KR20100028237A - 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포토다이오드의 집광 효율을 증가시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 다수의 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 전면에 형성된 층간절연층과, 상기 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 형성된 보호막과, 상기 보호막 상에 상기 포토 다이오드와 대응되게 일정한 간격으로 형성된 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층 전면에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하며, 상기 반도체 기판은 상기 다수의 칼라 필터층 영역에 대응되는 각각의 영역마다 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
반도체 기판, 포토다이오드, 칼라필터층
Description
본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 포토다이오드의 집광 효율을 증가시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게, 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수개의 포토 다이오드(Photo diode; PD)가 매트릭스 형태로 배열되고, 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical charge coupled device; VCCD)과, 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평방향으로 전송하는 수평 방향 전하전송영역(Horizontal charge coupled device; HCCD) 및 상기 수평방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기 적인 신호를 출력하는 센스 증폭기(Sense Amplifier)를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 갖고 있다.
또한, 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로(A/D converter) 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
이러한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 수량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 공정단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서는 적어도 하나 이상 형성되어 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(12)들이 형성된 반도체 기판(10)과, 다수의 금속배선(미도시)을 포함하며 반도체 기판(10)의 전면에 형성된 층간 절연층(14)과, 층간 절연층(14) 상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화되어 형성된 보호막(16)과, 보호막(16) 상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 형성된 각각의 파장대별로 빛을 필터링하는 칼라필터층(18)과, 칼라필터층(18) 상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화되어 형성된 평탄화층(20)과, 평탄화층(20) 상에 형성된 마이크로 렌즈용 물질층을 리플로우(Reflow) 공정으로 열처리하여 일정한 곡률을 갖도록 형성된 마이크로렌즈(22)를 포함한다.
하지만, 종래의 씨모스 이미지 센서는 마이크로렌즈로부터 집광된 빛을 컬러 필터와 층간 절연막을 거쳐 수광부의 포토다이오드에 집속하는데 빛의 굴절율 차이로 인하여 적색, 녹색, 청색 칼라필터의 초점 거리가 상이한데도 불구하고 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 간격이 일정하기 때문에 파장이 짧을수록 집광효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 포토다이오드의 집광 효율을 증가시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성된 다수의 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 전면에 형성된 층간절연층과, 상기 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 형성된 보호막과, 상기 보호막 상에 상기 포토 다이오드와 대응되게 일정한 간격으로 형성된 다수의 칼라 필터층과, 상기 칼라 필터층 전면에 형성된 평탄화층과, 상기 평탄화층 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하며, 상기 반도체 기판은 상기 다수의 칼라 필터층 영역에 대응되는 각각의 영역마다 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 각각의 칼라필터층 영역과 대응되는 반도체 기판을 서로 다른 두께를 가지도록 선택적으로 식각하는 단계와, 상기 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판의 전면에 층간절연층을 형성하는 단계와, 상기 층간절연층의 상부에 보호막을 형성하는 단계와, 상기 보호막 상에 상기 포토 다이오드와 대응되게 일정한 간격으로 상기 다수의 칼라필터층을 형성하는 단계와, 상기 칼라필터층들 상에 평탄화층을 형성하는 단계와, 상기 평탄화층 전면에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 경사진 포토다이오드를 형성함으로써 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 간격을 적절하게 조절할 수 있으며, 이로 인하여 포토다이오드의 집광 효율을 증가시켜 색 재현성 및 색대조비 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드(48)가 형성된 반도체 기판(50)의 전면에 형성된 층간절연층(52)과, 층간절연층(52)에 형성된 보호막(54)과, 보호막(54) 상에 형성된 블루, 그린 및 레드 칼라필터층(56)과, 칼라필터층들(56) 상에 형성된 평탄화층(58)과, 평탄화층(58) 전면에 형성된 마이크로렌즈(60)를 포함하며, 반도체 기판(50)은 레드(R), 블루(B) 및 그린(G) 칼라필터(56)층 영역마다 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
반도체 기판(50)은 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 칼라필터층(56) 영역 순으로 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 한다.
마이크로 렌즈(60)는 포토다이오드(48)와의 사이 간격이 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 칼라필터층(56) 영역 순으로 짧아지는 것을 특징으로 한다.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(50)은 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 칼라필터층(56) 영역마다 다른 두께를 가지도록 선택적으로 식각된다. 이때, 반도체 기판(50)은 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 칼라필터층(56) 영역 순으로 두께가 두꺼워지도록 식각되는 것이 바람직하다.
이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(50)에 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 칼라필터층(56) 영역마다 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 포토 다이오드(48)를 형성하고, 포토다이오드(48)를 포함한 반도체 기판(50) 전면에 층간절연층(52)를 형성한다.
여기서, 층간 절연층(52)은 다층으로 형성될 수도 있고, 하나의 층간 절연층(52)을 형성한 후에 포토 다이오드(48) 이외의 부분으로 빛이 입사되는 것을 막기 위한 차광층(미도시)을 형성한 후에 다시 층간 절연층(52)이 형성될 수 있다.
이어, 층간 절연층(52) 상에 수분 및 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 평탄화된 보호막(54)을 형성한다. 그리고 보호막(54) 상에 가염성 레지스트를 사용하여 도포 및 패터닝 공정을 진행하여 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 칼라필터층(56)을 형성한다.
그리고나서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 칼라필터층(56) 상에 초점 거리 조절 및 렌즈층을 형성하기 위한 평탄도 확보 등을 위하여 평탄화 된 평탄화층(58)을 형성한다. 그리고, 평탄화층(58) 상에 마이크로 렌즈용 물질층으로 고분자 물질을 접착하여 형성하고 고분자 물질 상에 감광막을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 감광막을 식각하여 마이크로렌즈 영역을 정의한다. 이후, 감광막을 이용하여 마이크로 렌즈용 물질층인 고분자 물질을 선택적으로 식각하여 포토다이오드(48)와 대응되면서 칼라필터층(56)과 거의 동일한 크기를 갖는 마이크로 렌즈 패턴을 형성한다. 이후, 마이크로 렌즈 패턴에 리플로우(Reflow) 공정으로 열처리하여 일정한 곡률을 갖는 마이크로렌즈(60)를 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 도 3c에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(60)와 포토다이오드(48) 사이의 간격이 레드, 그린 및 블루 칼라필터층 영역(56) 순으로 짧아지게 되어 각 영역마다의 포토다이오드(48)의 집광 효율을 증가시켜 색 재현성 및 색 대조비 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 공정단면도.
도 2는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.
Claims (10)
- 각각의 칼라필터층 영역과 대응되는 반도체 기판을 서로 다른 두께를 가지도록 선택적으로 식각하는 단계와,상기 반도체 기판에 포토다이오드를 형성하는 단계와,상기 포토다이오드를 포함한 상기 반도체 기판의 전면에 층간절연층을 형성하는 단계와,상기 층간절연층의 상부에 보호막을 형성하는 단계와,상기 보호막 상에 상기 포토 다이오드와 대응되게 일정한 간격으로 상기 다수의 칼라필터층을 형성하는 단계와,상기 칼라필터층들 상에 평탄화층을 형성하는 단계와,상기 평탄화층 전면에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 기판은 각각의 상기 칼라필터층 영역과 대응되는 반도체 기판의 영역에 따라 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 다수의 칼라필터층은 레드, 그린 및 블루 칼라필터층인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,각각의 칼라필터층 영역과 대응되는 반도체 기판의 영역에 따라 서로 다른 두께를 가지도록 선택적으로 식각하는 단계는상기 레드, 그린 및 블루 칼라필터층 영역 순으로 상기 반도체 기판의 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 마이크로 렌즈와 상기 포토다이오드 사이의 간격은상기 레드, 그린 및 블루 칼라필터층 영역 순으로 짧아지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 반도체 기판 상에 형성된 다수의 포토 다이오드와,상기 포토 다이오드를 포함한 상기 반도체 기판 전면에 형성된 층간절연층과,상기 층간절연층 상에 소자를 보호하기 위해 형성된 보호막과,상기 보호막 상에 상기 포토 다이오드와 대응되게 일정한 간격으로 형성된 다수의 칼라 필터층과,상기 칼라 필터층 전면에 형성된 평탄화층과,상기 평탄화층 상부에 형성된 마이크로렌즈를 포함하며,상기 반도체 기판은 상기 다수의 칼라 필터층 영역에 대응되는 각각의 영역마다 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 5항에 있어서,상기 반도체 기판은 각각의 상기 칼라필터층 영역과 대응되는 반도체 기판의 영역에 따라 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 6항에 있어서,상기 다수의 칼라필터층은 레드, 그린 및 블루 칼라필터층인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 8항에 있어서,상기 반도체 기판은상기 레드, 그린 및 블루 칼라필터층 영역 순으로 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 8항에 있어서,상기 마이크로 렌즈와 상기 포토다이오드 사이의 간격은상기 레드, 그린 및 블루 칼라필터층 영역 순으로 짧아지는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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|---|---|---|---|---|
| CN104051482A (zh) * | 2013-03-14 | 2014-09-17 | 株式会社东芝 | 固体摄像装置及固体摄像装置的制造方法 |
| US9257466B2 (en) | 2013-03-14 | 2016-02-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Solid state imaging device and method for manufacturing solid state imaging device |
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| KR101015527B1 (ko) | 2011-02-16 |
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