KR100605814B1 - 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서에서 광축에 평행하지 않은 빛을 반사하여 굴절시키는 반사 격자를 구성한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이를 위해 기판위에 판위에 적어도 하나 이상의 포토 다이오드와, 광차폐막과, 제 1 층간 절연막과, 칼라 필터와, 제 2 층간 절연막, 및 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈를 순차적으로 적층되게 구성한 씨모스 이미지센서에 있어서, 상기 마이크로 렌즈들 사이에 구비되어 상기 렌즈의 가장자리를 통해 광축과 평행하지 않게 입사되는 빛을 반사하여 격자로 굴절시킴과 아울러 그 내측으로 입사시켜 상기 칼라 필터를 통해 상기 포토 다이오드로 집광시키는 적어도 하나 이상의 반사 격자가 구성되어짐을 특징으로 하며, 이에 따라, 광축과 평행하지 않게 입사되는 빛의 집광률을 향상시키고, 이로인해 제품의 오동작을 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.
씨모스 이미지 센서, 반사 격자, 마이크로 렌즈.

Description

반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법{ COMPLEMENTARY-METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR IMAGE SENSOR USING REFLECTION GRATING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF }
도 1은 종래의 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 도면으로서, 반사 격자를 적층으로 구비한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 도면으로서, 마이크로 렌즈 제작용 폴리머(polymer)를 코팅한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조 공정을 나타낸 도면으로서, 레지스트 패턴을 형성한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 의 제조 공정을 나타낸 도면으로서, 레지스트 패턴을 베이킹(baking) 처리하여 마이크로 렌즈를 제조한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조방법을 나타낸 흐름도,
본 발명은 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 씨모스 이미지 센서에서 광축에 평행하지 않은 빛을 반사하여 굴절시키는 반사 격자를 구성한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로, 촬상 소자라 함은 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라(digital still camera), PC카메라 단말기, PDA등에서 이미지의 인식을 위하여 마련되는 것으로서, 상술한 촬상 모듈은 보통 카메라 렌즈 모듈이라고도 한다.
강기 카메라 렌즈 모듈은 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자인 이미지 센서(image sensor)를 구비한다.
상기 이미지 센서는 이중 전하결합소자(CCD:Charge Coupled Device)와 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon)커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이 씨모스(Complementary -Metal-Oxide-Semiconductor: 이하 COMS라함) 이미지 센서는 제어 회로 및 신호처리회로를 주변회로로사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)를 제조함에 있어서, 씨모스 이미지 센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위해 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다.
상기 씨모스 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지부와, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 씨모스 로직 회로부로 구성되어 있다.
광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 광감지부의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 " Fill Factor "라한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로부를 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지부 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있다.
도 1 은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서(10)를 나타내 측단면도로서, 집광에 관련된 씨모스 이미지 센서의 주요 부분만이 도시되어 있다.
종래의 씨모스 이미지 센서의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
반도체 기판(11) 상부에 적어도 하나 이상의 광감지 소자(12)가 구비되고, 상기 각각의 광감지 소자(12)의 사이에 광차폐막(13)이 구비되며, 상기 광감지 소 자(12) 상부에 층간 절연하는 제 1 층간 절연막(14)이 제공되고, 상기 제 1 층간 절연막(14) 상부에 칼라 필터(15)를 구비하고, 상기 칼라 필터(15)의 상부에 층간 절연하는 제 2 층간 절연막(16)을 제공하며, 상기 제 2 층간 절연막(16)의 상부의 상기 칼라 필터(15)와 대향되는 위치에 마이크로 렌즈(17)가 구성된다.
여기서, 상기 광감지 소자(12)는 포토 다이오드로 이루어지고, 광 차폐막은 금속층으로 형성된다. 또한 칼라 필터(15)의 재료로는 특정 파장의 빛(20)만을 흡수할 수 있는 색깔로 염색된 포토 레지스트가 주로 이용되고 있으며, 마이크로 렌즈(17)의 재료로는 폴리머 계열의 수지(resin)가 주로 이용된다.
상기 제 1, 2층간 절연막(14)(16)은 투명물질로서, 통상 실리콘산화막이 이용된다.
입사된 빛(20)은 마이크로 렌즈(17)를 통해 각각의 적색 칼라 필터, 녹색 칼라 필터 청색 칼라 필터를 통해 해당 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 필터 링하고, 필터링된 광은 제 1 층간 절연막(14)을 통해서 각 칼라 필터 하단에 위치한 포터 다이오드에 입사된다. 이때, 광차폐막(13)은 입사된 빛(20)이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.
상기와 같이 구성된 종래 기술의 마이크로 렌즈는 각 포토 다이오드의 구성 즉 단위 화소의 크기와 위치, 모양 그리고 포토 다이오드의 두께 그리고 광차폐막의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반경으로 형성되어야 한다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서(10)의 필 팩터(Fill Factor)란 단위 셀 (cell)내에서 수광소자인 포토 다이오드(photodiode)(12)가 차지하는 면적 비를 말한다.
화소 수 증가에 따라 한정된 센서 면적내에 많은 수의 화소를 집적하기 위하여 상기 필 팩터(Fill Factor)는 점점 감소하며, 광 수신 감도의 특성이 떨어지게 된다.
상기 씨모스 이미지 센서(10)에 마이크로 렌즈(17)를 채용하여 상기 필 팩터를 향상킬 수 있으나, 역시 한계가 있을 뿐만 아니라 F#(렌즈의 밝기를 나타낸 양으로 초점거리와 입사광의 직경의 비로 표현됨)가 작은 렌즈(17)를 사용하는 경우 상기 렌즈(17)를 통해 광축과 평행한 빛(20)은 렌즈(17)에서 굴절되어 렌즈(17)의 대향 위치에 있는 칼라 필터(15) 및 포토 다이오드(12)에 도달되어 정상적으로 소자를 동작시키지만 광축에 평행하지 않은 빛(20)은 렌즈(17)에서 굴절되어 빛(20)이 도달되어서는 안되는 경로의 칼라 필터(15) 및 포토 다이오드(12)에 도달하게 되어 소자의 오동작되는 경우가 발생하였다. 이로 인해, 칼라 필터(15) 및 포토 다이도오드(12)에 도달하는 빛의 양 차이를 발생하게 되어 집광효율이 떨어지고 이미진 센서(10)의 소자 동작을 원활하게 하는데 방해가 될뿐만 아니라, 불량 이미지를 보여주게 되는 문제점이 있었다..
이를 방지하기 위해 센서내에 마이크로 렌즈 공정에서 마이크로 렌즈의 사이즈를 줄임과 동시에 렌즈의 수를 증가시켜 각각의 렌즈를 붙일 경우 빛의 집광효율을 증가시킬 수 있으나, 렌즈 공정의 증가로 공정 마진이 상승되고, 이로 인해 제품의 제조원가를 상승시키는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 씨모스 이미지 센서에서 광축에 평행하지 않은 빛을 반사하여 굴절시키는 반사 격자를 구성함으로써, 입사되는 빛의 집광률을 향상시킬 수 있도록 한 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 씨모스 이미지 센서의 제조과정에서 마이크로 렌즈의 공정시 렌즈사이에 반사 격자를 구성함으로써, 렌즈들이 서로 붙어서 발생하는 공정의 불량률을 미연에 방지할 수 있도록 한 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판위에 적어도 하나 이상의 포토 다이오드와, 광차폐막과, 제 1 층간 절연막과, 칼라 필터와, 제 2 층간 절연막 및 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈를 순차적으로 적층되게 구성한 씨모스 이미지센서에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들 사이에 구비되어 상기 렌즈의 가장자리를 통해 광축과 평행하지 않게 입사되는 빛을 반사하여 격자로 굴절시킴과 아울러 그 내측으로 입사시켜 상기 칼라 필터를 통해 상기 포토 다이오드로 집광시키는 적어도 하나 이상의 반사 격자가 구성되어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제조방법은, 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서,
기판에 적어도 하나 이상의 포토 다이오드 및 그 위를 층간 절연하는 제 1 층간 절연막을 순차적으로 적층하는 단계;
상기 단계로부터 상기 포토 다이오드들의 각각 사이에 광차폐막을 구비하고, 그 위에 칼라 필터를 순차적으로 적층하는 단계;
상기 단계로부터 상기 칼라 필터 위에 순차적으로 제 2 층간 절연막을 적층하는 단계;
상기 단계로부터 상기 제 2 층간 절연막의 위에 입사되는 빛을 반사하여 격자로 굴절시키는 적어도 하나 이상의 반사 격자를 구비하는 단계;
상기 단계로부터 상기 반사 격자위에 마이크로 렌즈 제작용 폴리머(polymer)를 코팅하는 단계;
상기 단계로부터 상기 폴리머를 상기 각각의 반사 격자의 사이에 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 단계로부터 상기 마이크로 렌즈용 레지스트 패턴을 플로우(flow) 시킨 후 고온으로 베이킹(baking) 처리하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한, 도면의 구성요소 중 종래의 기능과 동일한 기능은 동일 부호를 사용하였음을 유의해야 한다.
도 2와 같이, 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서는 기판(11)위에 적어도 하나 이상의 포터 다이오드(12) 및 광차폐막(13)이 구비되어 있고, 층간 절연하 는 제 1 층간 절연막(14)과, 상기 제 1 층간 절연막(14)의 상부에는 칼라 필터(15)가 구비되고, 상기 칼라 필터(15)의 상부에는 층간 절연하는 제 2 층간 절연막(16)이 구비되어 있고, 상기 제 2 층간 절연막(16)의 상부에는 상기 렌즈(170)의 가장 자리를 통해 광축과 평행하지 않게 입사되는 빛을 상기 포토 다이오드(12)로 집광시킬 수 있도록 적어도 하나 이상의 반사 격자(100)가 구비되어 있다.
상기 반사 격자(100)들 사이에는 상기 빛(20)(21)을 통과시킬 수 있도록 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈(170)가 구비되어 있고, 상기 반사 격자(100)는 상기 칼라 필터(15)와 상기 포터 다이오드(12)의 사이내로 빛(21)을 모을 수 있도록 되어 있으며, 상기 반사 격자(100)는 상기 마이크로 렌즈(170)들을 분리할 수 있도록 일정 간격(L1)으로 구비되어 있다.
상기 마이크로 렌즈(17)는 볼록형 마이크로 렌즈(170)로 이루어져 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의한 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 동작과정을 첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2과 같이, 기판(11)에 칼라 필터(15)를 통해 입사는 빛(20)(21)을 집광시키는 적어도 하나 이상의 포토 다이오드(12)를 적층으로 구비하고, 상기 각각의 포터 다이오드(12) 위에 층간 절연을 위하여 제 1 층간 절연막(14)이 적층으로 구비된다.
이때, 상기 각각의 포터 다이오드(12)의 사이에는 입사된 각각의 빛(20)(21)이 다른 경로로 벗어나는 것을 방지하는 광차폐막(13)이 구비된다.
이 상태에서, 상기 광차폐막(13)의 위에 칼라 필터(15)를 순차적으로 적층하고, 상기 층간 절연을 하기 위해 상기 칼라 필터(15) 위에 제 2 층간 절연막(16)을 적층하여 구비한다.
이 상태에서, 도 3과 같이, 상기 제 2 층간 절연막(16)의 위에는 입사되는 빛(21)을 반사하여 격자로 굴절시키는 적어도 하나 이상의 반사 격자(100)를 구비한다.
상기 반사 격자(100)은 마이크로 렌즈(170)를 제조할 수 있도록 일정간걱( L1)으로 구비된다.
도 4와 같이, 상기 반사 격자(100) 상단면에는 마이크로 렌즈(170) 제작용 폴리머(polymer)(200)를 코팅한다.
이 상태에서, 도 5와 같이, 상기 폴리머(200)를 상기 각각의 반사 격자(100)의 사이에 정사각형 형태로 레지스트 패턴(300)을 형성한다.
이때, 도 6과 같이, 상기 마이크로 렌즈(170)용 레지스트 패턴(300)을 플로우(flow) 시킨 후 고온으로 베이킹(baking) 처리한다.
이 상태에서, 도 2와 같이, 상기 마이크로 렌즈(170)는 볼록형 렌즈로 이루어지고, 상기 렌즈(170)에 빛(20)(21)을 입사하면, 상기 광축과 평행하게 입사되는 빛(20)은 상기 렌즈(170)를 통과하여 안쪽으로 꺾여서 상기 칼라 필터(15)를 통해 중심부에 구비된 상기 포터 다이오드(12)로 모이게 된다.
이때, 상기 빛(21)이 광축과 평행하지 않게 상기 렌즈(170)에 비스듬이 입사될 경우 상기 반사 격자(100)를 통해 반사하여 격자로 굴절시켜 상기 각각의 렌즈 (170)내측으로 입사시킨다.
이때, 반사되어 굴절된 상기 빛(21)은 상기 칼라 필터(15)를 통해 상기 포터 다이오드(12)에 집광되어 모인다.
또한, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의한 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조방법의 동작과정을 첨부된 도 7를 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7과 같이, 기판(11)에 적어도 하나 이상의 포토 다이오드(12)를 구비하고, 상기 포터 다이오드(12)의 위에 층간 절연를 하기 위한 제 1 층간 절연막(14)을 순차적으로 적층한다.(S1)
상기 S1로부터 상기 포토 다이오드(12)들의 각각 사이에 광차폐막(13)을 구비하고, 그 위에 칼라 필터(15)를 순차적으로 적층한다(S2)
상기 S2로부터 상기 칼라 필터(15) 위에 순차적으로 제 2 층간 절연막(16)을 적층한다.(S3)
상기 S3로부터 상기 제 2 층간 절연막(16)의 위에 입사되는 빛을 반사하여 격자로 굴절시키는 적어도 하나 이상의 반사 격자(100)를 구비한다(S4).
상기 반사 격자(100)들은 그 사이에 마이크로 렌즈(170)를 구비할 수 있게 일정간격(L1)으로 제공된다.
상기 S4로부터 상기 반사 격자(100)위에 마이크로 렌즈(170) 제작용 폴리머(polymer)(200)를 코팅한다.(S5)
상기 S5로부터 상기 폴리머(200)를 상기 각각의 반사 격자(100)의 사이에 정 사각형 형태로 레지스트 패턴(300)을 형성한다(S6).
상기 S6로부터 상기 마이크로 렌즈(170)용 레지스트 패턴(300)을 플로우(flow) 시킨 후 고온으로 베이킹(baking) 처리한다(S7)
상기 마이크로 렌즈(170)의 상면은 볼록하게 가공한다.
상기와 같이, 씨모스 이미지 센서에서 광축에 평행하지 않은 빛을 반사하여 굴절시키는 반사 격자를 구성함으로써, 입사되는 빛의 집광률을 향상시키고, 이로인해 제품의 오동작을 미연에 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법은 전술한 실시 예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않은 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면,
씨모스 이미지 센서에서 광축에 평행하지 않은 빛을 반사하여 굴절시키는 반사 격자를 구성함으로써, 입사되는 빛의 집광률을 향상시키고, 이로인해 제품의 오동작을 미연에 방지할 수 있을 뿐만아니라, 씨모스 이미지 센서의 제조과정에서 마이크로 렌즈의 공정시 렌즈들 사이에 반사 격자를 일정간격으로 구성함으로써, 렌즈들이 서로 붙어서 발생하는 공정의 불량률을 방지하여 제품의 신뢰성을 향상시키 고, 별도로 렌즈와 렌즈사이를 분리시키는 장치가 필요없어 렌즈의 곡률을 형성하기 위해 진행하는 베이킹 공정 마진을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 기판위에 적어도 하나 이상의 포토 다이오드와, 광차폐막과, 제 1 층간 절연막과, 칼라 필터와, 제 2 층간 절연막, 및 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈를 순차적으로 적층되게 구성한 씨모스 이미지센서에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈들 사이에 구비되어 상기 렌즈의 가장자리를 통해 광축과 평행하지 않게 입사되는 빛을 반사하여 격자로 굴절시킴과 아울러 그 내측으로 입사시켜 상기 칼라 필터를 통해 상기 포토 다이오드로 집광시키는 적어도 하나 이상의 반사 격자가 구성되어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 격자는 상기 칼라 필터와 포토 다이오드의 사 이내로 빛을 모을 수 있음을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 격자는 상기 렌즈를 분리시킬 수 있게 일정간격으로 구비되어짐을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈는 볼록형 마이크로 렌즈로 이루어짐 을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서
  5. 씨모스 이미지 센서의 제조방법에 있어서,
    기판에 적어도 하나 이상의 포토 다이오드 및 그 위를 층간 절연하는 제 1 층간 절연막을 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 단계로부터 상기 포토 다이오드들의 각각 사이에 광차폐막을 구비하고, 그 위에 칼라 필터를 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 단계로부터 상기 칼라 필터 위에 순차적으로 제 2 층간 절연막을 적층하는 단계;
    상기 단계로부터 상기 제 2 층간 절연막의 위에 입사되는 빛을 반사하여 격자로 굴절시키는 적어도 하나 이상의 반사 격자를 구비하는 단계;
    상기 단계로부터 상기 반사 격자위에 마이크로 렌즈 제작용 폴리머(polymer)를 코팅하는 단계;
    상기 단계로부터 상기 폴리머를 상기 각각의 반사 격자의 사이에 레지스트패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 단계로부터 상기 마이크로 렌즈용 레지스트 패턴을 플로우(flow) 시킨 후 고온으로 베이킹(baking) 처리하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 층간 절연막의 위에 적어도 하나 이상의 반사 격자를 구비하는 단계에서, 상기 반사 격자를 일정간격으로 제공함을 특징으로 하는 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 폴리머를 상기 각각의 반사 격자의 사이에 레지스트 패턴을 형성하는 단계에서, 상기 레지스트 패턴은 정사각형의 형태로 형성함을 특징으로 하는 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈용 레지스트 패턴의 상면을 고온으로 베이킹 처리하는 단계에서 상기 마이크로 렌즈의 상면을 볼록하게 가공함을 특징으로 하는 반사 격자를 이용한 씨모스 이미지 센서의 제조방법.
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