KR20060077064A - 트리플 마이크로렌즈를 갖는 씨모스 이미지 센서 및 그의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드로 입사되는 빛의 손실을 방지하여 감도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드가 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상의 층간절연막, 상기 층간절연막 상에 보호막, 상기 보호막 상에 형성된 접착층, 상기 접착층 상에 형성되며 칼라필터를 겸하는 제1렌즈그룹, 상기 제1렌즈그룹 상부에 형성된 평탄화층, 및 상기 평탄화층 상에서 더블 구조로 적층된 제2렌즈그룹과 제3렌즈그룹을 포함하고, 이와같이 본 발명은 칼라필터를 겸하는 제1렌즈그룹, 제2렌즈그룹 및 제3렌즈그룹으로 이루어지는 트리플 마이크로렌즈 구조를 적용하므로써 광의 집적화를 향상시켜주어 빛이 다른 막에 의해 분산되지 않고 효과적으로 포토다이오드에 입사되게 하므로써 포토다이오드에 충분히 많은 양의 광전하를 집적시켜 이미지센싱을 위한 색재현성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

씨모스이미지센서, 마이크로렌즈, 포토다이오드, 칼라필터, 트리플 마이크로렌즈, 색 재현성

Description

트리플 마이크로렌즈를 갖는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR WITH TRIPPLE MICROLENS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 종래기술에 따라 제조된 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 구조 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 공정 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 반도체 기판 22 : 포토다이오드(PD)

23 : 층간절연막 24 : 금속배선

25 : 보호막 26 : 제1OCL

27 : 제2OCL 28 : 제1마이크로렌즈

29 : 제2마이크로렌즈

100 : 제1렌즈그룹

200 : 제2렌즈그룹

300 : 제3렌즈그룹

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 씨모스이미지센서(CMOS Image Sensor; CIS) 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체장치로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 씨모스이미지센서(CIS)는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

상기한 씨모스이미지센서(CIS)는 빛을 얼마나 효율적으로 받아들여 이로 인해 생성되는 전자들을 잃지 않고 전달해주므로서 실제로 우리가 보는 것을 얼마나 잘 재현할 수 있느냐가 가장 큰 관건이다.

가장 우선시되어야 할 것은 빛을 얼마나 효율적으로 받아들일 수 있는 가이고, 이를 위해 종래기술은 컬러필터어레이(Color Filter Array; CFA) 형성, 마이크로렌즈 패턴 공정, 블리칭(Bleaching) 공정을 순차적으로 진행하고 있다.

여기서, 블리칭 공정은 마이크로렌즈로 사용되는 감광물질의 원자들의 연결고리를 끊어주므로써 투과도를 높일 수 있는 공정이다.

도 1은 종래기술에 따라 제조된 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하여 종래기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 간략히 설명하기로 한다.

먼저, 반도체 기판(11)에 포토다이오드(PD, 12)를 포함하는 관련소자들을 형성한 후, 반도체 기판(11)의 전면에 층간절연막(13)을 형성한다.

이어서, 층간절연막(13) 상에 금속배선(14)을 형성하고, 금속배선(14)을 포함한 전면에 보호막(15)을 형성한다.

다음으로, 보호막(15) 상에 감광막을 도포하고 선택적으로 패터닝하여 칼라필터(G, R, B)를 형성한다. 이때, 칼라필터(G, R, B)는 이웃한 칼라필터가 서로 접촉하는 형태로 정해진 순서에 의해 형성한다.

다음으로, 칼라필터(G, R, B) 상부에 평탄층이며 감광물질의 일종인 OCL(Over Coating Layer, 16)를 형성한다.

이어서, OCL(16) 상에 감광물질을 도포한 후 패터닝하여 마이크로렌즈 패턴을 형성하고, 연속해서 블리칭 공정을 진행하여 일정 곡률을 갖는 마이크로렌즈(17)를 형성한다. 이때, 마이크로렌즈(17)는 하부의 칼라필터 각각에 대응하여 형성된다.

그러나, 종래기술은 마이크로렌즈(17)로 입사된 빛에 대해 손실되는 빛이 상 대적으로 많아서 감도(Sensitivity)가 현저히 떨어져 화상을 재현해주는데 문제가 있었다. 즉, 마이크로렌즈(17)로 입사된 빛 중에서 수직으로 입사된 빛은 손실없이 포토다이오드(12)로 도달하지만, 마이크로렌즈(17)에 경사져 입사하는 빛들은 포토다이오드(12)를 벗어나 손실되는 문제가 있다. 이처럼 포토다이오드(12)를 벗어나는 이유는 마이크로렌즈(17)에서 한번만 집적시켜 포토다이오드(12)에 이르기까지 다수의 빛이 금속배선, 산화막에 의해 굴절되고 반사되므로써 포토다이오드(12)에 이르지 못해 빛으로 인해 생성되는 전자들이 충분치 못하여 발생되기 때문이다.

따라서, 손실되는 빛을 감소시켜 감도를 향상시키기 위한 방법이 필요하다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 포토다이오드로 입사되는 빛의 손실을 방지하여 감도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드가 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상의 층간절연막, 상기 층간절연막 상에 보호막, 상기 보호막 상에 형성된 접착층, 상기 접착층 상에 형성되며 칼라필터를 겸하는 제1렌즈그룹, 상기 제1렌즈그룹 상부에 형성된 평탄화층, 및 상기 평탄화층 상에서 더블 구조로 적층된 제2렌즈그룹과 제3렌즈그룹을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 칼라필터의 표면은 일정 곡률을 갖는 렌즈 형태인 것을 특징으로 하고, 상기 제2렌즈그룹은 제1마이크로렌즈들로 이루어지고, 상기 제3렌즈그룹은 제2마이크로렌즈들로 이루어지며, 상기 제1마이크로렌즈들은 상기 제2마이크로렌즈들보다 그 폭이 더 큰 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 씨모스 이미지 센서의 제조 방법은 포토다이오드가 형성된 반도체기판 상부에 보호막을 형성하는 단계, 상기 보호막 상부에 접착층을 형성하는 단계, 상기 접착층 상에 표면이 일정 곡률을 가지면서 칼라필터를 겸하는 제1렌즈를 형성하는 단계, 상기 제1렌즈 상부에 평탄화층을 형성하는 단계, 및 상기 평탄화층 상에 제2렌즈와 제3렌즈가 더블 구조로 적층된 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 마이크로렌즈를 형성하는 단계는 상기 평탄화층 상에 제1감광물질을 도포하는 단계, 상기 제1감광물질을 패터닝하여 제1마이크로렌즈패턴을 형성하는 단계, 상기 제1마이크로렌즈 패턴 상에 제2감광물질을 도포하는 단계, 상기 제2감광물질을 패터닝하여 상기 제1마이크로렌즈패턴에 비해 폭이 더 작은 제2마이크로렌즈패턴을 형성하는 단계, 및 블리칭 공정과 하드베이크 공정을 연속적으로 진행하여 상기 제1마이크로렌즈패턴으로 된 제2렌즈와 상기 제2마이크로렌즈패턴으로 된 제3렌즈의 더블 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 구조를 도시한 구조 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서는, 포토다이오드(22)가 형성된 반도체 기판(21), 반도체 기판(21) 상의 층간절연막(23), 층간절연막(23) 상에 형성된 금속배선(24), 금속배선(24) 상에 형성된 보호막(25), 보호막(25) 상에 형성된 제1OCL(26), 제1OCL(26)의 표면 상에 형성되며 칼라필터(G, R, B)를 겸하는 칼라필터들로 이루어진 제1렌즈그룹(100), 제1렌즈그룹(100) 상부에 형성된 제2OCL(27), 제2OCL(27) 상에서 더블 구조로 적층된 제2렌즈그룹(200)과 제3렌즈그룹(300)을 포함한다.

여기서, 제1렌즈그룹(100)을 구성하는 칼라필터(G, R, B)들은 이웃한 칼라필터간 서로 접촉하지 않으면서 상부 표면이 일정 곡률을 갖는 렌즈 형태로 형성되어 있으며, 제2렌즈그룹(200)을 구성하는 제1마이크로렌즈(28)는 제3렌즈그룹(300)을 구성하는 제2마이크로렌즈(29)에 비해 그 폭이 더 크다.

도 2와 같이 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 칼라필터(G, R, B)를 겸하는 제1렌즈그룹(100)과 제2OCL(27) 상에서 더블 구조로 적층된 제2렌즈그룹(200) 및 제3렌즈그룹(300)에 의해 트리플 마이크로렌즈 구조를 갖는다.

이와 같이, 트리플 마이크로렌즈 구조를 채택하면, 광의 집적화를 향상시켜주어 빛이 다른 막에 의해 분산되지 않고 효과적으로 포토다이오드(22)에 입사되게 한다.

이하, 설명의 편의상 입사되는 빛이 제2마이크로렌즈로 수직 입사하는 제1경 로(31), 제2마이크로렌즈(29) 아래의 제1마이크로렌즈(28)로 경사 입사하는 제2경로(32), 제2마이크로렌즈(29)를 통과하고 제1마이크로렌즈(28)에서 한번 굴절되어 입사하는 제3경로(33)를 갖는다고 가정하여 설명한다. 상기 제1경로(31), 제2경로(32) 및 제3경로(33)를 통해 입사하는 빛은 모두 제1렌즈그룹(100)을 통과한다.

위와 같이, 제1 내지 제3경로를 갖는 빛은 빛이 다른 막에 의해 분산되지 않고 손실없이 효과적으로 포토다이오드(22)에 모두 입사되게 된다.

결국, 도 2와 같이 제1렌즈그룹 내지 제3렌즈그룹(100∼300)으로 구성된 트리플 마이크로렌즈 구조를 형성하므로써 외부에서 입사되는 빛을 손실없이 최대한 포토다이오드(22)쪽으로 포커싱할 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(21)에 포토다이오드(PD, 22)를 포함하는 관련소자들을 형성한 후, 반도체 기판(21)의 전면에 층간절연막(23)을 형성한다.

이어서, 층간절연막(23) 상에 금속배선(24)을 형성하고, 금속배선(24)을 포함한 전면에 보호막(25)을 형성한다.

다음으로, 보호막(25)을 평탄화시킨 후에, 보호막(25) 상에 얇은 두께(100Å∼200Å)를 갖는 제1OCL(26)을 형성한다.

여기서, 제1OCL(26)은 보호막(25)과 후속 칼라필터(G, R, B) 사이의 접착력을 증가시키기 위한 접착층 역할을 하는 것으로, 칼라필터(G, R, B)의 주물질인 감 광물질과의 접착력을 증가시켜주므로써 각각의 필링(peeling)을 방지한다.

그리고, 이와 같은 제1OCL(26)은 칼라필터 필링으로 인해 재작업시 재작업율(rework rate)을 낮추어 씨모스이미지센서의 공정안정화에 기여할 수 있으며, 결국에는 재작업을 진행할 때마다 증가하는 화이트배드픽셀 페일률(White bae pixel fail rate)을 현저하게 줄일 수 있다.

화이트배드픽셀페일이란 화상소자인 씨모스 이미지 센서에서 포토다이오드의 파티클 등으로 인하여 입사하는 빛이 포토다이오드에 도달하지 못하여 발생하는 페일로서 화상소자에서는 절대로 발생되는 않되는 페일이다.

따라서, 얇은 두께로 제1OCL(26)을 형성해주는 공정은 화이트배드픽셀페일을 현저하게 개선할 수 있는 장점이 있다.

다음으로, 제1OCL(26) 상에 감광막을 도포하고 선택적으로 패터닝한 후 리플로우 공정을 진행하여 칼라필터(G, R, B)를 형성한다. 이때, 칼라필터(G, R, B)는 이웃한 칼라필터가 서로 접촉하지 않는 형태로 형성하며, 종래 표면이 평탄했던 것과는 달리 표면이 일정 곡률을 갖도록 한다. 즉, 마이크로렌즈처럼 표면이 일정 곡률을 가져 빛의 집광을 효율적으로 구현한다.

상기한 렌즈형태의 칼라필터(G, R, B)를 형성하는 공정을 '칼라필터링 마이크로렌즈 공정(Color filtering microlens process)'이라고 약칭하며, 렌즈 형태로 형성된 칼라필터를 제1렌즈그룹(100)이라고 도시하기로 한다.

위와 같이, 칼라필터링 마이크로렌즈 공정을 통해 제1렌즈그룹(100)을 구성하는 칼라필터(G, R, B)를 마이크로렌즈와 같은 일정 곡률을 갖는 돔 형태로 만들 어 주면, 칼라필터(G, R, B)는 이너 렌즈(Inner lens) 역할과 동시에 칼라필터 역할을 동시에 수행하게 된다.

따라서, 칼라필터(G, R, B)를 렌즈 형태로 형성해주므로써 입사하는 빛에 대하여 칩 내부에서(즉 이너 렌즈 역할을 하여) 한번더 빛을 포커싱하여 포토다이오드에서 더 많은 광전하를 집속할 수 있다. 포토다이오드(22)에 광전하가 많이 집속될수록 색 재현성은 증가한다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 칼라필터링 마이크로렌즈 공정을 통해 형성된 제1렌즈그룹(100) 상부에 제2OCL(27)을 형성한다. 이때, 제2OCL(27)은 접착특성을 위한 것이면서 평탄화층 역할을 한다.

다음으로, 제2OCL(27) 상에 감광물질을 도포한 후 패터닝하여 제1마이크로렌즈패턴(28a, 28b, 28c)을 형성한다.

이때, 제1마이크로렌즈패턴(28a, 28b, 28c)에서 각 마이크로렌즈패턴은 서로 접촉하여 형성된다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 제1마이크로렌즈패턴(28a, 28b, 28c) 상에 다시 감광물질을 도포한 후 패터닝하여 제2마이크로렌즈패턴(29a, 29b, 29c)을 형성한다.

이때, 제2마이크로렌즈패턴(29a, 29b, 29c)은 하부의 제1마이크로렌즈패턴(28a, 28b, 28c)에 비해 그 폭이 더 작다.

도 3d에 도시된 바와 같이, 빛을 이용한 블리칭 공정을 진행하여 제1마이크로렌즈패턴(28a, 28b, 28c) 및 제2마이크로렌즈패턴(29a, 29b, 29c)으로 사용된 감 광물질내의 원자들의 연결고리를 끊어준다.

이어서, 고온의 하드베이크 공정을 진행하여 연결고리가 끊어진 제1마이크로렌즈패턴(28a, 28b, 28c)과 제2마이크로렌즈패턴(29a, 29b, 29c)은 고온에서 응집력에 의해 돔(Dorm) 형태의 제1,2마이크로렌즈로 형성된다.

위와 같이, 제1마이크로렌즈패턴(28a, 28b, 28c)에 의해 형성되는 제1마이크로렌즈를 제2렌즈그룹(200)이라고 도시하며, 제2마이크로렌즈패턴(29a, 29b, 29c)에 의해 형성되는 제2마이크로렌즈를 제3렌즈그룹(300)이라고 도시한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 빛을 게터링(Gattering)하기 위해 렌즈 형태를 갖는 제1렌즈그룹(100)의 칼라필터(G, R, B), 제2렌즈그룹의 제1마이크로렌즈(28), 그리고 제3렌즈그룹(300)의 제2마이크로렌즈(29)로 된 트리플 마이크로렌즈(Tripple microlens) 구조를 형성하게 된다.

이러한 트리플 마이크로렌즈 구조를 적용하는 씨모스 이미지 센서는 입사하는 빛에 대한 손실을 최소화하여 포토다이오드(22) 내에 최대한 많은 양의 광전하(photon)를 받아들여 많은 양의 광전하를 포토다이오드에 축적시킬 수 있다.

따라서, 이미지를 재현해낼 수 있는 포화 특성을 우수하게 해주며, 또한 감도를 증가시켜 색 재현성에 탁월한 효과를 갖는다.

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 트리플 마이크로렌즈 구조를 적용하므로써 광의 집적화를 향상시켜주어 빛이 다른 막에 의해 분산되지 않고 효과적으로 포토다이오드에 입사되게 하므로써 포토다이오드에 충분히 많은 양의 광전하를 집적시켜 이미지센싱을 위한 색재현성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 포토다이오드가 형성된 반도체 기판;

   상기 반도체 기판 상의 층간절연막;

   상기 층간절연막 상에 보호막;

   상기 보호막 상에 형성된 접착층;

   상기 접착층 상에 형성되며 칼라필터를 겸하는 제1렌즈그룹;

   상기 제1렌즈그룹 상부에 형성된 평탄화층; 및

   상기 평탄화층 상에서 더블 구조로 적층된 제2렌즈그룹과 제3렌즈그룹

   을 포함하는 씨모스 이미지 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1렌즈그룹은,

   그린칼라필터, 레드칼라필터 및 블루칼라필터로 이루어지고, 상기 각 칼라필터는 이웃한 칼라필터간 서로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 칼라필터의 표면은 일정 곡률을 갖는 돔 형태인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2렌즈그룹은 돔형태의 제1마이크로렌즈들로 이루어지고, 상기 제3렌즈그룹은 돔 형태의 제2마이크로렌즈들로 이루어지며, 상기 제1마이크로렌즈들은 상기 제2마이크로렌즈들보다 그 폭이 더 큰 것을 특징으로 하는 씨모스 제이미지 센서.
5. 제1항에 있어서,

   상기 접착층과 상기 평탄화층은, OCL인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
6. 포토다이오드가 형성된 반도체기판 상부에 보호막을 형성하는 단계;

   상기 보호막 상부에 접착층을 형성하는 단계;

   상기 접착층 상에 표면이 일정 곡률을 가지면서 칼라필터를 겸하는 제1렌즈를 형성하는 단계;

   상기 제1렌즈 상부에 평탄화층을 형성하는 단계; 및

   상기 평탄화층 상에 제2렌즈와 제3렌즈가 더블 구조로 적층된 마이크로렌즈를 형성하는 단계

   를 포함하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1렌즈를 형성하는 단계는,

   상기 접착층 상에 감광물질을 도포하는 단계;

   상기 감광물질을 패터닝하는 단계; 및

   리플로우 공정을 진행하여 상기 감광물질로 된 칼라필터를 겸하는 제1렌즈를 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
8. 제5항 또는 제7항에 있어서,

   상기 칼라필터를 겸하는 제1렌즈는, 이웃한 제1렌즈와 서로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
9. 제6항에 있어서,

   상기 마이크로렌즈를 형성하는 단계는,

   상기 평탄화층 상에 제1감광물질을 도포하는 단계;

   상기 제1감광물질을 패터닝하여 제1마이크로렌즈패턴을 형성하는 단계;

   상기 제1마이크로렌즈 패턴 상에 제2감광물질을 도포하는 단계;

   상기 제2감광물질을 패터닝하여 상기 제1마이크로렌즈패턴에 비해 폭이 더 작은 제2마이크로렌즈패턴을 형성하는 단계; 및

   블리칭 공정과 하드베이크 공정을 연속적으로 진행하여 상기 제1마이크로렌즈패턴으로 된 제2렌즈와 상기 제2마이크로렌즈패턴으로 된 제3렌즈의 더블 구조를 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제1감광물질과 상기 제2감광물질은, 감광막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.
11. 제6항에 있어서,

    상기 접착층과 상기 평탄화층은, OCL로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조 방법.

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