KR100744251B1 - 이미지 센서와 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 센서와 그 제조 방법에 관한 것으로, 개시된 이미지 센서는 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 광 감지부와, 광 감지부에 의한 광 감지 영역을 완전히 덮도록 형성된 칼라 필터 어레이와, 광 감지부와 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판의 상부에 형성된 보호층과, 보호층의 단차 극복을 위한 평탄화 층과, 평탄화 층의 상부에 형성되어 입사광을 집속하는 다수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 칼라 필터가 광 감지 영역, 즉 포토다이오드를 완전히 덮도록 설계하여 불요한 파장의 빛이 포토다이오드에 조사되지 않도록 함으로써, 잡음의 발생을 억제하여 궁극적으로는 이미지 센서의 화질을 개선하는 이점이 있다.

칼라 필터, 포토다이오드, 화질 개선

Description

이미지 센서와 그 제조 방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보인 공정 흐름도,

도 2는 종래 기술에 따른 이미지 센서의 불요한 광 투과 특성을 보인 상태도,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보인 공정 흐름도.

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 칼라 필터가 광 감지 영역을 완전히 덮도록 설계하여 불요한 파장의 빛이 포토다이오드에 조사되지 않도록 한 이미지 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.

주지와 같이 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 씨씨디(CCD: Charged Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 있다.

이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광 기술이다.

예컨대, 씨모스 이미지 센서는 빛을 감지하는 광 감지 부분과, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직 회로 부분으로 구성되어 있다. 여기에서, 광 감지 부분에는 통상 포토다이오드가 사용된다.

이러한 구성의 씨모스 이미지 센서를 제조함에 있어서, 광감도를 증가시키기 위해 전체 이미지 센서 면적에서 광 감지 부분의 면적이 차지하는 비율을 증가시켜야 한다.

그러나, 로직 회로 부분을 제외한 부분에만 광 감지 부분을 형성할 수 있으므로, 광 감지 부분의 면적을 증가시키는 데에는 한계가 있다.

따라서, 광 감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지 부분으로 모아주는 집광 기술이 많이 연구되고 있는 바, 그 중 하나가 이미지 센서의 칼라 필터 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 기술이다.

이러한 마이크로 렌즈가 적용된 종래 기술에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 도 1a 내지 도 1d의 공정 흐름도를 참조하여 살펴보기로 한다.

이미지 센서는 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 포토다이오드(11)를 포함하는 광 감지부(13)들이 제공되는 반도체 기판(10)과, 광 감지부(13)들이 형성된 구조 상부에 형성되는 보호층(21)과, 칼라 필터 어레이(23)와, 평탄화 층(25)과, 다수의 렌즈들로 이루어진 마이크로 렌즈(27)를 포함한다.

이러한 구성의 이미지 센서는 포토다이오드(11)를 포함하는 광 감지부(13)들 과 게이트전극 및 금속배선이 형성된 반도체 기판(10) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(21)을 형성한다(도 1a 참조).

이후, 보호층(21) 상부에 칼라 필터 어레이(23)를 형성한다. 여기에서, 칼라 필터 어레이(23)는 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함하는 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 형성한 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 조합으로 이루어질 수 있다(도 1b 참조).

계속하여, 칼라 필터 어레이(23)의 단차 극복, 마이크로 렌즈(27)의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층(25)을 칼라 필터 어레이(23)의 상부에 형성한다. 이때, 평탄화층(25)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막으로 형성할 수 있다(도 1c 참조).

그리고, 평탄화층(25) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈(27)를 형성하고, 계속하여 마이크로 렌즈(27)를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시킨다(도 1d 참조).

그런데, 전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 이미지 센서는 도 2에 표시한 바와 같이 칼라 필터 어레이(23)를 이루는 필터와 필터 사이에 불요의 광 투과 영역(A)이 존재한다. 이 광 투과 영역(A)에는 인접한 마이크로 렌즈(27)간의 틈새를 통해 입사되어 어떠한 칼라 필터도 통과하지 않은 백색광이 투과되며, 투과된 불요의 백색광이 포토다이오드(11)로 조사된다.

이와 같이 포토다이오드(11)에 원치 않는 신호를 유발함으로써 잡음을 발생 시켜서 결국에는 이미지 센서의 화질을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 칼라 필터가 광 감지 영역을 완전히 덮도록 설계하여 불요한 파장의 빛이 포토다이오드에 조사되지 않도록 함으로써, 잡음의 발생을 억제하여 궁극적으로는 이미지 센서의 화질을 개선하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 이미지 센서는, 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 광 감지부와, 광 감지부에 의한 광 감지 영역을 완전히 덮도록 형성된 칼라 필터 어레이와, 광 감지부와 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판의 상부에 형성된 보호층과, 보호층의 단차 극복을 위한 평탄화 층과, 평탄화 층의 상부에 형성되어 입사광을 집속하는 다수의 마이크로 렌즈를 포함한다.

본 발명의 다른 관점에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 광 감지부를 기판 상에 형성하는 단계와, 광 감지부의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와, 광 감지부와 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판의 상부에 보호층을 형성하는 단계와, 보호층의 단차 극복을 위해 그 상부에 평탄화 층을 형성하는 단계와, 평탄화 층의 상부에 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명 하기로 한다. 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다. 그러나 본 발명은 이러한 실시 예로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 요지는, 칼라 필터 어레이를 반도체 기판의 보호를 위한 보호층의 상부에 배치하지 아니하고 광 감지부, 즉 포토다이오드의 상부에 배치하여 포토다이오드에 의한 광 감지 영역을 칼라 필터 어레이가 완전히 덮도록 설계하는 것이다.

이러한 본 발명에 의하면 칼라 필터 어레이를 이루는 적색 필터(R)와 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 이격에 따른 공간이 발생하더라도 포토다이오드의 광 감지 특성에는 전혀 지장을 초래하지 않으므로 불요한 파장의 빛에 대한 잡음의 발생을 억제하여 궁극적으로는 이미지 센서의 화질이 개선되는 것이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 보인 공정 흐름도이다. 먼저 본 발명에 의해 제조된 이미지 센서의 단면을 보인 도 3c를 참조하여 그 구조를 살펴보기로 한다.

본 발명에 의한 이미지 센서는, 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 포토다이오드(101)를 포함하는 광 감지부(103)와, 광 감지부(103)에 의한 광 감지 영역을 완전히 덮도록 형성된 칼라 필터 어레이(102)와, 광 감지부(103)와 칼라 필터 어레이(102)가 형성된 반도체 기판(100)의 상부에 형성된 보호층(201)과, 보호층(201)의 단차 극복을 위한 평탄화 층(202)과, 평탄화 층(202)의 상부에 형성되어 입사광을 집속하는 다수의 마이크로 렌즈(203)를 포함한다.

이와 같이 구성된 이미지 센서의 제조 과정을 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, P+ 기판과 P에피층 등의 기판에 광 감지부(103)를 이루는 복수의 포토다이오드(101)와 게이트전극을 형성하며, 복수의 포토다이오드(101)에 의한 광 감지 영역을 모두 덮도록 그 상부에 칼라 필터 어레이(102)를 형성한다.

여기에서, 칼라 필터 어레이(102)는 특정 색상, 예를 들어 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 안료를 포함하는 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 형성한 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)의 조합으로 이루어질 수 있다. 즉 적색 필터(R)를 형성하는 포토리소그래피 공정과 녹색 필터(G)를 형성하는 포토리소그래픽 공정 및 청색 필터(B)를 형성하는 포토리소그래픽 공정을 순차 수행하여 칼라 필터 어레이(102)를 형성한다.

그리고, 포토다이오드(101)와 칼라 필터 어레이(102) 등이 형성된 기판 상에 층간절연막(도시 생략됨)들과 금속배선(도시 생략됨)을 형성한다. 금속배선은 비아홀을 통해 콘택되며, 층간절연막은 예컨대, 산화막계열/SOG/TEOS 등의 적층 구조를 형성된다.

다음으로, 포토다이오드(101)를 포함하는 광 감지부(103)들과 칼라 필터 어레이(102) 및 금속배선 등이 형성된 반도체 기판(100) 상에 예컨대, 실리콘 질화막 계열의 보호층(201)을 형성한다. 보호층(201)은 습기 또는 긁힘(Scratch)으로부터 소자를 보호하기 위하여 질화막, 산화막 또는 이들의 적층 구조로 증착한다(도 3a 참조).

계속하여, 단차 극복 및 이후 공정에서 형성하고자 하는 마이크로 렌즈(203) 의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 위한 평탄화층(202)을 보호층(201)의 상부에 형성한다. 이때, 평탄화층(202)은 포토레지스트, 산화막 또는 질화막 계열의 절연막으로 형성할 수 있다(도 3b 참조).

그리고, 평탄화층(202) 표면에 포토레지스트를 도포, 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈(203)를 형성하고, 계속하여 마이크로 렌즈(203)를 표백 처리한 후 열처리에 의해 포토레지스트를 플로우시켜 렌즈 형상을 만든 다음 경화시킨다.

이때, 마이크로 렌즈(203)는 이미지 센서의 화소수 만큼 형성을 하게 되며, 광감도 향상을 위해 가능한 크게 하여 되도록 많은 입사광을 집속하도록 한다(도 3c 참조).

지금까지의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시 예에 국한하여 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있음이 자명하다.

전술한 바와 같이 본 발명은 칼라 필터가 광 감지 영역, 즉 포토다이오드를 완전히 덮도록 설계하여 불요한 파장의 빛이 포토다이오드에 조사되지 않도록 함으로써, 잡음의 발생을 억제하여 궁극적으로는 이미지 센서의 화질을 개선하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 광 감지부와,

   상기 광 감지부에 의한 광 감지 영역을 완전히 덮도록 형성된 칼라 필터 어레이와,

   상기 광 감지부와 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판의 상부에 형성된 보호층과,

   상기 보호층의 단차 극복을 위한 평탄화 층과,

   상기 평탄화 층의 상부에 형성되어 입사광을 집속하는 다수의 마이크로 렌즈

   를 포함하는 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 칼라 필터 어레이는 상기 광 감지부의 상부에 형성된 것

   을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 외부의 빛을 입사 받아서 전하를 생성 및 축적하는 광 감지부를 기판 상에 형성하는 단계와,

   상기 광 감지부의 상부에 칼라 필터 어레이를 형성하는 단계와,

   상기 광 감지부와 칼라 필터 어레이가 형성된 반도체 기판의 상부에 보호층을 형성하는 단계와,

   상기 보호층의 단차 극복을 위해 그 상부에 평탄화 층을 형성하는 단계와,

   상기 평탄화 층의 상부에 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.

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