KR20090046482A - Image sensor, and method of manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자에 있어서, 특히 광 감도 개선을 위한 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 반도체기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고 상기 형성된 포토다이오드에 대응하여 상부에 K×K (K는 자연수) 개의 마이크로렌즈들를 형성하는 단계로 이루어지는 이미지 센서 제조 방법과, 그로 인해 구현되여 반도체기판에 형성되는 포토다이오드; 그리고 상기 포토다이오드에 대응하여 상부에 K×K (K는 2 이상의 자연수) 개의 정방형으로 형성되는 마이크로렌즈로 구성되는 이미지 센서에 관한 발명이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor and a method for manufacturing the same, in particular to improving light sensitivity, comprising: forming a photodiode on a semiconductor substrate; And a method of manufacturing an image sensor comprising forming K × K (K is a natural number) microlenses on an upper portion corresponding to the formed photodiode, and a photodiode implemented on the semiconductor substrate; The present invention relates to an image sensor including microlenses formed in squares of K × K (K is a natural number of 2 or more) on the top corresponding to the photodiode.
이미지 센서, 마이크로렌즈, 포토다이오드, 광 감도 Image Sensors, Microlenses, Photodiodes, Light Sensitivity
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 광 감도 개선을 위한 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자이다.An image sensor is an element that transforms an optical image into an electrical signal.
이미지 센서는 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서와 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 구분될 수 있다. The image sensor may be classified into a complementary metal-oxide-silicon (CMOS) image sensor and a charge coupled device (CCD) image sensor.
CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비하여 광 감도(Photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하다. 그러나, 고집적화에 어려움이 있고, 전력 소모가 높다. The CCD image sensor has better photo sensitivity and noise characteristics than the CMOS image sensor. However, high integration is difficult and power consumption is high.
이에 반하여, CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비하여 전체 공정이 단순하고, 고집적화에 적합하며, 전력 소모가 낮다.In contrast, a CMOS image sensor has a simpler overall process, suitable for high integration, and lower power consumption than a CCD image sensor.
최근에는 반도체 소자의 제조 기술이 고도로 발전함에 따라, CMOS 이미지 센서의 제조 기술 및 특성이 크게 향상되어 CMOS 이미지 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. In recent years, as the manufacturing technology of semiconductor devices has been highly developed, the manufacturing technology and characteristics of CMOS image sensors have been greatly improved, and research on CMOS image sensors has been actively conducted.
통상적으로, CMOS 이미지 센서의 화소(pixel)는 빛을 받아들이는 포토다이오드과 포토다이오드로부터 입력된 영상신호들을 제어하는 CMOS 소자들을 구비한다. Typically, a pixel of a CMOS image sensor includes a photodiode for receiving light and CMOS elements for controlling image signals input from the photodiode.
포토다이오드는 칼라 필터를 통해 입사되는 광의 파장과 세기에 따라 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 발생한다. 그리고 그 발생한 전자들의 양에 따라 출력신호를 변화시켜 출력한다. 그로써 이미지 감지가 가능하게 된다.Photodiodes generate electron-hole pairs according to the wavelength and intensity of light incident through a color filter. The output signal is changed and output according to the amount of generated electrons. This enables image detection.
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a cross section of a conventional CMOS image sensor.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 제조 방법을 도 1을 참조하여 설명한다.A method of manufacturing such a CMOS image sensor will be described with reference to FIG. 1.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 이미지 센서는 반도체 기판(1), 포토다이오드(2), 층간절연막(3), 평탄화층(4) 및 마이크로렌즈(5)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 1, a conventional image sensor includes a
반도체 기판(1)에는 에피택셜 공정에 의해 에피층이 형성될 수도 있다. 그 에피층에 포토다이오드(2)를 구비한다.An epitaxial layer may be formed on the
포토다이오드(2)는 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 역할을 한다.The
이어, 포토다이오드(2)를 포함한 반도체기판(1)의 전면에 층간절연막(3)을 형성한다. 한편, 층간절연막(3) 상에 필터층(미도시)이 형성될 수도 있다.Next, an
상기 층간절연막(3) 상에 평탄화층(4)을 형성한다. The
마이크로렌즈(5)는 평탄화층(4) 상에 일정 곡률을 갖는 볼록형태로 형성된다. 마이크로렌즈(5)는 빛을 포토다이오드(2)에 집광시키는 역할을 한다.The
상기한 마이크로렌즈(5)의 형성을 위한 일 예로써, 평탄화층(4) 상에 포토레지스트를 형성시킨 후에 열 리플로우로써 일정 곡률을 갖는 마이크로렌즈(5)를 형 성한다.As an example for forming the
상기한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광 감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되는 바, 그 중 하나가 집광기술이다.In the manufacture of the image sensor described above, efforts are made to increase the photo sensitivity of the image sensor, one of which is a condensing technique.
현재 CMOS 이미지 센서 제품에서는 마이크로렌즈(5)를 사용하여 분산되는 광원을 포토다이오드(2)에 집광한다. 그리고 대부분 1개의 마이크로렌즈(5)가 사용된다.Current CMOS image sensor products use a microlens (5) to focus a light source that is dispersed on the photodiode (2). In most cases, one
광 감도를 높이기 위한 최적으로 집광된 광원은 포토다이오드(2)의 중앙 부위에만 집중된다. 그에 따라, 포토다이오드(2)의 중앙에 비해 외곽의 광도가 현저히 작아지는 현상이 발생한다.The optimally focused light source for increasing the light sensitivity is concentrated only at the center portion of the
도 2는 종래의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역을 나타낸 도면이고, 도 3은 종래의 씨모스 이미지 센서에서 포토다이오드의 광도 분포를 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a view illustrating a region where a light source is concentrated on a photodiode in a conventional CMOS image sensor, and FIG. 3 is a diagram illustrating a luminance distribution of a photodiode in a conventional CMOS image sensor.
도 2와 같이 포토다이오드 중앙에 광원이 집중됨에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이 포토다이오드 중앙에는 광도가 높고 그에 비해 외곽에는 광도가 현저히 낮음을 알 수 있다.As the light source is concentrated in the center of the photodiode as shown in FIG. 2, it can be seen that as shown in FIG.
그에 따라, 종래와 같이 하나의 마이크로렌즈를 사용함으로 인해 포토다이오드의 중앙에 광원이 집중되는 경우보다 광 감도를 보다 개선할 수 있는 방안이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for a method of improving light sensitivity more than when the light source is concentrated in the center of the photodiode by using one microlens as in the related art.
본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 포토다이오드의 중앙 부위에 광원이 집중되지 않고 포토다이오드에 전체적으로 광원이 분산될 수 있도록 해주는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Disclosure of Invention An object of the present invention is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same, which allow the light source to be dispersed throughout the photodiode without concentrating the light source in the central portion of the photodiode.
본 발명의 또다른 목적은 광원이 포토다이오드의 전체 영역에 최대한 많이 집광될 수 있도록 해주는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide an image sensor and a method of manufacturing the same so that the light source can be concentrated as much as possible over the entire area of the photodiode.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서 제조 방법의 특징은, 반도체기판에 포토다이오드를 형성하는 단계; 그리고 상기 형성된 포토다이오드에 대응하여 상부에 K×K (K는 자연수) 개의 마이크로렌즈들를 형성하는 단계로 이루어지는 것이다.Features of the image sensor manufacturing method according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a photodiode on a semiconductor substrate; And forming K × K (K is a natural number) microlenses at an upper portion corresponding to the formed photodiode.
바람직하게, 상기 K는 2 이상의 자연수일 수 있다. 여기서, 상기 K×K 개의 마이크로렌즈들을 상기 포토다이오드에 대응하여 정방형으로 형성할 수 있다.Preferably, K may be two or more natural numbers. Herein, the K × K microlenses may be formed in a square corresponding to the photodiode.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 특징은, 반도체기판에 형성되는 포토다이오드; 그리고 상기 포토다이오드에 대응하여 상부에 K×K (K는 2 이상의 자연수) 개의 정방형으로 형성되는 마이크로렌즈로 구성되는 것이다.Features of the image sensor according to the present invention for achieving the above object is a photodiode formed on a semiconductor substrate; The microlenses are formed in a square of K × K (K is a natural number of 2 or more) on the top corresponding to the photodiode.
본 발명에 따르면, 이미지 센서에서 하나의 포토다이오드에 대응되는 마이크로렌즈를 여러 개로 사용함으로써 광원이 포토다이오드의 중앙에만 집중되지 않고 포토다이오드 전체에 확산되기 때문에, 전체적인 광 감도가 현저히 개선된다.According to the present invention, by using several microlenses corresponding to one photodiode in the image sensor, since the light source is diffused not only in the center of the photodiode but throughout the photodiode, the overall light sensitivity is significantly improved.
특히, 본 발명에서는 하나의 포토다이오드에 대응하여 여러 개의 마이크로렌즈를 사용함으로써 하나의 포토다이오드에 대응하여 하나의 마이크로렌즈를 사용하는 경우보다 광 감도가 개선된다.In particular, in the present invention, by using a plurality of microlenses corresponding to one photodiode, the light sensitivity is improved than when using one microlens corresponding to one photodiode.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings illustrating the configuration and operation of the embodiment of the present invention, the configuration and operation of the present invention shown in the drawings and described by it will be described by at least one embodiment, By the technical spirit of the present invention described above and its core configuration and operation is not limited.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of an image sensor and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면이다.4A is a cross-sectional view illustrating a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment. FIG. 4B is a view illustrating regions in which a light source is concentrated on a photodiode in the CMOS image sensor of FIG. 4A.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(10), 포토다이오드(20), 층간절연막(30), 평탄화층(40) 및 다수 마이크로렌즈들(50,60)을 포함하여 이루어진다.Referring to FIG. 4A, an image sensor according to an exemplary embodiment may include a
포토다이오드(20)는 반도체 기판(10)에 형성된다. 반도체 기판(10)에는 에피 택셜 공정에 의해 에피층이 형성될 수도 있다. 그 에피층에 포토다이오드(20)를 구비한다.The
포토다이오드(20)는 입사되는 광량에 따른 전하를 생성한다.The
이어, 포토다이오드(20)를 포함한 반도체기판(10)의 전면에 층간절연막(30)을 형성한다. 한편, 층간절연막(30) 상에 필터층(미도시)이 형성될 수도 있다. 그 필터층은 특정 파장대의 빛을 통과시키는 역할을 한다.Next, an
층간절연막(30) 상에 평탄화층(40)을 형성한다. 경우에 따라, 평탄화층(40)의 형성 전에 일종의 보호막을 형성할 수도 있다.The
마이크로렌즈들(50,60)는 평탄화층(40) 상에 일정 곡률을 갖는 볼록형태로 형성된다. 마이크로렌즈들(50,60)은 빛을 포토다이오드(20)에 집광시키는 역할을 한다. 특히 도 4a는 이미지 센서의 단면을 나타낸 것으로, 상세하게 본 발명에서는 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 K×K개의 마이크로렌즈들을 형성한다. 여기서, 상기 K는 2 이상의 자연수인 것이 바람직하다. The
도 4a에 도시된 이미지 센서는 2×2개의 마이크로렌즈를 사용하는 경우로써, 2×2개의 마이크로렌즈들이 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 정방형으로 형성된다.The image sensor illustrated in FIG. 4A uses 2 × 2 microlenses, and 2 × 2 microlenses are formed in a square corresponding to one
결국, 본 발명에 따른 도 4a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 확인하면, 도 4a에 도시된 CMOS 이미지 센서에서 정방형으로 형성된 2×2개의 마이크로렌즈들은 도 1에 도시된 이미지 센서에 비해 포토다이오드의 보다 넓은 면적에서 광전 효과를 발생시킨다. As a result, in the CMOS image sensor of FIG. 4A according to the present invention, when the light sources are concentrated on the photodiode, 2 × 2 microlenses formed in a square shape in the CMOS image sensor of FIG. 4A are illustrated in FIG. 1. The photoelectric effect is generated in a larger area of the photodiode than the image sensor.
본 발명에서와 같이 광 감도를 높이기 위한 최적으로 집광된 광원은 포토다이오드(20)의 전체에서 골고루 확산되어, 포토다이오드의 전체적으로 볼 때 광도가 현저히 개선된다.As in the present invention, the optimally focused light source for increasing the light sensitivity is evenly spread throughout the
도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면이다.FIG. 5A is a cross-sectional view illustrating a CMOS image sensor according to another exemplary embodiment. FIG. 5B is a view illustrating regions where a light source is concentrated on a photodiode in the CMOS image sensor of FIG. 5A.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예와 유사하나, 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 K×K개의 마이크로렌즈들(50,60,70)을 형성함에 있어서, 상기 K가 3인 경우이다.FIG. 5A is similar to an embodiment of the present invention, but in the case of forming K × K microlenses 50, 60, and 70 corresponding to one
즉, 도 5a에 도시된 이미지 센서는 3×3개의 마이크로렌즈를 사용하는 경우로써, 3×3개의 마이크로렌즈들이 하나의 포토다이오드(20)에 대응하여 정방형으로 형성된다.That is, the image sensor illustrated in FIG. 5A uses 3 × 3 microlenses, and 3 × 3 microlenses are formed in a square corresponding to one
도 5a에 도시된 CMOS 이미지 센서에서 정방형으로 형성된 3×3개의 마이크로렌즈들은 도 1에 도시된 이미지 센서에 비해 포토다이오드의 보다 넓은 면적에서 광전 효과를 발생시킨다. 물론, 도 4a에 도시된 이미지 센서에 비해서도 포토다이오드의 보다 넓은 면적에서 광전 효과를 발생시킬 수 있다. 3x3 microlenses formed square in the CMOS image sensor shown in FIG. 5A generate a photoelectric effect in a larger area of the photodiode than the image sensor shown in FIG. 1. Of course, the photoelectric effect can be generated in a larger area of the photodiode as compared to the image sensor shown in FIG. 4A.
본 발명의 다른 실시 예에서도 광 감도를 높이기 위한 최적으로 집광된 광원은 포토다이오드(20)의 전체에서 골고루 확산되어, 포토다이오드의 전체적으로 볼 때 광도가 현저히 개선된다.In another embodiment of the present invention, the optimally focused light source for increasing the light sensitivity is evenly spread throughout the
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하 는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. While the preferred embodiments of the present invention have been described so far, those skilled in the art may implement the present invention in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments of the present invention described herein are to be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation, and the scope of the present invention is shown in the appended claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope are equivalent to the present invention. Should be interpreted as being included in.
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a cross section of a conventional CMOS image sensor.
도 2는 종래의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역을 나타낸 도면.2 is a view showing a region where a light source is concentrated on a photodiode in a conventional CMOS image sensor.
도 3은 종래의 씨모스 이미지 센서에서 포토다이오드의 광도 분포를 나타낸 도면.3 is a diagram illustrating a luminance distribution of a photodiode in a conventional CMOS image sensor.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면.4A is a cross-sectional view illustrating a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B illustrates regions in which a light source is concentrated on a photodiode in the CMOS image sensor of FIG. 4A.
도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단면을 도시한 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 씨모스 이미지 센서에서 광원이 포토다이오드에 집중되는 영역들을 나타낸 도면.FIG. 5A is a cross-sectional view illustrating a CMOS image sensor according to another exemplary embodiment of the present disclosure, and FIG. 5B illustrates regions in which a light source is concentrated on a photodiode in the CMOS image sensor of FIG. 5A.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 반도체기판 20 : 포토다이오드10: semiconductor substrate 20: photodiode
30 : 층간절연막 40 : 평탄화층30
50~70 : 마이크로렌즈50 ~ 70: Micro Lens
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| KR100928506B1 (en) | 2009-11-26 |
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