KR20020045820A - 마이크로 렌즈 표면의 반사를 감소시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈 표면에서 반사되는 빛을 감소시켜 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 수광수단, 상기 수광수단과 중첩되는 집광수단 및 상기 집광수단 표면 상부를 덮는 반사방지막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 이미지 센서에 있어서 가장 중요한 특징인 광감도(light sensitivity)를 크게 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS 이미지 센서는, 종래 이미지센서로 널리 사용되고 있는 CCD 이미지센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
도 1은 4개의 트랜지스터와 2개의 캐패시턴스 구조로 이루어지는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이는 회로도로서, 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와 4개의 NMOS트랜지스터로 구성되는 CMOS 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역(FD)으로 전송하는 신호를 전달하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산영역(FD)을 공급전압(VDD) 레벨로 리셋시키는 신호를 전달하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀 데이터 인에이블(pixel data enable) 신호를 인가받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 이미지센서 단위화소에 대한 동작은 다음과 같이 이루어진다. 처음에는 리셋 트랜지스터(Rx), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온(on)시켜 단위화소를 리셋시킨다. 이때 포토다이오드(PD)는 공핍되기 시작하여 전하축적(carrier charging)이 발생하고, 플로팅 확산영역은 공급전압( VDD)까지 전하축전된다. 그리고 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 오프시키고 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 온시킨 다음 리셋트랜지스터(Rx)를 오프시킨다. 이와 같은 동작 상태에서 단위화소 출력단(SO)으로부터 출력전압 V1을 읽어 버퍼에 저장시키고 난 후, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온시켜 빛의 세기에 따라 변화된 캐패시턴스 Cp의 캐리어들을 캐패시턴스 Cf로 이동시킨 다음, 다시 출력단(Out)에서 출력전압 V2를 읽어들여 V1 - V2에 대한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변경시키므로 단위화소에 대한 한 동작주기가 완료된다.
도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, p형 반도체 기판(20) 상에 형성된 p형 에피택셜층(epitaxial layer, 21), 상기 에피택셜층(21) 내에 형성된 소자분리막(22)에 의해 분리되며 그 각각이 에피택셜층(21) 내에 형성된 n형 불순물 영역(23)과 p형 불순물 영역(24)으로 이루어지는 포토다이오드, 트랜지스터(도시하지 않음) 등을 포함한 하부구조(25) 상부에 형성이 완료된 칼라필터(R, G, B), 칼라필터를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(26), OCM 평탄화층(26) 상에 형성되어 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 27)를 도시하고 있다.
전술한 종래 이미지 센서 구조는 칼라필터(R, G, B) 어레이 위에 OCM 평탄화층을 형성하고, 감광막으로 마이크로 렌즈를 패터닝 한 후 열적 큐어링(thermal curing)을 실시하여 반구형의 마이크로 렌즈(27)를 형성한다. 이와 같이 형성되는 마이크로 렌즈(27)는 입사광(incident light)에 대해 도 3에 보이는 바와 같이 그 표면에서 반사되는 광(A, B)이 많아 원하는 만큼의 광에너지가 포토다이오드에 전달되지 못하여, 이미지 센서의 중요한 특성이 광감도를 크게 저하시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 마이크로 렌즈 표면에서 반사되는 빛을 감소시켜 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소 구조를 개략적으로 보이는 회로도,
도 2는 종래 이미지 센서를 구조를 개략적으로 보이는 단면도,
도 3은 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈의 구성을 보이는 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈의 구성을 보이는 단면도,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
42, 54: 마이크로 렌즈 43, 55: 산화막
44, 56: 반사방지막
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단; 상기 수광수단과중첩되는 집광수단; 및 상기 집광수단 표면 상부를 덮는 반사방지막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단; 상기 수광수단과 중첩된 집광수단; 상기 집광수단을 덮는 산화막; 및 상기 산화막을 덮는 반사방지막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단; 상기 수광수단과 중첩되는 칼라필터; 상기 칼라필터와 중첩되며 감광막으로 이루어지는 집광수단; 상기 집광수단을 덮는 산화막; 및 상기 산화막을 덮는 반사방지막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단을 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판을 마련하는 단계; 상기 수광수단과 중첩되는 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 칼라필터와 중첩되며 반구형 감광막으로 이루어지는 집광수단을 형성하는 단계; 상기 집광수단 상에 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 산화막 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 마이크로 렌즈에 표면에 반사방지막을 증착함으로써 입사된 광자들이 양호하게 포토다이오드에 집광되도록하여 광감도를 증가시키는데 특징이 있다. 본 발명의 실시예에서는 감광막의 일종인 마이크로 렌즈 위에 산화막 및 반사방지막을 차례로 적층한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 렌즈의 구성을 보이는 단면도로서, 소정의 하부구조 형성이 완료된 기판(41) 상부에 형성된 반구형의 감광막으로 이루어지는 마이크로 렌즈(42), 상기 마이크로 렌즈(42) 표면을 덮는 산화막(43), 상기 산화막(43) 상에 형성된 반사방지막(44)을 보이고 있다. 본 발명과 같이 마이크로 렌즈(42) 상부에 반사방지막을 구비함으로써 빛의 반사를 감소시키고 투과를 증가시킬 수 있다. 즉, 대부분의 입사광이 흡수되어 수광영역인 포토다이오드 영역까지 도달하게 된다. 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 표면에서의 반사광을 보이는 도 4의 'C', 'D'의 반사광 세기는 도 3의 'A', 'B'의 반사광 세기보다 약해진다.
이하, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 5a에 도시한 바와 같이, 소자분리막(51), 포토다이오드(도시하지 않음), 트랜지스터 및 금속배선 등을 포함한 소정의 하부구조(52) 형성이 완료된 반도체 기판(50)을 마련한다.
다음으로 도 5b에 보이는 바와 같이, 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G) 각각을 칼라필터 어레이 마스크(color filter array mask)를 이용하여 차례로 형성한다.
이어서 도 5c에 도시한 바와 같이, 블루 칼라필터(B), 레드 칼라필터(R) 및 그린 칼라필터(G) 형성이 완료된 전체 구조 상에 OCM(53)을 도포하고 각각의 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(54)를 감광막으로 형성한다.
다음으로 도 5d에 보이는 바와 같이, 마이크로 렌즈(54) 상에 산화막(55)을 증착하고, 산화막(55) 상에 반사방지막((56)을 형성한다. 상기 산화막(55) 형성 과정에서 감광막으로 이루어지는 마이크로 렌즈(54)가 손상되지 않는 조건으로 산화막(55)을 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 상기 산화막(55)을 140 ℃ 내지 220 ℃에서 형성한다. 그리고, 상기 반사방지막(56)을 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)으로 형성한다. 그리고, 반사방지막(56)의 두께는 빛의 투과율 저하가 일어나지 않는 조건으로 설정하며, 본 발명의 실시예에서는 200 Å 내지 500 Å 두께의 질화막을 증착하여 형성한다.
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.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 마이크로 렌즈 표면 자체에서 반사되는 광자의 양을 줄이고 포토다이오드 영역으로 이동되는 광자의 양을 증가시킴으로써 이미지 센서의 주요 특성인 광감도를 크게 향상시킬 수 있다.
Claims (9)
- 이미지 센서에 있어서,수광수단;상기 수광수단과 중첩되는 집광수단; 및상기 집광수단 표면 상부를 덮는 반사방지막을 포함하는 이미지 센서.
- 이미지 센서에 있어서,수광수단;상기 수광수단과 중첩된 집광수단;상기 집광수단을 덮는 산화막; 및상기 산화막을 덮는 반사방지막을 포함하는 이미지 센서.
- 이미지 센서에 있어서,수광수단;상기 수광수단과 중첩되는 칼라필터;상기 칼라필터와 중첩되며 감광막으로 이루어지는 집광수단;상기 집광수단을 덮는 산화막; 및상기 산화막을 덮는 반사방지막을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 집광수단은 반구형의 감광막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 반사방지막은 질화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,수광수단을 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판을 마련하는 단계;상기 수광수단과 중첩되는 칼라필터를 형성하는 단계;상기 칼라필터와 중첩되며 반구형 감광막으로 이루어지는 집광수단을 형성하는 단계;상기 집광수단 상에 산화막을 형성하는 단계; 및상기 산화막 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 산화막을 140 ℃ 내지 220 ℃ 온도에서 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 반사방지막으로서,플라즈마 화학기상증착법으로 질화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 질화막을 200 Å 내지 500 Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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Cited By (3)
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| KR100485644B1 (ko) * | 2002-08-12 | 2005-04-27 | 동부아남반도체 주식회사 | 이미지 센서 제조 방법 |
| KR100915752B1 (ko) * | 2007-11-05 | 2009-09-04 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지센서의 제조방법 |
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