KR20020088547A - 고체촬상소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체촬상소자 및 그 제조방법을 제공한다. 이 고체촬상소자는 광다이오드, 전송전극 및 상기 각각의 광다이오드 상부에 위치하는 칼라 필터를 포함하는 복수개의 화소 및 화소들을 덮는 평탄화층 상에 칼라 필터 상부를 덮는 마이크로 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭 영역에 보조 렌즈가 위치한다. 마이크로 렌즈 및 보조렌즈의 제조는 먼저, 평탄화층 상에 칼라필터 상부를 덮는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 플로우시켜 복수개의 마이크로 렌즈를 형성한다. 계속해서, 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역을 채우는 투명막을 형성하고 마이크로 렌즈의 상부의 일부가 노출되도록 투명막을 전면식각 방법을 사용하여 식각한다.
Description
본 발명은 고체촬상소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로 집광성이 우수한 마이크로 렌즈를 가지는 고체촬상소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고체촬상소자는 피사체의 광학상을 입력받아 텔레비젼 주사원리(scaning principle)에 의해 시계열의 전기신호로 변환시켜 출력하는 소자를 말한다. 고체촬상소자의 렌즈를 통과한 빛은 색분해 광학계(칼라 필터)에 의해 3원색으로 분해되어 수광부에 조사된다. 이 때, 수광부의 어레이에서 생성된 신호전하를 순차적으로 읽어 출력신호를 얻는다. 이러한 고체촬상소자는 수광부의 신호 전송에 MOS트렌지스터를 사용하는 MOS형과 전하 전송방식을 사용하는 CCD(charge coupled devices)형이 있다. 이 중, CCD(charge coupled devices)형 고체촬상소자는 낮은 동작전압, 고감도, 고해상도, 빠른 영상출력, 반영구적인 수명, 소형화 및 경량화가 가능하여 많이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 CCD(charge coupled device)형 고체촬상소자를 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, CCD(charge coupled device)형 고체촬상소자는 반도체 기판(10)에 형성된 광다이오드(12), 전송전극(20), 칼라필터(26) 및 마이크로 렌즈(28)을 포함한다. 상기 전송전극(20)의 하부에 수직전송영역(18)이 형성되어 있고, 상기 수직전송영역(18)은 상기 광다이오드(12)와 채널영역(19)을 통하여 전기적으로 연결된다. 상기 전송전극(20)의 상부 및 측벽은 차광막(22)에 의해 덮혀있고, 상기 차광막 사이에 노출된 광다이오드(12)의 상부면이 외부에서 집속된 광이 입사되는 수광부(21)가 된다.
외부 광원에서 입사된 빛이 마이크로 렌즈(24)를 통과하는 동안 집광되어 광다이오드(12)에 이른다. 이 때, 차광막(22)은 통상적으로 금속물질로 형성되어 빛이 광다이오드(12) 이외의 영역에 입사되는 것을 차단하는 역할을 하고, 칼라 필터(26)는 빛을 3원색으로 분해하는 역할을 한다. 광다이오드(12)에 입사된 빛은 그 에너지에 대응하는 전하로 바뀐 후, 채널영역(20)을 통하여 수직전하 전송영역(18)으로 전달된다. 수직 전하전송 영역(18)에 전달된 전하는 전송전극(20)에 인가되는 신호를 따라 이동하여 전기적 신호로 바뀌어 외부로 출력된다. 고체촬상소자는 고품질의 출력신호를 얻기위해서, 우수한 집광성이 요구된다. 이에 따라, 광다이오드(12)에 입사되는 빛의 높은 입사효율을 얻을 수 있고, 광다이오드(12) 이외의 영역에 입사되는 빛에 의한 난반사 및 불균일한 필터링(filtering)을 방지할 수 있는 구조의 개발이 요구된다.
도 2 및 도 3은 종래의 CCD형 고체촬상소자의 제조방법 및 그 문제점을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 복수개의 광다이오드(도 1의 12), 채널영역(도 1의 19) 및 수직 전하 전송영역들(도 1의 18)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 전송전극(20)을 형성한다. 상기 전송전극(20)은 반도체 기판(10)에 형성된 수직 전하전송 영역(도 1의 18) 상부에 형성된다. 이어서, 상기 전송전극(20)의 상부 및 측벽을 덮는 차광막(22)을 형성한다. 그 결과, 반도체 기판(10)의 광다이오드(도 1의 12) 상부면에 노출된 수광부(21) 이외의 영역이 상기 차광막(22)으로 덮혀 수광부(21) 이외의 영역에 빛이 입사되는 것이 방지된다. 계속해서, 상기 차광막(22)이 형성된 결과물 전면에 제1 평탄화층(23)을 형성한다. 그리고, 상기 제1 평탄화층(23) 상에 상기수광부(21) 상부를 덮는 칼라필터(26)를 형성한다. 상기 칼라필터(26)들은 각각 색의 3원색 중 하나를 선택적으로 투과시키는 역할을 한다. 계속해서, 상기 칼라필터(26)가 형성된 결과물 전면에 제2 평탄화층(24)을 형성한다.
도 3을 참조하면, 상기 제2 평탄화층(24) 상부에 볼록렌즈형의 마이크로 렌즈(28)를 형성한다. 도면에서 보는 것과 같이, 종래의 고체촬상소자는 마이크로 렌즈(28)들 사이에 홈이 형성된다. 이로 인하여, 이후 조립공정에서 렌즈 사이의 영역(32)에 실리콘 입자 등의 이물질이 남아 조립공정의 수율이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 이는 조립이 끝난 후 테스트 과정에서 찾을 수 있기 때문에 제조 비용 측면에서 막대한 손실을 가져오게 된다.
또 다른 문제점으로, 고체촬상소자가 동작하는 동안 수광부(21)에 입사되는 유효광(31)과 수광부 이외의 영역에 입사되어 반사되는 반사광(30)의 간섭에 의한 집광 효율의 저하가 있다. 마이크로 렌즈(28)에 입사된 유효광(31)은 굴절하여 수광부(21)에 집광된다. 그러나, 마이크로 렌즈 사이의 영역(32)으로 입사된 빛(30)은 금속물질로 형성되어 있는 차광막(22)에서 반사된다. 따라서, 반사광(30)과 유효광(31)이 서로 간섭을 일으켜 수광부(21)에 입사되는 유효광(31)의 신호에 영향을 주어, 그 결과 화질이 떨어지는 문제점이 발생된다.
본 발명의 목적은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여 마이크로 렌즈들 사이의 영역에 입사되는 빛을 수광부로 집광시키기 위한 보조렌즈를 가지는 고체촬상소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 CCD(charge coupled device)형 고체촬상소자를 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 종래의 고체촬상소자를 설명하기 위한 공정단면도들이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 고체촬상소자를 설명하기 위한 공정단면도들이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
10: 반도체 기판20: 전송 전극
22: 차광막23, 24: 평탄화층
26: 칼라 필터28: 마이크로 렌즈
34: 보조 렌즈
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광다이오드, 전송전극 및 상기 각각의 광다이오드 상부에 위치하는 칼라 필터를 포함하는 복수개의 화소 및 상기 화소들을 덮는 평탄화층 상에 위치하는 마이크로 렌즈 및 보조렌즈를 포함한다. 상기 마이크로 렌즈는 상기 칼라 필터 상부에 위치하고, 상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역에 보조렌즈가 위치한다.
구체적으로, 상기 칼라 필터는 상기 광다이오드의 상부에 위치하고, 상기 전송전극 하부에 수직 전하전송 영역이 위치한다. 상기 마이크로 렌즈는 상기 보조 렌즈 보다 굴절률이 높고, 볼록렌즈(convex lens type)형 또는 상부의 일부가 평평한 볼록렌즈형이다. 또한, 상기 보조 렌즈는 상기 마이크로 렌즈의 상부 곡면을 따라서, 상부면이 오목한 오목렌즈형(concave lens type)이다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 기판에 광다이오드, 전송전극 및 칼라필터를 포함하는 복수개의 화소를 형성한다. 화소들이 형성된 결과물 전면에 평탄화층을 형성하고, 상기 평탄화층 상에 마이크로 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역에 보조렌즈를 형성한다.
구체적으로, 상기 마이크로 렌즈 및 보조렌즈를 형성하기 위하여 먼저, 상기 평탄화층 상에 상기 칼라필터의 상부를 덮는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴들을 베이크 공정을 사용하여 플로우시켜 상기 칼라필터 상부에 볼록렌즈형의 마이크로 렌즈를 형성한다. 이어서, 상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역을 채우는 투명막을 형성한다. 그리고, 상기 투명막을 전면식각 방법을 사용하여 식각하여 상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역에 보조 렌즈를 형성한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체촬상소자의 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 고체촬상소자의 마이크로 렌즈 하부의 화소영역은 종래의 고체촬상소자의 구조와 동일하다. 종래의 고체촬상소자와 구별되는 본 발명의 특징은 마이크로 렌즈 사이의 갭영역에 보조렌즈를 가지는데 있다.
반도체 기판에 매립된 복수개의 광다이오드, 채널영역 및 수직전송영역들은 도시하지 않았지만 통상적인 고체촬상소자의 구조와 동일하다. 상기 각각의 수직전송영역 상에 차광막(22)에 둘러싸인 전송전극(20)이 위치한다. 상기 차광막(22)은 상기 전송전극(20)의 측벽 및 상부를 덮고, 광다이오드(도시안함)의 상부면(수광부;21)은 노출시킨다. 상기 차광막(22)에 의해 둘러싸인 전송전극(20)은 제1 평탄화층(23)에 의해 덮히고, 상기 차광막(22) 사이에 노출된 수광부(21) 상부에 칼라필터(26)가 위치한다. 상기 칼라필터(26)들은 각각 특정 파장을 가지는 빛을 선택적으로 투과시키는 역할을 한다. 상기 칼라필터(26)들은 제 2 평탄화층(24)으로 덮혀있다. 상기 제2 평탄화층(24)은 굴절률이 1.4 내지 1.6이고, 가시광선 투과성이 우수한 물질로써, 예컨대 폴리이미드(polyimide) 계열의 수지로 형성되어 있다.
상기 제2 평탄화층(24) 상에 상기 칼라필터(26) 상부를 덮는 마이크로 렌즈(28) 및 상기 마이크로 렌즈(28) 사이의 갭영역에 보조 렌즈(34)가 위치한다. 상기 마이크로 렌즈(28)는 예컨대 굴절률이 1.6 내지 1.7인 물질로서, 가시광선 투과성이 우수한 물질인 것이 바람직하다. 또한, 상기 보조 렌즈(34)는 상기 마이크로 렌즈(28)에 비하여 굴절률이 낮은 물질로써, 예컨대 굴절률이 1.3 내지 1.4인 물질인 것이 바람직하다. 이는, 상기 보조렌즈(34)와 상기 마이크로 렌즈(28) 사이의 계면에서 빛을 굴절시켜 상기 수광부(21)로 집속시켜주기 위함이다.
본 발명에 따른 고체촬상소자는 종래의 고체촬상소자와는 달리 마이크로 렌즈 사이의 영역으로 입사되는 빛을 수광부(21)에 입사시킬 수 있다. 종래의 고체촬상소자에서 마이크로 렌즈 사이의 영역으로 입사되는 빛은 통상적으로 금속물질을 사용하는 차광막에 반사되어 유효광과 간섭현상을 일으키는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 따른 고체촬상소자에서 상기 마이크로 렌즈(28) 사이의 영역으로 입사되는 빛(30)은 상기 보조 렌즈(34)의 표면에서 1차 굴절되어 하여 상기 마이크로 렌즈(28)로 진행한다. 그리고, 상기 1차 굴절된 빛은 상기 마이크로 렌즈(28)와 상기 보조 렌즈(34) 사이의 계면에서 2차 굴절되어 수광부에 집광된다. 따라서, 종래의고체촬상소자에서 난반사를 일으키는 불필요한 빛을 본 발명의 고체촬상소자에서 유효광으로 사용할 수 있다.
도 5 내지 도 8는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체촬상소자의 제조과정을 설명하기 위한 공정단면도들이다.
도 5을 참조하면, 광다이오드 상부의 수광부(21), 전송전극(20), 상기 수광부(21)의 상부를 덮는 칼라필터(26)를 포함하는 복수개의 화소를 형성한다. 상기 전송전극(20)들의 상부 및 측벽은 차광막(22)으로 덮혀있고, 상기 칼라필터(26)는 하부 구조를 덮는 제1 평탄화층(23) 상에 형성된다. 상기 제1 평탄화층(23)은 가시광선 영역의 파장을 가지는 빛을 투과하는 성질이 우수한 물질막으로써, 예컨대 폴리이미드(polyimide)계열의 열경화성 수지로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 화소들이 형성된 결과물의 전면에 제2 평탄화층(24)을 형성한다. 상기 제2 평탄화층(24)은 상기 제1 평탄화층(23)과 마찬가지로 가시광선 영역의 파장을 가지는 빛을 투과시키는 특성이 우수한 물질막으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 상기 제2 평탄화층(24) 상부의 전면에 포토레지스트를 형성한다. 상기 포토레지스트를 패터닝하여 상기 제2 평탄화층(24) 상에 상기 칼라필터(26) 상부를 덮는 포토레지스트 패턴(27)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(27)은 양성 레지스트(positive photo resist)를 사용하였을 경우, 노광되지 않은 영역이다. 따라서, 상기 포토레지스트 내의 광감응제(PAC;photo active compound)가 잔존하게 되므로 빛을 받았을 때 포토레지스트의 결합구조가 변경될 수 있다. 따라서, 상기 포토레지스트 내의 광감응제에 의해 더이상 포토레지스트의결합구조가 변경되지 않는 광포화상태를 만들기 위하여 상기 포토레지스트를 일정한 빛에 노광하는 표백공정(bleach process)을 실시를 해 주어야 한다.
도 8을 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(27)을 플로우시켜 마이크로 렌즈(28)를 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(27)은 120℃ 내지 180℃의 온도에서 약 5분 가량 열처리를 해줌으로써 표면이 볼록한 마이크로 렌즈(28)를 형성하는 것이 바람직하다. 그 결과 상기 마이크로 렌즈(28)는 1.6 내지 1.7 정도의 굴절률을 가지게 된다. 계속해서, 상기 마이크로 렌즈(28)이 형성된 결과물의 전면에 투명막(33)을 형성한다. 상기 투명막(33)은 가시광선 투과성이 우수하고, 굴절률이 1.3 내지 1.5인 물질막으로써, 예컨대 자외선 차단수지(UV-curable resin)로 형성하는 것이 바람직하다.
도 9를 참조하면, 상기 투명막(33)을 전면식각방법을 사용하여 식각하여, 상기 마이크로 렌즈(28) 사이의 갭 영역에 보조 렌즈(34)를 형성한다. 상기 투명막(33)은 예컨대, O2-플라즈마를 사용하여 식각하는 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 보조 렌즈(34)는 상기 마이크로 렌즈의 상부 곡면을 따라 그 상부면이 오목하게 형성된 오목렌즈형(concave lens type)이 된다. 이 때, 상기 투명막(33)을 상기 마이크로 렌즈(28)과 동일한 식각선택비를 가지는 물질막으로 형성할 수 있다. 따라서, 상기 투명막(33)을 식각하는 동안 상기 마이크로 렌즈(28)의 상부의 일부를 함께 식각하여 집광 능력을 조절할 수도 있다. 이 경우, 상기 마이크로 렌즈(28)의 식각된 상부면의 면적은 상기 수광부(21)의 면적을 넘지 않은 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 집광렌즈로 사용되는 마이크로 렌즈 사이의 영역에 보조렌즈를 형성함으로써, 수광부에 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 이외의 영역으로 입사되는 입사광의 난반사에 의한 간섭현상을 제거하여, 높은 집광효율 및 고화질을 얻을 수 있다. 이에 더하여, 렌즈의 상부면이 종래 기술에 비하여 평탄하므로, 고체촬상소자를 제조한 후 후속공정인 절단공정 및 패키지 공정에서 발생하는 이물질이 마이크로 렌즈 사이의 영역에 잔류하는 것을 방지할 수 있다.
Claims (12)
- 광다이오드, 전송전극 및 상기 광다이오드 상부의 칼라 필터를 포함하는 복수개의 화소;상기 화소들을 덮는 평탄화층;상기 평탄화층 상에 위치하고 상기 각각의 칼라필터 상부를 덮는 마이크로 렌즈; 및상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭 영역을 채우는 보조 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
- 제1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 볼록 렌즈인 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
- 제1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 굴절률이 1.5 내지 1.7인 물질인 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
- 제1 항에 있어서,상기 보조 렌즈의 상부 표면은 오목한 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
- 제1 항에 있어서,상기 보조 렌즈는 굴절률이 1.4 내지 1.5인 물질인 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
- 반도체 기판에 광다이오드, 전송전극 및 칼라필터를 포함하는 복수개의 화소룰 형성하는 단계;상기 화소들이 형성된 결과물 전면에 평탄화층을 형성하는 단계;및상기 평탄화층 상에 상기 각각의 칼라필터 상부를 덮는 복수개의 마이크로 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역에 보조렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 고체촬상소자의 제조방법.
- 제6 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 및 보조렌즈를 형성하는 단계는,상기 평탄화층 상에 상기 칼라필터 상부를 덮는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;및상기 포토레지스트 패턴들을 플로우시켜 상기 평탄화층 상에 상기 각각의 칼라필터 상부를 덮는 복수개의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역을 채우는 투명막을 형성하는 단계;및상기 투명막을 전면식각방법을 사용하여 식각하여, 상기 마이크로 렌즈들 사이의 갭영역을 채우는 보조 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는고체촬상소자의 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 포토레지스트 패턴은 굴절률이 1.5 내지 1.7이고, 가시광선 투과성이 우수한 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자의 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 투명막은 가시광선 투과성이 우수하고, 굴절률이 1.3 내지 1.4인 자외선차단 수지(UV curable resin)로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자의 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 및 상기 투명막은 동일한 식각선택비를 가지는 물질막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자의 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 투명막을 식각하는 동안, 상기 마이크로 렌즈의 상부면의 일부를 더 식각하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자의 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 포토레지스트 패턴을 형성한 후에,상기 포토레지스트 패턴을 광포화시키기 위하여 표백공정(bleach process)을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자의 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100741911B1 (ko) * | 2005-12-29 | 2007-07-24 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 시모스 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| KR100881458B1 (ko) * | 2007-02-23 | 2009-02-06 | 삼성전자주식회사 | 마이크로렌즈 보호패턴을 갖는 촬상소자, 카메라모듈, 및그 제조방법 |
| KR100958633B1 (ko) * | 2008-07-14 | 2010-05-19 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
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2001
- 2001-05-18 KR KR1020010027282A patent/KR20020088547A/ko not_active Application Discontinuation
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