KR20000044582A - 개선된 광 투과도의 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수광소자로 입사되는 빛의 투과도를 향상시켜 광감도를 개선한 이미지센서를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서는, 그 표면 하부로 수광소자가 형성된 실리콘층; 상기 수광소자 상부의 실리콘층 표면상에 형성된 비반사층으로서의 질화막; 상기 질화막 상에 형성된 층간절연막; 및 상기 층간절연막 상에 형성된 보호막을 포함하여 이루어진다. 바람직하게 상기 질화막은 상기 수광소자 상부지역에만 선택적으로 형성되어 있으며, 그 두께는 600∼700Å임을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이미지센서(Image sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 개선된 광 투과도(Light transmittance)의 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 "Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있으며, 그 중 하나가 칼라필터 상에 마이크로렌즈(micro lens)를 형성하는 방법이다. 그런데 이렇게, 집광기술에 의해서 광감도를 향상시키는 방법은, 이미지센서가 더욱더 고집적화되어감에 따라 광감도를 증대시키기에는 어느 정도 한계에 이르고 있다.
따라서, 광감지소자(포토다이오드) 상에 적층된 박막(절연막)들에 의해 광 투과도(light transmittance)가 저하되는 것을 방지하여 광감도를 향상시켜야 한다.
도1은 종래의 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 수광소자(포토다이오드) 상에 적층된 구조들을 보여주고 있다.
도1을 참조하면, 실리콘기판(101)에 필드절연막(103)과 포토다이오드와 같은 수광소자(102)가 형성되고, 그 상부에 PMD(pre-metal dielectrics)층(103)이 형성되며, 그 상부에 금속배선(105), 보호막(106), 및 칼라필터(color filter)(107)가 차례로 형성된다. 금속배선은 그 사이에 IMD(inter-metal dielectrics)층을 가지는 DLM(double level metalization) 또는 TLM(triple level metalization)의 다층 금속배선으로 이루어질 수 있으며, 보호막은 통상 산화막과 질화막이 적층된 구조를 갖는다. 그리고, 필요에 따라 칼라필터 상에는 집광을 위한 마이크로렌즈가 형성된다.
이렇듯, 종래의 CMOS 이미지센서에서는 마이크로렌즈, 칼라필터를 통과하면서 어느정도 빛이 반사되게 되는데, 더욱이 보호막(106) 및 절연막(104)들을 통과하면서 각 층의 굴절률, 흡광계수(extinction coefficient)나 계면에 의해 굴절, 반사, 투과 간섭이 일어나게 된다. 결국 수광소자(102)에 입사되는 빛은 이상의 상호작용에 의해 칼라필터를 통과한 빛 강도보다 상당히 감소된 강도를 가지게 된다. 예컨대 2μm으로 증착된 산화막(SiO2)과 실리콘 계면에서는 약 24%의 빛이 반사되어 손실된다.
따라서 종래에는 원래 목적으로 하는 강도보다 훨씬 감소된 강도의 빛이 입사되므로 수광소자의 광감도는 상당히 감소하게 된다. 이로 인해 다크(dark) 분위기에서 감도는 저하하게 되고, 이미지센서의 본래 기능은 저하하게 된다. 또한 단파장의 블루 빛에 대해서는 빛 투과도 문제가 더욱 심각하여 화이트 밸런스(white balance)가 맞지 않아 원하는 색상의 화상을 얻을 수 없게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 수광소자로 입사되는 빛의 투과도를 향상시켜 광감도를 개선한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
도1은 종래의 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도3 및 도4는 질화막이 존재하지 않는 종래기술과 질화막이 존재하는 본 발명 간의 비교를 위해 파장별 반사율을 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 실리콘기판 102 : 필드산화막
103 : 수광소자 104 : PMD층
105 : 금속배선 106 : 보호막
107 : 칼라필터어레이 201 : 비반사층용 질화막
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 그 표면 하부로 수광소자가 형성된 실리콘층; 상기 수광소자 상부의 실리콘층 표면상에 형성된 비반사층으로서의 질화막; 상기 질화막 상에 형성된 층간절연막; 및 상기 층간절연막 상에 형성된 보호막을 포함하여 이루어진다.
바람직하게 상기 질화막은 상기 수광소자 상부지역에만 선택적으로 형성되어 있으며, 그 두께는 600∼700Å임을 특징으로 한다.
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. 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도2를 참조하면, 실리콘기판(101)의 표면 하부로는 PN 접합을 이루는 활성영역에 의해 포토다이오드와 같은 수광소자(102)가 형성되고, 그 상부에 질화막(Si3N4)(201)이 형성된다. 상기 질화막(201)은 실리콘표면에서 반사되는 빛을 방지하기 위한 일종의 비반사층(ARC : anti-reflective coating)이다. 비반사층 상부로 PMD(pre-metal dielectrics)층(104), 금속배선(104)과 보호막(106)이 차례로 적층되고, 계속적으로 필요에 따라서 칼라필터(color filter)(107)와 마이크로렌즈(도시되지 않음)가 차례로 형성된다. 본 실시예에서, 금속배선은 그 사이에 IMD(inter-metal dielectrics)층을 가지는 DLM(double level metalization) 또는 TLM(triple level metalization)의 다층 금속배선으로 이루어질 수 있으며, 보호막은 산화막과 질화막을 적층하여 실시 구성할 수 있다. 그리고, 일 예로서, PMD층(104)은 LPCVD(low pressure CVD) TEOS막과 O3BPSG막을 각각 300nm 및 500nm로 적층하여 구성하고, IMD층은 실리콘산화막과 SOG막을 적층하여 구성한다. 칼라필터(107)의 재료로는 염색된 포토레지스트와 같은 복합다중체가 주로 이용된다.
이상의 구조에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 절연막과 실리콘 계면에서 빛이 반사되는 것을 방지하기 위하여 질화막(201)을 형성한 것에 그 특징적 구성을 갖는 것으로서, 바람직하게, 질화막(201)은 가시광 영역에서 굴절률이 약 2.0 정도 되므로, 비반사기능을 최적으로 수행하기 위한 질화막(201)의 두께는 600∼700Å으로 형성한다. 또한, 질화막(301)은 마스크 및 식각 공정을 통해 수광소자(102) 상부에만 선택적으로 형성할 수도 있고, 기판 전면에 형성할 수도 있는데, 기판 전면에 형성할 때에는 스트레스 문제가 존재하므로 수광소자 상부에만 선택적으로 형성하는 것이 바람직하다.
도2의 구조에서, 칼라필터(107)와 공기 계면에서 약 7% 정도(공기의 굴절률=1, 칼라물질의 투과파장에서의 굴절률=1.7) 반사되나, 절연산화막을 지나서 수광소자로 입사되는 빛은 질화막이 반사방지 역할을 하여 반사가 상당히 줄어든 약 5%의 손실만을 가져온다. 이는 종래의 24%보다 상당히 줄어든 것이다.
도3 및 도4는 질화막이 존재하지 않는 종래기술(도3 참조)과 질화막이 존재하는 본 발명(도4 참조) 간의 비교를 위해 파장별 반사율을 나타낸 그래프이다.
도3을 참조하면 종래에는 수광소자 상에 절연산화막(SiO2)만이 존재할 경우 굴절률(약 1.5)과 실리콘의 굴절률(약 4.6) 차이로 인해 가시광선 영역에서 평균 24% 정도의 반사가 존재하나, 도4를 참조하면 수광소자 상부에 670Å 두께의 질화막이 형성된 본 발명에서는 반사되는 빛은 약 5% 정도로 줄어들었음을 알 수 있다.
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.
본 발명은 광 투과도 향상에 의해 우수한 광감도를 가지므로써 그 특성 및 신뢰성이 우수한 이미지센서를 제공하는 효과가 있다.
Claims (4)
- 이미지센서에 있어서,그 표면 하부로 수광소자가 형성된 실리콘층;상기 수광소자 상부의 실리콘층 표면상에 형성된 비반사층으로서의 질화막;상기 질화막 상에 형성된 층간절연막; 및상기 층간절연막 상에 형성된 보호막을 포함하여 이루어진 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 질화막은 상기 수광소자 상부에만 선택적으로 형성됨을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 보호막 상에 적층된 칼라필터와 마이크로렌즈를 더 포함하여 이루어진 이미지센서.
- 제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,상기 질화막은 그 두께가 600∼700Å임을 특징으로 하는 이미지센서.
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1998
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