KR20050103027A - 노치 필터를 갖는 이미지센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 칼라 필터의 분광영역이 오버랩되는 부분을 최소화하여 색 재현 특성을 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판 상에 배치된 복수의 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 배치된 적, 녹, 청 칼라 필터; 및 상기 적색 및 청색의 칼라 필터 영역에서 녹색광을 차단하기 위해 상기 적색 및 청색 칼라 필터 하부에 배치된 노치 필터를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판 상에 복수의 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 복수의 포토다이오드 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 산화막과 질화막을 교번적으로 복수회 증착하는 단계; 녹색 칼라 필터 영역에서 교번적으로 증착된 상기 산화막 및 질화막을 선택적으로 제거하여 적색과 청색 칼라 필터 영역에서 상기 산화막 및 질화막이 교번적으로 적층되어 녹색광을 차단하기 위한 노치 필터를 형성하는 단계; 상기 노치 필터 상에 평탄화막을 형성하는 단계; 및 상기 노치 필터 상에 적, 녹, 청 칼라 필터를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, 칼라 구현 능력을 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이 중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.
이미지 센서는 적,녹,청(Red, Green, Blue)의 칼라 필터 어레이(Colour Filter Array; 이하 CFA라 함)를 구비함으로써 각각의 색상을 혼합하여 색상을 구현하도록 한다.
이러한 칼라 이미지센서의 분광 특성은 칼라 필터 물질의 특성에 직접적인 영향을 받으며, 이와 같은 특성은 이미지센서의 색 재현 특성, 색상 구현 능ㄹ혁에 반영이 된다. 현재 사용되고 있는 칼라 필터용 포토레지스트의 분과 특성은 이상적인 특성과는 거리가 있으며, RGB 각각에 대한 오버랩이 상당 수준 존재함으로써 감도(Sensitivity) 증가를 위한 필터 두께의 튜닝(Tuning)과 관련된 연구도 색 재현 특성의 열화에 따른 문제를 고려해야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10)에 다수의 포토다이오드(11)가 배치되어 있으며, 그 상부에 제1절연막(12) 예컨대, 평탄화층이 형성되어 있고, 제1절연막(12) 상의 포토다이오드(11)와 오버랩되지 않은 영역 즉, 포토다이오드(11)에 인접된 영역에 게이트전극(13)이 배치되어 있으며, 게이트전극(13)으로 빛이 입사되는 것을 차단하기 위한 광차단막(15)이 게이트전극(13) 상부에 오버랩되도록 배치되어 있다. 광차단막(15)과 게이트전극(13) 사이에는 제2절연막(14) 예컨대, PMD(Pre Metal Dielectric)층이 형성되어 있다.
광차단막(15) 상에는 제3절연막(16) 예컨대, OCL(Over Coating Layer)이 형성되어 있으며, 제3절연막(16) 상에 적(R), 녹(G), 청(B)의 칼라 필터(17a, 17b, 17c)가 각각 포토다이오드(11)와 오버랩되도록 배치되어 있으며, 적, 녹, 청 칼라 필터(17a, 17b, 17c) 상에 제4절연막(18) 예컨대, OCL 등의 평탄화층이 배치되어 있으며, 제4절연막(18) 상에 적, 녹 청 칼라 필터(17a, 17b, 17c)와 각각 오버랩되는 볼록한 형상의 마이크로렌즈(19)가 배치되어 있다.
전술한 이미지센서의 칼라 특성은 R,G,B 칼라 물질막을 사용하여 구현한 것으로 R,G,B 각각의 필터 특성은 이상적인 컷오프(Cutoff) 특성과는 거리가 있고, 서로의 분광영역이 근원적으로 오버랩되는 부분이 존재하게 된다. 이는 칼라 처리 단계에서 순수 칼라 성분을 줄이는 역할을 하게 되고, 칼라 신호대잡음비에 영향을 주어 동적영역(Dynamic range)의 감소를 초래하게 된다.
도 2는 종래의 이미지센서의 각 색상의 파장에 따른 투과 특성 즉, 분광특성을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, R은 600nm 이상의 파장 영역에서 광 투과도가 높으며, G는 500nm ∼ 600nm의 파장 영역에서 광 투과도가 높으며, B는 500nm 이하의 파장 영역에서 광 투과도가 높음을 알 수 있다.
한편, G는 자신의 가장 두드러진 패장 영역이 500nm ∼ 600nm임에도 불구하고 그 분포가 450nm ∼ 650nm 파장 영역까지 넓게 분포함을 알 수 있다. G의 이러한 넓은 오버랩 특성으로 인해 순수 칼라 성분의 비율이 상대적으로 낮아지고, 이로 인해 색 재현 특성에 문제가 발생한다.
한편, 각 카라 성분의 응답 특성을 증가시키기 위해 각 칼라 필터의 두께를 낮게할 경우에는 오버랩의 증가 범위를 더욱 넓히는 문제가 발생한다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 칼라 필터의 분광영역이 오버랩되는 부분을 최소화하여 색 재현 특성을 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 배치된 복수의 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 배치된 적, 녹, 청 칼라 필터; 및 상기 적색 및 청색의 칼라 필터 영역에서 녹색광을 차단하기 위해 상기 적색 및 청색 칼라 필터 하부에 배치된 노치 필터를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 복수의 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 복수의 포토다이오드 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 산화막과 질화막을 교번적으로 복수회 증착하는 단계; 녹색 칼라 필터 영역에서 교번적으로 증착된 상기 산화막 및 질화막을 선택적으로 제거하여 적색과 청색 칼라 필터 영역에서 상기 산화막 및 질화막이 교번적으로 적층되어 녹색광을 차단하기 위한 노치 필터를 형성하는 단계; 상기 노치 필터 상에 평탄화막을 형성하는 단계; 및 상기 노치 필터 상에 적, 녹, 청 칼라 필터를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 기본적인 칼라 필터용 포토레지스트는 정상적으로 사용하면서 색 재현 특성의 개선 즉, 칼라 오버랩 부분의 최소화를 위해 RGB의 경우 B와 R 칼라 필터 하부에 멀티 레이어 구조의 필터를 형성하여 두 칼라 영역에서의 G와 Cy만을 필터링하여 제거하는 노치 필터(Notch filter)를 구현한다.
따라서, 기존의 G칼라 영역으로 분포되는 B 또는 R의 응답(Response)을 자신의 영역에만 한정시켜 줌으로써 순수 신호 성분의 비율을 증가시켜 이미지 센서의 칼라 구현 능력을 향상시킬 수 있다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시에에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 멀티 레이러 구조의 노치 필터를 도시한 단면도이며, 도 5는 노치 필터의 분광특성을 도시한 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따른 이미지센서의 분광특성을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 이미지센서는, 기판(30) 상에 뱌치된 복수의 포토다이오드(31)와, 상기 포토다이오드(31) 상에 형성된 제1절연막(32)과, 제1절연막(32) 상의 포토다이오드(31)와 오버랩되지 않은 영역 즉, 포토다이오드(31)에 인접하는 영역에 배치된 게이트전극(33)과, 상기 게이트전극(33) 상에 배치된 제2절연막(34)과, 게이트전극(33)으로 빛이 입사되는 것을 차단하기 위해 게이트전극(33)과 오버랩되도록 제2절연막(34) 상에 배치된 광차단막(35)과, 광차단막(35) 상에 배치된 제3절연막(36)과, 적색 및 청색의 칼라 필터 영역에서 녹색광을 차단하기 위해 적색 및 청색 칼라 필터 상에 배치된 노치 필터(37)와, 노치 필터(37) 상에 배치된 제4절연막(38)과, 포토다이오드(31)와 각각 오버랩되도록 제4절연막(38) 상에 배치된 청, 녹, 적 칼라 필터(39a, 39b, 39c)와, 청, 녹, 적 칼라 필터(39a, 39b, 39c) 상에 배치된 제5절연막(40) 예컨대, 평탄화막과, 평탄화막(40) 상에 청, 녹, 적 칼라 필터(39a, 39b, 39c)와 각각 오버랩되도록 배치된 마이크로 렌즈(41)를 구비하여 구성된다.
노치 필터(37)는 특수한 파장의 빛을 차단(Cut-off)하는 특징이 있는 바, 도 4를 참조하면, 노치필터(37)는 질화막(37a)과 산화막(37b)이 교번적으로 적층된 바이레이어 구조를 이루고 있으며, 노치필터(37)는 질화막(37a)과 산화막(37b)이 적어도 10번 정도 반복적으로 적층되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 노치 필터(37)는 굴절율이 1.96 ∼ 2.01인 질화막(37a)과 굴절율이 1.45 ∼ 1.488인 산화막(37b)이 적층되어 도 5에 도시된 바와 같이 0.5㎛ ∼ 0.6㎛(500nm ∼ 600nm) 정도의 녹색(G)광을 거의 차단하는 분광 특성을 갖는 0.5㎛ 기준파장의 QWRS(Quarter Wavelength Reflector Stack)이다. 질화막(37a)은 800Å ∼ 1000Å, 산화막(37b)은 600Å ∼ 700Å의 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 전술한 본 발명의 일실시예에서 사용한 노치 필터에 의해 B 및 R 칼라 영역에서 G의 성분이 거의 제거되고 B와 R 칼라에 대한 영향은 거의 없으므로, 분광특성이 개선되어 G와 B의 분광영역이 오버랩되는 부분을 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 일실시예에서는 마이크로렌즈가 볼록 형성인 것을 그 일예로 하였으나, 오목 형상인 경우에도 적용이 가능하다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 노치 필터를 갖는 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 각 RGB 칼라 필터 형성 영역(rgb)으로 구획된 기판(70)에 포토다이오드(도시하지 않음)와 트랜지스터 등을 형성한 다음, 절연막(71)을 형성한다.
이 후, 게이트전극과 광차단막 등을 형성하며, 이러한 구체적인 공정은 생략한다.
이어서, 절연막(71) 상에 산화막(72a)과 질화막(72b)을 교번적으로 복수회 증착하여 산화막(72a)과 질화막(72b)의 바이레이어 구조를 형성한다.
이 때, 산화막(72a)과 질화막(72b)을 10회 이상 반복하여 적층하며, 질화막(72b)은 800Å ∼ 1000Å, 산화막(72a)은 800Å ∼ 1000Å의 두께가 되도록 한다. 따라서, 굴절율이 1.96 ∼ 2.01인 질화막(72b)과 굴절율이 1.45 ∼ 1.488인 산화막(72a)이 적층되어 0.5㎛ ∼ 0.6㎛(500nm ∼ 600nm) 정도의 녹색(G)광을 거의 차단하는 분광 특성을 갖는 0.5㎛ 기준파장의 QWRS을 이루는 노치 필터를 이룰 수 있다.
이어서, G 칼라 영역(g)에서 교번적으로 적층된 산화막(72a) 및 질화막(72b)을 제거하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성한 다음, 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 G 칼라 영역(g)에서 교번적으로 적층된 산화막(72a) 및 질화막(72b)을 식각하여 제거함으로써, B 및 R 칼라 영역(b, r)에서 산화막(72a) 및 질화막(72b)의 바이레이어 구조를 갖는 노치 필터(72)를 형성한다.
이어서, 포토레지스트 패턴을 제거한 다음, 평탄화층(73) 예컨대, OCL층을 형성한 다음, 그 상부에 통상적인 공정을 통해 BGR 칼라 필터(74a, 74b, 74c)를 형성한다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만, BGR 칼라 필터(74a, 74b, 74c) 상에 평탄화층과 마이크로렌즈 및 보호막을 형성하는 공정을 추가로 실시함으로써 이미지센서 형성 공정이 완료된다.
전술한 본 발명은, 기본적인 칼라 필터용 포토레지스트는 정상적으로 사용하면서 색 재현 특성의 개선 즉, 칼라 오버랩 부분의 최소화를 위해 RGB의 경우 B와 R의 칼라 필터 하부에 멀티 레이어 구조의 필터를 형성하여 두 칼라 영역에서의 G와 Cy만을 필터링하여 제거하는 노치 필터(Notch filter)를 형성하여 기존의 G칼라 영역으로 분포되는 B 또는 R의 응답을 자신의 영역에만 한정시켜 줌으로써, 순수 신호 성분의 비율을 증가시켜 이미지 센서의 칼라 구현 능력을 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은, 이미지센서의 칼라 구현 능력을 향상시킬 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도.
도 2는 종래의 이미지센서의 각 색상의 파장에 따른 투과 특성 즉, 분광특성을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시에에 따른 이미지센서를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 멀티 레이러 구조의 노치 필터를 도시한 단면도.
도 5는 노치 필터의 분광특성을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 이미지센서의 분광특성을 도시한 그래프.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 노치 필터를 갖는 이미지센서 제조 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 기판 31 : 포토다이오드
32 : 제1절연막 33 : 게이트전극
34 : 제2절연막 35 : 광차단막
36 : 제3절연막 37 : 노치 필터
38 : 제4절연막 39a, 39b, 39c : 칼라 필터
40 : 제5절연막 41 : 마이크로렌즈
Claims (11)
- 기판 상에 배치된 복수의 포토다이오드;상기 포토다이오드 상부에 배치된 적, 녹, 청 칼라 필터; 및상기 적색 및 청색의 칼라 필터 영역에서 녹색광을 차단하기 위해 상기 적색 및 청색 칼라 필터 하부에 배치된 노치 필터를 포함하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 노치 필터는 질화막과 산화막이 교번적으로 적층된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 노치 필터는 질화막과 산화막이 교번하여 적어도 10번 적층된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 질화막의 굴절율은 1.96 내지 2.01 이며, 상기 산화막의 굴절율은 1.45 내지 1.488인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 질화막은 800Å 내지 1000Å의 두께이며, 상기 산화막은 600Å 내지 700Å인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 각 칼라필터 상에 배치된 복수의 마이크로렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 마이크로렌즈는 볼록 또는 오목 형상인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 기판 상에 복수의 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 복수의 포토다이오드 상에 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막 상에 산화막과 질화막을 교번적으로 복수회 증착하는 단계;녹색 칼라 필터 영역에서 교번적으로 증착된 상기 산화막 및 질화막을 선택적으로 제거하여 적색과 청색 칼라 필터 영역에서 상기 산화막 및 질화막이 교번적으로 적층되어 녹색광을 차단하기 위한 노치 필터를 형성하는 단계;상기 노치 필터 상에 평탄화막을 형성하는 단계; 및상기 노치 필터 상에 적, 녹, 청 칼라 필터를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 노치 필터는 질화막과 산화막이 교번하여 적어도 10번 적층된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 질화막은 800Å 내지 1000Å의 두께이며, 상기 산화막은 600Å 내지 700Å인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 각 칼라 필터를 형성하는 단계 후, 상기 칼라 필터 상에 복수의 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조 방법.
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