KR100640946B1 - 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 컬러 필터 어레이 및 마이크로 렌즈를 형성하는 공정 없이 격자를 이용하여 적색광, 녹색광 및 청색광을 분해하는 방법으로 시모스 이미지 센서 반도체 장치를 형성한다. 이를 위하여 본 발명에서는 파장이 다른 빛의 회절각을 이용하여 컬러 필터 어레이(color filter array)를 형성한다.

시모스 이미지 센서, 컬러 필터 어레이, 회절 격자

Description

시모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS image sensor and method for manufacturing the same}

도 1은 종래 방법에 의한 시모스 이미지 센서 (CMOS Image Sensor)의 마이크로 렌즈를 형성 과정을 설명하기 위한 단면도

도 2는 회절 격자의 빛 분해 원리를 설명하는 다이어그램

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 컬러 필터 어레이의 구조를 보여주는 다이어그램

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20,22 : 절연막 21 : 하부 마이크로 렌즈

23 : 회절 격자 24a,24b.24c: 포토 다이오드

본 발명은 시모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 시모스 이미지 센서 (CMOS Image Sensor) 반도체 장치를 제조하기 위한 공정은 광의 집속력을 높이기 위하여 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 포함한다. 이 마이크로 렌즈는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터를 통하여 포토 다이오드에 보다 많은 양의 광이 집속 되게 하는 역할을 한다. 이 마이크로 렌즈의 역할은 상기 시모스 이미지 센서 (CMOS Image Sensor)의 성능을 좌우하는 주요 인자로 작용한다.

종래 방법에 따르면, 상기 시모스 이미지 센서의 마이크로 렌즈는 볼록 렌즈 형상을 갖는다. 이런 볼록 렌즈의 마이크로 렌즈는 광의 집속 효율이 떨어져 시모스 이미지 센서 (CMOS Image Sensor)의 성능을 떨어뜨리는 단점이 있었다.

도 1은 종래 방법에 의한 시모스 이미지 센서 (CMOS Image Sensor) 반도체 장치의 마이크로 렌즈를 형성 과정을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1에 의하면, 빛(10)이 볼록 렌즈(1)에 의해 집속되고 이 집속된 빛이 컬러 필터층(2)을 통하여 포토 다이오드 (3)에 다시 집속된다.

그러나 종래 기술에 따르면 전술한 바와 같이 볼록 렌즈의 마이크로 렌즈를 사용하므로, 광의 집속 효율이 떨어지게 되고 나아가 시모스 이미지 센서 (CMOS Image Sensor)의 성능을 떨어뜨리게 되는 단점이 있었다

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 컬러 필터 어레이 및 마이크로 렌즈를 만드는 공정 없이 시모스 이미지 센서를 제조할 수 있도록 한 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 광의 집속 효율을 증대시킬 수 있도록 한 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면 컬러 필터 어레이 및 마이크로 렌즈를 형성하는 공정 없이 격자를 이용하여 적색광, 녹색광 및 청색광을 분해하는 방법으로 시모스 이미지 센서 반도체 장치를 형성한다. 이를 위하여 본 발명에서는 파장이 다른 빛의 회절각을 이용하여 컬러 필터 어레이(color filter array)를 형성한다.

본 발명의 일 형태에 의하면 시모스 이미지 센서는 백색광을 입력하여 서로 다른 회절 각도들을 갖는 색광들로 분해하는 회절 격자, 상기 회절 격자 하부에 형성된 절연막, 상기 절연막내에서 상기 서로 다른 회절각도들에 해당하는 위치들에 형성되고 해당 색광들을 집속하는 하부 마이크로 렌즈들, 그리고 상기 하부 마이크로 렌즈들에 상응하는 위치들에 형성되고 회절된 해당 색광들을 검출하는 포토 다이오드들로 구성된다.

본 발명의 다른 형태에 의하면 시모스 이미지 센서를 형성하는 방법은 제 1 절연막 내에 색광들의 회절 각도들에 해당하는 위치들에 하부 마이크로 렌즈들을 형성하는 스텝, 상기 제 1 절연막 상에 다시 제 2 절연막을 형성하는 스텝, 상기 제 2 절연막상에 격자를 형성하기 위한 마스크 공정을 수행하는 스텝, 그리고 빛을 투과시키지 않는 물질을 상기 마스크가 씌워지지 않은 부분 상에 형성하여 회절 격자를 형성하는 스텝을 구비한다.

이하에서 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 시모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 회절 격자의 빛 분해 원리를 설명하는 다이어그램이고, 도3은 본 발 명의 실시 예에 따른 컬러 필터 어레이의 구조를 보여주는 다이어그램이다.

전술한 바와 같이, 본 실시 예에서는 컬러 필터 어레이(Color Filter Array) 및 마이크로 렌즈(Micro Lens) 형성 공정 없이 격자를 이용하여 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue) 빛을 분해하여 이미지 센서(image sensor) 반도체 장치를 형성한다. 먼저, 도2에 나타낸 바와 같이, 백색광이 격자를 통과하면 파장이 다른 빛들은 서로 다른 회절각들을 가지고 진행된다.

도 2에서, 적색광이 가장 작은 회절각을 갖으며, 녹색광이 그 다음으로 큰 회절각을 청색광이 가장 큰 회절각을 갖는다. 따라서, 상기 각각 해당 각도로 회절된 광들은 각각 다른 위치에 도달된다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 적색(Red) 공정, 청색(blue) 공정, 녹색(Green) 공정, 그리고 평탄화 공정을 수행하지 않고 단순히 회절 격자와 하부 마이크로 렌즈들(lens) 공정만으로 상기 컬러 필터 어레이(CFA: color filter array)를 형성한다.

이하에서, 본 발명의 실시 예에 따라 컬러 필터 어레이(Color Filter Array)를 형성하는 공정을 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 산화막과 같은 절연막(20) 내에 빛들의 회절 가도에 해당하는 위치들에 하부 마이크로 렌즈들(Micro Lens)(21)을 형성하고 나서, 상기 절연막(20)상에 다시 산화막(Oxide)과 같은 절연막(22)을 증착한다(Deposition).

이어서, 이 절연막(22)상에 회절 격자(23)를 형성하기 위한 마스크(Mask)을 공정 수행하고 나서 빛이 투과하지 않도록 금속(Metal)이나 폴리(Poly)와 같은 빛 을 투과시키지 않는 물질을 마스크가 씌워지지 않은 부분 상에 증착(Deposition) 시키는 매립 공정을 수행한다.

따라서, 상기 회절 격자가 형성된다. 마지막으로, 화학 기계 연마(CMP: chemical machine polishing) 공정이 수행된다. 여기서, 상기 회절 격자(23)를 형성하는데 있어서 그 물질로서는 빛을 차단하는 물질뿐만 아니라 빛을 흡수하는 물질 또는 빛을 반사하는 물질을 사용할 수도 있다.

여기서, 원리는 회절의 원리와 동일하다. 상기 적색, 녹색, 및 청색광들은 파장이 짧을수록 큰 회절각을 갖으며, 파장이 길수록 작은 회절각을 갖는다. 본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 상기 격자를 통과한 백색광으로부터 빛의 세 가지 색깔인, 적색, 녹색, 및 청색광들을 분해한다.

이러한 상기 광들과 이들에 해당하는 회절각들의 관계는 아래의 식(1)로 표현될 수 있다.

2nd sineΘ= mλ (1)

식(1)에서, n =굴절율, d=경로차, Θ=회절각, 그리고 m=정수이다.

도3에서, 상기 격자(23)를 통과한 상기 백색광은 상기 서로 다른 회절각들에 따라 서로 다른 색광들, 녹색광, 적색광 및 청색광으로 분해되고 각 색광들은 해당 하부 마이크로 렌즈들(21)로 집속된다. 이때, 상기 하부 마이크로 렌즈들(21)은 각각 해당하는 포토 다이오드(photo diode)들 (24a)(24b)(24c)로 전달된다. 도3에서, 24a는 적색광을 검출하는 포토 다이오드이고, 24b는 청색광을 검출하는 포토 다이오드이며, 그리고 24c는 녹색광을 검출하는 포토다이오드들이다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 시모스 이미지 센서 (CMOS Image Sensor)의 제조 공정 중 격자를 이용하여 간단히 컬러 필터 어레이(Color Filter Array)를 형성함으로서 별도의 컬러 필터(color filter)용 포토레지스트(PR: photo resist)를 사용하지 않고 간단하게 컬러 필터 어레이를 구성할 수 있다.

또한, 컬러 필터 어레이 형성시 마스크(Mask) 공정 횟수가 줄어 들고 및 컬러 포토 레지스트(Color PR) 코팅(Coating) 및 현상(Develop) 하는 스피너(Spinner) 같은 장비를 요구하지 않으므로 제조 원가가 절감되는 효과가 있다.

또한, 컬러 필터 사이즈(Color Filter Size)가 점점 줄어들면서 공정 개발에 어려움이 많은데 간단하게 격자만으로 컬러 필터 어레이(CFA)를 구성 할 수 있어 고 해상력과 고 집적도를 갖는 시모스 이미지 센서(Image Sensor)를 고집적도로 형성 할 수 있다.

Claims (11)

1. 백색광을 입력하여 서로 다른 회절 각도들을 갖는 색광들로 분해하는 회절 격자;

   상기 회절 격자 하부에 형성된 절연막;

   상기 절연막내에서 상기 서로 다른 회절각도들에 해당하는 위치들에 형성되고 해당 색광들을 집속하는 하부 마이크로 렌즈들; 그리고

   상기 하부 마이크로 렌즈들에 상응하는 위치들에 형성되고 회절된 해당 색광들을 검출하는 포토 다이오드들로 구성됨을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 색광들은 적색광, 녹색광, 및 청색광 임을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연막은 산화막 임을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 회절 격자는 빛을 차단하는 물질, 빛을 흡수하는 물질 및 빛을 반사하는 물질 중 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 회절 격자는 금속 또는 폴리 실리콘으로 구성됨을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
6. 제 1 절연막 내에 색광들의 회절 각도들에 해당하는 위치들에 하부 마이크로 렌즈들을 형성하는 스텝;

   상기 제 1 절연막 상에 다시 제 2 절연막을 형성하는 스텝;

   상기 제 2 절연막상에 격자를 형성하기 위한 마스크 공정을 수행하는 스텝; 그리고

   빛을 투과시키지 않는 물질을 상기 마스크가 씌워지지 않은 부분 상에 형성하여 회절 격자를 형성하는 스텝을 구비함을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 회절 격자를 형성하고 나서 화학 기계 연마(CMP: chemical machine polishing) 공정이 수행하는 스텝이 더 구비됨을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 회절 격자는 빛을 차단하는 물질, 빛을 흡수하는 물질 및 빛을 반사하는 물질 중 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 회절 격자는 금속 또는 폴리 실리콘으로 구성됨을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 절연막은 산화막 임을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
11. 제 6 항에 있어서, 상기 하부 마이크로 렌즈들에 상응하는 위치들에 회절된 해당 색광들을 검출하는 포토 다이오드들을 형성하는 스텝을 더 구비함을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.

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