KR20030002881A - 이미지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 이미지센서의 칼라필터를 제조할 때에 광차단막 역할을 하는 금속배선 사이에 칼라필터를 형성함으로써 칼라필터간의 오버랩을 원천적으로 막아주고 또한 필터두께의 조절을 용이하게 하여줌으로써 기존 방법을 문제를 해결한 발명이다. 이를 위한 본 발명은 수광소자를 포함하는 이미지센서 관련소자들이 형성된 기판; 상기 기판 상부에 형성되는 금속배선; 상기 금속배선을 포함하는 기판상에 형성되되 상기 수광소자와 대응되는 영역에 격리된 홈을 형성하는 소자보호막; 및 상기 홈의 내부에 형성되는 칼라필터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

이미지센서 {Image sensor}

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 칼라필터에 관한 것이다.

일반적으로 이미지센서라 함은 광학영상을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로서 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 저장되고 이송되는 소자이며 CMOS 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 CMOS기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다

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.

기판위에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막을 형성한 후 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을형성한다.(게이트전극은 도1에 도시되어 있지않다.)

이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드등의 수광소자를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한 후 층간절연막, 금속배선을 형성한다. 그리고 그 상부에 금속층간절연막, 최종금속배선(2)을 형성한다.

도1의 도면부호(1)는 포토다이오드등의 수광소자를 비롯한 관련소자들과 층간절연막, 금속배선, 금속층간절연막, 최종금속배선(2)등이 형성되어 있는 하부막(1)을 나타낸 것이며 최종금속배선(2) 상부에 페시베이션보호막(3)을 형성하면 일반 시모스 로직 프로세스가 완료된다.

이후 칼라 이미지 구현을 위한 세가지 종류의 칼라필터(4) 형성공정을 진행하고 OCL(Over Coating Layer)막(5)을 이용한 평탄화 공정을 진행하여 칼라필터어레이를 형성한다. 칼라필터의 물질은 통상 염색된 포토레지스트를 사용한다.

OCL(5)은 일종의 감광막으로서 후속 마이크로렌즈 마스크 패터닝을 용이하게 하기 위한 평탄화 목적으로 쓰인다. OCL막을 이용하여 평탄화공정을 수행한 다음 광집속율을 증가시키기 위해 마이크로렌즈(6)를 형성하는데 마이크로렌즈는 주로 유기물 포토레지스트 물질을 이용하여 형성되며 다음과 같이 수행된다.

마이크로렌즈 감광제를 도포한 후 마스크 공정을 통해 패턴을 형성한다. 이후 베이킹을 하여 마이크로렌즈를 플로우 시켜서 돔 형태의 마이크로렌즈를 형성시키게 된다.

종래의 칼라필터 형성공정은 칼라필터(4) 형성전의 토폴로지 (topology)상에 칼라필터 상호간의 가장자리 부분이 서로 중첩된 상태로 형성시킨다. 이렇게 중첩시켜 칼라필터를 형성하게 되면 칼라필터의 두께가 타겟보다 두껍게 형성되며 또한 단위 화소상에서 칼라필터 두께가 불균일하게 되고 포토레지스트 찌꺼기가 남을 수도 있어 이미지센서의 색재현성 및 광감도를 저하시킨다.

또한 종래의 방법으로 칼라필터를 형성하는 경우에는, 하부막의 토폴로지가 평탄화되어 있다면 평탄화되어 있지 않은 토폴로지에 비해 칼라필터의 두께 조절이 보다 용이한 장점이 있지만 반면에 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리가 상대적으로 더 멀어지게 되는 문제가 생긴다.

이와같이 종래에는 칼라필터의 용이한 두께조절을 위해서 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리가 증가하는 불리함을 감수해야 했으며 더구나, 현재의 이미지센서는 그 픽셀 사이즈가 점점 더 감소해가는 추세이고, 이에 따라 포토다이오드에 촛점을 맞추기가 더 어려워져 마이크로렌즈 형성시에 공정마진을 확보하기가 어려워진다.

따라서, 칼라필터의 두께 조절이 용이하면서도 마이크로렌즈와 포토다이오드사이의 거리를 증가시키지 않는 칼라필터가 필요하게 되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 이미지센서의 색재현성 저하 및 감도 저하의 문제를 해결하고 픽셀 사이즈의 감소에 따른 마이크로렌즈 형성시의 공정마진을 확보한 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.

도1은 종래의 이미지센서의 모습을 도시한 도면

도2는 본 발명에 따른 실시예를 도시한 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 하부막2 : 최종금속배선

3 : 소자보호막4 : 칼라필터

5 : 오버코팅레이어6 : 마이크로렌즈

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 수광소자를 포함하는 이미지센서 관련소자들이 형성된 기판; 상기 기판 상부에 형성되는 금속배선; 상기 금속배선을 포함하는 기판상에 형성되되 상기 수광소자와 대응되는 영역에 격리된 홈을 형성하는 소자보호막; 및 상기 홈의 내부에 형성되는 칼라필터를 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.

본 발명에 따른 이미지센서의 칼라필터는 광차단막 역할을 하는 금속배선 사이에 칼라필터를 형성함으로써 칼라필터간의 오버랩을 원천적으로 막아주고 또한 필터두께의 조절을 용이하게 하여줌으로써 기존의 문제를 해결한 발명이다.

또한 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 감소시켜 입사광의 광투과율을 높이고 마이크로렌즈 형성시에 마이크로렌즈 두께에 대한 공정마진을 향상시켰다.

도2는 본 발명에 따른 칼라필터가 형성되어 있는 모습을 도시한 도면으로 이를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 설명한다.

최종금속배선(2)을 형성하기전 까지의 공정은 종래기술과 동일하다.

본 발명에 따른 칼라필터를 구현하기 위해서는 최종금속배선(2)의 두께를 종래에 비하여 4000Å정도 더 두껍게 형성하고(5000 ∼ 7000Å) 또한 소자보호막으로 쓰이는 기존의 산화막 대신 질화막을 사용하여 소자보호막(3)을 형성하는데 그 두께는 기존의 산화막보다 상대적으로 두껍게 형성한다.

산화막보다 굴절률이 큰 질화막을 소자보호막으로 사용하면서 기존의 산화막에 비해 더 두껍게 형성하는 이유는 다음과 같다.

도2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의하여 칼라필터(4)를 최종금속배선(2) 사이에 형성할 경우에는 종래에 비해 마이크로렌즈의 두께에 대한 공정마진을 향상시킬 수 있어 센서의 광특성을 향상시킬 수 있는데 이와같이 마이크로렌즈(6)의 두께가 증가하게 되면 하부의 포토다이오드로의 집광이 용이하지 않다.

그러나 본 실시예와 같이 굴절률이 큰 질화막(3)을 기존의 산화막 대신 사용하고, 또한 그 두께도 기존의 산화막보다 두껍게 형성하면 도2에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈(6)를 통과하여 칼라필터로 입사한 빛이 소자보호막(3)을 통과하면서 굴절하여 하부의 포토다이오드에 효과적으로 집광되는 것이 가능해 진다.

이미지센서 관련소자들이 형성된 하부막상에 최종금속배선(2)을 형성하고 그 상부에 굴절률이 큰 질화막을 이용하여 소자보호막(3)을 형성하여 최종금속배선(2) 사이에 홈을 형성한다.

이와같이 최종금속배선(2) 사이의 홈의 내부에 각각의 칼라필터(4)를 형성하게 되면 각 칼라필터는 서로 분리되어 형성되므로 중첩이 발생하지 않는다.

본 발명에서는 최종금속배선의 두께를 종래보다 증가시켜 형성하고 또한 질화막을 두껍게 형성함으로써 최종금속배선 사이의 홈 내부에 형성될 칼라필터의 두께를 일정이상으로 형성할 수 있게 된다.

위와 같이 칼라필터(4)가 형성된 뒤에 오버코팅레이어(5)를 이용하여 평탄화 작업을 진행하고 마이크로렌즈(6)를 형성한다.

본 발명에 따른 이와같은 이미지센서는 인접한 칼라필터간의 중첩을 원천적으로 막아주기 때문에 종래의 방법에서 문제가 되던 포토레지스트 찌꺼기가 없어지게 된다. 또한 칼라필터의 두께조절이 자유로워져 각각의 픽셀에서 칼라필터의 두께 단일성을 확보할 수 있게 한다.

칼라필터의 두께 단일성을 확보함으로써 이미지센서의 색재현성과 감도 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명을 이용하여 이미지센서를 제작하면 종래의 이미지센서보다 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 줄일 수 있게 된다.

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 이미지센서의 칼라필터는 종래의 칼라필터가 갖는 두께의 불균일성과 오버랩에 의해 발생하는 공정상의 결함이나 포토레지스트 찌꺼기 문제를 근본적으로 해결하는 효과가 있으며 칼라필터의 두께조절을 용이하게 하여 색 재현성 및 감도 저하의 문제를 해결하는 효과가 있다.

또한 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 줄여줌으로써 입사하는 빛을 포토다이오드 상에 효과적으로 집광할 수 있게 하였으며 마이크로렌즈 두께의 여유를 크게하여 공정의 안정화에 기여하였다.

Claims (3)

1. 이미지센서에 있어서,

   수광소자를 포함하는 이미지센서 관련소자들이 형성된 기판;

   상기 기판 상부에 형성되는 금속배선;

   상기 금속배선을 포함하는 기판상에 형성되되 상기 수광소자와 대응되는 영역에 격리된 홈을 형성하는 소자보호막; 및

   상기 홈의 내부에 형성되는 칼라필터

   를 포함하여 구성되는 이미지센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 금속배선은 5000 ∼ 7000Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 소자보호막은 질화막을 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.