KR100700267B1 - 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 칼라필터의 두께 차이를 최소화할 수 있으며, 마이크로렌즈 형성 전 평탄화층 형성 공정을 생략할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판 상에 형성된 다수의 포토다이오드; 상기 포토다이오드를 포함하는 상기 기판 상부에 형성되되, 상기 포토다이오드에 대응되는 영역에서 오목한 형상의 홈을 갖는 보호막; 및 상기 홈에 매립되며 상기 홈 주변의 상기 보호막으로 확장된 영역 상에 볼록한 형상으로 형성되어 칼라필터 및 마이크로 렌즈 역할을 하는 패턴을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 포토다이오드를 포함하는 소자가 형성된 기판 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드에 대응되는 영역의 상기 보호막을 선택적으로 식각하여 오목한 형상의 홈을 형성하는 단계; 및 상기 홈에 매립되며 상기 홈 주변의 상기 보호막으로 확장된 영역 상에 볼록한 형상으로 칼라필터 및 마이크로 렌즈 역할을 하는 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
칼라필터, 포토다이오드, 마이크로 렌즈, 광집적도, 평탄화층.
Description
도 1은 종래기술에 이미지센서를 도시한 단면도,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 이미지센서의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : P+기판
11 : P에피층
PMD : 평탄화층
IMD1, IMD2 : 층간절연막
P : 패턴
CF : 칼라필터
PL : 보호막
ML : 마이크로 렌즈
G' : 게이트전극
M1, M2 : 금속배선
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 광특성을 향상시킬 수 있는 칼라 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.
이미지 센서는 적,녹,청(Red, Green, Blue) 등의 칼라 필터 어레이(Colour Filter Array; 이하 CFA라 함)를 구비함으로써 각각의 색상을 혼합하여 색상을 구현하도록 한다.
이 때, 각 RGB 화소에 대하여 동일한 포토다이오드 면적과 동일한 마이크로 렌즈 사이즈를 구현하고 있다. 그러나, 빛의 특성상 R ≥G ≥B 순으로 빛의 세기(Light intensity)의 차이가 발생하게 된다. 따라서, 각 칼라 비율(Colour ratio)이 맞지 않아 칼라 구현 능력이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 이미지센서의 단위 화소를 도시한 단면도이다.
CMOS 이미지센서는 광감도(Sensitivity)를 높이고, 단위 화소간의 크로스토크(Crosstalk) 효과를 줄이기 위하여 서브마이크론 CMOS 에피(Epi) 공정이 적용된다. 즉, 고농도의 P+기판(10)에 저농도의 P에피층(11)이 형성된 기판 사용한다. 구체적으로, P에피 기판을 사용하는 이유는 첫째, 저농도의 P에피층이 존재하므로 저전압 베리드 포토다이오드에서의 공핍층 깊이(Depletion depth)를 증가시킬 수 있어 우수한 감광특성을 얻을 수 있기 때문인데, 이러한 장점을 가질 수 있도록 적절한 두께가 되도록 한다. 둘째, P에피층(11)의 하부에 고농도의 P+기판(10)을 갖게 되면 기판 깊은 곳에서 발생될 수 있는 광전하들을 P+기판(10)에서 재결합(Recombination)시킴으로써, 광전하의 랜덤 드리프트(Random drift)에 의한 단위 화소간 크로스토크 현상을 방지할 수 있기 때문이다.
P에피층(11)내에는 도 1에 도시된 바와 같이, 저전압 베리드 포토다이오드(PD)가 형성되어 있는 바, 이러한 저전압 베리드 포토다이오드 구조는 소오스/드레인 PN 접합(Junction) 구조나 모스 캐패시터 구조에 비해 다음과 같은 장점이 있다는 것이 밝혀져 있다. 첫째, 입사된 광자(Photon)를 전자(Electron)로 바꾸어 주는 능력이 우수하며, 광감지영역(Light Sensing Region)이 폴리실리콘으로 덮혀있지 않아 단파장의 청색광에 대한 광감도가 우수하다. 둘째, N-/P-에피 구조에 의해 광감지영역에서의 공핍층 깊이를 증가시킬 수 있어 장파장의 적색광 또는 적외선에 대한 광감도도 우수한 특성을 갖는다. 더불어 베리드 포토다이오드 구조를 사용하면 광감지영역에 모인 광전하(Photogenerated charge)를 플로팅 센싱노드(Floating sensing node)로 완전히 운송할 수 있어서 전하 운송 효율(Charge transfer efficiency)을 현저히 증가시킬 수 있어 잔상 현상(Image lag)을 줄일 수 있다. 셋째, 저전압 베리드 포토다이오드의 표면 상태를 전기적으로 핀드(Pinned)시킴으로써 실리콘 표면으로부터 발생되는 원치않는 암전류(Dark current)를 감소시킨다. 넷째, 공핍층의 깊이를 증가시킬 수 있어 많은 양의 광전하를 내포할 수 있다.
포토다이오드(PD)와 접하도록 게이트전극(G')이 형성되어 있으며, 그 전체 구조 상부에 층간절연막들(PMD1, IMD1, IMD2)과 금속배선(M1, M2)이 형성되어 있으며, 습기 또는 긁힘(Scratch)로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 또는/및 질화막으로 이루어진 보호막(도시하지 않음)이 형성되어 있으며, 칼라 이미지 구현을 위해서 이와같은 단위 화소 배열 위에 적(R), 녹(G), B(청) 등으로 구성된 칼라필 터가 각각 하부의 포토다이오드(PD)와 오버랩되도록 배치되어 있다.
전체 구조 상부를 평탄화하기 위한 평탄화층(PMD2)이 칼라필터 상에 형성되어 있으며, 각 칼라필터와 오버랩되도록 볼록형상의 마이크로렌즈(ML)가 형성되어 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 이루어지는 종래의 이미지센서는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, IMD2 및 보호막(도시하지 않음) 증착 이후 칼라필터 형성 공정이 청(B), 적(R), 녹(G) 필터의 순으로 진행되는데 이러한 공정이 진행되면서 순서대로 칼라필터의 두게가 변하게 되는 문제점이 발생하게 된다. 예컨대, 최후속으로 형성되는 녹(G) 필터의 경우가 적(R) 필터에 비해 그리고 적(R) 필터는 청(B) 필터에 비해 두께가 두꺼워지게 되는 바, 이러한 칼라필터 두께의 상향은 색을 표현하는 색재현성을 향상시킬 수 있으나, 광감도의 저하를 초래할 수 있는 공정변수가 되기도 한다. 또한, 이러한 두께 차이로 인한 단차의 발생은 맨 나중에 형성될 마이크로렌즈(ML)의 형태에도 영향을 미쳐 이를 개선하기 위한 별도의 공정이 불가피하게 되는 바, 이것이 바로 평탄화층(PMD2)의 도입이다.
따라서, 공정이 복잡해질 뿐만아니라 생산 비용이 증가하게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 칼라필터의 두께 차이를 최소화할 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 마이크로 렌즈 및 칼라필터를 동시에 형성함으로써 공정 단순화를 기할 수 있는 이미지센서 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 형성된 다수의 포토다이오드; 상기 포토다이오드를 포함하는 상기 기판 상부에 형성되되, 상기 포토다이오드에 대응되는 영역에서 오목한 형상의 홈을 갖는 보호막; 및 상기 홈에 매립되며 상기 홈 주변의 상기 보호막으로 확장된 영역 상에 볼록한 형상으로 형성되어 칼라필터 및 마이크로 렌즈 역할을 하는 패턴을 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.
바람직하게, 본 발명의 상기 패턴은 칼라필터와 마이크로 렌즈 사이에 형성되는 평탄화층 없이 동일 물질로 이루어진 것을 특징으로 하며,
상기 패턴을 이루는 물질은 칼라필터 및 렌즈용 레지스트인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드를 포함하는 소자가 형성된 기판 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드에 대응되는 영역의 상기 보호막을 선택적으로 식각하여 오목한 형상의 홈을 형성하는 단계; 및 상기 홈에 매립되며 상기 홈 주변의 상기 보호막으로 확장된 영역 상에 볼록한 형상으로 칼라필터 및 마이크로 렌즈 역할을 하는 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
바람직하게, 본 발명의 상기 홈을 형성하는 단계는 상기 보호막 일부두께를 선택적으로 건식식각하는 단계; 및 상기 건식식각 부위의 상기 보호막 일부두께를 선택적으로 습식식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 건식 및 습식식각시 동일 마스크를 이용하는 것을 특징으로 하며,
상기 패턴을 형성하는 단계는, 상기 홈을 충분히 매립하며 그 높이가 후속 렌즈 형성을 위한 높이를 갖도록칼라필터 및 마이크로 렌즈용 레지스트를 도포하는 단계; 상기 레지스트를 선택적으로 노광 및 현상하여 패턴 형성 영역을 정의하는 단계; 및 상기 레지스트를 플로우시켜 그 상부가 볼록한 형상이 되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 이미지센서는, 기판(10, 11) 상에 형성된 다수의 포토다이오드(PD)와, 포토다이오드(PD)를 포함하는 기판(10, 11) 상부에 형성되되, 포토다이오드(PD)에 대응되는 영역에서 오목한 형상의 홈을 갖는 보호막(PL); 및 상기 홈에 매립되며 홈 주변의 보호막(PL) 상으로 확장된 영역 상에 볼록한 형상으로 형성되어 칼라필터 및 마이크로 렌즈 역할을 하는 패턴(P)을 구비하여 구성된다.
여기서, 기판(10, 11)은 P+기판(10)과 P에피층(11)이 적층된 것으로 이하 기판(10, 11)으로 통칭하며, 포토다이오드(PD)와 접하도록 게이트전극(G')이 형성되어 있으며, 그 전체 구조 상부에 층간절연막들(PMD1, IMD1, IMD2)과 금속배선(M1, M2)이 형성되어 있다.
또한, 상기 칼라 필터(CF)와 마이크로 렌즈(ML)는 동일 물질 즉, 칼라필터 및 마이크로 렌즈용 레지스트에 의해 형성되어 있다. 따라서, 마이크로 렌즈(ML)와 칼라 필터(R, G, B) 사이에에 평탄화층이 없으며, 칼라필터(CF)와 마이크로 렌즈(ML)은 동일 색상을 갖는다.
따라서, 평탄화층의 도입에 따른 제조 공정 상의 번거로움을 극복할 수 있을 뿐만아니라, 그 수직 두께의 증가에 따른 광투과율 하락을 방지할 수 있게 되며, 렌즈와 칼라필터를 동시에 형성함으로써, 공정 단순화를 기할 수 있게 된다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 이미지센서 제조 공정을 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, P+기판과 P에피층 등의 기판에 포토다이오드와 게이트전극을 형성하는 바, 도면의 간략화를 위해 생략하였다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 통상적인 이미지센서 제조 공정에 따라 포토다이오드(도시하지 않음) 등을 형성한 다음, 포토다이오드를 포함하는 소자가 형성된 기판(도시하지 않음) 상에 보호막(PL)을 형성한 다음, 보호막(PL)을 선택적으로 식각하여 홈을 형성한다.
구체적으로, IMD1, IMD2 등의 층간절연막과 M1, M2 등의 금속배선을 형성하 는 바, 금속배선 M1과 M2는 비아홀을 통해 콘택되어 있으며, IMD1과 IMD2 등은 예컨대, 산화막계열/SOG/TEOS 등의 적층 구조를 이루고 있다. 이러한 구성을 갖는 전체 구조 상부에 습기 또는 긁힘(Scratch)로부터 소자를 보호하기 위하여 질화막, 산화막 또는 이들의 적층 구조를 갖는 보호막(PL) 증착한다. 이어서, 감광막 패턴(PR)을 형성한 다음, 감광막 패턴(PR)을 마스크로한 선택적 건식식각 공정을 통하여 홈을 형성한다.
이 때, 보호막(PL) 일부 두께가 선택적으로 식각되도록 하며, 홈은 포토다이오드에 대응되는 영역에 위치하도록 하는 것이 바람직하며, 보호막(PL) 상부는 평탄화가 확보되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 마스크로 사용된 감광막 패턴(PR)은 칼라필터가 형성될 최종의 형태가 건식식각에 따른 습식식각에 의해 결정되므로 습식식각 후의 넓이 및 칼라필터의 도포 두께 등을 충분히 고려하여 설계되어져야 한다.
다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 건식식각 공정을 통해 수직한 단면 형상으로 식각되어 형성된 홈을 오목한 렌즈 형상이 되도록 습식식각 공정을 통하여 형성하는 바, 건식식각시 이용한 감광막 패턴(PR)을 마스크로 하여 보호막(PL) 일부 두께를 선택적으로 식각한다.
따라서, 홈의 깊이는 후속 칼라필터의 두께가 되므로 상기의 건식 및 습식식각시 식각 정도에 따라 즉, 식각시간 등을 조절함으로써 칼라필터의 두께를 조절할 수 있게 되며, 홈에 매립되도록 칼라필터용 레지스트를 도포하므로 그 도포 두께 또한 절감할 수 있게 된다.
또한, 습식식각을 이용함으로써 단차 제거에 따른 후속 칼라필터 도포시 균일한 도포 두께와 공정 마진을 확보할 수 있을 뿐만아니라, 빛을 집속하기 위한 렌즈 형태의 홈을 통해 후속의 칼라필터를 형성할 수 있어 광집적도를 향상시킬 수 있다.
다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이, 홈을 충분히 매립되며 그 높이가 후속 렌즈 형성을 위한 높이를 갖도록 홈 주변의 보호막(PL)으로 확장된 영역 상에 칼라필터 및 마이크로 렌즈용 레지스트(P')를 도포한 다음, 레지스트(P')를 선택적으로 노광 및 현산하여 패턴 형성 영역을 정의한다.
따라서, 통상적인 예컨대, 청,적,녹 필터의 순으로 칼라필터(B,R,G)를 형성하며 칼라필터가 형성될 부분에 홈 형태로 이미 단차가 발생했으므로 적은 양의 레지스트를 도포해도 칼라필터용 레지스트는 식각된 홈 형태의 영역으로 모이게 되므로 칼라필터(B,R,G)의 두께를 하향 조절할 수 있게 된다.
다음으로 도 2d에 도시된 바와 같이, 레지스트(P')를 플로우시켜 그 상부가 볼록한 형상이 되도록 함으로써, 동일 색상을 갖는 칼라필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)의 구성을 갖도록 즉, 하부가 오목한 형성을 가지며, 그 상부가 볼록한 형상을 갖도록 형성되어 마이크로 렌즈 및 칼라필터 역할을 하는 패턴(P) 형성이 완료된다.
즉, 종래의 경우 칼라필터 형성 공정을 마친 후 칼라필터간의 두께 차이에 의해 발생하는 단차를 제거하기 위해 평탄화층을 도입하는 바, 그에 따른 공정 상의 복잡성과 평탄화층의 두께로 기인한 광투과율의 하락이 발생할 수 있을 뿐만아 니라 본 발명의 경우 이미 확보된 보호막과 칼라필터의 평탄화에 의해 이러한 평탄화층 형성 공정을 생략할 수 있어, 광투과율 하락을 방지할 수 있다.
더군다나, 마이크로 렌즈와 칼라필터를 동시에 형성함으로써 공정의 단순화를 기할 수 있게 된다.
또한, 습식식각에 의해 확보된 렌즈 형상의 칼라필터를 이용할 수 있으므로 광집적도의 향상 또한 기대할 수 있게 된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은, 광집적도 및 광투과율과 색재연성을 모두 향상시킬 수 있으며, 공정 단순화를 향상시킬 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능 및 가격 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (7)
- 이미지센서에 있어서,기판 상에 형성된 다수의 포토다이오드;상기 포토다이오드를 포함하는 상기 기판 상부에 형성되되, 상기 포토다이오드에 대응되는 영역에서 오목한 형상의 홈을 갖는 보호막; 및상기 홈에 매립되며 상기 홈 주변의 상기 보호막으로 확장된 영역 상에 볼록한 형상으로 형성되어 칼라필터 및 마이크로 렌즈 역할을 하는 패턴을 포함하여 이루어지는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 패턴은 칼라필터와 마이크로 렌즈 사이에 형성되는 평탄화층 없이 동일 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 패턴을 이루는 물질은 칼라필터 및 렌즈용 레지스트인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 이미지센서 제조 방법에 있어서,포토다이오드를 포함하는 소자가 형성된 기판 상에 보호막을 형성하는 단계;상기 포토다이오드에 대응되는 영역의 상기 보호막을 선택적으로 식각하여 오목한 형상의 홈을 형성하는 단계; 및상기 홈에 매립되며 상기 홈 주변의 상기 보호막으로 확장된 영역 상에 볼록한 형상으로 칼라필터 및 마이크로 렌즈 역할을 하는 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 이미지센서 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 홈을 형성하는 단계는,상기 보호막 일부두께를 선택적으로 건식식각하는 단계; 및상기 건식식각 부위의 상기 보호막 일부두께를 선택적으로 습식식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 건식 및 습식식각시 동일 마스크를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미 지센서 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 패턴을 형성하는 단계는,상기 홈을 충분히 매립하며 그 높이가 후속 렌즈 형성을 위한 높이를 갖도록칼라필터 및 마이크로 렌즈용 레지스트를 도포하는 단계;상기 레지스트를 선택적으로 노광 및 현상하여 패턴 형성 영역을 정의하는 단계; 및상기 레지스트를 플로우시켜 그 상부가 볼록한 형상이 되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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