KR20060116458A - 매설된 렌즈를 갖는 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서는, 기판과; 상기 기판 상에 형성된 적어도 하나의 절연층을 포함하고, 상기 이미지 센서를 구성하는 각 화소는, 상기 기판 내에 형성되며, 광전 변환을 수행하는 포토다이오드 영역과; 상기 절연층 상에 형성되며, 입사된 광을 수렴시키는 제1 렌즈와; 상기 포토다이오드 영역과 상기 제1 렌즈 사이에 배치되도록 상기 절연층 내에 매설되며, 입사된 광을 수렴시키는 제2 렌즈를 포함한다.
이미지 센서, 렌즈, 포토다이오드, 컬러 필터

Description

매설된 렌즈를 갖는 이미지 센서{IMAGE SENSOR HAVING EMBEDDED LENS}
도 1은 전형적인 CMOS 이미지 센서의 화소를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 화소를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 흐름도,
도 4 내지 도 9는 도 3에 개시된 제조 방법을 설명하기 위한 도면들.
본 발명은 복수의 화소들(pixel)을 갖는 이미지 센서(image sensor)에 관한 것으로서, 특히 각 화소(pixel)가 수광 효율을 향상시키기 위한 렌즈(lens)를 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.
최근의 모바일(mobile) 제품에 구비되는 카메라 모듈(camera module)에서 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서를 사용하는 빈도가 높아지고 있다.
CMOS 이미지 센서는 입력된 가시 광선 영역의 광을 전기 신호로 변환함으로써 영상을 기록하는 소자이다. 이미지 센서는 많은 화소들을 구비하며, 각 화소는 포토다이오드와 트랜지스터들(transistor)을 포함한다. 따라서, 화소 전부를 수광 영역으로 사용하지 못하고, 트랜지스터를 만들기 위해 그 중 일부 영역을 할당해야 하므로, 할당한 면적만큼 수광 측면에서 손해를 보게 된다. 이를 개선하기 위해, 화소의 상측에 마이크로 렌즈(microlens)를 배치함으로써 화소의 수광 효율을 높이는 기술이 공지된 바 있다.
샤오 등(Hsiao, et al.)에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제6,821,810호{High transmittance overcoat for optimization of long focal length microlens arrays in semiconductor color imagers}는 복수의 포토다이오드 영역들이 형성된 기판(substrate)과, 전기 배선을 위해 상기 기판 상에 형성된 금속층(metallization layer)과, 상기 금속층 상에 형성된 보호층(passivation layer) 및 평탄층(planarization layer)과, 상기 평탄층 상에 형성된 컬러 필터(color filter)와, 상기 컬러 필터 상에 형성된 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서를 개시한다. 상기 이미지 센서는 동일한 구성을 갖는 복수의 화소들을 구비한다.
도 1은 전형적인 CMOS 이미지 센서의 화소를 나타내는 단면도이다. 상기 이미지 센서는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 형성된 제1 내지 제3 절연층들(inseration layer, 130,140,150)을 포함하고, 동일한 구성을 갖는 복수의 화소들(100)을 구비한다.
상기 각 화소(100)는 상기 기판(110)의 내부에 형성된 포토다이오드 영역(photodiode region, 120)과, 상기 포토다이오드 영역(120)을 제외한 비-포토다이오드 영역의 위에 형성된 제1 금속층들(132,134) 및 제2 금속층들(142,144)과, 상기 포토다이오드 영역(120)과 광학 정렬(optical alignment)되도록 상기 제3 절연층(150) 상에 형성된 마이크로 렌즈(160)와, 상기 포토다이오드 영역(120)과 상기 마이크로 렌즈(160)의 사이에 배치된 컬러 필터(155)를 포함한다. 광학 정렬은 광의 진행 방향에 따른 광축 상에 해당 소자들이 각각 대칭성을 갖도록 정렬된 것을 말한다. 이때, 평평한 표면을 갖는 소자는 단지 그 표면이 상기 광축에 수직하도록 정렬되기만 하면 된다.
상기 마이크로 렌즈(160)는 입사된 광을 상기 포토다이오드 영역(120)에 수렴시키도록 볼록-평면 렌즈의 형상을 갖는다.
상기 컬러 필터(155)는 특정 색의 광만을 투과시키는 필터로서, 상기 마이크로 렌즈(160)에 의해 수렴된 광을 필터링한다.
상기 포토다이오드 영역(120)과 트랜지스터들(미도시)간의 전기적 연결을 위해, 상기 제1 금속층들(132,134)은 상기 제1 절연층(130)에 매설되고, 상기 제2 금속층들(142,144)은 상기 제2 절연층(140)에 매설된다.
상기 포토다이오드 영역(120)은 상기 마이크로 렌즈(160)에 의해 수렴된 광 중 그 중심부(또는 공핍층)로 입사된 광(172)을 전기 신호로 변환하며, 이러한 광전 변환을 위한 PN 정션(PN junction)을 포함한다.
그러나 상술한 바와 같은 이미지 센서는 각 화소(100)의 크기가 작아질 수록 인접한 화소들간의 신호 크로스토크(cross talk) 현상이 심해진다는 문제점이 있으며, 특히 광축과 경사지게 상기 마이크로 렌즈(160)에 입사하여 상기 포토다이오드 영역(120)으로 수렴되지 못한 광(174)은 인접한 다른 화소에 침범함으로써 이러한 크로스토크의 큰 원인이 되고 있다. 또한, 상기 마이크로 렌즈(160)의 가장자리(상기 광축으로부터 먼 부분)에 입사하는 광(176)이 상기 포토다이오드 영역(120)의 공핍층(depletion layer)에 가까운 측면 부근에 입사한 경우에, 전하 확산에 의한 속도 저하로 인해 랜덤 노이즈(random noise) 및 이미지 랙(image lag) 현상을 유발한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 수광 효율을 높이고, 인접한 화소들간의 크로스토크를 줄일 수 있는 이미지 센서를 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 이미지 센서는, 기판과; 상기 기판 상에 형성된 적어도 하나의 절연층을 포함하고, 상기 이미지 센서를 구성하는 각 화소는, 상기 기판 내에 형성되며, 광전 변환을 수행하는 포토다이오드 영역과; 상기 절연층 상에 형성되며, 입사된 광을 수렴시키는 제1 렌즈와; 상기 포토다이오드 영역과 상기 제1 렌즈 사이에 배치되도록 상기 절연층 내에 매설되며, 입사된 광을 수렴시키는 제2 렌즈를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 화소를 나타내는 단면도이다. 상기 이미지 센서는 기판(210)과, 상기 기판(210) 상에 차례로 형성된 제1 내지 제3 절연층들(230,240,250)을 포함하고, 동일한 구성을 갖는 복수의 화소들(200)로 구성된다. 상기 각 화소(200)는 포토다이오드 영역(220)과, 제1 렌즈(260)와, 제1 금속층들(232,234)과, 제2 금속층들(242,244)과, 컬러 필터(255)와, 제2 렌즈(270)를 포함한다.
상기 포토다이오드 영역(220)은 상기 기판(210)의 내부에 형성되며, 그 내부로 입사된 광을 전기 신호로 변환하며, 이러한 광전 변환을 위한 PN 정션을 포함한다. 또한, 상기 포토다이오드 영역(220)은 그 상부에 절연층을 가질 수 있다.
상기 제2 렌즈(270)는 상기 포토다이오드 영역(220) 상에 형성되며, 상기 포토다이오드 영역(220)의 표면을 완전히 덮도록 형성된다. 상기 제2 렌즈(270)는 입사된 광을 상기 포토다이오드 영역(220)의 중심부(또는 공핍층)에 수렴시키는 기능을 하며, 볼록-평면 렌즈의 형상을 갖는다. 상기 제2 렌즈(270)는 후술하는 바와 같은 LOCOS(local oxidation of silicon) 패터닝(patterning) 및 산화(oxidation) 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 제2 렌즈(270)는 상기 포토다이오드 영역(220)과 광학 정렬되도록 상기 제1 절연층(230) 내에 매설된다.
상기 제1 금속층들(232,234)은 상기 기판(210)에서 상기 포토다이오드 영역(220)을 제외한 비-포토다이오드 영역 상에 배치되며, 상기 포토다이오드 영역(220)과 트랜지스터들(미도시)을 전기적으로 연결한다. 상기 제1 금속층들(232,234)은 상기 제2 렌즈(270)의 양 옆으로 나란하게 상기 제1 절연층(230) 내에 매설된다.
상기 제2 금속층들(242,244)은 상기 비-포토다이오드 영역의 위에 배치되며, 상기 포토다이오드 영역(220)과 트랜지스터들을 전기적으로 연결한다. 상기 제2 금속층들(242,244)은 상기 제1 렌즈(260)를 통과한 광의 경로를 벗어나도록 상기 제2 절연층(240) 내에 매설된다.
상기 컬러 필터(255)는 상기 제1 렌즈(260)와 상기 제2 렌즈(270)의 사이에 배치되며, 상기 컬러 필터(255)는 특정 색의 광만을 투과시키는 필터로서, 상기 제1 렌즈(260)에 의해 수렴된 광을 필터링한다. 상기 컬러 필터(255)는 상기 제1 및 제2 렌즈들(260,270)의 사이에 배치되도록 상기 제3 절연층(250) 내에 매설된다.
상기 제1 렌즈(260)는 상기 제2 렌즈(270)와 광학 정렬되도록 상기 제3 절연층(250) 상에 형성되고, 입사된 광을 상기 제2 렌즈(270)의 표면으로 수렴시키며, 볼록-평면 렌즈의 형상을 갖는다.
상기 제2 렌즈(270)는 상기 제1 렌즈(260)에 의해 수렴된 광을 다시 한번 상기 포토다이오드 영역(220)의 중심부로 수렴시킴으로써, 크로스토크를 감소시키고, 수광 효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 제2 렌즈(270)의 볼록면의 곡률을 LOCOS 패 터닝 과정시 마스크의 개구 폭 등에 의해 조절함으로써, 상기 제1 및 제2 렌즈(260,270)의 초점 거리(focal length)를 용이하게 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 4 내지 도 9는 상기 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 상기 이미지 센서는 동일 구성을 갖는 복수의 화소들로 구성되므로, 이하 하나의 화소에 대해서만 기술하기로 한다.
상기 제조 방법은 하기하는 (a) 내지 (f) 과정(S1~S6)을 포함한다.
도 4를 참고하면, 상기 (a) 과정(S1)은 LOCOS 패터닝 과정으로서, 기판(310) 상에 포토레지스트 마스크(420)를 이용하여 개구(415)를 갖는 SiNx 마스크(410)를 형성하는 과정이다.
도 5를 참고하면, 상기 (b) 과정(S2)은 LOCOS 산화 과정으로서, 상기 SiNx 마스크(410)의 개구(415) 내에 열산화(thermal oxidation) 과정을 통해 볼록-평면 렌즈 형상의 제2 렌즈(370)를 성장시키는 과정이다.
도 6을 참고하면, 상기 (c) 과정(S3)은 이온 주입(ion implant) 과정으로서, 상기 제2 렌즈(370)에 의해 가려진 상기 기판(310)의 영역 내에 PN 정션을 갖는 포토다이오드 영역(320)을 형성하는 과정이다.
도 7을 참고하면, 상기 (d) 과정(S4)은 상기 포토다이오드 영역(320)과 트랜지스터들(미도시)의 전기적 연결을 위한 배선 과정으로서, 하기하는 두 하부 과정들로 구성된다.
첫 째, 상기 기판(310)의 비-포토다이오드 영역 상에 제1 금속층들(332,334) 을 형성한 후, 상기 제1 금속층들(332,334) 및 상기 제2 렌즈(370)를 완전히 덮도록 상기 기판(310) 상에 제1 절연층(330)을 형성한다.
둘 째, 상기 비-포토다이오드 영역의 위에 배치되도록 상기 제1 절연층(330) 상에 제2 금속층들(342,344)을 형성한 후, 상기 제2 금속층들(342,344)을 완전히 덮도록 상기 제1 절연층(330) 상에 제2 절연층(340)을 형성한다.
도 8을 참고하면, 상기 (e) 과정(S5)은 상기 제2 절연층(340) 상에 컬러 필터(355)를 형성한 후, 상기 컬러 필터(355)를 완전히 덮도록 상기 제2 절연층(340) 상에 제3 절연층(350)을 형성하는 과정이다.
도 9를 참고하면, 상기 (f) 과정(S6)은 상기 제2 렌즈(370)와 광학 정렬되도록 상기 제3 절연층(350) 상에 제1 렌즈(360)를 형성하는 과정이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지 센서는 그 표면에 형성된 제1 렌즈와 그 내부에 매설된 제2 렌즈를 이용하여 광을 포토다이오드 영역에 수렴시킴으로써, 수광 효율을 높이고 인접한 화소들간의 크로스토크를 줄일 수 있다는 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 이미지 센서에 있어서,
    기판과;
    상기 기판 상에 형성된 적어도 하나의 절연층을 포함하고, 상기 이미지 센서를 구성하는 각 화소는,
    상기 기판 내에 형성되며, 광전 변환을 수행하는 포토다이오드 영역과;
    상기 절연층 상에 형성되며, 입사된 광을 수렴시키는 제1 렌즈와;
    상기 포토다이오드 영역과 상기 제1 렌즈 사이에 배치되도록 상기 절연층 내에 매설되며, 입사된 광을 수렴시키는 제2 렌즈를 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 사이에 배치되며, 기설정된 색의 광만을 투과시키는 컬러 필터를 더 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    전기적 배선을 위해 상기 절연층에 매설되는 적어도 하나의 금속층을 더 포 함함을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 형성된 복수의 절연층을 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    전기적 배선을 위해 상기 절연층들에 매설되는 복수의 금속층을 더 포함함을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서임을 특징으로 하는 이미지 센서.
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