KR100638451B1 - 산화막으로 이루어지는 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후속 열공정에 안정하며 노출시 상대적으로 손상이 적은 물질로 이루어지는 평탄화층을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 광감지 수단, 상기 광감지 수단 상부에 형성된 칼라필터 및 상기 칼라필터 상에 형성된 제1 산화막 패턴 및 상기 산화막 패턴 측벽에 형성된 산화막 스페이서로 이루어지는 집광수단을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

이미지 센서, 칼라필터, 단차, 마이크로 렌즈, 산화막

Description

산화막으로 이루어지는 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor having microlens made of oxide layer and method for forming the same}

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

도 2는 종래 이미지 센서 단위픽셀 내부의 포토다이오드, 칼라필터 및 마이크로 렌즈 및 저온산화막을 보이는 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

31: 포토다이오드 R, G, B: 칼라필터

34: 제1 산화막 34a: 제1 산화막 패턴

35: 제2 산화막 35a: 산화막 스페이서

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 칼라필터 형성시 유발되는 단차에 의한 마이크로 렌즈의 변형을 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. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체의 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.

화상인식 소자로 사용되는 이미지센서는 입사하는 빛을 손실없이 전자로 바꾸는 능력이 중요하다. 입사하는 빛을 전자로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자가 포토다이오드인데, 통상 이미지센서의 단위픽셀에는 도 1에 보이는 바와 같이 포토다이오드 뿐만 아니라 단위픽셀 내부의 신호처리를 위한 회로가 복합적으로 구성되기 때문에 포토다이오드의 면적에 제한이 따르게 된다. 이를 극복하기 위하여 단위픽셀 상부에 마이크로렌즈를 형성하여 단위픽셀로 입사하는 빛 중에서 포토다이오드 영역 이외의 지역으로 입사하는 빛을 포토다이오드로 모아준다. 이와 같이 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 통하여 이미지 센서의 광집속도를 향상시킬 수 있다.

즉, 광소자에서 마이크로 렌즈의 역할은 광다이오드 영역에 많은 광량이 집속될 수 있도록 하는 것이다. 종래 감광막을 이용한 마이크로 렌즈 형성 공정에서는 그 이전에 형성된 칼라필터의 단차에 의해 렌즈의 두께가 달라지는 것을 방지하기 위해 마이크로 렌즈 형성 이전에 평탄화용 감광막을 형성한다. 또한, 마이크로 랜즈 형성 공정 이후 소자에 유입되는 결함(defect)의 효율적인 제거를 위해 저온에서 산화막을 증착하여 사용하고 있다.

도 2는 종래 이미지 센서 단위 픽셀 내부의 포토다이오드, 칼라필터 및 마이크로 렌즈를 보이는 단면도로서, 포토다이오드(21), 금속배선(도시하지 않음) 등을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(20) 상에 층간절연막(22)을 형성하고, 상기 층간절연막(22) 상에 칼라필터(R, G, B)를 형성하고, 평탄화층(24)을 형성한 다음, 평탄화층(24) 상에 빛을 모으기 위한 마이크로 렌즈(25)를 형성하고, 소자에 결함이 유입되는 것을 방지하기 위한 산화막(26)을 형성한 것을 보이고 있 다.

종래 이미지 센서 제조 공정에서 칼라필터(R, G, B) 형성시 각각의 색 필터를 형성하면서 이전에 형성된 색필터에 의해 형성 순서에 따라서 단차가 발생하게 된다. 단차가 발생된 상태에서 바로 렌즈를 형성하면 각 색 필터 위에 렌즈 두께가 달라져 렌즈 플로우 공정 후 그 크기가 달라지게 된다. 이를 방지하기 위해서 전술한 종래 제조 방법과 같이 칼라필터(R, G, B) 형성이 완료된 상태에서 감광막으로 평탄화층(24)을 형성한 다음 마이크로 렌즈(25)를 형성한다. 그러나 평탄화층(24)을 이루는 감광막은 후속 열공정에 의해 변형될 우려가 있고, 공정 마지막 단계에서 진행되는 패드(pad) 식각시 노출되면 습식식각에 의해 손상되어 소자의 불량원인이 되기도 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 후속 열공정에 안정하며 노출시 상대적으로 손상이 적은 물질로 이루어지는 평탄화층을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광감지 수단; 상기 광감지 수단 상부에 형성된 칼라필터; 및 상기 칼라필터 상에 형성된 제1 산화막 패턴 및 상기 산화막 패턴 측벽에 형성된 산화막 스페이서로 이루어지는 집광수단을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 적어도 일색의 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터 상에 140 ℃ 내지 220 ℃의 온도에서 제1 산화막을 형성하고 마이크로 렌즈 형성용 마스크를 이용하여 상기 제1 산화막을 상기 칼라필터 보다 작은 면적을 갖도록 선택적으로 식각하되 상기 제1 산화막은 식각되는 부분에서 일부가 잔류하여 상기 칼라필터가 노출되지 않도록 식각하여 산화막 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 산화막 패턴 측벽에 산화막 스페이서를 형성하여, 상기 산화막 패턴 및 상기 산화막 스페이서로 이루어지는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

삭제

본 발명은 종래 감광막을 이용한 마이크로 렌즈 형성과 달리 산화막을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성함으로써 칼라필터 형성에 따라 유발되는 단차의 영향을 감소시킬 수 있다.

이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 3a에 도시한 바와 같이, 포토다이오드(31)를 포함한 하부구조 형성 이 완료된 반도체 기판(30) 상에 층간절연막(32)을 형성하고, 상기 층간절연막(32) 상에 칼라필터(R, G, B)를 형성하고, 전체 구조 상에 제1 산화막(34)을 형성한다.

상기 칼라필터(R, G, B)는 제1 색 칼라필터의 예로서 블루 칼라필터(B)를 형성하고, 제2 색 칼라필터 예로서 레드 칼라필터(R)를 형성한 다음, 제3 색 칼라필터의 예로서 그린 칼라필터(G)를 형성한다.

다음으로 도 3b에 보이는 바와 같이, 마이크로 렌즈 형성용 마스크를 이용하여 제1 산화막(34)을 선택적으로 식각해서 상기 칼라필터(R, G, B) 보다 면적이 작은 제1 산화막 패턴(34a)을 형성하면서, 그 하부의 칼라필터(R, G, B)가 손상되는 것을 방지하기 위하여 산화막(34)의 일부를 각 칼라필터(R, G, B) 상에 잔류시킨다. 상기 제1 산화막 패턴(34a)은 포토다이오드 이외의 영역으로 유입되는 빛을 모으기 위한 것이므로 포토다이오드 내부로 입사되는 빛에 대해서는 집속을 위한 렌즈 형태를 만들지 않아도 된다.

이어서 도 3c에 도시한 바와 같이, 전체 구조 상에 제2 산화막(35)을 형성한다.

다음으로 상기 제2 산화막(35)을 전면식각하여 도 3d에 보이는 바와 같이, 제1 산화막 패턴(34a)을 측벽에 산화막 스페이서(35a)를 형성하여, 제1 산화막 패턴(34a) 및 산화막 스페이서(35a)로 이루어지는 마이크로 렌즈를 형성한다.

전술한 본 발명의 실시예에서 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막 각각은 140 ℃ 내지 220 ℃ 온도에서 형성한다.

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 산화막으로 마이크로 렌즈를 형성함으로써 이미지 센서의 제조 공정을 단순화시키고 경제적인 이득 및 소자의 불량 요인을 감소시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   수광수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 층간절연막을 형성하는 단계;

   상기 층간절연막 상에 적어도 일색의 칼라필터를 형성하는 단계;

   상기 칼라필터 상에 140 ℃ 내지 220 ℃의 온도에서 제1 산화막을 형성하고 마이크로 렌즈 형성용 마스크를 이용하여 상기 제1 산화막을 상기 칼라필터 보다 작은 면적을 갖도록 선택적으로 식각하되 상기 제1 산화막은 식각되는 부분에서 일부가 잔류하여 상기 칼라필터가 노출되지 않도록 식각하여 산화막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 산화막 패턴 측벽에 산화막 스페이서를 형성하여, 상기 산화막 패턴 및 상기 산화막 스페이서로 이루어지는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 산화막 스페이서를 형성하는 단계는,

   상기 산화막 패턴 형성이 완료된 전체 구조 상에 140 ℃ 내지 220 ℃의 온도에서 제2 산화막을 형성하는 단계; 및

   상기 제2 산화막을 전면식각하여 상기 산화막 패턴 측벽에 상기 산화막 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 칼라필터를 형성하는 단계는,

   제1 색의 칼라필터를 형성하는 단계;

   제2 색의 칼라필터를 형성하는 단계; 및

   제3 색의 칼라필터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.

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