KR100928506B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자에 있어서, 특히 광 감도 개선을 위한 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 반도체기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고 상기 형성된 포토다이오드에 대응하여 상부에 K행 K열 (K는 자연수)의 K² 개의 마이크로렌즈들을 정방형으로 형성하는 단계로 이루어지는 이미지 센서 제조 방법과, 그로 인해 구현되여 반도체기판에 형성되는 포토다이오드; 그리고 상기 포토다이오드에 대응하여 상부에 K행 K열 (K는 자연수)의 K² 개의 정방형으로 형성되는 마이크로렌즈로 구성되는 이미지 센서에 관한 발명이다.

이미지 센서, 마이크로렌즈, 포토다이오드, 광 감도

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{image sensor, and method of manufacturing thereof}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 광 감도 개선을 위한 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자이다.

이미지 센서는 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서와 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 구분될 수 있다.

CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비하여 광 감도(Photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하다. 그러나, 고집적화에 어려움이 있고, 전력 소모가 높다.

이에 반하여, CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비하여 전체 공정이 단순하고, 고집적화에 적합하며, 전력 소모가 낮다.

최근에는 반도체 소자의 제조 기술이 고도로 발전함에 따라, CMOS 이미지 센서의 제조 기술 및 특성이 크게 향상되어 CMOS 이미지 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

통상적으로, CMOS 이미지 센서의 화소(pixel)는 빛을 받아들이는 포토다이오드과 포토다이오드로부터 입력된 영상신호들을 제어하는 CMOS 소자들을 구비한다.

포토다이오드는 칼라 필터를 통해 입사되는 광의 파장과 세기에 따라 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 발생한다. 그리고 그 발생한 전자들의 양에 따라 출력신호를 변화시켜 출력한다. 그로써 이미지 감지가 가능하게 된다.

도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이다.

이와 같은 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 이미지 센서는 반도체 기판(1), 포토다이오드(2), 층간절연막(3), 평탄화층(4) 및 마이크로렌즈(5)를 포함하여 이루어진다.

반도체 기판(1)에는 에피택셜 공정에 의해 에피층이 형성될 수도 있다. 그 에피층에 포토다이오드(2)를 구비한다.

포토다이오드(2)는 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 역할을 한다.

이어, 포토다이오드(2)를 포함한 반도체기판(1)의 전면에 층간절연막(3)을 형성한다. 한편, 층간절연막(3) 상에 필터층(미도시)이 형성될 수도 있다.

상기 층간절연막(3) 상에 평탄화층(4)을 형성한다.

마이크로렌즈(5)는 평탄화층(4) 상에 일정 곡률을 갖는 볼록형태로 형성된다. 마이크로렌즈(5)는 빛을 포토다이오드(2)에 집광시키는 역할을 한다.

상기한 마이크로렌즈(5)의 형성을 위한 일 예로써, 평탄화층(4) 상에 포토레지스트를 형성시킨 후에 열 리플로우로써 일정 곡률을 갖는 마이크로렌즈(5)를 형 성한다.

상기한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광 감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되는 바, 그 중 하나가 집광기술이다.

현재 CMOS 이미지 센서 제품에서는 마이크로렌즈(5)를 사용하여 분산되는 광원을 포토다이오드(2)에 집광한다. 그리고 대부분 1개의 마이크로렌즈(5)가 사용된다.

광 감도를 높이기 위한 최적으로 집광된 광원은 포토다이오드(2)의 중앙 부위에만 집중된다. 그에 따라, 포토다이오드(2)의 중앙에 비해 외곽의 광도가 현저히 작아지는 현상이 발생한다.

도 2는 종래의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역을 나타낸 도면이고, 도 3은 종래의 씨모스 이미지 센서에서 포토다이오드의 광도 분포를 나타낸 도면이다.

도 2와 같이 포토다이오드 중앙에 광원이 집중됨에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이 포토다이오드 중앙에는 광도가 높고 그에 비해 외곽에는 광도가 현저히 낮음을 알 수 있다.

그에 따라, 종래와 같이 하나의 마이크로렌즈를 사용함으로 인해 포토다이오드의 중앙에 광원이 집중되는 경우보다 광 감도를 보다 개선할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 포토다이오드의 중앙 부위에 광원이 집중되지 않고 포토다이오드에 전체적으로 광원이 분산될 수 있도록 해주는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 광원이 포토다이오드의 전체 영역에 최대한 많이 집광될 수 있도록 해주는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조 방법의 특징은, 반도체기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고 상기 형성된 포토다이오드에 대응하여 상부에 K행 K열 (K는 자연수)의 K² 개의 마이크로렌즈들을 정방향으로 형성하는 단계로 이루어지는 것이다.

바람직하게, 상기 K는 2 이상의 자연수일 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 특징은, 반도체기판에 형성되는 포토다이오드; 그리고 상기 포토다이오드에 대응하여 상부에 K행 K열 (K는 자연수)의 K² 개의 정방형으로 형성되는 마이크로렌즈로 구성되는 것이다.

본 발명에 따르면, 이미지 센서에서 하나의 포토다이오드에 대응되는 마이크로렌즈를 여러 개로 사용함으로써 광원이 포토다이오드의 중앙에만 집중되지 않고 포토다이오드 전체에 확산되기 때문에, 전체적인 광 감도가 현저히 개선된다.

특히, 본 발명에서는 하나의 포토다이오드에 대응하여 여러 개의 마이크로렌즈를 사용함으로써 하나의 포토다이오드에 대응하여 하나의 마이크로렌즈를 사용하는 경우보다 광 감도가 개선된다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면이다.

도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(10), 포토다이오드(20), 층간절연막(30), 평탄화층(40) 및 다수 마이크로렌즈들(50,60)을 포함하여 이루어진다.

포토다이오드(20)는 반도체 기판(10)에 형성된다. 반도체 기판(10)에는 에피 택셜 공정에 의해 에피층이 형성될 수도 있다. 그 에피층에 포토다이오드(20)를 구비한다.

포토다이오드(20)는 입사되는 광량에 따른 전하를 생성한다.

이어, 포토다이오드(20)를 포함한 반도체기판(10)의 전면에 층간절연막(30)을 형성한다. 한편, 층간절연막(30) 상에 필터층(미도시)이 형성될 수도 있다. 그 필터층은 특정 파장대의 빛을 통과시키는 역할을 한다.

층간절연막(30) 상에 평탄화층(40)을 형성한다. 경우에 따라, 평탄화층(40)의 형성 전에 일종의 보호막을 형성할 수도 있다.

마이크로렌즈들(50,60)는 평탄화층(40) 상에 일정 곡률을 갖는 볼록형태로 형성된다. 마이크로렌즈들(50,60)은 빛을 포토다이오드(20)에 집광시키는 역할을 한다. 특히 도 4a는 이미지 센서의 단면을 나타낸 것으로, 상세하게 본 발명에서는 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 K행 K열 (K는 자연수)로 K² 개의 마이크로렌즈들을 형성한다. 여기서, 상기 K는 2 이상의 자연수인 것이 바람직하다.

도 4a에 도시된 이미지 센서는 2행 2열의 2×2(=2²)개의 마이크로렌즈를 사용하는 경우로써, 2×2개의 마이크로렌즈들이 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 정방형으로 형성된다.

결국, 본 발명에 따른 도 4a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 확인하면, 도 4a에 도시된 CMOS 이미지 센서에서 정방형으로 형성된 2×2개의 마이크로렌즈들은 도 1에 도시된 이미지 센서에 비해 포토다이오드의 보다 넓은 면적에서 광전 효과를 발생시킨다.

본 발명에서와 같이 광 감도를 높이기 위한 최적으로 집광된 광원은 포토다이오드(20)의 전체에서 골고루 확산되어, 포토다이오드의 전체적으로 볼 때 광도가 현저히 개선된다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면이다.

도 5a는 본 발명의 일 실시 예와 유사하나, 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 K행 K열 (K는 자연수)의 K² 개의 마이크로렌즈들(50,60,70)을 형성함에 있어서, 상기 K가 3인 경우이다.

즉, 도 5a에 도시된 이미지 센서는 3×3개의 마이크로렌즈를 사용하는 경우로써, 3×3(=9)개의 마이크로렌즈들이 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 3행 3열의 정방형으로 형성된다.

도 5a에 도시된 CMOS 이미지 센서에서 정방형으로 형성된 3×3개의 마이크로렌즈들은 도 1에 도시된 이미지 센서에 비해 포토다이오드의 보다 넓은 면적에서 광전 효과를 발생시킨다. 물론, 도 4a에 도시된 이미지 센서에 비해서도 포토다이오드의 보다 넓은 면적에서 광전 효과를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에서도 광 감도를 높이기 위한 최적으로 집광된 광원은 포토다이오드(20)의 전체에서 골고루 확산되어, 포토다이오드의 전체적으로 볼 때 광도가 현저히 개선된다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하 는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도.

도 2는 종래의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역을 나타낸 도면.

도 3은 종래의 씨모스 이미지 센서에서 포토다이오드의 광도 분포를 나타낸 도면.

도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면.

도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 반도체기판 20 : 포토다이오드

30 : 층간절연막 40 : 평탄화층

50~70 : 마이크로렌즈

Claims (4)

1. 반도체기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고

   상기 형성된 포토다이오드에 대응하여 상부에 K행 및 K열 (K는 2 이상의 자연수)의 K² 개의 마이크로렌즈들을 정방형으로 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 반도체기판에 형성되는 포토다이오드; 그리고

   상기 포토다이오드에 대응하여 상부에 K행 K열 (K는 2 이상의 자연수)의 K²개의 정방형으로 형성되는 마이크로렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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