KR20020057277A - 이중 렌즈를 구비하는 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이웃하는 마이크로 렌즈 사이의 영역에 입사되어 포토다이오드 영역을 벗어나는 광의 양을 감소시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 이웃하는 마이크로 렌즈 사이의 영역으로 입사되어 포토다이오드로 입사되는 광의 양을 줄이기 위하여 이웃하는 마이크로 렌즈 사이의 영역에 아래로 볼록한 렌즈를 구비하는데 그 특징이 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조 분야에 관한 것으로, 특히 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광을 굴절시킬 수 있도록 이중 렌즈를 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 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.
도 2에 보이는 바와 같이 이웃하는 마이크로 렌즈(27) 사이로 입사되는 빛은 포토다이오드 영역을 벗어남으로 인하여 입사광의 손실을 가져오게 된다. 또한, 마이크로 렌즈(27) 가장자리 표면의 작은 결함 또는 이상굴절면에 의하여 난반사가 일어남에 따라 입사되는 광의 일부가 인접 화소에 침투하는 스미어 효과(smear effect)가 발생하여 센서의 특성이 열화되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 이웃하는 마이크로 렌즈 사이의 영역에 입사되어 포토다이오드 영역을 벗어나는 광의 양을 감소시킬 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 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 보이는 단면도,
도 4는 도 3의 'A' 부분 확대도,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 공정 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
32: 칼라필터 34: 투명층
35: 평탄화층 36: 마이크로 렌즈
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단; 상기 수광수단을 덮는 투명층; 상기 이웃하는 수광수단 사이에 중첩되는 상기 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈; 및 상기 투명층 상부에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단; 상기 수광수단을 덮는 투명층; 상기 이웃하는 수광수단 사이에 중첩되는 상기 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈; 상기 투명층 및 상기 오목부를 덮는 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단; 상기 수광수단 상부에 형성되어 상기 수광수단과 중첩되는 칼라필터; 상기 칼라필터를 덮는 투명층; 상기 이웃하는 칼라필터 사이에 중첩되는 상기 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈; 상기 투명층 및 상기 오목부를 덮는 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수광수단을 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판을 마련하는 단계; 상기 수광수단을 덮는 투명층을 형성하는 단계; 상기 투명층 상에 식각마스크를 형성하여 상기 이웃하는 수광수단 사이를 덮는 상기 투명층을 노출시키는 단계; 상기 투명층을 습식식각하여 상기 이웃하는 수광수단 사이에 중첩되는 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈를 형성하는 단계; 상기 식각마스크를 제거하는 단계; 상기 투명층을 덮으며 상기 오목부를 채우는 평탄화층을 형성하는 단계; 및 상기 평탄화층 상부에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 이웃하는 마이크로 렌즈 사이의 영역으로 입사되어 포토다이오드로 입사되는 광의 양을 줄이기 위하여 이웃하는 마이크로 렌즈 사이의 영역에 아래로 볼록한 렌즈를 구비하는데 그 특징이 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 구조를 보이는 단면도로서, 반도체 기판(30) 내에 형성된 포토다이오드(PD), 상기 반도체 기판(30) 상에 형성된 소정의 하부구조(31), 상기 하부구조(31) 상부에 형성되어 상기 포토다이오드(PD)와 중첩되는 칼라필터(32), 칼라필터(32)를 덮는 제1 평탄화층(33), 상기 제1 평탄화층(33) 상에 형성되며 그 내부에 오목부를 구비하는 투명층(34), 상기 투명층(34) 상에 형성되어 상기 오목부를 채우며 상기 투명층(34) 보다 굴절율이 낮은 제2 평탄화층(35), 상기 제2 평탄화층(35) 상에 형성되며 이웃하는 상기 오목부 사이의 상기 투명층(34)과 중첩되는 마이크로 렌즈(36)를 포함하는 이미지 센서를 보이고 있다.
도 4는 도 3의 'B' 부분 확대도로서, 굴절율이 'n1'인 제2 평탄화층(35)으로 입사각 ' θ1'으로 입사된 광이 제2 평탄화층보다 굴절율이 높은 절연층(33)으로 입사될 경우 다음의 수학식1과 같은 반사의 법칙에 의해서 굴절각 'θ2'는 입사각'θ1' 보다 커져, 빛은 포토다이오드 쪽으로 굴절된다.
상기와 같이 이루어지는 이미지 센서는 이웃하는 마이크로 렌즈 사이의 제2 평탄화층(35) 하부에 반도체 기판(30) 방향으로 볼록한 오목부를 구비하여 또 다른 렌즈를 형성함으로써, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사된 광을 포토다이오드 영역쪽으로 굴절시킴으로써 광감도를 개선할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈 표면의 결함이나 이상굴절면에서 반사되어 포토다이오드 영역을 벗어나는 광들 또한 포토다이오드 쪽으로 집속시킬 수 있어서, 인접한 화소에 광이 침투하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
이하, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 5a에 도시한 바와 같이, 포토다이오드(PD)를 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판(50) 상에 층간절연막(31)을 형성하여 평탄화시키고, 층간절연막(31) 상에 상기 포토다이오드(PD)와 중첩되는 칼라필터(32)를 형성한 다음 제1 평탄화층(33)을 형성하고, 제1 평탄화층(33) 상에 투명층(34)을 형성한다. 본 발명의 실시예에서 상기 투명층(34)은 저온에서 산화질화막을 증착하여 형성한다.
다음으로 도 5b에 보이는 바와 같이, 투명층(34) 상에 식각마스크로서 포토레지스트 패턴(PR)을 형성하여 이웃하는 포토다이오드 사이의 영역과 중첩되는 투명층(34)을 노출시키고, 습식식각을 실시하여 상기 반도체 기판(30) 방향으로 볼록한 오목부를 형성한다.
이어서 도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 투명층(34) 상에 제2 평탄화층(35)을 형성하여 상기 오목부를 채우면서 평탄화시킨다.
다음으로 도 5d에 보이는 바와 같이, 제2 평탄화층(35) 상에 마이크로 렌즈(36)를 형성한다.
전술한 본 발명의 실시예에서 상기 제2 평탄화층은 투명한 포토레지스트로 형성하며, 상기 투명층(34)은 굴절율이 약 1.9인 산화질화막으로 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 이웃하는 마이크로 렌즈 사이에 기판 방향으로 볼록한 오목부를 구비하여 또 다른 렌즈를 형성함으로써, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사된 광을 포토다이오드 영역쪽으로 굴절시킴으로써 광감도를 개선할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈 표면의 결함이나 이상굴절면에서 반사되어 포토다이오드 영역을 벗어나는 광들 또한 포토다이오드 쪽으로 집속시킬 수 있어서,인접한 화소에 광이 침투하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
Claims (7)
- 이미지 센서에 있어서,수광수단;상기 수광수단을 덮는 투명층;상기 이웃하는 수광수단 사이에 중첩되는 상기 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈; 및상기 투명층 상부에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 이미지 센서에 있어서,수광수단;상기 수광수단을 덮는 투명층;상기 이웃하는 수광수단 사이에 중첩되는 상기 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈;상기 투명층 및 상기 오목부를 덮는 평탄화층; 및상기 평탄화층 상에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 이미지 센서에 있어서,수광수단;상기 수광수단 상부에 형성되어 상기 수광수단과 중첩되는 칼라필터;상기 칼라필터를 덮는 투명층;상기 이웃하는 칼라필터 사이에 중첩되는 상기 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈;상기 투명층 및 상기 오목부를 덮는 평탄화층; 및상기 평탄화층 상에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,상기 투명층의 굴절율은 상기 평탄화층의 굴절율 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 이미지 센서 제조 방법에 있어서,수광수단을 포함하는 소정의 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판을 마련하는 단계;상기 수광수단을 덮는 투명층을 형성하는 단계;상기 투명층 상에 식각마스크를 형성하여 상기 이웃하는 수광수단 사이를 덮는 상기 투명층을 노출시키는 단계;상기 투명층을 습식식각하여 상기 이웃하는 수광수단 사이에 중첩되는 투명층 내에 형성되며 상기 수광수단을 향하여 아래로 볼록한 오목부로 이루어지는 제1 렌즈를 형성하는 단계;상기 식각마스크를 제거하는 단계;상기 투명층을 덮으며 상기 오목부를 채우는 평탄화층을 형성하는 단계; 및상기 평탄화층 상부에 형성되며 상기 이웃하는 제1 렌즈 사이에 중첩되는 제2 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 투명층을 상기 평탄화층 보다 굴절율이 높은 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 투명층을 산화질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서 제조 방법.
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