KR100851754B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서는 씨모스 회로를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 포토다이오드 어레이; 상기 포토다이오드 어레이 상에 형성된 컬러필터; 상기 포토다이오드 어레이의 가장자리 영역에 대응하도록 상기 컬러필터 상에 형성된 제1 마이크로 렌즈; 상기 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 절연층; 상기 제1 마이크로 렌즈에 대응하도록 상기 절연층에 형성된 제2 마이크로 렌즈; 및 상기 제2 마이크로 렌즈 내측의 상기 절연층 상에 형성된 제3 마이크로 렌즈를 포함한다.
이미지 센서, 포토다이오드, 마이크로 렌즈
Description
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
이미지 센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(charge coupled device:CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon:CMOS) 이미지 센서(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서는 빛 신호를 받아서 전기신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo diode) 영역과 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역으로 구분할 수 있다.
씨모스 이미지 센서는 포토다이오드와 트랜지스터가 반도체 기판에 수평으로 배치되는 구조이다.
물론, 수평형 씨모스 이미지 센서에 의해 CCD 이미지 센서의 단점이 해결되기는 하였으나, 상기 수평형 씨모스 이미지 센서에는 여전히 문제점들이 있다.
수평형 씨모스 이미지 센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터가 기판 상에 상호 수평으로 인접하여 형성된다. 이에 따라, 포토다이오드 형성을 위한 추가적인 영역이 요구되며, 이에 의해 필 팩터(fill factor) 영역을 감소시키고 레졀루션(Resolution)의 가능성을 제한하는 문제가 있다.
또한, 수평형 씨모스 이미지 센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터를 동시에 제조하는 공정에 대한 최적화를 달성하는 점이 매우 어려운 문제가 있다. 즉, 신속한 트랜지스터 공정에서는 작은 면저항(low sheet resistance)을 위해 샐로우 정션(shllow junction)이 요구되나, 포토다이오드에는 이러한 샐로우 정션(shllow junction)이 적절하지 않을 수 있다.
또한, 수평형 씨모스 이미지 센서에 의하면 추가적인 온칩(on-chip) 기능들이 이미지 센서에 부가되면서 단위화소의 크기가 이미지 센서의 센서티버티(sensitivity)를 유지하기 위해 증가되거나 또는 감소되어야 한다. 그런데, 픽셀사이즈가 증가되면 이미지 센서의 레졀루션(Resolution)이 감소하게 된다. 또는 포토다이오드의 면적이 감소되면 이미지 센서의 센서티버티(sensitivity)가 감소하는 문제가 발생한다.
실시예는 트랜지스터 회로와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 레졀루션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 마이크로 렌즈의 집광율을 향상시켜 포토다이오드 광감지율을 개선할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 씨모스 회로를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 포토다이오드 어레이; 상기 포토다이오드 어레이 상에 형성된 컬러필터; 상기 포토다이오드 어레이의 가장자리 영역에 대응하도록 상기 컬러필터 상에 형성된 제1 마이크로 렌즈; 상기 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 반도체 기판 상에 형성된 절연층; 상기 제1 마이크로 렌즈에 대응하도록 상기 절연층에 형성된 제2 마이크로 렌즈; 및 상기 제2 마이크로 렌즈 내측의 상기 절연층 상에 형성된 제3 마이크로 렌즈를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은 씨모스 회로를 포함하는 반도체 기판 상에 포토다이오드 어레이를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 어레이 상에 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 포토다이오드 어레이의 가장자리 영역에 대응하도록 상기 컬러필터 상에 제1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 반도체 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 제1 마이크로 렌즈에 대응하도록 상기 절연층에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 제2 마이크로 렌즈 내측의 상기 절연층 상에 제3 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 8은 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 씨모스 회로(12)를 포함하는 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 포토다이오드 어레이(30); 상기 포토다이오드 어레이(30) 상에 형성된 컬러필터(40); 상기 포토다이오드 어레이(30)의 가장자리 영역에 대응하도록 상기 컬러필터(40) 상에 형성된 제1 마이크로 렌즈(50); 상기 제1 마이크로 렌즈(50)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 형성된 절연층(60); 상기 제1 마이크로 렌즈(50)에 대응하도록 상기 절연층(60)에 형성된 제2 마이크로 렌즈(75); 및 상기 제2 마이크로 렌즈(75) 내측의 상기 절연층(60) 상에 형성된 제3 마이크로 렌즈(85)를 포함한다.
상기 제1 마이크로 렌즈(50)와 제3 마이크로 렌즈(85)는 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2 마이크로 렌즈(75)는 오목한 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 및 제3 마이크로 렌즈(85)는 무기물층 예를 들어, 저온 산화막으로 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 씨모스 회로(12)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 층간 절연막(20) 및 금속배선(21)이 형성되어 있다.
상기 반도체 기판(10)에는 액티브 영역 및 필드영역을 정의하는 소자분리막(11)이 형성될 수 있다.
상기 액티브 영역 상에는 단위화소를 형성하기 위하여 후술하는 포토다이오드와 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터 등으로 이루어진 씨모스 회로(12)가 형성될 수 있다.
상기 씨모스 회로(12)가 형성된 반도체 기판(10) 상부에는 전원라인 또는 신호라인과의 접속을 위하여 층간 절연막(20) 및 금속배선(21)이 형성되어 있다.
상기 층간 절연막(20)은 복수의 층으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(21)은 상기 층간 절연막(20)을 관통하여 복수개로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 층간 절연막(20)은 산화막으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속배선(21)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐등으로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(21)은 단위화소 별로 배치되어 상기 씨모스 회로(12)와 포토다이오드 어레이(30)를 연결하도록 형성된다.
상기 포토다이오드 어레이(30)는 층간 절연막(20) 상부에 형성되어 외부에서 입사되는 빛을 받아 전기적 형태로 전환 및 보관하기 위한 것으로 실시예에서는 핀 다이오드(PIN diode)를 사용한다.
상기 핀 다이오드는 n형 비정질 실리콘층(n-type amorphous silicon), 진성 비정질 실리콘층(intrinsic amorphous silicon), p형 비정질 실리콘층(p-type amorphous silicon)이 접합된 구조로 형성되는 것이다.
상기 핀 다이오드는 p형 실리콘층과 n형 실리콘층 사이에 순수한 반도체인 진성 비정질 실리콘층이 접합된 구조의 광 다이오드로서, 상기 p형과 n형 사이에 형성되는 진성 비정질 실리콘층이 모두 공핍영역이 되어 전하의 생성 및 보관에 유리하게 된다.
실시예에서는 포토다이오드 어레이(30)로서 핀 다이오드를 사용하며 포토다이오드 어레이(30)의 구조는 P-I-N 또는 N-I-P, I-P 등의 구조로 형성될 수 있다.
상기와 같이 포토다이오드 어레이(30)는 상기 씨모스 회로(12)를 포함하는 반도체 기판(10)과 수직형 집적을 이루어 포토다이오드 어레이(30)의 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 포토다이오드 어레이(30) 상에 상부전극이 형성될 수 있다.
상기 상부전극은 빛의 투과성이 좋고 전도성이 높은 투명전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극은 ITO(indium tin oxide), CTO(cardium tin oxide), ZnO2 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드 어레이(30) 상에 컬러필터(40)가 형성될 수 있다.
상기 컬러필터(40)는 각각의 단위화소마다 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다.
후속공정으로 형성될 마이크로렌즈는 평탄화된 표면 상에 형성되어야 하며, 이를 위해서는 상기 컬러필터(40)로 인한 단차를 없애야 하므로, 상기 컬러필터(70) 상에 평탄화층(미도시)이 형성될 수 있다.
상기 컬러필터(40) 상으로 제1 마이크로 렌즈(50)가 형성된다.
상기 제1 마이크로 렌즈(50)는 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 포토다이오드 어레이(30)의 가장자리 영역에 형성될 수 있다.
상기 제1 마이크로 렌즈(50)는 무기물 예를 들어, 저온 산화막으로 형성될 수 있다.
도시되지는 않았지만 상기 제1 마이크로 렌즈(50)는 상기 컬러필터(40) 상에 저온 산화막을 증착한 후 포토레지스트 패턴에 의하여 상기 컬러필터(40)의 가장자리 영역에 볼록한 형태의 시드 마이크로 렌즈를 형성한다. 그리고, 상기 시드 마이크로 렌즈를 식각마스크로 하여 상기 저온산화막에 대하여 전면식각을 진행하면 상기 컬러필터(40)의 가장자리 영역에 볼록한 형태의 제1 마이크로 렌즈(50)가 형성된다. 이때, 상기 저온 산화막은 150~250℃의 온도에서 형성될 수 있다.
상기 제1 마이크로 렌즈(50) 상에 절연층(60)이 형성된다. 예를 들어, 상기 절연층(60)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다.
상기 절연층(60) 상에 상기 제1 마이크로 렌즈(50)에 대응하는 상기 절연층(60)의 표면을 노출시키는 제1 포토레지스트 패턴(100)이 형성된다.
도 2를 참조하여, 상기 제1 포토레지스트 패턴(100)을 식각마스크로 하여 상기 절연층(60)을 식각한다. 예를 들어, 상기 절연층(60)은 습식식각 공정에 의하여 등방성으로 식각될 수 있다.
따라서, 상기 습식식각 공정에 의하여 상기 제1 마이크로 렌즈(50)에 대응하는 상기 절연층(60)에는 오목한 형태의 렌즈 홈(65)이 된다.
도 3을 참조하여, 상기 제1 포토레지스트 패턴(100)을 제거한 후, 상기 렌즈 홈(65)을 포함하는 반도체 기판(10) 상에 제1 무기물층(70)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 무기물층(70)은 저온 산화막으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 제1 무기물층(70)에 대한 평탄화 공정을 실시하여 상기 렌즈 홈(65)에 제2 마이크로 렌즈(75)가 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 무기물층(70)에 대한 평탄화공정은 CMP 공정으로 진행되고 상기 절연층(60)이 식각정지막으로 사용된다.
따라서, 상기 렌즈 홈(65)에만 제1 무기물층(70)이 남아있게 되어 제2 마이크로 렌즈(75)가 형성될 수 있다.
상기와 같이 반도체 기판(10) 상부의 포토다이오드 어레이(30)의 가장자리 영역에 대응하는 영역에는 오목한 형태의 제2 마이크로 렌즈(75)가 형성되고 상기 제2 마이크로 렌즈(75)의 하부에는 볼록한 형태의 제1 마이크로 렌즈(50)가 형성되어 상기 포토다이오드 어레이(30)의 광감지율을 향상시킬 수 있다.
상기 반도체 기판(10)의 가장자리 영역으로 입사되는 광의 경우 경사각을 가지고 입사되어 픽셀 영역 이외의 영역인 주변회로 영역으로 입사될 우려가 있는데, 실시예에서는 오목한 제2 마이크로 렌즈(75)와 볼록한 제1 마이크로 렌즈(50)가 동일선상에 형성되어 포토다이오드 어레이(30) 광감지율을 개선할 수 있다.
즉, 상기 반도체 기판(10) 상부에 형성된 오목한 형태의 상기 제2 마이크로 렌즈(75)에 의하여 빛이 분산되면 상기 제2 마이크로 렌즈(75) 하부의 볼록한 형태의 제1 마이크로 렌즈(50)가 빛을 모아서 포토다이오드 어레이(30)로 빛을 집광시키게 되어 광감지율을 향상시키고, 또한 입사광의 왜곡을 방지하여 이미지 센서의 크로스 토크 및 노이즈를 방지할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 제2 마이크로 렌즈(75)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 제2 무기물층(80)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제2 무기물층(80)은 저온 산화막으로 형성될 수 있다.
상기 제2 무기물층(80) 상에 시드 마이크로 렌즈(90)가 형성된다.
상기 시드 마이크로 렌즈(90)는 상기 제2 무기물층(80) 상에 마이크로렌즈용 포토레지스트막(미도시)을 스핀 공정등을 통해 형성한다. 그리고 상기 포토레지스트막을 선택적으로 노광 및 현상한 후 리플로우 공정을 통하여 볼록한 형태로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 제2 마이크로 렌즈(75)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 제3 마이크로 렌즈(85)가 형성된다.
상기 제3 마이크로 렌즈(85)의 형성은 상기 시드 마이크로 렌즈(90)를 식각 마스크로 하여 상기 제2 무기물층(80)을 식각하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 마이크로 렌즈(85)는 상기 시드 마이크로 렌즈(90)를 식각 마스크로 사용하여 상기 제2 무기물층(80)을 전면 식각함으로써 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 상기 제3 마이크로 렌즈(85)를 포함하는 반도체 기판 (10)상에 제2 포토레지스트 패턴(200)이 형성된다.
상기 제2 포토레지스트 패턴(200)은 상기 제2 마이크로 렌즈(75)에 대응하는 상기 제3 마이크로 렌즈(85)만을 노출시키도록 형성된다.
그리고, 상기 제2 포토레지스트 패턴(200)을 식각마스크로 하여 상기 제3 마이크로 렌즈(85)에 대한 식각공정을 진행한다.
그러면, 상기 제2 포토레지스트 패턴(200)에 의하여 노출된 제3 마이크로 렌즈(85)가 제거되어 상기 제3 마이크로 렌즈(85) 하부의 제2 마이크로 렌즈(75)가 노출된다.
상기와 같이, 실시예에서는 반도체 기판의 가장자리 영역에 해당하는 포토다이오드 어레이 상부에 볼록한 형태의 제1 마이크로 렌즈가 형성되고, 상기 제1 마이크로 렌즈에 대응하는 상부 영역에는 오목한 형태의 제2 마이크로 렌즈가 형성되고, 그 나머지 영역에는 볼록한 형태의 제3 마이크로 렌즈가 형성된다.
따라서, 외부의 빛이 반도체 기판 상의 제2 및 제3 마이크로 렌즈를 통해 입사되어 포토다이오드 어레이의 광감지율을 향상시킬 수 있다.
또한, 반도체 기판의 가장자리 영역으로는 빛이 경사를 가지고 입사되는데, 이때 오목한 형태의 상기 제2 마이크로 렌즈가 1차로 빛을 분산시키면 상기 제2 마이크로 렌즈 하부에 위치한 제1 마이크로 렌즈가 2차로 빛을 다시 집광하게 되어 포토다이오드의 광감지율을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 이미지 센서의 크로스 토크 및 노이즈 발생이 차단되어 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시에 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 트랜지스터 회로와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필 팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 수직형 집적에 의해 종래기술보다 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티비티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 더블 마이크로 렌즈를 형성함으로써 마이크로 렌즈의 집광율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈의 집광율 향상에 의하여 포토다이오드의 광감지율을 향상킬 수 있다.
Claims (10)
- 단위화소 별로 형성된 복수개의 씨모스 회로를 포함하는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 형성되고 상기 씨모스 회로와 각각 연결되는 금속배선을 포함하는 층간 절연막;상기 금속배선과 연결되도록 상기 층간 절연막 상에 형성된 포토다이오드 어레이;상기 포토다이오드 어레이 상에 단위화소 별로 형성된 컬러필터;상기 포토다이오드 어레이의 가장자리 영역에 대응하는 상기 컬러필터 상에 형성된 제1 마이크로 렌즈;상기 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 상기 반도체 기판 상에 형성된 절연층;상기 제1 마이크로 렌즈에 대응하도록 상기 절연층에 형성된 제2 마이크로 렌즈; 및상기 제2 마이크로 렌즈 내측의 상기 절연층 상에 형성된 제3 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 마이크로 렌즈와 제3 마이크로 렌즈는 볼록한 형태로 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제2 마이크로 렌즈는 오목한 형태로 형성된 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 내지 제3 마이크로 렌즈는 저온 산화막으로 형성된 이미지 센서.
- 반도체 기판에 복수개의 씨모스 회로를 단위화소 별로 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 상기 씨모스 회로와 각각 연결되는 금속배선을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 금속배선과 연결되도록 상기 층간 절연막 상에 포토다이오드 어레이를 형성하는 단계;상기 포토다이오드 어레이 상에 단위화소 별로 컬러필터를 형성하는 단계;상기 포토다이오드 어레이의 가장자리 영역에 대응하는 상기 컬러필터 상에 제1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 반도체 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;상기 제1 마이크로 렌즈에 대응하도록 상기 절연층에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 제2 마이크로 렌즈 내측의 상기 절연층 상에 제3 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 내지 제3 마이크로 렌즈는 저온 산화막으로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 및 제3 마이크로 렌즈는 볼록한 형태로 형성된 이미지 센서의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2 마이크로 렌즈는 오목한 형태로 형성된 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,상기 절연층 상에 상기 제1 마이크로 렌즈에 대응하는 상기 절연층을 식각하여 렌즈 홈을 형성하는 단계;상기 렌즈 홈을 포함하는 상기 절연층 상에 제1 무기물층을 형성하는 단계; 및상기 제1 무기물층을 평탄화시켜 상기 렌즈 홈에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제3 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,상기 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 상기 절연층 상에 제2 무기물층을 형성하는 단계;상기 제2 무기물층 상에 시드 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 시드 마이크로 렌즈를 식각마스크로 상기 제2 무기물층을 식각하여 제3 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및상기 제2 마이크로 렌즈 상부의 제3 마이크로 렌즈를 제거하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020070062162A KR100851754B1 (ko) | 2007-06-25 | 2007-06-25 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
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|---|---|
| KR100851754B1 true KR100851754B1 (ko) | 2008-08-11 |
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ID=39881606
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR20000042457A (ko) * | 1998-12-24 | 2000-07-15 | 김영환 | 균일한 광감도를 갖는 이미지센서 |
| KR20040000877A (ko) * | 2002-06-26 | 2004-01-07 | 동부전자 주식회사 | 오목형 및 볼록형 마이크로렌즈를 갖는 씨모스 이미지센서및 그 제조 방법 |
| KR20060014482A (ko) * | 2004-08-11 | 2006-02-16 | 동부아남반도체 주식회사 | 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 |
-
2007
- 2007-06-25 KR KR1020070062162A patent/KR100851754B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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| KR20060014482A (ko) * | 2004-08-11 | 2006-02-16 | 동부아남반도체 주식회사 | 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 |
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