KR100996669B1 - 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판에서 멀어질수록 화합물 반도체의 알루미늄 조성비를 점진적으로 증가시켜 마이크로 렌즈 형성층을 성장한 후, 상기 기판에 인접한 영역은 산화 속도를 느리게 하고, 상기 기판에서 멀어질수록 산화속도가 빠르게 하여 산화 후 산화된 영역과 산화되지 않은 영역의 계면이 렌즈형태가 되도록 하여 이렇게 형성된 렌즈를 이미지센서에 집적함으로서, 마이크로렌즈가 집적된 이미지 센서의 제조단가를 낮추고 이미지 센서의 신호대 잡음비와 해상도를 증가시킴과 동시에 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
마이크로렌즈, 이미지 센서, 반도체 물질, 선택적 산화

Description

마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법{MICRO-LENS INTEGRATED IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 물질을 이용하여 마이크로렌즈를 제작함으로서, 이미지 센서와 모노리식(Monolithic) 집적이 용이하고 개구수가 큰 렌즈 제작이 가능하며, 초소형, 고밀도 및 다각형의 마이크로 렌즈 어레이를 제작하는 것이 가능한 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서 특히, 고성능 적외선 이미지 센서의 개발에서는 신호대 잡음비(Signal-to-noise ratio; SNR)와 해상도(Resolution) 그리고 감도(Sensitivity)의 향상 등이 가장 큰 이슈가 되고 있다.
적외선 이미지 센서의 광검출기(Photodetector)에 대한 잡음의 주요 원인으로는 암전류(Dark current)가 있으며, 이러한 암전류는 광검출기의 면적에 선형적 으로 비례하므로 신호대 잡음비(SNR)의 향상을 위해서는 광검출 영역을 축소해야만 한다.
또한, 이미지 센서의 해상도 향상을 위해서는 단위 면적 당 화소 수를 증가시켜야 하므로 광검출 영역을 포함하는 각 화소의 면적을 축소해야만 한다.
하지만, 광검출 영역의 축소는 광검출기가 받아들이는 빛의 양을 감소시켜 광검출기의 수광효율을 감소시키고 따라서, 이미지 센서의 감도를 저하시키는 요인이 된다.
이에 따라, 이미지 센서에 복수의 마이크로렌즈에 의한 마이크로렌즈 어레이를 형성하게 되는데, 이러한 마이크로렌즈 어레이는 화소 내로 들어오는 빛을 화소 내의 작은 광검출 영역으로 집광(Focus)시킴으로서 광검출 영역을 축소시켜도 광검출기로 입사되는 빛의 양을 효과적으로 증가시키는 역할을 하게된다.
따라서, 지금까지 이러한 이미지 센서 집적형 마이크로렌즈 어레이를 제작하기 위한 많은 방법들이 제시되었는데, 그 대표적인 방법으로는 고분자 물질의 리플로우를 이용하는 방법이 있다.
이러한 고분자 물질의 리플로우 방법은, 이미지 센서가 구비된 기판 상에 투명 하지층을 형성하고, 그 하지층 상에 복수의 마이크로렌즈용 감광막 패턴들을 형성하고, 감광막 패턴들을 가열하여 리플로우(reflow)시키면 고분자 물질이 표면장력에 의해 구형의 표면을 가지려는 성질을 이용해 일정 곡률 반경을 갖는 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 방법이다.
하지만, 이러한 방법으로 제작된 마이크로렌즈는 자연적으로 원형 마이크로 렌즈 형태를 갖게 되어 마이크로렌즈 어레이의 Fill factor 즉, 사각형 모양의 단위 화소영역 또는 마이크로렌즈 어레이의 단위 셀 영역 내에서 마이크로렌즈가 차지하는 면적의 비율이 최대 78 %로 제한된다.
즉, 삭각형 모양의 각 화소로 입사하는 빛 중에 최소 22 %의 빛이 마이크로렌즈가 형성되지 않은 영역으로 입사하게 되고 따라서 광검출 영역으로 집광되지 못하므로 이미지 형성에 기여하지 못하고 사라지는 빛이 된다.
또한, 고분자 물질의 리플로우를 이용한 마이크로렌즈 어레이 제작 방법은 표면장력을 이용하므로 마이크로렌즈의 곡률 반경이나 초점거리의 조절이 어렵고, 고밀도 마이크로렌즈 어레이의 제작이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마이크로렌즈의 곡률 반경이나 초점거리의 조절이 용이하고, 원형뿐만 아니라 다각형의 마이크로렌즈를 제작할 수 있는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 이미지 센서의 제조단가를 낮추고 이미지 센서의 신호대 잡음비와 해상도를 증가시킴과 동시에 감도를 향상시킬 수 있는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 일측에 광을 감지하기 위한 복수의 포토 디텍터가 형성된 기판; 및 상기 기판의 타측에 외부로부터의 빛을 집광하여 상기 포토 디텍터로 입사시키기 위해 상기 각각의 포토 디텍터와 대응되도록 서로 일정거리 이격되어 형성된 복수의 마이크로 렌즈를 포함하되, 상기 마이크로 렌즈는 상기 기판으로부터의 거리가 멀어질수록 산화율이 점진적으로 증가되도록 적층된 반도체 물질층이 렌즈 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈는 상기 반도체 물질층의 선택적 산화를 통해 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 마이크로 렌즈는 서로 다른 복수의 층으로 이루어지되, 상기 복수의 층 각각은 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층이 적층된 디지털 합금으로 형성되며, 상기 적어도 2개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께가 상기 기판으로부터의 거리가 멀어질수록 증가되도록 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 반도체 물질층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성되며, 각각 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물 및 알루미늄을 포함하지 않는 2원소 또는 3원소 화합물이 적층되어 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 반도체 물질층은 AlGaAs, InGaAlAs 또는 InGaAlP 중 선택된 어느 하나의 화합물 조합일 수 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로 렌즈의 수평 단면은 원형 또는 다각형의 형태일 수 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로 렌즈는 구면 또는 비구면 렌즈일 수 있다.
바람직하게는, 상기 마이크로 렌즈의 중심부에서의 높이는 1㎛ 내지 2㎛일 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, (a) 기판의 일측에 상기 기판으로부터의 거리가 멀어질수록 산화율을 점진적으로 증가시킨 반도체 물질층을 적층하여 마이크로 렌즈 형성층을 형성하는 단계; (b) 상기 마이크로 렌즈 형성층의 일정 영역을 상기 기판이 외부에 노출될 때까지 식각하여 서로 일정 거리만큼 이격되며 각각의 측면이 외부에 노출된 복수의 메사구조를 형성하는 단계; c) 상기 메사 구조의 각각을 측면으로부터 산화하되, 상기 산화 속도가 상기 기판으로부터 멀어질수록 빠르게 진행되도록 하여 산화 후 산화된 영역과 산화되지 않은 영역의 계면이 렌즈 형태가 되도록 함으로서 상기 메사구조 각각의 중앙부에 곡률 반경을 갖는 마이크로 렌즈를 형성한 후, 상기 마이크로 렌즈 이외의 산화된 다른 영역을 선택적으로 제거하는 단계; 및 (d) 상기 기판의 타측에 상기 각각의 마이크로 렌즈와 대응하도록 복수의 포토 디텍터를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 단계 (a) 이후, 상기 마이크로 렌즈 형성층 상면에 일정 두께의 산화방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 단계 (a)에서, 상기 마이크로 렌즈 형성층은 서로 다른 복수의 층으로 형성하되, 상기 복수의 층 각각은 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층을 적층한 디지털 합금으로 형성하여 상기 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께를 조절함으로써 산화율을 점진적으로 증가하도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (a)에서, 상기 마이크로 렌즈 형성층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성하며, 각각 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물 및 알루미늄을 포함하지 않는 2원소 또는 3원소 화합물을 교번되게 적층하여 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (b)에서, 상기 메사구조는 원형 또는 다각형의 메사구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (c)에서, 상기 마이크로 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 형성층 내에 산화율을 점진적으로 증가하도록 하여 적층한 반도체 물질층의 산화율에 따라 지수적으로 산화되어 곡률 반경을 갖는 렌즈 모양을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (c)에서, 상기 산화공정은 습식 산화 공정을 이용하되, 300 내지 500 ℃의 온도범위에서 30 내지 200분 동안 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 따르면, 반도체 물질을 이용하여 마이크로렌즈를 제작함으로서, 이미지 센서와 모노리식(Monolithic) 집적이 용이하고 개구수가 큰 렌즈 제작이 가능하며, 초소형, 고밀도 및 다각형의 마이크로렌즈 어레이를 제작하는 것이 가능하다는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 이미지 센서에 마이크로렌즈 어레이를 형성함으로서, 이미지 센서의 제조단가를 낮추고, 이미지 센서의 신호대 잡음비와 해상도를 증가시킴과 함께 감도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러 나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 적용된 마이크로 렌즈를 설명하기 위한 단면도이다. 도 2는 아날로그 합금 방식에 의한 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 도면으로서, 알루미늄 함유율 및 산화속도를 나타내기 위한 그래프이며, 도 3a 및 도 3b는 디지털 합금 방식에 의한 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 적용된 마이크로 렌즈(L)는, 준비된 기판(100) 상에 형성될 수 있으며, 예컨대, 복수개의 마이크로 렌즈(L)의 조합에 의한 소정의 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 것이 가능하다.
이러한 마이크로 렌즈(L)는, 각각 기판(100)으로부터의 거리가 멀어질수록 산화율을 점진적으로 증가시켜 적층된 반도체 물질층으로 이루어질 수 있으며, 상기 반도체 물질층의 선택적 산화를 통해 형성되는 것이 가능하다.
예컨대, 상기 산화율은 예컨대, 알루미늄(Al)의 조성비에 따라 결정될 수 있는데, 마이크로 렌즈(L)는, 기판(100)에서 멀어질수록 상기 반도체 물질층의 알루미늄(Al) 조성비를 점진적으로 증가시켜, 그 알루미늄(Al)의 조성비에 따라 기판(100)에서 멀어질수록 그 산화되는 속도를 빠르게 하여, 상기 반도체 물질층에 대한 산화 공정 이후 산화된 영역과 산화되지 않은 영역의 계면이 렌즈의 형태가 되도록 함으로서 형성하는 것이 가능하다.
이때, 마이크로 렌즈(L)를 이루는 반도체 물질층의 형성 방법은, 예컨대, 아날로그 합금 방법 또는 디지털 합금 방법 등이 이용될 수 있는데, 이에 국한되지는 않는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저, 아날로그 합금 방법은, 마이크로 렌즈(L)를 형성하기 위한 반도체 물질층의 성장 시, 상기 반도체 물질층의 산화율을 점진적으로 증가시키기 위하여 예컨대, 알루미늄(Al)의 양을 점진적으로 증가시키면서 성장시키는 방법으로서, 도 2에서와 같이 알루미늄(Al)의 함유율을 점진적으로 증가시키게 되면, 그 산화율이 예컨대, 지수적으로 증가하게 되어 상기 반도체 물질층에 대한 산화 공정 시, 산화된 영역과 산화되지 않은 영역의 계면이 자연스럽게 렌즈의 모양을 형성할 수 있게 된다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 디지털 합금 방법에 의한 마이크로 렌즈(L)는, 예컨대, 다원 화합물 반도체로 형성하여 상기 화합물 반도체에 대한 단위 화합물 반도체를 교번되게 적층하여 이를 산화시킴으로서 렌즈의 모양을 형성하는 것이 가능하다.
이러한, 디지털 합금 방법을 통한 본 발명의 일 실시예에 적용된 마이크로 렌즈(L)의 제조방법을 상세히 설명하면, 도 3a에서와 같이, 준비된 기판(100) 상에 마이크로 렌즈(L)를 형성하기 위한 소정의 마이크로 렌즈 형성층(200)을 증착한다.
이러한 마이크로 렌즈 형성층(200)은, 예컨대, 도 3a에서와 같이 서로 다른 복수의 층으로 이루어질 수 있는데, 상기 복수의 층 각각은 산화율이 서로 다른 적 어도 2개의 반도체 물질층, 예컨대, 알루미늄(Al)의 함유율이 상대적으로 높은 고산화율층(210)과 알루미늄(Al)의 함유율이 상대적으로 낮은 저산화율층(220)을 하나의 층으로 하되, 고산화율층(210) 및 저산화율층(220)을 교번되게 적층하여 형성할 수 있다. 물론, 서로 다른 3개의 층을 하나의 층으로 하는 것도 가능하며, 이에 국한하지는 않는다.
예컨대, 알루미늄을 포함한 3원소(예컨대, AlGaAs 등) 또는 4원소(예컨대, InGaAlAs 또는 InGaAlP 등) 등의 화합물의 조합으로써 형성할 수 있는데, 만약, 반도체 물질층이 3원소 반도체 물질층으로서 예컨대, AlGaAs 반도체 물질층일 경우, 3원소 화합물 조합인 AlGaAs는 예컨대, 알루미늄을 포함하는 2원소 화합물층 즉, AlAs 화합물층 및 알루미늄을 포함하지 않는 2원소 화합물층 즉, GaAs 화합물층으로 이분하여 상기 각각의 AlAs와 GaAs 층을 얇은 두께로 교번되게 적층하여 전체적으로 AlGaAs 층이 형성되도록 할 수 있다.
또한, 반도체 물질층이 4원소의 반도체 물질층일 경우로서 예컨대, InGaAlAs 반도체 물질층일 경우에 있어서도, 4원소 화합물 조합인 InGaAlAs는 예컨대, 알루미늄을 포함한 InAlAs 화합물층 및 알루미늄을 포함하지 않는 InGaAs 화합물층으로 이분하고, 또한, InGaAlP 화합물층의 경우는, 알루미늄을 포한한 InAlP 화합물층 및 알루미늄을 포함하지 않는 InGaP 화합물층으로 이분하여 적층할 수 있다.
이때, 반도체 물질층 중, 고산화율층(210)의 두께는 예컨대, 기판(100)으로부터의 거리가 멀어질수록 그 두께가 증가되도록 하는 것이 바람직하다. 이는, 마이크로 렌즈 형성층(200)을 이루는 반도체 물질층의 평균적인 알루미늄 함유율이 기판(100)으로부터의 거리가 멀어질수록 증가하도록 하기 위함이다.
즉, 반도체 물질층이 3원소 반도체 물질층으로서 예컨대, AlGaAs 반도체 물질층일 경우, 전술한 바와 같이 AlAs와 GaAs 화합물층으로 이분하여 교번되게 적층하되, 상기 AlAs와 GaAs의 두께를 예컨대, 90:10의 비율로 적층하면 Al0.9Ga0.1As가 되고, 또한, 상기 AlAs와 GaAs의 두께를 99:1의 비율로 적층하면 Al0.99Ga0.01As가 될 수 있다.
예컨대, AlxGa1-xAs의 조성 비율(x)을 상기 반도체 물질층의 성장방향으로 예컨대, 0.9부터 0.99까지 증가시키고자 한다면, 상기 AlAs와 GaAs를 교번되게 적층할 때 AlAs의 두께를 점진적으로 증가시키면 세부적으로는 AlAs와 GaAs층의 반복이지만 전체적으로 보면 평균적인 AlxGa1-xAs의 조성비(x)가 0.9부터 0.99까지 증가하게 된다. 물론 상기 조성비는 선택적으로 다양하게 조절하는 것이 가능하며, 이에 국한하지는 않는다.
한편, 필요에 따라서는, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 상면에 산화방지층(250)을 추가적으로 더 형성할 수 있는데, 이는 후술하는 마이크로 렌즈 형성층(200)의 산화공정 시 마이크로 렌즈 형성층(200)의 상부로부터 수직 방향의 산화를 억제하여 측면으로부터 수평방향의 산화만 일어나도록 하여 렌즈형태를 얻기 위한 것이다.
이후, 이러한 마이크로 렌즈 형성층(200)을 측면으로부터 산화하게 되면, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 평균적인 알루미늄 함유율이 상부로 갈수록 증가하여, 그 산화 속도 또한 상부로 갈수록 증가함에 따라, 도 3b에서와 같이 마이크로 렌즈(L)를 형성할 수 있게 된다.
이때, 마이크로 렌즈 형성층(200)에 적층되는 저산화율층(220)의 두께는 고산화율층(210)에 비해 상대적으로 매우 얇기 때문에 마이크로 렌즈 형성층(200)의 산화공정 시에는 고산화율층(210)의 산화와 함께 저산화율층(220)도 거의 모든 영역에서 동시에 산화가 이루어져 고산화율층(210) 및 저산화율층(220)의 층간 구분이 없이 마이크로 렌즈(L)가 형성된 영역을 제외한 마이크로 렌즈 형성층(200)의 거의 모든 영역이 산화되도록 할 수 있다.
여기서, 알루미늄이 함유된 고산화율층(210)의 두께는 예컨대, 수십Å 내지 수백Å로 할 수 있으며, 알루미늄이 포함되지 않은 저산화율층(220)의 두께는 예컨대, 약 10Å의 두께가 되도록 할 수 있다.
또한, 고산화율층(210) 및 저산화율층(220)을 예컨대, 약 100번 정도 적층하여 마이크로 렌즈 형성층(200)을 형성할 수 있는데, 이에 국한하지는 않는다.
한편, 기판(100) 상에 복수의 마이크로 렌즈(L)를 형성함으로서, 마이크로 렌즈 어레이를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서는 기판(100), 기판(100)의 일측에 형성된 복수의 마이크로 렌즈(L) 및 기판(100)의 타측에 형성된 복수의 포토 디텍터(P)를 포함한다.
여기서, 기판(100)은 반도체 기판으로서, 예컨대, GaAs, GaP, InP, InGaAs, 사파이어 또는 GaN 등에 의해 형성될 수 있는데, 이에 국한되지는 않는다.
복수의 마이크로 렌즈(L)는 기판(100)의 일측에 각각 형성되며, 복수의 포토 디텍터(P)에 대응되는 위치에 각각 형성되어 예컨대, 소정의 마이크로 렌즈 어레이를 형성한다.
이러한 마이크로 렌즈(L)는, 각각 기판(100)으로부터의 거리가 멀어질수록 산화율을 점진적으로 증가시켜 적층된 반도체 물질층으로 이루어질 수 있으며, 상기 반도체 물질층의 선택적 산화를 통해 형성되는 것이 가능하다.
예컨대, 상기 산화율은 예컨대, 알루미늄(Al)의 조성비에 따라 결정될 수 있는데, 마이크로 렌즈(L)는, 기판(100)에서 멀어질수록 상기 반도체 물질층의 알루미늄(Al) 조성비를 점진적으로 증가시켜, 상기 알루미늄(Al)의 조성비에 따라 기판(100)에서 멀어질수록 그 산화되는 속도를 빠르게 하여, 상기 반도체 물질층에 대한 산화 공정 이후 산화된 영역과 산화되지 않은 영역의 계면이 렌즈의 형태가 되도록 함으로서 형성되도록 하는 것이 가능하다.
이때, 마이크로 렌즈(L)를 이루는 반도체 물질층의 형성 방법은, 예컨대, 아날로그 합금 방법 또는 디지털 합금 방법 등이 이용될 수 있는데, 이에 국한되지는 않으며, 이러한 아날로그 합금 방법 및 디지털 합금 방법 등에 대해서는 전술한 도2 내지 도 3b를 통해 상세히 설명하였다.
또한, 마이크로 렌즈(L)는 상기 반도체 물질층의 산화율 예컨대, 알루미늄의 조성비가 적절히 조절되도록 함으로서, 마이크로 렌즈(L)의 모양을 구면 또는 비구면 렌즈의 형태로 형성되도록 하는 것도 가능한데, 형성된 마이크로 렌즈(L) 각각의 중심부에서의 높이는 예컨대, 약 1㎛ 내지 2㎛일 수 있다.
한편, 포토 디텍터(P)는 예컨대, 포토 다이오드 등과 같이 외부로부터의 빛을 수광하고, 수광된 빛을 전기신호로 변환하는 모든 장치를 포함할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 적용된 포토 디텍터(P)는 기판(100) 상에 하부 오믹 접촉층(400), 활성층(500), 상부 오믹 접촉층(600), 보호막(Passivation layer)(700) 및 상/하부 전극(E 및 E') 등을 포함하여 이루어 질 수 있는데, 이에 국한되지는 않는다.
통상적으로, 하부 오믹 접촉층(400)은 예컨대, n형 도핑된 반도체 층으로 형성될 수 있으며, 상부 오믹 접촉층(600)은 p형 도핑된 반도체 층으로 형성될 수 있는데, 이에 국한되지는 않는다.
보호막은 예컨대, SiNx, SiO2 또는 Polymer 물질 등이 이용될 수 있다.
상/하부 전극(E 및 E')은 예컨대, Ni, Au, Ge, Pt 또는 Ti 등의 금속물질로 이루어질 수 있다.
이러한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서는, 기판(100) 상에 복수의 마이크로 렌즈(L)에 의한 소정의 마이크로 렌즈 어레이를 형성하여 이미지 센서 즉, 각각의 포토 디텍터(P)의 각 화소로 들어오는 빛을 화소내의 작은 광검출 영역으로 집광시켜 광검출기로 입사하는 빛의 양을 증가 시킴으로서 이미지 센서의 신호대 잡음비 및 해상도를 증가시킴과 함께 감도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 이미지 센서와 모노리식 집적이 용이하고, 개구수가 큰 렌즈 제작이 가능하며 초소형 또는 고밀도의 다각형 마이크로 렌즈 어레이를 제작하는 것이 가능하여 고성능 이미지 센서의 제조단가를 낮추고 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도1 및 도5a를 참조하면, 준비된 기판(100)의 일측에 산화율을 점진적으로 증가시킨 반도체 물질층을 적층하여 마이크로 렌즈 형성층(200)을 형성하고, 기판의(100) 타측에는 하부 오믹 첩촉층(400), 활성층(500) 및 상부 오믹 접촉층(600)을 순차적으로 적층하여 이미지 센서 즉, 포토 디텍터(P)를 형성하기 위한 포터 디텍터 형성층(300)을 형성한다.
이때, 포토 디텍터 형성층(300)을 형성하는 방법은 이에 국한하지는 않으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서의 제조방법에 적용할 수 있는 한 상기 이외에도 다양한 방법으로 형성하는 것이 가능하다.
여기서, 기판(100)은 반도체 기판으로서, 예컨대, GaAs, GaP, InP, InGaAs, 사파이어 또는 GaN 등을 이용하여 형성할 수 있는데, 이에 국한하지는 않는다.
또한, 포토 디텍터(P)는 예컨대, 포토 다이오드 등과 같이 외부로부터의 빛 을 수광하고, 수광된 빛을 전기신호로 변환하는 모든 장치를 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈 형성층(200)은, 기판(100)으로부터의 거리가 멀어질수록 산화율을 점진적으로 증가시켜 적층된 반도체 물질층으로 이루어질 수 있다.
예컨대, 상기 산화율은 예컨대, 알루미늄(Al)의 조성비에 따라 결정될 수 있는데, 마이크로 렌즈 형성층(200)은, 기판(100)에서 멀어질수록 상기 반도체 물질층의 알루미늄(Al) 조성비를 점진적으로 증가시켜 형성하는 것이 가능하다.
이때, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 형성 방법은, 예컨대, 아날로그 합금 방법 또는 디지털 합금 방법 등을 이용할 수 있는데, 이에 국한하지는 않으며, 이러한 아날로그 합금 방법 및 디지털 합금 방법 등에 대해서는 전술한 도2 내지 도 3b를 통해 상세히 설명하였다.
한편, 필요에 따라서는, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 상면에 산화방지층(250)을 추가적으로 더 형성할 수 있는데, 이는 후술하는 마이크로 렌즈 형성층(200)의 산화공정 시 마이크로 렌즈 형성층(200)의 상부로부터 수직 방향의 산화를 억제하여 측면으로부터 수평방향의 산화만 일어나도록 하여 렌즈형태를 얻기 위한 것이다.
도1 및 도 5b를 참조하면, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 일정 영역을 기판(100)이 외부에 노출될 때까지 식각하여, 마이크로 렌즈(L)를 형성하기 위한, 서로 일정 거리만큼 이격되고 측면이 노출된, 복수의 메사구조(Mesa Structure)(M)를 형성한다. 즉, 메사 구조(M)를 갖는 마이크로 렌즈 형성층(200)을 형성한다.
여기서, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 일정 영역을 식각하는 방법으로는 예 컨대, 포토리소그라프 등의 방법을 이용하는 것이 가능하며 이에 국한하지는 않는다.
예컨대, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 일정 영역을 식각하는 방법으로서 포트리소그라프 방법을 이용하는 경우를 상세히 설명하면, 먼저, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 상부에 포토레지스트막을 도포한다.
이후, 상기 포토레지스트막을 노광(Exposure) 및 현상(Development)하여 식각하고자 하는 마이크로 렌즈 형성층(200)의 일부 영역, 예컨대, 복수의 포토 디텍터(P)를 형성하기 위한 영역의 각각에 대응하는 영역에 일정 형태의 포토 레지스트 패턴을 형성한다.
이때, 포토 레지스트 패턴의 형태는, 형성하고자 하는 마이크로 렌즈(L)의 형태에 따라 다양한 형태로 형성하는 것이 가능한데, 예컨대, 원형 또는 사각형 등의 다각형의 형태 등으로 형성하는 것이 가능하다.
이후, 상기 형성된 포토레지스트 패턴을 식각마스크(Etching Mask)로 하여 노출된 마이크로 렌즈 형성층(200)을 식각하게 되면 기판(100) 상에 복수의 메사 구조(M)를 형성할 수 있게 된다.
이때, 상기 식각은 메사 구조(M) 각각의 측면이 노출되도록 하여, 기판의 일정 영역이 외부로 노출될 때까지 수행하는 것이 바람직하다.
도 5c 및 도 5d를 참조하면, 메사 구조(M)의 각각을 측면으로부터 산화하여 각각의 메사구조(M) 즉, 메사 구조(M)를 갖는 마이크로 렌즈 형성층(200) 각각의 중앙부에 곡률 반경을 갖는 마이크로 렌즈(L)를 형성한다.
이때, 산화공정은 고온에서의 습식 산화공정을 수행하게 되는데, 측면으로부터 산화하여 별도의 부가적인 공정 없이 마이크로 렌즈(L)를 형성할 수 있게 된다.
즉, 마이크로 렌즈 형성층(200)의 산화율이 기판(100)으로부터 멀어질수록 높기 때문에 그 산화되는 속도가 점진적으로 증가하게 되어, 산화된 영역과 산화되지 않은 영역의 계면을 통해 마이크로 렌즈(L)를 형성할 수 있게 된다.
이후, 도 5d에서와 같이, 마이크로 렌즈(L)가 형성된 마이크로 렌즈 형성층(200)에서, 마이크로 렌즈(L)를 제외한 그 이외의 영역에서의 산화된 반도체 물질을 제거하는 공정을 더 수행한다. 이때, 예컨대, 마이크로 렌즈 형성층(200) 상에 산화방지층(250)이 포함된 경우에는 산화방지층(250)도 함께 제거하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 습식 산화공정은 약 300 내지 500 ℃의 온도범위에서 약 30 내지 200분 동안 수행함이 바람직하다.
도 5e 내지 도 5h를 참조하면, 복수의 마이크로 렌즈(L)가 형성된 기판(100)의 타측에 각각의 마이크로 렌즈(L)와 대응하도록 복수의 포토 디텍터(P)를 형성한다.
기판(100) 상에 포토 디텍터(P)를 형성하는 방법으로는, 공지된 다양한 방법들을 이용하여 형성하는 것이 가능하다.
예컨대, 도 5e에서와 같이, 기판(100) 상에 형성된 포토 디텍터 형성층(300)의 일정 영역을 하부 오믹 접촉층(400)이 외부로 노출될 때까지 식각하여 서로 일정 거리만큼 이격된 복수의 메사구조(Mesa Structure)(M')를 형성한다.
여기서, 포토 디텍터 형성층(300)의 일정 영역을 식각하는 방법으로는 예컨 대, 포토리소그라프 등의 방법을 이용하는 것이 가능하며 이에 국한하지는 않는다.
이후, 도 5f에서와 같이, 기판(100)이 외부로 노출되도록 하부 오믹 접촉층(400)을 식각하여 포토 디텍터(P)를 형성하기 위한 각각의 영역을 패터닝한다.
즉, 복수의 메사구조(M') 각각의 사이에 형성된 하부 오믹 접촉층(400)을 일부 식각하여 복수의 마이크로 렌즈(L) 각각에 대응하는 복수의 포토 디텍터(P)를 형성하기 위한 각각의 영역을 패터닝한다.
이때, 하부 오믹 접촉층(400)을 식각하는 방법으로는 예컨대, 포토리소그라프 등의 방법을 이용하는 것이 가능하여 이에 국한하지는 않는다.
이후, 도 5g 및 도 5h에서와 같이, 상기 복수의 포토 디텍터(P)를 형성하기 위한 각각의 영역을 포함한 상기 기판의 타측 전면에 보호막(Passivation layer)(700)을 도포한 후, 상기 복수의 포토 디텍터(P)를 형성하기 위한 영역 각각에 상/하부 전극(E 및 E')을 형성한다.
이때, 상/하부 전극(E 및 E')은 예컨대, 상기 복수의 포토 디텍터(P)를 형성하기 위한 각각의 영역에 대한 보호막(700)의 일정 영역을 패터닝하여 상/하부 오믹 접촉층(500 및 400)이 각각 외부로 노출되도록 하여 형성할 수 있는데, 상부 오믹 접촉층(500)의 노출된 영역 각각에 상부 전극(E)을 형성하고, 하부 오믹 접촉층(400)의 노출된 영역 각각에 하부 전극(E')를 형성할 수 있다.
이러한 일련의 과정을 통하여 기판(100) 상에 복수의 포토 디텍터(P)를 형성하는 것이 가능한데, 이에 국한하지는 않으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서의 제조방법에 적용될 수 있는 한 상기 이외 에도 보다 다양한 방법으로 포토 디텍터(P)를 형성하는 것이 가능하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 적용하여 제작된 마이크로 렌즈 어레이의 광학현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 6a는 원형의 마이크로 렌즈 어레이 사진이고, 도 6b는 사각형의 마이크로렌즈 어레이 사진이다.
마이크로 렌즈 어레이의 단위 셀 면적에서 마이크로 렌즈가 차지하는 면적의 비율을 예컨대, Fill factor라고 하는데, 도 6a의 원형 마이크로렌즈 어레이의 경우 Fill factor가 약 64 %이고, 도 6b의 사각형 마이크로렌즈 어레이의 경우 Fill factor가 약 87 %이다.
따라서, 이미지센서에 집적된 마이크로 렌즈의 효율을 최대화하기 위해서는 Fill factor를 높일 수 있는 사각형의 마이크로렌즈 어레이가 바람직하다.
전술한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 적용된 마이크로 렌즈를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 아날로그 합금 방식에 의한 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 도면으로서, 알루미늄 함유율 및 산화속도를 나타내기 위한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 디지털 합금 방식에 의한 마이크로 렌즈의 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 적용하여 제작된 마이크로 렌즈 어레이의 광학현미경 사진을 나타낸 도면이다.

Claims (15)

  1. 일측에 광을 감지하기 위한 복수의 포토 디텍터가 형성된 기판; 및
    상기 기판의 타측에 외부로부터의 빛을 집광하여 상기 포토 디텍터로 입사시키기 위해 상기 각각의 포토 디텍터와 대응되도록 서로 일정거리 이격되어 형성된 복수의 마이크로 렌즈를 포함하되,
    상기 마이크로 렌즈는 상기 기판으로부터의 거리가 멀어질수록 산화율이 점진적으로 증가되도록 적층된 반도체 물질층이 렌즈 형상으로 이루어지고, 상기 마이크로 렌즈는 서로 다른 복수의 층으로 이루어지되, 상기 복수의 층 각각은 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층이 적층된 디지털 합금으로 형성되며, 상기 적어도 2개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께가 상기 기판으로부터의 거리가 멀어질수록 증가되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 상기 반도체 물질층의 선택적 산화를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 물질층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성되며, 각각 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물 및 알루미늄을 포함하지 않는 2원소 또는 3원소 화합물이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체 물질층은 AlGaAs, InGaAlAs 또는 InGaAlP 중 선택된 어느 하나의 화합물 조합인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 수평 단면은 원형 또는 다각형의 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 구면 또는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 중심부에서의 높이는 1㎛ 내지 2㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  8. (a) 기판의 일측에 상기 기판으로부터의 거리가 멀어질수록 산화율을 점진적으로 증가시킨 반도체 물질층을 적층하여 마이크로 렌즈 형성층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 마이크로 렌즈 형성층의 일정 영역을 상기 기판이 외부에 노출될 때까지 식각하여 서로 일정 거리만큼 이격되며 각각의 측면이 외부에 노출된 복수의 메사구조를 형성하는 단계;
    (c) 상기 메사 구조의 각각을 측면으로부터 산화하되, 상기 산화 속도가 상기 기판으로부터 멀어질수록 빠르게 진행되도록 하여 산화 후 산화된 영역과 산화되지 않은 영역의 계면이 렌즈 형태가 되도록 함으로서 상기 메사구조 각각의 중앙부에 곡률 반경을 갖는 마이크로 렌즈를 형성한 후, 상기 마이크로 렌즈 이외의 산화된 다른 영역을 선택적으로 제거하는 단계; 및
    (d) 상기 기판의 타측에 상기 각각의 마이크로 렌즈와 대응하도록 복수의 포토 디텍터를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 단계 (a)에서, 상기 마이크로 렌즈 형성층은 서로 다른 복수의 층으로 형성하되, 상기 복수의 층 각각은 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층을 적층한 디지털 합금으로 형성하여 상기 산화율이 서로 다른 적어도 2개의 반도체 물질층 중 산화율이 최대인 층에 대한 두께를 조절함으로써 산화율을 점진적으로 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 단계 (a) 이후, 상기 마이크로 렌즈 형성층 상면에 일정 두께의 산화방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 마이크로 렌즈 형성층은 알루미늄을 포함한 3원소 또는 4원소화합물의 조합에 의해 형성하며, 각각 알루미늄과 조합된 2원소 또는 3원소 화합물 및 알루미늄을 포함하지 않는 2원소 또는 3원소 화합물을 교번되게 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 상기 메사구조는 원형 또는 다각형의 메사구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서, 상기 마이크로 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 형성층 내에 산화율을 점진적으로 증가하도록 하여 적층한 반도체 물질층의 산화율에 따라 지수적으로 산화되어 곡률 반경을 갖는 렌즈 모양을 형성하는 것을 특징으로 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서, 상기 산화공정은 습식 산화 공정을 이용하되, 300 내지 500 ℃의 온도범위에서 30 내지 200분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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