KR100638452B1 - 단부가 볼록한 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지 센서 및그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈의 가장자리 굴곡을 완화시켜 마이크로 렌즈 표면에서 전반사되는 광의 양을 감소시키고자 하는 것으로서, 그 단부가 볼록한 마이크로 렌즈를 제공하는데 특징이 있다. 이와 같이 마이크로 렌즈의 단부에 볼록부를 구비함으로써 수광부분을 마이크로 렌즈의 가장자리까지 확대시켜 수광효율을 향상시킬 수 있다.

이미지 센서, 마이크로렌즈, 가장자리, 전반사, 볼록

Description

단부가 볼록한 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor comprising microlens having convex surface at edge and method for forming the same}

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

도 2는 종래 이미지 센서 단위 픽셀 내부의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터 및 마이크로 렌즈를 보이는 단면도,

도 3은 빛의 전반사를 설명하기 위한 개략도,

도 4는 종래 마이크로 렌즈에서 발생하는 전반사를 보이는 단면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 단면도,

도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 형성 공정 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*

61: OCL 62A, 62B, 64A, 64B: 포토레지스트 패턴

63: 산화막 63A: 산화막 스페이서

64: 포토레지스트

본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 마이크로 렌즈 가장자리부의 수광효율을 향상시킬 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 단가 를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.

도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위 픽셀을 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 이미지 센서는 입사하는 빛을 손실없이 전자로 바꾸는 능력이 중요하다. 입사하는 빛을 전자로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자가 포토다이오드인데, 통상 이미지 센서의 단위 픽셀에는 도 1에 보이는 바와 같이 포토다이오드 뿐만 아니라 단위 픽셀 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.

도 2는 종래 이미지 센서 단위 픽셀 내부의 포토다이오드와 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor) 및 마이크로 렌즈를 보이는 단면도로서, 필드산화막(21), 트랜스퍼 트랜지스터(22), 포토다이오드(23) 및 센싱영역(24)이 형성된 반도체 기판(20) 상에 층간절연막(25)을 형성하고, 상기 층간절연막(25) 상에 단위 픽셀 중 포토다이오드(23) 이외의 영역을 덮는 차광막(26)을 금속막으로 형성하고, 평탄화용 절연막(27)을 형성한 다음, 빛을 모으기 위한 마이크로 렌즈(28)를 형성하고, 마이크로 렌즈(28)를 통해 빛이 입사되는 것을 보이는 단면도이다.

마이크로 렌즈를 통해 굴절된 빛이 모두 포토다이오드로 모아지는 것은 아니다. 따라서, 포토다이오드(23) 안으로 보다 많은 양의 빛이 입사되도록 하기 위해서는 빛의 입사경로를 정확하게 계산하여 완벽하고 정확한 마이크로 렌즈(28)를 형성하여야 하는데, 종래 기술상으로 그 실현이 용이하지 않다.

도 3과 같이 광선이 광학적으로 밀한 매질에서 그보다 소한 매질로 입사될 때, 입사각이 증가하면 굴절광선이 표면을 따라서 진행하게 된다. 이때 빛의 굴절각(θ₂)은 90 °가 되며 이때 입사각(θ₁)을 임계각(θ_c)이라 한다. 따라서, 임계각(θ_c)과 매질의 굴절율(n₁, n₂)의 관계는 다음의 수학식1과 같은 굴절법칙으로부터 수학식2와 같이 나타낼 수 있다.

마이크로 렌즈의 가장자리에서는 전반사가 일어나는 확률이 높기 때문에, 도 4에 보이는 바와 같이 마이크로 렌즈(ML)의 가장자리에 일정각도로 입사된 광(S)이 전반사되어 마이크로 렌즈의 면적(A) 보다 더 적은 면적(A') 만큼 광이 굴절된다. 이로 인하여 실제 포토다이오드로 수광되는 광의 양은 마이크로 렌즈의 면적보다 적어지고, 이로 인하여 광특성 효율이 저하되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 마이크로 렌즈 표면에서 전반사되는 광의 양을 감소시켜 광집속도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광감지 수단에 빛을 집광하기 위한 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지 센서에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는, 그 외주면이 제1 구의 일부로 이루어지는 제1 영역; 및 그 외주면이 상기 제1 구보다 반경이 작은 제2 구의 일부로 이루어지며 그 일단부가 상기 제1 영역의 일단부와 중첩되는 제2 영역으로 이루어지는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광감지 수단 상에 집광을 위한 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서, 상기 광감지 수단을 포함하는 하부층 형성이 완료된 전체 구조 상에 평탄화용 절연막을 형성하는 제1 단계; 상기 평탄화용 절연막 상에 상기 광감지 수단과 중첩되는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 산화막을 형성하는 제3 단계; 상기 산화막을 전면식각하여 상기 제1 포토레지스트 패턴 측벽에 곡면을 갖는 산화막 스페이서를 형성하는 제4 단계; 제1 포토레지스트 패턴의 일부를 제거하여 상기 산화막 스페이서 보다 높이가 낮은 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 제5 단계; 상기 제2 포토레지스트 패턴 상에, 상기 제2 포토레지스트 패턴보다 크기가 작은 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 제6 단계; 및 상기 제3 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 그 표면의 곡률반경이 상기 산화막 스페이서 표면의 곡률반경보다 큰 제4 포토레지스트 패턴을 형성하는 제7 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 마이크로 렌즈의 가장자리 굴곡을 완화시켜 마이크로 렌즈 표면에서 전반사되는 광의 양을 감소시키고자 하는 것으로서, 그 일단부와 타단부 중 적어도 어느 하나가 볼록한 마이크로 렌즈를 제공하는데 특징이 있다. 이와 같이 마이크로 렌즈의 단부에 볼록부를 구비함으로써 수광부분을 마이크로 렌즈의 가장자리까지 확대시켜 수광효율을 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈를 보이는 단면도로서, 그 외주면이 제1 구(S1)의 일부로 이루어지는 제1 영역(51), 그 외주면이 상기 제1 구(S1)보다 반경이 작은 제2 구(S2)의 일부로 이루어지며 그 단부가 상기 제1 영역(51)의 일단부와 중첩되는 제2 영역(52), 그 외주면이 상기 제1 구(S1)보다 반경이 작은 제3 구(S3)의 일부로 이루어지며 그 단부가 상기 제1 영역(51)의 타단부와 중첩되는 제3 영역(53)으로 이루어지는 마이크로 렌즈를 보이고 있다.

이하, 도 6a 내지 도 6g를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 형성 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 도 6a에 도시한 바와 같이, 필드산화막, 트랜스퍼 트랜지스터, 광감지를 위한 포토다이오드 및 센싱영역, 칼라필터 등을 포함하는 하부구조(도시하지 않음)를 덮는 평탄화용 절연막 즉, OCL(over coating layer, 61) 상에 1 ㎛ 정도 두께의 제1 포토레지스트 패턴(62A)을 형성한다. 계속하여, 이후에 진행되는 마이크로 렌즈 패턴 형성 공정에서 제1 포토레지스트 패턴(62A)이 현상되는 것을 방지하기 위해서 UV(ultra violet) 광을 이용해서 180 ℃ 내지 220 ℃ 온도로 하드베이킹을 실시한다.

다음으로 도 6b에 보이는 바와 같이, 전체 구조 상에 산화막(63)을 형성한다. 이때, 180 ℃ 내지 220 ℃ 온도에서 산화막(63)을 형성하여 제1 포토레지스트 패턴(62A)이 타지 않도록 한다.

이어서 도 6c에 도시한 바와 같이, 산화막(63)을 전면식각하여 제1 포토레지스트 패턴(62A) 측벽에 산화막 스페이서(63A)를 형성한다.

다음으로 도 6d에 보이는 바와 같이, 산화막에 대한 포토레지스트의 식각선택비가 우수한 조건에서 제1 포토레지스트 패턴(62A)의 일부만을 식각하여 산화막 스페이서(63A) 보다 높이가 낮은 제2 포토레지스트 패턴(62B)을 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 제1 포토레지스트 패턴(62A)의 1/2 두께를 식각으로 제거해서 제2 포토레지스트 패턴(62B)을 형성한다.

이어서 도 6e에 도시한 바와 같이, 전체 구조 상에 2 ㎛ 정도 두께의 포토레 지스트(64)를 도포한다.

다음으로 도 6f에 보이는 바와 같이, 포토레지스트(64)를 패터닝하여 제2 포토레지스트 패턴(62B) 상에 제3 포토레지스트 패턴(64A)을 형성한다. 이때, 제3 포토레지스트 패턴(64A)은 제2 포토레지스트 패턴(62B) 보다 작게 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 제1 포토레지스트 패턴(62A)과 제3 포토레지스트 패턴(64A)을 동일한 마스크를 이용하여 형성하되, 제1 포토레지스트 패턴(62A) 형성의 경우보다 노광공정에서 상대적으로 많은 빛을 조사하여 상대적으로 작은 제3 포토레지스트 패턴(64A)을 형성한다.

이어서 열을 가해 제3 포토레지스트 패턴(64A)을 플로우(flow)시켜 도 6g에 보이는 바와 같이, 제2 포토레지스트 패턴(62B)을 덮으며 그 표면이 볼록한 제4 포토레지스트 패턴(64B)을 형성한다.

이러한 과정에 따라, 제2 포토레지스트 패턴(62B) 및 제4 포토레지스트 패턴(64B)으로 이루어지는 제1 영역의 곡률반경 보다 제1 영역의 일단부 및 타단부에 각각 형성된 산화막 스페이서(63A)로 이루어지는 제2 영역 및 제3 영역의 곡률반경이 더 작은 마이크로 렌즈가 형성된다.

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 마이크로 렌즈로 입사되는 빛의 양을 증가시켜 이미지 센서의 수광특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 광감지 수단 상에 집광을 위한 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지 센서 제조 방법에 있어서,

   상기 광감지 수단을 포함하는 하부층 형성이 완료된 전체 구조 상에 평탄화용 절연막을 형성하는 제1 단계;

   상기 평탄화용 절연막 상에 상기 광감지 수단과 중첩되는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 제2 단계;

   상기 제2 단계가 완료된 전체 구조 상에 산화막을 형성하는 제3 단계;

   상기 산화막을 전면식각하여 상기 제1 포토레지스트 패턴 측벽에 곡면을 갖는 산화막 스페이서를 형성하는 제4 단계;

   제1 포토레지스트 패턴의 일부를 제거하여 상기 산화막 스페이서 보다 높이가 낮은 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 제5 단계;

   상기 제2 포토레지스트 패턴 상에, 상기 제2 포토레지스트 패턴보다 크기가 작은 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 제6 단계; 및

   상기 제3 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 그 표면의 곡률반경이 상기 산화막 스페이서 표면의 곡률반경보다 큰 제4 포토레지스트 패턴을 형성하는 제7 단계

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

   상기 제2 단계 후,

   상기 제1 포토레지스트 패턴을 베이크하는 제8 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제3 단계는,

   180 ℃ 내지 220 ℃ 온도에서 상기 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.

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