KR0165376B1 - 씨씨디용 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쌍봉(twin hill)형의 렌즈유도층을 갖는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 및 그 제조방법에 관해 개시한다. 본 발명의 씨씨디(CCD)용 이미지 센서는 요철을 갖는 반도체기판에 형성된 광전변환부와 상기 결과물전면에 형성된 평탄화층, 상기 평탄화층 전면에 각각 복수개로 서로 층층이 형성된 칼라필터 및 중간층, 상기 중간층상에 형성된 보호층, 상기 보호층상에 형성된 렌즈유도층 및 상기 렌즈유도층 사이에 형성된 마이크로렌즈를 구비한다.
본 발명에 의하면 소정의 곡률을 갖는 쌍봉(twin hill)형의 렌즈유도층을 유도함으로써 마이크로렌즈를 쉽게 형성할 수 있고, 상기 쌍봉의 곡률을 이용하여 마이크로렌즈를 소정의 곡률반경을 갖는 볼록렌즈로 형성할 수 있으며, 또한 렌즈를 균일하게 형성할 수 있다. 따라서 F값의 변화에 따른 촛점의 불일치에 의한 감도의 저하, 감도불균일 및 이미지의 불명료함을 제거한다.
Description
제1a도 내지 제1g도는 종래의 기술을 이용한 씨씨디(CCD)용 이미지센서 및 그 제조방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.
제2a도 및 제2b도는 종래기술 및 본 발명에 적용되는 스톱(Stop)의 대·소에 따른 촛점거리의 변화를 나타낸 도면들이다.
제3a도 내지 제3f도는 본 발명을 이용한 씨씨디(CCD)용 이미지센서 및 그 제조방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.
제4a도 내지 제4c도는 렌즈유도층을 형성하는 단계를 나타내는 도면들이다.
제5도는 본 발명을 이용한 씨씨디(CCD)용 이미지센서의 평면도를 나타낸 도면이다.
제6도는 본 발명을 이용하여 형성된 씨씨디(CCD)용 이미지센서의 광경로를 나타낸 모식도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
24, 36b 및 64 : 렌즈유도층 10a, 14a, 18 : 제1 내지 제3 칼라 필터
본 발명은 씨씨디(CCD)용 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 렌즈유도층을 갖는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전하결합소자(Charge Coupled Device 이하 CCD라 한다.)는 외부작용에 의해 발생된 전기적신호를 반도체기판의 표면을 따라 전송하는 장치로서 캠코드에 널리 사용된다.
CCD윗면에 1차원의 광학상을 투사하면 그 상의 밝기에 따라 CCD의 이미지센서부의 반도체내부에서 전자-전공의 쌍이 형성된다. 따라서 P형 반도체인 경우 전자는 포텐셜우물에 모이게되고 충분한 신호전하가 축척되면 CCD전극에 클럭펄스를 인가해서 신호전하를 전송한다. 이렇게하여 1차원 광학상이 연속적으로 전기적신호로 변환할 수 있게된다. 이러한 CCD를 2차원적으로 배열해 놓으면 2차원 광학상을 전기신호로 변환할 수 있는 고체촬상장치로 사용할 수 있다.
그러나 CCD를 이미지 센서로서 사용할 때의 결점은 광패턴이 CCD표면에 연속적으로 투영되고 있는 가운데 전송하면 출력단으로부터 먼위치에서 전송되어 온 신호에는 이동할 때마다, 광패턴의 투영에 의해 생성되는 신호가 가산되어 신호의 순도가 저하한다는 것이다.
따라서 CCD의 이미지 센서 디바이스에서 포토다이오드에 도달하는 광의 감도는 매우 중요하다. 실제의 CCD 이미지센서는 포토다이오드로 구성되는 광전변환부와 주사부가 분리된 구조로 되어 있다.
CCD의 이미지센서는 칩당 수십만화소 이상의 집적도를 지녀서 초고밀도 집적회로의 개발에 보조를 맞추어 실용화되고 있다.
종래의 기술을 이용한 CCD용 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면과 함께 상세하게 설명한다.
제1a도 내지 제1g도는 종래의 기술을 이용한 씨씨디(CCD)용 이미지센서 및 그 제조방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.
제1a도는 CCD가 형성된 반도체기판의 반대편기판상에 요철부를 형성한 다음, 이 요철부의 오목한 부분에 광전변환부로서 포토다이오드(5)를 형성하고 요철부의 볼록한 부분에는 인접 광전변환부 사이에서 차광막역할을 하는 알미늄층(3)을 형성한 다음, 그 위에 알미늄층 보호막(3a)을 형성하는 단계를 나타낸다. 이처럼 광전변환부의 포토다이오드(5)와 그 사이의 알미늄층(3) 보호막(3a)이 형성된 결과물전면에 상기 요철부의 오목한 부분을 매립하면서 반도체기판 전면의 평탄화와 함께, 이어지는 공정에서 염색성 포토레지스트의 부착성을 좋게하기 위해 아크릴수지계의 투명층(7)을 형성한다.
제1b도는 상기 결과물전면에 염색성 레지스트(9)를 형성한 다음, 이를 패터닝하여 마젠타색으로 염색하여 마젠타색 필터(9a)를 형성하는 단계를 나타낸다.
제1c도는 마젠타색 필터(9a)를 포함하는 상기 결과물전면에 상기 평탄화층(7)과 동일한 아크릴수지계를 사용하여 제1 중간층(11)을 형성한다. 그리고 그 위에 다시 염색텅 포토레지스트(13)를 형성한 후 이를 패터닝하여 시안색으로 염색해서 시안색필터(13a)를 형성하는 단계를 나타낸다.
제1d도는 상기 결과물전면에 제2 중간층(15)를 형성한 후 그 위에 염색성 포토레지스트를 형성한 후 패터닝하고 옐로우색으로 염색하여 옐로우색 필터(17)를 형성하는 단계를 나타낸다.
제1e도는 상기 옐로우색 필터(17)의 형성에 이어서 그 전면에 제3 중간층을 형성한 후 계속해서 그 전면에 상기 결과물들을 보호하기 위한 보호층(12)을 형성하는 단계를 나타낸다.
제1f도는 보호층(21) 상에 폴리아미드 또는 아크릴계의 물질을 도포하여 렌즈층(23)을 형성하는 단계를 나타낸다.
제1g도는 제1f도의 결과물상에 포토다이오드의 위치에 소정의 곡률반경을 갖는 오목렌즈층(25)을 형성한다. 이어서 이 오목렌즈층 전면에 아크릴계의 물질을 도포한 후 통상의 노광 및 현상공정에 의해 상기 오목렌즈상부에 패턴을 형성한다. 그리고 이 패턴을 리플로우시켜서 집광렌즈(27)를 형성한다. 이 집광렌즈는 양면이 볼록한 형태인 볼록렌즈로 이루어지며, 이 렌즈의 곡률반경은 베이크온도와 시간을 조절하여 조절한다.
종래의 기술을 이용한 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 및 그 제조방법에 있어서, 나타난 문제점은 첫째, CCD 칼라필터의 언-칩(On-Chip) 마이크로렌즈를 형성함에 있어서 대물렌즈의 에프(F) 값에 따른 광경로의 차이로 인해 초점의 불일치로 인한 상의 퍼짐과 감도 특성이 나빠진다.
구체적으로 설명하면 CCD장치의 상부에 칼라필터를 형성한 다음, 평탄화 및 마이크로렌즈의 초점조절용으로 탑 코우팅(top coating)을 형성한 다음 마이크로렌즈를 형성하는데 통상 마이크로렌즈의 형성방법이 열적인 리플로우를 통하여 형성하기 때문에 마이크로렌즈 형성용 포토레지스트와 그 아래의 유기물층들의 열적 경화도 등에 따라 리플로우율이 다르게 된다. 또한 포토레지스트이므로 아래층의 반사율에 매우 민감하고 그 영향이 노광시 나타나므로 균일하게 패턴을 형성하기가 어렵게 된다. 따라서, 마이크로 렌즈의 크기의 균일성이 저하되는 문제가 발생된다.
둘째, 완성된 CCD상부에 캠코드의 대물렌즈가 장착되는데 이 대물렌즈를 통하여 입사하는 광에너지의 양은 제2a도 및 제2b도에 도시한 것처럼 렌즈(L) 후면에 스톱(S)를 설치하여 조절한다. 통상 F값으로서 입사하는 광에너지의 많고 접음을 표시한다. 즉 F값이 클수록 스톱(S)의 간격이 작아지고(제2a도) 따라서 렌즈(L)를 통과하여 CCD에 도달하는 광에너지의 양은 작아진다. F값이 작을때는 클때와 반대로 스톱의 간격이 커지고(제2b도) 많은 광에너지가 CCD에 도달한다. 그런데 문제는 F값이 크고 작음에 따라 렌즈를 지나는 광의 경로는 렌즈의 중앙부분만 아니라 가장자리 부분도 지나가게 된다. 이때 렌즈의 중앙만 지나는 광은 초점을 한곳에 가져온다(제2a도). 반면 렌즈의 가장자리 부분을 지나는 광은 중앙부분을 지나는 초점보다, 짧은 거리에 초점이 맺힌다(제2b도). 따라서 궁극적으로는 광 다이오드에 집속되는 광에너지의 흐림밀도(flux density:단위시간당 단위면적을 통과하는 광에너지의 양)가 작아져서 감도가 저하되고 초점의 어긋남에 따라 외부의 광학적 이미지가 흐릿하게 형성된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 보호막상에 쌍봉(twin hill)형태의 렌즈유도층을 갖는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적에 적합한 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 씨씨디(CCD)용 이미지 센서는,
반도체기판; 상기 반도체기판상에 형성된 요철부; 상기 요부에 형성된 광 다이오드; 상기 철부에 형성된 차광막; 상기 차광막 상에 형성된 제1 보호막; 상기 요부에 매립하면서 상기 반도체기판 전면에 형성된 투명층; 상기 투명층상에 상기 광 다이오드와 대응하고 서로 중첩되지 않으면서 층을 달리하여 형성된 3개의 칼라필터와 칼라필터사이에 형성된 3개의 중간층; 상기 마지막으로 형성된 중간층전면에 형성된 제2 보호막; 상기 철부에 대응하는 상기 제2 보호막상에 형성된 렌즈유도층; 및 상기 렌즈유도층 사이의 상기 제2 보호막상에 형성된 마이크로렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 칼라필터 및 중간층은 각각 제1, 제2 및 제3 칼라필터와 제1, 제2 및 제3 중간층으로 구성되어 있다. 또한 이와 같은 제1, 제2 및 제3 칼라필터는 광 다이오드 부분과 대응하도록 서로 겹치지않게 층층으로 형성되어 있다. 그리고 상기 각 중간층들은 칼라필터를 서로 접촉하지 않게하고 보호하는 역할을 한다.
상기 렌즈유도층은 소정의 곡률을 갖는 쌍봉(twin hill)형태로 구성된다. 또한 상기 마이크로렌즈를 구성하는 물질보다 낮은 굴절율(refractive index 이하 RI라 한다.)를 갖는 물질로 구성하는 것이 집광을 위해 바람직하다.
상기 제2 보호막은 상기 마이크로 렌즈보다 굴절율이 0.3정도 낮은 물질로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 제조방법은,
반도체기판 상에 요철부를 형성하는 단계; 상기 요부에 광 다이오드를 형성하는 단계; 상기 철부 상에 차광막을 형성하는 단계; 상기 차광막 상에 제1 보호막을 형성하는 단계; 상기 요부를 매립하면서 상기 반도체기판 전면에 투명층을 형성하는 단계; 상기 투명층 상에 상기 광 다이오드에 대응하고 서로 중첩되지 않으면서 층을 달리하는 3개의 칼라필터와 이 칼라필터의 사이에 3개의 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 상에 제2 보호막을 형성하는 단계; 상기 제2 보호막 상의 상기 광 다이오드사이의 영역에 렌즈유도층을 형성하는 단계; 및 상기 렌즈유도층 사이의 상기 제2 보호막 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 렌즈유도층은 마이크로렌즈보다 RI가 작은 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 제2 보호막은 투명수지를 사용하여 2∼7㎛ 도포한 다음 경화하여 형성하는데 렌즈보다 RI가 0.3 정도 작은 물질로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 칼라필터 및 중간층은 각각 제1, 제2 및 제3 칼라필터와 제1, 제2 및 제3 중간층으로 형성하고 각 필터는 해당하는 중간층으로 보호된다. 그리고 상기 각 필터는 서로 중복되지 않도록 중간층을 사이에 두고 엇갈리게 층층으로 형성한다. 또한 칼라필터는 염색성 포토레지스트를 0.3∼0.5㎛ 정도 도포하여 패터닝한 후 필요한 색으로 염색하여 150℃∼170℃에서 30분 내지 1시간 정도 경화하여 형성한다. 상기 제1, 제2 및 제3 칼라필터는 시안(Cy), 옐로우(Ye) 및 머젠타(Mg)의 보색형 칼라로 염색된다.
본 발명의 소정의 곡률을 갖는 쌍봉(twin hill)형의 렌즈유도층을 보호막상에 형성함으로써 마이크로렌즈의 형성을 쉽게 할 수 있고 또한 균일하게 형성할 수 있다. 아울러 렌즈유도층의 곡율을 이용하여 마이크로렌즈를 형성함으로써 원하는 곡률반경을 갖는 볼록렌즈를 형성할 수 있다. 그리고 대물렌즈의 F값 변동에 따른 감도저하 및 외부 광학적 이미지의 불명료함을 제거하여 고화질의 씨씨디(CCD)용 이미지 센서를 제공한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면과 함께 보다 상세하게 설명한다.
제3a도 내지 제3f도는 본 발명을 이용한 씨씨디(CCD)용 이미지센서 및 그 제조방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.
제3a도는 반도체기판(2) 상에 요철을 형성한 다음 오목한 부분에 광 다이오드(6)를 형성하고 볼록한 부분에는 알루미늄을 사용하여 차광막(4)을 형성한 다음 그 위에 제1 보호막(4a)을 형성하고 요철부 전면에 투명체(8)를 형성하는 단계를 나타낸다. 상기 투명체는 아크릴수지계의 재료를 사용하여 형성한다.
제3b도는 상기 결과물 상에 제1 염색성 포토레지스트(10)를 도포한 다음 패터닝하여 제1 칼라필터(10a)를 형성하는 단계를 나타낸다.
상기 제1 칼라필터(10a)는 카제인을 주성분으로 하는 상기 제1 염색성 포토레지스트(10)를 0.3∼1.5㎛ 도포 후 패터닝하여 형성한다. 상기 패터닝된 포토레지스트를 염색하여 150℃∼170℃에서 30분 내지 1시간 정도의 경화과정을 거쳐 형성한다. 이와 같은 과정을 하기 제2 및 제3 칼라필터에도 동일하게 적용된다.
제3c도는 제2 칼라필터(14a)를 형성하는 단계를 나타낸다. 구체적으로, 상기 결과물전면에 제1 중간층(12)을 형성한다. 상기 제1 중간층(12)은 상기 평탄화층(8)과 동일한 계열의 물질을 사용하여 형성한다. 계속해서 상기 제1 중간층(12) 전면에 제2 염색성 포토레지스트(14)를 도포한다. 상기 제1 칼라필터(10a)를 형성할 때와 동일한 공정으로 상기 제2 염색성 포토레지스터(14)를 패터닝한다. 이 결과 제2 칼라필터(14a)가 형성된다.
제3d도는 제3 칼라필터(18)를 형성하는 단계를 나타낸다. 구체적으로, 상기 결과물 상에 제2 중간층(16)을 형성한다. 상기 제2 중간층(16) 상에 제3의 염색성 포토레지스트(미도시)를 도포한다. 상기 제3의 염색성 포토레지스트를 상기 제1 칼라필터(10a)를 형성할 때와 동일한 공정으로 패터닝한다. 그 결과, 제3 칼라필터(18)가 형성된다.
제3e도는 상기 결과물상에 제3 중간층(20) 및 제2 보호막(22)을 형성하는 단계를 나타낸다. 상기 제2 보호막(22)은 상기 각 칼라필터의 보호 및 마이크로렌즈형성을 위한 평탄화와 초점조절을 위한 막이다. 상기 제2 보호막(22)은 투명수지이고 2∼7㎛를 도포한 후 경화과정을 거쳐 형성한다.
제3f도는 렌즈유도층(24) 및 이것을 이용해서 마이크로렌즈(26)를 형성하는 단계를 나타낸다. 상기 렌즈유도층(14)은 픽셸(pixel)사이에 쌍봉(twin hill) 모양으로 형성된다.
구체적으로, 상기 결과물전면에 마이크로렌즈용 포토레지스트를 2∼5㎛ 정도 도포하여 노광, 현상 및 블리칭(Bleaching) 단계를 거쳐 리플로우하여 광 다이오드(6)와 대응하는 위치에 마이크로렌즈(26)를 형성한다. 상기 렌즈유도층(24)을 형성하는 공정은 제4a도 내지 제4c도에서 상세하게 설명한다.
먼저 제4a도를 참조하면 보호막(34) 전면에 마이크로렌즈용 포토레지스트나, 열 리플로우 특성이 좋은 포토레지스트(36)를 도포한다. 이어서 유리판(G)에 크롬(Cr)으로 원하는 형태의 마스크(40)를 형성한 후 그 위에 정렬 노광한다.
제4b도를 참조하면, 상기 노광의 결과로서 크롬 마스크 패턴이 전사된 포토레지스트 패턴(36a)이 형성된다.
제4c도는 렌즈유도층(36b)을 형성하는 단계를 나타낸다.
구체적으로, 상기 제4b도의 결과물에 열에너지를 가하여 리플로우(reflow)하면, 상기 포토레지스트 패턴(36a)은 열을 받게되고 연화되어 모난부분이 완만해지며 패턴사이의 좁은 부분이 일부 채워지게 되어 쌍봉 형태로 렌즈유도층(36b)이 형성된다.
제5도는 본 발명을 이용한 씨씨디(CCD)용 이미지센서의 평면도를 나타낸 도면이다. 여기서 L1은 마이크로렌즈이고, L2는 렌즈유도층을 나타낸다. 그리고 P는 광전변환부를 나타낸다. 상기 렌즈유도층(L2)에 의해 마이크로렌즈(L1)가 한정된다.
제6도는 본 발명을 이용하여 형성된 씨씨디(CCD)용 이미지센서의 광경로의 모식도를 나타낸 도면이다. 도면에 도시된 것처럼 RI의 기울기를 갖는 렌즈(66), 렌즈유도층(64) 및 보호막(62)으로 인해 입사광은 광전변환부의 광 다이오드(54)에 정확히 집광된다.
이상, 본 발명은 쌍봉(twin hill)형의 렌즈유도층을 보호막상에 형성함으로써 마이크로렌즈의 형성을 쉽게할 수 있고 또한 균일하게 형성할 수 있다. 아울러 렌즈유도층의 곡율을 이용하여 마이크로렌즈를 형성한다. 따라서, 렌즈유도층의 리플로우 정도를 조절하여 적당한 곡률반경을 갖는 볼록렌즈가 형성되도록 유도할 수 있다. 이렇게 함으로써 대물렌즈의 F값 변동에 따른 감도저하, 감도불균일 및 외부 광학적 이미지의 불명료함을 제거할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 실시가능함은 명백하다.
Claims (10)
- 반도체기판; 상기 반도체기판상에 형성된 요철부; 상기 요부에 형성된 광 다이오드; 상기 철부 상에 형성된 차광막; 상기 차광막 상에 형성된 제1 보호막; 상기 요부를 매립하면서 상기 반도체기판 전면에 형성된 투명층; 상기 투명층상에 상기 광 다이오드와 대응하고 서로 중첩되지 않으면서 층을 달리하여 형성된 3개의 칼라필터와 칼라필터사이에 형성된 3개의 중간층; 상기 마지막으로 형성된 중간층전면에 형성된 제2 보호막; 상기 철부에 대응하는 상기 제2 보호막 상에 형성된 렌즈유도층; 및 상기 렌즈유도층 사이의 상기 제2 보호막 상에 형성된 마이크로렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 렌즈유도층은 쌍봉(twin hill)형인 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 상기 렌즈유도층을 이용하여 형성된 양면이 볼록한 렌즈 인것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 렌즈유도층은 상기 마이크로렌즈 보다 작은 RI를 갖는 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 보호막은 상기 마이크로 렌즈보다 굴절율(RI)이 낮은 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서.
- 반도체기판 상에 요철부를 형성하는 단계; 상기 요부에 광 다이오드를 형성하는 단계; 상기 철부 상에 차광막을 형성하는 단계; 상기 차광막 상에 제1 보호막을 형성하는 단계; 상기 요부에 매립하면서 상기 반도체기판 전면에 투명층을 형성하는 단계; 상기 투명층 상에 상기 광 다이오드에 대응하고 서로 중첩되지 않으면서 층을 달리하는 3개의 칼라필터와 이 칼라필터의 사이에 3개의 중간층을 형성하는 단계; 상기 중간층 상에 제2 보호막을 형성하는 단계; 상기 제2 보호막 상의 상기 광 다이오드사이의 영역에 렌즈유도층을 형성하는 단계; 및 상기 렌즈유도층 사이의 상기 제2 보호막 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 렌즈유도층은 쌍봉(twin hill)형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 상기 렌즈유도층의 곡률을 이용하여 양면이 볼록한 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 렌즈유도층은 상기 마이크로 렌즈를 구성하는 물질보다 굴절율이 작은 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 보호막은 상기 마이크로렌즈를 구성하는 물질보다 굴절율이 작은 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 씨씨디(CCD)용 이미지 센서 제조방법.
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