KR20100050324A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 실시예에 따른 이미지센서는, 픽셀영역과 로직회로 영역을 포함하는 기판, 상기 기판상의 픽셀영역에 트렌치를 포함하여 상기 기판상에 형성된 층간절연층 및 상기 픽셀영역의 층간절연층 트렌치에 형성되며 단위픽셀별로 형성된 제1렌즈들 및 상기 트렌치 내에 형성되며, 제1렌즈들을 덮는 제2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다. 실시예는 픽셀 내부의 금속배선을 위치를 변경할 필요가 없으며 잘못 배치된 금속 배선에 의해 산란되는 빛을 감소시킬 수 있으므로 이미지 센서의 광 효율을 높일 수 있다.
매크로렌즈, 경사광, 수직광
Description
실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최신의 이미지센서(Image Sensor) 제작에 있어 기존과 달리 새롭게 나타나는 문제는 (1) 고해상도의 작은 픽셀(pixel)을 구현하기 위한 복잡한 로직(logic) 회로에 따른 BEOL 금속배선 층의 증가와 (2) 픽셀(pixel) 크기가 작아짐에 따라 광학 한계를 극복하기 위한 마이크로렌즈(Micro Lens: ML)와 포토다이오드(photo diode) 사이의 수직거리를 줄이는데 따른 한계 등이 있다.
이미지 센서의 픽셀 크기가 작아짐에 따라 픽셀 영역 외곽 지역에서는 경사 광이 픽셀에 입사되는 것이므로 픽셀의 중앙 영역과 달리 경사 입광에 따른 광 경로에 따라 금속 배선을 적절히 배치하는 것이 중요하다. 이는 픽셀 크기가 작아짐에 따라 입사 광의 열화가 심해져 하부의 포토다이오드까지 전달되기도 전에 금속배선층의 방해를 받아 산란되는 빛이 점차 많아지기 때문이다.
따라서, 픽셀 외곽 영역으로 갈수록 금속 배선의 위치를 이동시키는 기술을 메탈 쉬프트(metal shift)라고 하는데 이러한 기술을 구현하기 위해서는 매우 정교 한 광학 설계가 필수적이다.
실시예는 픽셀 외곽 영역으로 입사되는 경사 광을 조정하여 마이크로 렌즈에 수직광으로 입사될 수 있도록 하는 이미지 센서를 제공한다.
실시예는 어레이 에치백(array etch back) 구조를 가져 광경로를 줄임으로써 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예는 픽셀 내부의 금속배선을 위치를 변경할 필요가 없으며 잘못 배치된 금속 배선에 의해 산란되는 빛을 감소시킬 수 있으므로 이미지 센서의 광 효율을 높일 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지센서는, 픽셀영역과 로직회로 영역을 포함하는 기판, 상기 기판상의 픽셀영역에 트렌치를 포함하여 상기 기판상에 형성된 층간절연층 및 상기 픽셀영역의 층간절연층 트렌치에 형성되며 단위픽셀별로 형성된 제1렌즈들 및 상기 트렌치 내에 형성되며, 제1렌즈들을 덮는 제2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은, 픽셀영역과 로직회로 영역을 포함하는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계, 상기 픽셀영역의 층간절연층에 트렌치를 형성하고 상기 트렌치에 단위픽셀별로 제1렌즈들을 형성하는 단계 및 상기 트렌치 내에서 상기 제1렌즈들을 덮는 제2렌즈를 형성하 는 단계를 포함한다.
실시예는 이미지 센서의 픽셀 영역에서 마이크로 렌즈들을 덮는 매크로렌즈를 형성함으로써 픽셀 외곽 영역에서 매크로렌즈로 입사되는 경사 광을 조정하여 마이크로 렌즈에 수직광으로 입사될 수 있도록 하여 픽셀 전영역에서 포토 다이오드로 광이 수직하게 입사될 수 있도록 하여 광 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예는 픽셀 내부의 금속배선을 위치를 변경할 필요가 없으며 잘못 배치된 금속 배선에 의해 산란되는 빛을 감소시킬 수 있으므로 이미지 센서의 광 효율을 높일 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 발명은 씨모스 이미지센서(CIS)에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 마이크로렌즈가 필요한 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
도 1 내지 도 3은 실시예에 따른 이미지센서의 제조 공정을 보여주는 단면도 들이다.
우선, 도 1과 같이 픽셀영역과 로직회로 영역을 포함하는 기판을 준비한다. 이때, 픽셀영역이 기판에는 픽셀별로 이미지감지부(미도시)가 형성되어 있다. 상기 이미지감지부는 포토다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것이 아니고 포토게이트, 포토다이오드와 포토게이트의 결합형태 등이 될 수 있다.
한편, 실시예는 BEOL 최상부에 컬러필터 어레이(Color filter array) 대신 절연막, 예를 들어 산화막(Oxide)가 형성되는 특정구조의 이미지센서(image sensor)의 경우 얇은 픽셀(pixel) 지역을 형성하는 동시에 두터운 로직(logic) 회로를 동시에 형성하면서도 마이크로렌즈 리소그라피(ML lithography) 공정은 평면상태에서 진행할 수 있다.
즉, 실시예에서의 이미지감지부를 R, G, B에 대한 포토다이오드가 적층형(stacked type)으로 형성되어 컬러필터가 필요하지 않은 경우에 적용될 수 있다. 또는, 흑백 이미지센서를 위한 경우 컬러필터가 필요하지 않게 되며, 포토다이오드는 적층형이 아닌 통상의 포토다이오드일 수 있다.
이후, 상기 기판(100)상에 층간절연층(140)을 형성한다. 예를 들어, 빛의 투광성이 있는 산화막 등의 절연층으로 층간절연층(140)을 형성할 수 있다.
상기 층간절연층은 포토다이오드와 대응하는 광 경로를 제외한 부분에 금속 배선(120)들이 형성된다. 상기 금속배선(120)들은 로직회로 및 픽셀영역의 회로들과 연결된다.
다음, 층간절연층(140) 상에 로직회로 영역이 식각되지 않도록 해주는 마스 크로서 감광막 패턴 등을 형성하고 픽셀영역의 층간절연층(140)을 식각하여 트렌치(T)를 형성한다.
상기 층간절연층(140)에 형성된 트렌치(T)의 바닥면에 마이크로 렌즈(160)를 형성한다.
상기 마이크로 렌즈(160)는 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(160)는 단위픽셀별로 구비된다.
상기 마이크로 렌즈(160)를 형성하기 위한 다른 방법도 있다. 상기 트렌치(T)를 형성하기 전에 픽셀영역의 층간절연층(140) 상에 예비마이크로렌즈를 형성한 다음 상기 감광막 패턴 및 상기 예비마이크로렌즈를 식각마스크로 상기 층간절연층(140)을 식각하여 상기 층간절연층(140)에 트렌치 및 마이크로렌즈(160)가 형성된다.
구체적으로, 층간절연층(140)인 산화막(Oxide)과 감광막의 식각 선택 비가 약 1:1이 되도록 에치백(etch back)을 하면, 픽셀(pixel) 지역은 예비마이크로렌즈 패턴이 하부 층간절연층(140)에 전사되고, 로직회로 영역은 감광막 패턴이 식각마스크 역할을 하므로 식각되지 않는다. 이후, 상기 감광막 패턴을 제거한다. 이후, 세정 공정 및 식각 중 발생할 수 있는 열화를 완화시키는 어닐링 공정 등이 추가될 수 있다.
도 2를 참조하면, 픽셀영역 전체에 형성된 층간 절연층(140)의 트렌치(T) 내에 상기 마이크로 렌즈(160)들을 덮는 포토레지스트 패턴(170)을 형성한다.
보다 구체적으로, 상기 트렌치(T)를 갖는 층간절연층(140) 상에 포토레지스 트막을 코팅한다. 상기 포토레지스트막을 선택적으로 노광한 후 현상하여 상기 픽셀영역에 대응하는 트렌치(T) 내부에 상기 마이크로렌즈(160)들을 덮는 포토레지스트 패턴(170)을 형성한다.
상기 포토레지스트 패턴(170)은 가시광선을 투과시킬 수 있도록 투명하며, 상기 마이크로 렌즈(160)들을 모두 덮는다.
이후, 도 3을 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(170)을 리플로우시켜 매크로 렌즈(171)를 형성한다.
상기 매크로 렌즈(171)는 상기 마이크로 렌즈(160)들을 덮는 반구형의 렌즈이다.
상기 리플로우 공정은 150~200℃에서 상기 포토레지스트 패턴(170)을 녹여 흘러내리도록 하는 것이며, 상면이 적절한 곡률반경을 가지게 되면 쿨링 공정을 통해 서서히 경화시킨다.
이때, 상기 매크로 렌즈(171)의 굴절율은 공기의 굴절율 1 보다 크고 마이크로 렌즈(160)의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는다.
예를 들어, 상기 매크로렌즈(171)의 굴절계수는 약1.0~2.0이며 상기 마이크로 렌즈(160)의 굴절율은 1.6~3.0 일 수 있다.
상기 매크로렌즈(171)가 곡률을 가지기 위해서는 포토레지스트 패턴(170)과 상기 트렌치(T)의 측벽과의 사이에 소정의 갭이 존재하는 것이 바람직하다. 리플로우된 포토레지스트 패턴(171)이 이 갭으로 흘러들어가 상면에 곡률이 만들어질 수 있기 때문이다.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 모듈을 보여주는 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 이미지 센서는 도 1 내지 도 3의 제조공정을 거쳐 제조되며, 패킹되어 외부 렌즈(190)가 상기 픽셀 영역의 상부에 배치된다.
상기 외부 렌즈(190)는 외부로부터 광을 수광하여 이미지센서의 픽셀 영역으로 빛을 입사시킨다. 이때, 상기 외부 렌즈(190)의 특성상 중앙 부분에서는 빛이 수직하게 출사되나 외곽 부분에서는 빛이 경사지게 출사된다.
따라서, 상기 매크로 렌즈(171)로 들어오는 빛은 중앙 부분에서는 수직광(192)이 입사되며 외곽 부분에서는 경사광(191)이 입사된다.
상기 매크로 렌즈(171)의 굴절율로 인하여 수직광(192)은 그대로 수직하게 통과하고, 상기 경사광(191)은 기판에 대하여 수직한 방향으로 굴절되어 퉁과한다.
따라서, 상기 픽셀 영역 전반에서 입사되는 모든 광이 마이크로 렌즈(160)에 수직한 광으로 입사되는 것이다.
따라서, 상기 마이크로 렌즈(160)를 통과한 수직광(192)들은 그대로 기판에 대하여 수직한 방향으로 층간절연층(140)을 통과하여 포토다이오드로 입사된다.
그러므로, 추가의 외부 렌즈(190)에 의해 수직 입사되는 입사광에 의해 픽셀 내부의 금속 배선(120)을 경사광(191)의 경우와 같이 재배치할 필요가 없고 잘못 배치된 금속 배선(120)에 의해 산란되는 빛이 감소하므로 이미지 센서의 광효율을 효과적으로 높일 수 있게 된다.
또한, 실시예는 이미지 센서의 픽셀 영역에서 마이크로 렌즈(160)들을 덮는 매크로렌즈(171)를 형성함으로써 픽셀 외곽 영역에서 매크로렌즈(171)로 입사되는 경사광(191)을 조정하여 마이크로 렌즈(160)에 수직광으로 입사될 수 있도록 하여 픽셀 전영역에서 포토 다이오드로 광이 수직하게 입사될 수 있도록 하여 광 감도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 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.
도 1 내지 도 3은 실시예에 따른 이미지센서의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다.
도 4는 실시예에 따른 이미지 센서의 모듈을 보여주는 단면도이다.
Claims (6)
- 픽셀영역과 로직회로 영역을 포함하는 기판;상기 기판상의 픽셀영역에 트렌치를 포함하여 상기 기판상에 형성된 층간절연층; 및상기 픽셀영역의 층간절연층 트렌치에 형성되며 단위픽셀별로 형성된 제1렌즈들; 및상기 트렌치 내에 형성되며, 제1렌즈들을 덮는 제2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제2렌즈의 굴절율은 1보다크고 제1렌즈의 굴절율보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제1렌즈는 실리콘질화막 또는 실리콘산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 픽셀영역과 로직회로 영역을 포함하는 기판을 준비하는 단계;상기 기판상에 층간절연층을 형성하는 단계;상기 픽셀영역의 층간절연층에 트렌치를 형성하고 상기 트렌치에 단위픽셀별로 제1렌즈들을 형성하는 단계; 및상기 트렌치 내에서 상기 제1렌즈들을 덮는 제2렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 제2렌즈를 형성하는 단계에 있어서,상기 트렌치 내에 상기 제1렌즈들을 덮는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 리플로우시켜 곡률을 갖는 상기 제2렌즈를 형성하는 이미지센서의 제조 방법
- 제 4항에 있어서,상기 제2렌즈의 굴절율은 1보다크고 제1렌즈의 굴절율보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조 방법.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021192518A (ja) * | 2017-08-07 | 2021-12-16 | ウェイモ エルエルシー | フルデジタルのモノリシックなフレーム平均化レシーバに関する非結像ｓｐａｄアーキテクチャの集約 |
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2008
- 2008-11-05 KR KR1020080109555A patent/KR20100050324A/ko not_active Application Discontinuation
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| JP2021192518A (ja) * | 2017-08-07 | 2021-12-16 | ウェイモ エルエルシー | フルデジタルのモノリシックなフレーム平均化レシーバに関する非結像ｓｐａｄアーキテクチャの集約 |
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