KR20080100025A - 이미지 센서의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서의 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 내에 광전 변환부를 형성하고, 반도체 기판의 전면을 덮도록 층간 절연막을 형성하고, 층간 절연막 상에 위로 볼록한 제1 렌즈를 형성하고, 제1 렌즈 상에 컨포말하게 제2 렌즈를 형성하여 이너 렌즈를 완성하고, 이너 렌즈가 형성된 층간 절연막 상에 금속층간 절연막 및 금속 배선을 형성하고, 금속층간 절연막 및 금속 배선 상에 컬러 필터를 형성하고, 컬러 필터 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 포함한다.
이미지 센서, 이너 렌즈
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ- Ⅳ′를 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
10: 액티브 픽셀 센서 어레이 20: 타이밍 제너레이터
30: 로우 디코더 40: 로우 드라이버
50: 상관 이중 샘플러 60: 아날로그 디지털 컨버터
70: 래치부 80: 컬럼 디코더
100: 단위 화소 102: 소자 분리 영역
110: 광전 변환부 120: 전하 검출부
130: 전하 전송부 140: 리셋부
150: 증폭부 160: 선택부
210: 층간 절연막 222: 제1 렌즈
224: 제2 렌즈 225: 이너 렌즈
240: 금속층간 절연막 250: 금속 배선
260: 개구부 270: 광투과부
280: 컬러 필터 290: 마이크로 렌즈
300: 프로세서 기반 시스템 305: 버스
310: CMOS 이미지 센서 320: 중앙 정보 처리 장치
330: I/O 소자 340: RAM
350: 플로피디스크 드라이브 355: CD ROM 드라이브
360: 포트
본 발명은 이미지 센서의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광감도가 향상된 이미지 센서의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
한편, 고화소 제품이 소형화됨에 따라 픽셀 사이즈(pixel size)가 점점 작아지고 있다. 픽셀 사이즈가 작아지면 포토 다이오드(photo diode) 내에 입사되는 빛의 양이 감소하여 이미지 센서의 광감도를 저하시킨다. 따라서, 포토 다이오드 내에 입사되는 빛의 양을 증가시켜 이미지 센서의 광감도를 개선하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광감도가 향상된 이미지 센서의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 광감도가 향상된 이미지 센서를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 내에 광전 변환부를 형성하고, 상기 반도체 기판의 전면을 덮도록 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연막 상에 위로 볼록한 제1 렌즈를 형성하고, 상기 제1 렌즈 상에 컨포말하게 제2 렌즈를 형성하여 이너 렌즈를 완성하고, 상기 이너 렌즈가 형성된 상기 층간 절연막 상에 금속층간 절연막 및 금속 배선을 형성하고, 상기 금속층간 절연막 및 금속 배선 상에 컬러 필터를 형성하고, 상기 컬러 필터 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에 형성된 광전 변환부, 상기 반도체 기판의 전면을 덮도록 형성된 층간 절연막, 상기 층간 절연막 상에 형성되며, 상기 광전 변환부의 상부에 정렬되고 위로 볼록한 형상을 가지는 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈 상에 컨포말하게 형성된 제2 렌즈를 포함하는 이너 렌즈, 상기 이너 렌즈가 형성된 상기 층간 절연막 상부에 형성된 금속층간 절연막, 상기 이너 렌즈 상부에 형성되며 상기 금속층간 절연막을 관통하여 상기 제2 렌즈의 상면과 적어도 일부 접촉하는 광투과부, 상기 광투과부 상부에 형성된 컬러 필터, 및 상기 컬러 필터 상부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태 로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 나아가, n형 또는 p형은 예시적인 것이며, 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(active pixel sensor array, APS arrray)(10), 타이밍 제너레이터(timing generator)(20), 로우 디코더(row decoder)(30), 로우 드라이버(row driver)(40), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS)(50), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC)(60), 래치부(latch)(70) 및 컬럼 디코더(column decoder)(80) 등을 포함한다.
액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 다수의 단위 화소를 포함한다. 다수의 단위 화소들은 광학 영상을 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 로우 드라이버(40)로부터 화소 선택 신호(ROW), 리셋 신호(RST), 전하 전송 신호(TG) 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적 신호는 수직 신호 라인를 통해서 상관 이중 샘플러(50)에 제공된다.
타이밍 제너레이터(20)는 로우 디코더(30) 및 컬럼 디코더(80)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
로우 드라이버(40)는 로우 디코더(30)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 화소들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호를 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 제공한다. 일반적으로 매트릭스 형태로 단위 화소가 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호를 제공한다.
상관 이중 샘플러(50)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 형성된 전기 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 기준 전압 레벨(이하, '잡음 레벨(noise level)')과 형성된 전기적 신호에 의한 전압 레벨(이 하, '신호 레벨')을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
아날로그 디지털 컨버터(60)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
래치부(70)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 컬럼 디코더(80)에서 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 출력된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150) 및 선택부(160)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 단위 화소(100)가 도 2에서와 같이 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, 5개의 트랜지스터 구조로 이루어질 수도 있다.
광전 변환부(110)는 입사광을 흡수하여, 광량에 대응하는 전하를 축적하는 역할을 한다. 광전 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.
전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용되며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출 부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어한다.
전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송한다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다.
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다. 또한, 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다.
증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(도면 미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(162)으로 출력된다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 Vdd에 연결된다.
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(162)에 연결된다.
또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 개략적인 평면도이다. 도 4는 도 3의 Ⅳ- Ⅳ′를 따라 절단한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 이너 렌즈(225), 금속층간 절연막(240), 금속 배선(250), 광투과부(270), 컬러 필터(280) 및 마이크로 렌즈(290)를 포함한다.
반도체 기판(101)에는 소자 분리 영역(102)이 형성되어 활성 영역을 정의한다. 소자 분리 영역(102)은 일반적으로 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)방법을 이용한 FOX(Field OXide) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)로 형성할 수 있다.
반도체 기판(101)의 활성 영역 내에는 빛 에너지를 흡수하여 발생한 전하를 축적하는 광전 변환부(110)가 형성되는데, 광전 변환부(110)는 N형의 포토 다이오드(112)와 P+형의 피닝층(pinning layer; 114)을 포함할 수 있다.
또한, 반도체 기판(101) 상에는 전하 검출부(120)가 형성되어 있으며, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 선택부(160)에 해당하는 트랜지스터들이 형성된다.
광전 변환부(110) 및 전하 전송부(130) 상부에는 반도체 기판(101)의 전면을 덮으며, 트랜지스터들이 형성되지 않은 빈 공간을 채우도록 층간 절연막(210)이 형성되어 있다. 층간 절연막(210)은 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO₂)일 수 있다.
층간 절연막(210) 상부에는 이너 렌즈(225)가 형성된다. 이너 렌즈(225)는 제1 렌즈(222) 및 제2 렌즈(224)를 포함한다. 제1 렌즈(222)는 광전 변환부(110) 상부에 정렬되고 위로 볼록한 형상으로 형성되며 예를 들어, 실리콘 산화막일 수 있다. 제2 렌즈(224)는 제1 렌즈(222) 상에 컨포말하게 형성된다. 제1 렌즈(222) 중앙부의 두께는 약 2000 내지 3000Å이고, 제2 렌즈(224)의 두께는 약 1000 내지 1500Å이다. 여기서, 제2 렌즈(224)는 제1 렌즈(222)와는 굴절율이 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 제2 렌즈(224)는 예를 들어, 실리콘 질화막일 수 있다.
이너 렌즈(225)가 형성된 층간 절연막(210) 상부에는 금속층간 절연막(240) 및 금속 배선(250)이 형성된다. 이 때, 금속 배선(250)은 단일층일 수도 있으며, 2층 또는 3층일 수도 있다. 금속 배선(250)이 2층 또는 3층인 경우, 상부 금속 배선과 하부 금속 배선 사이는 층간 절연 물질인 금속층간 절연막(240)으로 채워져 있으며, 상부 금속 배선과 하부 금속 배선은 비아(미도시)로 연결될 수 있다. 도 4에는 3층의 금속 배선(252, 254, 256)이 도시되어 있다. 금속 배선(250)으로는 예를 들어, 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 등이 사용될 수 있다.
금속층간 절연막(240)으로는 예를 들어, FOX(Flowable OXide)막, HDP(High Density Plasma)막, TOSZ(TOnen SilaZene)막, SOG(Spin On Glass)막, USG(Undoped Silica Glass)막 등이 사용될 수 있다. 여기서, 복수의 금속층간 절연막(240) 사이에는 식각 정지막(245)이 형성될 수 있다.
금속 배선(250)은 액티브 픽셀 센서 어레이에서 광전 변환부(110) 및 이너 렌즈(225)와 오버랩되지 않는 영역에 형성된다. 금속 배선(250)이 형성되지 않은 이너 렌즈(225) 상부에는 개구부(260)가 형성되어 있다. 개구부(260)는 금속층간 절연막(240)을 관통하여 제2 렌즈(224)의 상면을 일부 노출하도록 형성되어 있다. 개구부(260)는 빛이 광전 변환부(110)로 입사될 때에, 이너 렌즈(225) 상부 영역의 금속층간 절연막(240) 및 식각 정지막(245)에 의해 굴절, 반사되는 것을 방지하여 크로스 토크(cross talk)를 줄이고, 빛의 투과율을 높이기 위하여 형성한다.
광투과부(270)는 개구부(260)를 채우며, 개구부(260) 상부가 평탄해지도록 형성된다. 광투과부(270)는 빛이 투과할 수 있는 물질로 형성되며 예를 들어, 유기 고분자 화합물로 형성될 수 있다.
광투과부(270) 상부에는 컬러 필터(280)가 형성되어 있다. 컬러 필터(280)는 레드(red), 그린(green), 블루(blue)가 베이어(Bayer) 형으로 배치된 컬러 필터(280)가 사용될 수 있다. 베이어형은 사람의 눈이 가장 민감하게 반응하여 정확도가 요구되는 그린(green) 컬러 필터(280)가 전체 컬러 필터(280)의 반이 되도록 배열하는 방식이다. 그러나, 컬러 필터(280)의 배열은 다양하게 변형될 수 있다.
컬러 필터(280) 상부의 광전 변환부(110)에 대응되는 위치에는 마이크로 렌즈(290)가 형성되어 있다. 마이크로 렌즈(290)는 예를 들어, TMR 계열의 수지 및 MFR 계열의 수지로 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(290)는 광전 변환부(110) 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 변경하여 광전 변환부(110) 영역으로 빛을 모아준다.
입사광은 마이크로 렌즈(290) 및 컬러 필터(280)를 통과하여 광투과부(270)로 입사되고, 광투과부(270)로 입사된 입사광은 이너 렌즈(225)를 통과하여 광전 변환부(110)로 입사된다.
본 발명의 일 실시예에서와 같이, 마이크로 렌즈(290)와 광전 변환부(110) 사이에 이너 렌즈(225)를 형성하면, 마이크로 렌즈(290)를 통과하여 입사되는 입사광을 포토 다이오드(112) 영역으로 더욱 집광시킬 수 있다. 즉, 이너 렌즈(225)를 형성하여 마이크로 렌즈(290)를 통해 입사되는 입사광의 집광 효율을 향상시킬 수 있고, 이미지 센서의 광감도를 향상시킬 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 반도체 기판(101) 내에 광전 변환부(110)를 형성하고, 반도체 기판(101)의 전면을 덮도록 층간 절연막(210)을 형성한다(S10). 먼저, 반도체 기판(101)에 소자 분리 영역(102)을 형성하여, 활성 영역(미도시)을 정의한다. 이어서, 활성 영역(미도시) 상에 불순물을 이온 주입하여, 포토 다이오드(112)와 피닝층(114)을 포함하는 광전 변환부(110)를 형성하고, 전하 검출부(120) 및 전하 전송부(130), 리셋부(도 2의 140 참조), 증폭부(도 2의 150 참조) 및 선택부(도2의 160 참조)에 해당하는 트랜지스터를 형성한다. 이어서, 반도체 기판(101)의 전면을 덮으며 트랜지스터들이 형성되지 않은 빈 공간을 채우도록 층간 절연막(210)을 형성한다. 층간 절연막(120)은 예를 들어, 화학 기상 증착(Chemical Mechanical Deposition; CVD)의 방법으로 약 4000 내지 6000Å의 두께, 바람직하게는 약 5000Å의 두께로 형성할 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 7을 참조하면, 층간 절연막(210) 상에 제1 렌즈용 절연막(220) 및 마스크막(230)을 형성한다(S20). 제1 렌즈용 절연막(220)은 층간 절연막(210)과 같은 종류의 물질일 수도 있고, 다른 종류의 물질일 수도 있다. 제1 렌즈용 절연막(220)은 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO₂) 또는 실리콘 산질화막(SiON) 일 수 있다. 제1 렌즈용 절연막(220)의 두께는 약 2000 내지 3000Å일 수 있다.
이어서, 제1 렌즈용 절연막(220) 상에 마스크막(230)을 형성한다. 마스크막(230)은 예를 들어, 유기 고분자 화합물을 사용하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 마스크막(230)의 두께는 제1 렌즈용 절연막(220)의 두께와 같을 수 있다. 즉, 마스크막(230)의 두께는 약 2000 내지 3000Å일 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 8을 참조하면, 마스크막(도 7의 230)을 패터닝하여 광전 변환부(110) 상부에 정렬되는 제1 마스크 패턴(232)을 형성한다(S30). 이 때, 제1 마스크 패턴(232)은 사진 식각 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 9를 참조하면, 리플로우(reflow) 공정을 진행하여 위로 볼록한 형상의 제2 마스크 패턴(234)을 형성한다(S40). 즉, 리플로우 공정을 진행하여 제1 마스크 패턴(도 8의 232)을 일부 리플로우하여 제2 마스크 패턴(234)을 형성한다. 이 때, 리플로우 공정의 온도 및 시간을 적절히 제2 마스크 패턴(234)의 위로 볼록한 정도를 조절한다. 여기서, 제2 마스크 패턴(234)의 형상에 따라 후속 공정에서 제1 렌즈의 형상 및 곡률이 결정될 수 있다. 리플로우 공정은 약 400 내지 500℃에서 진행될 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 10을 참조하면, 제2 마스크 패턴(도 9의 234) 및 제1 렌즈용 절연막(도 9의 220)의 식각 공정을 진행하여 위로 볼록한 형상의 제1 렌즈(222)를 형성한다(S50). 이 때, 식각 공정은 예를 들어, 에치백 공정으로 진행할 수 있으며, 에치백 공정은 층간 절연막(210)의 상면이 노출될 때까지 진행할 수 있다. 제2 마스크 패턴(234)과 제1 렌즈용 절연막(220)은 공정의 편의상, 식각 선택 비가 같은 물질일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 마스크 패턴(234)과 제1 렌즈용 절연막(220)의 식각 선택비가 1:1이고, 제2 마스크 패턴(234)의 볼록한 부분의 두께와 제1 렌즈용 절연막(220)의 두께가 서로 같은 경우, 식각 공정을 진행하면, 제1 렌즈(222)는 제2 마스크 패턴(234)의 형상과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제2 마스크 패턴(234)과 제1 렌즈용 절연막(220)의 식각 선택비가 1:1인 경우, 제2 마스크 패턴(234)과 제1 렌즈용 절연막(220)은 동일한 식각 속도로 식각된다. 따라서, 제2 마스크 패턴(234)이 전부 식각될 때까지 식각 공정을 진행하면, 제2 마스크 패턴(234)의 얇은 부분 아래의 제1 렌즈용 절연막도 같이 식각된다. 즉, 층간 절연막(210) 상에는 위로 볼록한 형상의 제1 렌즈(222)만 잔류된다. 즉, 제1 마스크 패턴(도 8의 232)의 두께에 따라 제2 마스크 패턴(234)의 형상이 조절될 수 있고, 제2 마스크 패턴(234)의 형상에 따라 제1 렌즈(222)의 형상이 조절될 수 있으며, 제1 렌즈(222)의 형상에 따라 제1 렌즈(222)의 곡률이 조절될 수 있다. 따라서, 식각 가스 또는 식각액의 조성을 복잡하게 하지 않으면서도, 제1 렌즈(222)는 층간 절연막(210) 상에 위로 볼록한 형상으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 11을 참조하면, 제1 렌즈(222) 상에 컨포말하게 제2 렌즈(224)를 형성하여 이너 렌즈(225)를 완성한다(S60). 제2 렌즈(224)는 제1 렌즈(222)와는 굴절율이 다른 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 렌즈(222)가 산화막인 경우, 제2 렌즈(224)는 예를 들어, 실리콘 질화막(SiN)일 수 있다. 제2 렌즈(224)는 약 1000 내지 1500Å의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 제2 렌즈(224)의 곡률은 제1 렌즈(222)의 곡률에 의해 결정되는데, 제2 렌즈(224)의 곡률에 따라 제2 렌즈(224) 및 제2 렌즈(224)를 포함하는 이너 렌즈(225)의 굴절율이 조절될 수 있다. 즉, 제1 렌즈(222) 및 제2 렌즈(224)의 곡률이 증가함에 따라, 제1 렌즈(222) 및 제2 렌즈(224)를 포함하는 이너 렌즈(225)의 굴절율은 상승될 수 있다. 이와 같이, 제1 렌즈(222) 및 제2 렌즈(224)를 포함하는 이너 렌즈(225)를 형성함으로써, 집광 효율을 더욱 높일 수 있고, 이너 렌즈(225)의 곡률을 조절하여 굴절율을 조절함으로써, 광전 변환부(110)의 포토 다이오드(112) 내에서 포커스(focus)가 맺히는 위치를 조절할 수 있다. 따라서, 광전 변환 효율이 높은 영역으로 입사광을 집광시켜서 광전 변환 효율을 개선시킬 수 있고, 이미지 센서의 광감도가 향상될 수 있다.
이어서, 도 5 및 도 12를 참조하면, 이너 렌즈(225)가 형성된 층간 절연막(210) 상에 금속층간 절연막(240) 및 금속 배선(250)을 형성한다(S70). 복수의 금속층간 절연막(240) 사이에는 식각 정지막(245)을 형성할 수 있다. 도 12에서는 예를 들어, 3층의 금속 배선(250)을 도시하였으나, 금속층간 절연막(240) 및 금속 배선(250)은 이미지 센서를 구현하는데 필요한 배선의 수에 따라 적층 수가 증감될 수 있음은 물론이다. 이 때, 제2 렌즈(224)는 하부 금속 배선(252) 형성시 식각 정지막 및 배리어막의 역할을 할 수 있다. 이와 같이, 금속층간 절연막(240) 및 금속 배선(250)을 형성하는 공정은 본 기술분야에 널리 공지되어 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 도 5 및 도 13을 참조하면, 금속 배선(250)이 형성되지 않은 이너 렌즈(225) 상부의 금속층간 절연막(240)에 개구부(260)를 형성하고, 개구부(260)를 채우는 광투과부(270)를 형성한다(S80).
우선, 금속층간 절연막(240) 상에 이너 렌즈(225)와 오버랩되는 영역의 금속층간 절연막(240) 상면이 노출되도록 포토 레지스트(Photo Resist; PR) 패턴(미도시)을 형성한다. 이어서, 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 개구부(260)를 형성한다. 이 때, 제2 렌즈(224)의 상면이 적어도 일부 노출되도록 이너 렌즈(225) 상부의 금속층간 절연막(240) 및 식각 정지막(245)을 식각한다. 바람직하게는, 도 13에 도시된 바와 같이, 제2 렌즈(224)의 위로 볼록한 영역이 전부 노출되도록 금속층간 절연막(240) 및 식각 정지막(245)을 식각할 수 있다. 개구부(260)를 형성하는 식각 공정은 플라즈마를 이용한 건식 식각으로 진행할 수 있는데, 예를 들어 반응 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 공정으로 진행할 수 있다. 이 때, 제2 렌즈(224)는 식각 정지막의 역할을 할 수 있다.
이어서, 개구부(260)를 채우는 광투과부(270)를 형성한다. 광투과부(270)는 개구부(260)를 채우고, 상부 금속 배선(256) 및 금속층간 절연막(240)의 상부를 일정 높이만큼 덮도록 형성한다. 광투과부(270)는 빛이 투과하는 물질로써, 예를 들어, 유기 고분자 화합물 또는 열경화성수지로 형성될 수 있다. 광투과부(270)를 열경화성수지로 형성하는 경우, 스핀 온 코팅(spin on coating) 등의 방법에 의해 개구부(260)를 열경화성수지로 채운 후, 열을 가하여 경화시킨다.
이어서, 다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 광투과부(270) 상부에 컬러 필 터(280) 및 마이크로 렌즈(290)를 형성한다(S90). 우선, 광투과부(270) 상부에 컬러 필터(280)를 형성한다. 컬러 필터(280)는 레드, 그린, 블루를 베이어 형으로 배치할 수 있다. 이어서, 컬러 필터(280) 상부에 광전 변환부(110)와 대응되도록 마이크로 렌즈(290)를 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 따르면, 이너 렌즈(225)의 굴절율은 재료물질에 따라 변화될 수도 있지만, 제1 렌즈(222) 및 제2 렌즈(224)의 곡률에 따라 조절될 수도 있다. 이와 같이, 곡률에 따라 굴절율의 조절이 가능한 이너 렌즈(225)를 마이크로 렌즈(290)와 광전 변환부(110) 사이에 형성함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(290)를 통해 입사되는 입사광을 포토 다이오드(112) 내에서 광전 변환 효율이 높은 영역으로 집광시킬 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광감도가 향상될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 14를 참조하면, 프로세서 기반 시스템(300)은 CMOS 이미지 센서(310)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다. 시스템(300)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
컴퓨터 시스템 등과 같은 프로세서 기반 시스템(300)은 버스(305)를 통해 입출력(I/O) 소자(330)와 커뮤니케이션할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU)(320)를 포함한다. CMOS 이미지 센서(310)는 버스(305) 또는 다른 통신 링크를 통해서 시스템과 커뮤니케이션할 수 있다. 또, 프로세서 기반 시스템(300)은 버스(305)를 통해 CPU(320)와 커뮤니케이션할 수 있는 RAM(340), 플로피디스크 드라이브(350) 및/또는 CD ROM 드라이브(355), 및 포트(360)을 더 포함할 수 있다. 포트(360)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. CMOS 이미지 센서(310)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 또, 메모리가 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩에 집적될 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법에 의하면, 마이크로 렌즈와 광전 변환부 사이에 이너 렌즈를 형성함으로써, 마이크로 렌즈를 통해 입사되는 입사광의 집광 효율을 높일 수 있고, 이너 렌즈의 곡률에 따라 굴절율의 조절이 가능하여 입사광을 포토 다이오드 내에서 광전 변환 효율이 높은 영역으로 집광시킬 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광감도가 향상될 수 있다.
Claims (14)
- 반도체 기판 내에 광전 변환부를 형성하고,상기 반도체 기판의 전면을 덮도록 층간 절연막을 형성하고,상기 층간 절연막 상에 위로 볼록한 제1 렌즈를 형성하고,상기 제1 렌즈 상에 컨포말하게 제2 렌즈를 형성하여 이너 렌즈를 완성하고,상기 이너 렌즈가 형성된 상기 층간 절연막 상에 금속층간 절연막 및 금속 배선을 형성하고,상기 금속층간 절연막 및 금속 배선 상에 컬러 필터를 형성하고,상기 컬러 필터 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 층간 절연막 상에 위로 볼록한 제1 렌즈를 형성하는 것은,상기 층간 절연막 상에 제1 렌즈용 절연막을 형성하고,상기 제1 렌즈용 절연막 상에 마스크막을 형성하고,상기 마스크막을 패터닝하여 상기 광전 변환부 상부에 정렬되는 제1 마스크 패턴을 형성하고,리플로우 공정을 진행하여 상기 제1 마스크 패턴을 일부 리플로우하여 위로 볼록한 형상의 제2 마스크 패턴으로 형성하고,상기 제2 마스크 패턴 및 상기 제1 렌즈용 절연막의 식각 공정을 진행하여 위로 볼록한 형상의 제1 렌즈를 형성하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 리플로우 공정은 400 내지 500℃에서 진행되는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 제2 마스크 패턴과 상기 제1 렌즈용 절연막의 식각 선택비는 1:1인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 식각 공정은 에치백 공정으로 진행하되, 상기 에치백 공정은 상기 층간 절연막의 상면이 노출될 때까지 진행하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 마스크막은 유기 고분자 화합물인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 마스크막은 2000 내지 3000Å의 두께로 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 2항에 있어서,상기 제1 렌즈용 절연막은 2000 내지 3000Å의 두께로 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제2 렌즈는 1000 내지 1500Å의 두께로 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈와는 굴절율이 서로 다른 물질로 이루어지는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 컬러 필터를 형성하기 전에,상기 금속층간 절연막의 일부를 제거하여 상기 이너 렌즈 상부에 개구부를 형성하고,상기 개구부를 채우는 광투과부를 형성하는 것을 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 개구부는 상기 제2 렌즈의 상면이 적어도 일부 노출될 때까지 상기 금속층간 절연막을 식각하여 형성하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 반도체 기판;상기 반도체 기판 내에 형성된 광전 변환부;상기 반도체 기판의 전면을 덮도록 형성된 층간 절연막;상기 층간 절연막 상에 형성되며, 상기 광전 변환부의 상부에 정렬되고 위로 볼록한 형상을 가지는 제1 렌즈 및 상기 제1 렌즈 상에 컨포말하게 형성된 제2 렌즈를 포함하는 이너 렌즈;상기 이너 렌즈가 형성된 상기 층간 절연막 상부에 형성된 금속층간 절연막;상기 이너 렌즈 상부에 형성되며 상기 금속층간 절연막을 관통하여 상기 제2 렌즈의 상면과 적어도 일부 접촉하는 광투과부;상기 광투과부 상부에 형성된 컬러 필터; 및상기 컬러 필터 상부에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 제 13항에 있어서,상기 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈와는 굴절율이 서로 다른 물질로 이루어지는 이미지 센서.
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Cited By (5)
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| KR101107003B1 (ko) * | 2009-04-09 | 2012-01-25 | 제일모직주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
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2007
- 2007-05-11 KR KR1020070046074A patent/KR20080100025A/ko not_active Application Discontinuation
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