KR20000014604A - 고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단위 화소의 길이가 짧은 쪽과 긴 쪽의 마이크로렌즈의 곡률을 동일하게 형성하여 감도를 향상시킬 수 있는 고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 가로, 세로의 길이가 다른 단위 화소 갖는 반도체 기판에 복수 개의 광 다이오드, 게이트 전극층, 그리고 채널 영역이 형성된 후, 광 다이오드와 대응되도록 컬러 필터 어레이가 형성된다. 이때, 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 어레이는 각각의 컬러층이 서로 겹치게 형성되어 단차를 갖는다. 광 다이오드에 입사되는 광을 모으는 복수 개의 집광 렌즈가 형성되는데, 이는 컬러 필터 어레이의 단차에 의해 단위 화소의 길이가 긴 쪽과 짧은 쪽의 곡률이 동일하게 형성된다. 이와 같은 고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법은, 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 형성시 각 컬러층을 서로 겹치게 하여 단차를 갖도록 형성함으로써 상기 단차만큼 상기 마이크로렌즈 에지 부분의 두께는 감소되고, 곡률 반경은 크게 되어 단위 화소의 길이가 짧은 쪽과 긴 쪽의 마이크로렌즈 곡률이 동일하게 형성된다. 따라서, 입사광의 손실 없이 광 다이오드로 입사광을 집속할 수 있고, 초점 길이가 동일해짐에 따라 감도를 향상시킬 수 있으며, 화질의 선명도 및 균일도를 향상시킬 수 있다.

Description

고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법(SOLID-STATE COLOR IMAGING DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME)
본 발명은 고체 컬러 이미지 소자(solid-state color imaging device) 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 고체 컬러 이미지 소자의 컬러 필터 제조 방법에 관한 것이다.
온칩(on_chip) 방식으로 형성하는 고체 컬러 이미지 소자용 컬러 필터는 소자의 상부에 제 1 평탄층, 컬러 필터 어레이, 상기 컬러 필터 어레이의 보호 및 마이크로렌즈의 초점 길이 조절용인 제 2 평탄층, 그리고 마이크로렌즈층으로 나눌 수 있다.
CCD(charge-coupled device)가 소형화 및 다화소(many pixels)화 되어 감에 따라 감도 향상을 위해 마이크로렌즈의 형성 공정은 매우 중요한 기술로 부각되고 있다. 기존의 감도 향상용 마이크로렌즈는 통상의 단위 화소(unit pixel) 모양에서 크게 벗어나지 않고 화소의 모양에 맞게 사각형 또는 원형으로 마스크를 제작하여 실제 공정에 적용되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 고체 컬러 이미지 소자의 구조를 보여주는 도면으로서, 각각 X축과 Y축으로 절취한 단면도이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 X축과 Y축으로 절취한 쪽의 마이크로렌즈의 초점 길이를 보여주는 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 고체 컬러 이미지 소자는, 반도체 기판(10) 상에 광 다이오드(photo diode)(12) 및 게이트 전극층(20)이 형성되어 있다. 상기 광 다이오드(12)는 상기 반도체 기판(10)에 불순물 이온을 주입함으로써 형성되며, 입사광에 반응하여 변화 캐리어(change carriers)를 발생시킨다. 그리고, 상기 게이트 전극층(20)은 게이트 산화막(16) 상에 차례로 형성된 제 1 폴리실리콘막(18a) 및 제 2 폴리실리콘막(18b)을 포함한다.
상기 반도체 기판(10) 상에 제 1 평탄층(22) 및 컬러 필터 어레이(24)가 차례로 형성되어 있다. 상기 컬러 필터 어레이(24)를 완전히 덮도록 상기 제 1 평탄층(22) 상에 제 2 평탄층(26)이 형성되어 있다. 상기 제 2 평탄층(26)은 상기 컬러 필터 어레이(24)를 보호하고, 마이크로렌즈 초점 길이를 조절하는 역할을 한다. 그리고, 상기 제 2 평탄층(26) 상에 상기 각각의 화소에 대응되도록 마이크로렌즈(28)가 형성되어 있다. 이때, 상기 마이크로렌즈(28)는 단위 화소의 가로와 세로의 길이가 다르기 때문에 X축과 Y축의 패턴이 서로 다른 크기를 갖는다.
상기 마이크로렌즈(28)는 외부로부터의 입사광량을 최대한 활용하기 위해 단위 화소의 70%-80%에 해당하는 크기로 형성하는 것이 감도 증가 효과 및 공정 컨트롤(control)에 용이하다. 그리고, 단위 화소가 긴 쪽과 짧은 쪽의 상기 마이크로렌즈(28)의 두께는 같지만, 가로와 세로의 길이가 다르기 때문에 마이크로렌즈(28a)의 곡률은 다르게 형성되어 초점 길이도 다르게 된다.
단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 마이크로렌즈(28a)를 통해 입사된 광은 도 2a와 같이, 초점의 포인트(point)가 광 다이오드(12)의 상부에 있고, 상기 광 다이오드(12) 표면에 넓은 면적으로 집광(spot)되며, 마이크로렌즈(28a)의 에지(edge) 부분을 통해 입사한 광은 광 다이오드(12) 이외의 영역으로 입사됨을 알 수 있다. 그리고, 단위 화소의 길이가 긴 쪽의 마이크로렌즈(28a)를 통해 입사된 광은 도 2b에 도시된 바와 같이, 초점 포인트가 광 다이오드(12) 표면의 중앙에 포커싱(focusing)된다. 반대로, 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 마이크로렌즈를 초점 길이에 맞추게 되면, 길이가 긴 쪽이 포커싱되지 않는다.
상술한 바와 같이, 단위 화소의 길이가 긴 쪽과 짧은 쪽의 서로 다른 곡률에 의해 초점 길이가 다르게 되어 감도가 저하되고, 이로 인해 스미어(smear) 및 입사광의 유실 그리고 인접 화소로의 입사에 따른 화질의 선명도 열화 등의 문제점이 생기게 된다.
본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 직사각형인 단위 화소에 형성되는 마이크로렌즈의 곡률을 조정하여 감도를 향상시킬 수 있고, 화질의 선명도 및 균일도를 향상시킬 수 있는 고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 고체 컬러 이미지 소자의 구조를 보여주는 도면으로서, 각각 X축과 Y축으로 절취한 단면도;
도 2a 및 도 2b는 각각 X축과 Y축으로 절취한 종래의 마이크로렌즈의 초점 길이를 보여주는 도면;
도 3a 및 도 3b는 각각 X축과 Y축으로 절취한 본 발명의 실시예에 따른 고체 컬러 이미지 소자의 구조를 보여주는 단면도; 그리고
도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c는 각각 X축과 Y축으로 절취한 본 발명의 실시예에 따른 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 100 : 반도체 기판 12, 102 : 광 다이오드
20, 110 : 게이트 전극층 22, 112 : 제 1 평탄층
24, 114 : 컬러 필터 어레이 26, 116 : 제 2 평탄층
118 : 마이크로렌즈 패턴 28, 118a : 마이크로렌즈
(구성)
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 가로, 세로의 길이가 다른 단위 화소를 갖는 고체 컬러 이미지 소자는, 복수 개의 광 다이오드, 게이트 전극층, 그리고 채널 영역이 형성된 반도체 기판과; 상기 광 다이오드와 대응되도록 형성된 컬러 필터 어레이 및; 상기 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 어레이는 각각의 컬러층이 서로 겹치게 형성되어 단차를 갖고, 상기 광 다이오드에 입사되는 광을 모으는 복수 개의 집광 렌즈를 포함하되, 상기 컬러 필터 어레이의 단차에 의해 상기 단위 화소의 길이가 긴 쪽과 짧은 쪽의 집광 렌즈의 곡률이 동일하게 형성된다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 가로, 세로의 길이가 다른 단위 화소를 갖는 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법은, 복수 개의 광 다이오드, 채널 영역, 그리고 게이트 전극을 갖는 반도체 기판 상에 제 1 평탄층을 형성하는 단계와; 상기 제 1 평탄층 상에 상기 광 다이오드와 대응되는 컬러 필터 어레이를 형성하되, 상기 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 어레이는 각각의 컬러층이 서로 겹치도록 하여 단차를 갖도록 형성하는 단계와; 상기 반도체 기판의 전면에 제 2 평탄층을 형성하는 단계 및; 상기 제 2 평탄층 상에 상기 광 다이오드와 대응되는 복수 개의 집광 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
(작용)
도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 신규한 고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법은, 가로, 세로의 길이가 다른 단위 화소 갖는 반도체 기판에 복수 개의 광 다이오드, 게이트 전극층, 그리고 채널 영역이 형성된 후, 광 다이오드와 대응되도록 컬러 필터 어레이가 형성된다. 이때, 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 어레이는 각각의 컬러층이 서로 겹치게 형성되어 단차를 갖는다. 광 다이오드에 입사되는 광을 모으는 복수 개의 집광 렌즈가 형성되는데, 이는 컬러 필터 어레이의 단차에 의해 단위 화소의 길이가 긴 쪽과 짧은 쪽의 곡률이 동일하게 형성된다. 이와 같은 고체 컬러 이미지 소자 및 그의 제조 방법은, 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 형성시 각 컬러층을 서로 겹치게 하여 단차를 갖도록 형성함으로써 상기 단차만큼 상기 마이크로렌즈 에지 부분의 두께는 감소되고, 곡률 반경은 크게 되어 단위 화소의 길이가 짧은 쪽과 긴 쪽의 마이크로렌즈 곡률이 동일하게 형성된다. 따라서, 입사광의 손실 없이 광 다이오드로 입사광을 집속할 수 있고, 초점 길이가 동일해짐에 따라 감도를 향상시킬 수 있으며, 화질의 선명도 및 균일도를 향상시킬 수 있다.
(실시예)
이하, 도 3a 및 도 3b, 도 4a 내지 도 4c, 그리고 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 X축과 Y축으로 절취한 본 발명의 실시예에 따른 고체 컬러 이미지 소자의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 고체 컬러 이미지 소자는, 반도체 기판(100)에 광 다이오드(102) 및 게이트 전극층(110)이 형성되어 있다. 상기 광 다이오드(102)는 불순물 이온을 주입함으로써 형성되며, 마이크로렌즈를 통해 입사된 광에 반응하여 변화 캐리어(change carriers)를 발생시킨다.
상기 광 다이오드(102)에서 발생된 캐리어를 전송하는 채널 영역(103)의 반도체 기판(100) 상에 형성된 상기 게이트 전극층(110)은 게이트 산화막(106) 상에 제 1 폴리실리콘막(108a) 및 제 2 폴리실리콘막(108b)이 차례로 적층되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 폴리실리콘막(108a 및 108b)은 각각 CCD 소자의 게이트 전극으로 사용된다. 상기 게이트 전극층(110)을 둘러싸도록 광 차폐막이 형성되어 있다.
상기 반도체 기판(100) 상에 제 1 평탄층(112) 및 컬러 필터 어레이(114)가 차례로 형성되어 있다. 상기 제 1 평탄층(112)은 패드(111) 보호 및 컬러 필터 어레이 형성을 위한 층이다. 그리고, 상기 컬러 필터 어레이(114)는 상기 각각의 광 다이오드(102) 즉, 화소에 각각 대응하도록 형성된 레드 컬러층(R), 그린 컬러층(G), 그리고 블루 컬러층(B)을 포함한다.
상기 컬러 필터 어레이(14)의 형성시, 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 각각의 컬러층을 약 2㎛ 정도 오버랩되게 함으로써 상기 컬러 필터 어레이(114)는 각각의 컬러층이 접한 부분에 단차가 생기게 된다.
상기 컬러 필터 어레이(114)를 포함하여 상기 제 1 평탄층(112) 상에 제 2 평탄층(116)이 형성되어 있다. 상기 제 2 평탄층(116)은 상기 컬러 필터 어레이(114)의 단차에 의해 오버랩된 부분이 상기 컬러층의 두께인 약 1㎛ 내지 1.5㎛ 정도의 두께를 갖는 요철 모양으로 형성되어 있다. 상기 제 2 평탄층(116) 상에 상기 각각의 화소에 대응되는 마이크로렌즈(118a)가 형성되어 있다. 이때, 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 상기 마이크로렌즈(118a)는 상기 제 2 평탄층(116)의 요철 부분에 의해 단위 화소의 길이가 긴 쪽의 마이크로렌즈(118a)와 동일한 곡률 반경을 갖도록 형성된다.
상술한 바와 같은 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법은 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c는 각각 X축과 Y축으로 절취한 본 발명의 실시예에 따른 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
도 4a 및 도 5a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 불순물 이온을 주입함으로써 광 다이오드(photo diode)(102)가 형성된다. 상기 광 다이오드(102)는 입사광에 반응하여 변화 캐리어(change carriers)를 발생시킨다. 상기 광 다이오드(102)에서 발생된 캐리어를 전송하는 채널 영역(103)의 반도체 기판(100) 상에 게이트 전극층(110)이 형성된다. 상기 게이트 전극층(110)은 게이트 산화막(106) 상에 1 폴리실리콘막(108a) 및 제 2 폴리실리콘막(108b)이 차례로 적층된 구조를 가지며, 광차폐막에 의해 둘러싸이도록 형성된다. 상기 제 1 및 제 2 폴리실리콘막(108a 및 108b)은 각각 CCD 게이트 전극으로 사용된다.
도 4b 및 도 5b에 있어서, 상기 반도체 기판(100)의 전면에 제 1 평탄층(112)이 형성된다. 상기 제 1 평탄층(112)은 패드(111) 보호 및 컬러 필터 어레이 형성을 위해 사용된다. 다음에, 상기 제 1 평탄층(112) 상에 상기 광 다이오드(102)에 대응되는 컬러 필터 어레이(114)가 형성된다. 상기 컬러 필터 어레이(114)는 레드 컬러층(R), 그린 컬러층(G), 그리고, 블루 컬러층(B)을 포함하며, 피염색체를 도포, 노광, 현상, 염색, 그리고 방염처리를 컬러별로 3회씩 실시함으로써 형성된다.
이때, 상기 컬러 필터 어레이(114)의 형성시 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 각각의 컬러층 에지 부분을 약 2㎛ 정도 오버랩(overlap)시킴으로써 도 4b와 같이, 상기 각각의 컬러층이 접하는 부분에 단차가 생긴다.
상기 마이크로렌즈(114)를 포함하여 상기 컬러 필터 어레이(114) 상에 제 2 평탄층(116)이 형성된다. 상기 제 2 평탄층(116)은 단위 화소의 길이가 짧은 쪽에 상기 컬러 필터 어레이(114)에 의해 상기 컬러 필터 어레이(114)의 두께인 약 1㎛ 내지 1.5㎛ 정도만큼 단차를 갖도록 형성된다. 그리고, 상기 제 2 평탄층(116)은 상기 컬러 필터 어레이(114)의 보호와 후속 공정에서 형성되는 집광 마이크로렌즈의 초점 길이(focal length) 조절을 위한 층이다. 다음에, 상기 제 2 평탄층(116) 상에 마이크로렌즈 패턴(118)이 형성된다.
마지막으로, 상기 마이크로렌즈 패턴(118)을 써멀 플로우시킴으로써 도 4c 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 평탄층(116) 상에 상기 각각의 광 다이오드(102)와 대응되는 복수 개의 마이크로렌즈(118a)가 형성된다. 여기서, 상기 마이크로렌즈(118a)는 상기 제 2 평탄층(116)의 단차에 의해서 단위 화소의 길이가 긴쪽과 짧은 쪽의 마이크로렌즈(118a) 곡률이 동일하게 형성된다.
따라서, 상기 단차만큼 상기 마이크로렌즈의 두께는 감소되고, 곡률 반경은 크게 되어 단위 화소의 길이가 짧은 쪽과 긴 쪽의 마이크로렌즈의 곡률이 동일하게 형성된다. 단위 화소의 길이가 긴 쪽과 짧은 쪽에 상기 마이크로렌즈(118)의 곡률이 동일하게 형성됨으로써 초점 길이가 같아져 광 다이오드(102)에 동일한 길이로 포커싱됨을 도 4c 및 도 5c를 통해 알 수 있다.
본 발명은 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 형성시 각 컬러층을 서로 겹치게 하여 단차를 갖도록 형성함으로써 상기 단차만큼 상기 마이크로렌즈 에지 부분의 두께는 감소되고, 곡률 반경은 크게 되어 단위 화소의 길이가 짧은 쪽과 긴 쪽의 마이크로렌즈 곡률이 동일하게 형성된다. 따라서, 입사광의 손실 없이 광 다이오드로 입사광을 집속할 수 있고, 초점 길이가 동일해짐에 따라 감도를 향상시킬 수 있으며, 화질의 선명도 및 균일도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 가로, 세로의 길이가 다른 단위 화소를 갖는 고체 컬러 이미지 소자에 있어서,
    복수 개의 광 다이오드, 게이트 전극층, 그리고 채널 영역이 형성된 반도체 기판과;
    상기 광 다이오드와 대응되도록 형성된 컬러 필터 어레이 및;
    상기 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 어레이는 각각의 컬러층이 서로 겹치게 형성되어 단차를 갖고,
    상기 광 다이오드에 입사되는 광을 모으는 복수 개의 집광 렌즈를 포함하되, 상기 컬러 필터 어레이의 단차에 의해 상기 단위 화소의 길이가 긴 쪽과 짧은 쪽의 집광 렌즈의 곡률이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 어레이는, 화소 크기의 50% 이하로 서로 겹치도록 하여 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 레드 컬러층(R), 그린 컬러층(G), 그리고 블루 컬러층(B)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈는 볼록 렌즈인 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법.
  5. 가로, 세로의 길이가 다른 단위 화소를 갖는 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법에 있어서,
    복수 개의 광 다이오드, 채널 영역, 그리고 게이트 전극을 갖는 반도체 기판 상에 제 1 평탄층을 형성하는 단계와;
    상기 제 1 평탄층 상에 상기 광 다이오드와 대응되는 컬러 필터 어레이를 형성하되, 상기 단위 화소의 길이가 짧은 쪽의 컬러 필터 어레이는 각각의 컬러층이 서로 겹치도록 하여 단차를 갖도록 형성하는 단계와;
    상기 반도체 기판의 전면에 제 2 평탄층을 형성하는 단계 및;
    상기 제 2 평탄층 상에 상기 광 다이오드와 대응되는 복수 개의 집광 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 평탄층은 절연막인 것을 특징으로 하는 고체 컬러 이미지 소자의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100749271B1 (ko) * 2001-11-06 2007-08-13 매그나칩 반도체 유한회사 칼라특성 향상을 위한 이미지 센서의 칼라필터 어레이 및 그 제조방법
KR20100130148A (ko) * 2009-06-02 2010-12-10 소니 주식회사 고체 촬상 장치, 그 제조 방법, 및 전자기기

Cited By (2)

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