KR100776145B1 - 다층 칼라필터를 이용한 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 산화막과 질화막을 이용하여 포토다이오드 상에 다층으로 칼라필터를 구성하여 광효율을 증가시킨 다층 칼라필터를 이용한 이미지센서에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 반도체기판내의 불순물확산영역에 의해 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드영역의 상기 반도체기판 상에 형성되며, 산화막과 질화막이 적층되어 형성된 칼라필터; 상기 칼라필터상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선; 상기 금속배선 상에 형성된 소자보호막; 상기 소자보호막 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.

이미지센서, 칼라필터, 다층칼라필터

Description

다층 칼라필터를 이용한 이미지 센서 {Image sensor with multilayer color filter}

도1은 종래의 칼라필터를 포함하여 구성된 이미지센서를 도시한 도면.

도2 내지 도4는 본 발명에 따른 다층 칼라필터를 형성하는 모습을 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2 : 필드산화막

3 : 포토다이오드 4 : 층간절연막

5 : 제1금속배선 6 : 금속층간절연막

7 : 제2금속배선 8 : SOG막

9 : 페시베이션보호막 10 : 컬러필터

11 : OCL막 12 : 마이크로렌즈

a : 산화막 b : 질화막

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 칼라필터레이어를 다층으로 구성한 이미지센서에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라필터어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.

또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼리필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.

종래의 일반적인 이미지센서의 제조방법을 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(2)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.

이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(3)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한 후 층간절연막(4), 제1금속배선(5)을 형성한다. 그 상부에 금속층간절연막(6), 제2금속배선(7)을 형성한 후 제2금속배선 상부에 평탄화 목적의 SOG(Silicon On Glass)막(8)을 형성하고 마지막으로 페시베이션보호막(9)을 형성하면 일반 시모스 로직 프로세스가 완료된다.

이후 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(10) 형성공정을 진행하고 OCL(Over Coating Layer)막(11)을 이용한 평탄화 공정을 진행하여 칼라필터어레이를 형성한다. 칼라필터의 물질은 통상 염색된 포토레지스트를 사용한다.

OCL(11)은 일종의 감광막으로서 후속 마이크로렌즈 마스크 패터닝을 용이하게 하기 위한 평탄화 목적으로 쓰인다. OCL막을 이용하여 평탄화공정을 수행한 다음 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(12)를 형성하는데 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트 물질을 이용하여 형성한다.

마이크로렌즈의 형성은 다음과 같이 수행된다.

마이크로렌즈 감광제를 도포한 후 마스크 공정을 통해 패턴을 형성한다. 이후 베이킹을 하여 마이크로렌즈를 플로우 시켜서 돔 형태의 마이크로렌즈(12)를 형성시키게 된다.

이와 같은 종래의 컬러필터(10)는 도1에 도시된 바와 같이 하부막의 토폴로지의 영향을 받아 필터의 두께가 증가하거나 프로파일이 변화하기 때문에 광특성이 저하되는 등의 단점이 있었으며 칼라필터는 포토레지스트 물질을 사용하기 때문에 칼라필터 공정에서 발생하는 spot성 결함이 발생하는 단점이 있었다.

또한 포토다이오드의 크기가 점점 작아짐에 따라 입사되는 빛을 포토다이오드의 중심으로 집광하는 것이 더욱 힘들어 진다. 이와같은 문제를 해결하기 위해서는 마이크로렌즈의 두께를 증가시키거나 또는 마이크로렌즈의 크기를 증가시켜야 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 산화막과 잘화막을 이용하여 포토다이오드상에 다층으로 칼라필터를 구성하여 광효율과 결함을 줄일 수 있는 다층 칼라필터 이용한 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 반도체기판내의 불순물확산영역에 의해 형성된 포토다이오드; 상기 포토다이오드영역의 상기 반도체기판 상에 형성되며, 산화막과 질화막이 적층되어 형성된 칼라필터; 상기 칼라필터상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선; 상기 금속배선 상에 형성된 소자보호막; 상기 소자보호막 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄 화층 상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에서는 특정파장의 빛을 필터링하는 칼라필터를 형성하기 위해 일정두께의 산화막과 일정두께의 질화막을 다층으로 적층시켜 칼라필터를 형성하며 본 발명에 따른 다층칼라필터는 종래 기술과는 달리 포토다이오드상에 형성된다.

도2내지 도4는 본 발명에 따른 다층 칼러필터를 형성하는 모습을 도시한 도면이고 표1은 본 발명에 사용된 각각의 칼라필터의 특성을 기술한 표이다.

본 발명에 따른 다층필터의 구성을 표1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

칼라필터	cyan	yellow	magneta
산화막두께	0.12㎛	0.068㎛	0.094㎛
질화막두께	0.067㎛	0.038㎛	0.053㎛
쌍	6	6	6
총 두께	1.122㎛	0.636㎛	0.882㎛
기준 파장	0.7㎛	0.37㎛	0.55㎛

표1에 기술된 바와같이 청록색(Cyan)을 필터링하는 다층필터는 0.12㎛의 산화막과 0.067㎛의 질화막으로 구성된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층되어 구성되며 다층필터의 총 두께는 1.122㎛ 이며 기준파장은 0.7㎛ 이다.

노랑색(Yellow)을 필터링하는 다층필터는 0.068㎛의 산화막과 0.038㎛의 질화막으로 구성된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층되어 구성되며 다층필터의 총 두께는 0.636㎛ 이며 기준파장은 0.37㎛ 이다.

자홍색(Magenta)을 필터링하는 다층필터는 0.094㎛의 산화막과 0.053㎛의 질화막으로 구성된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층되어 구성되며 다층필터의 총 두께는 0.882㎛ 이며 기준파장은 0.55㎛ 이다.

상기에서 기술된 칼라필터를 구성하는 각층의 두꼐와 구성은 본 발명에 따른 일 실시예에 지나지 않으며 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리 또는 층간절연막이나 마이크로렌즈의 두께등 여러 인자에 의하여 최적의 광특성을 갖도록 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 다층필터를 형성하는 공정을 도2내지 도4를 참조하여 설명한다.

먼저 도2에 도시된 바와 같이 기판상에 포토다이오드를 비롯한 논리소자들을 형성한 후에 표1에 기술된 특정필터를 형성한다. 예를 들어 청록색을 필터링하는 필터를 형성하는 경우에는 0.12㎛ 두께의 산화막을 형성한후 0.067㎛ 두께의 질화막을 1쌍으로 하여 6개층을 적층시킨다.

이와 같이 특정한 포토다이오드 상부에 다층필터가 형성되도록 마스킹과 에칭공정을 진행하여 도3에 도시된 형태의 다층필터를 형성한다.

나머지 색을 필터링하는 필터들도 이와 같은 방법으로 형성시킨다.

도4에 도시된 바와 같이 제2금속배선(7)을 형성하기까지의 공정은 종래기술 과 동일하며 제2금속배선(7)을 형성한 후의 공정은 다음과 같다.

상기 제2금속배선상(7)에 패시베이션보호막(9)을 형성하고 후속 마이크로렌즈 마스크 패터닝을 용이하게 하기 위한 평탄화 목적으로 일종의 감광막인 OCL막(11)을 형성한다. 그리고 OCL막(11) 상부에 마지막으로 마이크로렌즈(12)를 형성한다.

이와 같이 제2금속배선을 형성한 후 마이크로렌즈를 형성하기까지의 공정은 종래 기술과는 달리 일반적인 SOG막 형성공정과 포토레지스트 성분의 컬러필터 형성공정이 생략된다.

이와 같이 본 발명에서는 패시베이션보호막 형성전에 진행되는 SOG막 형성공정이 생략되고 또한 패시베이션 보호막 형성후 진행되는 컬러필터 형성공정이 생략되기 때문에 마이크로렌즈와 포토다이오드사이의 거리(X)가 종래 기술보다 짧아지게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명에 따른 이미지센서는 칼라필터의 프로파일이 균일하게 되고 또한 포 토레지스트성분이 아닌 물질로 칼라필터를 형성하므로 스폿성 결함도 감소시키며 제조원가도 감소시키는 효과가 있다. 또한 칼라필터를 포토다이오드 상에 형성하므로 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이의 거리를 줄일 수 있어 광효율의 증가 및 포토다이오드의 크기를 작게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 이미지센서에 있어서,

   반도체기판내의 불순물확산영역에 의해 형성된 포토다이오드;

   상기 포토다이오드영역의 상기 반도체기판 상에 형성되며, 산화막과 질화막이 적층되어 형성된 칼라필터;

   상기 칼라필터상에 형성된 층간절연막;

   상기 층간절연막 상에 형성된 금속배선;

   상기 금속배선 상에 형성된 소자보호막;

   상기 소자보호막 상에 형성된 평탄화층; 및

   상기 평탄화층 상에 형성된 마이크로렌즈

   를 포함하는 다층 칼라필터를 이용한 이미지 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 칼라필터는 청록색 필터이며, 0.12㎛ 두께의 상기 산화막과 0.067㎛두께의 상기 질화막이 적층된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층된 것을 특징으로 하는 다층 칼라필터를 이용한 이미지 센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 칼라필터는 노랑색 필터이며, 0.068㎛두께의 상기 산화막과 0.038㎛두께의 상기 질화막이 적층된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층된 것을 특징으로 하는 다층 칼라필터를 이용한 이미지 센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 칼라필터는 자홍색 필터이며, 0.094㎛두께의 상기 산화막과 0.053㎛두께의 상기 질화막이 적층된 한쌍의 레이어가 6층으로 적층된 것을 특징으로 하는 다층 칼라필터를 이용한 이미지 센서.

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