KR100794309B1 - 이미지 센서 및 그 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
애퍼크로매틱 물질을 이용한 마이크로 렌즈를 가지는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다. 이 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 광전변환 영역과 상기 광전변환 영역 상부에 형성된 컬러필터와, 상기 컬러필터 상부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다. 상기 마이크로 렌즈는 애퍼크로매틱 물질로 형성된 것이 특징이다. 애퍼크로매틱 마이크로 렌즈를 형성하여 색수차를 최소화할 수 있다.
이미지센서, 컬러필터, 마이크로렌즈, 색수차
Description
도 1은 일반적인 이미지 센서를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 도면.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들.
본 발명은 이미지 센서 및 그 형성 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로 마이크로 렌즈를 가지는 이미지 센서 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학신호를 전기신호로 변환하는 광전변환영역을 가진다. 외부의 빛은 마이크로 렌즈에 의해 광전변환영역에 집속된다. 따라서, 마이크로 렌즈의 집광효율이 높을 수록 이미지 센서의 감도 향상에 기여할 수 있다.
일반적으로 이미지 센서의 마이크로 렌즈는 실리콘산화막 또는 유기막으로 형성된다. 이러한 마이크로 렌즈는 파장에 따라 굴절율이 다르기 때문에 색수차를 가진다. 색수차는 마이크로 렌즈를 투과하는 빛이 파장에 따라 초점거리가 달라지 는 원인이 된다. 따라서, 파장에 따라 집광효율이 달라지거나, 원하지 않은 위치에 초점이 형성되어 적절한 신호를 획득하는 것이 어려워질 수 있다.
도 1은 일반적인 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 반도체 기판(10)에 어레이를 구성하고 있는 복수개의 광전변환영역(12)을 포함한다. 일반적으로, 상기 광전변환영역(12)은 포토 다이오드로 이루어진다. 상기 기판 상에 신호를 제어하기 위한 게이트 전극(14)이 형성되고, 상기 기판 상부에 복수의 배선층(16)이 형성된다.
상기 광전변환영역(12)으로 구성된 픽셀의 상부에 컬러필터(18)가 형성되고, 상기 컬러필터(18) 상부에는 마이크로 렌즈(20)가 배치된다. 이미지 센서는 적, 녹, 청색 빛이 각각 선택적으로 투과되는 복수의 컬러필터(18)를 포함한다.
상기 마이크로 렌즈(20)에 의해 굴절된 빛은 적, 녹, 청색 중 어느 하나의 빛이 상기 컬러필터(18)를 선택적으로 투과한다. 상기 마이크로 렌즈(20)는 통상 폴리이미드 계열의 수지 또는 투명화된 포토레지스트를 사용한다. 일반적으로 사용되는 마이크로 렌즈는 크로매틱(Chromatic) 또는 애크로매틱(Achromatic) 특성을 가져, 투과되는 빛의 굴절률은 파장에 따라 큰 차이가 있다.
마이크로 렌즈(20) 및 컬러필터(18)을 투과한 빛은 상기 광전변환영역(12)에 완전히 집광되어 충분한 광전변환효율을 나타내는 것이 바람직하다. 외부로 부터 입사된 빛이 광전변환영역에 집광되지 않거나 벗어나면, 전기신호의 발생이 약화되어 이미지 센서의 감도가 저하된다.
도시된 것과 같이, 장파장의 적색광의 초점거리(Fr)은 녹색광의 초점거 리(Fg) 및 청색광의 초점거리(Fb)보다 길며, 녹색광의 초점거리(Fg)는 청색광의 초점거리(Fb)보다 길다. 따라서, 파장에 따라 광전변환영역에 집속되는 효율이 다르고 빛의 손실을 피할 수 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로 렌즈의 색수차가 작아 집효율이 높은 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 색수차가 작은 물질로 형성된 마이크로 렌즈를 가지는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 애퍼크로매틱 물질을 이용한 마이크로 렌즈를 가지는 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 광전변환 영역과 상기 광전변환 영역 상부에 형성된 컬러필터와, 상기 컬러필터 상부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다. 상기 마이크로 렌즈는 애퍼크로매틱 물질로 형성된 것이 특징이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 애퍼크로매틱 물질은 형석 결정구조를 가지는 물질로 형성될 수 있으며, 예컨대 불화칼슘 결정으로 상기 마이크로 렌즈가 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 마이크로 렌즈 형성 방법을 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판에 광전변환 영역을 형성하고, 상기 광전변환 영역 상부에 컬러필터를 형성하는 것을 포함한다. 상기 컬러필터 상부에 마이크로 렌즈가 형성된다. 상기 마이크로 렌즈는 애퍼크로매틱 물질로 형성하는 것이 특징이다.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 애퍼크로 매틱층을 형성한 후 상기 애퍼크로 매틱층 상에 곡률을 가지는 마스크 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 마스크 패턴과 상기 애퍼크로 매틱층을 순차적으로 식각하여 상기 마스크 패턴의 곡률을 상기 애퍼크로 매틱층에 전사할 수 있다. 그 결과, 상기 애퍼크로 매틱 물질로 이루어진 마이크로 렌즈가 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(50)에 복수개의 광전변환영역(52)이 형성되고, 상기 광전변환영역(54) 주변의 기판 상에 게이트 전극(54)이 배치될 수 있다. 상기 광전변환영역(52)은 p형 웰 내에 형성된 n형 포토다이오드를 포함할 수 있고, 상기 n형 포토다이오드 상이 p형 포토다이오드가 더 형성될 수도 있다. CMOS 이미지 센서인 경우, 상기 게이트 전극(54)이 신호 선택 및 전달 게이트로 사용될 수 있다. 전하결합소자(CCD)는 상기 광전변환영역(25) 부근의 기판 내에 신호전송 영역이 형성되어 광전변환된 전기신호를 출력단으로 전달할 수 있다.
상기 기판의 전면에 절연막(도시안함)을 덮고, 상기 절연막 상에 복수층의 배선층(56)을 형성한다. 상기 배선층(56)은 이미지 센서의 픽셀 영역 신호를 주변회로로 전달하는 역할과, 픽셀 영역만 제한적으로 오픈되도록 하는 블랙 매트릭스 역할을 할 수 있다.
상기 배선층(56) 상에 절연막(도시 안함)이 형성되고, 상기 절연막 상에 컬러필터층이 형성된다. 상기 컬러필터층은 적색, 녹색 또는 청색광을 선택적으로 투과하는 복수의 컬러필터(58)로 구성된다. 상기 컬러필터(58)는 상기 픽셀의 광전변환영역(52) 상부에 정렬되어 배치된다. 상기 컬러필터(58) 상부에 마이크로 렌즈(60)이 형성된다. 각 컬러필터(58) 상부에 마이크로 렌즈(60)이 배치되어 상기 광전변환영역(52)에 빛을 집속시킬 수 있다.
본 발명에서, 상기 마이크로 렌즈(60)은 파장에 따른 굴절율의 차이가 최소화된 애퍼크로매틱 물질로 형성된 것이 특징이다. 따라서, 상기 마이크로 렌즈(60)는 애퍼크로매틱 특성이 우수한 형석(fluorite) 결정구조를 가지는 물질로 형성될 수 있으며, 저분산(Low Dispersion) 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 마이크로 렌즈(60) 불화칼슘(CaF2) 결정으로 형성될 수 있다.
도시된 것과 같이, 애퍼크로매틱 마이크로 렌즈는 투과되는 빛의 파장에 따라 초점거리의 변화(shift)가 크지 않기 때문에, 거의 같은 위치에 적색광의 초점(Fr), 녹색광(Fg) 및 청색광(Fb)의 초점이 맺히고, 적색, 녹색 및 청색에 관계없이 집속된 빛이 상기 광전변환영역(52)에 결상되도록 할 수 있다. 따라서, 초점거리를 조절함으로써 상기 광전변환영역(52)에 집속되는 빛의 효율을 높일 수 있고, 파장에 따른 빛의 손실을 최소화할 수 있어 우수한 감도를 제공할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3을 참조하면, 통상의 방법을 적용하여, 반도체 기판(50)에 복수개의 광전변환 영역(52)을 형성하고 게이트 전극(54)을 형성하여 픽셀 영역을 구성한다. 주변회로 영역에는 신호를 제어하고 장치를 구동하는 회로의 단위 소자들이 형성될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(50)에는 웰 및 소자분리막이 형성될 수 있고, 전하결합소자인 경우 상기 광전변환 영역(52)에 연결된 전송층이 상기 반도체 기판(50) 내에 더 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판의 전면을 덮는 층간 절연막(57) 다층의 배선층(56)을 형성한다. 상기 배선층(56)은 픽셀 영역에서 상기 광전변환 영역(52) 이외의 부분이 빛에 노출되는 것을 막아주는 블랙 매트릭스 역할을 할 수 있다.
상기 층간 절연막(57) 상에 적색광(R), 녹색광(G) 또는 청색광(B)을 선택적으로 투과하는 복수개의 컬러필터로 구성된 컬러필터층(58)이 형성된다. 상기 컬러필터들은 각 픽셀에 배치되어 각각의 픽셀에 적색, 녹색 또는 청색광이 도달하도록 한다.
상기 컬러필터층 하부의 구조는 공지의 기술 및 선행 기술, 또는 다수의 기술이 조합된 구조일 수 있다. 예컨대, 도시된 것과 같이 상기 컬러필터들은 같은 두께로 형성될 수 있으나, 투과광에 따라서 컬러필터의 두께가 달라질 수도 있다. 또한, 상기 층간절연막(57)에 의한 빛의 손실을 막기 위하여 상기 광전변환영역(52) 상부의 층간절연막의 대부분이 제거되어 캐비티(cavity)가 형성되고, 상기 캐비티 내에 컬러필터가 채워질 수도 있다.
상기 컬러필터층(58) 상에 절연막(59)가 형성되어 컬러필터층과 마이크로 렌즈 사이에 개재될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 절연막(59) 상에 애퍼크로매틱층(60a)을 형성한다. 상기 애퍼크로매틱층(60a)은 저분산 물질 또는 형석 결정구조를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 애퍼크로매틱층(60a)은 결정성장된 불화칼슘(CaF2)일 수 있다. 상기 애퍼크로매틱층(60a)은 기상증착법, 또는 고상결정성장법을 적용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 불소 소오스와 칼슘 소오스를 공급하여 불화칼슘이 결정성장되도록 기상증착하거나, 스퍼터링 또는 기상증착을 통해 원인물질을 증착하고 결정성장온도로 가열하여 상기 원인물질이 고상결정성장되도록 할 수 있다.
상기 불화칼슘의 결정성장에서 불소 소오스는 불화수소를 사용하고 칼슘 소오스로 알칼리 토금속 탄산염이 사용될 수 있다. 이와 달리, 불소 소오스로 KF, BaF2 및 CaSiF6 중 어느 하나가 사용될 수 있고, 칼슘 소오스로는 CaCl2가 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 애퍼크로매틱 물질은 불화칼슘에 한정되거나, 상기 소오스에 한정되지 않고, 형석 결정구조를 가지는 물질 가운데 선택될 수 있다. 또한, 형석(fluorite) 결정구조 이외에도 애퍼크로매틱 특성을 지닌 투과성 물질 가운데 선택될 수 있다.
상기 애퍼크로매틱층(60a) 상에 마스크 패턴(62)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(62)은 픽셀에 대응되도록 형성되어 상기 애퍼크로매틱층(60a) 상에 매트릭스상으로 배열될 수 있다. 상기 마스크 패턴(62)은 가열시 유동성을 가질 수 있는 열경화성 물질로 형성될 수 있으며, 예컨대 포토레지스트와 같은 고분자 수지로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 마스크 패턴(62)을 소정 온도로 가열하여 표면 곡률을 가지는 희생 패턴(62a)을 형성한다. 상기 마스크 패턴은 소정 온도에서 플로우되어 표면장력에 의해 자연스럽게 표면 곡률을 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 희생 패턴(62a)과 상기 애퍼크로매틱층(60a)을 순차적으로 식각하여 상기 희생 패턴(62a)의 표면 곡률이 상기 애퍼크로매틱층(60a)에 전사되도록 한다. 결과적으로, 상기 애퍼크로매틱층이 표면 곡률을 가지게되어 마 이크로 렌즈(60)가 형성될 수 있다. 상기 마스크 패턴의 플로우 온도 및 시간을 조절하여 상기 희생 패턴(62a)의 곡률을 조절하여 마이크로 렌즈(60)의 초점거리를 결정할 수 있다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 애퍼크로매틱 마이크로 렌즈를 형성하여 색수차를 최소화할 수 있다. 본 발명에 따른 마이크로 렌즈는 적색, 녹색 및 청색광의 초점거리 산포를 줄여 빛의 손실을 최소화할 수 있다.
그 결과, 광전변환영역에 도달하는 빛의 집광효율이 높아져 이미지 센서의 집광효율이 향상될 수 있다.
Claims (14)
- 반도체 기판에 형성되어, 픽셀 영역들을 구성하는 광전변환 영역들과 게이트들;상기 광전변환 영역들 상부에 형성된 컬러필터;상기 게이트들과 이격되도록 상기 게이트들 상부에 형성되어 상기 픽셀 영역들을 제한적으로 오픈시키는 배선층; 및상기 광전변환 영역들 각각에 대응되는 상기 컬러필터 상부에 애퍼크로매틱 물질로 형성된 마이크로 렌즈들을 포함하는 이미지 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 형석 결정구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 청구항 2에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 불화칼슘 결정인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 반도체 기판에 광전변환 영역들과 게이트 전극들을 형성하여 픽셀 영역들을 구성하는 단계;상기 광전변환 영역들 상부에 컬러필터를 형성하는 단계;상기 픽셀 영역들을 제한적으로 오픈시키는 배선층을 형성하되, 상기 배선층은 상기 게이트들과 이격되도록 상기 게이트들의 상부에 형성하는 단계;상기 컬러필터 상부에 애퍼크로매틱층을 형성하는 단계;상기 애퍼크로매틱층 상부에 곡률을 가지는 희생 패턴을 형성하는 단계; 및상기 희생 패턴과 상기 애퍼크로매틱층을 순차적으로 식각하여, 상기 희생 패턴의 곡률이 상기 애퍼크로매틱층에 전사된 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 배선층은 다층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 애퍼크로매틱층은 기상증착법 또는 고상결정성장법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 희생 패턴을 형성하는 단계는,상기 애퍼크로매틱층 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및상기 마스크 패턴을 플로우하여 표면 곡률을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 애퍼크로매틱층은 형석 결정구조를 가지는 물질인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 8에 있어서,상기 물질은 불화칼슘 결정인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 불화칼슘 결정은 기상증착법 또는 고상결정성장법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 불화칼슘 결정을 형성하는 단계에서,불소 소오스는 불화수소이고, 칼슘 소오스는 알칼리 토금속 탄산염인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 불화칼슘 결정을 형성하는 단계에서,불소 소오스는 KF이고, 칼슘 소오스는 CaCl2인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 불화칼슘 결정을 형성하는 단계에서,불소 소오스는 BaF2이고, 칼슘 소오스는 CaCl2인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 불화칼슘 결정을 형성하는 단계에서,불소 소오스는 CaSiF6, 칼슘 소오스는 CaCl2인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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