KR101033384B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지센서는 기판상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층에 픽셀별로 분리되어 형성된 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 마이크로렌즈, 갭
Description
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD)와 씨모스(CMOS) 이미지센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
종래의 기술에서 이미지센서(Image Sensor)의 성능을 좌우하는 가장 중요한 공정 중 하나로서 컬러필터 어레이(Color Filter Array)(CFA)와 마이크로렌즈(Micro Lens)(ML) 형성공정이 있다.
ML 형성공정에서 이미지(Image) 소자의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 인접한 ML 사이에 형성되는 Lens의 갭(gap)으로, 갭(gap)이 작아질수록 소자의 광 감도가 10-15% 이상 비약적으로 향상됨은 이미 여러 연구결과 및 시뮬레이션(simulation)에서 입증된 바 있다.
이는 ML 사이의 갭이 작을수록 (1) 집광되는 빛의 양이 많아지며 소자의 광 다이오드 등 하단부에 전달되는 빛의 광학 효율이 높아지고, (2) 금속 배선이 픽 셀(pixel) 지역 내에 배치되는 CMOS 타입(type) 소자인 경우 상층부에서 하단부까지 빛이 지나가는 경로를 피해 배열되는 금속배선에 집광되지 않은 빛이 지나가며 산란할 확률이 낮아지기 때문이다.
종래의 대표적인 ML 형성공정은 열을 가해 리플로우(thermal reflow)가 가능한 감광막(Photo Resist)(PR) 형태의 유기물질을 렌즈(lens)가 배치될 위치에 리소그라피(lithography) 방법으로 패턴(pattern)을 형성한 후 열을 가해 리플로우(reflow) 시킴으로써 구형의 곡면을 형성하여 냉각시킴으로써 마이크로렌즈(Micro Lens)를 제작한다.
이와 같은 방법으로 ML을 형성하는 경우 (1) ML 갭(Gap)의 너비가 리플로우(reflow) 시키기 전 포토 리소그라피(photolithography)를 통해 형성하는 패턴(pattern)의 갭(gap)에 의해 결정되므로 리소그라피(lithography) 해상도 한계에 따라 최소 갭(gap) 선폭이 약 50nm 수준으로 제한되고 (2)리플로우(Reflow)를 과도하게 하여 ML 갭(gap)을 약 50nm 이하로 좁힐 경우 리플로우(reflow) 공정 중 인접 렌즈(Lens)끼리 서로 합쳐지며 렌즈 브리지(lens bridge)가 발생할 확률이 매우 높아진다는 점 때문에 완전한 제로 갭(zero-gap)을 형성하는 것이 사실상 불가능하게 된다.
이러한 레즈브리지(lens bridge) 현상은 물리학적으로 소수성(hydrophobic)인 렌즈(lens) 형성용 PR이 인접한 렌즈(lens)와 유체 상태에서 닿을 경우 소수성 물질끼리 닿을 때 발생하는 믹싱(mixing) 현상 때문으로 유리창 위에서 두 개의 물방울이 서로 닿을 때 하나의 물방울로 합쳐지는 것과 같은 현상이다.
렌즈(Lens) 형성용 PR의 경우 유체상태에서 일정 정도의 점도를 갖기 때문에 보통의 경우 완만한 굴곡을 형성하며 렌즈 브리지(lens bridge)를 발생시킨다.
이러한 렌즈 믹싱(lens mixing) 또는 브리지(bridge) 확률을 줄이기 위해 체커 보드(checker board) 형태로 배치된 렌즈(lens)를 두 번 엇갈리게 형성하는 듀얼 마이크로렌즈(dual micro lens) 공정 등도 개발되고 있으나, 공정이 복잡하고 정교한 오버랩(overlap) 위치 조정이 필요하여 공정 마진(margin)이 매우 작다는 문제가 있다. 이와 같이 구형의 구조를 형성하는 마이크로렌즈(micro lens) 공정은 모두 공정 마진(margin)의 문제가 있어 이를 해결하기 위한 복잡한 추가 공정이 수반된다는 단점이 있다.
실시예는 새로운 물질 및 방법을 사용하여 실제 구면형상의 렌즈(lens) 구조를 형성하지 않고도, 마이크로렌즈 어레이(micro lens array)를 형성할 수 있는 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(graded index micro lens)를 포함하는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지센서는 기판상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층에 픽셀별로 분리되어 형성된 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 기판상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층에 픽셀별로 분리된 이온주입영역을 형성하는 단계; 및 상기 이온주입영역에 어닐링 공정을 진행하여 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 패터닝(patterning) 및 이온주입과 어닐링(implantation & annealing) 공정을 조절하여 비교적 쉽게 갭리스 마이크로렌즈(gapless micro lens) 어레이(array)를 형성할 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 발명은 씨모스 이미지센서(CIS)에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 마이크로렌즈가 필요한 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는 기판(100)상에 형성된 절연층(120); 및 상기 절연층(120)에 픽셀별로 분리되어 형성된 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(130);를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서에 의하면, 새로운 물질 및 방법을 사용하여 실제 구면형상의 렌즈(lens) 구조를 형성하지 않고도 갭리스 마이크로렌즈(gapless micro lens) 어레이(array)를 형성할 수 있다. 즉, 실시예에 의하면 패터닝(patterning) 및 이온주입과 어닐링(implantation & annealing) 공정을 조절하여 비교적 쉽게 갭리스 마이크로렌즈(gapless micro lens) 어레이(array)를 형성할 수 있다.
도 1에서 미설명 부호는 제조방법에서 설명하기로 한다.
이하, 도 2 내지 도 8를 참조하여 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 2와 같이 기판(100)상에 절연층(120)을 형성한다. 상기 기판(100)에는 이미지감지부(미도시)가 형성되어 있을 수 있다. 상기 이미지감지부는 포토다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것이 아니고 포토게이트, 포토다이오드와 포토게이트의 결합형태 등이 될 수 있다.
또한, 상기 이미지감지부는 리드아웃 서킷과 수평한 위치에 형성되거나 또는 리드아웃 서킷의 수직 상측에 형성될 수도 있다.
상기 절연층(120)은 산화막일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 빛이 통과할 수 있는 투명한 절연막을 포함한다.
다음으로, 도 3과 같이 픽셀마다 반복되는 좁은 구멍 패턴 어레이(210)를 형성할 수 있다.
이후, 도 4와 같이 상기 패턴 어레이(210)를 이온주입 마스크로 하여 상기 절연층(120)에 픽셀별로 분리된 이온주입영역(130a)을 형성한다. 예를 들어, 아연, 보론 등의 이온을 약 E14 내지 E16 오더 정도로 이온주입할 수 있다.
상기 이온주입공정에 의해 그레이디드 인덱스(graded index) 이온주입영역(130a)을 형성할 수 있다.
이때, 도 5는 그레이디드 인덱스 이온주입영역(130a)에 대한 상세도이다.
이하, 실시예에서 응용하고자 하는 그레이디드 인덱스(graded index) 방법을 설명한다. 도 5와 같이 무기물질에 이온(ion)을 주입하면 이온이 주입된 곳에서만 국소적으로 굴절계수가 커지게 되는데, 이러한 효과는 주입하는 이온의 질량이 클수록 커진다.
이때 형성되는 이온주입 구조는 점차적으로(graded) 그 밀도가 변하게 되어 굴절계수 또한 점차 변하기 때문에 그레이디드 인덱스(graded index)라는 표현을 사용한다.
도 5에서, 절연층(120)은 무기 물질 절연층을, 그레이디드 인덱스 이온주입영역(130a)의 흰색은 이온(ion)이 주입된 농도를 표시한다. 굴절계수는 주입된 이온(ion)의 농도와 비례하여 증가한다. 도 5에 따라, 아래로 볼록한 형상에서 절연층(120)의 표면인 흰색의 중심에서 굴절계수가 가장 크고, 외곽으로 가며 점차 회색으로 변해가며 점진적으로 굴절계수가 감소하여 완전히 회색인 지역에서는 초기 무기물 절연층(120)의 굴절계수와 같은 굴절계수를 갖게 된다.
특히, 실시예는 절연층(120)에 국소적으로 약하게 이온주입 함으로써 아래로 볼록한 반구 형태의 graded-index 이온주입영역(130a)을 형성할 수 있다. 종래에 원통형의 graded-index 이온주입을 진행하는 예는 있으나 본 실시예에서는 반구형태의 graded-index 이온주입영역(130a)을 형성함으로써 이미지센서의 마이크로렌즈에 이용할 수 있다.
다음으로, 도 6과 같이 상기 이온주입영역(130a)에 어닐링 공정을 진행하여 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(130)를 형성한다. 상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(130)가 형성되는 형태는 이온(ion)의 주입 에너지 및 어닐링(annealing) 공정에 의해 결정될 수 있다.
예를 들어, 어닐링공정을 통해 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(130)의 크기를 조절하면 갭(gap)이 없는 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(130)를 형성할 수 있 다.
상기 어닐링 공정은 약 300~500℃에서 진행될 수 있다.
이때 이렇게 형성된 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(130)는 굴절계수가 크기 때문에 일종의 집광 렌즈(lens) 역할을 하게 되어 일반적으로 사용되는 이미지센서의 마이크로렌즈(micro lens) 역할을 하게 된다.
다음으로, 도 7과 같이 상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈(130) 상에 컬러필터층(140)을 형성하고, 평탄화층(150)을 형성할 수 있다.
실시예에서 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈 어레이를 컬러필터층(140)의 하부에 형성한 이유는 (1) 마이크로렌즈로부터 하부의 이미지감지부 까지의 거리를 최소화하기 위함이며, (2) 어닐링( anneal) 시 손상되기 쉬운 컬러필터층 등의 유기 물질들을 보호하기 위함이다.
또한, 다른 실시예에서는 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈 어레이 공정을 컬러필터층을 형성한 후 저온 산화막 등을 증착하여 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈를 형성할 수 있다. 즉, 컬러필터층 등 유기물질 상부에 무기 박막을 형성하는 경우 유기물질이 손상되지 않는 증착온도를 유지해야 하므로 저온 산화막(low-temperature oxidation) 공정을 진행한 후 이온주입 및 어닐링 공정을 통해 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈를 형성할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 새로운 물질 및 방법을 사용하여 실제 구면형상의 렌즈(lens) 구조를 형성하지 않고도 갭리스 마이크로렌즈(gapless micro lens) 어레이(array)를 형성할 수 있다. 즉, 실시예에 의하면 패 터닝(patterning) 및 이온주입과 어닐링(implantation & annealing) 공정을 조절하여 비교적 쉽게 갭리스 마이크로렌즈(gapless micro lens) 어레이(array)를 형성할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.
도 2 내지 도 7은 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.
Claims (11)
- 기판상에 형성된 절연층;상기 절연층에 픽셀별로 분리되어 형성된 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈; 및상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈 상에 형성된 컬러필터층;을 포함하며,상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈는 외부로부터 입사되는 광에 대해 아래로 볼록한 반구형상이며, 반구 표면의 중심부에서 외곽으로 갈수록 이온주입 농도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제1 항에 있어서,상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈는 상기 절연층에 이온주입에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 삭제
- 기판상에 형성된 절연층;상기 절연층에 픽셀별로 분리되어 형성된 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈; 및상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈 상에 형성된 컬러필터층;을 포함하며,상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈는 외부로부터 입사되는 광에 대해 아래로 볼록한 반구형상이며, 반구 표면의 중심부에서 외곽으로 갈수록 굴절계수가 작아지는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 삭제
- 삭제
- 기판상에 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층에 픽셀별로 분리된 이온주입영역을 형성하는 단계;상기 이온주입영역에 어닐링 공정을 진행하여 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈 상에 컬러필터층을 형성하는 단계;를 포함하며,상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈는 외부로부터 입사되는 광에 대해 아래로 볼록한 반구형상이며, 반구 표면의 중심부에서 외곽으로 갈수록 이온주입 농도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 삭제
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- 기판상에 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층에 픽셀별로 분리된 이온주입영역을 형성하는 단계;상기 이온주입영역에 어닐링 공정을 진행하여 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈 상에 컬러필터층을 형성하는 단계;를 포함하며,상기 그레이디드 인덱스 마이크로렌즈는 외부로부터 입사되는 광에 대해 아래로 볼록한 반구형상이며, 반구 표면의 중심부에서 외곽으로 갈수록 굴절계수가 작아지는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| JPH06252448A (ja) * | 1993-02-25 | 1994-09-09 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体発光素子およびその製造方法 |
| KR100672680B1 (ko) | 2004-08-11 | 2007-01-22 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20100032550A1 (en) | 2010-02-11 |
| KR20100018258A (ko) | 2010-02-17 |
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