KR100648997B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광의 집광 능력을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토다이오드들과, 상기 각 포토다이오드를 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층과, 상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 각 포토다이오드와 대응되게 상기 평탄화층의 표면에 소정깊이로 형성되는 다수개의 트랜치와, 상기 트랜치의 내부에 형성되는 다수의 제 1 마이크로렌즈와, 상기 각 제 1 마이크로렌즈를 감싸면서 형성되는 제 2 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
CMOS 이미지 센서, 마이크로렌즈, 트랜치

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS Image sensor and Method for fabricating of the same}
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 : 포토다이오드 32 : 층간 절연층
33 : 보호막 34 : 칼라 필터층
35 : 평탄화층 36 : 트랜치
37 : 제 1 마이크로렌즈 38 : 제 2 마이크로렌즈
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 광의 집광 효율을 최대화하여 이미지 센서의 성능을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로써, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 소자로 크게 나눌 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.
광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.
이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.
종래 기술의 씨모스 이미지 센서는 도 1에서와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(11)들과, 상기 포토 다이오드(11)들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(12)과, 상기 층간 절연층(12)상에 형성되는 보호막(13)과, 상기 보호막(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 상기 칼라 필터층(14)상에 형성되는 평탄화층(15)과, 상기 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(11)로 빛을 집광하는 마이크로렌즈(16)로 구성된다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 상기 층간 절연층(12)내에는 포토 다이오드(11)의 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광층(Optical Shielding Layer)이 구성된다.
그리고 광을 감지하기 위한 소자로 포토 다이오드 형태가 아니고, 포토 게이트 형태로 구성되는 것도 가능하다.
여기서, 상기 마이크로렌즈(16)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이(도 1의 'A') 등이 결정되는데, 폴리머 계열의 수지가 주로 사용되고, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
즉, 단위 화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 광감지 소자의 두께, 그리고 차광층의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반 경으로 형성되어야 한다.
상기 마이크로렌즈(16)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 감광성 레지스트가 주로 사용되고, 상기 감광성 레지스트를 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 감광성 레지스트를 패터닝하여 감광성 레지스트 패턴을 형성하고, 상기 감광성 레지스트 패턴을 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
한편, 상기 감광성 레지스트의 노광 조건(focus)에 따라 패턴 프로파일(pattern profile)의 모양이 변화한다.
예를 들면, 서브-레이어(sub-layer)의 박막 조건에 따라 프로세스(process) 진행 조건이 변화한다. 따라서 마이크로렌즈의 프로파일도 변화한다.
이와 같이 종래 기술의 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)를 제조하기 위한 공정에서 광의 집속력을 높이기 위하여 형성되는 마이크로렌즈(16)는 이미지 센서의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다.
상기 마이크로렌즈(16)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터(14)를 통하여 포토 다이오드(11)에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.
이미지 센서로 입사된 빛은 마이크로렌즈(16)에 의해 집광되어 칼라 필터층(14)을 통해 필터링된 광은 칼라 필터층(14)의 하단에 대응되어 구성되는 포토 다이오드(11)에 입사된다.
이때, 차광층은 입사된 광이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한 다.
결국, 상기와 같은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조할 때, 현실적으로 감광성 레지스트 패턴의 형성 조건이 매우 불안정안 경향이 있으며 결과적으로 광의 집속 효율이 떨어져 씨모스 이미지 센서의 성능을 저하시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 마이크로렌즈의 곡률을 향상시킴으로써 광의 집속 능력을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 포토다이오드들과, 상기 각 포토다이오드를 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층과, 상기 층간 절연층상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 각 포토다이오드와 대응되게 상기 평탄화층의 표면에 소정깊이로 형성되는 다수개의 트랜치와, 상기 트랜치의 내부에 형성되는 다수의 제 1 마이크로렌즈와, 상기 각 제 1 마이크로렌즈를 감싸면서 형성되는 제 2 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연층 상에 일정한 간격을 갖는 다수의 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 각 포토다이오드와 대응하도록 상기 평탄화층의 표면에 소정깊이를 갖는 다수의 트랜치를 형성하는 단계와, 상기 각 트랜치의 내부에 제 1 마이크로렌즈들을 형성하는 단계와, 상기 각 제 1 마이크로렌즈를 감싸도록 일정한 곡률을 갖는 제 2 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 구조 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31)들과, 상기 각 포토 다이오드(31)들을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층(32)과, 상기 층간 절연층(32)상에 형성되는 보호막(33)과, 상기 포토 다이오드(31)에 대응하여 보호막(33)상에 구성되고, 각각의 포토 다이오드(31)에 특정 파장대의 빛을 필터링하여 조사하는 칼라 필터층(34)들과, 상기 칼라 필터층(34)들을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층(35)과, 상기 평탄화층(35)의 표면에 소정깊이로 상기 각 포토 다이오드(31)와 대응되게 형성되는 트랜치(36)와, 상기 트랜치(36)의 내부에 형성되는 제 1 마이크로렌즈(37)들과, 상기 각 제 1 마이크로렌즈(37)를 감싸면서 빛을 집속하여 포토 다이오드(31)로 조사하는 제 2 마이크로렌즈(38)들을 포함하고 구성된다.
여기서, 상기 트랜치(36)는 상기 칼라 필터층(34)보다 좁은 폭을 갖고 상기 칼라 필터층(34)과 대응되게 형성되어 있다.
또한, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)는 상기 트랜치(36)의 내부에 형성되고 상기 평탄화층(35)의 표면보다 위로 돌출되게 형성된다.
또한, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)와 제 2 마이크로렌즈(38)는 굴절율이 다른 물질 즉, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)는 SiON으로 이루어지고, 상기 제 2 마이크로렌즈(38)는 포토레지스트로 이루어지거나 반대로 제 1 마이크로렌즈(37)는 포토레지스트로 이루어지고, 상기 제 2 마이크로렌즈(38)는 SiON으로 이루어질 수도 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연층(32)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연층(32)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 상기 포토 다이오드(31) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.
이어, 상기 층간 절연층(32)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성한다.
그리고 상기 보호막(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)들을 형성한다.
이어, 상기 칼라 필터층(34)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 평탄화층(35)을 형성한다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 칼라 필터층(34)보다 좁은 폭을 갖도록 포토 및 식각 공정을 통해 상기 평탄화층(35)을 선택적으로 제거하여 표면으로부터 소정깊이를 갖는 다수의 트랜치(36)를 형성한다.
여기서, 상기 각 트랜치(36)는 상기 포토 다이오드(31)와 대응되게 형성되어 있다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 각 트랜치(36)를 포함한 전면에 마이크로렌즈용 물질층을 증착한다.
이어, 노광 및 현상 공정을 통해 상기 마이크로렌즈용 물질층을 선택적으로 패터닝하여 상기 각 포토 다이오드(31)와 대응되게 상기 트랜치(36)의 내부에 제 1 마이크로렌즈(37)들을 형성한다.
여기서, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)는 상기 트랜치(36)의 내부에 형성되고 상기 평탄화층(35)의 표면보다 위로 돌출되게 형성된다.
또한, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)는 상기 칼라필터층(34)과 대응되면서 작은 폭을 갖고 형성된다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)를 포함한 전면에 마이크로렌즈용 물질층을 코팅한다.
여기서, 상기 마이크로렌즈용 물질층은 산화막 또는 레지스트 등을 사용할 수 있다.
한편, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)가 형성된 전면에 마이크로렌즈용 물질층을 코팅하게 되면, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)가 형성된 부분에 대응된 부분은 일정한 단차를 가지면서 곡률을 갖게 된다.
이어, 노광 및 현상 공정에 의한 패터닝하여 상기 제 1 마이크로렌즈(37)를 감싸는 제 2 마이크로렌즈(38)를 형성한다.
여기서, 상기 제 2 마이크로렌즈(38)를 형성한 후에 최적의 곡률 반경을 유지하기 위하여 열에 의한 리플로우 공정이나 자외선 등을 조사하여 경화시킬 수도 있다.
따라서, 빛은 제 2 마이크로렌즈(38), 제 1 마이크로렌즈(37)를 투과하면서 광(光)의 집속력이 높아지고 더불어 칼라 필터층(34)의 선명도를 높일 수 있다.
또한, 마이크로렌즈를 형성하기 위한 리플로우 열공정 이후에 문제가 발생하는 경우에 재공정(Rework)을 실시하여야 하는데, 다층 렌즈 구조이기 때문에 칼라 필터 형성 공정부터 다시 진행하지 않고 마이크로렌즈 형성 공정부터 다시 진행하면 되므로 재공정의 단순화 및 비용 측면에서의 절감 효과가 있다.
한편, 상기 제 1 마이크로렌즈(37)와 제 2 마이크로렌즈(38)는 굴절율을 다른 재질을 이용하여 형성할 수도 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 제 2 마이크로렌즈를 형성함에 있어서, 코팅 단계에서 자연적으로 일정한 곡률을 갖는 마이크로렌즈 프로파일을 형성함으로써 광의 집속 효율을 높일 수 있다.
둘째, 광의 집속 효율이 높아지게 되어 칼라 필터를 통과한 빛이 포토 다이오드에 많이 입사되어 색상의 구현을 더욱 확실하게 할 수 있다.
셋째, 색상의 구현을 확실하게 함으로써 씨모스 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
넷째, 2중 마이크로렌즈를 형성함으로써 마이크로렌즈의 곡률을 향상시키어 집광 효율을 극대화시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 포토다이오드들과,
    상기 각 포토다이오드를 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 층간 절연층과,
    상기 층간 절연층상에 상기 각 포토다이오드와 대응되게 일정한 간격을 갖고 형성되는 칼라 필터층과,
    상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과,
    상기 각 포토다이오드와 대응되게 상기 평탄화층의 표면에 형성되는 트랜치와,
    상기 트랜치의 내부에 형성되는 제 1 마이크로렌즈와,
    상기 각 제 1 마이크로렌즈를 감싸면서 형성되는 제 2 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 마이크로렌즈는 상기 평탄화층의 표면보다 돌출되어 형성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 마이크로렌즈와 제 2 마이크로렌즈는 굴절율을 다른 물질로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  4. 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연층상에 상기 각 포토다이오드와 대응되게 일정한 간격을 갖도록 칼라 필터층들을 형성하는 단계;
    상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 각 포토다이오드와 대응하도록 상기 평탄화층의 표면에 트랜치를 형성하는 단계;
    상기 각 트랜치의 내부에 제 1 마이크로렌즈들을 형성하는 단계;
    상기 각 제 1 마이크로렌즈를 감싸도록 일정한 곡률을 갖는 제 2 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 마이크로렌즈와 제 2 마이크로렌즈는 굴절율이 다른 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 마이크로렌즈를 형성하는 단계는
    상기 제 1 마이크로렌즈를 포함한 반도체 기판의 전면에 렌즈 형성용 물질층을 코팅하는 단계;
    상기 렌즈 형성용 물질층을 선택적으로 패터닝하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 패터닝된 렌즈 형성용 물질층을 리플로우하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 마이크로렌즈에 자외선을 조사하여 경화하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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