KR100937654B1 - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 픽셀 중앙부와 가장자리의 광량 차이를 감소시킴과 아울러 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 상의 포토 다이오드 영역에 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드들과, 상기 포토 다이오드들을 덮도록 형성되는 층간 절연막과, 상기 층간 절연막 상에 형성되는 보호막과, 상기 보호막 상에 포토리쏘그래피 방법으로 형성되는 포토레지스트 패턴막 이외의 상기 보호막 상의 소정 영역에 건식식각 방법으로 식각되는 볼록렌즈를 포함하는 홈과, 상기 포토레지스트 패턴막을 제거한 상기 보호막의 홈 내에 채워지는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러필터와, 상기 컬러필터 상에 형성되며 상기 포토 다이오드로 광을 집속시키는 마이크로렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.
Description
도 1은 종래의 이미지 센서를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서와 외부렌즈 사이의 광경로를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타내는 도면.
도 4a는 전자 그림자 효과를 나타내는 도면.
도 4b는 도 4a에 도시된 전자 그림자 효과에 따른 패턴 모양을 나타내는 SEM 사진.
도 5는 도 3에 도시된 볼록렌즈에서의 광경로를 나타내는 도면.
도 6a 내지 도 6d는 도 3에 도시된 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면들.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 반도체 기판 112 : 소자 분리막
114 : 포토 다이오드 116 : 층간 절연막
118 : 절연막 120 : 보호막
122 : 컬러필터 124 : 볼록렌즈
126 : 마이크로 렌즈
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 픽셀 중앙부와 가장자리의 광량 차이를 감소시킴과 아울러 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자로서, 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서와 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 구분된다. CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비하여 광감도(Photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하나, 고집적화에 어려움이 있고, 전력 소모가 높다. 이에 반하여, CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비하여 공정들이 단순하고, 고집적화에 적합하며, 전력 소모가 낮다.
따라서, 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 포토 다이오드들과 포토 다이오드들로부터 입력된 영상신호들을 제어하는 CMOS 소자들을 구비한다. 포토 다이오드들은 칼라 필터를 통해 입사되는 적색(Red)광, 녹색(Green) 광 및 청색(Blue)광의 파장과 세기에 따라 전자(electron)와 정공(hole) 쌍이 발생하고, 발생한 전자들의 양에 따라 출력신호가 변화됨으로써 이미지를 감지한다.
이러한 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드의 광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다. 이 광 감도를 높이기 위해 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토 다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집속시켜 주도록 마이크로 렌즈를 형성한다.
도 1을 참조하면, 종래의 이미지 센서는 반도체 기판(10)의 액티브 영역을 정의하는 소자 분리막(12)과, 반도체 기판(10)의 액티브 영역 상에 형성되며 입사되는 광량에 따라 전하를 생성하는 포토 다이오드들(14)과, 상기 포토 다이오드들(14)을 덮도록 형성되는 층간 절연막(16)과, 층간 절연막(16) 상에 형성되는 절연막(18)과, 절연막(18) 상에 형성되는 보호막(20)과, 보호막(20) 상에 형성되는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러필터(22)와, 컬러필터(22) 표면을 평탄화시키는 평탄화층(24)과, 컬러필터(22)와 대응되도록 평탄화층(24) 상에 형성되며 포토 다이오드(14)로 광을 집속시키는 마이크로렌즈(26)를 구비한다.
마이크로렌즈(26)는 소정의 곡률을 가지는 볼록한 형태로 제작되며, 마이크로렌즈(26)는 외부로부터 입사되는 광을 집속시켜 컬러필터(22)로 진행시킨다.
컬러필터(22)는 마이크로렌즈(26)로부터 출사되는 광을 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 특정 파장만을 투과시켜 색을 구현한다.
포토 다이오드(14)는 컬러필터(22)를 통과한 광의 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
이러한 구성을 가지는 이미지 센서 상에 패키지 공정을 한 후, 도 2에 도시된 바와 같이 상부에 외부렌즈(30)가 부착된다.
외부렌즈(30)로부터 입사된 광은 이미지 센서의 중앙부에서 정상적으로 상을 맺는다. 그러나, 이미지 센서의 가장자리(A와 B 영역)로 갈수록 포토 다이오드들(14)로 입사되는 광량이 감소하여 정상적으로 상을 맺지 않는다. 이와 같이, 이미지 센서의 중앙부와 가장자리에서 단위 픽셀에 입사되는 광량이 달라지게 되면, 포토 다이오드(14)에서 발생되는 전자의 개수도 달라지게 된다. 이에 따라, 원래 이미지는 같은 색상을 가지더라도 이미지 센서의 중앙부에 입사되는 이미지 색상과 가장자리에 입사되는 이미지 색상이 다른 색상으로 디스플레이된다. 또한, 이미지 센서의 가장자리에서 픽셀 간의 광간섭이 일어나는 크로스토크(crosstalk) 현상이 나타나 이미지 센서의 신뢰성에 심각한 지장을 초래하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 픽셀 중앙부와 가장자리의 광량 차이를 감소시킴과 아울러 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 상의 포토 다이오드 영역에 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드들과, 상기 포토 다이오드들을 덮도록 형성되는 층간 절연막과, 상기 층간 절연막 상에 형성되는 보호막과, 상기 보호막 상에 포토리쏘그래피 방법으로 형성되는 포토레지스트 패턴막 이외의 상기 보호막 상의 소정 영역에 건식식각 방법으로 식각되는 볼록렌즈를 포함하는 홈과, 상기 포토레지스트 패턴막을 제거한 상기 보호막의 홈 내에 채워지는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러필터와,상기 컬러필터 상에 형성되며 상기 포토 다이오드로 광을 집속시키는 마이크로렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 층간 절연막과 보호막 사이에 개재되는 절연막을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 볼록렌즈가 형성되는 보호막 상의 소정 영역은 픽셀의 양측 가장자리로부터 1/4 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 보호막의 굴절율은 2이고, 상기 컬러필터의 굴절율은 1.6인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막 상에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막 상에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 포토리쏘그래피 방법으로 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴 이외의 영역에 건식식각 방법으로 상기 보호막을 식각하여 상기 보호막 상에 볼록렌즈를 포함하는 홈을 형성하는 단계와, 애싱 공정으로 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계와, 상기 홈 내에 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 일정 배열을 가지는 컬러필터를 형성하는 단계와, 상기 컬러필터를 포함하는 보호막 상에 포토리쏘그래피 방법으로 상기 컬러필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 절연막은 PE-TEOS 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 보호막은 PE-Nitride 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 절연막을 포함한 보호막은 500 ~ 10000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 건식식각 방법은 Ar, He, O2, N2 등의 불활성 기체 원자 또는 분자를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 건식식각의 식각액은 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수)인 것을 특징으로 한다.
상기 건식식각은 상기 보호막만을 식각하거나 상기 보호막과 절연막 및 보호막과 절연막과 층간 절연막을 동시에 식각하는 것을 특징으로 한다.
상기 건식식각은 상기 보호막, 절연막 및 층간 절연막을 500 ~ 20000Å 깊이로 식각하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로렌즈 상부를 보호하기 위한 유전막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유전막은 300℃ 이하의 LTO(Low Temperature oxide) 공정으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 3 내지 도 6d를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대하여 설명하 기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(110)의 액티브 영역을 정의하는 소자 분리막(112)과, 반도체 기판(110)의 액티브 영역 상에 형성되며 입사되는 광량에 따라 전하를 생성하는 포토 다이오드들(114)과, 상기 포토 다이오드들(114)을 덮도록 형성되는 층간 절연막(116)과, 층간 절연막(116) 상에 형성되는 절연막(118)과, 절연막(118) 상에 형성되는 보호막(120)과, 보호막(120) 상에 건식식각 방법으로 식각되어 형성되는 볼록렌즈(124)를 포함하는 홈(125)과, 보호막(120) 홈(125) 내에 채워지는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러필터(122)와, 컬러필터(122) 상에 형성되며 포토 다이오드(114)로 광을 집속시키는 마이크로렌즈(126)를 구비한다.
마이크로렌즈(126)는 소정의 곡률을 가지는 볼록한 형태로 제작되며, 마이크로렌즈(126)로 도시되지 않은 외부렌즈로부터 입사되는 광을 집속시켜 컬러필터(122)로 진행시킨다.
보호막(120)은 마이크로렌즈(126)와 대응되는 영역에서 도 4a와 같이 전자그림자 효과(Electro-shading Effect)를 이용하여 에지 부분의 식각속도를 증가시켜 볼록렌즈(124)를 포함하는 홈(125)을 형성한다. 여기서, 전자그림자효과에 따라 식각면의 측벽과 감광막의 측벽을 따라 전자가 유기되어 패턴하고자 하는 패턴의 중앙부보다 가장자리의 식각율이 높아 패턴의 모양이 도 4b에 도시된 바와 같이 볼록한 형태를 가지게 된다.
볼록렌즈(124)는 마이크로 렌즈(126)와 대응되는 영역에 형성되어 입사되는 광을 집속하여 포토 다이오드(114)로 진행시킨다. 이 볼록렌즈(124)는 이미지 센서의 가장자리 영역, 즉 전체영역 중에서 양측 가장자리로부터 1/4영역에만 형성한다. 이러한 볼록레즈(124)를 형성하면, 이미지 센서의 가장자리 영역에 형성된 픽셀의 광량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 중앙부와 가장자리의 픽셀 광량 차이를 줄일 수 있다. 또한, 이미지 센서의 가장자리에 위치한 픽셀에서의 광을 집속시킬 수 있으므로 크로스토크(crosstalk) 현상을 방지하여 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
컬러필터(122)는 마이크로렌즈(126)로부터 출사된 광을 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 특정 파장만을 투과시켜 색을 구현한다. 이 컬러필터(122)는 볼록렌즈(122)가 형성된 보호막(120)의 홈(125) 내에 형성된다. 이렇게 컬러필터(122)를 보호막(120)의 홈(125)에 형성하면, 종래의 컬러필터를 평탄화시키기 위한 평탄화층을 형성할 필요가 없게 된다.
보호막(120)은 굴절율(n2)이 약 2.0정도이며, 컬러필터(122)의 굴절율(n1)은 1.6이다. 이때, 스넬의 법칙(snell's law)에 따라 작은 굴절율을 가지는 매질에서 큰 굴절율을 가지는 매질로 광이 진행할 때, 광의 입사각은 굴절각보다 작아진다. 즉, 스넬의 법칙에 따라 굴절율이 작은 컬러필터(122)에서 볼록렌즈(124)가 형성된 굴절율이 작은 보호막(120)으로 광이 진행하게 되면 도 5에 도시된 바와 같이 광의 입사각(θ1)보다 굴절각(θ2)이 작아지게 되어 마이크로렌즈(126)로부터 입사된 광을 집광시켜 포토 다이오드들(114)로 진행시킨다.
포토 다이오들(114)은 컬러필터(122)와 볼록렌즈(124)를 통과한 광의 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
이러한 구성을 가지는 이미지 센서의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이 포토 다이오드들(114)이 형성된 반도체 기판(110) 상에 층간 절연막(116)을 형성한다.
그리고, 층간 절연막(116) 상에 절연막(118)을 증착한다. 여기서, 절연막(118)은 PE-TEOS 물질로 형성된다.
이 후, 절연막(118) 상에 보호막(120)을 형성한다. 여기서, 보호막(120)은 PE-Nitride 물질로 형성되며, 절연막(118)을 포함한 보호막(120)은 약 500 ~ 10000Å 정도의 두께로 증착된다.
이어서, 도 6b에 도시된 바와 같이 보호막(120) 표면 상에 볼록렌즈(124)가 형성된다.
이를 상세히 하면, 먼저 보호막(120) 상에 포토리쏘그래피 방법으로 포토레지스트 패턴(130)이 형성된다. 여기서, 포토레지스트 패턴(130)은 볼록렌즈(124)가 형성되지 않는 영역에만 잔류된다. 이후, Ar, He, O2, N2 등의 불활성 기체 원자 또는 분자를 이용한 건식식각 방법으로 식각함으로써 보호막(120) 상에 볼록렌즈(124)를 포함한 홈(125)이 형성된다. 이때, 건식식각시 사용되는 식각액으로는 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수)가 이용되며, 약 500 ~ 20000Å 깊이로 식각된다. 이후, 애싱(Ashing) 공정으로 포토레지스트 패턴(130)을 제거한다.
그 다음, 도 6c에 도시된 바와 같이 보호막(120)의 홈(125) 내에 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 일정 배열을 가지는 컬러필터(122)가 형성된다.
이 후, 컬러필터(122)를 포함하는 보호막(120) 상에 포토리쏘그래피 방법으로 컬러필터(122)와 대응되는 영역에만 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이 포토레지스트 패턴을 150 ~ 200℃의 온도에서 리플로우시키면 도 6d에 도시된 바와 같이 볼록한 형태의 마이크로 렌즈(126)가 형성된다.
그리고, 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 마이크로렌즈(126) 상부를 보호하기 위해 상기 마이크로렌즈(126) 상에 유전막을 형성한다. 이 유전막은 300℃ 이하의 LTO(Low Temperature oxide) 공정으로 형성된다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시 예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법은 보호막 내에 볼록렌즈를 형성함으로써 이미지 센서의 픽셀 중앙부와 가장자리의 광량 차이를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법은 이미지 센서의 가장자리에서 광을 집광시킬 수 있으므로 크로스토크(crosstalk) 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법은 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (14)
- 반도체 기판 상의 포토 다이오드 영역에 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드들과,상기 포토 다이오드들을 덮도록 형성되는 층간 절연막과,상기 층간 절연막 상에 형성되는 보호막과,상기 보호막 상에 포토리쏘그래피 방법으로 형성되는 포토레지스트 패턴막 이외의 상기 보호막 상의 소정 영역에 건식식각 방법으로 식각되는 볼록렌즈를 포함하는 홈과,상기 포토레지스트 패턴막을 제거한 상기 보호막의 홈 내에 채워지는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러필터와,상기 컬러필터 상에 형성되며 상기 포토 다이오드로 광을 집속시키는 마이크로렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 층간 절연막과 보호막 사이에 개재되는 절연막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 볼록렌즈가 형성되는 보호막 상의 소정 영역은 이미지 센서의 양측 가장자리로부터 1/4 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호막의 굴절율은 2이고, 상기 컬러필터의 굴절율은 1.6인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 포토 다이오드들이 형성된 반도체 기판 상에 층간 절연막을 형성하는 단계와,상기 층간 절연막 상에 절연막을 형성하는 단계와,상기 절연막 상에 보호막을 형성하는 단계와,상기 보호막 상에 포토리쏘그래피 방법으로 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트 패턴 이외의 영역에 건식식각 방법으로 상기 보호막을 식각하여 상기 보호막 상에 볼록렌즈를 포함하는 홈을 형성하는 단계와,애싱 공정으로 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계와,상기 홈 내에 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 일정 배열을 가지는 컬러필터를 형성하는 단계와,상기 컬러필터를 포함하는 보호막 상에 포토리쏘그래피 방법으로 상기 컬러필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 절연막은 PE-TEOS 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 보호막은 PE-Nitride 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 절연막을 포함한 보호막은 500 ~ 10000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 건식식각 방법은 Ar, He, O2, N2 등의 불활성 기체 원자 또는 분자를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 건식식각의 식각액은 CxHyFz(x,y,z는 0과 자연수)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 건식식각은 상기 보호막만을 식각하거나 상기 보호막과 절연막 및 보호막과 절연막과 층간 절연막을 동시에 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 건식식각은 상기 보호막, 절연막 및 층간 절연막을 500 ~ 20000Å 깊이로 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 마이크로렌즈 상부를 보호하기 위한 유전막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 유전막은 300℃ 이하의 LTO(Low Temperature oxide) 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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