KR20100080135A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20100080135A
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Abstract

실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다. 실시예에 다른 이미지 센서는, 수광 소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선 및 절연층을 포함하는 금속배선층, 상기 금속배선층 내에서 상기 수광 소자와 대응하여 배치되며 상기 반도체 기판 방향으로 볼록한 제1마이크로 렌즈 및 상기 금속배선층 상에 상기 제1마이크로 렌즈와 대응하며, 상면이 볼록한 제2마이크로 렌즈를 포함한다. 실시예에 따른 이미지 센서는 1차 마이크로 렌즈 하부에 2차 마이크로 렌즈를 굴절이 다른 물질로 형성하여 입사광을 굴절시킴으로써 입사광이 포토 다이오드로 수직하게 입사시킴으로써 광 효율을 향상시킬 수 있다.
제1마이크로 렌즈, 제2마이크로 렌즈

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing Thereof}
실시예에서는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다.
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)를 포함한다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시키는 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서의 광감도를 향상시키기 위하여 컬러필터 상에 마이크로렌즈를 형성하는 방법이 있다. 마이크로렌즈는 감광성 유기물 물질을 노광(expose), 현상(development) 및 리플로우(reflow)의 순서로 진행하여 반구형의 모양을 최종 형성시킨다. 그러면 단위화소 상에 마이크로 렌즈가 형성되어 빛을 포토다이오드로 집광시킬 수 있다.
이러한 마이크로 렌즈는 단위화소 별로 각각 형성되고 상기 마이크로 렌즈의 크기 및 개수에 따라 입사광의 양이 변화될 수 있다.
종래 마이크로 렌즈를 통해 수광된 빛은 그 초점이 정확하게 형성되지 못하고, 각 층간절연막의 계면에서 난반사 등으로 인하여 포토 다이오드에 도달하지 않을 확률이 크기 때문에 이미지 센서의 수광 능력이 저하되는 문제가 있다.
실시예는 1차 마이크로 렌즈 하부에 2차 마이크로 렌즈를 굴절이 다른 물질로 형성하여 광을 굴절시켜 포토 다이오드로 수직하게 입사시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시예에 다른 이미지 센서는, 수광 소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선 및 절연층을 포함하는 금속배선층, 상기 금속배선층 내에서 상기 수광 소자와 대응하여 배치되며 상기 반도체 기판 방향으로 볼록한 제1마이크로 렌즈 및 상기 금속배선층 상에 상기 제1마이크로 렌즈와 대응하며, 상면이 볼록한 제2마이크로 렌즈를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판 상에 수광 소자를 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층에 상기 수광 소자와 대응하여 상기 반도체 기판 방향으로 바닥면이 둥글게 형성된 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치 내에 절연 물질을 갭필하여 제1마이크로 렌즈를 형성하는 단계, 상기 제1마이크로 렌즈가 형성된 절연층을 포함하는 금속배선층을 형성하는 단계 및 상기 금속배선층 상에 상기 제1마이크로 렌즈와 대응하는 제2마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 1차 마이크로 렌즈 하부에 2차 마이크로 렌즈를 굴절이 다른 물질로 형성하여 입사광을 굴절시킴으로써 입사광이 포토 다이오드로 수직하게 입사시킴으로써 광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 5는 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(10)에 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)이 형성된다.
상기 픽셀 영역(A)은 수광 소자(15) 및 상기 수광 소자(15)에서 발생된 광 전하를 처리하는 트랜지스터 구조물(미도시)을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서가 이온주입영역들로 이루어져 수직으로 컬러필터들이 형성되어 각각의 컬러를 감지하는 컬러필터 구조를 가지는 경우, 상기 반도체 기판에는 적색 광감지 소자(red photo diode), 녹색 광감지 소자(green photo diode) 및 청색 광감지 소자(blue photo diode)를 포함하여 형성될 수도 있다. 이 경우 하나의 화소에 3가지 색 모두를 수직으로 배열되어 고화질의 이미지를 구현할 수 있게 된다. 또한, 상기 광감지 소자(15)에 의해 별도의 컬러 필터 공정없이 다양한 색채를 표현할 수 있게 된다. 또는 상기 광 감지 소자는 PN 접합구조로 형성될 수도 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 광감지 소자를 형성하지 않고 마이크로 렌즈 하부에 별도의 컬러필터층을 형성하여, 적색, 녹색 및 적색 화소를 구현함으로써 다양한 색채를 표현할 수 있다.
상기 로직 영역(B)은 상기 픽셀 영역(A)에서 생성된 광 전하를 처리하기 위한 것으로 트랜지스터 구조물(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)을 포함하는 반도체 기판(10) 상으로 금속배선(M1, M2)(30) 및 상기 금속배선을 덮는 절연층(20)을 형성한다.
상기 절연층(20)은 산화막 또는 질화막을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 금속배선(30)은 금속, 합금 또는 살리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질 예를 들어 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐등으로 형성될 수 있다.
이후, 상기 절연층(20) 상에 포토레지스트 패턴(90)을 형성한다.
여기서, 상기 포토레지스트 패턴(90)이 형성되는 상기 절연층(20)은 금속배 선 M2를 형성한 다음 상기 금속배선 M2를 덮는 층간 절연막을 형성한 다음, 상기 금속배선 M2의 일부를 노출시키는 비아홀을 형성하기 이전의 절연층일 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(90)은 수광 소자(15)와 대응하는 부분을 오픈하여 절연층(20)의 일부를 노출시킨다.
상기 포토레지스트 패턴(90)을 마스크로 상기 절연층(20)을 식각하여 소정 깊이의 트렌치(25)를 형성한다.
상기 트렌치(25)의 바닥면은 수광 소자(15) 방향으로 둥글게 형성된다.
상기 트렌치(25)의 깊이는 가장 깊은 지점이 3000~10000Å이 될 수 있다.
이와 같이 트렌치(25)의 바닥면이 둥글게 절연층(20)을 식각하기 위하여 제 1 식각 및 제2식각 공정을 연속적으로 수행한다.
제1 식각 공정은 HBr, Cl2, O2, CF4 가스를 이용하여 건식 식각 챔버 내에서 절연층을 이루는 산화 물질을 식각할 수 있다.
이후, 제2 식각 공정은 트렌치(25)의 바닥면을 수광 소자 방향으로 오목하도록 둥글게 형성하기 위하여 O2, CF4 가스를 이용하여 건식 식각 챔버 내에서 식각할 수 있다.
상기 제1 및 제2 식각 공정을 이용하여 상기 수광 소자(15)와 대응하는 위치의 절연층(20)에 바닥면이 둥근 트렌치(25)를 형성한다.
이후 포토레지스트 패턴(90)을 제거한다.
상기 트렌치(25)를 형성하는 방법은 상기 제1 및 제2 식각 공정을 이용하는 방법에만 한정된 것을 아니다. 다른 예를 들면, 상기 트렌치(25)는 습식 식각을 이용하여 형성할 수도 있다. 상기 습식 식각 공정은 식각액을 이용하여 상기 절연층(20)을 선택적으로 식각하는 것으로, 등방성 식각이 이루어지므로 바닥면이 둥글게 식각될 수 있다. 또한, 실시예는 습식 식각 및 건식 식각을 번갈아 사용하여 상기 트렌치(25)의 바닥면의 둥근 프로파일 및 트렌치(25)의 폭 및 깊이를 조절할 수도 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 트렌치(25)를 포함하는 절연층(20)에 렌즈 형성용 절연막(30a)을 형성한다. 상기 렌즈 형성용 절연막(30a)의 굴절율은 금속 배선 층간에 형성되는 절연층(20)의 굴절율보다 큰 것이 바람직하다.
상기 렌즈 형성용 절연막(30a)의 굴절율은 1.4~1.8일 수 있으며, 상기 절연층(20)의 굴절율은 약 1.2 ~ 1.3일 수 있다.
예를 들면, 상기 렌즈 형성용 절연막(30a)은 탄탈옥사이드(Ta5O2)를 포함할 수 있다. 다른 예를 들면, 상기 렌즈 형성용 절연막(30a)은 상기 절연층(20)에 형성되는 산화막과 다른 조성을 가지며, 더 큰 굴절율을 가지도록 형성된 산화막일 수도 있다.
상기 렌즈 형성용 절연막(30a)은 상기 바닥면이 둥근 트렌치(25) 내에 갭필이 되며 절연층(20) 상에 형성된다.
상기 렌즈 형성용 절연막(30a)을 화학적기계적연마 공정을 이용하여 평탄화할 수 있다.
선택적으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 평탄화 공정에서 상기 절연 층(20)의 상면이 드러날때가지 상기 렌즈 형성용 절연막(30a)을 연마하여 상기 트렌치(25) 내에만 렌즈 형성용 절연 패턴을 형성할 수 있다. 이로써, 절연층 내에 제1마이크로 렌즈(30)가 형성된다.
도 4에 도시한 바와 같이 상기 렌즈 형성용 절연 패턴이 형성된 상기 절연층(20)에 금속배선 M2와 접속하기 위한 비아를 형성하고, 상기 절연층(30) 상에 금속 배선(30)을 추가로 형성하고, 상기 금속배선(30) 사이에 추가로 절연층(20)을 형성한다.
구체적으로, 상기 트렌치(25) 내에 제1마이크로렌즈(30)가 형성된 절연층(20) 상에 금속배선 M3를 형성하고, 금속배선 M3가 형성된 절연층(20) 상에 층간 절연층을 더 형성하고, 최상층 금속배선인 M4를 형성하고 층간 절연막층 더 형성할 수 있다.
이로써, 픽셀 영역(A) 및 로직 영역(B)에 형성되는 트랜지스터들과 전기적으로 연결되는 다층의 금속배선들 및 다층의 절연층들을 포함하는 금속배선층을 형성할 수 있다.
상기 금속배선(M1, M2, M3, M4)(30)은 전원라인, 신호라인과 연결되는 것으로 상기 광감지 소자(15)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 배치될 수 있다. 따라서, 상기 광감지 소자(15)에 대응하는 상기 절연층(20)에는 상기 금속배선(30)이 위치되지 않게 되어 입사광은 상기 광감지 소자(15)로 집광될 수 있다.
이로써, 절연층(20) 내에 제1마이크로 렌즈(30)가 형성되며, 상기 제1마이크로 렌즈(30)는 주변의 절연층에 대해서 굴절율이 높은 물질로 이루어지므로, 평탄 한 상면으로 경사지게 입사된 광은 광 경로가 굴절되어 수광 소자(15)로 수직하게 입사된다.
이후, 상기 금속배선층 상에 보호막(40)을 형성한다. 상기 보호막(40)은 산화막, 질화막 및 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 보호막(40) 상에 상기 수광 소자(15)에 대응하여 제2마이크로 렌즈(50)를 형성한다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)는 상기 보호막(40) 상에 감광막 패턴을 형성한 다음, 이 감광막 패턴을 열처리하여 리플로우시킴으로써 돔(dome) 형태로서 상면이 구면인 제2마이크로 렌즈(50)를 형성할 수 있다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)는 가장 두꺼운 부분의 두께가 10000~15000Å일 수 있다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)는 상기 제1마이크로 렌즈(30)와 평탄한 면이 마주하며 형성될 수 있다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)의 크기는 상기 제1마이크로 렌즈(30)의 크기보다 클 수도 있다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)를 형성하는 공정 이전에, 컬러필터를 형성할 수도 있다.
상기 컬러필터는 적색 감광막, 녹색 감광막 및 청색 감광막을 각각 도포하고 노광 및 현상함으로써 형성할 수 있다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)는 이미지 센서로 수광되는 입사광이 처음으로 통 과하는 1차수광렌즈이고, 상기 제1마이크로 렌즈(30)는 상기 1차수광렌즈를 통과한 광이 수광되는 2차수광렌즈일 수 있다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)를 통과한 빛은 상기 제2마이크로 렌즈(50)와 상기 제1마이크로 렌즈(30) 사이의 절연층(20) 내에 초점이 맺히게 되고, 상기 제1마이크로 렌즈(30)를 통과한 빛은 상기 수광 소자(15)로 입사된다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)는 상기 제1마이크로 렌즈(30)를 통과한 빛이 맺히는 초점의 아래에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 수광 소자(15)로부터 상기 제1마이크로 렌즈(30) 사이의 거리는 그 사이에 개재되는 절연층들의 두께만큼으로 결정되나, 상기 수광 소자(15)로부터 상기 제2마이크로 렌즈(30) 사이의 거리는 설계에 따라 다양하게 제어할 수 있다.
즉, 상기 절연층(20) 내의 어느 층간 절연막에 트렌치를 형성하고 어떤 굴절율을 갖는 렌즈 형성용 절연 물질을 충진하느냐에 따라 그 위치가 결정되며, 그 위치는 상기 광의 초점에 따라 결정되어질 수 있다.
도 6은 제2실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.
도 6에 도시된 이미지 센서에서 도 5와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하였으며, 이에 대한 구체적인 설명은 앞서 설명한 도 1 내지 도 5의 상세한 설명을 참고로 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 금속배선층 상에 광차단패턴(70)을 더 형성할 수 있다.
상기 광차단패턴(70)은 절연층(20) 상에 광차단층(미도시)을 형성한 후 마스 크를 이용한 사진 및 식각 공정에 의하여 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 광차단패턴(70)은 상기 수광 소자(15) 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 광차단패턴(70)은 상기 픽셀 영역(A)의 트랜지스터 구조물에 대응하여 금속배선층 상에 형성될 수 있다.
상기 광차단패턴(70)은 픽셀 영역(A)의 경계 및 로직 영역(B) 상에 형성될 수 있다.
상기 광차단패턴(70)은 Al, W, Ti 및 Ti/TiN중 적어도 하나를 포함하는 금속물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 광차단패턴(70)은 SiON과 같은 반사방지막(anti-reflection material)으로 형성할 수 있다.
이후, 상기 광차단패턴(70)이 형성된 금속배선층 상에 보호막 또는 평탄화막(60)을 형성할 수 있다.
상기 보호막 또는 평탄화막(60)이 형성된 다음에는 제2마이크로 렌즈(50)를 형성할 수 있다.
상기 제2마이크로 렌즈(50)는 상기 제1마이크로 렌즈(30)와 대응하여 상면이 돔 형태로 형성되도록 한다.
상기 제2마이크로 렌즈(50) 아래에 컬러필터층을 더 형성할 수도 있다.
상기와 같이 실시예들에 따른 이미지 센서는 제1마이크로렌즈(30) 및 제2마이크로렌즈(50)를 수광 소자 상부에 대향하도록 배치시켜 굴절 망원경의 원리를 이용함으로써 수광 능력을 최대화시켜 이미지 센서의 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 5는 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 공정을 보여주는 단면도들이다.
도 6은 제2실시예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.

Claims (13)

  1. 수광 소자를 포함하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선 및 절연층을 포함하는 금속배선층;
    상기 금속배선층 내에서 상기 수광 소자와 대응하여 배치되며 상기 반도체 기판 방향으로 볼록한 제1마이크로 렌즈; 및
    상기 금속배선층 상에 상기 제1마이크로 렌즈와 대응하며, 상면이 볼록한 제2마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1마이크로 렌즈와 상기 제2마이크로 렌즈 사이에 상기 제2마이크로 렌즈를 통해 입사된 광의 초점이 맺히는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1마이크로 렌즈의 굴절율은 상기 절연층의 굴절율보다 높은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1마이크로 렌즈와 상기 제2마이크로 렌즈는 평탄면이 서로 마주하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1마이크로 렌즈의 가장 두꺼운 부분은 3000~10000Å인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1마이크로 렌즈를 탄탈옥사이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속배선층 상에 상기 수광 소자를 가리지 않도록 형성된 광차단 패턴을 포함하는 이미지 센서.
  8. 반도체 기판 상에 수광 소자를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층에 상기 수광 소자와 대응하여 상기 반도체 기판 방향으로 바닥면이 둥글게 형성된 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치 내에 절연 물질을 갭필하여 제1마이크로 렌즈를 형성하는 단계;
    상기 제1마이크로 렌즈가 형성된 절연층을 포함하는 금속배선층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속배선층 상에 상기 제1마이크로 렌즈와 대응하는 제2마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 트렌치를 형성하는 단계에 있어서,
    상기 절연층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 HBr, Cl2, O2, CF4 가스를 이용하여 제1건식식각을 수행하는 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 O2, CF4 가스를 이용하여 제2건식식각을 수행하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 트렌치를 형성하는 단계에 있어서,
    상기 절연층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 절연층을 습식 식각하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 트렌치를 형성하는 단계에 있어서,
    상기 트렌치는 가장 깊은 부분의 깊이가 상기 절연층 상면으로부터 3000~10000Å인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1마이크로 렌즈와 상기 제2마이크로 렌즈 사이에서 상기 제2마이크로 렌즈를 통과한 빛의 초점이 맺히도록 상기 제2마이크로 렌즈의 위치를 배치시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 금속배선층 상에 상기 수광 소자를 가리지 않는 광차단패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103515402A (zh) * 2012-06-29 2014-01-15 株式会社东芝 固体拍摄装置
US9806115B2 (en) 2016-03-24 2017-10-31 SK Hynix Inc. Image sensor with inner light-condensing scheme

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