KR20110079338A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20110079338A
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Abstract

실시예에 따른 이미지 센서는 제1영역 및 제2영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 단위 픽셀 별로 배치된 복수개의 수광부; 상기 수광부가 형성된 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선층; 상기 금속배선층 상의 제1영역에 배치된 제1 마이크로 렌즈; 및 상기 금속배선층 상의 제2영역에 배치된 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경이 서로 다른 것을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 제1영역 및 제2영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판에 단위 픽셀 별로 복수개의 수광부를 형성하는 단계; 상기 수광부가 형성된 상기 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상의 제1영역에 제1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 금속배선층 상의 제2영역에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경이 서로 다른 것을 포함한다.
마이크로 렌즈, 곡률

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
실시예는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지센서와 씨모스 이미지센서(CMOS Image Sensor: CIS)로 구분된다.
이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중에서 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
또한, 시모스(Complementary MOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 단위화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부 터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부분 상부에 칼라 필터가 어레이가 배치된다.
칼라필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
또한, 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화 하는 로직회로 부분으로 구성되어 있다.
이에, 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
실시예에서는 이미지 센서의 집광효율을 증대시켜, 이미지 센서의 광 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는 제1영역 및 제2영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 단위 픽셀 별로 배치된 복수개의 수광부; 상기 수광부가 형성된 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선층; 상기 금속배선층 상의 제1영역에 배치된 제1 마이크로 렌즈; 및 상기 금속배선층 상의 제2영역에 배치된 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경이 서로 다른 것을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 제1영역 및 제2영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판에 단위 픽셀 별로 복수개의 수광부를 형성하는 단계; 상기 수광부가 형성된 상기 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계; 상기 금속배선층 상의 제1영역에 제1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 금속배선층 상의 제2영역에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경이 서로 다른 것을 포함한다.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 주변부와 중심부에 형성된 제 1마이크로 렌즈와 제2마이크로 렌즈의 곡률반경이 다르게 형성되어, 중심부 대비 주변부의 낮은 광감도를 보상하여 수광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1마이크로 렌즈보다 작은 곡률반경을 가지는 제2마이크로 렌즈를 주변부에 형성하여, 초점(focal point)을 조절(control)하여 광경로(optical path)를 최적화시켜, 옵티컬 쉐이딩(optical shading)을 방지함으로써 이미지 센서의 수광효율을 증대시킬 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.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(100), 수광부(120), 금속배선층(140), 컬러필터 어레이(190), 제1마이크로 렌즈(300) 및 제2마이크로 렌즈(400)를 포함한다.
상기 수광부(120)는 포토다이오드이며, 상기 반도체 기판(100)에 단위 픽셀 별로 배치된다.
상기 금속배선층(140)은 상기 반도체 기판(100) 상에 배치되며, 배선을 포함 하여 형성된다.
이때, 상기 배선은 상기 수광부(120)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 레이아웃되어 형성된다.
상기 배선은 제1 메탈(M1) 및 제2 메탈(M2) 등을 포함할 수 있다.
상기 컬러필터 어레이(190)는 각각의 수광부(120)와 대응되도록 형성된다.
상기 제1마이크로 렌즈(300) 및 제2마이크로 렌즈(400)는 상기 수광부(120)와 대응되도록 배치된다.
상기 제1마이크로 렌즈(300)는 중심부(center pixel)의 상기 금속배선층(140) 상에 배치되며, 상기 제2마이크로 렌즈(400)는 주변부(Edge pixel)의 상기 금속배선층(140) 상에 배치된다.
이때, 상기 제1마이크로 렌즈(300)와 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률을 서로 다르게 형성되며, 상기 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률은 상기 제1마이크로 렌즈(300)의 곡률보다 크게 형성될 수 있다.
즉, 상기 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률 반경은 상기 제1마이크로 렌즈(300)의 곡률반경보다 작게 형성된다.
또한, 상기 제1마이크로 렌즈(300)의 높이(H1)는 상기 제2마이크로 렌즈(400)의 높이(H2)보다 낮게 형성된다.
따라서, 상기 주변부와 중심부에 형성된 상기 제1마이크로 렌즈(300)와 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률반경이 다르게 형성되어, 중심부 대비 주변부의 낮은 광감도를 보상하여 수광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1마이크로 렌즈(300)보다 작은 곡률반경을 가지는 제2마이크로 렌즈(400)를 상기 주변부에 형성하여, 초점(focal point)을 조절(control)하여 광경로(optical path)를 최적화시켜, 옵티컬 쉐이딩(optical shading)을 방지함으로써 이미지 센서의 수광효율을 증대시킬 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이 중심부(center pixel) 및 주변부(Edge pixel)을 포함하는 반도체 기판(100)에 수광부(120)를 형성하고, 상기 반도체 기판(100) 상에 금속배선층(140)을 형성한다.
상기 반도체 기판(100)은 고농도의 p형 기판(p++) 일 수 있으며, 저농도의 p형 에피층(p-epi)을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 반도체 기판(100)의 픽셀영역에 수광부(120) 및 리드아웃 서킷(미도시)을 포함하는 단위픽셀을 형성한다.
상기 수광부(120)는 포토다이오드일 수 있다.
상기 수광부(120)는 상기 반도체 기판(100)에 n형 이온주입영역 및 p형 이온주입영역에 의한 pn정션에 의하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 p형 이온주입 영역에 의해 잉여전자 등을 방지할 수 있다. 또한, 실시예는 PNP 정션을 형성하여 전하덤핑(charge dumping) 효과를 얻을 수 있다.
상기 수광부(120)가 형성된 반도체 기판(100) 상에 신호처리를 위한 리드아웃 서킷(미도시)을 형성한다.
예를 들어, 상기 리드아웃 서킷은 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 반도체 기판(100) 상에 배선을 포함하는 금속배선층(140)을 형성한다. 예를 들어, 상기 배선은 제1 메탈(M1) 및 제2 메탈(M2) 등을 포함할 수 있다.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 금속배선층(140) 상에 컬러필터 어레이(190)를 형성한다.
상기 컬러필터 어레이(190)는 염색된 포토레지스트를 사용하여 각각의 단위픽셀마다 하나씩 형성되고 입사하는 빛으로부터 색을 분리할 수 있다.
예를 들어, 상기 컬러필터 어레이(190)는 블루 컬러에 해당하는 제1 컬러필터(191), 그린 컬러에 해당하는 제2 컬러필터(192) 및 레드 컬러에 해당하는 제3 컬러필터(193)를 포함한다.
상기 컬러필터 어레이(190)는 각각의 수광부(120)와 대응되도록 형성된다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 컬러필터 어레이(190) 상부에도 포토레지스트를 이용하여, 평탄화층을 형성할 수도 있다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 중심부의 상기 컬러필터 어레이(190) 상에 제1포토레지스트 패턴(10)을 형성한다.
상기 제1포토레지스트 패턴(10)은 마이크로 렌즈를 형성하기 위해 형성된다.
이때, 상기 주변부에는 포토레지스트 패턴이 형성되지 않는다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1포토레지스트 패턴(10)에 제1리플로우(reflow) 공정을 진행하여, 제1마이크로 렌즈(300)를 형성한다.
상기 제1포토레지스트 패턴(10)이 상기 중심부에만 형성되므로, 상기 제1마이크로 렌즈(300)도 상기 중심부의 상기 금속배선층(140) 상에만 형성된다.
또한, 상기 제1마이크로 렌즈(300)도 상기 수광부(120)와 대응되도록 형성된다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 주변부의 상기 금속배선층(140) 상에 제2포토레지스트 패턴(20)을 형성한다.
상기 제2포토레지스트 패턴(20)은 상기 제1포토레지스트 패턴(10)과는 서로 다른 크기로 형성될 수 있으며, 상기 제1포토레지스트 패턴(20) 보다 크게 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1포토레지스트 패턴(20)의 높이보다 상기 제2포토레지스트 패턴(20)의 높이가 높게 형성될 수 있다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2포토레지스트 패턴(20)에 제2리플로우(reflow) 공정을 진행하여, 제2마이크로 렌즈(400)를 형성한다.
상기 제2포토레지스트 패턴(20)이 상기 주변부에만 형성되므로, 상기 제2마이크로 렌즈(400)도 상기 주변부의 상기 금속배선층(140) 상에만 형성된다.
또한, 상기 제2마이크로 렌즈(400)도 상기 수광부(120)와 대응되도록 형성된 다.
이때, 상기 제1마이크로 렌즈(300)와 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률을 서로 다르게 형성되며, 상기 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률은 상기 제1마이크로 렌즈(300)의 곡률보다 크게 형성될 수 있다.
즉, 상기 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률 반경은 상기 제1마이크로 렌즈(300)의 곡률반경보다 작게 형성된다.
또한, 상기 제1마이크로 렌즈(300)의 높이(H1)는 상기 제2마이크로 렌즈(400)의 높이(H2)보다 낮게 형성된다.
그리고, 상기 제1포토레지스트 패턴(10)가 제2포토레지스트 패턴(20)의 크기를 다르게 하여 제1마이크로 렌즈(300)와 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률을 다르게 형성할 수도 있지만 이에 한정되지 않고, 상기 제1리플로우 공정가 제2리플로우 공정을 다르게 진행하여 마이크로 렌즈의 곡률을 다르게 형성할 수도 있다.
즉, 상기 제1마이크로 렌즈(300)를 형성하기 위한 제1리플로우 공정과 상기 제2마이크로 렌즈(400)를 형성하기 위한 제2리플로우 공정 진행시 하드 베이킹(hard baking)하는 온도를 서로 다르게 하여 마이크로 렌즈의 곡률을 조절할 수도 있다.
따라서, 상기 주변부와 중심부에 형성된 상기 제1마이크로 렌즈(300)와 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률반경이 다르게 형성되어, 중심부 대비 주변부의 낮은 광감도를 보상하여 수광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1마이크로 렌즈(300)보다 작은 곡률반경을 가지는 제2마이크로 렌즈(400)를 상기 주변부에 형성하여, 초점(focal point)을 조절(control)하여 광경로(optical path)를 최적화시켜, 옵티컬 쉐이딩(optical shading)을 방지함으로써 이미지 센서의 수광효율을 증대시킬 수 있다.
그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중심부는 원형(a), 사각형(b) 또는 다각형(c,d)의 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 중심부의 너비는 전체 픽셀 너비의 1/3 정도를 차지할 수 있다.
즉, 상기 중심부가 원형(a), 사각형(b) 또는 다각형(c,d)의 형태로 배치될 때, 상기 중심부의 너비는 전체 픽셀 너비의 1/3 정도가 될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 중심부에 형성된 제1마이크로 렌즈(300)의 곡률은 모두 동일하게 형성하고, 상기 주변부에 상기 제2마이크로 렌즈(400)의 곡률은 모두 동일하게 형성한다.
그러나, 이에 한정되지 않고, 도 8에 도시된 바와 같이, 중심부에 형성된 마이크로 렌즈의 곡률이 서로 다르게 형성될 수 있으며, 주변부에 형성된 마이크로 렌즈의 곡률이 서로 다르게 형성될 수 있다.
즉, 상기 중심부에 서로 다른 곡률을 가지는 제1렌즈(1) 및 제2렌즈(2)가 형성되고, 상기 주변부에 서로 다른 곡률을 가지는 제3렌즈(3), 제4렌즈(4) 및 제5렌즈(5)가 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1렌즈(1), 제2렌즈(2), 제3렌즈(3), 제4렌즈(4) 및 제5렌즈(5)의 곡률은 상기 중심부에서 주변부를 향할수록 곡률이 크게 형성될 수 있다.
즉, 상기 중심부에서 주변부를 향할수록 상기 제1렌즈(1), 제2렌즈(2), 제3 렌즈(3), 제4렌즈(4) 및 제5렌즈(5)의 곡률반경은 작아질 수 있다.
따라서, 주변부와 중심부에 배치되는 마이크로 렌즈의 곡률반경을 조절하여 수광효율을 증대시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조 방법은 주변부와 중심부에 형성된 제1마이크로 렌즈와 제2마이크로 렌즈의 곡률반경이 다르게 형성되어, 중심부 대비 주변부의 낮은 광감도를 보상하여 수광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1마이크로 렌즈보다 작은 곡률반경을 가지는 제2마이크로 렌즈를 주변부에 형성하여, 초점(focal point)을 조절(control)하여 광경로(optical path)를 최적화시켜, 옵티컬 쉐이딩(optical shading)을 방지함으로써 이미지 센서의 수광효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 측단면도이다.

Claims (18)

  1. 제1영역 및 제2영역을 포함하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에 단위 픽셀 별로 배치된 복수개의 수광부;
    상기 수광부가 형성된 상기 반도체 기판 상에 배치된 금속배선층;
    상기 금속배선층 상의 제1영역에 배치된 제1 마이크로 렌즈; 및
    상기 금속배선층 상의 제2영역에 배치된 제2 마이크로 렌즈를 포함하며,
    상기 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경이 서로 다른 것을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 반도체 기판에서 픽셀영역의 중심부에 해당하며,
    상기 제2영역은 상기 반도체 기판에서 픽셀영역의 주변부에 해당하는 것을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 반도체 기판을 평면에서 보았을 경우,
    상기 제1영역인 상기 중심부는 원형, 사각형 또는 다각형의 형태로 배치되며, 상기 제2영역인 주변부는 상기 제1영역을 둘러싸도록 배치된 것을 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 곡률 반경은 상기 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경보다 큰 것을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 높이는 상기 제2 마이크로 렌즈의 높이보다 낮게 형성된 것을 포함하는 이미지 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 곡률은 상기 제2 마이크로 렌즈의 곡률보다 작은 것을 포함하는 이미지 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1영역에 형성된 제1마이크로 렌즈는 다수개의 렌즈를 포함하여, 모두 동일한 곡률을 가지고,
    상기 제2영역에 형성된 제2마이크로 렌즈는 다수개의 렌즈를 포함하여, 모두 동일한 곡률을 가지는 이미지 센서.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1영역에 형성된 제1마이크로 렌즈는 다수개의 렌즈를 포함하여, 서로 다른 곡률을 가지고,
    상기 제2영역에 형성된 제2마이크로 렌즈는 다수개의 렌즈를 포함하여, 서로 다른 곡률을 가지는 이미지 센서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1마이크로 렌즈 및 제2마이크로 렌즈를 이루는 다수개의 렌즈는 상기 제1영역부터 제2영역으로 향할수록 곡률이 커지는 것을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제1영역 및 제2영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 반도체 기판에 단위 픽셀 별로 복수개의 수광부를 형성하는 단계;
    상기 수광부가 형성된 상기 반도체 기판 상에 금속배선층을 형성하는 단계;
    상기 금속배선층 상의 제1영역에 제1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 금속배선층 상의 제2영역에 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 마이크로 렌즈와 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경이 서로 다른 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 반도체 기판에서 픽셀영역의 중심부에 해당하며,
    상기 제2영역은 상기 반도체 기판에서 픽셀영역의 주변부에 해당하는 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 반도체 기판을 평면에서 보았을 경우,
    상기 제1영역인 상기 중심부는 원형, 사각형 또는 다각형의 형태로 배치되며, 상기 제2영역인 주변부는 상기 제1영역을 둘러싸도록 배치된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 곡률 반경은 상기 제2 마이크로 렌즈의 곡률 반경보다 큰 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 높이는 상기 제2 마이크로 렌즈의 높이보다 낮게 형성된 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 곡률은 상기 제2 마이크로 렌즈의 곡률보다 작은 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈 및 제2 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,
    상기 제1영역의 수광부와 대응되도록 상기 금속배선층 상에 제1포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1포토레지스트 패턴에 제1리플로우(reflow) 공정을 진행하여 제1 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;
    상기 제2영역의 수광부와 대응되도록 상기 금속배선층 상에 제2포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 제2포토레지스트 패턴에 제2리플로우 공정을 진행하여 제2마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제1포토레지스트 패턴과 제2포토레지스트 패턴의 두께는 서로 다른 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 제1리플로우 공정과 제2리플로우 공정시 하드 베이킹(hard baking)하는 온도가 서로 다른 것을 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
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