KR100789576B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서는, 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판과, 반도체 기판 위에 형성된 적어도 하나의 IMD층과, 포토 다이오드 위에 위치된 IMD층을 관통하여 형성되며 IMD층을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성된 유전체 매질을 포함한다.
또한 본 발명에 의하면, IMD층 위에 형성된 컬러필터와, 컬러필터 위에 형성된 마이크로 렌즈를 더 포함한다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질은 복수의 관 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 유전체 매질은 상부의 폭이 하부의 폭 보다 더 넓게 형성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은, 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판 위에 적어도 하나의 IMD층을 형성하는 단계와, 포토 다이오드 위에 위치된 IMD층을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계와, 관통홀에 유전체 매질을 채우는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 효율적으로 전달하여 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{Image sensor and fabricating method thereof}
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 이미지 센서에 있어서 빛이 전파되는 유전체 매질의 형상을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1... 포토 다이오드 2... 배선
3... IMD층 4... 컬러필터
5... 마이크로 렌즈 6... 관통홀
7... 유전체 매질
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이, 씨모스(Complementary MOS; 이하 CMOS라 함) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
한편, 이미지 센서에서 해결하여야 하는 과제 중의 하나는 입사되는 빛 신호를 전기신호로 바꾸어 주는 율(rate), 즉 감도를 증가시키는 것이다.
이미지 센서에서 밝고 선명한 화질을 얻기 위해서는 마이크로 렌즈 등을 이용하여 빛을 최대한 포토 다이오드에 집광하여야 하며, 빛이 옆 셀(cell)로 들어 가는 것을 방지하여야 한다. 빛의 촛점이 포토 다이오드에 상이 맺히지 않을 경우, 빛이 부족하고 인접 셀(cell)에 영향을 주는 크로스 토크(cross-talk)가 발생하게 되어 이미지가 좋지 않게 된다. 소자의 속도를 향상시키기 위해 메탈층을 높게 쌓는데 이러한 촛점거리 문제로 메탈층을 높이기가 힘들다. 또한 피치(pitch)가 줄어들면서 촛점거리를 그대로 유지하기 위해 마이크로 렌즈의 높이를 감소시키면서 렌즈 모양을 유지해야 하기 때문에 공정상 어려움이 대두된다.
본 발명은 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 효율적으로 전달하여 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서는, 포토 다이오드 가 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성된 적어도 하나의 IMD층; 상기 포토 다이오드 위에 위치된 상기 IMD층을 관통하여 형성되며, 상기 IMD층을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성된 유전체 매질; 을 포함한다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 IMD층 위에 형성된 컬러필터와, 상기 컬러필터 위에 형성된 마이크로 렌즈를 더 포함한다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질은 복수의 관 형상으로 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질은 상부의 폭이 하부의 폭 보다 더 넓게 형성된다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법은, 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판 위에 적어도 하나의 IMD층을 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드 위에 위치된 상기 IMD층을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계; 상기 관통홀에 유전체 매질을 채우는 단계; 를 포함한다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질은 상기 IMD층을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질은 증착 방식에 의하여 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질은 도포(coating) 방식에 의하여 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 IMD층에 형성되는 관통홀은 복수의 관 형상으로 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 IMD층에 형성되는 관통홀은 상부의 폭이 하부의 폭 보다 더 넓게 형성된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 IMD층 위에 컬러필터를 형성하는 단계와; 상기 컬러필터 위에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 를 더 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 효율적으로 전달하여 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on/above/over/upper)"에 또는 "아래(down/below/under/lower)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 그 의미는 각 층(막), 영역, 패드, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들에 접촉되어 형성되는 경우로 해석될 수도 있으며, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패드, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 그 사이에 추가적으로 형성되는 경우로 해석될 수도 있다. 따라서, 그 의미는 발명의 기술적 사상에 의하여 판단되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 이미지 센서 제조방법에 의하면, 도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 포토 다이오드(1)가 형성된 반도체 기판 위에 적어도 하나의 IMD층(3)을 형성한다. 여기서는 단순히 IMD층(3)으로 나타내었으나, 상기 IMD층(3)은 PMD층 과 IMD층을 포함한다. 또한, 상기 IMD층(3)에는 배선(2)이 형성되어 있다.
이와 같이 금속배선층을 형성하는 BEOL(Back End Of Line) 공정이 완료되면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 포토 다이오드(1) 위에 위치된 상기 IMD층(3)을 관통하는 관통홀(6)을 형성한다.
이어서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 관통홀(6)에 유전체 매질(7)을 채우는 단계를 수행한다. 상기 유전체 매질(7)은 상기 IMD층(3)을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성된다.
이에 따라, 상기 유전체 매질(7)로 입사되는 빛은 상기 IMD층(3)에서 전반사가 발생되며, 상기 유전체 매질(7)로 입사된 빛은 외부로 누설되지 않고 상기 포토 다이오드(1)로 모두 전달될 수 있게 된다. 상기 유전체 매질(7)은 다층(multi layer)으로 형성될 수도 있다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질(7)은 PVD, CVD 등과 같은 증착 방식에 의하여 형성될 수 있다. 상기 유전체 매질(7)이 증착 방식에 의하여 형성되는 경우에는, 증착이 완료된 후 평탄화 공정이 수행될 수도 있다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 유전체 매질(7)은 도포(coating) 방식에 의하여 형성될 수 있으며, 예로서 회전도포(spin coating) 방식에 의하여 형성될 수 있다.
그리고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 IMD층(3) 및 상기 유전체 매질(7) 위에 컬러필터(4)를 형성하는 단계가 수행된다.
이어서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 컬러필터(4) 위에 마이크로 렌즈(5) 를 형성하는 단계가 수행된다.
이와 같은 이미지 센서 제조방법에 의하여 제조된 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드(1)와, 상기 반도체 기판 위에 형성된 적어도 하나의 IMD층(3)과, 상기 포토 다이오드(1) 위에 위치된 상기 IMD층(3)을 관통하여 형성되며, 상기 IMD층(3)을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성된 유전체 매질(7)을 포함한다.
또한 본 발명에 따른 이미지 센서는 상기 IMD층(3) 위에 형성된 컬러필터(4)와 상기 컬러필터(4) 위에 형성된 마이크로 렌즈(5)를 포함한다.
이와 같은 구조를 갖는 이미지 센서에 의하면, 상기 유전체 매질(7)로 입사되는 빛은 상기 IMD층(3)과의 경계면에서 전반사가 발생되며, 이에 따라 상기 유전체 매질(7)로 입사된 빛은 외부로 누설되지 않고 상기 포토 다이오드(1)로 모두 전달될 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 촛점거리에 무관하기 때문에 금속 배선층을 높일 수 있는 자유도가 발생되어, 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 여건이 제공된다. 또한, IMD층의 두께를 고려하지 않아도 되므로, 공정 상 IMD층의 두께 변화에 의한 이미지 성능에 차이가 발생되지 않게 된다.
한편, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 이미지 센서에 있어서 빛이 전파되는 유전체 매질의 형상을 나타낸 도면이다.
본 발명에 의하면, 상기 IMD층(3)에 형성되는 관통홀(6)은 복수의 관 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이 복수의 관통홀이 형성되는 경우에는, 도 6에 나타낸 바와 같은 형상의 유전체 매질(7)이 형성될 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 IMD층(3)에 형성되는 관통홀(6)은 상부의 폭이 하부의 폭 보다 더 넓게 형성되도록 할 수 있다. 이와 같이 상부의 폭이 하부의 폭 보다 더 넓게 형성되는 경우에는, 도 7에 나타낸 바와 같은 형상의 유전체 매질(7)이 형성될 수 있게 된다.
이와 같은 구조를 갖는 이미지 센서에 의하면, 입사된 빛이 상기 유전체 매질(7)을 통하여 상기 반도체 기판에 형성된 포토 다이오드(1)로 전달될 수 있게 된다. 상기 유전체 매질(7)로 입사된 빛은 상기 IMD층(3)과의 경계면에서 전반사가 발생되어 상기 포토 다이오드(1)로 모두 입사될 수 있게 된다. 상기 유전체 매질(7)로 입사된 빛은 손실 없이 상기 반도체 기판의 포토 다이오드(1)로 도달될 수 있게 된다. 이에 따라, 입사된 빛이 손실 없이 상기 반도체 기판의 포토 다이오드(1)에 도달될 수 있으므로 이미지 센서의 감도를 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 이미지 센서에 의하면 상기 집광을 위한 마이크로 렌즈(5)가 형성되는 경우에, 상기 마이크로 렌즈(5)를 형성하기 위한 공정 마진을 확대할 수 있게 된다. 상기 유전체 매질(7)에 입사된 빛은 모두 상기 반도체 기판의 포토 다이오드(1)로 전달되므로, 상기 마이크로 렌즈(7)의 촛점 거리는 상기 유전체 매질(7)의 입구에서부터 그 내부 어디에 맺혀도 상관이 없기 때문이다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 입사되는 빛을 포토 다이오드 영역에 효율적으로 전달함으로써 감도를 향상시 킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 위에 형성된 적어도 하나의 IMD층;
    상기 포토 다이오드 위에 위치된 상기 IMD층을 관통하여 형성되며, 상기 IMD층을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성된 유전체 매질;
    을 포함하며,
    상기 유전체 매질은 복수의 관 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 위에 형성된 적어도 하나의 IMD층;
    상기 포토 다이오드 위에 위치된 상기 IMD층을 관통하여 형성되며, 상기 IMD층을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성된 유전체 매질;
    을 포함하며,
    상기 유전체 매질은 상부의 폭이 하부의 폭 보다 더 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 IMD층 위에 형성된 컬러필터와, 상기 컬러필터 위에 형성된 마이크로 렌즈를 더 포함하며,
    상기 마이크로 렌즈의 촛점거리는 상기 유전체 매질의 내부에 맺히도록 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 삭제
  5. 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판 위에 복수의 IMD층을 형성하는 단계;
    상기 포토 다이오드 위에 위치된 상기 복수의 IMD층을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계;
    상기 관통홀에 유전체 매질을 채우는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유전체 매질은 상기 IMD층을 구성하는 물질에 비하여 더 높은 굴절율을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 유전체 매질은 증착 방식에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 유전체 매질은 도포(coating) 방식에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 IMD층에 형성되는 관통홀은 복수의 관 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 IMD층에 형성되는 관통홀은 상부의 폭이 하부의 폭 보다 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 IMD층 위에 컬러필터를 형성하는 단계와;
    상기 컬러필터 위에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;
    를 더 포함하며,
    상기 마이크로 렌즈의 촛점거리는 상기 유전체 매질의 내부에 맺히도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조방법.
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