KR20100052838A - 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프리즘을 이용하여 집광 효율을 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판의 전면에 형성된 제 1 층간 절연층과, 상기 제 1 층간절연층 상에 빛을 필터링하기 위해 사면형태로 형성된 내부 프리즘과, 상기 내부프리즘을 포함한 제 1 층간 절연층 전면에 형성된 제 2 층간 절연층과, 상기 제 2 층간절연층 상에 내부 프리즘과 대응되도록 형성된 마이크로렌즈를 포함하며, 상기 내부 프리즘은 하나의 픽셀당 형성된 3개의 포토다이오드와, 하나의 마이크렌즈와 대응되는 것을 특징으로 한다.
내부 프리즘, 씨모스 이미지 센서
Description
본 발명은 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 프리즘을 이용하여 집광 효율을 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하 결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor)로 구분된다. 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)는 각각의 모스(MOS) 커패시터가 서로 인접하여 배치된 구조를 가지며, 전하 캐리어가 임의의 모스 커패시터에 저장된 후 그 후단의 모스 커패시터로 전송되는 방식의 소자이다. 상기 전하 결합 소자는 복잡한 구동 방식, 많은 전력 소모, 많은 포토공정 스텝으로 인한 복잡한 제조공정 등의 단점을 갖는다. 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. 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. 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 적은 전력 소모, 적은 포토공정 스텝에 따른 단순한 제조공정 등과 같은 장점을 갖는다. 또한, 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈와 포토다이오드와의 관계를 도시한 단면도이다. 즉, 포토다이오드(10)의 중심에서 마이크로렌즈(12)의 중심까지의 거리(H)에 의해 입사된 빛이 포토다이오드(10)에 분포되는 빛의 세기를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드(10)의 중심에서 마이크로렌즈(12)의 중심까지의 거리(H)가 포토다이오드(10)의 한변의 길 이의 수배에 이르기 때문에 포토다이오드에 촛점을 맞출 수 있는 마이크로렌즈(12)의 형성이 어렵다. 또한, 마이크로렌즈(12)의 촛점거리에 비해 포토다이오드(10)로부터 마이크로렌즈(12)까지의 거리가 멀기 때문에, 마이크로렌즈(12)에 의해 굴절된 빛이 포토다이오드에 이르지 못하고 손실되는 경우가 많이 발생하며, 경우에 따라 비스듬하게 입사되는 빛의 각도는 집광되지 못하는 경우도 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 프리즘을 이용하여 집광 효율을 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판의 전면에 형성된 제 1 층간 절연층과, 상기 제 1 층간절연층 상에 빛을 필터링하기 위해 사면형태로 형성된 내부 프리즘과, 상기 내부프리즘을 포함한 제 1 층간 절연층 전면에 형성된 제 2 층간 절연층과, 상기 제 2 층간절연층 상에 내부 프리즘과 대응되도록 형성된 마이크로렌즈를 포함하며, 상기 내부 프리즘은 하나의 픽셀당 형성된 3개의 포토다이오드와, 하나의 마이크렌즈와 대응되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 반도체 기판에 다수의 포토다이오드들을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 전면에 제 1 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 층간절연층 상에 빛을 필터링하기 위해 사면형태로 내 부 프리즘을 형성하는 단계와, 상기 내부프리즘을 포함한 제 1 층간 절연층 전면에 제 2 층간 절연층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 층간절연층 상에 내부 프리즘과 대응되도록 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 내부 프리즘은 하나의 픽셀당 형성된 3개의 포토다이오드와, 하나의 마이크렌즈와 대응되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 제조방법은 컬러필터층을 사용하지 않아 마이크로렌즈와 포토다이오드 사이의 거리를 줄이며, 내부 프리즘을 이용하여 색을 분리하여 포토다이오드로 전달함으로써 컬러 필터링에 따른 빛의 손실을 줄이는 효과를 가진다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이때 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 제한되지는않는다.
그리고 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두 고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드(20)들이 형성된 반도체 기판(22)과, 반도체 기판(22) 전면에 형성된 제 1 층간절연층(24a)과, 제 1 층간절연층(24a) 상에 빛을 필터링하기 위해 형성된 내부프리즘(28)과, 내부 프리즘(28)을 포함한 제 1 층간절연층(24a) 전면에 형성된 제 2 층간절연층(24b)와, 제 2 층간절연층(24b) 상에 내부프리즘(28)과 대응되도록 형성된 마이크로렌즈(32)를 포함하여 구성된다.
포토다이오드(20)는 하나의 픽셀당 형성된 하나의 내부 프리즘(28)에 대응되어 3개씩 형성되며, 입사되는 광량에 따른 전하를 생성한다. 여기서, 포토다이오드(20)는 각 내부 프리즘(28)에 수직방향에 가깝게 가장 인접한 포토다이오드(20)는 적색(R)에 해당하는 포토다이오드(20a)가 형성되고, 그 다음으로 녹색(G)에 해당하는 포토다이오드(20b), 청색(B)에 해당하는 포토다이오드(20c) 순으로 형성된다.
제 1 및 제 2 층간 절연층(24a, 24b)는 다층으로 형성될 수도 있다.
내부 프리즘(28)은 층간절연층(24a,24b)보다 굴절율이 높으며, SiO2, Si3N4, SiOxNy등의 가시광선을 투과시킬 수 있는 재료로 하나의 마이크로렌즈(32) 및 3개의 포토다이오드(R,G,B)(20)와 대응되도록 형성된다. 그리고, 소정각을 갖는 사면 이 마이크로렌즈(32)에 대응되고, 인가되는 가시광선을 받고 각각의 색 신호별 파장의 차이에 따라 분리하여 색 신호를 투과시켜 3개의 포토다이오드(20)(R,G,B) 각각에 해당 파장의 색 신호를 보낸다. 이때, 내부 프리즘(28)의 굴절률 값은 물질의 고유 성질이며, 투과광의 파장에 대한 함수이고 파장이 짧을수록 증가하여 짧은 파장의 빛은 굴절각이 커져 상대적으로 많이 꺽이게 된다. 즉, 빛의 3원색인 적색, 녹색, 청색은 각각의 파장 값에 따라 가장 큰 굴절각을 가지는 청색부터, 녹색, 적색 순으로 굴절각이 작아진다. 여기서, 내부 프리즘(28)의 사면의 경사는 광선의 굴절각 크기를 관측하기에 용이하도록 조절가능하며, 포토다이오드(20)에 대한 정확한 수광위치에 따라 조절 가능하다.
마이크로렌즈(32)는 반구형으로 일정한 곡률을 가지며 내부 프리즘(28)과 대응되도록 형성된다.
따라서, 본 발명은 컬러필터의 형성 없이도 내부 프리즘(28)에 일정한 각을 만들어주어 색을 분리하여 각각의 포토다이오드에 전달하기 때문에 빛의 손실이 줄어든다. 또한, R,G,B를 수광하는 포토 다이오드가 모여서 하나의 화소를 이루기 때문에 종래의 보간법으로 한화소의 색상을 구현하던 것이 보간법이 필요없이 해당화소에 해당되는 RGB값이 실제로 구현되기 때문에 종래의 색 구성보다 정밀한 결과를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타 낸 공정단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(22)에 후속 공정에서 형성될 하나의 내부 프리즘(28)에 대응되어 3개씩 형성되며, 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 다수의 포토다이오드(R,G,B)(20)를 형성한다. 이때, 각 내부 프리즘(28)에 수직방향으로 가깝게 가장 인접한 포토다이오드(20)로는 적색(R)에 해당하는 포토다이오드(20a)가 형성되고, 그 다음으로 녹색(G) 포토다이오드(20b), 청색(B) 포토다이오드(20c) 순으로 형성된다.
이후, 다수의 포토다이오드(R,G,B)(20)를 포함한 반도체 기판(22)의 전면에 제 1 층간 절연층(24a)을 형성한다. 여기서, 제 1 층간 절연층(24a)은 다층으로 형성될 수도 있다.
이어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 층간 절연층(24a) 상에 적색 포토다이오드(20a)와 녹색 포토다이오드(20b)에 대응하는 위치부분에 내부 프리즘(28)을 형성한다. 즉, 제 1 층간 절연층(24) 상에 고밀도 플라즈마(HDP : High Density Plasma) 방식으로 제 1 층간 절연층(24)보다 굴절율이 높으며 가시광선을 투과시킬 수 있는 SiO2, Si3N4, SiOxNy등의 재료를 증착한 후, 청색 포토다이오드(20c)를 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시)을 이용하여 청색 포토다이오드(20c) 쪽의 내부 프리즘(28)을 제거한다. 이러한 과정을 통해 내부프리즘(28)은 적색, 그린 포토다이오드(20a, 20b)에 대응되는 부분은 증착 특성상 일정한 굴곡을 갖는 사면 패턴을 가지고, 청색 포토다이오드(20c)에 대응되는 부분은 제거된 형태로 형성된다. 이때, 내부 프리즘(28)의 사면의 경사는 광선의 굴절각 크기를 관측하기에 용이하 도록 조절가능하며, 포토다이오드(20)에 대한 정확한 수광위치에 따라 조절 가능하다.
이후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 내부 프리즘(28)을 포함한 제 1 층간 절연층(24a) 전면에 제 1 층간 절연층과 동일 물질로 제 2 층간 절연층(24b)을 형성한다. 여기서, 제 2 층간 절연층(24b)은 제 1 층간 절연층(24a)과 마찬가지로 다층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 제 2 층간 절연층(24b)의 표면을 고르게 하기 위해서 화학적 기계적 연마 공정(CMP)을 수행하여 평탄화시킨다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 제 2 층간 절연층(24b) 상에 마이크로 렌즈용 물질층으로 고분자 물질을 접착하여 형성하고 고분자 물질 상에 감광막을 도포한 후, 노광 및 현상 공정으로 감광막을 식각하여 내부 프리즘(28)에 대응하는 마이크로렌즈 영역을 정의한다.
이후, 마이크로 렌즈용 물질층인 고분자 물질을 선택적으로 식각하여 내부 프리즘(28)에 대응되면서 거의 동일한 크기를 갖는 마이크로 렌즈 패턴을 형성한다. 이후, 마이크로 렌즈 패턴에 리플로우(Reflow) 공정으로 열처리하여 일정한 곡률을 갖는 마이크로렌즈(32)를 형성한다.
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 따른 씨모스 이미지 센서의 마이크로렌즈와 포토다이오드와의 관계를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 공정단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >
20: 포토다이오드 22: 반도체 기판
24a: 제 1 층간 절연층 24b: 제 2 층간 절연층
28: 내부 프리즘 32: 마이크로렌즈
Claims (15)
- 다수의 포토다이오드들이 형성된 반도체 기판의 전면에 형성된 제 1 층간 절연층과,상기 제 1 층간절연층 상에 빛을 필터링하기 위해 사면형태로 형성된 내부 프리즘과,상기 내부프리즘을 포함한 제 1 층간 절연층 전면에 형성된 제 2 층간 절연층과,상기 제 2 층간절연층 상에 내부 프리즘과 대응되도록 형성된 마이크로렌즈를 포함하며,상기 내부 프리즘은 하나의 픽셀당 형성된 3개의 포토다이오드와, 하나의 마이크렌즈와 대응되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 포토다이오드는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 포토다이오드는상기 내부 프리즘에 수직방향에 가깝게 가장 인접한 상기 포토다이오드는 상 기 적색(R) 포토다이오드, 그 다음으로 상기 녹색(G) 포토다이오드 및 상기 청색(B) 포토다이오드 순으로 형성된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 층간 절연층은 동일한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 내부프리즘은 상기 제 1 및 제 2 층간절연층보다 굴절률이 높은 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 내부프리즘은 가시광선을 투과시킬 수 있는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 내부프리즘은SiO2, Si3N4로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 제 2항에 있어서,상기 내부프리즘은상기 적색 및 녹색 포토다이오드에 대응하는 상기 제 1 층간절연층 상의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
- 반도체 기판에 다수의 포토다이오드들을 형성하는 단계와,상기 반도체 기판의 전면에 제 1 층간 절연층을 형성하는 단계와,상기 제 1 층간절연층 상에 빛을 필터링하기 위해 사면형태로 내부 프리즘을 형성하는 단계와,상기 내부프리즘을 포함한 제 1 층간 절연층 전면에 제 2 층간 절연층을 형성하는 단계와,상기 제 2 층간절연층 상에 내부 프리즘과 대응되도록 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하며,상기 내부 프리즘은 하나의 픽셀당 형성된 3개의 포토다이오드와, 하나의 마이크렌즈와 대응되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 포토다이오드는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 포토다이오드는상기 내부 프리즘에 수직방향에 가깝게 가장 인접한 상기 포토다이오드는 상기 적색(R) 포토다이오드, 그 다음으로 상기 녹색(G) 포토다이오드 및 상기 청색(B) 포토다이오드 순으로 형성된 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 내부프리즘은 상기 제 1 및 제 2 층간절연층보다 굴절률이 높은 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 내부프리즘은 가시광선을 투과시킬 수 있는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 내부프리즘은SiO2, Si3N4로 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 제 1 층간절연층 상에 빛을 필터링하기 위해 사면형태로 내부 프리즘을 형성하는 단계는상기 제 1 층간절연층 상에 내부 프리즘 형성물질을 증착하는 단계와,상기 청색 포토다이오드에 해당하는 위치의 내부 프리즘 형성물질을 노출시키는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 청색 포토다이오드에 해당하는 내부 프리즘 형성 물질을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101986432A (zh) * | 2010-10-25 | 2011-03-16 | 上海宏力半导体制造有限公司 | Cmos图像传感器 |
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-
2008
- 2008-11-11 KR KR1020080111701A patent/KR20100052838A/ko not_active Application Discontinuation
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