KR100752166B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중 마이크로 렌즈(double micro lens)를 통해서 물체에서 나온 빛을 보다 많이 포토 다이오드에 보내고자 하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 이미지 센서는 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 층간절연층과, 상기 층간절연층 상에 형성된 컬러필터층과, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층 상에 형성된 복수개의 제 1 마이크로 렌즈와, 상기 제 1 마이크로 렌즈 상에 형성된 제 2 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이중 마이크로 렌즈
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 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 이미지 센서의 형성방법을 나타낸 공정단면도.
<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>
100 : 반도체 기판 200 : 층간절연층
250 : 평탄화층 300 : 컬러필터층
400 : 포토다이오드 500 : 제 1 마이크로 렌즈
600a : 절연막 600 : 제 2 마이크로 렌즈
700 : 물체 800 : 트랜치
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이중 마이크로 렌즈(double micro lens)를 통해서 물체에서 나온 빛을 보다 많이 포토 다이오드에 보내고자 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.
하지만 상기의 방법으로 마이크로 렌즈를 형성하면, 도 2c에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈 사이에 갭(G)이 발생하게 된다.
따라서, 임의의 물체(70)에서 빛이 나오는 경우, 상기 마이크로 렌즈(50)를 통해서 들어오는 빛은 굴절되어 포토 다이오드(40)에 정확히 포커싱되지만, 마이크로 렌즈와 마이크로 렌즈 사이의 갭을 통해서 들어오는 빛은, 도 3에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드에 정확히 포커싱되지 못하게 한다. 마이크로 렌즈의 갭부분은 평평하므로 들어 온 빛은 그대로 직진하게 되어 포토 다이오드에 모이지 못하게 되 는 것이다.
즉, 마이크로 렌즈와 마이크로 렌즈 사이의 갭을 통과하여 포토다이오드에 포커싱되지 못하고 직진하는 빛에 의해 이미지 품질(image quality)이 저하된다.
따라서, 상기와 같은 마이크로 렌즈 사이의 갭을 줄이기 위해서, 마이크로 렌즈의 형성시 리플로우 공정을 과도하게 적용하게 되다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.
즉, 마이크로 렌즈 형성시 리플로우 공정을 과도하게 적용하는 경우, 마이크로 렌즈 사이의 갭은 줄어들지만 마이크로 렌즈의 곡률(curvature)이 작아지게 되어 포토 다이오드에 빛을 모으는 포커싱 작용이 약해진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 곡률이 작아진 마이크로 렌즈 상부에 또다른 마이크로 렌즈를 형성하여 이중 마이크로 렌즈(double micro lens)를 구현함으로써 물체에서 나온 빛을 보다 많이 포토 다이오드에 보내고자 하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지 센서는 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성된 층간절연층과, 상기 층간절연층 상에 형성된 컬러필터층과, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층 상에 형성된 복수개의 제 1 마이크로 렌즈와, 상 기 제 1 마이크로 렌즈 상에 형성된 제 2 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 또다른 목적을 달성하기 위한 이미지 센서의 제조방법은 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계와, 상기 반도체 기판 상에 층간절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계와, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 상에 제 1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와, 상기 제 1 마이크로 렌즈를 포함한 전면에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막을 패터닝하여 상기 제 1 마이크로 렌즈 상에 제 2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
즉, 마이크로 렌즈 사이의 갭을 줄이기 위해서 리플로우 공정을 과도 적용한 경우, 마이크로 렌즈의 곡률이 작아지는데, 이러한 마이크로 렌즈 상부에 또다른 마이크로 렌즈를 추가 형성하여 이중 마이크로 렌즈를 구현함으로써 물체에서 나온 빛을 보다 많이 포토 다이오드에 보내고자 하는 것을 특징으로 한다.
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 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 이미지 센서의 형성방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서는 복수개의 포토 다이오드(400)를 포함하고 있으며, 반도체 기판(100) 상에는 층간절연층(200)이 형성 된다.
상기 층간절연층(200)에는 컬러필터층(300)이 상기 복수개의 포토다이오드(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 층간절연막(200) 및 평탄화층(250) 상에는 소정패턴의 제 1 마이크로 렌즈(500)가 형성되는데, 상기 제 1 마이크로 렌즈는 상기 컬러필터층 및 포토 다이오드 상부에 대응되도록 형성되어 물체로부터 나오는 빛을 포토다이오드(300)에 포커싱해준다.
이때, 상기 제 1 마이크로 렌즈(500)는 포토레지스트 또는 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연물질로 이루어지며, 상기 층간절연층 및 평탄화층의 두께를 조절하여 상기 제 1 마이크로 렌즈(500)의 초점거리를 바꿀 수 있다.
상기 제 1 마이크로 렌즈(500) 상부에는 제 2 마이크로 렌즈(600)가 더 구비되는데, 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연물질 일예로, SiO2 물질을 사용한다.
그리고, 상기 제 2 마이크로 렌즈(600)를 상기 제 1 마이크로 렌즈(500)와 동일한 위치에 배치하되, 상기 제 2 마이크로 렌즈의 곡률이 상기 제 1 마이크로 렌즈보다 작도록 한다. 상기 제 2 마이크로 렌즈에 의해서 꺾이는 정도는 기존에 대비해서 작지만 제 1 마이크로 렌즈가 그것을 보상해 줘서 포토 다이오드에 모든 빛이 모이게 된다. 종래의 광경로를 나타낸 도 3과 본 발명에 의한 광경로를 나타낸 도 4를 서로 비교해 보면 포토 다이오드에 모이지 않는 빛도 정확이 모이는 것을 확인 할 수 있을 것이다.
즉, 이중 마이크로 렌즈를 구현하여 물체(700)의 빛을 포토 다이오드에 보다 많이 포커싱되게 함으로써 이미지를 보다 선명하게 하고자 하는 것을 특징으로 한다.
이러한 이미지 센서의 제조방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 5a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100)에 선택적으로 불순물 이온을 주입하여 포토다이오드 영역에 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 신호를 센싱하는 R,G,B-포토 다이오드(400)를 형성한다.
다음, 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.
이어서, 상기 평탄화층(250) 상에 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 물질을 도포하고 포토식각공정으로 사다리꼴 모양으로 패터닝하여 복수개의 제 1 마이크로 렌즈(500)를 형성한다.
이후, 사다리꼴 모양의 제 1 마이크로 렌즈(500)를 녹는점(melting point)까지 가열하여 리플로우(reflow) 시켜 모서리가 둥글어 지도록 형성한다.
이때, 상기 리플로우 과정을 과도하에 적용하면, 제 1 마이크로 렌즈 사이의 갭이 줄어들게 되지만, 그 곡률이 작아져 빛을 포커싱하지 못하는 단점이 있다. 따라서, 상기 제 1 마이크로 렌즈(500) 상에 제 2 마이크로 렌즈를 형성한다.
즉, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 마이크로 렌즈(500)를 포함한 전면에 절연 특성을 가지면서 빛을 투과시키는 절연물질 일예로, SiO2 물질을 증착하여 절연막(600a)을 형성하고, 상기 절연막을 베이킹하여 용매를 증발시킨 다음, 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing) 공정을 적용하여 상기 절연막 표면을 평탄하게 한다.
다음, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 절연막(600a)을 포토식각공정으로 패터닝하여 트렌치(trench)(800)를 형성한다. 이때, RIE(Reative Ion Etch) 방식을 이용하여 절연막을 식각한다.
이후, 도 5d에 도시된 바와 같이, 트랜치의 모서리를 화학적 건식식각(Chemical Dry Etch) 방법으로 코너 라운딩을 하여 제 2 마이크로 렌즈(600)를 완성한다.
이 때, 상기 제 2 마이크로 렌즈의 곡률은 상기 제 1 마이크로 렌즈보다 작게 형성하여, 제 2 마이크로 렌즈로 어느 정도 모인 빛이 다시 제 1 마이크로 렌즈를 통하여 최종적으로 포커싱되게 한다.
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.
첫째, 마이크로 렌즈 사이의 갭은 줄이기 위해 리플로우 공정을 과도 적용함으로써 마이크로 렌즈의 곡률(curvature)이 작아지게 되었을때, 상기 마이크로 렌즈 상부에 또다른 마이크로 렌즈를 추가형성함으로써 빛을 포토 다이오드로 포커싱할 수 있다.
둘째, 마이크로 렌즈 형성시 리플로우 공정을 과도하게 적용할 수 있으므로 마이크로 렌즈와 마이크로 렌즈 사이의 갭을 줄여 마이크로 렌즈 이외로 빛이 통과하는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 물체에서 나온 빛이 2개의 마이크로 렌즈를 통해서 포토 다이오드에 모이게 되므로 종래의 이미지 센서보다 많은 빛이 포토 다이오드에 도달하게 된다. 따라서, 포토 다이오드의 감도를 향상시킬 수 있고 보다 균일하고 선명한 화상을 제공할 수 있다.
Claims (14)
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- 삭제
- 삭제
- 복수개의 포토다이오드가 형성된 반도체 기판을 제공하는 단계와,상기 반도체 기판 상에 층간절연층을 형성하는 단계와,상기 층간절연층 상에 컬러필터층을 형성하는 단계와,상기 컬러필터층을 포함한 전면에 평탄화층을 형성하는 단계와,상기 평탄화층 상에 제 1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계와,상기 제 1 마이크로 렌즈를 포함한 전면에 절연막을 형성하는 단계와,상기 절연막을 포토식각공정으로 패터닝하여 트렌치를 형성하는 단계와,상기 트렌치 모서리를 코너 라운딩 처리하여 상기 제 1 마이크로 렌즈 상에 상기 제 1 마이크로 렌즈의 곡률보다 작은 곡률을 가지는 제 2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 절연막은 SiO2로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,상기 절연막을 포토식각공정으로 패터닝하는 단계에서, RIE(Reative Ion Etch) 방식을 이용하여 절연막을 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 트랜치 모서리를 코너 라운딩 처리하는 단계에서, 화학적 건식식각(Chemical Dry Etch) 방법을 적용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,상기 절연막을 형성하는 단계 이후, 상기 절연막을 베이킹하는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 2 마이크로 렌즈는, 상기 제 1 마이크로 렌즈와 동일한 위치에 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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