KR20000003501A - Image sensor having micro concave lens and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지센서(image sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로 오목렌즈(concave microlens)를 갖는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly to an image sensor having concave microlens and a manufacturing method thereof.
CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직회로 부분으로 구성 되어있다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다.CMOS image sensor is composed of light sensing part that detects light and logic circuit part that processes detected light into electrical signal and makes data. Efforts have been made to increase the fill factor of the area of the photo-sensing part in the overall image sensor device to increase the light sensitivity. However, this effort is limited under a limited area because the logic circuit part cannot be removed. . Therefore, in order to increase the light sensitivity, a light condensing technology that changes the path of light incident to a region other than the light sensing portion and collects the light sensing portion has emerged. Such a technique is a microlens forming technique.
도1은 종래의 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 개략적인 단면도로서, 도면부호 1은 실리콘기판, 2는 광감지 부분, 3은 절연막, 4는 게이트 전극, 5는 층간 절연막, 6은 광차단막, 7은 수지, 8은 마이크로 볼록 렌즈를 각각 나타낸다.1 is a schematic cross-sectional view of an image sensor showing the shape and position of a conventional micro lens, wherein reference numeral 1 is a silicon substrate, 2 is a light sensing portion, 3 is an insulating film, 4 is a gate electrode, 5 is an interlayer insulating film, and 6 is light. The blocking film, 7 is resin, and 8 is a micro convex lens, respectively.
도1을 참조하면, 광감지 부분(2)과 오버랩되는 영역의 상부에 마이크로 볼록 렌즈(8)가 형성되어 있어, 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛을 굴절시켜서 광감지 부분(2)으로 모이도록 하고 있다. 이와같이, 종래에는 마이크로 렌즈를 볼록렌즈 모양으로 형성하는 것으로 하고 있으며, 특히 광감지 부분 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는데 주안점을 두고 있다. 또한 종래의 이미지센서들은 마이크로 렌즈 형성용 물질로서 포토리소그라피 공정에서 사용하는 포토레지스트와 유사한 수지(Resin)를 별도로 사용하고 있다.Referring to Fig. 1, a microconvex lens 8 is formed on an area overlapping with the light sensing portion 2, and the light incident to the light sensing portion 2 is refracted by refracting the light incident to a region other than the light sensing portion. I'm trying to get together. As described above, the microlenses are conventionally formed in the shape of a convex lens, and in particular, the focus is on forming the microlenses on the light sensing portion. In addition, conventional image sensors use a resin similar to a photoresist used in a photolithography process as a material for forming a microlens.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 별도의 마이크로 렌즈용 물질을 도입할 필요가 없고, 제조 공정을 단순할 수 있는 마이크로 오목렌즈를 갖는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention devised to solve the above problems, there is no need to introduce a separate material for the micro lens, and an object of the present invention is to provide an image sensor having a micro concave lens that can simplify the manufacturing process and a manufacturing method thereof.
도1은 종래의 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an image sensor showing a conventional micro lens shape and position.
도2a 내지 도2d는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 오목렌즈를 갖는 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor having a micro concave lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
도3은 칼라 필터 공정까지 진행한 이미지센서 소자에서 본 발명의 마이크로 오목렌즈가 갖는 작용효과를 개략적으로 나타낸 도면.3 is a view schematically showing the effect of the micro concave lens of the present invention in the image sensor device that has been advanced to the color filter process.
도4는 본 발명에 따른 광감지부와 오목렌즈의 위치 관계를 나타내기 위한 평면도.4 is a plan view for showing the positional relationship between the light sensing unit and the concave lens according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
21 : 실리콘기판 22 : 광감지부21 silicon substrate 22 light sensing unit
23 : 로직부 24 : 층간절연막23 logic section 24 interlayer insulating film
25 : 광차단막 26 : 산화막25: light blocking film 26: oxide film
27 : 포토레지스트패턴 28 : 마이크로 오목 렌즈27: photoresist pattern 28: micro concave lens
29 : 수지 30 : 칼라 필터29: resin 30: color filter
θ1: 입사각 θ2: 굴절각θ 1 : incident angle θ 2 : refractive angle
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 마이크로 오목렌즈를 갖는 이미지센서에 있어서, 광감지부 및 로직부를 구성하는 회로가 형성된 기판; 상기 로직부의 상부에 형성되어 상기 로직부로 입사되는 빛을 차단하는 광차단막; 상기 광차단막이 형성된 기판 전면에 형성되며 상기 로직부와 오버랩된 영역의 표면에 상기 오목렌즈를 구성하기 위한 리세스(recess)부를 갖는 산화막; 및 상기 산화막 상에서 평탄화되어 형성되며 상기 산화막 보다 굴절율이 적은 박막을 포함하여 이루어진다. 상기 박막 상에 형성된 칼라 필터를 더 포함하여 이루어질수 있다.An image sensor of the present invention for achieving the above object, the image sensor having a micro-concave lens, the image sensor and a circuit circuit forming the logic unit; A light blocking layer formed on the logic unit to block light incident to the logic unit; An oxide film formed on an entire surface of the substrate on which the light blocking film is formed and having a recess portion for forming the concave lens on a surface of the region overlapping the logic portion; And a thin film formed flat on the oxide film and having a lower refractive index than the oxide film. It may further comprise a color filter formed on the thin film.
상기 본 발명의 이미지센서에서, 상기 산화막은 패시베이션을 위한 산화막 또는 층간절연을 위한 산화막일 수 있으며, BPSG나 TEOS와 같은 산화막이다. 상기 박막은 수지로 사용할 수 있다. 그리고, 상기 산화막은 상기 리세스부에 의해 굴절되어 상기 광감지부로 입사되는 빛의 양을 증가시키시 위한 최적화 두께를 갖는다.In the image sensor of the present invention, the oxide film may be an oxide film for passivation or an oxide film for interlayer insulation, and is an oxide film such as BPSG or TEOS. The thin film can be used as a resin. The oxide film has an optimized thickness for increasing the amount of light refracted by the recess and incident on the light sensing unit.
또한, 본 발명의 이미지센서 제조방법은, 광감지부 및 로직부를 구성하는 회로가 형성된 기판을 준비하는 단계; 상기 로직부로 입사되는 빛을 차단하기 위하여 상기 로직부의 상부에 광차단막을 형성하는 단계; 상기 광차단막이 형성된 기판 전면에 산화막을 형성하는 단계; 상기 로직부와 오버랩된 영역의 상기 산화막 표면 일부두께를 선택적으로 등방성 습식식각하여 오목렌즈를 구성하는 리세스부을 형성하는 단계; 상기 산화막 상에 상기 산화막 보다 굴절율이 적은 평탄화된 박막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.In addition, the image sensor manufacturing method of the present invention comprises the steps of preparing a substrate on which a circuit constituting the light sensing unit and the logic unit; Forming a light blocking layer on the logic unit to block light incident to the logic unit; Forming an oxide film on an entire surface of the substrate on which the light blocking film is formed; Selectively isotropically wet etching a portion of the oxide film surface thickness in an area overlapping with the logic part to form a recess part constituting a concave lens; And forming a planarized thin film having a lower refractive index than the oxide film on the oxide film.
상기 본 발명의 이미지센서 제조방법에서, 상기 박막은 수지로 사용할 수 있으며, 이때 수지는 베이크에 의해 경화시켜야 한다.In the image sensor manufacturing method of the present invention, the thin film may be used as a resin, wherein the resin should be cured by baking.
이와같이, 본 발명은 광감지부 이외의 영역에 마이크로 렌즈를 형성하되 형태는 오목렌즈로 하는 것에 그 특징이 있으며, 또한, 마이크로 렌즈 형성용 박막으로 소자 제조에 꼭 필요한 패시베이션 산화막 또는 층간산화막을 사용하기 때문에 별도의 렌즈용 박막을 사용하지 않아도 된다는 잇점이 있고, 오목렌즈 형태를 얻는 방법이 산화막을 선택적으로 습식식각하는 것이기 때문에 공정이 단순하다는 잇점이 있다.As described above, the present invention is characterized in that a microlens is formed in a region other than the light sensing unit, but the shape is a concave lens. Therefore, there is an advantage of not having to use a separate lens thin film, and the process is simple because the method of obtaining a concave lens shape is to selectively wet-etch the oxide film.
그리고 본 발명은 본출원인에 의해 지난 1998년 2월 28일자에 출원된(출워번호:98-6687) CMOS 이미지센서에 적용할 경우, CMOS 이미지센서는 단위화소가 광감지부 및 로직부를 포함하고 있기 때문에 필 팩터(Fill Factor)를 효율적으로 높일 수 있을 것이다.In addition, when the present invention is applied to a CMOS image sensor filed on February 28, 1998 by the present applicant (Ex. No. 98-6687), the CMOS image sensor includes a unit pixel including a light sensing unit and a logic unit. This will increase the fill factor efficiently.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도2a 내지 도2d는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 오목렌즈를 갖는 이미지센서 제조방법을 나타내는 공정 단면도이다.2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor having a micro-concave lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저 도2a는 공지의 방법으로 실리콘기판(21) 위에 광감지부(22)와 로직부(23)를 구성하는 소자를 완성한 후, 패시베이션(passivation)을 위한 절연막으로서 산화막(26)을 형성한 상태의 단면도이다. 물론 공지의 방법과 같이, 광감지부(22) 이외의 로직부(23)를 구성하는 활성영역에 빛이 투과되는 것을 방지하기 위하여 광차단막(25)이 산화막(26) 하부에 형성된다. 도면에서 도면부호 24는 층간절연막을 나타낸다.First, FIG. 2A illustrates a state in which an oxide film 26 is formed as an insulating film for passivation after completing a device constituting the light sensing unit 22 and the logic unit 23 on the silicon substrate 21 by a known method. It is a cross section of. Of course, as in the known method, the light blocking film 25 is formed under the oxide film 26 to prevent light from being transmitted to the active region constituting the logic section 23 other than the light sensing section 22. In the drawing, reference numeral 24 denotes an interlayer insulating film.
이어서, 도2b와 같이 광감지부(22)와 오버랩된 영역 이외의 산화막(26) 영역을 선택적으로 등방성 습식식각하기 위하여 광감지부(22)와 오버랩된 영역 상에 포토레지스트패턴(27)을 형성시키고, 등방성 습식식각 공정을 통하여 산화막(26)을 식각한다. 이에 이해 오목렌즈(28)가 완성된다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the photoresist pattern 27 is formed on the region overlapped with the photodetector 22 in order to selectively isotropically wet-etch the regions of the oxide film 26 other than the region overlapped with the photodetector 22. And the oxide layer 26 is etched through an isotropic wet etching process. In this way, the concave lens 28 is completed.
이어서, 도2c와 같이 포토레지스트패턴(27)을 제거하고, 상기 산화막(26) 보다 굴절율이 낮은 물질, 예컨대 수지(29)를 형성하여 기판 전면을 평탄화한다. 수지(29)는 베이킹에 의해 경화되어 있다. 흑백의 이미지를 얻기 위한 이미지센서는 여기서 공정이 마무리 될 것이다.Next, as shown in FIG. 2C, the photoresist pattern 27 is removed, and a material having a refractive index lower than that of the oxide layer 26, for example, a resin 29, is formed to planarize the entire surface of the substrate. The resin 29 is cured by baking. The image sensor to get a black and white image will be finished here.
한편 칼라 이미지를 얻기 위해서는 도2d에 도시된 바와 같이, 공지의 방법으로 칼라 필터(30) 형성 공정을 추가로 진행하면 된다.Meanwhile, in order to obtain a color image, as shown in FIG. 2D, the color filter 30 may be further formed by a known method.
도3은 칼라 필터 공정까지 진행한 이미지센서 소자에서 본 발명의 마이크로 오목렌즈가 갖는 작용효과를 개략적으로 나타낸 도면이다.3 is a view schematically showing the effect of the micro concave lens of the present invention in the image sensor device that has been advanced to the color filter process.
도3을 참조하면, 칼라필터(30)를 통해 광감지부(22)으로 입사되는 빛은 그대로 광감지 영역으로 들어오게 된다. 그리고 광감지부(22) 이외의 오목 렌즈(28)영역으로 입사되는 빛은 오목렌즈 면에서 굴절되어 광감지부(22)으로 들어오게 된다. 이는 오목렌즈를 형성하는 산화막(26)의 굴절율이 상부의 펑탄화를 위하여 사용한 수지(29)의 굴절율 보다 크기 때문이다. 즉, 산화막(26)의 굴절율이 크기 때문에 굴절되는 빛이 오목렌즈 면에 수직한 방향과 이루는 각인 θ22가 입사하는 빛이 오목 렌즈면에 수직한 방향과 이루는 각인 θ1보다 작아지게 된다. 따라서 광감지 부(22)으로 입사되는 빛의 양이 증가하므로 광감도를 높일 수 있는 것이다.Referring to FIG. 3, light incident to the light sensing unit 22 through the color filter 30 enters the light sensing region as it is. Light incident on the concave lens 28 region other than the light sensing unit 22 is refracted at the concave lens surface and enters the light sensing unit 22. This is because the refractive index of the oxide film 26 forming the concave lens is larger than the refractive index of the resin 29 used for the top flattening. That is, since the refractive index of the oxide film 26 is large, the angle θ 22, which is the angle at which the refracted light is formed in the direction perpendicular to the concave lens surface, is smaller than the angle θ 1 , which is the angle in which the incident light is in the direction perpendicular to the concave lens surface. Therefore, since the amount of light incident on the light sensing unit 22 is increased, the light sensitivity may be increased.
도4는 광감지부(22)와 오목렌즈(28)의 위치 관계를 나타내기 위한 평면도로서, 도면과 같이 마이크로 오목렌즈를 X축과 Y축으로 각각 형성시킬 수 있다. 이렇게 형성한 마이크로 오목 렌즈는 전체적으로는 반 원통형의(SEMI CYLINDRICAL) 형태를 갖는다.FIG. 4 is a plan view for showing the positional relationship between the light sensing unit 22 and the concave lens 28. As shown in the drawing, micro concave lenses may be formed on the X and Y axes, respectively. The micro concave lens thus formed has a semi-cylindrical shape as a whole.
이상에서 설명한 바와같이 본 실시예에서는 패시베이션을 이한 산화막을 선택적으로 습식식각하여 오목렌즈를 형성하였으나, 패시베이션용 산화막 이외에 BPSG 및 TEOS 산화막과 같은 층간산화막을 선택적으로 습식식각하여 오목렌즈를 형성할수 있으며, 단 이때의 산화막은 광차단막 상부에 형성된 것이여야 한다.As described above, in the present embodiment, the concave lens is formed by selectively wet etching the passivated oxide film, but the concave lens may be formed by selectively wet etching an interlayer oxide film such as BPSG and TEOS oxide film in addition to the passivation oxide film. However, the oxide film at this time should be formed on the light blocking film.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이미지센서 소자에서는 광감도를 높이기 위하여 마이크로 렌즈를 형성시키고 있는바, 본 발명은 기존에 사용하고 있던 패시베이션용 산화막을 선택적으로 습식식각하여 오목렌즈를 형성하는 것으로, 종래와 달리 별도의 렌즈형성용 수지를 사용하지 않아도 된다. 이에 의해 공정의 단순화, 비용 절감 등의 효과를 가져다 준다. 그리고 흑백의 이미지 뿐만아니라 마이크로 렌즈 형성 공정 이후에 종래의 칼라 필터 공정을 그대로 적용함으로써 칼라 이미지를 얻을 수 있다.In the image sensor device to form a microlens to increase the light sensitivity, the present invention is to form a concave lens by selectively wet etching the passivation oxide film used in the prior art, unlike conventional resin forming resin You do not need to use it. As a result, the process is simplified and the cost is reduced. In addition to the monochrome image, the color image may be obtained by applying the conventional color filter process as it is after the microlens forming process.
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