KR100710203B1 - 이미지센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광손실을 방지할 수 있는 이미지센서에 관한 것으로, 다수개의 셀영역을 갖는 기판; 상기 기판의 셀영역마다 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드가 형성된 기판의 전면에 형성되며, 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 2개의 절연막으로 이루어진 반사방지층; 상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 반사방지층에 형성된 컬러필터층; 상기 컬러필터층을 포함한 기판의 전면에 형성된 평탄화층; 및, 상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 평탄화층에 형성된 다수개의 마이크로렌즈를 포함하여 구성되는 것이다.
이미지센서, 포토다이오드, 절연막, 마이크로렌즈, 굴절율
Description
도 1은 종래의 마이크로렌즈를 구비한 이미지센서를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 나타낸 도면
도 3은 도 2에 도시된 반사방지층의 또 다른 구성을 나타낸 도면
도 4a 내지 도 4c는 반사방지층의 두께에 따른 반사율을 나타낸 도면
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
＊도면의 주요부에 대한 부호 설명
200 : 기판 201 : 포토다이오드
202 : 반사방지층 202a : 제 1 절연막
202b : 제 2 절연막 203 : 컬러필터층
204 : 평탄화층 205 : 마이크로렌즈
206 : 대물렌즈
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 광의 입사각도에 따른 광손실을 최소화할 수 있는 이미지센서 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자이다. 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수 만큼 MOS 트랜지스터를 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 포토다이오드(101)와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드(101)의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있으며, 그 중 하나가 칼라필터 상에 마이크로렌즈 (105)(Microlens)를 형성하는 방법이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 마이크로렌즈(105)를 구비한 이미지센서를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 마이크로렌즈를 구비한 이미지센서를 나타낸 도면이다.
종래의 마이크로렌즈(105)를 구비한 이미지센서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수개의 셀영역을 갖는 기판(100)과, 상기 기판(100)의 셀영역마다 형성된 포토다이오드(101)와, 상기 포토다이오드(101)를 포함한 기판(100)의 전면에 형성된 절연층(102)과, 상기 셀영역의 포토다이오드(101)에 대응되도록 상기 절연층(102)상에 형성된 컬러필터층(103)과, 상기 컬러필터층(103)을 포함한 기판(100)의 전면에 형성된 평탄화층(103)과, 상기 셀영역의 포토다이오드(101)에 대응되도록 상기 평탄화층(103)에 형성된 다수개의 마이크로렌즈(105)와, 상기 마이크로렌즈(105)의 상부에 구비된 대물렌즈(106)를 포함한다.
여기서, 상기 대물렌즈(106)를 통과한 광은 다수개의 마이크로렌즈(105)에 입사되는데, 이때, 이미지센서의 중심부에 위치한 마이크로렌즈(105)에는 거의 90도에 가까운 각으로 광이 입사한다. 따라서, 상기 중심부의 마이크로렌즈(105)를 통과한 광은 절연층(102)에 거의 수직하게 입사되며, 이로 인해 상기 광은 거의 반사되지 않고 상기 절연층(102)을 통과하여 포토다이오드(101)에 공급된다. 즉, 상기 중심부의 마이크로렌즈(105)를 통과한 광은 거의 손실없이 포토다이오드(101)에 공급된다.
그러나, 상기 이미지센서의 중심부로부터 먼 마이크로렌즈(105)에는 90도보 다 작은 각도로 광이 입사하게 된다. 특히, 상기 입사각은 상기 중심부로부터 멀어질수록 더 작아지기 때문에, 상기 이미지센서의 가장자리에 위치한 마이크로렌즈(105)에는 30도에 가까운 각으로 광이 입사하게 된다. 여기서, 상기 이미지센서의 가장자리에 위치한 마이크로렌즈(105)를 통과한 광은 그 하부의 절연층(102)에 도달한 후 상기 절연층(102)으로부터 쉽게 반사된다. 이는 상기 광의 입사각이 작기 때문이다. 따라서, 상기 이미지센서의 가장자리에 위치한 마이크로렌즈(105)를 통과한 광은 포토다이오드(101)에 제대로 공급되지 않는다. 즉, 상기 이미지센서의 가장자리에 위치한 마이크로렌즈(105)를 통과한 광은 그의 광량이 많이 줄어들게 된다.
따라서, 상기 이미지센서의 가장자리쪽에 위치한 셀영역들은 원래의 이미지를 제대로 표현하지 못하는 문제점을 갖는다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 포토다이오드가 형성된 기판과, 컬러필터층 사이에 서로 다른 굴절율을 갖는 적어도 2개의 절연막을 형성하여 반사율을 최소화시킴으로써 광의 집광효율을 높일 수 있는 이미지센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지센서는, 다수개의 셀영역을 갖는 기판; 상기 기판의 셀영역마다 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드가 형성된 기판의 전면에 형성되며, 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 2개의 절 연막으로 이루어진 반사방지층; 상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 반사방지층에 형성된 컬러필터층; 상기 컬러필터층을 포함한 기판의 전면에 형성된 평탄화층; 및, 상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 평탄화층에 형성된 다수개의 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 그 특징으로 한다.
여기서, 상기 반사방지층은, 상기 포토다이오드가 형성된 기판의 전면에 형성된 제 1 절연막; 상기 제 1 절연막보다 더 작은 굴절률을 가지며, 상기 제 1 절연막상에 형성된 제 2 절연막; 및, 상기 제 2 절연막상에 형성된 제 1 절연막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제 1 절연막은 질화실리콘(SiNix)으로 이루어지며, 상기 제 2 절연막은 산화실리콘(SiOx)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로렌즈의 상부에 구비되어 외부로부터의 광을 집광하고, 이 집광된 광을 상기 마이크로렌즈들에 제공하는 대물렌즈를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지센서의 제조방법은, 다수개의 셀영역을 갖는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 각 셀영역에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드가 형성된 기판의 전면에, 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 2개의 절연막으로 이루어진 반사방지층을 형성하는 단계; 상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 반사방지층에 컬러필터층을 형성하는 단계; 상기 컬러필터층을 포함한 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계; 및, 상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 평탄화층에 형성된 다수개의 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 그 특징으로 한다.
여기서, 상기 반사방지층은 서로 다른 굴절율을 갖는 두 개의 제 1 절연막과 상기 제 1 절연막 사이에 위치한 한 개의 제 2 절연막으로 이루어지며, 상기 반사방지층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 절연막을 상기 포토다이오드가 형성된 기판의 전면에 형성하는 단계; 상기 제 1 절연막상에 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및, 상기 제 2 절연막상에 제 1 절연막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 제 1 절연막은 질화실리콘(SiNix)으로 이루어지며, 상기 제 2 절연막은 산화실리콘(SiOx)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지센서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수개의 셀영역을 갖는 기판(200)과, 상기 기판(200)의 셀영역마다 형성된 포토다이오드(201)와, 상기 포토다이오드(201)를 포함한 기판(200)의 전면에 형성되며, 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 2개의 절연막으로 이루어진 반사방지층(202)과, 상기 셀영역의 포토다이오드(201)에 대응되도록 상기 반사방지층(202)에 형성된 컬러필터층(203)과, 상기 컬러필터층(203)을 포함한 기판(200)의 전면에 형성된 평탄화층(204)과, 상기 셀영역의 포토다이오드(201)에 대응되도록 상기 평탄화층(204)에 형성된 다수개의 마이크로렌즈(205)와, 상기 마이크로렌즈(205)의 상부에 구비된 대 물렌즈(206)를 포함한다.
여기서, 상기 반사방지층(202)은 세 개의 절연막, 즉 두 개의 제 1 절연막(202a)과 한 개의 제 2 절연막(202b)으로 이루어진다. 제 1 절연막(202a)은 상기 포토다이오드(201)가 형성된 기판(200)의 전면에 형성되며, 상기 제 2 절연막(202b)은 상기 제 1 절연막(202a)상에 형성된다. 그리고, 제 2 절연막(202a)상에는 제 1 절연막(202a)이 형성된다. 즉, 상기 제 2 절연막(202b)는 상기 제 1 절연막(202a) 사이에 위치한다.
여기서, 상기 제 1 절연막(202a)은 상기 제 2 절연막(202b)보다 더 큰 굴절율을 갖는다.
이와 같이 구성된 반사방지층(202)은 대물렌즈(206) 및 마이크로렌즈(205)를 통해 입사되는 광을 입사받게 되는데, 이때, 상기 반사방지층(202)에 구비된 제 1 절연막(202a)과 제 2 절연막(202b)이 서로 다른 굴절율을 갖기 때문에 상기 광은 상기 각 절연막(202a, 202b)간의 계면에서 거의 반사되지 않는다.
한편, 상기 반사방지층(202)은 3개 이상의 절연막으로 구성될 수도 있다.
도 3은 도 2에 도시된 반사방지층의 또 다른 구성을 나타낸 도면이다.
즉, 상기 반사방지층(202)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 제 1 절연막(202a)과 2개의 제 2 절연막(202b)으로 이루어진 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 제 1 절연막(202a)과 제 2 절연막(202b)의 수는 서로 다르게 구성하여도 무방하다. 한편, 상기 반사방지층(202)은, 상기 제 1 절연막(202a)과 제 2 절연막(202b)이 서로 교번적으로 적층된 구조를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 절연막 (202a)은 제 2 절연막(202b)보다 더 큰 굴절률을 갖는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제 1 절연막(202a)은 질화실리콘을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 제 2 절연막(202b)은 산화실리콘을 사용하는 것이 바람직하다.
이 반사방지층(202)의 두께와 반사율에 대한 관계를 실험 결과를 통해 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4c는 반사방지층의 두께에 따른 반사율을 나타낸 도면이다.
여기서, 도 4a 내지 도 4c는 두 개의 제 1 절연막(202a) 및 한 개의 제 2 절연막(202b)을 포함하는 반사방지층을 나타낸 것으로, 제 2 절연막(202b)의 두께를 일정하게 유지하고, 두 개의 제 1 절연막(202a)의 두께를 변화시켰을 때 반사율의 변화정도를 나타내는 도면이다.
즉, 도 4a는 제 2 절연막(202b)의 두께를 일정하게 유지시키고, 상기 제 2 절연막(202b)의 하부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께를 0Å 내지 1000Å 까지 변화시키고, 상기 제 2 절연막(202b)의 상부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께를 1000Å, 2500Å, 4000Å, 5500Å, 7000Å, 및 8500Å로 변화시켰을 때 반사율의 변화정도를 나타낸 도면이다.
그리고, 도 4b는 제 2 절연막(202b)의 두께를 일정하게 유지시키고, 상기 제 2 절연막(202b)의 하부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께를 0Å 내지 1000Å 까지 변화시키고, 상기 제 2 절연막(202b)의 상부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께를 0Å, 1500Å, 3000Å, 4500Å, 6000Å, 7500Å, 및 9000Å로 변화시켰을 때 반사율의 변화정도를 나타낸 도면이다.
그리고, 도 4c는 제 2 절연막(202b)의 두께를 일정하게 유지시키고, 상기 제 2 절연막(202b)의 하부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께를 0Å 내지 1000Å 까지 변화시키고, 상기 제 2 절연막(202b)의 상부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께를 500Å, 2000Å, 3500Å, 5000Å, 6500Å, 8000Å, 및 9500Å로 변화시켰을 때 반사율의 변화정도를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 절연막(202b)의 하부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께가 약 200Å 내지 400Å일 때 가장 낮은 반사율을 나타낸다. 즉, 이는 상기 제 2 절연막(202)의 하부에 위치한 제 1 절연막(202a)의 두께를 약 200Å 내지 400Å의 크기로 형성할 때, 상기 반사방지층(202)의 투과도를 최대화시킬 수 있다는 것을 의미한다.
물론, 상기 제 1 절연막(202a)은 질화실리콘으로 이루어지며, 제 2 절연막(202b)은 산화실리콘으로 이루어진다.
이와 같이 구성된 본 발명의 이미지센서에서, 상기 대물렌즈(206) 및 다수개의 마이크로렌즈(205)를 통과한 광은 상기 반사방지층(202)을 통해 각 셀영역의 포토다이오드(201)에 거의 손실없이 공급된다.
즉, 상기 대물렌즈(206)를 통과한 광은 다수개의 마이크로렌즈(205)에 입사되는데, 이때, 이미지센서의 중심부에 위치한 마이크로렌즈(205)에는 거의 90도에 가까운 각으로 광이 입사한다. 따라서, 상기 중심부의 마이크로렌즈(205)를 통과한 광은 반사방지층(202)에 거의 수직하게 입사되며, 이로 인해 상기 광은 거의 반사되지 않고 상기 반사방지층(202)을 통과하여 포토다이오드(201)에 공급된다. 즉, 상기 중심부의 마이크로렌즈(205)를 통과한 광은 거의 손실없이 포토다이오드(201)에 공급된다.
한편, 상기 이미지센서의 중심부로부터 먼 마이크로렌즈(205)에는 90도보다 작은 각도로 광이 입사하게 된다. 특히, 상기 입사각은 상기 중심부로부터 멀어질수록 더 작아지기 때문에, 상기 이미지센서의 가장자리에 위치한 마이크로렌즈(205)에는 30도에 가까운 각으로 광이 입사하게 된다. 여기서, 상기 이미지센서의 가장자리에 위치한 마이크로렌즈(205)를 통과한 광은 그 하부의 반사방지층(202)에 도달한다. 이때, 상기 광은 상기 반사방지층(202)의 제 1 절연막(202a) 제 2 절연막(202b)을 통과하면서 반사율이 현저히 낮아진다. 따라서, 상기 광은 이미지센서의 가장자리에 위치한 각 포토다이오드(201)에 거의 손실없이 공급된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 이미지센서의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
먼저 도 5a에 도시된 바와 같이, 다수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토다이오드(201)들이 형성된 반도체 기판(200)상에 제 1 절연막(202a)을 형성한다. 이후, 상기 제 1 절연막(202a)상에, 상기 제 1 절연막(202a)과 굴절율이 다른 제 2 절연막(202b)을 형성한다. 그리고, 상기 제 2 절연막(202b)상에 제 1 절연막(202a)를 형성한다. 이렇게 함으로써, 상기 반도체 기판(200)상에는 서로 다른 굴절율을 갖는 제 1 및 제 2 절연막(202a, 202b)으로 이루어진 반사방지층(202)이 형성된다.
여기서, 상기 제 1 절연막(202a)은 질화실리콘을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 제 2 절연막(202b)은 산화실리콘을 사용하는 것이 바람직하다.
이후, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 반사방지층(202), 구제적으로 제 1 절연막(202a)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 컬러필터층(203)들을 형성한다.
그리고, 상기 컬러필터층(203)을 포함한 반도체 기판(200)의 전면에 신뢰성(reliability) 및 패키지(package)시 EMC, 외부로부터의 수분이나 중금속 침투를 방지하기 위하여 질화실리콘막을 증착하여 평탄화층(204)을 형성한다.
도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(204)상에 마이크로렌즈용 레지스트층(205a)을 도포하고, 상기 레지스트층(205a)의 상부에 개구부를 갖는 레티클(M)을 정렬한다.
이어서, 상기 레티클(M)의 전면에 레이저 등의 빛을 조사하여 상기 레티클(M)의 개구부에 대응되도록 상기 레지스트층(205a)을 선택적으로 노광한다.
도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 노광된 레지스트층(205a)을 현상하여 마이크로렌즈용 패턴(205b)을 형성한다.
도 5e에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈용 패턴(205b)을 소정온도에서 리플로우하여 마이크로렌즈(205)를 형성한다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 이미지센서에는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 이미지센서에서의 반도체 기판과 컬러필터층 사이에 광의 반사율을 감소시킬 수 있는 반사방지층이 형성되어 있다. 상기 반사방지층은 서로 다른 굴절율을 갖는 적어도 2개의 절연막으로 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 이미지센서는, 이미지센서의 양 가장자리에 낮은 각으로 입사하는 광의 반사율을 방지함으로써 광의 손실을 최소화할 수 있다.
Claims (7)
- 다수개의 셀영역을 갖는 기판;상기 기판의 셀영역마다 형성된 포토다이오드;상기 포토다이오드가 형성된 기판의 전면에 형성되며 질화실리콘(SiNix)으로 이루어진 제 1 절연막과, 상기 제 1 절연막보다 더 작은 굴절률을 가지며, 상기 제 1 절연막상에 형성되며 산화실리콘(SiOx)으로 이루어진 제 2 절연막과, 상기 제 1 절연막과 동일한 굴절율을 가지며, 상기 제 2 절연막상에 형성되며 질화실리콘으로 이루어진 제 3 절연막으로 이루어진 반사방지층;상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 반사방지층에 형성된 컬러필터층;상기 컬러필터층을 포함한 기판의 전면에 형성된 평탄화층; 및,상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 평탄화층에 형성된 다수개의 마이크로렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 이미지센서.
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- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로렌즈의 상부에 구비되어 외부로부터의 광을 집광하고, 이 집광된 광을 상기 마이크로렌즈들에 제공하는 대물렌즈를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 이미지센서.
- 다수개의 셀영역을 갖는 기판을 준비하는 단계;상기 기판의 각 셀영역에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 포토다이오드가 형성된 기판의 전면에 질화실리콘(SiNix)으로 이루어진 제 1 절연막을 형성하고, 상기 제 1 절연막상에 상기 제 1 절연막보다 더 작은 굴절률을 가지며, 산화실리콘(SiOx)으로 이루어진 제 2 절연막을 형성하고, 상기 제 2 절연막상에 상기 제 1 절연막과 동일한 굴절율을 가지며, 질화실리콘으로 이루어진 제 3 절연막을 형성함으로써 반사방치층을 형성하는 단계;상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 반사방지층에 컬러필터층을 형성하는 단계;상기 컬러필터층을 포함한 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계; 및,상기 셀영역의 포토다이오드에 대응되도록 상기 평탄화층에 형성된 다수개의 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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