KR100720535B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공정 안정성을 확보함과 동시에 감도를 향상시키어 이미지 센서의 특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 반도체 기판에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드들과, 상기 포토 다이오드들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층과, 상기 층간 절연층상에 형성되어 각각 특정 파장대의 빛을 통과시키는 칼라 필터층과, 상기 이웃하는 칼라 필터층이 접하는 부분에 형성되고 상기 포토다이오드 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위해 차광층 역할을 하는 물질로 이루어진 절연막 패턴들과, 상기 각 절연막 패턴 사이의 칼라 필터층 상에 형성되어 상기 포토다이오드로 빛을 집속하는 평면 구조를 갖는 마이크로렌즈들을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
CMOS 이미지 센서, 마이크로렌즈, 절연막
Description
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 포토 다이오드 102 : 층간 절연층
103 : 칼라 필터층 104 : 절연막 패턴
105 : 마이크로렌즈
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 공정 안정성을 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.
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.
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 집속시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집속 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 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.
한편, 일반적인 CMOS 이미지 센서는 간단히 포토다이오드(Photo diode), 층간 절연층, 칼라 필터(color filter), 마이크로렌즈(Microlens)등으로 구성된다.
상기 포토다이오드는 빛을 감지하여 전기적신호로 바꾸어 주는 역할을 하고, 상기 층간 절연층은 각 금속배선들간에 절연을 시키는 역할을 하고, 상기 칼라 필터는 RGB의 빛의 삼원색을 표현하며, 상기 마이크로렌즈는 빛을 포토다이오드에 집광시켜주는 역할을 하게 된다.
이중에 가장 표준화되지 못한 공정이 마이크로렌즈의 제조공정이다.
상기 마이크로렌즈는 투명하고 완만한 타원형의 모습을 가진 포토레지스트 재질로 이루어져 있다.
현재의 반도체 제조기술로는 마이크로렌즈를 제조할 때, 일반적인 방법으로 포토레지스트를 노광 및 현상하고, 리플로우(reflow) 공정을 통해 타원형의 마이크로렌즈를 제조하고 있다.
또한, CMOS 이미지 센서의 제조시 감도를 향상시키기 위해 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이의 간격을 최대한 줄이고 있다.
한편, 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 간격을 줄이는 방법으로는 ① 평탄화층(planarization layer)을 매우 얇게 하거나 없애는 것, ② 층간 절연층의 두께를 줄이는 방법, ③ 그 최종두께에 맞추어 마이크로렌즈의 초점 길이(focal length)를 조절하는 것 등의 방법이 있다. 또 한가지 고려해야 할 것은 빛의 집광 정도가 마이크로렌즈의 초점 길이가 긴 것이 짧은 것보다는 좋은 특성을 보인다.
따라서, ④ 마이크로렌즈는 점점 평평하게 디자인(design)되어야 한다. 위의 4가지 조건을 고려해야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
종래 기술의 씨모스 이미지 센서는 도 1에서와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(31) 영역들과, 상기 포토 다이오드(31) 영역들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(32)과, 상기 층간 절연층(32)상에 형성되는 보호막(33)과, 상기 보호막(33)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(34)과, 상기 칼라 필터층(34)상에 형성되는 평탄화층(35)과, 상기 평탄화층(35)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터층(34)을 투과하여 포토 다이오드(31) 영역으로 빛을 집속하는 마이크로 렌즈(36)를 포함하여 구성되어 있다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 상기 층간 절연층(32)내에는 포토 다이오드(31) 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 마이크로 렌즈(36)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 폴리머 계열의 수지가 주로 사용되고, 증착, 노광 및 현상에 의한 패터닝 그리고 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
즉, 도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층(32)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연층(32)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층 형성후에 포토 다이오드(31) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.
이어, 상기 층간 절연층(32)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성한다.
그리고 상기 보호막(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층(34)들을 형성한다.
여기서, 상기 칼라 필터층(34)을 형성하기 위해 노광 공정시 사용되는 포토 마스크(도시되지 않음)는 상기 칼라 필터층(34)의 경계 부분에 요철이 형성될 수 있도록 패턴이 정의된 마스크를 사용한다.
이어, 상기 칼라 필터층(34)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 평탄화층(35)을 형성한다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화층(35)상에 마이크로렌즈 형성용 레지스트층을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 상기 레지스트층을 패터닝하여 사다리꼴 형상을 갖는 마이크로렌즈 패턴(36a)을 형성한다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 마이크로렌즈 패턴(36a)을 150 ~ 200℃에서 리플로우시켜 마이크로렌즈(36)를 형성한다.
그러나, 상기 리플로우 공정은 표준화하기가 곤란하고 마이크로렌즈 형성에 사용되는 포토레지스트가 매우 민감하게 반응하므로, 공정안정성을 높이기가 매우 어렵다.
또한, 최상층에 형성된 마이크로렌즈는 공기에 노출되어 있다.
상기 마이크로렌즈로부터 집광된 빛이 컬러 필터와 층간 절연층을 지나서 폴리 실리콘(poly-silicon)인 포토다이오드에 도달하게 되면 전기적 신호로 바뀌게 되어 그 전기적 신호를 디스플레이(display)하게 된다. 이때, 마이크로렌즈의 길이, 칼라 필터의 크기와 분포도, 층간 절연층의 두께(thickness), 포토다이오드의 피치 사이즈(pitch size) 등이 각각 연동되어 변해야 하며, 비교적 마이크로렌즈의 길이가 변동도 심하고 표준화하기 어렵다.
따라서 마이크로렌즈의 모양을 표준화할 필요가 있는데, 라인(line)에서의 일반적인 측정도구(Optics, CDSEM)로 측정하는 것이 매우 어렵고, 그에 따른 스펙(spec) 설정이 무의미한 경우가 많다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 공정 안정성을 확보함과 동시에 감도를 향상시키어 이미지 센서의 특성을 향상시키도록 한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드들과, 상기 포토 다이오드들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층과, 상기 층간 절연층상에 형성되어 각각 특정 파장대의 빛을 통과시키는 칼라 필터층과, 상기 이웃하는 칼라 필터층이 접하는 부분에 형성되고 상기 포토다이오드 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위해 차광층 역할을 하는 물질로 이루어진 절연막 패턴들과, 상기 각 절연막 패턴 사이의 칼라 필터층 상에 형성되어 상기 포토다이오드로 빛을 집속하는 평면 구조를 갖는 마이크로렌즈들을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간절연층상에 상기 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계와, 상기 이웃하는 칼라 필터층이 접하는 부분에 일정한 간격을 갖도록 절연막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 절연막 패턴 사이의 칼라 필터층상에 평면 구조를 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 마이크로렌즈와 평탄화층 부분을 사로 굴절률이 다른 필름(film)을 만들어야 하는데, 마이크로렌즈 부분이 평탄화층 부분보다 굴절률이 작아야 한다. 굴절률에 관한 스넬(snell)의 법칙에 의거하면, 초점 길이를 길게 하고 집광의 효과를 높이기 위해서는 가급적이면 마이크로렌즈와 평탄화층의 굴절률의 차이가 크면 클수록 집광의 효과가 높아진다.
또한, 평탄화층 또는 보호막을 생략 가능하여 집광된 빛의 흡수에 의한 손실을 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(도면에 도시하지 않음)에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(101)들과, 상기 포토 다이오드(101)들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(102)과, 상기 층간 절연층(102)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(103)과, 상기 칼라 필터층(103)상에 일정한 간격을 갖고 형성되는 절연막 패턴(104)들과, 상기 각 절연막 패턴(104) 사이의 칼라 필터층(103) 상에 형성되어 상기 포토다이오드(101)로 빛을 집속하는 마이크로렌즈(105)들을 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 절연막 패턴(104)은 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 이루어져 있고, 상기 마이크로렌즈(105)는 상기 절연막 패턴(104)의 상부 표면과 동일 높이를 가지면서 평탄한 구조로 형성되어 있다.
또한, 상기 마이크로렌즈(105)는 포토레지스트 또는 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연 물질로 이루어져 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오 드(101)들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층(102)을 형성한다.
여기서, 상기 층간 절연층(102)은 다층으로 형성될 수도 있고, 도시되지 않았지만, 하나의 층간 절연층을 형성한 후에 포토 다이오드(101) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층을 형성 한 후에 다시 층간 절연층이 형성된다.
이어, 상기 층간 절연층(102)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 R,G,B 칼라 필터층(103)들을 형성한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 칼라 필터층(103)을 포함한 반도체 기판의 전면에 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 등의 절연막을 형성하고, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 이웃하는 칼라 필터층(103)이 접하는 부분에만 남도록 상기 절연막을 선택적으로 패터닝하여 절연막 패턴(104)을 형성한다.
여기서, 상기 절연막은 상기 포토다이오드(101) 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위해 차광층 역할을 하는 물질로 이루어질 수도 있다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 절연막 패턴(104)을 포함한 반도체 기판의 전면에 마이크로렌즈용 물질층을 증착하고, 상기 절연막 패턴(104)의 상부 표면을 앤드 포인트로 상기 마이크로렌즈용 물질층의 전면에 평탄화 공정을 실시하여 상기 절연막 패턴(104) 사이의 칼라 필터층(103)상에 평면 구조를 갖는 마이크로렌즈(105)를 형성한다.
여기서, 상기 마이크로렌즈용 물질층은 포토레지스트 또는 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연 물질로 이루어져 있다.
한편, 상기 절연 물질로 페릴렌을 이용할 수 있는데, 상기 페릴렌(parylene : poly-para-xylene)은 폴리머(polymer)계열의 고분자 물질로 벤젠고리의 양 끝단에 CH2 가 연결되어 있는 기본구조가 체인모양으로 이어진 구조를 하고 있으며 이 기본 구조에서 Cl의 유무 및 붙어 있는 위치, 수에 따라 페릴렌 N, 페릴렌 C, 페릴렌 D 등의 다수 타입으로 분류되며, 타입별로 빛의 투과성 및 유전상수, 절연파괴 강도 등의 전기적 특성이 다르다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 일정한 간격을 갖는 절연막 패턴을 형성한 후 그 사이에 마이크로렌즈를 평탄화하여 형성함으로써 스펙을 정하거나 빛의 경로를 정의하기가 용이하고 공정 안정성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 보호막 및 평탄화층의 생략이 가능하여 상기 마이크로렌즈와 포토다이오드간의 거리를 줄일 수가 있기 때문에 감도를 향상시키어 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (9)
- 반도체 기판에 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드들과,상기 포토 다이오드들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층과,상기 층간 절연층상에 형성되어 각각 특정 파장대의 빛을 통과시키는 칼라 필터층과,상기 이웃하는 칼라 필터층이 접하는 부분에 형성되고 상기 포토다이오드 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위해 차광층 역할을 하는 물질로 이루어진 절연막 패턴들과,상기 각 절연막 패턴 사이의 칼라 필터층 상에 형성되어 상기 포토다이오드로 빛을 집속하는 평면 구조를 갖는 마이크로렌즈들을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연막 패턴은 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 상기 절연막 패턴의 상부 표면과 동일 높이를 가지면서 평탄한 구조로 형성됨을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 포토레지스트 또는 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연 물질로 이루어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 복수개의 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간절연층상에 상기 각각의 포토다이오드에 대응되는 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 이웃하는 칼라 필터층이 접하는 부분에 일정한 간격을 갖도록 절연막 패턴을 형성하는 단계;상기 절연막 패턴 사이의 칼라 필터층상에 평면 구조를 갖는 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 절연막 패턴은 상기 칼라 필터층을 포함한 반도체 기판의 전면에 실리콘 나이트라이드를 형성하고, 포토 및 식각 공정을 통해 상기 이웃하는 칼라 필터층이 접하는 부분에만 남도록 상기 실리콘 나이트라이드를 선택적으로 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 상기 절연막 패턴을 포함한 반도체 기판의 전면에 마이크로렌즈용 물질층을 증착하고, 상기 절연막 패턴의 상부 표면을 앤드 포인트로 상기 마이크로렌즈용 물질층의 전면에 평탄화 공정을 실시하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 포토레지스트 또는 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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