KR20020039454A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 컬러 필터를 형성하지 않고 다중 슬릿(slit)을 이용한 분광법으로 원하는 컬러를 광감지 센서로 분리시킴으로서 컬러 이미지를 구현하도록 한 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 복수개의 광감지 소자와, 상기 광감지 소자를 포함한 기판의 전면에 형성되는 투명 절연막과, 상기 투명 절연막상에 일정한 간격을 갖고 형성되어 상기 광감지 센서 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위하여 형성되는 복수개의 광차폐층과, 상기 광차폐층 사이의 투명 절연막상에 형성되어 가시광이 투과하는 다중 슬릿과, 상기 투명 절연막내에 형성되어 상기 다중 슬릿을 통과하는 가시광에 대해 색 분리하는 복수개의 금속 컴파운드를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 다중 슬릿(slit)의 원리를 이용하여 컬러 이미지(color image)를 구현하는데 적당한 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서(image sensor)란 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon)이미지 센서로 나눈다.
먼저, CCD 이미지 센서는 개개의 MOS 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
그리고 CMOS 이미지 센서는 제어 회로(control circuit) 및 신호 처리 회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
현재까지 이미지 촬상 소자의 용도로 개발되어져 사용되는 대부분의 CCD는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 회로들에 비해서 고전압(+15V), -9V)을 이용해서 구동되고, CCD를 제작하는 공정은 기본적으로 바이폴라 트랜지스터를 구현하는 공정과 비슷하기 때문에 CMOS공정에 비해서 공정 단가도 높다는 문제점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 제시되고 있는 것이, 저전압 동작이 가능하고 소모 전력이 작으면서 공정 단가도 저렴한 CMOS 공정에서 촬상 소자를 구현하고자 CMOS 이미지 센서에 대한 연구 및 생산이 이루어지고 있다.
현재 CMOS 이미지 센서는 극미세 가공이 가능한 CMOS 트랜지스터의 제조공정을 대부분 적용할 수 있다는 장점이 있음에도 화질 측면에서의 문제로 인하여 보다 많은 연구 개발을 필요로 하고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 이미지 센서 및 칼라 필터의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 CMOS 또는 CCD 이미지 센서를 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 컬러를 구현하기 위하여 기판(11)에 일정한 간격을 갖고 형성된 복수개의 광감지 소자(B, G, R)(12)와, 상기 광감지 소자(12)를 포함한 기판(11)의 전면에 형성되는 투명 절연막(13)과, 상기 투명 절연막(13)상에 각 광감지 소자(12)의 위치에 대응하도록 상기 투명 절연막(13)상에 형성되어 색깔별 투과도 특성을 갖는 컬러 필터(color filter)(14)가 형성된다.
여기서 상기 광감지 소자(12) 및 컬러 필터(14) 사이의 투명 절연막(13)내에는 색 분리막 역할을 하는 금속 컴파운드(metallic compound)(15)가 형성되고, 상기 기판(11)의 일측 끝단에 형성된 금속 컴파운드(15)의 일부 표면이 노출되어 이후 와이어 본딩에 의해 패키지 본딩(package bonding)되는 패드 영역(16)이 형성된다.
통상적으로 상기 광감지 소자(12)는 포토 게이트 또는 포토다이오드 등으로 형성되고, 상기 광차폐층(15)은 금속층으로 형성되며, 상기 투명 절연막(13)은 실리콘 산화물계 박막을 사용한다.
한편, 상기 컬러 필터(14)의 형성 공정은 여러 가지가 있으나 그 중 염료를포함한 감광성 포토레지스트(photo resist)를 이용한 방법이 보편적이다.
즉, 도 2a 내지 도 2c는 종래의 컬러 필터의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 2a에서 도시한 바와 같이, 광감지 센서 및 투명 절연막 및 금속 검파운드가 형성된 기판(21)상에 블루(blue)색을 갖는 제 1 감광성 포토레지스트(22)를 도포한 후, 노광 및 현상공정으로 제 1 감광성 포토레지스트(22)를 패터닝한다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 감광성 포토레지스트(22)를 포함한 전면에 그린(green)색을 갖는 제 2 감광성 포토레지스트(23)를 도포한 후, 노광 및 현상공정으로 상기 제 1 감광성 포토레지스트(22)의 일측에 형성되도록 제 2 감광성 포토레지스트(23)를 패터닝한다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 제 1, 제 2 감광성 포토레지스트(22,23)를 포함한 전면에 레드(red)색을 갖는 제 3 감광성 포토레지스트(24)를 도포한 후, 노광 및 현상공정으로 상기 제 1 감광성 포토레지스트(22)와 제 2 감광성 포토레지스트(23) 사이에 형성되도록 제 3 감광성 포토레지스트(24)를 패터닝한다.
그러나 상기와 같은 종래의 이미지 센서 및 칼러 필터의 제조방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 각 단계별로 레드(red), 블루(blue), 그린(green)색을 갖는 감광성 포토레지스트를 도포한 후 차례로 패터닝을 실시함으로서 그 공정이 매우 복잡하다.
둘째, 공정중 각 감광성 포토레지스트의 도포 특성상 두 번째 이후 색깔 패턴은 그 하부에 형성된 색깔 패턴 단차에 의해 두께의 단차가 발생하고 세 번째 패턴은 평탄화 현상이 발생하여 심한 두께 차가 유발되어 균일한 색 투과도를 얻을 수 없다.
셋째, 와이어 본딩(wire bonding) 형성용 패드 영역에 부분적으로 노출된 금속 컴파운드에 현상액 3회 접촉되어 부식 현상이 발생하며 컬러를 만들기 위한 포함된 중금속 성분을 환경문제를 야기한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 컬러 필터를 형성하지 않고 다중 슬릿(slit)을 이용한 분광법으로 원하는 컬러를 광감지 센서로 분리시킴으로서 컬러 이미지를 구현하도록 한 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 CMOS 또는 CCD 이미지 센서를 나타낸 구성도
도 2a 내지 도 2c는 종래의 이미지 센서의 컬러 필터 형성방법을 나타낸 공정단면도
도 3a는 단일 슬릿을 통과하는 빛의 회절을 나타낸 도면
도 3b는 다중 슬릿을 통과하는 빛의 회절을 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 의한 이미지 센서를 나타낸 구성도
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 의한 다중 슬릿을 형성하는 방법을 나타낸 공정단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
41 : 기판 42 : 광감지 소자
43 : 투명 절연막 44 : 광차폐층
45 : 다중 슬릿 46 : 금속 컴파운드
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서는 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 복수개의 광감지 소자와, 상기 광감지 소자를 포함한 기판의 전면에 형성되는 투명 절연막과, 상기 투명 절연막상에 일정한 간격을 갖고 형성되어 상기 광감지 센서 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위하여 형성되는 복수개의 광차폐층과, 상기 광차폐층 사이의 투명 절연막상에 형성되어 가시광이 투과하는 다중 슬릿과, 상기 투명 절연막내에 형성되어 상기 다중 슬릿을 통과하는 가시광에 대해 색 분리하는 복수개의 금속 컴파운드를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서의 제조방법은 복수개의 광감지 센서, 투명 절연막, 금속 컴파운드가 형성된 반도체 기판의 전면에 광차폐층을 형성하는 단계와, 상기 광차폐층상에 산화막 및 질화막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 질화막상에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 포토레지스트의 측면폭을 줄이는 단계와, 상기 측면폭이 줄어든 포토레지스트를 마스크로 이용하여 상기 질화막을 선택적으로 제거하여 질화막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 질화막 패턴의 양측면에 산화막 측벽을 형성하는 단계와, 상기 질화막 패턴을 제거하는 단계와, 상기 산화막 측벽을 마스크로 이용하여 상기 광차폐층을 선택적으로 제거하여 다중 슬릿을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 이미지 센서 및 그 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a는 단일 슬릿을 통과하는 빛의 회절을 나타낸 도면이고, 도 3b는 다중 슬릿을 통과하는 빛의 회절을 나타낸 도면이다.
도 3a에서와 같이, 평면파인 레이저광(31)이 단일 슬릿(32)에 수직으로 입사하면 슬릿(32)은 장애물이 되므로 레이저광이 변형되어 슬릿(32)으로 막혀진 뒷부분까지 전달되는 현상이다.
즉, 슬릿(32)이 평면파인 레이저광을 변형시켜 구면파를 출력한다.
한편, 회절은 파동이 장애물에 의해 변형될 때 일어나는 파의 특징적 현상이다.
도 3b에서와 같이, 슬릿(32)의 간격이 "d"인 다중 슬릿(32)을 통과하는 빛은 그 파장에 따라 수학식의 관계를 가지면 회절하게 된다.
그러므로 정해진 슬릿(32) 간격에서 파장이 길수록 회절 각도가 커지게 되어서 상대적으로 많이 꺾이게 된다. 각 파장의 길이에 따라 회절 각도가 차이 나므로 빛의 3원색인 레드(파장 : 600 ~ 650㎚), 그린(파장 : 500 ~ 550㎚), 블루(파장 : 400 ~ 450㎚) 등으로 분리해 낼 수 있게 된다.
상기와 같은 원리를 이용하여 도 4에 도시한 바와 같이 센서부의 상단에 다중 슬릿을 형성하게 되면 레드(red), 블루(blue), 그린(green)의 3원색을 컬러 필터 패턴 없이도 감지가 가능하다.
즉, 도 4는 본 발명에 의한 이미지 센서를 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 기판(41)에 일정한 간격을 갖고 형성되는 복수개의 광감지 소자(R, G, B)(42)와, 상기 광감지 소자(42)를 포함한 기판(41)의 전면에 형성되는 투명 절연막(43)과, 상기 투명 절연막(43)상에 일정한 간격을 갖고 형성되어 상기 광감지 센서(42) 이외의 영역으로 가시광이 입사되는 것을 방지하기 위하여 형성되는 복수개의 광차폐층(44)과, 상기 광차폐층(44) 사이의 투명 절연막(43)상에 형성되어 가시광(visible light)이 투과하는 다중 슬릿(45)과, 상기 투명 절연막(43)내에 형성되어 상기 다중 슬릿(45)을 통과하는 가시광에 대해 색 분리하는 복수개의 금속 컴파운드(46)로 구성된다.
여기서 상기 광차폐층(44)과 다중 슬릿(45)은 알루미늄막 등의 금속을 사용한다.
한편, 상기와 같이 광차폐층(44)의 사이에 형성되는 다중 슬릿(45)을 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 파장이 일정할 때 슬릿 간격 "d"가 작아지면 회절 각도가 커져서 해상도를 증대시킬 수 있으므로 슬릿의 간격을 작게 할수록 좋다. 현재까지의 노광 고정상 슬릿의 간격은 0.25㎛정도이며, 더욱 해상도를 높이기 위해서는 도 5 내지 도 5와 같이 미세 패턴을 형성하여 다중 슬릿을 형성한다.
즉, 도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 의한 다중 슬릿을 형성하는 방법을 나타낸 공정단면도이다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 다중 슬릿이 형성될 광차례층(예를 들면 알루미늄막)(51)상에 산화막(52)을 약 200Å 두께로 형성하며, 상기 산화막(52)상에 질화막(53)을 1000 ~ 4000Å(바람직하게는 약 2000Å) 두께로 형성한다.
이어, 상기 질화막(53)상에 포토레지스트(54)를 도포한 후, 노광 및 현상공정으로 포토레지스트(54)를 패터닝한다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 습식 또는 플라즈마를 이용한 공정으로 상기 패터닝된 포토레지스트(54)의 측면 폭을 줄인다.
이때 습식은 허용되는 모든 용액을 사용할 수 있지만, 바람직하게는 현상액을 이용할 수 있으며, 플라즈마를 이용할 경우, 측면을 줄일 수 있는 어떠한 가스의 플라즈마도 사용할 수 있지만 바람직하게는 산소 플라즈마를 사용한다.
또한, 상기 패터닝된 포토레지스트(54)의 측면의 폭을 줄이기 위해 UV 또는오븐을 이용하여 줄이는 방법 등을 사용할 수 있다.
도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 측면폭이 줄어든 포토레지스트(54)를 마스크로 이용하여 상기 질화막(53)을 선택적으로 제거하여 질화막 패턴(53a)을 형성한다.
도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트(54)를 제거하고, 상기 질화막 패턴(53a)을 포함한 전면에 산화막을 증착한 후, 전면에 블랭키트 식각을 통해 상기 질화막 패턴(53a)의 양측면에 산화막 측벽(55)을 형성한다.
여기서 상기 산화막 측벽(55)으로 사용되는 산화막의 두께는 미세 선 폭을 조절하는 요소이므로 질화막 패턴(53a)의 길이와 일치하도록 형성한다.
도 5e에 도시한 바와 같이, 상기 질화막 패턴(53a)을 인산(H3PO4) 용액 등을 이용하여 선택적으로 습식 식각한다.
계속해서 도면에는 도시되지 않았지만 상기 산화막 측멱(55)을 마스크로 이용하여 상기 광차폐층(51)을 선택적으로 제거하여 도 4와 같은 다중 실릿을 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 이미지 센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 이미지 센서상에 고가의 컬러 필터 공정 단계를 생략하여 제조 단가를 줄일 수 있다.
둘째, 이미지 센서상의 컬러 필터 공정시 발생하는 두께 차 혹은 불균일막으로 인한 색깔 변화차를 없고 균일한 컬러를 얻을 수 있다.
셋째, 이미지 센서상에 컬러 필터 공정 단계가 없으므로 컬러 필터 공정시 발생하는 와이어 본딩 형성용 패드 영역의 부식을 방지할 수 있다.
넷째, 이미지 센서상에 열에 약한 컬러 필터가 없으므로 패키지 공정시 필요한 열공정(100℃이상)의 제약이 없다.
다섯째, 종래의 이미지 센서는 모든 파장 중 원하는 부분만을 통과시키는 방법이므로 효율이 최대 33%이상 될 수 없지만, 본 발명에 의한 색 분리 방법을 사용하면 슬릿을 통과하는 모든 빛을 사용하므로 효율이 높아져 집적도를 증대시킬 수 있다.
Claims (9)
- 기판에 일정한 간격을 갖고 형성되는 복수개의 광감지 소자와,상기 광감지 소자를 포함한 기판의 전면에 형성되는 투명 절연막과,상기 투명 절연막상에 일정한 간격을 갖고 형성되어 상기 광감지 센서 이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위하여 형성되는 복수개의 광차폐층과,상기 광차폐층 사이의 투명 절연막상에 형성되어 가시광이 투과하는 다중 슬릿과,상기 투명 절연막내에 형성되어 상기 다중 슬릿을 통과하는 가시광에 대해 색 분리하는 복수개의 금속 컴파운드를 포함하여 구성됨을 특징으로 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광차폐층과 다중 슬릿은 동일 물질인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 복수개의 광감지 센서, 투명 절연막, 금속 컴파운드가 형성된 반도체 기판의 전면에 광차폐층을 형성하는 단계;상기 광차폐층상에 산화막 및 질화막을 차례로 형성하는 단계;상기 질화막상에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계;상기 패터닝된 포토레지스트의 측면폭을 줄이는 단계;상기 측면폭이 줄어든 포토레지스트를 마스크로 이용하여 상기 질화막을 선택적으로 제거하여 질화막 패턴을 형성하는 단계;상기 질화막 패턴의 양측면에 산화막 측벽을 형성하는 단계;상기 질화막 패턴을 제거하는 단계;상기 산화막 측벽을 마스크로 이용하여 상기 광차폐층을 선택적으로 제거하여 다중 슬릿을 형성하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 산화막은 약 200Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 질화막은 1000 ~ 4000Å 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 패터닝된 포토레지스트의 측면폭은 습식 또는 플라즈마를 이용하여 줄이는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 습식은 현상액을 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 플라즈마는 산소 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 질화막 패턴은 인산 용액 등을 이용하여 습식 식각으로 제거하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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