KR20060011386A - 광감도를 향상시킨 시모스 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 픽셀어레이 전체를 덮는 볼록렌즈를 추가로 구비하여 픽셀어레이의 가장자리부분으로 입사하는 경사입사광의 영향을 최소화한 이미지센서에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이를 포함하는 이미지센서에 있어서, 각각의 단위화소에 대응하는 포토다이오드가 형성된 기판; 상기 기판상에 형성된 층간절연막; 각각의 단위화소에 대응하여 상기 층간절연막 상에 형성된 마이크로렌즈; 및 상기 픽셀어레이 전체를 커버하며, 상기 마이크로렌즈와 접하며 형성된 내부 볼록렌즈를 포함하여 이루어진다.
이미지센서, 경사입사광, 볼록렌즈, 픽셀어레이, 광감도
Description
도1은 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 단위화소 단면을 도시한 단면도,
도2는 종래기술에 따른 시모스 이미지센서의 픽셀어레이에서 그 중앙부분과 가장자리 부분으로 빛이 입사하는 모습을 도시한 단면도면,
도3은 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 시모스 이미지센서의 단면구조 및 픽셀어레이의 중앙부분과 가장자리 부분으로 입사하는 입사광의 진행을 함께 도시한 단면도면,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 볼록렌즈를 구비한 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
21 : 기판
22 : 포토다이오드
23 : 층간절연막
24 : 마이크로렌즈
25 : 볼록렌즈
26 : 외부렌즈
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로 특히, 픽셀어레이를 전부 커버하는 내부 볼록렌즈를 구비함으로써 픽셀 어레이의 중심부분과 픽셀어레이의 가장자리 부분에서 발생하였던 입사광의 불균형을 해소하여 광감도를 향상시킨 발명이다.
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 외부로부 터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 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.
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 이와같이 칼라필터와 마이크로렌즈를 포함하는 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 단면도로서 이를 참조하여 종래의 시모스 이미지센서의 구조를 설명하면, 먼저 반도체 기판(10) 상에는 활성영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(11)이 형성되어 있으며, 각각의 단위화소에는 포토다이오드 등으로 이루어진 광감지 수단(12)이 형성되어 있다.
이와같이 소자분리막(11)과 광감지 수단(12) 및 트랜지스터(미도시) 들이 형성된 이후에, 층간절연막이 (13)반도체 기판(10) 상에 형성되고 이후에 금속배선 (14)이 형성된다. 도1에서는 1개의 금속배선(14)이 사용되는 경우를 도시하였지만 통상적으로는 3개층 내지 5개층의 금속배선이 사용되고 있으며, 설명의 편의를 위하여 1개층의 금속배선만 도시하였다. 이하에서는 이 금속배선을 최종금속배선이라 칭하기로 한다.
이와같이 최종금속배선(14)까지 형성한 이후에, 습기나 스크래치(scratch) 등으로 부터 소자를 보호하기 위하여 최종금속배선 상에 패시베이션막(15)을 형성한다. 페시이션막(15) 상에는 칼라이미지 구현을 위한 칼라필터(16)가 형성되는데, 칼라필터로는 통상적으로 염색된 포토레지스트를 사용하며, 각각의 단위화소마다 하나의 칼라필터(16)가 형성되어 광감지 수단(12)으로 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다.
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 형성된다. 그리고 이와같은 평탄화막(17) 상에 마이크로렌즈(18)가 형성된다. 마이크로렌즈(18)는 직사각형 형태의 감광막을 플로우(flow)시켜서 돔(dome)형태의 마이크로렌즈를 형성할 수 있다.
도2는 이러한 구조의 시모스 이미지센서에서 빛이 입사하는 모습을 함께 도시한 도면으로 도1에 도시된 단위화소가 복수개 모여있는 픽셀 어레이(pixel array)에서 빛이 입사하는 경로를 자세히 도시한 도면으로, 도2의 a 부분과 b 부분을 각각 확대한 도면이 함께 도시되어 있다.
도2를 참조하면, 반도체 기판(11a) 상에는 복수개의 포토다이오드(12a)가 형성되어 있으며, 포토다이오드가 형성된 반도체 기판을 덮는 층간절연막(13)이 형성되어 있다.
통상적으로 포토다이오드 상부에는 층간절연막, 복수층의 금속배선, 복수층의 금속층간 절연막, 페시베이션막, 칼라필터, 평탄화막 등이 형성되어 있으나, 도2에서는 설명의 편의를 위하여 이들을 하나의 층간절연막(13a)으로 표현하였다.
이어서, 층간절연막(13a)의 상부에는 각각의 단위화소에 대응하는 마이크로렌즈(14a)가 형성되며, 일반적으로 마이크로렌즈는 다음과 같은 방법으로 형성된다.
먼저, 마이크로렌즈용 감광막을 층간절연막(13a) 상에 도포하고 이를 패터닝하여 각각의 단위화소에 대응되는 직사각형 형태의 패턴을 형성한다. 이후에, 열을 가하여 상기 패터닝된 마이크로렌즈용 감광막 패턴을 플로우(flow) 시키게 되면, 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈를 형성할 수 있다.
이와같이 마이크로렌즈까지 형성된 다음에는 마이크로렌즈를 보호하기 위한 보호막이 추가로 증착될 수 있으며, 이후에는 패드 오픈 공정 및 일련의 패키지 공정을 통해 칩 레벨이 마무리 된다.
이후에는 디지탈 카메라나 핸드폰 등에 사용될 목적에 따라 외부렌즈가 장착된 모듈(module) 형태로 제조된다.
도2에 도시된 외부렌즈(15a)는 전술한 모듈 등에서 제공되는 외부렌즈를 말하며, 이러한 외부렌즈(15a)를 통과한 입사광은 최종적으로 포토다이오드(12a)로 도달하여 전기신호로 바뀌게 된다.
하지만 도2의 a 부분과 b 부분을 참조하면, 종래기술에 따른 시모스 이미지센서는 많은 문제점을 내포하고 있음을 알 수 있다.
여기서, 도2의 a 부분은 픽셀 어레이의 중심부분을 의미하며, 도2의 b 부분은 픽셀 어레이의 가장자리 부분을 의미한다.
먼저, 도2의 a 부분을 확대한 도면을 살펴보면, 픽셀 어레이의 중심부분에서는, 외부렌즈(15a)를 통과한 빛이 거의 수직에 가깝게 마이크로렌즈(14a)로 입사하기 때문에 포토다이오드로의 집광이 효율적임을 알 수 있다.
하지만, 픽셀 어레이의 가장자리 부분을 확대한 도2의 b 부분을 참조하면 포토다이오드로의 집광이 여의치 않음을 알 수 있다.
즉, 픽셀어레이의 가장자리 부분에서는, 외부렌즈(15a)를 통과한 빛이 경사각을 갖고 마이크로렌즈(14a)로 입사하게 되며, 비록 마이크로렌즈(14a)를 이용하여 빛을 집광한다 하더라도, 포토다이오드(12a)의 중심으로 집광되는 효과가 그다지 크지 않음을 알 수 있다.
이와같이 픽셀어레이의 중심부분과 가장자리 부분에서는 광감지 특성에 있어 심한 편차를 나타내게 되므로 이미지가 왜곡되는 문제점을 야기하고 있으며 또한, 경사입사광으로 인해 인접한 단위화소간의 크로스토크(cross talk) 현상도 유발하는 문제도 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 픽셀어레이의 중심부분과 가장자리 부분의 편차를 제거하여 소자의 광감지 특성을 개선한 시모스 이미지센서를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이를 포함하는 이미지센서에 있어서, 각각의 단위화소에 대응하는 포토다이오드가 형성된 기판; 상기 기판상에 형성된 층간절연막; 각각의 단위화소에 대응하여 상기 층간절연막 상에 형성된 마이크로렌즈; 및 상기 픽셀어레이 전체를 커버하며, 상기 마이크로렌즈와 접하며 형성된 내부 볼록렌즈를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 각각의 픽셀에 대응하는 마이크로렌즈외에, 픽셀어레이 전체를 덮는 대형의 내부 볼록렌즈를 추가로 구비하여 픽셀어레이의 중심부분과 가장자리 부분의 편차를 제거하여 광감도를 향상시킨 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.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 도면 으로 이를 참조하면 설명한다.
먼저, 도3을 참조하면, 종래기술과 비교하여 볼때, 추가로 구비된 내부 볼록렌즈(25)를 제외하면, 나머지 구성은 유사하다.
즉, 반도체 기판(21)상에는 포토다이오드(22)가 구비되어 있으며, 포토다이오드(22)가 형성된 반도체 기판(21) 상에는 층간절연막(23)이 형성되어 있다. 여기서 층간절연막(23)은 복수층의 금속배선, 금속층간 절연막, 페시베이션막, 칼라필터 등을 모두 포함하는 막이다.
도3에는 자세히 도시되어 있지만 상기 공정을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 포토다이오드로는 p/n/p 구조의 포토다이오드가 주로 사용되며, 포토다이오드가 형성된 이후에는 단위화소를 구성하는 각종 트랜지스터 형성공정이 진행된다.
이후에 트랜지스터의 게이트 전극과 금속배선간을 절연하기 위하여 절연막이 반도체 기판 상에 형성되며, 이후에는 금속배선 형성공정이 진행된다.
금속배선은 3개층 이상의 복수층의 금속배선이 사용되며, 이러한 금속배선은 포토다이오드로 입사하는 빛을 가리지 않기 위하여 의도적으로 레이아웃된다.
가장 상부에 위치한 최종금속배선까지 형성된 다음에는 습기나 스크랫치로 부터 소자를 보호할 목적으로 산화막 또는 질화막으로 구성된 패시베이션막 형성공정이 진행된다.
다음으로 상기 패시베이션막 상에는 칼라 이미지 구현을 위한 칼라필터가 형 성되는데, 칼라필터로는 주로 염색된 포토레지스트가 사용된다.
이와 같이 칼라필터를 형성한 이후에, 칼라필터로 인한 단차를 보완하기 위하여 칼라필터 상에 평탄화막이 형성되는데, 도3에 도시된 층간절연막(23)은 이와같은 공정을 모두 포함하여 하나로 표현한 막임은 전술한 바와같다.
다음으로 각각의 단위화소에 대응하는 마이크로렌즈(24)가 층간절연막(23) 상에 형성되는데, 여기서 마이크로렌즈는 포토레지스트를 이용하여 형성되며 플로우(flow) 공정을 거쳐서 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈를 형성하게 됨은 종래기술과 같다.
다음으로 픽셀 어레이 전부를 커버하는 대형의 내부 볼록렌즈(25)가 형성된다.
내부 볼록렌즈(25)는 마이크로렌즈 제조공정과 유사한 공정을 통해 형성할 수 있으며, 그 공정순서를 상술하면 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에서는 내부 볼록렌즈로 사용될 물질로 포토레지스트를 사용하였으며, 그 굴절률이 마이크로렌즈 보다는 작으며, 공기(굴절률 1)보다는 큰 포토레지스트를 사용하였다.
통상적으로 마이크로렌즈의 굴절률은 1.5 내지 1.6 정도이므로, 내부 렌즈용 포토레지스트의 굴절률은 1.3 ∼ 1.6 정도인 것이 바람직하다.
또한, 내부 볼록렌즈용 포토레지스트의 투과율은 95 ∼100％ 인 것이 바람직하며, 내부 볼록렌즈용 포토레지스트의 점도는 5 ∼ 20cp 인 것이 바람직하다.
이와같은 특성을 갖는 내부 볼록렌즈용 포토레지스트를 전체 구조상에 도포 한 이후에 적절한 마스크를 이용한 노광 현상 공정을 통해 픽셀 어레이 상부에만 내부 볼록렌즈용 포토레지스트를 남기고 나머지 영역에 도포된 내부 볼록렌즈용 포토레지스트를 제거한다.
다음으로, 100 ∼ 250℃ 정도의 열을 가하여 패터닝된 내부 볼록렌즈용 포토레지스트를 플로우 시키면, 볼록한 형태의 내부 볼록렌즈를 형성할 수 있다. 여기서, 플로우 공정시 사용되는 열처리는 여러단계로 나누어서 진행될 수 있다.
이와같이 내부 볼록렌즈(25)까지 형성된 다음에는 통상적이 일련의 공정을 통해 시모스 이미지센서 공정을 마무리 한다.
이후에 각종 모듈에서 사용될 외부렌즈(26)를 장착하게 되면, 디지털 카메라나 핸드폰 등에 사용될 수 있게 된다.
도3을 참조하면, 외부렌즈(26)를 통과한 빛이 포토다이오드로 입사하는 경로가 함께 도시되어 있는데, 이를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
우선, 픽셀 어레이의 중심부분을 확대한 도3의 a 부분을 참조하면, 외부렌즈(26)와 내부 볼록렌즈(25)를 통과한 빛은 마이크로렌즈(24)로 거의 수직으로 입사하고 있음을 알 수 있다.
다음으로 픽셀 어레이의 가장자리 부분을 확대한 도3의 b 부분을 살펴보면, 외부렌즈(26)를 통과한 빛은 내부 볼록렌즈(25)로 입사할 때 경사각을 갖고 입사하게 되지만, 내부 볼록렌즈(25)에서 한번 굴절하게 되며, 결국 마이크로렌즈(24)로 입사할 때에는 거의 수직에 가깝게 마이크로렌즈(24)로 입사하고 있음을 알 수 있다.
따라서, 픽셀 어레이의 가장자리 부분에서도 포토다이오드의 중심으로 효율적으로 집광할 수 있게 되므로, 중심부분과 가장자리 부분간의 광감도 편차를 감소할 수 있게 된다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 단면을 도시한 도면으로, 내부 볼록렌즈를 마이크로렌즈 바로 상부에 형성한 것이 아니라, 독립적인 볼록렌즈를 따로 형성한 모습을 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에서는 칩 레벨의 내부 볼록렌즈가 아니라, 독립적인 볼록렌즈를 따로 구비하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도4를 참조하면, 반도체 기판(31)상에는 포토다이오드(32)가 구비되어 있으며, 포토다이오드(32)가 형성된 반도체 기판(31) 상에는 층간절연막(33)이 형성되어 있다. 여기서 층간절연막(33)은 복수층의 금속배선, 금속층간 절연막, 페시베이션막, 칼라필터 등을 모두 포함하는 막이다.
도4에 도시된 구성요소 중에서 층간절연막(33), 마이크로렌즈(34), 외부렌즈(36) 등은 본 발명의 일실시예에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에서는 픽셀어레이의 중심부분과 가장자리 부분간의 편차를 보정하기 위한 볼록렌즈를 칩 레벨에서 형성하지 않고, 별도의 볼록렌즈(35)를 구비하여 주었다.
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.
본 발명을 이미지센서의 제조에 적용하게 되면 픽셀어레이의 가장자리 영역으로 입사하는 경사입사광의 영향을 감소시킬 수 있으므로, 픽셀어레이의 중심부분과 가장자리 부분에서의 감도 편차를 줄일 수 있어 제품의 품질향상을 가능하게 한다.
Claims (5)
- 복수개의 단위화소로 구성된 픽셀어레이를 포함하는 이미지센서에 있어서,각각의 단위화소에 대응하는 포토다이오드가 형성된 기판;상기 기판상에 형성된 층간절연막;각각의 단위화소에 대응하여 상기 층간절연막 상에 형성된 마이크로렌즈; 및상기 픽셀어레이 전체를 커버하며, 상기 마이크로렌즈와 접하며 형성된 내부 볼록렌즈를 포함하는 시모스 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 내부 볼록렌즈는,상기 마이크로렌즈 보다는 굴절률이 작으며, 공기보다는 굴절률이 큰 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 제2항에 있어서,상기 내부 볼록렌즈는,굴절률이 1.3 ∼ 1.6 인 포토레지스트로 구성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 제2항에 있어서,상기 내부 볼록렌즈는,투과율이 95 ∼ 100％ 인 포토레지스트로 구성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 내부 볼록렌즈는,점도가 5 ∼ 20cp 인 포토레지스트로 구성된 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020040060212A KR20060011386A (ko) | 2004-07-30 | 2004-07-30 | 광감도를 향상시킨 시모스 이미지센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20060011386A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100791842B1 (ko) * | 2006-07-25 | 2008-01-07 | 삼성전자주식회사 | 마이크로렌즈의 쉬프트가 필요 없는 이미지센서 및 그 제조방법 |
-
2004
- 2004-07-30 KR KR1020040060212A patent/KR20060011386A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100791842B1 (ko) * | 2006-07-25 | 2008-01-07 | 삼성전자주식회사 | 마이크로렌즈의 쉬프트가 필요 없는 이미지센서 및 그 제조방법 |
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