KR20040058738A - CMOS image sensor with microlense having reduced radius of curvature comparing to long wavelength of incident light and the method of fabricating the same - Google Patents

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KR20040058738A KR1020020085118A KR20020085118A KR20040058738A KR 20040058738 A KR20040058738 A KR 20040058738A KR 1020020085118 A KR1020020085118 A KR 1020020085118A KR 20020085118 A KR20020085118 A KR 20020085118A KR 20040058738 A KR20040058738 A KR 20040058738A
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Abstract

PURPOSE: A CMOS image sensor and a method for manufacturing the same are provided to improve optical absorptance and color reproducibility by reducing radius of curvature of a microlens. CONSTITUTION: A passivation layer(25) is formed on a substrate(20) with photodiodes(22). The first, the second and the third color filter(26a,26b,26c) are formed on the passivation layer. A planarization layer(27) with a groove is formed on the color filters, wherein the groove is formed on a region corresponding to the third color filter(26c) for splitting long wavelength, such as red light. The first and the second microlens(29a,29b) are formed on the planarization layer corresponding to the first and the second color filter. The third microlens(29c) with a relatively small radius of curvature is formed on the planarization layer including the groove corresponding to the third color filter.

Description

장파장의 광에 대한 마이크로렌즈의 곡률반경을 감소시킨 시모스 이미지센서 및 그 제조방법{CMOS image sensor with microlense having reduced radius of curvature comparing to long wavelength of incident light and the method of fabricating the same}CMOS image sensor with microlense having reduced radius of curvature comparing to long wavelength of incident light and the method of fabricating the same

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈를 구비한 이미지센서에서 장파장의 광에 대응하는 마이크로렌즈의 곡률반경을 감소시킴으로써 광 흡수율과 색재현성을 향상시킨 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor having a microlens and reducing a curvature radius of a microlens corresponding to light having a long wavelength, and to an image sensor having improved light absorption and color reproducibility, and a method of manufacturing the same.

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 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal. Among them, a charge coupled device (CCD) includes individual metal-oxide-silicon (MOS) capacitors. A device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while being in close proximity to each other. Complementary MOS image sensors use CMOS technology that uses a control circuit and a signal processing circuit as peripheral circuits. A device employing a switching scheme that creates MOS transistors as many as pixels and sequentially detects outputs using the MOS transistors.

CCD(charge coupled device)는 구동 방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많아서 공정이 복잡하고 시그날 프로세싱 회로를 CCD 칩내에 구현 할 수 없어 원칩(One Chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 최근에 그러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지센서의 개발이 많이 연구되고 있다. CMOS 이미지센서는 단위 화소(Pixel) 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CMOS 제조기술을 이용하므로 전력 소모도 적고 마스크 수도 20개 정도로 30∼40개의 마스크가 필요한 CCD 공정에 비해 공정이 매우 단순하며 여러 신호 처리 회로와 원칩화가 가능하여 차세대 이미지센서로 각광을 받고 있다.CCD (charge coupled device) has many disadvantages such as complicated driving method, high power consumption, high number of mask process steps, complicated process, and difficult to implement signal processing circuit in CCD chip. In order to overcome such drawbacks, the development of a CMOS image sensor using a sub-micron CMOS manufacturing technology has been studied in recent years. The CMOS image sensor forms an image by forming a photodiode and a MOS transistor in a unit pixel and sequentially detects signals in a switching method, and implements an image by using a CMOS manufacturing technology, which consumes less power and uses 30 to 40 masks as many as 20 masks. Compared to CCD process that requires two masks, the process is very simple, and it is possible to make various signal processing circuits and one chip, which is attracting attention as the next generation image sensor.

칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라필터가 어레이되어 있다. 칼라필터 어레이(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.An image sensor for realizing a color image has an array of color filters on the upper part of the light sensing portion that receives and receives light from the outside to generate and accumulate photocharges. The color filter array (CFA) consists of three colors: red, green, and blue, or three colors: yellow, magenta, and cyan. It is made of collar.

그리고, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 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.In addition, the image sensor is composed of a light sensing portion for detecting light and a logic circuit portion for processing the detected light as an electrical signal to make data. The ratio of the area of the light sensing portion in the entire image sensor element is increased to increase the light sensitivity. Efforts have been made to increase the fill factor, but these efforts are limited in a limited area because the logic circuit part cannot be removed.

따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.Therefore, in order to increase the light sensitivity, a light converging technology has emerged that changes the path of light incident to the area other than the light sensing part and collects the light into the light sensing part. For this purpose, the image sensor uses a microlens on the color filter. The method of forming is used.

도1a는 이와같이 칼라필터와 마이크로렌즈를 포함하는 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도로서 이를 참조하여 설명한다. 먼저, 반도체 기판(10) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(11)이 형성되어 있으며, 각각의 단위화소에는 포토다이오드 등으로 이루어진 광감지 수단(12)이 형성되어 있는데, 도1a에서는 단위화소를 구성하는 각각의 트랜지스터들은 도시하지 않았다.FIG. 1A is a cross-sectional view showing a cross section of a CMOS image sensor including a color filter and a microlens as described above. First, an element isolation film 11 defining an active region and a field region is formed on a semiconductor substrate 10. In each unit pixel, a light sensing means 12 made of a photodiode or the like is formed. In FIG. 3, the transistors constituting the unit pixel are not shown.

이와같이 소자분리막(11)과 광감지 수단(12)을 비롯한 관련소자들이 형성된 이후에, 층간절연막(13)이 반도체 기판(10) 상에 형성되고 이후에 층간절연막(13) 상에 최종금속배선(14)이 형성된다. 도1a에서는 1개의 금속배선(14)이 사용되는 경우를 도시하였지만 더 많은 금속배선이 사용될 수도 있으며, 본 발명의 일실시예에서는 1개의 금속배선이 사용되는 경우를 예로들어 설명하였으므로 이를 최종금속배선(14)이라 칭한다. 이때, 금속배선은 광감지 수단(12)으로 입사하는 빛을 가리지 않기 위해 의도적으로 레이아웃(layout) 되어 형성된다.In this way, after the device isolation layer 11 and the related elements including the light sensing means 12 are formed, the interlayer insulating film 13 is formed on the semiconductor substrate 10, and then the final metal wiring ( 14) is formed. Although FIG. 1A illustrates the case where one metal wire 14 is used, more metal wires may be used. In an embodiment of the present invention, a case where one metal wire is used has been described as an example. It is called (14). At this time, the metal wiring is intentionally laid out so as not to block the light incident on the light sensing means 12.

이와같이 최종금속배선(14)을 형성한 이후에, 습기나 스크래치(scratch) 등으로 부터 소자를 보호하기 위하여 최종금속배선 상에 패시베이션막(15)을 형성한다. 페시베이션막(15) 상에는 칼라이미지 구현을 위한 칼라필터(16)가 형성되는데, 칼라필터로는 통상적으로 염색된 포토레지스트를 사용하며 각각의 단위화소마다 하나의 칼라필터(16)가 형성되어, 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다.After the final metal wiring 14 is formed in this manner, the passivation film 15 is formed on the final metal wiring to protect the device from moisture, scratches, and the like. A color filter 16 is formed on the passivation layer 15 to implement a color image. A color filter typically uses a dyed photoresist, and one color filter 16 is formed for each unit pixel. Separates color from incident light.

칼라필터(16)는 보통 단차를 가지며 형성되므로, 후속공정으로 형성될 마이크로렌즈가 평탄화된 표면에서 형성되기 위하여는 칼라필터로 인한 단차를 없애야 한다. 이를 위하여 칼라필터(16) 상에 평탄화막(17)이 형성되며, 이와같은 평탄화막(17) 상에 마이크로렌즈(18)가 형성된다. 마이크로렌즈(18)는 직사각형 형태의 감광막을 플로우(flow)시켜서 돔(dome)형태의 마이크로렌즈를 형성할 수 있으며, 마이크로렌즈 상에는 마이크로렌즈를 보호하기 위한 저온산화막(19)이 형성된다.Since the color filter 16 is usually formed with a step, it is necessary to eliminate the step caused by the color filter in order for the microlens to be formed in the subsequent process to be formed on the flattened surface. For this purpose, the planarization film 17 is formed on the color filter 16, and the microlens 18 is formed on the planarization film 17. The microlens 18 may form a dome-shaped microlens by flowing a rectangular photosensitive film, and a low-temperature oxide film 19 is formed on the microlens to protect the microlens.

도1a를 참조하면, 이와같은 구조의 종래의 시모스 이미지센서에서는 적색, 녹색, 청색의 칼라필터에 대응하는 포토다이오드들은 모두 동일한 도핑프로파일을 가지며 또한, 마이크로렌즈의 곡률반경 역시 동일하게 형성되었다.Referring to FIG. 1A, in the conventional CMOS image sensor having such a structure, the photodiodes corresponding to the red, green, and blue color filters all have the same doping profile, and the radius of curvature of the microlenses is also formed the same.

도1b는 입사하는 빛의 파장에 따라 포토다이오드로 흡수되는 흡수율과 침투깊이와의 관계를 도시한 그래프로서 이를 참조하면, 입사광의 파장이 길수록 침투깊이는 증가하며 또한 흡수율은 감소하고 있음을 알 수 있다.FIG. 1B is a graph showing the relationship between the absorption rate and the penetration depth absorbed by the photodiode according to the wavelength of incident light. Referring to this, it can be seen that the penetration depth increases and the absorption rate decreases as the wavelength of incident light increases. have.

따라서 가시광선중에서 파장이 비교적 짧은 녹색광이나 또는 청색광의 경우에는 침투깊이가 대부분 포토다이오드 영역이내로 조절이 가능하여 비교적 안정적인 색 재현이 가능하지만, 파장이 긴 적색광의 경우에는 침투깊이는 깊기때문에 포토다이오드 영역을 초과하여 침투할 위험이 있다. 또한, 이러한 적색광은 인접회소간의 누화(cross talk)현상을 야기하거나 또는 침투깊이가 깊기 때문에 흡수율이 감소하여 원할한 색 재현을 어럽게 하였다.Therefore, in the case of green light or blue light having a relatively short wavelength in visible light, the penetration depth can be controlled within the photodiode region, so that relatively stable color reproduction is possible, but in the case of red light having a long wavelength, the penetration depth is deep. There is a risk of penetration in excess. In addition, such red light causes cross talk between neighboring sites, or because the depth of penetration is deep, the absorption rate is reduced, making it difficult to reproduce the color.

그리고 종래에는 적색, 녹색, 청색의 칼라필터에 대응하는 마이크로렌즈의곡률반경이 모두 동일하게 형성되었기 때문에 입사광의 파장에 따른 색 재현 특성을 정확히 제어하기 어려운 단점이 있었다.In addition, since the curvature radii of the microlenses corresponding to the red, green, and blue color filters are all the same, it is difficult to accurately control the color reproduction characteristics according to the wavelength of the incident light.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 장파장의 광에 대응하는 마이크로렌즈의 곡률반경을 감소시켜 광 흡수율과 색 재현성을 향상시킨 이미지센서 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an image sensor and a method for manufacturing the same, which improve light absorption and color reproducibility by reducing the radius of curvature of a microlens corresponding to light having a long wavelength.

도1a은 통상적인 시모스 이미지센서의 단면구조를 도시한 단면도,1A is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a conventional CMOS image sensor;

도1b는 파장에 따른 침투깊이와 흡수율과의 관계를 도시한 그래프,Figure 1b is a graph showing the relationship between the penetration depth and the absorption rate according to the wavelength,

도1c는 마이크로렌즈의 두께에 따른 곡률반경의 변화를 도시한 도면,Figure 1c is a view showing the change in radius of curvature according to the thickness of the microlens,

도2a 내지 도2e는 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 도시한 공정단면도,2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention;

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 구조를 도시한 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view showing the structure of the CMOS image sensor according to another embodiment of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

20 : 기판 21 : 소자분리막20: substrate 21: device isolation film

22 : 포토다이오드 23 : 층간절연막22 photodiode 23 interlayer insulating film

24 : 최종금속배선 25 : 페시베이션막24: final metal wiring 25: passivation film

26a : 청색필터 26b : 녹색필터26a: blue filter 26b: green filter

26c : 적색필터 27 : 평탄화막26c: red filter 27: planarization film

28 : 제 1 마스크 29 : 마이크로렌즈용 감광막28: first mask 29: photosensitive film for microlenses

29a, 29b, 29c : 마이크로렌즈29a, 29b, 29c: microlenses

30 : 저온산화막30: low temperature oxide film

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상대적으로 단파장의 광을 분리하는 제 1 필터와, 장파장의 광을 분리하는 제 2 필터와, 상기 제 2 필터가 분리하는 광 보다 장파장인 광을 분리하는 제 3 필터를 구비한 이미지센서에 있어서, 광감지 수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 형성된 페시베이션막; 상기 페시베이션막 상에 형성된 제 1 내지 제 3 칼라필터; 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터 상에 형성되되, 상기 제 3 칼라필터에 대응되는 영역에 제 1 홈을 구비한 평탄화막; 상대적으로 큰 곡률반경을 갖으며, 상기 제 1 칼라필터에 대응하여 상기 평탄화막 상에 형성된 제 1 마이크로렌즈; 상대적으로 큰 곡률반경을 갖으며, 상기 제 2 칼라필터에 대응하여 상기 평탄화막 상에 형성된 제 2 마이크로렌즈; 및 상기 제 1 내지 제 2 마이크로렌즈보다 작은 곡률반경을 갖으며, 상기 제 3 칼라필터에 대응하여 상기 제 1 홈을 포함한 평탄화막 상에 형성된 제 3 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.According to the present invention for achieving the above object, a first filter for separating light having a relatively short wavelength, a second filter for separating light having a long wavelength, and for separating light having a longer wavelength than light separated by the second filter. An image sensor having a third filter, the image sensor comprising: a passivation film formed on a semiconductor substrate on which a substructure including photosensitive means is completed; First to third color filters formed on the passivation film; A planarization film formed on the first to third color filters, the flattening film having a first groove in a region corresponding to the third color filter; A first micro lens having a relatively large radius of curvature and formed on the planarization layer corresponding to the first color filter; A second micro lens having a relatively large radius of curvature and formed on the planarization layer corresponding to the second color filter; And a third microlens having a curvature radius smaller than that of the first to second microlenses and formed on the planarization film including the first groove in correspondence to the third color filter.

또한, 본 발명은 상대적으로 단파장의 광을 분리하는 제 1 필터와, 장파장의 광을 분리하는 제 2 필터와, 상기 제 2 필터가 분리하는 광 보다 장파장인 광을 분리하는 제 3 필터를 구비한 이미지센서에 있어서, 광감지 수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 형성된 제 1 내지 제 3 칼라필터; 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터 상에 형성되되, 상기 제 2 칼라필터에 대응되는 영역과 상기 제 3 칼라필터에 대응되는 영역에 각각 제 2 홈과 제 2 홈보다 더 깊은 제 1 홈을 구비한 평탄화막; 상대적으로 큰 곡률반경을 갖으며, 상기 제 1 칼라필터에 대응하여 상기 평탄화막 상에 형성된 제 1 마이크로렌즈; 상기 제 1 마이크로렌즈보다 작은 곡률반경을 갖으며, 상기 제 2 칼라필터에 대응하는 상기 제 2 홈을 포함한 평탄화막 상에 형성된 제 2 마이크로렌즈; 및 상기 제 2 마이크로렌즈보다 작은 곡률반경을 갖으며, 상기 제 3 칼라필터에 대응하는 상기 제 1 홈을 포함한 평탄화막 상에 형성된 제 3 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.The present invention also includes a first filter for separating light having a relatively short wavelength, a second filter for separating light having a long wavelength, and a third filter for separating light having a longer wavelength than the light separated by the second filter. An image sensor comprising: first to third color filters formed on a semiconductor substrate on which a lower structure including a light sensing means is completed; A first groove formed on the first to third color filters, the first groove deeper than the second groove and the second groove, respectively, in the region corresponding to the second color filter and the region corresponding to the third color filter; Planarization film; A first micro lens having a relatively large radius of curvature and formed on the planarization layer corresponding to the first color filter; A second microlens having a curvature radius smaller than that of the first microlens and formed on the planarization film including the second groove corresponding to the second color filter; And a third microlens having a curvature radius smaller than that of the second microlens and formed on the planarization film including the first groove corresponding to the third color filter.

또한, 본 발명은 상대적으로 단파장의 광을 분리하는 제 1 필터와, 장파장의 광을 분리하는 제 2 필터와, 상기 제 2 필터가 분리하는 광 보다 장파장인 광을 분리하는 제 3 필터를 구비한 이미지센서의 제조방법에 있어서, 광감지 수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 페시베이션막을 형성하는 단계; 상기 페시베이션막 상에 제 1 내지 제 3 칼라필터를 형성하는 단계; 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터 상에 평탄화막을 형성하는 단계; 상기 평탄화막 상의 상기 제 3 칼라필터에 대응하는 영역에만 제 1 홈을 형성하는 단계; 상기 제 1 홈을 포함하는 전체 구조상에 마이크로렌즈용 감광막을 도포하고 이를 패터닝하여 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터에 각각 대응하는 제 1 내지 제 3 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 내지 제 3 마이크로렌즈 상에 저온산화막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.The present invention also includes a first filter for separating light having a relatively short wavelength, a second filter for separating light having a long wavelength, and a third filter for separating light having a longer wavelength than the light separated by the second filter. A method of manufacturing an image sensor, the method comprising: forming a passivation film on a semiconductor substrate on which a substructure including photosensitive means is completed; Forming first to third color filters on the passivation film; Forming a planarization film on the first to third color filters; Forming a first groove only in an area corresponding to the third color filter on the planarization film; Applying a first photoresist film for microlenses onto the entire structure including the first grooves and patterning the first photoresist film to form first to third microlenses corresponding to the first to third color filters; And forming a low temperature oxide film on the first to third microlenses.

본 발명은 입사된 빛 중에서 장파장에 대응하는 마이크로렌즈의 곡률반경을 감소시켜 형성함으로써 광 흡수율과 색 재현성을 향상시킨 발명이며, 또한 본 발명은 입사하는 빛의 파장별로 마이크로렌즈의 곡률반경을 달리 형성함으로써 색 재현성 특성의 보정 및 개선이 가능케한 발명이다.The present invention improves the light absorption rate and color reproducibility by reducing the curvature radius of the microlenses corresponding to the long wavelength of the incident light, and the present invention provides a different curvature radius of the microlens for each wavelength of the incident light. By this, the invention enables correction and improvement of color reproducibility characteristics.

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.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention.

도1c는 마이크로렌즈의 코팅두께를 달리하고, 동일한 조건에서 플로우(flow) 시켰을 경우, 마이크로렌즈의 곡률반경이 변화하는 것을 도시한 도면으로 마이크로렌즈의 두께가 두꺼울수록 곡률반경이 감소하고 있음을 보이고 있다. 마이크로렌즈의 곡률반경이 감소하게 되면 그 만큼 마이크로렌즈의 촛점거리도 감소하게 되는데 이에 대해서는 후술한다.Figure 1c shows that the curvature radius of the microlens is changed when the coating thickness of the microlens is changed and flows under the same conditions. The thickness of the microlens decreases as the thickness of the microlens becomes thicker. have. As the radius of curvature of the microlenses decreases, the focal length of the microlenses decreases as much, which will be described later.

도2a 내지 도2e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조공정을 도시한 공정단면도로서, 이를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시모스 이미지센서 및 그 제조방법을 설명한다.2A to 2E are process cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a CMOS image sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention, with reference to this, a CMOS image sensor and a manufacturing method thereof according to the first exemplary embodiment will be described. .

먼저 도2a를 참조하면, 칼라필터(26)와 평탄화막(27)를 형성하기까지의 공정은 종래기술과 동일하다. 즉, 반도체 기판(20) 상에 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막 (21)을 형성한 후에 포토다이오드(22)를 비롯한 단위화소를 기판 내의 일정영역에 형성한다. 도2a에서는 포토다이오드만 도시하였으며, 단위화소를 구성하는 각각의 트랜지스터들은 도시하지 않았다.First, referring to FIG. 2A, the process of forming the color filter 26 and the flattening film 27 is the same as in the prior art. That is, after forming the isolation layer 21 defining the active region and the field region on the semiconductor substrate 20, unit pixels including the photodiode 22 are formed in a predetermined region in the substrate. In FIG. 2A, only the photodiode is shown, and each transistor constituting the unit pixel is not shown.

이와같이 소자분리막(21)과 포토다이오드(22) 및 트랜지스터(미도시) 들이 형성된 이후에, 층간절연막(23)을 반도체 기판(20) 상에 형성하고, 이후에 금속배선(24)을 층간절연막(23) 상에 형성한다. 도2a에서는 1개의 금속배선(24)이 사용되는 경우를 도시하였지만 더 많은 금속배선이 사용될 수도 있다. 이때, 금속배선들은 포토다이오드(22)으로 입사하는 빛을 가리지 않기 위해 의도적으로 레이아웃(layout) 되어 형성된다.After the device isolation film 21, the photodiode 22, and the transistors (not shown) are formed, the interlayer insulating film 23 is formed on the semiconductor substrate 20, and the metal wiring 24 is then formed on the interlayer insulating film ( 23) form. Although FIG. 2A illustrates the case where one metal wire 24 is used, more metal wires may be used. In this case, the metal wires are intentionally laid out so as not to block the light incident on the photodiode 22.

이와같이 최종금속배선(24)을 형성한 이후에, 습기나 스크래치(scratch) 등으로부터 소자를 보호하기 위하여 패시베이션막(25)을 최종금속배선 상에 형성한다.After the final metal wiring 24 is formed in this manner, the passivation film 25 is formed on the final metal wiring to protect the device from moisture, scratches, and the like.

본 발명의 일실시예에서는 페시베이션막으로 USG(Undoped Silicate Glass) 막과 플라즈마 여기 질화막 (Plasma Enhanced Nitride)막을 적층하여 사용하는데, 이러한 페시베이션막은 일반 산화막(SiO2)이나 일반 산화질화막(Si3N4)으로 구성된 페시베이션막 보다 암전류 특성에 유리한 장점이 있다.One embodiment of the present invention, for use in the passivation film in the lamination USG (Undoped Silicate Glass) film and the plasma-enhanced nitride film (Plasma Enhanced Nitride) film, this passivation film general oxide film (SiO 2) or the general oxy-nitride film (Si 3 There is an advantage in the dark current characteristics than the passivation film composed of N 4 ).

다음으로, 페시베이션막(25) 상에는 칼라이미지 구현을 위한 청색(26a), 녹색(26b), 적색(26c)의 칼라필터가 형성되는데, 칼라필터의 구성물질로는 통상적으로 염색된 유기물 포토레지스트가 사용되며, 또한 노광된 부분이 잔존하는 특성( negative 특성)을 갖는 포토레지스트가 사용된다.Next, a color filter of blue (26a), green (26b), and red (26c) is formed on the passivation layer 25. As a constituent of the color filter, an organic photoresist is usually dyed. Is used, and a photoresist having a characteristic in which the exposed portion remains (negative characteristic) is used.

이와같은 칼라필터는, 적절한 레티클(reticle)을 이용한 노광공정을 통해 각각의 단위화소마다 하나씩 형성되며, 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 내는 역할을 한다.Such a color filter is formed one by one for each unit pixel through an exposure process using an appropriate reticle, and serves to separate colors from incident light.

칼라필터(26a, 26b, 26c)는 보통 단차를 가지며 형성되므로, 후속공정으로 형성될 마이크로렌즈가 평탄화된 표면에서 형성되기 위하여는 칼라필터로 인한 단차를 없애야 한다. 이를 위하여 칼라필터(26) 상에 평탄화막(27)이 형성된다.Since the color filters 26a, 26b, and 26c are usually formed with a step, the step due to the color filter should be eliminated in order for the microlenses to be formed in the subsequent process to be formed on the flattened surface. For this purpose, the planarization layer 27 is formed on the color filter 26.

이와같이 평탄화막(27)을 형성한 이후에, 자외선 소성공정(Ultra Violet Bake)을 통해 평탄화막(27)을 경화(hardening)시킨다. 이는 후속 포토레지스트 제거공정(Photo Resist strip)에서 평탄화막도 같이 제거되는 것을 방지하고, 후속 식각공정에서 평탄화막(27)을 용이하게 식각하기 위함이다.After the planarization film 27 is formed in this manner, the planarization film 27 is hardened through an ultraviolet violet baking process. This is to prevent the planarization layer from being removed in the subsequent photo resist strip process and to easily etch the planarization layer 27 in the subsequent etching process.

다음으로 평탄화막(27) 상에 포지티브(positive) 특성을 갖는 제 1 포토레지스트(28)를 도포한 후, 도2b에 도시된 바와같이 적색필터(26c)를 형성하는데 사용되었던 레티클(미도시)을 그대로 이용하여 적색필터(26c)에 대응하는 영역만을 노광한다.Next, after applying the first photoresist 28 having a positive characteristic on the planarization film 27, a reticle (not shown) that was used to form the red filter 26c as shown in Figure 2b Is used as it is and only the area corresponding to the red filter 26c is exposed.

제 1 포토레지스트(28)는 전술한 바와같이 포지티브 특성을 가지므로, 노광된 부분만이 제거되어 적색필터(26c)에 대응하는 평탄화막(27)의 표면을 노출시키는 제 1 마스크(28)가 형성된다. 이와같이 본 발명의 일실시예에서는 새로운 레티클의 추가없이 마스크 공정만 하나 더 추가하면 되므로 공정의 단순화와 단가절감의 장점이 있다.Since the first photoresist 28 has a positive characteristic as described above, only the exposed portion is removed so that the first mask 28 exposing the surface of the planarization film 27 corresponding to the red filter 26c is provided. Is formed. As described above, in one embodiment of the present invention, since only one mask process is added without adding a new reticle, there is an advantage of simplifying the process and reducing the cost.

이어서, 제 1 마스크(28)를 식각배리어로 하여 평탄화막(27)을 500 ∼ 1000Å 정도 식각하면, 적색필터(26c)에 대응하는 평탄화막(27)이 일정두께 제거된 홈이 형성된다. 이 홈은 적색필터에 대응하는 마이크로렌즈를 두껍게 형성하기 위한 것이다.Subsequently, when the planarization film 27 is etched at about 500 to 1000 mV using the first mask 28 as an etching barrier, grooves in which the planarization film 27 corresponding to the red filter 26c is removed are formed. This groove is for forming a thick microlens corresponding to the red filter.

다음으로 도2c 내지 도2d에 도시된 바와같이 전체 구조상에 마이크로렌즈 형성용 감광막(29)을 도포하고, 이를 패터닝하면 각각의 칼라필터(26a, 26b, 26c)에 대응하는 직사각형 형태의 마이크로렌즈(29a, 29b, 29c)가 형성된다. 도2d를 참조하면 적색필터(26c)에 대응하는 마이크로렌즈(29c)는 다른 마이크로렌즈와 달리 평탄화막(27)이 제거된 홈에 형성되고 있으므로, 다른 마이크로렌즈와 비교하여 볼때 그 두께가 두꺼움을 알 수 있다.Next, as shown in FIGS. 2C to 2D, the photoresist film 29 for forming a microlens is coated on the entire structure and patterned to form a rectangular microlens (corresponding to each of the color filters 26a, 26b, and 26c). 29a, 29b, 29c) are formed. Referring to FIG. 2D, unlike the other microlenses, the microlens 29c corresponding to the red filter 26c is formed in the groove from which the planarization film 27 is removed, so that the thickness of the microlens 29c is higher than that of the other microlenses. Able to know.

다음으로 도2e에 도시된 바와같이 직사각형 형태의 마이크로렌즈를 플로우(flow)시켜 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈를 형성한다.Next, as illustrated in FIG. 2E, a rectangular microlens is flowed to form a dome microlens.

도1c를 참조하면 두께가 다른 마이크로렌즈를 동일한 조건에서 플로우시켰을 경우, 두꺼운 마이크로렌즈의 곡률반경이 작음을 알 수 있다. 따라서 도2e에 도시된 경우에도, 적색필터에 대응하는 마이크로렌즈(29c)의 두께가 가장 두꺼우므로, 적색필터에 대응하는 마이크로렌즈(29c)의 곡률반경이 가장 작게 형성된다.Referring to FIG. 1C, when the microlenses having different thicknesses are flowed under the same conditions, the radius of curvature of the thick microlenses is small. Therefore, even in the case shown in Fig. 2E, since the thickness of the microlens 29c corresponding to the red filter is the thickest, the radius of curvature of the microlens 29c corresponding to the red filter is the smallest.

장파장인 적색광은 침투깊이가 깊어서 때로는 포토다이오드 영역을 지나쳐서 침투하는 경우가 있고, 또한 흡수율의 낮은 단점이 있으나, 본 발명의 일실시예에서와 같이 적색광을 집광하는 마이크로렌즈의 곡률반경을 감소시킨다면, 촛점거리가 줄게되어 전술한 바와같은 단점을 보완해 줄 수 있다.The long wavelength red light has a deep penetration depth and sometimes penetrates beyond the photodiode region, and also has a low disadvantage of absorbance. However, if the curvature radius of the microlens condensing red light is reduced as in the embodiment of the present invention, The focal length can be reduced to compensate for the above disadvantages.

즉, 곡률반경이 작게되면, 이에 따라 빛이 집광되는 촛점의 깊이가 얕아지게 되므로, 장파장인 적색광과 같이 침투깊이가 깊은 빛에 대한 흡수율을 향상시키고, 또한, 적색광과 같이 장파장의 빛이 포토다이오드 영역을 초과하여 침투하는 현상을 방지할 수 있다.That is, when the radius of curvature is reduced, the depth of focus at which light is focused becomes shallow, thereby improving the absorption rate of light having a deep penetration depth, such as red light, which is a long wavelength, and the light having a long wavelength, such as red light. Penetration beyond the area can be prevented.

또한, 평탄화막(27)을 일정두께 식각하여 형성된 홈에 마이크로렌즈를 형성하게 되면, 후속 플로우(flow)공정시에 인접한 마이크로렌즈와 마이크로렌즈가 서로 붙어버리는 브리지(bridge) 현상을 억제할 수 있는 장점도 있다.In addition, when the microlenses are formed in the grooves formed by etching the planarization layer 27 to a predetermined thickness, a bridge phenomenon in which adjacent microlenses and microlenses stick to each other during the subsequent flow process can be suppressed. There is also an advantage.

이와같이 마이크로렌즈(29a, 29b, 29c)를 형성한 이후에, 마이크로렌즈를 보호하기 위한 저온산화막(30)을 추가로 마이크로렌즈(29a, 29b, 29c) 상에 형성한다.After the microlenses 29a, 29b and 29c are formed in this manner, a low temperature oxide film 30 for protecting the microlenses is further formed on the microlenses 29a, 29b and 29c.

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지센서의 구조를 도시한 도면으로, 적색필터에 대응하는 마이크로렌즈 이외에도 녹색필터에 대응하는 마이크로렌즈의 곡률반경의 변화시켜 소자의 특성을 향상시킨 것이다.3 is a diagram illustrating a structure of an image sensor according to another exemplary embodiment of the present invention, in which the curvature radius of the microlenses corresponding to the green filter is changed in addition to the microlenses corresponding to the red filter to improve the characteristics of the device.

즉, 도3을 참조하면, 적색필터(26c)에 대응하는 평탄화막의 표면뿐만 아니라 녹색필터(26b)에 대응하는 평탄화막의 표면에도 홈이 형성되어 있는데, 홈이 형성되어 있는 깊이(d1 < d2)는 서로 다름을 알 수 있다.That is, referring to FIG. 3, grooves are formed not only on the surface of the flattening film corresponding to the red filter 26c but also on the surface of the flattening film corresponding to the green filter 26b, where the grooves are formed at a depth d1 <d2. Are different from each other.

즉, 녹색광은 적색광보다는 파장이 짧기 때문에 침투깊이도 그만큼 얕고, 이에 따른 최적의 곡률반경을 감안한다면, 적색필터(26c)에 대응하는 마이크로렌즈의두께보다 녹색필터(26b)에 대응하는 마이크로렌즈의 두께가 얇아야 한다.That is, since green light has a shorter wavelength than red light, the depth of penetration is so shallow that, considering the optimum radius of curvature, the thickness of the microlenses corresponding to the green filter 26b is greater than the thickness of the microlenses corresponding to the red filter 26c. It should be thin.

따라서, 적색필터에 대응하는 평탄화막의 표면뿐만 아니라 녹색필터에 대응하는 평탄화막의 표면에도 홈이 형성되어 있는데, 그 홈이 형성되어 있는 깊이(d1)는 적색필터에 대응하는 평탄화막의 표면에 형성된 홈의 깊이(d2)보다 얕음을 알 수 있다.Accordingly, grooves are formed not only on the surface of the flattening film corresponding to the red filter, but also on the surface of the flattening film corresponding to the green filter, and the depth d1 at which the groove is formed is equal to that of the groove formed on the surface of the flattening film corresponding to the red filter. It can be seen that it is shallower than the depth d2.

그리고 가장 짧은 파장을 갖는 청색광에 대응하는 마이크로렌즈는 평탄화막 (27)의 표면에 그대로 형성되기 때문에 가장 두께가 얇다, 청색광은 침투깊이가 가장 짧기 때문에 이에 대응하는 마이크로렌즈의 곡률반경을 증가(마이크로렌즈의 두께감소)시켜서 청색광에 최적화된 촛점거리를 구현하였다.Since the microlenses corresponding to the blue light having the shortest wavelength are formed on the surface of the planarization film 27 as they are, they are the thinnest. Since the blue light has the shortest penetration depth, the radius of curvature of the corresponding microlenses is increased (micro By reducing the thickness of the lens), the focal length optimized for blue light is realized.

본 발명의 다른 실시예에서는 적색, 녹색, 청색의 칼라필터에 대응하는 마이크로렌즈의 곡률반경을 서로 달리 형성함으로써 입사광의 파장대별 흡수율을 최적화하여 색 재현 특성을 정확히 제어할 수 있는 장점이 있다.In another embodiment of the present invention, by differently forming the curvature radii of the microlenses corresponding to the red, green, and blue color filters, the color reproducibility can be precisely controlled by optimizing the absorption ratio for each wavelength band of the incident light.

이와같은 본 발명은 시모스 이미지센서 이외에도 마이크로렌즈와 칼라필터를 구비한 전하결합소자에도 적용될 수 있다.In addition to the CMOS image sensor, the present invention can be applied to a charge coupling device including a micro lens and a color filter.

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 가진 자에게 있어 명백할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the present invention may be variously substituted, modified, and changed without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in Esau.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 입사광의 파장에 따라 마이크로렌즈의 곡률반경을 달리하여 형성함으로써 이미지센서의 색 재현성을 최적화할 수 있으며 또한, 적색광에 의한 누화현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention made as described above, by forming the curvature radius of the microlens according to the wavelength of the incident light, it is possible to optimize the color reproducibility of the image sensor, and also to prevent the crosstalk phenomenon caused by the red light.

Claims (7)

상대적으로 단파장의 광을 분리하는 제 1 필터와, 장파장의 광을 분리하는 제 2 필터와, 상기 제 2 필터가 분리하는 광 보다 장파장인 광을 분리하는 제 3 필터를 구비한 이미지센서에 있어서,An image sensor having a first filter for separating light having a relatively short wavelength, a second filter for separating light having a long wavelength, and a third filter for separating light having a longer wavelength than the light separated by the second filter, 광감지 수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 형성된 페시베이션막;A passivation film formed on the semiconductor substrate on which the underlying structure including the light sensing means is completed; 상기 페시베이션막 상에 형성된 제 1 내지 제 3 칼라필터;First to third color filters formed on the passivation film; 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터 상에 형성되되, 상기 제 3 칼라필터에 대응되는 영역에 제 1 홈을 구비한 평탄화막;A planarization film formed on the first to third color filters, the flattening film having a first groove in a region corresponding to the third color filter; 상대적으로 큰 곡률반경을 갖으며, 상기 제 1 칼라필터에 대응하여 상기 평탄화막 상에 형성된 제 1 마이크로렌즈;A first micro lens having a relatively large radius of curvature and formed on the planarization layer corresponding to the first color filter; 상대적으로 큰 곡률반경을 갖으며, 상기 제 2 칼라필터에 대응하여 상기 평탄화막 상에 형성된 제 2 마이크로렌즈; 및A second micro lens having a relatively large radius of curvature and formed on the planarization layer corresponding to the second color filter; And 상기 제 1 내지 제 2 마이크로렌즈보다 작은 곡률반경을 갖으며, 상기 제 3 칼라필터에 대응하여 상기 제 1 홈을 포함한 평탄화막 상에 형성된 제 3 마이크로렌즈A third microlens having a curvature radius smaller than that of the first to second microlenses and formed on the planarization layer including the first groove in correspondence to the third color filter; 를 포함하는 이미지센서.Image sensor comprising a. 상대적으로 단파장의 광을 분리하는 제 1 필터와, 장파장의 광을 분리하는 제 2 필터와, 상기 제 2 필터가 분리하는 광 보다 장파장인 광을 분리하는 제 3 필터를 구비한 이미지센서에 있어서,An image sensor having a first filter for separating light having a relatively short wavelength, a second filter for separating light having a long wavelength, and a third filter for separating light having a longer wavelength than the light separated by the second filter, 광감지 수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 형성된 제 1 내지 제 3 칼라필터;First to third color filters formed on the semiconductor substrate on which the lower structure including the light sensing means is completed; 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터 상에 형성되되, 상기 제 2 칼라필터에 대응되는 영역과 상기 제 3 칼라필터에 대응되는 영역에 각각 제 2 홈과 제 2 홈보다 더 깊은 제 1 홈을 구비한 평탄화막;A first groove formed on the first to third color filters, the first groove deeper than the second groove and the second groove, respectively, in the region corresponding to the second color filter and the region corresponding to the third color filter; Planarization film; 상대적으로 큰 곡률반경을 갖으며, 상기 제 1 칼라필터에 대응하여 상기 평탄화막 상에 형성된 제 1 마이크로렌즈;A first micro lens having a relatively large radius of curvature and formed on the planarization layer corresponding to the first color filter; 상기 제 1 마이크로렌즈보다 작은 곡률반경을 갖으며, 상기 제 2 칼라필터에 대응하는 상기 제 2 홈을 포함한 평탄화막 상에 형성된 제 2 마이크로렌즈; 및A second microlens having a curvature radius smaller than that of the first microlens and formed on the planarization film including the second groove corresponding to the second color filter; And 상기 제 2 마이크로렌즈보다 작은 곡률반경을 갖으며, 상기 제 3 칼라필터에 대응하는 상기 제 1 홈을 포함한 평탄화막 상에 형성된 제 3 마이크로렌즈A third microlens having a curvature radius smaller than that of the second microlens and formed on the planarization layer including the first groove corresponding to the third color filter; 를 포함하는 이미지센서.Image sensor comprising a. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 홈은 500 ∼ 1000Å의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.The first groove has a depth of 500 ~ 1000Å, characterized in that the image sensor. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터는 각각 청색필터, 녹색필터, 적색필터인 것을 특징으로 하는 이미지센서.Each of the first to third color filters is a blue filter, a green filter, and a red filter. 상대적으로 단파장의 광을 분리하는 제 1 필터와, 장파장의 광을 분리하는 제 2 필터와, 상기 제 2 필터가 분리하는 광 보다 장파장인 광을 분리하는 제 3 필터를 구비한 이미지센서의 제조방법에 있어서,A method of manufacturing an image sensor comprising a first filter for separating light having a relatively short wavelength, a second filter for separating light having a long wavelength, and a third filter for separating light having a longer wavelength than the light separated by the second filter. To 광감지 수단을 포함한 하부구조 형성이 완료된 반도체 기판 상에 페시베이션막을 형성하는 단계;Forming a passivation film on the semiconductor substrate on which the substructure including the light sensing means is completed; 상기 페시베이션막 상에 제 1 내지 제 3 칼라필터를 형성하는 단계;Forming first to third color filters on the passivation film; 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터 상에 평탄화막을 형성하는 단계;Forming a planarization film on the first to third color filters; 상기 평탄화막 상의 상기 제 3 칼라필터에 대응하는 영역에만 제 1 홈을 형성하는 단계;Forming a first groove only in an area corresponding to the third color filter on the planarization film; 상기 제 1 홈을 포함하는 전체 구조상에 마이크로렌즈용 감광막을 도포하고 이를 패터닝하여 상기 제 1 내지 제 3 칼라필터에 각각 대응하는 제 1 내지 제 3 마이크로렌즈를 형성하는 단계; 및Applying a first photoresist film for microlenses onto the entire structure including the first grooves and patterning the first photoresist film to form first to third microlenses corresponding to the first to third color filters; And 상기 제 1 내지 제 3 마이크로렌즈 상에 저온산화막을 형성하는 단계Forming a low temperature oxide film on the first to third microlenses 를 포함하는 이미지센서의 제조방법.Method of manufacturing an image sensor comprising a. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 제 1 내지 제 2 마이크로렌즈는 상대적으로 큰 곡률반경을 갖게 형성되며,The first to second microlenses are formed to have a relatively large radius of curvature, 상기 제 3 마이크로렌즈는 상기 제 1 내지 제 2 마이크로렌즈보다 작은 곡률반경을 갖게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.And the third microlens has a smaller radius of curvature than the first to second microlenses. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 평탄화막 상의 상기 제 3 칼라필터에 대응하는 영역에만 제 1 홈을 형성하는 단계는,The step of forming the first groove only in the region corresponding to the third color filter on the planarization film, 상기 평탄화막 상에 포지티브 포토레지스트를 도포하는 단계;Applying a positive photoresist on the planarization film; 상기 제 3 칼라필터에 대응하는 영역만 노광하여 상기 노광된 부분의 상기 포지티브 포토레지스트를 제거하는 단계; 및Exposing only the region corresponding to the third color filter to remove the positive photoresist of the exposed portion; And 상기 제 3 칼라필터에 대응하는 영역만이 제거된 상기 포지티브 포토레지스트를 식각배리어로 하여 상기 평탄화막에 제 1 홈을 형성하는 단계Forming a first groove in the planarization layer by using the positive photoresist from which only a region corresponding to the third color filter is removed as an etching barrier; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.Manufacturing method of an image sensor, characterized in that it further comprises.
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