KR100731114B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서에서 굴절률이 서로 다른 물질을 사용하여 다층으로 칼라 필터층을 형성하는 것에 의해 광의 집속 효율을 높일 수 있도록한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 그 구성은 반도체 기판에 형성되는 복수개의 광감지 소자들;상기 광감지 소자를 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층;상기 광감지 소자에 대응하여 층간 절연층상에 구성되고, 서로 다른 굴절률을 갖는 복수개의 층들이 적층되는 구조로 하나의 칼라 필터를 구성하여 파장대별로 빛을 필터링 및 집속하는 칼라 필터층들;상기 각각의 광감지 소자에 대응하여 형성되고 빛을 집속하는 마이크로 렌즈층들을 포함한다.
CMOS 이미지 센서, 마이크로 렌즈, 굴절율, 매질, 다중 칼라 필터층
Description
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 구성도
도 2는 매질에 따라 달라지는 굴절률의 변화에 따른 빛의 진행 경로를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 구성도
도 4a내지 도 4c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31. 포토 다이오드 32. 층간 절연층
33. 보호막 34a. 제 1 칼라 필터층
34b. 제 2 칼라 필터층 35. 탑 코팅층
36. 마이크로 렌즈층
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 굴절률이 서로 다른 물질을 사 용하여 다층으로 칼라 필터층을 형성하는 것에 의해 광의 집속 효율을 높일 수 있도록한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 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 면적중에서 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 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어진다.
이하에서 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 씨모스 이미지 센서 및 그의 마이크로 렌즈 형성에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 구성도이다.
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(11) 영역들과, 상기 포토 다이오드(11) 영역들을 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층(12)과, 층간 절연층(12)상에 형성되는 보호막(13)과, 보호막(13)상에 형성되어 각각 특정의 파장대의 빛을 통과시키는 R,G,B의 칼라 필터층(14)과, 칼라 필터층(14)상에 형성되는 탑 코팅층(15)과, 탑 코팅층(15)상에 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성되어 대응하는 칼라 필터(14)를 투과하여 포토 다이오드(11) 영역으로 빛을 집광하는 마이크로 렌즈(16)로 구성된다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 층간 절연층내에는 포토 다이오드(11) 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, 마이크로 렌즈(16)는 집속된 빛의 초점 등의 여러 가지를 고려하여 곡률 및 형성 높이 등이 결정되는데, 폴리머 계열의 수지가 주로 사용되고, 증착 및 패터닝 그리고 리플로우 등의 공정으로 형성된다.
즉, 단위 화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 광감지 소자의 두께, 그리고 차 광층의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반경으로 형성되어야 한다.
이와 같이 종래 기술의 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)를 제조하기 위한 공정에서 광의 집속력을 높이기 위하여 형성되는 마이크로 렌즈(16)는 이미지 센서의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다.
마이크로 렌즈(16)는 자연광이 조사될 때 파장에 따라 각각의 칼라 필터(14)를 통하여 포토 다이오드(11) 영역에 보다 많은 양의 광이 집속되도록 하는 역할을 한다.
이미지 센서로 입사된 빛은 마이크로 렌즈(16)에 의해 집광되어 칼라 필터(14)를 통해 필터링된 광은 칼라 필터(14)의 하단에 대응되어 구성되는 포토 다이오드(11)에 입사된다.
이때, 차광층은 입사된 광이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.
그러나 이와 같은 종래 기술의 CMOS 이미지 센서에 있어서 볼록 형태의 마이크로 렌즈의 경우에는 다음과 같은 문제가 있다.
이러한 반구 형태의 마이크로 렌즈의 경우 광축과 평행한 빛은 렌즈에서 굴절되어 렌즈의 대향 위치에 있는 광감지 소자에 도달되어 정상적으로 소자를 동작시키지만, 광축에 평행하지 않은 빛은 렌즈에서 굴절되어 빛이 입사되지 말아야 하는 경로의 광감지 소자에 도달하게 되어 소자가 오동작되는 경우가 발생하게 된다.
또한, 마이크로 렌즈 하부 막질의 종류 및 두께에 따라서 광감지 소자에 도 달하는 빛의 양 차이를 발생하게 되어 집광 효율이 떨어지고 이로 인해 화질이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 씨모스 이미지 센서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 이미지 센서에서 굴절률이 서로 다른 물질을 사용하여 다층으로 칼라 필터층을 형성하는 것에 의해 광의 집속 효율을 높일 수 있도록한 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판에 형성되는 복수개의 광감지 소자들;상기 광감지 소자를 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층;상기 광감지 소자에 대응하여 층간 절연층상에 구성되고, 서로 다른 굴절률을 갖는 복수개의 층들이 적층되는 구조로 하나의 칼라 필터를 구성하여 파장대별로 빛을 필터링 및 집속하는 칼라 필터층들;상기 각각의 광감지 소자에 대응하여 형성되고 빛을 집속하는 마이크로 렌즈층들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 다른 목적을 달성하기 위한 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 복수개의 광감지 소자들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 광감지 소자에 대응되는 제 1 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 제 1 칼라 필터층상에 제 1 칼라 필터층과 다른 굴절률을 갖는 제 2 칼라 필터층들을 적층 하여 형성하는 단계;전면에 탑 코팅층을 형성하고 마이크로 렌즈 형성용 물질층을 증착하고, 패터닝 및 리플로우 공정을 진행하여 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 이하에서의 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 매질에 따라 달라지는 굴절률의 변화에 따른 빛의 진행 경로를 나타낸 구성도이다.
도 2에서와 같이, 굴절률이 다른 물질층을 다중 증착하면 빔이 굴절되는 효과를 나타내게 된다.
제 2 굴절률을 갖는 물질층상에 제 2 굴절률보다 작은 제 1 굴절률을 갖는 물질층을 적층하는 경우에는 빛이 굴절률이 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 입사할 때 투과각이 작아지는 원리를 가지고 있다.
도 2에서와 같이, 제 1 굴절률(n1)을 갖는 마이크로 렌즈층과 제 2 굴절률(n2; n2 > n1)을 갖는 제 2 칼라 필터층 그리고 제 3 굴절률(n3; n3 > n2)을 갖는 제 1 칼라 필터층을 갖는 경우에는 빛의 투과각이 θ1 > θ2 > θ3의 순서대로 변화된다.
이는 중심축을 기준으로 빛이 더 집속된다는 것을 의미한다.
이와 같은 원리를 이용하여 형성된 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 구 조 및 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 구성도이고, 도 4a내지 도 4c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조를 위한 공정 단면도이다.
먼저, 반도체 기판에 형성되는 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(31)들과, 상기 포토 다이오드(31)상에 형성되는 층간 절연층(32)과, 상기 층간 절연층(32)상에 형성되는 보호막(33)과, 상기 포토 다이오드(31)에 대응하여 보호막(33)상에 구성되고, 각각의 포토 다이오드(31) 영역에 대응하여 서로 다른 굴절률을 갖는 물질층이 적층되어 형성되고, 특정 파장대의 빛을 필터링하여 조사하는 제 1,2 칼라 필터층(34a)(34b)들과, 상기 제 1,2 칼라 필터층(34a)(34b)들의 평탄성을 확보하기 위한 탑 코팅층(35)과, 상기 칼라 필터층(34)상의 탑 코팅층(35)의 전면에 형성되어 빛을 집속하여 포토 다이오드(31) 영역으로 조사하는 마이크로 렌즈층(36)들을 포함하고 구성된다.
여기서, 제 1 칼라 필터층(34a)의 굴절률을 n3, 제 2 칼라 필터층(34b)의 굴절률을 n2, 마이크로 렌즈층(37)의 굴절률을 n1 이라고 하는 경우의 굴절률의 크기는 n3 > n2 > n1이다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 서로 다른 굴절률을 갖는 물질들을 사용하여 형성되는 제 1,2 칼라 필터층(34a)(34b)과 마이크로 렌즈층(36)을 적층하는 것에 의해 포토 다이오드(31) 영역으로 입사되는 빛이 1,2,3차 굴절되어 집속 효율이 높아진다.
제조 공정은 먼저, 도 4a에서와 같이, 복수개의 광감지 소자들 예를 들면, 포토 다이오드(31)들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층(32)을 형성한다.
여기서, 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 한후에 다시 층간 절연층이 형성된다.
이어, 층간 절연층(32)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(33)을 형성한다.
그리고 보호막(33)상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라 필터층들을 형성한다.
여기서, 칼라 필터층은 서로 굴절률이 다른 동일 물질층(가염성 레지스트)을 사용하여 다층 구조로 형성한다. 즉, 각각의 파장대별로 필터링하는 칼라 필터층을 제 1 칼라 필터층(34a)과 제 2 칼라 필터층(34b)이 적층되는 구조로 형성한다.
이어, 도 4b에서와 같이, 제 2 칼라 필터층(34b)상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화된 탑 코팅층(35)을 형성한다.
그리고 도 4c에서와 같이, 탑 코팅층(35)상에 제 1,2 칼라 필터층(34a)(34b)보다 작은 굴절률을 갖는 렌즈 형성용 물질층을 증착하고 패터닝 및 리플로우 공정을 진행하여 각각의 포토 다이오드(31)에 대응하는 마이크로 렌즈층(36)을 형성한다.
여기서, 제 1 칼라 필터층(34a)의 굴절률을 n3, 제 2 칼라 필터층(34b)의 굴절률을 n2, 마이크로 렌즈층(36)의 굴절률을 n1 이라고 하는 경우의 굴절률의 크기 는 n3 > n2 > n1이고, 제 1,2 칼라 필터층(34a)(34b) 자체가 렌즈 역할을 하므로 별도의 마이크로 렌즈층의 변경 또는 추가없이 빛의 집속 효율을 높일 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 빛이 굴절률이 낮은 데서 높은 쪽으로 진행할 경우 굴절각이 작아지는 원리를 이용하는 것이다.
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.
이와 같은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 마이크로 렌즈층의 변경 또는 추가 구성없이 칼라 필터층을 다층 구조로 형성하여 칼라 필터층 자체가 렌즈 역할을 하므로 광의 집속 효율을 높일 수 있다.
둘째, 광의 집속 효율이 높아지게 되어 칼라 필터를 통과한 빛이 포토 다이오드에 많이 입사되어 색상의 구현이 더욱 확실하게 된다.
셋째, 마이크로 렌즈의 변경 또는 추가 구성없이 칼라 필터층을 다층으로 구성하여 렌즈 역할을 하도록한 것으로 제조 공정 및 구조가 단순화된 다층 렌즈 형태의 이미지 센서를 제공하는 효과가 있다.
Claims (6)
- 반도체 기판에 형성되는 복수개의 광감지 소자들;상기 광감지 소자를 포함하는 전면에 형성되는 층간 절연층;상기 광감지 소자에 대응하여 층간 절연층상에 구성되고, 서로 다른 굴절률을 갖는 복수개의 층들이 적층되는 구조로 하나의 칼라 필터를 구성하여 파장대별로 빛을 필터링 및 집속하는 칼라 필터층들;상기 각각의 광감지 소자에 대응하여 형성되고 빛을 집속하는 마이크로 렌즈층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 각각의 칼라 필터층은 제 1 굴절률(n1)을 갖는 마이크로 렌즈에 의해 1차 직속된 빛을 2,3차 집속하는 제 2 굴절률(n2)을 갖는 제 2 칼라 필터층과 제 3 굴절률(n3)을 갖는 제 1 칼라 필터층으로 구성된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서, 굴절률의 크기는 n1 < n2 < n3 인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 복수개의 광감지 소자들이 형성된 반도체 기판상에 층간 절연층을 형성하는 단계;상기 층간절연층상에 보호막을 형성하고 각각의 광감지 소자에 대응되는 제 1 칼라 필터층들을 형성하는 단계;상기 제 1 칼라 필터층상에 제 1 칼라 필터층과 다른 굴절률을 갖는 제 2 칼라 필터층들을 적층 하여 형성하는 단계;전면에 탑 코팅층을 형성하고 마이크로 렌즈 형성용 물질층을 증착하고, 패터닝 및 리플로우 공정을 진행하여 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 제 1 칼라 필터층의 굴절률을 n3, 제 2 칼라 필터층의 굴절률을 n2, 마이크로 렌즈층의 굴절률을 n1 이라고 하는 경우의 굴절률의 크기는 n3 > n2 > n1인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 제 1,2 칼라 필턴층을 굴절률이 다른 동일 레지스트를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010061335A (ko) * | 1999-12-28 | 2001-07-07 | 박종섭 | 광전송률 개선을 위한 이미지센서 제조 방법 |
-
2004
- 2004-07-13 KR KR1020040054418A patent/KR100731114B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010061335A (ko) * | 1999-12-28 | 2001-07-07 | 박종섭 | 광전송률 개선을 위한 이미지센서 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20060005575A (ko) | 2006-01-18 |
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