KR20040008924A

KR20040008924A - 이중 마이크로렌즈를 구비한 시모스 이미지센서 및 그제조방법

Info

Publication number: KR20040008924A
Application number: KR1020020042662A
Authority: KR
Inventors: 임연섭
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-01-31
Also published as: KR100873290B1

Abstract

본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 픽셀어레이의 가장자리부분으로 입사하는 경사입사광의 영향을 최소화한 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이를 포함하는 이미지센서에 있어서, 포토다이오드를 비롯한 관련소자들이 형성된 기판; 상기 기판상에 형성된 페시베이션막; 상기 페시베이션막 상에 형성된 제1 마이크로렌즈; 상기 제1 마이크로렌즈의 표면을 따라 형성된 질화막; 상기 페시베이션막과 상기 질화막을 덮으며 형성된 오버코팅레이어; 및 상기 오버코팅레이어 상에 형성되되, 상기 픽셀어레이 전체를 커버하는 제2 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.

Description

이중 마이크로렌즈를 구비한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법{CMOS image sensor with double microlens and the method of fabricating thereof}

본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 픽셀어레이를 전부 커버하는 제1 마이크로렌즈를 구비함과 동시에 제2 마이크로렌즈를 각 픽셀마다 형성하여 경사입사광에 의한 영향을 최소화한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 단위화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 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 데이터화 하는 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.

도1은 종래의 일반적인 이미지센서에서 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이의 중앙부분과 가장자리부분의 단면 및 이들 영역으로 입사하는 빛의 진행을 도시한 도면으로 이를 참조하여 종래의 이미지센서 제조방법에 대해 설명한다.

먼저, 반도체 기판(10) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막 (11)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트전극은 도1에 도시되어 있지않다.)

이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(12)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.

다음으로 포토다이오드(12)와 필드산화막(11)을 포함하는 전체 구조상에 층간절연막(13)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.

이후에 상기 층간절연막(13) 상에 금속배선(14)을 형성한다. 이때 형성되는 금속배선(14)은 포토다이오드(12)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다.

이후에 습기나 스크랫치로 부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 패시베이션막(15)을 금속배선(14) 상부에 형성하여 일반적인 시모스 공정을 마무리한다.

도1에는 한 층의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였지만 금속배선으로 여러 층이 사용될 경우에는, 금속배선들 사이에는 금속배선간 절연막을 형성하고 최종금속배선 상부에는 패시베이션막을 형성함으로써 시모스(CMOS) 로직(Logic) 공정을 마무리한다.

다음으로 상기 패시베이션막(15) 상에 칼라 이미지 구현을 위한 칼라필터(16)를 형성하는데, 칼라필터는 염색된 포토레지스트를 사용하여 형성한다. 이와 같이 칼라필터를 형성한 이후에 칼라필터(16)와 패시베이션막(15) 상에 오버코팅레이어(17)를 증착하고 이를 평탄화시켜 후속공정으로 마이크로렌즈(18)가 평탄화된 오버코팅레이어(17) 상에 형성될 수 있도록 한다.

다음으로 각 칼라필터에 대응하는 마이크로렌즈(18)를 상기 평탄화된 오버코팅레이어(17)상에 형성한다. 일반적으로 마이크로렌즈는 다음과 같은 방법으로 형성된다, 먼저, 마이크로렌즈용 감광제를 오버코팅레이어 상에 도포하고 이를 패터닝한다. 이후에, 열을 가하여 상기 패터닝된 마이크로렌즈용 감광제를 플로우 (flow) 시켜 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈를 형성한다.

이와 같은 구조를 갖는 종래의 이미지센서는 그 수광구조에 있어서 외부렌즈의 영향을 많이 받게 된다. 여기서 외부렌즈라 함은, 이미지센서 칩(Chip) 레벨에서 형성된 렌즈(예를 들면, 마이크로렌즈)가 아니고, 카메라 등의 실제제품에 사용될 경우에 장착되는 렌즈를 말한다.

이와같은 외부렌즈를 아무리 정교하게 만들었다고 하여도, 픽셀어레이의 가장자리 부분으로 입사하는 빛은 평행광이 되지 못하고 일정한 경사각을 갖게 되며, 이에 반해 픽셀어레이의 중앙부분으로는 평행광이 입사된다.

따라서, 도1에 도시된 바와같이 픽셀어레이의 가장자리 부분은 거의 10°이상의 입사각( θ)을 갖는 경사입사광(oblinque incident optical ray)의 영향을 받게 되어 원하는 촛점특성을 갖지 못할뿐만 아니라 인접 픽셀간의 크로스토크(cross talk) 현상도 유발하게 된다.

또한, 픽셀어레이의 중앙부분과 가장자리 부분은 광감지 특성에 있어 심한 편차를 나타내게 되므로 전체적인 이미지센서의 광감지 특성이 저하되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 경사입사광의 영향을 감소시켜 소자의 광감지 특성을 개선한 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

도1은 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 구조와 입사광의 진행을 도시한 단면도,

도2a 내지 도2c는 본 발명의 일실시에에 따른 이미지센서의 제조공정을 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20 : 기판

21 : 필드산화막

22 : 포토다이오드

23 : 층간절연막

24 : 금속배선

25 : 페시베이션막

26 : 칼라필터

27 : 제1 오버코팅레이어

28 : 제1 마이크로렌즈

29 : 질화막

30 : 제2 오버코팅레이어

31 : 제2 마이크로렌즈

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이를 포함하는 이미지센서에 있어서, 포토다이오드를 비롯한 관련소자들이 형성된 기판; 상기 기판상에 형성된 페시베이션막; 상기 페시베이션막 상에 형성된 제1 마이크로렌즈; 상기 제1 마이크로렌즈의 표면을 따라 형성된 질화막; 상기 페시베이션막과 상기 질화막을 덮으며 형성된 오버코팅레이어; 및 상기 오버코팅레이어 상에 형성되되, 상기 픽셀어레이 전체를 커버하는 제2 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 각각의 픽셀에 대응하는 제1 마이크로렌즈와 픽셀어레이 전체를 커버하는 대형의 제2 마이크로렌즈를 적용하여, 픽셀어레이의 가장자리 부분으로 입사하는 경사입사광의 영향을 최소화한 발명이다.

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.

도2a 내지 도2c는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서의단면을 도시한 도면으로 이를 참조하면 설명한다.

먼저, 도2a에 도시된 바와 같이 반도체 기판(20) 상에 소자간의 전기적인 절연을 위하여 필드산화막 (21)을 형성한 후, 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패턴닝함으로써 게이트 전극을 형성한다.(게이트전극은 도2에 도시되어 있지않다.)

이후 적절한 이온주입 공정을 진행함으로써 포토다이오드(22)를 형성하고 트랜지스터의 소오스/드레인 및 센싱노드를 형성하기 위한 이온주입을 실시한다.

다음으로 포토다이오드(22)와 필드산화막(21)을 포함하는 전체 구조상에 층간절연막(23)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다.

이후에 상기 층간절연막(23) 상에 금속배선(24)을 형성한다. 이때, 형성되는 금속배선(24)은 포토다이오드(22)로 입사하는 빛을 막지 않도록 배치되어 형성된다.

이후에 습기나 스크랫치로 부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 패시베이션막(25)을 금속배선(24) 상부에 형성하여 일반적인 시모스 공정을 마무리한다.

도2에는 한 층의 금속배선을 사용하는 경우를 도시하였지만, 금속배선으로 여러 층이 사용될 경우에는, 금속배선들 사이에는 금속배선간 절연막을 형성하고 최종금속배선 상부에는 패시베이션막을 형성함으로써 시모스(CMOS) 로직(Logic) 공정을 마무리한다.

다음으로 상기 패시베이션막(25) 상에 칼라 이미지 구현을 위한칼라필터(26)를 형성하는데, 칼라필터는 염색된 포토레지스트를 사용하여 형성한다.

이와 같이 칼라필터를 형성한 이후에, 칼라필터(26)와 패시베이션막(25) 상에 제1 오버코팅레이어(27)를 증착하고 이를 평탄화시켜, 후속공정으로 제1 마이크로렌즈(28)가 평탄화된 제1 오버코팅레이어(27) 상에 형성될 수 있도록 한다.

다음으로 도2b에 도시된 바와 같이, 각각의 칼라필터(26)에 대응하는 제1 마이크로렌즈(28)를 상기 평탄화된 제1 오버코팅레이어(27)상에 형성한다. 본 발명의 일실시예에서는 제1 마이크로렌즈(28)와 제1 마이크로렌즈(28)간의 간격을 넓혀서 형성하는데, 그 이유는 다음과 같다.

본 발명에서는 후속공정으로 제1 마이크로렌즈(28)의 표면을 따라서 질화막(29)을 반구형태로 증착하는데 이를 위해서는 인접한 제1 마이크로렌즈(28)간의 간격이 충분히 넓어야 하기 때문이다.

여기서, 제1 마이크로렌즈(28)는 일반적인 방법으로 형성된다, 즉, 마이크로렌즈용 감광제를 제1 오버코팅레이어(27) 상에 도포하고 이를 패터닝한 후, 열을 가하여 상기 패터닝된 마이크로렌즈용 감광제를 플로우(flow) 시켜 돔(dome) 형태의 제1 마이크로렌즈를 형성한다.

이후에, 상기 제1 마이크로렌즈(28)의 표면을 따라 질화막(29)을 증착하고 이를 패터닝하여 돔 형태의 제1 마이크로렌즈(28)를 덮는 반구형의 질화막(29)을 형성한다. 질화막은 굴절률이 큰 물질로 그 하부에 위치한 제1 마이크로렌즈(28)가 렌즈역할을 하도록 도와준다.

이어서, 도2c에 도시된 바와 같이, 상기 반구형의 질화막(29)과 제1 오버코팅레이어(27)를 포함하는 전체구조 상에 제2 오버코팅레이어(30)를 형성한다. 제2 오버코팅레이어(30)는 픽셀어레이 전체에 걸쳐서 형성되며, 후속공정으로 형성될 제2 마이크로렌즈(30)가 평탄화된 표면상에 형성되도록 하는 역할을 한다.

본 발명에서는 일반적인 제1 마이크로렌즈(28) 및 대형의 제2 마이크로렌즈(31)를 적용하여 종래의 문제점을 해결하고자 한다. 이러한 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 가장 위쪽에 형성될 대형의 제2 마이크로렌즈(31)는 평탄화된 표면 상에 형성되어야 하지만, 돔 형태의 제1 마이크로렌즈(28)의 존재때문에 평탄화된 표면을 얻기 힘들다. 이러한 이유때문에 제1 마이크로렌즈(28) 상부에 제2 오버코팅레이어(30)를 사용하였으며, 이에 따라 제2 마이크로렌즈(31)가 형성될 평탄화된 표면을 얻을 수 있었다.

하지만, 감광막 계열의 물질로 이루어진 제1 마이크로렌즈(28) 상부에 같은 감광막 계열의 물질인 제2 오버코팅레이어(30)를 형성하게 되면, 두 레이어(layer)가 비슷한 물질로서 굴절률 역시 대동소이하기 때문에, 제1 마이크로렌즈(28)가 입사하는 빛을 충분히 굴절시키지 못하게 된다.

이에 따라 본 발명의 일실시예에서는 제1 마이크로렌즈(28) 상에 굴절률이 큰 질화막(29)을 반구형태로 증착하여줌으로써, 제1 마이크로렌즈(28)가 본연의 역할을 충실히 수행할 수 있도록 하였다.

이와 같이 제2 오버코팅레이어(30)까지 형성한 이후에, 상기 제2 오버코팅레이어(30) 상에 대형의 제2 마이크로렌즈(31)를 픽셀어레이이 전체에 걸쳐서 형성한다.

대형의 제2 마이크로렌즈(31)를 픽셀어레이 전체에 걸쳐서 형성하게 되면, 픽셀어레이의 가장자리 부분으로 입사하는 경사입사광은 도2c에 도시된 실선과 같은 진행을 보인다.

도2c을 참조하면 외부로부터 입사하는 경사입사광은 종래기술에 따르면, 해당 픽셀로 집중되지 못하기 때문에(도2c의 점선), 인접 픽셀간의 크로스토크(cross talk) 현상을 유발하거나 또는 빛의 세기에 있어서 감소를 가져온다.

하지만, 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서에서 외부로부터 제2 마이크로렌즈(31)로 입사하는 경사입사광은 제2 마이크로렌즈(31)에 의해 굴절되어 해당픽셀로 집중되기 때문에 종래의 문제점을 해결할 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 발명을 이미지센서의 제조에 적용하게 되면 픽셀어레이의 가장자리 영역으로 입사하는 경사입사광의 영향을 감소시킬 수 있으므로, 픽셀어레이의 가장자리 부분에서의 감지특성의 저하 및 인접 셀 간의 크로스토크(cross talk) 현상을 감소시켜줄 수 있어 경쟁력있는 제품의 품질향상을 가능하게 한다.

Claims

복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이를 포함하는 이미지센서에 있어서,

포토다이오드를 비롯한 관련소자들이 형성된 기판;

상기 기판상에 형성된 페시베이션막;

상기 페시베이션막 상에 형성된 제1 마이크로렌즈;

상기 제1 마이크로렌즈의 표면을 따라 형성된 질화막;

상기 페시베이션막과 상기 질화막을 덮으며 형성된 오버코팅레이어; 및

상기 오버코팅레이어 상에 형성되되, 상기 픽셀어레이의 전체를 커버하는 제2 마이크로렌즈

를 포함하는 이미지센서.
제1항에 있어서,

상기 질화막은 상기 제1 마이크로렌즈보다 큰 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.