KR100982620B1 - 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 상이한 크기를 가지고 픽셀 영역을 정의하는 다수의 컬러필터를 포함하는 컬러필터층을 형성하는 단계; 상기 컬러필터층 위에 평탄화보호층을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역에 따라 상이한 투과율을 가지는 평탄화 포토 마스크를 통하여 상기 평탄화보호층을 노광하는 단계; 차별적으로 노광된 상기 평탄화보호층의 픽셀 영역에 따라 단차를 형성하는 단계; 및 상기 단차가 형성된 평탄화보호층 위에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 픽셀의 크기가 상이한 경우에도 렌즈의 초점면을 포토 다이오드 면에 동기화시킬 수 있으므로, 포토 다이오드의 색상별 민감도를 향상시킬 수 있고, 픽셀별 색상 비율을 최적화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 단일 공정을 적용하여 픽셀별 초점거리가 조정된 렌즈 구조를 구현할 수 있으므로 공정을 단순화할 수 있다.
이미지 센서, 마이크로렌즈, 컬러필터, 평탄화보호층, 평탄화 포토 마스크
Description
실시예는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관하여 개시한다.
이미지 센서 중 모자이크 타입(mosaic type)의 이미지 센서가 많이 사용되고 있다. 예를 들어, 이와 같은 이미지 센서는 빨간색(red), 녹색(green), 파란색(blue)의 컬러 필터를 구분하고, 세 가지 색상에 각각 대응하는 픽셀을 개별적으로 형성한다.
이와 같은 이미지 센서의 픽셀은 동일한 크기로 형성되며, 빨간색, 녹색, 파란색의 세가지 픽셀 대신에 녹색 픽셀 2개, 빨간색 픽셀 1개, 파란색 픽셀 1개의 네가지 픽셀을 광변환의 기본 유닛으로 구성한다.
이렇게 네가지 픽셀을 기본 유닛으로 구성하는 이유는 인간의 눈이 녹색 계열의 색상에 더욱 민감하기 때문이다.
또한, 녹색 픽셀의 수를 증가시키더라도 인간의 시각 인지 특성을 만족시키기 어려운 경우가 있으며, 색상 비율을 보다 정교하게 조정하기 위하여 녹색 픽셀의 크기를 다른 색의 픽셀보다 크게 형성하는 방식(green pixel over-sizing)이 제 안된 바 있다.
도 1은 이미지 센서의 소정 픽셀의 크기가 다른 픽셀에 비하여 크게 형성된 경우 광학적 특성을 모식화한 도면이다.
도 1을 참조하면, 제1 컬러필터(32)와 제3 컬러필터(36)는 각각 빨간색 픽셀, 파란색 픽셀에 해당되는 필터이고, 제2 컬러필터(34)는 녹색 픽셀에 해당되는 필터로서 다른 필터에 비하여 크게 형성된다.
상기 컬러필터들(32, 34, 36) 위로는 평탄화 보호층(20)이 형성되고, 상기 컬러필터들(32, 34, 36)에 대응되는 평탄화 보호층(20)의 영역에 각각 제1 마이크로렌즈(10), 제2 마이크로렌즈(12) 제3 마이크로렌즈(14)가 형성된다.
이처럼 제2 컬러필터(34)가 크게 형성된 상태에서, 동일한 공정을 통하여 마이크로렌즈들(10, 12, 14)이 형성되므로 각 픽셀 영역에서 마이크로렌즈(10, 12, 14)는 동일한 두께로 형성된다.
따라서, 도 1에 도시된 것처럼, 제2 마이크로렌즈(12)는 제1 마이크로렌즈(10), 제3 마이크로렌즈(14)와 상이한 초점 거리를 가진다.
즉, 마이크로렌즈들(10, 12, 14)의 초점면(l1, l2, l3)을 일률적으로 포토 다이오드의 광입사면에 일치시킬 수 없으며, 포토 다이오드의 색상별 민감도가 상이해지므로 픽셀별 색상 비율을 최적화하기 위한 본래의 의도를 만족시키기 어렵다.
또한, 마이크로렌즈들(10, 12, 14)의 초점면(l1, l2, l3)을 단일면에 동기화시키기 위하여 제2 마이크로렌즈(12)를 형성하는 제1 공정, 제1 마이크로렌즈(10) 및 제3 마이크로렌즈(14)를 형성하는 제2 공정의 듀얼 렌즈 공정을 이용하는 방법이 있으나, 복잡한 렌즈 형성 공정을 수차례 반복해야 하는 등 공정이 매우 복잡해지고 어려워지는 문제점이 있다.
실시예는 픽셀의 크기가 상이한 경우라도 렌즈의 초점면을 동일면에 형성시킬 수 있고, 단일 공정을 적용하여 각 픽셀의 초점거리가 조정된 렌즈 구조를 구현할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 상이한 크기를 가지고 픽셀 영역을 정의하는 다수의 컬러필터를 포함하는 컬러필터층; 상기 컬러필터층 위에 형성되고, 상기 픽셀 영역에 따라 상이한 높이를 가지는 단차를 포함하는 평탄화보호층; 및 상기 픽셀 영역에 대응되고, 상기 평탄화보호층 위에 형성된 다수의 마이크로렌즈를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 상이한 크기를 가지고 픽셀 영역을 정의하는 다수의 컬러필터를 포함하는 컬러필터층을 형성하는 단계; 상기 컬러필터층 위에 평탄화보호층을 형성하는 단계; 상기 픽셀 영역에 따라 상이한 투과율을 가지는 평탄화 포토 마스크를 통하여 상기 평탄화보호층을 노광하는 단계; 차별적으로 노광된 상기 평탄화보호층의 픽셀 영역에 따라 단차를 형성하는 단계; 및 상기 단차가 형성된 평탄화보호층 위에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 픽셀의 크기가 상이한 경우에도 렌즈의 초점면을 포토 다이오드 면에 동기화시킬 수 있으므로, 포토 다이오드의 색상별 민감도를 향상시킬 수 있고, 픽셀별 색상 비율을 최적화할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 단일 공정을 적용하여 픽셀별 초점거리가 조정된 렌즈 구조를 구현할 수 있으므로 공정을 단순화할 수 있고, 생산 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 공정 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 평탄화보호층(120)이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도이다.
상기 평탄화보호층(120)은 컬러필터층(110) 위에 형성되며, 도 2에 도시되지 않았으나, 실시예에 따른 이미지 센서는 다수의 포토 다이오드가 형성된 기판, 컨택 플러그, 금속 배선 등이 형성된 다수의 절연층, SiN 보호층 등을 포함할 수 있다.
가령, 상기 컬러필터층(110)은 상기 SiN 보호층 위에 형성될 수 있다.
상기 컬러필터층(110) 이하의 적층 구조에 대하여 간단히 설명하면 다음과 같다.
상기 포토 다이오드는 이미지 센서의 화면을 구성하는 다수의 화소들 중 하나의 화소(Pixel)를 구성하며, 상기 포토 다이오드에 저장된 전하들의 전송 및 출 력 등을 제어하는 다수의 트랜지스터들과 연결된다.
상기 다수의 트랜지스터들은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 셀렉트 트랜지스터(Sx), 억세스 트랜지스터(Ax)를 포함하며, 상기 기판에 반도체 공정을 통하여 형성될 수 있다.
상기 금속배선과 상기 컨택 플러그는 상기 트랜지스터들 및 상기 포토 다이오드를 전기적으로 연결시키며, 다층 구조의 절연층 상에 형성될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 광경로와 관계된 기술을 다루므로 상기 반도체 구조에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 컬러필터층(110)은 다수의 컬러필터(112, 114, 116)를 포함하는데, 각각의 컬러필터(112, 114, 116)는 포토 다이오드와 매칭되며, 픽셀 영역을 정의한다.
또한, 상기 컬러필터(112, 114, 116)는 색상의 종류에 따라 상이한 크기를 가질 수 있는데, 설명의 편의를 위하여 좌측으로부터 제1컬러필터(112)는 적색 필터, 제2컬러필터(114)는 녹색 필터, 제3컬러필터(116)는 파란색 필터인 것으로 하여 설명한다.
또한, 상기 제2컬러필터(114)는 다른 컬러필터들(112, 116)에 비하여 크게 형성된다. 이는 전술한 바와 같이 인간의 시각 인지 특성을 고려한 것이다.
상기 평탄화보호층(120)은 일종의 포토 레지스트층으로 형성될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 평탄화보호층(120)의 단차 구조를 형성하기 위하여 사용되는 평탄화 포토 마스크(200)의 형태를 도시한 상면도이고, 도 4는 실시예에 따 른 평탄화보호층(120)의 단차 구조(122)가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도이다.
상기 평탄화보호층(120)이 형성되면, 도 3에 도시된 것과 같은 평탄화 포토 마스크(200)를 이용하여 노광 공정을 처리한다.
상기 평탄화 포토 마스크(200)는 격자 구조를 이루는 다수의 패턴영역(210, 220)을 포함하는데, 하나의 패턴영역은 하나의 픽셀 또는 하나의 컬러필터에 대응된다.
상기 평탄화 포토 마스크(200)의 패턴 영역(210, 220)은 상이한 투과율을 가지는데, 예를 들어 상기 제1 패턴영역(210)은 도 4에 도시된 단차 구조의 낮은 부분을 형성하기 위한 패턴영역이고, 제2 패턴영역(220)은 상기 단차 구조의 높은 부분을 형성하기 위한 패턴영역이다.
즉, 상기 제2 패턴영역(220)은 상기 제1 패턴영역(210) 보다 높은 투과율을 갖는데, 가령 상기 제2 패턴영역(220)이 100％의 투과율을 갖는 것으로 가정하면, 상기 제1 패턴영역(210)의 투과율은 다음과 같은 수식에 의하여 정해질 수 있다.
이와 같은 상기 평탄화 포토 마스크(200)를 이용하여 상기 평탄화보호층(120)을 노광하면, 상기 평탄화보호층(120)은 노광 에너지에 비례하여 레지스트 내의 크로스 링크(cross-link)량이 결정되므로, 이후 현상시 제거되는 층 의 두께가 상이해질 수 있다.
가령, 상기 제2 패턴영역(220)에 의하여 노광된 상기 평탄화보호층(120)은 높은 에너지에 의하여 노광되므로, 다른 부분에 비하여 보다 단단하게 굳어지며 현상액에 대한 저항성이 크게 형성될 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 평탄화보호층(120)에 단차(122)가 형성될 수 있다.
상기 단차(122)는 상기 제2컬러필터(114)의 영역에 해당되며, 제2컬러필터(114)가 다른 컬러필터(112, 116)에 비하여 넓게 형성되므로, 단차(122)를 통하여 그 높이를 보정할 수 있다.
따라서, 단일 렌즈 공정을 통하여 상기 컬러필터(112, 114, 116)에 동일한 높이를 가지는 마이크로렌즈(도 5 참조; 132, 134, 136)가 형성되더라도 단차에 의하여 초점거리가 보정될 수 있다.
따라서, 포토 다이오드에 입사되는 빛의 초점면을 동일한 면으로 동기화시킬 수 있다.
가령, 상기 제2컬러필터(114)의 크기가 클수록 상기 단차(122)의 높이 역시 높아야 하며, 상기 제1 패턴영역(210)의 투과율을 낮게 형성하여야 한다.
상기와 예와는 역으로, 상기 제1 패턴영역(210)의 투과율을 기준으로 하여 상기 제2 패턴영역(220)의 투과율을 조정할 수도 있음은 물론이다.
예를 들어, 상기 평탄화 포토 마스크(200)는 석영층과 몰리브덴/실리콘(MoSi)층 등을 포함하여 투과율이 상이한 패턴 영역을 형성할 수 있다.
가령, 석영기판과 같은 석영층 위에 Mosi층을 형성하고 포토 리소그라피 공정을 통하여 상기 MoSi층에 다수이 개구 패턴을 형성한다.
상기 MoSi층은 주사되는 광량의 일부를 위상반전시켜 투과시킴으로써, 투과율을 조정할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 마이크로렌즈(132, 134, 136)가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도이다.
상기 현상공정이 종료되면, 도 5에 도시된 것과 같이 상기 단차가 형성된 상기 평탄화보호층(120) 위에 다수의 마이크로렌즈(132, 134, 136)를 형성한다.
실시예에 의하면, 별도의 공정을 통하여 마이크로렌즈(132, 134, 136)의 높이를 조정할 필요가 없으며, 최소화된 공정을 통하여 평탄화보호층(120)에 단차(122)를 형성함으로써 마이크로렌즈(132, 134, 136)의 초점 거리를 보정할 수 있다.
따라서, 실시예에 의하면, 포토 다이오드의 색상별 민감도를 향상시킬 수 있고, 픽셀별 색상 비율을 최적화할 수 있다. 또한, 마이크로렌즈(132, 134, 136)를 직접 가공하지 않고 하부층인 평탄화보호층(120)의 구조를 변경함으로써, 공정을 용이하게 처리할 수 있고 생산 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 이미지 센서의 소정 픽셀의 크기가 다른 픽셀에 비하여 크게 형성된 경우 광학적 특성을 모식화한 도면.
도 2는 실시예에 따른 평탄화보호층이 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도.
도 3은 실시예에 따른 평탄화보호층의 단차 구조를 형성하기 위하여 사용되는 평탄화 포토 마스크의 형태를 도시한 상면도.
도 4는 실시예에 따른 평탄화보호층의 단차 구조가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도.
도 5는 실시예에 따른 마이크로렌즈가 형성된 후의 이미지 센서의 형태를 도시한 측단면도.
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- 상이한 크기를 가지고 픽셀 영역을 정의하는 다수의 컬러필터를 포함하는 컬러필터층을 형성하는 단계;상기 컬러필터층 위에 평탄화보호층을 형성하는 단계;상기 픽셀 영역에 따라 상이한 투과율을 가지는 평탄화 포토 마스크를 통하 여 상기 평탄화보호층을 노광하는 단계;차별적으로 노광된 상기 평탄화보호층의 픽셀 영역에 따라 단차를 형성하는 단계; 및상기 단차가 형성된 평탄화보호층 위에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 픽셀 영역 중 넓게 형성된 픽셀 영역일수록 상기 평탄화보호층의 단차가 높게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 평탄화 포토 마스크의 픽셀 영역별 투과율은 상기 단차의 높이에 비례하여 조정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 투과율은"100×[1－(상기 단차의 높이)÷(상기 단차를 이루는 상기 평탄화보호층 중 높은 부분의 두께)]"의 수식에 의하여 정해지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 다수의 마이크로렌즈는단일 공정에 의하여 형성되고, 동일한 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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