KR100741931B1 - 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토 다이오드(photo diode)의 표면을 거칠게 형성하여 난반사를 유도하고 동시에 광흡수율을 높임으로써 이미지 센서의 감도를 개선하고자 하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 이미지 센서는 상부표면이 울퉁불퉁한 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 층간절연층과, 상기 층간절연층 상에 형성된 컬러필터층과, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층 상에서 상기 컬러필터층에 대응하도록 형성된 복수개의 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
스퍼터 식각, 포토 다이오드, 광흡수율
Description
도 1은 종래기술에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 형성방법을 나타낸 공정단면도.
도 3은 종래 기술의 문제점을 설명하기 위해 마이크로 렌즈를 통과하는 광경로를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 포토다이오드에서의 빛의 경로를 나타낸 도면.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 의한 이미지 센서의 형성방법을 나타낸 공정단면도.
<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>
100 : 반도체 기판 200 : 층간절연층
250 : 평탄화층 300 : 컬러필터층
400 : 포토다이오드 500 : 마이크로 렌즈
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 포토 다이오드(photo diode)의 표면을 거칠게 형성하여 포토다이오드의 광흡수율을 높이고 포토다이오드에서 반사된 광이 상부층으로 빠져나가는 것을 방지함으로써 감도를 개선하고자 하는 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.
이러한 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.
이러한, 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체면적 중에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집광 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로 렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토다이오드 영역으로 조사 하는 방법이다.
이 경우 마이크로 렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로 렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어 진다.
한편, 일반적인 이미지 센서는 간단히 포토다이오드(Photo Diode), 층간절연층, 컬러필터(Color Filter), 마이크로 렌즈(Micro Lens) 등으로 구성된다.
상기 포토다이오드는 빛을 감지하여 전기적 신호로 바꾸어 주는 역할을 하고, 상기 층간절연층은 각 금속배선들 간에 절연을 시키는 역할을 하고, 상기 컬러필터는 RGB의 빛의 삼원색을 표현하며, 상기 마이크로 렌즈는 빛을 포토다이오드에 집광시켜주는 역할을 하게 된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참고로 하여 종래 기술에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래기술에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 형성방법을 나타낸 공정단면도이며, 도 3은 종래 기술의 문제점을 설명하기 위해 마이크로 렌즈를 통과하는 광경로를 나타낸 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 복수개의 포토다이오드(40)가 형성된 반도체 기판(10) 상에 층간절연층(20)이 형성되어 있고, 상기 층간절연층(20) 상에 RGB 컬러필터층(30)이 상기 복수개의 포토다이오드(40)와 각각 대응되도록 형성되어 있다.
상기 컬러필터층(30) 상에는 컬러필터층(30)의 불균일한 표면층을 평탄화하기 위한 평탄화층(25)이 형성되어 있고, 상기 평탄화층(25) 상에는 마이크로 렌즈 (50)가 상기 복수개의 포토다이오드(40) 및 컬러필터층(40)과 각각 대응되도록 형성되어 있다.
이때, 상기 마이크로 렌즈의 경우, 상기 포토 다이오드(photo diode)에 빛을 모아주기 위해서 볼록 렌즈와 같은 패턴으로 형성하여야 하는데, 이를 위해서 포토식각공정을 적용하여 패터닝한다.
구체적으로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 평탄화층(25) 상에 마이크로 렌즈용 물질인 포토레지스트(60)를 도포하고 마스크(61)를 씌운 뒤, 디포커스(defocus) 현상을 이용해서 노광하여 상기 포토레지스트를, 도 2b에 도시된 바와 같이, 사다리꼴 모양으로 패터닝한다.
이후, 도 2c에 도시된 바와 같이, 사다리꼴 모양의 포토레지스트 패턴을 녹는점(melting point)까지 가열하여 리플로우(reflow) 시킨다. 리플로우 공정을 거치면, 포토레지스트 패턴이 유동성을 가지면서 둥글어 지는데 이로써 마이크로 렌즈(50)가 완성된다.
따라서, 임의의 물체(70)에서 빛이 나오는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈(50)를 통해서 들어오는 빛은 굴절되어 포토 다이오드(40)에 정확히 포커싱된다.
그러나, 기존의 포토 다이오드에서 빛의 많은 량을 흡수하지 못하고 반사하는 문제점이 있었는바, 상기와 같이 반사된 빛에 의해 이미지 센서의 센싱 감도가 크게 떨어졌다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 포토 다이오드(photo diode)의 표면을 울퉁불퉁하게 형성하여 난반사를 유도하고 동시에 광흡수율을 높임으로써 이미지 센서의 감도를 개선하고자 하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는 상부표면이 울퉁불퉁한 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 층간절연층과, 상기 층간절연층 상에 형성된 컬러필터층과, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층 상에서 상기 컬러필터층에 대응하도록 형성된 복수개의 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 또다른 목적을 달성하기 위한 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판 상에 복수개의 포토다이오드를 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 표면을 식각하여 울퉁불퉁하게 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드를 포함한 전면에 층간절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이미지 센서의 감도 개선은 가장 중요한 도전 대상이다. 감도 개선을 위하여 마이크로 렌즈 및 절연막 두께도 중요한 변수이지만 광을 센싱하는 포토다이오드의 광 흡수율도 고려 대상이 된다. 광 흡수율은 들어온 광에 대한 흡수한 양을 의미하며 반사를 최소화시키고 흡수를 최대화시킴으로써 같은 마이크로 렌즈, 같은 절연막 두께에서도 향상된 감도를 가질 수 있다.
이를 위해서, 본 발명에서는 포토 다이오드 표면에 스퍼터 식각을 진행하여 거친 표면(rough surface)을 얻음으로써 광 흡수율를 향상시키는 것을 특징으로 한다. 광이 흡수될 수 있는 표면적을 넓힐 뿐만 아니라 반사된 빛도 다시 흡수되도록 함으로써 기존의 평평한 표면을 가진 포토다이오드보다 감도를 크게 개선한다.
결국, 포토 다이오드의 광 흡수율을 향상시킴으로써 이미지 센서의 제품의 품질 향상에 기여할 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 포토다이오드에서의 빛의 경로를 나타낸 도면이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 의한 이미지 센서의 형성방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서는 복수개의 포토 다이오드(400)를 포함하고 있으며, 상기 포토다이오드가 거친 표면(rough surface)을 가지는 것을 특징으로 한다. 이와같이, 포토 다이오드 표면을 울퉁불퉁하게 하기 위해서는 스퍼터 식각공정을 수행할 수 있다.
상기 포토다이오드를 포함한 반도체 기판(100) 상에는 층간절연층(200)이 형성되고, 상기 층간절연층(200) 상에는 컬러필터층(300)이 상기 복수개의 포토다이 오드(400)와 각각 대응되도록 형성된다. 상기 컬러필터층은 모자이크 형식으로 R(Red) 또는 B(Blue)가 G(Green)와 번갈아가며 형성된다.
그리고, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에는 산화막 또는 질화막을 선택적으로 증착하여 표면을 평탄화하는 평탄화층(250)이 형성된다.
그리고, 상기 평탄화층(250) 상에는 소정패턴의 마이크로 렌즈(500)가 형성되는데, 상기 마이크로 렌즈도 컬러필터층 및 포토다이오드와 각각 대응되도록 형성된다.
이때, 물체(170)로부터 나오는 빛이 상기 마이크로 렌즈(500) 및 컬러필터층(300)을 통과하면 포토 다이오드(300)로 포커싱되는데, 상기 층간절연층 및 평탄화층의 두께를 조절하여 상기 마이크로 렌즈(500)의 초점거리를 바꿔 포토다이오드의 감도를 향상시킬 수 있지만, 본발명에서와 같이 포토다이오드의 표면을 울퉁불퉁하게 하여 감도를 향상시킬 수도 있다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(400)의 표면이 울퉁불퉁하게 되면 광을 흡수할 수 있는 표면적이 넓어지므로 포토 다이오드의 광 흡수율을 향상되고, 반사된 빛(①)도 다시 흡수(②)되어 종래의 평평한 표면을 가진 포토다이오드보다 감도가 크게 개선되는 것이다.
이러한 이미지 센서의 제조방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 5a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100) 상에 실리콘층을 형성하고 포토식각공정으로 패터닝하여 포토다이오드 영역에 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 신호를 센싱하는 R,G,B-포토 다이오드(400)를 형성한다. 이때, 상기 실리 콘층은 일예로 엑피텍셜 성장(epitaxial growth) 방법으로 형성할 수 있다.
이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 표면을 울퉁불퉁하게 하기 위해서 스퍼터 식각공정을 수행한다. 이때, 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판을 스퍼터 식각장비에 인입시켜 적절한 조건을 설정하여 포토 다이오드 표면이 불균일하게 깍이도록 한다.
구체적으로 스퍼터 식각장비는 상기 프로세서 챔버와, 그 상측에 구비되어 아르곤(Ar), 산소(O2) 등의 불활성 가스를 공급하기 위한 가스공급부와, 그 하측에는 펌핑작업을 수행하여 챔버 내의 압력을 조절함과 동시에 공정 후의 가스를 외부로 배출하는 가스배출부와, 반도체 기판을 지지하고 반도체 기판에 일정한 온도를 가하기 위한 열선이 장착된 스테이지로 구성되는바, 본 발명에 의한 스퍼터 식각공정은 25~30도의 온도 및 200~500W의 파워에서, 2~10mTorr의 압력으로, Ar가스를 사용하여 10~60초 동안 수행할 수 있다.
다음, 도 6c에 도시된 바와 같이, 복수개의 포토다이오드(400)가 형성된 반도체 기판(100) 상에 층간절연층(200)을 형성하고, 그 위에 RGB 컬러필터층(300)을 형성한다. 이때, 상기 컬러필터층(300)을 모자이크 형식으로 형성하고, 상기 R,G,B-포토 다이오드와 색상면에 대응되도록 형성한다.
그 후, 상기 컬러필터층(300)을 포함한 전면에 산화막 또는 질화막을 선택적으로 증착하여 표면을 평탄화하기 위한 평탄화층(250)을 형성한다. 상기 평탄화층(250)이 가이드 역할을 하여 마이크로 렌즈가 균일하게 형성될 수 있으며, 평탄화층(250)의 두께에 따라 마이크로 렌즈의 두께도 조절할 수 있어 초점거리를 다양하게 할 수 있다.
다음, 상기 평탄화층(250) 상에 상기 컬러필터층(300)과 각각 대응되도록 복수개의 마이크로 렌즈(500)를 형성한다.
이때, 상기 마이크로 렌즈의 경우, 상기 포토 다이오드(photo diode)에 빛을 모아주기 위해서 볼록 렌즈와 같은 패턴으로 형성하여야 하는데, 이를 위해서 포토식각공정을 적용하여 패터닝한다.
구체적으로, 상기 평탄화층(250) 상에 마이크로 렌즈용 물질인 포토레지스트를 도포하고 마스크를 씌운 뒤, 디포커스(defocus) 현상을 이용해서 노광하여 상기 포토레지스트를 사다리꼴 모양으로 패터닝한다.
이후, 사다리꼴 모양의 포토레지스트 패턴을 녹는점(melting point)까지 가열하여 리플로우(reflow) 시킨다. 리플로우 공정을 거치면, 포토레지스트 패턴이 유동성을 가지면서 둥글어 지는데 이로써 마이크로 렌즈(500)가 완성된다.
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.
상기와 같은 본 발명의 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 포토 다이오드 표면에 스퍼터 식각을 진행하여 거친 표면(rough surface)을 얻음으로써 광 흡수율를 향상 시키는 것을 특징으로 한다. 광이 흡수될 수 있는 표면적을 넓힐 뿐만 아니라 반사된 빛도 다시 흡수되도록 함으로써 기존의 평평한 표면을 가진 포토다이오드보다 감도를 크게 개선할 수 있다.
결국, 포토 다이오드의 광 흡수율을 향상시킴으로써 이미지 센서의 품질 향상에 기여할 수 있다.
그리고, 스퍼터 식각이라는 일반적인 공정을 수행함으로써 포토 다이오드의 광흡수율을 향상시킬 수 있으므로 간단한 방법으로 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
Claims (5)
- 삭제
- 반도체 기판 상에 복수개의 포토다이오드를 형성하는 단계와,상기 포토다이오드 표면을 스터퍼링 식각공정을 통해 식각하여 울퉁불퉁하게 형성하는 단계와,상기 포토다이오드를 포함한 전면에 층간절연층을 형성하는 단계와,상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계와,상기 컬러필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와,상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 포토다이오드는 상기 반도체 기판 상에 실리콘층을 형성하고 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 2 항에 있어서,상기 스퍼터 식각공정은25~30도의 온도 및 200~500W의 파워에서, 2~10mTorr의 압력으로, Ar가스를 사용하여 10~60초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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