KR20020055199A - 광도파관을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 입사광의 진행 경로로써 광도파관을 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 수광영역인 포토다이오드로 입사되는 광의 입사경로를 원형 도파관을 통하도록 함으로서 다층의 계면에 의한 입사광의 손실을 최소화하고, 이웃하는 칼라필터의 패턴이 서로 분리되고, 칼라필터의 크기를 상대적으로 작게 형성할 수 있어 칼라필터간의 중첩 및 칼라필터 형성에 따른 지꺼기의 발생에 따른 수광특성의 열화를 최소화 할 수 있으며, 마이크로 렌즈의 설계에 있어서도 초점거리를 짧게 함으로써 설계 특성의 안정화를 기대할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 입사광의 진행 경로로써 광도파관(wave guide)을 구비하는 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 차례 차례 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 changing)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, 포토다이오드(도시하지 않음) 등을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(21)을 덮는층간절연막(22), 층간절연막(22) 상에 형성된 금속배선(도시하지 않음)을 덮는 IMO(inter metal oxide, 23), 금속배선 형성 공정이 완료된 전체 구조를 덮는 평탄화 절연막(24), 평탄화 절연막(24) 상에 형성된 칼라필터(R, G, B), 칼라필터(R, G, B)를 덮는 OCM(over coating material) 평탄화층(25), OCM 평탄화층(25) 상에 형성되어 칼라필터(R, G, B)와 중첩되는 마이크로 렌즈(microlens, 26)로 이루어지는 이미지 센서를 도시하고 있다.
전술한 종래 이미지 센서의 수광 구조는 마이크로 렌즈(26)로 입사된 광선이 다음의 수학식1에 보이는 반사법칙(snell's law)에 의하여 포토다이오드로 포커싱(focusing) 되는 형태로 구성된다.
그러나, 이러한 구조에서는 마이크로 렌즈(26)에서 포토다이오드에 이르는 여러 물질층의 계면에서 입사광이 반사손실이 크고 입사광이 진행하는 면적이 상대적으로 커서 그 면의 상태에 따라 수광되는 광의 양이나 감도에 적지 않은 영향을 미칠 수 있다. 특히 칼라필터의 가장자리 부분의 스컴의 영향을 크기 받을 수 있고, 칼라필터가 어느 정도 중첩되는 부분이 존재함으로써 그 단면이 굴곡진 형태를 가지며 이는 센서의 광감도에 영향을 주고, 균일하고 안정된 특성을 유지하기가 어렵다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 광감도를 향상시킬 수 있으며 이웃하는 칼라필터 패턴이 중첩되는 것을 방지할 수 있는, 입사광의 진행 경로로써 광도파관을 구비하는 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 광도파관의 구조를 개략적으로 보이는 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
41: 반도체 기판 42: 반사방지막
43: 층간절연막 44: 페시베이션층
45, 46: OCM 평탄화층 47: 마이크로 렌즈
R, G, B: 칼라필터 W: 광도파관
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광영역을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상부에 적층된 적어도 1층의 층간절연막; 및 상기 층간절연막 형성되어 상기 수광영역과 연결되는 코아층과 상기 코아층 측벽의 상기 층간절연막으로 이루어지는 클래드층을 구비하는 도파관을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광영역을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 상기 반사방지막 상에 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 수광영역을 반사방지막의 일부를 노출시키는 개구부를 형성하는 단계; 및 상기 개구부 내에 코아층을 매립하여, 상기 코아층과 상기 코아층 측벽의 상기 층간절연막으로 이루어지는 도파관을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 수광영역인 포토다이오드로 입사되는 광의 입사경로를 원형 도파관(circular wave guide)을 통하도록 함으로서 다층의 계면에 의한 입사광의 손실을 최소화하고, 이웃하는 칼라필터의 패턴이 서로 분리되고, 칼라필터의 크기를 상대적으로 작게 형성할 수 있어 칼라필터간의 중첩 및 칼라필터 형성에 따른 지꺼기의 발생에 따른 수광특성의 열화를 최소화 할 수 있으며, 마이크로 렌즈의 설계에 있어서도 초점거리를 짧게 함으로써 설계 특성의 안정화를 기대할 수 있다.
광도파관은 도 3에 보이는 바와 같이 빛이 지그재그 형태로 손실없이 전송될 수 있는 도파로인데, 그 구조는 상대적으로 굴절율이 큰 코어층(31)과 코어층(31)을 둘러싼 클래드층(32)으로 구성되며 실제적으로 코어층(31)을 통하여 광이 전송된다.
광도파관은 일정한 컷-오프(cut off) 주파수(frequency)를 갖는데, 이는 각각 클래드층(32)과 코어층(31)을 이루는 물질의 굴절률 차이와 코어층(31)의 폭에 의해 결정된다.
본 발명에서는 이미지 센서 내부에 구비되는 광도파관의 클래드층(32)을 굴절률이 1.32 내지 1.61인 물질로 형성하고, 코어층(31)을 굴절률이 1.44 내지 1.76인 물질 중에서 클래드층(32)과의 관계를 고려하여 결정하며, 코어의 지름은 0.9 ㎛ 내지 1.1 ㎛가 되도록 한다. 이러한 조건하에서 가시광선 영역 파장 이상 즉, 1㎛의 컷-오프 파장을 만족시킬 수 있다. 따라서, 가시광선 영역의 빛을 손실없이 전송할 수 있는 도파관을 형성할 수 있다. 또한 코어층(31)의 지름이 0.9 ㎛ 내지 1.1 ㎛ 정도이므로 코어층을 덮는 칼라필터의 크기를 감소시킬 수 있다. 즉, 종래 0.5 ㎛급 CMOS 이미지 센서의 칼라필터는 7.5 ㎛ ×7.5 ㎛인데 반하여, 본 발명에따른 CMOS 이미지 센서의 칼라필터는 그 한변이 코어층(31)의 지름 정도의 크기를 가지면 되므로, 칼라필터의 크기를 약 1/7 정도로 감소시킬 수 있다. 그리고, 인접하는 칼라필터 패턴의 중첩으로 인한 지꺼기의 발생을 최소화할 수 있으며 칼라필터 특성의 균일성을 보장할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 구조 및 그 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 4에 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서는, 수광영역 예로서, 포토다이오드를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(41)을 덮는 반사방지막(42) 상기 반사방지막 상에 적층된 층간절연막(43), 상기 층간절연막(43)을 덮는 페시베이션층(44), 상기 페시베이션층(44) 및 상기 층간절연막(43) 내에 형성되어 상기 포토다이오드와 연결되는 코아층(45)과 상기 코아층(45) 측벽의 상기 층간절연막(43) 및 페시베이션층(44)으로 이루어지는 클래드층을 구비하는 도파관, 상기 도파관의 상기 코아층(45) 입구를 덮는 칼라필터(R, G, B), 상기 칼라필터(R, G, B)를 포함한 전체 구조를 덮는 OCM 평탄화층(46), OCM 평탄화층(46)상에 형성되어 상기 칼라필터(R, G, B) 와 중첩되는 집광수단의 예로서 마이크로 렌즈(47)를 포함한다.
이러한 이미지 센서를 제조하는 방법은 다음과 같은 과정을 포함한다.
먼저, 수광영역 예로서, 포토다이오드를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(41) 상에 135 Å 내지 165 Å 두께의 TEOS(tetraethyl ortho silicate)막(도시하지 않음)을 형성하고, 굴절율이 1.67 내지 2.05인 산화질화막(42)을 400 Å 내지 500 Å 두께로 형성한다. 상기 산화질화막(42)은 반사방지막 및 식각정지층으로서 역할한다.
다음으로, 층간절연막(43) 및 페시베이션층(44)을 적층하고, 페시베이션층(44) 및 상기 층간절연막(43)을 선택적으로 식각하여 포토다이오드를 덮는 반사방지막(42)의 일부를 노출시키고 그 측벽에 페시베이션층(44) 및 층간절연막(43)을 노출시키는 코아영역을 형성하고, 전체 구조 상에 OCM 평탄화층(46)을 형성하여 코아영역을 채운다.
이어서, OCM 평탄화층(46) 상에 칼라필터(R, G, B), 상기 칼라필터(R, G, B)를 포함한 전체 구조를 덮는 OCM 평탄화층(46), 마이크로 렌즈(47)를 형성한다. 이때, 상기 마이크로 렌즈(47)는 도파관의 입구에 포커싱 되도록 형성한다. 이에 따라 포커싱 거리가 상대적으로 짧아져 집광효과가 향상되고 설계가 수월할 뿐만 아니라 공정시 균일도를 개선할 수 있다. 한편, 코아 영역을 넓힘으로써 광의 이탈(deviation)을 거의 "0"으로 할 수도 있다. 코어의 지름이 증가하면 컷-오프는 장파장 영역으로까지 확대된다. 따라서, 적외선 등과 같은 원하는 파장대역을 이용할 수도 있게 된다.
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 수광 영역을 덮는 층간절연막 내부에 도파관을 구비함으로써 층간 계면에 의한 반사손실을 억제하고 칼라필터 제조 공정에서 발생되어질 수 있는 지꺼기와 단면 굴곡의 영향을 최소화할 수 있다. 그에 의해 광감도의 향상과 공정의 균일도, 소자 특성의 안정적 구현으로 제품의 질과 안정성을 향상시킬 수 있다.
Claims (13)
- 이미지 센서에 있어서,수광영역을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판;상기 반도체 기판 상부에 적층된 적어도 1층의 층간절연막; 및상기 층간절연막 형성되어 상기 수광영역과 연결되는 코아층과 상기 코아층 측벽의 상기 층간절연막으로 이루어지는 클래드층을 구비하는 도파관을 포함하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 도파관의 상기 코아층 입구를 덮는 칼라필터;상기 칼라필터를 포함한 전체 구조를 덮는 평탄화층; 및상기 OCM 평탄화층 상에 형성되어 상기 칼라필터와 중첩되는 집광수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 층간절연막은 굴절률이 1.32 내지 1.61인 물질로 이루어지고,상기 코어층은 굴절률이 1.44 내지 1.76인 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 코아층의 지름은 0.9 ㎛ 내지 1.1 ㎛ 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 코아층과 상기 반도체 기판 사이에 반사방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 반사방지막의 굴절율은인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 반사방지막은 산화질화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,수광영역을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 반사방지막을 형성하는 단계;상기 반사방지막 상에 층간절연막을 형성하는 단계;상기 층간절연막을 선택적으로 식각하여 상기 수광영역을 반사방지막의 일부를 노출시키는 개구부를 형성하는 단계; 및상기 개구부 내에 코아층을 매립하여, 상기 코아층과 상기 코아층 측벽의 상기 층간절연막으로 이루어지는 도파관을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 도파관의 상기 코아층 입구를 덮는 칼라필터를 형성하는 단계;상기 칼라필터를 포함한 전체 구조를 덮는 평탄화층을 형성하는 단계; 및상기 OCM 평탄화층 상에 형성되어 상기 칼라필터와 중첩되는 집광수단을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 층간절연막은 굴절률이 1.32 내지 1.61인 물질로 형성하고,상기 코어층은 굴절률이 1.44 내지 1.76인 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 코아층의 지름을 0.9 ㎛ 내지 1.1 ㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 반사방지막을 굴절율이 1.67 내지 2.05인 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 반사방지막을 산화질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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2000
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