KR20030001075A - 시모스 이미지센서의 칼라필터 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서의 칼라필터 형성방법에 관한 것으로, 칼라필터의 컷오프 특성과 포토레지스트 찌꺼기문제를 해결하여 이미지센서의 색재현성과 감도특성을 향상시킨 발명으로 이를 위한 본 발명은 소정공정이 완료된 기판 상에 산화막과 질화막이 적층된 다층필터구조로 블루필터를 형성하는 단계; 결과물상에 평탄화막을 형성하는 단계; 상기 평탄화막 상에 산화막과 질화막이 적층된 다층필터구조로 레드필터를 형성하는 단계; 및 상기 레드필터에 측면이 접하도록 상기 평탄화막상에 염색된 포토레지스트를 사용하여 그린필터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 시모스 이미지센서(CMOS Image Sensor)에 관한 것으로 특히, 다층으로 칼라필터(Color Filter)를 형성하는 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있다. 칼라필터어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼리필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
종래의 일반적인 이미지센서의 제조방법을 도1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
기판(1)위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막(2)을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(도1에 게이트 전극은 도시되어 있지 않다.)
이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(3)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한 후 층간절연막(4), 제1금속배선(5)을 형성한다.
금속배선을 여러개 사용하는 경우에는 금속배선 사이에 금속층간절연막을 형성하고 최종 금속배선 상부에 페시베이션보호막을 형성하는데 도1에서는 하나의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였다.
따라서 도1에서는 제1금속배선(5)을 형성한 후, 제1금속배선 상부에 페시베이션보호막(6)을 형성하여 일반 시모스 로직 프로세스를 완료하였다.
이후 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터 형성공정을 진행하고 오버코팅레이어 (OCL:Over Coating Layer)를 이용하여 평탄화 공정을 진행하여 CFA(7)를 형성한다. 칼라필터의 물질은 통상 염색된 포토레지스트를 사용한다.
OCL(8)는 일종의 감광막으로서 후속 마이크로렌즈 마스크 패터닝을 용이하게 하기 위한 평탄화 목적으로 쓰인다. OCL를 이용하여 평탄화공정을 수행한 다음 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(9)를 형성하는데 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트 물질을 이용하여 형성한다.
마이크로렌즈의 형성은 다음과 같이 수행된다.
마이크로렌즈 감광제를 도포한 후 마스크 공정을 통해 패턴을 형성한다. 이후 베이킹을 하여 마이크로렌즈를 플로우 시켜서 돔 형태의 마이크로렌즈를 형성시키게 된다.
도2는 상기와 같은 방법으로 종래의 칼라필터를 형성할 때 발생할 수 있는 문제점을 도시한 도면이다.
종래의 시모스 이미지센서 (CMOS Image Sensor 이하, CIS라 한다.) 에서 CFA 제조공정은 블루, 레드, 그린의 세가지 필터 모두 포토레지스트를 사용하여 형성하기 때문에 공정을 진행하고 난 후에 포토레지스트 찌꺼기(Residue)가 남아 광 감도 특성을 저하 시킬수 있는 문제점이 있고 또한 CFA 간의 공간으로 입사하는 빛을 차단하여 빛의 색변별력을 좋게 하기 위하여 이웃하는 칼라필터들을 약간씩 오버랩 시키는데 이 부분은 포토레지스트의 두께가 두꺼워지므로 빛 투과도가 약해져 빛의 손실을 보게 된다.
도3은 기존의 포토레지스트를 이용한 3가지 칼라필터의 특성을 도시한 도면인데 도3에 도시된 바와 같이 그린 영역은 블루와 레드에 의해서 많이 오버랩되어 있음을 볼 수 있다. 또한 본 발명에 따른 칼라필터의 특성을 도시한 도7과 비교하여 보면 블루와 레드영역의 컷오프 특성이 본 발명보다 좋지 않음을 알 수 있다.
이렇게 되면 색 재현성 및 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)의 특성이 악화되고 신호의 다이내믹 레인지(dynamic range)도 작아지는 문제를 갖게 된다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 색재현성과 포토레지스트 찌꺼기 문제를 해결한 시모스 이미지센서의 칼라필터 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도1은 종래의 이미지센서의 구조를 도시한 도면
도2는 기존 공정에서 칼라필터 형성시 발생하는 문제점을 도시한 도면
도3은 기존 칼라필터의 특성을 도시한 도면
도4는 본 발명에 따른 블루필터의 형성방법을 도시한 도면
도5는 본 발명에 따른 레드필터의 형성방법을 도시한 도면
도6은 본 발명에 따른 블루필터, 레드필터, 그린필터와 마이크로렌즈가 차례로 형성된 모습을 도시한 도면
도7은 본 발명에 따른 블루필터의 특성을 도시한 도면
도8은 본 발명에 따른 레드필터의 특성을 도시한 도면
도9는 본 발명에 따른 블루, 레드, 그린필터의 특성을 도시한 도면
도10은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면
도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그린필터의 특성을 도시한 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판2 : 필드산화막
3 : 포토다이오드4 : 층간절연막
5 : 제1 금속배선6 : 페시베이션보호막
7 : 칼라필터8 : 오버코팅레이어
9 : 마이크로렌즈
4a : 블루필터용 산화막4b : 블루필터용 질화막
4c : 블루필터5a : 레드필터용 산화막
5b : 레드필터용 질화막5c : 평탄화막
5d : 레드필터6c :그린필터
6d : 평탄화막6e : 마이크로렌즈
10a : 그린필터용 제1산화막10b : 그린필터용 제1질화막
10c : 그린필터용 제2산화막10d : 그린필터용 제2질화막
10e : 그린필터10f : 블루필터
10g : 레드필터
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 소정공정이 완료된 기판 상에 산화막과 질화막이 적층된 다층필터구조로 블루필터를 형성하는 단계; 결과물상에 평탄화막을 형성하는 단계; 상기 평탄화막 상에 산화막과 질화막이 적층된 다층필터구조로 레드필터를 형성하는 단계; 및 상기 레드필터에 측면이 접하도록 상기 평탄화막상에 염색된 포토레지스트를 사용하여 그린필터를 형성하는 단계 를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도4내지 도6은 본 발명에 따른 CFA 형성방법을 도시한 도면으로 이를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 설명한다.
본 발명에 따른 칼라필터어레이의 형성은 페시베이션보호막(6) 위에 특정 파장대역의 빛을 반사시키는 멀티레이어 구조를 도4 내지 도6에 도시된 바와 같이 형성한다.
도4는 블루영역의 파장을 갖는 빛만을 통과시키는 필터를 멀티레이어 형태로 형성한 모습을 보인 도면이다.
즉, 굴절율이 1.46인 산화막과 굴절율이 2.3인 질화막을 이용하여 멀티레이어를 형성하는데, 두께가 0.1㎚인 산화막(4a)과 두께가 0.058㎚인 질화막(4b)을 차례로 형성하고 이를 한쌍으로 하여 모두 5쌍을 페시베이션보호막(6) 상에 적층한다. 이와 같은 두께는 기준파장을 0.47㎛로 한 경우이다.
그 다음 마스킹과 에칭을 통해 블루필터가 형성될 영역만을 남겨놓고 멀티레이어를 제거하면 블루필터(4c)가 형성된다. 이후 평탄화층(5d)을 형성한 후 평탄화층(5d)상에 레드필터를 형성하는데 도5는 레드필터를 멀티레이어구조로 형성하는 모습을 보인 도면이다.
블루필터와 마찬가지로 적층하여 레드필터를 형성하는데 0.6㎛의 파장을 갖는 빛을 주로 통과시키는 레드필터의 경우, 산화막(5a)과 질화막(5b)의 두께는 각각 0.08㎚, 0.045㎚이며 이러한 한쌍의 레이어를 5층으로 적층하여 필터를 형성한다.
도6에 도시된 바와 같이 레드필터 형성 후에 염색된 포토레지스트를 이용하여 그린필터(6c)를 형성한 후 오버코팅레이어(6d)를 형성하여 평탄화작업을 한다. 이후 마이크로렌즈(6e)를 형성한다.
이와 같은 방법으로 칼라필터를 형성하게 되면 블루영역과 레드영역의 컷 오프(Cut Off) 특성이 좋아지게 되며 또한 종래와 달리 그린필터와 오버랩이 되는 부분이 줄어들기 때문에 색 재현성 및 신호 대 잡음비등의 특성이 개선된다.
또한 포토레지스트의 사용을 줄임으로서 포토레지스트 찌꺼기문제를 방지할 수 있고 빛 투과성도 좋아지게 된다.
도7 은 본 발명에 따른 필터를 사용했을 경우 블루필터의 투과특성을 보인도면이고 도8은 본 발명에 따른 필터를 사용했을 경우 레드 칼라필터의 투과특성을 보인 도면이다. 도9는 본발명에 따른 필터 특성을 도시한 도면이다.
블루필터와 레드필터를 멀티레이어 필터로 구현한 경우에는 도7 내지 도8에 도시된 바와 같이 컷오프 특성이 향상되는데 이는 도3에 도시된 종래의 칼라필터의 투과특성과 비교하면 잘 알수 있다. 이처럼 블루영역과 레드영역의 컷오프 특성이 향상되므로 그린영역과 오버랩되는 부분도 많이 줄어든 모습이 도9에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예를 도10을 참조하여 설명한다.
앞의 실시예에서는 블루와 레드 필터를 멀티레이어 형태로 형성하고 그린필터는 기존의 포토레지스트를 이용하였지만 본 발명의 다른 실시예에서는 그린필터를 멀티레이어 형태로 형성하고 블루영역과 레드영역은 종래의 포토레지스트를 이용하여 필터를 형성한다.
그린필터를 멀티레이어 형태로 형성하기 위해서 마찬가지로 굴절율이 1.46인 산화막과 굴절율이 2.3인 질화막을 이용하는데, 먼저 0.45㎛를 기준파장으로 하여 두께가 0.077㎚인 산화막(10a)과 두께가 0.049㎚인 질화막(10b)을 차례로 형성하고 이를 한쌍으로 하여 모두 5쌍을 페시베이션보호막 상에 적층한다.
이와 같이 5쌍의 층이 형성된 후에 다시 상기의 산화막과 질화막을 이용하여 5쌍의 층을 적층하는데 나중에 형성되는 5쌍의 층은 0.65㎛ 기준 파장으로 하여 두께가 0.11㎚인 산화막(10c)과 두께가 0.071㎚인 질화막(10d)을 이용하여 구성된다.
즉, 그린 필터를 멀티레이어로 형성하기 위해서는 총 10쌍의 산화막/질화막 쌍이 필요하다.
도10은 이와 같이 그린필터(10e)를 다층으로 형성하고 블루필터(10f)와 레드필터(10g)는 종래의 포토레지스트를 이용하여 구성한 것을 도시한 도면이다.
도11은 상기의 방법으로 구성된 그린 필터의 컷오프 특성을 도시한 도면으로 종래의 포토레지스트 필터보다 컷오프 특성이 향상되었음을 볼 수 있다.
이와 같은 방법을 이용하여 그린필터의 컷오프 특성을 향상시킴으로써 오버랩되는 영역을 감소시켜 색 재현성, 신호 대 잡음비, 신호의 다이내믹 레인지 등의 특성을 향상시킬 수 있다.
상기에서 기술된 칼라필터를 구성하는 각층의 두꼐와 구성은 본 발명에 따른 일 실시예에 지나지 않으며 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리 또는 층간절연막이나 마이크로렌즈의 두께등 여러 인자에 의하여 최적의 광특성을 갖도록 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 따른 방법을 적용하게 되면 종래의 포토레지스트 찌꺼기 문제를 해결할 수 있고 또한 블루영역과 레드영역의 컷오프(Cot Off)특성이 좋아져서 색재현성이 좋아지게 되며 또한 그린영역은 오버랩 영역이 줄어들어 순수 그린성분이 더 넒은 영역을 갖게됨으로써 색재현성 및 색감도특성이 향상되고 SNR특성 및 다이내믹 레인지 특성도 향상되는 효과를 갖는다.
Claims (5)
- 이미지센서의 칼라필터 제조방법에 있어서,소정공정이 완료된 기판 상에 산화막과 질화막이 적층된 다층필터구조로 블루필터를 형성하는 단계;결과물상에 평탄화막을 형성하는 단계;상기 평탄화막 상에 산화막과 질화막이 적층된 다층필터구조로 레드필터를 형성하는 단계; 및상기 레드필터에 측면이 접하도록 상기 평탄화막상에 염색된 포토레지스트를 사용하여 그린필터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 칼라필터 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 블루필터는 기준파장은 0.47㎛이고 두께가 0.1㎚인 산화막과 두께가 0.058㎚인 질화막을 한쌍으로 하여 모두 5쌍으로 형성되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 칼라필터 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레드필터는 기준파장은 0.6㎛ 이고 두께가0.08㎚인 산화막과 두께가 0.045㎚인 질화막을 한쌍으로 하여 모두 5쌍으로 형성되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 칼라필터 형성방법.
- 이미지센서의 칼라필터 제조방법에 있어서,소정공정이 완료된 기판 상에 산화막과 질화막이 적층된 다층필터구조로 그린필터를 형성하는 단계; 및상기 그린필터의 측면에 접하도록 상기 기판 상에 염색된 포토레지스트를 사용하여 블루필터 및 레드필터를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 칼라필터 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 그린필터는 기준파장은 0.45㎛이고 두께가 0.077㎚인 산화막과 두께가 0.049㎚인 질화막을 한쌍으로 하여 모두 5쌍을 먼저 적층하고 그 상부에 기준파장은 0.65㎛이고 두께가 0.11㎚인 산화막과 두께가 0.071㎚인 질화막을 한쌍으로 하여 모두 5쌍을 적층하여 구성되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 칼라필터 형성방법.
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