KR100988781B1 - 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로렌즈 브리지(Microlens bridge)를 없앨 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판 전면에 형성된 층간절연층과, 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 형성된 보호막과, 보호막 상에 서로 일정한 간격을 유지한 채 형성된 제 1 컬러 필터와, 제 1 컬러 필터를 포함한 보호막 전면에 형성된 제 1 오버코트층과, 제 1 컬러 필터 사이에 형성된 제 1 오버코트층 상에 형성된 제 2 및 제 3 컬러필터와, 제 2 및 제 3 컬러필터를 포함한 제 1 오버코트층 전면에 형성된 제 2 오버코트층과, 제 2 오버코트층 상에 형성된 다수의 마이크로렌즈를 포함하고, 제 1 오버코트층은 컨포멀 타입(conformal type)으로, 그 굴절계수는 상기 제 1, 2 및 3 컬러필터들의 굴절계수보다 작은 것을 특징으로 한다.
마이크로렌즈, 복층, 씨모스 이미지 센서

Description

씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{CMOS Image sensor and Method for fabricating of the same}
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈 브리지(Microlens bridge)를 없앨 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평 방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
이러한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
이와 같은 씨모스 이미지 센서의 성능을 좌우하는 가장 중요한 공정 중 하나로는 컬러 필터 어레이와 마이크로 렌즈(ML) 형성 공정이 있다. 마이크로렌즈 형성 공정에서 이미지 소자의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 인접한 마이크로렌즈 사이에 형성되는 렌즈의 갭(gap)으로, 갭이 작아질수록 광 감도는 비약적으로 향상한다.
종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 형성 공정은 포토레지스트 형태의 유기 물질을 렌즈가 배치될 위치에 리소그래피(lothography) 방법으로 패턴을 형성한 후, 리플로우(Reflow) 공정으로 열처리를 하여 구형의 곡면을 형성하여 냉각시킴으로써 렌즈를 제작한다.
하지만, 이러한 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈 형성 공정은 마이크로렌즈 갭의 너비가 리플로우 시키기 전 포토리소그래피를통해 형성하는 패턴의 갭에 의해 결정되므로 리소그래피 해상도 한계에 따라 최소 갭 선폭이 ~50nm 수준으로 제한된다. 또한, 리플로우를 과도하게 하여 마이크로렌즈 갭을 ~50nm 이하로 좁힐 경우 리플로우 공정 중 인접 렌즈끼리 합쳐지며 렌즈 브리지가발생할 확률이 매우 높아지는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 마이크로렌즈 브리지(Microlens bridge)를 없앨 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판과, 반도체 기판 전면에 형성된 층간절연층과, 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 형성된 보호막과, 보호막 상에 서로 일정한 간격을 유지한 채 형성된 제 1 컬러 필터와, 제 1 컬러 필터를 포함한 보호막 전면에 형성된 제 1 오버코트층과, 제 1 컬러 필터 사이에 형성된 제 1 오버코트층 상에 형성된 제 2 및 제 3 컬러필터와, 제 2 및 제 3 컬러필터를 포함한 제 1 오버코트층 전면에 형성된 제 2 오버코트층과, 제 2 오버코트층 상에 형성된 다수의 마이크로렌즈를 포함하고, 제 1 오버코트층은 컨포멀 타입(conformal type)으로, 그 굴절계수는 상기 제 1, 2 및 3 컬러필터들의 굴절계수보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판 전면에 층간절연층을 형성하는 단계와, 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 보호막을 형성하는 단계와, 보호막 상에 서로 일정한 간격을 유지하는 제 1 컬러 필터를 형성하는 단계와, 제 1 컬러 필터를 포함한 보호막 전면에 제 1 오버코트층을 형성하는 단계와, 제 1 컬러 필터 사이에 형성된 제 1 오버코트층 상에 제 2 및 제 3 컬러필터를 형성하는 단계와, 제 2 및 제 3 컬러필터를 포함한 제 1 오버코트층 전면에 제 2 오버코트층을 형성하는 단계와, 제 2 오버코트층 상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하고, 제 1 오버코트층은 컨포멀 타입(conformal type)으로, 그 굴절계수는 상기 제 1, 2 및 3 컬러필터들의 굴절계수보다 작은 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 이웃한 마이크로렌즈가 없는 마이크로렌즈 어레이가 복층 구조로 형성됨으로써 각 마이크로렌즈 아일런드(island)의 반경을 조절하여 이웃한 픽셀 사이의 마이크로렌즈 사이의 갭을 없애면서도 렌즈 브리지를 없앨 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 다수의 포토다이오드(미도시)들이 형성된 반도체 기판(10)과, 반도체 기판(10) 전면에 형성된 층간절연층(20)과, 층간절연층(20) 상에 소자를 보호하기 위해 형성된 보호막(30)과, 보호막(30) 상에 서로 일정한 간격을 유지한 채 형성된 그린 컬러 필터(40a)와, 그린 컬러 필터(40a)를 포함한 보호막(30) 전면에 형성된 제 1 오버코트층(50a)와, 그린 컬러 필터(40a) 사이에 형성된 제 1 오버코트층(50a) 상에 형성된 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)와, 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)를 포함한 제 1 오버코트층(50a) 전면에 형성된 제 2 오버코트층(50b)과, 제 2 오버코트 층(50b) 상에 형성된 다수의 마이크로렌즈(60)을 포함하여 구성된다.
제 1 오버코트층(50a)은 컨포멀 타입(conformal type)으로 형성되며, 그린 컬러필터(40a)가 배치되어 있지 않은 비어있는 픽셀 위, 즉 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c) 하부에 오목한 꼴로 형성된다. 또한, 제 1 오버코트층(50a)의 굴절계수는 그린, 블루 및 레드 컬러필터(40a, 40b, 40c)의 굴절계수보다 작으며, 일반적인 컬러 필터의 굴절 계수가 n~1.6이므로 n~1.4가 적당하다.
제 2 오버코트층(50b)는 플라나 타입(Planar type)으로 형성되며, 제 2 오버코트층의 굴절계수는 상기 컬러필터들(40a, 40b, 40c)의 굴절계수와 유사하다.
그린 컬러필터(40a)는 4개의 픽셀(Pixel)당 2개씩 서로 일정한 간격을 유지하며 형성된다. 그린 컬러필터(40a)가 형성된 픽셀 이외의 픽셀에 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)가 교차하며 형성된다.
마이크로렌즈(60)는 포토레지스트 형태의 유기 물질로 형성되며, 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)가 형성된 부분의 제 2 오버코트층(50b) 상에 형성된다.
따라서, 본원 발명의 씨모스 이미지 센서는 마이크로 렌즈의 복층 구조로 인하여, 마이크로렌즈 사이의 갭을 없애는 것과 같은 효과를 가지기 때문에 집광되는 빛의 양이 많아지며 소자의 광 다이오드 등 하단부에 전달되는 빛의 광학효율이 높아진다. 이와 동시에 서로 인접하는 마이크로렌즈가 없도록 형성되었기 때문에 렌즈 브리지를 없앨 수 있다.
이하 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(미도시)들이 형성된 반도체 기판(10)의 전면에 층간절연층(20)을 형성한다. 여기서, 층간절연층(20)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간절연층(20)을 형성한 후에 포토다이오드 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)을 형성한 후에 다시 층간절연층(20)이 형성될 수 있다.
이어서, 층간절연층(20) 상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(30)을 형성한다. 그리고 보호막(30) 상에 가염성 레지스트를 사용한 포토리소그래피 공정을 진행하여 그린 컬러필터(40a)를 형성한다. 이때, 그린 컬러필터(40a)는 4개의 픽셀(Pixel)당 2개씩 서로 일정한 간격을 유지하며 형성된다.
이후, 그린 컬러필터(40a)를 포함한 층간절연층(20) 전면에 제 1 오버코트층(50a)을 컨포멀 타입(conformal type)으로 형성한다. 이때, 제 1 오버코트층(50a)은 그린 컬러필터(40a)가 배치되어 있지 않은 비어있는 픽셀 위에 오목한 꼴로 형성된다. 또한, 제 1 오버코트층(50a)의 굴절계수는 그린, 블루 및 레드 컬러필터(40a, 40b, 40c)의 굴절계수보다 작으며, 일반적인 컬러 필터의 굴절 계수가 n~1.6이므로 n~1.4가 적당하다.
다음에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 그린 컬러필터(40a)가 형성되지 않은 픽 셀의 제 1 오버코트층(50a) 상에 가염성 레지스트를 사용한 포토리소그래피 공정을 진행하여 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)를 교대로 반복하여 형성한다. 이와 같이, 제 1 오버코트층(50a)이 오목한 꼴로 형성되어 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)의 굴절계수가 제 1 오버코트층(50a)보다 클 경우 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)는 오목한 집광 렌즈의 역할을 하게 된다.
그리고나서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)를 포함한 제 1 오버코트층(50a) 전면에 제 2 오버코트층(50b)을 플라나 타입(Planar type)으로 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c) 사이의 공간을 모두 채워 평탄한 상부 구조가 되도록 형성한다. 이때, 제 2 오버코트층(50b)의 굴절계수는 상기 컬러필터들(40a, 40b, 40c)의 굴절계수와 유사하다.
이후, 도 2d에 도시된 바와 같이, 제 2 오버코트층(50b) 상에 포토레지스트 형태의 유기 물질로 블루 및 레드 컬러필터(40b, 40c)가 형성된 픽셀의 제 2 오버코트층(50b) 상에 패턴을 형성하고 열을 가해 리플로우(reflow) 시킴으로써 구형의 곡면을 형성하여 냉각시켜 다수의 마이크로렌즈(60)를 형성한다.
상술한 설명에서는 그린, 블루 및 레드 컬러필터 순서로 서술하였지만 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않고 여러가지 종류의 컬러필터 순서로 구성될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 반도체기판 20: 층간절연층
30: 보호막 40a: 그린 컬러필터층
40b: 블루 컬러필터층 40c: 레드 컬러필터층
50a: 제 1 오버코트층 50b: 제 2 오버코트층
60: 마이크로렌즈

Claims (10)

  1. 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판 전면에 형성된 층간절연층과,
    상기 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 형성된 보호막과,
    상기 보호막 상에 서로 일정한 간격을 유지한 채 형성된 제 1 컬러 필터와,
    상기 제 1 컬러 필터를 포함한 상기 보호막 전면에 형성된 제 1 오버코트층과,
    상기 제 1 컬러 필터 사이에 형성된 제 1 오버코트층 상에 형성된 제 2 및 제 3 컬러필터와,
    상기 제 2 및 제 3 컬러필터를 포함한 상기 제 1 오버코트층 전면에 형성된 제 2 오버코트층과,
    상기 제 2 오버코트층 상에 형성된 다수의 마이크로렌즈를 포함하고,
    상기 제 1 오버코트층은 컨포멀 타입(conformal type)으로, 그 굴절계수는 상기 제 1, 2 및 3 컬러필터들의 굴절계수보다 작은 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 컬러필터 하부에 형성된 제 1 오버코트층은 오목한 꼴로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 오버코트층은 플라나 타입(Planar type)으로, 그 굴절계수는 상기 제 1, 2 및 3 컬러필터들의 굴절계수와 동일한 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 상기 제 2 및 제 3 컬러필터가 형성된 부분의 상기 제 2 오버코트층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 컬러필터는 4개의 픽셀당 2개씩 서로 일정한 간격을 유지하며 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  7. 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판 전면에 층간절연층을 형성하는 단계와,
    상기 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 보호막을 형성하는 단계와,
    상기 보호막 상에 서로 일정한 간격을 유지하는 제 1 컬러 필터를 형성하는 단계와,
    상기 제 1 컬러 필터를 포함한 상기 보호막 전면에 제 1 오버코트층을 형성하는 단계와,
    상기 제 1 컬러 필터 사이에 형성된 제 1 오버코트층 상에 제 2 및 제 3 컬러필터를 형성하는 단계와,
    상기 제 2 및 제 3 컬러필터를 포함한 상기 제 1 오버코트층 전면에 제 2 오버코트층을 형성하는 단계와,
    상기 제 2 오버코트층 상에 다수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 오버코트층은 컨포멀 타입(conformal type)으로, 그 굴절계수는 상기 제 1, 2 및 3 컬러필터들의 굴절계수보다 작은 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2 오버코트층은 플라나 타입(Planar type)으로, 그 굴절계수는 상기 제 1, 2 및 3 컬러필터들의 굴절계수와 동일한 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 컬러필터 하부에 형성된 제 1 오버코트층은 오목한 꼴로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20020057277A (ko) * 2000-12-30 2002-07-11 박종섭 이중 렌즈를 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법
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KR20060072495A (ko) * 2004-12-23 2006-06-28 동부일렉트로닉스 주식회사 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법
KR20070046297A (ko) * 2005-10-31 2007-05-03 삼성전자주식회사 씨모스 이미지 센서

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