KR101024765B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지센서는, 포토다이오드가 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선 및 층간절연층; 상기 포토다이오드에 대응하도록 상기 층간절연층 상에 형성되고 상호 이격되도록 갭영역이 형성된 컬러필터; 상기 갭영역이 노출되도록 상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈; 상기 마이크로 렌즈 상에 형성된 보조렌즈; 상기 갭영역이 노출되도록 상기 보조렌즈 사이에 형성된 트랜치: 및 상기 트랜치 내부에 형성된 광흡수 패턴을 포함한다.
이미지센서, 포토다이오드, 마이크로렌즈
Description
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
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.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시키는 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
씨모스 이미지 센서에서 디자인 룰이 점차 감소됨에 따라 단위 픽셀의 사이즈가 감소하여 광감도가 감소될 수 있다. 이러한 광감도를 높여주기 위하여 컬러필터 상에 마이크로 렌즈가 형성된다.
상기와 같은 마이크로렌즈는 감광성 유기물 물질을 노광(expose), 현상(development) 및 리플로우(reflow)의 순서로 진행하여 반구형의 모양을 최종 형 성시킨다.
그러면, 상기 마이크로렌즈의 갭 사이로 입사되는 빛은 그대로 직진하게 되어 포토다이오드로 집광되지 않게 되므로 이미지 센서의 광감도를 저하시키는 원인이 된다.
또한, 상기 마이크로렌즈의 갭 사이로 집광되지 않은 빛이 통과하여 픽셀 어레이 기판에 배치된 단위픽셀에 감지됨으로써 노이즈 및 크로스 토크가 발생되는 문제점이 있다.
상기 갭이 발생되는 이유는 상기 마이크로 렌즈의 패터닝 공정 시 렌즈와 렌즈 사이의 발생된 넓은 공간을 리플로우 공정에서 전부 줄이지 못하기 때문이다.
물론, 리플로우 과정에서 상기 갭을 줄일 수 있지만, 과도한 리플로우는 렌즈와 렌즈가 서로 붙게 되어 브리지(bridge) 및 머지(merge) 현상이 발생되어 이미지 센서의 불량을 야기시킬 수 있다.
실시예에서는 마이크로 렌즈의 갭 사이에 반사방지막을 형성하여 입사광의 간섭현상을 억제하여 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지센서는, 포토다이오드가 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 금속배선 및 층간절연층; 상기 포토다이오드에 대응하도록 상기 층간절연층 상에 형성되고 상호 이격되도록 갭영역이 형성된 컬러필터; 상기 갭영역이 노출되도록 상기 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈; 상기 마이크로 렌즈 상에 형성된 보조렌즈; 상기 갭영역이 노출되도록 상기 보조렌즈 사이에 형성된 트랜치: 및 상기 트랜치 내부에 형성된 광흡수 패턴을 포함한다.
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은, 반도체 기판 상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 포토다이오드에 대응하도록 상기 층간절연층 상에 형성되고 상호 이격되도록 갭영역을 가지는 컬러필터를 형성하는 단계; 상기 갭영역이 노출되도록 상기 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 상기 마이크로 렌즈 및 갭영역 상에 렌즈층을 형성하는 단계: 및 상기 갭영역에 대응하는 상기 렌즈층을 관통하도록 상기 마이크로 렌즈 사이에 광흡수 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 마이크로 렌즈 사이에 광흡수 패턴이 형성되어 경사각을 가지는 입사광이 이웃하는 마이크로 렌즈로 입사하는 것을 방지하여 크로스 토크를 방지할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 상부에 보조렌즈가 형성되어 2중으로 광을 집광할 수 있으므로 이미지 감도를 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
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.
도 6은 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는, 복수개의 포토다이오드(20)가 형성된 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판(10) 상에 형성된 금속배선(50) 및 층간절연층(40); 상기 포토다이오드(20)에 대응하도록 상기 층간절연층(40) 상에 형성되고 상호 이격되도록 갭영역(D)이 형성된 컬러필터(70); 상기 갭영역(D)이 노출되도록 상기 컬러필터(70) 상에 형성된 마이크로 렌즈(80); 상기 마이크로 렌즈(80) 상에 형성된 보조렌즈(95); 상기 갭영역(D)이 노출되도록 상기 보조렌즈(95) 사이에 형성된 트랜치(97): 및 상기 트랜치(97) 내부에 형성된 광흡수 패턴(105)을 포함한다.
예를 들어, 상기 광흡수 패턴(105)은 반사방지물질로 형성될 수 있다. 이에 따라, 경사각을 가지는 빛이 해당픽셀이 아닌 이웃하는 픽셀로 진행하는 빛을 흡수할 수 있으므로 크로스 토크를 방지할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(80) 및 보조렌즈(95)은 저온 산화막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로 렌즈(80)는 SiON 또는 SiOC로 형성되고, 상기 보조렌즈(95)은 SiO2로 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(80)를 이루는 물질의 굴절률은 상기 보조렌즈(95)보다 높은 굴절률을 가지므로 상기 포토다이오드의 필팩터를 향상시킬 수 있다.
도 6의 도면 부호 중 미설명 도면부호는 이하 제조방법에서 설명하기로 한다
이하, 도 1 내지 도 7을을 참조하여 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하여, 반도체 기판(10) 상에는 포토다이오드(20) 및 씨모스회로(미도시)을 포함하는 광감지 소자가 형성된다.
상기 반도체 기판(10) 상에는 액티브 영역과 필드영역을 정의하는 소자분리막(20)이 형성되어 있다 그리고, 상기 반도체 기판(10)의 액티브 영역에는 빛을 수광하여 광전하를 생성하는 포토다이오드(20) 및 상기 포토다이오드(20)에 연결되어 수광된 광전하를 전기신호를 변환하는 씨모스 회로(미도시)가 단위화소 별로 형성될 수 있다.
상기 포토다이오드(20)를 포함하는 관련 소자들이 형성된 후, 상기 반도체 기판(10) 상에 금속배선(50) 및 층간절연층(40)이 형성된다.
상기 금속배선(M1, M2, M3)(50)은 전원라인 및 신호라인과 광감지소자 및 주 변 회로를 접속시키기 위한 것으로 복수의 층으로 형성될 수 있다. 즉, 층간절연층(40)은 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 상기 층간절연층(40)을 관통하는 상기 금속배선(50)도 복수개로 형성되어 전기적으로 접촉된 상태로 형성될 수 있다.
상기 금속배선(50)은 포토다이오드(20)로 입사되는 빛을 가리지 않도록 의도적으로 레이아웃되어 형성된다.
예를 들어, 상기 층간절연층(40)은 산화막 물질로 형성될 수 있으며, 상기 금속배선(50)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함한 다양한 전도성 물질, 즉 알루미늄, 구리, 코발트 또는 텅스텐 등으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 층간절연층(40) 상에 보호층(60)이 형성된다. 상기 보호층(60)은 습기나 스크래치등으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로 최종 금속배선(50)을 포함한 상기 층간절연층(40) 상에 형성된다. 예를 들어, 상기 보호층(60)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중의 어느 하나로 형성될 수도 있으며 또는 하나 이상의 층이 적층된 구조일 수도 있다. 물론 상기 보호층(60)은 형성되지 않을 수도 있다.
그 다음으로 상기 보호층(60) 상에 컬러필터(70)가 형성된다. 상기 컬러필터(70)는 각각의 단위픽셀 마다 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다. 이러한 컬러필터(70)는 단위픽셀 마다 다른 색상을 나타내는 것으로 레드(Red:R), 그린(Green:G) 및 블루(Blue:B)의 3가지 색으로 이루어질 수 있다.
상기 컬러필터(70)는 감광물질 및 안료 또는 감광물질 및 염료를 포함하는 컬러필터용 물질(미도시)을 스핀 코팅 공정등을 통해 반도체 기판(10) 상에 형성한 다. 이어서, 상기 컬러필터용 물질을 패턴 마스크(미도시)에 의하여 노광한 후 현상하여 상기 반도체 기판(10) 상에 컬러필터(70)를 형성할 수 있다. 즉, 레드에 해당하는 컬러필터(70)를 형성한 후 그린 및 블루 컬러필터(70)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 컬러필터(70)는 이웃하는 컬러필터(70)와 상호 이격되도록 갭영역(D)을 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 갭영역(D)은 상기 금속배선(50)에 대응하는 너비를 가지도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 갭영역(D)에 의하여 상기 금속배선(50)에 대응하는 상기 보호층(60)의 표면이 노출될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 컬러필터(70) 상이 마이크로 렌즈(80)가 형성된다. 상기 마이크로 렌즈(80)는 상기 컬러필터(70) 마다 하나씩 형성되어 하부에 형성된 상기 포토다이오드(20)로 광을 집광할 수 있다. 또한, 상기 컬러필터(70)에 대응하도록 상기 마이크로 렌즈(80)가 형성되므로 상기 마이크로 렌즈(80)가 형성되어도 상기 갭영역(D)에 의하여 노출된 상기 보호층(60)은 그대로 노출될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(80)는 SiON 또는 SiOC를 포함하는 저온 산화막으로 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(80)의 굴절률은 1.5~2.2 일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 마이크로 렌즈(80)를 형성하기 위해서는 상기 컬러필터(70) 상에 저온 공정에 의하여 산화막층을 형성한다. 그리고, 상기 산화막층 상에 반구형태의 포토레지스트 패턴을 형성한 후 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 산화막을 식각하여 반구형태의 상기 마이크로 렌즈(80)를 형성할 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 갭영역(D) 및 마이크로 렌즈(80)를 포함하는 상기 반 도체 기판(10) 상에 렌즈층(90)이 형성된다. 예를 들어, 상기 렌즈층(90)은 SiO2와 같은 저온 산화막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈층(90)의 굴절률은 1.4~1.45 일 수 있다.
상기 렌즈층(90)은 상기 마이크로 렌즈(80) 및 갭영역(D) 상으로 저온에서 산화막층을 증착한 후 CMP 공정에 진행하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 렌즈층(90)은 평탄화된 표면을 가질 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 렌즈층(90) 상에 마스크 패턴(200)이 형성된다. 상기 마스크 패턴(200)은 상기 렌즈층(90) 상으로 포토레지스트막을 코팅한 후 패터닝하여 형성될 수 있다. 상기 마스크 패턴(200)은 상기 마이크로 렌즈(80)에 대응하는 상기 렌즈층(90) 상에 형성되어 상기 갭영역(D)에 해당하는 상기 렌즈층(90)의 표면을 노출시킬 수 있다.
다음으로 상기 마스크 패턴(200)을 식각마스크로 사용하여 상기 렌즈층(90)을 식각하여 상기 마이크로 렌즈(80) 상에 보조렌즈(95)를 형성한다. 즉, 상기 마스크 패턴(200)에 의한 식각공정을 진행하면 상기 갭영역(D)에 대응하는 상기 렌즈층(90)이 선택적으로 식각되어 상기 마이크로 렌즈(80)의 상부에는 보조렌즈(95)가 형성되고 상기 보조렌즈(95) 사이에는 상기 갭영역(D)을 노출시키는 트랜치(97)가 형성된다.
상기 트랜치(97)에 의하여 상기 마이크로 렌즈(80) 및 보조렌즈(95)는 단위픽셀 별로 각각 분리될 수 있다. 또한, 상기 마이크로 렌즈(80) 상에 보조렌즈(95)가 형성되어 상기 보조렌즈(95)에 의하여 1차로 광을 집광하고, 상기 보조렌즈(95) 하부의 상기 마이크로 렌즈(80)에 의하여 2차로 광을 집광하여 상기 포토다이오드(20)의 집광율을 향상시킬 수 있다.
이후, 애싱(ashing) 및 클리닝(cleaning)공정을 실시하여 상기 마스크 패턴(200)을 제거할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 트랜치(97) 및 보조렌즈(95)를 포함하는 반도체 기판(10) 상에 광흡수막(100)이 형성된다. 상기 광흡수막(100)은 상기 트랜치(97)가 완전히 채워지도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광흡수막(100)은 반사방지막(Organic anti-reflection layer:BARC)으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 광흡수막(100)은 빛의 파장대에서 광흡수가 용이한 유기물 물질을 도포하여 형성될 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 트랜치(97)의 내부에 광흡수 패턴(105)이 형성된다. 상기 광흡수 패턴(105)은 상기 보조렌즈(95)의 상부 표면이 드러날때 까지 상기 광흡수막(100)에 대한 에치백(etch-back) 공정을 진행하여 형성될 수 있다. 그러면 상기 트랜치(97)의 내부에만 광흡수 패턴(105)이 형성될 수 있다.
상기 광흡수 패턴(105)은 상기 마이크로 렌즈(80) 사이의 상기 트랜치(97) 내부에 형성되어 경사각을 가지고 입사하는 빛이 인접하는 단위픽셀로 입사하는 것을 방지하여 크로스 토크 발생을 차단할 수 있다. 즉, 상기 광흡수 패턴(105)이 반사방지막 물질로 형성되어 경사각을 가지는 입사광이 인접하는 픽셀로 진행될 때 상기 광흡수 패턴(105)으로 흡수되므로 크로스 토크를 억제할 수 있는 것이다.
추가적으로, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 광흡수 패턴(105)의 상부에 리세 스홈(107)이 형성된다. 상기 리세스홈(107)은 상기 광흡수 패턴(105)만을 선택적으로 식각하는 리세스 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 리세스 공정에 의하여 상기 보조렌즈(95)의 상부에 남아있는 상기 광흡수막(100)의 잔유물을 모두 제거하여 이미지 센서의 이미지 특성을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에 의하면, 마이크로 렌즈(80) 상부에 보조렌즈(95)가 형성되어 포토다이오드(20)의 집광율을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 보조렌즈(95)는 대기보다 굴절률이 크기 때문에 경사각을 갖고 입사하는 빛들을 상기 마이크로 렌즈(80)로 1차로 모을 수 있다. 그리고, 1차로 상기 마이크로 렌즈(80)로 모아진 빛들은 상기 마이크로 렌즈(80)의 높은 굴절률에 의하여 상기 포토다이오드(20)로 모아지게 되므로 필팩터 향상에 의하여 이미지특성을 개선할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈(80) 사이에는 광흡수 패턴(105)이 형성되어 큰 경사각을 가지고 입사하는 빛이 해당하는 단위픽셀이 아닌 인접하는 단위픽셀의 렌즈로 진행하는 경우 상기 광흡수 패턴(105)이 이를 흡수하여 크로스 토크 즉 간섭현상을 억제함으로써 이미지센서의 감도를 최적화시킬 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
Claims (10)
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- 반도체 기판 상에 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 금속배선 및 층간절연층을 형성하는 단계;상기 포토다이오드에 대응하도록 상기 층간절연층 상에 형성되고 상호 이격되도록 갭영역을 가지는 컬러필터를 형성하는 단계;상기 갭영역이 노출되도록 상기 컬러필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;상기 마이크로 렌즈 및 갭영역 상에 렌즈층을 형성하는 단계: 및상기 갭영역에 대응하는 상기 렌즈층을 관통하도록 상기 마이크로 렌즈 사이에 광흡수 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 렌즈층을 형성하는 단계는,상기 마이크로 렌즈 상에 저온 산화막을 형성하는 단계; 및상기 저온 산화막에 대한 CMP 공정을 진행하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 광흡수 패턴을 형성하는 단계는,상기 마이크로 렌즈에 대응하도록 상기 렌즈층 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 렌즈층을 식각하여 상기 갭영역을 노출시키는 트랜치를 형성하는 단계;상기 트랜치 내부가 갭필되도록 광흡수층을 형성하는 단계; 및상기 광흡수층에 대한 에치 백(etch back) 공정을 진행하여 상기 트랜치 내부에만 광흡수 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 광흡수층이 상기 렌즈층에 남아있지 않도록 리세스 공정을 더 진행하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 광흡수 패턴은 반사방지 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 저온 산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
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