KR100791337B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서는 단위 픽셀 영역들을 갖는 반도체 기판, 각 단위 픽셀 영역의 반도체 기판 내에 형성된 광전 변환부, 광전 변환부를 덮으며, 광전 변환부 상부에 형성된 개구부를 포함하는 층간 절연막, 개구부를 매립시키는 광투과부, 광투과부 상에 각각의 광전 변환부에 대응하여형성된 컬러 필터들 및 각각의 컬러 필터 상에 대응하여 형성되며, 각 단위 픽셀 영역 내에 형성된 다수의 동심원 패턴들과, 동심원 패턴들의 둘레에 위치하여 각 단위 픽셀 영역을 채우며 동심원 패턴들과 동일한 중심을 갖는 원호 패턴들로 이루어진 마이크로 렌즈를 포함한다.
마이크로 렌즈, 동심원 패턴, 원호 패턴
Description
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서(APS) 어레이의 간략 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 APS 어레이의 일부를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 APS 어레이 상의 컬러 필터의 일부를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 일부를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 5의 Ⅵ-Ⅵ' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 통해 광전 변환부로 입사된 빛의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 일부를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 8의 Ⅸ-Ⅸ' 선을 따라 절단한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 단위 픽셀 영역 102: n형 기판
104: p형 에피층 106: p웰
108: 소자 분리막 110: 광전 변환부
112: n 형 포토 다이오드 114: 피닝층
120: 전하 검출부 130: 전하 전송부
132: 게이트 절연막 134: 게이트 도전막
136: 스페이서 140: 리셋부, 리셋 게이트 전극
150: 증폭부 160: 선택부
210, 220, 230, 240: 층간 절연막
250: 개구부 260: 광투과부
270: 평탄화막 300: 컬러 필터
400: 마이크로 렌즈 410, 510: 동심원 패턴
420, 520: 원호 패턴
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광감도가 개선된 이미지 센서 및 그 제조 방법 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)란, 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이러한 이미지 센서는 크게 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서로 구분할 수 있다.
여기서, 전하 결합 소자란 개개의 모스 캐패시터(MOS Capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 그리고 CMOS 이미지 센서는 제어 회로 및 신호처리 회로를 주변 회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀수만큼 모스 트랜지스터(MOS Transistor)를 만들고 이것을 이용하여 차례 차례로 출력을 검출하는 스위칭(Switching) 방식을 이용하는 소자이다.
이 중, CMOS 이미지 센서는 일반적으로 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 광전 변환부와 광전 변환부로부터 전달받은 신호를 데이터화하는 로직 소자들을 포함한다. 이러한 CMOS 이미지 센서는 광전 변환부, 예를 들어 포토 다이오드(photo diode)의 면적이 클수록 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다. 따라서, 이미지 센서의 광 감도를 높이기 위해 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하기 위한 노력이 진행되어 왔다.
그러나, 픽셀(pixel) 사이즈가 축소됨에 따라 포토 다이오드의 면적을 증가시키는데 한계가 있다. 따라서 이미지 센서의 광 감도를 향상시키기 위해 포토 다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 포토 다이오드로 집광시켜 주는 미아크로 렌즈(micro lens)가 도입되었다.
이러한 마이크로 렌즈는 각 픽셀의 수광 소자 상부에 마이크로 렌즈 패턴을 형성하고 열 공정을 수행하여 플로우(flow)시킴으로써 형성된다.
그러나, 마이크로 렌즈 형성시 열 공정을 수행할 때, 마이크로 렌즈가 하부의 수광 소자를 완전히 덮지 못하고, 마이크로 렌즈들 사이에 빈 공간(dead space)이 발생한다. 따라서, 마이크로 렌즈를 통과하는 빛은 하부의 수광 소자로 도달하지만, 마이크로 렌즈들 사이를 통과한 빛은 수광 소자에 도달하지 못하여 이미지 센서의 광 감도를 저하시킨다.
또한, 열 공정을 이용하여 마이크로 렌즈를 형성하기 때문에 재현성이 떨어진다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광 감도가 개선된 이미지 센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 이미지 센서를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 단위 픽셀 영역들을 갖는 반도체 기판, 각 단위 픽셀 영역의 반도체 기판 내에 형성된 광전 변환부, 광전 변환부를 덮으며, 광전 변환부 상부에 형성된 개구부를 포함하는 층간 절연막, 개구부를 매립시키는 광투과부, 광투과부 상에 각각의 광전 변환부에 대응하여 형성된 컬러 필터들 및 각각의 컬러 필터 상에 대응하여 형성되며, 각 단위 픽셀 영역 내에 형성된 다수의 동심원 패턴들과, 동심원 패턴들의 둘레에 위치하여 각 단위 픽셀 영역을 채우며 동심원 패턴들과 동일한 중심을 갖는 원호 패턴들로 이루어진 마이크로 렌즈를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법은 단위 픽셀 영역들을 갖는 반도체 기판을 제공하고, 각 단위 픽셀 영역의 반도체 기판 내에 광전 변환부를 형성하고, 광전 변환부 상부에 광전 변환부를 덮는 층간 절연막을 형성하고, 광전 변환부 상부에 위치하는 층간 절연막을 제거하여 개구부를 형성하고, 개구부를 매립시키는 광투과부를 형성하고, 광투과부 상에 각각의 광전 변환부에 대응하여 컬러 필터들을 형성하고, 각 단위 픽셀 영역 내에 다수의 동심원 패턴들과, 동심원 패턴들의 둘레에 위치하여 각 단위 픽셀 영역을 채우며 동심원 패턴들과 동일한 중심을 갖는 원호 패턴들로 이루어진 마이크로 렌즈를 각각의 컬러 필터 상에 대응하여 형성하는 것을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구 현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서를 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 전하 결합 소자에도 적용될 수 있음은 물론이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서(APS) 어레이의 간략 회로도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서에서 광 신호를 전기적인 신호로 변환하는 액티브 픽셀 센서 어레이(APS)(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 등가 회로도로 구성된 단위 픽셀 영역(100)들이 매트릭스 형태로 배열되어 구성된다. 도 2에서는 단위 픽셀 영역(100)이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 단위 픽셀 영역(100)은 3개의 트랜지스터 구조, 5개의 트랜지스터 구조 또는 4개의 트랜지스터 구조와 유사한 포토게이트 구조로 구성될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 각 단위 픽셀 영 역(100)은 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 선택부(160)를 포함한다.
광전 변환부(110)는 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적한다. 광전 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.
전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.
전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.
증폭부(150)는 단위 픽셀 영역(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(162)으 로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 픽셀 영역(100)을 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(162)에 연결된다.
또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 픽셀 영역(100)들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 APS 어레이의 일부를 나타낸 평면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 APS 어레이 상의 컬러 필터의 일부를 나타낸 평면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 일부를 나타낸 평면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 5의 Ⅵ-Ⅵ' 선을 따라 절단한 단면도이다.
먼저, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, APS 어레이(도 1의 10 참조)는 단위 픽셀 영역(100)들이 매트릭스 형태로 배열됨에 따라, 반도체 기판을 사각 형태의 단위 픽셀 영역(100)들로 구분할 수 있다. 그리고 각 단위 픽셀 영역(100)의 중심에는 광전 변환부(110)가 위치하며, 광전 변환부(110) 주위의 각 단위 픽셀 영역(100) 내에는 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150) 및 선택부(160)가 위치한다.
보다 상세히 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 n형 실리콘 기판(102) 상에 p형 에피층(104)이 형성되어 있으며, p형 에피층(104) 내에는 PMOS 및 NMOS를 형성하기 위한 p-웰(106) 및 n-웰(미도시)이 형성되어 있다. 그리고 p형 에피층(104) 내에는 활성 영역과 필드 영역을 구분하기 위한 소자 분리막(108)이 형성되어 있다. 활성 영역은 도 3에 한정되지 않으며 다른 형태로 변경될 수 있다.
그리고 소자 분리막(108)에 의해 정의된 활성 영역 내에는 빛 에너지를 흡수하여 발생한 전하를 축적하는 광전 변환부(110)가 형성되어 있다. 광전 변환부(110)는 n형의 포토 다이오드(112)와 p+형의 피닝층(pinning layer; 114)을 포함한다. 여기서, n형 포토다이오드(112)는 p형 에피층(104) 내에 깊게 형성되어 있으며, 피닝층(114)은 n형 포토다이오드(112)의 표면에 얕게 형성되어 있다. 이에 따라 광전 변환부(110)는 p형 에피층(104), n형 포토다이오드(112) 및 피닝층(114)이 적층된 pnp 접합 구조를 갖는다.
그리고, n형 포토다이오드(112) 표면에 얕게 형성된 p+형의 피닝층(114)은 n형 포토다이오드(112)의 표면 손상으로 인해 암전류(dark current)가 발생하는 것을 방지한다. 자세히 설명하면, 이미지 센서에서 암전류의 원인 중 하나로 광전 변환부(110)의 표면 손상을 들 수 있다. 표면 손상은 주로 댕글링 실리콘 결합(dangling silicon bonds)의 형성에 의할 수도 있고, 제조 과정 중에 에칭 스트레스(etching stress)와 관련된 결점에 의해 이루어 질 수도 있다. 따라서, n형포토 다이오드(112)를 p형 에피층(104) 내부에 깊게 형성하고, n형 포토다이오드 상에 피닝층(114)을 형성함으로써, p형 에피층(104)의 표면에서 열적으로 생성된(thermally generated) EHP 중에서, 양전하는 피닝층(114)을 통해서 접지된 기판으로 확산되고, 음전하는 피닝층(114)을 형성하는 과정에서 양전하와 재결합하여 소멸시킬 수 있다.
또한, p형 에피층(104) 내에는 광전 변환부(110)와 이격되어 전하 검출부(120)가 형성되어 있다. 전하 검출부(120)는 저농도의 n형 불순물과 고농도의 n형 불순물을 이온 주입한 LDD(Lightly Doped Drain) 구조로 형성되어 있다.
그리고 광전 변환부(110)와 전하 검출부(120) 사이의 p형 에피층(104) 상에는 광전 변환부(110) 내에 축적된 광전하를 전하 검출부(120)로 전달하는 전하 전송부(130)가 위치한다.
이와 같이, 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150) 및 선택부(160)들 상에는 실리콘 기판(102) 전면을 덮는 제 1 층간 절연막(210)이 형성되어 있다. 이러한 제 1 층간 절연막(210) 내에는 전하 검출부(120), 리셋부(140), 증폭부(150) 또는 선택부(160)와 연결되는 컨택(미도시)이 형성될 수 있다.
그리고 제 1 층간 절연막(210) 상에는 다층의 층간 절연막(220, 230, 240)들이 형성되어 있으며, 제 1 층간 절연막(210)과 제 2 층간 절연막(220)의 경계에는 식각 정지막(212)이 형성될 수 있다. 그리고 각 층간 절연막(220, 230, 240)들 내에는 금속 배선(222, 232, 242)이 형성되어 있으며, 이 때, 금속 배선(222, 232, 242)들은 광전 변환부(110) 상부를 제외한 영역들 상에 위치한다. 그리고 다층의 층간 절연막(220, 230, 240) 내에는 광전 변환부(110)와 대응되는 개구부(250)가 형성되어 있다.
그리고 개구부(250)가 형성된 다층의 층간 절연막(220, 230, 240) 상에는 개구부(250)를 채우는 광투과부(260)가 형성되어 있다. 광투과부(260)는 개구부(250) 및 다층의 층간 절연막(220, 230, 240)의 상부가 평탄해지도록 형성되어 있다. 그리고 광투광부(270)는 광전 변환부(110)로 입사되는 빛이 투과할 수 있는 물질로 형성되며 예를 들어, 열경화성수지(thermosetting resin)로 형성될 수 있다.
그리고, 광투과부(270) 상에는 컬러 필터(300)가 위치한다. 도 4를 참조하면 컬러 필터(300)는 단위 픽셀 영역(100)들이 매트릭스 형대로 배열된 APS 어레이(10) 상부에 각 단위 픽셀 영역(100) 별로 위치한다. 이러한 컬러 필터(300)는 고화질의 영상을 얻기 위하여 특정 색의 광을 투과시켜 반도체 기판의 광전 변환부(110)에 도달되도록 한다. 컬러 필터(300)는 레드(R: red), 그린(G: green), 블루(B: blue)가 베이어(Bayer)형으로 배치된 컬러 필터(300)가 사용될 수 있다. 여기서, 베이어형은 사람의 눈이 가장 민감하게 반응하여 정확도가 요구되는 그린(green) 컬러 필터(300)가 전체 컬러 필터(300)의 반이 되도록 배열하는 방식이다. 그러나, 컬러 필터(300)의 배열은 다양하게 변형될 수 있다.
그리고, 컬러 필터(300) 상부에는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 각 단위 픽셀 영역(100) 별로 마이크로 렌즈(400)가 위치한다. 마이크로 렌즈(400)는 광전 변환부(110) 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 변경시켜 광전 변환부(110)로 빛을 모아준다.
여기서, 각 단위 픽셀 영역(100) 내에 형성되는 마이크로 렌즈(400)는 볼록 렌즈로 작용하는 프레넬 존 플레이트 렌즈(fresnel zone plate lens)의 원리를 이 용한다. 즉, 반도체 기판 내의 광전 변환부(110) 상부에 위치하며, 동심원 패턴(410)들과, 동심원 패턴(410)들 둘레에 위치하는 원호 패턴(420)들로 이루어진다. 여기서, 원호 패턴(420)들은 동심원 패턴(410)들과 동일한 중심을 갖으며, 동심원 패턴(410)들의 중심은 광전 변환부(110)의 중심을 지나는 수직선 상에 위치한다.
동심원 패턴(410)들과 원호 패턴(420)들로 이루어진 마이크로 렌즈(400)는 굴절율이 다른 패턴들이 교대로 배치되어 있으며, 각 패턴들은 각각 다른 폭을 갖도록 형성되어 있다. 보다 상세히 설명하면, 동심원 패턴(410)들과 원호 패턴들(420)은 각각 불투명 패턴(412, 422)들과 투명 패턴(414, 424)들을 가지고 있으며, 불투명 패턴(412, 422)과 투명 패턴(414, 424)이 교대로 배치된다.
이때, 불투명한 동심원 패턴(412)들 및 원호 패턴(422)들은 동일한 두께로 형성되어 있으며, 동심원 패턴(410)들과 원호 패턴(420)들의 각각의 폭은 단위 픽셀 영역(100)의 중심에서 둘레로 갈수록 점차 감소하도록 형성되어 있다. 또한, 서로 이격되어 위치하는 불투명한 동심원 패턴(412)들의 면적이 서로 동일하도록 형성되어 있다.
즉, 이와 같은 마이크로 렌즈(400)는 사각 형태의 단위 픽셀 영역(100) 내에 동심원 패턴(410)들이 위치하고, 동심원 패턴들(410)이 채우지 못하는 나머지 부분의 단위 픽셀 영역(100) 내에 원호 패턴(420)들이 위치한다. 이에 따라 각 단위 픽셀 영역(100)들에 원형의 마이크로 렌즈를 형성할 때, 마이크로 렌즈들 사이에 빈 공간(dead space)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 컬러 필터(300)와 마이크로 렌즈(400) 사이에는 오버 코팅 레이어(OCL: Over-Coating Layer)라고 하는 평탄화막(270)이 형성될 수 있으며, 열경화성 수지로 이루어질 수 있다.
이에 따라 마이크로 렌즈(400)가 평탄화막(270) 상에 위치하게 되어 동심원 패턴(410)들 및 원호 패턴(420)들의 투명 패턴은 하부의 평탄화막(270)을 노출시키게 된다.
다음으로, 마이크로 렌즈(400)의 동심원 패턴(410)들 및 원호 패턴(420)들의 폭과 집광도에 대해서는 도 7을 참조하여 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 통해 광전 변환부로 입사된 광원의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
동일한 중심을 가지며 동심원 패턴(410)들과 원호 패턴(420)들로 이루어진 마이크로 렌즈(400)는 불투명 패턴(412)과 투명 패턴(414)이 교대로 배열되어 있으며, 빛이 마이크로 렌즈(400)로 입사된다. 도 7을 참조하면, 마이크로 렌즈(400)의 저면으로부터 광전 변환부(110)까지의 거리가 f인 경우, 각 패턴들의 반경은 R1, R2,…, Rn으로 나타낼 수 있으며, Rn은 Rn 2 = nfλ + n2λ2/4 (n=1,2,3,…)와 같은 관계를 갖는다. 이 때, λ는 입사되는 빛(L)의 파장이다.
즉, 이와 같은 반경(R1, R2,…, Rn)을 갖는 동심원 패턴(410)과 원호 패턴(420)을 불투명 패턴(412)들과 투명 패턴(414)들이 교대로 위치하게 형성하면, 불투명 패턴(412)들과 투명 패턴(414)의 굴절율이 다르므로 입사하는 빛이 불투명 패턴(412)들에서 위상이 지연된다. 따라서 이와 같은 마이크로 렌즈(400)를 통과한 빛(L)은 광전 변환부(110)의 표면에서 보강 간섭을 일으켜 광전 변환부(110)에 초점이 맺히게 된다.
이와 같은 마이크로 렌즈(400)의 작용은 그래프에 나타난 빛의 강도 프로파일 통해 확인할 수 있다. 도 7에 도시된 그래프는 픽셀 사이즈가 8㎛이고, 마이크로 렌즈(400)의 저면으로부터 광전 변환부(110)까지의 거리(f)가 15㎛, 빛의 파장(λ)이 700㎚일 때, 빛의 강도를 나타낸다. 그리고, 이와 같은 결과를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈(400)는 특정 파장의 감도만 개선시키고 다른 파장의 감도를 약화시키는 필터 역할도 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 대해 설명한다. 도 5 및 도 6과 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 해당 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 4의 컬러 필터 상의 마이크로 렌즈의 일부를 나타낸 평면도이다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 8의 Ⅸ-Ⅸ' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(300) 상에 평탄화막(270)이 형성될 수 있으며, 열경화성 수지로 이루어질 수 있다. 그리고 평탄화막(270)의 일부에 마이크로 렌즈(500)가 형성되어 있다.
보다 상세히 설명하면, 평탄화막(270)의 상부 표면에 다수의 동심원 패 턴(510)들과 동심원 패턴(510)들의 중심과 동일한 중심을 갖는 원호 패턴(520)들이 형성되어 있다. 그리고, 동심원 패턴(510)들 및 원호 패턴(520)들의 중심은 광전 변환부(110)의 중심을 지나는 수직선상에 위치한다.
이러한 동심원 패턴(510)들 및 원호 패턴(520)들은 돌출 패턴(512, 522)과 함몰 패턴(514, 524)으로 구분될 수 있으며, 돌출 패턴(512,522)과 함몰 패턴(514, 524)이 교대로 배열되어 있다. 또한, 각 동심원 패턴(510)들 및 원호 패턴(520)들은 각기 다른 폭을 가지며, 각각의 폭은 중심에서 가장자리로 갈수록 감소하도록 형성되어 있다.
이와 같이, 돌출 패턴(512, 522)과 함몰 패턴(514, 524)이 교대로 배열된 동심원 패턴(510)들 및 원호 패턴(520)들은 상기에서 설명한 바와 같은 Rn의 반경을 갖는다. 즉, 반경 Rn은 Rn 2 = nfλ + n2λ2/4 와 같은 관계를 갖는다. 이때, λ는 입사되는 빛(L)의 파장을 나타내며, f는 마이크로 렌즈(400)의 저면으로부터 광전 변환부(110)까지의 거리, 즉 초점 거리를 나타낸다.
이와 같이, 평탄화막(270)의 일부에 형성된 마이크로 렌즈(500)는 돌출 패턴(512, 522)들과 함몰 패턴(514, 524)들로 이루어져 있어, 빛이 광전 변환부(110)로 입사할 때 위상이 변하게 된다. 이에 따라 입사한 빛은 광전 변환부(110)의 표면에서 보강 간섭을 일으켜 광전 변환부(110)에 초점이 맺히게 된다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 대해 도 5 및 도 6과 도 8 및 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 반도체 기판을 준비한다. 반도체 기판은 에피택셜 기판을 사용할 수 있다. 이미지 소자의 크로스토크를 방지하고 특성을 최적화하기 위하여 N형 기판(102) 위에 p형 에피층(104)을 형성한 에피택셜 기판이 사용될 수 있다.
그리고 나서, p형 에피층(104) 내에 p-웰(106) 및 n-웰을 각각 형성한다. 즉, p-웰(106)이 형성될 영역을 노출시키는 이온 주입 마스크를 형성한 다음 보론(B)과 같은 p형 불순물을 주입하여 p-웰(106)을 형성한다. 그리고 이온 주입 마스크를 제거한 다음, n-웰(미도시)이 형성된 영역을 노출시키는 이온 주입 마스크를 형성하고, 인(P)과 같은 n형 불순물을 주입하여 n-웰(미도시)을 형성한다.
그리고 나서, 에피택셜 반도체 기판의 p형 에피층(104)에 도 3에 도시되어 있는 APS 레이아웃을 사용하여 소자 분리막(108)을 형성하여 광전 변환부(110)와 전하 검출부(120)가 형성될 액티브 영역들을 정의한다. 여기서, 소자 분리막(108)은 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 공정 또는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
이 후, p형 에피층(104) 상에 게이트 절연막, 게이트용 도전막을 순차적으로 적층하고 패터닝하여 게이트 패턴들(도 3의 130, 140, 150, 160 참조)을 형성한다. 여기서, 게이트 절연막은 SiO2, SiON, SiN, Al2O3, Si3N4, GexOyNz, GexSiyOz 또는 고유전율 물질 등으로 형성할 수 있다. 고유전율 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 또는 이들의 조합막 등을 원자층 증착법으로 형성할 수 있다. 또한, 게이트 절연막은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수층으로 적층하여 구성될 수도 있다. 그리고 게이트 절연막 의 두께는 5 내지 100Å으로 형성할 수 있다. 그리고 게이트용 도전막은 도전성 폴리실리콘막, W, Pt, 또는 Al과 같은 금속막, TiN과 같은 금속 질화물막, Co, Ni, Ti, Hf, Pt와 같은 내화성 금속(refractory metal)으로부터 얻어지는 금속 실리사이드막, 또는, 도전성 폴리실리콘막과 금속 실리사이드막의 적층막, 도전성 폴리실리콘막과 금속막의 적층막 등으로 형성할 수 있다. 그리고 게이트 패턴들(도 3의 130, 140, 150, 160 참조) 양측에 게이트 스페이서를 형성할 수 있다.
다음으로, 전하 전송부(130)의 게이트 패턴 일측에 n형 포토다이오드(112)와 피닝층(114)으로 이루어진 광전 변환부(110)를 형성한다. 보다 상세히 설명하면, 광전 변환부(110)가 형성될 영역을 노출시키는 이온 주입 마스크를 형성하고, n형 불순물을 p형 에피층(104) 내에 깊게 주입함으로써 n형 포토다이오드(112)를 형성한다. 이 때, 전하 전송부(130)의 게이트 패턴 방향으로 0° 내지 15°의 틸트를 주어 경사지게 형성한다. 따라서, n형 포토다이오드(112)는 트랜스퍼 게이트 패턴과 일부 오버랩되도록 형성될 수 있다.
그리고 나서, n형 포토다이오드(112) 상에 p형 불순물을 얕게 주입하여 피닝층(114)을 형성한다. 이때, p형 불순물은 소자 분리막(108) 방향으로 0° 이상의 틸트를 주어 경사지게 이온 주입할 수 있다. 이와 같이 형성된 피닝층(114)은 p형 에피층(104) 표면에서 열적으로 생성된 EHP(Electron-Hole Pair)를 줄임으로써 암전류를 방지하는 역할을 한다.
다음으로, 광전 변환부(110)와 이격된 p형 에피층(104) 내에 전하 검출부(120)를 형성한다. 이때, 전하 검출부는 n형 불순물을 이온 주입하여 형성할 수 있으며, LDD(Lightly Doped Drain) 구조로 형성할 수 있다.
이에 따라 이미지 센서의 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150) 및 선택부(160)를 포함하는 APS 어레이(도 1의 10 참조)가 완성된다.
이어서, APS 어레이(도 1의 10 참조)가 형성된 기판 전면에 제 1 층간 절연막(210)을 형성하고 상면에는 식각 정지막(212)을 형성한다. 여기서, 제 1 층간 절연막(210)은 입사하는 빛이 투과할 수 있도록 투명한 절연 물질로 형성한다. 예를 들어, 제 1 층간 절연막(210)은 HDP(High Density Plasma), TOSZ(Tonen SilaZene), SOG(Spin On Glass), USG(Undoped Silica Glass) 등이 사용될 수 있으며, 식각 정지막(212)으로는 실리콘 질화막이 사용될 수 있다.
그리고 나서, 식각 정지막(212) 상에 금속 배선(222, 232, 242)과 금속 배선간 절연막(220, 230, 240)을 차례로 형성한다. 이에 따라 다층의 금속 배선(222, 232, 242)들과 절연막들(220, 230, 240)이 형성된다. 여기서, (도 1의 10 참조) 어레이의 각 소자의 전기적인 라우팅 및/또는 차광 기능을 위한 금속 배선(222, 232, 242)들의 배열은 당업자에 의해 다양하게 변형될 수 있으므로 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 이에 대한 설명은 생략한다.
이어서, 다층으로 적층된 절연막(220, 230, 240)들을 식각 정지막(212)이 노출될 때까지 부분 식각하여 광전 변환부(110) 상부의 제 1 층간 절연막(210)을 노출시키는 개구부(250)를 형성한다. 여기서, 개구부(250)는 빛이 광전 변환부(110)로 입사될 때, 광전 변환부(110) 상부 영역의 절연막(230)들 및 식각 정지막(212) 에 의해 굴절, 반사됨으로써 빛의 투과율이 적어지고 크로스토크가 발생하는 것을 방지하여, 빛의 투과율을 높이기 위하여 형성한다.
이 후, 입사되는 빛을 투광시키는 수지를 이용하여 개구부(250)를 채우며, 상부가 평탄화된 광투광부(260)를 형성한다. 그리고 나서, 광투광부(260) 상에 각 단위 픽셀 영역(100) 별로 컬러 필터(300)를 형성한다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이 레드(R), 그린(G), 블루(B)가 베이어(Bayer) 형으로 배치될 수 있다. 이어서, 컬러 필터(300) 상에 빛을 투광시키는 수지를 이용하여 평탄화막(270)을 형성할 수 있다.
그리고 나서, 평탄화막(270) 상의 각 단위 픽셀 영역(100) 내에 동심원 패턴(410, 510)들과 원호 패턴(420, 520)들로 이루어진 마이크로 렌즈(400, 500)를 형성한다.
여기서, 마이크로 렌즈(400)는 도 6에 도시된 바와 같이, 평탄화막(270) 상에 평탄화막(270)과 굴절율이 다른 불투명막을 형성한다. 여기서, 불투명막으로는 질화규소(Si3N4), 티타늄 나이트라이드(TiN) 또는 마그네슘 산화물(MgO2) 등과 같은 물질이 사용될 수 있다.
그리고 나서, 불투명막을 패터닝하여 동심원 패턴(410)들과 동심원 패턴(410)들 주위에 배치되며 동심원 패턴(410)들과 동일한 중심을 갖는 원호 패턴(420)들을 각 단위 픽셀 영역(100) 별로 형성한다. 여기서, 동심원 패턴(410)들 및 원호 패턴(420)들의 중심은 광전 변환부(110)의 중심 상부에 위치하도록 형성한 다.
이에 따라 불투명 패턴(412)으로 이루어진 동심원 패턴(412)들 및 원호 패턴(422)들이 형성되고, 불투명막이 제거된 동심원 패턴(414)들 및 원호 패턴(424)들은 하부의 평탄화막(270)을 노출시키며 투명 패턴(414, 424)들을 이루게 된다. 그리고, 이와 같은 마이크로 렌즈(400)를 형성할 때, 동심원 패턴(410)들과 원호 패턴(420)들 각각의 폭은 중심에서 가장자리로 갈수록 감소되도록 형성한다.
이와 달리, 마이크로 렌즈(500)는 도 9에 도시된 바와 같이 형성할 수 있다. 도 9를 참조하면, 마이크로 렌즈(500)를 평탄화막(270)의 일부에 형성한다. 즉, 컬러 필터(300) 상에 평탄화막(270)을 형성하고, 평탄화막(270을 패터닝하여 표면에 각 단위 픽셀 영역(100) 별로 동심원 패턴(510)들과 원호 패턴(520)들을 형성한다. 여기서 원호 패턴(520)들이 동심원 패턴(510)들 둘레에 배치되어 동심원 패턴(510)들 주위의 각 단위 픽셀 영역(100) 내를 채우게 된다.
이와 같이 평탄화막(270)을 패터닝하여 형성되는 마이크로 렌즈(500)는 동심원 패턴(510)들과 원호 패턴(520)들이 돌출 패턴(512, 522)과 함몰 패턴(514, 524)을 갖게 된다. 그리고 돌출 패턴(512, 522)과 함몰 패턴(514, 524)을 교대로 형성함으로써 돌출 패턴(512, 522)들과 함몰 패턴(514, 524)들에 의해 입사되는 빛의 위상이 변경된다.
이와 같은 방법들로 동심원 패턴(410, 510)들과 원호 패턴(420, 520)들을 형성할 때, 각 패턴들의 폭은 빛의 파장과 마이크로 렌즈(400, 500)로부터 광전 변환부(110)까지의 거리에 의해 정의될 수 있다. 이에 따라 마이크로 렌즈(400, 500)를 반복하여 형성할 때 마이크로 렌즈들을 균일하게 형성할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 이미지 센서 및 그 제조 방법에 따르면 각 단위 픽셀 영역들에 원형의 마이크로 렌즈를 형성할 때, 마이크로 렌즈들 사이에 빈 공간(dead space)이 발생하는 것을 방지할 수 있으므로, 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. 그리고 마이크로 렌즈를 이루는 동심원 패턴들과 원호 패턴들이 규칙적으로 형성되므로, 마이크로 렌즈들을 반복하여 형성할 때 재현성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 렌즈는 특정 파장의 감도만 개선시키고 다른 파장의 감도를 약화시키는 필터 역할도 얻을 수 있다.
Claims (19)
- 단위 픽셀 영역들을 갖는 반도체 기판;상기 각 단위 픽셀 영역의 상기 반도체 기판 내에 형성된 광전 변환부;상기 광전 변환부를 덮으며, 상기 광전 변환부 상부에 형성된 개구부를 포함하는 층간 절연막;상기 개구부를 매립시키는 광투과부;상기 광투과부 상에 상기 각각의 광전 변환부에 대응하여 형성된 컬러 필터들; 및상기 각각의 컬러 필터 상에 대응하여 형성되며, 상기 각 단위 픽셀 영역 내에 형성된 다수의 동심원 패턴들과, 상기 동심원 패턴들의 둘레에 위치하여 상기 각 단위 픽셀 영역을 채우며 상기 동심원 패턴들과 동일한 중심을 갖는 원호 패턴들로 이루어진 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 단위 픽셀 영역들은 사각 형태를 갖는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 컬러 필터와 상기 마이크로 렌즈 사이에 평탄화막을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들의 중심은 상기 광전 변환 소자의 중심을 지나는 수직선 상에 위치하는 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들은 굴절율이 서로 다른 패턴들로 배열된 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 동심원 패턴들과 상기 원호 패턴은 각각 다른 폭을 가지며, 상기 폭은 중심에서 둘레로 갈수록 감소되는 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 각 동심원 패턴들은 동일한 면적을 갖는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들은 불투명 패턴과 투명 패턴이 교대로 배열된 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서,상기 투명 패턴은 상기 평탄층을 노출시키는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들은 돌출 패턴과 함몰 패턴이 교대로 배열된 이미지 센서.
- 단위 픽셀 영역들을 갖는 반도체 기판을 제공하고,상기 각 단위 픽셀 영역의 반도체 기판 내에 광전 변환부를 형성하고,상기 광전 변환부 상부에 상기 광전 변환부를 덮는 층간 절연막을 형성하고,상기 광전 변환부 상부에 위치하는 상기 층간 절연막을 제거하여 개구부를 형성하고,상기 개구부를 매립시키는 광투과부를 형성하고,상기 광투과부 상에 각각의 광전 변환부에 대응하여 컬러 필터들을 형성하고,상기 각 단위 픽셀 영역 내에 다수의 동심원 패턴들과, 상기 동심원 패턴들의 둘레에 위치하여 상기 각 단위 픽셀 영역을 채우며 상기 동심원 패턴들과 동일한 중심을 갖는 원호 패턴들로 이루어진 마이크로 렌즈를 상기 각각의 컬러 필터 상에 대응하여 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 컬러 필터를 형성 전, 상기 컬러 필터 상에 평탄화막을 형성하는 것을 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 것은,상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들의 중심이 상기 광전 변환 소자의 중심을 지나는 수직선 상에 위치하도록 형성하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 것은,상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들을 굴절율이 서로 다른 패턴들로 배열하여 형성하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 것은,상기 평탄화막 상에 불투명막을 형성하고,상기 불투명막을 패터닝하여 불투명 패턴과 투명 패턴이 반복하여 배열된 상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들을 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 투명 패턴은 상기 평탄화막을 노출시키는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들은 각각 다른 폭을 가지며, 상기 폭 은 중심에서 둘레로 갈수록 감소되는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 것은,상기 평탄화막을 패터닝하여 돌출 패턴과 함몰 패턴이 교대로 배열된 상기 동심원 패턴들 및 상기 원호 패턴들을을 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 18 항에 있어서,상기 돌출 패턴 및 상기 함몰 패턴들은 각각 다른 폭을 가지며, 중심에서 둘레로 갈수록 상기 폭이 감소되는 이미지 센서 제조 방법.
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