KR100871793B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 픽셀영역을 포함하는 기판상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층에 형성된 금속배선; 및 상기 금속배선이 형성된 층간절연층 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하고, 상기 마이크로렌즈는 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성된 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 씨모스 이미지센서, 마이크로렌즈

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Method for Manufacturing Image Sensor}
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.
도 2a 및 도 2b는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에서 얼라인 키의 평면도와 단면도.
도 3a는 종래기술에 따른 이미지센서의 실험예.
도 3b는 실시예에 따른 이미지센서의 실험예.
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
한편, 이미지센서에서는 광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주는 기술이 사용된다.
상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것이다.
그런데, 종래기술에 의하면 마이크로렌즈 형성시 포토다이오드(Photo Diode) 상부의 메탈(Metal) 및 비아(via) 공정이 빛의 경로를 유념하지 않고 진행하여 얼라인 미스(Align Miss)나 오버레이(Overlay) 변화 발생시 빛을 산란시키거나 반사시켜 빛의 손실을 발생시켜 결국 제품의 이미지 품질을 악화키는 문제가 있었다.
특히, 마이크로렌즈(Micro Lens) 포토(photo) 공정 시, 탑메탈(Top metal)에 마이크로렌즈(Micro lens)를 얼라인(Align)을 함으로써 이전 메탈(Metal) 및 비아(VIA) 공정 오버레이(Overlay) 변화 시 빛의 산란 및 반사를 더 악화시킬 수 있다.
실시예는 마이크로 렌즈 얼라인(align) 방법 및 오버레이(Overlay) 관리를 통하여 이미지센서의 광학효율을 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지센서는 픽셀영역을 포함하는 기판상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층에 형성된 금속배선; 및 상기 금속배선이 형성된 층간절연층 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하고, 상기 마이크로렌즈는 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 픽셀영역을 포함하는 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 층간절연층에 금속배선을 형성하는 단계; 및 상기 금속배선이 형성된 층간절연층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 마이크로렌즈를 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에 의하면 마이크로 렌즈를 액티브 영역(Active area)에 직접 얼라인(Align)하여 빛의 손실을 최소화하였으며, 오버레이(Overlay) 관리를 함께 진행하면 최상의 광학 효율을 획득할 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
실시 예의 설명에 있어서 씨모스이미지센서(CIS)에 대한 구조의 도면을 이용하여 설명하나, 본 발명은 씨모스이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 마이크로렌즈를 채용하는 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
예들 들어, 본 발명은 포토다이오드가 회로영역과 수직이게 형성되는 Above IC 형태의 이미지센서에 대해서도 적용이 가능하다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는 기판(110) 상에 소자분리막(120)을 형성한다. 상기 소자분리막(120)은 STI(Shallow Trench Isolator)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다
이후, 기판(110)의 픽셀영역에 포토다이오드(130)를 형성한다. 상기 포토다이오드(130)의 일측에는 트랜스퍼(Transfer) 게이트 등의 여러 트랜지스터(미도시)가 형성될 수 있다.
실시예는 트랜지스터의 개수에 따라 1Tr형, 2Tr형, 3Tr형, 4Tr형, 5Tr형 등에 적용이 가능하다. 예를 들어, 3Tr형은 1개의 포토다이오드와 3개의트랜지스터(리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트랜지스터)로 구성되며, 4Tr형은 1개의 포토다이오드와 4개의 트랜지스터(트랜스퍼트랜지스터, 리셋트랜지스터, 드라이브트랜지스터, 셀렉트랜지스터)로 구성된다. 실시예는 4Tr형에 대해 예를 들어 설명하나 이에 한정되는 것은 아니다.
포토다이오드(130) 및 트랜스퍼(Transfer) 트랜지스터(미도시)가 형성된 전면에 층간절연층(140)을 형성한다.
상기 층간절연층(140)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간절연층을 형성한 후에 포토다이오드(130) 영역 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)을 형성한 후에 다시 층간절연층을 형성할 수도 있다.
상기 층간절연층(140)에는 금속배선(150)이 단층 또는 복층으로 형성될 수 있다.
이후, 상기 층간절연층(140)상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막(160)을 더 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 층간절연층(140) 상에 가염성레지스트를 사용하여 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 Red, Green, Bueu의 컬러필터층(170)을 형성한다.
다음으로, 상기 컬러필터층(170)상에 초점거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도확보 등을 위하여 평탄화층(PL:planarization layer)(180)을 더 형성할 수 있다.
이후, 상기 평탄화층(180) 상에 빛을 집적시키기 위한 마이크로렌즈(190)가 형성된다.
실시예에 의하면 상기 마이크로렌즈(190)는 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성될 수 있다.
또한, 실시예의 마이크로렌즈(190)는 상기 액티브 영역의 포토다이오드(130)의 수직 상측에 형성될 수 있다.
또는, 상기 마이크로렌즈(190)는 상기 금속배선(150)의 수직 상측에 형성되지 않을 수 있다.
또한, 상기 마이크로렌즈(190)는 탑메탈(미도시)의 수직 상측에 형성되지 않을 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에서 얼라인 키의 평면도와 단면도이다.
상기 마이크로렌즈(190)를 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성하기 위해, 도 2a 및 도 2b와 같이 상기 마이크로렌즈의 얼라인 키(Align Key)(290)를 상기 픽셀영역의 액티브 영역의 얼라인 키(Align Key)(230)에 얼라인할 수 있다.
예를 들어, 상기 마이크로렌즈(190)를 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성하기 위해, 상기 마이크로렌즈의 얼라인 키(Align Key)(290)를 액티브 영역의 포토다이오드의 얼라인 키(Align Key)(230)에 얼라인 할 수 있다.
실시예에 의하면, 종래기술과 달리 상기 마이크로렌즈(190)를 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성하기 위해, 상기 마이크로렌즈의 얼라인 키(290)를 상기 금속배선의 얼라인 키(미도시)에 얼라인 하지 않을 수 있다.
예를 들어, 실시예는 상기 마이크로렌즈(190)를 상기 픽셀영역의 액티브 영역 수직 상측에 형성하기 위해, 상기 마이크로렌즈의 얼라인 키(Align Key)(290)를 탑메탈의 얼라인 키에 얼라인 하지 않을 수 있다.
포토 공정에서 오버레이(overlay)는 항상 변화하며 관리 범위가 존재한다. 전자패스(Electron pass)의 목적인 여타 다른 소자와는 달리 씨모스 이미지 센서에서 메탈(metal) 구조물은 빛의 전송에 영향을 주는 요소이므로 포토 공정에서 메탈(metal) 및 비아(via)의 기하학적 배열까지 고려를 해야 한다.
BEOL 공정의 M1C 부터 탑메탈(Top metal)까지 오버레이 스펙(Overlay Spec) 을 강화한 단면도는 도 1과 같다.
M1C, M1, M2C, M2, M3C, 탑메탈(Top metal)까지 오버레이 스펙(Overlay spec)을 강화하면 최상의 광학 효율을 얻을 수 있으며, 상부 공정으로 갈수록 오버레이 마진(Overlay margin)은 크게 된다.
또한, 실시예에서는 도 2a 및 도 2b와 같이 마이크로렌즈 얼라인 키(290)을 액티브 영역(Active area) 즉, 포토다이오드(photo diode) 얼라인 키(230)에 직접 얼라인(align) 함으로써 하부 레이어(Layer)의 오버레이 미스(Overlay miss)가 존재하여도 이미지 페일(Image fail)을 최소화할 수 있으며, 오버레이 스펙 관리까지 함께 이루어 지면 최상의 광학 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 3a는 종래기술에 따른 이미지센서의 실험예이며, 도 3b는 실시예에 따른 이미지센서의 실험예이다.
즉, 도 3a 및 도 3b는 마이크로렌즈의 얼라인 방법에 따른 컬러 디퍼런스(Color difference)의 히스토그램이다.
도 3a는 종래기술에 따라 마이크로렌즈를 탑 메탈에 얼라인 했을 때, 컬러 디퍼런스(Color difference)의 분포를 보여주고 있다.
도 3a에서 중심 치가 1.025이며 기준 스펙(Spec)인 1.05를 넘어서는 시료가 다량 존재한다. 이때 불량률은 16.8%이다. 모듈레벨(Module level) 실험의 결과 또한, 웨이퍼 레벨(Wafer level) 결과와 유사하였다.
반면, 도 3a는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에 따라 마이크로렌즈를 액티브 영역에 직접 어라인 했을 때의 컬러 디퍼런스(Color difference)의 분포이 다.
중심 치가 1.01로 이상치(ideal level)인 1에 매우 근접하며, 분포가 0.075로 컬러 디퍼런스(Color difference)가 크게 향상되었음을 알 수 있다. 이때 불량률이 0%로 종래 기술에 따른 실험에 비교하여 큰 특성 향상을 보였다. 또한, 모듈레벨(Module level)의 결과 또한 유사한 결과를 나타냈다.
결국, 마이크로렌즈를 액티브 영역에 얼라인(Align)하였을 때 가장 효과적으로 컬러 디퍼런스(Color difference) 특성을 향상시켰다.
본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 하기 된 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면 마이크로 렌즈를 액티브 영역(Active area)에 직접 얼라인(Align)하여 빛의 손실을 최소화하였으며, 오버레이(Overlay) 관리를 함께 진행하면 최상의 광학 효율을 획득할 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 픽셀영역을 포함하는 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간절연층에 금속배선을 형성하는 단계; 및
    상기 금속배선이 형성된 층간절연층 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 마이크로렌즈를 상기 픽셀영역의 액티브 영역의 수직방향으로 중심축이 일치하도록 형성하며,
    상기 마이크로렌즈를 형성하는 단계는,
    상기 마이크로렌즈의 얼라인 키(Align Key)를 상기 픽셀영역의 액티브 영역의 얼라인 키(Align Key)에 얼라인 하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈를 형성하는 단계는,
    상기 마이크로렌즈의 얼라인 키(Align Key)를 상기 액티브 영역의 포토다이오드의 얼라인 키(Align Key)에 얼라인 하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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