KR100649023B1 - 씨모스 이미지 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서의 수광 능력을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 형성된 층간 절연막과, 상기 층간 절연막상에 일정한 간격을 갖고 형성된 컬러 필터층과, 상기 컬러 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 평탄화층상에 중심부분과 가장자리 부분이 반구형 형상을 갖고 형성되는 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
마이크로렌즈, 컬러 필터층, 이미지 센서
Description
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도
도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도
도 3은 빛이 광학적으로 소한 매질에서 밀한 매질로 입사될 때 굴절법칙을 수학식과 도면으로 나타낸 도면 것이다.
도 4는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 5는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 가장자리(A)에서 일어나는 현상을 도시한 도면
도 6은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 반도체 기판 101 : 포토다이오드
102 : 층간 절연막 103 : 컬러 필터층
104 : 평탄화층 105 : 제 1 절연막
106 : 감광막 107 : 제 2 절연막
110 : 마이크로렌즈
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 수광 능력을 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.
상기 CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.
이러한, 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집광 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로렌즈를 만 들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.
이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.
한편, CMOS 이미지 센서는 트랜지스터의 개수에 따라 3T형, 4T형, 5T형 등으로 구분된다. 3T형은 1개의 포토다이오드와 3개의 트랜지스터로 구성되며, 4T형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터로 구성된다. 상기 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소에 대한 등가회로 및 레이아웃(lay-out)을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도이고, 도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도이다.
일반적인 3T형 씨모스 이미지 센서의 단위 화소는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 포토다이오드(PD; Photo Diode)와 3개의 nMOS 트랜지스터(T1, T2, T3)로 구성된다. 상기 포토다이오드(PD)의 캐소드는 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 드레인 및 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)의 게이트에 접속되어 있다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 nMOS 트랜지스터(T1, T2)의 소오스는 모두 기준 전압(VR)이 공급되는 전원선에 접속되어 있고, 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)의 게이트는 리셋신호(RST)가 공급되는 리셋선에 접속되어 있다. 또한, 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 소오스는 상기 제 2 nMOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 드레인은 신호선을 통하여 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속되고, 상기 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)의 게이트는 선택 신호(SLCT)가 공급되는 열 선택선에 접속되어 있 다. 따라서, 상기 제 1 nMOS 트랜지스터(T1)는 리셋 트랜지스터(Rx)로 칭하고, 제 2 nMOS 트랜지스터(T2)는 드라이브 트랜지스터(Dx), 제 3 nMOS 트랜지스터(T3)는 선택 트랜지스터(Sx)로 칭한다.
일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액티브 영역(10)이 정의되어 액티브 영역(10) 중 폭이 넓은 부분에 1개의 포토다이오드(20)가 형성되고, 상기 나머지 부분의 액티브 영역(10)에 각각 오버랩되는 3개의 트랜지스터의 게이트 전극(3,40,50)이 형성된다. 즉 상기 게이트 전극(30)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(40)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(50)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다. 여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(30,40,50) 하측부를 제외한 부분에 불순물 이온이 주입되어 각 트랜지스터의 소오스/드레인 영역이 형성된다. 따라서, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)와 상기 드라이브 트랜지스터(Dx) 사이의 소오스/드레인 영역에는 전원전압(Vdd)이 인가되고, 상기 셀렉트 트랜지스터(Sx) 일측의 소오스/드레인 영역은 판독회로(도면에는 도시되지 않음)에 접속된다.
상기에서 설명한 각 게이트 전극(30,40,50)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
도 3은 빛이 광학적으로 소한 매질에서 밀한 매질로 입사될 때, 입사간이 증가하여도 굴절율이 높은 재료를 사용하여 반사각을 높여 마이크로렌즈의 가장자리 에서 일어나는 전반사를 감소시켜 광 집속도를 향상시킬 수 있는 굴절법칙을 수학식과 도면으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그의 마이크로렌즈 형성에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(12)와, 상기 포토 다이오드(12)를 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 형성되는 층간 절연층(13)과, 상기 층간 절연층(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 컬러 필터층(14)과, 상기 컬러 필터층(14)상에 형성되는 평탄화층(15)과, 상기 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 컬러 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(12)로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(16)로 구성된다.
여기서 도면에 도시하지 않았지만, 상기 층간 절연층(13)내에는 포토 다이오드 영역의 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 컬러 필터층(14)은 R(red), G(green), B(blue)의 컬러 필터로 구성되며, 상기 각 컬러 필터는 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 형성된다.
또한, 상기 마이크로렌즈(16)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 감광성 레지스트가 주로 사용되고, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
도 5는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 가장자리(A)에서 일어나는 현상을 도시한 도면이다.
도 5에서와 같이, 광학적으로 밀한 매질에서 소한 매질로 입사될 때, 입사각이 증가하면 굴절광선이 표면을 따라 진행됨을 알 수 있다.
이때 마이크로렌즈(16)를 통해 입사되어 굴절된 빛이 전부 포토다이오드(12)로 모아지는 것은 아니기 때문에 포토다이오드 내로 보다 많은 양의 빛이 입사되도록 하기 위해서는 빛의 입사 경로를 통한 개선이 이루어져야만 하지만, 종래의 기술로는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 중심부분과 가장자리 부분에 반구형을 갖는 마이크로렌즈를 구성함으로써 마이크로렌즈의 가장자리에서 손실되는 빛을 방지하여 이미지 센서의 수광 능력을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 형성된 층간 절연막과, 상기 층간 절연막상에 일정한 간격을 갖고 형성된 컬러 필터층과, 상기 컬 러 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 형성되는 평탄화층과, 상기 평탄화층상에 중심부분과 가장자리 부분이 반구형 형상을 갖고 형성되는 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막상에 컬러 필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러 필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층상에 제 1 절연막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 제 1 절연막 패턴을 포함한 반도체 기판의 전면에 상기 제 1 절연막 패턴과 광투과도가 다른 제 2 절연막을 형성하고 에치백 공정을 실시하여 상기 제 1 절연막 패턴의 양측면에 제 2 절연막 측벽을 형성하는 단계와, 상기 제 1 절연막 패턴과 제 2 절연막 측벽을 식각하여 중심부분과 가장자리부분이 반구형 형태를 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 구성하는 포토 다이오드(101)와 각종 트랜지스터(도시되지 않음)들이 형성된 반도체 기판(100)의 전면에 형성된 층간 절연막(102)과, 상기 층간 절연막(102)상에 일정한 간격을 갖고 형성된 컬러 필터층(103)과, 상기 컬러 필터층(103)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 형성되는 평탄화층(104)과, 상기 평탄화층(104)상에 상기 컬러 필터층(103)과 대응되게 중심부분과 가장자리 부분이 반구형 형상을 갖고 형성된 마이크 로렌즈(110)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 마이크로렌즈(110)는 중심부분에 형성된 반구형이 가장자리에 형성된 반구형보다 높이와 폭의 비가 1:0.5 이상이 된다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 구성하는 포토 다이오드(101)와 각종 트랜지스터(도시되지 않음)들이 형성된 반도체 기판(100)의 전면에 층간 절연막(102)을 형성하고, 상기 층간 절연막(102)상에 차례로 R, G, B의 컬러 필터층(103)을 형성한다.
여기서, 상기 각 컬러 필터층(103)은 1 ~ 5㎛의 두께를 갖도록 해당 감광성 물질을 도포하고 별도의 마스크를 사용한 사진 식각 공정으로 패터닝하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 컬러 필터층(103)을 단일층으로 형성한다.
이어, 상기 컬러 필터층(103)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 평탄화층(104)을 형성하고, 상기 평탄화층(104)상에 마이크로렌즈 형성을 위한 제 1 절연막(예를 들면, GeO2 또는 B2O3)(105)을 3000 ~ 6000Å의 두께로 형성한다.
그리고 상기 제 1 절연막(105)상에 감광막(106)을 도포하고, 노광 및 현상 공정을 패터닝한다.
도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 패터닝된 감광막(106)을 마스크로 이용하여 상기 제 1 절연막(105)을 선택적으로 건식 식각하여 제 1 절연막 패턴(105a)을 형 성한다.
이어, 상기 제 1 절연막 패턴(105a)을 형성하기 위해 사용되었던 감광막(106)을 제거하고, 전면에 애싱 및 크리닝 공정을 실시하여 공정 중에 발생한 이물질을 제거한다.
도 7c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 절연막 패턴(105a)을 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 제 2 절연막(예를 들면, SiO2)(107)을 2000 ~ 5000Å의 두께로 형성한다.
여기서, 상기 제 1 절연막(105)은 상기 제 2 절연막(107)에 비해 마이크로렌즈의 곡률 반경이 크며, 일반적인 마이크로렌즈에 비해 광 투과도가 높은 물질을 사용하며, 상기 제 1 절연막(105)은 상기 제 2 절연막(106)보다 적어도 2000Å 이상 두껍게 형성한다.
도 7d에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 절연막(107)의 전면에 에치백 공정을 실시하여 상기 제 1 절연막 패턴(105a)의 양측면에 제 2 절연막 측벽(107a)을 형성한다.
도 7e에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 절연막 측벽(107a)과 제 1 절연막 패턴(105a)을 비 등방성 식각하여 마이크로렌즈(110)를 형성한다.
여기서, 상기 마이크로렌즈(110)는 상기 제 1 절연막 패턴(105a)과 제 2 절연막 측벽(107a)의 경계가 일정 부분 중첩이 되어 가장자리 부분이 중심부분의 반구형보다 작은 반구형 형태를 가지고 있다.
즉, 상기 마이크로렌즈(110)는 상기 제 1 절연막 패턴(105a)으로 이루어진 반구형과 제 2 절연막 측벽(107a)으로 이루어진 반구형의 높이와 폭의 비가 1:0.5 이상이 되도록 형성한다.
한편, 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.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 마이크로렌즈에 입사되는 빛의 양을 최대한 투과시키면서, 마이크로렌즈의 가장자리부분에서 전반사되어 손실되는 것을 방지할 수 있기 때문에 이미지 센서의 수광 능력을 향상시킬 수 있다.
Claims (10)
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- 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 층간 절연막상에 컬러 필터층을 형성하는 단계;상기 컬러 필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계;상기 평탄화층상에 제 1 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 제 1 절연막 패턴을 포함한 반도체 기판의 전면에 상기 제 1 절연막 패턴과 광투과도가 다른 제 2 절연막을 형성하고 에치백 공정을 실시하여 상기 제 1 절연막 패턴의 양측면에 제 2 절연막 측벽을 형성하는 단계;상기 제 1 절연막 패턴과 제 2 절연막 측벽을 식각하여 중심부분과 가장자리부분이 반구형 형태를 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 절연막 패턴은 상기 제 2 절연막 측벽보다 광투과도가 높은 절연막을 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 절연막 패턴은 GeO2 또는 B2O3을 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 절연막 측벽은 SiO2를 사용하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 절연막 패턴은 3000 ~ 6000Å의 두께로 형성 하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 절연막 측벽은 상기 제 1 절연막 패턴을 포함한 전면에 2000 ~ 5000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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