KR20100067882A - An image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 실시예는 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 대해서 개시한다. This embodiment discloses an image sensor and a method of manufacturing the same.
이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상((optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and is largely a charge coupled device (CCD) and a CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) image sensor. Sensor) (CIS).
전하결합소자(CCD:Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxidee-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서, 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.A charge coupled device (CCD) is a device in which charge carriers are stored and transported in a capacitor while individual metal-oxygen-silicon (MOS) capacitors are located in close proximity to each other.
씨모스(Complementay MOS) 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal Processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel) 수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 화소를 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.Complementay MOS image sensors use CMOS technology that uses control and signal processing circuits as peripheral circuits to create MOS transistors as many pixels as those, which in turn An element employing a switching method for detecting an output of a pixel.
최근에, 씨모스 이미지 센서의 픽셀수가 메가급으로 증가하면서 상대적으로 픽셀은 작은 크기로 형성되고 있다. 픽셀 크기의 감소는 픽셀 위에 형성되는 마이크로 렌즈의 크기에 제한을 일으켜 픽셀과 마이크로 렌즈의 포커스 길이(Focus length)도 제한을 받게 되었다.Recently, as the number of pixels of the CMOS image sensor increases to a mega level, pixels are formed in a relatively small size. The reduction in pixel size limits the size of the microlenses formed on the pixels, which also limits the focal length of the pixels and the microlenses.
도 1은 씨모스 이미지 센서에서의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 감도 영역으로 빛이 포커싱되는 모습을 보여주기 위한 도면이고, 도 3은 감도 영역으로 빛이 포커싱이 맺히지 않는 모습을 보여주기 위한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor, FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which light is focused in a sensitivity region, and FIG. 3 is a diagram in which light is not focused in a sensitivity region. It is a figure for showing.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 에지로 들어오는 빛은 광축과 나란하게 입사되지 않고, 사입사(off-axis)되고 있다. As shown in FIG. 1, light entering the edge of the image sensor is not incident alongside the optical axis, but is off-axis.
따라서, 광축과 나란하게 위치한 센서 어레이로 입사하는 빛은, 도 2에 도시된 바와 같이, 정상적으로 센서 어레이 중심의 감도 영역(sensitive area)에 정확히 포커싱이 된다. Therefore, the light incident on the sensor array located parallel to the optical axis is normally focused exactly at the sensitive area of the center of the sensor array, as shown in FIG.
반면에, 센서 어레이의 에지로 사입사되는 빛은, 도 3에 도시된 바와 같이, 센서 어레이의 감도 영역에 포커스가 맺히지 않고 쉬프트되는 현상이 발생하게 된다. On the other hand, the light incident to the edge of the sensor array, as shown in Figure 3, the phenomenon occurs that the shift without focusing the sensitivity region of the sensor array occurs.
따라서, 도 3과 같이 빛의 초점이 정확하게 맺히지 않은 경우, 사입사되는 빛의 초점을 감도 영역의 중심으로 이동시키려면, 마이크로 렌즈용 마스크 제작시에 1칩이 되는 최소 단위내에 마이크로 렌즈 어레이를 센터에서 멀어질수록 특정의 쉬프트값을 줘서 마스크를 제작하여야 한다. Therefore, when the focus of the light is not accurately focused as shown in FIG. 3, in order to shift the focus of the incident light to the center of the sensitivity region, the microlens array should be centered within the minimum unit of 1 chip when manufacturing the mask for the microlens. As you move away from, you must create a mask with a specific shift value.
결국, 프라이머리 렌즈(primary lens)의 초점거리가 변할 때와 칩 사이즈가 변할 때마다 마이크로 렌즈의 마스크를 새롭게 제작하여야 하는 불편함이 있다. As a result, when the focal length of the primary lens is changed and the chip size is changed, it is inconvenient to newly manufacture the mask of the microlens.
본 실시예는 이미지 센서에 있어서의 감도 영역인 포토 다이오드로 빛의 정확한 포커싱이 이루어질 수 있도록 광경로를 시프트시킬 수 있는 이미지 센서 및 이의 제조 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다. The present embodiment aims to propose an image sensor capable of shifting an optical path so that accurate focusing of light can be achieved by a photodiode which is a sensitivity region of an image sensor, and a manufacturing method thereof.
본 실시예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드가 형성된 반도체 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 메탈 라인이 형성된 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상에 형성되고, 렌즈 형성부가 형성된 보호막; 및 상기 렌즈 형성부 내에 형성되는 칼라 필터층; 상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 칼라 필터층 상에 형성되는 제 1 렌즈; 및 상기 렌즈 형성부 내에 형성되고, 상기 제 1 렌즈 상에 형성되는 제 2 렌즈;를 포함한다. The image sensor according to the present embodiment includes a semiconductor substrate on which a photodiode is formed; An interlayer insulating layer formed on the substrate and having metal lines formed thereon; A protective film formed on the interlayer insulating film and having a lens forming part formed thereon; And a color filter layer formed in the lens forming part. A first lens formed in the lens forming unit and formed on the color filter layer; And a second lens formed in the lens forming unit and formed on the first lens.
또한, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 포토 다이오드가 형성된 기판 상에 층간 절연막을 형성하고, 상기 층간 절연막에 메탈 배선을 형성하는 단계; 상기 층간 절연막 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 보호막을 식각함으로써, 상기 보호막 내에 렌즈 형성부를 형성하는 단계; 상기 렌즈 형성부 내에, 칼라 필터층과 제 1 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 렌즈 상에 제 2 렌즈를 형성하는 단계;를 포함한다. In addition, a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment may include forming an interlayer insulating film on a substrate on which a photodiode is formed, and forming metal wires on the interlayer insulating film; Forming a protective film on the interlayer insulating film; Etching the passivation layer to form a lens forming portion in the passivation layer; Forming a color filter layer and a first lens in the lens forming unit; And forming a second lens on the first lens.
제안되는 바와 같은 실시예의 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 의해서, 포 토 다이오드로 입사되기 위한 빛의 포커싱이 보다 정확하게 이루어질 수 있으며, 이미지 센서의 에지부에 위치하는 마이크로 렌즈의 초점 쉬프트(focusing spot shift)을 보상하기 위하여 굴절률이 서로 다른 두 개의 마이크로 렌즈를 형성함으로써, 포토 다이오드에 초점이 맺힐 수 있는 장점이 있다. By the image sensor and its manufacturing method of the embodiment as proposed, focusing of light to be incident to the photodiode can be made more accurately, and focusing spot shift of the microlens positioned at the edge of the image sensor In order to compensate for this, by forming two micro lenses having different refractive indices, there is an advantage that the photodiode can be focused.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for the present embodiment will be described in detail. However, the scope of the idea of the present invention may be determined from the matters disclosed by the present embodiment, and the idea of the invention of the present embodiment may be performed by adding, deleting, or modifying components to the proposed embodiment. It will be said to include variations.
그리고, 이하의 설명에서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 그리고, 첨부되는 도면에는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 그 두께가 확대되어 도시된다. 그리고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 층, 막, 영역, 판등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에"있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the following description, the word 'comprising' does not exclude the presence of other elements or steps than those listed. In addition, in the accompanying drawings, the thickness thereof is enlarged in order to clearly express various layers and regions. In addition, the same reference numerals are used for similar parts throughout the specification. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only being another part "on top" but also having another part in the middle.
도 4는 본 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 실시예에 따른 이미지 센서에서의 제 2 마이크로 렌즈에 의한 광경로의 이동을 보여주는 도면이다. 4 is a view showing the configuration of the image sensor according to the present embodiment, Figure 5 is a view showing the movement of the optical path by the second micro lens in the image sensor according to the present embodiment.
먼저, 도 4를 참조하면, 포토 다이오드와 같이 빛의 수광하여 전기적인 신호 로 변환하는 감도 영역이 구비된 기판상에 층간 절연막(150)이 형성되고, 상기 층간 절연막(150)에는 복수의 금속 배선들이 형성되어 있다. First, referring to FIG. 4, an
즉, 상기 층간 절연막(150)에는 최종 금속 배선층이 될 수 있는 메탈 배선(140)과, 외부의 다른 소자와의 전기적인 연결을 위한 메탈 패드(145)가 형성될 수 있다. That is, the
그리고, 상기 층간 절연막(150)상에는 보호막(160)이 기설정된 두께를 가지면서 형성되어 있으며, 특히, 상기 보호막(160)은 본 실시예에 따라 소정 깊이 함몰된 형상의 렌즈 형성부가 형성되어 있으며, 이러한 렌즈 형성부 내에 칼라 필터층(180), 평탄화층(181), 제 1 렌즈(190) 및 제 2 렌즈(200)가 안착 형성된 구조를 갖는다. In addition, the
즉, 빛을 수광하기 위한 역할을 수행하는 렌즈가 제 1 렌즈(190)와 제 2 렌즈(200)로 이루어지고, 상기 제 2 렌즈(200)는 상기 제 1 렌즈(190)와는 다른 굴절률을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 렌즈(190)의 에지 부위를 향하여 입사되는 빛은 상기 제 2 렌즈(200)에 의하여 굴절된 다음, 상기 제 1 렌즈(190)를 지나 수광부인 포토 다이오드로 향할 수 있게 된다. That is, a lens that serves to receive light includes a
도면에서는 제 1 렌즈(190)가 소수개가 도시되어 있으나, 실제로는 상기 제 2 렌즈(200)의 하측에 형성되는 제 1 렌즈(190)의 개수는 수십만개에서 수백만개가 될 수 있을 것이다. 즉, 각각의 포토 다이오드에 대응되는 제 1 렌즈들을 형성한 다음에, 각각의 제 1 렌즈들을 커버할 수 있도록 상기 제 2 렌즈(200)가 형성되는 구조를 갖는다. Although a few
상기 보호막(160)에는 상기 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈를 그 내측에 수용할 수 있도록 렌즈 형성부가 형성되는데, 이러한 렌즈 형성부는 그 깊이가 대략 1.2㎛ 내지 1.6㎛ 범위로 형성될 수 있으며, 또한 렌즈 형성부의 가로폭은 제조하고자 하는 소자의 크기에 따라 달리 형성될 수 있겠지만 2400㎛ 내지 3000㎛ 범위의 길이를 갖을 수 있다. The
즉, 이미지 센서로서 형성되는 마이크로 렌즈들(제 1 렌즈)의 상측에 굴절률이 다른 제 2 렌즈(200)가 형성되는 것이다. That is, the
그리고, 상기 제 2 렌즈(200)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 칩의 에지부(도 5에서는 칩을 구성하는 마이크로 렌즈에 대해 극소수만이 도시된 상태임)로 입사되는 빛에 대해서도 감도 영역인 포토 다이오드로 입사될 수 있도록 하기 위하여, 오목 렌즈와 같은 형상으로서 소정의 곡률을 갖도록 제공된다. And, as shown in FIG. 5, the
그리고, 최상층의 메탈 라인(140)과 메탈 패드(145) 상측에는 메탈의 보호를 위한 패드 보호막(170)이 소정 두께로 형성될 수 있다. The
즉, 최상층의 메탈 라인을 갖는 층간 절연막(150) 상측에는 보호막(160)이 형성되고, 상기 보호막 내측의 렌즈 형성부에는 제 1 렌즈(190) 및 제 2 렌즈(200)가 형성된다. 그리고, 상기 보호막(160) 상에는 소정 두께의 패드 보호막(170)이 더 형성될 수 있다. That is, the
그리고, 상기 메탈 패드(145) 상측에 대응되는 보호막(160)에는 상기 메탈 패드(145)의 상부 표면을 추후에 노출시킬 수 있도록 하기 위한 메탈홀(162)이 형성될 수 있다. In addition, a
도 5에는 빛의 집광을 위한 마이크로 렌즈로서 제 1 렌즈(190)와, 칩의 에지부로 입사되는 빛에 대해서도 그 수광효율을 향상시키기 위하여 상기 제 1 렌즈(190)상에 형성되는 제 2 렌즈(200)가 도시되어 있다. 5 illustrates a
앞서 설명한 바와 같이, 상기 제 2 렌즈(200)는 제 1 렌즈(190)와는 다른 굴절률로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 제 1 렌즈와 제 2 렌즈간의 굴절률 차이로 인하여 칩의 에지부로 입사되는 빛에 대해서 수광부인 포토 다이오드의 수광 능력이 더욱 향상될 수 있다. As described above, the
그리고, 상기 제 2 렌즈(200)는 소정의 곡률을 가지면서 오목한 형상으로 제공되며, 칩을 구성하는 복수의 렌즈(190)들 상에 형성된다. The
다음으로, 본 실시예에 따른 이미지 센서를 제조하는 방법에 대해서 설명하여 보기로 한다. Next, a method of manufacturing the image sensor according to the present embodiment will be described.
도 6 내지 도 8은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 6 to 8 are views for explaining the manufacturing method of the image sensor according to the present embodiment.
먼저, 도 6을 참조하면, 감도 영역으로서 포토 다이오드(120) 및 주변부가 형성된 반도체 기판(100) 상에는 금속배선전 절연막(Pre-Metal Dielectric)(130)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 금속배선전 절연막(130)은 TEOS막 또는 BPSG막이 될 수 있다. First, referring to FIG. 6, a pre-metal dielectric 130 may be formed on the
그리고, 상기 금속배선전 절연막(130)상에 금속배선층이 형성된다. 금속배선층은 층간 절연막(150)과 층간 절연막(150)을 관통하여 형성되는 메탈 배선들로 구성된다. In addition, a metal wiring layer is formed on the metal
여기서, 메탈 배선에 대해서는 최상층인 경우에 대해서 개시하여 보기로 하며, 이 경우 메탈 배선(M2)(140)과 메탈 패드(145)가 층간 절연막(150)에 형성된다. 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 금속배선층은 전원라인 및 신호라인과 단위 픽셀의 포토다이오드 및 주변회로를 접속시키기 위한 것으로 복수의 층으로 형성될 수 있다. Here, the metal wirings will be described with reference to the case of the uppermost layer, in which case the metal wirings M2 140 and the
그리고, 메탈 배선(140)들은 각각의 포토 다이오드(120)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃이 구성될 수 있다. In addition, the
그리고, 상기 층간 절연막(150) 상에 보호막(160)을 형성한다. 보호막(160)은 습기나 스크래치 등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 최종 메탈 배선(140) 및 메탈 패드(145)를 포함한 층간 절연막(150) 상에 형성된다. In addition, the
상기 보호막(160)으로서는 USG 또는 TEOS와 같은 산화막이 될 수 있다. The
그 다음, 도 7을 참조하면, 상기 보호막(160)을 부분 식각하여, 마이크로 렌즈인 제 1 렌즈와 상기 제 1 렌즈 상에 형성되는 제 2 렌즈가 형성되는 렌즈 형성부(161)와 메탈홀(162)을 형성한다. Next, referring to FIG. 7, the
즉, 상기 보호막(160) 내측에 컬러 필터층과 마이크로 렌즈등을 형성하기 위하여, 마이크로 렌즈등이 형성될 영역에 대해서 상기 보호막(160)을 식각하는 공정을 수행하며, 상기 보호막(160)의 식각에 의하여 층간 절연막(150)의 일부가 노출될 수 있다. That is, in order to form the color filter layer and the micro lens inside the
도면에는 상기 보호막(160)내에 형성되는 렌즈 형성부(161)의 깊이(B)와 가로 폭(A)이 마치 비슷한 크기인 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따른 제 2 렌즈 는 수십만개 내지 수백만개의 마이크로 렌즈를 커버할 수 있는 크기로 제공되기 때문에, 렌즈 형성부(161)의 깊이(B)는 1.2㎛ 내지 1.6㎛ 범위로 형성되고, 렌즈 형성부(161)의 가로 폭(A)은 2400㎛ 내지 3000㎛ 범위의 크기로 형성될 수 있다. Although the depth B and the width A of the
그리고, 상기 보호막(160)을 식각하는 공정에서는, 상기 메탈 패드(145)의 상부표면 일부를 노출시키는 메탈홀(162)을 더 형성시킬 수 있다. In the process of etching the
상기 보호막(160)을 식각함으로써, 렌즈 형성부(161)와 메탈홀(162)을 형성한 다음에는, 상기 보호막(160) 상에 절연막으로 이루어진 패드 보호막(170)을 더 형성할 수 있다. After forming the
그 다음, 도 8을 참조하면, 상기 보호막(160) 내의 렌즈 형성부(161)에 복수의 칼라 필터층(180)을 형성하고, 상기 칼라 필터층(180) 상에 복수의 제 1 렌즈(190)들을 형성한다. Next, referring to FIG. 8, a plurality of color filter layers 180 are formed in the
그리고, 상기 제 1 렌즈(190)상에 굴절률이 상이한 제 2 렌즈(200)를 형성한는데, 보호막(160)에는 렌즈 형성부로 인하여 단차가 형성되기 때문에 제 2 렌즈(200)를 형성시킬 포토레지스트를 스핀 코팅하게 되면, 그 단차의 깊이와 폭에 의하여 도시된 바와 같은 오목한 형상이 된다. In addition, a
즉, 상기 보호막(160)을 식각함으로써 형성되는 렌즈 형성부의 깊이가 커질수록 상기 제 2 렌즈(200)가 갖는 곡률 또한 점차 커지게 된다. That is, as the depth of the lens forming portion formed by etching the
이로써, 제안되는 실시예에 따른 이미지 센서의 제조가 형성되며, 보호막의 렌즈 형성부에 칼라 필터층, 평탄화층 및 마이크로 렌즈(제 1 렌즈)를 형성하는 단게는 공지의 방법으로 포토 다이오드 영역 각각에 대응되도록 형성된다. As a result, an image sensor is manufactured according to the proposed embodiment, and the steps of forming the color filter layer, the planarization layer, and the microlens (first lens) in the lens forming portion of the protective film correspond to each photodiode region by a known method. It is formed to be.
도 1은 씨모스 이미지 센서에서의 개략적인 구성을 도시한 도면.1 shows a schematic configuration in a CMOS image sensor.
도 2는 감도 영역으로 빛이 포커싱되는 모습을 보여주기 위한 도면.2 is a view for showing a state in which light is focused to the sensitivity region.
도 3은 감도 영역으로 빛이 포커싱이 맺히지 않는 모습을 보여주기 위한 도면. 3 is a view for showing a state in which light is not focused in the sensitivity region.
도 4는 본 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 보여주는 도면.4 is a diagram showing the configuration of an image sensor according to the present embodiment;
도 5는 본 실시예에 따른 이미지 센서에서의 제 2 마이크로 렌즈에 의한 광경로의 이동을 보여주는 도면. 5 is a view showing the movement of the optical path by the second micro lens in the image sensor according to the present embodiment.
도 6 내지 도 8은 본 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면. 6 to 8 are views for explaining the manufacturing method of the image sensor according to the present embodiment.
Claims (11)
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KR1020080126474A KR20100067882A (en) | 2008-12-12 | 2008-12-12 | An image sensor and method for manufacturing the same |
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-
2008
- 2008-12-12 KR KR1020080126474A patent/KR20100067882A/en not_active Application Discontinuation
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WO2016167483A1 (en) * | 2015-04-13 | 2016-10-20 | 엘지전자 주식회사 | Color sensor module and mobile terminal |
US10298824B2 (en) | 2015-04-13 | 2019-05-21 | Lg Electronics Inc. | Color sensor module and mobile terminal |
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