KR20020042098A - 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

마이크로렌즈의 하부의 금속배선간절연막 층에 내부렌즈를 형성하여 집광된 빛이 평형광으로 포토다이오드에 입사되도록한 이미지센서 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명의 이미지센서는, 기판에 형성된 광감지소자; 외부에서 입사되는 광을 상기 광감지소자로 집광하기 위한 제1렌즈; 및 상기 광감지소자와 상기 제1렌즈 사이에 형성되어, 상기 제1렌즈를 통과하여 입사되는 광을 상기 광감지소자에 수직으로 입사시키기는 제2렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

이미지센서 및 그 제조 방법{Image sensor and method for fabricating the same}

본 발명은 이미지센서(Image sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈의 개선에 의해 집광 효율을 증대시킨 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이미지센서는 빛을 감지하는 광감지소자 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직회로 부분으로 구성 되어있다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지소자가 차지하는 면적의 비율(통상 "Fill Factor"라 칭한다)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 필요한 바, 통상적으로 이미지센서는 집광을 위하여 마이크로렌즈를 포함하게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 구조를 보여주는 단면도이다.

도1을 참조하면, 필드산화막(FOX)이 형성된 반도체기판(101) 상에 포토다이오드(102)와 트랜지스터들을 형성하고, 금속배선전산화막(103), 제1금속배선(104), 금속배선간산화막(105) 및 제2금속배선(106)을 형성한 다음, 소자보호막(107)을 형성하고, 칼라필터(108)를 형성한다. 이어서, 칼라필터어레이에 의한 단차를 극복하기 위하여, 즉 평탄화를 위하여 OCM층(over coating material layer)(109)을 형성한다. 이어서, OCM층(109) 상에 마이크로렌즈(110)를 형성한다.

이렇게 종래의 방법으로 이룬 이미지센서는 도 2에 되시된 바와 같이 3가지 경우의 초점 거리로 나타나기 쉽다.

즉, 마이크로렌즈(110)는 불록렌즈로서 칼라필터 상부에 형성되게 되는 바, 초점거리는 경우1(210)과 같이 포토다이오드(102)에서 마이크로렌즈(110)쪽으로 위로 형성되거나, 경우2(220)와 같이 포토다이오드 바로 위에 형성되거나, 또는 경우3(230)과 같이 포토다이오드 아래쪽으로 형성되게 된다. 경우1(210)과 경우3(230)은 마이크로렌즈에 의해 집광된 빛이 모두 포토다이오드 내에 들어오도록 마이크로렌즈가 설계 되어야 하고, 경우2(220)은 한지점에 집광된 빛이 모이기에 포토다이오드의 효율이 떨어지게 된다.

집광된 빛이 평형광으로 포토다이오드로 입사되면 종래기술의 경우1, 경우2 및 경우3에 비해 포토다이오드의 효율이 10% 정도 향상되게 되는 바, 본 발명은 이를 위해 마이크로렌즈 하부의 금속배선간절연막 층에 내부렌즈를 별도로 형성하여 내부렌즈를 통과한 광이 평행광이 되어 포토다이오드에 수직으로 입사되도록 한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

도 1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소 구조를 보여주는 단면도,

도 2는 종래기술에 따른 마이크로렌즈 형상 및 집광 촛점을 나타내는 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 도면,

도 4는 도 3의 구조하에서 빛이 굴절되어 포토다이오드로 입사되는 것을 보여주는 도면,

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서 제조 방법을 나타내는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

320 : 제1렌즈 340 : 제2렌즈

PD : 포토다이오드 FOX : 필드산화막

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 기판에 형성된 광감지소자; 외부에서 입사되는 광을 상기 광감지소자로 집광하기 위한 제1렌즈; 및 상기 광감지소자와 상기 제1렌즈 사이에 형성되어, 상기 제1렌즈를 통과하여 입사되는 광을 상기 광감지소자에 수직으로 입사시키기는 제2렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 이미지센서는, 기판에 형성된 광감지소자 및 다수의 트랜지스터; 상기 광감지소자 및 트랜지스터를 덮는 금속배선전산화막; 상기 트랜지스터에 콘택되는 제1금속배선; 상기 제1금속배선을 포함한 기판을 구조 상에 형성되며, 상기 광감지소자 상부 부위에 요부를 갖는 금속배선간산화막; 상기 금속배선간산화막의 요부에 매립되어 입사되는 광을 상기 광감지소자에 수직으로 입사시키기는 제2렌즈; 상기 제1금속배선에 콘택되는 제2금속배선; 상기 제2금속배선을 포함한 기판 구조 상에 형성된 보호막; 및 상기 제2렌즈 상부 부위의 상기 보호막 상부에 형성된 제1렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 이미지센서 제조방법은, 반도체층에 광감지소자와 다수의 트랜지스터를 형성하고 그 위에 금속배선전산화막을 형성하는 단계: 상기 트랜지스터에 콘택되는 제1금속배선을 형성하고 그 위에 금속배선간산화막을 형성하는 단계: 상기 광감지소자 상부 부위의 상기 금속배선간산화막 상에 마스크 및 등방성식각 공정으로 요부를 형성하는 단계; 상기 요부에 제2렌즈의 물질을 매립하는 단계: 상기 제1금속배선에 콘택되는 제2금속배선을 형성하는 단계; 상기 제2금속배선을 포함하는 기판 구조 상에 보호막을 형성하는 단계: 및 상기 제1렌즈 상부 부위의 상기 보호막 상부에 제1렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 이미지센서 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 구조하에서 빛이 굴절되어 포토다이오드(광감지소자)로 입사되는 것을 보여준다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 기판(301)에 대하여 위로 볼록한 제1렌즈(320)의 아래부분에 기판에 대하여 아래로 볼록한 제2렌즈(340)를 형성하여, 도 4에 도시된 바와 같이 집광되는 굴절광을 포토다이오드에 대하여 수직하게 2차 굴절시키는 방법을 사용한다.

제2렌즈(340)는 제1렌즈에 의해 굴절된 광을 평형광으로 만들기 위해서는 곡률반경이 제1렌즈(320)보다 작아야하고 굴절계수는 제1렌즈(320)와 같거나 커야한다. 또한 제1렌즈(340)에 의해 집광된 빛이 모두 제2렌즈(340)를 통과하도록 제2렌즈(340)가 설계되어야 한다.

제1렌즈(320)는 OCM층(도 1의 109) 상에 형성되는 종래와 동일한 마이크로렌즈이며, 제2렌즈(340)는 본 발명에 따라 새로이 부가된 마이크로렌즈로서, 제2렌즈(340)는 칼라필터 하부의 층간절연막(금속배선전절연막 또는 금속배선간절연막) 내에 형성하면 된다.

도 3을 참조하여, 제1렌즈(320) 및 제2렌즈(340)의 설계 조건에 대해서 살펴본다.

제1렌즈(320)의 폭(W)는 제1렌즈의 하단부와 제2렌즈(340)의 상단부 간의 거리(Y) 및 포토다이오드 형상에 따라 설계한다.

제1렌즈(320)로의 입사광의 입사각을 Θ라 할때, 제1렌즈(320)에서의 굴절각을 φ라하자. 이때 제1렌즈(320)의 굴절률을 n1이라 하고 제2렌즈(320)의 굴절률을 n2라 하면 , sinφ=sinΘ/n1=α(굴절법칙에 의하여)가 된다.

이때 입사각 광을 예를 들어 45°로 입사되는 경우를 보자. 종래기술에서 n2는 1.6의 매질을 사용하고 있다. 굴절각 φ는 26.23°가 된다.

그러므로 X1 = Y tanφ이므로 Y와 X1(제1렌즈와 제2렌즈의 옵셋 값)의 관계에 있어 X1은 0.493×Y가 된다. 이것이 제2렌즈(340)의 폭(X)의 최소값을 결정해 주는 것이다. 칩 내부에 제2렌즈(340)의 위치가 결정되면 X가 결정되는 식은, X=W-2X1이므로 예컨대 Y가 6㎛, W가 8㎛일때 X는 8-2×0.493×Y, 즉 2.084㎛가 된다. 그러므로 제1렌즈(340)의 폭(X)은 2.084㎛ 이상으로 형성하여야 한다.

결론적으로, X≥│W-2Y tan(sin^-1α)│ 이고 ( 도2에서 경우3과 같이 빛이 입사되는 것을 고려하여 절대치 필요함), R1/R2≥2, n2/n1≥1의 조건으로 공정 조건을 설정하여야 한다. 만약 n1와 제2렌즈(340)를 형성하고자 하는 영역의 물질(층간절연막)의 굴절률이 같다면 굴절률 조건은 n2/n1≥1이어야 한다.

이러한 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 실시예는 여러가지가 있을 수 있으나, 여기서는 바람직한 일실시예만을 설명하고자 한다.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서 제조 방법을 나타내는 단면도이다.

먼저, 도5a는 통상의 방법에 의해 제1금속배선 공정이 완료된 화소 부분의 기판 구조를 보여준다. 반도체층(501)에 광감지소자인 포토다이오드(502)와 각종 트랜지스터가 형성되어 있고, 그 위에 금속배선전산화막(503)이 형성되며, 금속배선전산화막(503)을 관통하여 각 트랜지스터에 제1금속배선(504)이 콘택된다.

이어서, 도 5b와 같이 고밀도플라즈마증착(HDP CVD) 방법으로 제1산화막(505)을 증착하고, 제2렌즈를 형성하기 위한 마스크(506)를 형성한다.

이때 제1산화막(505)의 증착두께는 이후 형성될 제2렌즈의 곡률반경에 의해 결정된다. 즉, 제2렌즈의 곡률반경보다 두껍게 증착시켜야 한다. 앞서 설명한 바와같이 제2렌즈의 곡률반경은 제1렌즈의 곡률반경을 2로 나눈것보다 같거나 작게 형성되어야 한다. 따라서, 후속 등방성 식각을 고려하여 제2렌즈를 형성하기 위한 마스크(506)의 오픈부 간격(D1)은 최대가 제2렌즈의 곡률반경의 1/3이며, 제2렌즈의 폭(X)의 1/3로 제작해야만 한다.

이어서, 도 5c와 같이 제1산화막(505)을 등방성 식각한 다음, 마스크(506)를 제거하고, 제2렌즈물질층(507)을 증착한다. 이때, 등방성 식각을 함에 있어 식각률이 높은 조건의 용액을 사용하여 곡률의 일그러짐을 최대한 방지하고 곡률이 고른 렌즈의 형태를 만든다. 제2렌즈물질층(507)의 증착두께는 등방성 식각에 의해 생성된 요부가 완전히 매립될 정도로 설정되어야 한다. 또한 위에서 언급한 것과 같이 제2렌즈물질의 굴절계수는 제1렌즈보다 크거나 같은 것으로 선정되어야 한다.현재 제1렌즈의 굴절계수(refraction index)은 1.6정도이다. 현재 사용하고 있는 물질로서 예컨대 옥시나이트라이드는 이러한 조건을 갖추고 있으며, 옥시나이트라이드의 조성비를 조절하는 것에 의해 굴절계수를 조절 가능하다.

도 5d는 제2렌즈물질층(507)을 화학적-기계적연마(chemical mechanical polishing)하여 제2렌즈(507a)의 형태를 만들어 낸 것이다. 이때 연마 정도는 제2렌즈(507a)를 제외한 부위에서 제1산화막(506) 상에 제2렌즈물질층(507)이 잔류하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 5e는 통상의 방법으로 제2금속배선(508)을 형성하고 그 위에 보호막(509)을 형성한 상태이고, 도 5f는 역시 통상의 방법으로 마스크 공정과 식각공정을 통해 전극단자(513)를 형성하고 칼라필터(510)와 평탄화 OCM층(511)을 형성한 다음, 제1렌즈(512)를 형성한 것이다.

본 발명은 제3금속배선이 있는 경우에도 같은 원리로 적용될 수 있다. 그때는 제2렌즈(507a)를 제2, 제3금속배선 영역에 어디에나 적용해도 무방하다. 또한, 도 5e의 공정 후에는 현재 알려진 여러가지 공정이 채택될 수 있다. 그 밖에 포토다이오드가 아닌 다른 종류의 광감지소자를 적용하는 이미지센서에서도 본 발명은 적용가능하며, 흑백 이미지센서와 같이 칼라필터가 필요치 않을 수도 있고, 여러 조건에 따라 칼라필터와 평탄화 OCM층없이 보호막 상에 제1렌즈를 바로 형성하는 것도 가능하다.

이렇듯, 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이미지센서는 포토다이오드의 효율을 높이기 위해 마이크로렌즈를 사용한다. 본 발명에서는 포토다이오드 상부의 층간절연막 내에 내부렌즈를 형성여 포토다이오드에 입사되는 광을 평행광으로 만들므로써 포토다이오드의 효율을 극대화한다.

또한, OCM층 상의 볼록렌즈와 포토다이오드 사이의 절연막의 수를 줄여 각 막질에서의 반사를 억제할수 있다. 또한 내부렌즈를 형성하므로써 OCM층 상의 볼록렌즈의 설계에 대한 공정 오차 범위를 좁히는 효과를 얻을 수 있다. 어떤 모양이던지 내부렌즈가 설계되면 그에 따라 볼록렌즈를 설계하여 초점거리가 맞지않는 상태를 바꾸어 입사광을 평형광으로 전환하여 포토다이오드의 효율을 높힌다. 이로인해 특성이 향상된 이미지센서 제조할 수 있다.

Claims (14)

1. 이미지센서에 있어서,

   기판에 형성된 광감지소자;

   외부에서 입사되는 광을 상기 광감지소자로 집광하기 위한 제1렌즈; 및

   상기 광감지소자와 상기 제1렌즈 사이에 형성되어, 상기 제1렌즈를 통과하여 입사되는 광을 평행광으로하여 상기 광감지소자에 수직으로 입사시키기는 제2렌즈

   를 포함하여 이루어진 이미지센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1렌즈는 상기 기판에 대하여 위로 볼록한 볼록렌즈임을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2렌즈는 상기 기판에 대하여 아래로 볼록한 오목렌즈임을 특징으로 하는 이미지센서.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2렌즈의 곡률반경은 상기 제1렌즈의 곡률반경의 약 1/2 크기보다 같거나 작은 것을 특징으로 하는 이미지센서.
5. 제3항에 있어서,

   상기 제2렌즈의 폭(X)은,

   X≥│W-2Y tan(sin^-1α)│

   sinφ=sinΘ/n1=α

   (W는 제1렌즈의 폭, Y는 제1렌즈의 하단부와 제2렌즈의 상단부 간의 거리, Θ는 제1렌즈로의 입사광의 입사각, φ는 제1렌즈에서의 굴절각)

   의 식에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
6. 제3항에 있어서,

   상기 제2렌즈의 굴절률(n2)은 n2/n1≥1 (n1은 제1렌즈의 굴절률)을 만족하도록 설계된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
7. 제3항에 있어서,

   상기 제2렌즈는 옥시나이트라이드 물질임을 특징으로 하는 이미지센서.
8. 이미지센서에 있어서,

   기판에 형성된 광감지소자 및 다수의 트랜지스터;

   상기 광감지소자 및 트랜지스터를 덮는 금속배선전산화막;

   상기 트랜지스터에 콘택되는 제1금속배선;

   상기 제1금속배선을 포함한 기판을 구조 상에 형성되며, 상기 광감지소자 상부 부위에 요부를 갖는 금속배선간산화막;

   상기 금속배선간산화막의 요부에 매립되어 입사되는 광을 평행광으로 하여 상기 광감지소자에 수직으로 입사시키기는 제2렌즈;

   상기 제1금속배선에 콘택되는 제2금속배선;

   상기 제2금속배선을 포함한 기판 구조 상에 형성된 보호막;

   상기 제2렌즈 상부 부위의 상기 보호막 상부에 형성된 제1렌즈

   를 포함하여 이루어진 이미지센서.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1렌즈는 상기 기판에 대하여 위로 볼록한 볼록렌즈이고, 상기 제2렌즈는 상기 기판에 대하여 아래로 볼록한 오목렌즈임을 특징으로 하는 이미지센서.
10. 제8항에 있어서,

    상기 금속배선간산화막은 고밀도플라즈마증착(HDP CVD) 방법으로 형성된 산화막임을 특징으로 하는 이미지센서.
11. 제8항에 있어서,

    상기 보호막과 상기 제1렌즈 사이에 형성된 칼라필터 및 평탄화 OCM층을 더 포함함을 특징으로 하는 이미지센서.
12. 이미지센서 제조방법에 있어서,

    반도체층에 광감지소자와 다수의 트랜지스터를 형성하고 그 위에 금속배선전산화막을 형성하는 단계:

    상기 트랜지스터에 콘택되는 제1금속배선을 형성하고 그 위에 금속배선간산화막을 형성하는 단계:

    상기 광감지소자 상부 부위의 상기 금속배선간산화막 상에 마스크 및 등방성식각 공정으로 요부를 형성하는 단계;

    상기 요부에 제2렌즈의 물질을 매립하는 단계:

    상기 제1금속배선에 콘택되는 제2금속배선을 형성하는 단계;

    상기 제2금속배선을 포함하는 기판 구조 상에 보호막을 형성하는 단계: 및

    상기 제1렌즈 상부 부위의 상기 보호막 상부에 제1렌즈를 형성하는 단계

    를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 요부에 제2렌즈의 물질을 매립하는 단계는,

    상기 요부가 형성된 결과물의 전면에 상기 제2렌즈의 물질을 증착하는 단계; 및

    상기 요부 이외의 상기 금속배선간산화막 표면이 드러나도록 상기 제2렌즈의 물질을 화학적기계적연마하는 단계

    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
14. 제12항에 있어서,

    상기 금속배선간산화막은 고밀도플라즈마증착(HDP CVD) 방법으로 형성된 산화막임을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.