KR100682248B1 - 시모스 이미지센서의 제조방법 - Google Patents

시모스 이미지센서의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 마이크로렌즈 상에 마이크로렌즈 보다 저 굴절률의 평탄화막을 채용하여 빛의 촛점거리를 늘려줌으로써 시모스 이미지센서의 감도를 향상시킨 발명이다. 이를 위한 본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 반도체 기판상에 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 마이크로렌즈보다 작은 굴절률을 갖는 평탄화막을 상기 마이크로렌즈와 접하여 그 상부에 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다. 또한, 본 발명은 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 칼라필터; 상기 칼라필터 상에 형성되며 감광막으로 이루어진 마이크로렌즈; 및 상기 마이크로렌즈와 접하여 그 상부에 형성되되, 상기 마이크로렌즈보다 작은 굴절률을 갖는 평탄화막을 포함하여 이루어진다.
시모스 이미지센서, 촛점거리, SOG 막, 광감도, HSQ, MSQ

Description

시모스 이미지센서의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING CMOS IMAGE SENSOR }
도1a는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소를 도시한 회로도,
도1b는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서 단위화소의 단면구조를 도시한 단면도면,
도2는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서의 단위화소의 단면구조를 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
21 : 기판
22 : 소자분리막
23 : 포토다이오드
24 : 층간절연막
25 : 페시베이션막
26 : 칼라필터
27 : 오버코팅 레이어
28 : 마이크로렌즈
29 : 마이크로렌즈 보다 굴절률이 작은 평탄화막
본 발명은 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 마이크로렌즈의 상부에 마이크로렌즈 보다 굴절률이 작은 물질을 이용한 평탄화막을 채용하여 입사하는 빛의 효율을 증가시킨 발명이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
도1a는 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전 하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성된 모습을 도시하고 있다.
이러한 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
칼라필터는 각각의 포토다이오드에 대응하여 형성되며, 이러한 칼라필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
도1b는 이와같이 각각의 포토다이오드에 대응하는 칼라필터와 마이크로렌즈를 포함하는 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 종래의 시모스 이미지센서의 구조를 설명하면, 먼저 반도체 기판(10) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(11)이 형성되어 있으며, 각각의 단위화소에는 포토다이오드(12)가 형성되어 있다.
그리고, 도1b에서는 설명의 편의를 위하여 단위화소를 구성하는 각종 트랜지스터(트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 등등) 들은 도시하지 않았다.
이와같이 소자분리막(11)과 포토다이오드(12) 및 트랜지스터(미도시) 들이 형성된 이후에, 층간절연막(13)이 반도체 기판(10) 상에 형성되고 이후에 금속배선(14)이 형성된다.
도1b에서는 1개의 금속배선(14)만이 도시되어 있지만, 통상적으로는 3층 내지 5층으로 이루어진 복수의 금속배선이 사용된다. 이러한 복수층의 금속배선 중에서 가장 상부에 위치한 금속배선을 최종금속배선이라 칭하기로 하며, 도1b에 도시된 금속배선은 바로 최종금속배선을 의미한다.
이와같이 최종금속배선(14)까지 형성한 이후에, 습기나 스크래치(scratch) 등으로 부터 소자를 보호하기 위하여 최종금속배선 상에 패시베이션막(15)을 형성한다.
다음으로, 페시이션막(15) 상에는 칼라이미지 구현을 위한 칼라필터(16)가 형성되는데, 칼라필터로는 통상적으로 염색된 포토레지스트를 사용하며, 각각의 단위화소마다 하나의 칼라필터(16)가 형성되어 포토다이오드(12)으로 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다.
이러한 칼라필터(16)는 보통 단차를 가지며 형성되므로, 칼라필터 상부에 형성될 마이크로렌즈가 평탄화된 표면에서 형성되기 위하여는 칼라필터로 인한 단차를 없애야 한다. 이를 위하여 칼라필터(16) 상에 평탄화막(17)이 형성된다. 그리고 이와같은 평탄화막(17) 상에 마이크로렌즈(18)가 형성된다. 마이크로렌즈(18)는 직사각형 형태의 감광막을 플로우(flow)시키게 되면 도1b에 도시된 바와같은 돔(dome)형태의 마이크로렌즈를 형성할 수 있다.
이러한 구조의 종래의 시모스 이미지센서에서, 소자의 소형화와 고집적화 추세에 따라, 금속배선의 층수가 점차로 증가하게 되는 문제에 직면하는데, 금속배선이 증가하게 되면, 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리가 더욱 멀어지게 되므로, 빛이 포토다이오드까지 도달하기 전에 초점이 형성되되며 흩어지게 되여 최종적으로 포토다이오드까지 도달하는 빛의 양이 적어지는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 마이크로렌즈의 곡률반경을 크게 하는 방법이 제시되었으나, 마이크로렌즈의 곡률반경의 원하는 만큼 크게하기에는 기술적인 제한이 있어 이 또한 여의치 않은 실정이다.
또한, 마이크로렌즈의 두께를 얇게 하여 포토다이오드에 도달하는 빛의 양을 증가시키고자 하는 방법도 제안되었으나, 현재 마이크로렌즈 두께의 한계는 약 5000Å 정도이기 때문에, 이 이하로 두께를 감소시킬 수 없어 포토다이오드로 수광 되는 빛의 효율을 향상시키기엔 부족한 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토다이이오드로 도달하는 빛의 효율을 증가시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 칼라필터; 상기 칼라필터 상에 형성되며 감광막으로 이루어진 마이크로렌즈; 및 상기 마이크로렌즈와 접하여 그 상부에 형성되되, 상기 마이크로렌즈보다 작은 굴절률을 갖는 평탄화막을 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서, 반도체 기판상에 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및
상기 마이크로렌즈보다 작은 굴절률을 갖는 SiO2 막 또는 SiOF 막을 증착하고 화학계연마로 평탄화하여 평탄화막을 상기 마이크로렌즈와 접하여 그 상부에 형성하는 단계을 포함하여 이루어진다.
본 발명에서는 마이크로렌즈의 상부에 마이크로렌즈보다 굴절률이 작은 물질을 이용한 평탄화막을 채용하여 입사하는 빛의 초점거리를 증가시켜 주었다.
즉, 본 발명에서는 마이크로렌즈 형성 후, 마이크로렌즈 보다 굴절률이 작은 필름을 이용하여 평탄화막을 형성하여 주었다. 이럴 경우, 입사하는 빛은 공기와 마이크로렌즈의 계면에서 굴절하는 것이 아니라, 굴절률의 차이가 적은 평탄화막과 마이크로렌즈 사이의 계면에서 굴절하게 되므로, 종래보다 굴절각이 작아진다.
그 결과, 입사광의 촛점거리가 증가하게 되어, 포토다이오드까지 도달하는 빛의 양을 증가시킬 수 있었다. 또한, 본 발명에서 적용된 평탄화막은 마이크로렌즈로 입사하는 빛에 대해 반사방지막(Anti-Reflection Layer)의 역할도 수행할 수 있어 시모스 이미지센서의 광감도를 더욱 향상시킬 수 있었다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단면구조를 도시한 단면도로서 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
먼저, 본 발명에서 적용된 저 굴절률의 평탄화막에 대해 설명하면 다음과 같다.
1/f = (n - 1)×(1/a - 1/b)
n : 렌즈의 굴절률
a : 렌즈 앞면의 곡률반경
b : 렌즈 뒷면의 곡률반경
수학식 1은 렌즈 제작자의 공식(Lens Maker's Formula)으로, 공기중에서 렌즈의 촛점거리를 계산하는데 사용되는 공식이다.
이를 시모스 이미지센서에 적용할 경우, 마이크로렌즈의 뒷면은 평면으로서, 그 곡률반경(b)은 무한대이다. 때문에 1/b 는 무시할 수 있을 만큼 작게 되므로, 식을 다음과 같이 정리할 수 있다.
f = a / (n - 1)
n : 렌즈의 굴절률
a : 렌즈 앞면의 곡률반경
여기서, (n-1)은 공기의 굴절률과 렌즈의 굴절률 차이를 나타낸다. 본 발명의 일실시예와 같이 마이크로렌즈 상에 마이크로렌즈 보다 굴절률이 작은 필름으로 평탄화막을 구성하게 되면 촛점거리는 다음과 같게 된다.
f = a / (n - n1)
n : 렌즈의 굴절률
n1 : 평탄화막의 굴절률(렌즈보다 작음)
a : 렌즈 앞면의 곡률반경
여기서, (n-1) 보다는 (n-n1)이 더 작은 값이 되므로, 분모가 더 적은 값을 갖게 되어 결과적으로 촛점거리를 증가시킬 수 있게된다.
다음으로 본 발명의 일실시예에 따른 평탄화막이 반사방지막으로 적용될 수 있는지 살펴보기로 한다.
R = ((n-1)/(n+1))2
R : 반사율
n : 렌즈의 굴절률
1 : 공기의 굴절률
수학식 4는 굴절률이 n인 물질과 공기사이의 반사율을 나타내는 식으로서, 이를 본 발명의 일실시예에 적용하면 다음과 같다.
R = ((n-n1)/(n+n1))2 + ((n1-1)/(n1+1))2
R : 반사율
n : 마이크로렌즈의 굴절률
n1 : 본 발명의 일실시예에서 사용된 SOG 계열 물질의 굴절률
수학식 5 를 수학식 4와 비교하여 볼때, 본 발명의 일실시예에서와 같이 굴절률이 마이크로렌즈 보다 작은 물질을 이용하여 마이크로렌즈 상에 평탄화막을 형성하게 되면, 반사율을 감소시킬 수 있어 그 만큼 빛의 감도가 향상될 수 있다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서의 단면도면으로 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
우선, 마이크로렌즈(28)를 형성하기까지의 공정은 종래기술과 유사하다. 이러한 점을 참조하여 설명하면, 먼저 반도체 기판(21) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(22)을 형성한다.
소자분리막으로는 얕은 트렌치 소자분리법(Shallow Trench Isolation : STI)이 사용되거나 또는 열산화막을 이용한 LOCOS 기법이 사용될 수도 있다.
다음으로 반도체 기판(21)에 수광부를 이루는 포토다이오드(23)를 형성한다. 포토다이오드(23)로는 통상적인 p/n/p 구조의 포토다이오드가 사용될 수 있으며, 이후에 각종 트랜지스터(미도시)가 형성된다.
다음으로, 이와같이 포토다이오드 및 트랜지스터가 형성된 반도체 기판(21)에 층간절연막이 형성되며 층간절연막 상에는 복수층의 금속배선이 형성된다.
도2에서는 설명의 편의를 위하여 여러층으로 구성된 층간절연막과 복수층의 금속배선을 하나의 층간절연막(24)을 표현하였다.
복수층의 금속배선 중에서 가장 상부에 위치한 최종금속배선 까지 형성된 다음에는, 소자를 습기나 스크래치로 부터 보호하기 위한 목적으로 페시베이션막(25) 형성공정이 진행된다.
이어서, 페시베이션막(25) 상부에는 입사하는 빛으로부터 색을 추출하기 위한 칼라필터(26)가 형성된다. 칼라필터(26)는 통상적으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
이어서, 칼라필터로 인한 단차를 없애기 위하여 칼라필터 상에 오버 코팅 레이어(over coating layer)(27)가 형성된다.
다음으로 오버코팅 레이어(27) 상에는 감광막으로 이루어진 마이크로렌즈(28)가 형성되며, 이러한 마이크로렌즈 형성공정은 통상적인 공정과 유사하다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 저 굴절률의 평탄화막(29)이 마이크로렌즈 상에 형성된다.
이러한 평탄화막으로는 마이크로렌즈 보다 작은 굴절률을 갖는 Methyl SilseQuioxane(MSQ), Hydrogen SilseQuioxane(HSQ) 등을 이용한 SOG(Spin On Glass) 필름이 사용될 수 있다.
또는, 이러한 평탄화막(29)을 형성하는 방법으로, 마이크로렌즈 보다 작은 굴절률을 갖는 감광막을 코팅할 수도 있다.
또는 이러한 평탄화막(29)을 형성하는 방법으로, PE-CVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용하여 실리콘 산화막 계열(SiO2 또는 SiOF)의 필름을 증착한 후에, 화학기계연마(CMP)하여 평탄화막(29)을 형성할 수도 있다.
이와같이 마이크로렌즈 상에 마이크로렌즈 보다 작은 굴절률을 갖는 물질을 이용하여 평탄화막을 형성하게 되면, 포토다이오드 입사하는 빛의 촛점거리를 증가시킬 수 있어, 이미지센서의 광감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 시모스 이미지센서에 적용하게 되면, 포토다이오드로 입사하는 빛의 양을 늘릴 수 있어 이미지센서의 감도를 향상시킬 수 있으며, 더구나 반사방지의 효과도 얻을 수 있어, 광감도 향상에 더욱 기여할 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 시모스 이미지센서의 제조방법에 있어서,
    반도체 기판상에 칼라필터를 형성하는 단계;
    상기 칼라필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로렌즈보다 작은 굴절률을 갖는 SiO2 막 또는 SiOF 막을 증착하고 화학계연마로 평탄화하여 평탄화막을 상기 마이크로렌즈와 접하여 그 상부에 형성하는 단계
    을 포함하여 이루어지는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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