KR20030039238A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로렌즈 사이의 브리지를 유발하지 않으면서 마이크로렌즈의 크기를 최대한으로 증가시키고 그 균일하게 하여 광집적효율 및 광감도를 향상시킴과 동시에, 마이크로렌즈와 수광소자 사이의 거리차를 최소화하여 광감도를 더욱더 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 이미지 센서는 수광소자 및 필드절연막이 형성된 반도체 기판; 기판 상에 형성된 제 1 평탄화막; 수광소자 상의 제 1 평탄화막 상부에 형성된 마이크로렌즈; 마이크로렌즈 상부에 형성된 칼라필터; 및 마이크로렌즈와 칼라필터 사이에 형성된 제 2 평탄화막을 포함하고, 마이크로렌즈는 감광제로 이루어진 내부 마이크로렌즈와 감광제보다 큰 굴절율을 갖는 절연성 물질막으로 이루어진 외부 마이크로렌즈로 이루어지며, 이웃하는 마이크로렌즈와 서로 접하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 절연성 물질막은 저온증착방식에 의해 형성된 질화막이다.
Description
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 광특성을 향상시킴과 동시에 공정을 단순화할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있다. 또한, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지 센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(fill factor)을 크게 하려는 노력을 진행하고 있으나, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감도를 높이기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 변경하여 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이되어 있으며, 이러한 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 일반적으로 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3 가지 칼라필터로 이루어진다.
도 1은 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도로서, 도 1을 참조하여 그 제조방법을 간략하게 설명한다.
먼저, 실리콘과 같은 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(11)을 형성하고, 포토다이오드와 같은 수광소자(12A, 12B, 12C)를포함하는 픽셀을 형성한 다음, 기판 전면 상에 제 1 평탄화막(13)을 형성한다. 그리고 나서, 제 1 평탄화막(13) 상부에 칼라필터용 제 1 감광제를 도포하고, 칼라필터 마스크(미도시)를 이용하여 노광한 후, 현상 및 베이킹(baking)하여 수광소자(12A, 12B, 12C) 상의 제 1 평탄화막(13) 상부에 칼라필터(14A, 14B, 14C)를 각각 형성한다.
그 다음, 기판 전면 상에 오버코팅층(over coating layer; OCL)용 제 2 감광제를 도포하고 노광, 현상 및 베이킹하여 제 2 평탄화막(15)을 형성한다. 그 후, 제 2 평탄화막(15) 상부에 마이크로 렌즈용 제 3 감광제를 도포하고, 노광 및 현상하여 마이크로 렌즈 패턴을 형성한 다음, 베이킹을 수행하여 칼라필터(14A, 14B, 14C) 상의 제 2 평탄화막(15) 상부에 소정간격으로 이격된 구면형상의 마이크로 렌즈(16A, 16B, 16C)를 각각 형성한다.
한편, 마이크로 렌즈(16A, 16B, 16C)는 일반적으로 평탄화된 표면 상에서만 찌그러짐 없는 구면형상으로 형성하는 것이 가능하기 때문에, 마이크로 렌즈(16A, 16B, 16C)를 형성하기 전에 칼라필터(14A, 14B, 14C)에 의해 발생된 표면 단차를 제거하기 위하여 반드시 평탄화 공정을 수행하여야 한다. 그러나, 상술한 종래 기술에서 알 수 있는 바와 같이, 칼라필터(14A, 14B, 14C)의 형성 후 마이크로 렌즈(16A, 16B, 16C)를 형성하기 전에, 표면을 평탄화하기 위한 제 2 평탄화막(15)을 형성하기 위해서는 OCL용 감광제의 도포, 노광, 현상, 및 베이킹 공정 등의 과정을 수행해야 하므로 공정이 복잡해진다.
또한, 우수한 광감도를 얻기 위해서는 마이크로렌즈(16A, 16B, 16C)와 수광소자(12A, 12B, 12C) 사이의 거리가 짧은 것이 유리하나, 상술한 종래기술에서는 마이크로렌즈가 최상단에 형성되므로 마이크로렌즈와 수광소자 사이의 거리차가 상대적으로 크다.
또한, 이미지 센서에서 광집적효율을 증가시키기 위해서는 마이크로 렌즈의 크기를 증가시켜야 하는데, 상술한 바와 같이 감광제를 이용하여 마이크로 렌즈를 형성하는 경우에는, 마이크로 렌즈의 크기를 증가시키기 위하여 마이크로렌즈 사이의 간격을 좁히게 되면 베이킹 공정시 마이크로 렌즈 사이에 브리지(bridge)가 유발되므로 일정 크기 이상 마이크로 렌즈를 증가시킬 수 없을 뿐만 아니라, 마이크로렌즈 어레이 상에서 마이크로 렌즈의 크기가 균일하지 못하여 이미지 센서의 광특성 저하를 초래하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로렌즈 사이의 브리지를 유발하지 않으면서 마이크로렌즈의 크기를 최대한으로 증가시키고 그 균일하게 하여 광집적효율 및 광감도를 향상시킴과 동시에, 마이크로렌즈와 수광소자 사이의 거리차를 최소화하여 광감도를 더욱더 향상시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 반도체 기판21 : 필드절연막
22A, 22B, 22C : 수광소자23, 300 : 평탄화막
24A, 24B, 24C : 내부 마이크로렌즈
25A, 25B, 25C : 외부 마이크로렌즈
200A, 200B, 200C : 마이크로렌즈
26A, 26B, 26C : 칼라필터 100, 110 : 마스크
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서는 수광소자 및 필드절연막이 형성된 반도체 기판; 기판 상에 형성된 제 1 평탄화막; 수광소자 상의 제 1 평탄화막 상부에 형성된 마이크로렌즈; 마이크로렌즈 상부에 형성된 칼라필터; 및 마이크로렌즈와 칼라필터 사이에 형성된 제 2 평탄화막을 포함하고, 마이크로렌즈는 감광제로 이루어진 내부 마이크로렌즈와 감광제보다 큰 굴절율을 갖는 절연성 물질막으로 이루어진 외부 마이크로렌즈로 이루어지며, 이웃하는 마이크로렌즈와 서로 접하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 절연성 물질막은 저온증착방식에 의해 형성된 질화막이다.
또한, 상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 수광소자 및 필드절연막이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 평탄화막을 형성하는 단계; 수광소자 상의 제 1 평탄화막 상부에 감광제로 이루어진 구면형상의 내부 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 감광제보다 큰 굴절율을 갖는 절연성 물질막을 이용하여, 내부 마이크로렌즈의 토폴로지가 유지되도록 상기 내부 마이크로렌즈를 덮는 외부 마이크로렌즈를 형성하여, 외부 및 내부의 적층구조로 이루어진 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 마이크로렌즈 상부에 칼라필터를 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 절연성 물질막은 질화막으로 저온증착방식을 이용하여 증착하며, 질화막의 증착은 이웃하는 마이크로렌즈가 서로 접할 때까지 실시한다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 실리콘과 같은 반도체 기판(20) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드 절연막(21)을 형성하고, 포토다이오드와 같은 수광소자(22A, 22B, 22C)를 포함하는 픽셀을 형성한 다음, 기판 전면 상에 평탄화막(23)을 형성한다. 그리고 나서, 평탄화막(23) 상부에 마이크로렌즈용 제 1 감광제를 도포하고, 수광소자(22A, 22B, 22C) 상의 제 1 감광제만을 일부 노출시키는 마이크로렌즈 마스크(100)를 이용하여 제 1 감광제를 노광한 후, 현상 및 베이킹(baking)하여 수광소자(22A, 22B, 22C) 상의 평탄화막(23) 상부에 구면형상의 작은 내부 마이크로렌즈(24A, 24B, 24C)를 형성한다.
도 2b를 참조하면, 기판 전면 상에 내부 마이크로렌즈(24A, 24B, 24C)의 토폴로지가 유지되도록 마이크로렌즈용 제 1 감광제보다 큰 굴절율을 갖는 절연성 물질막, 바람직하게 질화막을 증착한다. 이때, 질화막은 저온증착방식을 이용하여 증착하며, 증착은 이웃하는 마이크로렌즈와 접할때까지 실시한다. 이에 따라, 내부 마이크로렌즈(24A, 24B, 24C)를 덮는 구면형상의 외부 마이크로렌즈(25A, 25B, 25C)를 형성하여, 도 2c에 도시된 바와 같이, 종래(도 1 참조)보다 큰 크기를 갖는 마이크로렌즈(200A, 200B, 200B)를 완성한다.
즉, 내부 마이크로렌즈는 감광제로 형성하고 외부 마이크로렌즈는 질화막으로 형성함으로써, 마이크로렌즈(200A, 200B, 200C)가 서로 접하더라도 질화막에 의해 브리지가 방지되므로 마이크로렌즈의 크기를 용이하게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 크기로 형성할 수 있게 된다. 또한, 마이크로렌즈를 칼라필터보다 먼저 형성하기 때문에, 마이크로렌즈(200A, 200B, 200C)와 수광소자(22A, 22B, 22C) 사이의 거리가 종래(도 1 참조) 보다 현저하게 감소된다. 그 다음, 기판 전면 상에 칼라필터용 제 2 감광제(26)를 도포한다.
도 2d를 참조하면, 제 2 감광제(26)를 칼라필터 마스크(110; 도 2c 참조)를 이용하여 노광하고, 현상 및 베이킹하여 마이크로렌즈(200A, 200B, 200C) 상부에 칼라필터(26A, 26B, 26C)를 각각 형성한다. 즉, 구면형상으로 형성하여야 하는 마이크로렌즈와는 달리 칼라필터는 마이크로렌즈(200A, 200B, 200C) 바로 상부에서 패터닝이 가능하기 때문에, OCL과 같은 평탄화 공정을 생략할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 보다 안정적인 칼라필터를 형성하기 위하여, 마이크로렌즈(200A, 200B, 200C)의 형성 후 OCL과 같은 평탄화공정을 수행하여 평탄화막(300)을 형성한 후, 평탄화막(300) 상부에 칼라필터(26A, 26B, 26C)를 형성할 수도 있다.
또한, 도시되지는 않았지만, 이후 패키지 공정시 파티클 등에 의해 야기되는 오염을 방지하기 위하여, 칼라필터(26A, 26B, 26C)를 덮도록 기판의 최상부층 상에 산화막을 증착하고 평탄화를 수행할 수도 있다.
상기 실시예에 의하면, 마이크로렌즈를 감광제로 이루어진 내부 마이크로렌즈와 질화막으로 이루어진 외부 마이크로렌즈의 두 층으로 형성하여, 마이크로렌즈가 서로 접하더라도 질화막에 의해 브리지가 방지되므로 마이크로렌즈의 크기를 용이하게 증가시킬 수 있고, 균일한 크기로 마이크로렌즈를 형성할 수 있게 된다. 또한, 칼라필터보다 마이크로렌즈를 먼저 형성하여 마이크로렌즈와 수광소자 사이의 거리차를 최소화할 수 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.
전술한 본 발명은 마이크로렌즈 사이의 브리지를 방지하여 마이크로렌즈의 크기를 용이하게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 크기로 마이크로렌즈를 형성할 수 있으므로, 이미지센서의 광집적효율 및 광감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 마이크로렌즈와 수광소자 사이의 거리차를 최소화함으로써 광감도를 더욱 더 향상시킬 수 있다.
Claims (11)
- 수광소자 및 필드절연막이 형성된 반도체 기판;상기 기판 상에 형성된 제 1 평탄화막;상기 수광소자 상의 제 1 평탄화막 상부에 형성된 마이크로렌즈; 및상기 마이크로렌즈 상부에 형성된 칼라필터를 포함하고,상기 마이크로렌즈는 감광제로 이루어진 내부 마이크로렌즈와 상기 감광제보다 큰 굴절율을 갖는 절연성 물질막으로 이루어진 외부 마이크로렌즈로 이루어지며, 이웃하는 마이크로렌즈와 서로 접하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연성 물질막은 질화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 질화막은 저온증착방식에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로렌즈와 상기 칼라필터 사이에 형성된 제 2 평탄화막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 칼라필터를 덮으면서 상기 기판의 최상부층 상에 형성되고 평탄한 표면을 갖는 산화막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 수광소자 및 필드절연막이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 평탄화막을 형성하는 단계;상기 수광소자 상의 제 1 평탄화막 상부에 감광제로 이루어진 구면형상의 내부 마이크로렌즈를 형성하는 단계;상기 감광제보다 큰 굴절율을 갖는 절연성 물질막을 이용하여, 상기 내부 마이크로렌즈의 토폴로지가 유지되도록 상기 내부 마이크로렌즈를 덮는 외부 마이크로렌즈를 형성하여, 외부 및 내부의 적층구조로 이루어진 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및상기 마이크로렌즈 상부에 칼라필터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 물질막은 질화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 질화막은 저온증착방식을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 질화막의 증착은 이웃하는 마이크로렌즈가 서로 접할 때까지 실시하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 칼라필터를 형성하기 전에, 상기 기판 전면 상에 제 2 평탄화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
- 제 6 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 칼라필터를 형성한 후, 상기 칼라필터를 덮도록 상기 기판의 최상부층 상에 산화막을 증착한 후 평탄화하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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