KR20060097343A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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박진호
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이상원
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Abstract

이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다. 이 방법은 수광 영역 및 상기 수광 영역을 둘러싸는 차광 영역을 갖는 반도체기판을 준비하는 것을 포함한다. 상기 수광 영역의 반도체기판 내에 포토 다이오드를 형성한다. 상기 포토 다이오드를 갖는 반도체기판의 전면 상에 평평한 상부면을 갖는 층간절연막을 형성한다. 상기 층간절연막 상에 상기 포토 다이오드 상부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크막 패턴을 형성한다. 상기 층간절연막에 대하여 상기 마스크막 패턴을 식각 마스크로 하는 등방성 식각 공정을 진행하여 상기 마스크막 패턴의 개구부에 의하여 노출된 영역이 반구형 형상으로 오목하게 들어간 오목부를 갖는 절연막을 형성한다. 상기 절연막의 오목부를 채우는 컬러 필터를 형성한다.
이미지 센서, 포토 다이오드, 컬러 필터, 마이크로 렌즈

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{Image sensor and methods of fabricating the same}
도 1은 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
본 발명은 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 모듈로서 그 영상 신호를 저장 및 전송, 디스플레이 장치로 표시하기 위하여 사용된다. 상기 이미지 센서에는 실리콘 반도체를 기반으로 한 고체 촬상 소자(Charge Coupled Device; CCD)와 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor; CIS)로 크게 분류될 수 있다. 통상, 상기 고체 촬상 소자(CCD)는 씨모스 이미지 센서(CIS)에 비하여 노이즈가 적으며 이미지 품질이 우수하고, 동일 화소급의 씨모스 이미지 센서 보다 크기가 작다고 알려져 있다. 한편, 상기 씨모스 이미지 센서(CIS)는 대체적으로 고체 촬상 소자에 비하여 생산 단가가 낮고, 소비 전력이 적게 소모되며, 주변 회로의 칩들과의 통합이 용이하다고 알려져 있다. 상기 이미지 센서를 이용하여 제조된 전자 제품들(예를 들어, 디지털 카메라, 카메라폰등)에 있어서, 최상의 화질을 구현 할 수 있느냐는 상기 제품들의 성능을 결정하는데 중요한 척도로서 판단될 수 있다. 상기 전자 제품들의 화질은 이미지 센서의 광감도 특성에 의하여 좌우될 수 있다.
도 1은 종래의 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체기판(1)은 수광 영역(A) 및 상기 수광 영역(A)을 둘러싸는 차광 영역(B)을 가질 수 있다. 상기 차광 영역(B)의 반도체기판 상에 상기 수광 영역(A)의 반도체기판을 노출시키는 개구부를 갖는 차광막(5)이 제공된다. 상기 차광막(5)은 상기 차광 영역(B) 내로 입사하는 빛을 차단하는 역할을 할 수 있다. 상기 차광막(5)을 갖는 반도체기판 상에 제1 층간절연막(15)이 제공된다. 상기 제1 층간 절연막(15) 상에 컬러 필터(color filter layer; 20)가 제공된다. 상기 컬러 필터(20) 상에 평평한 상부면을 갖는 제2 층간 절연막(25)이 제공된다. 상기 제2 층간 절연막(25) 상에 집광 렌즈 역할을 하는 마이크로 렌즈(30)가 제공된다. 이 경우에, 상기 마이크로 렌즈(30)는 상기 수광 영역(A)의 반도체기판 상부에 위치할 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(30) 내로 입사하는 빛은 상기 수광 영역(A)의 반도체기판 상으로 집광될 수 있다.
최근, 이미지 센서의 소형화 및 고화소화 경향에 따라 상기 이미지 센서 내 에 포함된 각 픽셀(pixel)의 크기가 작아지고 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 광감도가 떨어지고, 소정 조도하에서 선명한 화상을 구현하는 것을 어렵게 한다. 다시 말하면, 상기 마이크로 렌즈(30)를 통과한 빛이 상기 수광 영역(A)의 반도체기판에 집광되는 량이 감소됨으로 인하여 이미지 센서의 광감도 특성이 저하될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 아래로 볼록한 반구형 형상의 컬러 필터를 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 태양은 이미지 센서를 제공한다. 상기 이미지 센서는 수광 영역 및 상기 수광 영역을 둘러싸는 차광 영역을 갖는 반도체기판을 포함한다. 상기 수광 영역의 반도체기판 상부에 아래로 볼록한 반구형 형상의 컬러 필터가 제공된다. 상기 수광 영역 및 차광 영역을 갖는 반도체기판과 상기 컬러 필터 사이에 절연막이 개재된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 절연막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 컬러 필터를 갖는 반도체기판 상에 제공되고 평평한 상부면을 갖는 평탄층을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 평탄층은 실리콘 산화막 또는 레진막(resin layer)일 수 있다. 더 나아가, 상기 평탄층 상에 배치되되, 상기 컬러 필터와 마주보는 위치에 제공되는 위로 볼록한 반구형 형상의 마이 크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 이미지 센서의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 수광 영역 및 상기 수광 영역을 둘러싸는 차광 영역을 갖는 반도체기판을 준비하는 것을 포함한다. 상기 수광 영역의 반도체기판 내에 포토 다이오드를 형성한다. 상기 포토 다이오드를 갖는 반도체기판의 전면 상에 평평한 상부면을 갖는 층간절연막을 형성한다. 상기 층간절연막 상에 상기 포토 다이오드 상부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크막 패턴을 형성한다. 상기 층간절연막에 대하여 상기 마스크막 패턴을 식각 마스크로 하는 등방성 식각 공정을 진행하여 상기 마스크막 패턴의 개구부에 의하여 노출된 영역이 반구형 형상으로 오목하게 들어간 오목부를 갖는 절연막을 형성한다. 상기 절연막의 오목부를 채우는 컬러 필터를 형성한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 층간절연막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 마스크막 패턴은 포토레지스트막 패턴으로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 등방성 식각 공정은 습식 식각으로 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 컬러 필터를 형성한 후에, 상기 컬러 필터를 갖는 반도체기판 상에 평평한 상부면을 갖는 평탄층을 형성하고, 상기 평탄층 상에 형성하되, 상기 컬러 필터와 마주보는 위치에 위로 볼록한 반구형 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 평탄층은 실리콘 산화막 또는 레진막으로 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반도체기판(100)은 수광 영역(A) 및 상기 수광 영역(A)을 둘러싸는 차광 영역(B)을 가질 수 있다. 상기 차광 영역(B)의 반도체기판 상에 상기 수광 영역(A)의 반도체기판을 노출시키는 개구부를 갖는 차광막(150)이 제공된다. 상기 차광 영역(B) 상에 외부 빛(external light)이 조사될지라도, 상기 차광막(150)은 상기 외부 빛이 상기 차광 영역(B)의 반도체기판 상에 조사되는 것을 차단한다. 상기 차광막(150)은 금속막으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 차광막(150)은 텅스텐(W)막 또는 알루미늄(Al)막으로 이루어질 수 있다. 상기 수광 영역(A)의 반도체기판 내에 포토 다이오드(160)가 제공된다.
상기 차광막(150) 및 상기 포토다이오드(160)를 갖는 반도체기판 상에 반구형의 오목부(300)를 갖는 절연막(200)이 배치된다. 여기서, 상기 반구형의 오목부(300)는 상기 절연막(200)의 평평한 상부면으로부터 아래로 오목하게 들어간 반구 형 형상이되, 상기 포토다이오드(160) 상부에 위치한다. 상기 절연막(200)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막일 수 있다.
상기 절연막(200)의 평평한 상부면으로부터 아래로 오목하게 들어간 반구형의 오목부(300)를 채우는 컬러 필터(350)가 제공된다. 여기서, 상기 컬러 필터(350)의 상부면은 상기 절연막(200)의 평평한 상부면과 실질적으로 같은 선상에 위치할 수 있다. 또는 상기 컬러 필터(350)의 상부면은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 절연막(200)의 평평한 상부면보다 높을 수 있다. 이에 따라, 상기 포토 다이오드(160) 상부에 아래로 볼록한 반구형 형상의 컬러 필터(350)가 제공된다. 상기 컬러 필터(350)는 도면에는 도시되지 않았지만, 적색(red) 필터, 녹색(green) 필터 및 청색(blue) 필터를 포함하는 복수개의 필터들로 이루어질 수 있다. 이와는 달리, 상기 컬러 필터(350)는 진홍색(magenta) 필터, 청록색(cyan) 필터 또는 노란색(yellow) 필터를 포함하는 복수개의 필터들로 이루어질 수 있다. 상기 컬러 필터(350)는 아래로 볼록한 볼록 렌즈와 같은 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 상기 컬러 필터(350)를 통과하는 빛은 상기 포토 다이오드(160) 상에 집광될 수 있다.
상기 컬러 필터(350)를 갖는 반도체기판 상에 평평한 상부면을 갖는 평탄층(400)이 제공된다. 상기 평탄층(400)은 레진막(resin layer) 또는 실리콘 산화막일 수 있다. 여기서, 상기 레진막은 95% 이상 100% 미만의 투과율을 가질 수 있다. 상기 레진막은 아크릴 수지 계열의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 평탄층(400) 상에 배치되되, 상기 컬러 필터(350)와 마주보는 위치에 위로 볼록한 형상의 마이크로 렌즈(450)가 제공된다. 즉, 상기 마이크로 렌즈(450) 는 상기 포토 다이오드(160) 상부에 위치한다. 상기 마이크로 렌즈(450)는 볼록 렌즈와 같은 역할을 하여 상기 마이크로 렌즈(450)를 통과하는 빛을 상기 포토 다이오드(160) 상으로 집광시킬 수 있다. 여기서, 상기 마이크로 렌즈(450)를 통과한 빛은 상기 컬러 필터(350)를 통과하면서 상기 포토 다이오드(160) 상으로 더욱 집광될 수 있다. 즉, 상기 마이크로 렌즈(450) 및 상기 컬러 필터(350)는 볼록 렌즈 역할을 하여, 상기 마이크로 렌즈(450) 및 상기 컬러 필터(350)를 통과하는 빛을 상기 포토 다이오드(160) 상으로 집광시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 마이크로 렌즈(450) 및 상기 컬러 필터(350)는 이미지 센서들의 광감도(sensitivity), 예컨대 해상도(resolution)를 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 수광 영역(A) 및 상기 수광 영역(A)을 둘러싸는 차광 영역(B)을 갖는 반도체기판(100)을 준비한다. 상기 차광 영역(B)의 반도체기판 상에 상기 수광 영역(A)의 반도체기판을 노출시키는 개구부를 갖는 차광막(150)을 형성할 수 있다. 상기 차광막(150)은 빛을 차단 할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 차광막(150)은 알루미늄(Al)막 또는 텅스텐(W)막과 같은 금속막으로 형성될 수 있다. 상기 수광 영역(A)의 반도체기판 내에 포토 다이오드(160)를 형성할 수 있다. 여기서, 상기 포토 다이오드(160)는 서로 다른 도전형을 갖는 깊은 불순물 영역(159) 및 얕은 불순물 영역(158)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 깊은 불순물 영역(159) 및 상기 얕은 불순물 영역(158)은 각각 앤 형(N-type) 및 피 형 (P-type)으로 형성될 수 있다.
상기 포토 다이오드(160)를 갖는 반도체기판 상에 상부면이 평평한 층간절연막(199)을 형성한다. 상기 층간절연막(199)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 층간절연막(199) 상에 상기 포토 다이오드(160) 상부를 노출시키는 개구부(251)를 갖는 마스크막 패턴(250)을 형성한다. 상기 마스크막 패턴(250)은 포토레지스트막 패턴으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 층간절연막(199)에 대하여 상기 마스크막 패턴(250)을 식각 마스크로 사용하는 등방성 식각 공정을 진행하여 상기 마스크막 패턴의 개구부에 의하여 노출된 영역이 반구형 형상으로 오목하게 들어간 오목부(300)를 갖는 절연막(200)을 형성한다. 여기서, 상기 절연막(200)의 오목부(300)는 상기 포토 다이오드(1600) 상부에 위치한다.
이어서, 상기 마스크막 패턴(250)을 제거한다. 상기 마스크막 패턴(250)이 포토레지스트막 패턴으로 형성되는 경우에, 상기 마스크막 패턴(250)은 애싱 공정 또는 습식 공정으로 제거될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 절연막(200)의 오목부(300)를 채우는 컬러 필터(350)를 형성한다. 상기 컬러 필터(350)는 상기 포토 다이오드(160) 상부에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 컬러 필터(350)의 상부면은 상기 절연막(200)의 평평한 상부면과 실질적으로 같은 선상에 위치할 수 있다. 또는 상기 컬러 필터(350)의 상부면은 도 5에 도시된 바와 같이 상기 절연막(200)의 평평한 상부면보다 높을 수 있다. 다 시 말하면, 상기 포토 다이오드(160) 상부에 아래로 볼록한 반구형 형상의 컬러 필터(350)가 형성된다. 상기 컬러 필터(350)는 도면에는 도시되지 않았지만, 적색(red) 필터, 녹색(green) 필터 및 청색(blue) 필터를 포함하는 복수개의 필터들로 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 컬러 필터(350)는 진홍색(magenta) 필터, 청록색(cyan) 필터 또는 노란색(yellow) 필터를 포함하는 복수개의 필터들로 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터(350)는 아래로 볼록한 볼록 렌즈와 같은 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 상기 컬러 필터(350)를 통과하는 빛은 상기 포토 다이오드(160) 상에 집광될 수 있다.
이어서, 상기 컬러 필터(350)를 갖는 반도체기판 상에 평평한 상부면을 갖는 평탄층(400)을 형성할 수 있다. 상기 평탄층(400)은 레진막(resin layer) 또는 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 레진막은 95% 이상 100% 미만의 투과율을 가질 수 있다. 상기 레진막은 아크릴 수지 계열의 물질로 이루어질 수 있다.
이어서, 상기 컬러 필터(350)와 마주보는 위치의 평탄층(400) 상에 위로 볼록한 반구형 형상의 마이크로 렌즈(450)를 형성한다. 즉, 상기 평탄층(400) 상에 상기 컬러 필터(350)와 마주보는 마이크로 렌즈(450)를 형성한다. 그 결과, 상기 마이크로 렌즈(450)는 상기 포토 다이오드(160) 상부에 형성된다.
상기 컬러 필터(350)는 상기 마이크로 렌즈(450)와 더불어 볼록 렌즈 역할을 할 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(450) 및 상기 컬러 필터(350)를 통과하는 빛을 상기 포토 다이오드(160) 상으로 집광시킬 수 있다. 결과적으로, 상기 컬러 필터 (350)를 아래로 볼록한 반구형 형상의 렌즈로 형성함으로써, 상기 포토 다이오드(160) 상으로 입사하는 빛을 더욱 집광시킬 수 있다. 따라서, 상기 마이크로 렌즈(450)를 통과 한 후에, 상기 컬러 필터(350)를 통과하는 빛은 상기 포토 다이오드(160) 상에 집광되어 상기 포토 다이오드(160) 내에 생성되는 전하들의 양을 극대화시킬 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서들의 광감도(sensitivity) 특성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 이미지 센서들의 광감도 특성이 향상됨으로써, 이미지 센서들의 소형화 및 고화소화 경향에 따라 발생되는 단위 픽셀(pixel) 면적의 감소에 따른 감도 저하를 최소한으로 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 아래로 볼록한 반구형 형상의 컬러 필터가 제공된다. 상기 컬러 필터는 마이크로 렌즈와 더불어 볼록 렌즈 역할을 한다. 이에 따라, 수광 영역의 포토 다이오드 상에 집광되는 단위 면적당 빛의 입사량을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 이미지 센서의 광감도 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 수광 영역 및 상기 수광 영역을 둘러싸는 차광 영역을 갖는 반도체기판;
    상기 수광 영역의 반도체기판 상부에 제공된 아래로 볼록한 반구형 형상의 컬러 필터; 및
    상기 수광 영역 및 차광 영역을 갖는 반도체기판과 상기 컬러 필터 사이에 개재된 절연막을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터를 갖는 반도체기판 상에 제공되고 평평한 상부면을 갖는 평탄층을 더 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄층은 실리콘 산화막 또는 레진막(resin layer)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄층 상에 배치되되, 상기 컬러 필터와 마주보는 위치에 제공된 위로 볼록한 반구형 형상의 마이크로 렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
  6. 수광 영역 및 상기 수광 영역을 둘러싸는 차광 영역을 갖는 반도체기판을 준비하고,
    상기 수광 영역의 반도체기판 내에 포토 다이오드를 형성하고,
    상기 포토 다이오드를 갖는 반도체기판의 전면 상에 평평한 상부면을 갖는 층간절연막을 형성하고,
    상기 층간절연막 상에 상기 포토 다이오드 상부를 노출시키는 개구부를 갖는 마스크막 패턴을 형성하고,
    상기 층간절연막에 대하여 상기 마스크막 패턴을 식각 마스크로 하는 등방성 식각 공정을 진행하여 상기 마스크막 패턴의 개구부에 의하여 노출된 영역이 반구형 형상으로 오목하게 들어간 오목부를 갖는 절연막을 형성하고,
    상기 절연막의 오목부를 채우는 컬러 필터를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 층간절연막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 마스크막 패턴은 포토레지스트막 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 등방성 식각 공정은 습식 식각으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 컬러 필터를 형성한 후에,
    상기 컬러 필터를 갖는 반도체기판 상에 평평한 상부면을 갖는 평탄층을 형성하고,
    상기 평탄층 상에 형성하되, 상기 컬러 필터와 마주보는 위치에 위로 볼록한 반구형 형상의 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 더 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 평탄층은 실리콘 산화막 또는 레진막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조방법.
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CN109855404A (zh) * 2019-03-27 2019-06-07 南京英维尔科技服务有限公司 一种布类摆放架及控制方法

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