KR20090098003A - Image sensor and manufacturing method of image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 관하여 개시한다.Embodiments disclose an image sensor and a method of manufacturing the image sensor.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and includes a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor. Separated by.
상기 CMOS 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.The CMOS image sensor uses CMOS technology using a control circuit, a signal processing circuit, and the like as peripheral circuits to form MOS transistors corresponding to the number of unit pixels on a semiconductor substrate, thereby outputting each unit pixel by MOS transistors. It is a device that employs a switching method that detects sequentially.
도 1은 이미지 센서가 장착된 외부 렌즈 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도이고, 도 2는 외부 렌즈 모듈에 장착된 이미지 센서에 빛이 수직하게 입사되는경우를 모식화한 도면이며, 도 3은 외부 렌즈 모듈에 장착된 이미지 센서에 빛이 비스듬하게 입사되는 경우를 모식화한 도면이다.1 is a side cross-sectional view schematically illustrating a structure of an external lens module equipped with an image sensor, and FIG. 2 is a view schematically illustrating a case in which light is vertically incident on the image sensor mounted on the external lens module. FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a case in which light is obliquely incident on an image sensor mounted on an external lens module.
도 1에 도시된 것처럼, 디지털 카메라, 카메라폰 등에 이미지 센서가 이용되는 경우 하우징(20)에 외부 렌즈(10)가 결합되고, 외부 렌즈(10)의 초점면에 이미지 센서(30)가 장착된다.As shown in FIG. 1, when an image sensor is used in a digital camera, a camera phone, or the like, the
상기 외부 렌즈(10)로의 광입사각이 달라짐에 따라 이미지 센서(30) 상의 초점이 맺히는 지점이 상이하게 되는데, 도 1에서, 광경로 "A"는 빛이 외부 렌즈(10)에 수직하게 입사되는 경우, 즉 0도의 입사각을 가지는 경우이고, 광경로 "B", "C", "D"는 각각 7도, 14도, 21도의 입사각을 가지는 경우이다.As the light incident angle to the
도 2는 광경로 "A"의 경우 초점이 맺히는 이미지 센서(30)의 단위 화소 영역을 확대도시한 것이고, 도 3은 광경로 "D"의 경우 초점이 맺히는 이미지 센서(30)의 단위 화소 영역을 확대도시한 것이다.FIG. 2 is an enlarged view of the unit pixel area of the
도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 동일한 구면 반경을 갖는 마이크로렌즈(31)는 외부 렌즈(10)를 통하여 다양한 사각으로 입사되는 빛에 대하여 동일한 초점 거리를 갖으므로 이미지 센서의 단위 화소 영역에 따라 초점의 크기가 상이해지며, 빛의 경로에 따라 초점의 위치가 상이해지는 문제점이 있다.As shown in FIGS. 2 and 3, the
따라서, 이미지 센서의 중심에 위치된 단위 화소와 같이, 수직 입사를 가정하여 마이크로 렌즈의 두께 및 구면반경 등의 프로파일이 설계되는 경우, 이미지 센서의 외곽에 위치된 단위 화소는 포토 다이오드(36) 상에 정확한 초점을 맺기 어렵게 된다.Therefore, when a profile such as the thickness and spherical radius of the microlens is designed on the assumption of vertical incidence, such as the unit pixel positioned at the center of the image sensor, the unit pixel positioned outside the image sensor is positioned on the
이러한 경우, 이미지 센서(30)에 의하여 감지된 이미지 정보가 변경되거나 포토 다이오드(36)의 감도가 저하되는 문제점이 있다.In this case, there is a problem that the image information sensed by the
또한, 마이크로렌즈(31)를 투과한 빛은 평탄화보호층(32), 컬러필터층(33), 절연층(34)을 거쳐 기판(35) 상의 포토 다이오드(36)에 입사되는데, 도 3과 같이 빛이 비스듬하게 진행되는 경우 절연층(34) 상에 형성된 금속배선, 컨택홀 등에 의하여 산란될 위험이 있다.In addition, the light transmitted through the
즉, 금속 배선 등에 의한 산란 위험은 이미지 센서(30)의 외곽에 형성된 단위 화소일수록 커지며, 따라서 칩중앙에 위치된 단위 화소 영역(도 2)의 금속 배선과 칩외곽에 위치된 단위 화소 영역(도 3)의 금속 배선은 다른 위치에 설계되어야 한다.In other words, the risk of scattering due to metal wirings increases as the unit pixels formed on the outer side of the
그러나, 이러한 경우 금속 배선의 최적의 위치를 찾아 배치설계하는 것이 쉽지 않으며, 공정이 복잡해지는 등의 문제점이 있다.However, in this case, it is not easy to find and arrange the optimum position of the metal wiring, and there are problems such as complicated process.
실시예는 광입사각이 달라지더라도 이미지 센서의 단위 화소에 따라 초점이 맺히는 위치와 초점의 크기를 일정하게 할 수 있으며, 단위 화소별 포토 다이오드에 정확한 초점을 맺을 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.According to the embodiment, even if the light incident angle is different, the position where the focus is made and the size of the focus can be made constant according to the unit pixel of the image sensor, and the image sensor and the image sensor which can accurately focus on the photodiode for each pixel are manufactured. Provide a method.
또한, 실시예는 광입사각에 따라 다양한 광경로가 형성되더라도 절연층 상의 금속구조물에 의하여 빛이 산란되는 위험을 최소화할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.In addition, the embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the image sensor that can minimize the risk of light scattered by the metal structure on the insulating layer even if various light paths are formed according to the light incident angle.
실시예에 따른 이미지 센서는 다수의 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성된 절연층; 상기 절연층 위에 형성되고, 위를 향하여 곡면을 이루는 보호층; 상기 포토 다이오드 영역에 대응되는 상기 보호층 위에 형성된 다수의 마이크로 렌즈를 포함한다.An image sensor according to an embodiment includes a semiconductor substrate on which a plurality of photodiodes are formed; An insulating layer formed on the semiconductor substrate; A protective layer formed on the insulating layer and curved upward; It includes a plurality of micro lenses formed on the protective layer corresponding to the photodiode region.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 반도체 기판 위에 절연층, 보호층이 형성되는 단계; 상기 보호층 위에 위를 향하여 곡면을 이루는 레지스트층이 형성되는 단계; 에치백 공정을 진행하여 상기 레지스트층이 제거되고, 상기 레지스트층의 곡면 구조가 전사된 보호층이 형성되는 단계; 상기 곡면 구조가 전사된 보호층 위에 다수의 마이크로 렌즈가 형성되는 단계를 포함한다.In another embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes forming an insulating layer and a protective layer on a semiconductor substrate; Forming a resist layer having a curved surface upward on the protective layer; Performing an etch back process to remove the resist layer, and forming a protective layer to which the curved structure of the resist layer is transferred; And forming a plurality of micro lenses on the protective layer on which the curved structure is transferred.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the embodiment, the following effects are obtained.
첫째, 광입사각이 상이한 경우, 이미지 센서의 단위 화소에 따라 초점이 맺히는 위치와 초점의 크기를 일정하게 할 수 있는 효과가 있다.First, when light incident angles are different, there is an effect that the size of the focusing position and the focus can be made constant according to the unit pixel of the image sensor.
둘째, 광입사각에 따라 다양한 광경로가 형성되더라도 절연층 상의 금속구조물에 의하여 빛이 산란되는 위험을 최소화할 수 있는 효과가 있다.Second, even if various light paths are formed according to the light incident angle, there is an effect of minimizing the risk of light scattering by the metal structure on the insulating layer.
셋째, 단위 화소별 포토 다이오드에 정확한 초점을 맺을 수 있으므로, 이미지 센서에 의하여 감지된 이미지 정보가 변경되거나 포토 다이오드의 감도가 저하되는 현상을 최소화할 수 있다.Third, since accurate focusing can be achieved on the photodiodes for each unit pixel, the phenomenon that the image information sensed by the image sensor is changed or the sensitivity of the photodiode is reduced can be minimized.
넷째, 빛의 산란 현상을 최소화하기 위하여 절연층 상의 금속구조물의 위치를 단위 화소별로 다르게 배치설계할 필요가 없으며, 따라서 공정을 단순화하고 공정 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Fourth, in order to minimize the light scattering phenomenon, it is not necessary to arrange the position of the metal structure on the insulating layer differently for each unit pixel, thus simplifying the process and improving the process efficiency.
첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.With reference to the accompanying drawings, it will be described in detail an image sensor and a manufacturing method of the image sensor according to the embodiment.
도 4는 실시예에 따른 레지스트층(400)이 형성된 후의 이미지 센서 구조를 도시한 측단면도이고, 도 5는 실시예에 따른 레지스트층(400)을 형성하기 위하여 이용되는 포토 마스크(F)의 형태를 도시한 상면도이다.4 is a side cross-sectional view illustrating an image sensor structure after a
도 4를 참조하면, 반도체 기판(100) 위에 절연층(200)이 형성되고, 상기 절연층(200) 위에 보호층(passivation layer)(300)이 형성된다.Referring to FIG. 4, an
가령, 상기 보호층(300)은 실리콘 질화물 재질로 형성될 수 있으며, 평편한 상태이다.For example, the
상기 보호층(300)이 형성되면 그 위에 레지스트 물질을 소정 두께로 도포하여 평탄한 레지스트층을 적층하고, 도 5에 도시된 포토 마스크(F)를 이용하여 노광 공정을 처리한다.When the
상기 평탄한 레지스트층은 이후 형성될 평탄화보호층(도 8 참조; 600)과 유사한 감광 물질로 이루어질 수 있으며, 실시예에는 네거티브 타입이 사용된 것으로 한다.The flat resist layer may be made of a photosensitive material similar to the planarization protective layer (see FIG. 8; 600) to be formed later, and a negative type is used in the embodiment.
이후, 상기 평탄한 레지스트층에 대하여 현상 공정을 처리함으로써 도 4에 도시된 것과 같은 볼록한 형상의 레지스트층(400)이 완성된다.Thereafter, the development process is performed on the flat resist layer, thereby completing a
상기 레지스트층(400)을 형성하는 과정에 대하여 보다 상세히 설명하기에 앞서, 도 4에 도시된 실시예에 따른 이미지 센서의 구조에 대하여 간략히 언급하면 다음과 같다.Before describing the process of forming the
도 6은 도 4의 "A" 부분을 확대도시한 측단면도이다.FIG. 6 is an enlarged side cross-sectional view of part “A” of FIG. 4.
도 6에 의한 실시예에 따른 이미지 센서는 컬러필터층(도 8 참조; 500), 평탄화보호층(600), 마이크로렌즈(도 8 참조; 700)가 형성되기 전의 상태로서, 상기 반도체 기판(100)에는 다수의 포토 다이오드(110)가 형성된다.The image sensor according to the embodiment of FIG. 6 is a state before the color filter layer (see FIG. 8; 500), the
상기 포토 다이오드(110)와 수직하게 대응되도록 컬러필터층(500), 마이크로렌즈(700)가 차별적으로 형성되며, 상기 반도체 기판(100)의 포토 다이오드(110) 영역은 이미지 센서의 단위 화소를 이룬다.The
상기 반도체 기판(100) 위로는 다수의 적층 구조를 가지는 절연층(200)이 형 성되며, 상기 절연층(200)은 컨택 플러그, 금속 배선 등을 포함한다.An
도 6에 의하면, 상기 절연층은 제1절연층(210), 제2절연층(220), 제3절연층(230)으로 이루어진 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 6, the insulating layer may be formed of a first
전술한 대로, 상기 포토 다이오드(110)는 이미지 센서를 이루는 다수의 화소들 중 하나의 화소(Pixel, P)를 구성하며, 상기 포토 다이오드(110)에 저장된 전하들의 전송 및 출력 등을 제어하는 다수의 트랜지스터(도시되지 않음)와 연결된다.As described above, the
가령, 상기 트랜지스터는 포토 다이오드(110) 사이의 반도체 기판(100) 영역에 반도체 공정을 통하여 형성될 수 있으며, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax) 등으로 이루어질 수 있다.For example, the transistor may be formed in a region of the
또한, 상기 절연층(200) 상의 컨택 플러그 및 금속 배선 등은 상기 포토 다이오드(110) 사이의 영역과 수직하게 대응되는 절연층(200)에 형성됨으로써, 상측으로부터 포토 다이오드(110)로 입사되는 광경로를 방해하지 않는다.In addition, contact plugs, metal wires, etc. on the
실시예에 따른 이미지 센서는 빛의 광경로와 관계된 기술을 다루므로 상기 반도체 구조 및 동작에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Since the image sensor according to the embodiment deals with the technology related to the optical path of light, a detailed description of the semiconductor structure and operation will be omitted.
한편, 도 5에 예시된 상기 포토 마스크(F)는 중앙부로부터 끝단부를 향하여 투과율이 점진적으로 변화되는 구조를 가지는데, 가령 상기 포토 마스크(F)의 중앙부는 100%의 투과율을 가지고, 끝단부를 향하여 점진적으로 불투명하게 형성되어 상기 끝단부는 0%의 투과율을 가지도록 형성될 수 있다.On the other hand, the photo mask F illustrated in FIG. 5 has a structure in which the transmittance gradually changes from the center portion toward the end portion. For example, the center portion of the photo mask F has a transmittance of 100% and toward the end portion. It may be gradually formed to be opaque so that the end portion may have a transmittance of 0%.
예를 들어, 상기 포토 마스크(F)는 그레이톤의 색배열띠 구조를 가지는 필터 와 유사한 방식으로 제작될 수 있다.For example, the photo mask F may be manufactured in a manner similar to a filter having a color tone band structure of gray tones.
상기 포토 마스크(F) 영역 상에서 투과율의 변화율은 상기 레지스트층(400)의 곡면률과 비례하여 조정된다.The rate of change of transmittance on the photo mask F area is adjusted in proportion to the curvature of the
상기 레지스트 물질은 투과율이 95% 이상인 투명한 네거티브 타입이므로, 노광 에너지에 따라 현상시 제거율이 제어될 수 있다.Since the resist material is a transparent negative type having a transmittance of 95% or more, the removal rate during development may be controlled according to the exposure energy.
따라서, 상기 포토 마스크(F)를 이용하여 노광 공정을 처리하면, 상기 평탄한 레지스트층은 중앙부로부터 끝단부를 향하여 점차 약한 노광 에너지를 주사받을 수 있다. 따라서, 상기 평탄한 레지스트층은 중앙부로부터 끝단부를 향하여 현상액에 상이한 저항성을 갖게 된다.Therefore, when the exposure process is performed using the photo mask F, the flat resist layer may gradually receive weaker exposure energy from the center toward the end. Thus, the flat resist layer has different resistance to the developer from the center to the end.
즉, 실시예에 의하면, 상기 평탄한 레지스트층의 중앙부는 단단하게 고착되어 현상액에 의하여 가정 적게 소실되고, 끝단부는 상대적으로 무른 상태가 되어 가장 많이 소실된다.That is, according to the embodiment, the center portion of the flat resist layer is firmly fixed and is less likely to be lost by the developer, and the end portion is relatively soft and is lost most.
따라서, 상기 평탄한 레지스트층은 노광 및 현상 공정을 거친 뒤, 도 4에 도시된 것과 같이, 위를 향하여 볼록한 형상을 이룰 수 있다.Accordingly, the flat resist layer may have a convex shape toward the top, as shown in FIG. 4 after the exposure and development processes.
도 7은 실시예에 따른 보호층(300)이 완성된 후의 이미지 센서 구조를 도시한 측단면도이다.7 is a side cross-sectional view showing the image sensor structure after the
이와 같은 과정을 통하여, 상기 레지스트층(400)이 형성되면 상기 포토 마스크(F)를 제거하고, 이방성 식각 특성을 가지는 에치백(etch back) 공정을 진행한다.Through this process, when the resist
상기 에치백 공정은 상기 레지스트층(400)이 제거된 후 상기 보호층(300)의 소정 깊이까지 진행되며, 상기 레지스트층(400)의 볼록한 형태는 상기 보호층(300)에 전사된다.The etch back process is performed to the predetermined depth of the
따라서, 상기 보호층(300)은 레지스트층(400)과 동일한 곡면 형태를 이룰 수 있다.Therefore, the
도 8은 실시예에 따른 이미지 센서가 완성된 후의 형태를 도시한 측단면도이다.8 is a side cross-sectional view showing a form after the image sensor according to the embodiment is completed.
이후, 상기 보호층(300) 위에 컬러필터층(500)을 형성하고, 그 위에 평탄화보호층(600)을 형성한다.Thereafter, the
상기 컬러필터층(500)은 단위화소 영역, 즉 상기 포토 다이오드(110)의 영역에 따라 상이한 색을 가지는 다수의 컬러필터로 이루어질 수 있다.The
또한, 상기 평탄화보호층(600)은 레지스트 물질을 이용하여 형성될 수 있다.In addition, the
다음으로, 상기 포토 다이오드(110)와 수직하게 대응되는 상기 평탄화보호층(600) 위에 다수의 마이크로 렌즈(700)를 형성한다.Next, a plurality of
따라서, 상기 마이크로 렌즈(700)는 도 8에 도시된 것처럼 이미지 센서의 칩중앙으로부터 끝단을 향하여 볼록한 면을 이루어 배열될 수 있다.Therefore, the
상기 보호층(300)이 질화물로 형성되는 경우 굴절 계수가 약 2.0 정도이며, 상부층을 이루는 상기 컬러필터층(500), 상기 평탄화보호층(600), 상기 마이크로 렌즈(700)의 굴절 계수보다 크다. 참고로, 상기 마이크로 렌즈(700)의 굴절률은 약 1.6 정도가 된다.When the
이처럼, 실시예에 의하면 상기 마이크로 렌즈(700)의 배열 특성, 층간 굴절 특성을 최대한 이용함으로써, 입사각이 상이한 빛이 상기 마이크로 렌즈(700)를 거쳐 상기 포토 다이오드(110)에 다다르더라도 수직한 상태를 유지할 수 있게 된다.As described above, according to the exemplary embodiment, by maximizing the arrangement characteristics and the interlayer refractive characteristics of the
따라서, 입사각에 상관 없이 이미지 센서의 단위 화소에 따라 초점이 맺히는 위치와 초점의 크기를 일정하게 할 수 있고, 상기 절연층(200) 상의 금속구조물에 의하여 빛이 산란되는 것을 방지할 수 있다.Accordingly, the position at which focus is achieved and the size of the focus may be constant according to the unit pixel of the image sensor regardless of the incident angle, and light may be prevented from being scattered by the metal structure on the insulating
또한, 이미지 센서의 중앙부를 기준으로 마이크로 렌즈를 설계하더라도 이미지 센서의 끝단부에서 동일한 초점면이 형성될 수 있으므로, 센서칩의 가장자리에서 빛이 왜곡되는 현상을 방지할 수 있다.In addition, even when the microlenses are designed based on the center of the image sensor, the same focal plane may be formed at the end of the image sensor, thereby preventing the light from being distorted at the edge of the sensor chip.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to the preferred embodiments, which are merely examples and are not intended to limit the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications are not possible that are not illustrated above. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1은 이미지 센서가 장착된 외부 렌즈 모듈의 구조를 개략적으로 도시한 측단면도.1 is a side cross-sectional view schematically showing the structure of an external lens module equipped with an image sensor.
도 2는 외부 렌즈 모듈에 장착된 이미지 센서에 빛이 수직하게 입사되는경우를 모식화한 도면.2 is a view schematically illustrating a case in which light is vertically incident on an image sensor mounted to an external lens module.
도 3은 외부 렌즈 모듈에 장착된 이미지 센서에 빛이 비스듬하게 입사되는 경우를 모식화한 도면.3 is a view schematically illustrating a case in which light is obliquely incident on an image sensor mounted to an external lens module.
도 4는 실시예에 따른 레지스트층이 형성된 후의 이미지 센서 구조를 도시한 측단면도.4 is a side cross-sectional view showing the image sensor structure after the resist layer is formed according to the embodiment.
도 5는 실시예에 따른 레지스트층을 형성하기 위하여 이용되는 포토 마스크의 형태를 도시한 상면도.Fig. 5 is a top view showing the form of a photo mask used to form a resist layer according to the embodiment.
도 6은 도 4의 "A" 부분을 확대도시한 측단면도.FIG. 6 is an enlarged side cross-sectional view of portion “A” of FIG. 4; FIG.
도 7은 실시예에 따른 보호층이 완성된 후의 이미지 센서 구조를 도시한 측단면도.7 is a side cross-sectional view showing the image sensor structure after the protective layer according to the embodiment is completed.
도 8은 실시예에 따른 이미지 센서가 완성된 후의 형태를 도시한 측단면도.8 is a side sectional view showing a form after the image sensor according to the embodiment is completed;
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