KR20010004114A - 이미지센서의 마이크로렌즈 및 그 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열성을 향상시키기 위하여 절연막을 이용하여 제작되며, 추가의 마스크 필요없이 간단한 공정으로 제작가능한 구조의 마이크로렌즈를 제공하고자 하는 것으로 이를 위한 본 발명의 마이크로렌즈는, 이미지센서의 마이크로렌즈에 있어서, 광감지소자에 빛이 수직으로 입사하는 범위에서 상기 광감지소자에 대향하는 위치에 형성되며 그 상단이 실질적으로 평탄한 제1광투과절연막; 및 상기 제1광투과절연막의 측벽에 스페이서로서 형성되어 상기 광감지소자의 가장자리와 이를 벗어난 지역으로 입사되는 빛을 집광하기 위한 제2광투과절연막을 포함하여 이루어진다. 바람직하게, 상기 제2광투과절연막은 상기 제1광투과절연막의 측벽에 다수개 적층 형성되며, 상기 제1광투과절연막은 실리콘옥시나이트라이드막이고, 상기 제2광투과절연막은 실리콘나이트라이드막임을 특징으로 한다.

Description

이미지센서의 마이크로렌즈 및 그 형성방법{Micro lens of image sensor and method for forming the same}

본 발명은 이미지센서(image sensor) 제조방법에 관한 것으로, 특히 CMOS 이미지센서의 마이크로렌즈 및 그 형성방법에 관한 것이다.

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 마이크로렌즈 형성 기술이다.

도1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도1을 참조하면, 필드절연막(2)에 의해 분리되어있는 기판(1)의 액티브영역에 광감지소자로서 포토다이오드(3)가 형성되며, 그 상부로 층간절연막 및 소자보호막 등의 절연막(4)이 형성된다. 그리고, 각 단위픽셀의 포토다이오드에 대향하는 위치에 칼라필터(5)가 어레이되어 형성되고 그 상부로 마이크로렌즈(6)가 형성된다.

칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루질 수 있다.

마이크로렌즈(6)는 그 재질이 포토레지스트(Photoresist)이다. 포토레지스트는 굴절률도 우수하고 빛의 투과성도 좋은 반면 열에 취약한 단점이 있다. 도1에 보듯이 마이크로렌즈(1)는 칼라필터(5) 어레이의 각 상부에 돔 형식으로 얹혀지는 구조를 가지는데, 포토레지스트로 형성된 경우 주변온도가 약 250℃ 이상을 넘어가게 되면 형태의 변형이 발생하며 이는 카메라의 렌즈가 손상되는 경우와 흡사하므로 올바른 외부 영상입력을 받아들일 수없는 문제가 생긴다.

렌즈의 고온 내열성이 필요한 몇가지가 있는데 먼저 패키지 문제를 들 수 있다. 패키지는 그 종류에 따라 공정상 제작되는 온도가 각각 다르다. 특히 전체 영상처리 시스템을 구성하는 과정에서 보다 집적된 구조를 형성하기 위해서는 축소되고 박막화된 패키지 형태가 필요한데 이를위해 사용되는 패키지 기술은 고온(250℃ 이상)을 요하는 경우가 있다. 이때 열적으로 취약한 렌즈가 사용되면 적용 가능한 패키지 형태가 제한되는 결과를 낳으며 이는 전체 시스템의 규모를 축소시키는데 걸림돌이 된다.

그 다음으로 필요한 이유는 이미지 센서가 사용되는 현장의 주변 환경문제에 있다. 현재 포토레지스트로 만든 렌즈를 사용하는 센서의 경우 항공우주 분야나 사막, 지하공사 현장등 작업 온도환경이 극한의 조건인 경우에서는 사용이 불가능하므로 활용범위의 제약이 따르는 문제가 있다.

이러한 어려움 때문에 산화막(SiO₂)으로 렌즈를 구현하는 기술로서, 습식식각에 의한 오목한 반구형의 렌즈를 형성하는 기술 또는 경사 건식 식각을 사용하여 반구형의 산화막을 형성하는 기술 등이 발표되고 있으나, 이러한 기술들은 렌즈를 원하는 모양으로 만들수 없어 그 형상이 일그러지거나, 또한 공정을 위해 다수의 마스크가 필요하거나, 공정이 난이하다는 등의 문제점이 존재하게 된다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내열성을 향상시키기 위하여 절연막을 이용하여 제작된 마이크로렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 추가의 마스크 필요없이 간단한 공정으로 제작가능한 구조의 마이크로렌즈를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 추가의 마스크 필요없이 간단한 공정으로 내열성이 우수한 마이크로렌즈를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

도1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로렌즈 구성을 나타낸 단면도,

도3a 내지 도3e는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로렌즈 형성방법을 보여주는 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 기판 22 : 필드산화막

23 : 포토다이오드 24 : 절연막

25 : 칼라필터 26 : 실리콘옥시나이트라이드막

27 : 실리콘나이트라이드막

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로렌즈는, 이미지센서의 마이크로렌즈에 있어서, 광감지소자에 빛이 수직으로 입사하는 범위에서 상기 광감지소자에 대향하는 위치에 형성되며 그 상단이 실질적으로 평탄한 제1광투과절연막; 및 상기 제1광투과절연막의 측벽에 스페이서로서 형성되어 상기 광감지소자의 가장자리와 이를 벗어난 지역으로 입사되는 빛을 집광하기 위한 제2광투과절연막을 포함하여 이루어진다.

상기 본 발명의 마이크로렌즈에서, 바람직하게 상기 제2광투과절연막은 상기 제1광투과절연막의 측벽에 다수개 적층 형성되며, 상기 제1광투과절연막은 실리콘옥시나이트라이드막이고, 상기 제2광투과절연막은 실리콘나이트라이드막임을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로렌즈 제조방법은, 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법에 있어서, 소정 공정이 완료된 기판 상에 제1광투과절연막을 증착하는 제1단계; 상기 제1광투과절연막을 패터닝하는 제2단계; 및 상기 제1광투과절연막의 측벽에 제2광투과절연막을 스페이서로서 형성하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명의 마이크로렌즈 제조방법에서, 바람직하게 상기 제2광투과절연막은 증착 및 비등방성 전면식각을 다수번 반복하여 적층된 스페이서로서 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1광투과절연막은 적어도 26000Å의 두께를 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.

앞서 설명한 종래기술의 문제점은 포토레지스트로 형성된 마이크로렌즈가 고온에서 형태의 변형을 일으킨다는 점에 기인하였다. 그러므로 이러한 온도 문제를 해결하기 위해선 빛의 투과성과 굴절률이 어느정도 만족되면서 고온에서도 견딜 수 있는 대체물질로 렌즈를 형성하는 기술이 필요하며 이러한 기술이 기존 제조비용의 동결 내지는 절감의 효과도 동시에 이루기 위해선 마스크 수의 증가나 실험적이며 고도의 기술을 요구하는 공정을 필요로 하지 않아야 한다.

이에 본 발명에서는 800℃ 이상의 고온 환경에서도 견딜 수 있고 빛의 투과성도 양호하며 반도체공정상 범용적으로 쓰이고 있는 절연막을 이용하여 렌즈를 형성하는 기술을 제안한다.

도2에는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로렌즈 구성을 잘 나타내고 있다. 도2에는 하나의 포토다이오드(23) 상에 대응되는 하나의 마이크로렌즈(26, 27)만이 도시되어 있다.

본 발명의 렌즈는 칼라필터(25)상에 형성된(칼라이미지구현이 필요없다면 소자보호막 상에 형성 됨) 두가지 물질로 이루어진다. 그 하나는 포토다이오드(23)의 중앙부위를 기준으로 외부영상이 포토다이오드에 수직으로 입사가능한 범위에서 형성되며 그 상단부가 실질적으로 평탄한 실리콘옥시나이트라이드막(SiON)(26)이고, 다른 하나는 포토다이오드(23)의 가장자리 부분과 이에 어느 정도 벗어난 부분에서 상기 실리콘옥시나이트라이드막(26)의 측벽에 형성되는 스페이서 형상의 일반 실리콘나이트라이드막(Si₃N₄)(27)이다.

이렇게 두가지 물질을 사용하는 이유는 다음과 같다.

하나의 포토다이오드(2)에 모이는 영상정보는 수직한 방향으로 입사하는 것과 굴절되어 입사하는 두가지가 존재한다. 여기서 수직한 방향으로 입사되는 영상정보는 최종 영상정보의 80% 이상을 차지하며 포토다이오드(23) 중앙을 기준으로 전체 폭의 90% 정도에 달하는 영역이 수직입사 영상정보의 경로이므로 마이크로렌즈에서 이 부위를 덮고 있는 곳의 물질은 무엇보다도 빛의 투과율이 높아야 할 필요성이 있다. 이에 여러 절연막중에서 본 조건을 만족시키는 실리콘옥시나이트라이드막(26)이 사용되었다. 그리고 포토다이오드(23)의 폭 중 10%의 비중을 가지는 가장자리와 여기서 1∼2%정도 더 벗어난 지역으로 입사하는 영상을 포토다이오드의 중앙부위로 집약하기 위해서는 빛의 굴절이 필요하며 이에 해당지역을 덮고있는 마이크로렌즈의 형태는 원형으로 형성되어야 한다. 형태뿐 만이 아니라 물질 자체의 굴절률 또한 좋아야 하므로 빛 투과율은 실리콘옥시나이트라이드막(26)에 비해 다소 뒤지지만 굴절률이 우수한 일반 실리콘나이트라이드막(27)를 사용하게 되었다.

한편, 스페이서 형상의 나이트라이드막(27)은 다수의 나이트라이드막(27a, 27b, 27c)이 적층되는 즉 다수의 스페이서가 적층되는 구조를 가지는것이 바람직한 바, 그 이유는 원하는 원형 형상을 얻기 위한 것으로서 이후에 설명될 제조 방법상에서 상세히 언급될 것이다. 그리고 미설명 도면부호 21은 기판, 22는 필드산화막, 24는 절연막을 각각 나타낸다.

그러면 이들의 단계적인 공정을 살펴본다. 도3a 내지 도3e는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로렌즈 형성방법을 보여주는 단면도이다.

먼저, 도3a에서 처럼 포토다이오드(23)를 포함하는 소정의 소자가 형성된 기판 상에 실리콘옥시나이트라이드막(26)을 증착한다. 본 실시예는 칼라이미지 구현을 위한 칼라필터(25) 어레이 상에 실리콘옥시나이트라이드막(26)이 증착된 것을 보여준다. 이때의 증착 두께는 향후 원하는 제품의 특성이 바뀔 때마다 변화 가능하나 현재 자사의 제품규격을 기준으로 볼 때 약 26000Å 정도가 적정하다. 특히 이후 완성될 렌즈의 측벽 곡률을 적정 수준으로 유지하기 위해선 그 두께는 일정 수준 이상이 유지되어야 하나, 두께에 독립적으로 렌즈의 가장자리 곡률 조건을 완화시키는 물질이나 기술이 개발되면 실리콘옥시나이트라이드막(26)의 증착 두께가 더 낮아지는게 가능하다.

이어서 도3b는 통상의 마스크 및 식각 공정을 실시하여 외부영상이 포토다이오드(23)에 수직으로 입사가능한 범위에 실리콘옥시나이트라이드막(26)을 패터닝한 상태이다.

이어서, 나이트라이드막을 이용하여 렌즈의 가장 자리를 윈형으로 형성하게 되는데, 이를 위하여 우선 도3c와 같이, 결과물의 전면에 실리콘나이트라이드막(27a)를 증착한다. 그후 도3d와 같이 전면 식각공정을 진행하여 패턴된 실리콘옥시나이트라이드막(26)의 측벽에 스페이서 형태로 실리콘나이트라이드막(27a)을 형성시킨다.

여기서 포토다이오드 폭 길이 중 10%정도에 해당하는 가장자리("a")와 1∼2%정도 더 벗어난 외곽지역("b")을 일시에 덮기 위하여 실리콘나이트라이드막(27a)의 두께를 무조건 두껍게 한후 스페이서 공정을 진행한다면 원하는 렌즈 곡률을 적정수준으로 형성하기 어렵게 되고 렌즈 표면의 불균일성 문제 또한 야기시킨다.

이런 문제를 해결하기 위해서는 실리콘나이트라이드막(27a)의 증착두께를 일정 수준이하로 제한함과 동시에 스페이서 공정을 수회 반복하여 렌즈를 완성할 필요가 있다. 여기서 일정 수준이라 함은 스페이서 공정을 3회에서 4회 정도로 반복했을때 폭 "a"와 "b"가 완전하게 덮이는 것을 기준으로 하여 결정되는 값이다. 결과적으로 실리콘나이트라이드막의 1회 증착두께는 "a"와 "b"를 합한 길이의 40∼50%가 되면 된다. 지금까지 설명된 방법의 최종결과는 도3e에 도시되어 있는 바, 도면에 나타나듯이 여러겹의 스페이서가 형성됨으로써 마이크로렌즈의 가장자리는 원하는원형의 모습을 가지게 된다.

전술한 바와같은 본 발명은 공정측면에서 볼때, 종래의 포토레지스트를 이용한 렌즈 형성 기술에서도 한번의 마스크작업은 꼭 필요하므로 서로 비교했을때 추가의 마스크 작업이 발생하지 않았음을 알 수 있으며, 이에 별도의 레티클(Reticle) 제작이 필요치 않은 장점이 있다. 또한 평소 반도체공정상 자주 사용하는 스페이서 형성 기술을 이용하기 때문에 제조 공정상의 사고 위험 또한 없고 신기술 적용에 따라 발생하는 추가 비용 부담이 없는 장점을 가지고 있다. 그리고 현재 보유된 기술로 실현가능하므로 즉시 현장에서의 적용이 가능한다.

제품측면에서는 종래의 포토레지스트로 만들어진 마이크로렌즈에 비해 열적 내구성이 월등히 향상되므로 이미지센서의 패키지 문제로부터 사용환경에 대한 제약까지 존재했던 문제들을 해결할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명은 이미지센서 칩의 내열성 및 내구성을 증대시키며, 이용가능한 환경의 제약 완화로 수요증대를 창출할 수 있으며, 마스크 작업수의 변동이 없으므로 공정 비용의 추가 부담이 없고 기존의 기술을 활용하는 것에 의해 신기술 적용에 따른 추가비용의 부담이 없다는 기술적 및 경제적 장점들을 갖는다.

Claims (10)

1. 이미지센서의 마이크로렌즈에 있어서,

   광감지소자에 빛이 수직으로 입사하는 범위에서 상기 광감지소자에 대향하는 위치에 형성되며 그 상단이 실질적으로 평탄한 제1광투과절연막; 및

   상기 제1광투과절연막의 측벽에 스페이서로서 형성되어 상기 광감지소자의 가장자리와 이를 벗어난 지역으로 입사되는 빛을 집광하기 위한 제2광투과절연막

   을 포함하여 이루어진 이미지센서의 마이크로렌즈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2광투과절연막은 상기 제1광투과절연막의 측벽에 다수개 적층 형성됨을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1광투과절연막은 실리콘옥시나이트라이드막임을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제2광투과절연막은 실리콘나이트라이드막임을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈.
5. 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법에 있어서,

   소정 공정이 완료된 기판 상에 제1광투과절연막을 증착하는 제1단계;

   상기 제1광투과절연막을 패터닝하는 제2단계; 및

   상기 제1광투과절연막의 측벽에 제2광투과절연막을 스페이서로서 형성하는 제3단계

   를 포함하여 이루어진 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제3단계는,

   상기 제2단계가 완료된 결과물의 전면에 제2광투과절연막을 증착하는 제4단계; 및

   상기 제4단계에서 증착된 제2광투과절연막을 비등방성 전면 식각하는 제5단계로 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제3단계는,

   상기 제2광투과절연막은 증착 및 비등방성 전면식각을 다수번 반복하여 적층된 스페이서로서 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.
8. 제5항에 있어서,

   상기 제1광투과절연막은 적어도 26000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.
9. 제5항 내지 제8항중 어느한 항에 있어서,

   상기 제1광투과절연막은 실리콘옥시나이트라이드막임을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.
10. 제5항 내지 제8항중 어느한 항에 있어서,

    상기 제2광투과절연막은 실리콘나이트라이드막임을 특징으로 하는 이미지센서의 마이크로렌즈 제조방법.