KR100710210B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드로 입사되는 빛이 이웃하는 포토다이오드로 입사되는 것을 방지함으로써 크로스토크를 방지하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 형성된 층간 절연막과, 상기 층간 절연막상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 각 칼라 필터층의 사이에 형성되는 금속막 측벽과, 상기 각 칼라 필터층상에 형성되는 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
마이크로렌즈, 칼라 필터층, 이미지 센서, 금속막 측벽, 크로스토크

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS image sensor and method for fabricating the same}
도 1은 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 등가 회로도
도 2는 일반적인 3T형 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 나타낸 레이아웃도
도 3은 일반적인 칼라 필터의 바이어 패턴을 나타낸 평면도
도 4는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 5는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : 반도체 기판 102 : 포토다이오드
103 : 층간 절연막 104 : 그린 칼라 필터층
105 : 금속막 측벽 106 : 레드 칼라 필터층
107 : 블루 칼라 필터층 108 : 평탄화층
109 : 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 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.
이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되 어 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 있다.
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(130,140,150)이 형성된다.
즉 상기 게이트 전극(130)에 의해 리셋 트랜지스터(Rx)가 형성되고, 상기 게이트 전극(140)에 의해 드라이브 트랜지스터(Dx)가 형성되며, 상기 게이트 전극(150)에 의해 선택 트랜지스터(Sx)가 형성된다.
여기서, 상기 각 트랜지스터의 액티브 영역(10)에는 각 게이트 전극(130,140,150) 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(130,140,150)들은, 도면에는 도시되지 않았지만, 각 신호 라인에 연결되고, 상기 각 신호 라인들은 일측 끝단에 패드를 구비하여 외부의 구동회로에 연결된다.
도 3은 일반적인 칼라 필터의 바이어 패턴을 나타낸 평면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 열에 그린(G), 블루(B), 그린(G), 블루(B) 순으로 배열되고, 상기 제 1 열과 대응되게 제 2 열에는 레드(R), 그린(G), 레드(R), 그린(G) 순으로 배열되어 있다.
즉, 그린(G)이 W 형태로 배열되고 상기 W 형태의 V자 내에는 블루(B)가 배열되고, V자 밖에는 레드(R)가 배열되고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 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 절연막(13)과, 상기 층간 절연막(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 상기 칼라 필터층(14)을 포함한 반도체 기판(11)의 전면에 형성되는 평탄화층(15)과, 상기 평탄화층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(14)을 투과하여 포토 다이오드(12)로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(16)로 구성된다.
여기서 도면에 도시하지 않았지만, 상기 층간 절연막(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 칼라 필터층(14)은 R(red), G(green), B(blue)의 칼라 필터로 구성되며, 상기 각 칼라 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.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드로 입사되는 빛 중 입사광이 틸티(tilt)를 가진 상태로 입사되는 빛이 인접된 픽셀(pixel)의 포토다이오드로 유도됨으로써 크로스토크(cross talk)를 유발한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드로 입사되는 빛이 이웃하는 포토다이오드로 입사되는 것을 방지함으로써 크로스토크를 방지하도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 형성된 층간 절연막과, 상기 층간 절연막상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 다수의 칼라 필터층과, 상기 각 칼라 필터층의 사이에 형성되는 금속막 측벽과, 상기 각 칼라 필터층상에 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 일정한 간격을 갖도록 제 1 색의 칼라 필터층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 색의 칼라 필터층의 양측면에 금속막 측벽을 형성하는 단계와, 상기 금속막 측벽이 형성된 제 1 색의 칼라 필터층의 인접한 영역에 제 2 색의 칼라 필터층과 제 3 색의 칼라 필터층을 각각 형성하는 단계와, 상기 각 칼라 필터층상에 다수의 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 5는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 구성하는 포토 다이오드(102)와 각종 트랜지스터(도시되지 않음)들이 형성된 반도체 기판(101)과, 상기 반도체 기판(101)의 전면에 형성된 층간 절연막(103)과, 상기 층간 절연막(103)상에 일정한 간격을 갖고 형성된 그린, 레드, 블루 칼라 필터층(104,106,107)과, 상기 각 칼라필터층(104,106,107) 사이에 형성되는 금속막 측벽(105)과, 상기 각 칼러 필터층(104,106,107)을 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 형성되는 평탄화층(108)과, 상기 평탄화층(108)상에 상기 각 칼라 필터층(104,106,107)과 대응되 게 중심부분과 가장자리 부분이 반구형 형상을 갖고 형성된 마이크로렌즈(109)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 금속막 측벽(105)은 상기 그린 칼라 필터층(104)의 양측면에만 형성되어 있다.
또한, 상기 각 칼라 필터층(104)의 배열은 레드, 그린, 블루, 그린 색의 순서로 되어 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(101)에 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀을 구성하는 포토다이오드(102)와 각종 트랜지스터(도시되지 않음)들을 형성한다.
이어, 상기 포토다이오드(102)를 포함한 반도체 기판(100)의 전면에 층간 절연막(103)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연막(103)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연막을 형성한 후에 상기 포토다이오드(102)로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연막을 형성할 수도 있다.
한편, 상기 층간 절연막(103)은 USG(Undoped Silicate Glass)과 같은 옥사이드를 사용한다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 층간 절연막(103)상에 그린(Green) 감광성 물질을 도포한 후, 포토 및 노광 공정을 통해 상기 그린 감광성 물질을 선택적으로 패터닝하여 일정한 간격을 갖는 그린 칼라 필터층(104)을 형성한다.
도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 그린 칼라 필터층(104)을 포함한 반도체 기판(101)의 전면에 불투명 금속막(예를 들면, Al, Cr, Mo, Ti 등)을 500 ~ 2000Å의 두께로 증착하고, 상기 불투명 금속막의 전면에 블랭킷 에치(blanket etch)를 실시하여 상기 그린 칼라 필터층(104)의 양측면에 금속막 측벽(105)을 형성한다.
도 6d에 도시한 바와 같이, 상기 금속막 측벽(105)이 형성된 반도체 기판(101)의 전면에 레드(Red) 감광성 물질을 도포한 후, 포토 및 노광 공정을 통해 상기 레드 감광성 물질을 선택적으로 패터닝하여 상기 그린 칼라 필터층(104) 사이의 일정영역에 레드 칼라 필터층(106)을 형성한다.
이어, 상기 반도체 기판(101)의 전면에 블루(Blue) 감광성 물질을 도포한 후, 포토 및 노광 공정을 통해 상기 블루 감광성 물질을 선택적으로 패터닝하여 상기 그린 칼라 필터층(104)의 타측에 일정한 간격을 갖는 그린 칼라 필터층(104) 사이의 일정영역에 블루 칼라 필터층(107)을 형성한다.
한편, 상기 그린 칼라 필터층(104)의 양측면에만 금속막 측벽(105)을 형성하는 이유는 상기 그린 칼라 필터층(104)이 도 2의 바이어 패턴에서와 같이, 모든 칼라 필터층의 접점을 공유하고 있기 때문이다.
한편, 별도의 마스크를 사용한 사진 식각 공정으로 패터닝하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 그린, 레드, 블루 칼라 필터층(104,106,107)을 단일층으로 형성된다.
도 6e에 도시한 바와 같이, 상기 각 칼라 필터층(104,106,107)을 포함한 반 도체 기판(101)의 전면에 평탄화층(108)을 형성한다.
이어, 상기 평탄화층(108)상에 마이크로렌즈용 물질층을 도포한 후, 선택적으로 패터닝하고 리플로우하여 상기 각 칼라 필터층(104,106,107)과 대응되게 반구형의 마이크로렌즈(109)를 형성한다.
한편, 상기 마이크로렌즈용 물질층으로 산화막과 같은 절연막 또는 포토레지스트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 리플로우 공정은 핫 플레이트(hot plate)를 이용하거나 퍼니스(furnace)를 이용할 수 있다. 이때 수축 가열하는 방법에 따라 마이크로렌즈(109)의 곡률이 달라지는데 이 곡률에 따라서 집속 효율도 달라지게 된다.
이어, 상기 마이크로렌즈(109)에 자외선 또는 레이저를 조사하여 경화한다.
여기서, 상기 마이크로렌즈(109)에 자외선 또는 레이저를 조사하여 경화함으로써 상기 마이크로렌즈(109)는 최적의 곡률 반경을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 그린 칼라 필터층(104)을 형성한 후에 상기 그린 칼라 필터층(104)의 양측면에 금속막 측벽(105)을 형성하는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 그린, 레드, 블루 칼라 필터층(104,106,107)을 형성한 후 전면에 금속막을 증착한 후 블랭킷 에치 또는 CMP 공정을 통해 그린, 레드, 블루 칼라 필터층(104,106,107)의 사이에 금속막 측벽(105)을 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 평탄화층(108)을 형성하고 있는데, 상기 평탄화층(108)을 형성하지 않고 상기 각 칼라 필터층(104,106,107)상에 마이크로렌즈(109)를 직접 형성할 수도 있다.
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 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 칼라 필터층의 사이에 불투명 금속막으로 이루어진 금속막 측벽을 형성함으로써 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드로 입사되는 빛을 전반사시켜 입사광이 틸티로 가진 상태로 입사되더라도 크로스토크를 방지하여 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막상에 일정한 간격을 갖도록 제 1 색의 칼라 필터층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 색의 칼라 필터층의 양측면에 금속막 측벽을 형성하는 단계;
    상기 금속막 측벽이 형성된 제 1 색의 칼라 필터층의 인접한 영역에 제 2 색의 칼라 필터층과 제 3 색의 칼라 필터층을 각각 형성하는 단계;
    상기 각 칼라 필터층상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로렌즈에 레이저를 조사하여 경화하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 색의 칼라 필터층은 전면에 그린 감광성 물질을 도포한 후 선택적으로 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 금속막 측벽은 불투명 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 불투명 금속은 Al, Cr, Mo, Ti 중에서 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 금속막 측벽은 500 ~ 2000Å의 두께로 금속막을 증착한 후 블랭킷 에치하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 각 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 평탄화층을 형성하는 단계를 더 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 포토 다이오드와 각종 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판의 전면에 층간 절연막을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연막상에 일정한 간격을 갖도록 그린, 레드, 블루 칼라 필터층을 각각 형성하는 단계;
    상기 각 칼라 필터층의 양측면에 금속막 측벽을 형성하는 단계;
    상기 각 칼라 필터층상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로렌즈에 레이저를 조사하여 경화하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  17. 제 14 또는 제 16 항에 있어서, 상기 금속막 측벽은 상기 각 칼라 필터층의 포함한 반도체 기판의 전면에 금속막을 증착하고 CMP 또는 블랭킷 에치하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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