KR20010059238A - 광감도 개선을 위한 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20010059238A
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임부택
오세중
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박종섭
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Abstract

본 발명은 산란 및 굴곡에 의해 들어오는 잡음성 빛의 유입을 막아 데이터의 잡음을 방지하기 위한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 이미지센서는, 광감지소자를 포함하는 소정의 소자가 형성된 기판; 상기 광감지소자에 대응되는 위치의 상기 기판 상에 패턴된 칼라필터; 이웃하는 칼라필터와의 경계 부위에 형성되어 외부에서 입사되는 잡음성 빛을 차단하는 반사층; 및 상기 칼라필터상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

광감도 개선을 위한 이미지센서 및 그 제조방법{Image sensor structure to improved photo sensitivity and method for fabricating the same}
본 발명은 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 집광을 효과적으로 구현하기 위한 구조의 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서(image sensor)라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(charge coupled device: 이하 CCD)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon: 이하 MOS) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 광감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다.
도1은 종래기술에 의한 집광기술을 보여주는 종래의 이미지센서 단면도로서, 도1에는 집광에 관련된 이미지센서의 주요부분만이 개략적으로 도시되어 있다.
도1을 참조하면, 종래의 이미지센서는 소자분리절연막(2)이 형성된 실리콘기판(1) 표면 하부에 수광소자로서 포토다이오드(3)가 형성되고 그밖에 이미지센서를 구성하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터 등의 CMOS 소자(도면에 도시되지 않음)들이 형성된다. 소자분리절연막(2) 상에 형성된 패턴은 트랜지스터의 게이트전극 패턴시 형성된 워드선(4)을 나타낸다. 이어 금속배선전절연막(PMD : pre metal dielectric)(5)이 형성되고, 제1금속배선(6)이 형성되며 다시 금속배선간절연막(IMD : inter metal dielectric)(7)이 형성된 후 제2금속배선(8)이 형성된다. 금속배선은 단층 또는 3층 배선으로 형성될 수도 있다. 이어 소자보호막(9)이 형성되고 소자보호막 상에 칼라필터(calor filter)(10)가 형성된다. 칼라필터는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 3가지 칼라필터가 어레이되어 형성된다. 이어 칼라필터어레이 상에 평탄화 및 초점거리 조절을 위한 버퍼층(11)이 형성되고 그 위로 마이크로렌즈(12)가 형성된다.
통상적으로 칼라필터(10)의 재료로는 염료가 첨부된 레지스트가 주로 이용되고 있으며, 마이크로렌즈(12)의 재료로는 레지스트 또는 그와 유사한 수지(resin)가 주로 이용된다. 또한, 금속배선전절연막(5), 금속층간절연막(9) 및 소자보호막(9)은 광투과 절연막으로서 각각 단층 또는 다층의 산화물계 박막 또는/및 질화물계 박막이 적용된다. 그리고, 버퍼층(11) 역시 광투과물질로서 산화물계 박막 또는 포토레지스트가 적용된다.
한편, 마이크로렌즈(12)는 단위화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 포토다이오드까지의 깊이, 그리고 금속배선의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률반경으로 형성되어야 한다.
그러나, 점점 이미지센서가 고집적화 되어감에 따라 역시 단위화소의 크기가 축소되면서 마이크로렌즈의 크기도 그에 따라 축소되며 또한 마이크로렌즈로부터 포토다이오드까지의 깊이는 깊어지게 되는 바, 이에 의해 마이크로렌즈가 정확한 광집속 기능을 수행하도록, 즉 원하는 포토다이오드에 정확히 광을 집속하도록, 그 두께 및 곡률 반경 등을 설정하기가 매우 어렵게 된다.
따라서, 공정 오차 등에 의해 마이크로렌즈는 불균일하게 형성되며 이에 의해 빛이 산란 및 굴곡지므로써 경로가 휘거나 원하지 않는 방향으로 잡음성 빛이 입사되게 된다. 따라서, 잡음성 데이터가 발생되게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 산란 및 굴곡에 의해 들어오는 잡음성 빛의 유입을 막아 데이터의 잡음을 방지하기 위한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
도1은 종래기술에 의한 이미지센서의 구조 및 잡음성 빛의 경로를 보여주는 단면도,
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조 공정도,
도3은 반사층의 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실리콘기판 2 : 소자분리절연막
3 : 포토다이오드 4 : 워드선
5 : 금속배선전절연막 6 : 제1금속배선
7 : 금속층간절연막 8 : 제2금속배선
9 : 소자보호막 10 : 칼라필터
11 : 버퍼층 12 : 마이크로렌즈
13 : 반사층
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이미지센서는, 광감지소자를 포함하는 소정의 소자가 형성된 기판; 상기 광감지소자에 대응되는 위치의 상기 기판 상에패턴된 칼라필터; 이웃하는 칼라필터와의 경계 부위에 형성되어 외부에서 입사되는 잡음성 빛을 차단하는 반사층; 및 상기 칼라필터상에 형성된 마이크로렌즈를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이해를 돕기 위하여 종래기술과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 인용하였다.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 제조 공정도이다.
먼저, 도2c를 참조하여 본 실시예에 따른 이미지센서의 구조를 살펴보고, 이어서 이구조를 제조하기 위한 방법을 살펴보도록 한다.
도2c를 참조하면, 소자분리절연막(2)이 형성된 실리콘기판(1) 표면 하부에 수광소자로서 포토다이오드(3)가 형성되고 그밖에 이미지센서를 구성하는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터 등의 CMOS 소자(도면에 도시되지 않음)들이 형성된다. 소자분리절연막(2) 상에 형성된 패턴은 트랜지스터의 게이트전극 패턴시 형성된 워드선(4)을 나타낸다. 이어 금속배선전절연막(5)이 형성되고, 제1금속배선(6)이 형성되며 다시 금속층간절연막(7)이 형성된 후 제2금속배선(8)이 형성된다. 금속배선은 단층 또는 3층 배선으로 형성될 수도 있다. 이어 소자보호막(9)이 형성되고 소자보호막 상에 칼라필터(10)가 형성된다. 칼라필터는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 3가지 칼라필터가 어레이되어 형성되는데, 본 실시예에서는 각 칼라필터의 경계부위에는 광에 대해 고반사율을 갖는 반사층(13)이 형성되어 있음을 주목하여야 한다. 이어 칼라필터어레이 상에 평탄화 및 초점거리 조절을 위한 버퍼층(11)이 형성되고 그 위로 마이크로렌즈(12)가 형성된다.
결국, 본 실시예에 따른 이미지센서는 각 칼라필터의 경계 부위에 반사층(13)이 형성되어 있으므로, 이부분을 통하여 입사되는 잡음성 빛을 차단할 수 있어 안정된 데이터를 얻는 것이 가능하다.
그럼, 이러한 구조를 얻기 위한 제조방법의 바람직한 실시예를 살펴본다.
도2a는 통상적인 방법으로 칼라필터를 형성하기 직전까지의 공정을 진행한 다음, 최상부층인 소자보호막(9) 상에 3가지 칼라필터의 각 경계부위에 반사층(13) 패턴을 형성한 상태이다. 도3은 반사층의 평면도이다. 본 실시예에서는 3층의 절연막(5, 7, 9)을 도시하고 있으나 소자보호막 상에는 별도로 평탄화 등을 위한 버퍼층이 더 형성될 수 있고, 절연층 역시 다층으로 형성될 수 있다. 반사층(15)은 실리콘(Si)층, 티타늄(Ti)층, 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄(Al)층, 구리(Cu)층 및 텅스텐(W)층 등 광에 대해 고반사율을 갖는 박막은 모두 적용될 수 있다.
상기 반사층 패턴을 형성하기 위한 구체적인 공정의 일예로서는, 먼저 소자보호막(9) 상에 얇게 예컨대 텅스텐막과 같은 금속막을 증착하고, 도3의 형상(빗금친 부분이 닫힌)을 갖는 마스크를 사용하여 금속막을 식각한 다음, 선택적 성장법에 의해 금속막을 성장시키는 방법이 있다.
이어서, 도2b에 도시된 바와 같이, 광감지소자인 포토마스크에 대향되는 위치에 각각 칼라필터(10)를 형성한다. 예컨대 레드(R) 칼라필터가 먼저 형성된다면레드색의 레지스트를 도포한 후 선택적 노광 및 현상하는 방법을 사용하고 이후 동일한 방법으로 블루(B) 및 그린(G) 칼라필터를 형성하면된다. 이에 의해 각 칼라필터의 경계부위에는 반사층(13)이 형성되는 구조가 형성되게 된다.
이어서, 도2c에 도시된 바와 같이, 레지스트 또는 산화막 또는 질화막계열의 절연막으로 평탄화된 버퍼층(11)을 그 위에 마이크로렌즈(12)를 형성한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이미지센서는 산란 및 굴곡에 의해 들어오는 잡음성 빛의 유입을 막아 데이터의 잡음을 방지하므로써, 이미지센서의 성능 및 신뢰성을 크게 향상시키는 탁월한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 이미지센서에 있어서,
    광감지소자를 포함하는 소정의 소자가 형성된 기판;
    상기 광감지소자에 대응되는 위치의 상기 기판 상에 패턴된 칼라필터;
    이웃하는 칼라필터와의 경계 부위에 형성되어 외부에서 입사되는 잡음성 빛을 차단하는 반사층; 및
    상기 칼라필터상에 형성된 마이크로렌즈
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 실리콘층, 티타늄층, 티타늄나이트라이드, 알루미늄층, 구리층 또는 텅스텐층 중 어느 하나임을 특징으로 하는 이미지센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 칼라필터와 상기 마이크로렌즈사이에 기판 평탄화를 위한 버퍼층을 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이미지센서.
  4. 이미지센서 제조방법에 있어서,
    광감지소자를 포함하는 소정의 소자가 형성된 기판을 준비하는 제1단계;
    상기 제1단계가 완료된 결과물 전면에 얇은 텅스텐막을 증착하는 제2단계;
    상기 텅스텐막을 식각하여 각 칼라필터의 경계부위에 패턴된 텅스텐패턴을 형성하는 제3단계;
    상기 텅스텐패턴 상에 선택적 성장에 의해 텅스텐을 성장시키는 제4단계;
    결과물 상에 칼라필터를 형성하는 제4단계; 및
    상기 칼라필터 상부에 마이크로렌즈를 형성하는 제5단계
    를 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제4단계는,
    상기 칼라필터를 형성한 후 상기 칼라필터 상에 평탄화된 버퍼층을 형성하는 제6단계를 더 포함하여 이루어진 이미지센서 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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