KR20060077535A - 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기판 상에 내부 마이크로 렌즈를 설치하여 광의 집적효과를 개선한 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판에 형성된 다수의 광감지 소자; 상기 다수의 광감지 소자 상에 형성된 다수의 내부 마이크로 렌즈; 상기 내부 마이크로 렌즈 상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 내에 형성된 다수의 금속배선; 상기 층간 절연막 상에 형성된 소자보호막; 상기 소자보호막 상에 형성된 다수의 마이크로 렌즈를 포함한다.
시모스 이미지 센서, 내부 마이크로 렌즈, 크로스토크
Description
도 1은 종래 기술의 시모스 이미지 센서 제조 방법의 공정 단면도
도 2 내지는 도 8은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조 방법의 공정 단면도
도 9는 종래 기술과 본 발명의 시모스 이미지 센서의 레이 트래싱(lay tracing)의 모의실험(simulation) 결과
도 10은 식각액을 사용하여 실리콘막을 식각한 실제 이미지
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 반도체 기판 32 : 광감지 소자 영역
33 : STI 34 : 제 1 층간절연막
35 : 제 1 금속배선 36 : 산화막
37 : 실리콘층 40 : 질화막
41 : 내부 마이크로 렌즈 42 : 제 2 층간절연막
43 : 제 2 금속배선 46 : 마이크로 렌즈
본 발명은 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체 기판 상에 내부 마이크로 렌즈를 설치하여 광의 집적효과를 개선한 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS : metal-oxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD : charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 시모스(CMOS)기술을 이용하여 화소수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 시모스(CMOS : complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그날 처리칩 들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지탈 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. 이중결합소자(CCD)가 전문공정을 통하여 제조하지만, 시모스 이미지 센서는 이중결합소자보다 가격이 저렴한 실리콘 웨이퍼(Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.
이러한 결과, 시모스 이미지 센서는 디지털 카메라, 스마트 폰, 피디에이(PDA), 노트북, 보안카메라, 바코드 탐지기, 완구 용품 등으로 응용분야가 확장되고 있다.
그런데 시모스 이미지 센서의 광감도(Light sensitivity)를 향상시키기 위해이미지 센서에서 광감지 부분이 차지하는 필 팩터(Fill Factor)를 크게 하려고 시도하고 있지만, 신호 처리를 위한 로직 회로 부분으로 인해 면적이 제한되어 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 입사광의 감도를 높여주기 위하여 광감지 소자(Photo Diode) 이외의 영역으로 입사하는 광의 경로를 변경하여 광감지 소자 부분으로 집광하는 마이크로 렌즈 형성 기술이다.
시모스 이미지 센서가 소형화, 고집적화 되면서 픽셀크기(pixel size)도 작아지게 되어 칩(chip) 내에서 픽셀 영역이 차지하는 비율을 나타내는 필 팩터(Fill factor)도 일반적으로 30~40 % 밖에 되지 못하고 있다. 그래서 작은 영역에서 최대한의 빛을 흡수하기 위해 보통 감광막으로 형성된 마이크로 렌즈(ML : Micro Lens)를 형성하여 입사하는 광량을 극대화시키고 있다.
그런데 최상층(top layer)에 형성하는 마이크로 렌즈는 반도체 기판에서 최상층에 이르는 촛점거리(focal length)에 의존적으로, 거리에 따라 마이크로 렌즈의 양측에서 굴절된 광이 광감지 소자에 들어오지 못하고 인접한 픽셀로 들어가는 광혼신(optical crosstalk)이 발생하기도 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법의 공정단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10) 상에 다수의 에피층(epitaxial layer)(12)과 에피층(12)에 다수의 광감지 소자(18)를 형성한다. 즉 반도체 기판(10) 상에 제 1 에피층(도시하지 않음)이 성장시키고, 제 1 에피층에 적색 광감지 소자(red photo diode)(도시하지 않음)를 형성한 후, 적색 광감지 소자를 포함하는 제 1 에피층 상에 제 2 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 2 에피층에 녹색 광감지 소자(도시하지 않음)를 형성한다.
그리고 녹색 광감지 소자를 포함하는 제 2 에피층 상에 제 3 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 3 에피층에 청색 광감지 소자(도시하지 않음)와 필드 간의 절연을 위하여 트렌치를 형성하고 절연물질을 충진시킨 STI(shallow trench isolation)(11)를 형성한다.
그리고 제 3 에피층 상에 층간절연막(13)을 적층하고 층간절연막(13) 상에 제 1 금속층(도시하지 않음)을 형성하고 패터닝하여 금속배선(14)을 형성한다. 층간절연막(13)과 금속배선(14) 공정은 수차례 반복하여 필요한 금속배선(14)을 적층한다. 최종적으로 적층된 층간절연막(14) 상에 컬러필터층(15)과 컬러필터층(15) 상에 수분이나 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위해 소자보호 절연막(16)을 형성하고, 소자보호 절연막(16) 상에 마이크로 렌즈(17)를 형성한다.
상기와 같이 시모스 이미지 센서를 제조하면, 최상층(top layer) 상에 형성하는 마이크로 렌즈(17)는 반도체 기판(10)에서 최상층에 이르는 촛점거리(focal length)에 의존적으로 초점거리가 길어지는 마이크로 렌즈(17)의 측면에서 굴절된 광은 광감지 소자에 들어오지 못하고 인접 픽셀(pixel)로 들어가 인접 픽셀간의 광간섭(optical crosstalk)을 일으키기도 한다.
이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법은 다음과 같은 문제가 있다.
즉, 마이크로 렌즈의 형성위치가 정확하지 않으면, 마이크로 렌즈는 최상층(top layer) 상에 형성되는 마이크로 렌즈로부터 반도체 기판에 이르는 촛점거리(focal length)에 의존적으로 초점거리가 길어지는 마이크로 렌즈의 측면에서 굴절된 광은 광감지 소자에 들어오지 못하고 인접 픽셀(pixel)로 들어가 인접 픽셀간의 광간섭(optical crosstalk)을 일으켜 이미지의 품질을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 제조방법에 대한 문제를 해결하기 위한 것으로, 광감지 소자와 마이크로 렌즈사이에 내부 마이크로 렌즈를 설치하여 광의 집적효과를 개선한 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 다수의 광감지 소자; 상기 다수의 광감지 소자 상에 형성된 다수의 내부 마이크로 렌즈; 상기 내부 마이크로 렌즈 상에 형성된 층간절연막; 상기 층간절연막 내에 형성된 다수의 금속배선; 상기 층간 절연막 상에 형성된 소자보호 막; 상기 소자보호막 상에 형성된 다수의 마이크로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서에 있어서, 상기 다수의 광감지 소자 상에 형성된 제 1 층간절연막; 상기 제 1 층간절연막 내에 형성된 제 1 금속배선; 상기 제 1 층간절연막 상에 형성된 상기 다수의 내부 마이크로 렌즈; 상기 다수의 내부의 마이크로 렌즈 상에 형성된 제 2 층간절연막; 상기 제 2 층간절연막 내에 형성된 제 2 금속배선; 상기 제 2 층간절연막 상에 형성된 상기 소자보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판에 다수의 광감지 소자를 형성하는 단계; 상기 다수의 광감지 소자 상에 다수의 내부 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 내부 마이크로 렌즈 상에 층간절연막과 금속배선을 교번하여 형성하며 최종적으로 상기 금속배선 상에 상기 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 소자보호막을 형성하는 단계; 상기 소자보호막 상의 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 다수의 광감지 소자 상에 제 1 층간절연막과 제 1 금속배선을 교번하여 형성하며 최종적으로 상기 제 1 금속배선 상에 상기 제 1 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제 1 층간절연막 상의 상기 다수의 내부 마이크로 렌즈; 상기 다수의 내부의 마이크로 렌즈 상에 제 2 층간절연막과 제 2 금속배선을 교번하여 형성하며 최종적으로 상기 제 2 금속배선 상에 상기 제 2 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 제 2 층간절연막 상의 상기 소자보호막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서, 상기 내부 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 제 1 층간절연막 상에 상층과 하층을 산화막으로 피복한 실리콘층을 접합시키는 단계; 상기 다수의 광감지 소자와 대응되는 상기 실리콘층을 곡면으로 식각하는 단계: 상기 실리콘층 상에 질화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지는 도 8은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 제조 방법의 공정 단면도이다.
도 2와 같이, 반도체 기판(30) 상에 다수의 에피층(epitaxial layer)(도시하지 않음)과 광감지소자 영역(32)에 다수의 광감지 소자(photo diode)가 형성된다. 즉 반도체 기판(30)에 제 1 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 1 에피층에 적색 광감지 소자(red photo diode)(도시하지 않음)를 형성한 후, 적색 광감지 소자를 포함하는 반도체 기판(30) 상에 제 2 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 2 에피층에 녹색 광감지 소자(도시하지 않음)를 형성한다.
그리고 녹색 광감지 소자를 포함하는 제 2 에피층 상에 제 3 에피층(도시하지 않음)을 성장시키고, 제 3 에피층에 청색 광감지 소자(도시하지 않음)와 필드 간의 절연을 위하여 트렌치를 형성하고 절연물질을 충진시킨 STI(shallow trench isolation)(33)를 형성한다.
제 3 에피층 상에 제 1 층간절연막(34)을 적층하고 제 1 층간절연막(34) 상에 제 1 금속층(도시하지 않음)을 형성하고 패터닝하여 제 1 금속배선(35)을 형성한다. 제 1 층간절연막(34)과 제 1 금속배선(35) 공정은 수차례 반복하여 필요한 제 1 금속배선(34)과 제 1 금속배선(34) 상에는 최종적으로 제 1 층간절연막(34)이 적층된다.
도 3과 같이, 열산화막(thermal oxide layer)(36)이 상층과 하층에 피복되어 있는 실리콘막(silicon layer)(37)을 제 1 층간절연막(34) 상에 접착한다. 이와 같이 기판과 실리콘층을 접착하는 기술은 현재 SOI 웨이퍼(silicon on linsulator wafer) 제조시에 사용한다.
도 4와 같이, 열산화막(36) 상에 감광막(도시하지 않음)을 도포하고 노광 및 현상하여 광감지소자 영역(38)을 개구하는 감광막 패턴(39)을 형성한다.
도 5와 같이, 감광막 패턴(39)을 마스크로 상층의 열산화막(36)을 식각하고 감광막 패턴(39)을 제거한다. 일반적으로 결정방향으로 (100)를 사용하는 실리콘을 식각액(etchant)을 사용하여 식각하면 결정방향에 따라 식각정도가 달라지게 되어 역삼각형 형태의 프로파일(profile)을 가지게 된다. 이때 경사면은 (111) 방향을 가진다. 도 10은 식각액을 사용하여 실리콘막(37)을 식각한 실제 이미지이다.
도 6과 같이, 상층 산화막(36)을 제거하고, STI(33)의 에지(edge) 부분을 둥글게 만들기 위하여 사용하는 CDE 공정을 사용하여 실리콘막(37)을 렌즈와 같은 형태의 둥근 프로파일을 가지게 한다.
도 7과 같이, 실리콘막(37) 상에 굴절률이 큰 질화막(40)을 적층하고, 도 8과 같이, 화학적 기계적 연마(CMP : chemical mechanical polishing)방법을 이용하여 내부 마이크로 렌즈(41)를 형성한다. 내부 마이크로 렌즈(41) 상에 제 2 층간절연막(42)을 적층하고 제 2 층간절연막(42) 상에 제 2 금속층(도시하지 않음)을 형성하고 패터닝하여 제 1 금속배선(43)을 형성한다. 제 2 층간절연막(42)과 제 2 금속배선(43) 공정은 수차례 반복하여 필요한 제 2 금속배선(43)과 제 2 금속배선(43) 상에는 최종적으로 제 2 층간절연막(42)이 적층된다.
상기 제 2 층간절연막(42) 상에 컬러필터층(44)과 컬러필터층(44) 상에 수분이나 물리적인 충격으로부터 소자를 보호하기 위해 소자보호 절연막(45)을 형성하고, 소자보호 절연막(45) 상에 마이크로 렌즈(46)를 형성한다.
상기와 같은 본 발명으로 시모스 이미지 센서를 제조하면, 최상층 상에 형성된 마이크로 렌즈(46)이외에 내부에 마이크로 렌즈(41)로 인해 광이 광감지소자에 입사되는 과정에서 박막 간섭이나 회절에 의해 손실되는 양을 보완할 수 있어서 센싱능력를 향상시켜 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 9 및 도 10은 종래 기술과 본 발명의 시모스 이미지 센서의 레이 트래싱(lay tracing)의 모의실험(simulation) 결과다.
도 9 및 도 10에서와 같이, 최상층의 마이크로 렌즈만을 형성할 때와 최상층과 내부에 마이크로 렌즈를 동시에 형성하였을 때 레이 트래싱(lay tracing)을 모의실험(simulation)한 결과, 광감지 소자에 광이 집적되는 양이 내부 마이크로 렌즈를 사용하였을 때 개선되는 효과를 보여주고 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 회로가 고집적화되면서 나타나는 초점거리의 증가에 따른 의존도(dependency)를 감소시키는 효과가 있다. 즉 최상층 상에 형성된 마이크로 렌즈이외에 내부에 마이크로 렌즈로 인해 광이 광감지소자에 입사되는 과정에서 박막 간섭이나 회절에 의해 손실되는 양을 보완할 수 있어서 센싱 능력을 향상시켜 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.
Claims (5)
- 반도체 기판에 형성된 다수의 광감지 소자;상기 다수의 광감지 소자 상에 형성된 다수의 내부 마이크로 렌즈;상기 내부 마이크로 렌즈 상에 형성된 층간절연막;상기 층간절연막 내에 형성된 다수의 금속배선;상기 층간 절연막 상에 형성된 소자보호막;상기 소자보호막 상에 형성된 다수의 마이크로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 다수의 광감지 소자 상에 형성된 제 1 층간절연막;상기 제 1 층간절연막 내에 형성된 제 1 금속배선;상기 제 1 층간절연막 상에 형성된 상기 다수의 내부 마이크로 렌즈;상기 다수의 내부의 마이크로 렌즈 상에 형성된 제 2 층간절연막;상기 제 2 층간절연막 내에 형성된 제 2 금속배선;상기 제 2 층간절연막 상에 형성된 상기 소자보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
- 반도체 기판에 다수의 광감지 소자를 형성하는 단계;상기 다수의 광감지 소자 상에 다수의 내부 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 내부 마이크로 렌즈 상에 층간절연막과 금속배선을 교번하여 형성하며 최종적으로 상기 금속배선 상에 상기 층간절연막을 형성하는 단계;상기 층간절연막 상에 소자보호막을 형성하는 단계;상기 소자보호막 상의 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 다수의 광감지 소자 상에 제 1 층간절연막과 제 1 금속배선을 교번하여 형성하며 최종적으로 상기 제 1 금속배선 상에 상기 제 1 층간절연막을 형성하는 단계;상기 제 1 층간절연막 상의 상기 다수의 내부 마이크로 렌즈;상기 다수의 내부의 마이크로 렌즈 상에 제 2 층간절연막과 제 2 금속배선을 교번하여 형성하며 최종적으로 상기 제 2 금속배선 상에 상기 제 2 층간절연막을 형성하는 단계;상기 제 2 층간절연막 상의 상기 소자보호막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 내부 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는상기 제 1 층간절연막 상에 상층과 하층을 산화막으로 피복한 실리콘층을 접 합시키는 단계;상기 다수의 광감지 소자와 대응되는 상기 실리콘층을 곡면으로 식각하는 단계;상기 실리콘층 상에 질화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서의 제조방법.
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