KR20000044586A

KR20000044586A - 높은 광감도를 갖는 이미지센서

Info

Publication number: KR20000044586A
Application number: KR1019980061085A
Authority: KR
Inventors: 우선웅; 황정웅; 이종근
Original assignee: 김영환; 현대전자산업 주식회사
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2000-07-15

Abstract

본 발명은 수광소자로 입사되는 빛의 투과도를 향상시켜 광감도를 개선한 이미지센서를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서는, 수광소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 웨이퍼; 상기 웨이퍼 상에 형성되어 상기 소자들을 보호하기 위한 보호막으로서의 산화막; 및 상기 산화막 상에 형성되어 보호막으로서의 기능과 비반사층으로서의 기능을 갖는 옥시나이트라이드막을 포함하여 이루지는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 본 발명에서는 옥시나이트라이드막을 광학적 계산에 의해 보호막에 도입한 것으로서, 보호막에서의 반사를 대폭 감소시키는 것이다.

Description

높은 광감도를 갖는 이미지센서

본 발명은 이미지센서(Image sensor) 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 광감도를 갖는 이미지센서 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 광투과도가 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 포토다이오드와 같은 수광소자(102)가 형성되고, 그 상부에 PMD(pre-metal dielectrics)층(103)이 형성되며, 그 상부에 제1금속층(104)과 IMD(inter-metal dielectrics)층(105), 제2금속층(106)이 차례로 형성된다. 제2금속층(106) 상에는 소자보호를 위한 보호막으로서 산화막(107)과 질화막(108)이 차례로 적층되며, 그 위로 칼라이미지센서의 경우에는 칼라필터어레이(CFA : color filter array)(109)와 OCM(over coating material)층(110)이 차례로 형성된다. 그리고 그 위로 집광을 위한 마이크로렌즈(도시되지 않음)가 형성된다.

OCM층(110)은 마이크로렌즈의 균일한 제조와 포커스 길이(focal length) 조절을 목적으로 적용되는 것으로서, 마이크로렌즈 물질과 유사한 복합다중체(polymer) 또는 마이크로렌즈 물질과 굴절률이 유사한 산화막이 주로 이용된다. 칼라필터어레이(109)의 재료로는 염색된 포토레지스트와 같은 복합다중체가 주로 이용된다. PMD층(103) 및 IMD층(105)은 통상 실리콘산화물계 박막이 적용된다.

이렇듯, 종래의 CMOS 이미지센서에서는, DLM(double level metalization) 또는 TLM(triple level metalization)을 기본으로 한 BEOL(back end of line) 공정기술을 바탕으로 제조되어 왔다. 그런데, 마이크로렌즈, OCM층, 및 칼라필터어레이를 통과한 가시광선의 강도는 외부에서 입사되는 강도의 50%정도이며, 이 정도의 강도를 갖는 빛이 보호막, IMD층 및 PMD층을 통과하게 되는바, 이때 각 층의 굴절률, 흡광계수(extinction coefficient)나 계면에 의해 굴절, 반사, 투과 간섭이 일어나게 된다. 결국 수광소자에 입사되는 빛은 이상의 상호작용에 의해 칼라필터어레이를 통과한 빛 강도보다 상당히 감소된 강도를 가지게 된다.

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 빛은 강도가 감소하게 되어 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 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래의 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101 : 실리콘기판 102 : 수광소자

103 : PMD층 104 : 제1금속층

105 : IMD층 106 : 제2금속층

107 : 보호막용 산화막 108 : 질화막

109 : 칼라필터어레이 110 : OCM층

201 : 제1옥시나이트라이드막 202 : 제2옥시나이트라이드막

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 수광소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 웨이퍼; 상기 웨이퍼 상에 형성되어 상기 소자들을 보호하기 위한 보호막으로서의 산화막; 및 상기 산화막 상에 형성되어 보호막으로서의 기능과 비반사층으로서의 기능을 갖는 제1옥시나이트라이드막을 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명은 상기 웨이퍼가, 상기 수광소자가 형성된 실리콘기판, 및 상기 실리콘기판상에 형성되어 비반사층의 기능을 갖는 제2옥시나이트라이드막을 더 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명은 상기 제1옥시나이트라이드막 상부에 형성된 칼라필터어레이, 및 상기 칼라필터어레이 상부에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하여 이루어진다.

본 발명에서 바람직하게, 상기 제1옥시나이트라이드막은 300∼400nm의 두께, 1.7∼1.9의 굴절률을 갖는 것을 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 인용하였다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도2를 참조하면, 실리콘기판(101)에 포토다이오드와 같은 수광소자(102)가 형성되고, 그 상부에 제1옥시나이트라이드막(Oxynitride layer)(201)이 형성된다. 상기 제1옥시나이트라이드막(201)은 실리콘 표면에서 반사되는 빛을 방지하기 위한 일종의 비반사층(ARC : anti-reflective coating)이다. 비반사층 상부로 PMD(pre-metal dielectrics)층(103), 제1금속층(104)과 IMD(inter-metal dielectrics)층(105), 및 제2금속층(106)이 차례로 형성되고, 그 위로 제2금속층(106) 상에는 소자보호를 위한 보호막으로서 산화막(107)과 제2옥시나이트라이드막(202)이 차례로 적층된다. 제2옥시나이트라이드막(202)은 소자보호를 위한 보호막으로서 작용하는 동시에 비반사층으로 작용한다. 제2옥시나이트라이드막(202) 상부로는 필요에 따라 칼라필터어레이(CFA : color filter array)(109)와 OCM(over coating material)층(110) 및 마이크로렌즈(도시되지 않음)가 차례로 형성된다.

바람직하게, 제1옥시나이트라이드막(201)은, SiH₄플로우 레이트(flow rate)를 0.2SLM, N₂0 플로우 레이트를 0.2SLM, N₂플로우 레이트를 2SLM으로 하고, 압력을 30Torr, 파워를 1KW로하여, 화학기상증착(CVD)으로 형성하고, 두께는 45nm, 굴절률은 2.6이 되도록 형성한다.

제2옥시나이트라이드막(202)은, SiH₄플로우 레이트(flow rate)를 0.23SLM, N₂0 플로우 레이트를 0.2SLM, N₂플로우 레이트를 2SLM으로 하고, 압력을 50Torr, 파워를 500KW로하여, 화학기상증착(CVD)으로 형성하고, 두께는 300∼400nm, 굴절률은 마이크로렌즈와 유사한 1.7∼1.9가 되도록 형성한다.

PMD층(103)은 LPCVD(low pressure CVD) TEOS막과 O₃BPSG막을 각각 300nm 및 500nm로 적층되어 이루어진다. IMD층(105)은 실리콘산화막과 SOG막이 적층되어 이루어진다. OCM층(110)은 마이크로렌즈 물질과 유사한 복합다중체(polymer) 또는 마이크로렌즈 물질과 굴절률이 유사한 산화막이 주로 이용된다. 칼라필터어레이(109)의 재료로는 염색된 포토레지스트와 같은 복합다중체가 주로 이용된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 수광소자로 입사되는 빛의 강도를 향상시키기 위해 본 발명에서는 옥시나이트라이드막을 광학적 계산에 의해 실리콘표면과 보호막에 도입한 것으로서, 실리콘기판에 의한 반사와 보호막에서의 반사를 대폭 감소시키는 것이다.

특히 본 발명에서 제2옥시나이트라이드막(202)은 외부로부터 수분이나 오염을 막는 보호막의 기능과 함께 광학적인 비반사층(ARC layer)의 기능을 동시에 보유한다.

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 종래의 이미지센서 보다 우수한 광감도를 가지는 제품을 제조하게 되며 동시에 소자의 신뢰성도 확보하게 된다.

Claims

이미지센서에 있어서,

수광소자를 포함하는 관련된 소자들이 형성된 웨이퍼;

상기 웨이퍼 상에 형성되어 상기 소자들을 보호하기 위한 보호막으로서의 산화막; 및

상기 산화막 상에 형성되어 보호막으로서의 기능과 비반사층으로서의 기능을 갖는 제1옥시나이트라이드막

을 포함하여 이루어진 이미지센서.
제1항에 있어서,

상기 웨이퍼는,

상기 수광소자가 형성된 실리콘기판; 및

상기 실리콘기판상에 형성되어 비반사층의 기능을 갖는 제2옥시나이트라이드막

을 더 포함하여 이루어진 이미지센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1옥시나이트라이드막 상부에 형성된 칼라필터어레이; 및

상기 칼라필터어레이 상부에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하여 이루어진 이미지센서.
제3항에 있어서,

상기 제1옥시나이트라이드막은 300∼400nm의 두께, 1.7∼1.9의 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.