KR100873289B1 - 경사입사광의 영향을 감소시킨 시모스 이미지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 픽셀어레이의 가장자리부분으로 입사하는 경사입사광의 영향을 최소화한 이미지센서에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 수광소자를 비롯한 관련소자로 이루어진 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이의 중앙부분과 픽셀어레이의 가장자리부분이 정의된 반도체 기판; 상기 기판상에 형성된 금속배선을 덮는 페시베이션막; 상기 수광소자에 대응하여 상기 페시베이션막 상에 형성되되, 상기 픽셀어레이의 가장자리부분 상부에 형성된 내부렌즈; 상기 내부렌즈와 상기 페시베이션막을 포함하는 전체 구조상에 형성된 제1 오버코팅레이어; 상기 제1 오버코팅레이어 상에 형성된 칼라필터; 상기 칼라필터와 상기 제1 오버코팅레이어 상에 형성된 제2 오버코팅레이어; 및 상기 수광소자에 대응하여 상기 제2 오버코팅레이어 상에 형성되되, 상기 픽셀어레이의 중앙부분 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.

이미지센서, 경사입사광, 크로스토크, 픽셀어레이, 광감지 특성

Description

경사입사광의 영향을 감소시킨 시모스 이미지센서{CMOS image sensor with reduced effect of oblinque incident light}

도1은 종래기술에 따라 형성된 시모스 이미지센서 픽셀어레이의 단면과 입사광의 진행을 도시한 단면도,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서 픽셀어레이의 중앙부분과 가장자리 부분을 도시한 도면,

도3은 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서 픽셀어레이의 단면과 입사광의 진행을 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20 : 기판

21 : 필드절연막

22 : 포토다이오드

23 : 층간절연막

24 : 금속배선

25 : 페시베이션막

26 : 산화막

27 : 질화막 스페이서

28 : 제1 오버코팅물질

29 : 칼라필터

30 : 제2 오버코팅물질

31 : 마이크로렌즈

본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 픽셀어레이의 가장자리 부분에는 내부렌즈를 형성함으로써 경사입사광에 의한 영향을 최소화한 시모스 이미지센서에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 단위화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식 을 채용하는 소자이다.

잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라필터어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.

또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.

따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.

도1은 종래의 일반적인 이미지센서에서 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이의 중앙부분과 가장자리부분의 단면 및 이들 영역으로 입사하는 빛의 진행을 도시한 도면으로 이를 참조하여 종래의 이미지센서 제조방법에 대해 설명한다.

먼저, 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막 (11)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴 닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트전극은 도1에 도시되어 있지않다.)

이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(12)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.

다음으로 포토다이오드(12)와 필드산화막(11)을 포함하는 전체 구조상에 층간절연막(13)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.

이후에 상기 층간절연막(13) 상에 금속배선(14)을 형성한다. 이때 형성되는 금속배선(14)은 포토다이오드(12)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다.

이후에 습기나 스크랫치로 부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 페시베이션막(15)을 금속배선(14) 상부에 형성하여 일반적인 시모스 공정을 마무리한다.

도1에는 한 층의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였지만 금속배선으로 여러 층이 사용될 경우에는, 금속배선들 사이에는 금속배선간 절연막을 형성하고 최종금속배선 상부에는 페시베이션막을 형성함으로써 시모스(CMOS) 로직(Logic) 공정을 마무리한다.

다음으로 상기 페시베이션막(15) 상에 칼라 이미지 구현을 위한 칼라필터(16)를 형성하는데, 칼라필터는 염색된 포토레지스트를 사용하여 형성한다.

칼라필터를 형성한 이후에 칼라필터(16)와 페시베이션막(15) 상에 오버코팅레이어(17)를 증착하고 이를 평탄화시켜 후속공정으로 마이크로렌즈(18)가 평탄화 된 오버코팅레이어(17) 상에 형성될 수 있도록 한다.

다음으로 각 칼라필터에 대응하는 마이크로렌즈(18)를 상기 평탄화된 오버코팅레이어(17)상에 형성한다. 일반적으로 마이크로렌즈는 다음과 같은 방법으로 형성된다, 먼저, 마이크로렌즈용 감광제를 오버코팅레이어 상에 도포하고 이를 패터닝한다. 이후에, 열을 가하여 상기 패터닝된 마이크로렌즈용 감광제를 플로우 (flow) 시켜 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈를 형성한다.

이와 같은 구조를 갖는 종래의 이미지센서는 그 수광구조에 있어서 외부렌즈의 영향을 많이 받게 된다. 여기서 외부렌즈라 함은, 이미지센서 칩(Chip) 레벨에서 형성된 렌즈(예를 들면, 마이크로렌즈)가 아니고, 카메라 등의 실제제품에 사용될 경우에 장착되는 렌즈를 말한다. 이와같은 외부렌즈를 아무리 정교하게 만들었다고 하여도, 픽셀어레이의 가장자리 부분으로 입사하는 빛은 평행광이 되지 못하고 일정한 경사각을 갖게 되며, 이에 반해 픽셀어레이의 중앙부분으로는 평행광이 입사된다.

따라서, 도1에 도시된 바와같이 픽셀어레이의 가장자리 부분은 거의 10°이상의 입사각을 갖는 경사입사광(oblinque incident optical ray)의 영향을 받게 되어 원하는 촛점특성을 갖지 못할뿐만 아니라 인접 픽셀간의 크로스토크(cross talk) 현상도 유발하게 된다.

또한, 픽셀어레이의 중앙부분과 가장자리 부분은 광감지 특성에 있어 심한 편차를 나타내게 되므로 전체적인 이미지센서의 광감지 특성이 저하되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 픽셀어레이의 가장자리부분으로 입사하는 경사광의 영향을 최소화한 이미지센서를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광소자를 비롯한 관련소자로 이루어진 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이의 중앙부분과 픽셀어레이의 가장자리부분이 정의된 반도체 기판; 상기 기판상에 형성된 금속배선을 덮는 페시베이션막; 상기 수광소자에 대응하여 상기 페시베이션막 상에 형성되되, 상기 픽셀어레이의 가장자리부분 상부에 형성된 내부렌즈; 상기 내부렌즈와 상기 페시베이션막을 포함하는 전체 구조상에 형성된 제1 오버코팅레이어; 상기 제1 오버코팅레이어 상에 형성된 칼라필터; 상기 칼라필터와 상기 제1 오버코팅레이어 상에 형성된 제2 오버코팅레이어; 및 상기 수광소자에 대응하여 상기 제2 오버코팅레이어 상에 형성되되, 상기 픽셀어레이의 중앙부분 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 픽셀어레이의 가장자리 부분에는 새로운 구조를 갖는 마이크로렌즈를 채택함으로써 픽셀어레이의 가장자리로 입사하는 경사광의 영향을 최소화한 발명이다. 즉, 픽셀어레이의 중앙부분에는 종래와 같은 일반적인 마이크로렌즈를 사용하고, 픽셀어레이의 가장자리부분에는 질화막 스페이서를 이용한 내부렌즈를 형성함으로써 경사입사광의 영향을 최소화하였다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도2는 복수개의 단위화소로 구성된 사각형 모양을 갖는 픽셀어레이에서 중앙부분과 가장자리 부분(빗금친 영역)을 표시한 도면이다. 본 발명의 일실시예에서는 사각형 모양의 픽셀어레이에서 짧은 변(2a) 길이의 절반(a)을 한변으로 하는 정사각형의 내부영역을 픽셀어레이의 중앙부분으로 정의하였으며, 그외의 부분을 가장자리 부분으로 정의하였다. 이와같은 중앙부분과 가장자리부분의 구분은 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위함일 뿐이며, 이러한 구분이 본 발명을 한정하지는 않는다.

도3은 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서의 단면과 입사광의 진행을 도시한 도면으로 이를 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.

먼저, 반도체 기판(20) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막 (21)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.

이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(22)를 형성하고 트 랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.

다음으로 포토다이오드(22)와 필드산화막(21)을 포함하는 전체 구조상에 층간절연막(23)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.

이후에 상기 층간절연막(23) 상에 금속배선(24)을 형성한다. 이때 형성되는 금속배선(24)은 포토다이오드(22)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다.

이후에 습기나 스크랫치로 부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 페시베이션막(25)을 금속배선(24) 상부에 형성하여 일반적인 시모스 공정을 마무리한다.

도3에는 한 층의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였지만 금속배선으로 여러 층이 사용될 경우에는, 금속배선들 사이에는 금속배선간 절연막을 형성하고 최종금속배선 상부에는 페시베이션막을 형성함으로써 시모스(CMOS) 로직(Logic) 공정을 마무리한다.

본 발명의 일실시예에서는 픽셀어레이의 중앙부분의 단면과 가장자리부분의 단면이 서로 다르다. 즉, 페시베이션막 형성공정까지는 그 단면구조가 종래기술과 동일하나 그 상부구조는 종래기술과 상이하다.

페시베이션막 상부에 형성되는 구조에 대해 설명하면 다음과 같다.

페시베이션막(25)까지 형성한 이후에, 픽셀어레이의 가장자리 부분에 해당하는 페시베이션막 상부에만 따로 내부렌즈를 형성하는 공정을 수행하는데, 내부렌즈는 산화막(26)과 질화막스페이서(27)로 이루어진다.

먼저, 페시베이션막(25) 상부에 산화막(26)을 증착한 다음, 상기 산화막(26)을 패터닝하여 페시베이션막(25)의 표면을 노출시키는 산화막 패턴(26)을 형성한다. 다음으로 산화막 패턴(26)과 페시베이션막(25) 상에 질화막(27)을 증착한 후, 질화막(27)을 에치벡(etchback)하여 상기 산화막 패턴(26)의 측벽에 질화막스페이서(27)를 형성한다.

내부렌즈물질로 질화막을 사용하는 이유는 질화막이 내부렌즈 상/하부에 존재하는 물질보다 굴절률이 큰 물질이므로 경사각을 갖고 입사하는 빛에 대해 정확한 포커싱(focusing) 역할을 할 수 있기 때문이다.

또한, 칼라필터가 형성되기 전에 내부렌즈를 형성함으로써 내부렌즈와 포토다이오드(22)와의 거리를 가능한 가깝게하여, 경사입사광에 의한 광선의 편차에 따른 감지특성의 열화를 극복하였다.

이와 같이 산화막(26)과 질화막스페이서(27)를 이용하여 내부렌즈를 형성한 이후에, 그 상부에 제1 오버코팅레이어(28)를 형성한다. 픽셀어레이의 중앙부분에서는 페시베이션막(25) 상에 바로 제1 오버코팅레이어(28)가 형성된다.

다음으로 제1 오버코팅레이어(28)상에 칼라이미지 구현을 위한 칼라필터(29) 형성공정을 진행하는데, 칼라필터는 염색된 포토레지스트를 사용하여 형성될 수 있다.

이어서, 칼라필터(29)와 제1 오버코팅레이어(28)을 포함하는 전체구조상에 제2 오버코팅레이어(30)를 형성하여 표면을 평탄화한다.

이후, 제2 오버코팅레이어(30) 상의 영역중 픽셀어레이의 중앙부분에 상응하는 영역에만 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈(31)를 형성한다. 픽셀어레이의 중앙부분으로는 평행광이 입사하기 때문에 종래기술과 동일한 구조의 마이크로렌즈를 형성하는 것이다. 마이크로렌즈(31)는 감광제를 이용하여 형성되며, 열공정을 통하여 플로우(flow)되어 돔 형태를 갖게 된다.

본 발명에서는 경사입사광을 갖는 픽셀어레이의 가장자리부분에는 종래와 같은 돔 형태의 마이크로렌즈 대신에 산화막과 질화막스페이서로 이루어진 내부렌즈를 채택함으로써 경사입사광에 의한 광감지특성의 저하를 방지하였다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명에 따르면 픽셀어레이의 가장자리 영역으로 입사하는 경사입사광의 영향을 최소화하여 소자의 광감지 특성의 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 픽셀어레이의 중앙부분과 가장자리 부분에서 발생하는 광특성의 편차를 감소시켜 제품의 품질향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 수광소자를 포함하는 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이를 포함하는 이미지센서에 있어서,

   상기 수광소자를 포함하는 기판을 덮는 페시베이션막;

   상기 픽셀어레이의 가장자리부분의 상기 수광소자에 대응하여 상기 페시베이션막 상에 형성된 내부렌즈;

   상기 내부렌즈와 상기 페시베이션막을 포함하는 기판 상에 형성된 제1 오버코팅레이어;

   상기 제1 오버코팅레이어 상에 형성된 칼라필터;

   상기 칼라필터와 상기 제1 오버코팅레이어 상에 형성된 제2 오버코팅레이어; 및

   상기 픽셀어레이의 중앙부분의 상기 수광소자에 대응하여 상기 제2 오버코팅레이어 상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하고,

   사각형 모양의 상기 픽셀어레이에서 짧은 변 길이의 절반을 한변의 길이로 하는 정사각형의 내부영역을 상기 중앙부분으로 정의하고, 그외의 영역을 상기 가장자리부분으로 정의하는 이미지센서.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부렌즈는,

   산화막 패턴; 및

   상기 산화막 패턴의 양측벽에 형성된 스페이서

   를 포함하는 이미지센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 스페이서는 질화막으로 형성된 이미지센서.

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