부분에서의 양의 경사면에 따라 두 번째 색상 포토레지스트 도포시에 두꺼워지는 경향이 없어지며 두 번째 색상 노광시 정렬 마진 및 노광 또는 마스크 드로잉에 있어서 공정능력지수가 넓어지게 된다. 도 12가 이를 보여주고 있으며, 계면(120)이 경사진 컬러필터층(122)의 일실시예를 도시한 것이다.
두 번째 색상의 경우, 첫 번째 색상의 패턴 프로파일에 의해 자연스럽게 그 기울기에 따라서 형성이 되며, 여기서, 노광 및 현상 등의 공정에서 마진이 많아지게 되며, 또한 색상층의 단차 없이 평탄 상태에서의 오버랩으로 감색효과로 인하여 차광 효과를 만들 수 있게 된다.
도 13은 경사면(130)이 소정 각도(θ)로 경사져 있으며 경사면의 수직 밑면의 길이(d)를 설명하기 위한 도면으로, 첫 번째 색상과 두 번째 색상의 오버랩 두께인 수직 밑면의 길이(d)는 마이크로렌즈 데드 공간의 2배 정도까지 형성을 하여도 가능하다.
도 14는 통상의 프라이머리 컬러 스펙트럴이고, 도 15는 오버레이 G/R 컬러 스펙트럴로서 이 그래프에서 보여주는 바와 같이 옵티칼 블랙 이펙트(Optical Black effect)를 향상할 수 있으며 이는 각 화소간의 계면에서 불명확한 색정보를 흡수하여 보다 정확하고 선명한 화상정보 입력에 도움이 되는 효과가 발생된다.
상술한 예와 다르게 다른 색상부를 형성하는 단계가 그 설계면적보다 줄어든 마스크로 이 색상부를 형성하고, 이를 과잉 노광시켜 소정 기울기를 갖게 하여 이웃과의 계면에 쐐기상의 공간을 형성한 후, 이 공간에 불투명한 유기물질을 채워 경계부를 형성하는 것도 같은 효과를 가질 수 있다.
이와 같은 공정으로 인해 컬러필터층이 평탄화가 이루어지게 되므로 별도의 오버코트층을 형성할 필요없이 직접 컬러필터층에 마이크로렌즈를 형성할 수 있게 된다. 도 16은 이와 같은 공정을 통해 형성된 집광렌즈 형성상태의 센서 단면도를 나타낸다.
본 발명의 효과는 이미지 센서용 컬러 필터를 제조함에 있어서, 각각의 화소에 컬러필터층을 보다 안정적이고 편리하게 또 보다 선명한 화상을 얻기 위한 효과가 있다.
즉, 본 발명은 컬러 필터를 형성함에 있어서, 컬러필터층의 형성을 위한 마스크 패턴 드로우 사이즈에 마진을 넓혀 화소 사이즈의 미세화에 대응 가능하며, 각각의 색상 층간의 중첩이나 빈 공간의 발생을 효율적으로 제거하여 계면에서 발생하는 불명확한 정보를 흡수하여 차공 효과를 얻을 수 있으며 컬러필터층 형성시 노광 프로세스 마진을 높여 생산성 및 품질을 향상할 수 있으며 컬러필터층의 평탄도 향상으로 오버코트층이 필요 없게 공정을 단축시킬 수 있는 이점이 발생된다.

Claims (6)

  1. 이웃하는 다른 색상부와의 계면이 소정 기울기를 갖는 경사면으로 형성된 컬러필터부를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다른 색상부와의 사이에 불투명한 쐐기상의 경계부를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계면의 경사면 밑면 길이를 집광렌즈의 데드 스페이스의 길이로부터 2배 이내로 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 이웃하는 다른 색상부와의 계면이 경사진 컬러필터부를 갖는 이미지 센서를 제조하기 위하여,
    먼저 형성하는 색상부의 위치할 면적보다 소정 면적 줄어든 마스크를 준비하여 사진식각 방법으로 색상부를 형성하는 단계;
    상기 색상부를 과잉 노광시켜 색상부의 측면이 소정 기울기를 갖도록 계면에 경사면을 부여하는 단계;
    이후 순차적으로 이웃하는 다른 색상부를 사진식각 방법으로 형성하여 이를 노광시키는 단계;로 계면이 경사진 컬러필터부를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    다른 색상부를 형성하는 단계가 그 설계면적보다 줄어든 마스크로 이 색상부를 형성하고, 이를 과잉 노광시켜 소정 기울기를 갖게 하여 이웃과의 계면에 쐐기상의 공간을 형성한 후, 이 공간에 불투명한 유기물질을 채워 경계부를 형성하는 것임을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 컬러필터부를 형성한 이후 오버코트층의 형성없이 집광렌즈를 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
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